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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine, sowie auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Mit der
DE 10 2011 084 763 A1 ist eine elektrische Maschine bekannt geworden, bei der ein Stator in einen Poltopf angeordnet ist. Auf dem Poltopf ist ein Deckelteil angeordnet, in dem eine Rotorwelle gelagert ist. Das Deckelteil ist hierbei aus Kunststoff gefertigt und weist elektrische Leiterelemente zur Verschaltung der elektrischen Wicklung des Stators auf. Dabei werden die Spulendraht-Enden der Wicklungen axial durch das Deckelteil hindurchgeführt und an der Oberseite des Deckelteils mit den Leiterelementen verbunden. Das Deckelteil weist eine seitliche Erweiterung auf, die als seitlich abgehender Anschluss-Stecker ausgebildet ist, dessen Pins sowohl mit den Leiterelementen als auch mit einer Leiterplatte verbunden sind. An einem freien Ende der Rotorwelle ist ein Signalgeber für eine Rotorlageerkennung angeordnet. Axial gegenüberliegend zum Signalgeber liegt die Leiterplatte, auf der ein nicht näher dargestelltes Sensorelement zur Signalauswertung angeordnet ist. Auf das Deckelteil aus Kunststoff wird ein Metalldeckel mit Kühlrippen mittels Klemmelementen montiert.
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Nachteil einer solchen Ausführung ist, dass durch den seitlichen Abgang des Anschluss-Steckers die elektrische Maschine in Radialrichtung einen großen Bauraum beansprucht. Die axiale Montage der Leiterplatte in das Kunststoff-Deckelteil mit dem Anschluss-Stecker erlaubt keinen zentralen axialen Steckerabgang.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteil der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben den Vorteil, dass durch die Anordnung einer Ringdichtung der Anschluss-Stecker zuverlässig gegenüber der Aussparung im Metalldeckel abgedichtet werden kann. Auf diese Weise kann der Steckerabgang des Anschluss-Steckers an der axialen Deckelfläche des Metalldeckels angeordnet werden, wodurch die elektrische Maschine ohne radiale Fortsätze in einem relativ dünnen zylindrischen Bauraum einsetzbar ist. Die Aussparung im Metalldeckel ist hierbei besonders günstig kreisrund ausgebildet und axial gegenüberliegend zum Rotor im Metalldeckel ausgestanzt. Diese kreisförmige Aussparung kann besonders günstig mit einer Ringdichtung gegenüber dem Steckergehäuse abgedichtet werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen vorgegebenen Ausführungen möglich. Das Steckergehäuse ist vorteilhaft aus Kunststoff hergestellt und weist als axialen Fortsatz den Anschluss-Stecker auf. Dabei werden die Stecker-Pins als Einlegeteile beim Spritzgießen des Steckergehäuses direkt umspritzt. Das Steckergehäuse weist dabei eine zylinderförmige Umfangswand auf, die vorteilhaft axial auf den offenen Poltopf aufgesetzt wird. Innerhalb der zylindrischen Umfangswand sind die elektrischen Kontakte der Stecker-Pins angeordnet. Die Außenseite der Umfangswand bildet eine radiale Dichtfläche, auf die die Ringdichtung aufgeschoben werden kann.
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Um die Ringdichtung auf dem Steckergehäuse exakt zu positionieren, ist an der Umfangswand ein axialer Bund ausgeformt, an den die Ringdichtung axial anliegt. Dadurch kann auch verhindert werden, dass beim Aufsetzen des Metalldeckels auf das Steckergehäuse die Ringdichtung axial verrutscht oder sich verwindet. Diese axiale Anlagefläche kann gleichzeitig auch als axiale Dichtfläche ausgebildet sein, so dass das Steckergehäuse sowohl eine radiale als auch eine axiale Dichtfläche für die Ringdichtung aufweist.
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Zur Ausbildung einer Radialdichtung presst der Metalldeckel mit einer radialen Innenseite den Dichtring radial gegen die radiale Dichtfläche des Steckergehäuses. Der Metalldeckel kann kostengünstig als Tiefziehteil ausgebildet sein, wobei dessen zylindrische Innenseite direkt als radiale Gegendichtfläche für den Radialdichtring ausgebildet ist.
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Um eine Axialdichtung zu realisieren, weist der Metalldeckel eine sich quer zur Rotorwelle erstreckende Deckelfläche auf, deren Innenseite als axiale Anlagefläche für die Ringdichtung ausgebildet ist. Wird der Metalldeckel axial auf das Steckergehäuse gefügt, kann so die ringförmige axiale Innenfläche des Metalldeckels mit dem gegenüberliegenden axialen Bund des Steckergehäuses und dem dazwischenliegenden Dichtungsring eine Axialdichtung ausbilden.
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Das Steckergehäuse weist an seiner axial oberen Seite eine Sockelfläche auf, an der der Anschluss-Stecker angeformt ist. Dieser Sockel ist besonders günstig rund ausgebildet und liegt mit seiner radialen Umfangsseite am inneren radialen Rand der kreisrunden Aussparung des Metalldeckels an. Die Ringdichtung ist damit durch die ringförmige Deckelfläche des Metalldeckels zuverlässig abgeschirmt, so dass kein Wasserstrahl direkt auf die Ringdichtung treffen kann. Auf diese Weise ist das Steckergehäuses gegenüber dem Metalldeckel zuverlässig abgedichtet.
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Durch die Anordnung des Dichtrings im axial oberen Bereich der Umfangswand des Steckergehäuses sind auch radiale Aussparungen in der Umfangswand zuverlässig abgedichtet, die axial unterhalb der radialen Dichtfläche angeordnet sind. So sind in der Umfangswand beispielsweise radiale Fenster für die Ausbildung von Schweißverbindungen im Inneren des Steckergehäuses ausgeformt. Dadurch können die elektrischen Kontakte der Stecker-Pins mit den entsprechenden Anschluss-Pins oder Massekontakten des Stators elektrisch verbunden werden, nachdem das Steckergehäuse bereits auf den Poltopf aufgesetzt wurde. Da der Metalldeckel direkt axial gegenüber dem Poltopf abgedichtet ist, kann an den gesamten axial unteren Bereich unterhalb der radialen Dichtfläche des Steckergehäuses keine Feuchtigkeit gelangen.
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Zusätzlich zu dem axialen Bund für die Ringdichtung kann eine weitere axiale Anlagefläche an der äußeren Umfangswand des Steckergehäuses ausgebildet werden, an der eine axiale Feder angelegt werden kann, die eine axiale Vorspannkraft zwischen dem Steckergehäuse und dem Metalldeckel ausübt. Dazu ist an der Innenseite des Metalldeckels eine korrespondierende gegenüberliegende axiale Gegenanschlagsfläche ausgebildet. Nach der Befestigung des Metalldeckels am Poltopf presst diese hülsenförmige Feder das Steckergehäuse ununterbrochen gegen den Flansch des Poltopfes, um Fertigungstoleranzen und unterschiedliche Materialausdehnungen der verschiedenen Bauteile über einen großen Temperaturbereich auszugleichen.
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Für eine axial günstige Montagereihenfolge der elektrischen Maschine sind die radialen Abmessungen des Anschluss-Steckers mit dessen Sockel kleiner als die lichte Weite der Aussparung im Metalldeckel. Dadurch kann der Metalldeckel axial direkt über den Anschluss-Stecker auf das Steckergehäuse gefügt werden. Dies gilt insbesondere auch für den Fall, dass die elektrischen Kontakte axial auf den Sockel nach oben geführt werden, jedoch der Steckerkragen rechtwinklig abgebogen ist, so dass die Stecker-Pins sich in Radialrichtung erstrecken. Dadurch kann ein Kundenstecker radial an die elektrische Maschine angeschlossen werden, ohne dass dabei ein Anschluss-Stecker als radialer Fortsatz an der elektrischen Maschine zusätzlichen radialen Bauraum beansprucht.
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Um eine zuverlässige Dichtwirkung zu erzielen, weist der Dichtring mehrere axial nebeneinander angeordnete Dichtlippen auf. Besonders günstig ist es dabei, wenn an dem Dichtring in beide radial gegenüberliegenden Richtungen jeweils mindestens zwei Dichtlippen angeordnet sind. Durch die Ausbildung der Radialdichtung bleibt der Motorinnenraum auch dann zuverlässig abgedichtet, wenn sich aufgrund von Erschütterungen oder Temperaturausdehnungen das Steckergehäuse in gewissen Grenzen axial gegenüber dem Metalldeckel verschiebt. Zusätzlich können an einer oder beiden axialen Seiten der Ringdichtung axiale Dichtlippen angeordnet sein, die zusätzlich zur Radialdichtung eine Axialdichtung bewirken.
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Durch die Ausbildung mehrerer Dichtlippen an einer Seite der Ringdichtung entstehen zwischen den Dichtlippen sogenannte Entlastungskammern, die beim Eindringen von Feuchtigkeit oder Schmutz eine Barriere für die nächste Dichtlippe bilden.
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Wird der Metalldeckel über seinen gesamten Umfang mittels einer Schweißnaht mit dem Flansch des Poltopfes verschweißt, entsteht bis auf den Sockel mit dem Anschluss-Stecker ein sehr robustes Metallgehäuse, das einerseits erschütterungsfest ausgebildet ist, und andererseits als elektromagnetische Abschirmung dient. Ist an der zylindrischen Umfangswand des Metalldeckels eine radiale Stufe ausgebildet, kann die daraus resultierende axiale Anschlagsfläche an der Innenseite des Metalldeckels als axialer Anschlag für die Axialfeder genutzt werden. Dabei kann mit der Herstellung des Metalldeckels gleichzeitig die radiale- und gegebenenfalls die axiale Dichtfläche für die Ringdichtung ausgebildet werden, und gleichzeitig der radiale Bauraum zwischen der Umfangswand des Steckergehäuses und der Innenseite des Metalldeckels für die hülsenförmige Rohrfeder zur Verfügung gestellt werden.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn im Steckergehäuse Sensor-Pins eingespritzt sind, die mit einem Sensorelement verbunden sind, das an der Innenseite des Steckergehäuses angeordnet ist. Ragt die Rotorwelle mit einem freien Ende durch das Lagerschild in das Innere des Steckergehäuses hinein, kann auf der Rotorwelle ein Signalgeber befestigt werden, dessen Signal für die Erfassung der Rotorlage von dem Sensorelement ausgewertet werden kann. Eine solche Sensoranordnung ohne die Verwendung einer Leiterplatte als Träger, kann auch bei sehr hohen Temperaturen und Erschütterungen eingesetzt werden.
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Durch das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren kann sowohl der Stator mit dem Lagerschild, als auch das Steckergehäuse jeweils als vorgefertigte Einheit hergestellt werden, die dann axial ineinander gefügt werden. Dadurch können dann die elektrischen Kontakte mit den entsprechenden Gegenkontakten innerhalb des Gehäuses elektrisch verbunden werden. Dabei sind alle elektrischen Kontakte mit den entsprechenden Gegenkontakten radial innerhalb der Umfangswand des Steckergehäuses und radial innerhalb des Außendurchmessers des Poltopfs angeordnet, sodass die elektrische Maschine eine schlanke zylindrische Bauform ohne radiale Überstände bildet. Nach der Fertigstellung der elektrischen Verbindungen kann auf das Steckergehäuse ein Metallgehäuse aufgesetzt werden, das sowohl gegenüber dem Poltopf als auch gegenüber dem Anschluss-Stecker, der durch die axiale Aussparung im Metallgehäuse nach außen ragt, abgedichtet ist. Hierzu kann auf die radiale äußere Dichtfläche am Steckergehäuse der Dichtring aufgesetzt werden, an dem dann radial die Innenseite des Metallgehäuses dichtend aufgeschoben wird. Dadurch ist die kreisrunde Aussparung im Metalldeckel mittels des Dichtrings zuverlässig über große Temperaturbereiche abgedichtet. Die radiale Seitenwand des Metallgehäuses umschließt dabei das Steckergehäuse vollständig und ist über den gesamten Umfang dicht mit dem Poltopf verschweißt. Eine solche Schweißnaht kann sehr günstig zwischen dem Flansch des Poltopfes und dem axial unteren Rand des Metalldeckels angebracht werden.
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Bei diesem Fertigungsverfahren kann das Steckergehäuse vorab komplett mit allen elektrischen und elektronischen Bauteilen bestückt und diese untereinander elektrisch kontaktiert werden, wozu vorteilhaft elektrische Leiter als Einlegeteile mit dem Steckergehäuse umspritzt sind. Werden ein Drehlagensensor und entsprechende Entstörbauteile ohne die Verwendung einer Leiterplatte direkt an der Innenwand des Steckergehäuses befestigt, können diese Elektronikkomponenten auch bei sehr hohen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden. Durch das axiale Verspannen des Steckergehäuses gegenüber dem Metalldeckel mittels der Rohrfeder können dabei unterschiedliche Materialausdehnungen ausgeglichen werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
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2 eine Ansicht gemäß 1 vor der Montage des Metalldeckels,
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3 eine Ansicht gemäß 1 nach der Montage des Metalldeckels,
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4 einen Querschnitt der Ringdichtung im unbelasteten Zustand
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5 einen Querschnitt durch die Ringdichtung im eingebauten Zustand
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6 ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer fertig montierten elektrischen Maschine 10, bei der ein Stator 16 in einem Gehäuse 14 einer elektrischen Maschine 10 eingesetzt ist. Dabei weist der Stator 16 Spulenträger 36 auf, die beispielsweise als Einzelsegmente 62 separat ausgebildet sind, und mit elektrischen Wicklungen 17 bewickelt sind. Dabei dient das Gehäuse 14 als Poltopf 15, der einen magnetischen Rückschluss für die elektrischen Wicklungen 17 bildet. Der Poltopf 15 weist an seinem offenen Ende einen Flansch 32 auf, auf den weitere Bauteile aufgesetzt sind. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist der Poltopf 15 an seiner Bodenfläche 40 eine Öffnung auf, durch die eine Rotorwelle 20 hindurchragt, um ein Drehmoment der elektrischen Maschine 10 über ein Abtriebselement 64 an ein nicht dargestelltes Getriebeelement zu übertragen. An der Bodenfläche 40 ist ein erster Lagersitz 70 ausgeformt, in dem ein erstes Wälzlager 72 eingefügt ist. Der Innenring 73 des ersten Wälzlagers 72 ist dabei fest mit der Rotorwelle 20 verbunden. Somit bildet das erste Wälzlager 72 ein Festlager für den Rotor 18. Der Rotor 18 weist einen Rotorkörper 65 auf, der Permanentmagnete 68 trägt, die mit den elektrischen Wicklungen 17 zusammenwirken. Der Rotorkörper 65 besteht beispielsweise aus einzelnen, gestapelten Lamellenblechen 66, in denen Aussparungen 67 für die Permanentmagnete 68 ausgestanzt sind. Die Spulendraht-Enden 19 der Wicklungen 17 ragen in Axialrichtung 4 über die elektrischen Spulen 63 hinaus. Eine Verschaltungsplatte 22 ist axial auf den Stator 16 aufgesetzt, wobei aus einem Kunststoffkörper 21 ragende Leiterelemente 23 an Befestigungsabschnitten 25 mit dem Spulendraht der Spulen 63 verbunden sind. Dabei sind die elektrischen Verbindungen zwischen dem Spulendraht und den Befestigungsabschnitten 25 beispielsweise durch Verschweißen, Verlöten oder Vercrimpen gebildet. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel weisen genau drei Leiterelemente 23 jeweils einen Anschluss-Pin 26 für die Phasen U, V und W auf. Der Kunststoffkörper 21 stützt sich in Axialrichtung 4 über angeformte Abstandshalter 42 am Stator 16 ab. Die Abstandshalter 42 der Verschaltungsplatte 22 sind an deren radial äußerem Rand angeformt. Im Ausführungsbeispiel liegen die Abstandshalter 42 an den Spulenträger-Elementen 36 an, auf die die elektrischen Wicklungen 17 gewickelt sind. Die Spulenträger-Elemente 36 sind hier als Einzelsegmente 62 für jede Spule 63 ausgebildet. Dabei ist auf den Spulenträger-Elementen 36 jeweils eine Isoliermaske 61 für die elektrische Wicklungen 17 angeordnet. Der Kunststoffkörper 21 ist ringförmig ausgebildet, so dass in seiner mittleren Ausnehmung 44 die Rotorwelle 20 des Rotors 18 hindurchragen kann.
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Axial oberhalb der Verschaltungsplatte 22 ist ein Lagerschild 54 angeordnet, das an seinem radial äußeren Rand mit dem Poltopf 15 verschweißt ist. Beispielsweise greift das Lagerschild 54 hierbei in einen zylindrischen Absatz 89 im Flansch 32 des Poltopfes 15. Das Lagerschild 54 weist einen zweiten Lagersitz 55 auf, der als axialer Fortsatz 53 axial in die mittlere Ausnehmung 44 der Verschaltungsplatte 22 eingreift. Im zweiten Lagersitz 55 ist ein zweites Wälzlager 56 aufgenommen, mittels dessen die Rotorwelle 20 drehbar im Stator 16 gelagert ist. Das zweite Wälzlager 56 ist beispielsweise als Kugellager ausgebildet und stellt ein Loslager für den Rotor 18 dar. Dabei ist ein Außenring 58 des zweiten Wälzlagers 56 drehfest in dem zweitem Lagersitz 55 des Lagerschilds 54 befestigt. Der Innenring 57 ist axial verschiebbar auf der Rotorwelle 20 gelagert. Das zweite Wälzlager 56 ist dabei axial in der gleichen Ebene wie die Verschaltungsplatte 22 angeordnet, so dass die elektrische Maschine 10 in Axialrichtung 4 sehr kompakt ausgebildet ist. Das Lagerschild 54 weist im Ausführungsbeispiel einzelne radiale Stege 59 auf, zwischen denen hindurch die als Aufnahmehülsen 27 ausgebildeten Befestigungsabschnitte 25 axial nach oben ragen. In Löchern der Aufnahmehülsen 27 sind Spulendraht-Enden 19 der Spulen 63 eingefügt. Ebenso erstrecken sich die Anschluss-Pins 26 von dem Kunststoffkörper 21 durch das Lagerschild 54 hindurch, um mit entsprechenden Kontakten 30 des Anschluss-Steckers 37 verbunden werden zu können. In der Schnittdarstellung durch den Kunststoffkörper 21 sind Verbindungsabschnitte 24 verschiedener Leiterelemente 23 im Querschnitt erkennbar. Die abgeflachten Querschnitte sind sowohl bezüglich der Axialrichtung 4, als auch gegenüber der Radialrichtung 3 versetzt zueinander angeordnet. Dadurch können beispielsweise vier einzelne Leiterelemente 23 in genau zwei axialen Ebenen 8, 9 angeordnet werden. Im der Schnittdarstellung sind axiale Kanäle 28 im Kunststoffkörper 21 zu sehen, die von Haltewerkzeugen für die Leiterelemente 23 im Spritzguss-Werkzeug herrühren. Die Verschaltungsplatte 22 wird zur Vibrationsdämpfung von axialen Federmitteln 246 vom Lagerschild 54 axial nach unten gegen die Spulenträger 36 gepresst. Die Federmittel 246 sind beispielsweise als axialer Federring ausgebildet, der die Rotorwelle 20 umschließt. Der Federring ist bevorzugt als Wellscheibe 250 ausgebildet, die sich axial am Lagerschild 54 und an der Verschaltungsplatte 22 abstützt. Das Federmittel 246 erzeugt eine axiale Vorspannung, die die Verschaltungsplatte 22 auch über einen großen Temperaturbereich und bei großen Schüttelbelastungen exakt positioniert hält. Der Rotor 18 ist axial gegenüber dem zweiten Wälzlager 56 mittels einer Druckfeder 86 vorgespannt. Die Druckfeder 86 – beispielsweise eine Spiralfeder 87 – stützt sich einerseits am Rotorkörper 65 und andererseits am Innenring 57 des zweiten Wälzlagers 56 ab.
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Axial oberhalb des Lagerschilds 54 ist ein Steckergehäuse 33 angeordnet, an dem ein nicht näher dargestellter äußerer Anschluss-Stecker 37 zur Stromversorgung der elektrischen Maschine 10 angeformt ist. Am Steckergehäuse 33 sind an dessen Innenseite 29 die elektrischen Kontakte 30 angeordnet, die mit den Anschluss-Pins 26 der Verschaltungsplatte 22 verbunden sind. Die Verschaltungsplatte 22 ist sowohl mit den Spulendraht-Enden 19 als auch mit den elektrischen Kontakten 30 des Anschlusssteckers 37 verbunden ist. Beispielsweise erstrecken sich die elektrischen Kontakte 30 als Kontaktlaschen 34 axial nach unten, so dass sie unmittelbar benachbart zu den Anschluss-Pins 26 angeordnet sind und dann beispielsweise miteinander verschweißt werden. Um die korrekte Lage der Anschluss-Pins 26 in Umfangsrichtung 2 zu gewährleisten, weist die Verschaltungsplatte 22 gegenüber dem Stator 16 und/oder gegenüber dem Lagerschild 54 Positionierungselemente 60 auf, die mit entsprechenden Gegenelementen zusammenwirken. Ebenso ist das Steckergehäuse 33 gegenüber dem Lagerschild 54 mittels einer Drehsicherung 102, 103 positioniert. Im Steckergehäuse 33 ist ein Sensorelement 74 befestigt, das mit einem Signalgeber 75 auf der Rotorwelle 20 zusammenwirkt, um deren Rotorlage zu erfassen. Das Sensorelement 74 ist beispielsweise mit einer ebenen Grundfläche 115 eines Sensorgehäuses 79 an der Innenseite 29 des Steckergehäuses 33 festgeklebt. Zur Drehlageerfassung wird nach der Montage des Lagerschilds 54 ein Magnethalter 78 am freien Ende 80 der Rotorwelle 20 aufgepresst, der einen Sensormagnet 76 aufnimmt. Dessen rotierendes Magnetfeld wird vom Sensorelement 74 erfasst, das als hochauflösender Magnetfeldsensor 77 ausgebildet ist. Über das Steckergehäuse 33 ist ein Metalldeckel 81 gefügt, der am Flansch 32 des Poltopfes 15 mittels der Schweißnaht 154 dicht festgeschweißt ist. Sowohl das Steckergehäuse 33 als auch der Metalldeckel 81 weisen jeweils eine kreisförmige Umfangswand 82, 83 auf, die radial nebeneinander angeordnet sind. Zwischen dem Steckergehäuse 33 und der Innenseite des Metalldeckels 81 ist ein Radialdichtring 84 eingepresst, der die elektrische Maschine 10 zum Anschluss-Stecker 37 hin abdichtet. Des Weiteren ist zwischen dem Steckergehäuse 33 und der dem Metalldeckel 81 ein axiales Federelement 85 angeordnet, das das Steckergehäuse 33 axial gegen den Flansch 32 des Poltopfes 15 presst.
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2 zeigt eine elektrische Maschine 10, bei der das Steckergehäuse 33 auf den Poltopf 15 aufgesetzt ist, bevor der Metalldeckel 81 über das Steckergehäuse 33 gefügt wird. Das Steckergehäuse 33 weist an seinem offenen Ende zum Poltopf 15 hin einen über den gesamten Umfang geschlossenen Rand 140 auf. Von dem unteren Rand 140 des Steckergehäuses, der sich am Poltopf 15 axial abstützt, erstreckt sich in Axialrichtung 4 die Umfangswand 83, in der radiale Fenster 110 für den Eingriff von Schweiß-Werkzeugen ausgeformt sind. Beispielsweise wird ein freier Kondensatoranschluss 134 eines im Steckergehäuse 33 befestigten Kondensators gegen einen Massekontakt 95 des Lagerschildes 54 gepresst, und dann durch das Fenster 110 hindurch verschweißt. In Umfangsrichtung 2 benachbart sind weitere radiale Fenster 110 angeordnet, durch die hindurch mittels der Schweiß-Werkzeuge die Anschluss-Pins 26 mit den Kontaktlaschen 34 des Steckergehäuses 33 verschweißt werden. Die Anschluss-Pins 26 erstrecken sich in Axialrichtung 4 parallel zu den Kontaktlaschen 34. Dabei überlappen diese in Axialrichtung 4 und liegen bezüglich der Umfangsrichtung 2 aneinander an. Während des Schweißvorgangs wird das Steckergehäuse 33 von einer Montagevorrichtung axial gegen den Poltopf 15 gedrückt. Dabei werden bei dieser Ausführung die Schweißverbindungen zwischen den Anschluss-Pins 26 und den Kontaktlaschen 34 ebenso wie die Schweißverbindung zwischen dem Massekontakt 95 des Lagerschilds 54 und dem freien Kondensatoranschluss 134 beispielsweise mit einem identisch ausgebildeten Schweiß-Werkzeug ausgebildet. Anstelle des freien zweiten Kondensator-Anschlusses 134 kann alternativ auch eine separate Kontaktfeder oder ein integrierter Federarm an einem zweiten Kontaktelement für den Kondensator ausgebildet sein, so dass die Schweißverbindung und das erste Fenster 110 für den freien Kondensator-Anschluss 134 entfällt. Hingegen wird dann der Massekontakt 95 direkt beim axialen Aufsetzen des Steckergehäuses 33 auf den Poltopf 15 durch die federnde Kontaktierung zu dem Lagerschild 54 herstellt. Bei dieser Ausführung weist dann das Steckergehäuse 33 insgesamt nur genau drei Fenster 110 für die U, V, W-Verschweißung auf.
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Die Umfangswand 83 des Steckergehäuses 33 weist hier im axialen Bereich der radialen Fenster 110 einen radialen Versatz 146 auf, um einen ringförmigen axialen Bund 144 für den Dichtring 84 auszubilden. Der Dichtring 84 ist axial auf diesen ringförmigen Bund 144 aufgesetzt, so dass er über den gesamten Umfang radial an einer zylinderförmigen radialen Dichtfläche 148 der Umfangswand 83 anliegt. Axial oberhalb der radialen Dichtfläche 148 geht die Umfangswand 83 in eine axiale Deckelwand 117 des Steckergehäuses 33 über, an der der Anschluss-Stecker 37 angeformt ist. Dabei ist ein runder Sockel 127 an der Deckelwand 117 ausgebildet, auf dem der Anschluss-Stecker 37 mit seinen Durchführungen für Stecker-Pins 41, 43 angeformt ist. Der Übergang von der oberen Deckelwand 117 des Steckergehäuses 33 zum Anschluss-Stecker 37 liegt dabei radial vollständig innerhalb der radialen Dichtfläche 148. Der Anschluss-Stecker 37 ragt durch eine Aussparung 39 an der axial oberen Seite aus dem Metalldeckel 81 heraus. In diesem Ausführungsbeispiel sind dann die Strom-Pins 43 und Sensor-Pins 41 in Radialrichtung 3 abgewinkelt, so dass ein korrespondierender Kundenstecker in Radialrichtung 3 in einen Steckerkragen 132 des Anschluss-Steckers 37 einschiebbar ist. Dabei ragt der Anschluss-Stecker 37 mit dem Steckerkragen 132 in Radialrichtung 3 nicht über die kreisförmige Aussparung 39 im Metalldeckel 81 hinaus. In einer alternativen Ausführung können sich die Strom-Pins 43 und Sensor-Pins 41 im Anschluss-Stecker 37 auch in Axialrichtung 4 erstrecken, so dass der entsprechende Kundenstecker in Axialrichtung 4 von oben auf den Steckerkragen 132 geschoben werden kann. Am ringförmig geschlossenen Rand 140 ist ein axialer Anschlag 152 an der Außenseite des Steckergehäuses 33 angeformt, an dem sich die ringförmige axiale Feder 85 abstützen kann. Die axiale Feder 85 ist beispielsweise als Rohrfeder 185 ausgebildet, die axial auf das Steckergehäuse 33 bis zum Axialanschlag 152 gefügt wird. Am Rand 140 sind im Ausführungsbeispiel axial verlaufende Rippen 141 angeformt, mittels derer der Metalldeckel 81 bei dessen Aufschieben zentriert wird. In einer Variation der Ausführung können die Fenster 110 auch nach unten axial offen ausgebildet sein (gestrichelt in 2 dargestellt). Dabei ist der Rand 140 über den Umfang nicht mehr geschlossen ausgebildet, sondern weist im Bereich der Fenster 110 Unterbrechungen auf. Somit stützt sich das Steckergehäuse 33 in diesen Bereichen nur mit axialen Stegen zwischen den Fenstern 110 am Polgehäuse 15 ab.
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Wie in 3 ersichtlich, wird dann über das Steckergehäuse 33 der Metalldeckel 81 axial montiert, so dass dessen zylindrische Metallwand 82 die radialen Fenster 110 überdeckt. Dabei dichtet der Dichtring 84 die radiale Dichtfläche 148 des Steckergehäuses 33 gegenüber der radialen Innenseite 156 des Metalldeckels 81 ab. Eine ringförmige Deckelfläche 158 des Metallgehäuses 81, die eine Umrandung 159 der Aussparung 39 bildet, überdeckt die Ringdichtung 84 in Axialrichtung 4 vollständig. Die Umrandung 159 liegt radial an einer radialen Seitenfläche 137 des Sockels 127 an, so dass die Ringdichtung 84 vor einem direkten Flüssigkeitsstrahl geschützt ist. Bei der Montage des Metalldeckels 81 wird dieser gegen die axiale Federkraft der Axialfeder 85 axial gegen den Flansch 32 des Polgehäuses 15 gepresst und mit einer Schweißnaht 154 über den gesamten Umfang am Flansch 32 verschweißt. Die Rohrfeder 185 liegt einerseits axial am Axialanschlag 152 des Steckergehäuses 33 und andererseits an einem axialen Gegenanschlag 153 des Metallgehäuses 81 an. Dazu ist in der zylindrischen Metallwand 82 des Metalldeckels 81 eine radiale Stufe 160 ausgeformt, die einen ringförmigen axialen Bund als axialen Gegenanschlag 153 bildet.
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In 4 ist ein Querschnitt einer erfindungsgemäßen Ringdichtung 84 dargestellt, die beispielsweise aus Silikon oder einem Elastomer gefertigt ist. Bei dieser Ausführung weist der Querschnitt eine rechteckförmige Grundfläche 161 auf, deren Ausdehnung in Axialrichtung 4 größer ist als in Radialrichtung 3. Auf der rechten Seite sind zwei axial benachbarte radiale Dichtlippen 162 ausgebildet, die im eingebauten Zustand radial an der Innenseite 156 des Metallgehäuses 81 anliegen. Radial gegenüberliegend sind am rechteckigen Grundkörper 161 zwei weitere radiale Dichtlippen 163 angeformt, die sich radial nach innen zur radialen Dichtfläche 148 des Steckergehäuses 33 hin erstrecken. Die radial nach außen gerichteten Dichtlippen 162, die am Metallgehäuse 81 anliegen, sind dabei größer ausgebildet, und haben insbesondere eine größere radiale Ausdehnung, als die radial nach innen gerichteten Dichtlippen 163. An der rechteckigen Grundfläche 161 ist des Weiteren eine axiale Dichtlippe 164 angeformt, die sich axial nach unten zum ringförmigen Bund 144 des Steckergehäuses 33 erstreckt. Axial in entgegengesetzter Richtung erstreckt sich eine weitere axiale Dichtlippe 165 nach oben gegen die ringförmige Deckelfläche 158 des Metallgehäuses 81.
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Eine Ringdichtung 84 gemäß 4 ist in eingebautem Zustand in 5 dargestellt. Alle Dichtlippen 166 werden beim Einbau verformt, so dass die Dichtlippen 166 jeweils an den gegenüberliegenden Dichtflächen 148, 156, 144, 158 dichtend anliegen. In Radialrichtung 3 findet dabei zwischen der radialen Dichtfläche 148 und der Innenseite 156 eine größere Pressung statt, als in Axialrichtung 4 zwischen dem ringförmigen Bund 144 und der ringförmigen Deckelfläche 158. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass es bei großen Temperaturunterschieden zu einer axialen Verschiebung zwischen dem Steckergehäuse 33 und dem Metallgehäuse 81 kommt, die durch die Axialfederung 85 ausgeglichen wird. Daher ist zwischen dem Steckergehäuse 33 und dem Metallgehäuse 81 ein axialer Spielraum 174 ausgebildet, der eine axiale Relativbewegung des Steckergehäuses 33 zum Metallgehäuse 81 zulässt. Dabei ist jedoch die Dichtwirkung der Axialdichtung stark von den Temperaturschwankungen abhängig. Die Radialdichtung der radialen Dichtlippen 162 und 163 ist jedoch weitgehend temperaturunabhängig, da es zu keiner nennenswerten radialen Relativbewegung zwischen dem Steckergehäuse 33 und dem Metallgehäuse 81 kommt. Zwischen den Dichtlippen 166 sind in eingebautem Zustand Hohlräume 168 ausgebildet, in die hinein das Material der Ringdichtung 84 expandieren kann. Außerdem dienen die Hohlräume 168 als Entlastungskammern für die Dichtung, in denen sich Schmutzpartikel und Feuchtigkeit ansammeln kann. Dabei unterbinden die Entlastungskammern ein sogenanntes Unterwandern der Dichtlippen 166, was insbesondere an den Dichtlippen 162, 165 auftreten kann, die an einer Dichtfläche 156, 158 aus Metall anliegen. Das Metallgehäuse 81 gemäß der Vorrichtung in 5 wird radial durch das Aufschieben auf den Dichtring 84 zentriert, wobei gleichzeitig die Seitenwand 170 der Aussparung 39 radial an der radialen Seitenfläche 137 des Sockels 127 anliegt.
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In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer komplett montierten elektrischen Maschine 10 dargestellt. Der Anschluss-Stecker 37 ist axial oberhalb der Deckelwand 117 an der Außenseite des Steckergehäuses 33 angeordnet. Der Anschluss-Stecker 37 ist dabei rechtwinklig in Radialrichtung 3 abgewinkelt, so dass die Strom-Pins 41 und die Sensor-Pins 43 innerhalb des Steckerkragens 132 ebenfalls in Radialrichtung 3 verlaufen. Die Strom-Pins 43 enden an der Innenseite 29 als Kontaktlaschen 34, die mit den Anschluss-Pins 26 der Verschaltungsplatte 22 verschweißt sind. Die Sensor-Pins 41 enden an der Innenseite 29 als Einlege-Leiter 116, die mit Anschluss-Beinchen 106 des als Magnetfeldsensor 77 ausgebildeten Sensorelements 74 elektrisch kontaktiert sind. Dabei sind die Sensor-Pins 41 und die Strom-Pins 43 jeweils als einstückige Biege-Stanz-Teile 116 – bevorzugt aus Kupfer – hergestellt, die beim Spritzgießen des Steckergehäuses 33 in die Werkzeugform eingelegt werden. Nach dem Aufsetzen des Steckergehäuses 33 auf das Lagerschild 54 mittels der Positionierelemente 60, wird über das Steckergehäuse 33 ein Metalldeckel 81 gefügt, der dann am Poltopf 15 befestigt wird. Der Metalldeckel 81 weist eine zylindrische Seitenwand 82 auf, die das Steckergehäuse 33 über den gesamten Umfang vollständig umschließt. Dabei ist die Ringdichtung 84 mit mehreren radialen Dichtlippen 162 radial zwischen der Umfangswand 82 des Metalldeckels 81 und der radialen Dichtfläche 148 des Steckergehäuses 33 angeordnet. Beispielsweise sind genau vier axial benachbarte radiale Dichtlippen 162 am Radialdichtring 84 angeformt, die an der Innenseite 156 der Seitenwand 82 anliegen. Der Dichtring 84 liegt axial am ringförmigen Bund 144 an, der hier als radialer Steg 145 an der Außenseite der Umfangswand 83 ausgebildet ist. An der axial oberen Seite liegt die Ringdichtung 84 axial an der Innenseite der ringförmigen Deckelfläche 158 des Metalldeckels 81 an. Mit einem radialen, umlaufenden Fortsatz 138 greift der Dichtring 84 radial unter den Sockel 127 ein, so dass der Spalt zwischen der Seitenfläche 137 des Sockels 127 und der radialen Innenseite der Umrandung 170 abgedichtet ist. Der Anschluss-Stecker 37 ragt durch die Aussparung 39, die an der axialen Seite des Metalldeckels 81 ausgeformt ist, aus dem Metalldeckel 81 heraus. Durch den Dichtring 84 ist dabei der Anschluss-Stecker 37 gegenüber dem Metalldeckel 81 abgedichtet. Der Metalldeckel 81 wird hingegen dicht mit dem Flansch 32 des Poltopfes 15 verschweißt. Der Magnetfeldsensor 77 ist in der Mitte der Deckelwand 117 axial genau gegenüberliegend zum Sensormagneten 76 angeordnet, der am freien Ende 80 der Rotorwelle 20 befestigt ist. Bei dieser Ausführung ist keine Axialfeder zwischen dem Metalldeckel 81 und dem Steckergehäuse 33 angeordnet, so dass ein radialer Freiraum 172 zwischen der zylindrischen Seitenwand 82 und der Umfangswand 83 gebildet wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren der elektrischen Maschine 10 wird zuerst der Stator 16 in den Poltopf 15 eingesetzt. Dazu werden die als Einzelsegmente 62 ausgebildeten Spulenträger 36 mit einer Isolationsmaske 61 bestückt und mit elektrischen Wicklungen 17 bewickelt, bevor diese in das Polgehäuse 15 eingesetzt werden. Danach wird der Rotor 18 axial in den Poltopf 15 eingefügt, so dass die Rotorwelle 20 fest in das erste Wälzlager 72 eingepresst wird. Danach wird die Verschaltungsplatte 22 axial auf den Spulen 63 angeordnet und mit dem Spulendraht elektrisch kontaktiert, bevorzugt verschweißt. Danach wird die Druckfeder 86 – insbesondere eine Spiralfeder 87 – axial auf den Rotorkörper 65 gefügt, wobei bei der Montage des Lagerschilds 54 der Innenring 57 die Druckfeder 86 axial vorspannt. Gleichzeitig verspannen die axialen Federmittel 246 das Lagerschild 54 axial gegenüber der Verschaltungsplatte 22. Unter dieser Vorspannung wird das Lagerschild 54 an dessen radial äußeren Enden mit dem Poltopf 15 verschweißt. Dabei greift die erste Zentrierlasche des Lagerschilds 54 in entsprechende Gegenelemente der Verschaltungsplatte 22. Nach dem Festschweißen des Lagerschilds 54 ist der Rotor 18 zuverlässig radial und axial schwingungsgedämpft im Poltopf 15 gelagert. In diesem Zustand stehen die Anschluss-Pins 26 und die zweiten Zentrierlasche 102 axial nach oben ab, so dass das Steckergehäuse 33 mit seinem Gegenelement 103 axial auf die Zentrierlasche 102 gefügt werden kann. Dabei liegt das Steckergehäuse 33 axial am Flansch 32 des Poltopfes 15 an. Zu den radialen Fenstern 110 im Steckergehäuse 33 können die Anschluss-Pins 26 mit den elektrischen Kontakten 30 des Steckergehäuses 33 verschweißt werden. Ebenso kann der Entstörkondensator des Steckergehäuses 33 mit dem Massekontakt 95 am Lagerschild 54 verschweißt werden, beziehungsweise die Kontaktfeder gegen das Lagerschild 54 gepresst werden. Danach wird der Dichtring 84 auf die radiale Dichtfläche 148 des Steckergehäuses 33 gefügt. Bei der Montage des Metalldeckels 81 wird die Ringdichtung 84 zwischen dem Metalldeckel 81 und dem Steckergehäuse 33 eingepresst, wobei zumindest eine Radialdichtung und gegebenenfalls auch eine Axialdichtung ausgebildet wird. Der Metalldeckel 81 liegt wiederum am Flansch 32 an und wird über den gesamten Umfang dicht an den Poltopf 15 angeschweißt. Dadurch ist der nach axial oben abstehende Anschluss-Stecker 37 über seinen Sockel 127 zuverlässig gegenüber der Umrandung 159 der Aussparung 39 im Metallgehäuse 81 abgedichtet. Um unterschiedliche Materialausdehnungen der einzelnen Bauteile über einen großen Temperaturbereich auszugleichen, wird zwischen dem Metalldeckel 81 und dem Steckergehäuse 33 bevorzugt eine axiale Feder 85 vorgespannt, die das Steckergehäuse 33 axial gegen den Poltopf 15 presst.
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Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise die Anzahl, die konkrete Ausformung und Anordnung der Dichtlippen 166 und der gegenüberliegenden Dichtflächen 148, 156, 144, 158 variiert werden. Optional kann zusätzlich zur Radialdichtung eine Axialdichtung ausgebildet werden. Ebenso kann die Lage und Ausbildung des Anschluss-Steckers 37 mit seinem Sockel 127, den Kontaktlaschen 34 und der Einlege-Leiter 116 entsprechend den Kundenanforderungen an das Steckergehäuse 33 angepasst werden. Die elektrische Maschine 10 findet vorzugsweise Anwendung in einer Getriebe-Antriebseinheit als Motorraumsteller im Kraftfahrzeug, beispielsweise zur Verstellung von beweglichen Teilen oder Betreiben von Pumpen im Motorraum, ist jedoch nicht auf solche Anwendungen beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011084763 A1 [0002]
