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Die Erfindung bezieht sich auf einen Stator für eine elektrische Maschine, sowie auf eine elektrische Maschine und auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Stators nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Mit der
US 2005/0242678 A1 ist ein Stator einer elektrischen Maschine bekannt geworden, bei dem Einzelzahnspulen auf den Statorzähnen mit einem ununterbrochenen Wickeldraht gewickelt sind. Dabei wird der Wickeldraht zwischen den einzelnen Spulen am äußeren Umfang der Isoliermaske geführt. Dabei werden mehrere Umfangsdrähte in Axialrichtung nebeneinander angeordnet, wodurch entsprechend axialer Bauraum benötigt wird. An einigen Stellen sind an den Isolierlamellen Aufnahmetaschen für Phasenanschluss-Laschen ausgebildet, die mittels Schneid-Klemm-Technik axial in die Aufnahmetaschen eingepresst werden. Die Verschaltung der einzelnen Spulen erfolgt hierbei über das Wickelschema, indem die Reihenfolge der gewickelten Spulen über die entsprechende Umfangsdrähte realisiert wird. Bei dieser Ausführung ist die Verschaltung der Spulen durch die Wickelreihenfolge endgültig festgelegt. Eine Variation der Verschaltung ist bei dieser Ausführung nur durch ein vollständig neues Wickelkonzept möglich. Außerdem besteht das Risiko, dass die axial nebeneinanderliegenden Umfangsdrähte bei hoher Schüttelbelastung einen Kurzschluss bilden können. Diese Nachteile sollen durch die erfindungsgemäße Lösung behoben werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass durch das axiale Einfügen der Schneid-Klemm-Elemente in die Aufnahmetaschen des Statorgrundkörpers eine zuverlässige elektrische Kontaktierung der elektrischen Spulen hergestellt ist, ohne dass weitere stoffschlüssige Verbindungsprozesse zum Wicklungsdraht hin notwendig sind. Durch die Ausbildung der Pins an den Schneid-Klemm-Elementen kann unmittelbar eine Leiterplatte auf diese Pins axial aufgesetzt werden und elektrisch kontaktiert werden. Dadurch können die einzelnen Spulen über die Pins der Schneid-Klemm-Elemente ohne weitere elektrische Leiter direkt mit den Leiterbahnen der Leiterplatte verbunden werden. Durch die Auslegung des Designs der Leiterbahnen auf der Leiterplatte können die einzelnen Spulen in unterschiedlicher Weise zu elektrischen Phasen verschaltet werden. Da für die Ansteuerung der Spulen sowieso eine Elektronikplatine notwendig ist, entfällt bei dieser Lösung die Zwischenschaltung einer sogenannten Verschalteplatte zwischen der Elektronikplatine und den Spulen. Dabei erstreckt sich die als Elektronikplatine ausgebildete Leiterplatte ringförmig über den gesamten Umfang des Statorgrundkörpers, sodass die Leiterplatte direkt über den Spulen mit ihren Schneid-Klemm-Elementen angeordnet ist.
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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. Besonders günstig ist es, wenn in der Elektronikplatine zur Aufnahme der Pins der Schneid-Klemm-Elemente Durchgangslöcher als Pin-Löcher angeordnet sind. Dadurch kann die Elektronikplatine direkt axial auf die Pins der in die Aufnahmetaschen eingesteckten Schneid-Klemm-Elemente aufgepresst werden. Die Pins durchdringen die Pin-Löcher bevorzugt vollständig, sodass diese in einfacher Weise mit der Elektronikplatine verlötet werden können. Durch diese Lötverbindung wird der direkte Kontakt zu den Leiterbahnen auf der Elektronikplatine hergestellt. Dabei kann ein Standard-Lötverfahren (beispielsweise SMD) angewandt werden, da die Elektronikplatine für den Lötvorgang axial von oben frei zugänglich ist.
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In einer vorteilhaften Ausführung sind sowohl alle Aufnahmetaschen und die darin eingesteckten Schneid-Klemm-Elemente mit gleichem radialem Abstand zur Statorachse angeordnet. Dadurch liegen bevorzugt auch alle Pins auf dem gleichen Radius, so dass die Pin-Löcher in der Elektronikplatine ebenfalls alle auf einer konstanten Kreisbahn liegen. Bevorzugt sind die Pin-Löcher am radial äußeren Rand der Elektronikplatine ausgebildet, sodass die Leiterbahnen weitgehend radial innerhalb der Pin-Löcher verlaufen. Dabei entspricht die radiale Erstreckung der Elektronikplatine näherungsweise der radialen Ausdehnung des Statorgrundkörpers, sodass der Außendurchmesser und der Innendurchmesser der Leiterplatine näherungsweise deckungsgleich sind mit dem Außendurchmesser und dem Innendurchmesser des Blechpakets.
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Zur besseren Kontaktierung der Pins in den Pin-Löchern der Elektronikplatine sind die Pins vorteilhaft mit einem Einpresskontakt ausgebildet. Hierbei ist im Pin beispielsweise eine Öse ausgebildet, die durch dünne axiale Stege umschlossen ist. Diese axialen Stege können beim Einpressen in das Pin-Loch radial zusammengepresst werden, so dass der Pin im Pin-Loch fest eingepresst ist.
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Von Vorteil ist es, wenn an den Schneid-Klemm-Elementen eine definierte axiale Anschlagsfläche ausgebildet ist, an der die Elektronikplatine anliegt. Dadurch kann die Elektronikplatine axial soweit auf die Pins aufgesteckt werden, bis sie an dem definierten Anschlag der Schneid-Klemm-Elemente anliegt. Die axiale Anschlagsfläche ist bevorzugt als Schulter beidseitig des Pins ausgebildet, an der das Schneid-Klemm-Element auch mittels eines Werkzeugs in die Aufnahmetasche der Isolierlamelle eingepresst werden kann.
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Auf der ringförmigen Elektronikplatine können platzsparend mehrere kreisförmige Leiterbahnen angeordnet werden, die in Radialrichtung benachbart zueinander verlaufen. Durch die konkrete Ausbildung der Leiterbahnen können unterschiedliche Pins elektrisch miteinander verbunden werden, wodurch mehrere Spulen zu unterschiedlichen elektrischen Phasen verschaltet werden. Die einzelnen Phasen weisen dann einen Phasenanschluss-Kontakt auf, mit dem die einzelnen Phasen von außen bestromt werden können. Die Phasenanschluss-Kontakte sind bevorzugt als axiale Leiterstreifen ausgebildet, die direkt an der Elektronikplatine befestigt und elektrisch mit deren Leiterbahnen verbunden sind. Beispielsweise sind an der Leiterplatine zwei oder drei oder mehr Phasenanschlusskontakte ausgebildet, die mit einem Gegenstecker verbunden werden können, oder mit einer Stromzuführung verschweißt werden können.
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Die Elektronikplatine weist vorteilhaft einen Sensor für die Rotorlagenerkennung auf, der elektrisch direkt mit den Leiterbahnen der Elektronikplatine verbunden ist. Beispielsweise kann der Sensor als Magnetsensor ausgebildet sein, der ein entsprechendes Signal eines Sensormagneten auf dem Rotor detektiert. Dabei können beispielsweise ein oder mehrere Hall-Sensoren oder ein GMX-Sensor direkt auf der Elektronikplatine kontaktiert sein. Hierbei können beispielsweise SMD-Bauteile verwendet werden, die mit einem Standard-SMD-Lötverfahren auf der Leiterplatine befestigt und kontaktiert werden können. Der Magnetsensor ist bevorzugt am radial inneren Bereich der Leiterplatine angeordnet, sodass er unmittelbar an einem radial gegenüberliegenden Ringmagneten auf der Rotorwelle zusammenwirken kann. Dabei ist der Ringmagnet besonders günstig in Radialrichtung magnetisiert, sodass sich bei einer Drehung des Rotors gegenüber dem Magnetsensor der Elektronikplatine die Magnetpolung des radialen Magnetfelds ständig wechselt. Durch die Anordnung des Magnetsensors radial direkt gegenüberliegend zum Sensormagneten kann gegenüber einer axialen Sensoranordnung axialer Bauraum der elektrischen Maschine eingespart werden. Durch die Nutzung der Elektronikplatine einerseits für die Drehlagesensorik und die elektronische Ansteuerung der Phasen und gleichzeitig durch die Verschaltung der einzelnen Spulen zu den elektrischen Phasen wird die Teilevielfalt und die Verbindungstechnik bei der Montage der elektrischen Maschine deutlich reduziert. Damit der Ringmagnet auch über große Temperaturbereiche und bei hohen Erschütterungen zuverlässig auf der Rotorwelle gelagert ist, ist der Ringmagnet auf einem nicht magnetischen Zwischenring angeordnet, beispielsweise angespritzt. Der Zwischenring kann direkt auf der Rotorwelle aufgepresst sein oder in einer alternativen Ausführung an einem Abtriebselement befestigt sein, dass auf die Rotorwelle aufgepresst ist. Dazu weist beispielsweise ein Abtriebsritzel in axialer Verlängerung eine Buchse auf, auf dem der Zwischenring und/oder der Magnetring gelagert sind.
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Wo ist Lagerschild angeordnet?
- Wellen-orientiert: Zwischen Abtrieb (hier das Ritzel) und Rotorpaket;
- Gehäuse-orientiert: Zwischen Kundenschnittstelle und
- Statorpaket/Verschalteplatte
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Um die Stromstärke in den Leiterbahnen zwischen den Pins zu reduzieren, sind bevorzugt mehrere Spulen jeweils parallel zueinander verschaltet. Beispielsweise kann durch das Layout der Elektronikplatine über die Pins jeweils vier Spulen elektrisch parallel zueinander verschaltet werden, sodass sich der Strom in den Leiterbahnen entsprechend reduziert. Die vier parallel zueinander angeordneten Spulen bilden dann eine elektrische Phase. Bevorzugt werden die Spulen zu insgesamt drei Phasen gruppiert, wobei die Phasen beispielsweise über eine Sternpunktschaltung oder eine Dreiecksschaltung miteinander verbunden sind.
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In einer bevorzugten Ausführung wird in Umfangsrichtung ein Statorzahn nach dem anderen in unmittelbar aufeinanderfolgender Reihenfolge in Umfangsrichtung bewickelt. Die Spulen werden besonders günstig mittels Nadelwickeln gefertigt, wobei jeweils auf einem Statorzahn genau eine Spule gewickelt ist. Werden alle Spulen nacheinander mit einem ununterbrochenen Wicklungnsdraht gewickelt, weist die gesamte elektrische Wicklung nur einen Drahtanfang und ein Drahtende auf, wodurch nur eine zusätzliche Aufnahmetasche mit einem zusätzlichen Schneid-Klemm-Element gegenüber der Anzahl der Spulen notwendig. Für jede Spule sind dabei genau eine Aufnahmetasche und genau ein Schneid-Klemm-Element angeordnet, wobei für den Drahtanfang bzw. das Drahtende eine zusätzliche Aufnahmetasche und ein zusätzliches Schneid-Klemm-Element angeordnet sind. Im einem Beispiel von zwölf Spulen sind also genau dreizehn Schneid-Klemm-Elemente angeformt, die dann mittels eines Montagewerkzeugs axial in genau dreizehn Aufnahmetaschen eingepresst werden. Durch die Wickelreihenfolge jeweils unmittelbar benachbarter Statorzähne, erstrecken sich die Verbindungsabschnitte des Wicklungsdrahts zwischen den Spulen jeweils nur über den Umfangswinkel der Statornuten. Dadurch wird verhindert, dass die Verbindungsabschnitte zwischen verschiedenen Spulen axial übereinander angeordnet werden, wodurch die Gefahr von Kurzschlüssen reduziert und axialer Bauraum eingespart wird.
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Ein solches Wickelverfahren eignet sich besonders auch für einen sogenannten verschränkten Stator, bei dem die Statorzähne axial nicht parallel zur Statorachse angeordnet sind, sondern in Umfangsrichtung schräg zur Statorachse verlaufen. Ein solch verschränkter Stator wird beispielsweise mittels Blechlamellen realisiert, die jeweils in Umfangsrichtung geringfügig gegeneinander verdreht aufeinander gestapelt sind. Die einzelnen Blechlamellen bilden zusammen das Statorpaket, das einen in Umfangsrichtung geschlossenen Rückschlussring aufweist, an dem sich radial die Statorzähne anschließen.
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Die Aufnahmetaschen weisen in Umfangsrichtung eine größere Erstreckung auf als in Radialrichtung. Dabei wird der Wicklungsdraht von einer ersten Spule radial durch die Aufnahmetasche hindurch an die radiale Außenseite des Stators geführt und anschließend in eine in Umfangsrichtung benachbarte Freisparung radial wieder nach innen zum nächsten Statorzahn geführt. Dadurch sind zwei benachbarte Spulen mittels des Verbindungsabschnitts des Wicklungsdrahtes an der radialen Außenseite der Isolierlamelle auf direktem kürzestem Wege miteinander verbunden. Dabei ist der Wicklungsdraht innerhalb der Aufnahmetaschen straff gehalten, so dass der Gabelkontakt des Schneid-Klemm-Elements beim axialen Einpressen zuverlässig in den Wicklungsdraht einschneidet. Das Schneid-Klemm-Element verklemmt dabei, insbesondere mittels angeformter Rastnasen - in der Aufnahmetasche.
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Ein solcher Stator eignet sich besonders für eine elektrische Maschine, bei der der Stator in ein Motorgehäuse axial eingeschoben wird. Dabei sind beidseitig des Stators Lagerdeckel am Motorgehäuse angeordnet, in denen der Rotor aufgenommen ist. Die elektrische Maschine ist beispielsweise als Innenläufer ausgebildet, so dass der Rotor im inneren Hohlraum des Stators drehbar ist. Die Elektronikplatine nimmt bevorzugt eine Ansteuerelektronik auf, die die elektronische Kommutierung des Stators regelt und ist bevorzugt unmittelbar axial oberhalb der Spulen angeordnet. Ein solcher EC-Motor kann besonders vorteilhaft zum Verstellen beweglicher Teile oder als Drehantrieb für Komponenten im Kraftfahrzeug verwendet werden.
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Damit die Elektronikplatine exakt zu den Aufnahmetaschen - und damit auch zu den Pins der Schneid-Klemm-Elemente - positioniert werden, sind an der Isolierlamelle Zentrierpins angeformt, die sich in Axialrichtung erstrecken. Entsprechend sind an der Elektronikplatine Zentrieröffnungen in Axialrichtung ausgebildet, in die die Zentrierstifte axial eingreifen. Nach dem Zentrieren und dem axialen Fügen der Elektronikplatine durchgreifen die Zentrierpins beispielsweise die als Durchgangsöffnungen ausgebildete Zentrieraufnahmen vollständig. Daher können die freien Enden der Zentrierpins nach dem Fügen der Elektronikplatine plastisch umgeformt werden, um einen Formschluss zu bilden. Dadurch ist die Leiterplatte zuverlässig axial auf dem Statorgrundkörper fixiert. Die plastische Materialumformung kann besonders einfach durch ein Warmverprägen der aus Kunststoff hergestellten Zentrierpins durchgeführt werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen des Stator kann durch die unmittelbare Schneid-Klemm-Verbindung zwischen den Spulen und der Elektronikplatine die Verschalteplatte komplett weggelassen werden. Dabei wird als Isolierlamelle bevorzugt ein separat gefertigtes Bauteil - insbesondere ein Kunststoff-Spritzgussteil - axial auf die Stirnseite des Statorgrundkörpers gepresst. Nach dem Wickeln der einzelnen Spulen auf die einzelnen Statorzähne wird der Wicklungsdraht direkt in die Aufnahmetaschen eingelegt. Die separat ausgebildeten Schneid-Klemm-Elemente sind zu deren axialer Montage in die Aufnahmetaschen axial von oben frei zugänglich und können - insbesondere mittels der angeformten Schulter - zuverlässig exakt in den Aufnahmetaschen positioniert werden. Die den Gabeln der Schneid-Klemm-Elemente gegenüberliegende Pins erstrecken sich axial vom Statorgrundkörper weg, so dass unmittelbar die Elektronikplatine mit ihren Pin-Löchern auf die Pins aufgepresst werden kann. Bevorzugt werden danach die durchgreifenden Pins mit der Elektronikplatine verlötet. Die Elektronikplatine trägt bevorzugt alle elektronischen Bauteile, die für die Ansteuerung der einzelnen Spulen notwendig sind. Durch die Integration der Spulenverschaltung in die Leiterplatte der Ansteuerelektronik, kann auf die Fertigung und die Montage einer zusätzlichen Verschaltungsplatte verzichtet werden.
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Besonders vorteilhaft kann der Rotorlagensensor unmitelbar auf der Elektronikplatine angeordnet werden, wodurch die Montage eines separaten Sensorelements - und damit die elektrische Verbindung zur Ansteuerelektronik - entfällt. Ist als Sensor ein Magnetfeldsensor in der radialen Innenseite der Elektronikplatine angeordnet, kann dieser direkt das Signal eines Magnetfelds detektieren, das von einem radial gegenüberliegenden Sensormagneten ausgeht. Durch solch eine radiale Wechselwirkung von Sensor und Signalgeber kann axialer Bauraum eingespart werden. Die Magnetsensoren, beispielsweise zwei benachbarte Hall-Sensoren oder ein GMX-Sensor, können ohne zusätzlichen Aufwand zusammen mit den übrigen elektronischen Bauteilen auf der Elektronikplatine kontaktiert werden, vorzugsweise mittels SMD-Lötverfahren.
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Die direkte Schneid-Klemm-Verbindung zwischen dem Wickeldraht der Spulen und der Elektronikplatine bleibt auch bei wechselnden Umgebungsbedingungen wie Temperaturschwankungen und Erschütterungen mechanisch stabil. Somit ist ein solcher Stator auch sehr robust gegen hohe Schüttelbelastungen und extreme Wetterbedingungen und deshalb für den Einsatz im Kraftfahrzeug - insbesondere auch außerhalb der Fahrgastzelle - geeignet.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf einen Stator, nachdem ein erster Statorzahn bewickelt ist,
- 2 eine Detailansicht der Drahtführung in einer Aufnahmetasche,
- 3 ein separat gefertigtes Schneid-Klemm-Element
- 4 ein Stator mit eingefügten Schneid-Klemm-Elementen, und
- 5 eine Schnittdarstellung durch eine elektrische Maschine mit einer montierten Leiterplatine.
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In 1 ist ein Stator 10 einer elektrischen Maschine 12 dargestellt, der einen in Umfangsrichtung 2 geschlossenen Rückschlussring 38 aufweist, an dem radiale Statorzähne 14 angeformt sind. Bei dieser Ausführung weisen die Statorzähne 14 radial nach innen, so dass innerhalb der Statorzähne 14 ein Rotor 11 gelagert werden kann, der als Innenläufer vom Stator 10 angetrieben wird. Der Stator 10 ist aus einzelnen Blechlamellen 36 zusammengesetzt, die in Axialrichtung 3 übereinander gestapelt und zu einem gemeinsamen Lamellenpaket 35 verbunden sind. Die Blechlamellen 36 sind bevorzugt ausgestanzt, so dass die Statorzähne 14 einstückig mit dem Rückschlussring 38 ausgebildet sind. Das Lamellenpaket 35 bildet den Statorgrundkörper 34, der in einer alternativen Ausführung auch einstückig ohne Blechlamellen 36 ausgebildet sein kann. In 1 sind beispielsweise die einzelnen Blechlamellen 36 in Umfangsrichtung 2 geringfügig gegeneinander verdreht, so dass die Statorzähne 14 nicht parallel zur Axialrichtung 3 verlaufen, sondern in Umfangsrichtung 2 verschränkt ausgebildet sind. An einer ersten axialen Stirnseite 39 des Statorgrundkörpers 34 ist eine Isolierlamelle 40 angeordnet, die bevorzugt die Stirnseite 39 vollständig mit einem isolierenden Material überdeckt. Bevorzugt ist die Isolierlamelle 40 als Kunststoffspritzgussteil ausgebildet, das axial auf den Statorgrundkörper 34 gepresst ist. Die Statorzähne 14 weisen an ihren radialen Enden einen Zahnkopf 15 auf, der in Umfangsrichtung 2 breiter ausgebildet ist, als der eigentliche Statorzahn 14 im radialen Bereich, der bewickelt wird. Die Isolierlamelle 40 weist im Bereich des Zahnkopfes 15 in Axialrichtung 3 und in Umfangsrichtung 2 einen Überstand 33 auf, der eine entsprechende Spule 17 auf dem Statorzahn 14 hält. Über die Erstreckung des Statorzahns 14 in Radialrichtung 4 sind in der Isolierlamelle 40 Rillen 43 ausgeformt, in die der Wicklungsdraht 22 eingelegt wird. Radial außen weist die Isolierlamelle 40 einen geschlossenen Umfang 41 auf, an dem Führungselemente 44 angeformt sind, die Verbindungsabschnitte 30 des Wickeldrahts 22 zwischen den einzelnen Spulen 17 führen. Die Führungselemente 44 erstrecken sich in axialer Richtung 3, wobei der Wicklungsdraht 22 in Radialrichtung 4 nach außen geführt wird, um an der radialen Außenseite 45 der Führungselemente 44 in Umfangsrichtung 2 geführt zu werden. Am geschlossenen Umfang 41 der Isolierlamelle 40 sind des Weiteren Aufnahmetaschen 46 ausgebildet, in die der Wicklungsdraht 22 eingelegt wird, um mit Schneid-Klemm-Elementen 70 verbunden zu werden. Die Aufnahmetaschen 46 weisen in Umfangsrichtung 2 eine größere Abmessung auf, als in Radialrichtung 4. Bevorzugt sind alle Aufnahmetaschen 46 auf dem gleichen Radius bezüglich der Statorachse 20 angeordnet. Wie aus 1 ersichtlich ist, sind die Aufnahmetaschen 46 bevorzugt im Bereich von Statornuten 13 zwischen den Statorzähnen 14 angeordnet. Dabei ist jedem Statorzahn 14 genau eine Aufnahmetasche 46 zugeordnet, wobei eine zusätzliche Aufnahmetasche 46 für den Wicklungsdrahtanfang angeordnet ist. In 1 ist der Wicklungsdrahtanfang nicht dargestellt, sondern lediglich schematisch das Wickeln einer einzigen Spule 17. Die Spule 17 wird mittels einer Düse einer Nadelwickelvorrichtung um den Statorzahn 14 gewickelt. Nach dem fertigen Bewickeln einer Spule 17 wird der Wicklungsdraht 22 durch die Aufnahmetasche 46 radial nach außen hindurch geführt und an der radialen Außenseite 45 der Führungselemente 44 in Umfangsrichtung 2 zum nächsten Statorzahn 14 geführt. Hierzu wird der Wicklungsdraht 22 durch eine Freisparung 56 zwischen den Führungselementen 44 wieder radial nach innen zum nächsten Statorzahn 14 geführt.
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In 2 ist eine vergrößerte Ansicht der Drahtführung zweier benachbarter Spulen 17 dargestellt. Die Aufnahmetasche 46 weist eine erste radial innere Taschenwand 61 und eine zweite radial äußere Taschenwand 62 auf. Die erste und die zweite Taschenwand 61, 62 sind etwa parallel zueinander angeordnet. Beide Taschenwände 61, 62 weisen einen axialen Schlitz 63 auf, der jeweils als radiale Durchgangsöffnung 64 ausgebildet ist. Die zweite radiale Taschenwand 62 bildet gleichzeitig auch die radiale Außenseite 45 der Führungselemente 44. Dabei bildet hier das Führungselement 44 eine Verlängerung der zweiten radialen Taschenwand 62 in Umfangsrichtung 2. An das Führungselement 44 schließt sich in Umfangsrichtung 2 die Freisparung 56 an, wobei die Freisparung 56 eine Seitenwand 66 aufweist, die radial zur radialen Außenseite 45 des Führungselements 44 verläuft. Der Wicklungsdraht 22 wird entlang der Seitenwand 66 radial nach innen geführt und um den nächsten Statorzahn 14 gewickelt. In einer bevorzugten Ausführung werden jeweils die unmittelbar benachbarten Statorzähne 14 unmittelbar nacheinander bewickelt, so dass sich der Verbindungsdraht 30 zwischen zwei einzelnen Spulen 17 jeweils nur über die Statornut 13 in Umfangsrichtung 2 erstreckt. Bei dieser Ausführung ist die axiale Ausdehnung des Führungselement 44 gleich groß, wie die axiale Ausdehnung der Aufnahmetasche 46, um letztere mechanisch zu stabilisieren. Der axiale Schlitz 63 der ersten und/oder zweiten Taschenwand 61, 62 weist nach unten hin eine Verjüngung 65 auf, so dass der Wicklungsdraht 22 beim Einfügen in den Schlitz 63 in einer definierten Position verklemmt wird. Eine Grundfläche 49 der Aufnahmetasche 46 ist axial tiefer angeordnet, als das untere Ende der Schlitze 63, damit das korrespondierende Schneid-Klemm-Element 70 sich in Axialrichtung 3 über den Wicklungsdraht 30 hinaus zur Taschengrundfläche 49 hin erstrecken kann. Die Schlitze 63 weisen an ihrem axial offenen Ende eine Einführphase 68 auf, damit der Wicklungsdraht 22 leichter eingeführt werden kann. Ebenso sind an Innenseiten 50 der Aufnahmetasche 46 Fügehilfen 51 ausgeformt, beispielsweise als Schrägen, die die Schneid-Klemm-Elemente 70 in der Aufnahmetasche 46 zentrieren.
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Die 3 zeigt ein einzelnes Schneid-Klemm-Element 70, wie es in die Aufnahmetaschen 46 des Statorgrundkörpers 34 eingefügt werden kann. Am axial unteren Ende weist das Schneid-Klemm-Element 70 eine Gabel 76 auf, die axial über den Wicklungsdraht 22 in der Aufnahmetasche 46 geschoben wird. Die Gabel 76 weist zwei gegenüberliegende Schneidkanten 75 auf, die sich beim axialen Einschieben in die Aufnahmetasche 46 in den Wicklungsdraht 22 einschneiden. Beim axialen Einfügen des Schneid-Klemm-Elements 70 stützen sich deren Außenseiten 77 bezüglich der Umfangsrichtung 2 an den entsprechenden seitlichen Innenwänden 50 der Aufnahmetasche 46 ab. Zusätzlich sind an den Außenseiten 77 beispielsweise Rastnasen 72 angeformt, die sich in die Innenseite 50 der Aufnahmetasche 46 eingraben. Dadurch wird das Schneid-Klemm-Element 70 fest in der Aufnahmetasche 46 verklemmt, wobei ein gut leitender Kontakt zum Wicklungsdraht 22 hergestellt wird. Axial oben, gegenüberliegend zur Gabel 76 weist das Schneid-Klemm-Element 70 einen axialen Pin 83 auf, der geeignet ist, in ein korrespondierendes Pin-Loch 86 einer elektrischen Leiterplatine 52 eingefügt zu werden. Der Pin 83 ist beispielsweise als Einpresskontakt 84 ausgebildet, der eine Öse 87 mit Seitenstegen 88 bildet, die quer zum Pin 83 elastisch verbiegbar sind. Beim axialen Einschieben des Pins 83 in die Pin-Löcher 86 der Elektronikplatine 52 in wird durch das Zusammenpressen der Seitenstege 88 ein fester Presskontakt zwischen dem Pin 83 und dem Pin-Loch 86 ausgebildet. Zwischen dem Pin 83 und der Gabel 76 sind am Schneid-Klemm-Element 70 zu beiden Seiten des Pins 83 Schultern 69 angeformt, an denen das Schneid-Klemm-Element 70 axial in die Aufnahmetaschen 46 eingepresst werden kann. Gleichzeitig können die Schultern 69 optional als axiale Anschlagfläche für die Elektronikplatine 52 dienen.
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In 4 sind in alle Aufnahmetaschen 46 einzelne Schneid-Klemm-Elemente 70 axial eingepresst. Beispielsweise weist der Stator 10 der 4 zwölf Statorzähne 14 und entsprechend zwölf Spulen 17 auf. Da jeweils zwischen zwei Spulen 17 eine Aufnahmetasche 46 angeordnet ist, sind hierdurch zwölf Aufnahmetaschen 46 ausgebildet. Jedoch kommt für den Wicklungsdrahtanfang, bzw. das Wickeldrahtende genau eine weitere Aufnahmetasche 48 hinzu, so dass der Stator 10 insgesamt dreizehn Aufnahmetaschen 46, 48, und entsprechend dreizehn eingefügte Schneid-Klemm-Elemente 70 aufweist. Beispielsweise sind die Schneid-Klemm-Elemente 70 mit ihren Pins 83 regelmäßig über den Umfang im Bereich der Statornuten 13 angeordnet. Im unteren Bildbereich ist hierbei die zusätzliche dreizehnte Aufnahmetasche 48 für das Wicklungsdrahtende angeordnet, so dass in diesem Bereich die drei benachbarten Aufnahmetaschen 46, 48 einen geringeren Abstand in Umfangsrichtung 2 aufweisen, so dass auch deren Pins 83 in Umfangsrichtung 2 einen kleineren Abstand aufweisen, als über den restlichen Umfang. Desweiteren sind in 4 Zentrierstifte 80 an die Isolierlamelle 40 angeformt, die sich in Axialrichtung 3 erstrecken. Mit diesen Zentrierstiften 80 wird die Elektronikplatine 52 gegenüber dem Statorgrundkörper 34 vorpositioniert, indem die Zentrierstifte 80 axial in korrespondierende Zentrieraufnahmen 81 in der Elektronikplatine 52 eingreifen, die hier als axiale Durchgangslöcher 82 ausgebildet sind.
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Die aufgesetzte Elektronikplatine 52 ist in 5 dargestellt. Die Elektronikplatine 52 weist hier eine Ringform auf, die sich näherungsweise über den radialen Bereich des Statorgrundkörpers 34 erstreckt. Am äußeren Umfang der Elektronikplatine 52 sind die Pin-Löcher 86 ausgeformt, durch die hindurch axial die Pins 83 der Schneid-Klemm-Elemente 70 erstrecken. Auf der Elektronikplatine 52 sind Leiterbahnen 53 ausgebildet, die je nach gewünschter Verschaltung der Spulen 17 die einzelnen Pins 83 elektrisch miteinander verbinden. Beispielsweise werden dazu die Pins 83 mit der Elektronikplatine 52 verlötet. Nach einer bevorzugten Ausführungen sind jeweils immer vier Spulen 17 vierfach elektrisch parallel zueinander zu einer Phase 26verschaltet verschaltet, wodurch sich der Strom in den Leiterbahnen 53 entsprechend reduziert. Die einzelnen Phasen 26 können wiederum in einer Dreieckschaltung oder einer Sternpunktschaltung miteinander verbunden sein. Die unterschiedlichen Verschaltungskonzepte können durch das Layout der Leiterbahnen 53 auf der Leiterplatine 52 realisiert werden. Auf der Leiterplatine 52 sind auch Phasenanschluss-Kontakte 85 angeordnet, die sich von der Leiterplatine 52 in Axialrichtung 3 erstrecken. Dabei können genau zwei Phasenanschluss-Kontakte 85 - der mehrere - angeordnet werden, wobei auch mehr als drei Phasen 26 durch die Leiterplatine 52 realisiert werden können, um einen redundaten Elektromotor 10 zur Verfügung zu stellen, der auch dann noch betriebsbereit ist, wenn in einer Spule 17 ein Kurzschluss auftritt. Auf der Leiterplatine 52 können weitere elektronische Bauteile 91 angeordnet sein, die für die elektrische Ansteuerung der Spulen 17 benötigt werden. So ist beispielsweise am radial inneren Bereich der Leiterplatine 52 ein Drehlagensensor 94 angeordnet, der mit einem Signalgeber 97 des Rotors 11 zusammenwirkt. Beispielsweise kann der Drehlagensensor 94 als Hall-Sensor oder GMX-Sensor ausgebildet sein, die insbesondere in SMD-Technik (surface mounted devices) auf der Leiterplatine 52 aufgelötet sind. Ein solcher Drehlagensensor 94 hat beispielsweise sensitive Flächen, die eine radiale Magnetfeldänderung detektieren können. Der Signalgeber 97 ist hier beispielsweise als Ringmagnet 98 ausgebildet, der auf einer Rotorwelle 99 des Rotors 11 befestigt ist. Im Ausführungsbeispiel der 5 ist auf der Rotorwelle 99 ein Abtriebselement 100 mit einer daran angeformten axialen Hülse 103 angeordnet. Auf dieser Hülse 103 ist ein nicht magnetischer Zwischenring 105 angeordnet, auf dem der Ringmagnet 98 befestigt ist. Beispielsweise wird der Ringmagnet 98 auf den Zwischenring 105 aufgespritzt, und vorzugsweise in Radialrichtung magnetisiert. Bei rotierendem Rotor 11 sieht der Drehlagensensor 94 wechselnde Magnetpole, aus der die Drehlage des Rotors 11 ermittelt werden kann. Durch das radiale Sensorsystem kann axialer Bauraum eingespart werden, wobei das Ritzel 100 auf der Rotorwelle 99 beispielsweise axial aus einem Motorgehäuse hinausragen, um ein Antriebsmoment abzugeben.
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Bei dieser Ausführung wird ein Lagerschild axial oberhalb der Leiterplatine 52 in ein nicht dargestelltes Motorgehäuse eingesetzt, wobei die Phasenanschluss-Kontakte 84 beispielsweise durch den Lagerdeckel hindurch aus dem Motorgehäuse hinaustreten, um bestromt zu werden. Das Abtriebsritzel 100 ist beispielsweise aus Stahl hergestellt und unmittelbar auf die Rotorwelle 99 aufgepresst. Da der Ringmagnet 98 relativ empfindlich auf mechanische und thermische Belastung reagiert, gleicht der Zwischenring 105 die Spannungen zwischen dem Ritzel 100 und dem Ringmagneten 98 aus. Die elektrische Maschine 12 ist als elektronisch kommutierter Motor ausgebildet, bei dem über den Drehlagensensor 94 der richtige Kommutierungszeitpunkt erfasst wird, um die einzelnen Spulen 17 in geeigneter Weise nacheinander zu bestromen, um den Rotor 11 anzutreiben. Der Rotor 11 weist Permanentmagnete 24 auf, die hier innerhalb eines Rotorpakets 25 angeordnet sind. Dabei ist die Erstreckung der Permanentmagnete 24 in Umfangsrichtung 2 größer als in Radialrichtung 4. Die Permanentmagnete 24 liegen in diesem Ausführungsbeispiel radial innerhalb des äußeren Umfangs des Rotors 11 und bilden somit sogenannte vergrabene Magnete 24.
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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 konkrete Ausbildung, die Anordnung und Anzahl der Spulen 17, sowie die Ausbildung und Anzahl der Aufnahmetaschen 46 entsprechend variiert werden. Die Aufnahmetaschen 46 können unmittelbar in eine an den Statorgrundkörper 34 angespritzte Isolationsmaske oder in eine separat gefertigte Isolierlamelle 40 angeformt werden, die auf den Statorgrundkörper 14 aufgesetzt wird. Ebenso kann die Lage und Ausbildung der Schneid-Klemm-Elemente 70 und die Ausbildung der Phasenanschluss-Kontakte 85 den Anforderungen der elektrischen Maschine 12 und den Fertigungsmöglichkeiten angepasst werden. Mittels der erfindungsgemäßen Verbindung der Leiterplatine mit den einzelnen Spulen 17 durch die Schneid-Klemm-Elemente 70 können durch entsprechende Designs der Leiterplatine 52 unterschiedliche Verschaltungen realisiert werden. Dabei kann die Ausbildung der Gabel 76 und der Pins 83 der Schneid-Klemm-Elemente 70 entsprechend angepasst werden. Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise für den Drehantrieb von Komponenten oder die Verstellung von Teilen im Kraftfahrzeug, insbesondere außerhalb der Fahrgastzelle, ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2005/0242678 A1 [0002]
