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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Bürstenlose Gleichstrommotoren der hier relevanten Bauart werden als Innenläufer bezeichnet und weisen einen Rotor auf, der mit einer Motorwelle verbunden ist und in einem Gehäuse drehbar gelagert ist. Der Rotor ist mit Permanentmagneten versehen. Um den Motor herum ist ein Stator angeordnet, der auf einem Eisenkern eine Anzahl von Wicklungen trägt. Bei geeigneter Ansteuerung erzeugen die Wicklungen ein Magnetfeld, das den Rotor zur Rotation antreibt. Die Wicklungen werden üblicherweise dreiphasig gewickelt und werden dementsprechend mit drei elektrischen Anschlüssen versehen, über die die Wicklungen mit einer Steuereinheit (ECU) verbunden werden können. Bei geringen Leistungen können die Stromschienen als Leiterbahnfolien ausgeführt werden. Bei höheren Leistungen, wie sie hier angenommen werden, werden die Wicklungsanschlussdrähte über Sammelschienen aus Kupferblech kontaktiert.
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Zum Zwecke der geometrischen Beschreibung des Elektromotors wird zum einen die Drehachse des Motors als Mittelachse und Symmetrieachse angenommen. Der Stator ist konzentrisch mit der Drehachse und dem Rotor angeordnet. Die Drehachse definiert gleichzeitig eine Axialrichtung, in der die Dicke des Statorpakets und die axiale Länge des Motors angegeben werden. Außerdem wird bezüglich der Mittelachse von einer Radialrichtung gesprochen, die den Abstand von der Mittelachse angibt, sowie von einer Umfangsrichtung, die tangential zu einem bestimmten in Radialrichtung angeordneten Radius ausgezeichnet ist. Die Anschlussseite des Stators, an der die Wicklungsdrähte mit der Stromschienenanordnung verbunden werden, wird als Oberseite des Stators beschrieben.
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Bei den hier besprochenen Elektromotoren sind neben den Leistungsdaten und dem Gewicht auch die Abmessungen wesentlich, insbesondere dann, wenn die Motoren in Kraftfahrzeugen als Stellantriebe eingesetzt werden sollen. Der Bauraum in Kraftfahrzeugen ist generell limitiert, und die Vorgaben der Kraftfahrzeughersteller sind zu beachten. Deshalb ist es eine ständige Anforderung an die Konstruktion von Elektromotoren, beispielsweise eine bestimmte axiale Länge in Richtung der Mittelachse nicht zu überschreiten. Dabei bestimmen die Leistungsdaten, die von dem Elektromotor gefordert werden, im Wesentlichen die axiale Länge des Statorpakets sowie des Rotors mit den daran angeordneten Elektromagneten. Die Sammelschieneneinheit, die zur Kontaktierung der Wicklungsanschlussdrähte des Stators erforderlich sind, trägt zu der axialen Länge bei.
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So ist aus der
JP 2014-158421 A ein Elektromotor bekannt, bei dem eine Sammelschieneneinheit mit drei Stromschienen axial oberhalb des Statorpakets angeordnet und mit den Wicklungsanschlussdrähten verbunden ist. Die Sammelschieneneinheit umfasst eine Anzahl von Sammelschienen, die teilkreisförmig konzentrisch zu der Mittelachse angeordnet sind. Mehrere Sammelschienen sind dabei in Axialrichtung übereinander gestapelt angeordnet. Die mehreren Sammelschienen und die dazwischen erforderliche elektrische Isolation tragen dabei zur axialen Länge des Statorpakets bei, da sie oberhalb der Wicklungspakete auf dem Stator angeordnet sind.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromotor so weiterzubilden, dass die axiale Erstreckung des Statorpakets und damit auch die Bauhöhe des Elektromotors in Axialrichtung reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird von einem Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Demnach ist ein Elektromotor mit einem Rotor, der um eine Drehachse drehbargelagert ist, und einem den Rotor außen umgebenden Stator, der einen Statorkern und auf dem Statorkern gewickelte Spulen aufweist, vorgesehen, wobei die Wicklungen aus einem Wicklungsdraht mit Wicklungsdrahtendabschnitten gebildet sind und die Wicklungsdrahtendabschnitte elektrisch mit wenigstens drei Sammelschienen stirnseitig kontaktiert sind, wobei die wenigstens drei Sammelschienen Spulenverbindungsanschlusselemente, Leistungsquellenverbindungsanschlusselemente und ringsegmentartige Basisabschnitte aufweisen, und wobei die Basisabschnitte die Spulenverbindungsanschlusselemente und die Leistungsquellenverbindungsanschlusselement verbinden. Eine erste Sammelschiene und eine zweite Sammelschiene sind in Umfangsrichtung um die Drehachse voneinander beabstandet angeordnet und die Basisabschnitte erstrecken sich in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Drehachse, und wobei eine dritte Sammelschiene in Umfangsrichtung um die Drehachse zwischen der ersten Sammelschiene und der zweiten Sammelschiene angeordnet ist und der Basisabschnitt der dritten Sammelschiene in einer Ebene senkrecht zur Drehachse zwischen einer Stirnseite des Stators und der von den Basisabschnitten der ersten und zweiten Sammelschiene aufgespannten Ebene angeordnet ist. Vorzugsweise sind die Sammelschienen parallel zueinander orientiert. Sie erstrecken sich bevorzugt senkrecht zur Drehachse. Dadurch, dass die Basisabschnitte nicht alle auf einer Axialhöhe angeordnet sind, kann eine Orientierung der Sammelschienen gewählt werden, die eine geringe axiale Erstreckung ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Basisabschnitt der dritten Sammelschiene in Radialrichtung bezogen auf die Drehachse außerhalb der Spulen und die Basisabschnitte der ersten Sammelschiene und zweiten Sammelschiene überdecken die Spulen in Radialrichtung zumindest teilweise. Die dritte Sammelschiene kann somit in einem Freiraum zwischen Statorkern und Statoroberseite auf der Außenseite der Spulen liegen, was Bauraum einspart.
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Vorzugsweise weisen die Basisabschnitte der ersten Sammelschiene und zweiten Sammelschiene denselben Radius auf und sind bevorzugt in einem Sammelschienenhalter entlang eines gemeinsamen Umfangs angeordnet. Der Sammelschienenhalter wird bevorzugt an der Oberseite des Stators befestigt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Spulen in Richtung des Radius gesehen auf der Außenseite von einem Positionierungsmittel umgeben, an dem der Sammelschienenhalter gehalten ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Basisabschnitt der dritten Sammelschiene in Radialrichtung bezogen auf die Drehachse außerhalb der Positionierungsmittel liegt.
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Die Spulenverbindungsanschlusselemente weisen vorzugsweise eine im Wesentlichen U-förmige oder V-förmige Gestalt auf und erstrecken sich in einer Ebene senkrecht zur Drehachse, so dass sie bevorzugt einen im Wesentlichen parallel zur Drehrichtung verlaufenden Wicklungsdrahtendabschnitt umgreifen können.
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Die Sammelschienen weisen Abkantungen von der Statoroberseite wegweisend auf, an deren Ende sich die Spulenverbindungsanschlusselemente befinden.
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In einer vorteilhaften Ausbildungsform ist der Abstand in Radialrichtung zwischen dem Basisabschnitt der dritten Sammelschiene und den Basisabschnitten der ersten Sammelschiene und zweiten Sammelschiene so groß gewählt, dass zwischen dem Basisabschnitt der dritten Sammelschiene und den Basisabschnitten der ersten Sammelschiene und zweiten Sammelschiene jeweils ein Spulenverbindungsanschlusselement aufgenommen werden kann.
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Die Sammelschienen sind bevorzugt so zueinander orientiert, das die dritte Sammelschiene teilweise von der ersten Sammelschiene und der zweiten Sammelschiene überdeckt ist.
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Vorzugsweise weisen die Sammelschienen in Richtung der Statoroberseite weisende Abkantungen auf, an deren Ende sich die Leistungsquellenverbindungsanschlusselement befinden, die sich mit ihrer kurzen Seite parallel zur Drehachse erstrecken.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Bauteile werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:
- 1: eine perspektivische Darstellung einer Sammelschieneneinheit von oben,
- 2: eine perspektivische Darstellung der Sammelschieneneinheit von unten,
- 3: eine perspektivische Darstellung eines Stators mit der Sammelschieneneinheit, sowie
- 4: eine perspektivische Darstellung der Sammelschienen.
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Die 1 und 2 zeigen eine Sammelschieneneinheit 1 für einen Stator eines Elektromotors in Ansicht von oben und in Ansicht von unten. Die Sammelschieneneinheit 1 umfasst einen Sammelschienenhalter 2 und drei an dem Sammelschienenhalter 2 montierte Sammelschienen 3,4,5. Die Sammelschienen 3,4,5 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt, vorzugsweise Metall, insbesondere Kupfer. Der Sammelschienenhalter 2 besteht wenigstens zum Teil oder vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material, so dass Kurzschlüsse zwischen den Sammelschienen 3,4,5 effektiv verhindert werden können. Der Sammelschienenhalter 2 ist bevorzugt durch Spritzgießen hergestellt und erstreckt sich über einen Teil der Sammelschienen 3,4,5. Auf diese Weise kann eine feste und wohldefinierte physische Verbindung zwischen dem Sammelschienenhalter 2 und den Sammelschienen 3,4,5 bereitgestellt werden. Der Sammelschienenhalter 2 ist dazu eingerichtet, auf einer axialen Seite des Stators (Oberseite) positioniert zu werden.
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3 zeigt einen Stator 6 mit montiertem, im Wesentlichen ringförmigen, Sammelschienenhalter 2. Der Stator 6 weist einen Statorkern 7 auf, welcher sich koaxial zu einer Längsachse 100 erstreckt und eine Mehrzahl von nicht dargestellten Statorkernsegmenten aufweist, um welche herum jeweils Spulen 8 gewickelt sind. Die Spulen 8 sind lediglich schematisch dargestellt. Die Spulen 8 werden in Richtung des Radius gesehen, auf der Außenseite von einem Positionierungsmittel 9 umgeben. Die Positionierungsmittel 9 können aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein, um Kurzschlüsse zwischen Wicklungsdrähten unterschiedlicher Phasen zu vermeiden. Die Statorkernsegmente sind aufeinanderfolgend in der Umfangsrichtung des Stators 6 angeordnet. Die Statorkernsegmente können wenigstens teilweise aus einem ferromagnetischen Material, wie etwa aus ferromagnetischem Stahl, hergestellt sein. Der Stator 6 wird fest innerhalb eines Gehäuses eines Elektromotors montiert und ist dazu eingerichtet, ein zeitveränderliches Magnetfeld mittels der Spulen 8 zu erzeugen. Ein nicht dargestellter magnetisierter Rotor wird dabei in der zentralen Öffnung 10 des Stators 6 montiert. Er ist dazu eingerichtet, durch eine Wechselwirkung mit dem von den Spulen 6 erzeugten zeitveränderlichen Magnetfeld gedreht zu werden. Die Sammelschieneneinheit 1 ist dazu eingerichtet, die Spulen 8 des Stators mittels der Sammelschienen 3,4,5 elektrisch zu kontaktieren. Die Sammelschieneneinheit 1 weist in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandete Arme 11 auf, die an ihrem Ende abgewinkelt sind und mit dem Ende in Anlage mit dem Positionierungsmittel 9 zur Befestigung an dem Stator 6 liegen und bevorzugt geclippt werden. Die Spulen 8 sind in drei Phasengruppen U, V, W gruppiert. Die Spulen der jeweiligen Phasengruppen U, V, W sind durch einen Wicklungsdraht gebildet, welcher um die entsprechenden Statorkernsegmente des Statorkerns 7 gewickelt ist und welcher mit einer Leistungsquelle mittels Wicklungsdrahtendabschnitten 12 verbunden werden kann.
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4 zeigt die drei Sammelschienen 3,4,5. Jede der Sammelschienen 3,4,5 weist ein Leistungsquellenverbindungsanschlusselement 13 auf, welches dazu eingerichtet ist, mit einer Leistungsquelle elektrisch verbunden zu werden, und zwei Spulenverbindungsanschlusselemente 14, die dazu eingerichtet sind, mit einer Spule des Stators 8 elektrisch verbunden zu werden, auf.
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Die Spulenverbindungsanschlusselemente 14 weisen eine im Wesentlichen U-förmige oder V-förmige Gestalt auf und erstrecken sich in einer Ebene senkrecht zur Längsachse 100. In anderen Worten, die Spulenverbindungsanschlusselemente 14 weisen ein im Querschnitt zur Längsachse 100 U-förmiges oder V-förmiges Profil auf und umgreifen jeweils einen im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung verlaufenden Wicklungsdrahtendabschnitt 12. Alle Öffnungen der Spulenverbindungsanschlusselemente 14 zur Einführung der Wicklungsdrahtendabschnitte 12 zeigen dabei in Umfangsrichtung bis auf eine Öffnung eines Spulenverbindungsanschlusselemente 14', die entgegengesetzt orientiert ist. Die axiale Höhe der Spulenverbindungsanschlusselemente h kann dadurch gegenüber dem Stand der Technik reduziert werden, aus dem bekannt ist, dass die Spulenverbindungsanschlusselemente von oben auf die sich radial erstreckenden Wicklungsdrahtendabschnitte greifen. Die Spulenverbindungsanschlusselemente 14 sind bevorzugt als Crimpelemente ausgebildet, die um die Wicklungsdrahtendabschnitte 12 gecrimpt werden. Auf diese Weise könne die Wicklungsdrahtendabschnitte 12 elektrisch mit den Sammelschiene 3,4,5 einfach durch eine mechanische Verformung der jeweiligen Spulenverbindungsanschlusselemente 14 elektrisch verbunden werden. Der Sammelschienenhalter 2 weist eine in den 1 und 2 dargestellte Statorfläche 15 auf, die in Anlage mit der Stirnseite des Stators (Oberseite) steht. Die Leistungsquellenverbindungsanschlusselemente 13 stehen über die Statorfläche des Sammelschienenhalters 15 in Radialrichtung hinaus vor. Auf diese Weise wird die axiale Erstreckung des Stators nicht wesentlich durch die Leistungsquellenverbindungsanschlusselemente 13 erhöht. Zur Ausbildung der Leistungsquellenverbindungsanschlusselemente 13 weisen die Sammelschienen vorzugsweise eine Abkantung zur Oberseite des Stators hin auf. Die rechteckigen Leistungsquellenverbindungsanschlusselement haben eine kurze und eine lange Seite und eine gewisse Dicke. Die kurze Seite erstreckt sich somit in Längsrichtung und die lange Seite in Radialrichtung. Alle drei Leistungsquellenverbindungsanschlusselemente 13 liegen vorzugsweise in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Längsachse 100.
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Die drei Sammelschienen 3,4,5 sind entlang des Umfangs überlappend angeordnet. Jede Sammelschiene 3,4,5 weist einen Basisabschnitt 30,40,50 auf, welcher die Spulenverbindungsanschlusselemente 14 mit den jeweiligen Leistungsquellenverbindungsanschlusselementen 13 verbindet. Eine erste Sammelschiene 3 und eine zweite Sammelschiene 5 liegen beabstandet voneinander und mit ihren Basisabschnitten 30,50 in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Längsachse. Die Basisabschnitte 30,50 dieser beiden Sammelschienen 3,5 weisen eine ringsegmentartige Gestalt auf, welche zu Abschnitten der ringförmigen Gestalt des Sammelschienenhalters korrespondiert. Die Ringsemente der beiden Sammelschienen 30,50 weisen denselben Radius auf. Im montierten Zustand überdecken diese beiden Ringelemente teilweise die Stirnseiten der Spulen 8. In Umfangsrichtung zwischen diesen beiden Sammelschienen 3,5 ist eine dritte, mittlere Sammelschiene 4 angeordnet, die von der ersten und zweiten Sammelschiene 3,5 teilweise in Umfangsrichtung überdeckt wird. Der Basisabschnitt der dritten Sammelschiene 40 weist ebenfalls eine ringsegmentartige Gestalt auf. Der Radius ist dabei allerdings größer als der Radius der ersten und zweiten Sammelschiene, so dass sich entlang des Radius ein Abstand a zwischen der ersten und zweiten Sammelschiene 3,5 und der dritten Sammelschiene 4 ausbildet. Die Spulenverbindungsanschlusselemente der dritten Sammelschiene liegen dabei in Radialrichtung bevorzugt zwischen den Basisabschnitten der ersten und zweiten Sammelschiene 30,50 und dem Basisabschnitt der dritten Sammelschiene 40. Der Basisabschnitt der dritten Sammelschiene 40 liegt in einer anderen Ebene senkrecht zur Längsachse als die anderen beiden Basisabschnitte 30,50. Der Basisabschnitt der dritten Sammelschiene 40 liegt im montierten Zustand zwischen dem Stator 6 und den Basisabschnitten der ersten und zweiten Sammelschienen 30,50. Der Radius des Basisabschnitts der dritten Sammelschiene 40 ist so gewählt, dass dieser Basisabschnitt 40 in Radialrichtung außerhalb der Spulen 8 und des Positionierungsmittels 9 liegt. Da die Spulen 8 und das Positionierungsmittel 9 in Längsrichtung über die Außenseite des Statorkerns 7 überstehen, kann der Basisabschnitt der dritten Sammelschiene in den bestehenden Freiraum oberhalb des Statorkerns 7 gelegt werden. Die dritte Sammelschiene 4 hat dadurch einen geringeren Axialenüberstand über die Stirnseite des Stators. Das ermöglicht einen Elektromotor mit einer geringen axialen Höhe bereitzustellen. Der Stator 6 mit Sammelschieneneinheit 1 kann in einen nicht gezeigten Elektromotor eingebaut werden. Der Elektromotor wird bevorzugt im Automotive-Bereich eingesetzt, insbesondere in einer Pumpe, bevorzugt einer elektrischen Wasserpumpe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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