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Die vorliegende Erfindung betrifft einen bürstenlosen Elektromotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Montage einer Sammelschieneneinheit auf einem Stator.
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Ein bürstenloser Elektromotor als elektrische Drehstrommaschine weist einen Stator mit einer Anzahl von beispielsweise sternförmig angeordneten Statorzähnen auf, welche eine elektrische Statorwicklung in Form einzelner Statorspulen tragen, die ihrerseits aus einem Isolierdraht gewickelt sind. Die Spulen sind mit deren Spulenenden einzelnen Strängen zugeordnet und untereinander in einer vorbestimmten Weise über gemeinsame Verbindungsleiter verschaltet. Im Falle eines bürstenlosen Elektromotors als dreiphasige Drehstrommaschine weist der Stator drei Stränge und damit zumindest drei Verbindungsleiter auf, die jeweils phasenversetzt mit elektrischem Strom beaufschlagt werden, um ein magnetisches Drehfeld zu erzeugen, in dem ein üblicherweise mit Permanentmagneten versehener Rotor oder Läufer rotiert. Die Verbindungsleiter werden zur Ansteuerung des Elektromotors an eine Motorelektronik geführt. Die Spulen der Statorwicklung werden mittels der Verbindungsleiter in bestimmter Weise miteinander verschaltet. Die Art der Verschaltung ist durch das Wickelschema der Statorwicklung bestimmt, wobei als Wickelschema eine Sternschaltung oder eine Dreiecksschaltung der Spulen üblich ist.
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Herkömmlicherweise sind die Verbindungsleiter in Form von Stromschienen ausgeführt, die als Stanz-Biegeteile aus einem Kupfermaterial hergestellt sind. Hierzu werden aus einem entsprechenden Blechmaterial die Stromschienen inklusive einer Anzahl von haken- und/oder steckzungenförmigen Kontaktelementen ausgestanzt und die dadurch gebildete Stromschiene ringförmig gebogen.
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In einem Dreiphasen-Motor können dabei drei erste Sammelschienen vorgesehen sein, mit denen Endabschnitte auf einer Seite der Wicklungsdrähte der drei Spulengruppen jeweils verbunden sind, und die jeweils einen Außenverbindungsanschluss umfassen, sowie eine zweite Sammelschiene für einen Neutralpunkt, mit der Endabschnitte auf der anderen Seite der Wicklungsdrähte der drei Spulengruppen verbunden sind, und ein Harzhalter, der die drei ersten Sammelschienen und die zweite Sammelschiene hält. Alle Komponenten sind in einer Sammelschieneneinheit vereint.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen bürstenlosen Elektromotor anzugeben, der eine Sammelschieneneinheit umfasst, die einfach ausgebildet ist und eine geringe axiale Höhe aufweist.
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Diese Aufgabe wird von einem bürstenlosen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren zur Montage einer Sammelschieneneinheit auf einem Stator mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Demnach ist ein bürstenloser Elektromotor mit einem Rotor, der um eine Drehachse drehbar gelagert ist, und einem den Rotor außen umgebenden Stator, der einen Statorkern und auf dem Statorkern gewickelte Spulen aufweist vorgesehen. Die Wicklungen sind jeweils aus einem Wicklungsdraht mit einem ersten Endabschnitt auf einer Seite und einem zweiten Endabschnitt auf der anderen Seite des Wicklungsdrahtes gebildet. Der Elektromotor umfasst weiterhin eine Sammelschieneneinheit mit ersten Sammelschienen und einen die ersten Sammelschienen umgebenden Sammelschienenhalter. Die ersten Sammelschienen sind mit den zweiten Endabschnitten elektrisch kontaktiert, wobei der Sammelschienenhalter oben auf den Stator aufgesetzt ist und der Sammelschienenhalter Befestigungsarme aufweist, die in Längsnuten des Stators greifen.
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Dadurch lässt sich eine in Axialrichtung definierte Verbindung zwischen der Sammelschieneneinheit und dem Stator herstellen. Da die Sammelschieneneinheit auf der Oberseite des Stators aufliegt und die Verbindung unterhalb dessen mittels der Längsnuten erfolgt, baut die Sammelschieneneinheit in axialer Richtung nur gering auf.
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Die Drehachse des Rotors fällt zusammen mit der Längsachse des Stators. Wenn von einer Radialrichtung oder Umfangsrichtung gesprochen wird, wird stets Bezug auf die Längsachse des Stators bzw. Drehachse des Rotors genommen. Die Oberseite des Stators ist die Seite an der die Wicklungsdrahtenden herausragen.
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Der Sammelschienenhalter wird bevorzugt im Spritzgussverfahren hergestellt, wobei die Sammelschienen zumindest teilweise umspritzt werden.
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Vorzugsweise weist der Sammelschienenhalter einen ringförmigen Grundkörper auf, von dem die Befestigungsarme radial nach außen abstehen, wobei die Befestigungsarme in Richtung des Stators abgewinkelt sind und mit ihren Enden jeweils in eine Längsnut des Stators greifen.
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Um die axiale Lage genau zu definieren, weisen die Befestigungsarme an ihren freien Enden bevorzugt Nasen auf, die in die Längsnuten des Stators aufgenommen sind und somit eine axiale Begrenzung für das Einsetzen ausbilden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist jede der ersten Sammelschienen ein Leistungsquellenverbindungsanschlusselement auf, welches dazu eingerichtet ist, mit einer Leistungsquelle elektrisch verbunden zu werden, wobei die Leistungsquellenverbindungsanschlusselemente in einem Halteabschnitt des Sammelschienenhalters gehalten sind, der in Radialrichtung nach außen, außerhalb des Grundkörpers des Sammelschienenhalters liegt.
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Der Halteabschnitt ist somit einstückig bei der Herstellung des Sammelschienenhalters mit ausgebildet, wodurch die Teileanzahl verringert wird.
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Vorzugsweise ist an dem Halteabschnitt ebenfalls ein Befestigungsarm ausgebildet.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Sammelschieneneinheit zweite Sammelschienen aufweist, die die außenliegenden, ersten Endabschnitte erden. Diese zweiten Sammelschienen erstrecken sich bevorzugt jeweils in Umfangsrichtung über einen Winkelbereich, der drei aufeinanderfolgende Spulen unterschiedlicher Phasen umfasst, so dass die drei ersten Endabschnitte dieser Spulen mit einer gemeinsamen zweiten Sammelschiene kontaktiert sind.
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Der Stator kann zur Ausbildung von Statorzähnen den Statorkern teilweise umgebende Isolatoren aufweisen, auf denen die Wicklungen angeordnet sind und auf die stirnseitig die zweiten Sammelschienen der Sammelschieneneinheit gelegt sind. Vorzugsweise kontaktieren die zweiten Sammelschienen die ersten Endabschnitte über Kontaktelemente, die sich in Radialrichtung nach innen von der Hauptschiene aus erstrecken.
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Es ist vorteilhaft, wenn die zweiten Sammelschienen separat zum Sammelschienenhalter ausgebildet sind und einen gedachten Kreis einnehmen, dessen Innenumfang größer ist als der Außenumfang des Sammelschienenhalters. Die axiale Höhe der Anordnung kann so weiter reduziert werden.
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Weiterhin ist ein Verfahren zur Montage einer Sammelschieneneinheit auf einem Stator vorgesehen, wobei der Stator einen Statorkern und auf dem Statorkern gewickelte Spulen aufweist, wobei die Wicklungen aus einem Wicklungsdraht mit einem ersten Endabschnitt auf einer Seite und einem zweiten Endabschnitt auf der anderen Seite des Wicklungsdrahtes gebildet sind, wobei die Sammelschieneneinheit erste Sammelschienen, einen die ersten Sammelschienen umgebenden Sammelschienenhalter und zweite Sammelschienen umfasst, und das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- a) Aufsetzen des Sammelschienenhalters auf die Oberseite des Stators, wobei der Sammelschienenhalter Befestigungsarme aufweist, die beim Aufsetzen in Längsnuten des Stators greifen,
- b) Kontaktieren der zweiten Endabschnitte mit der jeweiligen Sammelschiene, wobei die zweiten Endabschnitte in Radialrichtung zur Längsachse des Stators von innen nach außen gebogen werden, um die Sammelschienen zu kontaktieren.
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Wie bereits oben beschrieben, wird durch dieses Verfahren die axiale Lage des Sammelschienenhalters genau definiert.
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Das Verfahren kann zudem den folgenden Schritt vor Schritt a) aufweisen:
- c) Aufsetzen der zweiten Sammelschienen auf die Oberseite des Stators und Kontaktieren der zweiten Sammelschienen mit den ersten Endabschnitten zur Erdung der Wicklungsdrähte.
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Die ersten und zweiten Sammelschienen sind vorzugsweise wie oben beschrieben ausgebildet und zu den Endabschnitten angeordnet.
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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 Draufsicht auf einen Stator mit stirnseitig angeordneter Sammelschieneneinheit,
- 2: eine Detailansicht der Sammelschieneneinheit aus 1, sowie
- 3: eine schematische Darstellung der Montage der Sammelschieneneinheit auf dem Stator.
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Die 1 zeigt einen Stator 1 mit montierter, im Wesentlichen ringförmigen Sammelschieneneinheit 2. Der Stator 1 weist einen Statorkern auf, welcher sich koaxial zu einer Längsachse 100 erstreckt und eine Mehrzahl von nicht dargestellten Statorkernsegmenten aufweist. Den Statorkernsegmenten sind stirnseitig Isolatoren 3 zugeordnet. Um die Anker ausbildende Statorkernsegmente und Isolatoren 3 sind Spulen 4 gewickelt. Die Spulen 4 weisen jeweils einen Wicklungsdraht 5 auf, der einen ersten, nicht dargestellten Endabschnitt auf einer Seite des Wicklungsdrahtes und einen zweiten Endabschnitt 7 auf der anderen Seite des Wicklungsdrahtes aufweist. Das Wickeln des Stators erfolgt in Radialrichtung von außen nach innen. Der erste Endabschnitt liegt per Definition im Bereich der Außenseite des Stators und der zweite Endabschnitt 7 im Bereich der Innenseite des Stators. Die Isolatoren 3 sind aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt, um Kurzschlüsse zwischen Wicklungsdrähten 5 unterschiedlicher Phasen zu vermeiden. Die Statorkernsegmente können wenigstens teilweise aus einem ferromagnetischen Material, wie etwa aus ferromagnetischem Stahl, hergestellt sein. Der Stator 1 wird fest innerhalb eines Gehäuses eines Elektromotors montiert und ist dazu eingerichtet, ein zeitveränderliches Magnetfeld mittels der Spulen 4 zu erzeugen. Ein nicht dargestellter magnetisierter Rotor wird dabei in der zentralen Öffnung 8 des Stators 1 montiert. Er ist dazu eingerichtet, durch eine Wechselwirkung mit dem von den Spulen 4 erzeugten zeitveränderlichen Magnetfeld gedreht zu werden. Die Sammelschieneneinheit 2 ist dazu eingerichtet, die Spulen 4 des Stators mittels Sammelschienen elektrisch zu kontaktieren. Die Sammelschieneneinheit 2 ist auf einer axialen Seite des Stators (Oberseite) positioniert. Die Sammelschieneneinheit 2 umfasst einen Sammelschienenhalter 9 und mittels des Sammelschienenhalters 9 gehaltene erste Sammelschienen 10,11,12. Die ersten Sammelschienen 10,11,12 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt, vorzugsweise Metall, insbesondere Kupfer. Jede der ersten Sammelschienen 10,11,12 ist aus einem Stanzstreifen gebildet.
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Der Sammelschienenhalter 9 besteht wenigstens zum Teil oder vollständig aus einem elektrisch isolierenden Material, so dass Kurzschlüsse zwischen den ersten Sammelschienen 10,11,12 effektiv verhindert werden können. Der Sammelschienenhalter 9 ist bevorzugt durch Spritzgießen hergestellt und erstreckt sich wenigstens teilweise über die ersten Sammelschienen 10,11,12, die umspritzt werden. Auf diese Weise kann eine feste und wohldefinierte physische Verbindung zwischen dem Sammelschienenhalter 9 und den ersten Sammelschienen 10,11,12 bereitgestellt werden.
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Der Sammelschienenhalter 9 weist einen ringförmigen Grundkörper 13 auf, von dem zwei Befestigungsarme 14 abgehen, die radial nach außen von dem Grundkörper 13 abstehen und abgewinkelt sind, wobei sich im montierten Zustand der Sammelschieneneinheit 2 auf dem Stator die Befestigungsarme 14 in Richtung des Stators mit dem abgewinkelten Bereich erstrecken. Jeder Befestigungsarm 14 weist an seinem freien Ende eine Nase 15 auf.
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Der Statorkern weist paketierte Statorbleche auf. Der Statorkern bzw. die Statorbleche sind auf der Außenseite genutet. Die Nuten 16 sind Längsnuten. Sie erstrecken sich in Längsrichtung, bevorzugt über die komplette Höhe des Statorkerns und sind gleichmäßig entlang des Umfangs zueinander beabstandet angeordnet. Die Nase 15 der Befestigungsarme ist in einer der Längsnuten 16 aufgenommen, insbesondere eingepresst.
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Diese axiale Verbindung stellt eine Verdrehsicherung dar. Die Lage der Sammelschieneneinheit lässt sich so in Axial- und Drehrichtung klar definieren.
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Wie in 2 im Detail dargestellt, weist jede der ersten Sammelschienen 10,11,12 ein Leistungsquellenverbindungsanschlusselement 17 auf, welches dazu eingerichtet ist, mit einer Leistungsquelle elektrisch verbunden zu werden. Die Leistungsquellenverbindungsanschlusselemente 17 sind in einem Halteabschnitt 18 des Sammelschienenhalters 9 gehalten. Dieser Halteabschnitt 18 liegt in Radialrichtung nach außen, außerhalb des Grundkörpers des Sammelschienenhalters 13. Die Leistungsquellenverbindungsanschlusselemente 17 werden bei der Fertigung des Sammelschienenhalters 9 mit umspritzt und ragen mit ihren freien Enden in Längsrichtung nach oben, im montierten Zustand vom Stator weg. An dem Halteabschnitt 18 ist ein weiterer Befestigungsarm 19 ausgebildet, der sich in Längsrichtung nach unten, im montierten Zustand in Richtung des Stators erstreckt und ebenfalls mit einer endseitigen Nase 15 in eine Längsnut des Stators greift.
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Die beiden Befestigungsarme 14 und der dritte Befestigungsarm 19 sind in Umfangsrichtung zueinander beabstandet und weisen etwa den gleichen Abstand auf.
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3 zeigt einen Montageprozess bei dem die Sammelschieneneinheit 2 auf dem Stator 1 befestigt wird. Wie im ersten Schritt, links, zu sehen ist, werden die ersten Endabschnitte 6 und die zweiten Endabschnitte 7 der Wicklungsdrähte 5 aus dem Stator 1 stirnseitig herausgeführt. Auf die Isolatoren 3 werden stirnseitig zweite Sammelschienen 20 der Sammelschieneneinheit 2 gelegt, die nicht im Sammelschienenhalter gehalten sind. Die außenliegenden, ersten Endabschnitte 6 sind mit den zweiten Sammelschienen kontaktiert, die die ersten Endabschnitte 6 erden. Die zweiten Sammelschienen 20 erstrecken sich jeweils in Umfangsrichtung über einen Winkelbereich, der drei aufeinanderfolgende Spulen unterschiedlicher Phasen umfasst, so dass die drei ersten Endabschnitte 6 dieser Spulen mit einer gemeinsamen zweiten Sammelschiene 20 kontaktiert sind.
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Die zweiten Sammelschienen 20 bilden einen gedachten Kreis aus, dessen Innenumfang größer ist als der Außenumfang des Sammelschienenhalters 9.
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Nachdem die zweiten Sammelschienen 20 in Anlage mit den Isolatoren 3 gebracht worden und die ersten Endabschnitte der Wicklungsdrahte 6 mit diesen kontaktiert worden sind, wird der Sammelschienenhalter 9 mit den ersten Sammelschienen 10,11,12 auf die Oberseite des Stators 1 gesetzt. Dabei greifen die Befestigungsarme 14,19 in die Längsnuten 16 auf der Außenseite des Stators 1. Die Nasen der Längsnuten 15 werden von oben in die Längsnut 16 eingeführt bzw. gepresst und begrenzen die Einführtiefe, so dass eine axiale Lage des Sammelschienenhalters 9 relativ zur Statoroberseite definiert ist.
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Die Sammelschienen 10,11,12 weisen Kontaktabschnitte 21 auf, die aus dem Sammelschienenhalter 9 radial nach innen und abgewinkelt nach oben hervorragen. Die Kontaktabschnitte aller Sammelschienen 21 sind in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet angeordnet. Die Kontaktabschnitte 21 ragen auf der Innenseite des Sammelschienenhalters 9 hervor. Die zweiten Endabschnitte 7 liegen in Radialrichtung innen vor den Kontaktabschnitten 21 und werden in einem nicht dargestellten Prozess mit diesen kontaktiert. Ein jeder Kontaktabschnitt 21 kontaktiert somit ein innenliegendes Wicklungsdrahtende elektrisch. In Umfangsrichtung sind die Kontaktabschnitte den Phasen u,v,w zugeordnet, die sich in dieser Reihenfolge wiederholend viermal anschließen.
