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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung eines Stators einer Pumpe mit einer Leiterplatte mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 9.
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Pumpen weisen häufig Gleichstrommotoren auf. Die Gleichstrommotoren umfassen einen Rotor, der mit einer Motorwelle verbunden ist und in einem Gehäuse drehbar gelagert ist. Der Rotor ist mit Permanentmagneten versehen. Ein Stator trägt auf einem Eisenkern eine Anzahl von Wicklungen. 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 Stromschienen in Form von Leiterbahnfolien verwendet werden. Bei höheren Leistungen werden die Wicklungsanschlussdrähte über Sammelschienen aus Kupferblech kontaktiert. Die Kontaktierung der Leiterplatte erfolgt dabei mittels Kontaktstecker oder durch Prozesse wie Löten oder Schweißen. Es ist allerdings auch bekannt, die Wicklungsanschlussdrähte unmittelbar mit der Leiterplatte mittels lötfreier Crimptechnik zu verbinden. Die Offenlegungsschrift
DE 10 2019 104 705 beschreibt eine solche Verbindung. Die Crimpelemente sind dabei auf der Leiterplatte gelötet. Bei der Montage werden die abisolierten Enden der Wicklungsdrähte parallel zur Oberfläche der Leiterplatte in die Crimpelemente eingebracht und diese zusammengedrückt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige, einfache, stabile und thermisch effiziente Lösung für eine Verbindung zwischen einem Stator und einer Leiterplatte anzugeben.
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Diese Aufgabe wird von einer Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und von einem Verfahren zur elektrischen Kontaktierung eines Stators mit einer Leiterplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Demnach ist eine elektrische Pumpe aufweisend einen Elektromotor mit einem Rotor, der um eine Drehachse drehbar gelagert ist und mit einem Stator, vorgesehen, wobei der Stator einen Statorkern und auf dem Statorkern gewickelte Spulen aufweist, und wobei die Wicklungen aus einem Wicklungsdraht mit Wicklungsdrahtenden gebildet sind, und wobei der Elektromotor eine Leiterplatte umfasst. Dabei sind jeweils zwei Wicklungsdrahtenden einer gemeinsamen Phase in einer Crimphülse eines Verbindungselementes zur Ausbildung einer Crimpverbindung gehalten, wobei das Verbindungselement wenigstens einen Steckkontakt aufweist, der die Leiterplatte kontaktiert, und wobei das Verbindungselement an dem Stator mittels eines Formgebungsverfahren gehalten ist. Bei dem Formgebungsverfahren kann es sich um Spritzgießen, einem klassischen Verguss, einem Vakuum-Verguss oder aber auch um Transfermoulding handeln. Gegenüber einer Stromschieneneinheit oder einem Kontakt mit Schneidklemmverbindung ist die Kontaktierung mittels des Verbindungselements kompakter und mit weniger Bauteilen realisierbar. Durch die große Kontaktfläche der Crimphülse ist eine höhere Stromtragfähigkeit der Kontaktstelle gegeben, wodurch auch ein geringerer ohmscher Verlust resultiert. Das gleichzeitige Umgeben des Stators und des Verbindungselements mit Formmasse führt zu einer erhöhten Stabilität der Anordnung und zu einer besseren Wärmeableitung.
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Die Innenfläche der Crimphülse ist bevorzugt mit mehreren scharfkantigen Rillen oder Erhebungen versehen, die beim Vercrimpen die Lackoberfläche der Wicklungsdrahtenden durchschneiden und so eine großflächige Kontaktierung ergeben. Dadurch ist ein Abisolieren der Wicklungsdrahtenden (mechanisch, thermisch oder chemisch) nicht mehr erforderlich. Solche Crimphülsen werden auch als Splicekontakte bezeichnet.
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Der wenigstens eine Steckkontakt kann einteilig mit dem Verbindungselement ausgebildet sein oder ein separates Bauteil ausbilden, welches mit dem Verbindungselement elektrisch kontaktiert wird. Bei dem Steckkontakt handelt es sich bevorzugt um einen Pressfit-Kontakt. Es kann aber auch ein Rundstecker, Flachstecker oder eine andere Kontur verwendet werden, die in die Leiterplatte zur elektrischen Kontaktierung eingesteckt wird. Bei hohen Strombelastungen sind mehrere solcher Steckkontakte pro Verbindungselement vorgesehen. Bevorzugt weist ein Verbindungselement genau einen Steckkontakt auf.
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Vorzugsweise weisen die Crimphülsen jeweils eine Öffnung zum Einbringen der Wicklungsdrahtenden auf, wobei die Öffnung zur Oberseite des Stators zeigt. Das Verbindungselement kann so besonders einfach auf die Wicklungsdrahtenden aufgesetzt werden. Dabei ist es denkbar, dass die Wicklungsdrahtenden sich in Längsrichtung erstrecken und die Crimphülse in diesem Zustand aufgesetzt wird und vercrimpt wird. Dadurch ist eine bessere Zugänglichkeit für das Crimpwerkzeug gegeben. Anschließend werden die Wicklungsdrahtenden mit den darauf angeordneten Crimphülsen umgebogen, so die Wicklungsdrahtenden parallel zur Oberseite des Stators ausgerichtet sind. Die Crimphülsen können aber auch in dem bereits umgebogenen Zustand auf die Wicklungsdrahtenden aufgesetzt werden.
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Es ist bevorzugt, dass der Steckkontakt sich von einer Oberseite der Crimphülse in Längsrichtung nach oben erstreckt und so eine unmittelbare und besonders einfache Kontaktierung mit der Leiterplatte erlaubt. Es kann vorgesehen sein, dass der Steckkontakt in Radialrichtung innen, außen oder mittig der Crimphülse angeordnet ist. Die Crimphülse erstreckt sich bevorzugt in Radialrichtung, insbesondere über die gesamte Breite des ringförmigen Stators.
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Die Wicklungsdrahtenden erstrecken sich vorzugsweise parallel zur Oberseite des Stators, in Abhängigkeit vom Wicklungsschema des Stators, bevorzugt in Radialrichtung von außen nach innen.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Steckkontakte aus der im Formgebungsverfahren ausgebildeten Formmasse hervorragen.
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Vorzugsweise erstreckt sich die im Formgebungsverfahren ausgebildete Formmasse durchgängig von der Statoroberfläche bis zu den Verbindungselementen, derart, dass die Wicklungsdrahtenden und die Verbindungselemente in der Formmasse gehalten sind.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass auf der Oberseite des Stators wenigstens zwei sich in Längsrichtung erstreckende Führungsstifte im Formgebungsverfahren ausgebildet sind. Diese Führungsstifte dienen der Zentrierung der Leiterplatte auf der Oberseite des Stators.
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Zudem ist ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung eines Stators eines Elektromotors einer Pumpe mit einer Leiterplatte vorgesehen, wobei der Stator einen Statorkern und auf dem Statorkern gewickelte Spulen aufweist, und wobei die Wicklungen aus einem Wicklungsdraht mit Wicklungsdrahtenden gebildet sind und die Wicklungsdrahtenden sich parallel zur Längsachse der Pumpe erstrecken. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- a) Biegen der Wicklungsdrahtendabschnitte in eine Ebene senkrecht zur Längsachse (je nach Wicklungsschema nach innen oder nach außen),
- b) Aufsetzen einer Crimphülse eines Verbindungselementes jeweils auf zwei einer gemeinsamen Phase zugehörigen Wicklungsdrahtenden,
- c) Zusammendrücken der Crimphülsen zur Herstellung einer elektrischen Verbindung der Wicklungsdrahtenden mit dem Verbindungselement,
- d) Verbinden der Verbindungselemente mit dem Stator in einem Formgebungsverfahren, wobei die im Formgebungsverfahren ausgebildete Formmasse die Verbindungselemente und den Stator zumindest teilweise umgibt,
- e) Kontaktieren der Wicklungsdrahtenden mit der Leiterplatte mittels Steckkontakte, wobei jedes Verbindungselement jeweils mindestens einen Steckkontakt aufweist.
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Diese Verbindung ist besonders einfach herstellbar und bietet die oben genannten Vorteile.
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Der Stator und die Verbindungelemente sind bevorzugt, wie vorgehen beschrieben, ausgebildet.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Verfahrensschritt b) vor dem Verfahrensschritt a) ausgeführt wird. Dabei ergibt sich der Vorteil, dass das Crimpwerkzeug leichter auf die Crimphülse zustellbar ist. Es ist aber auch denkbar, dass die Wicklungsdrahtenden als erstes gebogen werden und die Crimphülsen danach aufgesetzt werden.
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Wie bereits oben beschrieben, kann das Verbindungselement einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. In der mehrteiligen Variante ist der wenigstens eine Steckkontakt separat zu dem Verbindungselement ausgebildet, wobei in dem Verfahrensschritt e) folgende Schritte vorgesehen sind:
- • Kontaktieren des wenigstens einen Steckkontakts mit der Leiterplatte und
- • Einsetzen der Steckkontakte in die mit dem Stator verbundenen Verbindungselemente.
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Es ist aber auch denkbar, dass die Steckkontakte als erstes in die entsprechenden Verbindungselemente eingesetzt werden und danach die elektrische Kontaktierung mit der Leiterplatte erfolgt.
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Vorzugsweise werden im Verfahrensschritt d) auf der Oberseite des Stators wenigstens zwei sich in Längsrichtung erstreckende Führungsstifte ausgebildet, die im Verfahrensschritt e) der Zentrierung der Leiterplatte auf der Oberseite des Stators dienen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleichartige oder gleichwirkende Bauteile werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:
- 1: eine räumliche Ansicht eines Stators eines bürstenlosen Elektromotors einer Pumpe,
- 2: drei Detailansichten eines ersten Verbindungselementes zur Verbindung zweier Wicklungsdrahtenden des Stators mit einer Leiterplatte,
- 3: eine Detailansicht eines zweiten Verbindungselementes zur Verbindung zweier Wicklungsdrahtenden des Stators mit einer Leiterplatte,
- 4: eine Detailansicht eines Verbindungselementes zur Verbindung zweier Wicklungsdrahtenden des Stators mit einer Leiterplatte,
- 5: eine Detailansicht eines zweiteiligen Verbindungselementes zur Verbindung zweier Wicklungsdrahtenden des Stators mit einer Leiterplatte, sowie
- 6: eine räumliche Ansicht eines anderen Stators eines bürstenlosen Elektromotors einer Pumpe.
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1 zeigt einen Stator 1, der Teil eines bürstenlosen Gleichstrommotors ist. Der Stator 1 umgibt einen nicht dargestellten Rotor und erstreckt sich koaxial zu der Drehachse des Rotors, die im montierten Zustand der Längsachse des Stators 100 entspricht. Der Stator 1 weist nicht dargestellte Statorkernsegmente auf, um welche herum jeweils Spulen gewickelt sind. Die Wicklungen der Spulen sind bevorzugt dreiphasig gewickelt, wobei die Wicklungen aus einem Wicklungsdraht mit Wicklungsdrahtenden 2 gebildet sind. Die Wicklungsdrahtenden 2 ragen aus einer Oberseite des Stators stirnseitig hervor. In dem dargestellten Fall werden jeweils zwei Wicklungsdrahtenden 2, die einer gemeinsamen Phase angehören, mit einem Verbindungselement 3 zur Ausbildung einer elektrischen Verbindung kontaktiert. Die in 1 dargestellten Verbindungselemente 3 sind unterschiedlich ausgebildet und zeigen exemplarisch unterschiedliche Ausführungsformen. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass der Stator 1 drei gleiche Verbindungselemente 3 aufweist, um die Teilevielfalt gering zu halten. Die Verbindungselemente 3 haben folgende Gemeinsamkeiten; Das Verbindungselement 3 weist einen Crimpbereich 4 mit einer Crimphülse 5 auf. Bei der Montage werden die Wicklungsdrahtenden 2 in die Crimphülse 5 gelegt und mit Hilfe eines speziellen Crimpwerkzeuges wird eine Crimpverbindung hergestellt. Dazu weist die Crimphülse 5 eine nicht dargestellte Öffnung auf, in die die Wicklungsdrahtenden 2 aufgenommen werden. Die Wicklungsdrahtenden 2 werden dazu als erstes in Radialrichtung nach innen gebogen und verlaufen etwa parallel zur Oberseite des Stators 1, in Radialrichtung von außen nach innen. Die Crimphülse 5 wird von oben auf die Wicklungsdrahtenden 2 aufgesetzt und zusammengedrückt. Das Verbindungselement 3 weist auf der dem Crimpbereich gegenüberliegenden Seite jeweils einen Pressfit-Kontakt 6 zur Ausbildung einer Pressfit-Verbindung mit einer nicht dargestellten Leiterplatte auf. Der Pressfit-Kontakt 6 erstreckt sich in Längsrichtung und liegt oberhalb der Crimphülse 5.
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Der Stator 1 ist von Formmasse in einem Formgebungsverfahren umgeben. Hier dargestellt ist die Ausbildung im Spritzgussverfahren. Die Formmasse bzw. Vergussmasse 7 ist bevorzugt aus Kunststoff, insbesondere Thermoplaste und Duroplaste, beispielsweise Epoxidharz gebildet. Wie in 1 dargestellt, sind die Oberseite und die Unterseite des Stators vollflächig umspritzt. Das Halten der Wicklungen insbesondere die Lage der Wicklungsdrahtenden 2 wird durch die Vergussmasse 7, die den Stator umschließt übernommen. Auch die Verbindungselemente 3 sind von der Vergussmasse 7 umgeben. Lediglich der Pressfit-Kontakt 6 ragt nach oben aus der Vergussmasse 7 hervor. Der Verguss ermöglicht eine bessere thermische Ableitung der Verlustleistung der Wicklungen, da der Kunststoff die Wärme besser als Luft leitet. Die Abdichtung des Vergussvolumens zum Pressfit-Kontakt hin kann durch das Haltewerkzeug beim Verguss selber oder durch Geometrien am Verbindungselement erfolgen. Vorzugsweise ist eine Geometrie unterhalb des Pressfit-Kontakts vorgesehen, die im Haltewerkzeug gut gegriffen und umschlossen werden kann, so dass der Pressfit-Kontakt nicht mit umspritzt wird.
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Die 2 bis 5 zeigen vier Ausführungsformen eines Verbindungselementes 3.
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Das Verbindungselement 3 der 2 weist einen in Radialrichtung zur Längsachse des Stators etwa mittig angeordneten Pressfit-Kontakt 6 auf. An die Crimphülse 5 schließt sich dazu an der äußeren Stirnseite 8 ein im Längsschnitt etwa s-förmig ausgebildeter Bereich 9 an, dessen freies Ende 10 etwa in der Mitte der Crimphülse 5 liegt, die wiederrum etwa mittig des ringförmigen Bereichs des Stators liegt. An dem freien Ende 10 ist der sich in Längsrichtung erstreckende Pressfit-Kontakt 6 ausgebildet. Das Verbindungselement 3 und die Wicklungsdrahtenden 2 sind zumindest teilweise von der Vergussmasse 7 umgeben. Der Pressfit-Kontakt 6 liegt frei. Wie im Detail dargestellt ist, weist die Crimphülse 5 auf der Innenseite mehrere scharfkantige Rillen oder Erhebungen 50 auf, auf die die Wicklungsdrahtenden 2 aufgelegt werden. Beim Vercrimpen im Crimpwerkzeug wird die Crimphülse 5 zusammengedrückt und mittels der scharfkantigen Rillen oder Erhebungen 50 die Lackoberfläche der Wicklungsdrahtenden 2 durchschnitten, so dass eine großflächige Kontaktierung zustande kommt.
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3 zeigt eine andere Ausführungsform bei der der Pressfit-Kontakt 6 in Radialrichtung außen angeordnet ist und somit in einem äußeren Bereich des Stators angeordnet ist. An die Crimphülse 5 schließt sich dazu an der äußeren Stirnseite 8 ein sich in Längsrichtung erstreckender Bereich 11 an, an dessen freiem Ende der Pressfit-Kontakt 6 ausgebildet ist, der sich ebenfalls in Längsrichtung erstreckt. Das Verbindungselement 3 und die Wicklungsdrahtenden 2 sind zumindest teilweise von der Vergussmasse 7 umgeben. Der Pressfit-Kontakt 6 liegt frei.
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4 zeigt wiederrum eine andere Ausführungsform des Verbindungselementes 3 bei der der Pressfit-Kontakt 6 in Radialrichtung innen liegt und somit in einem inneren Bereich des Stators angeordnet ist. An die Crimphülse 5 schließt sich dazu an der inneren Stirnseite 12 ein sich in Längsrichtung erstreckender Bereich 13 an, an dessen freiem Ende ein Pressfit-Kontakt 6 ausgebildet ist, der sich ebenfalls in Längsrichtung erstreckt. Das Verbindungselement 3 und die Wicklungsdrahtenden 2 sind zumindest teilweise von der Vergussmasse 7 umgeben. Der Pressfit-Kontakt 6 liegt frei.
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In 5 ist ein Teil einer zweiteiligen Ausführungsform des Verbindungselementes 3 dargestellt. Das Verbindungselement 3 weist eine Crimphülse 5 auf, an die sich an einer Stirnseite ein Verbindungsbereich 51 anschließt. Der Verbindungsbereich 51 weist eine Öffnung 52 auf, in die ein nicht dargestellter Steckkontakt einbringbar ist. Der Steckkontakt ist auf der einen Seite mit dem Verbindungsbereich 51 elektrisch kontaktierbar und auf der anderen Seite mit der Leiterplatte. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Steckkontakt erst mit der Leiterplatte verbunden wird und dann bei der Montage der Leiterplatte auf der Stator Oberseite in die Öffnung 52 des Verbindungsbereichs 51 eingesetzt wird. Der Verbindungsbereich 51 wird dazu bei dem Formgebungsverfahren zumindest im Bereich der Öffnung 52 frei von Formmasse bzw. Vergussmasse gehalten.
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6 zeigt eine andere Ausführungsform eines Stators 1, wobei gegenüber dem Stator der 1 auf der Oberseite des Stators zusätzlich zwei Führungsstifte 14 im Spritzgussverfahren ausgebildet wurden. Die Führungsstifte 14 dienen der Zentrierung der Leiterplatte auf der Oberseite des Stators. Dadurch kann die Toleranzkette für das Positionieren der Leiterplatte reduziert werden. Die Führungsstifte 14 können eine Anlageschulter als axialen Anschlag aufweisen. Die Führungsstifte 14 werden in einem Verfahrensschritt im Formgebungsverfahren gemeinsam mit dem Umspritzen oder Vergießen der Verbindungselemente 3 ausgebildet.
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Zur Positionierung der Leiterplatte kann als axialer Anschlag an den Kontakten auch eine Anlageschulter angeformt sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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