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Die Erfindung betrifft eine Verschaltungseinrichtung für eine Stator-Anordnung eines Elektromotors, welcher mittels einer, auf einer Leiterplatte getragenen Steuerelektronik steuerbar ist, wobei die Stator-Anordnung ein Statorblechpaket mit durch Statornuten verlaufenden und auf Stirnseiten des Statorblechpaketes jeweils einen Wickelkopf bildenden Statorwicklungen umfasst, welche durch die Verschaltungseinrichtung untereinander und mit Versorgungsleitungen elektrisch verbindbar sind.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine verschaltete Stator-Anordnung mit einer derartigen Verschaltungseinrichtung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung eines Flachsteckers in einer derartigen Verschaltungseinrichtung.
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Um Wickeldrähte von Elektromotoren zu verschalten, gibt es verschiedene Systeme, wobei insbesondere solche als besonders montagefreundlich anzusehen sind, die auf der sogenannten Schneidklemmtechnik zum Kontaktieren der Drahtenden beruhen.
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Mittels dieser Technik sind bekanntermaßen die Statorwicklungen einer Stator-Anordnung eines Elektromotors verbunden, welcher aus der internationalen Patentanmeldung
WO 2010/066492 A2 bekannt ist. In dem genannten Dokument ist eine Verschaltungseinrichtung der eingangs genannten Art beschrieben, die aus einem mehrteiligen, Klemmkontakte tragenden Kontaktring gebildet ist. In einem als bevorzugt beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht der Kontaktring dabei aus insgesamt acht, konzentrisch zueinander zu montierenden Einzelringen. Die Steuerelektronik des als Innenläufer ausgebildeten bekannten Motors befindet sich auf einer stirnseitigen Platte, die der Lagerung der Rotorwelle dient.
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Auch in der europäischen Patentanmeldung
EP 2 306 622 A1 ist ein Elektromotor mit einer Verschaltungseinrichtung der eingangs genannten Art beschrieben. Die Stator-Anordnung des Motors weist eine Einrichtung zur elektrischen Verschaltung auf. Diese Einrichtung besteht aus einer kreis- bzw. kreisringförmigen, in einer zur Stator-Längsachse senkrechten Ebene liegenden Schaltscheibe, die auf einer Stator-Stirnseite den Bereich des Wickelkopfes der Statorwicklungen überdeckt und die auf ihrer dem Wickelkopf zugewandten Innenseite elektrische Verbindermittel zum Verschalten von Wicklungsdrahtenden der Statorwicklungen untereinander und mit den Versorgungsleitungen aufweist. Die Verbindermittel bestehen aus Drahtleitern, die mit einem bestimmten, in Umfangsrichtung mäanderartigen Verlauf derart in Fixiermitteln der Schaltscheibe geführt und fixiert sind, dass sie durch einfaches axiales Aufsetzen der Schaltscheibe auf das Statorblechpaket selbsttätig über Schneidklemmkontakte kontaktiert werden, die in einer Stator-Umspritzung aus Kunststoff gehaltert sind. Eine auf diese Weise vormontierte Stator-Anordnung kann dann durch einen axialen Steckfügevorgang mit einer Motorelektronik verbunden werden.
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Ein Elektromotor mit einer derartigen Verschaltungseinrichtung hat sich in der Praxis bewährt, jedoch sind die Drahtdurchmesser in der Schaltscheibe und die Querschnitte der Kontakte maßlich begrenzt, weswegen es nur möglich ist, bestimmte Maximalströme zu schalten, da anderenfalls eine zulässige Stromdichte überschritten würde.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine konstruktiv einfache und montagefreundliche Verschaltungseinrichtung der eingangs beschriebenen Art sowie eine mit einer derartigen Verschaltungseinrichtung verschaltete Stator-Anordnung zu schaffen, wobei dadurch ohne Überschreitung von zulässigen Stromdichten eine Verschaltung von Statorwicklungen ermöglicht werden soll, in denen hohe Ströme fließen.
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Diese Aufgabe wird für die Verschaltungseinrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass diese aus der die Steuerelektronik tragenden Leiterplatte sowie aus in der Leiterplatte befestigten, untereinander durch auf der Leiterplatte verlaufende Leiterbahnen elektrisch verbundenen Flachsteckern gebildet ist.
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Für die Stator-Anordnung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in ihr die Statorwicklungen untereinander und/oder mit Versorgungsleitungen mit einer derartigen erfindungsgemäßen Verschaltungseinrichtung elektrisch verbunden sind.
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Auch der Verwendung der Flachstecker in der erfindungsgemäßen Verschaltungseinrichtung wird erfinderische Bedeutung beigemessen.
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Durch die erfindungsgemäße integrative Verbindung von Steuerelektronik und den der Verschaltung dienenden Elementen „Flachstecker“ und „Leiterbahnen“ auf einer gemeinsamen Leiterplatte gelingt es, dass auf zusätzliche Bauteile der bekannten Art, wie es der beschriebene Kontaktring oder die bekannte Schaltscheibe sind, verzichtet werden kann. Vorteilhafterweise verringert sich dabei mit dem konstruktiven Aufwand auch der Montageaufwand gegenüber dem bekannten Stand der Technik, insofern ein Bauteil weniger montiert werden muss. Die Schaltung der Statorwicklungen kann durch den Einsatz der Leiterplatte als Träger, auf dem neben der Elektronik auch die Verschaltungselemente angeordnet sind, insbesondere durch eine weitestgehend variable Gestaltung der Leiterbahnen-Züge, in optimaler Weise in einer gewünschten Ausführung realisiert werden. Darüber hinaus ist es erfindungsgemäß auf einfache Weise möglich, die Flachstecker und Leiterbahnen mit einem derart großen elektrisch leitenden Querschnitt auszuführen, dass auch bei hohen Stromstärken eine maximal zulässige Stromdichte nicht überschritten wird. Die Flachstecker können dabei in technologisch wenig aufwändiger Weise als Biege-Stanzteile ausgeführt sein.
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Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung enthalten. Anhand mehrerer in den beiliegenden Zeichnungsfiguren dargestellter Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Draufsicht auf eine exemplarische Ausführung einer Stator-Anordnung eines Elektromotors, welche mittels einer erfindungsgemäßen Verschaltungseinrichtung verschaltbar ist,
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2 einen vergrößerten Ausschnitt aus 1 zur Veranschaulichung eines ersten und eines zweiten Verschaltungsschrittes der Stator-Anordnung,
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3 in Explosionsdarstellung, eine Vorderansicht der in 1 und 2 dargestellten Stator-Anordnung zusammen mit einer exemplarischen Ausführung einer erfindungsgemäßen Verschaltungseinrichtung zur Veranschaulichung eines dritten Verschaltungsschrittes der Stator-Anordnung,
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4 eine perspektivische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines in einer erfindungsgemäßen Verschaltungseinrichtung einsetzbaren Flachsteckers,
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5 eine perspektivische Draufsicht der in 1 bis 3 dargestellten, mittels einer erfindungsgemäßen Verschaltungseinrichtung verschalteten Stator-Anordnung,
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6 eine perspektivische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verschaltungseinrichtung,
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7 einen vergrößerten Ausschnitt der in 6 mit X bezeichneten Einzelheit,
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8 eine perspektivische Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines in einer erfindungsgemäßen Verschaltungseinrichtung einsetzbaren Flachsteckers,
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9 eine perspektivische Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines in einer erfindungsgemäßen Verschaltungseinrichtung einsetzbaren Flachsteckers.
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Zu der anschließenden Beschreibung wird ausdrücklich betont, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele und dabei auch nicht auf alle oder mehrere Merkmale von beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt ist, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal jedes Ausführungsbeispiels auch losgelöst von allen anderen im Zusammenhang damit beschriebenen Teilmerkmalen für sich und auch in Kombination mit beliebigen Merkmalen eines anderen Ausführungsbeispiels eine erfinderische Bedeutung haben.
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind dieselben Teile auch stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass sie in der Regel auch jeweils nur einmal beschrieben werden.
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Wie zunächst aus 1 hervorgeht, weist eine Stator-Anordnung 1 eines Elektromotors, welche mittels einer erfindungsgemäßen Verschaltungseinrichtung 2 verschaltbar ist, wie sie in zwei verschiedenen Ausführungen beispielhaft durch 3 sowie 5 bis 7 veranschaulicht wird, ein Statorblechpaket 3 mit durch Statornuten 4 verlaufenden und auf Stirnseiten des Statorblechpaketes 3 jeweils einen Wickelkopf 5 bildenden Statorwicklungen 6 auf. Das Statorblechpaket 3 bildet dabei sogenannte Zähne 3a aus. Wie die beiden Enden der Wickeldrähte 7 in 1 zeigen, sind in spezieller Ausführung die Wickeldrähte 7 jeweils doppelt um die Zähne 3a gewickelt, damit einerseits die pro Draht 7 zulässige Stromdichte nicht überschritten wird, jedoch andererseits zur Erzielung hoher elektromotorischer Kräfte ein Strom hoher Stärke durch die Statorwicklungen 6 geführt werden kann. Die Drähte 7 können dabei insbesondere Durchmesser im Bereich von 0,8 mm bis 1,8 mm aufweisen, wobei eine Stromdichte von 10 A pro mm2 oder kurzfristig auch bis zu 15 A pro mm2 vorliegen kann.
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Wie bereits ausgeführt, veranschaulicht 2 die ersten beiden Verschaltungsschritte der Stator-Anordnung 1, um die um die Zähne 3a verlaufenden Statorwicklungen 6 in einer gewünschten Spulenfolge zu schalten. Im ersten Schritt werden – wie im linken Bereich der 2 gezeigt ist – die Enden der Wickeldrähte 7 in parallel zur Statorlängsachse X-X verlaufende Schlitze 9 von an der Stator-Anordnung 1 befindlichen Taschen 8 eingelegt. Die Taschen 8 werden durch die Schlitze 9 quergeteilt und sind bevorzugt in einer bestimmten Umfangsverteilung in einem ringstegförmigen Fortsatz 10 einer aus Kunststoff bestehenden Stator-Umspritzung gebildet.
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In einem zweiten Schritt werden dann – wie im mittleren Bereich der 2 gezeigt ist – Schneidklemmkontakte 11 in die Taschen 8, insbesondere form- und kraftschlüssig, eingefügt, wobei die Schneidklemmkontakte 11 in Längsnuten 12 gehalten sind, die sich beidseitig des Schlitzes 9 in
jeder Tasche 8 befinden. In der dargestellten Ausführung sind die Schneidklemmkontakte 11 als Doppelkontakte ausgeführt, und in Anpassung daran sind auch die Taschen 8 ausgeführt. Das heißt, dass jede Tasche 8 in spezieller Ausführung nicht nur einen Schlitz 9, sondern zwei Schlitze 9 mit beidseitig davon befindlichen Längsnuten 12 aufweist. Die beiden mittleren Längsnuten 12 – jeweils zur Aufnahme der einen Hälfte 11a und der, über einen Steg 11c verbundenen anderen Hälfte 11b des jeweiligen Schneidklemmkontaktes 11 – können dabei zwischen sich keinen Materialsteg aufweisen, so dass sie eine einzige Nut 12 bilden. Beim Einpressen der Schneidklemmkontakte 11 in die Taschen 8 werden die Wickeldrähte 7 durch an einer Querseite befindliche Schneiden 13 angeschnitten und somit mit den Schneidlemmkontakten 11 elektrisch verbunden. Im dargestellten Fall werden dabei mittels der Schneidklemmkontakte auch jeweils zwei Wickeldrähte 7 gleichzeitig parallel geschaltet.
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In einem abschließenden, durch 3 veranschaulichten dritten und letzten Verschaltungsschritt der Stator-Anordnung 1 wird diese mit einer erfindungsgemäßen Verschaltungseinrichtung 2 verbunden, welche erfindungsgemäß aus einer eine Steuerelektronik 14 tragenden Leiterplatte 15 sowie aus in der Leiterplatte 15 befestigten, untereinander durch auf der Leitplatte 15 verlaufende Leiterbahnen elektrisch verbundene erfindungsgemäße Flachstecker 16 gebildet ist.
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Exemplarisch für die Steuerelelektronik 14 sind dabei in 3 und 6 drei Hall-Sensoren jeweils mit dem Bezugszeichen 14a separat bezeichnet.
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Verschiedene, im Detail noch nachstehend beschriebene Ausführungen von erfindungsgemäß einsetzbaren Flachsteckern 16, welche in die Leiterplatte 15 vorzugsweise eingepresst oder eingelötet sein können, sind in 4, 8 und 9 als Einzelteile dargestellt.
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Die jeweils mit dem Bezugszeichen 17 versehenen Leiterbahnen auf der Leiterplatte 15 sind 5 und 6 zu entnehmen.
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Durch das Aufsetzen der Verschaltungseinrichtung 2 im dritten Verschaltungsschritt, wobei die Leiterplatte 15 insbesondere in einer zu einer Stator-Längsachse X-X senkrechten Ebene des Elektromotors angeordnet wird, kommt es dazu, dass die Flachstecker 16 die in den Taschen 8 befindlichen Schneidklemmkontakte 11 kontaktieren und dadurch die gewünschte Schalt-Reihenfolge der einzelnen Statorwicklungen 6 hergestellt wird.
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Die Leiterbahnen 17 auf der Leiterplatte 15 können insbesondere eine Breite B im Bereich von 1 mm bis 15 mm, vorzugsweise von 5 bis 8 mm, besonders bevorzugt von 6 mm, aufweisen. Eine jeweilige Dicke D, die die Leiterbahnen 17 aufweisen, kann im Bereich von 70 μm bis 180 μm, vorzugsweise von 100 μm bis 130 μm, besonders bevorzugt bei 115 μm, liegen. Durch die Wahl der Breite B und Dicke D kann mit Vorteil der jeweilige Querschnitt der Leiterbahnen 17 entsprechend der zulässigen bzw. gewünschten Stromdichte auf einfache Weise eingestellt werden.
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Wie insbesondere die Figuren zeigen, welche die Flachstecker 16 als Einzelteile zeigen, können diese vorzugsweise, insbesondere einstückig, als Biege-Stanzteile aus Blech hergestellt sein. Ein bevorzugter Werkstoff, welcher nur einen vergleichsweise geringen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, ist dabei Kupfer oder eine Kupferlegierung, wie CuSn6. Eine Kupferlegierung bietet den Vorteil, dass durch die darin enthaltenen Legierungselemente eine – verglichen mit nahezu reinem Kupfer – höhere Federelastizität des Bleches eingestellt werden kann, was sich im Hinblick auf die Ausbildung einer kraft- und formschlüssigen, insbesondere klemmenden, später aber wieder lösbaren Verbindung der Flachstecker 16 mit den Schneidklemmkontakten 11 und/oder vorher schon mit der Leiterplatte 15 als Vorteil erweisen kann.
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Auf die Oberfläche der Flachstecker 16 kann vorzugsweise jeweils eine, insbesondere 2 μm bis 10 μm dicke, Nickelschicht und/oder eine, insbesondere ebenfalls 2 μm bis 10 μm dicke, galvanische Zinnschicht aufgebracht sein. Durch eine derartige Beschichtung kann ein Korrosionsschutz, aber auch eine Minimierung des elektrischen Übergangswiderstandes zwischen dem Flachstecker 16 und den Schneidklemmkontakten 11 bzw. der Leiterplatte 15 herbeigeführt werden.
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Die Gemeinsamkeit aller in 4, 8 und 9 als jeweils als Einzelteile dargestellten Ausführungen von erfindungsgemäßen Flachsteckern 16 besteht darin, dass diese einen insbesondere ebenen Basisabschnitt 16a aufweisen, von dem – etwa im rechten Winkel – mindestens ein Klemmkontakt 16b, vorzugsweise zwei oder mehr Klemmkontakte 16b abstehen. Diese Klemmkontakte 16b sind dazu bestimmt, bei der Verschaltung in zu ihnen komplementär ausgebildete Aufnahmeöffnungen 11d der Schneidklemmkontakte 11 (2) eingeführt und dort verklemmt zu werden. Zu diesem Zweck können die Klemmkontakte 16b – wie dargestellt – insbesondere jeweils eine längliche, an die Aufnahmeöffnungen 11d der Schneidklemmkontakte 11 angepasste, ausgebauchte bzw. bikonvexe Form und/oder zur Erleichterung eines federelastischen Verhaltens eine zentrale Durchbrechung 16c aufweisen. Die Anzahl der Klemmkontakte 16b kann je nach Strombelastung variiert werden.
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Wie die verschiedenen Ausführungen zeigen, können die Flachstecker 16 mit Vorteil jeweils mindestens eine Steckfahne 16d und/oder eine Anschlussfahne 16e, vorzugsweise jedoch zwei oder mehr Steckfahnen 16d und/oder Anschlussfahnen 16e, 16f aufweisen, die vorzugsweise von dem jeweiligen Basisabschnitt 16a rechtwinklig abstehen. Über diese Fahnen 16d, 16e kann ein Stecken und/oder beispielsweise ein Verlöten mit der Leiterplatte 15 – siehe z. B. mittels der Steckfahnen 16d in die Leiterplatte 15 gesteckte Flachstecker 16 in 5 – und/oder eine Verbindung von Wicklungen – siehe hierzu Anschlussfahnen 16e in 7 und 8 – und/oder eine Lötverbindung – siehe hierzu geeignete Anschlussfahnen 16f in 7 und 9 – erfolgen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Mittel und Maßnahmen. So kann beispielsweise die Leiterplatte 15 – wie z. B. in 5 dargestellt – einen an eine Querschnittsform der Stirnfläche der Stator-Anordnung 1 angepassten Grundriss aufweisen, muss aber in der entsprechenden Anpassung nicht zwangsläufig insbesondere kreisringförmig ausgebildet sein.
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Auch kann der Fachmann weitere zweckmäßige technische Maßnahmen vorsehen, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird. So zeigen beispielsweise 3 und 5, dass neben der Steckverbindung zwischen Leiterplatte 15 und Stator-Anordnung 1 vorgesehen sein kann, dass die Leiterplatte 15 mit der Stator-Anordnung 1 mit Hilfe von Schrauben 18 zusätzlich verbindbar bzw. verbunden ist. Eine aus der erfindungsgemäßen Verschaltungseinrichtung 2 und der Stator-Anordnung 1 gebildete Baueinheit kann so problemlos als vormontiertes Montageteil zur Herstellung eines Elektromotors hergestellt und vertrieben werden.
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Ferner ist die Erfindung nicht auf die in den Ansprüchen 1, 11 und 16 definierten Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal der unabhängigen Ansprüche weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern ist die Anspruchsfassung lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stator-Anordung
- 2
- Verschaltungseinrichtung
- 3
- Statorblechpaket von 1
- 3a
- Zahn von 3
- 4
- Statornut von 1
- 5
- Wickelkopf von 1
- 6
- Statorwicklungen von 1
- 7
- Draht von 6
- 8
- Tasche von 1
- 9
- Schlitz in 8
- 10
- Fortsatz von 1 mit 8
- 11
- Schneidklemmkontakt
- 11a, 11b
- Hälften von 11
- 11c
- Steg zwischen 11a und 11b
- 11d
- Aufnahmeöffnung in 11 für 16b
- 12
- Längsnut in 8
- 13
- Schneide an 11
- 14
- Steuerelektronik auf 15
- 15
- Leiterplatte
- 16
- Flachstecker
- 16a
- Basisabschnitt von 16
- 16b
- Klemmkontakt von 16 an 16a
- 16c
- Durchbrechung in 16b
- 16d
- Steckfahne von 16 für 15
- 16e
- Anschlussfahne von 16
- 17
- Leiterbahn
- 18
- Schraube zur Verbindung von 1 und 2
- B
- Breite von 17
- D
- Dicke von 17
- X-X
- Längsachse von 1
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/066492 A2 [0004]
- EP 2306622 A1 [0005]