DE102009008405A1

DE102009008405A1 - Stellantrieb

Info

Publication number: DE102009008405A1
Application number: DE200910008405
Authority: DE
Inventors: Christoph Schuhn
Original assignee: Keiper GmbH and Co
Current assignee: Adient Luxembourg Holding SARL
Priority date: 2009-02-11
Filing date: 2009-02-11
Publication date: 2010-08-19
Also published as: CN101834505A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Elektromotor, insbesondere einen elektronisch kommutierten Elektromotor, mit einem Stator (40), welcher mindestens eine Statorwicklung (10) mit mehreren um eine Kern (12) gelegten Windungen aus einem elektrischen Leiter. Der Leiter umfasst dabei ein Flachband (14), welches zumindest vorwiegend aus Aluminium oder aus einer Legierung, welche vorwiegend Aluminium enthält, besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bekannte Stellantriebe für Kraftfahrzeuge umfassen einen Elektromotor mit Statorwicklungen, deren Kerne aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise Weicheisen, bestehen. Um einen solchen Kern herum sind Windungen aus einem elektrischen Leiter gelegt. Bei dem Leiter handelt es sich meistens um einen Kupferdraht mit kreisrundem Querschnitt. Der Kupferdraht ist dabei mit einer Isolationsschicht überzogen. Die Isolationsschicht muss dabei so bemessen sein, dass die im Betrieb zwischen den Windungen auftretenden Spannungen keinen Durchschlag verursachen.
Zwischen den Windungen verbleibende luftgefüllte Hohlräume sowie besagte Isolationsschicht verringern den Füllfaktor der Statorwicklung und erhöhen damit das Volumen der Statorwicklung. Weiterhin behindern besagte Hohlräume und Isolationsschicht die Abfuhr der durch Stromfluss entstehenden Wärme.
Als Füllfaktor wird in diesem Zusammenhang das Verhältnis der Leiterquerschnittsfläche aller Windungen zu der Querschnittsfläche des verfügbaren Wickelfensters bezeichnet. Bei der Herstellung von Statorwicklungen wird dabei ein möglichst hoher Füllfaktor angestrebt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Stellantrieb für Kraftfahrzeuge zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Stellantrieb mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
Erfindungsgemäß wird vorgesehen, dass der elektrische Leiter, aus welchem die Windungen der Statorwicklung des Elektromotors um den Kern gelegt sind, ein Flachband umfasst, welches zumindest vorwiegend aus Aluminium oder aus einer Legierung, welche vorwiegend Aluminium enthält, besteht.
Die Windungen aus dem Flachband liegen dabei dicht aufeinander, mit höchstens einer Isolationsschicht dazwischen. Luftgefüllte Hohlräume zwischen den Windungen sind weitgehend vermieden. Dadurch erhöht sich der Füllfaktor der Statorwicklung. Weiterhin kann die in der Statorwicklung entstehende Wärme besser nach außen abgeführt werden.
Weitere Vorteile von Aluminium gegenüber Kupfer sind unter anderem geringere Beschaffungskosten und ein geringeres spezifisches Gewicht.
Eine solche Statorwicklung mit vergleichbaren Eigenschaften, insbesondere mit der gleichen Induktivität, wie eine herkömmliche Statorwicklung aus Kupferdraht benötigt die gleiche Anzahl an Windungen. Um den geringeren Leitwert von Aluminium gegenüber Kupfer zu kompensieren, kann der Querschnitt des Flachbandes größer gewählt werden als der eines vergleichbaren Kupferdrahtes. Eine zusätzliche Kompensation des geringeren Leitwertes ergibt sich durch eine gegenüber einem Kupferdraht geringere Länge des Flachbandes aus Aluminium. Es zeigt sich nämlich, dass aufgrund des höheren Füllfaktors die zum Legen der Windungen benötigte Länge des Flachbandes geringer ist als die eines vergleichbaren Kupferdrahtes.
Eine derart ausgestaltete Statorwicklung mit der gleichen Induktivität und dem gleichen ohmschen Widerstand wie eine herkömmliche Statorwicklung aus Kupferdraht ist somit preiswerter und hat ein geringeres Gewicht.
Demgemäss ist auch ein Stellantrieb mit einem Elektromotor, welcher einen Stator mit derart ausgestalteten Statorwicklungen umfasst, verhältnismäßig preiswert und hat ein verhältnismäßig geringes Gewicht.
Werden die Windungen koaxial ohne axialen Versatz um den Kern gelegt, so dass die Windungen sich in axialer Richtung zumindest weitgehend überdecken, so wird die Ausdehnung der Statorwicklung in axialer Richtung minimiert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens eine Außenfläche des Flachbandes eine Oxidschicht auf, welche auch als Eloxalschicht bezeichnet wird. Eine solche Oxidschicht ist elektrisch nicht leitfähig und dient der Windungsisolation. Eine zusätzliche Isolationsschicht, beispielsweise in Form einer Lackschicht, wird somit nicht benötigt. Neben einer vereinfachten Herstellung ergibt sich auch der Vorteil einer vereinfachten Entsorgung, da Aluminiumoxid, im Gegensatz zu vielen Lacken, nicht umweltschädlich ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.
Anhand nachfolgender Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 Einen nicht maßstäblichen Querschnitt durch eine Statorwicklung,
2 eine Statorwicklung mit zwei Windungssegmenten,
3 ein zweimal gefaltetes Flachband,
4 ein Flachband mit zwei Teilstücken,
5 einen nicht maßstäblichen Querschnitt durch ein Flachband und
6 einen Stator.
In 1 ist ein Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Statorwicklung 10 für einen Elektromotor eines Stellantriebs für ein Kraftfahrzeug nicht maßstäblich dargestellt.
Ein Flachband 14 ist in mehreren Windungen koaxial um eine Wicklungsachse 20 gewickelt und umschließt dabei einen hier nicht dargestellten Kern. Die besagten Windungen sind also um den Kern herum gelegt.
Das Flachband 14 besteht vorwiegend aus Aluminium oder aus einer Legierung, welche vorwiegend Aluminium enthält. Das Flachband 14 weist an einer Breitseite eine Oxidschicht auf, welche elektrisch isolierend wirkt und die einzelnen Windungen voneinander isoliert. Alternativ ist es auch denkbar, eine zusätzliche Isolationsschicht zwischen den einzelnen Windungen einzubringen.
Radial innen liegend, also in unmittelbarer Nähe des nicht dargestellten Kerns, ist ein Anschlusselement 30 aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, vorgesehen. Das Anschlusselement 30, mit dem das Flachband 14 elektrisch leitend verbunden ist, ist zylindrisch mit annähernd kreisrundem Querschnitt ausgeführt und erstreckt sich parallel zu der Wicklungsachse 20. Auch andere Ausführungsformen des Anschlusselementes 30, beispielsweise ebenfalls als Flachband, sind denkbar. Das Anschlusselement 30 überragt dabei das Flachband 14 auf mindestens einer Seite und dient zur elektrischen Kontaktierung der Statorwicklung 10.
Ein radial außen liegender Endbereich 32 des Flachbandes 14 dient ebenfalls zur elektrischen Kontaktierung der Statorwicklung 10. Somit ist ein Stromfluss durch die Statorwicklung 10 von dem Endbereich 32 über die Windungen und das Anschlusselement 30 möglich.
Die Windungen der Statorwicklung 10 sind in diesem Ausführungsbeispiel koaxial ohne axialen Versatz um den Kern gelegt und überdecken sich in axialer Richtung vollständig oder annähernd vollständig. Die Ausdehnung der Statorwicklung 10 in axialer Richtung ist somit minimiert und entspricht der Breite des Flachbandes 14.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Statorwicklung 10 für einen Elektromotor eines Stellantriebs für ein Kraftfahrzeug mit zwei Windungssegmenten dargestellt.
Das Flachband 14 ist, ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel nach 1, zu Windungen um einen Kern 12, beziehungsweise um einen Teilbereich des Kerns 12 gelegt, wobei die Wicklungsachse 20 im Inneren des Kerns 12 verläuft. Der an sich bekannte Kern 12 umfasst eine Reihe von Weicheisenblechen und ist an zwei Seiten von je einer Isolierplatte 34 bedeckt.
Die Windungen sind dabei in einem ersten Windungssegment 22 und in einem zweiten Windungssegment 24 um die Wicklungsachse 20 herum angeordnet. Dabei ist das zweite Windungssegment 24 in axialer Richtung versetzt zu dem ersten Windungssegment 22 angeordnet. Es ist selbstverständlich auch denkbar, noch weitere Windungssegmente mit radialem Versatz zu dem ersten Windungssegment 22 und dem zweiten Windungssegment 24 um die Wicklungsachse 20 herum anzuordnen.
Die radial außen liegenden Endbereiche 32 des Flachbandes 14 dienen zur elektrischen Kontaktierung der Statorwicklung 10. Dabei ist dem ersten Windungssegment 22 und dem zweiten Windungssegment 24 je einer der beiden Endbereiche 32 zugeordnet. In einem radial innen liegenden Bereich, also in der Nähe des Kerns 12, ist das erste Windungssegment 22 elektrisch leitend mit dem zweiten Windungssegment 24 verbunden. Somit ist ein Stromfluss durch die Statorwicklung 10 von dem ersten Endbereich 32 über die Windungen des ersten Windungssegments 22 und die Windungen des zweiten Windungssegments 24 zu dem zweiten Endbereich 32 möglich.
Die Windungen des ersten Windungssegments 22 sind koaxial ohne axialen Versatz um den Kern 12 und um die Wicklungsachse 20 gelegt und überdecken sich in axialer Richtung vollständig oder annähernd vollständig. Ebenso sind die Windungen des zweiten Windungssegments 24 koaxial ohne axialen Versatz um den Kern 12 und um die Wicklungsachse 20 herum gelegt und überdecken sich in axialer Richtung vollständig oder annähernd vollständig. Damit ist die Ausdehnung des ersten Windungssegments 22 und die Ausdehnung des zweiten Windungssegments 24 jeweils in axialer Richtung minimiert und entspricht jeweils der Breite des Flachbandes 14. Die Ausdehnung der Statorwicklung 10 in axialer Richtung entspricht dann etwa der doppelten Breite des Flachbandes 14.
Ein Übergang des Flachbandes 14 von dem ersten Windungssegment 22 zu dem zweiten Windungssegment 24 ist beispielsweise durch Falten des Flachbandes 14, wie in 3 gezeigt, realisierbar. Dabei weist das Flachband 14 eine erste Faltung 36 und eine zweite Faltung 37 auf, welche jeweils diagonal zu der Längsrichtung des Flachbandes 14 verlaufen. Die Faltungen 36, 37 befinden sich dabei in einem radial innen liegenden Bereich, also in der Nähe des Kerns 12. Die Faltungen 36, 37 entstehen jeweils durch Umbiegen des Flachbandes 14 in einem Wickel von vorzugsweise 45° zur Längsrichtung des Flachbandes 14. Selbstverständlich sind auch andere Winkel denkbar.
Alternativ ist der Übergang des Flachbandes 14 von dem ersten Windungssegment 22 zu dem zweiten Windungssegment 24 durch eine Anordnung gemäß 4 realisierbar. Dabei weist das Flachband ein erstes Teilstück 26 und ein zweites Teilstück 28 auf, wobei die Windungen des ersten Windungssegments 22 aus dem ersten Teilstück 26 gebildet sind und wobei die Windungen des zweiten Windungssegments 24 aus dem zweiten Teilstück 28 gebildet sind. Das erste Teilstück 26 und das zweite Teilstück 28 des Flachbandes 14 sind in einem radial innen liegenden Bereich, also in der Nähe des Kerns 12, miteinander kontaktiert. Hierzu dient ein Kontaktierungselement 38, welches mit dem ersten Teilstück 26 und mit dem zweiten Teilstück 28 elektrisch leitend verbunden ist. Das erste Teilstück 26 und das zweite Teilstück 28 sind dabei parallel zueinander und um eine Breite des Flachbandes 14 zueinander versetzt angeordnet.
In 5 ist ein nicht maßstäblicher Querschnitt durch ein Flachband 14 dargestellt. Das Flachband 14 besitzt einen rechteckigen Querschnitt und in diesem Beispiel eine Dicke von etwa 0,15 mm und eine Breite von etwa 2,6 mm. Das Flachband 14 ist also um ein Vielfaches breiter als dick. Selbstverständlich sind auch andere Zahlenwerte für die Dicke und Breite des Flachbandes 14 denkbar.
An einer Außenfläche 16 an einer Breitseite weist das Flachband 14 eine Oxidschicht 18 auf. Diese Oxidschicht 18 entsteht durch eine chemische Behandlung des Flachbandes 14 und ist elektrisch isolierend. Auch an der Außenfläche der gegenüber liegenden Breitseite und/oder an einer Außenfläche einer oder beider Stirnseiten kann eine Oxidschicht vorgesehen sein.
In 6 ist ein Stator 40 gezeigt, welcher zwölf Statorwicklungen 10 umfasst. Selbstverständlich sind auch Statoren mit einer anderen Anzahl von Statorwicklungen ausführbar.
Ein solcher Stator 40 ist beispielsweise in einem elektronisch kommutierten Elektromotor eingebaut, welcher in einem Stellantrieb für ein Kraftfahrzeug eingesetzt ist. Ein solcher Stellantrieb dient beispielsweise zum Betätigen einer Sitzverstellung, eines Scheibenwischers oder eines Fensterhebers.
In einem Fahrzeugsitz, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, ist ein solcher Stellantrieb beispielsweise zur Einstellung der Sitzposition vorgesehen und dient zur Betätigung einer Längsverstellung, einer Lehneneinstellung und/oder einer Höheneinstellung.

10: Statorwicklung
12: Kern
14: Flachband
16: Außenfläche
18: Oxidschicht
20: Wicklungsachse
22: erstes Windungssegment
24: zweites Windungssegment
26: erstes Teilstück
28: zweites Teilstück
30: Anschlusselement
32: Endbereich
34: Isolierplatte
36: erste Faltung
37: zweite Faltung
38: Kontaktierungselement
40: Stator

Claims

Stellantrieb für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Elektromotor, insbesondere einen elektronisch kommutierten Elektromotor, mit einem Stator (40), welcher mindestens eine Statorwicklung (10) mit mehreren um einen Kern (12) gelegten Windungen aus einem elektrischen Leiter umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter ein Flachband (14) umfasst, welches zumindest vorwiegend aus Aluminium oder aus einer Legierung, welche vorwiegend Aluminium enthält, besteht.
Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Außenfläche (16) des Flachbandes (14) eine Oxidschicht (18) aufweist.
Stellantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen sich in axialer Richtung zumindest weitgehend überdecken.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen in mindestens einem ersten Windungssegment (22) und einem zweiten Windungssegment (24) angeordnet sind, wobei das zweite Windungssegment (24) in axialer Richtung versetzt zu dem ersten Windungssegment (22) angeordnet ist.
Stellantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen des ersten Windungssegments (22) sich in axialer Richtung zumindest weitgehend überdecken, und dass die Windungen des zweiten Windungssegments (24) sich in axialer Richtung zumindest weitgehend überdecken.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachband (14) in einem radial innen liegenden Bereich eine erste Faltung (36) und eine zweite Faltung (37) aufweist.
Stellantrieb nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen des ersten Windungssegments (22) aus einem ersten Teilstück (26) des Flachbandes (14) gebildet sind und dass die Windungen des zweiten Windungssegments (24) aus einem zweiten Teilstück (28) des Flachbandes (14) gebildet sind, wobei das erste Teilstück (26) des Flachbandes (14) und das zweite Teilstück (28) des Flachbandes (14) in einem radial innen liegenden Bereich miteinander kontaktiert sind.
Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, umfassend einen Stellantrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Fahrzeugsitz, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Stellantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7.