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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Motor, einer
Leiterplatte und einem Kühlkörper.
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Derartige
elektrische Maschinen werden beispielsweise bei Getrieben, zum Beispiel
von Kraftfahrzeugen, als Aktuatoren eingesetzt. Dabei können sie
sowohl mechanische lineare und/oder rotatorische Bewegungsvorgänge
bewirken als auch Fluide (Luft, Gase, Wasser, Öl, Flüssigkeiten)
bewegen, beispielsweise durch Antreiben entsprechender Strömungsmaschinen.
Ihr Anwendungsbereich ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt,
sondern sehr umfangreich und vielseitig.
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Solche
elektrischen Maschinen sind in vielen Anwendungen extremen Umgebungsbedingungen, wie
beispielsweise hohe Temperaturen und hohe Temperaturunterschiede,
hohe Feuchtigkeit, Spritzwasser, Staub, Salz und dergleichen, ausgesetzt
und können daher eine entsprechende Dichtigkeit und Korrosionsbeständigkeit
erfordern.
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Aufgrund
unterschiedlicher Einsatzmöglichkeiten besteht die Forderung
nach einfachem und kompakten Aufbau, leichter Installation und einfachem
elektrischen Anschluss sowie geringer Teilezahl.
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Das
Europäische Patent
EP
1 722 459 B1 beschreibt eine elektrische Maschine als Motor
mit Abstützung des Rotors auf einer Stirnseite des Stators.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine derartige
elektrische Maschine weiter zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß ist
eine elektrische Maschine vorgesehen, welche aufweist: zumindest
einen Motor mit einer Statorbaugruppe, wobei zumindest eine Stirnfläche
der Statorbaugruppe mit einer Isolierplatte versehen ist, und mit
einer in der Statorbaugruppe drehbar gelagerten Rotorbaugruppe,
welche eine Rotorwelle, die mittels Lager über Lagerplatten
an der Statorbaugruppe abgestützt ist, umfasst; zumindest
eine mit dem Motor verbundene Leiterplatte; und zumindest einen
Kühlkörper, wobei der Motor am Kühlkörper
befestigt ist.
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Eine
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin,
den Motor direkt am Kühlkörper zu befestigen.
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Dadurch
ergibt sich der Vorteil, dass kein zusätzliches Gehäuse
für den Motor erforderlich ist.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass zusätzliche Dichtungen
für ein Motorgehäuse entfallen können.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau
mit den Figuren der Zeichnung.
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Unter
dem Begriff ”Leiterplatte” sind auch flexible
gedruckte Schaltungen, Hybridschaltungen, Verdrahtungsgitter, Kombinationen
aus Drahtgitter und Kunststoffteile u. dgl. zu verstehen.
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Eine
einfache Montage der elektrischen Maschine ergibt sich dadurch,
dass der Motor mit der Leiterplatte steckbar elektrisch verbunden
ist. So sind kurze Stromwege geschaffen, die bei hoher Stromstärke
Spannungsverluste reduzieren.
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In
einer Ausführung kann die Leiterplatte zwischen dem Motor
und dem Kühlkörper angeordnet sein und mit diesen
einen sandwichartigen Aufbau bilden. Daraus ergibt sich ein kompakter
Aufbau.
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Zwischen
dem Motor und der Leiterplatte kann ein Abdeckelement angeordnet
sein, welches die Leiterplatte abdeckt bzw. gegen die Umgebung abdichtet
und schützt. Es ist ebenfalls ein Berührungsschutz
stromführender Teile gegeben, was zum Beispiel bei Prüf-
und Wartungsarbeiten von Nutzem ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist das Abdeckelement mit
der Isolierplatte einstückig ausgebildet. Hierbei ergibt
sich der besondere Vorteil, dass Montageschritte und auch die Teilezahl
reduziert wird.
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In
einer alternativen Ausführung kann der Kühlkörper
zwischen dem Motor und der Leiterplatte angeordnet sein und mit
diesen einen sandwichartigen Aufbau bilden, wobei ein Wärmeübergang
zwischen Motor und Kühlkörper vergrößert
ist. Weiterhin ist hierdurch ein erweiterter Einsatzbereich aufgrund von
Konfigurationsvariationen geschaffen.
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Zum
elektrischen Anschluss an ein Versorgungs- und Steuersystem, zum
Beispiel ein Getriebeschaltgerät, weist das Abdeckelement
einen Kontaktträger auf. Dieser kann eine übliche
oder auch kundenspezifische Steckverbindung sein. Der Kontaktträger
kann mit Kontakten versehen sein, die mit der Leiterplatte in Verbindung
stehen. Er kann aber auch z. B. auf der Leiterplatte befindliche
Kontaktzungen aufnehmen.
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Zur
Geräusch- und Schwingungsdämpfung kann das Abdeckelement
aus einem schwingungsdämpfenden Kunststoffmaterial hergestellt
sein. Somit weist das Abdeckelement eine Vielzahl von Funktionen
auf, unter denen zum Beispiel auch eine Abdichtfunktion des Kühlkörpers
und/oder des Motors gegenüber umgebenden Baugruppen gegeben
sein kann. Zum Beispiel ist es möglich, dass das Abdeckelement
Dichtungsabschnitte in Form von Lippen und/oder Kragen aufweisen
kann. Diese Dichtungsabschnitte können zum Beispiel im
Zweikomponentenverfahren zusammen mit dem Abdeckelement als Kunststoffspritzgussteil
kostengünstig mit hoher Qualität und Präzision
erstellt werden.
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Zur
Befestigung der elektrischen Maschine kann der Kühlkörper
mit zumindest einem Befestigungsmittel versehen sein. Dies kann
zum Beispiel eine Lasche mit einer Bohrung für Schrauben,
Nieten u. dgl. sein. Andere Ausführungen sind selbstverständlich
möglich.
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In
einer weiteren Ausführung weist die Rotorwelle zumindest
ein Ende mit einer steckbaren Geometrie zur Drehmomentübertragung
auf. Damit ergibt eine einfache und schnelle Montage in Funktionsbaugruppen,
wodurch sich auch Wartungsarbeitszeiten verkürzen.
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Der
Motor kann ein bürstenloser Gleichstrommotor sein. Andere
Ausführungen sind natürlich möglich.
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Die
Leiterplatte in kurzer Distanz zum Motor ermöglicht auch
eine Anordnung bestimmter Entstörbauteile hinsichtlich
elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) in unmittelbarer
Nähe einer möglichen Störquelle, zum
Beispiel bei einem Motor mit Bürsten.
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Es
ist auch möglich, dass das Abdeckelement auf einer Seite
oder innerhalb mit Abschirmungselementen, wie zum Beispiel Metallgittern, Metallfasern
u. dgl., versehen sein kann, wodurch sich Abstrahl- wie auch Einstrahlstörfestigkeit
der elektrischen Maschine erhöhen.
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Die
oben beschriebene elektrische Maschine ist zur Verwendung von Motoren
mit Leistungen im Bereich von 0,05 kW bis 1 kW vorgesehen, wobei
ein Bereich von 0,1 kW bis 0,2 kW bevorzugt ist.
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Die
obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung lassen
sich auch auf beliebige und geeignete Art und Weise miteinander
kombinieren.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen
Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine;
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2a eine
schematische Perspektivansicht einer Leiterplatte;
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2b eine
schematische Perspektivansicht einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen elektrischen Maschine;
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2c eine
schematische Perspektivansicht des ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine;
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3 eine
schematische perspektivische Explosionsansicht des ersten Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen elektrischen Maschine nach 2c;
und
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4 eine
schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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In
den Figuren der Zeichnung sind gleiche und funktionsgleiche Elemente
und Merkmale – sofern nichts Anderes ausgeführt
ist – mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 illustriert
eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1.
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Die
elektrische Maschine 1 weist einen bürstenlosen
Motor 2 auf, welcher auf einem Kühlkörper 4 montiert
ist, wobei zwischen der Unterseite des Motors 2 und dem
Kühlkörper ein Abdeckelement 5 und eine
Leiterplatte 3 angeordnet sind. Der Motor 2, das Abdeckelement 5,
die Leiterplatte 3 und der Kühlkörper 4 bilden
somit einen sandwichartigen Aufbau, wobei der Motor 2 kein
zusätzliches Gehäuse benötigt.
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Der
Motor
2 umfasst eine Statorbaugruppe
10 in einem
Stator körper
9 und einen in der Statorbaugruppe
10 drehbar
gelagerte Rotorbaugruppe
11. Die Rotorbaugruppe
11 besitzt
eine Rotorwelle
12, die in einem Festlager
15 und
einem Loslager
16 relativ zu der feststehenden Statorbaugruppe
10 drehbar
angeordnet ist. Die Rotorwelle
12 ist durch das Festlager
15 hindurch
nach oben verlängert, um mit nicht dargestellten Baugruppen
zusammenzuwirken, die von ihr drehbar antreibbar sind. Das Festlager
15 befindet
sich in diesem Beispiel an einer Stirnfläche
27 des
Motors
2, welche vom Kühlkörper
4 abgewandt
ist, und ist in einer Festlagerplatte
13 aufgenommen. Das
Loslager
16 ist an der Unterseite des Motors
2,
das heißt an einer Stirnfläche
28, welche nahe
am Kühlkörper
4 liegt, in einer Lagerplatte
14 aufgenommen.
Die Festlagerplatte
13 und die Lagerplatte
14 sind
direkt an einer jeweiligen Stirnfläche
27,
28 der
Statorbaugruppe
10 angeordnet. Die Festlagerplatte
13 ist
radial von einer Isolierplatte
24 umgeben, welche die zugehörige
Stirnfläche
27 des Motors
2 abdeckt.
Die untere Stirnfläche
28 des Motors
2 ist
von einer Anschlussisolierplatte
25 abgedeckt, welche die
Lagerplatte
14 umgibt. Der Aufbau eines derartigen Motors
2 ist
in
EP 1 722 459 B1 ausführlich
beschrieben.
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Der
Statorkörper 9 weist zumindest zwei Befestigungsabschnitte 18 auf,
mit welchen der Motor 2 an dem Kühlkörper 4 befestigt
ist. Zur Befestigung dienen in diesem Beispiel Befestigungselemente 9, wie
zum Beispiel Schrauben, Nieten, Schraubbolzen, Stehbolzen (verklebbar,
verschweißbar, verstemmbar) usw. In diesem Ausführungsbeispiel
sind weiterhin Haltedome 19 vorgesehen, die zwischen Kühlkörper 4 und
den Befestigungsabschnitten 18 des Motors 2 angeordnet
sind. Die Haltedome 19 dienen auch als Abstandshalter und
legen einen Abstand zwischen der unteren Stirnfläche 28 des
Motors 2 und dem Kühlkörper 4 fest,
um dazwischen die Leiterplatte 3 und das Abdeckelement 5 aufzunehmen.
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Die
Leiterplatte 3 weist elektronische Bauteile und Schaltungen
zur Steuerung des Motors 2 auf. Dazu ist sie mit Anschlüssen 17 des
Motors 2 elektrisch verbunden. Diese Verbindungen können
zum Beispiel Löt- und/oder Steckverbindungen sein. Die Leiterplatte 3 kann
auch mit Messgebern, wie zum Beispiel Temperatursensoren, Drehzahlsensoren
(z. B. Hall-Elemente), ausgerüstet sein. Die in den elektronischen
Leistungsbauteilen und -schaltungen erzeugte Wärme wird
durch die unmittelbare Anordnung dieser Bauteile und/oder Abschnitte
am Kühlkörper 4 durch Wärmeleitung
abgeführt.
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Die
Leiterplatte 3 ist weiterhin mit Verbindungsmitteln zum
Anschluss von Stromversorgung, Steuerleitungen, Messleitungen usw.
versehen. Ein solches Verbindungsmittel kann zum Beispiel ein Steckverbinder
sein.
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Das
Abdeckelement 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel
zwischen dem Motor 2 und der Leiterplatte 3 angeordnet.
Es besteht vorzugsweise aus einem isolierenden Kunststoff, bedeckt
die Leiterplatte 3 und kann auch eine Abdichtfunktion der
Leiterplatte 3 zur Umgebung hin aufweisen. Das Abdeckelement 5 überdeckt
hier auch einen Abschnitt des Kühlkörpers 4.
Es kann auch Dichtfunktionen der elektrischen Maschine 1 bei
Anbindung an Umgebungsbauteile/-abschnitte bilden.
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2a zeigt
eine schematische Perspektivansicht der Leiterplatte 3.
Sie weist in diesem Beispiel zwei Aussparungen 7 für
die Haltedome 19 auf, wie aus 2b ersichtlich
ist. 2b zeigt eine schematische Perspektivansicht einer
Variante des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine 1. In dieser Variante ist kein Abdeckelement 5 vorgesehen.
Der Motor 2 weist hier zwei diametral gegenüberliegende
Befestigungsabschnitte 18 mit Schrauben auf. Selbstverständlich können
mehr als zwei Befestigungsabschnitte 18 vorgesehen sein.
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Der
Kühlkörper 4 ist aus einem gut Wärme leitenden
Material, wie zum Beispiel Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung
hergestellt. Er ist hier mit Befestigungslaschen 8 an seinen
Längsseiten versehen, mit welchen er in geeigneter Weise,
z. B. über Schrauben und/oder Nieten, an einer anzutreibenden
Baugruppe befestigbar ist. Die Befestigungslaschen 8 können
natürlich in größerer Zahl und an anderer
Stelle am Kühlkörper 4 angeordnet sein.
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In 2c ist
eine schematische Perspektivansicht des ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 in
zusammengebautem Zustand dargestellt. Das Abdeckelement 5 weist
den Kontaktträger 6 auf, welcher zum Beispiel
als Gegenstück einer üblichen oder kundenspezifischen
Steckverbindung mit Kontakten, Führungen und Verdrehschutz
ausgebildet ist. In diesem Beispiel ist das Abdeckelement um die
Unterseite des Motors 2 herum mit einem Kragen 26 versehen, welcher
als Dichtung dienen kann. Das Abdeckelement 5 kann auch
als Geräusch- und/oder Schwingungsdämpfung mit
einem entsprechenden Kunststoffmaterial ausgebildet sein.
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Die
elektrische Maschine 1 ist in dieser Ausführung
direkt in und/oder an eine zugehörige Funktionsgruppe anbringbar.
Dazu kann das Wellenende der Rotorwelle 12 zum Beispiel
mit einer Geometrie versehen sein, welche ein einfaches Einstecken
in ein korrespondierendes Antriebselement mit z. B. kom plementärer
Geometrie zur Übertragung eines Drehmomentes ermöglicht.
Diese Geometrie kann zum Beispiel ein Vierkant sein.
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3 illustriert
eine schematische perspektivische Explosionsansicht des ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 nach 2c.
Als Befestigungselemente 20 dienen hier Schrauben, welche
in die Haltedome 19 einschraubbar sind. Es können
selbstschneidende Schrauben sein. Die Haltedome 19 können
in den Kühlkörper 4 eingeschraubt, eingenietet
usw. sein. Sie können aber auch einstückig mit
dem Kühlkörper 4 ausgebildet sein.
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Der
Kühlkörper 4 ist hier mit einer Ausnehmung 21 versehen,
welche zur Aufnahme der Leiterplatte 3 dient. Am Boden
der Ausnehmung 21 sind Wärmeübertragungsabschnitte 22 angeordnet,
welche in ihrer Anordnung zu Wärmeübertragungsabschnitten
der Leiterplatte 3 bzw. der auf ihr befindlichen Teile
und/oder Schaltungen korrespondieren. Der Kühlkörper 4 weist
hier eine zusätzliche Befestigungslasche 8 an
seiner Schmalseite auf.
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Das
Abdeckelement 5 ist in dem Bereich unterhalb des Motors 2 mit
Durchführungslöchern für die Anschlüsse 17 und
den Wellenendbereich der Rotorwelle 12 versehen. Der Kragen 26 korrespondiert
zur Kontur der Unterseite des Motors 2 bzw. zu dessen Anschlussisolierplatte 25.
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Die
Montage der elektrischen Maschine 1 kann zum Beispiel in
folgenden Schritten durchgeführt werden:
- – Einlegen
der Leiterplatte 3 in die Ausnehmung 21 des Kühlkörpers 4,
wobei die Wärmeübertragungsabschnitte 22 entsprechend
mit Wärmeübertragungselementen versehen werden.
- – Aufsetzen des Abdeckelementes 5 auf die
Leiterplatte 3 und den Kühlkörper 4.
- – Aufsetzen des Motors 2 auf das Abdeckelement 2,
dabei Einstecken der Anschlüsse 17 in korrespondierende
Verbindungselemente der Leiterplatte 3 und Befestigen des
Motors 2 an dem Kühlkörper 4 mittels
der Befestigungselemente 20.
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Der
Motor 2 kann an einem separaten Montageplatz montiert werden.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 1,
das 4 in einer schematischen Schnittansicht darstellt,
unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 darin,
dass die Anschlussisolierplatte 25 einstückig
mit dem Abdeckelement 5 ausgebildet ist. Zur Montage der
Lagerplatte 14 weist das Abdeckelement 5' eine
entsprechend große Öffnung auf. Die Anschlüsse 17 sind
nicht gezeigt. Es ist aber leicht vorstellbar, dass sie innerhalb
des Bereichs der durch das Abdeckelement 5' gebildeten
Anschlussisolierplatte 25 angeordnet sind und wie oben
beschrieben mit der Leiterplatte 3 verbunden sind. Die
Haltedome 19 sind in diesem Beispiel einstückig
mit dem Kühlkörper 4 ausgebildet.
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Die
vorliegende Erfindung sei nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern lässt sich auf beliebige Art
und Weise modifizieren, ohne vom Gegenstand der vorliegenden Erfindung
abzuweichen.
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So
sei die Erfindung nicht auf kollektorlose Motoren beschränkt.
Selbstverständlich können auch Motoren und/oder
Generatoren mit Kollektoren in ein derartiges Gehäuse eingebaut
werden.
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Der
Motor kann auch so montiert sein, dass sich die Rotorwelle durch
das Abdeckelement, die Leiterplatte und den Kühlkörper – entgegengesetzt zu
den gezeigten Beispielen oder auch zusätzlich – heraus
erstreckt.
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In
einer weiteren, in den Figuren nicht gezeigten, gegenüber
der oben beschriebenen Ausführung abgewandelten, leicht
vorstellbaren Ausführung ist der Kühlkörper 4 zwischen
der Leiterplatte 3 und dem Motor 2 angeordnet.
Dies kann zum Beispiel in 1 leicht
ersichtlich sein, indem der Motor 2 auf der Unterseite
des Kühlkörpers 4 angeordnet ist, wobei
das hervorstehende Ende der Rotorwelle 12 nach unten weist.
Die Anschlüsse 17 erstrecken sich dann vom Motor 2 durch
isolierte Durchführungen des Kühlkörpers 4 zur
Leiterplatte 3 hin. Das Abdeckelement 5 deckt
die Leiterplatte 3 und den Kühlkörper 4 zumindest
teilweise ab. Dabei kann die Leiterplatte 3 vollständig
bedeckt sein, wobei der Kühlkörper 4,
wie hier gezeigt, nur im Randbereich mit dem Abdeckelement 5 in
Verbindung steht. Der Kontaktträger 6 kann natürlich
auch zum Beispiel durch den Kühlkörper 4 auf
dessen Unterseite hindurch geführt sein. Ebenso ist eine
abgewinkelte Position möglich.
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- 1
- Elektrische
Maschine
- 2
- Motor
- 3
- Leiterplatte
- 4
- Kühlkörper
- 5,
5'
- Abdeckelement
- 6
- Kontaktträger
- 7
- Aussparung
- 8
- Befestigungslasche
- 9
- Statorkörper
- 10
- Statorbaugruppe
- 11
- Rotorbaugruppe
- 12
- Rotorwelle
- 13
- Festlagerplatte
- 14
- Lagerplatte
- 15
- Festlager
- 16
- Loslager
- 17
- Anschluss
- 18
- Befestigungsabschnitt
- 19
- Haltedom
- 20
- Befestigungselement
- 21
- Ausnehmung
- 22
- Wärmeübertragungsabschnitt
- 23
- Rotoraufnahme
- 24
- Isolierplatte
- 25
- Anschlussisolierplatte
- 26
- Kragen
- 27
- Stirnfläche
- 28
- Stirnfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1722459
B1 [0005, 0038]