Elektromotor zum Antrieb eines Aggregates

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor zum Antrieb eines Aggregates mit einem Rotor mit Permanentmagneten, einem Stator mit Wicklungen, einer Welle, auf der der Rotor angeordnet ist, und einem Spaltrohr, welches zumindest radial zwischen den Rotor und dem Stator angeordnet ist.

Derartige Elektromotoren mit Spaltrohren oder Spalttöpfen werden insbesondere in Bereichen eingesetzt, in denen die empfindlichen Statorwicklungen vor einem Medium, welches den Rotor umströmt, abgeschirmt werden müssen, um Schäden zu verhindern. Ein typisches Verwendungsbeispiel solcher Elektromotoren sind Kühlmittelpumpen in Kraftfahrzeugen, bei denen einerseits die Statorwicklungen vor dem Kühlmittel geschützt werden und andererseits das Kühlmittel durch die Umströmung des Rotors nahe an die Leistungselektronik herangeführt werden kann, um diese vor thermischer Überlastung zu schützen.

Zur Kontaktierung der Statorwicklungen werden zumeist Lötverbindungen verwendet. Dabei werden die Wickeldrähte des Stators direkt durch eine rückwärtige Wand, die einen Elektronikraum abgrenzt, gesteckt und dort befestigt.

Alternativ ist es beispielsweise aus der EP 0 860 930 A2 bekannt, Kontaktierungen zu verwenden, bei denen sich einerseits Kontakte aus einem Elektronikraum in Taschen eines Statorträgers erstrecken, in denen die Gegenkontakte angeordnet sind, wobei die Montage durch Aufstecken des Elektronik-Anschlussmoduls erfolgt. Problematisch ist dabei, dass eine Ausrichtung der beiden Kontakte zueinander sehr schwierig ist und bei der Montage auch nicht einsehbar ist. Daher wird in der DE 100 45 596 Al eine Pumpe mit einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor vorgeschlagen, bei dem auf das Motorgehäuse pumpenkopfseitig ein Lagerschild aufgesetzt wird, welches Schneid-Klemmkontakte zur Kontaktierung der Statorwicklungen und Sensoren trägt und aus dem radial Anschlusskontakte zur Stromversorgung ragen. Im Innern des Motorgehäuses ist ein Spaltrohr angeordnet. Nachteilig ist, dass die Elektronik im Lagerschild eingebettet ist und somit nicht mehr zugänglich oder austauschbar ist. Des Weiteren entsteht ein erhöhter Montageaufwand, da die Ausrichtung und Abdichtung der Bauteile zueinander schwierig ist.

Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Elektromotor zum Antrieb eines Aggregates bereit zu stellen, mit dem einerseits eine prozesssichere Kontaktierung der Statorwicklungen bei leichter Montage erreicht wird und andererseits eine kompakte Bauform bei guter Erreichbarkeit der Elektronik erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Elektromotor zum Antrieb eines Aggregates mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.

Der Elektromotor, der insbesondere zum Antrieb von Kühlmittelpumpen geeignet ist, weist einen Rotor mit im Rotor angeordneten Permanentmagneten auf. Diese können beispielweise eingesetzt oder auch eingespritzt sein. Der Rotor ist auf einer Welle befestigt, die beispielsweise ein Pumpenlaufrad trägt und wird in bekannter Weise durch entsprechende Bestromung der Stränge eines Stators angetrieben, der Wicklungen trägt, durch die bei Bestromung ein magnetisches Feld erzeugt wird, welches in Wechselwirkung mit den Permanentmagneten des Rotors tritt, wodurch die Welle und mit der Welle gegebenenfalls das Pumpenlaufrad gedreht wird. Der Raum, in dem der Rotor angeordnet ist, wird vom Raum in dem der Stator angeordnet ist zumindest radial durch ein Spaltrohr getrennt, was dafür sorgt, dass das Fördermedium nicht aus dem Rotorraum in den Statorraum dringen kann und dort die Wicklungen beschädigt. Erfindungsgemäß sind am Spaltrohr Leiterbahnen befestigt, an deren ersten Enden Kontakte ausgebildet sind, über die die Wicklungen des Stators bestrombar sind. Entsprechend kann der Stator gegebenenfalls mit dem Statorträger direkt auf das Spaltrohr aufgeschoben werden, wobei gleichzeitig die Kontaktierung der Statorwicklungen erfolgt. Auf eine zusätzlich zu montierende Verschaltungsplatte kann ebenso verzichtet werden, wie auf ein nachträgliches Durchführen der Enden der Statorwicklung in einen Elektronikraum sowie die dortige Kontaktierung mittels Löten. So kann der Montageaufwand erheblich reduziert werden und dennoch eine zuverlässige Trennung des Statorraums vom Rotorraum durchgeführt werden.

In einer bevorzugten Ausbildung sind die Leiterbahnen in das Spaltrohr eingespritzt. Entsprechend sind die Leiterbahnen vor chemischen Einflüssen oder mechanischen Beschädigungen geschützt, wodurch eine lange Haltbarkeit erreicht wird.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Leiterbahnen und die Kontakte als Stanzkämme ausgebildet sind. Dies erleichtert die Fixierung und Anordnung der Leiterbahnen sowie deren Herstellung. Des Weiteren können die Stanzkämme einfach in die Form bei der Herstellung des Spaltrohres eingelegt werden.

Die Kontakte am Spaltrohr sind vorzugsweise als Schneid-Klemmkontakte mit einem Zentrierbereich und einem Verpressbereich ausgebildet, wobei der Verpressbereich eine geringere Öffnungsweite zwischen zwei Kontaktstegen aufweist als der Zentrierbereich und der Verpressbereich zwischen den Leiterbahnen und dem Zentrierbereich ausgebildet ist. Beim Einschieben des Stators auf das Spaltrohr gelangt somit die Statorwicklung zunächst in den Zentrierbereich, in dem der Wickelabschnitt des Stators zum Kontakt zentriert wird. Beim weiteren Einschieben wird dieser Bereich dann verpresst, wodurch ein Lösen zuverlässig verhindert wird. Eine Montage durch einfaches Aufstecken wird somit ermöglicht. In einer hierzu weiterführenden Ausführung weisen die Schneid-Klemmkontakte einen Schneidbereich auf, der sich an den Zentrierbereich anschließt und der eine größere Öffnungsweite zwischen den beiden Kontaktstegen aufweist als der Zentrierbereich. In diesen Schneidbereich wird somit beim Einstecken zunächst die Wicklung des Stators geschoben und dort abisoliert. Weitere Verfahrensschritte zum Lösen der Isolierung der Statorwicklung sind entsprechend nicht erforderlich.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Leiterbahnen an ihren zu den ersten Enden gegenüberliegenden Enden Kontaktfahnen zur Kontaktierung der Elektronik aufweisen. Entsprechend kann nicht nur die Statorwicklung durch Aufschieben auf das Spaltrohr, sondern am entgegengesetzten Ende auch die Elektronik durch einfaches Aufschieben kontaktiert werden. Somit wird auf einfache Weise, ohne zusätzliche Leitungen montieren zu müssen, eine Verbindung der Statorwicklung zur Elektronik hergestellt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Spaltrohr eine flanschförmige Erweiterung auf, an der die Leiterbahnen und die Kontakte befestigt sind, so dass durch einfaches axiales Aufstecken des Stators gegen die flanschförmige Erweiterung einerseits der Sitz des Stators festgelegt wird und andererseits gleichzeitig die elektrische Verbindung hergestellt werden kann.

In einer hierzu weiterführenden Ausführung ragen die Kontakte aus der flanschförmigen Erweiterung axial zum Stator. So wird eine Montage durch axiales Aufschieben ermöglicht.

Vorzugsweise weist der Stator einen Statorträger auf, in welchem Taschen ausgebildet sind, durch die die zu kontaktierenden Drähte der Wicklungen geführt sind, wobei die Kontakte axial in die Taschen und auf die Drähte geschoben sind. Der Statorträger ermöglicht es, den gesamten Stator als ein Teil auf das Spaltrohr zu schieben. Dabei wird der Stator durch die Taschen zu den Kontakten am Spaltrohr in Umfangsrichtung ausgerichtet. Des Weiteren kann durch diese Taschen ein Lösen der Wicklungen aus den Schneid-Klemm-Kontakten verhindert werden.

In einer hierzu weiterführenden Ausbildung der Erfindung ist an den Seitenwänden der Taschen ein Schlitz ausgebildet ist, wobei ein axiales Ende des Schlitzes eine axial begrenzende Auflagefläche bildet, auf der der jeweilige Draht aufliegt, wobei der Abstand der Auflagefläche zum axialen Ende des Statorträgers kleiner ist als der Abstand der zum Stator weisenden Flanschfläche der flanschförmigen Erweiterung des Spaltrohres zum Zentrierbereich des Schneid-Klemmkontaktes. Unter seitlich axiale begrenzende Auflagefläche wird in diesem Zusammenhang ein Aufbau verstanden, bei dem die Seitenwände derTasche an einer Position geschlitzt ausgeführt sind, wobei das axiale Ende des Schlitzes in der Seitenwand die Auflagefläche bildet. Entsprechend wird der Draht vor und hinter dem Kontakt axial gehalten. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Draht beim Aufschieben des Schneid-Klemmkontaktes nicht entgegen der Aufschieberichtung weggedrückt wird und so kein fester elektrischer Kontakt hergestellt werden würde. Stattdessen wird der Draht zwangsweise durch die gewählten Abstände in die Kontakte gefügt.

Vorzugsweise entspricht die radiale Weite der Taschen im Wesentlichen der Breite der Schneid-Klemmkontakte. Ein anschließendes Lösen beispielsweise durch Vibrationen aufgrund einer Aufweitung der beiden Schenkel der Schneid-Klemmkontakte kann so vermieden werden.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn sich von der flanschförmigen Erweiterung in zum Stator entgegengesetzter axialer Richtung ein axialer Vorsprung des Spaltrohres erstreckt, in dem sich die Leiterbahnen zur Kontaktierung der Elektronik parallel zueinander erstrecken und aus dem die Kontaktfahnen axial in Erstreckungsrichtung des axialen Vorsprungs herausragen. Auf diesen Vorsprung kann entsprechend die Platine oder die Elektronikeinheit aufgeschoben werden, wobei die Lage der Platine durch das Ende des Vorsprungs axial festgelegt wird. Gleichzeitig kann durch das Aufschieben direkt ein Kontakt zur Platine und somit zur Elektronik hergestellt werden.

Zusätzlich ist vorzugsweise am zur flanschförmigen Erweiterung axial entgegengesetzten Ende des Spaltrohres eine radiale Einschnürung mit einem sich daran anschließenden, sich axial erstreckenden ringförmigen Vorsprung ausgebildet. Über diesen Vorsprung kann entweder eine Abdichtung zu einem Motorgehäuse erfolgen oder dieser kann direkt als Lageraufnahme für ein A-Lager des Elektromotors eingesetzt werden.

Vorteilhafterweise ist an der zu den Kontakten entgegengesetzten Seite der flanschförmigen Erweiterung ein Elektronikraum ausgebildet und auf einem ersten Ende der Welle ist ein Laufrad befestigbar, wobei die flanschförmige Erweiterung an einem zum ersten Ende der Welle entgegengesetzten axialen Ende des Elektromotors ausgebildet ist. Auf diese Weise kann der erfindungsgemäße Elektromotor für eine Kühlmittelpumpe genutzt werden, die einfach zu montieren ist.

Es wird somit ein Elektromotor geschaffen, der einfach zu montieren ist, eine lange Lebensdauer aufweist und der kostengünstig hergestellt werden kann, da die Anzahl der Bauteile reduziert wird. Auch kann auf eine separate Verschaltungseinheit verzichtet werden und der axiale Bauraum bei Hochvoltmotoren reduziert werden, da Sicherheitsabstände zwischen den stromführenden Bauteilen durch die Umspritzung der Stanzkämme automatisch eingehalten werden.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektromotors in einer Verwendung zum Antrieb einer Kühlmittelpumpe ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit angeschlossenem Pumpenkopf in geschnittener Darstellung.

Figur 2 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Spaltrohres des in Figur 1 dargestellten erfindungsgemäßen Elektromotors.

Figur 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Stators des in Figur 1 dargestellten erfindungsgemäßen Elektromotors.

Figur 4 zeigt eine Seitenansicht eines Ausschnitts des in Figur 1 dargestellten Elektromotors in geschnittener Darstellung.

Die Figur 1 zeigt eine Kühlmittelpumpe 10, welche von einem Elektromotor 12 angetrieben wird. Der Elektromotor 12 weist eine Welle 14 auf, auf deren axialen Ende ein Laufrad 16 befestigt ist, welches mit der Welle 14 gedreht wird, um einen Fluidstrom von einem Einlass 18 in einen Förderkanal 20 und zu einem Auslass 22 zu fördern, die in einem Pumpenkopf 24 ausgebildet sind, der unter Zwischenlage einer Dichtung 26 an einem Motorgehäuse 28 befestigt ist.

Das Motorgehäuse 28 weist ein A-Lagerschild 30 auf, welches den Förderkanal 20 zum Elektromotor 12 hin begrenzt und in dem ein erstes Lager 32 aufgenommen wird, über welches die Welle 14 an dieser Seite gelagert wird. Von diesem Lagerschild 30 aus erstreckt sich das Motorgehäuse 28 im Wesentlichen ringförmig in axialer Richtung, so dass der Elektromotor 12 durch das Motorgehäuse 28 radial umgeben ist und begrenzt wird.

Auf der Welle 14 ist ein Rotor 34 befestigt, der aus einzelnen Rotorblechen aufgebaut ist und Permanentmagnete 36 trägt. Der Rotor 34 wirkt in bekannter Weise mit einem Stator 38 zusammen, der einen Statorträger 40 aus Kunststoff sowie Statorzähnen 42 besteht, auf denen Drähte 44 gewickelt sind, die Wicklungen 46 des Stators 38 bilden. Die Drähte 44 der verschiedenen Stränge der Wicklung 46 werden über einen Schlitz 48 geführt, der in zwei eine Tasche 50 begrenzenden Seitenwänden 52 ausgebildet ist. Eine solche Tasche 50 ist in Umfangsrichtung betrachtet zwischen zwei Statorzähnen 42 angeordnet, wobei bei vorliegendem dreisträngigen Wicklungsschema sechs derartiger Taschen 50 ausgebildet sind.

Zur elektrischen Kontaktierung des Stators 38 ragen in diese Taschen 50 eine entsprechende Anzahl an Kontakten 54, die als Schneid-Klemm-Kontakte ausgebildet sind. Diese Kontakte 54 weisen jeweils zwei gegenüberliegende Kontaktstege 56 auf, an deren Enden ein Schneidbereich 58 ausgebildet ist, durch den die Isolierung der Drähte 44 aufgeschnitten wird, so dass eine elektrische Kontaktierung zwischen dem Draht 44 und dem Kontakt 54 hergestellt wird. An diesen Schneidbereich 58 schließt sich ein Zentrierbereich 60 an, über den der Draht 44 zwischen den Kontaktstegen 56 beim Einschieben geführt und zu einem sich daran anschließenden Verpressbereich 62 zentriert wird. In diesem Verpressbereich 62 wird der Draht 44 fest verklemmt, so dass ein Lösen verhindert wird. Die jeweilige Tasche 50 und deren Seitenwände 52 sind so ausgebildet, dass der Zwischenraum zwischen den Seitenwänden 52 etwa der radialen Ausdehnung des Kontaktes 54 entspricht, so dass die beiden Kontaktstege 56, wenn sie innerhalb der Tasche 50 angeordnet sind, auch nicht mehr auseinandergebogen werden können. Die Enden der Schlitze 48 bilden jeweils eine Auflagefläche 64, auf der die Drähte 44 beim Aufschieben des Stators 38 auf die Kontakte 54 aufliegen, so dass keine axiale Verschiebung der Drähte 44 möglich ist, sondern diese zwangsweise beim Aufschieben zwischen die Kontaktstege 56 geschoben werden.

Die Kontakte 54 werden durch erste Enden 65 von Leiterbahnen 66 gebildet, welche als Stanzkämme ausgebildet sind, die als Verschaltungseinheit zwischen den Wicklungen 46 beziehungsweise den Wicklungssträngen dienen. Diese Leiterbahnen 66 sind in einem Spaltrohr 68 eingespritzt, welches einen Statorraum 70 von einem Rotorraum 72 abkapselt.

Insbesondere sind diese Leiterbahnen 66 im vorliegenden Ausführungsbeispiel in einer flanschförmigen Erweiterung 74 des Spaltrohres ausgebildet, aus der die Kontakte 54 axial herausragen, so dass die elektrische Verbindung durch axiales Aufstecken des Stators 38 gegen die flanschförmige Erweiterung 74 des Spaltrohres 68 hergestellt werden kann. Um die Herstellung der Verbindung zu sichern wird der axiale Abstand zwischen einer zum Stator 38 weisenden Flanschfläche 76 der flanschförmigen Erweiterung 74 und dem Zentrierbereich 60 der Kontakte 54 größer gewählt als der Abstand eines axialen Endes des Statorträgers 40 beziehungsweise des Stators 38 zur Auflagefläche 64 der Taschen 50. Somit muss sich nach dem Einschieben des Stators 38 gegen die Flanschfläche 76 der Draht 44 im Verpressbereich 62 der Kontakte 54 angeordnet sein.

Die zu den Kontakten 54 entgegengesetzten Enden der Leiterbahnen 66 erstrecken sich parallel zueinander durch einen sich axial erstreckenden Vorsprung 78 des Spaltrohres 68, der sich von der flanschförmigen Erweiterung 74 an der zu den Kontakten 54 entgegengesetzten axialen Seite des Spaltrohres 68 erstreckt. Die Leiterbahnen 66 ragen aus diesem Vorsprung 78 axial heraus und bilden an diesem Ende drei Kontaktfahnen 80 aus, die in entsprechende Gegenkontakte einer Platine 82 ragen, auf welcher die Elektronik 84 des Elektromotors 12 angeordnet ist.

Die Platine 82 mit der Elektronik 84 befindet sich in einem Elektronikraum 86, der radial durch das Motorgehäuse 28 und axial einerseits durch ein B-Lagerschild 88 und andererseits durch einen Deckel 90 begrenzt wird, an dem ein Stecker 91 zur Stromversorgung ausgebildet ist. Das B-Lagerschild trägt ein zweites Lager 92 zur Lagerung der Welle 14 und schließt den Rotorraum 72 axial in Richtung des Elektronikraums 86 dicht ab, indem das B-Lagerschild 88 einen sich axial erstreckenden ringförmigen Vorsprung 94 aufweist, der radial gegenüberliegend zu einem etwas kleiner ausgebildeten, ringförmigen Vorsprung 96 des Spaltrohres 68 angeordnet ist, so dass durch Zwischenlage eines Dichtringes 98 der Rotorraum 72 innerhalb des Spaltrohres 68 nach außen abgedichtet ist. Das B-Lagerschild 88 erstreckt sich radial bis an das Motorgehäuse 28 und weist lediglich eine Öffnung 100 auf, durch die sich der Vorsprung 78 des Spaltrohres 68 in den Elektronikraum 86 erstreckt.

An der entgegengesetzten axialen Seite weist das Spaltrohr 68 eine radiale Einschnürung 102 auf, von der aus sich axial ein ringförmiger Vorsprung 104 in eine Ausnehmung 106 des A-Lagerschildes 30 erstreckt, wobei radial zwischen der Ausnehmung 106 und dem Vorsprung 104 ein Dichtring 108 angeordnet ist, wodurch auch an diesem Ende der Statorraum 70 vom Rotorraum 72 getrennt wird.

Der Elektromotor kann somit montiert werden, indem der Stator von der Pumpenkopfseite gegen die flanschförmige Erweiterung des Spaltrohres geschoben wird, wodurch bei korrekter Ausrichtung in Umfangsrichtung automatisch auch der elektrische Kontakt der Verschaltungseinheit zum Stator hergestellt wird. Des Weiteren kann durch Aufstecken der Platine auch der Kontakt der Verschaltungseinheit zur Elektronik und damit zur Stromversorgung hergestellt werden. Durch das Umspritzen der Verschaltungseinheit bleibt diese unempfindlich gegen äußere chemische oder mechanische Einflüsse. Bei Hochvoltanwendungen sind keine zusätzlichen Abstände zwischen den stromführenden Teilen der Verschaltungseinheit und des Stators vorzusehen, da aufgrund des Umspritzens, des Spaltrohres und der Taschen am Statorträger kein Funkensprung zu erwarten ist. Entsprechend kann der axiale Bauraum verringert werden.

Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Elektromotor auch für andere Anwendungen genutzt werden, beispielsweise als Aktor oder zum Antrieb anderer Pumpen. Auch kann die Ausrichtung und Anordnung der Kontakte und Kontaktfahnen ebenso modifiziert werden wie die Form des Spaltrohres. Weitere konstruktive Änderungen sind ebenfalls denkbar.