Titel

[STATOR IN EINEM E LE KTROM OTO Rl

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stator in einem Elektromotor, insbesondere in einem Stell- oder Antriebsmotor in Kraftfahrzeugen.

Stand der Technik

In der US 2006/0091759 wird ein permanenterregter Innenläufer-

Gleichstrommotor beschrieben, dessen Stator in einem Gehäuse ein fest angeordnetes Statorpaket umfasst, welches aus einer Mehrzahl einzelner Lamellen aufgebaut ist. Die Lamellen sind axial hintereinander liegend angeordnet und Träger einer Statorwicklung, über die ein Magnetfeld erzeugt wird, welches mit Permanentmagneten auf der Rotorwelle zusammenwirkt. Die Lamellen bilden ein zusammenhängendes Paket und werden über geeignete Spannmittel axial zusammengehalten.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen konstruktiv einfach aufgebauten und in einfacher Weise herzustellenden Stator in einem Elektromotor anzugeben, der eine konstante, gleichförmige Drehmomentabgabe erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Der erfindungsgemäße Stator wird in einem Elektromotor engesetzt, beispielsweise in einem Stell- oder Antriebsmotor in Kraftfahrzeugen. In Betracht kommen Anwendungen als Startermotor, als Lenkmotor oder zur Betätigung eines Hilfs- aggregates wie beispielsweise eines Scheibenwischers, eines Fensterhebers oder eines Sitzverstellmotors. Der Elektromotor umfasst den erfindungsgemäßen Stator sowie eine Rotorwelle, die im Stator drehbar gelagert ist.

Der Stator weist eine Mehrzahl von über den Umfang verteilt angeordneten Ein- zelstatorelementen auf, die jeweils Trägerzähne bilden, wobei jeder Trägerzahn mit einer gewickelten Spule versehen ist. Die verschiedenen Spulen auf den Trägerzähnen sind zumindest teilweise miteinander elektrisch verbunden und werden zur Erzeugung eines Magnetfeldes bestromt. Die Trägerzähne sind bezogen auf die Statorlängsachse - die zugleich die Rotorachse bildet, winklig angeordnet, dergestalt, dass die Zahnlängsachse der Trägerzähne mit der Statorlängsachse einen Winkel einschließt.

Auf Grund der winkligen Anordnung bilden die Trägerzähne eine Schrägverzahnung, was den Vorteil aufweist, dass hierdurch eine Glättung im abgegebenen Drehmomentverlauf des Elektromotors erreicht wird. Da in jeder einzelnen Spule ein Magnetfeld erzeugt wird, wird dementsprechend auch pro Spule ein Drehmoment erzeugt, wodurch sich prinzipiell aufgrund der diskreten Anzahl von über den Umfang verteilten Spulen ein wellenförmiger Drehmomentverlauf pro Umlauf des Rotors einstellt. Durch die Schrägstellung der Trägerzähne wird in Umfangs- richtung eine teilweise Überlappung zwischen unmittelbar benachbarten Spulen erzeugt, wodurch die gewünschte Glättung und Vergleichmäßigung im Drehmomentverlauf erreicht wird.

Grundsätzlich genügt ein Winkel von maximal 30° zwischen der Zahnlängsachse und der Statorlängsachse, wobei in bevorzugter Ausführung ein Winkel von nicht mehr als 10° in Betracht kommt. Die genannten Winkelangeben sollen sämtliche Einzelwinkel bis zu einem Maximalwinkel von 30° oder gegebenenfalls auch darüber hinaus umfassen, insbesondere in Winkelschritten von 1 ° oder auch weniger als 1 °. Die Glättung des Drehmomentverlaufes wird bereits bei einem Winkel von beispielsweise 5° oder 8° zwischen Trägerzahnlängsachse und Statorlängsachse erreicht. Bei größeren Winkeln wird der Effekt der Drehmomentglättung noch verstärkt.

Die Drehmomentglättung kann in technisch bzw. konstruktiv einfacher Weise er- reicht werden. Die Schrägverzahnung ist mit einem verhältnismäßig geringen Aufwand herzustellen, gleiches gilt für die Montage des aus einer Mehrzahl von einzelnen Trägerzähnen bestehenden Stators.

Gemäß vorteilhafter Ausführung besteht jeder Trägerzahn aus einem Zahn- grundkörper und mindestens an einer Stirnseite aus einem Stirnabschnitt, der sich unmittelbar an den Zahngrundkörper anschließt und insbesondere einteilig mit dem Zahngrundkörper ausgebildet ist. Der Stirnabschnitt ist gegenüber dem Zahngrundkörper abgewinkelt, insbesondere in der Weise, dass der Stirnabschnitt in Richtung der Statorlängsachse ausgerichtet ist. Auf diese Weise kom- pensiert der Stirnabschnitt den Winkel, unter welchem der Trägerzahn gegenüber der Statorlängsachse geneigt ist. Der Stirnabschnitt weist somit eine Achse auf, die achsparallel zur Statorlängsachse liegt, was den Vorteil hat, dass die Anschlüsse an die Spulen an der betreffenden Stirnseite des Stators in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Statorlängsachse liegen. Hierdurch wird der e- lektrische Anschluss der Spulen untereinander bzw. zur externen Stromversorgung erheblich vereinfacht.

Gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung sind in den Stirnabschnitt jedes Trägerzahns zwei benachbarte Aufnahmetaschen eingebracht, denen jeweils ein Drahtende des Spulendrahts der vom Trägerzahn gehaltenen Spule zugeordnet ist. Vorteilhafterweise ist das Spulendrahtende über die Aufnahmetasche gelegt, wodurch zum einen ein Klemmelement, über das die elektrische Anbindung zum Spulendraht erfolgt, zumindest teilweise in die Aufnahmetasche einsetzbar ist, und zum andern ein eventuell während der Verbindung zwischen Klemmelement und Spulendraht durch Abscheren entstehender Span in der Aufnahmetasche aufgenommen werden kann.

Die elektrische Verbindung zwischen den Spulen bzw. zur Stormversorgung erfolgt vorzugsweise mithilfe eines Kontaktrings, der Träger von elektrischen Kon- takt- bzw. Klemmelementen ist. Hierdurch kann auch auf einfache Weise der e- lektrische Kontakt zwischen den verschiedenen Spulen hergestellt werden, insbesondere auf ausschließlich mechanische Weise, so dass auf eine elektrische Verbindung mittels Schweiß- oder Löttechnik verzichtet werden kann und die Kurzschlussgefahr reduziert ist. Außerdem lässt sich der elektrische Kontakt mit- hilfe des Kontaktringes in einfacher Weise realisieren. Jeder Trägerzahn ist vorzugsweise als zumindest teilweise kunststoffummanteltes Eisenpaket ausgebildet, wobei die Kunststoffummantelung insbesondere zur Isolierung gegenüber der Spule dient, die um den Trägerzahn gewickelt ist. Es kann darüber hinaus zweckmäßig sein, einteilig mit der Kunststoffummantelung auch Verbindungselemente auszuführen, insbesondere Rastelemente zur mechanischen Verbindung der Trägerzähne untereinander. Gegebenenfalls sind aber diese Rastelemente auch unabhängig von der Kunststoffummantelung ausgeführt.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1 in Explosionsdarstellung die Bauelemente eines Elektromotors, wobei der Stator aus einzelnen Trägerzähnen mit jeweils einer Spule zusam- mengesetzt ist, die mithilfe eine Kontaktringes und daran angeordneten

Schneidklemmen elektrisch miteinander verbunden werden, sowie mit an einer Stirnseite angeordneten, abtriebsseitigen Lagerplatte, die unmittelbar mit dem Motorgehäuse des Elektromotors verbunden wird,

Fig. 2 in Einzeldarstellung eine Elektronikbaueinheit, die auf einer weiteren Lagerplatte aufsitzt, welche an der gegenüberliegenden Stirnseite des E- lektromotors angeordnet ist,

Fig. 3 in Seitenansicht der Stator des Elektromotors, der aus einer Mehrzahl über den Umfang verteilter Trägerzähne besteht, die bezogen auf die

Statorlängsachse winklig angeordnet sind,

Fig. 4a in perspektivischer Einzeldarstellung ein Trägerzahn mit einer Spule,

Fig. 4b eine Seitenansicht eines Trägerzahns mit Spule,

Fig. 5 einen Schnitt durch einen Trägerzahn mit Spule,

Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Trägerzahn mit Spule, wobei die Drahtenden der Spulenwicklung jeweils über eine in die Stirnseite des Trägerzahns eingebrachte Aufnahmetasche geführt sind, Fig. 7 in perspektivischer Ansicht die über Klipse realisierte mechanische Verbindung zwischen benachbarten Trägerzähnen,

Fig. 8 eine vergrößerte Darstellung der über eine Klipsverbindung realisierten

Verbindung zwischen zwei unmittelbar benachbarten Trägerzähnen,

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Kontaktringes, bestehend aus mehreren Einzelringen mit jeweils einer Mehrzahl von Schneidklemmen, die Kontaktelemente bilden,

Fig. 10 der Kontaktring mit den Einzelringen in Explosionsdarstellung,

Fig. 1 1 eine perspektivische Ansicht von oben auf den montierten Elektromotor,

Fig. 12 einen Schnitt durch den Elektromotor mit einem in die Stirnseite der Rotorwelle eingesetzten Magneten als Bestandteil einer Rotorlagesensorik.

In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 sind die Bauelemente eines Elektromotors 1 in Explosionsdarstellung gezeigt. Der Elektromotor 1 ist als Innenläufermotor ausgebildet und umfasst eine Rotorwelle 2, die Träger eines Rotorpaketes 3 ist. Die Rotorwelle 2 einschließlich Rotorpaket 3 befindet sich im montieren Zustand in einem Stator 4, der Träger von mehreren, über den Umfang verteilter Spulen ist, welche über einen axial am Stator angeordneten Kontaktring 5 und daran angeordnete Schneidklemmen 6 elektrisch kontaktiert und mit Strom versorgt werden. An der Abtriebsseite des Elektromotors befindet sich eine erste Lagerplatte 7 (A- Lagerplatte), die ein Lagerteil 8 für die Rotorwelle 2 aufnimmt. Die A-Lagerplatte 7 wird fest mit einem Motorgehäuse 10 verbunden, das den Stator 4 einschließlich der Rotorwelle 2 aufnimmt.

Auf der der A-Lagerplatte 7 axial gegenüberliegenden Stirnseite befindet sich ein weiteres Lagerteil 9 zur Lagerung der Rotorwelle 2. Das Lagerteil 9 ist im mon- tierten Zustand in einer weiteren Lagerplatte 1 1 (B-Lagerplatte, dargestellt in Fig. 2) aufgenommen. Die Lagerplatte 11 ist zugleich Träger von Elektronik-Bauteilen 12, über die die Steuerung bzw. Regelung des Elektromotors 1 erfolgt.

Die A-Lagerplatte 7 und die B-Lagerplatte 1 1 fassen das Motorgehäuse 10 an gegenüberliegenden axialen Stirnseiten ein und sind unmittelbar bzw. direkt mit dem Motorgehäuse 10 verbunden. Zweckmäßigerweise handelt es sich um eine ausschließliche Verbindung jeder Lagerplatte 7, 1 1 mit dem Motorgehäuse 10, so dass über diese Verbindung hinaus keine weiteren Verbindungsmaßnahmen wie beispielsweise Zuganker zwischen den Lagerplatten oder dergleichen erforder- lieh sind. Die Verbindung erfolgt durch Aufschweißen zwischen der Stirnseite des

Motorgehäuses 10 und den Lagerplatten 7 bzw. 1 1 oder durch Aufschrumpfen. In jedem Fall wird eine dichte Verbindung erreicht, so dass auf den Einsatz zusätzlicher Dichtelemente zwischen den Lagerplatten und dem Motorgehäuse verzichtet werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt in der verbesserten Steifigkeit, die auf Grund der unmittelbaren Verbindung von Lagerplatten und Motorgehäuse erhöht ist. Die verbesserte Steifigkeit hat außerdem einen positiven Einfluss auf den Drehmomentverlauf. Des Weiteren ist die Wärmeableitung verbessert. Darüber hinaus ist auf diese Weise ein modulares System realisiert, bei dem je nach gefordertem Einsatzzweck unterschiedlich lang ausgebildete Stator- bzw. Motorge- häuse 10 ohne sonstige Änderung in den Bauteilen des Elektromotors eingesetzt werden können. Da die Verbindung zwischen jeder Lagerplatte und dem Motorgehäuse über Aufschweißen oder Aufschrumpfen oder dergleichen erfolgt und nicht über Zuganker, sind auch bei unterschiedlichen langen Motorgehäusen keine weitergehenden Anpassungsmaßnahmen erforderlich.

Der Kontaktring 5 mit den als Schneidklemmen 6 ausgeführten Kontaktelementen ist zweckmäßigerweise ebenso wie das Lagerteil 9 von der B-Lagerplatte 1 1 gehalten.

Wie Fig. 3 zu entnehmen, besteht der Stator 4 aus einer Vielzahl von über den

Umfang verteilt angeordneten, einzelnen Trägerzähnen 13, die jeweils Träger eine Spule 17 sind. Die Trägerzähne 13 schließen mit der Statorlängsachse 14, die zugleich die Längsachse des Elektromotors bildet, (Fig. 1 ), einen Winkel α ein. In Fig. 3 ist eine Zahnlängsachse 15 durch einen Trägerzahn 13 eingetragen, wobei die Seitenkanten jedes Trägerzahns 13 parallel zur Zahnlängsachse 15 verlaufen. Der Winkel α, unter dem jeder Trägerzahn 13 gegenüber der Statorlängs- achse 14 winklig ausgerichtet ist, liegt im Ausführungsbeispiel in einem Winkelbereich von unter 10°, insbesondere etwa 8°. Der Winkel α kann vorteilhafterweise auch Wertebereiche größer als 10° einnehmen, beispielsweise bis zu 30°, o- der auch deutlich kleinere Werte als 10°. Grundsätzlich sollen Wertebereiche in beliebigen Abstufungen zwischen etwa 1 ° und etwa 30° oder ggf. auch darüber hinaus möglich sein.

Die winklige Anordnung der Trägerzähne 13 gegenüber der Statorlängsachse 14 hat den Vorteil, dass hierdurch eine Glättung bzw. Vergleichmäßigung des Drehmomentverlaufes erzielt werden kann. Da in jeder einzelnen Spule ein Magnetfeld erzeugt wird, leistet jede Spule einen Beitrag zur Erzeugung des Drehmomentes, wobei auf Grund der diskreten Anzahl und Positionierung der Spulen 17 über den Umfang des Stators 4 gesehen sich grundsätzlich bei einer geradlinig ausgerichteten Positionierung von Trägerzähnen und Spulen ein unrunder Drehmomentverlauf einstellt. Durch die vorgeschlagene Schrägstellung der Trägerzähne wird der unrunde Drehmomentverlauf geglättet.

Jeder Trägerzahn 13 weist einen Stirnabschnitt 16 auf, in den die Spulendrahtenden 17a und 17b in Einschnitten 18 aufgenommen sind. Über die Spulendrah- tenden 17a und 17b erfolgt der elektrische Kontakt zwischen den Schneidklemmen 6 am Kontaktring 5 (Fig. 1 ).

Die Stirnabschnitte 16 an jedem Trägerzahn 13 sind koaxial bzw. achsparallel zur Statorlängsachse 14 ausgerichtet, so dass jeder Stirnabschnitt 16 mit dem winklig ausgerichteten Zahngrundkörper 19 eines jeden Trägerzahns 13 ebenfalls einen Winkel α einschließt. Dies erleichtert das axiale Aufsetzen bzw. Einstecken der Schneidklemmen 6, welche am Kontaktring 5 gehalten sind, auf die Spulendrahtenden 17a und 17b jeder Spule 17.

In den Figuren 4a, 4b, 5 und 6 ist jeweils ein Trägerzahn 13, der ein Statoreinzelelement bildet, in Einzeldarstellung gezeigt. Fig. 4a und 4b ist zu entnehmen, dass die Spule 17 um den Grundkörper 19 des Trägerzahns 13 gewickelt ist und dass die freien Spulendrahtenden 17a und 17b im Bereich des Stirnabschnitts 16, welcher einteilig mit dem Grundkörper 19 ausgebildet ist, durch die Einschnit- te 18 im Stirnabschnitt 16 geführt sind. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, dass der Zahngrundkörper 19 im Querschnitt doppel-T- förmig ausgebildet ist, so dass seitliche Begrenzungen für die Spule 17 gebildet sind und der Spulendraht sicher am Zahngrundkörper 19 gehalten ist. Im Bereich der doppel-T-förmigen Nut ist die Oberfläche des Zahngrundkörpers 19, der als Blechpaket ausgebildet ist, mit einer Kunststoffummantelung 20 umspritzt, wodurch die Spule 17 gegenüber dem Grundkörper 19 elektrisch isoliert ist. Die übrigen Bereiche des Zahngrundkörpers 19 weisen keine Kunststoffummantelung auf.

Es kann zweckmäßig sein, die Wandungen des Zahngrundkörpers im Bereich der Doppel-T-Nut mit Nuten für den Draht der Spule 17 zu versehen, in die der Draht eingelegt und hierdurch sicher geführt ist.

Wie Fig. 6 zu entnehmen, sind in die obere Stirnseite des Stirnabschnittes 16 zwei parallele, zueinander versetzt angeordnete Aufnahmetaschen 21 eingebracht, über die die Spulendrahtenden 17a und 17b geführt sind. Die Einschnitte 18, in die die Spulendrahtenden 17a, 17b eingelegt sind, sind in die die Aufnahmetaschen 21 begrenzenden Wandungen eingebracht. Die Aufnahmetaschen 21 dienen zum einen zur Aufnahme eines Spans (Flitter), welcher während des Ver- bindungsvorganges mit den Schneidklemmen am Kontaktring durch Abscheren entstehen kann. Zum andern dienen die Aufnahmetaschen 21 zur Aufnahme des axial überstehenden Teils der Schneidklemmen, wodurch in Achsrichtung eine kompakte Ausführung erreicht wird.

In den Figuren 7 und 8 ist die Verbindung zwischen unmittelbar benachbarten

Trägerzähnen 13 dargestellt. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise auf ausschließlich mechanischem Wege mithilfe von Rastelementen, die im Ausführungsbeispiel als eine Klipsverbindung 22 ausgeführt sind. Jede Klipsverbindung 22 umfasst zwei Rastelemente, die an jeweils einem Trägerzahn 13 angeordnet und komplementär zueinander ausgebildet sind. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich hierbei um einen Klipsvorsprung 23 an einem ersten Trägerzahn 13 und eine zugeordnete, komplementär ausgebildete Klipsausnehmung 24 am unmittelbar benachbarten Trägerzahn 13. Der Klipsvorsprung 23 ist kugel- bzw. teilkugelförmig oder zylindrisch ausgeführt, dementsprechend ist die Klipsausnehmung 24 ebenfalls mit einer kugel- bzw. teilkugelförmigen oder zylindrischen Ausnehmung versehen. Um das erforderliche Maß an Elastizität zur Realisierung der Klipsverbindung zu ermöglichen, in der die Klipselemente miteinander verrastet sind, bestehen die Elemente der Klipsverbindung aus einem Material mit ausreichender Elastizität und/oder sind die Klipselemente verhältnismäßig dünnwandig ausgebildet bzw. über einen dünnwandigen Abschnitt mit dem jeweiligen Träger- zahn 13 verbunden. So ist es beispielsweise möglich, die Klipselemente der

Klipsverbindung 22 aus einem Kunststoffmaterial zu fertigen, indem die Klipselemente unmittelbar an jeden Trägerzahn angespritzt werden. Möglich ist aber auch eine Ausführung aus Metall.

Die Figuren 9 und 10 beziehen sich auf den Kontaktring 5, welcher Träger der

Schneidklemmen 6 ist, über die Spulen unterschiedlicher Trägerzähne elektrisch miteinander verbunden sowie mit Storm versorgt werden. Der Kontaktring 5 besteht aus einer Mehrzahl von Einzelringen 25, die jeweils Träger der Schneidklemmen 6 sind und die axial aufeinandergestapelt werden. Zwischen jeweils zwei axial benachbarten Einzelringen 25 liegt ein Trennring 27. Axial zuunterst befindet sich ein Grundring 26 als Träger sämtlicher Einzelringe 25 und Trennringe 27.

Durch die Kombination verschiedener Einzelringe 25, an denen jeweils Schneid- klemmen 6 angeordnet sind, kann eine gewünschte Verschaltung zwischen den verschiedenen Spulen des Stators erreicht werden.

In Fig. 1 1 ist der Elektromotor 1 1 in Zusammenbauposition dargestellt, wobei die Lagerplatte 1 1 , welche Träger der Elektronikbauteile 12 ist (Fig. 2), nur schema- tisch angedeutet ist. Der Kontaktring 5 mit den Schneidklemmen 6 ist stirnseitig auf den Stator aufgesetzt zur elektrischen Verbindung mit den Spulen an jedem Trägerzahn des Stators. Am Kontaktring 5 sind axial auf der den Schneidklemmen 6 gegenüberliegenden Seite axial überragende Kontaktelemente 28 zur e- lektrischen Anbindung mit der Elektronik bzw. der Stromversorgung angeordnet.

Wie Fig. 12 zu entnehmen, ist auf der dem Kontaktring 5 zugewandten Seite in die axiale Stirnseite der Rotorwelle 2 ein Magnetelement 29 eingesetzt. Dieses befindet sich vorzugsweise in einer Vertiefung in der Stirnseite der Rotorwelle 2. Das Magnetelement 29 ist Teil einer Rotorlagesensorik, über die die aktuelle Ro- torlage der Rotorwelle 2 festgestellt werden kann.