Stator für ein Elektromotor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stator für einen elektronisch kommutierten Elektromotor nach Oberbegriff des An- spruch 1.

Der Erfindungsgegenstand befasst sich mit der Herstellung von Ankerwicklungen für einen elektronisch kommutierten Elektromotor, welche es ermöglichen, eine Bauweise für ho- hen Wirkungsgrad und hohe Wirtschaftlichkeit zu realisieren.

Bei Servolenkungen für Kraftfahrzeuge werden insbesondere an die motorischen Antriebe besonders hohe Anforderungen gestellt. Wegen der erforderlichen sehr kompakten Bauformen und hohen geforderten Antriebsleistungen werden bei Elektromotoren entsprechend hohe Wirkungsgrade benötigt. Au- sserdem müssen bei derartigen Massenprodukten in der Automobilindustrie die Herstellkosten entsprechend tief sein, was eine hohe Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung eines solchen Antriebes erforderlich macht. Es werden deshalb vermehrt elektronisch kommutierte Elektromotoren für derartige Antriebe eingesetzt, wie dies beispielsweise in der EP 1 499 003 Al dargestellt ist. Die dort offenbarten, mehrphasigen Statorwicklungen werden nacheinander pro Phase auf die Pole gewickelt und dessen Drähte ausserhalb des Stators nach dem Wickeln jeder Phasenanordnung miteinander zu einem dreiphasigen System verbunden. Das Bewickeln derartig kompakter Statoren ist sehr aufwändig und insbesonde- re das Verbinden von mehreren Drähten ausserhalb des Stators führt zu zusätzlichen Aufwendungen, was die Anordnung weniger wirtschaftlich macht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Nachteile des vorerwähnten Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere besteht die Aufgabe darin, einen Stator für einen elektronisch kommutierten Elektromotor mit Ankerwicklungen auf den Statorpolen zu realisieren, welcher äu- sserst kompakt aufgebaut ist und einen hohen Wirkungsgrad mit wenig Streuverlusten des Statorfeldes zu ermöglichen bei hoher Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Anordnung nach Anspruch 1 gelöst, sowie nach dem Verfahren zur Herstellung eines Stators nach Anspruch 16. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Stator für einen elektronisch kommutierten Elektromotor einem zylinderförmigen Mantel und mehreren nach innen gegen die Zylinderachse gerichteten Polen aus ferromagnetischem Material aufweist, wobei die Pole einen zylinderförmigen Hohlraum umschliessen zur Aufnahme eines Rotors und wobei jeder Pol mit einer Wicklung mit mehreren Drahtwindungen versehen ist zur Ausbildung eines magnetischen Ankers, derart ausgebildet ist, dass die Windungen der Wicklungen ohne Unterbruch nacheinander um die Pole gewickelt angeordnet werden.

Die Windungen werden einzeln, der Reihe nach und ohne Unterbruch um die Pole des Stators gewickelt, womit kein Taktzeitverlust durch Trennen des Drahts und Halten der offenen Drahtenden auftritt. Um Streuverluste und Streukapazitäten gering zu halten, werden die Wicklungspakete bei

elektronisch kommutierten Motoren vorteilhafterweise aus mehreren Einzeldrähten gebildet, beispielsweise durch bifi- lares Wickeln von mehreren Drähten auf jeden Pol, aber insbesondere und vorzugsweise durch Verschachtelung von mehre- ren Windungen auf jedem Pol und anschliessendem Parallelschalten. Hierdurch wird auf jedem Pol ein Paket von mehreren parallel geschalteten Drahtwicklungen erzeugt welche an jedem Pol ein Wicklungspaket bilden.

Die Drähte werden dort, wo Anschlüsse vorgesehen sind, stirnseitig beim übergang von einer Polwicklung zur anderen Polwicklung vorzugsweise alle an einer Stirnseite des Statorzylinders aus dem Polbereich herausgeführt, derart dass dort ein schleifenförmiger Drahtübergang gebildet wird, bei welchem die Kontaktierung erfolgen kann. Die dadurch entstehende Drahtschlaufe des Drahtpaketes wird somit sehr kurz gehalten und dadurch entstehen geringe Verluste bei trotzdem guter Zugänglichkeit für die Erstellung der Kon- taktierung der Anschlüsse.

Vorerwähnte Drahtübergänge können beispielsweise leicht an zwei Positionen aufgetrennt werden und zwar in einem Arbeitsgang das ganze Drahtpaket, um entsprechend notwendige Wicklungskonfigurationen zusammen mit dem Wicklungsanfang und dem Wicklungsende für ein Mehrphasen- insbesondere für ein Dreiphasensystem zu generieren. Durch stirnseitiges Aufschieben von Kontaktringen, welche Kontaktpunkte, beispielsweise Haken, aufweisen, die an ringförmigen Leitern angeordnet sind, können die Drahtübergänge und der Wick- lungsanfang und das Wicklungsende auf einfache Weise, beispielsweise durch Verschweissen, verkrimpen oder vorzugsweise durch verlöten, kontaktiert werden. Hierdurch ist es

möglich, die Kontaktierung einfach mit einem modulartig aufgebauten Kontaktring an der Statorstirnseite zu realisieren. Die Wicklungen werden hierbei zu einem Dreiphasensystem zusammenführt mit den drei elektrischen Phasenan- Schlüssen für die Einspeisung der drei elektronisch aufbereiteten Steuersignalen für den Motor.

Die Bewicklung sämtlicher Pole erfolgt somit in einem Zuge nacheinander, ohne Unterbruch des Wickelvorganges, wie er entsprechend dem Stand der Technik für Auftrennungen bzw. Zuordnungen von Wicklungen erforderlich wäre. Die Zuordnung der einzelnen Wicklungen zu den Phasen erfolgt nach beendetem Wickelvorgang auf einfache Weise alleine durch auftrennen und / oder kontaktieren von stirnseitig herausgeführten Drahtschleifen. Die zu erstellenden Verbindungen können hierbei kostengünstig mit einem Kontaktring erfolgen. Damit ist es ohne weiteres möglich, die Reihenfolge der Bewicklung der Pole des Stators so zu wählen, wie es für eine automatische Wickelanlage optimal ist, ohne Rücksicht darauf nehmen zu müssen, wie die Pole später den Phasen zugeordnet werden sollen.

Die vorerwähnte Anordnung ermöglicht nun zusätzlich die Steuerelektronik mit der Leistungselektronik auf einer Platine anzuordnen, welche unmittelbar als Baugruppe mit dem Kontaktring und dadurch mit dem Stator und dessen Statorwicklungen verbunden ist. Diese Baugruppe ermöglicht eine äusserst wirtschaftliche Herstellung zum Betrieb eines elektronisch kommutierten Elektromotors mit hohem Wirkungsgrad. Der modulartige Aufbau der Struktur lässt zusätzlich eine einfache Handhabung und Montage zu. Die Anordnung ist hierdurch besonders geeignet für den Einsatz in elektromotorisch betriebenen Servolenkungen für Motorkraftfahrzeuge.

Die Erfindung wird nun nachfolgend beispielsweise und mit schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Wicklungsschema für eine erfin- dungsgemässe Ausbildung eines 12-poligen Stators mit dessen Anschlüssen und vierfach verschachtelten Drahtwicklungen. Der Mantel des zylinderförmigen Stators ist in abgewickelter Form darge- stellt.

Fig. 2 schematisch und im Querschnitt ein elektronisch kommutierter Motor mit Rotor und Stator gemäss Fig. 1

Fig. 3 in dreidimensionaler Darstellung ein Stator gemäss Fig. 1 und Fig. 2

Fig. 4 ein Kontaktring mit Kontakthaken, passend auf die Anordnung nach Fig. 3

Fig. 5 eine zusammengebaute Anordnung von Stator nach Fig. 3 mit Kontaktring nach Fig. 4

Fig. 6 ein Stator gemäss Fig. 3 mit den Wicklungen in dreidimensionaler Ansicht auf die Zylinderstirnseite mit nicht herausgeführten Drahtbrücken

Fig. 7 in dreidimensionaler Darstellung Einzelteile ei- ner Baugruppe mit Stator in Kombination mit Kontaktring und Platinenaufbau mit Steuer- und Lei-

stungselektronik in auseinander gezogener Darstellung

Fig. 8 die zusammenbaute Baugruppe gemäss Fig. 7 in Auf- sieht auf die Platine und den Stator

Fig. 9 eine Seitenansicht der Baugruppe nach Fig. 8

Fig. 10 ein Querschnitt der Baugruppe nach Fig. 9 im Be- reich des Anschlussüberganges zwischen Kontaktring und Platine

Fig. 11 in perspektivischer Darstellung die Baugruppe gemäss den Fig. 8 bis 10

Ein elektronisch kommutierter Elektromotor besteht im Wesentlichen aus einem Stator 1, der zylinderförmig ausgebildet ist und im Beispiel die Pole Pl bis P12 aufweist, die gegen das Innere des Zylinders und gegen dessen Zentralach- se 3 ausgerichtet sind, wobei die Pole Pl bis P12 jeweils Wicklungen Ll bis L12 tragen und auf diese Art als Ankerwicklung ausgebildet sind, wobei im Zentrum des Hohlraums des Statorzylinders ein Rotor 2 angeordnet ist, der um die Zylinderachse 3 als Welle 4 frei rotieren kann und Perma- nentmagnete aufweist, die gegen die Pole Pl bis P12 ausgerichtet sind. Der zylinderförmige Stator 1 weist einen Mantel Ia aus ferromagnetischem Material auf mit daran nach innen gerichteten Polen Pl bis P12, ebenfalls aus ferromagnetischem Material, welche die Wicklungen Ll bis L12 auf- nehmen.

Die Wicklungen Ll bis L12 sind in der Regel derart elektrisch miteinander verbunden bzw. geschaltet, dass die Wicklungen ein mehrphasiges System insbesondere ein dreiphasiges System bilden zur Erzeugung eines Drehfeldes, wel- ches durch eine elektronische Einspeisung in die Wicklungen über die Wicklungsanschlüsse Ul, Vl, Wl und über die Verbindungsleitungen U, V, W zu den Wicklungen erzeugt wird. Dieses Drehfeld versetzt dann den Rotor mit den darauf angeordneten Permanentmagneten 5 in eine rotierende Bewegung. Erfindungsgemäss werden nun die Pole, wie dies anhand von einem Beispiel mit 12 Polen Pl bis P12 in Fig. 2 im Querschnitt und in Fig. 1 in einem Wickelschema mit abgerolltem Zylindermantel dargestellt ist, in einem einzigen Durchgang nacheinander gewickelt. Es wird beispielsweise am Wick- lungsanfang β der Draht für die Wicklung Ll um den Pol 1 festgehalten und mit mehreren Windungen um den Pol 1 gewik- kelt und danach auf den Pol 2 geführt, wo wiederum mehrere Windungen abgelegt werden entsprechend der Wickelrichtung WR. Nach Beendigung der Wicklung L2 um den Pol P2 wird der Draht stirnseitig beim Stator 1 in einer kurzen Schleife aus dem Polbereich weg- und herausgeführt und dann wiederum zurück zum Pol 3, wo die Wicklung L3 abgelegt wird und danach die Wicklung L4 um den Pol P4, wobei nach Beendigung dieser Wicklung L4 der Draht wiederum in einer Schleife stirnseitig herausgeführt wird und wieder zurück für die nächste Wicklung L5 um den Pol 5 etc. Die herausgeführten Drahtschleifen bilden somit Drahtübergänge IIa bis He von einer Polwicklung zur nächsten Polwicklung. Derartige Drahtübergänge Ha bis He werden dort herausgeführt, wo Kontaktstellen 9 benötigt werden, um einerseits ein dreiphasiges Wicklungssystem zu beschälten und andererseits die Stromzuführungen zu erstellen. Es werden die Drahtübergänge

IIa bis He mit Vorteil an der einen Stirnseite des zylinderförmigen Stators 1 angeordnet und über isolierende Stützen 8 geführt und positioniert.

Im vorliegenden Beispiel gemäss Fig. 1 sind vier Drähte nacheinander auf die 12 Pole Pl bis P12 gewickelt dargestellt und bilden somit jeweils die Wicklungspakete Ll bis L12. Dadurch dass diese Drähte in einem einzigen Durchgang gewickelt werden, ergibt sich einzig ein Wicklungsanfang 6 und ein Wicklungsende 7 beim Wicklungsvorgang, wo die Dräh- te festgehalten werden müssen. Danach werden durch Kontaktieren der entsprechenden Drahtübergänge und durch Auftrennung Sl, S2 von Drahtübergängen Wicklungen derart beschaltet, dass ein dreiphasiges System über die Verbindungsleitungen U, V, W zu den Kontakten 9 und den Wicklungen Ll bis L12 mit dem Dreiphasenanschluss Ul, Vl, Wl erstellt wird. Die vorliegende Anordnung ist sehr wirtschaftlich zu realisieren und ermöglicht streuarme Wicklungsanordnungen, welche einen hohen Wirkungsgrad des Motors sicherstellen. Das erfindungsgemässe Vorgehen ist besonders geeignet für kom- pakte Motoranordnungen, bei welchen die Verhältnisse für das Wickeln sehr beengt sind und vor allem wenn mehrere Drähte verschachtelt bzw. bifilar respektive parallel für jeden Pol gewickelt werden müssen. Das erfindungsgemässe Vorgehen eignet sich besonders für verschachtelte Mehr- drahtwicklungen, die pro Pol mehrere verschachtelte Drahtpakete beinhalten. Wie im Beispiel gemäss Fig. 3 dargestellt ist, wird für eine vierfach verschachtelte, parallel geschaltete Wicklung jeder Draht einzeln nacheinander ohne Unterbruch über die Pole gewickelt und an den benötigten Stellen an der Stirnseite des Statorzylinders für die Kon- taktierung und / oder den Aufschnitt Sl, S2 heraus- und wieder zurückgeführt. Letztendlich sind die einzelnen Dräh-

te, hier vier Stück, für jede Wicklung parallel geschaltet, aber innerhalb der einzelnen Wicklung Ll bis L12 verschachtelt angeordnet. Die verschachtelte Anordnung hat besondere Vorteile in Bezug auf geringe Streukapazitäten und Streuin- duktivitäten, was den Wirkungsgrad des Motors erhöht und die Ansteuerbarkeit des Motors verbessert. Bei geringeren Anforderungen können die Wicklungen aber auch unmittelbar parallel also bifilar ausgebildet werden.

Ein Beispiel einer bevorzugten Ausbildung eines Stator 1 mit darauf angeordneten Wicklungen Ll bis L12 ist in Fig. 3 in dreidimensionaler Ansicht mit Blick auf die Stirnseite des zylinderförmigen Stator 1 dargestellt. Bei einem ersten Pol Pl wird die erste Wicklung Ll abgelegt, wo sich auch der Wicklungsanfang 6 stirnseitig zum zylinderförmigen Stator 1 befindet. Die Wicklungen Ll bis L12 sind dann ohne Unterbruch nacheinander auf die Pole Pl bis P12 abgelegt und dann beim letzten Pol P12, welcher dem ersten Pol benachbart ist, wieder als Wicklungsende 7 herausgeführt. Kurze Drahtschleifen, welche Drahtübergänge IIa bis e bilden, sind stirnseitig von den Wicklungen herausgeführt und wieder zurückgeführt, um an den gewünschten Stellen die Kontaktstellen 9 und / oder die Schnittstellen Sl, S2 für die Auftrennung der Wicklungspakete zu realisieren. Ein Kontaktring 10 gebildet aus vorzugsweise flachen Leiterbahnen U, V, W mit den Anschlüssen Ul, Vl, Wl, welcher aus dem Ring herausgeführte Kontakte 9, vorzugsweise als Haken ausgebildet, aufweist, ist in Fig. 4 in dreidimensionaler Darstellung gezeigt. Dieser Kontaktring 10 wird zur Kontaktie- rung 9, welche die Wicklungsanschlüsse bilden und zur Ausbildung der Wicklungszuleitungen stirnseitig zum Stator 1 über die Drahtübergänge IIa bis He gelegt, derart dass die

Kontakte 9 mit den Haken an den gewünschten Drahtübergängen IIa bis He anliegen, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist. Die Kontakte, wie beispielsweise die Haken, werden dann elektrisch mit den Drahtübergangspaketen elektrisch verbun- den, wie verschweisst, vorzugsweise aber verlötet.

Die Drahtübergänge IIa bis e sind vorzugsweise über stirnseitig zum Rotor 1 angeordnete Stützen 8 aus isolierendem Material geführt, so dass eine kompakte und stabile Anordnung möglich wird.

Bei dem vorliegenden und bevorzugten Beispiel ist der Kontaktring 10 auf einer Seite des zylinderförmigen Stator 1 angeordnet, wie dies aus den Fig. 3 bis 6 hervorgeht. Fig. 6 zeigt die zweite Stirnseite des zylinderförmigen Stators 1 in dreidimensionaler Ansicht, welche der ersten Stirnseite mit dem daran angeordneten Kontaktring 10 abgewandt ist. Bei dieser bevorzugten Ausbildung werden sämtliche Anschlüsse auf einer Stirnseite des zylinderförmigen Stators 1 ausgebildet und zu den Anschlüssen Ul, Vl, Wl geführt.

Die erfindungsgemässe Ausbildung des Stator 1 mit den daran ausgebildeten Wicklungen Ll bis L12 und dem Kontaktring 10 ermöglichen eine äusserst kompakte Bauweise, welche einfach herzustellen ist und somit gut zu industrialisieren ist. Die Statorwicklungen Ll bis L12 können auf diese Weise durch entsprechende Reihenfolge des Wickeins ohne besonderen Aufwand in beliebiger Reihenfolge nach Wunsch verbunden werden. Für die Erstellung derartiger Wicklungen notwendigen Drähte können wie bis anhin Kupfer-Lack-Drähte verwen- det werden und auch die Leiterbahnen am Kontaktring 10 können beispielsweise mit Kunststoff zur gegenseitigen Isolierung umspritzt sein und trotzdem einfach durch Aufschieben

und Verlöten, Verschweissen oder aber auch Verkrimpen an den gewünschten Stellen verbunden werden. Dieser kompakte und modulare Aufbau des Stators 1 mit dem Kontaktring 10 ermöglicht weiter die für elektronisch kommutierte Steuer- und Leistungselektronik 22 unmittelbar modular mit dem Stator 1 zu verbinden, wodurch zusätzlich problematische Kabelverbindungen und Steckverbindungen vermieden werden können, welches einerseits die Betriebszuverlässigkeit erhöht und andererseits eine wirtschaftliche Realisierung ermög- licht, wie dies in Fig. 7 in dreidimensionaler Darstellung gezeigt ist.

Eine Platine 20, welche gestanzte oder geätzte Leiterbahnen 21 für die Stromführung trägt, sowie darauf angeordnete Elektronik 22 mit den nach aussen führenden Anschlussstellen 23, welche vorzugsweise als Steckverbindungen ausgebildet sind, kann unmittelbar am Kontaktring 10 angeordnet werden. Hierdurch entsteht, wie in Fig. 7 bis 11 dargestellt ist, eine sehr kompakte und modulare Anordnung. Das Steuergerät, gebildet aus Platine 20 mit den Verdrahtungsbahnen 21 der Elektronik 22 und den Schnittstellenanschlüssen 23 wird unmittelbar über einen Kontaktteil mit dem Kontaktring 10 des Stator 1 verbunden. Die Platine 20 kann als Kunststoffteil, das die Kontakte und Drahtverbindungen trägt, ausgebildet sein und muss nicht zwingend plattenför- mig ausgebildet sein. Die Drahtverbindungen 21 auf dem Kunststoffteil, wie beispielsweise der Platine 20, sind vorzugsweise als Stanzgitter ausgebildet und vorzugsweise sind die Kontakte des Kontaktrings und die Kontaktringteile ebenfalls gestanzte Teile, welche vorzugsweise Bestandteil des Steuergerät des Stanzgitters sind. Durch dieses Vorgehen können lange Leitungswege vermieden werden und die An-

zahl von Schnittstellen bzw. kritischen Verbindungsele ⁱ nen- ten kann niedrig gehalten werden.