DE10148669A1

DE10148669A1 - Elektrische Maschine, insbesondere Startvorrichtung

Info

Publication number: DE10148669A1
Application number: DE10148669A
Authority: DE
Inventors: Ngoc-Thach Nguyen; Quang-Ngoc Tran; Holger Roesner; Stefan Ossenkopp; Gerd Kirsten; Quoc-Dat Nguyen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2003-04-17
Also published as: US20040251769A1; WO2003032469A2; EP1435128A2; JP2005506029A; WO2003032469A3

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine, insbesondere Startvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit einem Stator (36) und einem Rotor (39) vorgeschlagen, wobei der Rotor eine hohle Welle (63) mit unterschiedlichen Wellenabschnitten aufweist. Die elektrische Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (63) zwischen einem Lagersitz (81) und einer Wellenabschnittskontur (108) zur Übertragung eines Drehmoments ein einstöckiges Rohr ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere Startvorrichtung nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruches. Aus der WO 95/29529 ist eine elektrische Maschine in Form eines Startergenerators bekannt, die eine hohle Welle mit unterschiedlichen Wellenabschnitten aufweist. Die hohle Welle ist mehrstückig ausgeführt und besteht aus einem ersten Teil, mit einer Lagerstelle, an das ein Sitz für ein magnetisch wirksames Rotorteil angeformt ist. Innerhalb des Sitzes für das magnetisch wirksame Retorteil ist ein Stützrohr angeordnet, dass die Welle verstärkt. Darüber hinaus sind innerhalb des Stützrohrs zwei Scheiben plaziert, die ihrerseits wiederum das Stützrohr verstärken bzw. in seiner Wirkung unterstützen. Das erste Wellenteil mit dem Sitz für das magnetisch wirksame Rotorteil ist mittels eines weiteren Wellenteils an einer Stirnseite verschlossen und mit Hilfe dieses weiteren Wellenteils in einem Lager abgestützt. Ein Ritzelschaftteil ist in dem weiteren Wellenteil eingesetzt und dient zur Kraftübertragung des Startergenerators. Bei dieser Ausführung ist nachteilig, dass die Fertigung des Läufers dieser dort offenbarten elektrischen Maschine mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass durch die Ausbildung der Welle als ein einstückiges Rohr der Fertigungsaufwand erheblich verringert ist. Darüber hinaus ist der Montagevorgang der Welle auf ein Minimum beschränkt. Dieses Rohr wird entweder beispielsweise durch sogenanntes Rundkneten oder durch Aufweiten nach radial außen an eine definierte Kontur ausgeformt. Dazu wird das Rohrinnere beispielsweise hydraulisch mit Druck beaufschlagt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführte Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der elektrischen Maschine nach dem Hauptanspruch möglich.
Besonders günstig ist, wenn die Welle einen Sitz für ein magnetisch wirksames Rotorteil umfasst, da dadurch der elektrisch wirksame Bereich der Welle mit dem magnetisch wirksamen Rotorteil auf ein notwendiges Maß reduziert werden kann. Die Belastung durch die Masse des magnetisch wirksamen Rotorteils wird dadurch verringert. Die Reibung und der Verschleiß in den Lagern wird reduziert. Ferner ist der Leistungsverlust geringer und die Lebensdauer erhöht. Weist der Sitz des Rotorteils und ein Innenabschnitt des Rotorteils jeweils eine sich an ihrem Umfang in regelmäßigen Abständen wiederholende Kontur auf, lassen sich beide Teile zueinander formschlüssig miteinander verbinden. Dadurch ist die Drehmomentübertragung zwischen dem magnetisch wirksamen Rotorteil zu dem Sitz der Welle optimiert. Die Pressung zwischen dem magnetisch wirksamen Rotorteil und dem Sitz der Welle kann dadurch verringert werden. Die Kräfte, die beim Fügen vom Rotorteil auf die Welle auftreten, sind dadurch ebenfalls geringer, die Gefahr, dass die Welle während der Fertigung verbogen wird, ist deutlich verringert.
Führt man den Sitz der Welle für das magnetisch wirksame Rotorteil auf einer Seite mit einem Anschlag aus, so kann die axiale Lage des magnetisch wirksamen Rotorteils bei der Fertigung genau bestimmt werden.
Führt man die Welle auf einer ersten Seite des Sitzes für das magnetisch wirksame Rotorteil mit einem Lagersitz zur Lagerung der Welle aus und lagert die Welle mittels eines Ritzels auf einer zweiten Seite, ergibt sich eine kostengünstige Ausführung der Lagerung der Welle. Eine ebenso kostengünstige Alternative zur eben beschriebenen Variante ist dadurch gegeben, dass sowohl auf der ersten Seite als auch auf der zweiten Seite des Sitzes für das magnetisch wirksame Rotorteil Lagersitze vorgesehen sind.
Lagert man sowohl den ersten Lagersitz als auch den zweiten Lagersitz jeweils in Motorgehäuseteilen, so kann man den Motor der elektrischen Maschine eigengelagert ausführen. Dies hat den Vorteil, dass die Motoren bereits vollständig vorgefertigt und auf Funktionssicherheit vorab geprüft werden können.
Führt man die Welle mit einer axialen Anlauffläche für zumindest ein Lagerelement aus, ergibt sich eine kostengünstige Möglichkeit die Welle axial definiert anzuordnen.
Dadurch, dass die Welle einen Sitz für einen mit der Rotorwicklung elektrisch verbundenen Kommutator umfasst und dieser Sitz jeweils eine sich an ihrem Umfang in regelmäßigen Abständen wiederholende Kontur aufweist, kann bei einer ebensolchen Ausbildung des Kommutators dieser formschlüssig auf der Welle befestigt werden. Richtet man sowohl die sich in regelmäßigen Abständen wiederholende Kontur für den Kommutator als auch für das magnetisch wirksame Rotorteil aufeinander gezielt aus, so lässt sich der Kommutator mit seinen am Umfang verteilten Lamellen elektrisch optimal wirksam auf das Rotorteil ausrichten.
Führt man einen Übergang zwischen unterschiedlich großen Außendurchmessern von benachbarten Wellenabschnitten durch ein kegeligen Übergang aus, so erreicht man einen steifen und leichten Übergang. Führt man den Übergang zwischen zwei unterschiedlich großen Durchmessern von benachbarten Wellenabschnitten durch einen scheibenförmigen Übergang aus, so erreicht man einen besonders kurzen Übergang. Je nach Anforderung können auf einer Welle auch beide Übergangsformen realisiert sein.
Führt man den Wellenabschnitt, mit dem das Drehmoment des Motors übertragen werden soll, derart aus, dass dieser eine Kontur aufweist, so ist eine besonders günstige Form zur Übertragung des Drehmoments gegeben.

Zeichnungen

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine bzw. ihrer dazugehörigen hohlen Welle dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine,
Fig. 2 den Motor der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
Fig. 3A ein erstes Ausführungsbeispiel der hohlen Welle,
Fig. 3B den Innenabschnitt des Rotorteils und Fig. 3C den Innenabschnitt des Kommutators,
Fig. 4 und Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel der hohen Welle,
Fig. 6 eine Stirnansicht der hohlen Welle mit montiertem magnetisch wirksamen Rotorteil,
Fig. 7 bis 11 weitere Ausführungsbeispiele der Welle.

Beschreibung

In der Fig. 1 ist die erfindungsgemäße elektrische Maschine 20 schematisch dargestellt. Innerhalb eines zweiteiligen Gehäuses, das aus dem Antriebslagergehäuse 23 und dem Polgehäuse 24 besteht, ist ein elektrischer Motor 27 angeordnet, dem ein Planetengetriebe 30 nachgeordnet ist. Über das Planetengetriebe 30 wird eine diesem nachgeordnete Abtriebswelle 33 angetrieben.
In Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch den Motor 27 dargestellt. Innerhalb des Polgehäuses 24 ist ein Stator 36 und ein Rotor 39 angeordnet. Der Stator 36 besteht aus einzelnen an einem Innenumfang des Polgehäuses 24 angeordneten Permanentmagneten 42. Innerhalb des Stators 36 ist der Rotor 39 mit seinem magnetisch wirksamen Rotorteil 45 angeordnet. Das magnetisch wirksame. Rotorteil 45 besteht hier aus einem Lamellenpaket 48, dass an seinem Außenumfang mehrere Nuten aufweist. In diesen Nuten sind elektrische Leiter 51 eingefügt, die über einen Kommutator 54 bestrombar sind. Der Kommutator 54 trägt an seinem Umfang in Axialrichtung angeordnete Lamellen 57, die einerseits mit den elektrischen Leitern 51 verbunden sind, und andererseits über eine Bürstenanordnung 60 sowohl mit Masse als auch mit dem Pluspol einer Starterbatterie zumindest mittelbar verbindbar sind. Sowohl das magnetisch wirksame Rotorteil 45 als auch der Kommutator 54 sitzen fest auf einer hohlen Welle 63, die auf einer ersten Seite 66 mittels eines Lagerteils 69 im Polgehäuse 24 gelagert ist. Auf der zweiten Seite 72 ist die hohle Welle 63 mittels eines weiteren Lagerteils 75 in einem Gehäuseflansch 78 gelagert. Der Gehäuseflansch 78 ist im Polgehäuse 24 festsitzend gelagert.
Die Welle 63 ist durchgängig hohl, ist ein einstöckiges Rohr und weist über ihre Länge hinweg unterschiedliche Wellenabschnitte auf. Die Wellenabschnitte der in Fig. 2 gezeigten ersten Variante der hohlen Welle 63 weist, von der ersten Seite 66 beginnend, folgende Wellenabschnitte auf: Der erste Abschnitt ist ein Lagersitz 81, der über das Lagerteil 69 die hohle Welle 63 abstützt. Dem anschließend folgt ein freistichartiger Übergang 84. Dieser Übergang 84 dient dazu, dass eine Schleifscheibe, die zur Bearbeitung des Lagersitzes 81 notwendig ist, frei auslaufen kann. Darüber hinaus dient sie dazu, die Kerbwirkung zu verringern.
Dem freistichartigen Übergang 84 folgt ein scheibenförmiger Übergang 87, der gleichzeitig eine axiale Anlauffläche 88 für das Lagerelement 69 dient. Der scheibenförmige Übergang 87 endet radial außen in einem Anschlag 90. Dieser Anschlag 90 dient dazu, die axiale Lage des magnetisch wirksamen Rotorteils 45 zur ersten Seite 66 hin zu begrenzen. Dem Anschlag 90 folgt ein Sitz 93 für das magnetisch wirksame Rotorteil 45. Dem Sitz 93 folgt ein nach radial innen verlaufender kegeliger Übergang 96, der in einem Sitz 99 für den Kommutator 54 endet. Dem Sitz 99 für den Kommutator 54 folgt ein Lagersitz 102, um den das Lagerteil 75 angeordnet ist. Über dem Lagersitz 102 wird die hohle Welle 63, wie bereits erwähnt, über den Gehäuseflansch 78 abgestützt. Dem Lagersitz 102 folgt ein weiterer kegeliger Übergang 105, der in einer Wellenabschnittskontur 108 endet. Die Wellenabschnittskontur 108 dient dazu, die Übertragung eines Drehmoments auf eine Kontur eines Drehmomentübertragungsteils 111 vorzunehmen. Das Drehmomentübertragungsteil 111 ist hier ein Ritzel, das als Sonnenrad des bereits erwähnten Planetengetriebes 30 dient.
In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Motor 27 eigengelagert ausgeführt. Dies bedeutet, dass der Rotor 39 über zwei Lagersitze 81, 102 im Polgehäuse 24 bzw. Gehäuseteilen wie dem Gehäuseflansch 78 vollständig gelagert ist. Es sind keine weiteren Lagerstellen für den Rotor 39 notwendig. Der Gehäuseflansch 78 ist Teil eines Motorgehäuses 79, das aus dem Gehäuseflansch 78 und dem Polgehäuse 24 besteht. Durch den kegeligen Übergang 96 wird ein unterschiedlich großer Aussendurchmesser benachbarter Wellenabschnitte wie beispielsweise des Sitzes 93 für das Rotorteil 45 zum Sitz 99 des Kommutators 54 abgestuft. Ebenso durch den scheibenförmigen Übergang 87.
In Fig. 3A ist die hohle Welle 63 als Einzelteil in einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Unterschied zur Fig. 2 weist die hohle Welle 63 zwei weitere Merkmale auf. Der Sitz 93 für das magnetisch wirksame Rotorteil 45 ist hier profiliert ausgeführt und weist eine sich an seinem Umfang in regelmäßigen Abständen wiederholende Kontur auf, siehe auch Fig. 4. Diese Kontur 114 besteht im Prinzip aus einem Vielzahnprofil, wobei alternativ auch wellenartige sich wiederholende Konturen geeignet sind. Im Ausführungsbeispiel sind es insgesamt vierzehn Einzelkonturen bzw. Zähne bzw. Wellen am Sitz 93. Ein Innenabschnitt 115 des Rotorteils 45 weist korrespondierende Einzelkonturen auf, Fig. 3B. Auch der Sitz 99 für den Kommutator weist, wie Fig. 3A und auch in Fig. 4 zu sehen ist, diverse einzelne regelmäßig beabstandete, sich wiederholende Konturen auf, die Konturen eines Innenabschnitts 116 entsprechen, Fig. 3C. Während der Sitz 93 vierzehn zusammenhängende Konturen aufweist, weist der Sitz 99 die Hälfte, also sieben Konturen auf. Dies ermöglicht die Zuordnung einer einzelnen Lamelle des Kommutators 54 zu einer einzelnen Nut des Rotorteils 45, wodurch Lageabweichungen zwischen Kommutator 54 und Rotorteil 45 geringstmöglich gehalten werden. Auch die Wellenabschnittskontur 108 weist sich regelmäßig wiederholende einzelne Konturen auf, so dass sich ein regelmäßiger Vielzahn ergibt. Dieser Vielzahn der Wellenabschnittskontur 108 kann einerseits dazu genützt werden ein Drehmomentübertragungsteil 111 aufzustecken oder andererseits selbst als Drehmomentübertragungsteil und bspw. als Ritzel genutzt zu werden.
In Fig. 5 ist ein Querschnitt der hohlen Welle 63 in einer weiteren Variante dargestellt. Der wesentliche Unterschied zu der Darstellung in Fig. 2 besteht darin, das dem Sitz 99 für den Kommutator 54 - abgesehen von den kegeligen Übergängen - zunächst die Wellenabschnittskontur 108 und erst daran anschließend der Lagersitz 102 folgt. Auf diese Art und Weise ist es zwar nicht möglich einen eigengelagerten Motor 27 zu erhalten. Vielmehr wird bei dieser Variante der Lagersitz 102 im Planetengetriebe 30 gelagert und zwar im nicht dargestellten Hohlradträger.
In Fig. 6 ist eine weitere Variante der hohlen Welle 63 abgebildet. Hierbei sind die erste Seite 66 und die zweite Seite 72 vertauscht. Während in diesem Ausführungsbeispiel die hohle Welle 83 über den Lagersitz 81 im Polgehäuse 24 gelagert ist und daran anschließend der Sitz 99 für den Kommutator 54 folgt, folgt darauf der Sitz 93 für das Rotorteil, dem sich den Anschlag 90 anschließt. An der zweiten Seite 72 der hohlen Welle 63 ist schließlich die Wellenabschnittskontur 108 angeordnet. Auf die Wellenabschnittskontur 108 wird wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen das Drehmomentübertragungsteil 111 aufgesteckt. Eine Variante des Ausführungsbeispiels aus Fig. 6 ist in Fig. 7 ausschnittsweise dargestellt. Hier ist zwischen dem scheibenförmigen Übergang 87 und der Wellenabschnittskontur 108 der Lagersitz 102 angeordnet, sodass wiederum mit dem aus Fig. 7 bzw. Fig. 6 bekannten Ausführungsbeispiel ein eigengelagerter Motor 27 erreicht wird. Alternativ zu dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 7 kann wie in dem Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel der Lagersitz 102 und die Wellenabschnittskontur 108 vertauscht sein.
In Fig. 9 ist ausgehend von dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 5 der Lagersitz 102 entfallen, sodass die hohle Welle 63 mittels der Wellenabschnittskontur 108 bzw. einem Drehmomentübertragungsteil 111 an der zweiten Seite 72 im Planetengetriebe 30 gelagert ist.

Claims

1. Elektrische Maschine, insbesonders Startvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit einem Stator (36) und einem Rotor (39), der eine hohle Welle (63) mit unterschiedlichen Wellenabschnitten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (63) zwischen einem Lagersitz (81) und einer Wellenabschnittskontur (108) zur Übertragung eines Drehmoments ein einstückiges Rohr ist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (63) einen Sitz (93) für ein magnetisch wirksames Rotorteil (45) umfaßt.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sitz (93) und ein Innenabschnitt (115) des Rotorteils (45) jeweils eine sich an ihrem Umfang in regelmäßigen Abständen wiederholende Kontur aufweisen und dadurch formschlüssig miteinander verbunden sind.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sitz für das magnetisch wirksame Rotorteil (45) auf einer Seite einen Anschlag (90) aufweist.

5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (63) auf einer ersten Seite des Sitzes (93) einen Lagersitz (81) zur Lagerung der Welle (63) hat und auf einer zweiten Seite (72) die Welle (63) mittels eines Drehmomentübertragungsteils (111) gelagert ist.

6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer ersten Seite (66) des Sitzes (93) für das magnetisch wirksame Rotorteil (45) ein erster Lagersitz (81) und auf einer zweiten Seite (72) ein zweiter Lagersitz (102) angeordnet ist.

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (63) mittels beider Lagersitze (81, 102) in einem Motorgehäuse (79) eigengelagert ist.

8. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (63) eine axiale Anlauffläche (88) für zumindest ein Lagerteil (69) hat.

9. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (63) einen Sitz (99) für einen mit der Rotorwicklung elektrisch verbundenen Kommutator (54) umfasst und der Sitz (99) für den Kommutator (54) und ein Innenabschnitt (116) des Kommutators (54) jeweils eine sich an ihrem Umfang in regelmäßigen Abständen wiederholende Kontur aufweisen und dadurch formschlüssig miteinander verbunden sind.

10. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedlich große Außendurchmesser von benachbarten Wellenabschnitten durch einen kegeligen Übergang (96) abgestuft sind.

11. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedlich große Außendurchmesser von benachbarten Wellenabständen durch einen scheibenförmigen Übergang (87) abstuft sind.

12. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wellenabschnitt die Wellenabschnittskontur (108) aufweist, die zur Übertragung eines Drehmoments auf eine Kontur eines Drehmomentübertragungsteils (111) dient.