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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Anker für
eine elektrische Maschine nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs
1.
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Mit
der WO 03/067741 A1 ist eine elektrische Maschine bekannt geworden,
bei der ein Kommutator mit einem Kernformstück drehfest auf einer Ankerwelle
befestigt ist. Das Kernformstück
bildet in axialer Richtung einen Fortsatz, der die Kommutatorlamellen
axial überragt
und eine Aufnahme für
einen Ringmagneten bildet. Der Ringmagnet wird dabei auf dem axialen
Fortsatz des Kernformstücks
befestigt, so dass der Ringmagnet axial neben den Kommutatorlamellen
angeordnet ist.
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Als
nachteilig bei einer solchen Anordnung erweist sich, dass die Anordnung
des Ringmagneten axial neben den Kollektorlamellen zusätzlichen
Bauraum beansprucht, der die Baulänge des Ankers entsprechend
der Länge
des Ringmagneten vergrößert. Desweiteren
erfordert der radiale Zugriff für
das magnetische Gebersignal des Ringmagneten eine relativ aufwendige
Halterung für
einen korrespondierenden Hallmagneten.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Anker
für eine
elektrische Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
1 hat den Vorteil, dass aufgrund der Anordnung des magnetischen
Signalgebers innerhalb der Kommutatorlamellen die Baulänge des Ankers
deutlich reduziert werden kann. Die axiale Aussparung im Kommutator
erlaubt eine einfache Montage der magnetischen Signalgeber in axialer
Richtung, wodurch ein magnetisches Signal zur Verfügung gestellt
wird, dass die Drehzahl des Ankers repräsentiert.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Wird die Form der axialen Aussparungen
an die Abmessungen der magnetischen Signalgeber angepasst, kann
auf diese Weise eine Verdrehsicherung der Magneten realisiert werden
und ein Verschieben des Magnetes in radialer oder axialer Richtung
verhindert werden.
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Dabei
können
die Gebermagneten auf einfache Weise unter einer gewissen Vorspannung
in die ausgeformten Taschen eingepresst werden, wobei zur sicheren
Fixierung auch Rastelemente angeformt werden können. Alternativ können die
Gebermagneten auch in die axialen Aussparungen des Kommutators eingeklebt
werden.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn die Gebermagneten formschlüssig in
die Pressmasse des Kernformteils des Kommutators eingebettet sind,
da die Gebermagneten dann auch bei hoher Temperatur- und Schüttelbeanspruchung
sicher innerhalb des Kommutators gehalten werden.
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In
einer weiteren Ausführung
sind die magnetischen Signalgeber als Einlegeteile mit dem Kunststoff
des Kernformteils umspritzt, so dass der zusätzliche Montageschritt der
Magnetbefestigung komplett entfällt,
und somit die Anzahl der zu montierenden Bauteile reduziert wird.
Durch das Spritzguss-Verfahren wird ein idealer Formschluss erzeugt,
der die Gebermagneten zuverlässig
fixiert.
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Zur
Integration der magnetischen Signalgeber in den Kommutator eignet
sich in besonderer Weise die Verwendung von kunststoffgebundenen Ferrit-
oder Neodym-Magneten,
die sich verfahrenstechnisch günstig
in die axiale Taschen des Kommutators einfügen lassen.
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Die
Anordnung der Gebermagneten im Innern der Kommutatorlamellen ist
sowohl für
die Verwendung eines Plankommutators mit einer relativ großen axialen
Stirnfläche,
als auch für
die Verwendung eines Trommelkommutators geeignet, wodurch die Erfindung
bei unterschiedlichen elektrischen Maschinen zum Einsatz kommen
kann.
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Aufgrund
der axial offenen Taschen des Kommutators weisen die in den Kommutator
integrierten Gebermagnete eine magnetisch aktive Oberfläche in axialer
Richtung auf, die bei einer Drehung des Ankers ein sich änderndes
Signal an eine axial gegenüberliegende
Fläche
des Signalaufnehmers sendet.
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Ist
der magnetische Signalaufnehmer einer elektrischen Maschine beispielsweise
als Hallsensor ausgebildet, kann dieser hierbei mittels SMD-Technik auf
einer Leiterplatte befestigt sein, die senkrecht zur Ankerwelle
angeordnet ist und sich näherungsweise parallel
zur Stirnfläche
des Kommutators erstreckt. In einer alternativen Ausführung ist
der Hallsensor an einem Bürstenhalterteil
befestigt, das sich axial oder radial zur Ankerwelle erstreckt.
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In
einer weiteren Ausführung
der erfindungsgemäßen Magnetbefestigung
ist am Hallsensor ein Magnetfeldleiter angeordnet, der das magnetische Signal
des Gebermagneten am Befestigungsort des Hallsensors verstärkt. Dadurch
kann auf eine Anordnung des Hallsensors in unmittelbarer Nähe des Magnetgebers
verzichtet werden, wodurch die Anordnung der Hallsenorik an die
Elektronikanordnung und die Gehäuseform
des Elektromotors angepasst werden kann.
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Zeichnungen
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In
der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Ankers dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 einen
Anker mit einem Plankommutator und
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2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Ankers mit einem Trommelkommutator.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
als elektrische Maschine 12 ein Elektromotor 14 dargestellt,
bei dem eine Anker 10 in einem nicht näher dargestellten Gehäuse 18 mittels Wälz- oder
Gleitlager 20 gelagert ist. Der als Ausführungsbeispiel
für eine
elektrische Maschine 12 dargestellte Gleichstrommotor 14 weist
ein Ankerlamellenpaket 22 mit einer Ankerwicklung 24 auf
und ist drehfest auf einer Ankerwelle 16 befestigt. Die
Ankerwicklung 24 ist in bekannterweise an einem Kommutator 26 angeschlossen,
der ebenfalls drehfest auf der Ankerwelle 16 gelagert ist.
Der Kommutator 26 ist hierbei beispielsweise mittels einer
Presspassung oder mittels Fließharz
oder mittels einer plastischen Verformung auf der Ankerwelle 16 befestigt.
An einem Ende 17 der Ankerwelle 1G ist als Antriebselement 28 eine
Schnecke 30 angeordnet, die über ein nicht näher dargestelltes
Schneckengetriebe 32 ein bewegliches Teil 10 beispielsweise
im Kraftfahrzeug verstellt. Zur Drehzahlmessung des Ankers 10,
bzw. zur Positionserfassung des zu verstellenden Teils 10 sind
im Kommutator 26, eins, zwei, drei, vier oder mehrere magnetische
Signalgeber 34 angeordnet, die mit ein oder zwei oder mehreren
gehäusefesten Signalaufnehmern 36 zusammenwirken.
Der Kommutator 26 ist hier als Plankommutator ausgebildet, der
an seiner Stirnseite 40 radial ausgerichtete Lamellen 42 aufweist,
die mit gehäusefesten
Bürsten 44 zusammenwirken.
Die Lamellen 42 sind über
am Umfang angeformte Kommutatorfahnen 46 mit der Ankerwicklung 24 verbunden.
An der Stirnseite 40 weist der Kommutator 26 taschenförmige Aussparungen 50 auf,
in denen als Gebermagnete 34 beispielsweise kunststoffgebundenes
Ferrit oder Neodym eingepresst ist. Die Gebermagnete 34 sind
beispielsweise quaderförmig
ausgebildet und bilden einen Formschluss mit den entsprechend ausgeformten
axialen Aussparungen 50 des Kommutators 26, wodurch
ein Verdrehen der magnetischen Signalgeber 34 verhindert
wird. Ein axiales Verschieben der magnetischen Signalgeber 34 ist
aufgrund der Presspassung unterbunden, alternativ ist am Kommutator 26 ein
Rastelement 52 angeformt, das den magnetischen Signalgeber
auch axial fixiert. In einer alternativen Ausführung sind die Gebermagneten 34 in
die taschenförmige
Aussparung 50 des Kommutators 26 eingeklebt. Die
Signalaufnehmer 36 sind als Hallsensoren 37 ausgebildet,
die in einer ersten Ausführung mittels
SMD-Verfahren (Surface Mounted Devices) auf einer Leiterplatte 54 befestigt
sind. Die Leiterplatte 54 erstreckt sich dabei radial zur
Ankerwelle 16 derart, dass der Hallsensor 37 axial
beabstandet gegenüber
der axialen magnetischen Oberfläche 56 des
magnetischen Signalgebers 34 angeordnet ist. In einer alternativen
Ausführung
ist der Hallsensor 37 an einem Bürstenhalterlement 58 angeordnet,
das sich radial bis zum magnetischen Signalgeber 34 erstreckt
oder ein separates Haltelement 60 für den Hallsenor 37 aufweist,
um diesen gegenüber
der axialen Magnetoberfläche 56 zu
positionieren.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
elektrischen Maschine 12, bei der der Kommutator 26 als
Trommelkommutator 62 ausgebildet ist. Der Kommutator 26 weist
in seinem Innern ein Kernformteil 64 auf, das beispielsweise
aus Kunststoff gefertigt ist. Das Kernformteil 64 ist drehfest
auf der Ankerwelle 16 gelagert und weist an seinem äußeren Umfang
mehrere, elektrisch gegeneinander isolierte Kollektorlamellen 42 auf,
die sich in axialer Richtung erstrecken. Die Lamellen 42 weisen
wiederum Kommutatorfahnen 46 auf, die mit den Ankerwicklungen 24 verbunden
sind. In einer ersten Ausführung – dargestellt
im unteren Teil der 2 – sind die magnetischen Signalgeber 34 in
das Kernformteil 64 eingespritzt, so dass die magnetischen
Signalgeber 34 radial vom Kernformteil 64 anliegend
umschlossen sind. Eine solche formschlüssige Einbettung der Magnetgeber 34 garantiert
eine zuverlässige
radiale und axiale Fixierung, die durch die Ausbildung eines Hinterschnitts 66 noch
verstärkt
werden kann. Die axiale Magnetoberfläche 56 liegt hierbei
in etwa in einer Ebene mit der Stirnseite 40 des Kommutators 26,
so dass der Signalaufnehmer 36 in axialer Richtung sehr
nah am magnetischen Signalgeber 34 herangeführt werden
kann. Gemäss
der Ausführung
in der unteren Bildhälfte
von 2 ist der Hallsensor 37 auf einer Leiterplatte 54,
beispielsweise mittels SMD-Verfahren angeordnet, wobei sich die
Leiterplatte 54 im Wesentlichen parallel zur Ankerwelle 16 erstreckt.
Um bei einer solchen Leiterplattenanordnung ein ausreichend starkes
magnetisches Signal zu empfangen ist am Hallsensor 37 ein
Magnetfeldleiter 70 angeordnet, der sich radial zur Ankerwelle 16 erstreckt
und das magnetische Signal der Gebermagneten 34 am Ort der Signalaufnehmer 36 verstärkt.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
gemäss
der oberen Bildhälfte
von 2 wird der magnetische Signalgeber 34 in
das Kernformteil 64 eingepresst, wobei hier die Lamellen 42 eine
Innenwand 68 der taschenförmigen Aussparung 50 bilden.
Der Signalaufnehmer 36 ist wiederum mit geringem axialen
Abstand gegenüber
der axialen Magnetoberfläche 56 angeordnet
und wird mittels des Halteelements 60 auf einer Leiterplatte 54 oder
einem Bürstenhalterelement 58 gehalten.
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Zur
Bestromung des Motors liegen an den Lamellen 42 Kohlebürsten 72 an,
die beispielsweise über
eine Feder 74 in einem Köcher 76 gelagert sind, der
am Bürstenhalterelement 58 oder
auf der Leiterplatte 54 angeordnet ist. Die Ankerwelle 16 weist
als Antriebselement 28 ein Stirnzahnrad 31 auf,
um beispielsweise über
ein nicht näher
dargestelltes Getriebe 32 Sitzteile 70 eines Kraftfahrzeugsitzes
zu verstellen. Das Antriebselement 28 kann an beiden Seiten
der Ankerwelle 16 angeordnet sein, wie dies durch ein Innenvielkant-Profil 33 am
anderen Ende der Ankerwelle 16 dargestellt ist. Die Lagerung
der Ankerwelle 16 ist wieder über Wälz- und/oder Gleitlager 20 realisiert,
wobei vorzugsweise ein Festlager 20 und mindestens ein
Loslager 20 verwendet wird.
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Es
sei angemerkt, dass hinsichtlich der in allen Figuren und in der
Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele
vielfältige
Kombinationsmöglichkeiten
der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann die Form
des Kommutators 26, der magnetischen Signalgeber 34,
sowie der korrespondierenden taschenförmigen Aussparung 50 ebenso wie
die Anzahl der magnetischen Signalgeber 34 und der Signalaufnehmer 36 variiert
werden. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Magnetgeber 34 im
Innern des Kommutators 26 integriert sind, so dass die
Baulänge
der elektrischen Maschine 12 sich durch die Anordnung der
magnetischen Signalgeber 34 nicht oder nur unwesentlich
vergrößert. Beispielsweise
kann auch das gesamte Kernformteil 64 aus magnetisierbaren
Material 34 hergestellt werden, so dass die Stirnseite 40 als
axiale, magnetisch aktive Fläche 56 des
Signalgebers 34 magnetisiert werden kann. Bevorzugt findet
der erfindungsgemäße Elektromotor 14 Anwendung
für die
Verstellung von Sitzteilen 70 mit Memoryfunktion im Kraftfahrzeug,
kann aber auch für
den Antrieb anderer beweglichen Teile 70 insbesondere im
Kraftfahrzeug, wie Fensterscheibe, Schiebedach, Scheibenwischer
oder auch Kraftstoffpumpen verwendet werden. Das magnetische Sensorsystem
kann hierbei sowohl der Drehzahl- und Drehrichtungserfassung, als
auch der Positionserfassung der zu verstellten Teile 70 dienen.