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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere einen elektronisch
kommutierten Asynchronmotor und eine permanent erregte Synchronmaschine.
Speziell betrifft die Erfindung einen Elektromotor für ein Lenksystem
zur Unterstützung
der Lenkung eines Kraftfahrzeugs.
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Aus
der
DE 43 00 228 A1 ist
ein elektronisch kommutierter Asynchronmotor bekannt. der von einer
Steuerelektronik angesteuert ist. Die Steuerelektronik weist dabei
einen Impulsgeber für
den An- und Hochlauf und einen Impulsgeber für die Betriebsphase des Asynchronmotors
auf. Dabei können
durch die Steuerelektronik die Steuereigenschaften eines Gleichstrommotors
als auch die Eigenschaften eines Universalmotors bei Asynchronmotoren
erzielt werden.
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Aus
der
DE 100 32 340
A1 ist ein Lenksystem zum Lenken eines Fahrzeugs mit Servolenkung bekannt.
Das bekannte Lenksystem ermöglicht
eine variable Momentenunterstützung
des Fahrerlenkwunsches und einen von einem Fahrdynamikregler ausgelösten Eingriff
in die Stellung der gelenkten Räder
ohne gegenseitige Beeinträchtigung.
Ferner können
Zusatzfunktionen wie beispielsweise die Spurführung des Fahrzeugs wahlweise
mit oder ohne Kompensation des Lenkgefühls am Lenkrad durch das Lenksystem
realisiert werden. Als Antriebsmaschine wird bei dem bekannten Lenksystem
ein elektrischer Lenkmotor eingesetzt.
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Bei
einem bekannten Elektromotor für
ein Lenksystem kann das Steuergerät radial am Elektromotor angebracht
werden, wobei eine Verlustwärme über das
Motorgehäuse
und den Befestigungsflansch zwischen Motor und Getriebe abgeleitet
werden kann. In diesem Fall ist das Motorgehäuse allerdings derart an das
Steuergerät
anzupassen, dass die in dem Steuergerät entstehende Verlustwärme zuverlässig über das
Motorgehäuse
abgeleitet werden kann. Bei einer ebenfalls möglichen axialen Anordnung des
Steuergeräts
am Elektromotor ergibt sich eine unerwünschte Verlängerung und Vergrößerung der
Antriebseinheit und gegebenenfalls ein für die Momentenübertragung
ungünstiger,
großer
Abstand zwischen dem Elektromotor und einem zugeordneten Getriebe.
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Vorteile
der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Elektromotor
mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass über den
Befestigungskörper,
der zum Verbinden des Elektromotors mit dem Steuergerät und einem
Getriebe dient, eine Ableitung der Verlustwärme von dem Steuergerät auf das
Getriebegehäuse
und dass ein einfacher Aufbau des Motorgehäuses und mehr radialer Bauraum
für Ständer und Läufer ermöglicht ist.
Ferner ist dadurch ein modularer Aufbau möglich, bei dem ein Elektromotor
mit verschiedenen Steuergeräten
und verschiedenen Getrieben kombiniert werden kann, ohne dass eine
besondere Anpassung des Motorgehäuses
des Elektromotors erforderlich ist.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen
Elektromotors möglich.
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In
vorteilhafter Weise sind ein Gehäusetopf und
ein Gehäusedeckel
des Motorgehäuses
mit dem Befestigungskörper
verbunden und dadurch zusammengehalten. Dabei kann die Verbindung
zugleich zur Befestigung eines Gehäuseteils eines mit dem Elektromotor
zusammenwirkenden Getriebes dienen. Die Verbindung kann beispielsweise über zwei oder
mehr Schrauben erfolgen, die sich jeweils durch das Gehäuseteil
des Getriebes, den Befestigungskörper
sowie den Gehäusetopf
und den Gehäusedeckel
des Motorgehäuses
erstrecken. Die Verbindung kann allerdings auch mit einer Schraube
und/oder anderen Befestigungsmitteln oder durch eine unlösbare Verbindung
erfolgen.
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Ferner
ist es vorteilhaft, dass ein mit dem Gehäusedeckel verbundendes Wälzlager
vorgesehen ist, das zur Lagerung einer Welle dient und dass durch
die Verbindung des Gehäusedeckels
mit dem Gehäusetopf
eine zentrierte Lagerung der Welle mittels des Wälzlagers in Bezug auf den Gehäusetopf gewährleistet
ist. Das Wälzlager
kann dabei zumindest mittelbar in den Gehäusedeckel eingesetzt sein, wobei
der Gehäusedeckel
eine entsprechende Auswölbung
aufweisen kann. Dabei kann der Gehäusedeckel beispielsweise aus
einem gezogenen Blech gebildet sein, so dass die Stückkosten
des Elektromotors verringert sind. Durch die Zentrierung der Welle über Kugellager-
sowie Stator- und A-seitigen Deckelritzen wird außerdem auf
einfache Weise ein vorteilhafter Rundlauf der Welle ermöglicht,
bei dem ein Verschleiß und
Geräusch
der Lagerung oder ein mögliches
Schlagen des Lagers vermindert ist. Zur Zentrierung des Gehäusedeckels
in dem Gehäusetopf
kann der Gehäusedeckel
einen ringförmigen
Abschnitt aufweisen, der ein passgenaues Einsetzen des Gehäusedeckels
in den Gehäusetopf
ermöglicht. Die
Fixierung des Gehäusedeckels
in dem Gehäusetopf
erfolgt dabei in axialer Richtung beispielsweise durch eine oder
mehrere Schraubverbindungen. Die auftretenden radialen Kräfte werden
allerdings direkt von dem Gehäusedeckel
auf den Gehäusetopf übertragen.
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In
vorteilhafter Weise weist der L-förmige Befestigungskörper an
seinem zweiten Abschnitt eine oder mehrere Kreisring-segmentartige
Zentriernasen auf, die jeweils in eine an dem Gehäusedeckel
ausgebildete Vertiefung eingreifen. Die Vertiefung kann dabei auch
als zumindest abschnittsweise in Umfangrichtung verlaufende Nut
ausgestaltet sein, in die mehrere Zentriernasen an verschiedenen
Stellen eingreifen können.
Dadurch ist eine zuverlässige
Befestigung des Motorgehäuses
mit dem Befestigungskörper
geschaffen, die eine exakte Positionierung des Befestigungskörpers an
dem Motorgehäuse
ermöglicht
und zur Aufnahme hoher, in radialer Richtung wirkender Kräfte geeignet
ist. Die Zentriernase an dem Befestigungskörper kann dadurch ausgestaltet
sein, dass auf einer zu der Zentriernase gegenüberliegenden Seite eine Eindrückung ausgebildet wird,
die ein Ausdrücken
der Zentriernase aus dem Befestigungskörper zur Folge hat. Dies ermöglicht eine
einfache Herstellung des Befestigungskörpers, beispielsweise durch
Stanzen, Ausdrücken
und Biegen, wobei spanabhebende Bearbeitungsschritte nicht erforderlich
sind. Dadurch können
die Stückkosten
des Elektromotors weiter gesenkt werden. Außerdem bilden die Eindrückungen
an dem zweiten Abschnitt des Befestigungskörpers Vertiefungen, die in
vorteilhafter Weise zur Motor-Befestigung an das Gehäuseteil
des Getriebes dienen können.
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In
vorteilhafter Weise besteht der Befestigungskörper aus einem ersten und einem
zweiten Schenkel, die ein L-förmiges
Profil bilden. Dabei ist der erste Schenkel des Befestigungskörpers in
radialer Richtung beanstandet zu dem Motorgehäuse angeordnet, um einen Wärmeübergang
zwischen dem ersten Schenkel des Befestigungskörpers und dem Motorgehäuse zu vermeiden.
Der zweite Schenkel des Befestigungskörpers ermöglicht eine direkte Ableitung
der von dem Steuergerät
erzeugten Verlustwärme
auf ein Gehäuseteil
des Getriebes oder dergleichen. Der zweite Schenkel des Befestigungskörpers kann
in einer axialen Richtung schmal ausgestaltet sein, so dass eine
Verlängerung
eines Krafteingriffspunktes verhindert ist. Letzteres hat den Vorteil
einer geringen Lagerbelastung, so dass die dynamische Festigkeit
und die Lebensdauererwartung des Antriebssystems verbessert und
die Maß-,
Form- und Lagertoleranzen verringert sind.
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Zeichnung
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen,
in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen
versehen sind, näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 einen
Elektromotor in einer schematischen Schnittdarstellung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung und
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2 einen
Elektromotor gemäß dem Ausführungsbeispiel
der Erfindung aus der in 1 mit II bezeichneten Blickrichtung.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Elektromotors 1 der Erfindung in einer schematischen
Schnittdarstellung. Der Elektromotor 1 kann insbesondere
als Asynchronmotor bzw. Synchronmotor ausgestaltet sein und für eine elektrische
Servo-Lenkung dienen.
Der Elektromotor 1 kann auch zur fremdkraftbetätigten Verstellung
von Elementen eines Kraftfahrzeugs dienen. Der erfindungsgemäße Elektromotor 1 eignet
sich jedoch auch für
andere Anwendungsfälle.
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Der
Elektromotor 1 weist ein Motorgehäuse 2 auf, das aus
einem Gehäusetopf 3 und
einem Gehäusedeckel 4 besteht.
Ferner weist der Elektromotor 1 einen Befestigungskörper 5 auf
der einen ersten Schenkel 6 und einen zweiten Schenkel 7 umfasst, wobei
die Schenkel 6, 7 einteilig bzw. aus zwei Teilen gebildet
sind, die so miteinander verbunden sind, dass sich ein L-förmiges Profil
des Befestigungskörpers 5 ergibt.
An einem ersten Abschnitt 8 des ersten Schenkels 6 des
Befestigungskörpers 5 ist
ein vereinfacht dargestelltes Steuergerät 9 mit dem Befestigungskörper 5 des
Elektromotors 1 verbunden. Das Steuergerät 9 dient
zur elektronischen Steuerung des Elektromotors 1. Das Steuergerät 9 ist
dabei in Bezug auf den gewünschten
Einsatzbereich des Elektromotors 1 ausgewählt, wobei
das Steuergerät 9 weitgehend
beliebige Abmessungen aufweisen und für unterschiedliche Motoren
standardisiert werden kann.
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Ferner
ist zur Veranschaulichung der Erfindung ein Gehäuseteil 10 eines Getriebes
teilweise dargestellt, das an einem zweiten Abschnitt 12 des zweiten
Schenkels 7 des Befestigungskörpers 5 mit dem Befestigungskörper 5 verbunden
ist. Außerdem sind
der Gehäusetopf 3 und
der Gehäusedeckel 4 an dem
zweiten Abschnitt 12 mit dem Befestigungskörper 5 verbunden.
Dabei sind der Gehäusetopf 3,
der Gehäusedeckel 4,
der zweite Schenkel 7 und das Gehäuseteil 10 des Getriebes
mittels mehrerer Schraubverbindungen gemeinsam miteinander verbunden.
Eine dieser Schraubverbindungen ist in der 1 dargestellt,
wobei diese durch das aus einer Schraube und einer Mutter gebildete
Befestigungsmittel 13 gegeben ist. Der Gehäusetopf 3 und
der Gehäusedeckel 4 sind
einerseits an dem zweiten Abschnitt 12 des Befestigungskörpers 5 befestigt,
wobei das Motorgehäuse 2 durch
diese Befestigung zumindest teilweise verschlossen ist, und das
Gehäuseteil 10 des
Getriebes ist auf der gegenüberliegenden
Seite des zweiten Abschnitts 12 mit dem Befestigungskörper 5 verbunden.
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Der
Gehäusedeckel 4 des
Motorgehäuses 2 ist
mehrfach gezogen und umgefaltet ausgestaltet, so dass sich ein axialer
Schnitt mit mehreren gegeneinander orientierten U-förmigen Abschnitten ergibt. Durch
einen U-förmigen
Abschnitt 20 des Gehäusedeckels 4 ist
eine Vertiefung 21 ausgebildet, die entsprechend einer
in Umfangsrichtung umlaufenden Nut eine Aufnahme für eine Positionier-
und Zentriernase 22 bildet. Mittels der Positionier- und
Zentriernase 22 ist der Befestigungskörper 5 in die Vertiefung 21 eingesteckt,
wobei in axialer Richtung eine Befestigung mittels des Befestigungsmittels 13 erreicht
ist. Die Zusammenwirkung zwischen dem U-förmigen Abschnitt 20 und
der Positionier- und Zentriernase 22 nimmt die in einer
radialen Richtung wirkenden Kräfte auf.
Die Positionier- und Zentriernase 22 des Befestigungskörpers 5 ist
gegenüberliegend
zu einer Eindrückung 23 ausgebildet,
wobei die Eindrückung 23 eine
Vertiefung in dem Befestigungskörper 5 darstellt.
Die Eindrückung 23 kann
durch Eindrücken
eines geeigneten Werkzeugs in den zweiten Abschnitt 12 des
Befestigungskörpers 5 ausgebildet
werden, wobei gegenüberliegend
zu der Eindrückung 23 die Positionier-
und Zentriernase 22 ausgedrückt wird. Die Positionier-
und Zentriernase 22 und die Eindrückung 23 können somit
auf einfache Weise und insbesondere ohne ein spanendes Herstellungsverfahren
ausgebildet werden.
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An
einem äußeren Rand
des Motorgehäuses 2 ist
der Gehäusedeckel 4 mit
einem zylinderringförmigen
Abschnitt 14 in einen entsprechend ausgestalteten zylinderringförmigen Abschnitt 15 des
Gehäusetopfes 3 eingesteckt.
Dadurch ist der Gehäusedeckel 4 in
Bezug auf den Gehäusetopf 3 zentriert
angeordnet. Dadurch ergibt sich auch eine Fixierung, Positionierung
und Zentrierung eines Wälzlagers 24, das
in den Gehäusedeckel 4 eingesetzt
ist. In dem Wälzlager 24 und
einem weiteren Wälzlager 25 ist eine
Welle 26 des Elektromotors 1 gelagert, wobei zwischen
einem mittleren Teil der Welle 26 und dem Wälzlager 25 eine
Anstellfeder 27 vorgesehen ist. Mit der Welle 26 sind
Rotorpakete 28 verbunden, die innerhalb von Statorpaketen 29 angeordnet
sind, wobei die Statorpakete 29 einen gegenüber dem
Motorgehäuse 2 elektrisch
isolierten, durch den Gehäusedeckel 4 geführten Phasenstromanschluss 30 aufweisen.
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Zwischen
dem ersten Abschnitt 8 und dem zweiten Abschnitt 12 weist
der Befestigungskörper 5 eine
Aussparung 31 auf, in die sich der Phasenstromanschluss 30 erstreckt.
Der Phasenstromanschluss 30 ist mit einer mehrphasigen
elektrischen Zuleitung 32 nur durch axiales Andrücken verbinden
und positioniert, die in das Steuergerät 9 geführt ist.
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Ferner
ist ein Sensorlager 33 vorgesehen, wobei ein Sensoranschluss 34 des
Sensorlagers 33 mit mehrphasigen axial steckbaren Sensorleitungen 35 verbunden
ist.
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Die
Welle 26 ist mit einer Riemenscheibe 36 verbunden.
Alternativ zu dem Sensorlager 33 kann ein in die Riemenscheibe 36 eingespritzter
Magnetring 37 vorgesehen sein, der zur Erzeugung von Impulsen
für einen
Sensor 38 dient, wodurch sich die Positionierungs- und Fixierungsqualität des Magnetrings
erhöht
und entsprechender Aufwand eingespart werden kann. Bei dieser alternativen
Ausgestaltung ist die Sensorleitung 35 mit den Sensorelementen,
z. B. einem AMR-Sensorelement 38, verbunden.
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Da
eine axiale Ausdehnung 39 des zweiten Schenkels 7 relativ
klein ist, so dass der zweite Schenkel 7 des Befestigungskörpers 5 in
axialer Richtung schmal ausgestaltet ist, kann die Riemenscheibe 36 relativ
nah an den Rotorpaketen 28 des Elektromotors 1 angeordnet
sein. Dadurch wird ein kurzer Abstand zwischen dem Elektromotor 1 und
einem von dem Gehäuseteil 10 umgebenen
Getriebe ermöglicht.
Dadurch ergibt sich eine hohe dynamische Festigung und eine große Lebensdauererwartung
eines den Elektromotor 1 umfassenden Antriebssystems.
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Der
erste Schenkel 6 des Befestigungskörpers 5 ist beabstandet
zu dem Gehäusetopf 3 des Motorgehäuses 2 angeordnet.
Das außerhalb
des Motorgehäuses 2 angeordnete
Steuergerät 9,
das mit dem ersten Schenkel 6 des Befestigungskörpers 5 verbunden
ist, erzeugt im Betrieb des Elektromotors 1 eine Verlustwärme, die über den
Befestigungskörper 5 und
das Gehäuseteil 10 auf
eine Zahnstange oder dergleichen abgeleitet wird. Dadurch wird eine
zusätzliche
Erwärmung
des Motorgehäuses 2 des
Elektromotors 1 vermieden. Die von dem Elektromotor 1 erzeugte
Verlustwärme
kann über
den Gehäusetopf 3 und
den Gehäusedeckel 4 des
Motorgehäuses 2 und über den
zweiten Schenkel 7 des Befestigungskörpers 5 an das Gehäuseteil 10 zu
einer Zahnstange oder dergleichen abgeleitet werden. Da die Bauweise
des Elektromotors 1, insbesondere in Bezug auf das Motorgehäuse 2,
nicht von dem Entwärmungsbedarf
des Steuergeräts 9 abhängig ist,
da die wegzuführende
Wärme aus
den elektronischen Elementen des Steuergeräts 9 direkt über den
Befestigungskörper 5 abgeleitet
wird, kann der Elektromotor 1 je nach Leistungs- und Robustheitsbedarf
bezüglich
der Gehäuseart
und des Gehäusewerkstoffes sowie
der Baulänge
des Motorgehäuses 2 mit
mehr Freiheit, einfacher und baukastenfähig gestaltet werden. Der Motor
hat mehr radialen Anbauraum und ist somit verstärkungs- und vergrößerungsfähig bei
entsprechend höherem
Leistungsbedarf.
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Der
Befestigungskörper 5 weist
eine hohe Wärmeleitfähigkeit
und eine hohe Wärmekapazität auf und
kann beispielsweise aus festgewalztem Aluminium gebildet sein. Dabei
ist auch eine teilweise Ausgestaltung aus einem oder mehreren wärmeleitenden
Materialien möglich.
Ferner können
zwischen dem Steuergerät 9 und
dem ersten Abschnitt 8 des Befestigungskörpers 5 Mittel
vorgesehen sein, die zur Verbesserung des Wärmeübergangs dienen.
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Das
aus dem Gehäusetopf 3 und
dem Gehäusedeckel 4 bestehende
Motorgehäuse 2 gewährleistet
die Zentrierung der Wälzlager 24, 25 und
der Statorpakete 29. Dadurch wird die Montage des Elektromotors 1 weiter
vereinfacht.
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2 zeigt
den Elektromotor 1 aus der in 1 mit II
bezeichneten Blickrichtung. Dabei ist in der 2 eine abgewinkelte,
mit I bezeichnete Schnittlinie dargestellt, entlang der die in 1 gezeigte
Schnittdarstellung ausgeführt
ist.
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Die
Gewindebohrungen 40, 40A, 40B, 40C, die
aus dem Blechmaterial des Gehäuses
sein können
und die an dem zweiten Schenkel 7 des Befestigungskörpers 5 mit
Durchzug und Gewindeformen vorgesehen sind, dienen zur Aufnahme
von Befestigungsmitteln, wobei die Gewindebohrung 40 zur
Aufnahme des in 1 dargestellten Befestigungsmittels 13 dient.
Ferner sind aus eigenem Blattmaterial Eindrückungen 23, 23A, 23B, 23C in
dem zweiten Schenkel 7 des Befestigungskörpers 5 ausgebildet, wodurch
die Zentriernase 22 und weitere, nicht dargestellte Positionier-
und Zentriernasen ausgebildet sind, die der Zentriernase 22 entsprechen.
Ferner sind in der Aussparung 31 des Befestigungskörpers 5 die
einzelnen, von dem Steuergerät 9 zu
dem Phasenstromanschluss 30 der Statorpakete 29 führenden
Leitungen 32A, 32B, 32C der elektrischen
Zuleitung 32 und die einzelnen, zwischen diesen liegenden
Leitungen 35A, 35B, 35C, 35D der
Sensorleitung 35, die von dem Sensoranschluss 34 des
Sensorlagers 33 oder von dem Sensor 38 zu dem
Steuergerät 9 führen, angeordnet.
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Die
Aussparung 31 geht in eine zylinderförmige Aussparung 41 über, durch
die sich die mit der Riemenscheibe 36 verbundene Welle 26 erstreckt. Zur
Fixierung und Zentrierung und Positionierung des mit dem Elektromotor 1 verbindbaren
Getriebes, das über
die Riemenscheibe 36 mit dem Elektromotor 1 in
Wirkverbindung steht, sind durch die Eindrückungen 23, 23A, 23B, 23C Zentrier-
und Positioniertaschen gebildet, in die entsprechende, an dem Gehäuseteil 10 des
Getriebes vorgesehene Vorsprünge eingreifen,
wie es in der 1 anhand des in die Eindrückung 23 des
Befestigungskörpers 5 eingreifenden
Vorsprungs 42 des Gehäuseteils 10 des
Getriebes dargestellt ist.
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Der
erfindungsgemäße Elektromotor 1 eignet
sich besonders für
Anwendungsfälle,
in denen ein elektronisches Steuergerät 9 zusammen mit einer hochauflösenden Sensorik,
die beispielsweise durch das Sensorlager 33 oder den Sensor 38 realisiert
ist, zum Einsatz kommt. Eine besondere Eignung besteht für Lenkunterstützungssysteme,
da bei diesen hohe thermische Belastungen, relativ große Baugrößen und
hohe Anforderungen an die Winkelauflösung gestellt werden. Dabei
ermöglicht
der erfindungsgemäße Elektromotor 1 mit
einfachen und wenigen Bauteilen durch Integrationen der Funktionen in
den Bauteilen eine hohe Modularität und Flexibilität im Hinblick
auf das Steuergerät 9 und
ein mit dem Elektromotor 1 zusammenwirkendes Getriebe.
Ferner kann durch die Formgebung des Befestigungskörpers 5 eine
hohe Flexibilität
hinsichtlich des Phasenstromanschlusses 30 und des Sensoranschlusses 34 beziehungsweise
des Sensors 38 bei gleichzeitiger mechanischer Fixierung
mit dem Steuergerät 9 erreicht
werden. Dabei kann ohne wesentliche oder nur mit geringen Anpassungen
das benötigte
Sensorsystem eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein Sensorsystem
mit einem Sensor aus anisotrop magnetoresistiven dünnen NiFe-Schichten (AMR-Sensor)
eingesetzt werden. Ferner sind der Elektromotor 1 und das
Steuergerät 9 zusammen
als System prüfbar
und durch die möglichen
Steckverbindungen zwischen diesen lässt sich das System gut zerlegen,
demontieren oder der Austausch einzelner Teile erreichen. Ferner
besteht eine hohe Zuverlässigkeit
des Systems bei Temperaturschwankungen innerhalb des üblichen
Temperaturbereichs. Durch die weitgehend unabhängig von dem Elektromotor 1 mögliche Ausgestaltung
des Steuergeräts 9 kann
auch eine weitgehende Anpassung an den zur Verfügung stehenden Bauraum erreicht
werden. Der Gehäusetopf 3 und
der Gehäusedeckel 4 des
Motorgehäuses 2 können aus
Stahlblechteilen hergestellt sein, wobei die Blechstärke je nach
der vorgesehenen Belastung entsprechend ausgelegt werden kann. Durch
die hohe spezifische Festigkeit eines Stahlbleches und der vorteilhaften
Paarung von Stahl auf Stahl ergibt sich eine weitere Bauraumreserve
für die
Auslegung.
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Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.