DE102006052958B4

DE102006052958B4 - Elektromotor mit Rotorwelle

Info

Publication number: DE102006052958B4
Application number: DE102006052958.8A
Authority: DE
Inventors: Yvan Bourqui; Nicola Franchi
Original assignee: Johnson Electric International AG
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2005-11-11
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2023-02-09
Anticipated expiration: 2026-11-10
Also published as: DE102006052958A1

Abstract

Elektromotor mit einer Rotorwelle (20), deren Wellenenden (20a, 20b) zur axialen Führung in Kontakt mit Gleitflächen (31a, 31b) stehen, wobeidie Gleitflächen (31a, 31b) aus Kunststoff sind unddie Rotorwelle (20) radial geführt ist durch Beaufschlagen mindestens einer der beiden Gleitflächen (31a, 31b) mit einer Kraft (F), welche ein Andrücken der Wellenenden (20a, 20b) an die Gleitflächen (31a, 31b) bewirkt und welche zwischen dem jeweiligen Wellenende (20a, 20b) und der jeweiligen Gleitfläche (31a, 31b) jeweils lediglich einen Kontaktpunkt (A, B) definiert, in welchem beim Drehen der Rotorwelle (20) eine Reibungskraft erzeugt wird, die einer möglichen Bewegung der Rotorwelle (20) in radialer Richtung entgegenwirkt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor mit einer Rotorwelle.
Elektromotoren werden beispielsweise in Aktuatoren verwendet, welche zur Steuerung von Klappen in der Klimaanlage von Fahrzeugen dienen. Da die Klimaanlage ein Gehäuse enthält, das wie eine Art Resonanzkasten wirken kann, sollten die Elektromotoren besonders geräuscharm sein, um eine übermässige Geräuschentwicklung im Fahrgastraum zu vermeiden.
Bei den gängigen Elektromotoren ist die Geräuschentwicklung u.a. auf folgende Ursachen zurückzuführen:

- Der Rotor weist eine Unwucht auf.
- Die Rotorwelle ist nicht exakt gerade. So kann die Abweichung von der idealen Gerade bis 0.08 mm oder mehr betragen.
- Die Lager für die Rotorwelle müssen, insbesondere wenn sie aus Kunststoff sind, ein gewisses Spiel aufweisen, sodass von Temperatur- oder Feuchtigkeitsschwankungen herrührende Grössenänderungen ausgeglichen und ein Einklemmen der Rotorwelle verhindert wird. Soll der Elektromotor z.B. in einem Fahrzeug eingesetzt werden, so ist das Spiel derart zu wählen, dass die Rotorwelle auch bei einer Aussentemperatur von -40 Grad Celsius und/oder bei einer hohen Luftfeuchtigkeit nicht in den Lagern eingeklemmt wird, sondern nach wie vor frei rotierbar ist. Das Vorsehen eines Spiels verhindert jedoch eine präzise radiale Führung der Rotorwelle.

Die oben genannten Ursachen führen dazu, dass sich die Rotorwelle beim Drehen unregelmässig in radialer Richtung bewegt und an den Lagern anschlägt, sodass Geräusche erzeugt werden. Im Weiteren ist die aus dem Elektromotor vorstehende Länge der Rotorwelle relativ gross, wenn diese zum Antreiben eines Getriebezahnrades mit einer Schnecke versehen ist. Dies führt dazu, dass sich das Ende der Rotorwelle relativ stark hin und her bewegt und die Schnecke zyklisch am Getriebezahnrad anschlägt, sodass zusätzliche Geräusche erzeugt werden.
Aus dem bisher Gesagten wären folgende Massnahmen denkbar, um den vom Elektromotor erzeugten Geräuschpegel zu reduzieren:

- Verwendung eines Rotors ohne Unwucht,
- Verwendung einer vollkommen geraden Rotorwelle, sodass bei der Rotation keine radiale Bewegung auftritt, und
- die Verwendung von Rotorlagern mit geringem Spiel, wie Wälzlager oder Sinterlager.

Die Umsetzung dieser Massnahmen ist jedoch aufwändig und führen zu erhöhten Kosten bei der Herstellung des Elektromotors.
Aus der FR 1 415 584 A , FR 2 787 944 A1 und DE 43 24 912 A1 sind Massnahmen bekannt, um die Bewegung der Rotorwelle zu begrenzen. Gemäss FR 1 415 584 A und FR 2 787 944 A1 wird ein Federelement aus Metall verwendet, welches in Kontakt mit dem einen Ende der Rotorwelle steht. Gemäss DE 43 24 912 A1 wird ein Elastomerpuffer verwendet, welcher zwischen einem Federelement und einem Spurlager angeordnet ist. Diese Massnahmen bewirken eine Begrenzung der Bewegung in axialer Richtung, während die radiale Führung durch die Lager gegeben ist. Weisen diese, wie oben beschrieben, ein Spiel auf, so ist die Rotorwelle nicht präzise geführt, was beim Drehen eine übermässige Geräuschentwicklung zur Folge haben kann.
Aus der DE 195 08 556 C2 ist ein Stellantrieb mit einem Elektromotor bekannt, bei dem zur Reduzierung des Axialspiels der Welle des Elektromotors ein Einstellteil mit einer Gleitfläche vorgesehen ist, die insbesondere aus Kunststoff besteht, wobei das Einstellteil eine Aufnahme für das freie Ende der Welle aufweist, die ein Ausweichen der Welle in radialer Richtung verhindert. Die DE 31 50 572 A1 betrifft einen Getriebemotor. Die US 6 208 046 B1 offenbart einen Schrittmotor. Die DE 40 25 381 A1 betrifft ein Gleitlager zur Aufnahme von radialen und axialen Lagerkräften. Die JP 2000 046 043 A betrifft einen Mechanismus zur Druckbeaufschlagung einer Abtriebswelle. Die DE 197 27 119 C1 offenbart eine elektrische Antriebseinheit.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromotor mit einer Rotorwelle zu schaffen, welcher aufgrund von vereinfachten Massnahmen eine verminderte Geräuschentwicklung aufweist.
Ein erfindungsgemässer Elektromotor, welcher diese Aufgabe löst, ist im Anspruch 1 angegeben. In den weiteren Ansprüchen sind bevorzugte Ausführungen angegeben.
Der erfindungsgemässe Elektromotor umfasst eine Rotorwelle, deren Wellenenden in Kontakt mit Gleitflächen aus Kunststoff stehen und die radial geführt ist durch Beaufschlagen mindestens einer der beiden Gleitflächen mit einer Kraft, welche ein Andrücken der Wellenenden an die Gleitflächen bewirkt.
Durch diese Massnahmen ist auf relativ einfache Weise eine präzise Führung der Rotorwelle in radialer Richtung und dadurch ein geräuschärmerer Betrieb gewährleistet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Figuren erläutert. Es zeigen

1 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemässen Elektromotors ohne Gehäusedeckel;
2 einen Axialschnitt des Elektromotors gemäss 1 mit aufgesetztem Gehäusedeckel;
3 eine Teilansicht des linken Endes der Rotorwelle gemäss 2;
4 eine Teilansicht des linken Endes des Elektromotors gemäss 1;
5 eine perspektivische Ansicht eines Federelements des Elektromotors gemäss 1;
6 eine schematische Darstellung einer gelagerten Rotorwelle bei fehlender Einwirkung einer Kraft zur radialen Führung; und
7 eine schematische Darstellung einer gelagerten Rotorwelle bei Einwirkung einer Kraft zur radialen Führung.

Wie aus 1 und 2 ersichtlich, umfasst der Elektromotor einen Stator 10 mit Spulen 11a und 11b, welche jeweils in einem Spulenkörper 12a bzw. 12b liegen, einen Rotor 19 in Form eines zylindrischen Magneten, der auf der Rotorwelle 20 befestigt ist, und ein Getriebe 25, welches an die Rotorwelle 20 gekoppelt ist. Stator 10, Rotor 20 und Getriebe 25 sind in einem Gehäuse untergebracht, welches einen Gehäuseboden 30a und einen Gehäusedeckel 30b umfasst.
Die Rotorwelle 20 ist mittels zweier Lager 15a und 15b rotierbar um die Drehachse 21 gelagert. Die Lager 15a, 15b sind als Gleitlager ausgebildet, indem der Spulenkörper 12a bzw. 12b mit einem hülsenförmigen Fortsatz versehen ist, durch welchen die Rotorwelle 20 geführt ist. Die Lager 15a, 15b sind aus Kunststoff und weisen ein Spiel auf. Dieses ist so gewählt ist, dass bei Grössenänderungen, welche von Schwankungen in der Aussentemperatur und/oder Luftfeuchtigkeit herrühren, ein Einklemmen der Rotorwelle 20 in den Lagern 15a, 15b verhindert wird und diese nach wie vor frei drehbar bleibt.
Die Rotorwelle 20 ist in axialer Richtung geführt, indem die beiden Enden 20a und 20b der Rotorwelle 20 in Kontakt mit Gleitflächen 31a und 31b stehen, welche Teil des Gehäuses sind und somit stehend sind. Das gemäss 2 linke Ende 20a berührt eine Zunge 32, welche einteilig mit dem Gehäuseboden 30a ausgebildet ist und das gemäss 2 rechte Ende 20b berührt eine Wand 33 des Gehäusebodens 30a. Gehäuseboden 30a und Gehäusedeckel 30b, insbesondere die Gleitflächen 31a und 31b sind aus Kunststoff beispielsweise durch Spritzgiessen hergestellt. Als Kunststoff eignet sich z.B. PA (Polayamid), PP (Polypropylen), PBT (Polybutylenterephthalat), PET (Polyethylenterephthalat) oder POM (Polyoxymethylen).
Wie auch 3 zeigt, ist das Ende 20a der Rotorwelle 20 abgerundet ausgebildet und hat die Form einer Kalotte. Die Form des anderen Endes 20b der Rotorwelle 20 ist im Wesentlichen gleich ausgebildet wie das Ende 20a. Die Drehachse 21 verläuft durch die beiden Scheitelpunkte A und B der Enden 20a, 20b, d.h. durch die Punkte der Rotorwelle 20, welche gemäss 2 am weitesten nach links bzw. nach rechts reichen (vgl. 7). Die Enden 20a bzw. 20b der Rotorwelle 20 sind aus Metall.
Wie auch 4 zeigt, ist die Zunge beabstandet zur Wand 34 des Gehäusebodens 30a angeordnet, sodass dazwischen ein Zwischenraum gebildet ist, in welchen ein Federelement 40 eingeschoben ist.
Wie auch 5 zeigt, ist das Federelement 40 als eine im Wesentlichen U-förmige Blattfeder ausgebildet, welche zwei federnde Schenkel 40a und 40b aufweist. An ihren Enden weisen sie jeweils einen Knick 41a bzw. 41b auf, welcher in Berührung mit der Zunge 32 bzw. Wand 33 kommt. Das Federelement 40 ist durch Biegen eines Metallstreifens herstellbar.
Wie aus 2 ersichtlich, umfasst das Gehäuse ein mit dem Gehäusedeckel 30a einteilig geformter Ansatz 35, welcher als Anschlag für die Zunge 32 dient und so eine mögliche axiale Verschiebung der Rotorwelle 20 nach links begrenzt.
Auf der Rotorwelle 20 ist eine Schnecke 24 befestigt, welche zwischen dem Lager 15b und dem Ende 20b angeordnet ist und welche in ein Zahnrad 26 des Getriebes 25 greift. Dieses umfasst mehrere ineinandergreifende Zahnräder sowie eine (nicht dargestellte) Abtriebswelle, welche mit einer beweglichen Komponente verbindbar ist, und dient zur Untersetzung der Drehung des Rotors 19 bzw. der Rotorwelle 20.
In 1 ist ebenfalls eine Ansteuerungselektronik 45 zur Ansteuerung des Elektromotors sowie ein Steckerteil 46 zum Verbinden eines Anschlusskabels erkennbar.
Der erfindungsgemässe Elektromotor ist u.a. dazu geeignet, eine bewegliche Komponente in einem Kraftfahrzeug gesteuert zu bewegen, beispielsweise eine Lüftungsklappe in der Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlage, einen Scheinwerfer oder eine Scheinwerferkomponente.
Anhand der schematischen Darstellungen in 6 und 7 wird im Folgenden die Wirkung der oben beschriebenen Massnahmen erläutert:

6 zeigt eine schematische Darstellung einer in den Lagern 15a und 15b gelagerten Rotorwelle 20 bei fehlender Einwirkung einer Kraft auf die Zunge 32. Die Rotorwelle 20 steht stirnseitig mit ihren Enden 20a und 20b in Kontakt mit der Zunge 32 bzw. Wand 33. Die in der Einleitung erwähnten Ursachen (Unwucht, gekrümmte Rotorwelle, Lager mit Spiel) führen dazu, dass die Drehachse 21 beim Drehen der Rotorwelle 20 nicht am selben Ort bleibt, sondern sich wiederkehrend in radialer Richtung verschiebt, wie dies in 6 durch die Doppelpfeile 48a und 48b angedeutet ist. Dabei schlägt die Rotorwelle 20 in den Lagern 15a und 15b an, was zu Entwicklung von Geräuschen führt.

Wirkt nun eine Kraft in axialer Richtung auf die Rotorwelle 20, wie dies in 7 durch den mit F bezeichneten Pfeil angedeutet ist, werden die Enden 20a und 20b gegen die Zunge 32 bzw. Wand 33 gedrückt. Die axiale Kraft F definiert dabei zwischen dem Ende 20a und der Zunge 32 einen Kontaktpunkt A und zwischen dem Ende 20b und der Wand 33 einen Kontaktpunkt B. Die Kontaktpunkte A und B entsprechenden den Scheitelpunkten der abgerundeten Enden 20a, 20b. Die Drehachse 21 ist durch die Gerade gegeben, welche durch die beiden Kontaktpunkte A und B verläuft. Beim Drehen der Rotorwelle 20 wird nun in den Kontaktpunkten A und B eine Reibungskraft erzeugt, welche im Wesentlichen senkrecht auf die Rotorwelle 20 wirkt und einer möglichen Bewegung der Drehachse 21 in radialer Richtung entgegenwirkt. Die Drehachse 21 bleibt somit im Wesentlichen am selben Ort, sodass ein geräuschärmerer Betrieb des Elektromotors resultiert.
Bei der in den 1 - 5 gezeigten Ausführungsform wird die Kraft F durch das Federelement 40 erzeugt, welche ein Andrücken der Wellenenden 20a, 20b an die Gleitflächen 31a, 13b bewirkt. Das Federelement 40 steht nicht direkt in Kontakt mit dem Ende 20a, da bei einer Verwendung von Metall für Federelement 40 und Rotorwelle 20 der Verschleiss zwischen den metallenen Flächen zu gross ist. Wie oben erläutert, gleitet das Ende 20a der Rotorwelle 20a auf einer Fläche 31a aus Kunststoff, was zu einem verringerten Verschleiss führt.
Im Weiteren erzeugt die Kraft F eine leichte Verformung des Kunststoffs bei den Kontaktpunkten A und B. Diese Verformung führt dazu, dass die Form der Gleitflächen 31a und 31b als Delle ausgebildet ist, welche an das gerundete Ende 20a bzw. 20b angepasst ist (vgl. dazu die Delle 36 in 3). Die Dellen 36 verstärken den Effekt der radialen Führung, sodass das Verbleiben der Drehachse 21 am Ort zusätzlich verbessert ist.
Nebst den bereits erwähnten Vorteilen ergeben sich aus der oben dargestellten Konzeption des Elektromotors folgende Vorteile:

- Die Rotorwelle 20 ist präzise in radialer Richtung geführt, sodass Geräusche in vermindertem Masse erzeugt werden.
- Die radiale Führung ist mittels einfacher und kostengünstiger Massnahmen erzielbar.

Aus der vorangehenden Beschreibung sind dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen zugänglich, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, der durch die Ansprüche definiert ist.
So sind die hier beschriebenen Massnahmen zur Geräuschverminderung nicht an die hier beschriebene Ausführungsform von Stator 10 und Rotor 20 gebunden, sondern können auch bei anderen Ausführungsformen von Elektromotoren, insbesondere Schrittmotoren oder bürstenlosen Gleichstrommotoren, verwendet werden.
Es ist auch denkbar beide Gleitflächen mit einer Kraft zu beaufschlagen, indem z.B. ein weiteres Federelement vorgesehen ist, welches auf die Gleitfläche 31b wirkt.
Anstelle der in 5 gezeigten Form des Federelements 40 sind auch andere Formen oder Mittel denkbar, z.B. eine Spiralfeder, um die Gleitfläche 31a und/oder 31b mit einer Kraft zu beaufschlagen und so die Rotorwelle 20 radial zu führen.

Claims

Elektromotor mit einer Rotorwelle (20), deren Wellenenden (20a, 20b) zur axialen Führung in Kontakt mit Gleitflächen (31a, 31b) stehen, wobei die Gleitflächen (31a, 31b) aus Kunststoff sind und die Rotorwelle (20) radial geführt ist durch Beaufschlagen mindestens einer der beiden Gleitflächen (31a, 31b) mit einer Kraft (F), welche ein Andrücken der Wellenenden (20a, 20b) an die Gleitflächen (31a, 31b) bewirkt und welche zwischen dem jeweiligen Wellenende (20a, 20b) und der jeweiligen Gleitfläche (31a, 31b) jeweils lediglich einen Kontaktpunkt (A, B) definiert, in welchem beim Drehen der Rotorwelle (20) eine Reibungskraft erzeugt wird, die einer möglichen Bewegung der Rotorwelle (20) in radialer Richtung entgegenwirkt.
Elektromotor nach Anspruch 1, umfassend ein Federelement (40) zur Erzeugung der Kraft, wobei das Federelement vorzugsweise aus Metall und/oder als Blattfeder ausgebildet ist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die eine Gleitfläche (31a) Teil einer Zunge (32) ist, welche vorzugsweise einteilig mit einem Gehäuse (30a) ausgebildet ist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Gleitflächen (31a, 31b) Teil eines bzw. des Gehäuses (30a) sind.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Form der Wellenenden (20a, 20b) abgerundet und vorzugsweise kalottenförmig ist.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Gleitflächen (31a, 31b) jeweils eine Delle (36) aufweisen, in welche das jeweilige Wellenende (20a, 20b) eintaucht.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Rotorwelle (20) durch Gleitlager (15a, 15b) gelagert ist, die vorzugsweise jeweils einteilig mit einem Spulenkörper (12a, 12b) ausgebildet sind.
Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Rotorwelle (20) mit einer Schnecke (24) versehen ist zum Eingriff in ein Getriebe (25).