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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die als ein Außenläufer konfiguriert
ist, und ein Verfahren zum Herstellen einer Rotoranordnung für eine solche
Maschine.
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Eine
Außenläufer-Maschine
umfaßt
in der Regel einen Stator, der z. B. aus einem stanzpaketierten
Blechstapel gebildet ist, auf den Statorspulen aufgebracht sind.
Der Stator sitzt außen
auf einer Hohlwelle oder einer Lagerhülse, innerhalb derer eine Antriebswelle
gelagert ist. Die Lagerung der Antriebswelle kann beispielsweise über Wälzlager,
wie Kugellager, Gleitlager oder fluiddynamische Lager erfolgen.
Die Antriebswelle ist über
eine Nabe mit einer Rotoranordnung gekoppelt, welche den Stator umgibt,
so daß ein
Arbeits-Luftspalt zwischen dem Stator und der Rotoranordnung gebildet
ist. Die Rotoranordnung ihrerseits umfaßt einen Rotorrückschluß und Rotormagnete,
die an der Innenseite des Rotorrückschlusses,
dem Stator gegenüberliegend angeordnet
sind.
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Solche
Maschinen sind aus dem Gebiet der Spindelmotoren bekannt und beispielsweise
in der
DE 19 733 566
B4 beschrieben.
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Die
Erfindung ist vorzugsweise als ein bürstenloser Gleichstrommotor
oder ein anderer Permanentmagnetmotor realisiert. Solche Motoren
finden Anwendung in Festplattenlaufwerken, wie Mini-Disk-Drives,
als Stellmotoren im Kfz-Bereich, in motorgetriebenen Werkzeugen
und in vielen anderen Gebieten.
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Insbesondere
bei kleinbauenden Motoren dieser Art, die in sehr großen Stückzahlen
hergestellt werden, besteht der Wunsch, die Herstellung der Motoren
zu vereinfachen und auch ohne aufwendige Justierungsschritte unempfindlich
gegen Toleranzen ihrer Bauteile zu machen. Diese Aufgabe wird durch eine
elektrische Maschine mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch
ein Verfahren gemäß Anspruch
9 erfüllt.
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Die
Erfindung sieht eine elektrische Maschine vor, die als ein Außenläufer konfiguriert
ist, wobei die Maschine eine Antriebswelle, einen Stator und eine
Rotoranordnung aufweist. Die Rotoranordnung umfaßt wenigstens einen Rotormagneten
und einen Rotorrückschluß. In der
Praxis kann entweder ein ringförmiger
Rotormagnet, der abschnittsweise magnetisiert ist, vorgesehen sein,
oder es kann eine Vielzahl von einzelnen Rotormagneten an der Innenseite des
Rotorrückschlusses
angeordnet werden. Die Rotoranordnung umgibt den Stator koaxial,
während
die Antriebswelle im Zentrum der Maschine angeordnet ist. Rotoranordnung
und Antriebswelle sind über
ein Gußteil
verbunden, das nach Art einer Nabe ausgebildet ist. Dabei ist der
Rotorrückschluß der Rotoranordnung
in das Gußteil
eingebettet. Zum Ausgleichen von Toleranzen des Rotorrückschlusses,
der Rotormagnete und/oder des Gußwerkzeuges, das zum Fertigen
des Spritzgußteils
verwendet wird, umfaßt der
Rotorrückschluß einen
Ring mit einem variablen Spalt. Mittels dieses Spaltes kann der
Durchmesser des Rückschlußringes
in Grenzen variieren und dadurch Abmessungstoleranzen anderer Bauteile
sowie Lagetoleranzen der Bauteile relativ zueinander ausgleichen.
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Da
der Durchmesser des Stators, in den die Rotoranordnung eingefügt wird,
vorgegeben und nicht variabel ist, muß der Innendurchmesser des Rotors
stets so bemessen sein, daß eine
feste Spaltbreite gewährleistet
ist. Das heißt,
der Abstand zwischen den Magneten des Rotors und den Statorzähnen muß konstant
sein, weil die Luftspaltbreite ein kritischer Faktor für die Betriebsparameter
der Maschine, wie Drehmoment und Stromaufnahme, ist.
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Das
Gußwerkzeug
ist daher in der Praxis so ausgebildet, daß es im Innendurchmesser einen
festen Anschlag hat, an den die Magnete angelegt werden, und so
den Innendurchmesser der Rotoranordnung definiert. Da auch der Außendurchmesser
des Rotors nicht willkürlich
gewählt
werden darf, hat das Gußwerkzeug
auch an seinem Außenumfang
eine feste Begrenzungswand. Die Gußform weist somit eine im wesentlichen
kreisförmige
Nut auf, in welche die Rotormagnete und der Rotorrückschluß eingelegt werden.
Da die Magnete in ihrer Dicke schwanken, müßte jeweils der Ring des Rotorrückschlusses
in seinem Durchmesser angepaßt
werden, damit er bündig
um die Rotormagnete gelegt werden kann. Um dies zu vermeiden, wird
der Ring des Rotorrückschlusses
etwas kleiner als benötigt
hergestellt und ist an einer Stelle, an der ein variabler Spalt
gebildet ist, offen. Somit kann der Ring immer um die Magnete gelegt
werden, wobei sich der Spalt je nach Magnetdicke ändert. Je
größer die
Magnete sind, desto weiter wird der Ring aufgebogen und desto größer wird somit
der Spalt. Zusätzlich
kann der Rückschlußring die
Magnete im Gußwerkzeug
fixieren.
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Für den späteren Betrieb
der Rotoranordnung spielt der Spalt keine Rolle mehr, weil der Rückschlußring und
die Magnete umspritzt werden und dann eine feste Einheit bilden.
Dabei wird auch der Spalt gefüllt.
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Das
Gußbauteil
wird beispielsweise durch Spritzgießen aus Kunststoff oder durch
Ausgießen des
Gußwerkzeuges
mit einem Harz hergestellt, wobei die Erfindung nicht auf diese
Materialien und Verfahren begrenzt ist.
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In
einer Ausführung
der Erfindung ist der Rotorrückschluß aus einem
Bandmaterial hergestellt, das rolliert ist und die Rotormagnete
koaxial umgibt. Die Rotormagnete können zusammen mit dem rollierten
Blechband in das Gußwerkzeug
eingelegt und durch den Gießvorgang
fixiert werden. Zusätzlich
ist es möglich,
die Permanentmagnete an dem Blechband mit Kleber vorzufixieren.
Die Magnete können somit
zunächst
in das Gußwerkzeug
eingelegt werden und anschließend
von dem Rotorring umschlossen werden. Alternativ können die
Magnete auch an dem Rotorring befestigt oder in Taschen des Rotorrings
eingelegt sein.
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In
einer anderen Ausführung
der Erfindung ist der Rotorrückschluß aus paketierten,
ringförmig ausgestanzten
Blechen aufgebaut, ähnlich
wie der Statorkörper.
In dieser Ausführung
sind in dem Rotorrückschluß vorzugsweise
Taschen zur Aufnahme der Rotormagnete ausgebildet. Wenn die Rotoranordnung
in das Gußwerkzeug
eingelegt wird, sind in diesem Falle vorzugsweise die Rotormagnete
bereits in den Rotorrückschluß eingelegt.
Es ist jedoch auch möglich,
nur den Rotorrückschluß zu umspritzen
und dabei die Taschen zur Aufnahme der Rotormagnete offenzuhalten,
so daß diese
nachträglich
eingelegt werden können.
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Die
Rotormagnete können
vor oder nach dem Gußvorgang
magnetisiert werden.
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Durch
das Umgießen
oder Umspritzen der Rotormagnete zusammen mit dem Rotorrückschluß bzw. das
Einlegen der Rotormagnete in die Taschen kann eine sehr kompakte
elektrische Maschine vorgesehen werden, die eine hohe Leistungsdichte
aufweist.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung sind die Rotormagnete auf ihrer dem Stator zugewandten
Seite, d. h. im Bereich des Arbeits-Luftspaltes des Motors nicht
mit Kunststoff bedeckt. Der Außenbereich
der Rotoranordnung sowie seine beiden Stirnenden können dagegen
in das Gußteil
integriert sein.
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Die
erfindungsgemäße Maschine
ist vorzugsweise mit einer Hohlwelle ausgebildet, durch welche die
Antriebswelle hindurchgeführt
ist, wobei der Stator auf den Außenumfang der Hohlwelle aufgebracht
ist. In der Hohlwelle ist die Antriebswelle über Lager, wie Kugellager oder
Gleitlager, gelagert. Die Hohlwelle ist vorzugsweise unmittelbar
mit einem Flansch verbunden, so daß die Maschine besonders kompakt
gestaltet werden kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführung sind
die Rotormagnete an ihren dem Flansch zugewandten Stirnenden in
axialer Richtung über
die Länge
des Rückschlusses
hinaus verlängert,
um das in axialer Richtung abgegebene Streufeld der Rotormagnete
zu verstärken,
um die Rotorlage zu erfassen.
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Wie
bereits erwähnt,
werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
der Rotorrückschluß und vorzugsweise
auch der Rotormagnet in ein Gußwerkzeug
eingelegt und zur Bildung des Gußteils mit einem Kunststoff
oder Kunstharz umspritzt.
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Anstatt
der Verwendung von Kunststoff ist es auch denkbar, andere Materialien,
wie Aluminium in einem Aluminiumdruckgußverfahren zu verwenden. Die
Erfindung ist somit nicht auf ein Spritzgußverfahren beschränkt, sondern
umfaßt
sämtliche
Guß- und verwandte
Formungsverfahren.
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Das
Gußteil
wird so ausgebildet, daß es
die Rotoranordnung mit der Antriebswelle verbindet. Hierzu wird
in einer Ausführung
der Erfrndung die Antriebswelle mit in das Gußwerkzeug eingelegt und gemeinsam
mit dem Rotorrückschluß und dem
Rotormagneten umspritzt. In einer alternativen Ausführung der
Erfindung kann das Gußteil
mit einer Ausnehmung oder Durchbrechung zur Aufnahme der Antriebswelle
ausgebildet werden.
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Die
Erfindung schafft eine kompakte elektrische Maschine mit Außenläufer-Konfiguration,
die einen vergleichsweise geringen Raum beansprucht und ein relativ
hohes mechanisches Drehmoment erzeugt. Die Rotoranordnung der Maschine
wird in einem einfachen Gußverfahren
realisierbar und mit der Antriebswelle verbunden. Sie ist so aufgebaut,
daß die
Toleranzen der Rotorbauteile und ihrer relativen Lage zueinander
automatisch ausgeglichen werden.
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Die
Erfindung ist im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführung mit
Bezug auf die Figuren näher
erläutert.
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1 zeigt
eine Schnittdarstellung durch eine elektrische Maschine gemäß einer
Ausführung der
Erfindung;
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2 zeigt
eine Draufsicht auf eine Rotoranordnung der elektrischen Maschine
gemäß der Erfindung;
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3 zeigt
eine Seitenansicht der Rotoranordnung der 2; und
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4 zeigt
eine perspektivische Darstellung der Rotoranordnung der elektrischen
Maschine gemäß einer
weiteren Ausführung
der Erfindung.
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1 zeigt
eine Schnittdarstellung durch eine elektrische Maschine gemäß einer
Ausführung der
Erfindung. Die Maschine umfaßt
einen Stator 10, der auf eine Hohlwelle 12 aufgebracht
ist, die an einen Flansch 14 angeformt ist. Der Stator 10 umfaßt einen
Stator-Stack auf paketierten Blechen, auf den Statorwicklungen oder
Statorspulen aufgebracht sind. Durch die Hohlwelle 12 hindurch
ist eine Antriebswelle 16 geführt, die relativ zu dem Stator 10 über Kugellager 18, 20 gelagert
ist. Ein erstes Kugellager 18 sitzt in dem Flansch 14,
und ein weiteres Kugellager 20 kann direkt in den Stator 6 des
Stators 10 eingepreßt
werden, der wiederum auf die Hohlwelle 12 aufgepreßt ist.
In der gezeigten Ausführung
sind beide Lager 18, 20 Kugellager, wobei jedoch
auch andere Wälzlager,
Gleitlager oder fluiddynamische Lager vorgesehen werden können. In
der gezeigten Ausführung
ist das Kugellager 20 durch eine Feder 22 vorgespannt,
welche zwischen dem innerhalb des Stators 10 befindlichen
Ende der Hohlwelle 12 und dem zweiten Kugellager 20 positioniert
ist und sich auf der Oberseite der Hohlwelle 10 und dem
Kugellageraußenring
abstützt.
Dieses zweite Kugellager 20 könnte insbesondere auch durch
ein Gleitlager ersetzt werden.
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Die
elektrische Maschine umfaßt
ferner eine Rotoranordnung 24 mit einem Rotorrückschluß oder Joch 26 und
Rotormagneten 28. Der Rotorrückschluß 26 besteht vorzugsweise,
wie der Stator, aus ringförmigen,
paketierten Metallblechen, wobei die Bleche für den Stator sowie den Rotor
mit demselben Werkzeug und in einem Arbeitsgang aus einem Blechmaterial
ausgestanzt werden kann. Bei dieser Ausführung weist der Rotorrückschluß 26 vorzugsweise
Taschen zur Aufnahme der Rotormagnete 28 auf. Die Rotormagnete 28 können vor
oder nach dem Einlegen der Rotormagnete in die Taschen des Rotorrückschlusses 26 magnetisiert
werden.
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Alternativ
kann der Rotorrückschluß auch aus
einem einzigen zusammenhängenden
Blech bestehen. In diesem Fall wird das Blech vorzugsweise aus einem
Bandmaterial ausgestanzt und rolliert.
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Erfindungsgemäß weist
der ringförmige
Rotorrückschluß einen
Spalt zum Ausgleich von Toleranzen auf, wie mit Bezug auf die 2 bis 4 noch
näher erläutert ist
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Erfindungsgemäß wird die
Rotoranordnung 24 einschließlich der Rotormagnete 28 mit
einem Kunststoff umspritzt oder mit einem Harz ausgegossen, um ein
Gußteil 30 zu
bilden, das die Rotoranordnung 24 mit der Antriebswelle 16 verbindet.
Das Gußteil
weist einen Durchbruch zur Aufnahme bzw. Durchführung der Antriebswelle 16 auf.
Die Antriebswelle kann während
des Gießvorgangs
in das Gußteil 30 eingeformt
oder nachträglich
in dieses eingebracht werden. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, auf
der dem Flansch 14 gegenüberliegenden Seite der elektrischen
Maschine während
des Gießvorgangs
weitere Bauteile, wie einen Exzenter oder ein Zahnrad (nicht gezeigt)
anzuformen, d. h. mit dem die Rotoranordnung 24 umgebenden
Gußteil
einteilig zu verbinden.
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Die
elektrische Maschine weist in der gezeigten Ausführung noch eine Schaltungsplatte 32 zur Aufnahme
von elektronischen Bauteilen 34 sowie einen Anschluß für die Statorspulen
auf. Die Schaltungsplatte 32 ist zwischen dem Flansch 14 und
dem Stator 10 angeordnet. Auf der Schaltungsplatte 32 sind
in der gezeigten Ausführung
drei Magnetsensoren zur Rotorlage-Detektion vorgesehen, beispielsweise
Hall-Sensoren, AMR-Sensoren oder GMR-Sensoren. Um einen guten Streufluß zur Detektion
der Rotorlage bereitzustellen, sind bei der gezeigten Ausführung die
Rotormagnete 28 so ausgebildet, daß sie in Richtung des Flansches 14,
d. h. in der den Magnetsensoren zugewandten Richtung, über den
Rotorrückschluß 26 hinausragen.
Dadurch wird der magnetische Streufluß der Rotormagnete 28 in
radialer Richtung erhöht,
so daß dieser
und somit die Rotorlage leicht erfaßt werden kann. Ferner ergibt sich
durch diese axiale Verlängerung
der Rotormagnete 28 eine von dem in der Regel ferromagnetischen
Flansch weggerichtete axiale Kraftkomponente, welche als magnetische
Vorspannung auf das erste Kugellager 18 wirkt.
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Wie
oben ausgeführt,
erhält
man durch den erfindungsgemäßen Aufbau
der elektrischen Maschine eine besonders kompakte Bauform, die in
der Lage ist, ein relativ hohes mechanisches Drehmoment zu übertragen.
Die Rotormagnete 28 sind in der radialen Richtung durch
das Gußteil 30 und
den Rotorrückschluß 26 gegen
Zentrifugalkräfte
gesichert. In axialer Richtung, in der geringere Kräfte wirken, genügt die Sicherung
der Rotormagnete durch das Gußteil 30,
welches die Rotormagnete 28 an beiden Stirnenden umfassen
kann. Auf ihrer dem Stator 10 zugewandten Innenseite sind
die Rotormagnete 28 vorzugsweise nicht von dem Gußteil eingeschlossen, sondern
liegen frei.
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Die 2, 3 und 4 zeigen
bevorzugte Ausführungen
der Rotoranordnung der erfindungsgemäßen Maschine in Schnittdarstellung,
in Seitenansicht und perspektivischer Darstellung. In den Darstellungen
der 2 bis 4 sind nur der Rotorrückschluß 26,
die Rotormagnete 28 und die Antriebswelle 16 gezeigt.
Diese werden erfindungsgemäß, wie in 1 dargestellt,
durch das Gußteil 30 verbunden.
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In
der Ausführung
der 2 und 3 ist der Rotorrückschluß 26,
wie der Stator, aus ringförmigen,
gestanzten und paketierten Metallblechen aufgebaut. In der Ausführung der 4 wird
der Rotorrückschluß 26 durch
ein gebogenes Blech gebildet. Der Rotorrückschluß 26 ist im Bereich
eines Spaltes 36 offen, um über den Spalt Toleranzen des
Rotorrückschlusses 26,
der Magnete 28 und des Gußwerkzeuges auszugleichen.
Der Rotorrückschluß 26 kann nach
Art eines Vieleckes gebogen werden, mit einer Anzahl von Flächen, die
der Anzahl der Rotormagnete entspricht. In der gezeigten Ausführung sind
vierzehn, jeweils gegensinnig magnetisierte Rotormagnete 28 vorgesehen,
wobei die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl von Magneten
oder eine bestimmte Magnetisierung beschränkt ist.
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Bei
der Herstellung der elektrischen Maschine können die Rotormagnete 28 an
der Innenseite des Rotorrückschlusses 26 mit
einem Kleber vorab fixiert werden, wobei der Magnet 28 im
Bereich des Spaltes 36 nur auf einer Seite des Spaltes
fixiert wird, um eine Veränderung
der Spaltbreite zum Ausgleichen von Toleranzen zu erlauben. Wie
in 3 besonders deutlich zu erkennen ist, stehen die
Rotormagnete 28 in axialer Richtung einseitig über die
axiale Länge
des Rückschlusses 26 vor.
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Zur
Herstellung der Rotoranordnung werden der Rückschluß 26 und die Rotormagnete 28 zusammen
mit der Antriebswelle 16 in der in den 2 bis 4 gezeigten
relativen Anordnung in ein Gußwerkzeug
eingelegt und mit Kunststoff umspritzt oder mit einem Kunstharz
umgossen, um diese miteinander zu verbinden und ihre relative Lage
zu fixieren. Während
des Gießvorgangs
ist die Breite des Spaltes 36 variabel, um Toleranzen der
Rotormagnete 28 und des Rückschlußblechs 26 und des
Spritzgußwerkzeugs
auszugleichen. Je nach Toleranzlage wird der Spalt kleiner oder
größer werden.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und in den Figuren gezeigten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.
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- 10
- Stator
- 12
- Hohlwelle
- 14
- Flansch
- 16
- Antriebswelle
- 18,
20
- Kugellager
- 22
- Feder
- 24
- Rotoranordnung
- 26
- Rotorrückschluß
- 28
- Rotormagnet
- 30
- Gußteil
- 32
- Schaltungsplatte
- 34
- elektronische
Bauteile
- 36
- Spalt