DE102007037842A1

DE102007037842A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102007037842A1
Application number: DE102007037842A
Authority: DE
Inventors: Lászlo Dr. Mán
Original assignee: LuK Lamellen und Kupplungsbau Beteiligungs KG; LuK Lamellen und Kupplungsbau GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2008-04-03

Abstract

Eine elektrische Maschine ist als Scheibenläufer mit einem Stator und einem scheibenförmigen Rotor ausgebildet. Der Stator hat mindestens ein an einer Halterung angeordnetes scheibenförmiges Statorteil, das durch einen Luftspalt axial von dem Rotor beabstandet ist und über den Luftspalt magnetisch mit dem Rotor zusammenwirkt. Der Rotor ist um eine Rotationsachse verdrehbar an der Halterung gelagert. Das Statorteil ist über eine Verstelleinrichtung derart verstellbar mit der Halterung verbunden, dass die Spaltweite des Luftspalts einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die als Scheibenläufer mit einem Stator und einem scheibenförmigen Rotor ausgebildet ist, wobei der Stator mindestens ein an einer Halterung angeordnetes scheibenförmiges Statorteil aufweist, das durch einen Luftspalt axial von dem Rotor beabstandet ist und über den Luftspalt magnetisch mit dem Rotor zusammenwirkt, und wobei der Rotor um eine Rotationsachse verdrehbar an der Halterung gelagert ist. Unter einem Luftspalt wird auch ein Spalt verstanden, in dem ein Vakuum, ein anderes Gas als Luft und/oder ein Fluid, wie z.B. ein Öl, angeordnet ist.
Eine derartige elektrische Maschine, die als Elektromotor betrieben wird, ist aus der Praxis bekannt. Der Stator der elektrischen Maschine weist einen weichmagnetischen Kern und eine Wicklung auf, die an einer als Maschinengehäuse ausgestalteten Halterung angeordnet sind. Die Wicklung wird derart bestromt, dass sich in dem Luftspalt ein magnetisches Wanderfeld ausbildet, welches mit dem Rotor zusammenwirkt und diesen antreibt. Beim Betrieb der elektrischen Maschine tritt im Bereich des Luftspalts ein in der Praxis unvermeidbarer magnetischer Streufluss auf, der sich ungünstig auf den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine auswirkt. Da die durch Streufluss verursachten Verluste mit der Spaltweite des Luftspalts zunehmen, wird bei der Konstruktion der elektrischen Maschine ein möglichst geringer Luftspalt angestrebt. Da die Maschine jedoch Fertigungstoleranzen aufweist, kann der Luftspalt nicht beliebig klein gemacht werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass der Rotor im Luftspalt mit dem Stator kollidiert. Bei einem Scheibenläufer ist es besonders schwierig, einen engen Luftspalt über die ganze Scheibenfläche zu realisieren, da der Rotor einen relativ großen Außendurchmesser besitzt, aber gleichzeitig an einem kleinen Innendurchmesser gelagert ist. Aus diesem Grund werden bei üblichen Toleranzen relativ große Luftspalte zugelassen. Scheibenläufer mit hohem Wirkungsgrad und entsprechend geringen Fertigungstoleranzen (Planlauf des Rotors, Schiefstellung des Rotors im Maschinengehäuse usw.) sind daher sehr teuer.
Es besteht deshalb die Aufgabe, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad ermöglich, aber dennoch kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Statorteil über eine Verstelleinrichtung derart verstellbar mit der Halterung verbunden ist, dass die Spaltweite des Luftspalts einstellbar ist.
In vorteilhafter Weise können der Rotor und der Stator der elektrischen Maschine dadurch zunächst mit relativ großen Toleranzen kostengünstig gefertigt werden. Nach der Montage des Rotors am Stator kann der Einfluss der Toleranzen auf die Spaltweite des Luftspalts mittels der Verstell- oder Justiereinrichtung auf einfache Weise kompensiert werden. Dabei wird der Rotor zweckmäßigerweise zunächst plan an dem mindestens einen Statorteil zu Anlage gebracht, wobei der Rotor und der Stator durch die Magnetkräfte aneinandergepresst werden. Danach wird mittels der Verstelleinrichtung die gewünschte Luftspaltweite eingestellt, indem der Stator etwas in axialer Richtung von dem Rotor wegbewegt wird. Dadurch ist es möglich, die elektrische Maschine mit geringem Aufwand mit einem engen Luftspalt zu fertigen.
Besonders vorteilhaft ist, wenn das Statorteil mit seiner Erstreckungsebene mittels der Verstelleinrichtung relativ zur Erstreckungsebene des Rotors verkippbar ist. Mittels der Verstelleinrichtung kann dann auch eine Schiefstellung des Rotors relativ zum Stator kompensiert werden. Dies ist insbesondere bei einem Scheibenläufer vorteilhaft, bei dem der Rotor einen relativ großen Außendurchmesser aufweist, aber nur an einem kleinen Innendurchmesser gelagert ist.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weist die Verstelleinrichtung mindestens drei in unterschiedlichen Richtungen quer zur Rotationsachse voneinander beabstandete Verstellelemente auf, welche das zumindest eine Statorteil mit der Halterung verbinden. Die Verstellelemente sind also so angeordnet, dass sie nicht auf einer geraden Linie liegen und somit ein Verkippen des Rotors relativ zum Stator in quer zueinander verlaufenden Richtungen ermöglichen. Die Spaltweite des Luftspalts kann dadurch mit großer Präzision eingestellt werden. Die Verstellelemente sind bevorzugt in Umfangsrichtung des Rotors in etwa konstanten Abständen zueinander angeordnet, insbesondere im Abstand von 120°.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Verstellelemente Schrauben, die mit ihrer Längsmittelachse vorzugsweise parallel zur Rotationsachse angeordnet sind. Die elektrische Maschine ist dann noch kostengünstiger herstellbar. Die Schrauben sind bevorzugt selbstsichernde Schrauben, die mit einem Sicherungsmittel, wie z.B. einem Klebstoff, gegen versehentliches Verstellen gesichert sind.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Verstellelemente Schrägflächen aufweisende Keile, die in Richtung der Schrägflächen relativ zu der Halterung und/oder den Statorteilen verschiebbar sind. Auch durch diese Maßnahme wird eine exakte Justierung des Rotors relativ zum Stator ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die elektrische Maschine axial beidseits des Rotors jeweils ein scheibenförmiges Statorteil aufweist, das über einen zwischen ihm und dem Rotor gebildeten Luftspalt magnetisch mit dem Rotor zusammenwirkt. Zum Einstellen der Luftspalte werden die Statorteile zunächst beidseits des Rotors angeordnet und jeweils durch die magnetischen Kräfte gegen diesen positioniert. Dann werden die Statorteile mittels der Verstelleinrichtung solange axial von dem Rotor abgezogen, bis die gewünschten Luftspaltweiten eingestellt sind.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das zumindest eine Statorteil einen weichmagnetischen Kern und eine diesem zugeordnete Wicklung auf, wobei der weichmagnetische Kern an seiner dem Luftspalt abgewandten Seite über eine nachgiebige Wärmeleitschicht, insbesondere einer Gel-Schicht, flächig mit der Halterung verbunden ist. Die Halterung dient dabei als Wärmesenke, welche die in der Wicklung und/oder dem weichmagnetischen Kern auftretende Verlustwärme flächig aus dem Statorteil abführt. Die nachgiebige Wärmeleitschicht erfüllt dabei eine Doppelfunktion und dient außer als gut wärmeleitende Verbindung zwischen dem Rotor und dem mindestens einen Statorteil auch als nachgiebiger Puffer beim Einstellen der Spaltweite des mindestens einen Luftspalts.
Vorteilhaft ist, wenn der Rotor eine Reihe von in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten, abwechselnd in zueinander entgegengesetzte Richtungen magnetisierte Magnetpolen aufweist, die einstückig miteinander und vorzugsweise einstückig mit einer Welle verbunden sind. Die Magnetpole können aber auch an Magnetsegmenten angeordnet sein, die an einem weichmagnetisch leitenden Trägerteil befestigt sind.
Zweckmäßigerweise besteht der Rotor aus einem Sintermaterial. Das Sintermaterial besitzt eine ausreichende Festigkeit und ist sehr gut magnetisierbar. Der Rotor kann dann aus nur einem einzigen Teil bestehen. Durch das Sintern kann auch eine Verzahnung auf der Welle des Rotors erzeugt werden. Die Funktionsflächen des Rotors können in einem einzigen Arbeitsschritt fertig gedreht werden, wodurch ein exzellenter Plan- und Rundlauf des Rotors erreicht wird.
Die Elektrische Maschine ist bevorzugt als EC-Motor ausgestaltet. Sie kann dann beispielsweise als Antrieb zum Betätigen einer Kupplung oder eines automatisierten Schaltgetriebes Verwendung finden.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Scheibenläufer-Motor.
Eine als Scheibenläufer ausgestaltete elektrische Maschine 1 weist einen Stator und einen scheibenförmigen Rotor 2 auf. Der Rotor 2 ist mittels einer Lagerung 3 um eine Rotationsachse 4 drehbar mit dem Stator verbunden.
Der Stator hat zwei etwa scheibenförmige, parallel zueinander beabstandete Statorteile 5a, 5b, die jeweils mehrere in Umfangsrichtung zueinander versetzte weichmagnetische Kerne 6a, 6b aufweisen, die in Umfangsrichtung durch Zwischenräume voneinander beabstandet sind. Die weichmagnetischen Kerne 6a, 6b sind mit Wicklungsspulen 7 bewickelt, welche die Zwischenräume durchsetzen. Die Wicklungsspulen 7 sind über ein an dem Stator angeordnetes elektrisches Steckerteil 8 mit einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten Ansteuereinrichtung verbunden. Die weichmagnetischen Kerne 6a, 6b jedes Statorteils 5a, 5b sind durch einen nicht ferromagnetischen Träger miteinander verbunden, der die weichmagnetischen Kerne 6a, 6b in ihrer Lage relativ zueinander fixiert.
Der Rotor 2 ist zwischen den Statorteilen 5a, 5b angeordnet und beidseits durch Luftspalte 9a, 9b, die sich in etwa radial zur Rotationsachse 4 verlaufenden Ebenen erstrecken, von den Statorteilen 5a, 5b beabstandet. Der Rotor 2 besteht aus einem einzigen Teil, das bei der Herstellung der elektrischen Maschine 1 durch einen Biegestanzvorgang aus einem Blech geformt wird. An den Rotor 2 ist eine Welle 10 einstückig angeformt.
Der Rotor 2 besteht aus einem Sinterwerkstoff und weist mehrere in Umfangsrichtung zueinander versetzte permanentmagnetische Wandungsbereiche auf, die abwechselnd in zueinander entgegengesetzte Richtungen magnetisiert sind und an den einander abgewandten Stirnseiten des Rotors 2 den Statorteilen 5a, 5b zugewandte Magnetpole bilden. Diese wirken über die Luftspalte 9a, 9b mit dem Stator zusammen.
Die Statorteile 5a, 5b sind an einer gemeinsamen, als Maschinengehäuse ausgestalteten Halterung 11 angeordnet. Die Halterung 11 weist ein etwa topfförmiges Gehäuseteil 12 und ein dazu passendes Deckelteil 13 auf. Zwischen dem Gehäuseteil 12 und dem Deckelteil 13 ist eine Innenhöhlung gebildet, in der die Statorteile 5a, 5b und der Rotor 2 angeordnet sind. Das Steckerteil 8 ist am Außenumfang des Gehäuseteils 12 vorgesehen. Die elektrischen Verbindungsleitungen zwischen dem Steckerteil 8 und den Wicklungsspulen 7 sind durch Wandungsdurchbrüche im Gehäuseteil 12 hindurchgeführt.
Zum Einstellen der Spaltweiten der Luftspalte 9a, 9b und zum Ausgleichen einer durch Fertigungstoleranzen bedingten Schiefstellung des Rotors 2 relativ zu den Statorteilen 5a, 5b sind die Statorteile 5a, 5b jeweils über eine Verstelleinrichtung 14 verstellbar mit der Halterung 11 verbunden. Mittels der Verstelleinrichtung 14 können die Statorteile 5a, 5b in unterschiedlichen Lagen relativ zu dem Rotor 2 positioniert und fixiert werden.
Die Verstelleinrichtung 14 weist für jedes Statorteil 5a, 5b jeweils drei von der Rotationsachse 4 radial beabstandete und in Umfangsrichtung um etwa 120° zueinander versetzte Schrauben 15a, 15b auf, die das Statorteil 5a, 5b an der der Halterung 11 fixieren. Die Schrauben 15a eines ersten Statorteils 5a sind gegen den Boden des topfförmigen Gehäuseteils 12 und die Schrauben 15b des zweiten Statorteils 5b gegen das Deckelteil 13 abgestützt. Mit ihren von der Halterung 11 entfernten Endbereichen sind die Schrauben 15a, 15b mit den weichmagnetischen Kernen 6a, 6b verschraubt. Die Schrauben 15a, 15b sind mit einem Sicherungsmittel, wie zum Beispiel einem Klebstoff, gegen Lösen gesichert.
Bei der Fertigung der elektrischen Maschine 1 werden zunächst die Statorteile 5a, 5b mit den weichmagnetischen Kernen 6a, 6b, den Wicklungsspulen 7 und dem nicht ferromagnetischen Träger, der Rotor 2 mit der daran angeordneten Lagerung, das Gehäuseteil 12, das Deckelteil 13 und die Schrauben 15a, 15b hergestellt.
Dann wird eine nachgiebige erste Wärmeleitschicht 16a innenseitig flächig auf den Boden des Gehäuseteils 12 aufgebracht. Das in 1 rechts dargestellte erste Statorteil 5 wird derart in die Innenhöhlung des Gehäuseteils 12 eingesetzt, dass es flächig auf der ersten Wärmeleitschicht 16a aufliegt. Die Schrauben 15a werden in Durchtrittsöffnungen des Gehäuseteils 12 eingesetzt und lose mit den weichmagnetischen Kernen 6a verschraubt, so dass zwischen den Schraubenköpfen und der diesen zugeordneten Anlagefläche des Gehäuseteils 12 Axialspiel vorhanden ist.
Nun werden der Rotor und das zweite Statorteil 5b in die Innenhöhlung des Gehäuseteils 12 eingesetzt. Durch die magnetischen Kräfte des permanentmagnetisch magnetisierten Rotors 2 werden die Statorteile von dem Rotor 2 angezogen, so dass sich die Spaltweiten der Luftspalte auf etwa null reduzieren. Auf das zweite Statorteil 5b wird eine zweite Wärmeleitschicht 16a flächig aufliegt und auf dieser wird das Deckelteil 13 positioniert. Die Welle 10 durchdringt dabei eine in dem Deckelteil 13 vorgesehene Öffnung. Danach wird Deckelteil 13 fest mit dem Gehäuseteil 12 verbunden, beispielsweise durch Schweißen.
Die Schrauben 15b werden in Durchtrittsöffnungen des Deckelteils 13 eingesetzt und mit den weichmagnetischen Kernen 6b verschraubt. Nachdem der innere Lagersitz der Lagerung 3 an dem Gehäuseteil fixiert wurde, werden die Schrauben 15a, 15b solange angezogen, bis sie die Statorteile 5a, 5b soweit von dem Rotor 2 abgezogen sind, dass dieser ohne die Statorteile 5a, 5b zu berühren, um die Rotationsachse 4 gedreht werden kann. In dieser Lage werden die Schrauben 15a, 15b mit dem Schraubensicherungsmittel fixiert. Während des Abziehens der Statorteile 5a, 5b von dem Rotor 2 werden die Wärmeleitschichten 16a unter Verformung ihres Werkstoffs in axialer Richtung komprimiert und fest an das Trägerteil und das betreffende Statorteil 5a, 5b angepresst. Dadurch ergibt sich eine gut wärmeleitende, großflächige Verbindung zwischen den Statorteilen 5a, 5b und dem als Wärmesenke dienenden Maschinengehäuse.

1: elektrische Maschine
2: Rotor
3: Lagerung
4: Rotationsachse
5a: erstes Statorteil
5b: zweites Statorteil
6a: weichmagnetischer Kern
6b: weichmagnetischer Kern
7: Wicklungsspule
8: Steckerteil
9a: Luftspalt
9b: Luftspalt
10: Welle
11: Halterung
12: Gehäuseteil
13: Deckelteil
14: Verstelleinrichtung
15a: Schraube
15b: Schraube
16a: erste Wärmeleitschicht
16b: zweite Wärmeleitschicht

Claims

Elektrische Maschine (1), die als Scheibenläufer mit einem Stator und einem scheibenförmigen Rotor (2) ausgebildet ist, wobei der Stator mindestens ein an einer Halterung (11) angeordnetes scheibenförmiges Statorteil (5a, 5b) aufweist, das durch einen Luftspalt (9a, 9b) axial von dem Rotor (2) beabstandet ist und über den Luftspalt (9a, 9b) magnetisch mit dem Rotor (2) zusammenwirkt, und wobei der Rotor (2) um eine Rotationsachse (4) verdrehbar an der Halterung (11) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorteil (5a, 5b) über eine Verstelleinrichtung (14) derart verstellbar mit der Halterung (11) verbunden ist, dass die Spaltweite des Luftspalts (9a, 9b) einstellbar ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Statorteil (5a, 5b) mit seiner Erstreckungsebene mittels der Verstelleinrichtung (14) relativ zur Erstreckungsebene des Rotors (2) verkippbar ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (14) mindestens drei in unterschiedlichen Richtungen quer zur Rotationsachse (4) voneinander beabstandete Verstellelemente aufweist, welche das zumindest eine Statorteil (5a, 5b) mit der Halterung verbinden.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellelemente Schrauben (15a, 15b) sind, die mit ihrer Längsmittelachse vorzugsweise parallel zur Rotationsachse (4) angeordnet sind.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellelemente Schrägflächen aufweisende Keile sind, die in Richtung der Schrägflächen relativ zu der Halterung (11) und/oder den Statorteilen (5a, 5b) verschiebbar sind.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie axial beidseits des Rotors (2) jeweils ein scheibenförmiges Statorteil (5a, 5b) aufweist, das über einen zwischen ihm und dem Rotor (2) gebildeten Luftspalt (9a, 9b) magnetisch mit dem Rotor (2) zusammenwirkt.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Statorteil (5a, 5b) einen weichmagnetischen Kern (6a, 6b) und eine diesem zugeordnete Wicklung aufweist, und dass der weichmagnetische Kern (6a, 6b) an seiner dem Luftspalt (9a, 9b) abgewandten Seite über eine nachgiebige Wärmeleitschicht (16a, 16b), insbesondere einer Gel-Schicht, flächig mit der Halterung (11) verbunden ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) eine Reihe von in Umfangsrichtung hinter einander angeordneten, abwechselnd in zueinander entgegengesetzte Richtungen magnetisierten Magnetpolen aufweist, die einstückig miteinander und vorzugsweise einstückig mit einer Welle (10) verbunden sind.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) aus einem Sintermaterial besteht.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie als EC-Motor ausgestaltet ist.