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Die
Erfindung betrifft Elektromotoren und bezieht sich im Besonderen
auf die Montage von Statorsegmenten in einem Motorgehäuse.
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Bürstenlose
Elektromotoren weisen in der Regel einen mit Permanentmagneten besetzten
Rotor auf, der innerhalb eines aus mehreren Statorsegmenten aufgebauten
Stators drehbar gelagert ist. Jedes der Statorsegmente umfasst einen
von einer Einzelpolwicklung oder Gruppenpolwicklung umgebenen Polschuh.
Die Wicklungen der einzelnen Statorsegmente sind über Wicklungsköpfe zu meist
mehrphasigen (üblicherweise
dreiphasigen) Wicklungssträngen
zusammengefasst, die mittels einer Umrichtelektronik elektrisch
kommutiert werden. Bürstenlose
Elektromotoren zeichnen sich durch ein geringes Wartungsaufkommen
und einen gegenüber Bürstenmaschinen
höheren
Wirkungsgrad aus. Sie eignen sich daher insbesondere zur Verwendung
in elektromechanischen Bremsvorrichtungen, wie beispielsweise Keilbremsen.
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Um
eine optimale Funktion des bürstenlosen Motors
zu erhalten, sollte zwischen den einzelnen Statorsegmenten des Stators
kein Luftspalt vorhanden sein. Nach dem Fügen der einzelnen Statorsegmente
zu einem Statorring treten in der Regel jedoch fertigungsbedingte
Außendurchmessertoleranzen auf,
die zu Problemen beim Einbau des gefügten Statorrings in ein Motorgehäuse führen können. Üblicherweise
werden die Statorsegmente daher zunächst mittels einer Hilfsvorrichtung
zu Statorringen zusammengefügt,
wobei mittels Vergießen
oder Kleben zunächst
ein sich selbst tragender Statorring hergestellt wird. Die Innenabmessungen
des Motorgehäuses
sind groß genug
gewählt,
um auch Statorringe mit Außendurchmessern
am äußeren Rand
des Toleranzbereichs aufzunehmen. In der Regel verbleibt daher zwischen
Statorring und Motorgehäuse ein
Leerraum, der zur Fixierung der Statorringe im Motorgehäuse mit
Vergussmas se ausgefüllt
oder mit einem Kleber überbrückt wird.
Dieses Verfahren erlaubt jedoch nur eine Kleinserienfertigung von
Motoren; eine kostengünstige
Großserienfertigung
ist mit diesem Verfahren nicht möglich.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
und ein Verfahren anzugeben, die eine kostengünstige Herstellung von Statorringen
für Elektromotoren
in Grosserienfertigung ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Ansprüchen der
Erfindung gelöst.
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Die
Erfindung umfasst eine Federhülse
zur Aufnahme von Statorsegmenten, wobei die Federhülse mehrere
Federstege und einen ringförmigen Träger aufweist,
und die Federstege so mit dem ringförmigen Träger verbunden sind, dass sie
eine rotationskörperförmige Geometrie
umschließen,
deren Mantelfläche
an einem Ende an den ringförmigen Träger angrenzt.
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In
diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die in dieser
Beschreibung und den Ansprüchen
zur Aufzählung
von Merkmalen verwendeten Begriffe "umfassen", "aufweisen", "beinhalten", "enthalten" und "mit", sowie deren grammatikalische Abwandlungen,
generell eine nichtabschließende Aufzählung von
Merkmalen, wie z. B. Verfahrensschritten, Einrichtungen, Bereichen,
Größen und
dergleichen bezeichnen, die in keiner Weise das Vorhandensein anderer
oder zusätzlicher
Merkmale oder Gruppierungen von anderen oder zusätzlichen Merkmalen ausschließt.
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Die
Erfindung umfasst ferner einen Statorring für einen Elektromotor mit einer
wie oben bezeichneten Federhülse
und mit mehreren Statorsegmenten, die von der Federhülse in einer
ringförmigen Anordnung
gehalten werden, wobei die Federstege der Federhülse am äußeren Umfang der ringförmig angeordneten
Statorsegmente angeordnet sind.
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Außerdem umfasst
die Erfindung einen Elektromotor mit einem wie oben bezeichneten
Statorring, bei dem der Statorring von einem Motorgehäuse umschlossen
ist.
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Weiterhin
umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Statorrings,
bei dem die Statorsegmenten entlang der inneren Peripherie der Federstege
einer wie oben bezeichneten Federhülse so angeordnet werden, dass
die Statorsegmente von den Federstegen in einer zylinderförmigen Anordnung
gehalten werden.
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Die
Erfindung wird in ihren abhängigen
Ansprüchen
weitergebildet.
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Vorteilhaft
ist die Verbindung von zumindest einem der Federstege mit dem ringförmigen Träger federelastisch
ausgebildet, so dass der Federsteg beim Einsetzen eines Statorsegments über die
Verformung der Verbindung eine Federkraft auf das Statorsegment
ausüben
kann.
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Zur
Anpassung der Geometrie der Federhülse an die ringförmige Anordnung
der Statorsegmente im Inneren der Federhülse ist die rotationskörperförmige Geometrie
der Federsteganordnung als zylinderförmige Geometrie ausgebildet.
Sollen die Statorsegmente von den Federstegen mit einer höheren Federkraft
in Richtung der Hüllenachse
zusammengedrückt
werden, so kann die rotationskörperförmige Geometrie
zweckmäßig als
kegelstumpfförmige
Geometrie ausgebildet sein.
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Zum
Ausgleichen von fertigungsbedingten Unterschieden im Außendurchmesser
der aus den Statorsegmenten gebildeten Statorringen weist die Kontur
von zumindest einem Federsteg der Federhülse in einem Schnitt senkrecht
zur Rotationsachse der rotationskörperförmigen Geometrie einen Bereich
mit einer Krümmung
auf, die von der Krümmung der
rotationskörperförmigen Geometrie
in diesem Bereich abweicht.
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Vorzugsweise
weist das Motorgehäuse,
in das ein wie oben bezeichnet hergestellter Statorring eingeschoben
wird, Innenabmessungen auf, die ein Festhalten des Statorrings im
Motorgehäuse
mittels Reibschlussverbindung sicherstellen. Zwischen dem Statorring
und der Innenfläche
des Motorgehäuses ausgebildete
Leerräume
können
bei Bedarf zumindest teilweise mit einer Vergussmasse, einem Thermoplast
oder einem Elastomer ausgefüllt
werden.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den Ansprüchen
sowie den Figuren. Die einzelnen Merkmale können bei einer Ausführungsform
gemäß der Erfindung
je für
sich oder zu mehreren verwirklicht sein. Bei der nachfolgenden Erläuterung
einiger Ausführungsbeispiele
der Erfindung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen,
von denen
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Federhülse für Statorsegmente zeigt,
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2 eine
Draufsicht auf die Federhülse
von 1 wiedergibt,
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3 eine
Baugruppe für
einen bürstenlosen
Elektromotor unter Verwendung einer Federhülse nach 1 und 2 zeigt,
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4 einen
Querschnitt durch einen Federsteg einer Federhülse von 1 im unbelasteten
Zustand und im Zustand nach dem Einbau in ein Motorgehäuse zeigt,
und
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5 die
wesentlichen Verfahrensschritte zur Herstellung einer Baugruppe
von 3 zeigt.
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Eine
Federhülse 1 zum
spielfreien Halten von Statorsegmenten ist in der 1 in
einer perspektivischen Darstellung und in der 2 in
einer Draufsicht gezeigt. Die Federhülse 1 besitzt einen ringförmig ausgebildeten
Träger 2 an
dem mehrere Federstege 3 (von denen nur einer stellvertretend
für alle
bezeichnet ist) angeordnet sind. Jeder der Federstege 3 ist
an seinem dem ringförmigen
Träger 2 zugewandten
Ende mit diesem mechanisch verbunden. Bei der in den 1 und 2 dargestellten
Ausführung
der Federhülse
ist diese Verbindung 4 in Form eines gebogenen Stegs ausgeführt. Durch
die Biegung des Stegs sind die Federstege 3 aus der Ebene des
ringförmigen
Trägers 2 herausgeführt, so
dass sie eine rotationskörperförmige Geometrie
umschließen.
Diese Ausführungsform
ist nicht zwingend, bietet jedoch den Vorteil, dass die Statorsegmente
beim Zusammensetzen eines Statorrings auf dem ringförmigen Träger abgestellt
werden können
und somit keine weiteren Hilfsvorrichtungen bei der Herstellung der
Statorringe benötigt
werden. Statt wie in der vorgestellten Weise als flacher Ring, kann
der Träger aber
auch rohrförmig
ausgebildet sein, d. h. als Ring, dessen Wandstärke geringer ist als seine
Länge.
In diesem Fall sind die Verbindungen 4 in erster Näherung gerade
ausgeführt.
Sie weisen nur insoweit eine Krümmung
auf, als es für
eine eventuell erwünschte Anordnung
der Federstege 3 in einer kegelstumpfförmigen Geometrie erforderlich
ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Federhülse 1 sind
die Federstege 3 einstückig
mit den Verbindungen 4 und dem ringförmigen Träger 2 ausgebildet.
Auf diese Weise ist die kostengünstige Herstellung
der Federhülse 1 als
Biegestanzteil oder als Spritzgussteil möglich.
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Die
Federstege 3 sind über
die Verbindungen 4 federelastisch mit dem Träger 2 verbunden. Die
Breite der Verbindungsstege 4 ist vorzugsweise geringer
als die der Federstege 3. Hierdurch kann die Steifigkeit
der federelastischen Verbindung 4 gering genug gehalten
werden, um eine Beschädigungen der
Statorsegmente zu vermeiden, wenn diese im Inneren der Federhülse 1 zu
einem Ring zusammengefügt
werden. Werden die Statorsegmente 6 im Inneren der Federhülse zu einem
wie in 3 veranschaulichten Ring gefügt angeordnet, so üben die Federstege 3 über die
Verbindungen 4 eine radial zur Symmetrieachse (Ringachse)
des ringförmigen
Trägers
gerichtete Kraft auf die Statorsegmente 6 aus. Hierdurch
werden die, jeweils aus einem mit einer Einzel- oder Gruppenwicklung 6b umwickelten
Polschuhe 6a gebildeten, Statorsegmente 6 spielfrei
aneinander angelegt, wodurch nicht nur eine optimale Raumnutzung
erzielt wird, sondern die Statorsegmente 6 auch ohne Kleben
oder Vergießen
stabil in der erforderlichen Ringform gehalten werden.
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In
der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform
sind die Federstege 3 zungenförmig ausgeführt, wobei die Federstege 3 jeweils
einen gabelförmigen
Bereich 3a aufweisen, dessen zwei Zinken einen zur Außenseite
der Federhülse 2 hin gewölbten Bereich 3b einfassen.
Vorzugsweise ist die Innenfläche
des gabelförmigen
Bereichs 3a entweder eben, oder an den Außenradius
des in der Federhülse
anzuordnenden Rings aus Statorsegmenten angepasst, ausgeführt.
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Zur
Stabilisierung eines Statorrings im Inneren der Hülse 1,
sind die Federstege 3 der Federhülse 1, wie es in den 1 und 2 gezeigt
ist, vorzugsweise zur Ringachse des Trägers 2 hin geneigt angeordnet.
Die Federstege 3 umschließen somit eine kegelstumpfförmige Geometrie,
deren kleinerer Durchmesser bei den freien Enden der Federstege 3 und
deren größerer Durchmesser
bei den an die Verbindungen 4 anschließenden Enden der Federstege 3 angeordnet
ist. Der kleinere Durchmesser ist zweckmäßig etwas kleiner als der Außendurchmesser
des aus den Statorsegmenten im Inneren der Federhülse 1 gebildeten
Rings, so dass die einzelnen Federstege 3 bei der Herstellung
der Statorringanordnung elastisch nach außen gebogen werden. Hierdurch
wird auf die einzelnen Statorsegmente 6 eine permanente,
radial nach Innen gerichtete Federkraft ausgeübt, wodurch ein stabiler Verbund
der Statorsegmente 6 in der Anordnung geschaffen wird.
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In
einer alternativen Ausführungsform
sind die Federstege 3 statt um eine kegelstumpfförmige Geometrie
um eine zylinderförmige
Geometrie herum angeordnet. Eine stabile Anordnung kann hier erreicht
werden, indem der Durchmesser der zylinderförmigen Geometrie so an den
Außendurchmesser der
von den Statorsegmenten 6 im Inneren der Federhülse 1 gebildeten
Ringstruktur angepasst ist, dass eine Reibschlussverbindung zwischen
Statorsegmenten 6 und Federstegen 3 erzielt wird.
Alternativ können
die Zinken des gabelförmigen
Bereichs 3a der Federstege 3 leicht in Richtung
zur Hülsenachse gebogen
sein, worüber
eine radial zum Hülseninneren
gerichtete Federkraft erzielt wird, die die Statorsegmenten 6 in
ihrer Lage fixiert. Eine federelastische Ausführung der Verbindungen 4 ist
in diesem Fall nicht erforderlich.
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Zum
Ausgleich der Toleranzen im Außendurchmesser
des aus den Statorsegmenten 6 gebildeten Rings ist zwischen
den beiden Zinken des gabelförmigen
Bereichs 3a der Federstege 3 ein nach außen gewölbter Bereich 3b vorgesehen.
In der linken Darstellung der 4 ist ein
Querschnitt durch einen mittleren Bereich eines unbelasteten Federstegs 3 gezeigt.
Der gabelförmige
Bereich 3a ist im dargestellten Ausführungsbeispiel gerade ausgeführt. Wie
zuvor erwähnt,
kann dieser Bereich 3a jedoch auch einen Radius aufweisen,
der an den mittleren Außendurchmesser
der aus den Statorsegmenten 6 gebildeten Ringe oder die
Außenkrümmung der
einzelnen Statorsegmente 6 angepasst ist. Zwischen den
beiden Zinken des gabelförmigen
Bereichs 3a ist ein gewölbter
Bereich 3b angeordnet, dessen Innenseite zum Inneren der
Federhülse
orientiert ist. Im eingebauten Zustand drückt die Innenwand des Motorgehäuses 5,
wie in der rechten Darstellung von 4 zu sehen
ist (das an der anderen Seite des Federstegs 3 anliegende
Statorsegment ist nicht dargestellt), gegen diese Wölbung und
verformt sie. Die Federhülse 1 kann
mit nur einem aber auch mit mehreren dergestalt ausgebildeten Federstegen 3 versehen
sein. Um einen maximalen Reibschluss der Federhülse 1 im Motorgehäuse 5 zu
erreichen, sind wie in 1 gezeigt vorzugsweise alle
Federstege 3 der Federhülse
in dieser Weise ausgebildet.
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Die
Wölbung
des Bereichs 3b ist dabei so groß gewählt, dass die Federstege 3 die
Innenwand des Motorgehäuses 5 auch
bei Außendurchmessern des
Statorsegmentrings am unteren Toleranzbereich zumindest noch berühren. Zum
Erzielen eines ausreichenden Reibschlusses wird jedoch eine etwas stärkere Wölbung bevorzugt,
so dass die Wölbung auch
hierbei etwas verformt wird, um einen festen Reibschluss zu ermöglichen.
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Damit
bei Statorsegmentringen mit Außendurchmessern
am oberen Toleranzbereich keine Kräfte auftreten, die zu einer
Beschädigung
der Statorsegmente 6 oder des Motorgehäuses 5 führen können, ist
der Innendurchmesser des Motorgehäuses so gewählt, dass über die Verformung der Wölbung 3b auch
bei diesen Außendurchmessern
keine zu großen
Druckkräfte
auf die Statorsegmente 6 oder das Motorgehäuse 5 ausgeübt werden.
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Die
Federhülse 1 erfüllt somit
mehrere Zwecke. Zum einen dient sie der Stabilisierung eines aus einzelnen
Statorsegmenten 6 gebildeten Statorrings, ohne dass die
Statorsegmente miteinander verklebt oder mit einer Vergussmasse
fixiert werden müssen. Zum
anderen dient sie dem Ausgleichen von Außendurchmessertoleranzen, die
bei der Herstellung des Statorrings fertigungsbedingt auftreten.
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In
der 5 sind die wesentlichen Schritte zum Herstellen
der in der 3 dargestellten Baugruppe für einen
bürstenlosen
Elektromotor wiedergegeben. Die einzelnen Statorsegmente 6 werden
in einem ersten Montageschritt S1 in dem von den einzelnen Federstegen 3 der
Federhülse 1 umschlossenen
Raum aneinandergrenzend in Form eines Rings angeordnet. Durch die
dabei von den Federstegen 3 auf die einzelnen Statorsegmente 6 ausgeübte Radialkraft
FR werden die Statorsegmente 6 somit von der Federhülse 1 in
einer wie in der 3 gezeigten stabilen zylinderförmigen Anordnung
gehalten. Im nächsten
Montageschritt S2 wird der so hergestellte Statorring in ein Motorgehäuse 5 eingeschoben,
wobei der Innendurchmesser des Motorgehäuses so auf die Außenabmessungen
der Federhülse 1 abgestimmt
ist, dass der Statorring durch eine Reibschlussverbindung im Motorgehäuse fixiert
ist. In einem fakultativen weiteren Montageschritt S3 können zwischen
dem Statorring und der Innenfläche
des Motorgehäuses
ausgebildete Leerräume
zumindest teilweise mit einer Vergussmasse, einem Thermoplast oder
einem Elastomer ausgefüllt
werden.
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- 1
- Federhülse
- 2
- Träger
- 3
- Federsteg
- 3a
- gabelförmiger Bereich
des Federstegs
- 3b
- gewölbter Bereich
des Federstegs
- 4
- Verbindung
Federsteg zu Träger
- 5
- Motorgehäuse
- 6
- Statorsegment
- 6a
- Polschuh
eines Statorsegments
- 6b
- Wicklung
eines Statorsegments
- S1
- Montageschritt 1
- S2
- Montageschritt 2
- S3
- fakultativer
Füllschritt