-
Die
Erfindung betrifft Elektromotoren der im Oberbegriff von Patentanspruch
1 angegebenen Art.
-
Solche
Elektromotoren sind in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausführungen
und Bauformen allgemein bekannt und werden z. B. in Kraftfahrzeugen häufig als
Gleichstrom-Innenläufermotoren
verwendet. Bei solchen Anwendungen kommt es häufig auf eine besonders kompakte
und gewichtsgünstige Bauweise
der elektrischen Kleinmotoren an, die üblicherweise eine Leistung
bis 1 KW aufweisen.
-
Aus
der
WO 2007/033639
A1 ist ein Stator für
einen Elektromotor bekannt, der aus einer Vielzahl von Statorsegmenten
mit jeweils etwa T- förmigem
Querschnitt zusammengesetzt ist. Diese Statorsegmente bestehen teilweise
aus Kunststoff, wobei zumindest ein Teil des Statorzahns mit dem
Kunststoffmaterial umspritzt wird. Hierbei können auf einfache Weise Folienscharniere
zur flexiblen Verbindung benachbarter Statorzähne, die den Zusammenbau des
Stators erleichtern sollen, erzeugt werden. Im zusammengebauten
Zustand bilden die Statorsegmente gemeinsam einen Lagersitz für ein Wälzlager,
in dem ein Ende der Rotorwelle gelagert werden kann. Da die Statorsegmente über Folienscharniere
flexibel miteinander verbunden sind, ist der segmentierte Stator
auch nach Verbindung seiner Statorsegmente nur bedingt eigensteif
und bedarf deshalb in der Regel der festen Anbringung in einem Gerät oder Motorgehäuse mit
entsprechend großer
Stabilität.
-
Des
Weiteren ist aus der
DE
10 2005 008 904 A1 ein elektronisch kommutierter Innenläufermotor
bekannt, dessen Stator gleichzeitig als topfförmiges Motorgehäuse ausgebildet
ist und der einen in seine Stirnwand integrierten Lagersitz für ein Wellenende
des Rotors aufweist. In diesem Lagersitz ist der Rotor mittels eines
z. B. Rillenkugellagers drehbar gelagert. Der zweite Lagersitz befindet
sich in einem gegenüberliegenden
Lagerschild, der am offenen Ende des topfförmigen Motorgehäuses angeordnet
ist. In diesem Lagersitz ist das andere Ende der Rotorwelle mittels
eines z. B. Kalottenlagers drehgelagert. Das Lagerschild ist gemeinsam
mit einem schützenden
Gehäusedeckel,
der das offene Ende des topfförmigen
Motorgehäuses
schließt,
mit mehreren Durchsteckschrauben befestigt. Zur Wasser-/staubgeschützten Kapselung
des Elektromotors sind am abtriebsseitigen Wellendurchgang des Motorgehäuses einerseits
und am Schraubflansch des Gehäusedeckels
andererseits Dichtungselemente angeordnet. Auch muss die Form des
Motorgehäuses
an die technisch gebotene Gestaltung des Stators angepasst werden,
was mit den Anforderungen an eine kompakte und gewichtsgünstige Bauweise des
Elektromotors nicht immer vereinbar sein wird. Dies gilt in noch
höherem
Maße für Elektromotoren, die
einen mechanischen Kommutator mit entsprechendem Platzbedarf aufweisen.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Elektromotor nach dem
Oberbegriff von Patentanspruch 1 anzugeben, der unter Aufrechterhaltung einer
großen
konstruktiven Freizügigkeit
gute Voraussetzungen für
eine einfache, kompakte und gewichtsgünstige Bauweise des Elektromotors
bieten kann.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Elektromotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Der
Grundgedanke der Erfindung basiert auf der Überlegung, die elektrisch isolierenden
Eigenschaften von Kunststoffmaterialien und deren gute Formbarkeit
gleichermaßen
zu nutzen, um eine Tragstruktur für den Elektromotor herstellen
zu können,
die den elektrotechnischen Anforderungen einerseits und den Anforderungen
an eine kompakte Bauweise bei geringem Gewicht andererseits in besonderem
Maße gerecht
werden kann.
-
Unter
Elektromotor sind dabei zunächst
einmal alle Strommaschinen zu verstehen, die als Innenläufer ausgeführt sind,
also auch Generatoren oder auch umschaltbare Kombinationsmaschinen, die
wechselweise als Elektromotor oder als Generator betrieben werden
können.
Darüber
hinaus umfasst der Elektromotor als Hauptkomponenten: einen Stator,
eine Rotor-/Läufergruppe,
gegebenenfalls eine Bürstenplatte
(Bürstenbrücke), Magnete
und ein Motorgehäuse.
-
Erfindungsgemäß ist die
Tragstruktur des Motors aus Kunststoff gebildet. Eine besonders
leichte und kompakte Gestaltung des Elektromotors wird erreicht,
indem der Stator und die Magnete in ein Motorgehäuse aus Kunststoff integriert
sind. Dabei kann der Stator in an sich bekannter Weise aus mehreren Statorsegmente
bestehen, die insbesondere in Ecken des Motorgehäuses integriert sind. So kann Motorgehäuse als
maßhaltiges
Spritzgussteil gefertigt werden. Der Stator bzw. die Statorsegmente
können
entweder in zugehörige
Gehäusekammern
des Kunststoffgehäuseteils
(des Motorgehäuses)
eingeschoben und danach bei Bedarf fixiert oder aber in das Spritzwerkzeug
eingelegt und beim Spritzen des Kunststoffgehäuseteils umspritzt werden.
-
Durch
Umspritzen des Stators bzw. seiner Segmente sind diese nach dem
Spritzvorgang des Motorgehäuses
automatisch exakt in der vorgesehenen Einbauposition festgelegt,
ohne dass separate Befestigungsmittel erforderlich sind. Die Maßhaltigkeit
und die Intensität
der Verbindung sind dabei erheblich größer als dies bei den Versionen
mit nachträglich
einzusetzendem Stator bzw. Statorsegmenten der Fall ist. Mit anderen
Worten: Wenn der Stator oder die Statorsegmente eingespritzt werden,
sind die Toleranzen im Motor enger, als wenn der Stator oder die
Statorsegmente eingeschoben werden. Demzufolge kann der Luftspalt
enger gestaltet sein, wodurch die Leistung des Motors steigt.
-
Der
Stator bzw. die diesen gemeinsam bildenden Statorsegmente können im
einfachsten Fall aus massivem Material bestehen und in an sich bekannter
Weise durch Ziehen, Strangpressen, Schmieden, Gießen, Sintern
oder andere formgebende Umformverfahren hergestellt sein. Alternativ kann
der Stator bzw. können
die Statorsegmente als Stapel aus parallelflachen Elektroblechen
bzw. Backblechen mit geeigneter geometrischer Form oder Kontur zusammengesetzt
sein. Dabei können
vormagnetisierte Permanentmagnete, die dauermagnetisch sind oder
die erst magnetisiert werden müssen, verwendet
werden. Die noch zu magnetisierenden Magnete können dabei vor dem Einsetzen
bzw. Einspritzen in ihre Aufnahmekammer im Stator (Taschen im Stator)
oder auch danach magnetisiert werden. Dabei können die Magneten mit dem Stator
oder den Statorsegmenten mit in das Motorgehäuse eingespritzt oder bei der
Montage eingeschoben werden.
-
Bei
Elektromotoren, wie z. B. dem klassischen Universalmotor (U-Motor
oder so genannter "Waschmaschinenmotor") oder dem klassischen Gleichstrommotor
(DC-Motor), die keine Permanentmagneten aufweisen und mit Statorpolwicklungen versehen
sind, können
auf gleiche Weise aufgebaut werden. Dabei wird bzw. werden der Stator
oder die Statorsegmente mit der Wicklung umspritzt und so in das
Motorgehäuse
integriert.
-
Die
geometrische Form des Stators bzw. der Statorsegmente kann nach
den technischen Anforderungen des Elektromotors oder dem verfügbarem Bauraum
variieren. Beispielsweise besteht der Stator aus vier verbundenen
oder unverbundenen Statorsegmenten, die insbesondere eine quadratische Form
des Stators bilden. Ein besonderer Effekt ist bei Motorgehäusen mit
eingespritztem oder eingegossenem Stator bzw. eingespritzten oder
eingegossenen Statorsegmenten gegeben, da der Stator bzw. die Statorsegmente
hierbei spielfrei in den Kunststoff eingebettet sind.
-
Bei
einem Motorgehäuse,
welches den Rotor und den Stator umschließt, sind partiell Innengehäusestege
vorgesehen, die im Bereich der Magnete im geringem Luftspalt (Umfangsspiel)
zwischen Rotor und Magnete angeordnet sind, wodurch in einfacher Art
und Weise eine Abtrennung zwischen dem Rotor und dem Magnet gebildet
ist, um ein Anziehen der Magneten zu verhindern. Auch kann das Motorgehäuse, insbesondere
die Gehäusewandungen und/oder
die Stege unterschiedliche Wand- bzw. Stegdicken
aufweisen.
-
Damit
der Elektromotor besonders kompakt gestaltet werden kann und sich
mit geringem Aufwand Wasser-/staubdicht kapseln lässt, kann
das Motorgehäuse
beispielsweise partiell als topfförmige Haube ausgebildet sein,
deren auf der Abtriebsseite liegende Fläche oder Schnittstelle bei
Bedarf mittels einer Dichtungsanordnung oder -element gegenüber einer
Gegenfläche
eines Anschlussgerätes
abgedichtet ist. Bei einer solchen Ausführung ist im Motorgehäuse nur
ein Wellendurchgang für
die Rotorwelle erforderlich, der zudem über die Abdichtung zu einer Gegenfläche des
Anschlussgeräts
mitabgedichtet werden kann.
-
Darüber hinaus
kann ein Wellenstumpf des Rotors, ggf. samt einem zugehörigen Lager,
in einem Gehäuse
des anzutreibenden Anschlussgeräts
versenkt sein, wodurch die wirksame Bauhöhe bzw. Baulänge des
Motorgehäuses
um die Länge
eines Lagersitzes reduziert werden kann.
-
Der
auf der gegenüberliegenden
Seite der Abtriebsseite liegende Wellenstumpf der Rotorwelle kann
vorteilhaft in einen Kalottenlagersitz eingreifen, welcher einteilig
an die weitgehend geschlossene Stirnwand des Motorgehäuses angeformt
bzw. angespritzt bzw. eingesetzt ist. Der Kalottenlagersitz ist vorzugsweise
integraler Bestandteil einer erhabenen Kuppel, die mittig von der
Gehäusestirnseite
des Motorgehäuses
abragt, wobei der Kalottenlagersitz entgegengesetzt zur Kuppel ins
Innere des Motors hineinragt. Dabei kann der Wellenstumpf zur Drehlagerung
unmittelbar in den Hohlquerschnitt des Kalottenlagersitzes eingreifen,
wodurch Baugröße des Motors
reduziert ist.
-
Um
das Zentrieren des Rotors bei der Montage in das Motorgehäuse zu erleichtern,
kann aus dem Stirnende des Kalottenlagersitzes ein zentrales Durchgangsloch
ausgespart sein, das von einem umlaufenden Ringbund begrenzt wird.
Damit das Motorgehäuse
trotzdem wasser- und staubdicht gekapselt werden kann, lässt sich
das Durchgangsloch mittels eines passenden Stopfens verschließen. Je
nach Art der Lagerung in dem Kalottenlagersitz kann es ggf. auch
geboten sein, das Durchgangsloch vollständig wegfallen zu lassen, wodurch
die Montage des Stopfens entfallen kann und in diesem Bereich des
Motorgehäuses
keine Dichtungsproblematik gegeben ist.
-
Eine
weitere Reduzierung der Baulänge
bzw. Bauhöhe
des Elektromotors kann erreicht werden, indem ein Endbereich des
Kalottenlagersitzes berührungsfrei
in einen axialen Ringraum des Rotors hineinragt. Hierdurch kann
eine raumsparende Längenüberdeckung zwischen dem Kalottenlagersitz und dem
von ihm durchdrungenen Ringraum des Rotors erzeugt werden. Der vom
Endbereich des Kalottenlagersitzes genutzte Ringraum kann je nach
Bauweise des Elektromotors z. B. eine Hohlkehle in der Ringstirnfläche eines
Kommutators sein.
-
Weist
der Rotor in seinem aus dem Kalottenlagersitz herausstehenden Längenbereich
einen Kommutator auf, an dessen Umfang federbelastete Kontakt- oder
Kohlebürsten
anliegen, so kann eine beliebige Anzahl von Kontakt- oder Kohlebürsten vorteilhaft
mit Führungs-
oder Kohleschächten
beliebiger Art und Federn beliebiger Art eine Baueinheit bilden,
die beispielsweise in radialer Anordnung in das Motorgehäuse integriert
ist oder als Einzelteile im Motorgehäuse integriert sind oder alternativ
auf einer Bürstenplatte
(Bürstenbrücke) angeordnet
sind. Die Kohleschächte
können
dabei separat ausgebildet und an der Stirnwand des Motorgehäuses befestigt sein.
Ein entsprechender Kostenvorteil für den Elektromotor ist gegeben,
wenn die Kohleschächte
unmittelbar an die benachbarte Stirnwand des Motorgehäuses angespritzt
sind.
-
Um
beim Einbau der Läufergruppe
(bestehend aus: Welle, z. B. Kugellager fest auf Welle, bewickeltes
Rotorpaket und Kommutator) in das Motorgehäuse montieren zu können, werden
die Kohlebürsten
beim Einbau des Rotors in das Motorgehäuse zunächst entriegelt, indem sie
mittels einer Rückhalteeinrichtung
in einer vorschubgehemmten Montagestellung gehalten. Diese Rückhalteeinrichtung wird
beim Einschieben des Kommutators zwischen die Kohlebürsten zweckmäßig selbsttätig deaktiviert, so
dass kein zusätzlicher
Arbeitsgang erforderlich ist. Außerdem müssen die Kohlebürsten bei
dem Montieren in das Motorgehäuse
nicht zwingend von der Außenseite
her zugänglich
angeordnet sein, wodurch die Wasser-/staubdichte Kapselung des Elektromotors
erleichtert sein kann. Eine besonders einfache Rückhalteeinrichtung kann von
einem die Kohlebürsten
radial abstützenden
Bürstenrückhaltering gebildet
werden, der koaxial zum Kalottenlagersitz gehalten und über den
axialen Vorschub des Kommutators beim Einschieben des Rotors automatisch verdrängt wird.
-
Damit
der Bürstenrückhaltering
in einer zentrischen Ausgangsposition gehalten werden kann, muss
an seinem Umfang mindestens eine Dreipunkt- bzw. Dreiflächenabstützung vorgesehen
werden. Sind dem Kommutator nur zwei als Stützflächen nutzbare Kohlebürsten zugeordnet,
kann die dritte Stützfläche für den Bürstenrückhaltering
von einem unbeweglichen Haltezapfen gebildet werden, der gewichts-
und kostengünstig
an das Motorgehäuse
angespritzt sein kann.
-
Der
Bürstenrückhaltering
kann aus einer Kombination einer planen Anlauf-, Wellen- oder Anstellscheibe ähnlich einer
Unterlegscheibe und einem gewellten Federring geringeren Durchmessers bestehen,
damit der im Motorgehäuse
verbleibende Bürstenrückhaltering
nach der Montage des Rotors dauerhaft zur axialen Abstützung bzw.
zum Anstellen eines Lagers unter axialer Federkraft genutzt werden kann.
Zusammenfassend übernimmt
der Bürstenrückhaltering
zwei Funktionen: Er verriegelt die Bürsten vor der Läufergruppenmontage
und er stellt das Kugellager auf der anderen Seite des Motors an
und federt dabei bei axialer Bewegung der Welle. Durch das Anstellen
des Kugellagers kann die Lebensdauer des Lagers sichergestellt werden.
Beispielsweise kann ein bürstenbehafteter
Motor zwei oder mehr Kohlebürsten
umfassen. Bei drei oder mehreren Kohlebürsten pro Motor werden die
Kohlebürsten mittels
des Bürstenrückhalterings
verriegelt. Bei einem aus zwei Kohlebürsten bestehenden Bürstensystem
wird ein dritter Abstützpunkt,
z. B. in Form eines Haltedoms, benötigt. Der Haltedom kann beispielsweise
am Gehäuseboden
eingespritzt sein.
-
Bei
der Montage wird der Bürstenrückhaltering
rausgedrückt,
wodurch die Kohlebürsten
entriegelt sind, wobei der Bürstenrückhaltering
als Anlauf- und Anstellscheibe zwischen dem Kommutator und der Kalotte
im Motor verbleibt. Abhängig
von der Federkraft des gewellten Federrings (die Wellen des Federrings übernehmen
die federnde Funktion) kann der Federring zwei oder mehr Wellen
haben. Üblicherweise
weist der Federring drei oder vier Wellen auf.
-
Darüber hinaus
kann der Platzbedarf in Axialrichtung optimiert werden, indem eine
mit dem Federring zusammenwirkende Ringstirnseite des Kommutators
mit einer angepassten Hohlkehle versehen ist, die zu einer entsprechenden
Längenüberdeckung von
komprimiertem Federring und Kommutator führt.
-
Vorzugsweise
ist der Bürstenrückhaltering aus
nicht metallischen Werkstoffen gebildet, beispielsweise aus Kunststoff
mit Teflon-Beschichtung oder ähnlichen
Kunststoffen mit guten Gleiteigenschaften. Metallische Werkstoffe
sind ebenfalls möglich.
-
Bei
im Motorgehäuse
entgegengesetzt zur Abtriebsseite angeordnetem Kommutator lassen
sich für
den Stromanschluss des Elektromotors vorteilhaft mehrere Stromschienen
aus Leiterwerkstoff der Länge
nach in das isolierende Motorgehäuse
integrieren. Die Stromschienen können
dabei eingelegt oder eingespritzt sein und tragen zur Aussteifung
des Motorgehäuses
bei. Die Endbereiche der Stromschienen können zur Kontaktierung dienen
und durch die Dichtungsebene des Motorgehäuses hindurchragen, wodurch
die Kontaktierung direkt auf der Schnittstelle zur Anwendung wie
z. B. einer anzutreibenden Pumpe erfolgen kann. Außerdem wird
die Schnittstelle zur Anwendung wie z. B. einer Pumpe vom Motorgehäuse verdeckt
und über
eine Dichtung der Schnittstelle mitabgedichtet. Eine von außen sichtbare
Stromzuführung
für den
Elektromotor muss somit nicht mehr vorgesehen werden.
-
Damit
das Motorgehäuse
ohne Vergrößerung seiner
Fügfläche problemlos
auf der Gegenfläche
eines anzutreibenden Geräts
montiert werden kann, lassen sich auf entgegengesetzten Seiten des Motorgehäuses an
dieses angeformte Befestigungslaschen vorsehen, die für eine problemlose
Erreichbarkeit mit einem Schraubwerkzeug oder dergleichen jeweils
im Überdeckungsbereich
mit einer zugehörigen
Einbuchtung einer Umfangsfläche
des Motorgehäuses
angeordnet sein können.
-
Um
bei einer Stromversorgung über
die Schnittstelle zum angetriebenen Gerät kurze Leitungswege zu erhalten,
sind in einer alternativen Ausführungsform
des Elektromotors die Kohlebürsten
und der Kommutator nah an der Anwendung und somit abtriebsseitig
angeordnet. Dem Kommutator kann hierbei eine separate Bürstenplatte
mit den entsprechenden Kontakt- oder
Kohlebürsten
zugeordnet sein. Der Einbau der zugänglichen Kontaktbürsten kann
hierbei problemlos in herkömmlicher
Weise erfolgen. Für
einen geringen Platzbedarf des Motorgehäuses und die Verwendung einer
relativ kleinen Bürstenplatte
ist es dabei zweckmäßig, wenn
sich der Querschnitt des Motorgehäuses zwischen Stator bzw. Statorsegmenten
und Stirnseite verjüngt.
Die Stabilität
des vorzugsweise zu einem zylindrischen Abschnitt verjüngten Motorgehäuses kann
dabei durch keilförmige
Verstärkungsrippen
verbessert sein, die vom maximalen Querschnitt des Motorgehäuses im
Bereich des Stators ausgehen.
-
Ein
wesentlicher Vorteil des auf der Abtriebsseite verjüngten Motorgehäuses ergibt
sich auch dadurch, dass nahe der Ringstirnseite des Motorgehäuses an
dessen Umfang ein Freiraum entsteht, in dem das Motorgehäuse seitlich
oder schräg
seitlich für Werkzeug
zugänglich
ist, mit dem der Motor auf der planen Gegenfläche des anzutreibenden Geräts, z. B.
verschraubt oder verstemmt werden kann. Damit ist zwischen benachbarten
Statorsegmenten auch keine Einbuchtung der Umfangsseite des Motorgehäuses erforderlich,
um ein senkrechtes bzw. zur Drehachse des Motors paralleles Ansetzen
eines z. B. Schraubwerkzeugs zu ermöglichen. Hierdurch eröffnet sich
die vorteilhafte Möglichkeit,
einen Statorbereich mit quadratischem Querschnitt und einem Statorsegment
in jedem der Eckbereiche vorzusehen, wobei der Durchmesser des den
Rotor umschließenden
zylindrischen Gehäuseabschnitts
nahezu der Breite des Quadrats entsprechen kann.
-
In
einer weiteren alternativen Ausführungsform
ist vorzugsweise die Bürstenplatte
eine vom Kommutator der Rotorwelle durchsetzte Ringplatte, die in
den an die Ringstirnseite angrenzenden Hohlquerschnitt des Motorgehäuses eingreift.
Die Baulänge
des Elektromotors kann bei dieser Anordnung mit Längenüberdeckung
relativ gering gehalten werden.
-
Falls
die Bürstenplatte
axial mit der Ringstirnseite des Motorgehäuses zusammenwirkt, kann die
Bürstenplatte
auf entgegengesetzten Seiten des Motorgehäuses mit abstehenden Befestigungslaschen
zur Anbringung auf der Gegenfläche
des anzutreibenden Geräts
versehen sein. Vorzugsweise besteht die Bürstenplatte aus Kunststoff
und die Befestigungslaschen sind an zwei oder alle vier Seiten der Bürstenplatte
angespritzt.
-
Im
Folgenden werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
-
Darin
zeigen:
-
1 eine
Draufsicht auf einen Anordnungsbereich eines Gleichstrommotors an
einem anzutreibenden Gerät,
-
2 einen
Diagonalschnitt durch den Gleichstrommotor gemäß der Schnittlinie II-II in 1,
-
3 eine
Rotorwelle des Gleichstrommotors vor dem Einschieben in einen Lagersitz
zwischen Kontaktbürsten,
-
4 die
Rotorwelle nach dem Einschieben in den Lagersitz,
-
5 eine
perspektivische Schrägansicht auf
den Lagersitz samt Kontaktbürstenanordnung
an der Stirnseite des Motorgehäuses,
-
6 eine
separate perspektivische Darstellung eines Bürstenrückhalterings der Kontaktbürstenanordnung
von einer Seite,
-
7 den
Kontaktbürstenrückhaltering
von der anderen Seite,
-
8 einen
vertikalen Mittelquerschnitt durch das Motorgehäuse,
-
9 eine
Draufsicht auf einen Anordnungsbereich mit einer 1. Variante zum
Gleichstrommotor nach 1,
-
10 einen
Diagonalschnitt durch den Gleichstrommotor gemäß der Schnittlinie X-X in 9,
-
11 eine
Draufsicht auf einen Anordnungsbereich mit einer 2. Variante zum
Gleichstrommotor nach 1,
-
12 einen
Diagonalschnitt durch den Gleichstrommotor gemäß der Schnittlinie XII-XII
in 11,
-
13 eine
Draufsicht auf einen Anordnungsbereich mit einer 3. Variante zum
Gleichstrommotor nach 1 und
-
14 einen
Diagonalschnitt durch den Gleichstrommotor gemäß der Schnittlinie XIV-XIV
in 13.
-
Einander
funktional entsprechende Teile sind zur Vereinfachung der Beschreibung
in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 und 2 zeigen
einen Elektromotor 20, der als Gleichstrommotor nach dem
Innenläuferprinzip
ausgebildet ist, und hier zum Antrieb einer als schematischer Block
gezeichneten Anwendung 21, z. B. Pumpe, vorgesehen ist.
Dabei ist der Elektromotor 20 bezogen auf seine geometrische
Drehachse 22 senkrecht auf eine plane obere Anschlussseite der
Anwendung 21 aufgeflanscht.
-
Die
tragende Struktur des Elektromotors 20 wird ganz überwiegend
von einem Motorgehäuse 23 gebildet,
das aus robustem Kunststoffmaterial gespritzt ist. Dabei wurde als
Grundform für
das Motorgehäuses 23 beispielsweise
eine zylindrische/quadratische Topfform gewählt. Das Motorgehäuse 23 ist insgesamt
so konstruiert, dass im Spritzwerkzeug keine Schieber erforderlich
sind, wodurch es sehr maßhaltig
gefertigt werden kann. Der Innendurchmesser des Motorgehäuses 23 ist
exakt auf den größten Außendurchmesser
eines Rotors 24 abgestimmt, der um die senkrechte Drehachse 22 mittig im
Motorgehäuse 23 gelagert
ist. Der Rotor 24 umfasst eine zylindrische Rotorwelle 25,
die im unteren Längenbereich
des Motorgehäuses 23 ein
Läuferblechpaket 26 mit
den zugehörigen
Läuferwicklungen 27 trägt. Oberhalb
der Läuferwicklungen 27 ist die
Rotorwelle 25 von einem auf dieser befestigten Kommutator 28 umschlossen,
der sich bis zum oberen Wellenstumpf der Rotorwelle 25 erstreckt.
Unterhalb der Läuferwicklungen 27 befindet
sich der untere Wellenstumpf der Rotorwelle 25, der nach
unten aus dem Motorgehäuse 23 heraussteht
und einen Lagersitz in der Anwendung 21 durchdringt. In
diesem Lagersitz ist ein vom Wellenstumpf durchsetztes Kugellager 29 in
einer Horizontalebene angeordnet. Aus dem Innenring des Kugellagers 29 steht
beispielsweise ein Exzenter 30 nach unten heraus, der einteilig
mit dem Wellenstumpf ausgebildet ist. Über die motorische Drehung
des Exzenters 30 und den dabei wirksamen Hub kann die mit
dem Exzenter 30 bewegungsgekoppelte Anwendung 21 in
bekannter Weise angetrieben werden.
-
Die
zylindrische Grundform des Motorgehäuses 23 ist unmittelbar
oberhalb des Läuferblechpaketes 26 stufig
zu einer annähernd
quadratischen Form erweitert, deren Umfangswand sich parallel zur
Drehachse 22 bis zum unteren Ende des Läuferblechpaketes 26 erstreckt.
In die vier Eckbereiche des quadratischen Motorgehäuseabschnitts
sind jeweils ein Magnet 31 und Statorsegmente eines Statorbleckpakets 41 in
das Motorgehäuse 23 eingeschoben
oder alternativ eingespritzt. Der Magnet 31 ist beispielsweise
ein Permanentmagnet, z. B. ein Neodynmagnet. Das Statorbleckpaket 41 weist
eine Außenform einer
quadratischförmigen
Platte, die aus vier einzelnen Statorsegmenten oder als ein einziges
Statorsegment ausgebildet sein kann.
-
Die
Magnete 31 gehen bezogen auf ihre Mittelebene gesehen jeweils
vom abgeflachten Eckbereich der Ecke oder Tasche im Stator aus und
laufen diagonal auf die Drehachse 22 des Elektromotors 20 zu.
Obere und untere Seite der Magnete 31 können auf gleicher Höhe wie die
Oberkante bzw. Unterkante des Läuferblechpaketes 26 liegen.
Dabei weist das Motorgehäuse 23 zur
Abtrennung von Magneten 31 und Rotor 24 partiell
Innengehäusestege 53 auf,
die sich zumindest zwischen dem jeweiligen Magneten 31 und
dem Läuferblechpaket 26 erstrecken,
so dass die Magneten 31 kammerartig vom Motorgehäuse 23 umgeben
sind.
-
Der
jeweilige Magnet 31 ist dabei zwischen zwei Statorblechpaketen 41,
insbesondere in einer Tasche zwischen diesen angeordnet. Zur Integration des
Statorblechpakets 41, d.h. von einzelnen separaten Statorsegmenten
bzw. einem einzelnen Statorbauteil, in das Motorgehäuse 23 umfassen
zwei an einem Magneten 31 angrenzende Statorsegmente optional
eine Einbuchtung 32, wodurch die Statorblechpakete 41 mit
den Magneten 31 form-, kraft- und gegebenenfalls stoffschlüssig im
Motorgehäuse 23 beispielsweise
durch Anspritzen von Kunststoff integriert sind. Durch die Einbettung
des Statorblechpaketes 41 mit den Magneten 31 in
ein Kunststoffgehäuse
ergibt sich etwa über
die Höhe
der Läuferwicklung 27 ein
sehr steifer Verbund aus dem Motorgehäuse 23, den Magneten 31 und
den Statorblechpaketen 41, die in diesem Bereich gemeinsam
die Tragstruktur des Motorgehäuses 23 bilden.
-
Wie
in 2 zu erkennen ist, kann die Dicke der Innengehäusestege 53 zwischen
Läuferblechpaket 26 und
Magneten 31 sehr viel dünner
bemessen werden als die Dicker der im darüber liegenden Längenbereich
angeordneten Gehäusewand
(Zylinderwand) des Motorgehäuses 23.
Bei kleinem Luftspalt zwischen Läuferblechpaket 26 und
Zylinderwand mit eingebetteten Magneten 31 bzw. Innengehäusestege 53 muss
jedoch ein möglichst
präziser
Rundlauf des Rotors 24 sichergestellt sein.
-
Darüber hinaus
ist die Rotorwelle 25 auf der gegenüberliegenden Seite der Abtriebsseite
mittels eines oberen Wellenstumpfes zusätzlich in einem Lagersitz an
der oberen Stirnseite des Motorgehäuses 23 drehbar gelagert.
Zur Bildung des Lagersitzes ist die Stirnseite des Motorgehäuses 23 im
Mittelbereich kuppelartig nach oben gewölbt. An diesen Kuppelbereich
ist einteilig ein Kalottenlagersitz 33 (auch Kalottenlagerhülse genannt)
in das Motorgehäuse 23 integriert,
insbesondere angeformt bzw. angespritzt, die konzentrisch zur Drehachse 22 nach
unten absteht und ins Innere des Motors hineinragt. Das Ende des Kalottenlagersitzes 33 liegt
dem Kommutator 28 in einem geringen Abstand gegenüber. Wie
in der rechten Hälfte
des Kalottenlagersitzes 33 im Schnitt gezeigt ist, kann
die Umfangswand einen nach außen
gewölbten
Lagersitz aufweisen, der unter Anpassung an die Krümmung einer
Kalotte 34 ausgebaucht ist. Durch Lagerung der Kalotte 34 im
Kalottenlagersitz 33 wird somit ein als Kalottenlager bzw.
Kugelgelenklager bezeichnetes Gleitlager gebildet, durch das kleine
Achsabweichungen von der Drehachse 22 ausgeglichen werden
können.
In der linken Hälfte des
geschnittenen Kalottenlagersitzes 33 ist demgegenüber eine
alternative Ausführungsform
gezeigt, bei welcher der obere Wellenstumpf der Rotorwelle 25 unmittelbar
im Hohlquerschnitt des Kalottenlagersitzes 33 drehbar gelagert
ist.
-
Die
Hülsenkörper beider
gezeigten Ausführungsformen
Kalottenlagersitze 33 verjüngen sich oberhalb des Lagersitzes,
bevor sie in eine Abflachung der Kuppel übergehen. Aus der zentralen
Abflachung auf der Kuppel der oberen Gehäusestirnseite ist mittig ein
Durchgangsloch ausgespart, das durch einen zugehörigen, bei Bedarf zu lösenden Stopfen 35 Wasser-/staubdicht
geschlossen ist. Zur Abdichtung des Motorgehäuses 23 gegen Spritzwasser
und Staub ist auf der entgegengesetzt zum Stopfen 35 liegenden
Seite zwischen dieser und der planen Gegenfläche der Anwendung 21 ein
Dichtelement 42 eingeklemmt.
-
Neben
der Kuppel der oberen Gehäusestirnseite
ist ein Kabelkanal 36 gezeigt. Durch den Schacht des Kabelkanals 36 lässt sich
der Elektromotor 20 in bekannter Weise unter wasser- und staubdichter
Kapselung an die Stromversorgung anschließen.
-
Unmittelbar
unterhalb der oberen Stirnwand des Motorgehäuses 23 sind um 90
Grad gegeneinander versetzt zwei Kohleschächte 37 in das Motorgehäuse 23 integriert,
die sich radial zum Kommutator 28 erstrecken. In den Kohleschächten 37 ist
jeweils eine Kontaktbürste 38,
die insbesondere als Kohlebürste
ausgebildet ist, linear schiebegeführt und mittels einer Druckfeder 39 axial
in Richtung des Kommutators 28 federbelastet, wodurch dieser
mit entsprechender Federkraft gegen dessen Umfang gedrückt wird.
Zusätzlich
sind hier unter der Kuppel (Stirnwand) des Motorgehäuses 23 zwei
Entstördrosseln 40 befestigt,
die somit ebenfalls raumsparend im Kuppelraum des Motorgehäuses 23 zwischen
Kommutator 28 und Motorgehäusewand untergebracht sind.
Die Entstördrosseln 40 werden
selbstverständlich
nur dann vorgesehen, wenn eine Entstörung des Elektromotors 20 erforderlich
ist und können
ansonsten ohne bauliche Änderung
am Motorgehäuse 23 wegfallen.
-
In
der den Winkel zwischen den Längsachsen
der beiden Kohleschächte 27 halbierenden
Gehäuseebene
ist in einem festgelegten Abstand zur Drehachse 22 ein
Haltezapfen 43 angeordnet, der ebenfalls in die Schnittebene
von 2 hineingedreht ist. Dieser Haltezapfen 43 ist
an die Stirnseite des Motorgehäuses 23 angespritzt
und weist einen z. B. runden Querschnitt auf. Der Haltezapfen 43 bildet neben
den Enden der beiden Kohlebürsten 38 eine dritte
Abstützfläche für einen
Bürstenrückhaltering 44,
durch den die Kohlebürsten 38 beim
Zusammenbau des Elektromotors 20, so auf Abstand gehalten werden,
dass die Umfangsfläche
des Kommutators 28 beim Einschieben des Rotors 24 zwischen
die Enden der Kontaktbürsten 38 gelangen
kann, bevor die Federbelastung wirksam wird.
-
Die
Ausgangsposition vor dem Einschieben des oberen Wellenstumpfes der
Rotorwelle 25 in den Lagersitz des Motorgehäuses 23 ist
in 3 gezeigt, wobei der Bürstenrückhaltering 44 mittig
zwischen den der Drehachse 22 zugewandten Enden der beiden
Kohleschächte 37 und
dem Umfang des Haltezapfens 43 gehalten ist. Die Kohlebürsten 38 sind
dabei gegen ihre Federbelastung in ihren Kohleschacht 37 hineingedrückt, so
dass sie am Umfang des Bürstenrückhalterings 44 anliegen.
-
Wird
nunmehr die vormontierte Rotorbaugruppe mit dem Wellenstumpf der
Rotorwelle 25 voran in der mit der Kalotte 34 versehene
Kalottenlagersitz 33 eingeschoben, gelangt der Rotor 24 in
seine Position gemäß 4 im
nur bis zur Statorebene gezeigten Motorgehäuse 23. Beim Einschieben
hat der Wellenstumpf zunächst
das Loch im Bürstenrückhaltering 44 passiert
und gelangt mit seinem Endbereich in den Kalottenlagersitz 33.
Mit Anliegen der oberen Seite des Kommutators 28 an der
gegenüberliegenden
Fläche
des Bürstenrückhalterings 44 wird
dieser mitgenommen und in Richtung des Kalottenlagersitzes 33 verschoben.
Wie in Verbindung mit 5 zu erkennen ist, bleibt die
radiale Umfangsabstützung des
Bürstenrückhalterings 44 über die
Enden der Kohlebürsten 38 in
den beiden Kohleschächten 37 sowie
den Haltezapfen 43 dabei zunächst erhalten und der Bürstenrückhaltering 44 wird
entlang der Drehachse 22 unter Aufrechterhaltung seiner
konzentrischen Position axial verlagert.
-
In
Verbindung mit den Einzeldarstellungen des Bürstenrückhalterings 44 nach
den 6 und 7 ist zu erkennen, dass der
eigentliche Bürstenrückhaltering 44 als
plane Ringscheibe ausgebildet ist, die durch einen axial etwas versetzten,
an den Innenumfang der Ringscheibe anschließenden Federring 45 ergänzt ist.
Der dadurch einen deutlich geringeren Außendurchmesser aufweisende
Federring 45 ist lediglich über zwei (bei zwei Wellen)
diametrisch angeordnete Stege mit der planen Ringscheibe verbunden
und weist über
seine Umfangslänge
verteilt mehrere zwei Wellenberge bzw. Wellentäler auf, wobei er axial entsprechend
etwas zusammendrückbar ist.
Vorzugsweise ist die Kombination aus Bürstenrückhaltering 44 und
Federring 45 einteilig ausgebildet, wobei sie je nach den
weitergehenden Anforderungen aus Metall oder auch Kunststoff bestehen kann.
-
Nachdem
der Bürstenrückhaltering 44 die Anordnungsebene
der Kohlebürsten 38 passiert
hat, sind diese automatisch entriegelt oder losgelöst und werden
durch die Kraft ihrer Druckfeder 39 auf den Umfang des
eingeschobenen Kommutators 28 gedrückt und in der Auflagestellung
gehalten. Die obere Stirnseite des Bürstenrückhalterings 44 liegt
nunmehr an der unteren Ringstirnseite der Kalotte 34 an, wobei
die Andruckkraft vom Federring 44 auf den Kommutator 28 und
die Läufergruppe 26, 27 übertragen
wird, wodurch das Kugellager 29 auf der gegenüberliegenden
Seite angestellt wird. Wie in 3 gut zu
erkennen ist, liegt der Federring 45 dabei überwiegend
versenkt in einer Hohlkehle 46, die aus der Ringstirnseite
des Kommutators 28 ausgespart ist. Hierdurch ist zumindest
für den
axialen Federweg des Federrings 45 keine zusätzliche
Baulänge
des Rotors 24 erforderlich.
-
In 8 ist
das Motorgehäuse 23 in
einer modifizierten Ausführungsform
gezeigt, in der die obere Stirnwand weder mit einem Kabelkanal 36 zum Anschluss
an die Stromversorgung noch mit einem mittels eines Stopfens zu
verschließenden
Loch versehen sondern vollständig
geschlossen ist, was im Hinblick auf eine besonders sicher wassergeschützte Gestaltung
vorteilhaft ist. Die Stromversorgung erfolgt hierbei innerhalb des
Motorgehäuses 23 von
unten über
das Gehäuse
der Anwendung 21 kommend. Hierzu sind in die Umfangswand
des Motorgehäuses 23 mehrere
Stromschienen 47 eingespritzt oder eingelegt, die durch
die sie ummantelnde Gehäusewand voneinander
elektrisch isoliert sind. Diese Stromschienen 47 enden
oben nahe unter der geschlossenen Stirnwand des Motorgehäuses 23 mit
einem z. B. rechtwinklig abgebogenen Endbereich 47', der zum Anschluss
an die Kontaktbürsten 38 vorgesehen
ist. Aus der unteren Seite des Motorgehäuses 23 steht ferner
ein senkrecht in das Gehäuse
der Anwendung 21 hineinragender Endbereich 47'' der Stromschiene 47 heraus,
der als Steckkontakt für
eine zugeordnete Buchse oder zu einer anderen bekannten Art der
Anschlusskontaktierung mit der zugeordneten, in die Anwendung 21 hereingeführten Versorgungsleitung dienen
kann.
-
Die
nachfolgend lediglich hinsichtlich ihrer Unterschiede näher beschriebenen
Motorvarianten der 9 und 10, der 11 und 12 sowie der 13 und 14 weisen übereinstimmend
im unteren Bereich des Rotors 24 den Kommutator 28 auf,
der somit nahe an der Anwendung 21 liegt. Hierdurch sind
kurze Anschlusswege zur Anwendung 21 oder zum anstelle
der Anwendung 21 angetriebenen Gerät gewährleistet und es können sich
Vorteile z. B. im Hinblick auf die Wärmeabfuhr des Elektromotors 20 ergeben.
Auch kann die Kontaktierung mit kurzen Leitungswegen unterhalb der
Schnittstelle zum Gerät erfolgen,
wobei die Schnittstelle vom haubenförmigen Motorgehäuse 23 verdeckt
wird. Dem Kommutator 28 ist jetzt eine herkömmliche
Bürstenplatte 48 zugeordnet,
wodurch kein Problem mehr bei der Entriegelung der in Kohleschächten 37 der
Bürstenplatte 48 geführten Kohlebürsten 38 besteht.
Die Bürstenplatte 48 greift
dabei zumindest mit einem Teilquerschnitt in den z. B. zylindrischen
Hohlquerschnitt des Motorgehäuses 23 ein.
Durch die Verlegung des Kommutators 28 nach unten, liegt
die Läuferwicklung 27 nunmehr
in einem geringen Abstand zur oberen Stirnseite des Motorgehäuses 23.
Die obere Stirnseite des Motorgehäuses 23 weist auch
keine erhabene Kuppel mehr auf, sondern ist an der Oberseite völlig eben.
Auch hier steht mittig von der Stirnseite der Kalottenlagersitz 33 nach
unten ab, welche die Kalotte 34 zur Lagerung des von ihnen
umschlossenen Wellenstumpfes des Rotors 24 enthält. Der
Kalottenlagersitz 33 greift dabei berührungsfrei in einen axialen Ringraum 49 des
Rotors 24 hinein, aus dem im Umfangsbereich des Wellenstumpfes
eine Ringnute ausgespart ist. Hierdurch ergibt sich eine hohe „Packungsdichte" der beteiligten
Bauelemente und somit eine kompakte Bauweise.
-
Bei
einer alternativen Variante nach den 11 und 12 ist
der Querschnitt des Motorgehäuses 23 unterhalb
der Magnete 31 bis zur unteren Gehäuseseite deutlich verjüngt ist.
-
Die
Innenwand des Motorgehäuses 23 ist dabei
bis auf die Anwendung 21 gezogen. Diese Wand des Motorgehäuses 23 ist
in den vier Eckbereichen durch von den Magneten 31 ausgehende,
keilförmige
Verstärkungsrippen 50 ausgesteift.
Die Verstärkungsrippen 50 verlaufen über ihre
Länge senkrecht
entlang der Zylinderwand und sind einteilig mit dem Motorgehäuse 23 aus
Kunststoff gespritzt.
-
An
den Seiten des Motorgehäuses 23 sind zudem
im Bereich der unteren Stirnseite unter spiegelsymmetrischer Anordnung
längliche
Befestigungslaschen 51 angespritzt, die auf der Gegenfläche der
Anwendung 21 anliegend z. B. verschraubt oder verstemmt
werden können,
die leicht von oben für
das Befestigungswerkzeug zugänglich
sind, liegen sie innerhalb der insgesamt quadratischen Umfangskontur
des Motorgehäuses 23 aber
im Überdeckungsbereich
mit der ihnen zugeordneten Einbuchtung 32. Das Dichtelement 42 kann
bei dieser Ausführung
zwischen Außenumfang
der Bürstenplatte 48 unten
und dem Innenumfang der Zylinderwand des Motorgehäuses 23 an
dessen Ringstirnseite liegen. Daher kann dieses Element kostengünstig als O-Ring
hergestellt und problemlos montiert werden.
-
Bei
der Variante nach den 13 und 14 ist
eine mittelbare Befestigung des Motorgehäuses 23 über die
Bürstenplatte 48 vorgesehen. Hierzu
können
an die stabile Bürstenplatte 48 mindestens
eine oder mehrere abstehende Befestigungslaschen 52 vorgesehen
sein. Der in den Hohlquerschnitt des Motorgehäuses 23 eingreifende
Längenbereich
der Bürstenplatte 48 ist
dabei fest aber lösbar
mit dem Motorgehäuse 23 verbunden.
Die Befestigungslaschen 52 sind vorzugsweise einteilig
mit der Bürstenplatte 48 ausgebildet,
die auch aus Kunststoff bestehen kann und liegen flächig auf
der Oberseite der Anwendung 21 auf. Auch kann anstelle einer
Befestigungslasche 52 eine andere geeignete Befestigung
vorgesehen sein.
-
Zudem
können
auch die Befestigungslaschen 52 der Bürstenplatte 48 im Überdeckungsbereich
mit der zugeordneten optionalen Einbuchtung 32 am Umfang
des Motorgehäuses 23 angeordnet sein,
wodurch sie bequem von oben für
ein z. B. Schraubwerkzeug zugänglich
sind.
-
Um
eine zuverlässige
Abdichtung der unteren Stirnseite zu erreichen, müssen bei
dieser Version jedoch zwei z. B.
-
Dichtringe 42 eingesetzt
werden, wobei einer der Dichtringe zwischen Außenumfang der Bürstenplatte 48 und
Innenumfang der Zylinderwand des Motorgehäuses 23 und der andere
Dichtring zwischen der Unterseite der Bürstenplatte 48 und
der Gegenfläche
der Anwendung 21 eingeklemmt ist.
-
Die
beschriebenen Ausführungen
mit Bürstenplatte 48 weisen
außerdem übereinstimmend
eine z. B. Ringplatte als Bürstenplatte 48 auf,
die vom Kommutator 28 der Rotorwelle 25 durchsetzt
ist und in den an die Stirnseite angrenzenden Hohlquerschnitt des
Motorgehäuses 23 eingreift.
Wegen der Längenüberdeckung
von Kommutator 28 und Bürstenplatte 48 ergibt
sich auch an dieser Stelle eine besonders kompakte Bauweise für den Elektromotor 20.
-
- 20
- Elektromotor
- 21
- Anwendung
- 22
- Drehachse
- 23
- Motorgehäuse
- 24
- Rotor
- 25
- Rotorwelle
- 26
- Läuferblechpaket
- 27
- Läuferwicklung
- 28
- Kommutator
- 29
- Kugellager
- 30
- Exzenter
- 31
- Magnet
- 32
- Einbuchtung
- 33
- Kalottenlagersitz
- 34
- Kalotte
- 35
- Stopfen
- 36
- Kabelkanal
- 37
- Kohleschacht
- 38
- Kontakt-
oder Kohlebürste
- 39
- Druckfeder
- 40
- Entstördrossel
- 41
- Statorblechpaket
- 42
- Dichtelement
- 43
- Haltezapfen
- 44
- Bürstenrückhaltering
- 45
- Federring
- 46
- Hohlkehle
- 47
- Stromschiene
- 48
- Bürstenplatte
- 49
- Ringraum
- 50
- Verstärkungsrippe
- 51
- Befestigungslasche
(Motorgehäuse)
- 52
- Befestigungslasche
(Bürstenplatte)
- 53
- Innengehäusestege