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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine und ein Verfahren zur
Herstellung einer Lageranordnung einer elektrischen Maschine, die
eine Welle und zwei Wälzlager zur Lagerung der Welle aufweist.
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Im
Stand der Technik ist es bekannt, elektrische Maschinen mit Kugellagern,
insbesondere Kugellagern herzustellen, welche zur Lagerung der Welle
entlang der Welle axial beabstandet sind. Im Bereich von Elektrokleinmotoren
ist es weiterhin bekannt, zum Ausgleich von Lagerspiel und/oder
zur axialen Vorspannung des Rotors eine Feder zwischen die Kugellager
einzufügen, die eine Vorspannung auf die Kugellager, insbesondere
auf die Außenringe der Kugellager ausübt. Zu diesem
Zweck werden Federn eingesetzt, welche gegen die Außenringe
der Kugellager drücken, wobei durch einen definierten Abstand
der Lager ein definierter Arbeitspunkt der Federkennlinie eingestellt
wird.
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Um
sicherzustellen, dass die Kugellager im Laufe des Betriebs der elektrischen
Maschine ihren definierten Abstand beibehalten und somit die Spiralfeder
bei ihrem vorgegebenen Arbeitspunkt der Federkennlinie arbeitet,
werden im Stand der Technik beispielsweise Distanzhülsen
oder Distanzrollen verwendet, die zwischen die Kugellager, insbesondere zwischen
die Innenringe der Kugellager eingefügt sind. Hierbei ist
es erforderlich, dass die Distanzhülsen mit hochpräzisen
Längenmaßtoleranzen hergestellt sind.
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Ein
solcher Elektromotor, welcher dem Erfinder als Stand der Technik
bekannt ist, ist in 1 dargestellt. Der Elektromotor
umfasst eine Welle 10, die über ein erstes und
ein zweites Kugellager 12, 14 in einem Flanschbauteil 16 gelagert
ist. Die Welle trägt eine Nabe 18, an der ein
Rotormagnet 20 angebracht ist. Ein Stator 22 ist
auf eine Hohlwelle 24 aufgebracht, die mit dem Flanschbauteil 16 einstückig ausgebildet
ist. In der gezeigten Ausführung ist der Stator 22 mit
einem Stator-Blechpaket und Phasenwicklungen dargestellt. An dem
Flanschbauteil 16 ist ferner eine Leiterplatte 26 angebracht,
die Sensorelemente 28, beispielsweise Hall-Elemente, zur
Erfassung des axialen Streufeldes des Rotormagneten 20 trägt,
um hieraus die Drehlage, Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung des
Elektromotors abzuleiten zu können.
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In
der gezeigten Ausführung ist der Elektromotor als Außenläufermaschine
ausgebildet und dient beispielsweise als Elektro-Antriebsmotor in Kfz-Anwendungen,
beispielsweise für Fensterheber, Scheibenwischer, Luftklappensteller
am Vergaser und dergleichen.
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Auf
der Abtriebsseite der Welle 10 ist ein Ritzel 30 auf
die Welle 10 aufgepresst, das mit einer anzutreibenden
Einheit verbunden werden kann. In der Darstellung der 1 ist
ferner noch ein Steckverbinder 32 dargestellt, über
den sowohl die Sensorelemente 28 mit einer Steuereinheit
verbunden werden können als auch die Phasenwicklungen des
Stators 22 bestromt werden können.
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Bei
dem in 1 gezeigten Elektromotor sind die Außenringe
der Kugellager 12, 14 über eine Spiralfeder 34 in
axialer Richtung vorgespannt. Diese Vorspannung dient dem Ausgleich
von Lagerspiel sowie der axialen Rotoranstellung, wobei es wichtig
ist, dass die Spiralfeder 34 auf einen definierten Arbeitspunkt
der Federkennlinie eingestellt ist. Die Einstellung des Arbeitspunktes
erfolgt durch Einstellung eines definierten Abstandes zwischen dem
ersten und dem zweiten Kugellager 12, 14. Hierzu
werden die beiden Kugellager 12, 14 beim Herstellen
der elektrischen Maschine in definierter Lage auf die Welle 10 aufgepresst.
Um zu verhindern, dass sich die definierte Position der Lager 12, 14 während
des Betriebs des Elektromotors beispielsweise aufgrund von Vibrationen
oder Stoßbelastungen verändert, ist zwischen die
beiden Kugellager 12, 14 eine Distanzhülse 36 eingefügt.
Die Lager sind somit zwischen der Nabe 18, der Distanzhülse 36 und
dem Ritzel 30 fixiert.
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Die
Distanzhülse 36 wird im Stand der Technik mit
hochpräzisen Längenmaßtoleranzen z. B.
als Drehteil hergestellt, wobei solche Distanzhülsen häufig
beidseitig gefast werden müssen, um nicht in Kontakt zu
anderen drehenden Bauteilen zu kommen.
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Gerade
auf dem Gebiet von Elektrokleinmotoren, die in großen Stückzahlen
zu möglichst geringen Kosten hergestellt werden, ist die
Herstellung eines Spezialbauteils, wie der Distanzhülse 36,
mit nicht akzeptablen hohem Aufwand und Kosten verbunden.
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Das
US-Patent 3,427,483 zeigt
einen Gleichstrommotor mit federbelasteten Kugellagern, wobei in
verschiedenen Ausführungen Blatt- und Spiralfedern verwendet
werden, welche die Außenringe der Kugellager in axialer
Richtung zusammen- oder auseinanderdrücken. Zur Fixierung
der Kugellager werden Halteringe oder Abstandshülsen auf
die Welle aufgebracht, welche so gegen die Innenringe der Kugellager
drücken, dass sie der Federkraft entgegenwirken.
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Ausgehend
von dem oben erörterten Stand der Technik ist es eine Aufgabe
der Erfindung, eine elektrische Maschine und ein Verfahren zur Herstellung
einer Lageranordnung einer elektrischen Maschine anzugeben, die
mit geringerem Aufwand und Kosten herstellbar sind. Diese Aufgabe
wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen von Anspruch
1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Maschine ist grundsätzlich
wie die in 1 gezeigte Maschine aufgebaut
mit einer Welle, zwei Wälzlagern zur Lagerung der Welle,
die entlang der Welle axial beabstandet sind, einer Feder, die zwischen
die Wälzlager eingefügt ist und eine Vorspannung
auf die Wälzlager ausübt, und einer Distanzhülse,
die zwischen die Wälzlager eingefügt ist und einen
vorgegebenen Abstand zwischen den Wälzlagern definiert.
Anders als im Stand der Technik ist die Distanzhülse jedoch
nicht als Drehteil mit hochgenauen Längenmaßtoleranzen hergestellt,
sondern die Distanzhülse wird aus einem Metallrohr hergestellt,
das während der Montage der elektrischen Maschine durch
axiales Stauchen auf die gewünschte Länge gebracht
wird. Hierzu wird die Distanzhülse erfindungsgemäß aus
einem dünnwandigen Metallrohr ausgeführt, das
zunächst auf eine Ausgangslänge abgetrennt wird
und anschließend durch axiales Stauchen auf die gewünschte,
vorgegebene Länge gebracht wird. Mit „dünnwandiges
Metallrohr" wird ein Metallrohr bezeichnet, dessen Wandstärke
ausreichend dünn ist, um das Metallrohr mit einer Presskraft
im Bereich von ungefähr 50 bis 200 N in axialer Richtung
zu stauchen. Die Wandstärke des Metallrohrs sollte nicht
größer als 0,6 mm, beispielsweise ungefähr
0,3 oder 0,4 mm betragen. Aufgrund der geringen Wandstärke
der Distanzhülse ist ein Fasen der Stirnseite der Hülse
nicht notwendig.
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Die
Distanzhülse wird vorzugsweise aus einem Metallrohr hergestellt,
dessen Ausgangslänge vor dem Stauchen ungefähr
um 1 bis 20%, insbesondere ungefähr 10% länger
ist als die gewünschte, vorgegebene Länge. Die
elektrische Maschine wird vorzugsweise hergestellt, indem zunächst
ein erstes Wälzlager auf die Welle aufgebracht wird. Anschließend
wird die Distanzhülse aufgeschoben, die eine Ausgangslänge
hat, welche größer ist als die letztendlich benötigte
Länge der Distanzhülse. Die Distanzhülse
kommt gegen das erste Wälzlager zu liegen, und anschließend
wird das zweite Wälzlager auf die Welle aufgebracht, vorzugsweise
aufgepresst, wobei das zweite Wälzlager gegen die Distanzhülse drückt
und diese in Richtung des ersten Wälzlagers in axialer
Richtung auf die gewünschte, vorgegebene Länge
staucht.
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Erfindungsgemäß kann
die Distanzhülse einfacher und kostengünstiger
hergestellt werden als im Stand der Technik. Notwendig ist lediglich
ein dünnwandiges Metallrohr, das verformbar ist und auf
ein gewünschtes Maß gestaucht werden kann. Hierzu wird
das Rohr auf eine Länge abgetrennt, die größer ist
als das letztendlich gewünschte Längenmaß.
Das Stauchen des Rohrs kann in demselben Arbeitsschritt erfolgen,
in dem das zweite Wälzlager auf die Welle aufgebracht wird.
Hierzu ist es lediglich notwendig, das Wälzlager mit einer
definierten Kraft in eine definierte Position auf die Welle aufzubringen. Dies
kann mit einem Presswerkzeug, welches unmittelbar auf das zweite
Wälzlager wirkt, oder über ein weiteres Bauteil,
wie ein Ritzel, das auf die Welle aufgebracht wird, erfolgen. Mit
Hilfe des Presswerkzeugs wird das Wälzlager bis zu einer
vorgegebenen Position auf die Welle aufgepresst, wobei gleichzeitig die
Distanzhülse auf die gewünschte, vorgegebene Länge
gestaucht wird. Ein zusätzlicher Arbeitsschritt ist somit
zum Stauchen der Distanzhülse nicht notwendig.
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Die
Distanzhülse kann aus einem Metallrohr, beispielsweise
aus Messing, Aluminium oder Stahl, hergestellt werden, wobei ein
Rohrstück mit einer Ausgangslänge abgetrennt wird,
das ungefähr 10% länger als die endgültige
Länge ist. Die Einhaltung einer präzisen Längenmaßtoleranz
ist hierbei nicht notwendig, weil die endgültige Länge
der Distanzhülse durch den Stauchvorgang eingestellt wird.
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In
der bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Feder
eine Spiralfeder, welche gegen die Außenringe der Wälzlager
zu liegen kommt, und die Distanzhülse kommt gegen die Innenringe
der Wälzlager zu liegen. Das erste und/oder das zweite
Wälzlager werden vorzugsweise auf die Welle aufgepresst,
sie können auch mit der Welle verklebt werden.
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Die
Erfindung ist im Folgenden anhand einer bevorzugten Ausführung
mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
In den Figuren zeigen:
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1 eine
Teilschnittdarstellung durch eine elektrische Maschine gemäß einem
internen Stand der Technik der Anmelderin; und
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2 eine
Teilschnittdarstellung durch eine elektrische Maschine gemäß der
Erfindung.
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Die
elektrische Maschine gemäß einer Ausführung
der Erfindung, die in 2 gezeigt ist, ist grundsätzlich
genauso aufgebaut wie die elektrische Maschine der 1,
wobei entsprechende Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.
Die erfindungsgemäße Maschine unterscheidet sich
von der Maschine der 1 durch die Konfiguration der
Distanzhülse, die in 2 mit 40 bezeichnet
ist. Erfindungsgemäß ist die Distanzhülse 40 aus einem
dünnwandigen Metallrohr hergestellt, das auf eine Ausgangslänge
abgetrennt wird. Die exakte Einstellung der Distanzhülse 40 auf
das erforderliche Längenmaß wird durch axiales
Stauchen der Distanzhülse bei der Montage des Elektromotors
erreicht, wobei die Längenverkürzung in 2 durch die
Wellung der Distanzhülse 40 angedeutet ist. Die Wandstärke
der Distanzhülse 40 beträgt vorzugsweise
weniger als 0,6 mm, so dass es nicht notwendig ist, die Stirnenden
der Distanzhülse zu fasen.
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Die
Lageranordnung wird wie folgt hergestellt:
Zunächst
wird die Nabe 18 auf die Welle 10 aufgebracht,
und das Wälzlager 14 wird auf die Welle 10 aufgeschoben,
bis es gegen die Nabe 18 zu liegen kommt. Das Wälzlager 14,
insbesondere ein Kugellager, kann auf die Welle 10 aufgepresst
und/oder aufgeklebt werden. In der gezeigten Ausführung
ist es als Festlager konfiguriert und hält die Welle 10 innerhalb
der Hohlwelle 24, welche den Stator 22 trägt.
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Anschließend
wird die Distanzhülse 40 auf die Welle 10 aufgeschoben,
bis sie gegen das Wälzlager 14 zu liegen kommt,
wobei die Distanzhülse 40 in diesem Zustand eine
Ausgangslänge L hat, die größer ist als
ihre gewünschte Endlänge l (L > 1). Zur Herstellung der Metallhülse 40 wird
ein Metallrohr getrennt, so dass es die Ausgangslänge L
hat.
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Des
Weiteren wird die Spiralfeder 34 über die Hülse 40 geschoben,
wobei die Spiralfeder gegen den Außenring des Wälzlagers 14 zu
liegen kommt, während die Distanzhülse 40 an
den Innenring anliegt.
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Schließlich
wird das Wälzlager 12, insbesondere ein Kugellager,
auf die Welle 10 bis zu einer vorgegebenen Position aufgepresst.
Hierbei wird die Distanzhülse 40 auf ihre gewünschte,
vorgegebene Länge l gestaucht. Das Wälzlager 12 kann
unmittelbar mit einem Presswerkzeug bis zu seiner vorgegebenen Position
auf die Welle 10 aufgeschoben werden, oder es kann über
ein weiteres Bauteil, wie das Ritzel 30, das auf die Welle 10 aufzufügen
ist, in Position gebracht werden. Das Wälzlager 12 ist
als Loslager konfiguriert. Das Wälzlager 12 hält
die Welle 10 relativ zu dem Flanschbauteil 16,
das mit der Hohlwelle 24 einteilig ausgebildet ist.
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Das
Flanschbauteil 16 mit der Hohlwelle 24, der Stator 22 und
der Rotor 20 sowie die weiteren Teile der elektrischen
Maschine werden auf dem Fachmann an sich bekannte Weise montiert.
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Beim
Aufpressen des Wälzlagers 12 und somit Stauchen
der Distanzhülse 40 kann eine Presskraft im Bereich
von beispielsweise 50 bis 200 N aufgebracht werden. Ein solcher
Wert ist in der Praxis zum Aufpressen von Kugellagern dieser Größenordnung üblich
und sollte ausreichend sein, um eine Metallhülse mit einer
Wandstärke von weniger als 0,6 mm auf die gewünschte
Länge zu stauchen.
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In
einem Ausführungsbeispiel kann die Distanzhülse
ein Endmaß von beispielsweise 10 mm haben. In einem solchen
Fall wird, abhängig von der Herstellungstoleranz, die Distanzhülse
beispielsweise aus einem Metallrohr mit einer Länge von
11 mm abgetrennt. Dabei muss sichergestellt werden, dass die Ausgangslänge
der Hülse jedenfalls nicht kleiner ist als ihre endgültige
Länge nach dem Stauchen, so dass mit relativ großen
Toleranzen beim Abtrennen des Metallrohrs gearbeitet werden kann.
In der Praxis hat sich ein Wert von ca. 110% der endgültigen
Länge der Distanzhülse als Ausgangslänge
als zweckmäßig erwiesen.
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Nach
der vollständigen Montage der elektrischen Maschine sind
die beiden Wälzlager 12, 14 in ihrer
Position zwischen dem Ritzel 30, der Distanzhülse 40 und
der Nabe 18 sicher positioniert, so dass sie während
des Betriebs der elektrischen Maschine ihre Position halten und
auch bei Vibration oder Stoßbelastung in ihre Lage fixiert
sind. Dadurch wird sichergestellt, dass der Abstand zwischen den
beiden Wälzlagern 12, 14 immer konstant
und somit der Arbeitspunkt der Spiralfeder 34 stabil ist.
Somit wird eine konstante Federanstellung gewährleistet.
Insgesamt ist die Herstellung der elektrischen Maschine gemäß der
Erfindung weniger aufwendig und kostengünstiger als im
Stand der Technik, weil keine aufwendige Fertigung der Distanzhülse
erforderlich ist. Auch sind keine zusätzlichen Arbeitsschritte
erforderlich, weil die Distanzhülse beim Aufpressen des Wälzlagers 12 oder
eines anderen Bauteils auf die Welle 10, beispielsweise
des Ritzels 30, auf die gewünschte Länge
gestaucht werden kann. Wesentlich ist dabei für die Erfindung,
dass die Distanzhülse 40 die Distanz zwischen
den beiden Wälzlagern 12, 14 fixiert,
um über die Feder 34 eine vorgegebene Vorspannung
vor zusehen. Die jeweils in axialer Richtung außen liegenden
Seiten der Wälzlager können dagegen auch auf andere
Weise fixiert sein, als in der gezeigten Ausführung.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen
offenbarten 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
- Welle
- 12
- Kugellager,
Wälzlager
- 14
- Kugellager,
Wälzlager
- 16
- Flanschbauteil
- 18
- Nabe
- 20
- Rotormagnet
- 22
- Stator
- 24
- Hohlwelle
- 26
- Leiterplatte
- 28
- Sensorelemente
- 30
- Ritzel
- 32
- Steckverbinder
- 34
- Spiralfeder
- 36
- Distanzhülse
- 40
- Distanzhülse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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