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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor, insbesondere einen
Stell- oder Antriebsmotor in einem Kraftfahrzeug, vorzugsweise einen
Fensterheber-Antriebsmotor, nach dem Oberbegriff des Anspruches
1.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 43 38 557 C1 ist
ein Innenläufer-Elektromotor bekannt, dessen Rotor in einem Statur
drehbar gelagert und axial zwischen einer Betriebsstellung und einer
Bremsstellung zu verschieben ist. In der Bremsstellung wird der
Rotor axial gegen einen gehäusefesten Bremsbelag gedrückt
und durch die hierbei entstehende Reibung mechanisch abgebremst.
Der Rotor wird über eine Bremsfeder in die Bremsstellung
kraftbeaufschlagt, so dass im nicht-bestromten Zustand der Rotor
selbsttätig seine Bremsstellung einnimmt. Im bestromten
Zustand dagegen wird der Rotor durch eine elektromagnetische Kraft
axial zurück in die Betriebsstellung verstellt, in der
der Reibkontakt zwischen dem Rotor und dem gehäuseseitigen
Bremsbelag aufgehoben ist und der Rotor frei umlaufen kann.
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Voraussetzung
für eine wirksame Bremsposition ist der Kontakt zwischen
einem Bauteil des Rotors und dem Bremsbelag. Da der Bremsbelag mit
radialem Abstand zur Rotorachse angeordnet ist, befindet sich die
rotorseitige Bremskontaktfläche beim Gegenstand der
DE 43 38 557 C1 auf
einer Bremshaube, die gemeinsam mit dem Rotor axial zwischen Betriebs-
und Bremsposition zu verstellen ist. Diese Bremshaube erfordert
jedoch einen verhältnismäßig großen
Bauraum.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven
Maßnahmen einen Elektromotor mit hohem Wirkungsgrad zu
schaffen, dessen Antriebsbewegung über ein nachgeschaltetes Getriebe
auf ein anzutreibendes Aggregat übertragbar ist, wobei
im unbestromten Zustand der Elektromotor sicher gebremst sein soll.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben
zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Der
erfindungsgemäße Elektromotor ist Teil einer Motor-Getriebe-Einheit, über
die zweckmäßigerweise ein Hilfs- bzw. Nebenaggregat
in einem Kraftfahrzeug wie z. B. eine Fensterhebereinrichtung betätigbar
ist. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind Scheibenwischereinrichtungen
oder Bremssysteme, Lenksysteme oder eine Verwendung als Teil eines
Hybridmotors.
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Der
Elektromotor weist einen Stator sowie einen drehbar gelagerten Rotor
auf, der gegenüber dem Stator axial zwischen einer Bremsstellung
und einer Betriebsstellung verschieblich gelagert ist. In der Bremsstellung
ist eine Drehung des Rotors gehemmt, in der Betriebsstellung kann
dagegen bei der Bestromung des Elektromotors der Rotor unter der Einwirkung
des elektromagnetischen Feldes umlaufen. Zur Übertragung
der Rotorbewegung kämmt dieser in der Betriebsstellung
mit einem Getriebezahnrad des Getriebes, welches Bestandteil der
Motor-Getriebe-Einheit ist.
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In
der Bremsstellung liegt ein mit dem Rotor fest verbundenes Bauteil
in Bremskontakt mit einem Teil des Getriebezahnrades, mit dem der
Rotor in der Betriebsstellung kämmt. Dem Getriebezahnrad
kommen somit zwei Funktionen zu: Zum einen nimmt das Getriebezahnrad
an der Übertragung der Rotationsbewegung der Rotorwelle
teil. Zum andern ist das selbe Getriebezahnrad Bestandteil der Bremseinrichtung,
mit der der Elektromotor in der Bremsstellung gesichert ist. Diese
Ausführung hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen
Bauteile für die Realisierung der Bremsstellung erforderlich
sind. Vielmehr kann die Bremsstellung mit den gleichen Bauteilen
eingestellt werden, die auch für die Betriebsposition erforderlich sind.
Insgesamt ergibt sich hierdurch eine konstruktiv einfache Ausführung.
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Ein
weiterer Vorteil ist in der Raum sparenden Anordnung zu sehen, da
keine weiteren raumgreifenden Bauteile für die Bremseinrichtung
erforderlich sind. Außerdem wird mit dieser Konfiguration ein
hoher Wirkungsgrad in der Betriebsstellung erreicht, da in der Betriebsstellung
die Bremskontaktflächen der beteiligten Bremspartner auf
Abstand zueinander liegen, so dass keine Bremsreibung entsteht,
die den Wirkungsgrad beeinträchtigen könnte. Im
Gegensatz hierzu weisen selbsthemmende Getriebe wie z. B. Schraubenrad-
oder Schneckengetriebe einen insgesamt erheblich geringeren Wirkungsgrad
auf.
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Die
Bremswirkung wird in bevorzugter Ausführung über
Bremsreibung zwischen den motor- bzw. getriebeseitigen Bremspartnern
erzielt. Grundsätzlich kommt aber auch eine Formschlussverbindung
zwischen den Bremspartnern in Betracht.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführung ist das Getriebezahnrad,
welches sowohl in der Bremsstellung als auch in der Betriebsstellung
mit dem Rotor bzw. einem rotorseitigen Bauteil in Verbindung steht,
als Kronenrad ausgeführt, das einen Zahnkranz aufweist,
welcher auf Abstand zur Drehachse des Kronenrades liegt. Derartige
Kronenräder sind konstruktiv leicht herzustellen, außerdem
kann radial innerhalb des Zahnkranzes ein zylindrischer, sich axial
erhebender Bremsbund vorgesehen werden, dessen äußere
Mantelfläche die Bremskontaktfläche für
den Rotor bildet. Bremsbund und Zahnkranz sind hierbei als einteiliges
bzw. einstückiges Bauteil ausgeführt. Der radiale
Abstand zwischen der Mantelfläche des Bremsbundes und dem
Zahnkranz korrespondiert mit der axialen Verschiebung des Rotors
zwischen Brems- und Betriebsposition. Der Zahnkranz des Getriebezahnrades
liegt hierbei in einer Ebene, in der auch die Drehachse des Rotors liegt,
wodurch die axiale Verschiebung des Rotors ausreichend und genügend
ist, um die Überführung zwischen Brems- und Betriebsposition
zu bewerkstelligen.
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Die Überführungsbewegung
des Rotors ist vorteilhafterweise ausschließlich eine axiale
Stellbewegung. Grundsätzlich ist es aber auch möglich,
dieser axialen Stellbewegung eine Drehbewegung des Rotors um die
Drehachse für die Überführung zwischen
Betriebs- und Bremsposition zu überlagern. Dies bietet
sich insbesondere bei schräg verzahnten Getriebezahnrädern
bzw. hiermit kämmenden Zahnrädern bzw. Schnecken
auf dem Rotor an. Für die ausschließlich axiale
Stellbewegung des Rotors genügt es dagegen, ein in Achsrichtung
des Rotors geradlinig verzahntes Zahnrad drehfest mit dem Rotor zu
verbinden, beispielsweise ein geradverzahntes Stirnrad, das an der
freien Stirnseite der Rotorwelle angeordnet ist.
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Das
Getriebezahnrad, welches mit dem Rotor bzw. einer Verzahnung auf
dem Rotor kämmt, insbesondere das Kronenrad, ist zweckmäßigerweise
in der Form ausgebildet, dass der Zahnkranz radial außerhalb
des zylindrischen Bremsbundes liegt, wobei zwischen Bremsbund und
Zahnkranz eine zusätzliche, umlaufende Ringnut vorgesehen
sein kann, so dass Zahnkranz und Bremsbund zusätzlich auf
radialem Abstand zueinander positioniert sind. Über die Ringnut
kann ein Sicherheitsabstand zwischen der Bremsposition und der Betriebsposition
realisiert werden, über den ein versehentlicher Bremskontakt während
der Betriebsposition ausgeschlossen ist. Die Positionierung des
Bremsbundes innerhalb des Zahnkranzes, also in konzentrischer Ausführung,
hat den Vorteil, dass zum Erreichen der Bremsstellung der Rotor
axial aus dem Stator heraus bewegt werden muss und umgekehrt zum
Erreichen der Betriebsposition wieder in den Stator axial hinein
verlagert wird, was mit einer kompakten konstruktiven Ausgestaltung
realisiert werden kann. Grundsätzlich ist es aber auch
möglich, dass der Bremsbund radial außerhalb des
Zahnkranzes des Getriebezahnrades liegt und zur Überführung
in die Bremsstellung eine dem Anker bzw. Stator zugewandte Reibkontaktfläche
am Rotor bzw. einem mit dem Rotor verbundenen Zahnrad in Bremskontakt
mit dem Bremsbund gelangt.
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Der
Rotor ist vorteilhafterweise über ein Federelement in die
Bremsposition kraftbeaufschlagt. Sobald der Elektromotor stromlos
geschaltet wird und elektromagnetische Kräfte zwischen
Stator und Anker, welcher drehfest auf dem Rotor angeordnet ist,
wegfallen, wird der Rotor unter der Krafteinwirkung der Bremsfeder
axial in die Bremsposition verstellt. Die Kraft des in Achsrichtung
wirkenden Federelementes ist hierbei bestimmend für die
Bremskraft, die durch Reibung zwischen den beteiligten Reibpartnern
am Rotor bzw. am Getriebezahnrad entsteht. Sobald der Elektromotor
wieder bestromt wird, bewirkt die magnetische Kraft zwischen Stator
und Anker ein axiales Zurückverstellen des Rotors in die Betriebsposition.
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Um
die Bremskraft zu verstärken bzw. verhältnismäßig
klein dimensionierte Bremsfedern einsetzen zu können, kann
es zweckmäßig sein, die Reibung zwischen den Bremskontaktflächen
durch Profilierung und/oder durch Beschichtung zu erhöhen.
Die Profilierung bzw. Beschichtung kann sowohl auf Seiten des Getriebezahnrades
als auch auf Seiten des Bauteiles am Rotor bzw. an beiden Reibpartnern
erfolgen.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und
den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 einen
Schnitt längs durch eine Elektromotor-Getriebe-Einheit,
die insbesondere zum Antrieb eines Hilfs- bzw. Nebenaggregates in
Kraftfahrzeugen eingesetzt wird, vorzugsweise als Fensterheber-Antriebseinrichtung,
dargestellt in einer ersten Schnittebene, wobei der Rotor des Elektromotors sich
in der Betriebsposition befindet, in welcher ein Stirnzahnrad am
Rotor mit einem als Kronenrad ausgeführten Getriebezahnrad
des Getriebes kämmt,
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2 die
Antriebsmotor-Getriebe-Einheit aus 1 in Betriebsstellung,
dargestellt in einer zu 1 senkrechten Schnittebene längs
durch die Einrichtung, wobei das getriebeseitige Kronenrad in Draufsicht
dargestellt ist,
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3 und 4 eine
den 1 und 2 entsprechende Darstellung,
jedoch mit dem Rotor in der axial aus dem Stator heraus geschobenen Bremsstellung,
in welcher die Stirnseite des Rotors bzw. des Stirnzahnrades am
Rotor auf Bremskontakt mit einem axial überstehenden Bremsbund
des Kronenrades liegt.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei
dem in den Figuren dargestellten Elektromotor 1 handelt
es sich insbesondere um einen Innenläufer-Gleichstrommotor.
Im Rahmen der Erfindung kommt ggf. aber auch eine Anwendung auf
Außenläufermotoren bzw. auf Wechselstrom- oder Drehstrommotoren
in Betracht.
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Die
Motor-Getriebe-Einheit 100 umfasst den Elektromotor 1 sowie
ein Getriebe 14, die zu einer gemeinsamen Baueinheit zusammengefasst
sind. Der Elektromotor 1 umfasst in einem Statorgehäuse 3 einen
Stator 2 sowie im Inneren des Stators einen Rotor 4,
der aus einer rotierend gelagerten Rotorwelle 5 und einem
dreh- und achsfest mit der Rotorwelle 5 verbundenen Anker 6 besteht.
Dem Stator 2 sind Permanentmagnete 7 auf der Innenseite
des Statorgehäuses 3 zugeordnet. Der Anker 6 weist
eine bestrombare Wicklung 8 auf, in der bei Strombeaufschlagung
ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird.
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Grundsätzlich
ist es auch möglich, anstelle der Permanentmagnete 7 im
Stator 2 eine bestrombare Erregerwicklung vorzusehen. Außerdem
können im Anker 6 Permanentmagnete anstelle der Wicklung
vorgesehen sein.
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Der
gesamte Rotor 4, umfassend die Rotorwelle 5 und
den Anker 6, ist im Statorgehäuse 3 axial verschieblich
gelagert. Hierzu sind im Gehäuse 3 im Bereich
der Stirnseiten der Rotorwelle 5 Lageraufnahmen 9 und 10 ausgebildet,
in denen jeweils ein Drehlager 11 bzw. 12 angeordnet
ist. Die Drehlager 11 und 12 erlauben zum einen
die Rotation der Rotorwelle 5 um die Dreh- bzw. Längsachse
und zum andern auch die axiale Verschiebung der Rotorwelle.
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Des
Weiteren ist ein Federelement 13 im Statorgehäuse 3 angeordnet,
welches den Rotor 4 in Achsrichtung kraftbeaufschlagt.
Das Federelement 13 ist als Spiralfeder ausgeführt
und umgreift radial das Drehlager 12 an einem stirnseitigen
Ende der Rotorwelle 5 und wirkt gegen eine fest auf der
Rotorwelle gehaltene Scheibe. Das Federelement 13 beaufschlagt
den Rotor in die Bremsposition.
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Das
Getriebe 14 umfasst ein Getriebegehäuse 15,
welches einteilig mit dem Statorgehäuse ausgebildet ist,
sowie ein im Getriebegehäuse 15 angeordnetes Getriebezahnrad 16,
welches als Kronenrad ausgebildet ist. Das Kronenrad 16 ist über
eine Welle 21 im Getriebegehäuse 15 drehbar
gelagert und weist einen Zahnkranz 17 auf, der auf Abstand zur
Drehachse 24 des Kronenrades 16 bzw. der Welle 21 liegt.
Der ringförmige Zahnkranz 17 umgreift einen zentral
angeordneten, zylindrischen Bremsbund 18, welcher Bestandteil
des Kronenrades 16 ist. Dieser Bremsbund 18 erhebt
sich bezogen auf den Zahnkranz 17 in Axialrichtung, so
dass die radial außen liegende, zylindrische Mantelfläche 19 des Bremsbundes 18 frei
liegt. Zahnkranz 17 und Bremsbund 18 liegen zueinander
auf radialem Abstand, wodurch eine umlaufende Ringnut 20 zwischen
Zahnkranz und Bremsbund gebildet ist.
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Der
Zahnkranz 17 kämmt in der in 1 und 2 dargestellten
Betriebsposition mit einem Stirnrad 22, welches fest auf
der Stirnseite der Rotorwelle 5 aufsitzt. Die Stirnseite 23 der
Rotorwelle 5 bzw. des Stirnrades 22 bildet eine
erste, rotorseitige Bremskontaktfläche, die zylindrische
Mantelfläche 19 des Bremsbundes die dazugehörige
zweite Bremskontaktfläche, welche dem Getriebe zugeordnet
ist. Zumindest eine der Bremskontaktflächen kann zur Reibungserhöhung
eine Profilierung und/oder eine Reibbeschichtung aufweisen.
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Der
axiale Überstand des Bremsbundes 18 ist so gewählt,
dass in der Bremsposition (3 und 4)
die Stirnseite der Rotorwelle 5 und des Stirnrades 22 über
den gesamten Durchmesser – in Achsrichtung der Drehachse 24 gesehen – an
der äußeren Mantelfläche 19 des
Bremsbundes anliegt. Somit entspricht der axiale Überstand
des Bremsbundes 18 bezogen auf den Zahnkranz 17 dem
Durchmesser des Stirnrades 22.
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Im
nicht-bestromten Zustand befindet sich der Elektromotor in der in 3 und 4 dargestellten
Bremsposition, in der die Stirnseite 23 des Stirnrades 22 unmittelbar
auf Kontakt zur äußeren Mantelfläche 19 des
Bremsbundes 18 liegt. Die Beaufschlagung in die Bremsposition
erfolgt über das Bremsfederelement 13.
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Der
axiale Stellweg, den die Rotorwelle bei der Überführung
zwischen Betriebs- und Bremsposition zurücklegt, liegt
vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0.5 mm und 3 mm.
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Das
Stirnrad 22 weist zweckmäßigerweise eine
geradlinige Verzahnung auf, die in Richtung der Längs-
bzw. Drehachse der Rotorwelle 5 gerichtet ist. Auf Grund
der geraden Verzahnung ist das Stirnrad 22 und damit auch
der Rotor 4 in Achsrichtung in der Betriebsstellung zumindest
annähernd kräftefrei.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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C1 [0002, 0003]