DE102008028948A1

DE102008028948A1 - Elektroantrieb

Info

Publication number: DE102008028948A1
Application number: DE200810028948
Authority: DE
Inventors: Eric Bochud; Bruno Neuhaus; Michael Watzek
Original assignee: Johnson Electric Switzerland AG
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2007-07-09
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2009-01-22

Abstract

Der Elektroantrieb umfasst einen Stator (1) und einen Rotor (13, 14), der um eine Rotationsachse (4) drehbar ist und an einer Scheibe (20) anliegt. Die Scheibe (20) ist verdrehgesichert an einem stehenden Teil (1) gehalten und in Bezug auf die Rotationsachse (4) kippbar. Durch diese Maßnahme ist die Geräuschentwicklung reduziert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Elektroantrieb gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Elektroantriebe werden verwendet, um eine bewegliche Einstellkomponente, z. B. einen Reflektor eines Fahrzeugscheinwerfers oder eine Lüftungsklappe in der Klimaanlage gesteuert zu verschwenken. Der Elektroantrieb erzeugt im Lauf sowie am Anschlag, wenn die Einstellkomponente um den maximalen Schwenkwinkel verschwenkt wird, Geräusche, die als störend empfunden werden. Ohne besondere Massnahmen können die erzeugten Geräusche einen hohen Pegel erreichen und eine grosse Streuung aufweisen.
Die Lagerung des Rotors hat einen bedeutenden Einfluss auf das Geräuschverhalten eines Elektroantriebs. Dies gilt einerseits im Lauf, bei welchem Unregelmässigkeiten der Rotorbewegung gedämpft werden sollen. Andererseits ist die Lagerung auch besonders kritisch beim Anschlag, da der schlagartige Impuls mehr oder weniger gedämpft auf die berührenden Teile übertragen wird.
Aus der DE 35 45 886 A1 und DE 1 171 511 ist es bekannt, den Rotor beidseitig mit Scheiben zu versehen, welche an stehenden Lager anliegen. Dieser Aufbau ist relativ aufwändig und teuer, da der Rotor mit geeigneten Mitteln versehen sein muss, um die Scheiben zu halten.
Aus der DE 43 24 912 A1 ist es bekannt, eine stehende Scheibe vorzusehen, welche mittels eines Elastomerpuffers gegen das Wellenende des Rotors gedrückt wird. Die Scheibe ist fest montiert, indem sie an einer Stufe anliegt. Diese Anordnung hat den Nachteil, dass axiale Vibrationen des Rotors ungedämpft übertragen werden und es dadurch zu einer übermässigen Geräuschentwicklung kommen kann.
Die Verwendung von fest montierten Scheiben, an welchen ein drehbares Teil anliegt, ist ebenfalls aus der US 2004/0256931 A1 , US 2006/0001325 A1 und US 4,529,901 bekannt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Elektroantrieb mit einem geräuschärmeren Betrieb anzugeben.
Ein Elektroantrieb, der diese Aufgabe löst, ist im Anspruch 1 angegeben. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausführungen an.
Der erfindungsgemässe Elektroantrieb hat den Vorteil, dass die Scheibe kippbar angeordnet ist und sie dadurch der an ihr anliegenden Rotorfläche folgen kann. Durch diese einfache Massnahme ist die Geräuschentwicklung reduziert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Figuren erläutert. Es zeigen
1 eine Explosionsansicht eines erfindungsgemässen Elektroantrieb, wobei das Getriebe und die Statorbleche nicht gezeigt sind;
2 den Elektroantrieb gemäss 1 in einem Längsschnitt, wobei das Getriebe nicht gezeigt ist;
3 eine Explosionsansicht eines Teils des Elektroantriebs gemäss 1;
4 eine Detailansicht aus 2, wobei die Teile auseinander gezogen sind;
5 die Detailansicht gemäss 4, wobei die Teile zusammengefügt sind;
6 eine perspektivische Ansicht von Rotor, Achse und Scheibe des Elektroantriebs gemäss 1; und
7 die zeitliche Geräuschentwicklung eines erfindungsgemässen Elektroantriebs.
Wie aus 1 und 2 ersichtlich, weist der Elektroantrieb einen Spulenkörper 1 mit Spulen 2 und einen Rotor 3 auf, der um eine Rotationsachse 4 drehbar gelagert ist. Der Elektroantrieb umfasst weiter Statorbleche 5 (nur in 2 dargestellt), ein an den Rotor 3 gekoppeltes Getriebe mit einer Abtriebswelle und eine Steuerung zum schrittweise Antreiben des Rotors 3. Getriebe und Steuerung sind bekannter Art und in den Figuren nicht dargestellt. Rotor 3 und Stator 1, 2, 5 bilden einen Elektromotor ohne Bürsten wie Schrittmotor oder bürstenloser Gleichstrommotor.
Die einzelnen Komponenten des Elektroantriebs sind in einem aus zwei Schalen 6a, 6b gebildeten Gehäuse aufgenommen. Die Gehäuseschale 6a weist eine Öffnung 7 auf, durch welche die Abtriebswelle des Getriebes hinausragen kann (nicht dargestellt), um sie an eine zu bewegende Einstellkomponente, z. B. einen Scheinwerferreflektor eines Kraftfahrzeugs oder eine Lüftungsklappe in der Klimaanlage, zu koppeln.
Wie 2 zeigt, verläuft die Rotationsachse 4 durch eine (mechanische) Achse 8, deren Enden in Vertiefungen gepresst sind, welche in der Gehäuseschale 6a und im Spulenkörper 1 gebildet sind. Die Achse 8 ist somit stehend, während der Rotor 3 um diese drehbar ist.
Der Rotor 3 ist mehrteilig aufgebaut und umfasst ein erstes Rotorteil 13, 14 und ein zweites Rotorteil 15. Die beiden Rotorteile 13, 14 und 15 sind drehfest miteinander verbunden, jedoch in axialer Richtung des Rotors 3, d. h. in der Richtung der Rotationsachse 4 relativ zueinander bewegbar. Zu diesem Zweck weist das zweite Rotationsteil 15 endseitig Zapfen auf, die in Öffnungen im ersten Rotorteil 13 greifen (in der Figur nicht ersichtlich).
Wie aus 2 ersichtlich, weist der Rotor 3 eine Feder 16 auf, welche in einer ringförmigen Ausnehmung im ersten Rotorteil 13 aufgenommen ist und gegen die beiden Rotorteile 13 und 15 drückt.
Das erste Rotorteil umfasst einen ringförmigen Permanentmagneten 13 und eine Lagerbuchse 14, durch welche hindurch die Achse 8 verläuft. Die Lagerbuchse 14 ist als Sinterlager ausgebildet.
Das zweite Rotorteil 15 weist endseitig ein Ritzel auf, welches an das Getriebe gekoppelt ist. Die gemäss 2 obere Stirnfläche 15a des zweiten Rotorteils 15 liegt an der Gehäuseschale 6a an und bildet mit dieser ein erstes Gleitlager. Gehäuseschalen 6a, 6b und Stirnflächen 15a sind z. B. aus Kunststoff.
Das gemäss 2 untere Ende der Lagerbuchse 14 liegt mit ihrer Stirnfläche 14a an einer Scheibe 20 an und bildet mit dieser ein zweites Gleitlager. Die Scheibe 20 liegt auf einer Erhebung 21, die sich über einer Basisfläche 22 erhebt und einteilig mit dem Spulenkörper 1 ausgebildet ist.
Die Lagerung des Rotors 3 mittels der Scheibe 20 ist in den 3–5 vergrössert dargestellt. Die Scheibe 20 ist rechteckig ausgebildet und weist ein Loch auf, durch welches hindurch die Achse 8 geführt ist. Das Loch der Scheibe 20 weist einen grösseren Durchmesser auf als der Durchmesser der Achse 8, sodass die Scheibe 20 relativ zur Achse 8 kippbar ist.
Die Erhebung 21 ist in Form eines Kegelstumpfes ausgebildet, der in der Mitte eine Öffnung zur Aufnahme der Achse 8 aufweist. Die Oberseite dieses Kegelstumpfes 20 weist somit die Form eines Ringes mit einem Aussendurchmesser d auf und bildet eine Anlagefläche 21a für die Scheibe 20. Diese Anlagefläche 21a ist kleiner als die Querschnittsfläche der Scheibe 20, sodass die Scheibe 20 über den Rand der Anlagefläche 21a hinausragt und der Bereich am Rand 20a der Scheibe 20 freitragend ist. Im montierten Zustand gemäss 5 ist ein materialfreier Zwischenraum zwischen Scheibe 20 und Basisfläche 22 gegeben, welcher Platz für eine Kippbewegung der Scheibe 20 relativ zur Rotationsachse 4 bietet.
Der Zwischenraum zwischen Scheibe 20 und Basisfläche 22 ist seitlich durch Vorsprünge 23 begrenzt, welche über die Basisfläche 22 hinausragen und in Form von Stiften ausgebildet sind. Die Vorsprünge 23 sind einteilig mit dem Spulenkörper 1 ausgebildet. Sie bilden Anschläge für den Rand 20a der Scheibe 20 und dienen zur Verdrehsicherung derselben, sodass die Scheibe 20 drehfest in Bezug auf die stehende Basisfläche 22 gehalten ist. Das hier gezeigte Ausführungsbeispiel weist für jede der vier Seiten der Scheibe 20 je zwei Vorsprünge 23 auf. Anstelle von diesen insgesamt acht Vorsprüngen 23 kann die Anzahl jedoch auch anders gewählt und an die Form der Scheibe 20 angepasst sein.
Folgende Materialien sind für die einzelnen Komponenten geeignet:

– Kunststoff für den Spulenkörper 1 und die Anlagefläche 21a;
– Metall, z. B. Eisenstahl oder Bronze für die Lagerbuchse 14;
– Metall, z. B. Stahl, oder Polytetrafluorethylen (Teflon^®) für die Scheibe 20;
– Kunststoff für die Gehäuseschalen 6a, 6b.

Die Scheibe 20 ist durch gängige Verfahren wie Fräsen oder Stanzen herstellbar und auf einfache Weise in den Elektroantrieb integrierbar.
Im montieren Zustand drückt die Feder 16 das erste Rotorteil 13, 14 an die Scheibe 20 und das zweite Rotorteil 15 an die Gehäuseschale 6a. Dabei kontaktiert die Lagerbuchse 14 über ihre Stirnfläche 14a die Scheibe, wodurch ein Reibdrehmoment erzeugt wird, welches eine Stabilisierung des Rotors 3 bewirkt.
Aufgrund ihrer kippbaren Anordnung kann die Scheibe 20 Verkippungen des Rotors 3, Verformungen sowie etwaigen, z. B. aufgrund der Herstellung bedingten Unebenheiten an der Kontaktfläche zwischen Rotor 3 und Scheibe 20 folgen. Insgesamt wurde eine Stabilisierung des Rotors 3 sowie eine wesentliche Geräuschverminderung während des Laufs sowie auch besonders beim Anschlag festgestellt.
Ist die Lagerbuchse 14 als Sinterlager ausgebildet, so bewirken die hier beschriebenen Massnahmen ebenfalls, dass die Stirnfläche 14a der Lagerbuchse 14 möglichst parallel zur Scheibe 20 bleibt, wodurch ein optimaler Auflagekontakt und ein verschleissfreier Betrieb aufgrund der hydrodynamischen Schmierung gewährleistet sind.
Es wurde festgestellt, dass eine weitere Geräuschverminderung erzielbar ist, wenn die Scheibe 20 nicht über ihre gesamte Oberseite, sondern nur über einen Teilbereich den Rotor 3 kontaktiert. Dies ist beispielsweise erreichbar, indem die Kontaktfläche ringförmig ausgebildet ist, wie dies in 6 illustriert ist. Die Lagerbuchse 14 ist stirnseitig mit einer ringförmigen Erhöhung 25 versehen. Der Aussendurchmesser D der Erhöhung 25 ist so gewählt, dass er grösser als der Aussendurchmesser d der Anlagefläche 21a für die Scheibe 20 ist.
Alternativ ist es denkbar, eine ringförmige Struktur in der Art der Erhöhung 25 auf der Scheibe 20 statt auf dem Lager 14 vorzusehen. Allerdings ist ein Ring 25 auf der Seite des Lagers 14 herstellungstechnisch bevorzugt.
Messungen haben gezeigt, dass bei Vorsehen einer ringförmigen Erhöhung 25 anstelle einer flachen, über die ganze Scheibe 20 reichende Kontaktfläche ("Vollkontakt") der Geräuschpegel im Lauf leicht tiefer und am Anschlag deutlich tiefer ist. Eine mögliche Erklärung für diese Beobachtung ist, dass die Kontaktfläche zwischen Lager 14 und Scheibe 20 kleiner und gleichzeitig regelmässiger ist als beim Vollkontakt. Das Reibdrehmoment, welches bei der Kontaktierung des Lagers 14 mit der Scheibe 20 erzeugt wird, hängt nebst der Kraft der Feder 16 vom Radius der Reibfläche ab. Dieser Radius ändert bei der ringförmigen Kontaktfläche kaum, sodass Geschwindigkeit, Unebenheiten und Verformungen weniger Einfluss auf das Reibdrehmoment haben und dieses dadurch gleichmässiger ist als beim Vollkontakt. Ein gleichmässiges Reibdrehmoment hat ein reduziertes Laufgeräusch zur Folge und ist nicht zuletzt auch
Voraussetzung für eine verlängerte Lebensdauer des Lagers.
Ist das Lager 14 geschmiert, so nimmt die Viskosität des Schmierstoffes bei tiefen Temperaturen bedeutend zu. Das Vorsehen einer ringförmigen Erhöhung 25 hat ebenfalls den Vorteil, dass aufgrund einer Reduzierung der Kontaktfläche ein sicheres Anfahren des Elektroantriebs auch bei tiefen Temperaturen gewährleistet ist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Elektroantrieb für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist und auch bei einer Temperatur von –10 Grad Celsius, –20 Grad Celsius oder von sogar –40 Grad Celsius funktionsfähig bleiben soll.
Messungen an erfindungsgemässen Elektroantrieben zeigen, dass das Laufgeräusch während einer Einlaufphase von wenigen Stunden (typischerweise 2 Stunden) kontinuierlich abnimmt, bis es das tiefste Geräuschniveau erreicht, um welches es dann leicht schwankt. Das Geräusch, welches beim Anschlag erzeugt wird, zeigt keine derartige Einlaufphase, sondern besitzt schon bei Inbetriebnahme des Elektroantriebs ein tiefes Niveau.
7 zeigt ein Beispiel von Messwerten des erzeugten Laufgeräusches. Die schwarzen Quadrate entsprechen jeweils dem Mittelwert von mehreren Messwerten, während die vertikalen Striche jeweils die Streuung dieser Messwerte angeben. Wie ersichtlich nimmt das mittlere Laufgeräusch nach einem zweistündigen Betrieb stark ab und ändert sich danach kaum noch.
Nebst dem verminderten Geräuschpegel im Lauf sowie am Anschlag wurde weiter festgestellt, dass ein erfindungsgemässer Elektroantrieb eine kleinere Streuung in den Geräuschmesswerten zeigt als ein konventioneller Elektroantrieb ohne Scheibe. Dies gilt unabhängig vom Betriebsmodus (Lauf oder Anschlag). Das Verhalten des erfindungsgemässen Elektroantriebs weist somit eine verbesserte Reproduzierbarkeit auf, was vorteilhaft in Bezug auf eine gleichmässigere Abnützung und eine verlängerte Lebensdauer ist.
Aus der vorangehenden Beschreibungen sind dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen zugänglich, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, der durch die Ansprüche definiert ist.
Die Anlagefläche 21a muss nicht unbedingt Teil des Spulenkörpers 1 sein, sondern kann an einem anderen stehenden Teil des Elektroantriebs, z. B. an einem anderen Teil des Stators oder am Gehäuse gebildet sein.
Um die Scheibe 20 gegen ein Verdrehen zu sichern, braucht sie nicht rechteckig zu sein, sondern kann auch eine andere nicht-kreisrunde Form aufweisen, z. B. mehreckig, oval, etc.
Anstelle des Gleitlagers, welches das Ritzel 15 mit der Gehäuseschale 6a bildet, und/oder des Sinterlagers 14 sind auch andere Lagerarten zur Lagerung des Rotors 3 denkbar, z. B. Kugellager.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3545886 A1 [0004]
- DE 1171511 [0004]
- DE 4324912 A1 [0005]
- US 2004/0256931 A1 [0006]
- US 2006/0001325 A1 [0006]
- US 4529901 [0006]

Claims

Elektroantrieb mit Stator (1, 2, 5) und Rotor (3), wobei der Rotor um eine Rotationsachse (4) drehbar ist und an einer Scheibe (20) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (20) verdrehgesichert an einem stehenden Teil (1) gehalten und in Bezug auf die Rotationsachse (4) kippbar ist.
Elektroantrieb nach Anspruch 1, wobei das stehende Teil (1) eine Erhebung (21) mit einer Anlagefläche (21a) aufweist, welche die Scheibe (20) stützt, wobei die Scheibe (20) über den Rand der Anlagefläche (21a) hinausragt.
Elektroantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Rotor (3) eine ringförmige Erhöhung (25) aufweist, welche an der Scheibe (20) anliegt.
Elektroantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Scheibe eine ringförmige Erhöhung aufweist, welche am Rotor anliegt.
Elektroantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer stehenden Achse (8), welche durch den Rotor (3) hindurch verläuft.
Elektroantrieb nach Anspruch 5, wobei die stehende Achse (8) durch die Scheibe (20) hindurch verläuft.
Elektroantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Rotor (3) ein Sinterlager (14) aufweist.
Elektroantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das stehende Teil (1) Vorsprünge (23) aufweist, welche zur Verdrehsicherung auf die Scheibe (20) wirken.
Elektroantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Scheibe (20) verdrehgesichert ist, indem ihre Form von einer Kreisform abweicht.
Elektroantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Rotor (3) ein erstes Rotorteil (13, 14) und ein zweites Rotorteil (15) aufweist.
Elektroantrieb nach Anspruch 10, wobei die beiden Rotorteile (13, 14, 15) in axialer Richtung (4) des Rotors (3) relativ zueinander bewegbar und mit einer Federkraft (16) beaufschlagt sind.
Elektroantrieb nach Anspruch 10 oder 11, wobei das erste Rotorteil (13, 14) einen Permanentmagneten (13) umfasst.
Elektroantrieb nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das zweite Rotorteil ein Ritzel (15) umfasst und/oder ein Gleitlager (15a) für den Rotor (3) bildet.
Elektroantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das stehende Teil ein Spulenkörper (1) ist.
Elektroantrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Steuerung zum schrittweise Antreiben des Rotors (3).