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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Befestigung eines Rotorkörpers auf
einer Welle, wobei der Rotorkörper
aus einzelnen Blechen gestapelt ist und eine polygonale Mittelöffnung zum
Einführen
der Welle hat.
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Ein
solcher Rotorkörper
mit Welle wird beispielsweise für
einen Rotor einer elektrischen Maschine verwendet. Die Befestigung
des Rotorkörpers auf
der Welle ist maßgeblich
für die Übertragung
eines Drehmoments vom Rotor auf die Welle oder umgekehrt verantwortlich.
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Die
Befestigung kann beispielsweise durch eine formschlüssige Verbindung
realisiert werden, beispielsweise eine Verzahnung zwischen Rotorkörper und
Welle. Eine solche formschlüssige
Verbindung ist jedoch aufwändig
und bei kleinen Rotoren nur schwer realisierbar.
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Daher
wird insbesondere bei Kleinmotoren bevorzugt eine Press-Passung
als Befestigung verwendet. Dabei wird eine rundzylindrische Welle
mit Übermaß in eine
Mittelöffnung
in dem Rotorkörper eingepresst.
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Beim
Einpressen der Welle in das Mittelloch wird zwar auch die Welle
etwas komprimiert, hauptsächlich
aber wird der Rotorkörper
elastisch gedehnt. Die Haltekraft der Passung lässt sich vereinfacht mit dem
Hook'schen Gesetz
bestimmen und hängt
maßgeblich
von der Dicke des Rotorkörpers,
das heißt vom
Abstand der Mittelöffnung
zum Außendurchmesser,
ab. Dieser Wert variiert jedoch je nach Wellen-Durchmesser, Motor-Durchmesser
und Rotor-Durchmesser, ist also auch vom Design des späteren Motors
abhängig.
Da die Dicke des Rotorkörpers
relativ groß ist,
ist die Federsteifigkeit groß,
was zu einer steilen Weg-Kraft-Kurve führt. Dadurch haben schon geringe
Abweichungen in den Abmessungen eine große Auswirkung auf die zu erzielende
Haltekraft und die benötigte
Einpresskraft.
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Die
Fertigung aller Komponenten muss daher in sehr engen mechanischen
Toleranzen erfolgen, damit die Haltekraft der Passung am Ende nicht unter
den minimalen Wert fällt.
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Daher
muss die Passung bei jeder Geometrieänderung neu angepasst und berechnet
werden. Wird beispielsweise der Rotor-Durchmesser verändert, so muss der Rotorkörper vollständig neu
konstruiert werden, was sehr zeitaufwändig und kostenintensiv ist.
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Insgesamt
ist daher eine Befestigung mit einer Press-Passung schwer zu Konstruieren
sowie aufwändig
und teuer in der Herstellung.
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Abgesehen
davon, kann die Welle beim Einpressen in den Rotorkörper beschädigt werden.
Beispielsweise kann die Welle an dem durch den Rotorkörper durchgepressten
Ende unrund werden, so dass eine geeignete Fläche zum Aufpressen eines Lagers
nicht mehr vorhanden ist.
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Um
eine solche unrunde Verformung der Welle zu verhindern, wird in
dem
US Patent 6,177,749
B1 eine polygonale Mittelöff nung vorgestellt. Der Kontakt
zwischen Welle und Rotorkörper ist
dadurch auf einzelne Linien reduziert, so dass der Außenumfang
der Welle beispielsweise noch genug Auflagefläche zum Aufpressen eines Lagers
bietet. Eine ähnliche
Lösung
mit einer dreieckigen Mittelöffnung
ist in der
FR 1.469.872
A gezeigt. Die
WO 2007/127658
A2 und die
WO
2000/028642 A1 zeigen ebenfalls solche polygonalen Mittelöffnungen
zur Aufnahme einer Welle.
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Der
Rotorkörper
mit der polygonalen Mittelöffnung
ist aus einzelnen Blechen gestapelt, wobei die Bleche jeweils zueinander
verdreht angeordnet sind, so dass jeweils eine Polygonecke eines
Bleches in der Mitte einer Polygonseite der direkt benachbarten
Bleche liegt. Dadurch wird zwar die Einpresskraft reduziert, durch
die versetzte Anordnung können
aber durch die überstehenden
Blechkanten Beschädigungen
an der Welle oder dem Rotorkörper entstehen.
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Unabhängig davon
ist die Haltekraft aber auch hier von der Dicke des Rotorkörpers abhängig. Die
Fertigungstoleranzen der einzelnen Bleche und der Welle sind also
weiterhin kritisch bei der Herstellung.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher eine Befestigung der vorgenannten Art
zu schaffen, bei der die Geometrie des Rotorkörpers und die Fertigungstoleranzen
keinen oder nur einen geringen Einfluss auf die Haltekraft der Presspassung
haben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass an mindestens einer Polygonseite der Mittelöffnung wenigstens ein Biegeelement
angeordnet ist, das einen Linienkontakt zu der Welle hat.
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Beim
Einpressen der Welle in die Mittelöffnung wird somit lediglich
das Biegeelement ausgelenkt. Eine Verformung des Rotorkörpers an
sich findet nicht statt. Die Welle wird ausschließlich durch die
Federkraft des Biegeelements gehalten.
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Das
Biegeelement ist so ausgelegt, dass die Verformung im elastischen
Bereich stattfindet, so dass die Haltekraft durch das Hook'sche Gesetz berechnet
werden kann.
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Die
Dicke und die Geometrie des Rotorkörpers haben auf die Haltekraft
keinen Einfluss mehr. Das Biegeelement ist im Vergleich zum Rotorkörper dünner, so
dass sich eine wesentlich flachere Weg-Kraft-Kurve ergibt.
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Bei
der Fertigung der Bleche können
daher wesentlich größere mechanische
Toleranzen zugelassen werden, ohne dass der kritische Kraftbereich verlassen
wird.
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Das
heißt
aber auch, dass die Biegeelemente unabhängig von der restlichen Rotorgeometrie ausgelegt
und berechnet werden können.
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Ein
einmal berechnetes Biegeelement kann daher in Rotoren mit unterschiedlichen
Durchmessern und auch mit unterschiedlichen Wellen verwendet werden,
ohne dass eine aufwändige
Neukonstruktion notwendig ist. Dadurch können ganze Motorserien einfach
und kostengünstig
realisiert werden.
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Insgesamt
sind die Konstruktion und die Fertigung eines Rotors mit den erfindungsgemäßen Biegeelementen
wesentlich einfacher und kostengünstiger.
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Die
einzelnen Bleche des Rotorkörpers
werden vorzugsweise gestanzt, wobei die Biegeelemente mit gestanzt
werden können,
so dass kein zusätzlicher
Arbeitsaufwand entsteht. Um Asymmetrien in den einzelnen Blechen
auszugleichen, ist es zweckmäßig, wenn
die Bleche zueinander verdreht gestapelt werden. Dabei ist der Drehwinkel
jedoch so gewählt,
dass die Polygonseiten benachbarter Bleche direkt aufeinander liegen.
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Die
Form der Biegeelemente ist prinzipiell frei wählbar. Beispielsweise kann
das Biegeelement brückenartig
als Steg ausgebildet sein, wobei es beidseitig am Rotorkörper verankert
ist. Es kann aber auch zungenartig ausgebildet und nur einseitig
am Rotorkörper
verankert sein.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist das Biegeelement durch wenigstens einen Teil einer
Polygonseite und eine im Wesentlichen parallel dazu verlaufende
Seite einer Aussparung gebildet. Die restliche Form der Aussparung
spielt für
die Funktion des Biegeelements keine Rolle. Zweckmäßigerweise
ist die Aussparung als Langloch ausgebildet. Die Aussparung kann
jedoch beispielsweise auch trapezförmig, achteckig oder sonst
beliebig geformt sein.
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Die
Biegeelemente könnten
auch durch ungerade und/oder nicht parallele Seiten gebildet sein, beispielsweise
durch gleich oder gegenläufig
gebogene Seiten.
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Die
Aussparungen können
beim Stanzen der Bleche einfach mit ausgestanzt werden. Daher ist
die Form der Biegeelemente oder der Aussparungen relativ frei wählbar ohne
dass die Herstellung teurer wird.
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Insbesondere
bei kleinen Elektromotoren bis 65 mm Durchmesser mit Wellendurchmessern
bis 12 mm hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Länge des
Biegeelements wenigstens 40% der Länge der Polygonseite entspricht.
Besonders zweckmäßig ist
es, wenn das Biegeelement im Wesentlichen über die gesamte Länge der
Polygonseite verläuft.
Bei größeren elektrischen
Maschinen kann es aber durchaus zweckmäßig sein, das Biegeelement
weiter zu verkürzen.
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Bei
den oben genannten kleinen Motoren beträgt die Breite des Biegeelements
vorzugsweise zwischen 0,35 mm und 1,2 mm. Da die Haltekraft im Wesentlichen
von der Länge
und Breite des Biegeelements abhängt,
können
diese Werte jedoch nahezu beliebig den Anforderungen angepasst werden.
Gerade bei großen
Rotoren und/oder bei großen
Haltekräften
kann ein deutlich breiteres Biegeelement notwendig sein. Generell
sollte die Breite des Biegeelements größer sein als die Dicke eines
einzelnen Blechs. Typische Blechstärken bewegen sich zwischen
0,25 mm und 1 mm, je nach durch die maximale Frequenz der Feldwechsel
hervorgerufenen Wirbelstromverluste.
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Damit
die Welle zentral gehalten wird, ist es zweckmäßig, wenn mehrere Biegeelemente
an der Mittelöffnung
angeordnet sind und alle Biegeelemente die gleichen Abmessungen
aufweisen. Dadurch kann verhindert werden, dass die Welle durch
ein steiferes Biegeelement aus der Mitte des Rotorkörpers gedrückt wird.
Um die Symmetrie zu erhöhen und
um Fertigungs- und Materialtoleranzen auszugleichen, ist es vorteilhaft,
wenn die einzelnen Bleche des Rotorkörpers zueinander verdreht gestapelt
werden. Dabei sind die Bleche so angeordnet, dass jeweils die Polygonseiten
der Mittelöffnung
eines Blechs auf eine Polygonseite der benachbarten Bleche zu liegen
kommt.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
der Erfindung hat das Mittelloch mindestens drei Polygonseiten und
mindestens drei Biegeelemente. Es sind jedoch auch vier-, fünf-, sechs-
oder mehreckige Mittelöffnungen
denkbar, wobei die Anzahl der Biegeelemente vorzugsweise mit der
Seitenzahl des Polygons korrespondiert. Die Anzahl der Polygonseiten, bzw.
die Geometrie der Biegeelemente wird durch Faktoren bestimmt, wie
beispielsweise der vorgegebenen Haltekraft, dem zur Verfügung stehenden Raum
zwischen dem Außendurchmesser
der Welle und dem Außendurchmesser
des Rotorkörpers,
der Anzahl und Größe der Rotormagnete,
oder der Herstellbarkeit der Stanzwerkzeuge, um nur einige Faktoren
zu nennen. Damit die Welle mittig zentriert gehalten wird, ist es
besonders vorteilhaft, wenn die Biegeelemente symmetrisch um die
Mittelöffnung
angeordnet sind.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele mit Bezug auf
die Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigt:
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1 bis 3 jeweils
einen Rotorkörper mit
brückenartigen
Biegeelementen,
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4 eine
Detailansicht eines Biegeelements der 1,
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5 einen
Rotorkörper
mit zungenartigen Biegeelementen,
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6 eine
Schrägansicht
eines Rotors mit Welle und erfindungsgemäßen Biegeelementen und
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7 einen
Querschnitt durch einen bürstenlosen
Elektromotor mit einem Rotor mit erfindungsgemäßen Biegeelementen.
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1 zeigt
einen Rotorkörper 1 mit
rundem Außenumfang
und einer polygonalen, achteckigen Mittelöffnung 2, wobei vier
Hauptseiten 3 durch vier kürzere Eckseiten 4 verbunden
sind. Parallel und beabstandet zu den vier Haupt-Polygonseiten 3 ist
jeweils ein Schlitz 5 in Form eines Langlochs angeordnet.
Zwischen den Hauptseiten 3 der Mittelöffnung 2 und jeweils
einer langen Seite 9 der Schlitze 5 sind dadurch
vier brückenartige
Biegeelemente 6 in Form von Stegen gebildet.
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Eine
Welle, die in die Mittelöffnung 2 einsetzbar
ist, lenkt die Biegeelemente 6 aus und bildet mit den Biegeelementen 6 jeweils
einen Linienkontakt aus. Die Eckseiten 4 haben keine Berührung zur
Welle.
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Der
Rotorkörper 1 ist
aus einzelnen Blechen gestapelt, die jeweils 90 Grad gegeneinander
verdreht sind, um Fertigungs- und
Materialtoleranzen auszugleichen.
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Der
Rotorkörper 1 in 2 hat
eine zur 1 vergleichbare achteckige Mittelöffnung 2 und vier
Biegeelemente 6. Der Außenumfang ist jedoch auch achteckig
ausgebildet. Die schräg
verlaufenden Schlitze 8 haben für die Erfindung keine Bedeutung.
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Der
Rotorkörper 1 in 3 hat
wie in 1 einen runden Außenumfang. Die Mittelöffnung 2 ist aber
ein gleichseitiges Sechseck. An allen sechs Polygonseiten 3 sind
brückenartige
Biegeelemente 6 angeordnet, die durch jeweils eine trapezförmige Öffnung 10 gebildet
sind. Dabei ist die Trapezseite 11, die das Biegeelement 6 bildet
parallel zur Sechseckseite 3 ausgerichtet und hat im Wesentlichen
die gleiche Länge.
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In 4 ist
ein Biegeelement 6 der 1 im Detail
gezeigt. Die Länge
L des Biegeelements 6 beträgt etwa 80% der Länge S der
benachbarten Polygonseite 3 der Mittelöffnung 2. Die Breite
B des Biegeelements 6 ist für Kleinmotoren mit Wellendurchmessern
bis etwa 12 mm vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 mm und 1 mm,
kann jedoch bei größeren Motoren
und/oder größeren zu übertragenden Drehmomenten
auch größer sein.
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Der
Rotorkörper 1 in 5 ist
eine Variante der 1, wobei die Biegeelemente 12 zungenartig ausgebildet
und nur einseitig am Rotorkörper
befestigt sind. Möglich
wäre auch
eine Anordnung von zwei zungenartigen Biegeelementen 12 pro
Polygonseite 3, beispielsweise durch mittiges Trennen eines brückenartigen
Biegeelements.
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Die 6 zeigt
einen im Ganzen mit 13 bezeichneten Rotor für einen
bürstenlosen
Elektromotor mit einem Rotorkörper 1 mit
erfindungsgemäßen Biegeelementen 6,
mit einem Ringmagnet 14, der auf dem Rotorkörper 1 angeordnet
ist und mit einer Welle 15, die in der Mittelöffnung 2 des
Rotorkörpers 1 eingepresst
ist.
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Die
Aussparungen 7 am Außenumfang
des Rotorkörpers 1 dienen
zur formschlüssigen,
drehsicheren Befestigung des Ringmagnets 14.
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In 7 ist
ein bürstenloser
Elektromotor 16 mit einem Rotor 13 gemäß der 6 gezeigt.
Der Rotor 13 ist zentral in einem Stator 17 mit
Statorwicklungen 18 und einzelnen Statorpolen 19 angeordnet.
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- 1
- Rotorkörper
- 2
- Mittelöffnung
- 3
- Hauptseite
(Polygon)
- 4
- Eckseite
(Achteck)
- 5
- Langloch
- 6
- Biegeelement
(brückenartig)
- 7
- Aussparung
- 8
- Schlitz
- 9
- Seite
Langloch
- 10
- Trapezförmige Öffnung
- 11
- Trapezseite
- 12
- Biegeelemente
(zungenartig)
- 13
- Rotor
- 14
- Ringmagnet
- 15
- Welle
- 16
- Bürstenloser
Elektromotor
- 17
- Stator
- 18
- Statorwicklung
- 19
- Statorpol
- L
- Länge Biegeelement
- S
- Länge Polygonseite
- B
- Breite
Biegeelement
- D
- Dicke
Rotorkörper