DE102008040029A1

DE102008040029A1 - Rotor für einen Elektromotor

Info

Publication number: DE102008040029A1
Application number: DE200810040029
Authority: DE
Inventors: Bruno Neuhaus; Yvan Bourqui; Michael Watzek
Original assignee: Johnson Electric Switzerland AG
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2007-07-09
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2028-07-01
Also published as: DE102008040029B4

Abstract

Der Rotor für einen Elektromotor umfasst ein erstes Rotorteil (10), welches um eine Rotationsachse (1) drehbar ist, und ein zweites Rotorteil (20), welches zur Übertragung der Bewegung des ersten Rotorteils dient und drehfest mit diesem verbunden ist. Die beiden Rotorteile (10, 20) sind in Richtung der Rotationsachse (1) relativ zueinander bewegbar.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Rotor für einen Elektromotor gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Mehrteilige Rotoren sind z. B. aus der US 1,717,145 , DE 103 31 958 A1 , US 2007/138903 A1 und DE 26 52 768 A1 bekannt.
Aus der DE 35 45 886 A1 ist ein Rotor bekannt mit einem ersten Rotorteil in Form eines Magneten und einem zweiten Rotorteil in Form einer Welle, die als Abtrieb dient. Die beiden Rotorteile sind fest miteinander verbunden. Zur Vermeidung eines Axialspiels dient eine Druckfeder, welche das erste Rotorteil an zwei Scheiben drückt. Der Rotor ist relativ aufwändig und teuer im Aufbau, da u. a. zwei Scheiben und geeignete Mittel zu deren Befestigung am Rotor vorzusehen sind.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Rotor der eingangs erwähnten Art anzugeben, der möglichst ohne Axialspiel lagerbar ist und einen einfacheren Aufbau aufweist.
Ein Rotor, der diese Aufgabe löst, ist im Anspruch 1 angegeben. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausführungen sowie einen Elektromotor mit einem Rotor an.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Figuren erläutert. Es zeigen
1 einen erfindungsgemässen Rotor für einen Elektromotor, wobei die Teile auseinandergezogen dargestellt sind;
2 den Rotor gemäss 1 ohne Feder;
3 eine Seitenansicht des Rotors gemäss 1 im zusammengesetzten Zustand;
4 den Rotor im Schnitt gemäss der Ebene IV-IV in 3;
5 eine Draufsicht des Rotors gemäss 3; und
6 den Rotor im Schnitt gemäss der Ebene VI-VI in 5.
Wie aus den 1 und 2 ersichtlich umfasst der um eine Rotationsachse 1 drehbare Rotor ein erstes Rotorteil 10 und ein zweites Rotorteil 20. Die beiden Rotorteile 10 und 20 sind drehfest miteinander verbindbar, bleiben jedoch in axialer Richtung des Rotors, d. h. in der Richtung der Rotationsachse 1 relativ zueinander bewegbar.
Das erste Rotorteil 10 ist antreibbar ausgestaltet und umfasst zu diesem Zweck im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen permanentmagnetischen Rotorring 11. Das Rotorteil 10 weist weiter eine ringförmige Ausnehmung 12 auf (vgl. 4), in welche eine als Schraubendruckfeder ausgebildete Feder 30 aufnehmbar ist, um ein Auseinanderdrücken der beiden Rotorteile 10 und 20 zu bewirken. Die Feder 30 ist aus Metall.
Das zweite Rotorteil 20 ist das Teil, welches das vom ersten Rotorteil 10 erzeugte Drehmoment abgibt. Es dient somit als Abtrieb und erlaubt die Bewegung vom ersten Rotorteil 10 z. B. auf ein Getriebe oder eine andere drehbare Komponente zu übertragen. Zu diesem Zweck ist das obere Ende des zweiten Rotorteils 20 als Ritzel 21 ausgebildet, welches an das Getriebe angekoppelt werden kann.
Das zweite Rotorteil 20 weist ein Mittelteil 23 mit radial nach aussen gerichteten Flügeln 22 auf, deren Unterseiten als axialer Anschlag für die Feder 30 dienen.
Im vorliegenden Beispiel ist das zweite Rotorteil 20 einstückig und aus Kunststoff gefertigt.
Der Rotor 10, 20, 30 ist Teil eines Elektromotors, welcher z. B. als Elektromotor ohne Bürsten wie Schrittmotor oder bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet ist. Der Elektromotor umfasst dazu einen Stator sowie eine Steuerung zum schrittweise Antreiben des Rotors 10, 20, 30.
Wie auch 4 zeigt, umfasst das erste Rotorteil 10 an einem Mittelteil 13 befestigte Anschlagswände 14, die radial zur Rotationsachse 1 verlaufen und die jeweils eine erste Längsseite 14a, eine zweite Längsseite 14b und eine Endseite 14c aufweisen, welche zur Bildung der Ausnehmung 12 beabstandet zum Rotorring 11 angeordnet ist.
Zwischen zwei benachbarten Anschlagswänden 14 ist jeweils eine Aussparung gegeben, in welche ein Fortsatz 24 des zweiten Rotorteils 20 eintauchen kann. Die Längsseiten 14a und 14b verlaufen im Wesentlichen in Richtung der Rotationsachse 1 und dienen als Anschlagsflächen, welche das zweite Rotorteil 20 kontaktieren und so eine drehfeste Verbindung zwischen den Rotorteilen 10 und 20 ermöglichen. Im vorliegenden Beispiel steht die erste Anschlagsfläche 14a der einen Anschlagswand 14 im Wesentlichen senkrecht auf der zweiten Anschlagsfläche 14b der benachbarten Anschlagswand 14. Der Winkel α kann aber entsprechend der gewählten Ausgestaltung auch anders sein und zwischen 0 Grad und 180 Grad liegen.
Die Fortsätze 24 des zweiten Rotorteils 20 sind um die Rotationsachse 1 herum angeordnet und weisen seitlich eine erste Anschlagsfläche 24a und eine zweite Anschlagsfläche 24b auf, welche im montierten Zustand die entsprechenden Anschlagsflächen 14a und 14b des ersten Rotorteils 10 berühren. Die Fortsätze 24 sind so ausgebildet, dass im montierten Zustand ein rotatives Spiel zwischen den beiden Rotorteilen 10 und 20 vermieden ist. Zu diesem Zweck sind die Anschlagsflächen 24a und 24b eines jeweiligen Fortsatzes 24 so angeordnet, dass sie unter einem Winkel stehen, der im Wesentlichen dem Winkel α entspricht. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass die Anschlagsflächen 24a und 24b vollständig in Kontakt mit den Anschlagsflächen 14a und 14b stehen, um eine drehfeste Verbindung zwischen den Rotorteilen 10 und 20 zu erzielen. Ein teilweiser Kontakt ist dazu ebenfalls ausreichend.
Der jeweilige Fortsatz 24 ist lediglich an einem Ende 24d am Mittelteil 23 des zweiten Rotorteils 20 befestigt, im vorliegenden Beispiel unterhalb der Flügel 25, während das andere Ende 24c des Fortsatzes 24 freitragend ist (vgl. 2). Der Fortsatz 24 ist dadurch elastisch am Mittelteil 23 angeordnet und im Wesentlichen radial zur Rotationsachse 1 bewegbar.
Bei mindestens zwei Fortsätzen 24 ist das jeweilige Ende 24c in Form eines Vorsprungs mit einer Druckfläche 24e ausgebildet, die im zusammengefügten Zustand die Feder 30 berührt (vgl. 4 bis 6).
Wie aus 6 ersichtlich, weisen die Vorsprünge 24c im Querschnitt gesehen eine sich verjüngende Form auf. Dadurch ist gewährleistet, dass die beim Zusammenfügen der Teile 10, 20, 30 zunehmenden Kräfte, die von der Feder 30 auf die Fortsätze 24 des Rotorteils 20 und schliesslich auf die Anschlagsflächen 14a und 14b des Rotorteils 10 wirken, möglichst gleichmässig verteilt werden.
Im zusammengefügten Zustand ist die Feder 30 in axialer Richtung gesehen zwischen dem Boden 15 des ersten Rotorteils 10 und den Flügeln 25 und in radialer Richtung gesehen zwischen den Fortsätzen 24 und dem ersten Rotorring 11 eingespannt und beaufschlagt die beiden Rotorteile 10 und 20 mit einer in axialer Richtung 1 wirkenden Kraft.
Wie 6 weiter zeigt, ist im vorliegenden Beispiel das Mittelteil 13 als Hülse ausgebildet, welche als Lagerbuchse dient. Diese ist z. B. in Form eines Sinterlagers oder eines anderen Lagers ausgebildet, welches zur drehbaren Lagerung des Rotors 10, 20, 30 geeignet ist. Das zweite Rotorteil 20 weist ein durchgehendes Loch 27 auf.
Zur drehbaren Lagerung des Rotors 10, 20, 30 wird eine Achse (in den Figuren nicht dargestellt) durch das Loch 27 und die Hülse 13 hindurchgeführt und an den beiden Enden fixiert. Im Betrieb dreht sich der Rotor 10, 20, 30 um diese stehende Achse. Damit die Rotorteile 10 und 20 nicht aufgrund der von der Feder 30 erzeugten Kraft auseinander fallen, bilden das nach aussen weisende Ende 13a des Mittelteils 13 und das nach aussen weisende Ende 21a des zweiten Rotorteils 20 jeweils mit einer stehenden Fläche ein Gleitlager. Je nach dem Anwendungszweck sind auch andere Lagerarten zur Lagerung des Rotors 10, 20, 30 denkbar, z. B. Kugellager.
Die drehfeste Kupplung zwischen den beiden Rotorteilen 10 und 20 kommt wie folgt zustande:
Der maximale Abstand zwischen den beiden Druckflächen 24e ist so gewählt, dass er im nichtgebogenen Zustand der Fortsätze 24 etwas grösser als der Innendurchmesser der Feder 30 ist.
Beim Einschieben des zweiten Rotorteils 20 in die Feder 30 kommen die Druckflächen 24e in Kontakt mit dem Innenrand der Feder 30, wodurch die Fortsätze 24 mit den Druckflächen 24e radial nach innen bewegt werden. Das zweite Rotorteil 20 wird dabei einerseits zentriert und andererseits kommen die Anschlagsflächen 24a und 24b des zweiten Rotorteils 20 in Kontakt mit den entsprechenden Anschlagsflächen 14a und 14b des ersten Rotorteils 10. Die Ausgestaltung der Fortsätze 24 und der Anschlagswände 14 hat zur Folge, dass beim Zusammenfügen der Rotorteile 10 und 20 etwaige Toleranzen zunehmend reduziert werden und schliesslich ein perfekter Sitz gewährleistet ist.
Das Spannmittel in Form der Feder 30 wirkt einerseits in axialer Richtung auf die beiden Rotorteile 10, 20, um einem etwaigen Axialspiel entgegenzuwirken, und andererseits in radialer Richtung, um eine drehfeste Verbindung zwischen den beiden Rotorteilen 10, 20 zu bewirken.
Die gefederte Anordnung zwischen Feder 30 und zweitem Rotorteil 20 wirkt dem Spiel entgegen, sodass ein guter Sitz auch dann gewährleistet ist, wenn die Teile 10, 20, 30 nicht hochpräzise gefertigt sind. Sind die Herstellungstoleranzen höher, so ist auch die Fabrikation kostengünstiger.
Die drehfeste Verbindung zwischen den beiden Rotorteilen 10 und 20 weist kein oder nahezu kein rotatives Spiel auf und ermöglicht somit eine vollkommene Übertragung des vom ersten Rotorteil 10 erzeugten Drehmoments auf das zweite Rotorteil 20. In axialer Richtung sind die beiden Rotorteil 10 und 20 jedoch nach wie vor relativ zueinander bewegbar. Kommt es beim Rotieren des Rotors 10, 20, 30 zu einer Relativbewegung der beiden Rotorteile 10 und 20 in Richtung der Rotationsachse 1, so geht der Kontakt zwischen den Anschlagsflächen 14a und 24a sowie den Anschlagsflächen 14b und 24b nicht verloren, wodurch die drehfeste Verbindung der beiden Rotorteile 10 und 20 beibehalten wird.
Es wurde festgestellt, dass es für eine drehfeste Verbindung zwischen den beiden Rotorteilen 10 und 20 nicht unbedingt nötig ist, alle Fortsätze 24 mit Druckflächen 24e zu versehen. Im vorliegenden Beispiel sind zwei Fortsätze 24, die gegenüberliegend angeordnet sind, jeweils frei von einer Druckfläche 24e, so dass sie die Feder 30 nicht kontaktieren (vgl. 5). Es hat sich gezeigt, dass die beiden Fortsätze 24, welche von der Feder 30 nach innen gebogen werden, gleich zeitig auch eine kleine tangentiale Bewegung ausführen, die ausreicht, um auch die benachbarten Fortsätze 24 ohne Druckflächen 24e an die Anschlagswände 14 zu drücken. Sind weniger Druckflächen 24e vorzusehen, so ist die Fabrikation vereinfacht, da herstellungsbedingte Toleranzen an den Vorsprüngen 24e und der Feder 30 bei zwei Kontaktstellen weniger kritisch sind als bei drei oder mehr Kontaktstellen.
Die soweit dargestellten Massnahmen bieten u. a. folgende Vorteile:

– Da sich die beiden Rotorteile 10 und 20 relativ zueinander in axialer Richtung bewegen können, ist die axiale Länge des Rotors anpassbar. Dieser kann so gelagert werden, dass das Axialspiel verschwindet. Eine axiale Bewegung des Rotors als Ganzes kann somit vermieden werden.
– Das zweite Rotorteil 10 ist verdrehgesichert am ersten Rotorteil 20 befestigt, sodass durch Relativbewegungen in Drehrichtung erzeugte Vibrationen und Geräusche vermieden werden.
– Durch die elastische Ausgestaltung der Fortsätze 24 und die Verwendung der Feder 30 zum Andrücken der Fortsätze 24 an die Anschlagswände 14 sind die Anforderungen bezüglich Toleranzen (Gefahr des Verklemmen oder aber zu grosses Spiel) weniger streng, was für die Fabrikation und den Zusammenbau vorteilhaft ist. Dank der Feder 30 und dank ihrer Ausgestaltung aus Metall ist eine sichere Verbindung zwischen den Teilen auch dann gewährleistet, wenn das Teil 10 und/oder das Teil 20 weniger genau und/oder aus Kunststoff hergestellt wird, selbst wenn es aufgrund seiner Fliessfähigkeit und/oder aufgrund von Temperaturänderungen zu Formänderungen kommt.
– Die elastische Befestigung kann eine zusätzliche dämpfende Wirkung auf ein unregelmässiges Laufverhalten des Rotors haben.

Aus der vorangehenden Beschreibungen sind dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen zugänglich, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, der durch die Ansprüche definiert ist.
Beim in den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiel sind vier Fortsätze und vier Anschlagswände gezeigt. Je nach Anwendungszweck kann die Anzahl auch kleiner oder grösser als vier sein.
Als Weiterführung des Ausführungsbeispiels kann eine kippbare Scheibe vorgesehen sein, die an einem stehenden Teil verdrehgesichert gehalten ist und am freien Ende der Lagerbuchse 13 anliegt. Diese Massnahme ist in der unveröffentlichten Schweizer Patentanmeldung Nr. 01098/07 vom 9. Juli 2007 beschrieben, die von der gleichen Anmelderin stammt und deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird. Aufgrund ihrer kippbaren Anordnung kann die Scheibe Verkippungen des Rotors 10, 20, 30 bzw. seiner Endflächen 13a, 21a, Verformungen sowie etwaigen, z. B. aufgrund der Herstellung bedingten Unebenheiten an der Kontaktfläche zwischen dem Rotorteil 10 und der Scheibe folgen. Es resultiert eine Stabilisierung des Rotors 10, 20, 30 sowie eine wesentliche Geräuschverminderung während des Laufs.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 1717145 [0002]
- DE 10331958 A1 [0002]
- US 2007/138903 A1 [0002]
- DE 2652768 A1 [0002]
- DE 3545886 A1 [0003]
- CH 01098/07 [0037]

Claims

Rotor für einen Elektromotor, mit einem ersten Rotorteil (10), welches um eine Rotationsachse (1) drehbar ist, und einem zweiten Rotorteil (20), welches zur Übertragung der Bewegung des ersten Rotorteils dient, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rotorteile (10, 20) drehfest miteinander verbunden und in Richtung der Rotationsachse (1) relativ zueinander bewegbar sind.
Rotor nach Anspruch 1, mit einem Spannmittel, insbesondere einer Feder (30), zum Auseinanderdrücken der beiden Rotorteile (10, 20) in Richtung der Rotationsachse (1).
Rotor nach Anspruch 2, wobei zur drehfesten Verbindung die beiden Rotorteile (10, 20) mittels des Spannmittels (30) quer zur Rotationsachse (1) aneinander gedrückt werden.
Rotor nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Spannmittel (30) aus Metall ist.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur drehfesten Verbindung das zweite Rotorteil (20) mindestens einen Fortsatz (24) aufweist, der in eine Aussparung im Spannmittel (30) und/oder im ersten Rotorteil (10) greift.
Rotor nach Anspruch 5, wobei der Fortsatz (24) mittels des Spannmittels (30) an das erste Rotorteil (10) gedrückt wird.
Rotor nach einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei der Fortsatz (24) im Wesentlichen radial zur Rotationsachse (1) beweglich ist und/oder einteilig am zweiten Rotorteil (20) angeformt ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Fortsatz (24) elastisch ausgebildet ist, indem er ein erstes Ende (24d) aufweist, an welchem er befestigt ist, und ein zweites Ende (24c), welches freitragend ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Fortsatz (24) Anschlagsflächen (24a, 24b) aufweist, welche das erste Rotorteil (10) kontaktieren und unter einem Winkel zueinander stehen.
Rotor nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei der Fortsatz (24) einen Vorsprung (24c) aufweist, der in Kontakt mit einem bzw. dem Spannmittel (30) steht.
Rotor nach Anspruch 10, wobei der Vorsprung (24c) eine sich verjüngende Form aufweist.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die drehfeste Verbindung zwischen den beiden Rotorteilen (10, 20) formschlüssig und/oder lösbar ist.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur drehfesten Verbindung das erste Rotorteil (10) mindestens zwei Anschlagsflächen (14a, 14b) aufweist, welche das zweite Rotorteil (10) kontaktieren und unter einem Winkel (α) zueinander stehen.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zweite Rotorteil (20) ein Ritzel (21) aufweist.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zweite Rotorteil (20) einstückig und/oder aus Kunststoff gefertigt ist.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste Rotorteil (10) antreibbar ist und vorzugsweise einen Permanentmagneten (11) umfasst.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Lagerbuchse (13) zur drehbaren Lagerung des Rotors um eine mechanische Achse.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zweite Rotorteil (20) ein erstes Ende aufweist, welches im ersten Rotorteil (10) aufgenommen ist, und ein zweites Ende, welches aus dem ersten Rotorteil (10) herausragt.
Elektromotor mit einem Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Elektromotor nach Anspruch 19, mit einer Steuerung zum schrittweise Antreiben des Rotors (10, 20, 30).