-
Die
Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem
Rotor und einem Kunststoff-Flansch, der einen Flanschkragen aufweist,
auf den der Stator aufgebracht ist, und ein Verfahren zum Herstellen
einer elektrischen Maschine.
-
Die
Erfindung kann beispielsweise in einem bürstenlosen Gleichstrommotor
oder einem anderen Permanentmagnetmotor mit Außenläuferkonfiguration
angewendet werden. Solche Motoren werden z. B. eingesetzt in Festplattenlaufwerken,
wie Mini-Disc-Drives, als Stellmotoren im Automobil-Bereich, in
motorgetriebenen Werkzeugen und auf vielen anderen Gebieten. Insbesondere
bei Motoren kleiner Baugröße, die in sehr großer
Stückzahl hergestellt werden, besteht stets der Wunsch,
die Herstellung der Motoren zu vereinfachen.
-
Die
DE 10 2006 059 135
A1 beschreibt einen Außenläufermotor
mit einem Stator, einem Rotor und einem Flansch, der ein Flanschkragen
aufweist. Der Stator ist auf den Flanschkragen aufgebracht und mit dem
Flansch fest verbunden. Die Antriebswelle des Motors ist über
zwei Kugellager in dem Flansch und an der Innenseite des Stators
gelagert, und der Rotor ist über eine Nabe mit der Welle
verbunden und umgibt den Stator koaxial mit einem definierten Arbeitsspalt
zwischen Stator und Rotor. Dadurch wird ein besonders kompakter
Aufbau der Außenläufer-Maschine erreicht.
-
Bei
Verwendung eines Metallflansches wird dieser in der Regel mit dem
Stator verklebt. Bei zahlreichen Anwendungen kann es aus Kosten-
oder aus anderen Gründen, beispielsweise zur Reduzierung des
Gewichts des Motors, wünschenswert sein, den Flansch aus
Kunststoff herzustellen. Eine Verklebung des Stators mit einem Kunststoffflansch
hat jedoch mehrere Nachteile.
-
Erstens
bringt das Verkleben zwangsläufig den Eintrag von Klebstoff
und somit eine potentielle Verunreinigung der elektrischen Maschine
mit sich. Zweitens erfordert das Verkleben zusätzliche
Arbeitsschritte, in denen der Klebstoff aufgetragen und ausgehärtet
wird. Drittens besteht bei der Verbindung von Kunststoff und Metall
das Problem, dass diese Materialien stark unterschiedliche Temperaturkoeffizienten
haben, so dass eine Klebverbindung nicht bei allen Temperaturen
zuverlässig ist. Zum Beispiel im Automobil-Bereich müssen
Elektromotoren in einigen Anwendungen innerhalb eines Temperaturbereichs
zwischen etwa –40°C und 60°C oder 80°C oder
stellenweise sogar 120°C einsatzbereit sein. Über
einem Temperaturbereich von rund 100°C kann sich Kunststoffmaterial
jedoch um bis zu 10% bis 15% verformen. Es ist daher schwierig,
einen Stator aus Metall und einen Flansch oder eine Trägerplatte aus
Kunststoff dauerhaft und spielfrei miteinander zu verbinden.
-
Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine und ein
Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine anzugeben,
welche die Probleme des Standes der Technik vermeiden und eine zuverlässige,
spielfreie Verbindung zwischen einem Stator und einem Kunststoffflansch
ermöglichen.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen von
Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellen einer
elektrischen Maschine gemäß Patentanspruch 12
gelöst.
-
Die
Erfindung sieht eine elektrische Maschine vor, mit einem Stator,
einem Rotor und einem Kunststoff-Flanschbauteil, das einen Flanschkragen aufweist.
Das Flanschbauteil umfasst beispielsweise eine Trägerplatte
der elektrischen Maschine, und der Stator ist auf den Flanschkragen
des Flanschbauteils aufgebracht. Zur Verbindung des Flanschkragens
mit dem Stator weist der Flanschkragen einen Materialüberschuss
auf, der so konfiguriert ist, dass er das Aufschieben des Stators über
den Flanschkragen während der Montage der elektrischen
Maschine erlaubt. Erfindungsgemäß wird nach dem
Aufbringen des Stators eine Hülse in den Flanschkragen
eingefügt, die so bemessen ist, dass sie den Materialüberschuss
nach außen gegen die Innenseite des Stators drückt,
um so eine spielfreie kraft- und formschlüssige Verbindung
zwischen dem Flanschkragen und dem Stator zu bilden. Die Hülse
ist vorzugsweise Teil eines Lagers, das in den Flanschkragen eingepresst wird.
Sie ist beispielsweise der Außenring eines Kugellagers
oder die Hülse eines fluiddynamischen Lagers oder Bestandteil
eines Gleitlagers. Bevorzugt besteht die Hülse aus Metall.
-
Die
Verbindung zwischen dem Kunststoffflansch und dem Stator wird erfindungsgemäß einfach
dadurch bewirkt, dass der Flanschkragen vorzugsweise an seiner Außenseite
einen Materialüberschuss aufweist, der zunächst
das Aufschieben des Stators auf den Flanschkragen erlaubt, und der
dann durch das Einpressen der Hülse nach außen
gedrückt wird und mit dem Stator fest in Eingriff kommt. Die
Verbindung von Stator und Flansch ist dauerhaft, spielfrei und weitgehend
temperaturunabhängig. Die Hülse oder das Lager,
welche in den Flanschkragen eingepresst wird, leitet die notwendige
Kraft für die Verbindung von Flansch und Stator ein und
hält diese aufrecht. Der Materialüberschuss kann
z. B. als ein Materialvorsprung, ein Rasthaken oder als eine Kombination
aus beidem realisiert sein.
-
Vorzugsweise
weist der Stator an seiner Innenseite wenigstens eine Vertiefung
auf, die den Materialvorsprung teilweise aufnimmt. Dies erlaubt
eine zuverlässige form- und kraftschlüssige Verbindung von
Stator und Flansch. In einer vorteilhaften Ausführung der
Erfindung hat die Vertiefung die Form einer sich entlang der Innenseite
des Stators in axialer Richtung erstreckenden Rinne. Der Stator
ist aus einem Stapel gleicher Bleche aufgebaut, in denen der Rinne
entsprechende Ausnehmungen ausgebildet sind. Vorzugsweise ist wenigstens
eines der Bleche relativ zu seinen benachbarten Blechen verdreht,
so dass die Rinne im Bereich dieses einen Bleches unterbrochen ist.
Wenn der Materialvorsprung in die Rinne gedrückt wird,
schneidet dieses eine Blech in das Material des Flanschkragens ein,
so dass eine zusätzliche Verriegelung geschaffen wird.
Vorzugsweise sind zwei Bleche relativ zu ihren benachbarten Blechen
verdreht, wobei diese beiden Bleche durch wenigstens ein Blech voneinander
getrennt sind. Dadurch werden in der Rinne zwei Stege ausgebildet, die
in den Materialvorsprung einschneiden. Der Materialvorsprung und
die Vertiefung positionieren den Stator in seiner Winkellage. Dadurch
lässt sich der Stator zum Beispiel zu vorhandenen Positionssensoren
exakt ausrichten.
-
Der
Rasthaken kann so ausgebildet sein, dass er an der Stirnseite des
Stators einrastet, um den Stator auf dem Flanschkragen zu positionieren, bevor
die Hülse in den Flanschkragen einge fügt wird. Überdies
kann der Rasthaken die Funktion erfüllen, durch die Krafteinleitung
der Hülse eine form- und kraftschlüssige Verbindung
mit dem Stator einzugehen. In diesem Fall ist eine Vertiefung im
Stator zur Aufnahme eines Materialvorsprungs nicht notwendig. Diese
kann jedoch zusätzlich vorgesehen sein, wenn Rasthaken
und Materialvorsprung vorhanden sind. Der Materialvorsprung ist
dann vorzugsweise an dem Rasthaken ausgebildet.
-
Besonders
zweckmäßig ist es, wenn der Flanschkragen mindestens
zwei gleichmäßig um seinen Umfang verteilte Rasthaken
aufweist und jeder Rasthaken einen oder zwei Materialvorsprünge
hat. Auch die Materialvorsprünge sollten jedenfalls gleichmäßig
um den Umfang des Flanschkragens verteilt sein.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist
an der Außenseite des Flanschkragens zusätzlich
eine, vorzugsweise mehrere gleichmäßig um den
Umfang verteilte Positionierrippen ausgebildet, die den Stator beim
Aufschieben auf den Flanschkragen führen.
-
Die
Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen
Maschine des oben beschriebenen Typs vor. Erfindungsgemäß wird
zunächst der Stator auf den Flanschkragen aufgeschoben,
wobei die Rasthaken des Flanschkragens während des Aufschiebens
ausweichen und in der Endposition des Stators an der Stirnseite
des Stators einrasten, um den Stator auf dem Flanschkragen zu positionieren.
Anschließend wird eine Hülse in den Flanschkragen
eingefügt, und dadurch wird wenigstens ein Teil des Kunststoffmaterials
des Flanschkragens nach außen in Richtung des Stators verlagert, um
eine spielfreie kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen
dem Flanschkragen und dem Stator zu bilden. Diese Verbindung wird
fixiert durch wenigstens einen, vorzugsweise mehrere um den Umfang des
Flanschkragens verteilten Materialvorsprünge, die gegen
die Innenseite des Stators gedrückt und dabei verformt
werden. Vorzugsweise weist der Stator an seiner Innenseite den Materialvorsprüngen
gegenüberliegende Vertiefungen auf, in die das Kunststoffmaterial
des Flanschkragens gedrückt wird. Die Vertiefungen sind
dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass sie Stege oder ähnliche
Erhöhungen aufweisen, welche in die Materialvorsprünge
einschneiden und dabei das Kunststoffmaterial verdrängen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft,
wenn die Hülse Teil eines Lagers, wie eines Kugellagers
oder Gleitlagers ist, so dass das Verstemmen von Kunststoffflansch
und Stator schlichtweg dadurch bewirkt wird, dass das Lager in das
Flanschbauteil eingepresst wird.
-
Die
Erfindung ist im Folgenden anhand einer bevorzugten Ausführung
mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
In den Figuren zeigen:
-
1 eine
Schnittdarstellung durch eine elektrische Maschine gemäß der
Erfindung;
-
2 eine
isometrische Darstellung eines Flansches, der Teil der elektrischen
Maschine der 1 ist;
-
3a eine
geschnittene Darstellung des Flansches der 2, auf den
ein Stator aufgefügt ist;
-
3b eine
vergrößerte Darstellung des Ausschnitts A aus 3a;
-
4a eine
isometrische Darstellung des Stators der elektrischen Maschine der 1;
-
4b eine
vergrößerte Darstellung des Ausschnitts Z aus 4a;
-
4c eine
Explosionsdarstellung des Stators der 4a.
-
1 zeigt
eine Schnittdarstellung durch eine elektrische Maschine gemäß einer
Ausführung der Erfindung. Die Maschine ist als ein bürstenloser Gleichstrommotor
in Außenläufer-Konfiguration ausgebildet. Die
Maschine umfasst ein Flanschbauteil 8 mit einer Trägerplatte 10 und
einem Flanschkragen 12, der den Stator 14 trägt.
Der Stator 14 umfasst einen Stator-Stack aus paketierten
Blechen, auf den eine Nutisolation und Statorspulen aufgebracht
sind.
-
Der
Stator 14 ist in den 4a bis 4c mit
weiteren Einzelheiten dargestellt. In dem Flanschkragen 12 ist
eine Antriebswelle 16 über ein erstes und ein
zweites Kugellager 18, 20 gelagert. In der gezeigten
Ausführung sind die beiden Lager 18, 20 Kugellager,
wobei jedoch auch andere Wälzlager, Gleitlager und insbesondere
auch fluiddynamische Lager vorgesehen werden können. Die
Kugellager sind durch eine oder mehrere Feder vorgespannt.
-
Die
elektrische Maschine umfasst ferner eine Rotoranordnung mit einem
Rotorrückschluss 22 und Rotormagneten 24.
Die Rotoranordnung ist über eine Nabe 26 mit der
Antriebswelle 16 verbunden. Des Weiteren ist in 1 noch
eine Leiterplatte 28 mit Teilen der Ansteuerelektronik 30 dargestellt,
die auf die Trägerplatte 10 montiert sind.
-
Erfindungsgemäß ist
das Flanschbauteil 8 aus Kunststoff hergestellt, beispielsweise
als ein Kunststoff-Spritzgussteil, und der Stator 14 besteht aus
Metall. Zwischen dem Flanschkragen 12 und dem Stator 14 ist
eine Rast/Pressverbindung vorgesehen, wie im Folgenden mit weiteren
Einzelheiten dargelegt ist.
-
2 zeigt
das Flanschbauteil 8 mit seiner Trägerplatte 10 und
dem Flanschkragen 12. Auf der Trägerplatte 10 sind
Zapfen 32 zum Fixieren der Leiterplatte 28 vorgesehen.
Der Flanschkragen 12 weist drei Rasthaken 34 auf,
wobei im Bereich jedes Rasthakens 34 drei Materialvorsprünge 36 ausgebildet sind.
Der Flanschkragen 12 weist ferner eine Stufe 38 auf,
die als ein Anschlag zum Positionieren des Stators 14 auf
dem Flanschkragen 12 dient. Ausgehend von dieser Stufe 38 sind
Fixierrippen 40 an dem Außenumfang des Flanschkragens 12 ausgebildet. In
der zeigten Ausführung fluchten die Fixierrippen 40 jeweils
mit den Rasthaken 34. Darüber hinaus sind am Innen-
und am Außenumfang des Flanschkragens 12 Verstärkungsrippen
an diesen angeformt. Im Innenbereich dienen diese Rippen als Anschlag
für die Lager und zur Vermeidung von Materialanhäufungen.
-
Die
Rasthaken 34 des Flanschkragens 12 sind so konfiguriert,
dass sie beim Aufschieben des Stators 14 auf den Flanschkragen 12 nach
innen ausweichen können und über dem Stirnende
des Stators einschnappen, wenn dieser vollständig auf den Flanschkragen
aufgeschoben wurde. Dies ist mit weiteren Einzelheiten mit Bezug
auf die 3a und 3b sowie 4a bis 4c beschrieben.
-
An
der Innenfläche des Stators 14 sind sich in axialer
Richtung erstreckende Rinnen 42 ausgebildet, mit denen
der Stator 14 auf die Fixierrippen 40 aufgesetzt
wird. Die Form der Rinne 42 entspricht im Wesentlichen
der Negativform der Positionierrippen 40, so dass eine
gute Passung gewährleistet wird.
-
In
der Nähe eines Stirnendes des Stators 14 wird
jede Rinne 42 durch zwei Stege 44 unterbrochen.
Die Stege 44 können dadurch gebildet werden, dass
die korrespondierenden Bleche des Stator-Stacks keine der Rinne 42 entsprechende
Ausnehmungen haben. Besonders zweckmäßig ist es, wenn
der Blechstapel des Stators 14 aus identischen Statorblechen
hergestellt wird, wobei zwei Bleche im Bereich des einen Stirnendes
des Stapels gegenüber den anderen Blechen verdreht werden,
um die Stege 44 zu bilden. Vorzugsweise wird das dem Deckblech 46 unmittelbar
benachbarte, zweite Blech 48 gegenüber dem Hauptstapel 50 verdreht;
ferner wird vorzugsweise auch das vierte Blech 52 verdreht.
Dies ist in 4c illustriert. Da in der gezeigten
Ausführungsform die einzelnen Bleche jeweils um 120° rotationssymmetrisch
sind, werden das zweite und das vierte Blech 48, 52 um
einen Winkel ≠ 120° verdreht, beispielsweise um
40°, bzw. um ein ganzzahliges Vielfaches der Polteilung.
-
Auf
diese Weise können mit einem einzigen Blechschnitt am Innenumfang
des Stators 14 Rinnen 42, welche durch Stege 44 unterbrochen
sind, hergestellt werden. In der gezeigten Ausführung sind
drei Rinnen mit je zwei Stegen dargestellt, wobei die Erfindung
hierauf selbstverständlich nicht beschränkt ist.
-
Die
erfindungsgemäße Maschine wird wie folgt hergestellt:
Der
Stator 14 wird auf den Flanschkragen 12 aufgeschoben,
wobei er mittels der Positionierrippen 40 und der Rinne 42 geführt
wird, bis er gegen die Stufe 38 zu liegen kommt. Dabei
werden die Rasthaken durch das Übermaß ihrer Kontur
leicht nach innen gedrückt; nach Erreichen der endgültigen
Lage des Stators federn sie fast wieder in ihre ursprüngliche Position
zurück. Die Rasthaken 34 rasten über
dem Stirnende des Stators 14 ein, wenn dieser vollständig auf
den Flanschkragen 12 aufgeschoben ist und gegen die Stufe 38 zu
liegen kommt.
-
Anschließend
werden die Kugellager 18, 20 in das Flanschbauteil
eingefügt, wobei ein Kugellager 18 oder 20 vorzugsweise
auf der Welle 16 vormontiert ist und gemeinsam mit der
Welle in das Flanschbauteil 8 eingepresst wird. Es könnten
auch zunächst die Kugellager 18, 20 in
das Flanschbauteil 8 eingepresst und anschließend
die Welle 16 eingefügt werden. Beim Einpressen
des Kugellagers 18 in den Flanschkragen 12 drückt
dessen Außenring die Rasthaken 34 mit den Materialvorsprüngen 36 nach
außen und gegen die Stege 44. Dabei schneiden
die Stege 44 in die Materialvorsprünge 36 ein,
so dass sich das Kunststoffmaterial des Flanschkragens 12 plastisch
verformt und eine form- und kraftschlüssige Verbindung
mit den Stegen 44 bildet. Hierbei wird auch das durch Übermaß überschüssige
Material der Rasthaken an der Oberkante des Stators plastisch verformt.
Durch die Pressverbindung des plastisch verformten Kunststoffmaterials
wird ein spielfreier Presssitz des Stators auf dem Flansch und somit eine
dauerhafte Verbindung zwischen Stator und Flansch gebildet. Hierbei
werden keine zusätzlichen Materialien oder Hilfsstoffe
benötigt. Der erfindungsgemäße Prozess
ist leicht beherrschbar.
-
Wie
in 2 dargestellt, sind an der Innenfläche
des Flanschkragens 12 angefaste Verstärkungsrippen 54 ausgebildet, über
die das Kugellager 18 kontrolliert in den Flanschkragen 12 eingepresst werden
kann. Die notwendige Nachgiebigkeit des Flanschkragens ergibt sich
durch die Segmentierung des Flanschkragens aufgrund der Rasthaken 34.
Die Erfindung sieht somit eine einfache Rast/Pressverbindung zwischen
Stator und Flansch vor, wobei Stator und Flansch einfach durch die
Montage des Kugellagers 18 miteinander verstemmt werden.
Dadurch werden Stator und Flansch dauerhaft und spielfrei sowie
weitgehend temperaturunabhängig miteinander verbunden.
Dies erlaubt die Verwendung eines Kunststoffflansches, der beispielsweise
als ein Kunststoff-Spritzgussteil hergestellt ist, wodurch der erfindungsgemäße
Motor einfach und kostengünstig wird.
-
Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den
Figuren offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als
auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der
Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
-
- 8
- Flanschbauteil
- 10
- Trägerplatte
- 12
- Flanschkragen
- 14
- Stator
- 16
- Antriebswelle
- 18,
20
- Kugellager
- 22
- Rotorrückschluss
- 24
- Rotormagneten
- 26
- Nabe
- 28
- Leiterplatte
- 30
- Teile
der Ansteuerelektronik
- 32
- Zapfen
- 34
- Rasthaken
- 36
- Materialvorsprung
- 38
- Stufe
- 40
- Positionierrippe
- 42
- Rinne
- 44
- Steg
- 46
- Deckblech
- 48
- zweites
Blech
- 50
- Hauptstapel
- 52
- viertes
Blech
- 54
- Verstärkungsrippen
-
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
-
- - DE 102006059135
A1 [0003]