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Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor und einer Welle, mit einem einseitigen Axiallager und einem Mittel zum Spannen der Welle gegen das Axiallager.
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Eine elektrische Maschine mit einseitigem Axiallager wird beispielsweise als Antrieb für eine Kraftstoffpumpe verwendet. Der Rotor weist in der Regel ein Gleitlager zur Aufnahme der radialen Kräfte auf. Die Welle ist beispielsweise durch ein Spurkuppenlager als Axiallager einseitig abgestützt.
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Zum Spannen des Axiallagers können beispielsweise die Bürsten des elektrischen Antriebs axial am Rotor angeordnet sein, so dass die Federn der Bürsten den Rotor axial in Richtung Axiallager beaufschlagen. Diese Möglichkeit besteht jedoch nicht bei bürstenlosen elektrischen Maschinen, deren Anwendung sich mehr und mehr verbreitet.
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Eine andere Möglichkeit zum Spannen des Axiallagers besteht darin, den oder die Antriebsmagneten gegenüber dem Stator axial zu versetzten, so dass eine magnetischen Kraft in Richtung Axiallager auf den Rotor ausgeübt wird. Dadurch entstehen jedoch magnetische und elektrische Verluste, die zu einem erhöhten Energieverbrauch führen. Um diese Verluste auszugleichen sind entweder größere Magnete oder ein längerer Stator notwendig, was beides erhebliche Zusatzkosten verursacht.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher eine elektrische Maschine der vorgenannten Art zu schaffen, die ein kostengünstiges und einfaches Mittel zum Spannen des Axiallagers aufweist, das auch bei bürstenlosen elektrischen Maschinen einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die elektrische Maschine eine Feder aufweist, die eine axiale Kraft auf die Welle ausübt und zwischen der Feder und der Welle ein Kraftübertragungselement zur reibarmen Übertragung der Kraft angeordnet ist.
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Die Kraft zum Spannen des Axiallagers wird dabei direkt auf die Welle übertragen. Die Spannung des Axiallagers ist alleine von der Federkraft abhängig und ist einfach durch die Wahl der Feder einstellbar. Dazu sind keine Veränderungen am elektrischen und magnetischen System notwendig, so dass keine Verluste auftreten. Die Erfindung ist gleichermaßen bei bürstenbehafteten als auch bürstenlosen Motoren einsetzbar. Dadurch ist nicht nur der Motor einfacher und kostengünstiger herstellbar, sondern es wird auch die Anpassung des Axiallagers wesentlich vereinfacht, da die Federkraft ohne Verlust oder Umleitung die Spannung des Axiallagers bewirkt.
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Die Feder ist dabei prinzipiell beliebig ausgebildet und kann beispielsweise eine Blattfeder oder ein Elastomer sein. Vorzugsweise ist die Feder jedoch als Spiralfeder ausgebildet.
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Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Feder auf eine Stirnseite der Welle wirkt, insbesondere die dem Axiallager gegenüberliegende Stirnseite. Um die Reibung zwischen Welle und Feder zu verringern ist zwischen der Feder und der Stirnseite der Welle ein starrer Körper als Kraftübertragungselement angeordnet.
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Aufgrund der Drehbewegung der Welle weist das Kraftübertragungselement dazu zweckmäßigerweise einen Punktkontakt zur Welle auf. Dabei ist es möglich, dass die Stirnseite der Welle beispielsweise rund und das Kraftübertragungselement eben ausgebildet ist oder umgekehrt. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn das Kraftübertragungselement eine Kugel oder Halbkugel ist, deren Rundung in Kontakt mit der Welle ist.
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In der Regel sind die Feder und das Kraftübertragungselement separate Teile. Das Kraftübertragungselement kann jedoch auch einteilig mit der Feder ausgebildet sein.
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Die elektrische Maschine hat in der Regel ein Gehäuse, in dem die Feder angeordnet ist. Das Axiallager ist außerhalb dieses Gehäuses an dem freien Ende der Welle angeordnet. Zweckmäßigerweise weist das Gehäuse Mittel zum Halten der Feder und eventuell des Kraftübertragungselements bei ausgebauter Welle auf. Dadurch ist eine problemlose Montage des Motors möglich, wobei nicht die Gefahr besteht, dass das Kraftübertragungselement und/oder die Feder aus dem Gehäuse herausfallen, bevor die Welle eingesetzt ist.
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Das Gehäuse weist in der Verlängerung der Welle beispielsweise eine zylinderförmige Ausnehmung auf, in die eine Spiralfeder und eine Kugel eingesetzt sind. Damit die Kugel und die Spiralfeder in der Ausnehmung gehalten werden, kann beispielsweise ein Haken in die Ausnehmung eingesetzt werden oder sein, der auf der Kugel aufliegt und diese in der Ausnehmung hält. Der Haken ist dabei so ausgebildet, dass er zwischen der Welle und der Kugel liegt, ohne die Welle zu berühren.
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Zweckmäßigerweise weist das Gehäuse eine Öffnung zum Einführen des Hakens von Außen auf.
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Alternativ kann der Haken einstückig an das Gehäuse angeformt werden, etwa bei einem Spritzgussgehäuse oder durch eine umgebogene Blechnase bei einem Metallgehäuse.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 den Querschnitt einer ersten Ausführung der Erfindung,
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2 den Querschnitt einer weiteren Ausführung der Erfindung,
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3 den Querschnitt einer weiteren Ausführung der Erfindung mit einem Haken zum Halten der Kugel und Feder,
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4 eine Detailansicht der Spiralfeder der 3 und
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5 eine Detailansicht einer Spiralfeder mit einteiligem Kraftübertragungselement.
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Die 1 zeigt einen im Ganzen mit 1 bezeichneten bürstenlosen Elektromotor, der beispielsweise als Drehantrieb für eine Kraftstoffpumpe dient. Selbstverständlich kann der Motor 1 auch für jeden anderen Zweck eingesetzt werden.
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Der Motor 1 hat ein Gehäuse 2 mit einem offenen 3 und einem geschlossenen 4 Ende. Im Gehäuse 2 ist ein Stator 5 mit einem Statorkern 6 für einen Innenläufer mit mehreren Statorwicklungen 7 befestigt.
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Innerhalb des Stators 5 ist koaxial ein Rotor 8 auf einer Welle 9 drehbar angeordnet. Die Welle 9 ist am offenen Ende 3 des Gehäuses 2 in einem Gleitlager 10 radial gelagert. Am freien Ende 21 der Welle 9 ist ein Axiallager 11 angeordnet, das als Spurkuppenlager ausgebildet ist. Die Welle 9 weist am freien Ende 21 dazu eine Rundung 12 auf, die auf einer ebenen Lagerfläche 13 des Axiallagers 11 läuft.
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Am geschlossenen Ende 4 des Gehäuses 2 ist ein weiteres Gleitlager 14 angeordnet, in dem das andere Ende der Welle 9 radial gelagert ist.
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Das Gehäuse 2 weist am geschlossenen Ende 4 eine Ausnehmung 15 auf, die an das Radiallager 14 angrenzend in direkter Verlängerung der Welle 9 angeordnet ist. Die Ausnehmung 15 ist vorzugsweise einteilig mit dem Gehäuse 2 ausgebildet, beispielsweise aus Kunststoff in einem Spritzgussprozess. Der Durchmesser der Ausnehmung 15 ist dabei geringer als der Durchmesser der Welle 9 oder des Radiallagers 14. In der Ausnehmung 15 sind eine Kugel 16 und eine Spiralfeder 17 eingesetzt. Die Kugel 16 wird durch die Feder 17 an die ebene Stirnfläche 20 der Welle 9 gedrückt. Dadurch entsteht eine axiale Kraft F auf die Welle 9, durch die das Axiallager 11 am freien Ende 21 der Welle 9 gespannt wird. Die Spannung des Axiallagers 11 ist dabei allein von der Federkraft abhängig und kann durch Wahl der Feder 17 nahezu beliebig gewählt werden.
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Die Kugel 16 oder das Kraftübertragungselement allgemein besteht vorzugsweise aus einem reibarmen Material, beispielsweise Keramik oder Teflon. Sie kann jedoch auch aus insbesondere gehärtetem Metall bestehen.
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Die Ausnehmung 15 mit der Kugel 16 und der Feder 17 kann auch als Baugruppe separat ausgeführt sein, die vormontiert mit dem Gehäuse 2 des Motors 1 verbindbar ist.
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Die Kugel 16 sorgt im Wesentlichen dafür, dass die Kraft F reibungsarm an die rotierende Welle 9 übertragen wird. Anstelle der Kugel 16 ist auch eine Halbkugel oder ein anders geformter Körper möglich, der im Wesentlichen einen Punktkontakt zur Welle 9 hat. Beispielsweise könnte der Körper ein Kegel oder eine Halbkugel sein. Alternativ ist es auch möglich, dass die Welle 9 eine Rundung aufweist und der Körper eben ist.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik spielt die elektrische und/oder magnetische Konfiguration des Motors 1 keine Rolle. Die Erfindung ist daher gleichermaßen für bürstenlose wie bürstenbehaftete Motoren geeignet. Weiterhin sind keine Eingriffe oder Änderungen am elektrischen Antrieb notwendig, so dass der Motor mit einem optimalen Wirkungsgrad betrieben werden kann.
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Die Ausführung der 2 unterscheidet sich von der Ausführung der 1 nur dadurch, dass der Durchmesser der Ausnehmung 15 gleich ist, wie der Durchmesser der Welle 9. Dadurch wird die Herstellung des Gehäuses 2 etwas vereinfacht.
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Die 3 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung, die sich in der Aufnahme der Kugel 16 und der Feder 17 von der Ausführung der 1 unterscheidet.
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Um zu Verhindern, dass die Feder 17 und die Kugel 16 aus der Ausnehmung 15 herausfallen, etwa bevor die Welle 9 montiert ist oder beim Entfernen der Welle 9, ist ein Haken 18 in die Ausnehmung 15 angeformt (4). Der Haken 18 sitzt zwischen der Ausnehmung 15 und dem Radiallager 14. Durch den Haken 18 wird die Öffnung der Ausnehmung 15 soweit verengt, dass sie kleiner ist als der Durchmesser der Kugel 16. Dadurch wird zuverlässig verhindert, dass die Kugel 16 aus der Ausnehmung 15 herausfallen kann.
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Zum Einführen der Kugel 16 und der Feder 17 in die Ausnehmung 15 weist der Haken 18 eine Einführschräge 22 auf. Durch Druck mit der Kugel 16 auf die Einführschräge 22 wird der Haken 18 soweit elastisch nach innen verformt, dass die Kugel daran vorbei in die Ausnehmung gleiten kann. In die andere Richtung ist dies aufgrund der Einführschräge nicht möglich.
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In der gezeigten Darstellung handelt es sich um ein Spritzgussgehäuse, wobei der Haken einteilig mit dem Gehäuse 2 ausgebildet ist. Das Gehäuse 2 weist am geschlossenen Ende 4 im Bereich der Ausnehmung 15 eine kleine Öffnung 19 auf, durch die ein Schiebeelement (nicht dargestellt) während des Spritzgussprozesses den Hinterschnitt des Hakens 18 freihält. Durch diese Öffnung kann mit einem Werkzeug der Haken 18 abgebrochen werden, um die Kugel 16 wieder aus der Ausnehmung 15 zu entfernen.
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Es ist allerdings auch denkbar einen separaten Haken in das Gehäuse einzusetzen, indem dieser etwa von Außen in die Ausnehmung 15 geführt oder entfernt werden kann. Dies kann beispielsweise durch die Öffnung 19 erfolgen. Alternativ kann der Haken 18 auch von innen in die Ausnehmung 15 eingesetzt werden.
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Anstelle des Hakens 18 kann auch ein anderes Mittel vorgesehen sein, das die Feder und eventuell eine Kugel 16 in der Ausnehmung 15 hält, beispielsweise ein Sprengring, der in die Ausnehmung 15 eingesetzt ist.
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Wichtig dabei ist, dass der Haken 18 oder das andere Mittel die Welle 9 nicht berührt, damit keine zusätzliche Reibung entsteht.
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Anstelle der Spiralfeder 17 kann auch eine andere Feder verwendet werden, die eine axiale Kraft F auf die Welle 9 ausüben kann, beispielsweise eine Blattfeder oder ein Elastomer. Es ist auch möglich, dass die Feder oder das Elastomer so geformt ist, dass es im Wesentlichen einen reibungsarmen Kontakt zur Welle 9 aufweist und kein Kraftübertragungselement notwendig ist.
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Eine solche Ausführung ist im Detail in 5 gezeigt. Das Kraftübertragungselement 23 ist einteilig mit der Spiralfeder 24 ausgebildet. Dazu ist das der Welle 9 zugewandte Federdrahtende 23 der Spiralfeder 24 zulaufend gebogen, so dass es im Wesentlichen einen Punktkontakt zur Stirnfläche 20 der Welle 9 bildet. Zusätzlich kann das Federdrahtende 23 kugelförmig abgerundet sein, damit keine scharfen Kanten die Reibung erhöhen.
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Auch bei dieser Anordnung ist ein Haken 18 in der Ausnehmung 15 angeordnet, der ein Herausfallen der Spiralfeder 24 verhindert.
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Die hier gezeigten Motoren sind nur exemplarisch zur Verdeutlichung der Erfindung. Dabei spielt die Form und Zusammensetzung des Gehäuses oder die Form und Anordnung der Ausnehmung zur Aufnahme der Feder nur eine untergeordnete Rolle, weshalb die Erfindung keinesfalls auf die hier gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- bürstenloser Motor
- 2
- Gehäuse
- 3
- offenes Ende
- 4
- geschlossenes Ende
- 5
- Stator
- 6
- Statorkern
- 7
- Statorwicklung
- 8
- Rotor
- 9
- Welle
- 10
- Gleitlager
- 11
- Axiallager
- 12
- Rundung der Welle
- 13
- Lagerfläche
- 14
- Gleitlager
- 15
- Ausnehmung
- 16
- Kugel
- 17
- Spiralfeder
- 18
- Haken
- 19
- Öffnung im Gehäuse
- 20
- Stirnfläche der Welle
- 21
- freies Ende der Welle
- 22
- Einführschräge
- 23
- Federdrahtende
- 24
- Spiralfeder
- F
- Kraft in axialer Richtung
