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Die Erfindung betrifft eine Rotorbaugruppe eines Gleichstrommotors, insbesondere eines bürstenlosen Gleichstrommotors.
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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Stellantriebe mit Kleinmotoren, welche eine kompakte Bauweise und ein geringes Gewicht erfordern, insbesondere kleinbauende bürstenlose Gleichstrommotoren, die im Automotive-Bereich zur Anwendung kommen, z. B. als Kleinmotorenverstellglied, Lüfter- und Kühlermotor, Antrieb für Klappensteller beispielsweise in Klimaanlagen und bei der Motorkühlung usw., wobei die Erfindung auf diese nicht beschränkt ist.
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Die
US 7,573,169 B2 beschreibt einen Permanentmagnet-Rotor mit einer Welle und einem Ringmagneten, wobei zwischen Welle und Ringmagnet ein elastisches Verbindungsmedium eingebracht ist. Die Welle ist so ausgebildet, dass zwischen der Welle und der Innenfläche des Magnetrings Räume gebildet sind, welche das elastische Material aufnehmen, wobei das elastische Medium vorzugsweise ein Klebstoff ist, der eine feste Verbindung zwischen Welle und Ringmagnet herstellt.
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Aus der
JP 9102407 A ist eine Rotorbaugruppe bekannt, in der ein ringförmiger gegossener Kunststoffmagnet mit einem Verstärkungsmaterial aus Kohle- oder Glasfaser auf eine Welle aufgepresst wird. Die Verstärkungsfasern sollen verhindern, dass der Ringmagnet beim Aufpressen Risse bekommt.
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Die
JP 2007330030 A beschreibt eine Struktur zum Befestigen eines Ringmagneten an einer Rotorwelle, die zwischen den Ringmagneten und die Welle eingefügt wird. Durch Einbuchtungen an der Innenfläche des Ringmagneten und korrespondierende Ausbuchtungen an der Außenseite der Befestigungsstruktur wird eine formschlüssige Verbindung hergestellt.
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Die
JP 1008849 A beschreibt eine Rotorbaugruppe, in der ein kreiszylindrischer Rotormagnet auf den Außenumfang einer Welle aufgeklebt wird.
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Die
DE 10 2008 022 999 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Halterung von Rotormagneten eines Gleichstrommotors mit einem im Wesentlichen ringförmigen Blechpaket, in dem Haltetaschen zum Einsetzen der Magnete ausgebildet sind. Die Magnete werden in die Taschen eingeklebt.
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Die
EP 1 322 023 A1 beschreibt einen Permanentmagnetrotor mit einem dünnwandigen Permanentmagnetring, der auf einem Kunststofftragteil gehalten ist, in das ein mitlaufendes Gleitlager integriert ist. Bei der Herstellung des Kunststofftragteils wird der Permanentmagnetring miteingespritzt.
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Aus dem Stand der Technik ist es somit bekannt, einen Permanentmagneten einer Rotorbaugruppe auf einen Magnetträger und/oder eine Welle aufzuspritzen bzw. den Permanentmagneten in ein Spritzgusswerkzeug einzulegen und bei der Herstellung des Magnetträgers mit diesem zu verbinden. Es ist ferner bekannt, den Permanentmagneten durch zusätzliche Komponenten, wie Klebestoff, Halterungen, Clipse, Gehäuse, Einsatzstücke und dergleichen mit einer Welle zu verbinden.
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Die unmittelbare Verbindung von Magnet und Welle im Spritzgussverfahren schafft eine gute, in der Regel spannungsfreie Kopplung von Magnet und Welle, erfordert jedoch speziell angepasste Spritzgusswerkzeuge, so dass derartige Fertigungsverfahren nur bei sehr hohen Stückzahlen, beispielsweise von einer Million und mehr, rentabel sind.
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Der Aufbau einer Rotoranordnung mit einer Magnethalterung beispielsweise in der Form von Taschen, in die mehrere Einzelmagnete eingesetzt werden, ist vergleichsweise kostengünstig und unkritisch im Hinblick auf Fertigungstoleranzen, erfordert jedoch einen hohen Aufwand bei der Montage sowie für die Befestigung der einzelnen Magnete in der Halterung.
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Bei Verwendung von vorgefertigten Ringmagneten besteht bei den Lösungen des Standes der Technik das Problem, dass Fertigungs- und Lagetoleranzen ausgeglichen und der Permanentmagnet an dem Magnetträger fixiert werden muss. Hierzu ist es bekannt, Clipse und Klebstoff zu verwenden oder den Magneten auf eine Welle aufzupressen, wobei dann die Gefahr besteht, dass Spannungen in dem Magnet auftreten oder der Sitz des Magneten auf dem Magnetträger Spiel aufweist.
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Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, eine Rotorbaugruppe für einen Gleichstrommotor anzugeben, die in der Herstellung einfach und kostengünstig ist und gleichwohl eine zuverlässige und spannungsfreie Lagerung des Magneten erreicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Rotorbaugruppe mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung sieht eine Rotorbaugruppe eines bürstenlosen Gleichstrommotors vor, mit einem Magnetträger und mit einem Ringmagneten, wobei der Ringmagnet eine zentrale, nicht kreiszylindrische Ausnehmung aufweist und wobei der Magnetträger den Ringmagneten trägt und ein erstes sowie ein zweites Verbindungselement aufweist, die derart gestaltet sind, dass das erste Verbindungselement eine kraftschlüssige und das zweite Verbindungselement eine formschlüssige Verbindung zu der Ausnehmung des Ringmagneten herstellt. Vorzugsweise ist der Magnetträger aus Kunststoff hergestellt und mit der Welle einteilig ausgebildet. Das erste und das zweite Verbindungselement sind an den Magnetträger angeformt. Besonders bevorzugt ist der Magnetträger, welcher die Welle, das erste und das zweite Verbindungselement umfasst, als Spritzgussteil hergestellt.
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Dadurch schafft die Erfindung eine nur zweiteilige Rotorbaugruppe, wobei der Magnetträger, einschließlich Welle und Verbindungselementen, als kostengünstiges Spritzgussteil hergestellt werden kann und wobei als Permanentmagnet ein einfacher Permanentmagnetring, der vorgefertigt werden kann, verwendet wird. Die beiden Verbindungselemente zur Herstellung eines Formschlusses sowie eines Kraftschlusses zwischen Magnetträger und Permanentmagnet ergänzen sich, so dass sie nicht nur den Ringmagneten auf dem Magnetträger sicher fixieren, sondern auch Fertigungstoleranzen und radiales Spiel ausgleichen.
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Die nicht kreiszylindrische Ausnehmung hat den Zweck, einen einfachen Formschluss zwischen dem Magnetträger und dem Ringmagneten zu erlauben. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Grundfläche der Ausnehmung des Ringmagneten in Form eines gleichmäßigen Vielecks, beispielsweise eines Vierecks, Sechsecks oder Achtecks gestaltet. Andere Formen der Grundfläche, wie Ellipsen oder auch ein Kreis oder jede andere Form mit einem gewellten oder gezahnten Rand sind möglich. In der Regel sollte die Ausnehmung konzentrisch und parallel zur Achse des Ringmagneten verlaufen. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Ausnehmung den Ringmagneten schräg zu dessen Achse durchsetzt.
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Das erste Verbindungselement, das eine formschlüssige Verbindung zur Ausnehmung herstellt, kann so gestaltet sein, dass es zur Innenfläche der Ausnehmung wenigstens teilweise einen Linienkontakt herstellt. Beispielsweise kann es sich in Längsrichtung des Magnetträgers erstreckende Stege aufweisen, die von dem Außenumfang des Magnetträgers abstehen und mit der Innenfläche der Ausnehmung den Linienkontakt herstellen.
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Das zweite Verbindungselement, welches der kraftschlüssigen Verbindung dient, weist vorzugsweise Biegeelemente auf, die sich beim Einbringen des Magnetträgers in die Ausnehmung verformen. Diese Biegeelemente können z. B. verformbare Flügel sein, die von dem Außenumfang des Magnetträgers abstehen.
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Zusätzlich kann die Außenkontur des Magnetträgers teilweise an die Innenkontur der Ausnehmung angepasst sein, d. h. die beiden können teilweise, jedoch nicht vollständig Flächen kontakt zueinander haben. Zum Beispiel die Stege des ersten Verbindungselementes können derart bemessen sein, dass sie in korrespondierenden Ecken oder Vertiefungen in der Innenfläche der Ausnehmung zu liegen kommen.
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In der bevorzugten Ausführung der Erfindung weist der Magnetträger zwei erste Verbindungselemente und zwei zweite Verbindungselemente auf.
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Der Magnetträger kann ferner Fortsätze aufweisen, die beispielsweise durch die ersten Verbindungselemente gebildet sind, die sich in axialer Richtung über die Länge des Ringmagneten hinaus erstrecken, wenn der Ringmagnet auf den Magnetträger aufgesetzt ist. Durch Heißverstemmen der Fortsätze kann der Ringmagnet auf dem Magnetträger fixiert werden. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Art der axialen Fixierung des Magnetträgers an den Ringmagneten beschränkt.
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Ein Ende des Magnetträgers kann ferner über die axiale Länge des Ringmagneten hinaus verlängert sein und einen Wellenstummel bilden. An diesem Wellenstummel kann ein Zahnrad angeformt sein.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Welle eine Hohlwelle.
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Wenn die Ausnehmung in Form eines gleichmäßigen Vielecks ausgebildet ist, wird der Ringmagnet vorzugsweise derart magnetisiert, dass die Übergänge zwischen Süd- und Nordpolen des Ringmagneten jeweils an den Ecken des gleichmäßigen Vielecks liegen.
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In einem Anwendungsbeispiel ist die erfindungsgemäße Rotorbaugruppe Teil eines Stellantriebs für einen Klappensteller in einem Kraftfahrzeug, der einen bürstenlosen Gleichstrommotor aufweist, dessen Außenumfang kleiner oder gleich 60 mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 30 mm ist. Vorzugsweise kann der Stator des Gleichstrommotors einen Durchmesser zwischen 12 bis 50 mm, besonders vorzugsweise von ungefähr 24 mm aufweisen. Entsprechend kann der Rotor des Gleichstrommotors einen Durchmesser zwischen 8 bis 30 mm, vorzugsweise von ungefähr 12 mm aufweisen.
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Die Erfindung ist im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
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1 eine Explosionsdarstellung einer Stellantrieb-Baueinheit, in der die Rotorbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird,
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2a und 2b eine Ansicht von unten und eine perspektivische Ansicht eines Gehäuses mit einem eingesetzten Stator, der eine Rotorbaugruppe gemäß der Erfindung aufnehmen kann,
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3a bis 3c einen Längsschnitt durch eine Rotorbaugruppe sowie eine perspektivische Darstellung und eine Stirnansicht der Rotorbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
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4a bis 4c einen Längsschnitt durch eine Rotorbaugruppe sowie eine perspektivische Darstellung und eine Stirnansicht der Rotorbaugruppe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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5a bis 5c einen Längsschnitt durch eine Rotorbaugruppe sowie eine perspektivische Darstellung und eine Stirnansicht der Rotorbaugruppe gemäß einer Abwandlung der in den 4a bis 4c gezeigten Ausführungsform der Erfindung,
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6 eine Explosionsdarstellung eines Getriebes der Baueinheit, die in 1 gezeigt ist, und 7 eine Ansicht von unten auf die Baueinheit der 6.
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1 zeigt eine Stellantrieb-Baueinheit, in der die Rotorbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, in einer Explosionsdarstellung. Die Baueinheit 1 weist einen Gleichstrommotor mit einem Stator 3 und einem Rotor 5, eine Leiterplatte 7 zur Ansteuerung des Gleichstrommotors und ein Getriebe 9 auf, das von dem Gleichstrommotor angetrieben wird. Das Getriebe 9 umfasst mehrere Getrieberäder 53, 53', 53'', 53''', die aufeinanderfolgenden Getriebestufen zugeordnet sind. Der Gleichstrommotor, die Leiterplatte 7 und das Getriebe 9 sind in einem Gehäuse 11 angeordnet, das mit einem Deckel 11' verschlossen werden kann. Der Deckel 11' kann zusätzlich eine Dichtung aufweisen, um das Innere der Baueinheit 1 vor Verschmutzungen und anderen Außeneinflüssen zu schützen.
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Der Gleichstrommotor ist in dem Gehäuse 11 in einem Topf 13 aufgenommen, der an einer Innenseite des Gehäuses 11 angeformt ist. Der Topf 13 hat einen Innendurchmesser, der dem Außendurchmesser des Stators 3 weitgehend entspricht, so dass der Topf 13 den Stator 3 eng umschließt. An dem Topf 13 sind Stifte 15 zur Positionierung und Fixierung des Gleichstrommotors angeformt. Der Stator 3 ist mit einer Nutisolation 17 versehen, die an einer Stirnseite einen Flansch 19 aufweist, an dem Ösen 21 angeformt sind, die von dem Außenumfang der Nutisolation 17 in radialer Richtung abstehen. Durch die Ösen 21 werden die Stifte 15 geführt, um den Stator 3 im Topf 13 relativ zum Gehäuse 11 zu positionieren und an dem Gehäuse 11 zu fixieren. Die Stifte 15 sind dazu derart am Rand des Topfes 13 ausgebildet, dass der Topfrand eine Auflagefläche für den Flansch 19 und die Ösen 21 der Nutisolation 17 bildet und die Stifte 15 durch die Ösen 21 geführt werden. Hierdurch wird der Stator 3 gegen eine radiale Verschiebung und ein Verdrehen gesichert. Die durch die Ösen 21 geführten Stifte 15 können z. B. heißverstemmt werden, so dass der Stator 3 ebenfalls gegen eine axiale Verschiebung gesichert werden kann.
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Zur Befestigung des Gleichstrommotors am Gehäuse 11 ist somit weder ein zusätzliches Motorgehäuse erforderlich noch müssen Teile des Gleichstrommotors besonders ausgeformt sein, um eine formschlüssige Lagerung des Stators 3 im Gehäuse 11 zu ermöglichen. Vielmehr wird der Stator 3 direkt durch den Topf 13 und die angeformten Stifte 15 relativ zum Gehäuse 11 positioniert und an dem Gehäuse 11 fixiert. Hierdurch wird die Montage des Gleichstrommotors im Gehäuse 11 erheblich vereinfacht.
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Die Lagerung des Stators 3 kann weiter dadurch optimiert werden, dass in einem Rückschlussring 25 des Stators 3 eine Längsnut 27 vorgesehen ist, in der ein korrespondierender Vorsprung (nicht gezeigt) in der Innenwand des Topfes 13 geführt werden kann. Darüber hinaus sind an einer dem Topfboden gegenüberliegenden bodenseitigen Stirnseite der Nutisolation 17 im Bereich der Statornuten gleichmäßig beabstandete Vertiefungen 29 ausgebildet, in die entsprechend geformte Vorsprünge (nicht gezeigt) im Boden des Topfes 13 eingreifen können. Sowohl die Vertiefungen 29 als auch die Längsnut 27 sichern somit zusätzlich zu den Ösen 21 der Nutisolation 17 den Stator 3 gegen ein Verdrehen im Topf 13.
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Um die Montage und Justierung des Stators 3 und somit des Gleichstrommotors im Topf 13 zu vereinfachen, ist ferner an der Seitenwand des Topfes 13 ein Lagersitz 31 für eine Welle oder eine Achse des Getriebes 9 ausgebildet. Entsprechend weist der Flansch 19 der Nutisolation 17 eine Ausnehmung 33 auf, welche den Lagersitz 31 zumindest teilweise umschließt, wenn der Stator 3 im Topf 13 eingesetzt ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass der im Topf 13 eingesetzte Stator 3 stets eine vorgegebene Orientierung einnimmt. Ferner sichert der Lagersitz 31 den Stator 3 über die Nutisolation 17 zusätzlich gegen ein Verdrehen.
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Die Fixierung des Gleichstrommotors erfolgt zusätzlich durch die Leiterplatte 7, welche an der Stirnseite der Nutisolation 17 aufliegt und so den Stator 3 in axialer Richtung sichert. Die Leiterplatte 7 ist am Gehäuse 11 über Stege 37 befestigt, die eine Auflagefläche für die Leiterplatte 7 bilden, wobei Stifte der Stege 37 in entsprechende Öffnungen 39 in der Leiterplatte eingreifen. Vorzugsweise werden die Enden der Stifte heißverstemmt, um eine permanente Fixierung der Leiterplatte 7 zu erreichen. Die Baueinheit ist jedoch in dieser Hinsicht nicht beschränkt. So können statt heißverstemmter Stifte andere form- und/oder kraftschlüssige Verbindungen, wie Rastverbindungen und Pressstifte verwendet werden. Die Nutisolation 17 weist an ihrer der Leiterplatte 7 zugewandten Stirnseite eine Reihe L-förmiger Vorsprünge 35 auf, die Drahtführungen für die Spulendrähte bilden.
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Der elektrische Kontakt zwischen der Leiterplatte 7 und dem Stator 3 erfolgt über Anschlussstifte 41, welche in die Vorsprünge 35 der Nutisolation 17 eingepresst sind und sich in axialer Richtung von der Stirnseite der Nutisolation 17 erstrecken. Die Anschlussstifte 41 sind durch korrespondierende Öffnungen in der Leiterplatte 7 geführt und darin verlötet. Die Anschlussstifte 41 sind wiederum mit den jeweiligen Spulen des Stators 3 verbunden, um einen elektrischen Kontakt zwischen der Leiterplatte 7 und den Spulen des Stators 3 herzustellen.
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Die Leiterplatte 7 kann neben einer Verarbeitungseinheit mehrere Sensoren umfassen, die die Drehlage des Rotors 5 bestimmen. Beispielsweise kann auf der Leiterplatte 7 mindestens ein Hall-Sensor zur direkten Erfassung des axialen Streufeldes des Rotors 5 angeordnet sein. Die Leiterplatte 7 kann ferner eine Schnittstelle zur Kommunikation und/oder Stromversorgung aufweisen, beispielsweise einen Anschluss an einen beliebigen Datenbus oder einen spezialisierten Feldbus, wie den LIN-Bus.
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Der erfindungsgemäße Rotor 5, d. h. die Rotorbaugruppe, umfasst einen Magnetträger 43, auf dem ein ringförmiger Permanentmagnet 45 angeordnet ist. Der Magnetträger 43 ist einteilig mit einer Welle 47 ausgebildet, die durch eine Öffnung 49 in der Leiterplatte 7 geführt ist. Die Welle 47 weist ein Getrieberad 47' auf, das das nachgeschaltete Getriebe 9 antreibt. Sowohl die Welle 47 als auch die Getrieberäder 53, 53', 53'' sind auf Achsen 55a bzw. 55b, 55c und 55d gelagert, wobei die Achse 55a im Topf 13 angeordnet ist und die Achse 55b im Lagersitz 31 in der Seitenwand des Topfes 13 angeordnet ist. Ferner ist die Welle des Getrieberads 53''' direkt in einem Lager im Gehäuse 11 gelagert.
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Die gezeigte Ausführungsform der Baueinheit 1 ermöglicht durch den einteiligen Aufbau des Gehäuses 11 eine materialsparende Herstellung und durch den Topf 13 und die angeformten Stifte 15 eine schnelle Montage des Gleichstrommotors im Gehäuse 11.
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Die gezeigte Baueinheit 1 kann als Stellantrieb verwendet werden, wobei die Drehzahl des Rotors 5 z. B. bis 4.000 U/min betragen kann und vorzugsweise im Bereich von 500 bis 2.500 U/min liegen kann, um eine Drehzahl am Abtrieb von z. B. 3 bis 10 U/min und ein Drehmoment von beispielsweise 1 bis 2 Nm zu erzeugen. Ein Anwendungsgebiet der Erfindung ist im Automotive-Bereich zur Ansteuerung von Klappenstellern, z. B. in Klimaanlagen, oder zur Motorsteuerung, wobei die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt ist.
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Das Gehäuse 11 und der Stator 3 der Baueinheit 1 gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform sind ferner in einer Ansicht von unten und in einer perspektivischen Darstellung in 2a bzw. 2b gezeigt. Wie in 2a und 2b zu erkennen ist, ist der Stator 3 im Topf 13 des Gehäuses 11 eingesetzt, wobei der Flansch 19 auf dem Rand des Topfes 13 aufliegt und die Stifte 15 durch die Ösen 21 greifen. Im Boden des Topfes 13 ist eine Anzahl von radial ausgerichteten Streben 57 ausgebildet, welche in die bodenseitigen Vertiefungen 29 der Nutisolation 17 eingreifen, um den Stator 3 gegen ein Verdrehen im Topf 13 zu sichern. Des weiteren ist neben dem Lagersitz 31 der Lagersitz für die Achse 55a der Welle 47 im Boden des Topfes 13 dargestellt. Ferner sind im Boden des Gehäuses 11 weitere Lagersitze 59 für Achsen 55c, 55d des nachgeschalteten Getriebes 9 ausgebildet, wobei der Boden des Gehäuses 11 durch zur jeweiligen Achse 55c, 55d radial verlaufende Streben 61 verstärkt ist.
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3a und 3b zeigen einen Schnitt, eine Explosionsdarstellung sowie eine Stirnansicht einer Rotorbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Korrespondierende Bauteile werden mit denselben Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet. Der Rotor 5 weist einen als Hohlwelle ausgebildeten Magnetträger 43 und einen kreiszylinderförmigen Permanentmagneten 45 auf, in dem eine Ausnehmung 63 vorgesehen ist, durch die der Magnetträger 43 geführt werden kann, um die Welle 47 mit dem Permanentmagneten 45 zu verbinden. An das freie Ende der Welle 47 ist ein Zahnrad 47' angeformt. Eine solche zweiteilige Ausführung des Rotors 5 ist insbesondere bei einer Herstellung in mittleren Stückzahlen, insbesondere von weniger als 1 Million Stück pro Jahr kostengünstiger als z. B. eine einteilige Herstellung.
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Bei der gezeigten Ausführung des Rotors 5 ist die Ausnehmung 63 durch den Permanentmagneten 45 als Sechskant-Ausnehmung ausgeführt. Die Ausnehmung 63 kann jedoch auch eine andere Mehrkantausnehmung sein oder eine ovale Kontur oder eine beliebige andere nichtkreisförmige Kontur aufweisen. Der Magnetträger 43 weist zur Verbindung mit dem Permanentmagneten 45 mindestens ein erstes Verbindungselement 65, das einen Formschluss mit der Ausnehmung 63 im Permanentmagneten 45 herstellt, sowie mindestens ein zweites Verbindungselement 67 auf, das einen Kraftschluss zwischen dem Magnetträger 43 und dem Permanentmagneten 45 herstellt.
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Der Formschluss über das erste Verbindungselement 65 wird insbesondere durch einen Linienkontakt hergestellt, der durch eine vorstehende Rippe 69, die in dem ersten Verbindungselement 65 parallel zur Wellenachse ausgebildet ist, vermittelt wird, die in eine Kante 71 der Ausnehmung 63 greift. Die vorstehende Rippe 69 ist vorzugsweise so hoch, dass zwischen den benachbarten Flächen des ersten Verbindungselements 65 und den zu der Kante 71 benachbarten Flächen der Ausnehmung 63 ein Spalt entsteht, so dass die benachbarten Flächen gar nicht oder nur zu einem geringen Teil aneinander anliegen. Zusätzlich kann die Kante 71 der Ausnehmung 63 selbst abgeschrägt sein, um einen Abstand zwischen den Flächen des ersten Verbindungselements 65 und der Ausnehmung 63 zu erzeugen. Durch diese besonders vorteilhafte Ausgestaltung des ersten Verbindungselements 65 verringert sich aufgrund der geringen Überdeckung die Klemmgefahr beim Zusammenbauen der beiden Bestandteile des Rotors 5.
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Das erste Verbindungselement 65 wird an einem Ende durch eine Vorsprung 73 begrenzt, der sich in radialer Richtung von der Welle 47 erstreckt und eine Auflagefläche für den auf den Magnetträger 43 aufgeschobenen Permanentmagneten 45 bildet. Das erste Verbindungselement 65 ist länger als die Ausnehmung 63, so dass das vollständig in die Ausnehmung 63 eingesteckte erste Verbindungselement 65 aus dem Permanentmagneten 45 in axialer Richtung leicht vorsteht und an der Stirnseite des Permanentmagneten 45 beispielsweise heißverstemmt werden kann, um den Magnetträger 43 am Permanentmagneten 45 zu befestigen. Hierzu weist der Permanentmagnet 45 am Rand der Ausnehmung 63 eine Abkantung 75 auf, welche das durch das Heißverstemmen verdrängte Material des ersten Verbindungselements 65 aufnehmen kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Magnetträger 43 Clips oder andere Befestigungsmittel aufweisen, um den Magnetträger 43 axial am Permanentmagneten 45 zu fixieren. Unabhängig von der Art der axialen Fixierung des Magnetträgers 43 am Permanentmagneten 45 kann durch die vorgesehenen ersten und zweiten Verbindungselemente 65, 67 das Problem von Verspannungen beim Zusammenbau des Rotors wirkungsvoll gelöst werden.
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Das zweite Verbindungselement 67, welches einen Kraftschluss mit dem Permanentmagneten 45 herstellt, kann als ein Biege- oder Rastelement ausgebildet sein. Wie in 3b und 3c gezeigt ist, umfasst das zweite Verbindungselement 67 zwei benachbarte Flügel 77a und 77b und einen parallel zur Wellenachse verlaufenden und radial abstehenden Steg, der die Flügel 77a und 77b nach Art eines Y-Profils verbindet. Wenn somit der Magnetträger 43 in den Permanentmagneten 45 eingesteckt ist, üben die Flügel 77a und 77b an ihren freiliegenden Längsenden einen Druck auf die benachbarten Flächen der Ausnehmung 63 aus, der so groß ist, dass er den Magnetträger 43 im Permanentmagneten 45 hält, jedoch so gering ist, dass der Magnetträger 43 von Hand in den Permanentmagneten 45 geschoben werden kann. Die Flügel 77a und 77b können derart dimensioniert sein, dass die freiliegenden Längsenden in die Kanten 71 der Ausnehmung 63 oder in entsprechende Abschrägungen der Kanten 71 greifen und so einen Druck auf den Permanentmagneten 45 ausüben.
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Durch das zweite Verbindungselement 67 kann somit besonders vorteilhaft neben dem Formschluss ein Kraftschluss hergestellt werden, der einen Ausgleich zu dem radialen Spiel schafft, welches durch Herstellungstoleranzen entsteht. Insbesondere im Hinblick auf die im Stand der Technik bekannte Verbindung mittels Presssitz und Aufspritzen des Magnetträgers 43, ermöglicht die dargestellte form- und kraftschlüssige Verbindung eine vereinfachte Montage und eine erhöhte Belastbarkeit im Betrieb.
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In der gezeigten Ausführung kann der Magnetträger 43 jeweils zwei gegenüberliegende erste Verbindungselemente 65 und hierzu um 90° versetzt zwei gegenüberliegende zweite Verbindungselemente 67 umfassen, so dass bei der gezeigten Sechskant-Ausnehmung 63 die Rippen 69 jeweils in die gegenüberliegenden Kanten 71 der Ausnehmung 63 eingesteckt werden und die Stege der zweiten Verbindungselemente 67 jeweils mittig und senkrecht zu einer Flache der Ausnehmung 63 stehen. Bei hinreichend breiten Flügeln 77a, 77b ist somit jede Kante 71 der Ausnehmung 63 entweder formschlüssig oder kraftschlüssig mit dem Magnetträger 43 verbunden, wie in 3c dargestellt.
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Der Permanentmagnet 45 kann als ein Kunststoff-Spritzgussmagnet oder als gepresster Kunststoff-gebundener Magnet oder als gepresster Sintermagnet hergestellt sein. Die Polarisierung des Permanentmagneten 45 ist hierbei vorzugsweise derart an die Ausnehmung 63 angepasst, dass beispielsweise bei einer Ausnehmung 63 mit einer Polygonkontur die Polübergänge des Permanentmagneten 45 an den Kanten 71 oder Engstellen zwischen der Ausnehmung 63 und der Außenwand des Permanentmagneten 45 ausgebildet sind, wie in 3c gezeigt. So kann beispielsweise bei einer Sechskant-Ausnehmung ein sechspoliger Permanentmagnet vorgesehen sein. Der Magnetträger 43 ist bevorzugt einteilig in einem Spritzgussverfahren aus einem thermoplastischen Material hergestellt.
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4a bis 4c zeigen einen Schnitt, einer Explosionsdarstellung sowie eine Stirnansicht einer Rotorbaugruppe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Korrespondierende Bauteile werden mit denselben Bezugszeichen wie in den 3a bis 3b bezeichnet. Wie in der zuvor beschriebenen Ausführung umfasst der Rotor 5 einen als Hohlwelle ausgebildeten Magnetträger 43 und einen kreiszylinderförmigen Permanentmagneten 45, in dem eine Ausnehmung 63 vorgesehen ist, durch die der Magnetträger 43 geführt werden kann, um die Welle 47 mit dem Permanentmagneten 45 zu verbinden. Auch hier ist an das freie Ende der Welle 47 ein Zahnrad 47' angeformt. Ebenfalls wie in der zuvor beschriebenen Ausführung ist die Ausnehmung 63 als Sechskant-Bohrung ausgeführt. Andere, nicht kreiszylindrische Ausnehmungen liegen im Bereich der Erfindung.
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Der Magnetträger 43 weist zur Verbindung mit dem Permanentmagneten 45 mindestens ein erstes Verbindungselement 85, das einen Formschluss mit der Ausnehmung 63 herstellt, sowie mindestens ein zweites Verbindungselement 87, das einen Kraftschluss zwischen dem Magnetträger 43 und dem Permanentmagneten 45 herstellt, auf.
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Der Formanschluss des ersten Verbindungselementes 85 wird insbesondere durch einen Linienkontakt hergestellt, weil das erste Verbindungselement 85 nach Art einer vorstehenden Rippe parallel zur Wellenachse ausgebildet ist. Diese greift in eine Kante 71 der Ausnehmung 63 ein, so dass sich tangentiale Kontaktstellen oder Kontaktlinien 93 ergeben. Das zweite Verbindungselement 87, welches einen Kraftschluss zu dem Permanentmagneten 45 herstellt, ist nach Art von Flügeln ausgebildet, deren Enden an den Wänden der Ausnehmung 63 zu liegen kommen und dabei einen Druck gegen die Innenwände des Permanentmagnet ausüben. Zusätzlich können die Längsenden der Flügel 87 in weitere Kanten 71 der zentralen Ausnehmung 63 eingreifen.
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In der zweiten Ausgestaltung bilden die Verbindungselemente 85, 87, ähnlich wie in der ersten Ausführung, eine Y-förmige Struktur, wobei hier jedoch Rippe und Flügel integriert sind. Dadurch wird sowohl eine axiale Befestigung des Magnetträgers in der Ausnehmung 63 als auch eine Zentrierung durch die tangentialen Kontaktstellen 93 sichergestellt. Ergänzend wird auf die obige Beschreibung der 3a bis 3c Bezug genommen.
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Bei dem Magnetträger 43 dieser weiteren Ausführungsform sind die ersten Verbindungselemente 85, d. h. die Rippen, in axialer Richtung verlängert und bilden überstehende Fortsätze 89. Mit Hilfe dieser Fortsätze 89 kann der Magnetträger 43, nachdem er in den Permanentmagnetring 45 eingefügt wurde, z. B. durch Heißverstemmen zusätzlich fixiert werden. Schließlich weist der Magnetträger 43 in den Ausführungen der 4a bis 4c noch radiale Vorsprünge 91 auf, die der zusätzlichen axialen Fixierung des Magnetträgers 43 an dem Permanentmagnetring 45 dienen.
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Die in den 5a bis 5c gezeigte Abwandlung der gerade beschriebenen Ausführung der Erfindung unterscheidet sich hinsichtlich der Gestaltung des Magnetträgers 43 und des Permanentmagneten 45 nicht von den 4a bis 4c. Insofern wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen, und es werden dieselben Bezugszeichen verwendet. Die in den 5a bis 5c gezeigte Abwandlung weist zusätzlich eine Befestigungskappe 95 auf, die der axialen und radialen Fixierung des Magnetträgers 43 in dem Permanentmagnetring 45 dient. Die Befestigungskappe 95 umfasst einen ersten Satz Clipse 97 und einen zweiten Satz Clipse 99. Die Clipse 99 des zweiten Satzes umschließen paarweise die radialen Vorsprünge 91 zur axialen und radialen Fixierung des Permanentmagneten 45 auf dem Magnetträger 43. Die Clipse 97 des ersten Satzes greifen in die zweiten Verbindungselemente 87, also die Flügel ein, so dass diese zusätzlich nach außen, gegen die Innenfläche der Ausnehmung 63 des Permanentmagneten 45 gedrückt werden. Dadurch wird die kraftschlüssige Verbindung zwischen den Flügeln 87 und der Innenwand des Permanentmagneten verstärkt.
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Hinsichtlich der weiteren Merkmale des Rotors wird auf die obige Beschreibung der 4a bis 4c sowie der 3a bis 3c Bezug genommen.
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6 und 7 veranschaulichen ein Getriebe, wie es in einer Baueinheit gemäß der beschriebenen Ausführungsform eingesetzt werden kann. Hierbei zeigt 6 eine Explosionsdarstellung des Getriebes und 7 eine Ansicht von unten auf das zusammengesetzte Getriebe aus 6. Korrespondierende Bauteile in den 6 und 7 sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie in 1. Das Getriebe 9 der Baueinheit 1 umfasst eine Vielzahl von Doppelzahnrädern, die in den 6 und 7 mit 79a, 79b und 79c bezeichnet sind. Jedes der Doppelzahnräder nimmt an zwei Getriebestufen teil, wobei eine erste Getriebestufe zwischen dem Getrieberad 47' an der Welle des Elektromotors und dem ersten Doppelzahnrad 79a gebildet wird, eine zweite Getriebestufe wird zwischen dem ersten und dem zweiten Doppelzahnrad 79a, 79b gebildet, eine dritte Getriebestufe wird zwischen dem zweiten Doppelzahnrad und dem dritten Doppelzahnrad 79b und 79c gebildet und eine dritte Getriebestufe wird zwischen dem dritten Doppelzahnrad 79c und dem Abtriebsrad 81 gebildet. In der gezeigten Ausgestaltung umfasst das dritte Doppelzahnrad 79c zwei parallel geschaltete, identische Doppelzahnräder 83, 83', welche gemeinsam mit dem zweiten Doppelzahnrad 79b, zur Bildung der dritten Getriebestufe, und mit dem Abtriebsrad 81, zur Bildung der vierten Getriebestufe, kämmen. Das von dem zweiten Doppelzahnrad 79b übertragene Drehmoment wird also auf die beiden dritten Doppelzahnräder 83, 83' gleichmäßig verteilt und von diesen wieder auf dem Abtriebsrad 81 zusammengerührt.
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Wie eingangs erläutert, entsteht am Abtriebsrad 81 bei entsprechender Last aufgrund der Untersetzung in den jeweiligen Getriebestufen ein erhöhtes Drehmoment, das eine entsprechend robustere Auslegung der Geometrie und des Materials der Zahnräder am Abtrieb erfordert, so dass diese der höheren Belastung Stand halten. In der Praxis kann beispielsweise in der letzten Getriebestufe, also von dem dritten Doppelzahnrad 79c auf das Abtriebsrad 81, ein Drehmoment übertragen werden, dass das Zehnfache des von der ersten Stufe übertragenen Drehmomentes ist. Wenn man davon ausgeht, dass aus Kostengründen und zur Eingrenzung des Platzbedarfs jedes Zahnrad nur so groß und stabil ausgelegt wird, wie es die zu erwartende Belastung in seiner Getriebestufe erfordert, müssten somit bei Getriebeketten mit jeweils nur einem Zahnrad pro Stufe die Zahnräder aus unterschiedlich belastbaren Materialien und/oder mit unterschiedlichen Geometrien ausgebildet werden; insbesondere das Zahnrad der letzten Stufe müsste aus einem besonders belastbaren Material und/oder mit einer verstärkten Zahngeometrie und einer dickeren Welle hergestellt werden, um in allen Anwendungsfällen das maximale Drehmoment übertragen zu können. Dies führt zu erhöhten Herstellungskosten für die Baueinheit 1. Wenn nämlich die Baueinheit 1 für unterschiedliche Anwendungen, in denen unterschiedlichen Nenn-Drehmomente zu übertragen sind, einsetzbar sein soll, muss sie immer für die potentiell größte Belastung ausgelegt sein. Die erfindungsgemäße Antriebseinheit erlaubt es dagegen, ein hohes Drehmoment auf das Abtriebsrad 81 zu übertragen und gleichzeitig die einzelnen Zahnräder 83, 83' der letzten Stufe zu entlasten. Bei Verwendung der zwei Doppelzahnräder 83, 83' werden diese von dem vorhergehenden Doppelzahnrad 79b parallel angetrieben und treiben selbst wiederum das Abtriebsrad 81 parallel an. Dadurch wird das Drehmoment, das auf die beiden Doppelzahnräder 83, 83' wirkt, halbiert, und entsprechend kann trotz einer geringeren Belastung der einzelnen Doppelzahnräder 83, 83' ein erhöhtes Drehmoment auf das Abtriebsrad 81 übertragen werden. Dies erlaubt wiederum die Verwendung eines vergleichsweise weniger robusten und somit kostengünstigeren Materials sowie einer kleineren Zahngeometrie, Wellendurchmesser etc.
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Die Erfindung erlaubt auch, dass eines der Doppelzahnräder 83, 83', beispielsweise das Doppelzahnrad 83', nachträglich aus dem Getriebe 9 entfernt wird, wenn kein erhöhtes Drehmoment am Abtrieb 81 erforderlich ist. Die Funktion der Baueinheit 1 bleibt gleich, lediglich mit dem Unterschied, dass mit einem Doppelzahnrad 83 das maximale Drehmoment am Abtrieb 81 geringer ausfällt. Das Getriebe 9 ist somit besonders variabel einsetzbar.
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In einem Ausführungsbeispiel mit einem Übersetzungsverhältnis von ca. 4 bis 5 pro Getriebestufe und einer Drehzahl am Abtrieb 81 zwischen 3 bis 10 U/min kann z. B. mit einem Doppelzahnrad 83 in der letzten Stufe am Abtrieb 81 ein Nennmoment von ca. 1,2 Nm und mit zwei Doppelzahnrädern 83 und 83' ein Nennmoment von ca. 1,75 Nm übertragen werden. Diese Angaben sollen lediglich der Erläuterung der Größenordnung des erfindungsgemäßen Getriebes dienen.
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Vorzugsweise werden als Materialien Kunststoffe mit einem Füllstoff verwendet, beispielsweise Polyoxymethylen und verschiedene Polyamidtypen. Als Füllstoffe kommen Glasfaser, Glaskugeln oder mineralische Füllstoffe zur Anwendung, wodurch sich je nach verwendeten Kunststoff oder Kunststoffgemisch eine andere Festigkeit der Doppelzahnräder 83, 83' ergibt. Zusätzlich kann Polytetrafluorethylen zur Schmierung verwendet werden.
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Obwohl das Getriebe 9 in 6 und 7 anhand von Zahnrädern und Doppelzahnrädern beschrieben worden ist, ist das in der erfindungsgemäßen Baueinheit 1 einsetzbare Getriebe 9 nicht auf Zahnräder und Doppelzahnräder beschränkt. Vielmehr können beliebige Getriebe und Getrieberäder verwendet werden, beispielsweise in einem Planetengetriebe, Schraubenradgetriebe, Schneckengetriebe, Kettengetriebe oder in einem Getriebe mit einem Zahnriementrieb und in anderen Getrieben auf unterschiedlichen Wellen gelagerte Zahnräder, Reibräder, Schneckenräder und Andere.
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Wegen der konstanten Untersetzung der Getriebestufen und dem dadurch zunehmenden Drehmoment ist es vorteilhaft vor dem Abtrieb zwei parallelgeschaltete Zahnräder 83, 83' zu verwenden um die Beanspruchung der Getrieberäder der letzten Getriebestufe zu reduzieren.
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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 Ausführungen von Bedeutung sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Baueinheit
- 3
- Stator
- 5
- Rotor
- 7
- Leiterplatte
- 9
- Getriebe
- 11, 11'
- Gehäuse und Deckel
- 13
- Topf
- 15
- Stifte
- 17
- Nutisolation
- 19
- Flansch
- 21
- Öse
- 25
- Rückschlussring
- 27
- Längsnut
- 29
- Vertiefung
- 31
- Lagersitz
- 33
- Ausnehmung
- 35
- Vorsprung
- 37
- Steg
- 39
- Öffnung
- 41
- Anschlussstift
- 43
- Magnetträger
- 45
- Permanentmagnet
- 47
- Welle
- 47'
- Getrieberad
- 49
- Öffnung
- 53, 53', 53'', 53'''
- Getrieberad
- 55a, 55b, 55c, 55d
- Achsen
- 57
- Streben
- 59
- Lagersitz
- 61
- Streben
- 63
- Ausnehmung
- 65
- erstes Verbindungselement
- 67
- zweites Verbindungselement
- 69
- Rippe
- 71
- Kante der Ausnehmung
- 73
- Vorsprung
- 75
- Abkantung
- 77a, 77b
- Flügel
- 79a, 79b, 79c
- erste, vorletzte und letzte Stufe
- 81
- Abtrieb
- 83, 83'
- Doppelzahnrad
- 85
- erstes Verbindungselement
- 87
- zweites Verbindungselement
- 89
- Fortsätze
- 91
- radiale Vorsprünge
- 93
- tangentiale Kontaktstellen
- 95
- Befestigungskappe
- 97
- erste Clipse
- 99
- zweite Clipse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7573169 B2 [0003]
- JP 9102407 A [0004]
- JP 2007330030 A [0005]
- JP 1008849 A [0006]
- DE 102008022999 A1 [0007]
- EP 1322023 A1 [0008]
