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Stand der Technik
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Elektromotoren kommen in verschiedenen technischen Anwendungen zum Einsatz, unter Anderem als Antriebsmotoren für Scheibenwischanlagen von Fahrzeugen. Ein solcher Elektromotor umfasst in der Regel ein metallisches als Stator dienendes Gehäuse und einen im Gehäuse angeordneten Rotor. Dabei wird durch das magnetische Zusammenwirken zwischen Rotor und Stator eine gewünschte Drehbewegung des Rotors erzielt. Da die Gehäuse moderner Elektromotoren häufig aus nicht magnetischen Materialien wie z. B. Aluminium hergestellt sind, muss der magnetische Rückschluss des Stators über einem separaten Rückschlussring sichergestellt werden. Hierbei handelt es sich um einen aus einem ferromagnetischen Material gebildeten zylinder- bzw. hülsenförmigen Körper, welcher an der Innen- bzw. Außenseite des Gehäuses angeordnet wird. Um die im Betrieb des Elektromotors anfallende Wärme aus dem Inneren des Gehäuses nach außen zu befördern, werden unter anderem an der Außenseite des Motorgehäuses angeordnete Kühlstrukturen in Form von Kühlrippen bzw. lamellenartigen Kühlblechen vorgesehen. Diese Kühlstrukturen werden bereits bei der Herstellung des Gehäuses erzeugt, typischerweise in einem sogenannten Druckgussverfahren. Ferner kann das Motorgehäuse zur Befestigung des Elektromotors im Inneren des Fahrzeugs typische Befestigungsstrukturen aufweisen, welche ebenfalls bei der Herstellung des Motorgehäuses im Druckgussverfahren erzeugt werden. Allerdings erweist sich die Herstellung bestimmter Gehäusestrukturen im Gussprozess als besonders schwierig.
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Abhängig vom Einsatzort eines Elektromotors kann eine flexible Anpassung des Motorgehäuses, insbesondere im Hinblick auf die Anzahl und Anordnung der zur Kühlung und Befestigung dienenden Funktionsstrukturen erforderlich sein. solche individuellen Gestaltungen lassen sich bei einem herkömmlichen Motorgehäuse nur schwer erfüllen, da hier die Form und Position der Funktionsstrukturen bereits bei der Gehäuseherstellung festgelegt werden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Anpassungsfähigkeit eines Motorgehäuses an verschiedene Erfordernisse zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch einen Elektromotor gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß der Erfindung ist eine elektrische Maschine umfassend ein Gehäuse mit wenigstens einer am Gehäuse angeordneten Funktionsstruktur vorgesehen, wobei die Funktionsstruktur als Teil eines am Gehäuse befestigten separaten Funktionselements ausgebildet ist. Die Verwendung separater Funktionselemente, die am Gehäuse montiert werden, erlaubt eine hohe Flexibilität in der Gestaltung. So kann das Gehäuse hiermit auch erst nach seiner Herstellung mit verschiedenen Funktionsstrukturen individuell ausgestattet werden. Dieser modulare Aufbau erlaubt ferner auch den nachträglichen Austausch beschädigter oder nicht mehr benötigter Funktionsstrukturen.
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In einer ersten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Funktionsstruktur als eine Kühlstruktur zum Kühlen der elektrischen Maschine ausgebildet ist. Mithilfe solcher Kühlstrukturen lässt sich die Wärmeabfuhr der elektrischen Maschine verbessern. Dabei kann mithilfe von Funktionselementen mit individuell angepassten Kühlstrukturen die Kühlleistung optimal an die jeweiligen Betriebsbedingungen angepasst werden.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Funktionsstruktur eine Befestigungsstruktur zum Herstellen einer Steck-, Rast-, Klemm- oder Schraubverbindung umfasst. Mithilfe individuell angepasster Befestigungsstrukturen auf separat montierbaren Funktionselementen lässt die elektrische Maschine sehr einfach für den Einbau in verschieden Orten anpassen.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Funktionselement kraftund/oder formschlüssig auf der Außenseite des Gehäuses befestigt ist. Hierdurch wird eine sichere Montage des Funktionselements auf dem Maschinengehäuse gewährleistet.
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Ferner sieht eine Ausführungsform vor, dass das Funktionselement am Gehäuse mittels einer Schweißverbindung, einer Presspassung und/oder einer Rollverbindung befestigt ist. Sowohl die Schweißverbindung als auch die Presspassung stellen jeweils eine besonders stabile bzw. mechanisch belastbare Befestigungsart dar. Die Presspassung erlaubt außerdem die Verbindung unterschiedlicher Materialien. Ferner wird mithilfe der Presspassung ein besonders guter mechanischer Kontakt und damit auch eine optimale Wärmeleitung zwischen den beiden Verbindungspartnern erreicht. Hingegen erlaubt eine Rollverbindung auch nachträglich das Verdrehen des Funktionselements auf dem Maschinengehäuse, was beispielsweise beim Einbau oder Ausrichtung der elektrischen Maschine im Fahrzeug notwendig sein kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Funktionsstruktur auf einer das Gehäuse ringförmig umfassenden Basisstruktur des Funktionselements angeordnet. Mithilfe einer solchen Basisstruktur wird die Kontaktfläche zwischen dem Funktionselement und dem Maschinengehäuse vergrößert. Ferner kann die Basisstruktur als ein Abstandshalter zu benachbarten Gehäusestrukturen dienen.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Gehäuse mehrere axial hintereinander angeordnete Funktionselemente aufweist, wobei die Basisstruktur wenigstens eines Funktionselements als Abstandshalter zu einem benachbarten Funktionselement dient. Mithilfe der als Abstandhalter dienenden Basisstruktur kann sichergestellt werden, dass die Funktionsstrukturen benachbarter Funktionselemente in einem optimalen Abstand voneinander angeordnet sind.
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Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass der magnetische Rückschluss der elektrischen Maschine wenigstens zum Teil durch die Basisstruktur eines oder mehrerer Funktionselemente gebildet wird. Hierbei kann die Basisstruktur als ein Rückschlussring dienen und somit den sonst eingesetzten Rückschlussring ersetzen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist ferner vorgesehen, dass das Funktionselement als ein Stanzteil ausgebildet ist. Ein solches Stanzteil lässt sich besonders günstig herstellen.
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Schließlich sieht eine Ausführungsform vor, dass das Funktionselement aus Aluminium oder aus Stahl gebildet ist. Die Verwendung von Aluminium ermöglicht eine besonders gute Wärmeableitung. Ferner erlaubt dieser Werkstoff eine Reduktion des Gewichts des Bauteils und damit des Gesamtgewichts der elektrischen Maschine. Hingegen eignet sich ein aus Stahl gebildetes Funktionselement besonders gut als magnetischer Rückschlussring der elektrischen Maschine.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer Scheibenwischerantriebseinheit umfassend einen erfindungsgemäßen Elektromotor mit einem Funktionselement;
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2 eine Querschnittsdarstellung durch das Gehäuse Elektromotors aus 1, auf dem ein Funktionselement mit verschiedenen, entlang des Motorgehäuses verteilt angeordneten Funktionsteilen montiert ist;
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3 eine Querschnittsdarstellung durch das Gehäuse eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit einem eine Kühlstruktur umfassenden Funktionselement;
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4 eine Querschnittsdarstellung durch das Gehäuse eines erfindungsgemäß ausgebildeten Elektromotors mit einem eine Kühlstruktur und zwei Befestigungsstrukturen umfassenden Funktionselement;
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5 schematisch eine Querschnittsdarstellung entlang der Längsachse einer erfindungsgemäßen elektrische Maschine mit mehreren jeweils eine Kühlstruktur umfassenden Funktionselementen auf der Außenseite des Gehäuses; und
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6 schematisch eine Querschnittsdarstellung entlang der Längsachse einer Scheibenwischerantriebseinheit mit einem gemäß der Erfindung ausgebildeten elektrisch kommutierten Elektromotor, an dessen Gehäuse mehrere Funktionselemente mit Kühl- und Befestigungsstrukturen angeordnet sind.
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Im Folgenden wird die erfindungsgemäße elektrische Maschine in einer bevorzugten Ausführungsform als Elektromotor, insbesondere als Antriebsmotor für einen Scheibenwischer in einem Fahrzeug, dargestellt. Hierzu zeigt die 1 eine typische Antriebseinrichtung 400 für den Scheibenwischer eines Fahrzeugs. Die Antriebseinrichtung 400 besteht aus einem Umsetzgetriebe 300 mit einem integrierten Elektromotor 100, welcher ein am Getriebegehäuse 310 befestigtes Motorgehäuse 110 umfasst. Das Motorgehäuse 110 weist im Wesentlichen die Form eines Zylinders mit kreisrunder Grundfläche auf, wobei auf seiner Außenseite 111 zwei Funktionsstrukturen 212, 218 angeordnet sind. Hierbei handelt es sich um ein entlang des Außenumfangs 112 des Motorgehäuses 110 verlaufendes Kühlblech 212 sowie um eine sich in Form eines Auslegers radial erstreckende Befestigungsstruktur 213 mit einer Bohrung 218 zur Realisierung einer Schraubverbindung. Erfindungsgemäß sind die Funktionsstrukturen 212, 213 als Teil eines auf der Außenseite 111 des Motorgehäuses 110 montierten separaten Bauteils 210 realisiert. Das Bauteil 210 weist ferner eine zylinderförmige Basisstruktur 211 auf, welche das Motorgehäuse 110 ringförmig umfasst. Die als Träger für die Funktionsstrukturen 212, 213 dienende Basisstruktur ist im montierten Zustand mit dem Motorgehäuse vorzugsweise fest verbunden. Hierzu kommt grundsätzlich jede geeignete form- oder kraftschlüssige Verbindung in Frage. Durch eine entsprechende Gestaltung der Durchmesser der beiden Verbindungspartner ist beispielsweise eine Pressverbindung zwischen der ringförmigen Basisstruktur 211 und dem Motorgehäuse 210 möglich. Alternativ bzw. unterstützend kann das Funktionselement 210 ferner mittels einer Schweißverbindung am Gehäuse 100 befestigt werden. auch eine Rollverbindung kommt hierfür grundsätzlich in Frage. Dabei kann die axiale Ausdehnung der zylinderförmigen Basisstruktur 210 den Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden. Soll auf das Motorgehäuse 210 beispielsweise neben dem bereits montierten Funktionselement 210 ein weiteres Funktionselement montiert werden, so kann durch die Breite der Basisstruktur 211 der Abstand zwischen den Funktionsstrukturen der beiden Funktionselemente bestimmt werden. Die Basisstruktur 211 des in der 1 gezeigten Bauteils 210 kann grundsätzlich als Träger für mehrere Funktionsstrukturen dienen.
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Die 2 zeigt einen Querschnitt durch das Motorgehäuse 110 aus 1. Wie hier dargestellt ist, sitzt die zylinderförmige Basisstruktur 211 vorzugsweise passgenau an der Außenseite des Motorgehäuses 110. Hierdurch wird einerseits eine gute Befestigung des Bauteils 210 auf dem Motorgehäuse 110 ermöglicht, andererseits wird durch den guten und großflächigen Kontakt zwischen der Basisstruktur 211 und der Außenwand des Motorgehäuses 110 eine optimale Wärmeleitung zum Ableiten der im Betrieb des Elektromotors 100 entstehenden Abwärme sichergestellt. Wie bereits in der 1 gezeigt, erstreckt sich eine erste Kühlstruktur 212 lamellenartig entlang des gesamten Umfangs des Motorgehäuses 110. Neben der in der 1 bereits sichtbaren Befestigungsstruktur 213, die in Form eines radialen Auslegers mit einer zentralen Bohrung 218 ausgebildet ist, weist das Bauteil 210 ferner eine zweite zur Befestigung des Motors in einer Montageposition dienenden Befestigungsstruktur 214 auf. Hierzu ist der das freie Ende der ebenfalls als ein sich in radialer Richtung erstreckender Ausleger ausgebildeten zweiten Befestigungsstruktur 214 in Form einer Lasche 219 zur Herstellung einer Steck- oder Klemmverbindung ausgebildet. Dabei kann die Form, Anzahl und Verteilung der Befestigungsstrukturen auf dem Funktionselement 210 je nach Anwendung variieren. Grundsätzlich kommt hierfür neben einer Steck-, Rast-, Klemm- oder Schraubverbindung grundsätzlich jede andere geeignete Befestigungsart in Frage.
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Bei der in der 2 gezeigten elektrischen Maschine 100 handelt es sich um einen mittels eines Stromwenders kommutierten Gleichstrommotor. Wie in der 2 gezeigt ist, sind daher an der Innenseite des Gehäuses 110 zwei Permanentmagnete 121, 122 angeordnet. Die Permanentmagnete 121, 122 bilden zusammen mit dem Gehäuse 110 den Stator des Elektromotors 100. Je nach Anwendung kann die zylinderförmige Basisstruktur 211 auf dem Motorgehäuse 110 montierten Bauteils 210 einen magnetischen Rückschlussring für den Elektromotor 100 bilden. In diesem Fall wird das externe Bauteil 210 aus einem magnetisierbaren Material, vorzugsweise einem ferromagnetischen Stahl erzeugt.
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Die 3 zeigt eine weitere Variante der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Dargestellt ist dabei der Querschnitt durch den Stator eines Gleichstrommotors 100 mit einem Motorgehäuse 110 und einem auf der Außenseite des Gehäuses montierten Funktionselement 210. Das Funktionselement 210 umfasst eine das Motorgehäuse 110 ringförmig umfassende Basisstruktur 211 sowie insgesamt drei von der Basisstruktur in radialer Richtung erstreckende Funktionsstrukturen 212, 213, 214. Die entlang des Umfangs verteilten Funktionsstrukturen 212, 213, 214 sind vorzugsweise als Kühlbleche zur Abstrahlung der im Betrieb des Elektromotors entstehenden Wärme ausgebildet. Die obere Funktionsstruktur 214 dient ferner gleichzeitig als Befestigungsstruktur zur Befestigung des Elektromotors. Hierzu weist das Kühlblech 214 eine zentrale Bohrung 218 zur Aufnahme einer Schraube auf. Je nach Anwendung kann die Form und Verteilung der Funktionsstrukturen variieren. Auch die Gestaltung der Kühlbleche kann je nach Bedarf variiert werden.
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Eine weitere Variante des externen Funktionselements 210 ist in 4 dargestellt. Hierbei sind jeweils vier ohrenartige Kühlbleche um jeweils 90° versetzt entlang des Außenumfangs des Motorgehäuses 110 angeordnet. Da die Kühlbleche 212, 213, 214, 215 in dieser in Bezug auf geringen Platzbedarf optimierten Variante der Kühlblechanordnung sowohl in der Vertikalen als auch in der Horizontalen Richtung nur geringfügig die Abmessungen des Motorgehäuses 110 überschreiten, eignet sich diese platzsparende Variante insbesondere für Anwendungen bei denen nur relativ wenig Platz für den Elektromotor 100 zur Verfügung steht.
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Die 5 zeigt beispielhaft eine elektrische Maschine 100 gemäß der Erfindung. Hierbei handelt es sich um einen Gleichstrommotor, wie er beispielsweise als Antriebsmotor für den Scheibenwischer in einem Fahrzeug eingesetzt wird. Die schematische Darstellung stellt dabei einen Längsquerschnitt durch den Motor dar. Der Motor 100 umfasst ein Gehäuse 110 mit wenigstens zwei Permanentmagneten 121, 124, welche entlang des Umfangs auf der Innenseite des Gehäuses angeordnet sind. Ferner umfasst der Motor 100 einen im Gehäuse 100 mittels zwei Drehlager 131, 132 um eine Längsachse drehend gelagerten Rotor 130. Der Rotor 130 umfasst typischerweise mehrere Rotorwicklungen 134, welche im Betrieb mittels eines Kommutators 133 in einer vorgegebenen Reihenfolge mit Strom beaufschlagt werden. Eine typische Gleichstrommaschine umfasst ferner Kühlkörper zum Abführen von Wärme, welche im Betrieb der elektrischen Maschine steht. Solche Kühlstrukturen werden typischerweise in Form von Lamellen bzw. Rippen auf der Gehäuseaußenseite ausgebildet. Bei der in der 5 gezeigten erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 100 sind solche Kühlstrukturen in Form von auf der Gehäuseaußenseite montierbaren ringförmigen Funktionselementen 210, 220, 230 realisiert. Jede Kühlstruktur 212, 222, 232 ist dabei auf einer zylinderförmigen Basisstruktur 211, 221, 231 angeordnet, welche das Gehäuse 110 ringförmig umfasst. Durch den großflächigen Kontakt der Basisstrukturen 211, 221, 231 und der Gehäusewand 110 wird eine ausreichende Wärmeübertragung zwischen Motorgehäuse 110 und Kühlstruktur 212, 222, 232 sichergestellt. Eine oder mehrere hintereinander angeordnete Basisstrukturen können ferner die Funktion eines Rückschlussrings zum Erzeugen eines magnetischen Rückschlusses des aus dem permanenten Magneten 122 und dem Gehäuse 110 gebildeten Stator bilden.
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Die 6 zeigt schließlich ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Scheibenwischerantriebseinheit 400 für ein Fahrzeug. Die Antriebseinheit 400 umfasst einen Gleichstrommotor 100 und ein Umsetzgetriebe 300, welche in einem gemeinsamen Gehäuse 110, 310 untergebracht sind. Bei dem Elektromotor 100 handelt es sich um einen sogenannten elektrisch kommutierten bzw. bürstenlosen Gleichstrommotor, bei dem die Permanentmagnete 135, 136 auf dem Rotor 130 und die sogenannten Statorwicklungen 125, 126 auf der Innenseite des Motorgehäuses 110 angeordnet sind. Der mittels der beiden Drehlager 131, 132 drehbar gelagerte Rotor 130 ist mechanisch mit einem oder mehreren Getriebekomponenten 320 des Umsetzgetriebes 300 gekoppelt. Der hier gezeigte Elektromotor 100 umfasst analog zu dem in der 5 gezeigten Elektromotor 3 insgesamt drei auf der Außenseite des Motorgehäuses 110 im Bereich der Permanentmagnete 125, 126 angeordnete ringförmige Funktionselemente 210, 220, 230. Die Funktionselemente 210, 220, 230 umfassen dabei jeweils eine das Motorgehäuse 110 umfassende ringförmige Basisstruktur 211, 221, 231 sowie jeweils wenigstens eine Funktionsstruktur 212, 213, 222, 232. Die Funktionsstrukturen 212, 213, 222, 232 sind dabei jeweils als sich zumindest entlang eines Teils des Umfangs des Motorgehäuses 110 erstreckende und senkrecht von der jeweiligen Basisstruktur abstehende Kühlbleche ausgebildet. Je nach Anwendung können die als separate Bauteile auf dem Motorgehäuse 210 montierten Funktionselemente 210, 220, 230 unterschiedliche Funktionen aufweisen. So weist das obere Funktionselement 210 im Unterschied zu den beiden benachbarten Funktionselementen 220, 230 neben der Kühlfunktion auch eine Befestigungsfunktion auf. Die Befestigungsfunktion wird mittels eines sich radial erstreckenden Auslegers 213 des Kühlbleches 212 realisiert. Die so gebildete Befestigungsstruktur 213 kann beispielsweise für eine Steck- oder Klemmverbindung zur Befestigung der Antriebseinheit 400 im Motorraum des Fahrzeugs ausgebildet sein. Das obere Bauteil 210 ist aus einem im Vergleich zu den hinsichtlich guter Wärmeleitfähigkeit und geringem Gewicht optimierten Bauteile 220, 230 aus einem dickeren Blech gefertigt, um die zusätzliche mechanische Belastung zu kompensieren.
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Die in den Figuren gezeigten Funktionsstrukturen sind jeweils in einem Endabschnitt der zugehörigen Basisstruktur angeordnet. Grundsätzlich ist es jedoch möglich, die Funktionselemente axial versetzt auf einer Basisstruktur anzuordnen.
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Obwohl die Erfindung lediglich im Zusammenhang mit einem Gleichstrommotor beschrieben wurde, ist das erfinderische Konzept grundsätzlich jede elektrische Maschine anwendbar. Insbesondere können auch Wechselstrommotoren sowie elektrische Generatoren oder ähnliche elektrische Maschinen flexibel mit den hier beschriebenen Funktionselementen ausgestattet werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus auch andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
