DE102012208847A1

DE102012208847A1 - Elektronisch kommutierter Gleichstrommotor mit Abschirmung

Info

Publication number: DE102012208847A1
Application number: DE102012208847A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schiel; Zsolt Dudas; Joerg Brandes; Siegmar Schoser; Detlef Prahl; Michael Hermann; Juergen Munz; Tamas Banky; Michael Maelzer; Tobias Rothfuss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2013-11-28
Also published as: EP2856620A1; WO2013174626A1; US9673686B2; CN104303402B; US20150171713A1; CN104303402A

Abstract

Bei einem elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, mit einer Statoreinheit (5) und einer als Außenläufer ausgebildeten Rotoreinheit (1), und mit feststehenden Sinterlagern (8, 9), wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zur Anbindung einer an der Rotoreinheit (1) ausgebildeten leitenden Schirmung an ein definiertes elektrisches Potenzial die Rotoreinheit (1) mit der Welle (3) leitend verbunden ist, und dass das Sinterlager (8, 9) leitend mit dem Potenzial verbunden ist, so dass über den zwischen der Welle (3) und dem Sinterlager (8, 9) angeordneten, elektrisch isolierenden ölgefüllten Lagerspalt eine kapazitive Kopplung der Schirmung der Rotoreinheit (1) an das Potenzial entsteht. Somit ist ein Schleifkontakt nicht erforderlich.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Gleichstrommotor, mit einer Statoreinheit und einer Rotoreinheit, die drehfest mit einer elektrisch leitenden Welle verbunden ist, die in mindestens einem feststehenden Sinterlager drehbar gelagert ist, und mit einer Abschirmung gegen hochfrequente elektromagnetische Felder.
Ein gattungsgemäßer Gleichstrommotor ist beispielsweise aus der DE 1 638 216 A1 bekannt. Dabei ist es auch bekannt, an der der Rotoreinheit gegenüberliegenden Stirnseite der Statoreinheit, also im Bereich einer Boden- oder Grundplatte der Statoreinheit, eine elektrisch an Masse angebundene Metallplatte zur Abschirmung in diese axiale Richtung vorzusehen.
Die vorliegende Erfindung geht von einem bürstenlosen, elektronisch kommutierter Gleichstrommotor (EC = Electronically Commutated oder auch BLDC = Brushless Direct Current) in Flachbauweise aus, bei dem also die axiale Ausdehnung des Motors im Verhältnis zu seinem Durchmesser klein ist. Dies wird im Wesentlichen durch die bekannte Außenläuferbauart erreicht, bei der die Rotoreinheit die Statoreinheit außen umläuft.
Konventionelle BLDC-Motoren kleiner Leistung strahlen über ihre Wicklung elektromagnetische Wellen während des Motorbetriebes ab. Diese abgestrahlten Wellen können im Rahmen von EMV-Prüfungen gemessen werden und sind in vielen technischen Umgebungen, beispielsweise Kraftfahrzeugen, die andere, elektrisch störempfindliche Geräte beinhalten, unerwünscht. Zur Reduktion dieser abgestrahlten Wellen können metallische Schirmungen in Wicklungsnähe, insbesondere die zuvor in Bezug zum gattungsgemäßen Gleichstrommotor erwähnte bodenseitige Metallplatte, angebracht werden. Beim Außenläufer kann die gegenüberliegende weitere Schirmung durch einen – nahe am Stator angebrachten – metallischen Rotor realisiert werden. Zum Erreichen einer wirksamen Abschirmung ist es nicht hinreichend, die abzuschirmenden Bauteile mit Leitern zu umgeben, sondern diese müssen auf Massepotenzial kontaktiert werden. Ansonsten kann es im schlimmsten Fall dazu kommen, dass die Abschirmung selbst in der Funktion einer Antenne hochfrequente Energie ein- oder auskoppelt und damit das Störproblem noch verschlimmert. Die damit erforderliche elektrische Anbindung an die drehende Rotor-Abschirmung ist jedoch nicht ohne weiteres möglich. Sie kann zwar in bekannter Weise über einen Schleifkontakt erfolgen, was jedoch Zusatzbauteile erfordert und auch hinsichtlich der Lebensdauer als problematisch gilt.
Aus der DE 10 2007 019 431 A1 ist es bei einem Bürstenmotor im Rahmen von Entstörmaßnahmen bekannt, die Rotorwelle über ein Lager der Welle und eine das Lager kontaktierende Verbindungseinrichtung elektrisch leitend mit einem Bezugspotenzial, insbesondere einem Versorgungspotenzial, galvanisch zu koppeln.
Aus der DE 10 2006 024 551 A1 ist es zur Abschirmung einer elektronischen Einrichtung, insbesondere einer Schaltung, die mit einer leitfähigen Kappe umgeben ist, bekannt, flächige Bereiche der Kappe elektrisch isoliert in geringem Abstand parallel zu einem flächigen Bereich eines Leiters eines Bezugspotenzials anzuordnen, so dass eine kapazitive Kopplung der Kappe an das Bezugspotenzial entsteht.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Gleichstrommotor der eingangs genannten Art zu schaffen, der hinsichtlich der Schirmung eine einfache und wenig aufwändige leitfähige Kontaktierung des drehenden Rotors gewährleistet.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gleichstrommotor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
Bei dem erfindungsgemäßen Gleichstrommotor wird, über die gattungsgemäßen Merkmale hinaus, zur Anbindung einer an der Rotoreinheit ausgebildeten leitenden Schirmung an ein definiertes elektrisches Potenzial die Schirmung der Rotoreinheit mit der Welle leitend verbunden. Weiter erfindungsgemäß ist das Sinterlager leitend mit dem Potenzial verbunden, so dass über den zwischen der Welle und dem Sinterlager angeordneten, elektrisch mindestens teilweise isolierenden ölgefüllten Lagerspalt eine kapazitive Kopplung der Schirmung der Rotoreinheit an das Potenzial entsteht.
Der Erfindung liegt die Idee zu Grunde, mittels des Sinterlagers eine besonders im hochfrequenten Bereich elektrisch leitfähige Verbindung, nämlich eine kapazitive elektrische Kopplung, zu nutzen, um die rotierende Welle an eine feststehende Lagerbuchse elektrisch leitfähig anzubinden und somit letztlich die Rotor-Abschirmung elektrisch mit dem Bezugspotenzial kontaktieren zu können. Vorteilhafterweise kann damit der sonst zur Kontaktierung des drehenden Rotors erforderliche Schleifkontakt entfallen.
Gemäß einer ersten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Rotoreinheit ein die Schirmung bildendes topfförmig ausgebildetes metallisches Polgehäuse, so dass die Rotoreinheit im Wesentlichen selbst die Schirmung in diesem Bereich des Motors bildet.
Bei einer als besonders vorteilhaft angesehenen weiteren Weiterbildung der Erfindung ist die Welle in einem ersten und zweiten, axial beabstandeten Sinterlager drehbar gelagert, die jeweils mit dem definierten Potenzial leitend verbunden sind, so dass zwei parallel geschaltete kapazitive Kopplungen der Welle an das Potenzial entstehen. Durch die höhere Kapazität können die vom Motor erzeugten hochfrequenten Störungen, die in die Rotor-Schirmung einkoppeln, besser über die kapazitive Kopplung zum Massepotenzial abgeleitet werden.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist zur weiteren Abschirmung des Motors in die der Schirmung der Rotoreinheit gegenüberliegende axiale Richtung eine an das definierte Potenzial angebundene Metallplatte vorgesehen, die auf der von der Rotoreinheit abgewandten Stirnseite der Statoreinheit angeordnet ist, und die über eine Verbindungseinrichtung mit mindestens einem Sinterlager leitend verbunden ist, um die kapazitive Kopplung herzustellen. Dadurch ist die komplette Schirmung des Motors ermöglicht.
Da es sich bei Messungen herausgestellt hat, dass es günstiger ist, mindestens das obere, erste Sinterlager, das im Bereich der der Rotoreinheit zugewandten Stirnseite der Statoreinheit angeordnet ist, zur kapazitive Ankopplung zu nutzen, ist es von Vorteil, dass die Verbindungseinrichtung einen, vorzugsweise einstückig mit der Metallplatte verbundenen, Pin umfasst, der sich in axialer Richtung von der Metallplatte durch die Statoreinheit hindurch bis in den Bereich von deren der Rotoreinheit zugewandten Stirnseite erstreckt. Von diesem Pin aus eröffnet sich die Möglichkeit einer einfachen Kontaktierung des oberen Sinterlagers. In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist der Pin bis nahe seinem freien Ende mit einer domartigen Kunststoffumspritzung umhüllt, so dass von seinem freien Ende her keine Feuchtigkeit in den Motor eindringen kann.
Bevorzugt ist außerhalb der Rotoreinheit ein Lüfterrad drehfest an der Welle befestigt, so dass der Gleichstrommotor als Gebläsemotor mit integrierter Kommutierungselektronik ausgebildet beziehungsweise einsetzbar ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
1 eine perspektivische teilweise geschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen Gleichstrommotors mit Lüfterrad,
2 den Gleichstrommotor gemäß 1, ohne Lüfterrad, jedoch mit geschnittener Stator- und Rotoreinheit,
3 eine perspektivische Ansicht eines Gehäuseflansch aus Kunststoff mit domartig umspritzten Pins,
4 eine Ansicht einer zur Abschirmung in axialer Richtung dienenden Metallplatte mit angebundenem Pin zur elektrischen Verbindung der Metallplatte mit einem Sinterlager,
5 eine perspektivische Ansicht von Komponenten der Abschirmung des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors,
6 eine vergrößerte Teilansicht der Komponenten von 5.
In 1 ist ein Schnitt durch den Luftkanal 4 eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Gleichstrommotors dargestellt. Eine bevorzugte Verwendung des flachbauenden Gleichstrommotors besteht im Einsatz als Lüfter für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs. Dazu ist an der rotierenden Welle 3 ein entsprechendes Lüfterrad 2 befestigt, das über den Luftkanal 4 Luft aus dem Außenbereich des Fahrzeugs ansaugt. Die ebenfalls drehfest an der Welle 3 angeordnete Rotoreinheit 1 besteht aus einem metallischen topfförmig ausgebildeten Polgehäuse, an dessen Innenseite Magnete befestigt sind, die im Betrieb des Elektromotors in an sich bekannter Weise in Wechselwirkung mit den Spulen der Statoreinheit 5 treten, die ‚im Topf’ der Rotoreinheit 1 angeordnet und auf dem Gehäuseflansch 6 befestigt ist. Die Lagerung der rotierenden Welle 3 in einem ersten und zweiten Sinterlager 8 beziehungsweise 9, deren axiale Beabstandung in etwa der Bauhöhe der Statoreinheit 5 entspricht, ist in 2 erkennbar. Die als kalottenförmige Buchsenlager ausgebildeten Sinterlager 8 und 9 sitzen in der so genannten Isoliermaske der Statoreinheit 5, wobei jeweils eine Klemmbrille 10 beziehungsweise 11 vorgesehen ist, die das jeweilige Sinterlager in den jeweiligen Sitz presst. Die an sich bekannten Sinterlager sind Gleitlager, die beispielsweise aus Sintereisen, einem sehr porösen Material, bestehen, das im Betrieb einen großen Schmierstoffvorrat (Öl) aufnehmen kann.
Unterhalb des Gehäuseflansch 6 ist eine Leiterplatte mit der Kommutierungselektronik für den BLDC-Motor angeordnet. Erkennbar in 1 sind ferner Anschlusspins 7, die die Kommutierungssignale von der Elektronik an die Spulen der Statoreinheit 5 weiterleiten. In 3 ist der Gehäuseflansch 6 alleine dargestellt, wobei vier (je zwei für jeden Anschlusspin 7 der beiden Spulen) mit dem Kunststoff des Flansch 6 umspritzte Dome 12 vorgesehen sind. In der Statoreinheit 5 sind Ausnehmungen für die domartigen Kunststoffumspritzungen 12 vorgesehen, so dass die Statoreinheit 5 auf die Dome 12 (elastisch) aufsetzbar ist, wobei der Bereich um die Anschlusspins 7 herum durch die Dome 12 feuchtigkeitsdicht verschlossen ist. Ohne die Dome 12 wäre ansonsten ein unerwünschtes Eindringen von Feuchtigkeit aus der angesaugten Außenluft in den Gleichstrommotor praktisch nicht zu vermeiden.
Da die Trägerfrequenz der Kommutierungssignale 23 kHz beträgt, werden hochfrequente elektromagnetische Felder erzeugt, die eine Abschirmung des Gleichstrommotors erforderlich machen. Dazu ist zunächst, in an sich bekannter Weise, an der bodenseitigen Stirnfläche der Statoreinheit 5, genauer: unterhalb des Gehäuseflansch 6, eine Metallplatte 13, vergleiche 4, mit (nicht dargestelltem) Masseanschluss vorgesehen, die als magnetische Abschirmung des Motors in diese axiale Richtung dient. Um die weitere Schirmung des Motors mittels des Polgehäuses der Rotoreinheit 1, beziehungsweise einer daran angebrachten leitfähigen Schirmung zu realisieren, ist eine leitfähige Kontaktierung der Rotoreinheit 1 mit der an Masse angeschlossenen Metallplatte 13 erforderlich, was aufgrund der rotierenden Bewegung nicht ohne weiteres möglich ist. Beispielsweise ist keine konventionelle galvanische Kopplung via Lager 8 und Welle 3 möglich, da sich zwischen den beiden leitfähigen Teilen der ölgefüllte Lagerspalt befindet, der zwar mehr oder weniger metallischen Abrieb enthält, jedoch keine, insbesondere nicht in allen Betriebszuständen, ausreichende ohmsche Verbindung ermöglicht. Erfindungsgemäß wird stattdessen eine kapazitive Kopplung insbesondere über das erste, obere Sinterlager 8, realisiert.
Um eine elektrische Kontaktierung des ersten Sinterlagers 8 zu ermöglichen, ist, wie in 4 dargestellt, ein mit der Metallplatte 13 einstückig verbundener Pin 14 vorgesehen, der sich axial bis in den Bereich der der Rotoreinheit 1 zugewandten Stirnseite der Statoreinheit 5 erstreckt. Auch dieser Pin 14 ist, wie in 3 erkennbar, mit einer domartigen Kunststoffumspritzung 12 versehen.
Die elektrische Kontaktierung erfolgt vorteilhaft an der Klemmbrille 10 des Sinterlagers 8, also über den Weg: elektrischer Kontakt, Klemmbrille, Sinterlager, Schmierspalt, Welle, Rotoreinheit (Polgehäuse), vergleiche 5 und 6. Die Verbindungseinrichtung von der auf Bezugspotenzial gelegten Metallplatte 13 zur Außenfläche des Sinterlagers 8, beziehungsweise der Klemmbrille 10, umfasst, neben dem Pin 14, eine axial angeordnete erste Kontaktfeder 15, die federnd am ersten Sinterlager 8, insbesondere an einer leitfähigen ersten Klemmbrille 10 anliegt, die das erste Lager 8 in seinen Sitz presst. Vorteilhafterweise ist, zur Vervollständigung der Verbindungseinrichtung zur Kontaktierung beider Lager 8 und 9, an das von der Rotoreinheit 1 abgewandte Ende der ersten Kontaktfeder 15 eine zweite, sich axial erstreckende Kontaktfeder 16 elektrisch und mechanisch angebunden, die im Bereich ihres freien Endes federnd am zweiten Sinterlager 9, insbesondere an einer leitfähigen zweiten Klemmbrille 11 anliegt, die das zweite Lager 9 in seinen Sitz presst. Ferner umfasst die Verbindungsrichtung zur elektrischen Verbindung der der Rotoreinheit 1 zugewandten Enden des Pins 14 und der ersten Kontaktfeder 15 eine Litze 17, vergleiche 6.
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 1638216 A1 [0002]
DE 102007019431 A1 [0005]
DE 102006024551 A1 [0006]

Claims

Gleichstrommotor, mit einer Statoreinheit (5) und einer Rotoreinheit (1), die drehfest mit einer elektrisch leitenden Welle (3) verbunden ist, die in mindestens einem feststehenden Sinterlager (8, 9) drehbar gelagert ist, und mit einer Abschirmung (13) gegen hochfrequente elektromagnetische Felder, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anbindung einer an der Rotoreinheit (1) ausgebildeten leitenden Schirmung an ein definiertes elektrisches Potenzial die Schirmung der Rotoreinheit (1) mit der Welle (3) leitend verbunden ist, und dass das Sinterlager (8, 9) leitend mit dem Potenzial verbunden ist, so dass über den zwischen der Welle (3) und dem Sinterlager (8, 9) angeordneten, elektrisch mindestens teilweise isolierenden ölgefüllten Lagerspalt eine kapazitive Kopplung der Schirmung der Rotoreinheit (1) an das Potenzial entsteht.
Gleichstrommotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoreinheit (1) ein die Schirmung bildendes topfförmig ausgebildetes metallisches Polgehäuse umfasst.
Gleichstrommotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3) in einem ersten und zweiten, axial beabstandeten Sinterlager (8, 9) drehbar gelagert ist, die jeweils mit dem definierten Potenzial leitend verbunden sind, so dass zwei parallel geschaltete kapazitive Kopplungen der Welle (3) an das Potenzial entstehen.
Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Abschirmung des Motors in die der Schirmung der Rotoreinheit (1) gegenüberliegende axiale Richtung eine an das definierte Potenzial angebundene Metallplatte (13) vorgesehen ist, die auf der von der Rotoreinheit (1) abgewandten Stirnseite der Statoreinheit (5) angeordnet ist, und die über eine Verbindungseinrichtung (14, 15, 16, 17) mit mindestens einem Sinterlager (8, 9) leitend verbunden ist.
Gleichstrommotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sinterlager (8) im Bereich der der Rotoreinheit (1) zugewandten Stirnseite der Statoreinheit (5) angeordnet ist, und dass die Verbindungseinrichtung (14, 15, 16, 17) einen, vorzugsweise einstückig mit der Metallplatte (13) verbundenen, Pin (14) umfasst, der sich in axialer Richtung von der Metallplatte (13) durch die Statoreinheit (5) hindurch bis in den Bereich von deren der Rotoreinheit (1) zugewandten Stirnseite erstreckt.
Gleichstrommotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Pin (14) bis nahe seinem freien Ende mit einer domartigen Kunststoffumspritzung (12) umhüllt ist.
Gleichstrommotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung eine axial angeordnete erste Kontaktfeder (15) umfasst, die federnd am ersten Sinterlager (8), insbesondere an einer elektrisch leitenden ersten Klemmbrille (10), anliegt, die das erste Lager (8) in seinen Sitz presst.
Gleichstrommotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an das von der Rotoreinheit (1) abgewandte Ende der ersten Kontaktfeder (15) eine zweite, sich axial erstreckende Kontaktfeder (16) elektrisch leitend angebunden ist, die im Bereich ihres freien Endes federnd am zweiten Sinterlager (9), insbesondere an einer elektrisch leitenden zweiten Klemmbrille (11), anliegt, die das zweite Lager (9) in seinen Sitz presst.
Gleichstrommotor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die der Rotoreinheit (1) zugewandten Enden des Pins (14) und der ersten Kontaktfeder (15) mittels einer Litze (17) elektrisch miteinander verbunden sind.
Gleichstrommotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb der Rotoreinheit (1) ein Lüfterrad (2) drehfest an der Welle (3) befestigt ist, und dass der Gleichstrommotor als Gebläsemotor mit integrierter Kommutierungselektronik ausgebildet ist.