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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor.
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Hintergrund der Erfindung
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Insbesondere in Fahrzeugen wie PKW, LKW und Bussen werden eine Vielzahl von Antrieben eingesetzt, um Aktuatoren, wie Fensterheber, Getriebeschaltungen, Lüftungsklappen oder Ähnliches zu bewegen. Diese Antriebe umfassen häufig einen Elektromotor, der jedoch normalerweise eine relativ hohe Drehzahl aufweist.
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Elektromotoren mit Getriebe, sogenannte Getriebemotoren, können eingesetzt werden, um hohe Drehmomente bei kleinen Drehzahlen mit kostengünstigen elektrischen Antrieben darstellen zu können.
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Anstatt eines Getriebemotors kann ein Direktantrieb eingesetzt werden, der ohne ein Getriebe auskommt, dafür in der Regel aber mehr Bauraum beansprucht als ein Getriebemotor. Ein Elektromotor mit einem zusätzlichen Getriebe ist jedoch kleiner und kann erheblich kostengünstiger sein.
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Ein Getriebemotor kann beispielsweise einen typischerweise im Bereich von 2000 rpm bis 6000 rpm drehenden Elektromotor aufweisen, der durch das Getriebe mit einer Übersetzung ins Langsame in den Bereich um 1000 rpm gebracht wird. Hierbei ist eine Erhöhung des Nutzmomentes näherungsweise um den Getriebeübersetzungsfaktor gegenüber dem Wellenmoment des Elektromotors möglich.
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In der Regel wird das Getriebe axial an den Elektromotor angebaut, was die axiale Länge des Getriebemotors erhöht.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Falls ein Antrieb mit einer geringen axialen Länge benötigt wird, ist ein axialer Getriebeanbau ungünstig, da das Getriebe erheblich zur axialen Länge beiträgt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen kompakten, in axialer Richtung kurzen Getriebemotor bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, der einen Stator und einen relativ zum Stator drehbaren Rotor, der im Stator aufgenommen ist, umfasst. Der Elektromotor umfasst weiter ein Planetengetriebe, das zumindest teilweise innerhalb des Rotors angeordnet ist. Mit anderen Worten ist das Planetengetriebe in den Rotor des Elektromotors integriert. Auch kann das Planetengetriebe vollständig im Rotor aufgenommen sein.
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Durch Integration des Getriebes in den Rotor des Motors kann ein Getriebemotor mit sehr kurzer axialer Baulänge geschaffen werden. Diese Bauweise erlaubt insbesondere eine minimale axiale Länge des Rotors. Es kann eine echte Integration des Getriebes in den Elektromotor erfolgen, und nicht nur ein Anbau des Getriebes an den Motor.
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Für das Getriebe ist kein zusätzlicher axialer Bauraum erforderlich, da es in den Rotor des Motors integriert ist. Insgesamt ergibt sich für die Anordnung eine minimale axiale Baulänge, die kleiner als 30 mm (inklusive Gehäuse) sein kann.
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Damit kann der Elektromotor bei sehr beengten axialen Raumverhältnissen verwendet werden, wie sie oft im Motorraum von Kraftfahrzeugen zu finden sind. Nebenaggregate, die am Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs angebaut werden und die einen Elektromotor umfassen, müssen oft einen axial kurzen Bauraum aufweisen, um die Einbaumaße des Verbrennungsmotors mit Anbauteilen nicht zu verletzen. Derartige Nebenaggregate können mit einem Elektromotor, wie er obenstehend und untenstehend beschrieben ist, umgesetzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Planetengetriebe ein Hohlrad mit einem nach innen gerichteten Zahnkranz, ein Sonnenrand mit einem nach außen gerichteten Zahnkranz und mehrere zwischen dem Hohlrad und dem Sonnenrad aufgenommene Planetenräder, die von einem Planetenträger bzw. Steg gehalten werden.
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Andere Bauformen von Planetengetrieben können abweichend aufgebaut sein und beispielsweise zwei Sonnenräder, untereinander kämmende Planetenradpaare oder gestufte Planetenräder umfassen. Durch den anderen Aufbau können beispielsweise Übersetzungsverhältnisse realisiert werden, die mit einem einfachen Planetenradsatz nicht darstellbar sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Rotor Erregermagnete, beispielsweise Permanentmagnete, die auf dem äußeren Hohlrad des Planentengetriebes angeordnet sind. Dieser Aufbau erlaubt es, das Hohlrad zugleich als Funktionsteil des Rotors zu verwenden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Stator nach innen gerichtete Statorzähne, die von einer Wicklung umwickelt sind. Der Elektromotor kann beispielsweise ein elektronisch kommutierter (EC-)Motor mit Einzelzahnbewicklung und/oder ein elektronisch kommutierter Innenläufermotor sein.
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Jede andere Bauform eines EC-Innenläufermotors ist ebenfalls geeignet. In beiden beschriebenen Fällen können auch andere Motorprinzipien als ein EC-Motor angewandt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Stator wenigstens 9, beispielsweise 12 Statorzähne. Auf diese Weise kann der Elektromotor hochpolig ausgebildet werden, was den magnetischen Fluss eines Teilpoles reduziert. Entsprechend dünn kann der magnetische Rückschluss (d. h. das Joch) in Stator und Rotor ausgeführt werden. Damit kann eine übliche Dimensionierung des Hohlrads (bzw. dessen radiale Dicke) ausreichen, die Funktion „Rückschluss“ des magnetischen Kreises des Elektromotors zu übernehmen. Ein hochpoliger Stator kann zudem den Vorteil aufweisen, dass die Einzelwicklungen eine kleinere Windungszahl aufweisen (verglichen mit einem niederpoligeren Elektromotor identischer Außenabmessungen und Leistung), was schlankere Wicklungsköpfe erlaubt und so die axiale Baulänge des Stators des Elektromotors weiter verringern kann.
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In Kombination mit einem kostengünstigeren Wickelkonzept „Einzelzahnbewicklung“, bei dem nur jeder Statorzahn einzeln bewickelt wird und damit keine Überkreuzungen mit Leitern anderer Wicklungen stattfinden, kann ein besonders kurzer Wickelkopf (d. h. der Bereich einer Wicklung in axialer Richtung über das Blechpaket hinaus) und damit eine entsprechend kurze Motorlänge realisiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Motor elektronisch kommutiert. Ein Elektromotor in elektronisch kommutierter Ausführung kann in axialer Richtung sehr kurz ausgeführt werden, da eine elektromechanische Kommutierungseinrichtung entfallen kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bildet das äußere Hohlrad des Planetengetriebes einen magnetischen Rückschluss für den Stator. Dieser Aufbau erlaubt es, das Hohlrad als Joch des Rotors für den magnetischen Kreis des Elektromotors zu verwenden. Dazu kann das Hohlrad aus magnetisch leitfähigem Stahl aufgebaut sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Sonnenrad des Planentengetriebes starr mit dem Stator verbunden. Der Planetenträger des Planentengetriebes kann dann starr mit einer Motorwelle verbunden sein. Das Sonnenrad ist feststehend und der Planetenträger überträgt die Drehzahl nach außen, er kann einen Teil der Rotorwelle bilden. Damit kann mit dem Planetengetriebe eine Übersetzung ins Langsame und eine Erhöhung des Drehmoments erreicht werden. Eine derartige Ausführung kann in allen Fällen eingesetzt werden, wenn ein momentenstarker kompakter Antrieb benötigt wird.
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Es ist zu verstehen, dass eine Motorwelle dazu ausgeführt ist, Drehmoment vom Elektromotor weg oder zum Elektromotor hin zu übertragen. Eine Motorwelle kann also als mechanische Schnittstelle zum Elektromotor aufgefasst werden, die dazu dient, den Motor mit einer weiteren mechanischen Baugruppe zu verbinden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Planetenträger des Planentengetriebes starr mit dem Stator verbunden. Das Sonnenrad des Planentengetriebes kann dann starr mit einer Motorwelle verbunden sein. Um eine Erhöhung der Rotordrehzahl zu erhalten, kann der Planetenträger feststehend ausgeführt sein und das Sonnenrad als Momentenausgang verwendet werden. Die Übersetzung erfolgt hier ins Schnelle, das erzeugte Drehmoment wird vermindert.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Planetenträger des Planentengetriebes starr mit einer ersten Motorwelle verbunden und das Sonnenrad des Planentengetriebes starr mit einer zweiten Motorwelle verbunden. Auf diese Weise kann der Elektromotor als Motor mit integriertem Additionsgetriebe verwendet werden. Ein derartiger Elektromotor kann beispielsweise bei einer Nockenwellenphasenverstellung einer Nockenwelle gegenüber der zweiten Nockenwelle in Zylinderköpfen von Fahrzeugen mit Otto- oder Dieselmotor eingesetzt werden.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
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Die 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Elektromotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die 2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Stators für einen Elektromotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die 3 zeigt eine Schnittansicht durch einen Elektromotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die 4 zeigt eine Schnittansicht durch einen Elektromotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die 5 zeigt eine Schnittansicht durch einen Elektromotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt einen Elektromotor 10, der einen Stator 12, einen Rotor 14 und ein Planetengetriebe 24 umfasst. Der Rotor 14 ist relativ zum Stator 12 um eine Motorachse M drehbar.
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Der Stator 12 umfasst eine Mehrzahl von nach innen (d. h. in Richtung der Motorachse M) gerichteten Statorzähnen 16, die jeweils von einer Wicklung 18 umwickelt sind (siehe 2). Wird die Wicklung von einem Strom durchflossen, erzeugt sie in dem zugehörigen Statorzahn 16 ein magnetisches Feld. Die 12 Statorzähne 16 des Stators 12 sind gleichmäßig um die Drehachse M des Rotors 14 angeordnet.
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Das Zusammenspiel der magnetischen Durchflutungen in Stator 12 und Rotor 14, die beispielsweise durch Permanentmagnete und Statorströme durch die Wicklungen 18 erzeugt werden, treiben dann den Rotor 14 an. Um eine umlaufende Drehdurchflutung und damit ein kontinuierliches ggfs. zeitlich schwankendes Drehmoment zu erreichen, müssen die Statorströme kommutiert werden. Das Kommutieren kann mittels einer elektronischen Steuerung erfolgen.
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Der Rotor 14 wiederum umfasst eine Mehrzahl von Erregermagneten 20 und eine Welle 22. Die Erregermagnete 20 sind um die Drehachse M auf oder innerhalb der Welle 22 angeordnet, über die ein magnetischer Rückschluss des magnetischen Kreises des Elektromotors 10 erfolgen kann. Die Welle 22 stellt also das Joch des Rotors 14 dar.
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In den Rotor 14 ist ein Planetengetriebe 24 integriert, das vollständig in den zylinderförmigen Raum aufgenommen ist, der durch den Bereich innerhalb des Stators 12 definiert ist.
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Das Planetengetriebe 24 umfasst ein Hohlrad 26 mit einem nach innen gerichteten Zahnkranz 28, ein Sonnenrad 30 mit einem nach außen gerichteten Zahnkranz 32 und mehrere Planetenräder 34, (hier beispielhaft drei gezeichnet), die in radialer Richtung bezüglich der Drehachse M zwischen dem Hohlrad 26 und dem Sonnenrad 30 angeordnet sind.
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Das Hohlrad 26 ist aus der Welle 22 gebildet, so dass der Rotor 14 das Hohlrad 26 des Planentengetriebes 24 umfasst. Umgekehrt ist das Joch 22 des Rotors 14 durch das Hohlrad 26 gebildet.
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Die Planentenräder 34 sind Zahnräder, die auf den beiden Zahnkränzen 28, 32 kämmen, und deren Achsen über einen kreisförmigen Planetenträger 36 bzw. Steg 36 miteinander mechanisch starr verbunden sind.
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Die 3 zeigt eine Schnittansicht des Elektromotors 10 aus der 1 entlang der Achse A-A.
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Das Sonnenrad 30 ist statorfest und mechanisch starr mit dem Stator 12 über eine Verbindungsscheibe 38 mit dem Stator 12 verbunden. Nur der Planetenträger 36 mit den Planetenrädern 34 ist beweglich zum Stator 12 angeordnet. Eine Motorwelle 40, die entlang der Drehachse M verläuft, ist mit dem Planetenträger 36 verbunden. Über die Motorwelle 40 können weitere Baugruppen durch den Elektromotor 10 mit Drehmoment versorgt werden.
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In dieser Anordnung dreht sich bei Betrieb des Elektromotors 10 der Rotor 14 und damit das Hohlrad 26 schneller als der Planetenträger 36 und die Motorwelle 40. Das Planetengetriebe 24 weist also eine Übersetzung ins Langsame auf, was zu einer Verminderung der Drehzahl und zu einer Erhöhung des Drehmoments führt.
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Die 4 zeigt eine Variante eines Elektromotors 10 analog der 3, bei dem jedoch das Sonnenrad 30 nicht mit dem Stator 12 mechanisch starr verbunden ist. Stattdessen ist der Planetenträger 36 statorfest und mechanisch starr mit dem Stator 12 über eine Verbindungsscheibe 42 verbunden. Das Sonnenrad 30 ist gegenüber dem Stator und dem Planetenträger 36 drehbar und mit einer Motorwelle 44 verbunden, die mit einer weiteren Baugruppe zur Drehmomentübertragung verbunden werden kann.
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In dieser Variante besteht nun die Möglichkeit, die verfügbare Drehzahl des Elektromotors 10 zu erhöhen, da sich bei entsprechender Wahl der Durchmesser der Planetenräder 34 und des Sonnenrads 30 das Sonnenrad schneller dreht als der Rotor 14. Das Planetengetriebe 24 weist also eine Übersetzung ins Schnelle (d.h. eine Übersetzung größer 1) auf, was zu einer Erhöhung der Drehzahl und zu einer Verminderung des Drehmoments führt.
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Im Allgemeinen kann ein Planetengetriebe 24 im Zweiwellenbetrieb und im Dreiwellenbetrieb arbeiten.
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Bei den in den 3 und 4 gezeigten Varianten arbeitet das Planetengetriebe 24 im Zweiwellenbetrieb und hat lediglich einen einzigen Freiheitsgrad. Weiter wird im Zweiwellenbetrieb zwischen Standübersetzung und Umlaufübersetzung unterschieden. Bei der Standübersetzung steht der Planetenträger 36 still und Sonnenrad 30 sowie Hohlrad 26 bewegen sich. Bei der Umlaufübersetzung steht entweder das Sonnenrad 30 oder das Hohlrad 26 still. An- und Abtrieb erfolgen über eines der Räder 26, 30 und den Planetenträger 36.
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Im Dreiwellenbetrieb hat das Getriebe 24 zwei Freiheitsgrade. Bei drei zueinander beweglichen Komponenten 26, 30, 36 arbeitet das Getriebe 24 als Summiergetriebe oder Teilergetriebe.
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Beim Summiergetriebe treiben zwei der Komponenten 26, 30, 36 an und die verbleibende der Komponenten 26, 30, 36 ab. Die Antriebsdrehzahlen können frei gewählt werden. Die Abtriebsdrehzahl wird durch die beiden Antriebsdrehzahlen eindeutig bestimmt.
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Beim Teilergetriebe treibt eine der Komponenten 26, 30, 36 an und die zwei verbleibenden Komponenten 26, 30, 36 treiben ab. Das Drehzahlverhältnis der beiden Abtriebskomponenten muss festgelegt sein.
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Ein Beispiel für einen Dreiwellenbetrieb ist in der 5 gezeigt, die eine Variante eines Elektromotors 10 analog der 3, 4 zeigt, bei dem jedoch weder das Sonnenrad 30 noch der Planententräger 36 mit dem Stator 12 mechanisch starr verbunden ist.
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Damit ist die dritte Eingriffsmöglichkeit im Planetengetriebe 24 nicht ortsfest, sondern drehbar ausgeführt und ebenfalls mit einer Drehzahl bzw. einem Drehmoment beaufschlagbar. Man kann dann auf einfache Art und Weise ein in einem Elektromotor 10 raumsparend angeordnetes Additionsgetriebe (d. h. Summiergetriebe oder Teilergetriebe) erzeugen.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
