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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor für einen Hydrostatikaktor, mit einem Stator, einem Rotor und einem Maschinengehäuse, das einen Innenraum ausbildet, in dem der Stator und der Rotor aufgenommen sind, wobei der Stator am Maschinengehäuse fixiert ist und der Rotor im Stator drehbar aufgenommen ist.
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Eine entsprechende elektrische Maschine (ein elektromechanischer Wandler) ist als Elektromotor und/oder Generator bekannt, wobei eine als Elektromotor und als Generator nutzbare elektrische Maschine als Motorgenerator bezeichnet wird. Derartige elektrische Maschinen mit einem Stator (auch Ständer genannt) und einem im Stator drehbar aufgenommenen Rotor (auch Läufer genannt) werden im Allgemeinen als Innenläufer bezeichnet. Der Stator ist dabei gehäusefest fixiert. Hat das Material des Maschinengehäuses einen anderen Ausdehnungskoeffizient (Wärmeausdehnungskoeffizient) als das Material des Stators, so kann der Stator nicht ohne Weiteres mittels einer kostengünstigen Verbindung wie beispielsweise einem Pressverband bzw. einer Presspassung im Gehäuse fixiert werden.
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Bei Kraftfahrzeuganwendungen von elektrischen Maschinen ergibt sich eine große Betriebstemperaturspanne, die von Minustemperaturen bei einem am Polarkreis eingesetzten ausgekühlten Fahrzeug bis hin zu Betriebstemperatur bei Dauerbetrieb und hohen Umgebungstemperaturen reicht. Diese Betriebstemperaturspanne ΔT kann bei einer Umgebungstemperaturspanne im Bereich –40° C bis 150° C also durchaus fast 200° C (200 K) umfassen. Hat bei elektrischen Maschinen für diese Anwendungen das Material des Maschinengehäuses einen anderen Ausdehnungskoeffizient als das Material des Stators, so kann sich ein lediglich mit einem Pressverband im Gehäuse fixierter Stator unter entsprechenden Temperaturbedingungen leicht lösen.
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Als Elektromotoren ausgebildete elektrische Maschinen werden beispielsweise in Hydrostatikaktoren für Kraftfahrzeugkupplungen, also hydrostatische Kupplungsaktoren (HCA: Hydrostatic Clutch Actuator) verwendet. Aus der
WO 2011/127888 A2 ist ein Hydrostataktor mit einem entsprechenden Elektromotor bekannt, dessen Stator in einem becherförmigen Lagerschild fest aufgenommen ist. Zwischen Lagerschild und Maschinengehäuse ist kein Presssitz vorgesehen, vielmehr wird der Verbund aus Stator und Lagerschild mittels eines Bolzens im Maschinengehäuse fixiert.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine zu schaffen, deren Stator kostengünstig und selbst bei unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuse- und des Statormaterials der elektrischen Maschine sicher im Maschinengehäuse befestigt ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist eine elektrische Maschine vorgesehen, bei der der Stator mittels eines ersten Pressverbandes zwischen einem Außenumfang des Stators und einem den Innenraum radial begrenzenden Gehäuseteil des Maschinengehäuses und mittels eines zweiten Pressverbandes zwischen einem in eine Ausnehmung des Stators hineinragenden weiteren Gehäuseteil des Maschinengehäuses und einem Axialabschnitt eines die Ausnehmung begrenzenden Innenumfangs des Stators befestigt ist. Der Stator ist also mittels zweier Presspassungen (der beiden Pressverbände) im Gehäuse befestigt. Die Wirkrichtungen der beiden Pressverbände bzw. die Wirkrichtung der entsprechenden Presspassungen sind einander entgegengesetzt. Die Pressverbände sind dabei bevorzugt so angeordnet, dass sich die Flächen der beiden Pressverbände zumindest teilweise gegenüberliegen.
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Die Befestigung des Stators im Gehäuse einer derartigen elektrischen Maschine dient (a) der Aufnahme von lagerseitigen Axialkräften und dynamischen Kräften aus der Massenbeschleunigung, (b) der radialen und axialen Positionierung des Stators innerhalb der elektrischen Maschine insgesamt und (c) der Abstützung des Motormoments, ohne Relativbewegung zwischen Stator und Gehäuse.
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Das Gehäuse ist insbesondere aus einem anderen Material als der Stator. Dabei hat das Material des Gehäuses (das Gehäusematerial) insbesondere auch einen anderen Ausdehnungskoeffizienten (Wärmeausdehnungskoeffizienten) als das Material des Stators (das Statormaterial). In diesem Fall muss die Befestigung mittels der beiden Pressverbände derart ausgebildet sein, dass eine feste Verbindung zwischen Stator und Gehäuse für eine vorgegebene gesamte Betriebstemperaturspanne gewährleistet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ausnehmung einen Aufnahmeraum zur Aufnahme des Rotors im Stator bildet. In dieser als Aufnahmeraum ausgebildeten Ausnehmung ist der Rotor drehbar gelagert. Der Stator ist dabei in der Regel hohlzylinderförmig ausgebildet, wobei die entsprechende Hohlzylinderform den Außenumfang und den Innenumfang aufweist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich das in die Ausnehmung hineinragende weitere Gehäuseteil in axialer Richtung in die Ausnehmung hinein. Das weitere Gehäuseteil ist beispielsweise in Form eines Rohrstutzens ausgebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Stator an seinem Außenumfang zur Bildung des ersten Pressverbandes und/oder an seinem Innenumfang in dem Axialabschnitt zur Bildung des zweiten Pressverbandes einen Bund auf. Dieser Bund bzw. diese Bunde sind/bilden Verdickungen für den Presssitz des Pressverbandes bzw. der Pressverbände.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Maschinengehäuse einen Wandabschnitt auf, der das den Innenraum radial begrenzende Gehäuseteil und das in die Ausnehmung hineinragende weiteren Gehäuseteil verbindet und mindestens eine weitere Befestigungseinrichtung zur Befestigung des Stators im Maschinengehäuse aufweist. Dieser Wandabschnitt bildet bevorzugt einen axialen Abschluss des Maschinengehäuses. Die weitere Befestigungseinrichtung ist eine Verschraubung, ein Niet, oder Ähnliches.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Material des Gehäuses einen höheren Ausdehnungskoeffizienten auf als das Material des Stators.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Material des Gehäuses Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist und das Material des Stators ein ferromagnetisches Material ist. Das ferromagnetische Material des Stators ist insbesondere Stahl. Der Stator (Ständer) weist bevorzugt ein Statorblechpaket mit einer Vielzahl von aufeinandergestapelten Statorblechen auf. Die Statorbleche sind somit insbesondere Stahlbleche. Stahl hat einen Längenausdehnungs koeffizienten von 11.1·10–6 K–1 und Aluminium hat hingegen einen Längenausdehnungskoeffizienten von 23.1·10–6 K–1.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die beiden Pressverbände derart für eine vorgegebene Betriebstemperaturspanne der elektrischen Maschine ausgelegt sind, dass der Stator bei einer Temperatur am einen Ende der Temperaturspanne mittels des einen Pressverbandes und bei einer Temperatur am anderen Ende der Temperaturspanne mittels des anderen Pressverbandes im Innenraum des Maschinengehäuses fixiert ist. Hat beispielsweise das Material des Gehäuses einen höheren Ausdehnungskoeffizienten auf als das Material des Stators, so wird der Stator bei der niedrigsten Temperatur der Betriebstemperaturspanne (beispielsweise –40° C bei KFZ-Anwendungen) mittels des ersten Pressverbandes am Außenumfang des Stators im Gehäuse befestigt und bei der höchsten Temperatur der Betriebstemperaturspanne (beispielsweise +150° C bei KFZ-Anwendungen) mittels des zweiten Pressverbandes am Innenumfang des Stators im Gehäuse befestigt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die elektrische Maschine eine elektrische Maschine für eine Fahrzeuganwendung, insbesondere für eine Kraftfahrzeuganwendung. Die elektrische Maschine ist insbesondere ein Elektromotor für einen Hydrostataktor.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Hydrostataktor mit einem Geberzylinder. Der Hydrostataktor umfasst ein Gehäuse und einen in dem Gehäuse axial verlagerbaren, eine mit Druckmittel befüllte Druckkammer mit Druck beaufschlagenden Kolben, mit einem einen Drehantrieb in eine Axialbewegung wandelnden Planetenwälzgetriebe mit einer Hülse, einer Getriebespindel und zwischen diesen abwälzenden Planetenwälzkörpern sowie mit einer das Planetenwälzgetriebe antreibenden, vorstehend genannten elektrischen Maschine. Diese elektrische Maschine ist dabei als Elektromotor ausgebildet, wobei das Maschinengehäuse der elektrischen Maschine Teil des Gehäuses des Hydrostataktors ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
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1: eine Schnittdarstellung durch eine als Elektromotor ausgebildete elektrische Maschine gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung,
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2: eine Schnittdarstellung durch eine als Elektromotor ausgebildete elektrische Maschine gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung und
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3: eine Schnittdarstellung durch eine als Elektromotor ausgebildete elektrische Maschine gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung.
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Die 1 zeigt einen Teil einer als Elektromotor 10 ausgebildeten elektrischen Maschine 12 in einer Schnittdarstellung. Der gezeigte Elektromotor 10 ist Teil eines Hydrostataktors 14 für eine Kupplung (HCA: Hydrostatic Clutch Actuator – hydrostatischer Kupplungsaktor). Die elektrische Maschine 10 kann jedoch auch eine elektrische Maschine 10 für eine andere Anwendung sein. Sie weist einen Stator (Ständer) 16, einen Rotor (Läufer) 18 und ein Maschinengehäuse 20 auf, wobei das Maschinengehäuse 20 den Stator 16 und den Rotor 18 einhaust. Dazu bildet das Maschinengehäuse 20 einen Innenraum 22 aus, in dem der Stator 16 und der Rotor 18 aufgenommen sind. Der Stator 16 ist im Innenraum 22 am Maschinengehäuse 20 befestigt. Die elektrische Maschine 12 ist dabei als Innenläufer ausgebildet, bei dem der Rotor 18 im Stator 16 drehbar aufgenommen ist. Der Rotor 18 ist auf einer axial verlaufenden Welle 24 drehfest gelagert.
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Bei dem hier gezeigten Elektromotor
10 treibt der Rotor
18 die Welle
24 an, wobei diese Welle
24 eine Getriebespindel
26 des Hydrostataktors
14 ist. Mittels dieser Spindel
26 und einem (nicht gezeigten) Planetenwälzgetriebe des Aktors
14, das die Drehbewegung der Welle
24 um eine Drehachse A in eine Axialbewegung wandelt, kann ein (ebenfalls nicht gezeigter) Kolben des Hydrostataktors
14 axial verlagert werden. Für weitere Details des Aufbaus des Hydrostataktors
14, insbesondere im Bereich außerhalb der als Elektromotor
10 ausgebildeten elektrischen Maschine
12, sei auf die eingangs erwähnte Druckschrift
WO 2011/127888 A2 verwiesen, auf die an dieser Stelle ausdrücklich Bezug genommen wird und deren Offenbarung bezüglich der Ausgestaltung des Aktors
14 außerhalb des Elektromotors
10 Teil dieser Anmeldung sein soll.
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Im Stator 16 der elektrischen Maschine 12 ist eine Ausnehmung 28 ausgebildet, die einen axial verlaufenden Durchbruch durch den Stator 16 bildet, wobei diese Ausnehmung 28 den Aufnahmeraum 30 zur Aufnahme des Rotors 18 in dem Stator 16 bildet. Der Stator 16 ist also im Wesentlichen in Form eines Hohlzylinders geformt.
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Der Stator 16 ist mittels eines ersten Pressverbandes 32 zwischen einem Außenumfang 34 des Stators 16 und einem den Innenraum 22 radial begrenzenden Gehäuseteil 36 des Maschinengehäuses 20 und mittels eines zweiten Pressverbandes 38 zwischen einem in die Ausnehmung 28 im Stator 16 hineinragenden weiteren Gehäuseteil 40 des Maschinengehäuses 20 und einem Axialabschnitt S eines die Ausnehmung 28 begrenzenden Innenumfangs 42 des Stators 16 befestigt. Es sind also zwei Pressverbände 32, 34 zur Befestigung des Stators 16 im Maschinengehäuse 20 vorgesehen.
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Zur Bildung des zweiten Pressverbandes 34 erstreckt sich das in die Ausnehmung 28, genauer gesagt in den Aufnahmeraum 30, hineinragende weitere Gehäuseteil 40 in axialer Richtung in die Ausnehmung 28 bzw. den Aufnahmeraum 30 hinein.
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Das Maschinengehäuse 20 weist weiterhin einen den Innenraum 22 axial abschließenden Wandabschnitt 44 auf, der das den Innenraum 22 radial begrenzende Gehäuseteil 36 und das in den Aufnahmeraum 30 hineinragende weiteren Gehäuseteil 36 verbindet. Diese Verbindung kann beispielsweise eine einstückige Verbindung sein.
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Der Stator 16 weist an seinem Außenumfang 34 zur Bildung des ersten Pressverbandes 32 sowie an seinem Innenumfang 42 in dem Axialabschnitt S zur Bildung des zweiten Pressverbandes 38 jeweils einen Bund 46, 48 auf. Diese Bunde 46, 48 sind/bilden Verdickungen für den Presssitz des jeweiligen Pressverbandes 32, 38.
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Das Maschinengehäuse 20 ist in den gezeigten Beispielen jeweils aus einem anderen Material als der Stator 16. Dabei hat das Gehäusematerial auch einen anderen Ausdehnungskoeffizienten (Wärmeausdehnungskoeffizienten) als das Statormaterial.
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Das Material des Maschinengehäuses 20 ist Aluminium und das Material des Stators 16 ist Stahl. Aluminium hat einen Längenausdehnungskoeffizienten von 23.1·10–6 K–1. Stahl hat hingegen einen Längenausdehnungskoeffizienten von 11.1·10–6 K–1. Nun sind die beiden Pressverbände 32, 38 derart für eine vorgegebene Betriebstemperaturspanne ΔT der elektrischen Maschine 10 ausgelegt, dass der Stator 16 bei einer Temperatur am unteren Ende der Temperaturspanne ΔT mittels des ersten Pressverbandes 32 und bei einer Temperatur am oberen Ende der Temperaturspanne mittels des zweiten Pressverbandes 38 im Innenraum 22 des Maschinengehäuses 20 befestigt ist.
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Die 2 und 3 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der elektrischen Maschine 12, die im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der 1 entsprechen, so dass hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden soll.
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Der Wandabschnitt 44 weist bei den Ausführungsbeispielen der 2 und 3 jeweils mindestens eine weitere Befestigungseinrichtung 50, 52 zur Befestigung des Stators 16 im Maschinengehäuse 20 auf. Im Beispiel der 2 ist dies eine Verschraubung 50, im Beispiel der 3 eine Nietverbindung 52. Der Wandabschnitt 44 weist dazu mindestens einen Durchbruch auf, durch den hindurch die Schraube(n) bei der Verschraubung 50 bzw. die Niete(n) bei der Nietverbindung 52 bis in den Stator 16 hineinreichen um ihn mit dem Wandabschnitt 44 des Maschinengehäuses 20 zu verbinden.
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Der gezeigte Elektromotor 10 ist – wie gesagt – ein Elektromotor eines Hydrostataktors 14 mit einem Geberzylinder. Der Hydrostataktor 14 weist neben dem Elektromotor 10 ein Gesamtgehäuse und einen in diesem Gesamtgehäuse axial verlagerbaren Kolben zur Druckbeaufschlagung einer mit Druckmittel befüllten Druckkammer auf. Weiterhin weist der Aktor 14 ein einen Drehantrieb in eine Axialbewegung wandelndes Planetenwälzgetriebe mit einer Hülse, der Getriebespindel 26 und zwischen diesen abwälzenden Planetenwälzkörpern sowie mit der das Planetenwälzgetriebe antreibenden elektrischen Maschine 12, die als Elektromotor 10 ausgebildet ist. Dabei ist das Maschinengehäuse 18 der elektrischen Maschine 12 Teil des Gesamtgehäuses.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrische Maschine
- 12
- Elektromotor
- 14
- Hydrostataktor
- 16
- Stator
- 18
- Rotor
- 20
- Maschinengehäuse
- 22
- Innenraum
- 24
- Welle
- 26
- Spindel
- 28
- Ausnehmung
- 30
- Aufnahmeraum
- 32
- erster Pressverband
- 34
- Außenumfang (Stator)
- 36
- Gehäuseteil
- 38
- zweiter Pressverband
- 40
- weiteres Gehäuseteil
- 42
- Innenumfang (Stator)
- 44
- Wandabschnitt
- 46
- Bund
- 48
- Bund
- 50
- Verschraubung
- 52
- Nietverbindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/127888 A2 [0004, 0024]
