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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Baugruppe für eine elektrische Maschine sowie eine bürstenkommutierte elektrische Maschine, vorzugsweise ausgebildet als Elektromotor, umfassend die Baugruppe.
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8 zeigt einen Ausschnitt einer bürstenkommutierten elektrischen Maschine nach dem Stand der Technik. Gezeigt ist der Aufbau eines Kommutators 105 nach dem Stand der Technik. Auf dem Isolator 106 sind mehrere Lamellen mit jeweils einem Kommutatorhaken 108 nach dem Stand der Technik angeordnet. Die Ankerwicklungen aus Draht werden an diesen Kommutatorhaken 108 eingehängt und angeschweißt. Der Kommutator 105 besteht üblicherweise aus Kupferlamellen und einem Kunststoffkern, dem Isolator 106.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Baugruppe für eine elektrische Maschine zeigt eine sehr stabile Konstruktion des Kommutators und eine dauerfeste Anbindung der Drähte an den Kommutatorhaken. Die erfindungsgemäße Konstruktion vermeidet Drahtbrüche, insbesondere bei Schüttelbelastungen. All diese Vorteile werden erreicht durch eine erfindungsgemäße Baugruppe für eine elektrische Maschine, umfassend (i) eine sich in Axialrichtung erstreckende Welle, (ii) auf der Welle angeordnete, aus Drahten gebildete Ankerwicklungen, und (iii) einen auf der Welle angeordneten Kommutator mit einem Isolator. Auf dem Isolator sind mehrere Lamellen, insbesondere aus Kupfer, angeordnet. An ihren Enden weisen die Lamellen Kommutatorhaken auf. Die Drähte verlaufen durch diese Kommutatorhaken und sind insbesondere auch an den Kommutatorhaken angeschweißt. Senkrecht zur Axialrichtung der Welle sind eine erste Ebene und eine zweite Ebene definiert. Der Kommutatorhaken erstreckt sich von der ersten Ebene bis zur zweiten Ebene. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass (erste Variante) zumindest einer der Drähte, insbesondere alle Drähte, zwischen der ersten Ebene und den Ankerwicklungen auf einer ersten Auflagefläche des Isolators aufliegen, und/oder dass (zweite Variante) zumindest einer der Drähte, insbesondere alle Drähte, zwischen der ersten Ebene und der zweiten Ebene auf einer zweiten Auflagefläche des Isolators aufliegen. In der ersten Variante werden die Drähte zwischen den Kommutatorhaken und den Ankerwicklungen durch den Isolator gestützt. In der zweiten Variante ist der Isolator so ausgebildet, dass er die Drähte, in Umfangsrichtung betrachtet, vor und hinter dem Kommutatorhaken, abstützt. Dadurch wird der Freiraum des Drahtes auch in nächster Umgebung des Kommutatorhakens eingeschränkt. Die beiden Varianten können einzeln oder in Kombination umgesetzt werden. In beiden Varianten kann sich der Draht weniger verformen und infolgedessen mehr Schwingspiele aushalten. Dadurch verlängert sich die Standzeit, insbesondere bei Schüttelbelastung.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Kommutatorhaken jeweils einen Schlitz bilden, durch den die Drähte verlaufen. Die Schlitze erstrecken sich von einer dritten zur Axialrichtung senkrechten Ebene bis zu der bereits definierten zweiten Ebene. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Drähte zwischen der dritten Ebene und der zweiten Ebene auf den zweiten Auflageflächen des Isolators aufliegen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Drähte durch den Isolator bestmöglich gestützt sind.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass beidseitig des Kommutatorhakens je eine zweite Auflagefläche für den Draht vorgesehen ist. In Umfangsrichtung betrachtet befindet sich also vor und hinter dem Kommutatorhaken je eine zweite Auflagefläche. Diese beiden zweiten Auflageflächen können bevorzugt ein unterschiedliches Niveau aufweisen. Hierzu ist definiert, dass die zweiten Auflageflächen an ihren höchsten Stellen einen radialen Auflageflächenabstand von der Achse der Welle aufweisen. Die beiden zweiten Auflageflächen beidseitig des Kommutatorhakens unterscheiden sich bevorzugt in ihrem Auflageflächenabstand. Der Draht macht wicklungsbedingt zwischen den Ankerwicklungen und dem Kommutator einen Kreuzungspunkt. Die sich dabei ausbildende Schlaufe zwischen Kreuzung und Kommutatorhaken nennt man der Form entsprechend „Alphaschlaufe“. Die beiden Drahtabschnitte der Alphaschlaufen haben wegen dem Kreuzungspunkt einen unterschiedlichen Abstand zur Achse. Am Kreuzungspunkt entspricht dieser Unterschied dem Drahtdurchmesser. In Richtung des Kommutatorhakens wird dieser Unterschied zu Null, weil dort Drahtein- und -ausgang auf demselben Niveau stehen. Um die Drahtunterstützung zu optimieren, wird in dieser bevorzugten Ausführungsform der Isolator mit zwei zweiten Auflageflächen pro Kommutatorhaken auf unterschiedlichem Niveau, also mit unterschiedlichem Auflageflächenabstand ausgebildet.
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In den Kommutatorhaken liegen die Drähte auf den Kupferlamellen auf. Diese Flächen werden als Stützflächen bezeichnet. Die Stützflächen weisen von der Achse der Welle einen radialen Stützflächenabstand auf. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Stützflächenabstand geringfügig größer ist als der Auflageflächenabstand. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Auflageflächenabstand um maximal den halben Durchmesser der Drähte kleiner ist als der Stützflächenabstand. Dadurch wird sichergestellt, dass die Hakenschweißung nicht zerstört wird und die Drähte sicher auf den Stützflächen aufliegen.
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Zusätzlich oder alternativ zur leichten Erhöhung der Stützflächen ist bevorzugt vorgesehen, dass die zweiten Auflageflächen in Umfangsrichtung von den Kommutatorhaken beabstandet sind. Es gibt somit einen kleinen Spalt zwischen den zweiten Auflageflächen und den Kommutatorhaken. Auch dadurch wird sichergestellt, dass die Hakenschweißung nicht zerstört wird.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass im Isolator Aufnahmetaschen ausgebildet sind. Insbesondere ist pro Kommutatorhaken bzw. pro Lamelle eine Aufnahmetasche vorgesehen. In diesen Aufnahmetaschen sitzen die Kommutatorhaken. Die Wandungen dieser Aufnahmetaschen bilden somit die zweiten Auflageflächen für die Drähte.
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Die radiale Ausdehnung des Isolators und der Auflageflächen folgt in Wellenrichtung dem Drahtverlauf. Vorzugsweise gibt es dabei eine Überhöhung gegenüber dem „natürlichen“ Drahtverlauf, damit der Draht beim Wickeln in jedem Fall über den Isolator gelegt wird und keine unkontrollierten Freiräume entstehen.
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Gemäß dem Stand der Technik in 8, umfasst der vorbekannte Isolator 106 mehrere sich in Axialrichtung erstreckende Fortsätze 125. Diese Fortsätze 125 bilden eine Art „Krone“. Bei der Montage des Kommutators 105 auf der Welle wird eine weiche, heiße, plastifizierte Expoxidmasse zum Aufkleben (auch: Sintern oder Ansintern) des Kommutators 105 auf der Welle verwendet. Diese zähflüssige Epoxidmasse tritt zwischen den Fortsätzen 125 radial nach außen aus und bildet somit im ausgehärteten Zustand neben dem Stoffschluss auch einen Formschluss zwischen dem Isolator 106 und der Welle. Der Nachteil bei dieser Ausbildung der Fortsätze ist, dass die zähflüssige Klebemasse (Epoxidmasse) radial und axial undefiniert hervorquillt.
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Um dies zu vermeiden, ist im Rahmen der Erfindung bevorzugt vorgesehen, dass der Isolator hohlzylindrisch ausgebildet ist und auf die Welle aufgesteckt wird. Am Innenumfang des Isolators sind dabei zur Welle hin offene Taschen ausgebildet. Zumindest eine dieser Taschen wird bevorzugt verwendet. Die Taschen sind radial nach außen durch den Isolator verschlossen. Die Epoxidmasse kann beim Aufkleben des Kommutators auf der Welle nicht mehr axial nach außen undefiniert hervortreten, sondern sammelt sich in den Taschen. Die ausgehärtete Klebemasse in diesen Taschen wiederum bildet den Formschluss zwischen Welle und Isolator.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass der Isolator mit einem ersten Innendurchmesser auf der Welle „aufliegt“. Zwischen dem ersten Innendurchmesser und der Welle ist eine Press-, Übergang- oder Spielpassung vorgesehen. Ein etwaiger Freiraum der Passung wird mit einer Klebemasse gefüllt, die nach dem Aufschieben des Kommutators auf der Welle aushärtet. An seinem den Ankerwicklungen zugewandten Ende weist der Isolator bevorzugt einen Ringbereich auf. Dieser Ringbereich weist einen zweiten Innendurchmesser auf. Der zweite Innendurchmesser ist größer als der erste Innendurchmesser. Die am Innenumfang des Isolators ausgebildeten Taschen gehen in Axialrichtung in diesen Ringbereich über. Die Klebemasse, die sich im Stand der Technik undefiniert in Axialrichtung ausbreitet, sammelt sich bei dieser bevorzugten Ausführung somit in dem Ringbereich des Isolators.
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Der Isolator wird vorzugsweise inkl. dem Ringbereich einstückig gefertigt. Alternativ dazu ist es auch möglich, den Ringbereich als separates Bauteil zum restlichen Bestandteil des Isolators hinzuzufügen.
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Der Außenumfang des Ringbereichs kann bevorzugt als erste Auflagefläche genutzt werden und stützt somit die Drähte in dem Bereich zwischen dem Kommutatorhaken und den Ankerwicklungen. Insbesondere liegen die Kreuzungspunkte der Alphaschlaufe der Drähte auf dieser ersten Auflagefläche auf.
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Die Ausbildung der zur Welle hin offenen Taschen im Isolator kann auch unabhängig von den Auflageflächen für die Drähte genutzt werden. Die Erfindung sieht somit auch eine weitere Baugruppe vor, die Folgendes umfasst: (i) eine sich in Axialrichtung erstreckende Welle, (ii) auf der Welle angeordnete, aus Drähten gebildete Ankerwicklungen, und (iii) einen auf der Welle angeordneten Kommutator mit einem Isolator und mehreren auf dem Isolator angeordneten Lamellen mit Kommutatorhaken. Erfindungsgemäß ist der Isolator dabei hohlzylindrisch und auf die Welle aufgesteckt, wobei am Innenumfang des Isolators zumindest eine zur Welle hin offene Tasche ausgebildet ist, und wobei die zumindest eine Tasche radial außen durch den Isolator verschlossen ist. Bevorzugt liegt der Isolator mit einem ersten Innendurchmesser auf der Welle auf, wobei der Isolator an seinen den Ankerwicklungen zugewandten Ende einen Ringbereich mit einem zweiten Innendurchmesser aufweist, wobei der zweite Innendurchmesser größer ist als der erste Innendurchmesser, und wobei die zumindest eine Tasche in Axialrichtung in den Ringbereich übergeht. Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass zum Fixieren des Isolators auf der Welle die zumindest eine Tasche, und vorzugsweise auch der Ringbereich, mit einer ausgehärteten Klebemasse zumindest teilweise gefüllt sind.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren eine bürstenkommutierte elektrische Maschine, die vorzugsweise als Elektromotor ausgebildet ist. Die elektrische Maschine umfasst eine der soeben beschriebenen Baugruppen. Insbesondere ist die elektrische Maschine als Stellmotor für eine Drosselklappe in einer Brennkraftmaschine ausgebildet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
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1 einen Halbschnitt der erfindungsgemäßen Baugruppe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine Detailansicht zu 1,
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3 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Baugruppe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
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4 eine weitere Ansicht der erfindungsgemäßen Baugruppe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
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5 ein Detail zu 4,
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6 eine isometrische Ansicht der erfindungsgemäßen Baugruppe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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7 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäßen Baugruppe gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, und
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8 eine Baugruppe nach dem Stand der Technik.
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Ausführungsform der Erfindung
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Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele einer Baugruppe 1 für eine elektrische Maschine anhand der schematischen Darstellungen in den 1 bis 7 genauer erläutert.
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1 zeigt im Halbschnitt die Baugruppe 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel, umfassend eine Welle 2. Auf der Welle 2 sitzt eine rein schematisch dargestellte Ankerwicklung 3, die aus Drähten 4 gebildet ist.
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Des Weiteren zeigt 1 einen Kommutator 5 auf der Welle 2. Der Kommutator 5 umfasst einen Isolator 6 aus einem Duroplasten. Auf dem Isolator 6 sitzen mehrere Lamellen 7 aus Kupfer. Jede Lamelle 7 weist an ihrem der Ankerwicklung 3 zugewandten Ende einen Kommutatorhaken 8 auf. Jeder Kommutatorhaken 8 weist einen Schlitz 9 auf. Durch diesen Schlitz 9 verlaufen die Drähte 4. Die Drähte 4 sind ferner an den Kommutatorhaken 8 angeschweißt.
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1 zeigt eine Axialrichtung 10, die der Achse 13 der Welle 2 entspricht. Ferner sind eine Radialrichtung 11 und eine Umfangsrichtung 12 gemäß 1 definiert.
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2 zeigt im Detail die Ausgestaltung des Kommutators 5. Senkrecht zur Axialrichtung 10 und somit zur Achse 13 sind eine erste Ebene 14, eine zweite Ebene 15 und eine dritte Ebene 16 definiert. Der Kommutatorhaken 8 erstreckt sich von der ersten Ebene 14 bis zur zweiten Ebene 15. Der Schlitz 9 im Kommutatorhaken 8 erstreckt sich von der dritten Ebene 16 bis zur zweiten Ebene 15.
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Zwischen den Kommutatorhaken 8 und den Ankerwicklungen 3 zeigt 2 eine erste Auflagefläche 22. Die erste Auflagefläche 22 ist, wie später in 6 gezeigt, eine durchgehende Ringfläche und bietet somit eine Auflage für alle Drähte 4.
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Der Isolator 6 weist beidseitig eines jeden Kommutatorhakens 8 jeweils eine zweite Auflagefläche 17 auf. Diese zweiten Auflageflächen 17 stützen den jeweiligen Draht 4. Die Drähte 4 liegen zumindest zwischen der ersten Ebene 14 und der zweiten Ebene 15 auf den zweiten Auflageflächen 17 auf. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Drähte 4 zumindest zwischen der dritten Ebene 16 und der zweiten Ebene 15 auf den zweiten Auflageflächen 17 aufliegen.
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Der Abstand von der Achse 13 zur jeweiligen zweiten Auflagefläche 17 wird als Auflageflächenabstand 19 bezeichnet. Innerhalb des Schlitzes 9 liegen die Drähte 4 auf einer Stützfläche 18 auf. Der Abstand der Stützfläche 18 zur Achse 13 wird als Stützflächenabstand 20 bezeichnet. Der Stützflächenabstand 20 ist um wenige Zehntel Millimeter größer als der Auflageflächenabstand 19.
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3 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil des Kommutators 5. In dieser Darstellung ist gut zu sehen, dass jeder Kommutatorhaken 8 in einer eigenen Aufnahmetasche 21 sitzt. Diese Aufnahmetaschen 21 sind im Isolator 6 ausgebildet.
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Zwischen dem Kommutatorhaken 8 und dem Anker 3 kreuzen sich wicklungsbedingt die Drähte 4. Aufgrund von dieser Kreuzung der Drähte 4 laufen die Drahtabschnitte auf unterschiedlichen Niveaus bzw. mit unterschiedlichem Abstand zur Achse 13 in die Schlitze 9 ein.
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4 zeigt, wie die Ausbildung des Isolators 6 diesem Höhenunterschied Rechnung tragen kann. Gemäß 4 gibt es beidseitig eines jeden Kommutatorhakens 8 eine zweite Auflagefläche 17. Diese beiden zweiten Auflageflächen 17 weisen einen unterschiedlichen Auflageflächenabstand 19 auf.
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Im Detail zeigt 5 die Ausbildung des Isolators 6 zwischen zwei Kommutatorhaken 8. Dabei ist gut zu sehen, wie die Drähte 4 mit unterschiedlichem Abstand zur Achse 13 verlaufen und infolgedessen auch die zweiten Auflageflächen 17 einen unterschiedlichen Auflageflächenabstand 19 aufweisen.
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6 und 7 zeigen die konstruktive Ausführung eines Kommutators 5 einer Baugruppe 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Im zweiten Ausführungsbeispiel weist der Isolator 6 lediglich die erste Auflagefläche 22 auf, welche sich zwischen den Kommutatorhaken 8 und den Ankerwicklungen 3 befindet. Allerdings kann die in den 6 und 7 gezeigte konstruktive Ausbildung des Isolators 6 zusätzlich oder alternativ mit den zweiten Auflageflächen 17 ausgebildet werden. Dementsprechend würde man dann zur Ausbildung der zweiten Auflageflächen 17 den Isolator zwischen den Kommutatorhaken 8 in Radialrichtung erweitern.
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6 und 7 zeigen, dass der Isolator 6 hohlzylindrisch ausgebildet ist. Am Innenumfang des Isolators 6 sind mehrere Taschen 23 ausgebildet. Die Taschen 23 sind zur Welle 2 hin offen. In Axialrichtung 10 gehen die Taschen 23 in einen Ringbereich 24 des Isolators 6 über. Wie insbesondere 7 zeigt, weist der Isolator 6 einen ersten Innendurchmesser 26 auf. Mit diesem ersten Innendurchmesser 26 liegt der Isolator 6 auf der Welle 2 auf bzw. gibt es einen Abstand von wenigen Zehntel Millimetern zwischen dem Außendurchmesser der Welle 2 und dem ersten Innendurchmesser 26. Dieser minimale Abstand wird mit der Klebemasse ausgefüllt.
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Die Taschen 23 und der Ringbereich 24 weisen einen zweiten Innendurchmesser 27 auf, der wesentlich größer ist als der erste Innendurchmesser 26. Die Klebemasse kann sich somit in den Taschen 23 und dem Ringbereich 24 ungehindert ausbreiten. Durch die ausgehärtete Klebemasse in den Taschen 23 entsteht der Formschluss zwischen Isolator 6 und der Welle 2.
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Die in 8 zum Stand der Technik gezeigte kronenförmige Ausbildung des Isolators 6 wird somit ersetzt durch die kronenförmige Struktur am Innenumfang des Isolators 6 gemäß 6 und 7. Diese Konstruktion kann auch ohne Ausbildung der Auflageflächen 17, 22 genutzt werden.
