DE102013227054A1

DE102013227054A1 - Stator mit einer Umspritzung und elektrische Maschine mit dem Stator

Info

Publication number: DE102013227054A1
Application number: DE102013227054.2A
Authority: DE
Inventors: Lajos Laszlo Szabo; Ferenc Simon; Zoltan Lambert; Peter Szalay
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2015-06-25
Also published as: CN104734405A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, der ein in eine Umspritzung eingeformtes Loslager aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einem Stator, der ein in eine Umspritzung eingeformtes Lager aufweist, sowie ein Werkzeug zum Herstellen eines solchen Stators. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines solchen, insbesondere segmentierten, Stators.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine, der sich konzentrisch um eine Achse erstreckt und eine Umspritzung aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einem solchen Stator. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Werkzeug sowie ein Verfahren zum Herstellen des Stators.
Elektrische Maschinen weisen rotierende Komponenten auf, die in statischen Komponenten gelagert sind, beispielsweise mit Hilfe von Kugel- oder Gleitlagern. Bei ihrer Rotation entstehen Geräusche und Vibrationen, die umso größer sind, je größer die Abweichung der rotierenden Komponenten von der Konzentrizität zur Rotationsachse ist. Bei Gleichstrommaschinen sind die Lager häufig in einem die elektrische Maschine umgebenden Gehäuse oder an einem Gehäusedeckel befestigt.
Für elektrische Maschinen, deren Stator in axialer Richtung länger als ihr Rotor ist, ist es weiterhin bekannt, die Lager am Stator zu befestigen. Dadurch ist die Toleranzkette im Vergleich zu einer Lagerung im Gehäuse oder am Gehäusedeckel verringert, so dass die Konzentrizität verbessert ist.
Bei segmentierten Statoren ist eine solche Lagerung jedoch nicht möglich. Für solche Statoren ist es beispielsweise bekannt, die Statorsegmente im Gehäuse, und die Lager im Gehäuse oder am Gehäusedeckel zu verkleben. Weiterhin sind im Stator eingespritzte Festlager bekannt.
Die Druckschrift DE 10 2012 221 596.4 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Stator, der eine Umspritzung aufweist, die an einer achszugewandten Seite einen Lagersitz für ein Loslager aufweist. In einer Ausführungsform ist zudem ein Festlager in die Umspritzung integriert. Bei einer solchen Anordnung der Lager ist die Toleranzkette aufgrund der verringerten Bauteilezahl insgesamt verringert, so dass die Konzentrizität der elektrischen Maschine verbessert und die Geräusch- und Vibrationsentwicklung im Betrieb verringert ist.
Jedoch dehnen sich Kunststoffe in Abhängigkeit von der Außentemperatur, der sie ausgesetzt sind, aus. Zudem ist die Konzentrizität in Abhängigkeit vom verwendeten Kunststoff von der Herstellungstemperatur und/oder der Lagerungstemperatur des Rohmaterials abhängig. Das Loslager muss daher mit Spiel in den Lagersitz eingepasst werden.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Konzentrizität der rotierenden Komponenten einer elektrischen Maschine weiter zu verbessern, so dass die Geräusch- und Vibrationsentwicklung im Betrieb der elektrischen Maschine verringert ist.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Stator für eine elektrische Maschine, der sich konzentrisch um eine Achse erstreckt, und der eine Umspritzung mit einer sich quer zur Achse erstreckenden Lagerwand aufweist, in die ein erstes Lager mittig eingeformt ist. Der Stator zeichnet sich dadurch aus, dass das Lager ein Loslager ist.
Da das Loslager in den Lagersitz eingeformt ist, entfällt das für einen Lagersitz erforderliche Spiel. Zudem ist die Anzahl der erforderlichen Bauteile gegenüber einem Lager, das in einem Lagersitz angeordnet ist, kleiner. Die Herstellung des Stators ist automatisierbar. Und die Umspritzung weist ein Federverhalten auf, das die stehenden Bestandteile der elektrischen Maschine von den sich bewegenden Bestandteilen akustisch entkoppelt, und/oder Geräusche, die durch Vibrationen verursacht sind, dämpft. Diese Geräusch-dämpfende Wirkung der Umspritzung verringert die Laufgeräusche im Betrieb der elektrischen Maschine.
Die Umspritzung des Stators ist bevorzugt aus einer (ausgehärteten) aushärtbaren Masse gebildet. Dabei ist die aushärtbare Masse bevorzugt ein Kunststoff, insbesondere ein Duroplast, ein Faser-Matrix-Halbzeug mit duroplastischer Matrix wie beispielsweise BMC (Bulk Moulding Compound), oder ein Thermoplast wie beispielsweise Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylenterephthalat (PET) oder ein Polyphthalamid (PPA). Für die aushärtbare Masse ist aber auch ein Gießharz verwendbar. Die Umspritzung ist bevorzugt im Spritzgussverfahren hergestellt. Ebenfalls bevorzugt ist sie gegossen. Im Folgenden werden die Begriffe Einformen, Einspritzen und Eingießen synonym verwendet.
Da das Lager mittig im Stator eingeformt ist, ist die Anordnung des Lagers aufgrund der Drehsymmetrie vom Temperaturverhalten, insbesondere von einer Wärmeausdehnung, der aushärtbaren Masse oder des Rohmaterials, unabhängig. Ein für einen Lagersitz erforderliches Spiel entfällt, so dass die Toleranzkette in Bezug auf die Lagerung des Loslagers verringert ist. Zudem sind für ein eingeformtes Lager weniger Bauteile erforderlich.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Stator segmentiert. In dieser Ausführungsform bewirkt die Umspritzung zudem, dass die Statorsegmente des Stators zueinander positioniert und aneinander befestigt sind.
Das Lager ist bevorzugt entweder als Kugellager oder als Gleitlager ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform bildet die Umspritzung die Außenfläche des Stators. Dadurch umgibt sie die elektrischen Komponenten des Stators zumindest an der achsabgewandten Seite. Vorzugsweise umgibt sie diese außerdem an den sich quer zur Achse erstreckenden, sich gegenüberliegenden Stirnseiten des Stators. Als elektrische Komponenten werden hier Spulenwicklungen des Stators mit gegebenenfalls vorgesehenen Spulenkernen und/oder Dauermagnete bezeichnet, die zur Erzeugung des elektrischen Feldes vorgesehen sind. Da die Umspritzung die Außenfläche des Stators bildet, dient sie in dieser Ausführungsform gleichzeitig als Korrosions-, Staub- und Feuchtigkeitsschutz.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einer elektrischen Maschine mit einem solchen Stator. Dabei ist es bevorzugt, dass die elektrische Maschine ein zweites Lager aufweist, wobei das erste Lager in dem erfindungsgemäßen Stator angeordnet ist, und das zweite Lager in einem Gehäuse, oder in einem Lagerdeckel. Das zweite Lager dieser Ausführungsform der elektrischen Maschine ist als Festlager ausgebildet. Es ist bevorzugt in einem Lagersitz des Gehäuses oder des Lagerdeckels angeordnet.
Bei dieser elektrischen Maschine ist zumindest das erste Lager unmittelbar in eine Umspritzung eingeformt und weist daher eine sehr gute Konzentrizität auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform, die die Aufgabe weiterhin löst, weist die elektrische Maschine einen Stator auf, der sich konzentrisch um eine Achse erstreckt, und der eine Umspritzung mit einer sich quer zur Achse erstreckenden Lagerwand aufweist, in die ein erstes Lager mittig eingeformt ist; wobei die elektrische Maschine zudem ein zweites Lager aufweist, das in eine Umspritzung entweder eines Gehäuses oder eines Lagerdeckels eingeformt ist.
Bei dieser Ausführungsform der elektrischen Maschine ist auch das zweite Lager unmittelbar in eine Umspritzung eingeformt, so dass auch für das zweite Lager ein bei einem Anordnen des Lagers in einem Lagersitz erforderliches Spiel entfällt. Zudem wird auch für das zweite Lager die Vibrations- und Geräusch-dämpfende Wirkung der Umspritzung genutzt. Die elektrische Maschine dieser Ausführungsform weist daher ein besonders gutes Rundlaufverhalten auf und ist im Betrieb sehr leise.
In einer ersten ganz besonders bevorzugten Ausführungsform weist die elektrische Maschine daher den Stator mit eingeformtem erstem Lager und einen Lagerdeckel mit im Lagerdeckel eingeformtem zweitem Lager auf. Der Lagerdeckel weist dafür eine Umspritzung auf, in die das zweite Lager eingeformt ist. In einer zweiten ebenso besonders bevorzugten Ausführungsform weist die elektrische Maschine den Stator mit eingeformtem erstem Lager und ein Gehäuse auf, in das das zweite Lager eingeformt ist. Das Gehäuse weist dafür bevorzugt eine sich quer zur Achse erstreckenden Lagerwand auf, die eine Umspritzung bildet, in die das zweite Lager eingeformt ist.
Vorzugsweise weist die elektrische Maschine daher den Stator auf, der sich konzentrisch um die Achse erstreckt, und der die Umspritzung aufweist, die eine sich quer zur Achse erstreckende Lagerwand bildet, in der das erste Lager zum Lagern der Welle mittig angeordnet ist, wobei die Welle zudem in einem zweiten Lager gelagert ist, das entweder in eine Umspritzung eines Lagerdeckels, oder in eine Umspritzung eines Gehäuses mittig eingeformt ist.
Die elektrische Maschine umfasst bevorzugt einen Rotor. Der Rotor ist weiterhin bevorzugt zwischen dem ersten Lager und dem zweiten Lager gelagert. Die Welle beziehungsweise der Rotor sind daher beidseitig gelagert. Der Rotor ist drehfest an der Welle angeordnet. Er ist im Innenraum des Stators angeordnet. Die Welle ist vorzugsweise als Vollwelle, als Vollhohlwelle oder als Hohlwelle ausgebildet.
Dabei ist es sowohl bevorzugt, dass das erste Lager als Loslager und das zweite Lager als Festlager ausgebildet ist, als auch umgekehrt.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der elektrischen Maschine, bei der der Stator segmentiert ist, da die Umspritzung bei dieser elektrischen Maschine zudem der Positionierung und Befestigung der Statorsegmente des Stators dient.
Dabei ist bevorzugt nicht nur die Umspritzung des Stators, sondern auch die Umspritzung entweder des Gehäuses oder des Lagerdeckels aus einer (ausgehärteten) aushärtbaren Masse gebildet. Dabei ist die aushärtbare Masse ebenfalls bevorzugt ein Kunststoff, insbesondere ein Duroplast, ein Faser-Matrix-Halbzeug mit duroplastischer Matrix wie beispielsweise BMC (Bulk Moulding Compound), oder ein Thermoplast wie beispielsweise Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylenterephthalat (PET) oder ein Polyphthalamid (PPA). Für die aushärtbare Masse ist ebenfalls ein Gießharz verwendbar. Die Umspritzung ist bevorzugt im Spritzgussverfahren hergestellt. Ebenfalls bevorzugt ist sie gegossen. Vorzugsweise sind die Umspritzungen des Stators und entweder des Gehäuses oder des Lagerdeckels aus demselben Kunststoff gefertigt.
Vorzugsweise ist die elektrische Maschine ein Elektromotor, insbesondere ein Gleichstrommotor. Besonders bevorzugt ist sie ein bürstenloser permanenterregter EC-Motor. Die Erfindung ist aber nicht auf Gleichstrommotoren beschränkt, sondern eignet sich auch für Synchronmaschinen oder andere elektrische Maschinen, beispielsweise für einen Starter.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Lenkmotor, einem Servomotor oder einem Verstellantrieb mit einer solchen elektrischen Maschine. Der Verstellantrieb wird bevorzugt in einem Kraftfahrzeug genutzt, beispielsweise zum Verstellen von Komponenten des Kraftfahrzeugs wie Heckklappen, Sitze, Fenster oder Türen, der Servomotor wird bevorzugt als Servoantrieb oder als Bremsverstärkerantrieb genutzt. Die elektrische Maschine ist aber auch für andere Vorrichtungen verwendbar, beispielsweise als Antrieb für eine Handwerkzeugmaschine.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Werkzeug zum Herstellen eines umspritzten Stators, mit einem in seine Umspritzung eingeformten Lager. Das Werkzeug umfasst einen Grundkörper, in dem ein Kern mittig angeordnet ist. Zwischen dem Grundkörper und dem Kern ist ein Aufnahmeraum ausgebildet. Das Werkzeug zeichnet sich dadurch aus, dass am Kern eine Anlagefläche für das Lager vorgesehen ist. Dadurch sind nicht nur felderzeugende Komponenten des Stators, insbesondere Statorwicklungen, sondern auch das Lager in die Umspritzung einformbar.
Der Aufnahmeraum ist bevorzugt konzentrisch um eine Achse angeordnet. Vorzugsweise ist er zur Aufnahme der felderzeugenden Komponenten des Stators, des Lagers und der aushärtbaren Masse vorgesehen. Er weist bevorzugt einen ersten Bereich auf, der zur Ausbildung einer Lagerwand für das Lager vorgesehen ist, wobei sich die Lagerwand quer zur Achse erstreckt. Zudem weist er bevorzugt einen, an den ersten Bereich angrenzenden, zweiten Bereich auf, der hohlzylindrisch ausgebildet und zur Aufnahme der felderzeugenden Komponenten vorgesehen ist.
Um das Lager zu befestigen, sind am Kern bevorzugt Befestigungsmittel vorgesehen, mit denen ein Außenring des Lagers mittig auf dem Kern festgelegt, insbesondere eingespannt, wird. Die Befestigungsmittel sind bevorzugt in einer Umfangsrichtung gleichmäßig um die Achse verteilt angeordnet.
Die Anlagefläche ist bevorzugt in einer axialen Richtung des Werkzeugs oberhalb der felderzeugenden Komponenten des Stators vorgesehen. Die felderzeugenden Komponenten des Stators umfassen bevorzugt ein Joch sowie am Joch angeordnete Polzähne, sowie um die Polzähne gewickelte Statorwicklungen. Die Erfindung umfasst aber auch Statoren, die anstelle von Statorwicklungen Dauermagnete aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Grundkörper Segmente auf, die den Aufnahmeraum zylindrisch umgeben. In dieser Ausführungsform eignet sich das Werkzeug vor allem für segmentierte Statoren. Die Statorsegmente werden mit den Segmenten des Grundkörpers im Aufnahmeraum eingespannt.
Dadurch werden sie während des Gießens oder Spritzens und des Aushärtens im Aufnahmeraum fixiert. Dabei werden sie gegen den Kern gedrückt. Dadurch ist ein Abstand, den die Statorsegmente von der Achse aufweisen, trotzt des Spiels zwischen den Statorsegmenten, während der Herstellung gleich. Mit diesem Werkzeug ist daher ein segmentierter Stator herstellbar, der eine sehr gute Konzentrizität aufweist.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Segmente eine konische Außenfläche aufweisen, wobei das Werkzeug einen Klemmkörper umfasst, der die Segmente umgibt und in axialer Richtung verschiebbar ist, so dass die Segmente beim Verschieben des Klemmkörpers in die radiale Richtung verschoben werden. Vorzugsweise sind die Segmente durch Auftrennen eines, insbesondere sehr präzise hergestellten, konischen Rings gefertigt. Dadurch sind sie sehr präzise gefertigt. Mit einem solchen Werkzeug ist die in radialer Richtung auf die Statorsegmente wirkende Kraft sehr gleichmäßig und genau einstellbar.
Die vorliegende Erfindung wird weiterhin gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines, insbesondere segmentierten, Stators, in einem solchen Werkzeug, bei dem das Lager auf der Anlagefläche und die Statorsegmente nebeneinander im Aufnahmeraum angeordnet werden, bei dem die Statorsegmente dann gegen die radiale Richtung gegen den Kern gedrückt werden, und bei dem die aushärtbare Masse anschließend in den Aufnahmeraum eingefüllt wird. Es ist bevorzugt, dass der Stator erst nach dem Aushärten der aushärtbaren Masse aus dem Werkzeug entformt wird.
Auf diese Weise ist ein Lager sehr genau mittig in den Stator einspritzbar. Bei segmentiertem Stator weist der so gefertigte Stator trotz des Spiels zwischen den Statorsegmenten zudem eine sehr gute Konzentrizität auf.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
1 zeigt in 2(a) einen erfindungsgemäßen Stator für eine elektrische Maschine, in 2(b)ein Schnittbild durch den Stator, der einen Innenraum des Stators zeigt, in 2(c) einen durch den Stator der 2(a), der eine dem Innenraum zugewandte Innenseite des Stators zeigt,
2 in 2(a) ein Gehäuse, in das der Stator einfügbar ist, in 2(b) eine elektrische Maschine mit dem Stator aus 1(a)–(c) und dem Gehäuse aus 2(a), und in 2(c) einen Lagerdeckel zum Lager einer Welle der elektrischen Maschine,
3 zeigt in 3(a) eine erste Ausführungsform eines Werkzeugs zum Herstellen eines Stators mit einer Umspritzung, in 3(b) einen Schnitt durch das Werkzeug aus 3(a), in 3(c) eine Draufsicht auf das Werkzeug der 3(b) mit in das Werkzeug eigefügtem Stator, und in 3(d) einen weiteren Ausschnitt aus dem Werkzeug,
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines solchen Werkzeugs mit einem Grundkörper, der Segmente mit konischer Außenfläche aufweist, und in 4(b) nur die Segmente, und
5 zeigt schematisch verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer elektrischer Maschinen.
1 zeigt in 1(a) einen erfindungsgemäßen Stator 2 für eine elektrische Maschine 100 und in 1(b) ein Schnittbild durch den Stator 2, so dass ein Innenraum 20 des Stators 2 sichtbar ist.
Der Stator 2 ist konzentrisch zu einer Achse 4 angeordnet und erstreckt sich in eine axiale Richtung 41. Er weist eine Umspritzung 5 auf. Die Umspritzung 5 bildet eine sich quer zur Achse 4 erstreckende Lagerwand 23.
Der Stator 2 ist segmentiert. Er weist daher in einer Umfangsrichtung 43 zur Achse 4 eine Vielzahl nebeneinander angeordnete Statorsegmente 21 auf. Die Umspritzung 5 ist aus einer aushärtbaren Masse gebildet, die an die Statorsegmente 21 angeformt, insbesondere angespritzt oder angegossen, ist. Die Erfindung ist aber auch für Statoren 2 verwendbar, die aus einem Vollkörper hergestellt sind.
An den Statorsegmenten 21 sind die Statorwicklungen 22 angeordnet. Die Statorwicklungen 22 des Stators 2 werden vor dem Umspritzen verschaltet. Beim Umspritzen der Statorsegmente 21 wird die für die Umspritzung 5 verwendete aushärtbare Masse 5 zwischen die Wicklungen 22 eingespritzt. Dadurch werden diese durch die Umspritzung 5 mechanisch miteinander verbunden. Die Umspritzung 5 bildet zumindest einen Teil einer Außenfläche 27 des Stators 2.
In der Lagerwand 23, die an einem ersten Ende 28 des Stators 1 angeordnet ist, ist ein Loslager 6, L mittig in die Umspritzung 5 eingeformt. Es ist hier als Kugellager ausgebildet und weist einen Innenring 61, einen Außenring 62 und die Wälzkörper 63 auf. Der Innenring 61 ist gegenüber dem Außenring 62 axial verschieblich. Das Lager 6 weist eine Aufnahme 64 auf, die zur Aufnahme einer Welle 40 der elektrischen Maschine 100 (s. 2(b)) vorgesehen ist. Die Aufnahme 64 durchsetzt den Innenring 61. Sie erstreckt sich in die axiale Richtung 41.
Da das Loslager L mittig in die Lagerwand 23 eingeformt ist, ist es spielfrei in den Stator 2 gefügt. Die Lagerung einer in die Aufnahme 64 dieses Lagers 6 eingefügten Welle 40 ist daher hier nicht durch ein Spiel eines Lagersitzes beeinflusst. Aufgrund der drehsymmetrischen Form der Lagerwand 23 beziehungsweise des Stators 2 beeinflusst auch die Wärmeausdehnung der aushärtbaren Masse die Konzentrizität dieser Lagerung nicht.
Zur Versteifung der Lagerwand 23 sind Versteifungsrippen 51 vorgesehen, die sich von einer ringförmigen Versteifungsrippe 52 an einem Innenumfang der Lagerwand 23 in radialer Richtung 42 nach außen erstrecken.
Das Loslager 6, L wird beim Umspritzen der Statorsegmente 21 gleichzeitig konzentrisch in die Umspritzung 5 eingespritzt. Zudem werden die Anschlussmittel 24 zum Versorgen der Statorwicklungen 26 mit einer elektrischen Versorgungsspannung in die Umspritzung 5 des Stators 2 eingespritzt. Dadurch müssen diese nicht als separate Bauteile montiert werden, sondern sind im Stator 2 integriert. Die Bauteilezahl ist dadurch geringer und die Lagerhaltung und die Montage sind dadurch kostengünstiger möglich.
Die Anschlussmittel 24 sind hier am ersten Ende 28 des Stators 2 angeordnet, an dem auch das in die Umspritzung 5 eingeformte Loslager 6, L in der Lagerwand 23 angeordnet ist. Sie sind aber auch an einem diesem gegenüberliegenden zweiten Ende 29 des Stators 2 anordbar.
An dem zweiten Ende 29 des Stators 2 ist ein Innenraum 20 des Stators 2 frei zugänglich, so dass ein Rotor 7 (s. 2(b)) der elektrischen Maschine 100 von dort aus in den Innenraum 20 des Stators 2 einfügbar ist. Die Welle 40 mit dem Rotor 7 wird nach dem Umspritzen des Stators 2 in den Innenraum 100 des Stators 2 gefügt.
Das Einspritzen des Loslagers 6 in den Stator 2 hat den Vorteil, dass das Lager 6 vom Temperaturverhalten der aushärtbaren Masse oder des Rohmaterials unabhängig ist. Aufgrund der drehsymmetrischen Anordnung des Lagers 6 bleibt es auch bei einem während der Herstellung auftretenden Schrumpfen der aushärtbaren Masse 5 mittig angeordnet. Ein für einen Lagersitz 12, 32 (s. 5) erforderliches Spiel entfällt. Die Konzentrizität der elektrischen Maschine 100 ist dadurch sehr gut und die Toleranzkette verringert. insgesamt sind weniger Bauteile für die elektrische Maschine 100 erforderlich
In 1(c) ist in einem weiteren Schnittbild durch den Stator 2 der 1(a) eine dem Innenraum 20 zugewandte Innenseite einer Lagerwand 23 des Stators 2 gezeigt.
Sichtbar sind Ausnehmungen 54 in der am Innenumfang der Lagerwand 23 vorgesehenen ringförmigen Versteifungsrippe 52. Diese werden durch Befestigungsmittel (nicht gezeigt) verursacht, mit denen das Lager 6 während der Herstellung des Stators 2 in einem Werkzeug 9 (s. 3, 4) befestigt ist.
In 2(a) ist ein Gehäuse 1 dargestellt, in das der in den 1(a)–(c) gezeigte Stator 2 einfügbar ist.
Das Gehäuse 1 ist hohlzylindrisch ausgebildet. Es erstreckt sich konzentrisch um die Achse 4 in die axiale Richtung 41. An seinem ersten Ende 11 weist es eine Umspritzung 5 auf, die eine sich quer zur Achse erstreckende Lagerwand 14 bildet. In der Lagerwand 14 ist mittig ein zweites Lager 8, das hier als Festlager 8, F ausgebildet ist, eingeformt. Das Festlager 8, F ist als Kugellager ausgebildet. Es weist daher den Innenring 81, den Außenring 82 und die Wälzkörper/ Kugeln 83 auf, sowie die Aufnahme 84 zur Aufnahme der Welle 40. Die Umspritzung 5 ist aus einer (ausgehärteten) aushärtbaren Masse, vorzugsweise einem Kunststoff oder Gießharz, hergestellt. In der Umspritzung 5 sind Versteifungsrippen 51 (s. 2(b)) angeordnet, die sich in radialer Richtung 42 zur Achse 4 erstrecken. Die Versteifungsrippen 51 sind gleichmäßig in Umfangsrichtung 42 verteilt angeordnet.
Da das zweite Lager 8 in die Umspritzung 5 der Lagerwand 14 des Gehäuses 1 eingeformt ist, beispielsweise durch Spritzgießen, ist es spielfrei im Gehäuse 1 angeordnet. Daher ist die Konzentrizität einer in die Aufnahme 84 des zweiten Lagers 8 eingefügten Welle 40 zur Achse 4 nicht durch ein Spiel eines Lagersitzes beeinflusst. Aufgrund der drehsymmetrischen Form des Gehäuses 1 beeinflusst auch das Temperaturverhalten der Umspritzung 5 die Konzentrizität dieser Lagerung dieses Festlagers 8, F nicht.
Von einem dem ersten Ende 11 des Gehäuses 1 gegenüberliegenden zweiten Ende 13 sind der Rotor 7 und der Stator 2 in einen Innenraum 10 des Gehäuses 1 einfügbar.
Die 2(b) zeigt eine elektrische Maschine 100 mit dem Stator 2 aus 1(a)–(c) und dem Gehäuse 1 aus 2(a).
Diese elektrische Maschine 100 weist die Welle 40 auf, die sich in axialer Richtung 41 konzentrisch zur Achse 4 erstreckt. Im Innenraum 20 des Stators 2 ist der Rotor 7 drehfest an der Welle 40 angeordnet. Dadurch dreht er sich bei einem Drehen der Welle 40 mit dieser. Die Welle 40 ist in dem im Gehäuse 1 eingespritzten Festlager 8, F und in dem im Stator 2 eingespritzten Loslager 6, L beidseitig gelagert. Es ist auch eine Ausführungsform einer solchen elektrischen Maschine 100 bevorzugt, bei der das Loslager L in die Umspritzung 5 des Gehäuses 1 und das Festlager F in die Umspritzung 5 des Stators 2 eingeformt ist. Im Folgenden wird das in den Stator 2 eingeformte Lager 6 als erstes Lager 6 bezeichnet.
Bei diesem Stator 2 bestimmt die Herstellungsgenauigkeit der beiden Umspritzungen 5 die Konzentrizität der elektrischen Maschine 100. Die Umspritzung 5 ist sehr genau herstellbar. Da sowohl das Festlager F spielfrei in die Umspritzung 5 im Gehäuse 1 eingespritzt ist, als auch das Loslager L spielfrei in die Umspritzung 5 des Stators 2 eingespritzt ist, wird die Lagerung der Welle 40 nur durch das für die Aufnahme der Welle 40 im Loslager 6 und das für die Aufnahme der Welle 40 im Festlager 8 erforderliche Spiel beeinflusst. Zudem ist die Welle 40, um Unwuchten zu vermeiden, sehr genau gefertigt. Außerdem werden beide Lager 6, 8 aufgrund ihrer Drehsymmetrie nicht durch das Temperaturverhalten der Umspritzung 5 beeinflusst. Insgesamt ist die Konzentrizität dieser elektrischen Maschine 100 daher sehr gut. Die elektrische Maschine 100 dieser Ausführungsform weist daher ein sehr gutes Rundlaufverhalten auf und ist im Betrieb sehr leise.
Die elektrische Maschine 100 dieser Ausführungsform ist mit wenigen Bauteilen sehr einfach und kostengünstig herstellbar. Sie ist zudem mit weniger Herstellungsschritten genauer herstellbar. Weiterhin ist der Staub- und Korrosionsschutz bei dieser elektrischen Maschine 100 sehr gut, da der Stator 2 in seine Umspritzung 5 eingebettet, und der Rotor 7 von den Umspritzungen 5 des Gehäuses 1 und des Stators 2 umschlossen ist.
2(c) zeigt einen zu dem in den 2(a) und (b) gezeigten Gehäuse alternativ für das zweite Lager 8 verwendbaren Lagerdeckel 3. In dem Lagerdeckel 3 ist das zweite Lager 8 zum Lagern der Welle 40 der elektrischen Maschine 100 mittig angeordnet. Der Lagerdeckel 3 ist in ein vorzugsweise zylinderförmiges Gehäuse 1 einfügbar.
Der Lagerdeckel 3 ist im Spritzgussverfahren hergestellt. Er erstreckt sich konzentrisch und quer zur Achse 4. Der Lagerdeckel 3 ist aus einer aushärtbaren Masse 5 geformt. In die aushärtbare Masse 5 sind Versteifungsrippen 51, 52, 53 eingeformt. Dafür ist an einem Außenumfang 34 sowie an einem Innenumfang 33 des Lagerdeckels 3 jeweils eine ringförmige Versteifungsrippe 53, 54 vorgesehen. Zudem sind mehrere geradlinig ausgebildete Versteifungsrippen 51 in Umfangsrichtung 43 um die Achse 4 gleichmäßig verteilt angeordnet, die sich in die radiale Richtung 42 zur Achse 4 erstrecken. Zudem können weitere, insbesondere metallische, Abschirm- und/oder Versteifungsmittel (nicht gezeigt) in den Lagerdeckel 3 eingeformt sein.
In den Lagerdeckel 3 ist das zweite Lager 8 spielfrei eingeformt. Es weist den Außenring 82 und den Innenring 81 auf. Zwischen dem Außenring 82 und dem Innenring 81 sind die Wälzkörper 83 angeordnet (nicht gezeigt). Im Innenring 81 ist eine Aufnahme 84 für die Welle 40 vorgesehen.
Anstelle des in der 2(b) gezeigten Gehäuses 1, in dem das zweite Lager 8 in die Umspritzung 5 eingeformt ist, ist der Lagerdeckel 3 für die elektrische Maschine in einem Gehäuse 1 (s. 5(d)) verwendbar, das weder ein solches Lager noch einen Lagersitz für ein Lager aufweist. Im Stator 2 der elektrischen Maschine 100 dieser Ausführungsform ist dann das erste Lager 6, insbesondere als Loslager L, und in dem Lagerdeckel 3 das zweite Lager 8, insbesondere als Festlager F, angeordnet. Auch bei dieser Ausführungsform der elektrischen Maschine 100 ist eine umgekehrte Anordnung ebenfalls bevorzugt, bei der das Loslager L in die Umspritzung 5 des Lagerdeckels 3 und das Festlager F in die Umspritzung 5 des Stators 2 eingeformt ist.
In 3(a) ist eine erste Ausführungsform eines Werkzeugs 9 zum Herstellen eines Stators 2 mit einer Umspritzung 5 gezeigt. Die 3(b) zeigt einen Schnitt durch das Werkzeug 9 aus 3(a), die 3(c) eine Draufsicht auf das Werkzeug 9 der 3(b) mit in das Werkzeug 9 eingefügten felderzeugenden Komponenten des Stators 2, und die 3(d) einen weiteren Ausschnitt aus dem Werkzeug 9.
Das Werkzeug 9 weist einen Grundkörper 97 auf, der einen Aufnahmeraum 90 begrenzt, in dem mittig ein Kern 92 angeordnet ist. Zwischen dem Grundkörper 97 und dem Kern 92 ist ein zweiter Bereich (nicht bezeichnet) des Aufnahmeraums 90 ausgebildet, der zur Aufnahme der felderzeugenden Komponenten des Stators 2 und der aushärtbaren Masse 5 vorgesehen ist. Er erstreckt sich konzentrisch zur Achse 4 in die axiale Richtung 41.
Der Kern 92 ist an einer Grundplatte 971 angeordnet, die den Aufnahmeraum 90 an einer Unterseite (nicht bezeichnet) des Grundkörpers 97 verschließt.
Am Kern 92 ist eine Anlagefläche 96 (s. 4) angeordnet. An der Anlagefläche 96 ist in 3(a), (c) und (d) das Lager 6 angeordnet. Zum Befestigen des Lagers 6 sind Befestigungsmittel 94 vorgesehen, zwischen denen der Außenring 62 des Lagers 6 verspannt ist. Zudem ist am Kern 92 ein Dorn 93 (s. 3(d)) vorgesehen, der die Aufnahme 64 des Lagers 6 durchsetzt. Das Lager 6 ist durch eine Schraube 91 fixiert. Die Anlagefläche 96 ist in einem ersten Bereich (nicht bezeichnet) des Aufnahmeraums 90 oberhalb des die felderzeugenden Komponenten des Stators 2 aufnehmenden zweiten Bereiches angeordnet. Dieser erste Bereich des Aufnahmeraumes 90 ist daher zur Aufnahme des Lagers 6 und der aushärtbaren Masse 5 vorgesehen. Er erstreckt sich quer zur Achse 4.
Mit einem diesem Werkzeug 9 ähnlichen Werkzeug (nicht dargestellt) ist auch ein Lagerdeckel 3 mit im Lagerdeckel 3 angeordnetem Lager 6 herstellbar. Das Werkzeug zum Herstellen des Lagerdeckels 3 weist aber im Gegensatz zum Werkzeug 9 zum Herstellen des Stators 2 nur den ersten Bereich des Aufnahmeraums 90 für die aushärtbare Masse 5 auf, der sich quer zur Achse 4 erstreckt.
Die felderzeugenden Komponenten des Stators 2 umfassen ein Joch sowie am Joch angeordnete Polzähne 26, sowie um die Polzähne 26 gewickelte Statorwicklungen 22 (s. 3(c)). Bei den in 3(c) gezeigten Statorsegmenten 21 sind Polzähne 26 dargestellt, um die die Wicklungen 22 des Stators 2 gewickelt werden. Die Wicklungen 22 sind aber in 3(c) nur an einem einzelnen Polzahn 26 schematisch gezeigt.
Die im Grundkörper 97 des Werkzeugs 9 angeordneten felderzeugenden Komponenten des Stators 2 werden vor dem Umspritzen vollständig elektrisch verschaltet. Vorzugsweise werden zudem die Anschlussmittel 24, an die die Spannungsversorgung für die Statorwicklungen 22 anschließbar ist, im Grundkörper 97 angeordnet, bevor der Stator umspritzt wird.
Der hier im Grundkörper 97 angeordnete Stator 2 ist ein segmentierter Stator 2, der eine Vielzahl von Statorsegmenten 21 aufweist. Die Statorsegmente 21 liegen mit einer achszugewandten Seite 210 am Kern 92 des Werkzeugs 9 an. Um eine möglichst gute Konzentrizität des Stators 2 zu erhalten, werden sie an den Kern 92 angedrückt. Dafür weist der Grundkörper 97 hier Segmente 95 auf. In der hier gezeigten Ausführungsform ist der Grundkörper 97 aus drei Segmenten 95 gebildet. Die aneinander anliegenden Segmente 95 umgeben den Aufnahmeraum 90 zylindrisch. Die Segmente 95 des Grundkörpers 97 sind hier miteinander verschraubbar.
An seiner Oberseite (nicht bezeichnet) ist der Grundkörper 97 mit einem Deckel 972 (s. 4) verschließbar, in dem Zuführmittel 973 (s. 4) zum Zuführen der aushärtbaren Masse 5 vorgesehen sind.
Beim Verschrauben der Segmente 95 des Werkzeugs 9 werden die Statorsegmente 21 an den Kern 92 gedrückt. Die Polzähne 26 des Stators 2 liegen dann konzentrisch um die Achse 4 am Kern 92 an. Beim Umspritzten sind sie in dieser Position im Werkzeug 9 fixiert und werden dem Werkzeug 9 erst nach dem Aushärten der aushärtbaren Masse 5 entnommen. Da die Umspritzung 5 in Zwischenräume zwischen die Wicklungen 22 eindringt und den Stator 2 zumindest teilweise umgibt, sind die Statorsegmente 21 des fertigen Stators 2 bei diesem Herstellungsverfahren sehr konzentrisch um die Achse 4 angeordnet und aneinander befestigt.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines solchen Werkzeugs 9 mit einem Grundkörper 97, der Segmente 95 mit konischer Außenfläche 952 aufweist. 4(b) zeigt nur die Anordnung der Segmente 95.
Bei dieser Ausführungsform des Werkzeugs 9 sind im Grundkörper 97 separate Segmente 95 angeordnet, die aus einem sehr genau gefertigten Ring (nicht gezeigt) geschnitten sind. Die Segmente 95 weisen eine konische Außenfläche 952 auf. Sie sind konzentrisch zur Achse 4 im Werkzeug 9 angeordnet.
Der Grundkörper 97 umfasst weiterhin einen Klemmkörper 98, der die Segmente 95 umgibt. Der Klemmkörper 98 weist eine zur konischen Außenfläche 952 der Segmente 95 korrespondierend ausgebildete konische Innenfläche 982 auf. Dadurch liegt er an der Außenfläche 952 der Segmente 95 an. Er ist in axialer Richtung 41 verschiebbar vorgesehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dafür ein Gewinde 982 vorgesehen, mit dem er im Grundkörper 97 um die Achse 4 drehbar verschraubt ist. Aufgrund der konischen Ausbildung der aneinander anliegenden Innenfläche 982 des Klemmkörpers 98 und Außenfläche 952 der Segmente 95 werden die Segmente 95 dabei in radialer Richtung 42 verschoben. Dafür ist eine Handhabung 981 am Klemmkörper 98 vorgesehen, so dass dieser leicht um die Achse 4 drehbar ist.
Auch in dieser Ausführungsform weist das Werkzeug 9 den konzentrisch um die Achse 4 angeordneten Kern 92 auf. Der Aufnahmeraum 90 ist hier ebenfalls zwischen den Segmenten 95 und dem Kern 92 ausgebildet. Am Kern 92 ist die Anlagefläche 96 für das Lager 6 vorgesehen. Dies wird mit den Befestigungsmitteln 94 an seinem Außenring 62, und mit einer Spannschraube 91 am Innenring 61 fixiert. Zum Verspannen in axialer Richtung 41 wird es hier zudem mit einer Feder 961 gegen den Kern 96 gedrückt. Um die Kraft der Feder 961 auf das Lager 6 gleichmäßig zu verteilen, ist hier zudem ein Anlageelement 962 zwischen Feder 961 und Lager 6 angeordnet.
Auch dieses Werkzeug ist mit einem an seiner Oberseite anordbaren Deckel 972 verschließbar, in dem Zuführmittel 973 zum Zuführen der aushärtbaren Masse 5 vorgesehen sind.
Um die Kraft, mit der die Segmente 95 beim Drehen des Klemmkörpers 98 gegen die radiale Richtung 42 gedrückt werden, zu verändern, ist zwischen dem Klemmkörper 98 und dem Grundkörper 97 ein insbesondere elastisch ausgebildeter Abstandhalter 983 anordbar. In Abhängigkeit von der benötigten radialen Kraft ist eine Dicke (nicht bezeichnet) der Abstandhalter 983 wählbar und die Kraft daher sehr einfach und schnell einstellbar. Zum Einstellen der Kraft ist prinzipiell aber auch ein Momentenschlüssel (nicht gezeigt) nutzbar.
Auch dieser Stator 2 wird gefertigt, indem das Lager 6 an der Anlagefläche 96, und die Statorsegmente 21 im Aufnahmeraum 90 nebeneinander angeordnet werden. Dann werden die Statorsegmente 21 gegen den Kern 92 gedrückt. Bei der hier gezeigten Ausführungsform wird dafür der Klemmkörper 98 um die Achse 4 gedreht. Dadurch werden die Segmente 95 des Grundkörpers 97 gegen die radiale Richtung 42 verschoben. Dabei werden die Statorsegmente 21 ausgerichtet. Anschließend wird die aushärtbare Masse 5 in den Aufnahmeraum 90 eingefüllt.
Auch bei dieser Ausführungsform des Werkzeugs 9 wird der Stator 2 dem Grundkörper 97 erst nach dem Aushärten der aushärtbaren Masse 9 entnommen.
5 zeigt schematisch verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer elektrischer Maschinen 100. Die elektrischen Maschinen 100 weisen alle einen, insbesondere segmentierten, Stator 2 auf, der eine Umspritzung 5 mit einer sich quer zur Welle 40 erstreckenden Lagerwand 23 aufweist, in die das erste als Loslager L ausgebildete Lager 6 eingeformt ist.
Im Innenraum 20 des Stators 2 ist der Rotor 7 angeordnet. Stator 2, Rotor und Welle 40 sind in ein Gehäuse 1 gefügt. Der Stator 2, der Rotor 7, die Welle 40 und das Gehäuse 1 sind konzentrisch um die Achse 4 angeordnet. Der Rotor 7 ist drehfest an der Welle 40 angeordnet. Diese erstreckt sich entlang der Achse 4 in axialer Richtung 41.
Die Welle 40 ist beidseitig des Rotors 7 gelagert. Dafür wird bei allen elektrischen Maschinen 100 das im Stator 2 angeordnete erste Lager 6 genutzt. Zudem weisen die elektrischen Maschinen alle ein zweites Lager 8 zur Lagerung der Welle 40 auf.
Das zweite als Festlager F ausgebildete Lager 8 ist in 5(a) in einem Lagersitz 12 des Gehäuses 1, und in 5(b) in einem Lagersitz 32 eines Lagerdeckels 3’ gelagert.
Die in 5(c) gezeigte Ausführungsform weist hingegen ein Gehäuse 1 mit einer Umspritzung 5 auf, in die das zweite Lager 8 eingeformt ist. Diese Ausführungsform ist für einen segmentierten Stator 2 mit im Stator 2 eingeformtem Loslager L in der 2(b) gezeigt.
Die in 5(d) gezeigte Ausführungsform weist einen Lagerdeckel 3 mit einer Umspritzung 5 auf, in die das zweite Lager 8 eingeformt ist.
Bei den beiden Ausführungsformen der 5(c) und (d) ist es sowohl bevorzugt, dass das erste Lager 6 als Loslager L und das zweite Lager 8 als Festlager F ausgebildet ist, als auch umgekehrt.
Die Ausführungsformen der 5(c) und (d) sind besonders vorteilhaft, weil beide Lager 6, 8 der elektrischen Maschine 100 in eine Umspritzung 5 spielfrei eingeformt sind, und die elektrische Maschine 100 daher eine besonders gute Konzentrizität aufweist. Zudem wirken sich die vibrations- und geräuschdämpfenden Eigenschaften der Umspritzungen 5 vorteilhaft auf die Geräuschentwicklung und das Rundlaufverhalten der elektrischen Maschine 100 im Betrieb aus.
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 102012221596 [0005]

Claims

Stator (2) für eine elektrische Maschine (100), der sich konzentrisch um eine Achse (4) erstreckt, und der eine Umspritzung (5) mit einer sich quer zur Achse (4) erstreckenden Lagerwand (23) aufweist, in die ein erstes Lager (6) mittig eingeformt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lager (6) ein Loslager ist.
Stator (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er segmentiert ist, und insbesondere aus separat gefertigt und bewickelten Statorsegmenten (21) zusammengesetzt ist.
Stator (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umspritzung (5) aus einem Kunststoff gefertigt ist, insbesondere aus einem Duroplasten oder Polybutylenterephthalat.
Elektrische Maschine (100) mit einem Stator (2) nach einem der vorherigen Ansprüche.
Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein zweites Lager (8) umfasst, das in einem Gehäuse (1), oder in einem Lagerdeckel (3) angeordnet und als Festlager ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (100) mit einem Stator (2), insbesondere nach einem der Ansprüche 1–3, der sich konzentrisch um eine Achse (4) erstreckt, und der eine Umspritzung (5) mit einer sich quer zur Achse (4) erstreckenden Lagerwand (23) aufweist, in die ein erstes Lager (6) mittig eingeformt ist; dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Lager (8) ein in eine Umspritzung (5) entweder eines Gehäuses (1) oder eines Lagerdeckels (3) eingeformtes Lager (8) ist.
Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator segmentiert ist, und insbesondere aus separat gefertigt und bewickelten Statorsegmenten (21) zusammengesetzt ist.
Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 6–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umspritzung des Stators und/oder die Umspritzung des Gehäuses oder Lagerdeckels aus einem Kunststoff gefertigt ist, insbesondere aus einem Duroplasten oder Polybutylenterephthalat.
Elektrische Maschine (100) nach einem der Ansprüche 6–8, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Gleichstrommotor ist, insbesondere ein bürstenloser, permantenterregter EC-Motor.
Lenkmotor für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine (100) nach einem der Ansprüche 4–9.
Werkzeug (9) zum Herstellen eines Stators (2), insbesondere nach einem der Ansprüche 1–3, mit einem in eine Umspritzung (5) eingeformten ersten Lager (6), wobei das Werkzeug (9) einen Grundkörper (97) umfasst, in dem ein Kern (92) mittig angeordnet ist, so dass zwischen dem Grundkörper (97) und dem Kern (95) ein Aufnahmeraum (90) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Kern (92) eine Anlagefläche (96) für das erste Lager (6) vorgesehen ist.
Werkzeug (9) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (97) Segmente (95) aufweist, und die aneinander anliegenden Segmente (95) den Aufnahmeraum (90) zylindrisch umgeben.
Werkzeug (9) nach einem der Ansprüche 11–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (95) eine konische Außenfläche (952) aufweisen, wobei das Werkzeug (9) einen Klemmkörper (98) umfasst, der die Segmente (95) umgibt und in axialer Richtung (41) verschiebbar ist, so dass die Segmente (95) beim Verschieben des Klemmkörpers (98) gegen die radiale Richtung (42) verschoben werden.
Verfahren zum Herstellen eines, insbesondere segmentierten, Stators (2), in einem Werkzeug (9) nach einem der Ansprüche 11–13, bei dem das Lager (6) auf der Anlagefläche (96) und die Statorsegmente (21) nebeneinander im Aufnahmeraum (90) angeordnet werden, bei dem die Statorsegmente (21) dann gegen die radiale Richtung (42) gegen den Kern (92) gedrückt werden, und bei dem die aushärtbare Masse (5) anschließend in den Aufnahmeraum (90) eingefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) dem Werkzeug nach dem Aushärten der aushärtbaren Masse (5) entnommen wird.