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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In der
DE 195 23 789 A1 wird ein bürstenloser Elektromotor beschrieben, dessen Stator aus einer Vielzahl aufeinandergeschichteter Statorlamellen besteht, die Träger bestrombarer Wicklungen sind zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das mit Permanentmagneten eines Rotors interagiert. Der Rotor umfasst eine innen liegende Welle, die Träger eines den Stator übergreifenden Rotorgehäuses ist, an dessen Innenseite die Permanentmagnete angeordnet sind, welche in Bezug auf den Stator radial außen liegen. Die Statorlamellen weisen eine zentrale Ausnehmung auf und sind auf eine Traghülse aufgesetzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen Maßnahmen eine elektrische Maschine mit einem Lamellenpaket so auszubilden, dass die Verbindung zwischen dem Lamellenpaket und einer aufnehmenden Traghülse auch bei wechselnden Temperaturen stabil bleibt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann als elektrischer Antriebsmotor eingesetzt werden, beispielsweise als Stellmotor in Nebenaggregaten in Kraftfahrzeugen wie z.B. als elektrischer Servomotor im Bremssystem oder als Hilfsmotor für Scheibenwischerantriebe oder dergleichen, oder auch als Motor in handgeführten Werkzeugmaschinen. Die elektrische Maschine umfasst ein Lamellenpaket mit einer Mehrzahl aufeinanderliegender, geschichteter Lamellen, die Träger bestrombarer Wicklungen sind. Im Betrieb erzeugen die Wicklungen ein Magnetfeld, welches die Maschine antreibt. Bei einem Einsatz der Maschine als Generator wird über die erzwungene Drehbewegung ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das zu einem Stromfluss führt.
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Die Lamellen sind drehfest mit einer Traghülse verbunden. Die Verbindung zwischen allen oder einem Teil der Lamellen und der Traghülse erfolgt gemäß der Erfindung auf zwei verschiedene, kombinierte Weisen: zum einen in kraftschlüssiger Weise durch thermische Schrumpfung und zum andern auf mechanische Weise, indem zumindest an einem Teil der Lamellen radial überstehende Erhebungen angeordnet sind, die in die benachbarte Wand der Traghülse einragen. Auf Grund der doppelten Verbindung zwischen den Lamellen und der Traghülse entsteht eine entsprechend sichere Verbindung, die auch bei starken Temperaturschwankungen Bestand hat. Es wird insbesondere der Fall vermieden, dass bei einer starken Erwärmung auf Grund eines unterschiedlichen Dehnungsverhaltens von Traghülse und Lamellen die Verbindung gelöst wird. Zwar kann in dieser Situation der durch thermische Schrumpfung erzeugte kraftschlüssige Kontakt zwischen den zugewandten Wandseiten von Lamellen und Traghülse aufgehoben werden, wodurch ein kleiner Spalt von Lamellen und Traghülse entsteht; eine Änderung der Relativlage von Lamellen und Traghülse wird in diesem Fall aber auf Grund der radial überstehenden Erhebungen an den Lamellen, die in die Wand der Traghülse einragen, vermieden. Die Erhebungen erstrecken sich in Radialrichtung weit genug über die Mantelfläche der Lamellen hinaus, um den ggf. entstehenden Luftspalt zwischen Lamellen und Traghülse zu überbrücken, so dass zumindest im Bereich der Erhebungen ein Kontakt zwischen den Lamellen und der Traghülse bestehen bleibt und eine Verbindung auch bei einem entstehenden Luftspalts erhalten bleibt.
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Die Spitze der Erhebungen drückt sich in die zugewandte Wandseite der Traghülse ein, wodurch ein kraft- bzw. reibschlüssiger Kontakt hergestellt wird, ggf. auch ein formschlüssiger Kontakt durch das Einragen der Erhebungen in das Material der Traghülse. Unter Normalbedingungen, wenn die Lamellen auf Grund der Verbindung durch thermische Schrumpfung flächig an der Wand der Traghülse anliegen, ragen die Erhebungen verhältnismäßig weit in das Material der Traghülse ein. Löst sich bei einer starken Erwärmung der flächige Kontakt zwischen Lamellen und Traghülse, so reduziert sich zwar auch die Eindringtiefe der Erhebungen in die Wand der Traghülse, es bleibt jedoch zwischen den Erhebungen und der Traghülse immer noch ein Kontakt zur Sicherung der Relativlage zwischen Lamellen und Traghülse bestehen.
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Bei der Herstellung der Verbindung zwischen Lamellen und Traghülse werden die Bauteile im erwärmten Zustand ineinander gefügt, wobei zur Vermeidung hoher Fügekräfte die Dimensionen und Passungen vorteilhafterweise so gewählt werden, dass ein minimaler Spalt zwischen Lamellen und Traghülse besteht. Gegebenenfalls kann während des Montagevorgangs ein schleifender Kontakt zwischen den Erhebungen und der Wand der Traghülse in Kauf genommen werden. Beim anschließenden Abkühlen erfolgt durch den Schrumpfungsprozess eine flächige Anlage zwischen den zugewandten Wänden von Lamellen und Traghülse, was zu der gewünschten kraftschlüssigen Verbindung zwischen diesen Bauteilen führt; zugleich bewirkt die Schrumpfung, dass die radialen Erhebungen an den Lamellen sich in die Wand der Traghülse eingraben bzw. eindrücken.
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Die Lamellen können Bestandteil des Stators sein, wobei bevorzugterweise die Traghülse die Lamellen umgreift und die radial überstehenden Lamellen an der Außenseite der Lamellen angeordnet sind und in die Innenwand der Traghülse einragen. Es sind aber auch Ausführungen möglich, bei denen die Traghülse ein innen liegendes Bauteil bildet, auf das die Lamellen aufgesetzt werden; in diesem Fall befinden sich die Erhebungen an einem Innenring der Lamellen und weisen radial nach innen und ragen in die Außenwand der Traghülse ein.
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Gemäß einer weiteren Ausführung bilden die Lamellen einen Bestandteil des Rotors der elektrischen Maschine, insbesondere in einer Ausführung als Außenläufermotor. Die Traghülse umgreift in dieser Ausführung bevorzugt die Lamellen, die dementsprechend an ihrer Außenseite radial nach außen ragende Erhebungen aufweisen, die in die Innenwand der Traghülse einragen.
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Die Lamellen sind, gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung, mit einem Lamellenring und radial gerichteten Wicklungszähnen aufgebaut, die Träger der Wicklungen sind. Die Wicklungszähne ragen bevorzugt radial nach innen, ggf. radial nach außen. In der Ausführung mit radial nach innen weisenden Wicklungszähnen befinden sich die Erhebungen an der Außenseite des Lamellenrings und sind, gemäß weiterer vorteilhafter Ausführung, in Höhe der Wicklungszähne angeordnet. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die Erhebungen an der gegenüberliegenden Seite der Wicklungszähne angeordnet sind und sich somit an einer Stelle der Lamelle befinden, die in Radialrichtung dickwandig ausgebildet ist. Es sind sowohl Ausführungen möglich, in denen radiale Erhebungen in Höhe jedes Wicklungszahns angeordnet sind, als auch Ausführungen, bei denen nur einem Teil der Wicklungszähne jeweils eine Erhebung an der gegenüberliegenden Seite des Lamellenrings zugeordnet ist, beispielsweise jedem zweiten Wicklungszahn. Bei der letztgenannten Ausführung können unmittelbar aufeinanderfolgende Lamellen im Lamellenpaket in der Weise winkelversetzt angeordnet sein, dass die Erhebungen an verschiedenen, aufeinanderfolgenden Lamellen nicht in einer gemeinsamen axialen Linie liegen, sondern in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind.
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Gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung weisen die Erhebungen nur einen verhältnismäßig geringen radialen Überstand gegenüber der Seitenfläche der Lamelle auf. Es genügt grundsätzlich, dass die radiale Höhe der Erhebung nur so groß oder geringfügig größer ist als der während des Fügevorgangs bei erwärmten Bauteilen bestehende Luftspalt zwischen der Lamellenseite und der zugewandten Wandseite der Traghülse. Dies ermöglicht ein axiales Zusammenfügen von Lamellenpaket und Traghülse mit geringen axialen Kräften, zugleich ist bei den im Betrieb maximal auftretenden Temperaturen ein Kontakt zwischen den Erhebungen und der Wand der Traghülse gewährleistet, so dass unter allen vorkommenden Bedingungen eine Änderung der Relativposition zwischen Lamellen und Traghülse vermieden wird.
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Die radiale Höhe der Erhebung gegenüber der Seitenfläche der Lamelle beträgt beispielsweise maximal 0.1 mm. Es kann zweckmäßig sein, die radiale Höhe auf einen kleineren Wert zu begrenzen, beispielsweise auf maximal 0.02 mm, wobei ggf. eine Mindesterhebung von 0.01 mm zweckmäßig ist.
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Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, die Erhebung nach außen spitz zulaufen zu lassen, um ein Eindrücken bzw. Eingraben in die Wand der Traghülse zu erleichtern. Die Erhebungen weisen beispielsweise einen dreieckförmigen Querschnitt auf oder können z.B. kegelförmig ausgebildet sein. Gegebenenfalls kommt aber auch eine abgeflachte Spitze der Erhebungen in Betracht.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung beträgt die Erstreckung der Erhebung in Umfangsrichtung nicht mehr als das Doppelte der radialen Höhe. Auch durch diese Bedingung wird ein spitzes Zulaufen nach außen erreicht, was das Eingraben oder Eindrücken in die Wand der Traghülse erleichtert.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung besitzen die Lamellen eine höhere Streckgrenze als die Traghülse. Die höhere Streckgrenze der Lamellen bzw. die geringere Streckgrenze der Traghülse geht einher mit einer größeren Härte der Lamelle bzw. einer geringeren Härte der Traghülse, wodurch ebenfalls das Eindrücken oder Eingraben der Erhebungen in die Wand der Traghülse verbessert wird. Die Traghülse besteht beispielsweise aus Aluminium oder einem Aluminiumwerkstoff mit einem Anteil von Aluminium von mindestens 50 %. Die Lamellen können aus Stahl gefertigt sein.
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Die Erhebungen an den Lamellen können beispielsweise durch Stanzen hergestellt werden. Möglich ist auch ein Erzeugen durch Einkerben, indem mit einem geeigneten Werkzeug eine Kerbe in die Seitenfläche der Lamelle eingedrückt und durch plastische Verformung Lamellenmaterial in Radialrichtung verdrängt wird, was zu der gewünschten Erhebung führt.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 einen Schnitt radial durch eine elektrische Maschine, die als Innenläufermotor ausgebildet ist, wobei der außen liegende Stator ein Lamellenpaket aufweist, das von einer ein Gehäusebauteil bildenden Traghülse umgriffen ist, mit radial nach außen überstehenden Erhebungen an den Lamellen des Lamellenpakets,
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2 in perspektivischer Ansicht das Lamellenpaket mit den hintereinander angeordneten Lamellen, welche an ihrer radialen Außenseite die Erhebungen tragen,
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3 einen Teilschnitt durch eine Lamelle mit radial nach außen gerichteten Erhebungen, die durch Einkerben und Materialverdrängung erzeugt werden.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ausschnittsweise eine elektrische Maschine 1 dargestellt, die als Innenläufer ausgeführt ist und einen umgreifenden Stator 2 sowie einen innen liegenden Rotor 3 umfasst. Der Stator 2 setzt sich aus einem Lamellenpaket 4 mit einer Vielzahl einzelner, aufeinandergeschichteter Lamellen 5 (2) und einer umgreifenden Traghülse 6 zusammen, die fest mit dem Lamellenpaket 4 mit den Lamellen verbunden ist. Eine einzelne Lamelle 5 besteht aus einem umlaufenden Lamellenring 7 und einteilig mit dem Lamellenring 7 ausgebildeten, sich radial nach innen erstreckenden Wicklungszähnen 8, die Träger einer bestrombaren Wicklung 9 sind. Über den Umfang verteilt sind am Lamellenring 7 mehrere Wicklungszähne 8 angeordnet, die jeweils radial nach innen zeigen und auf die jeweils eine Wicklung 9 aufgewickelt ist. Der radial innen liegende Zahnkopf 10 jedes Wicklungszahns 8 ist verbreitert ausgeführt und bietet hierdurch eine Begrenzung und Abstützung für die Wicklung 9. An den Zahnkopf 10 grenzt mit geringem radialem Abstand der Rotor 3 an.
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Die elektrische Maschine ist beispielsweise als permanenterregte Maschine ausgebildet und weist Permanentmagnete auf dem Rotor 3 auf, deren Magnetfeld mit dem Magnetfeld der bestromten Wicklungen 9 interagiert.
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Einteilig mit dem Lamellenring 7 sind Erhebungen 11 ausgebildet, die sich auf der äußeren Seitenfläche der Lamelle 5 befinden und jeweils in Höhe eines Wicklungszahnes 8 angeordnet sind. Die Erhebungen 11 überragen die äußere Seitenfläche des Lamellenrings in Radialrichtung und ragen in die Innenwand der Traghülse 6 ein, die ein Gehäusebauteil bildet. Die äußere Seitenfläche des Lamellenrings 5 liegt flächig an der Innenwand der Traghülse 6 an und ist durch einen thermischen Schrumpfungsprozess kraftschlüssig mit der Traghülse verbunden. Zur Herstellung der Verbindung zwischen Lamelle 5 und Traghülse 6 werden beide Bauteile erwärmt, die einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Vorteilhafterweise besteht die Traghülse 6 aus einem Aluminiummaterial und die Lamelle 5 aus Stahl. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Traghülse 6 ist bevorzugt größer als derjenige der Lamelle 5, so dass bei einer Erwärmung beider Bauteile die Traghülse 6 stärker radial ausdehnt. Dies führt in Verbindung mit entsprechend dimensionierten Außendurchmessern der Lamellen 5 bzw. einem Innendurchmesser der Traghülse 6 zu einem geringen Radialspiel zwischen der Außenseite der Lamellen 5 und der Innenseite der Taghülse 6, so dass das Lamellenpaket 4 kräftefrei oder zumindest nur mit geringen Kräften in die Traghülse 6 eingeführt werden kann. Bei der anschließenden Abkühlung zieht sich die Traghülse 6 stärker zusammen als die Lamellen 5, wodurch sich die einander benachbarten Wandflächen aneinanderlegen und kraftschlüssig verbinden. Zugleich graben sich die außen liegenden, radial überstehenden Erhebungen 11 in die Innenwand der Traghülse 6 ein und verbessern zusätzlich die Verbindung zwischen den Lamellen 5 und der Traghülse 6.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist die Erhebung 11 einen dreieckförmigen Querschnitt auf, sie befindet sich in Höhe des Wicklungszahns 8 und ist dem Wicklungszahn 8 radial gegenüberliegend an der Außenseite des Lamellenrings 7 angeordnet. Jedem Wicklungszahn 8 ist in 1 eine Erhebung 11 zugeordnet. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist dagegen nur jedem zweiten Wicklungszahn 8 eine Erhebung 11 zugeordnet, außerdem sind die Erhebungen 11 bei unmittelbar aufeinanderfolgenden Lamellen 5 in Umfangsrichtung versetzt angeordnet, so dass eine Erhebung einer ersten Lamelle 5 sich in Höhe eines Wicklungszahns 8 der unmittelbar darauf folgenden Lamelle befindet. Hierdurch wird die Verbindung des Lamellenpakets 4 mit der Traghülse 6 verbessert.
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Die in den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 im Querschnitt dreieckförmige Erhebung 11 weist eine radiale Höhe gegenüber der äußeren Seitenfläche der Lamelle 5 auf, die vorzugsweise 0.01 mm bis 0.02 mm beträgt. Dies genügt, dass auch im Falle einer starken Temperaturerhöhung während des Betriebs der elektrischen Maschine und einer hierdurch bedingten thermischen Dehnung, die zu einem Spalt zwischen der Außenseite der Lamelle und der Innenseite der Traghülse führt, dieser Spalt von den Erhebungen 11 überbrückt wird, so dass trotz der thermischen Dehnung ein Kontakt zwischen Lamelle und Traghülse bestehen bleibt und die Relativposition zwischen diesen Bauteilen nicht verändert wird.
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Die Erhebungen 11 sind nach außen spitz zulaufend ausgebildet. Die Erstreckung der Erhebungen 11 in Umfangsrichtung beträgt vorteilhafterweise maximal das Doppelte der radiale Höhe, ggf. nur maximal der gleiche Wert wie die radiale Höhe. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Erhebung 11 verhältnismäßig spitz zuläuft, was das Eindrücken in die Innenwand der Traghülse 6 erleichtert.
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Die Erhebungen 11 werden beispielsweise beim Stanzen der Lamellen mit erzeugt. Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist eine Alternative dargestellt zur Erzeugung der Erhebungen 11. Hierbei wird mit einem geeigneten Werkzeug in die äußere Seitenfläche der Lamelle 5 eine Kerbe 12 eingebracht, wodurch Material der Lamelle radial nach außen verdrängt und die Erhebung 11 gebildet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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