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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Rotor und einer elektrischen Maschine beinhaltend einen Rotor nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Mit der
DE 10 2008 000 291 A1 ist ein Gleichstrommotor bekannt geworden, bei dem ein Lamellenpaket auf einer Ankerwelle befestigt ist. Dazu wird das gesamte Lamellenpaket auf die Ankerwelle aufgepresst und anschließend die beiden Endlamellen mittels Ringverstemmen fest mit der Ankerwelle verbunden. Dadurch ist die Kraftübertragung des Lamellenpakets an den beiden Stirnseiten höher, als in einem mittleren axialen Bereich des Lamellenpakets. Auf diese Weise sollen zwar thermische Verspannungen innerhalb des Blechpakets verhindert werden, jedoch wird ein Rundlauffehler der Ankerwelle durch die starre Verbindung der Endlamellen noch verstärkt.
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Die
EP 1 340 306 B1 zeigt einen Anker einer elektrischen Maschine mit einem Blechpaket, wobei das Blechpaket über seine axiale Erstreckung unterschiedliche Innendurchmesser aufweist. Dabei sind jedoch auch wieder die beiden axialen Endbereiche des Blechpakets mittels plastischer Materialverformung fest mit der Ankerwelle verbunden. Dabei bilden mittlere Bereiche des Blechpakets keinen hohen Kraftschluss mit der Ankerwelle, während die axialen Endbereiche starr mit der Ankerwelle verbunden sind. Dadurch ist die Ankerwelle über die gesamte axiale Länge des Blechpakets mit der Rotorwelle verspannt, wodurch sich die Rotorwelle durch die äußere Beanspruchung unerwünscht starke verbiegen kann.
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Bei solchen Elektromotoren kann es durch eine äußere Schüttelbelastung und hohe Temperaturschwankungen, insbesondere bei der Verwendung von dünnen Ankerwellen, zu deren Durchbiegung kommen. Dadurch besteht die Gefahr, dass die Drähte der Ankerwicklung bei starker äußerer Schüttelbelastung brechen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Rotor, sowie die elektrische Maschine beinhaltend einen solchen Rotor, mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die Ausbildung eines radialen Spiels an mindestens einer Stirnseite des Rotorkörpers die axiale Presslänge, über die der Rotorkörper auf die Rotorwelle aufgepresst ist, kürzer ist als die Gesamtlänge des Rotorkörpers. Dadurch entstehen zwischen dem Rotorpaket und der Rotorwelle weniger elastische Verspannungen, wodurch sich die Rotorwelle weniger verbiegt. Somit kann durch die lose radiale Anordnung des Rotorkörpers auf der Rotorwelle an den axialen Endbereichen die Rundlaufeigenschaft des Rotors positiv beeinflusst werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale möglich. Dadurch, dass an den axialen Endbereichen zwischen der Rotorwelle und dem Innendurchmesser der Bohrung des Rotorkörpers ein radialer Spalt ausgebildet ist, kann die Rotorwelle in gewissen Grenzen radial gegenüber dem Rotorkörper schwingen, oder sich in Längsrichtung ausdehenen, ohne dass es zu einer dauerhaften Verspannung der Rotorwelle kommt.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Rotorwelle einen gleichbleibenden Außendurchmesser hat. Dabei weist der Rotorkörper im axial mittleren Bereich einen kleineren Innendurchmesser auf, der eine Presspassung mit der Rotorwelle bildet. An den beiden axialen Enden hat die Bohrung des Rotorkörpers einen größeren Innendurchmesser, sodass in diesen Endbereichen keine Presspassung mit der Rotorwelle ausgebildet wird.
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Um eine Verspannung der Rotorwelle wirksam zu verringern, wird angestrebt, dass der axiale Pressbereich des Rotorkörpers deutlich kürzer ist, als dessen axiale Gesamtlänge. Beispielsweise beträgt die axiale Presslänge mit dem kleineren Innendurchmesser im axial mittleren Bereich weniger als die Hälfte der Gesamtlänge des Rotorkörpers.
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Zur Ausbildung der Presspassung sind auf der Rotorwelle eine oder mehrere Kerben in Längsrichtung ausgebildet, deren Materialaufwurf eine Presspassung mit dem Innendurchmesser der Bohrung des Rotorkörpers bilden. Dabei erstreckt sich die Längskerbe bevorzugt über den gesamten axialen Bereich der Presspassung.
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Bevorzugt ist die mindestens eine Längskerbe vorteilhaft kürzer ausgebildet, als die Gesamtlänge des Rotorpakets und ist bevorzugt etwa gleich lang, wie der mittlere axiale Bereich des Rotorkörpers mit dem geringeren Innendurchmesser.
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Fertigungstechnisch kann der Rotorkörper besonders günstig mittels gestanzten Blechlamellen hergestellt werden, die axial miteinander verbunden werden. Dabei können beispielsweise zwei unterschiedliche Typen von Blechlamellen ausgestanzt werden, wobei die Endlamellen - und insbesondere alle Lamellen in dem mindestens einen Endbereich - einen größeren Innendurchmesser der Bohrung für die Rotorwelle aufweisen, als die Lamellen im axial mittleren Bereich des Rotorkörpers.
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Bevor der Rotorkörper mit elektrischen Spulen bewickelt wird, werden die Rotornuten und die Stirnflächen des Rotorkörpers elektrisch isoliert, beispielsweise mit einer Epoxidschicht oder einer axial aufsteckbaren Kunststoff-Isoliermaske.
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Die einzelnen Blechlamellen können mittels plastischer Materialumformung axial miteinander verbunden werden. Dazu werden beispielsweise axiale Ausformungen, insbesondere Sicken, an einer Blechlamelle ausgebildet, die in entsprechende axiale Ausnehmungen in der benachbarten Blechlamelle eingreifen.
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Zur Bestromung der elektrischen Spulen ist auf der Rotorwelle ein Kommutator drehfest fixiert, der Kommutatorhaken aufweist, durch die die elektrischen Wicklungsdrähte geführt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zumindest auf derjenigen Stirnseite des Rotorkörpers, die dem Kommutator zugeordnet ist, ein größerer Innendurchmesser ausgebildet als der Außendurchmesser der Rotorwelle. Durch die Verbindung der Wicklungsdrähte vom Rotorkörper zum Kommutator, beispielsweise durch das Warmverstemmen am Kommutatorhaken, treten auf dieser Seite des Rotorkörpers höhere Verspannungen auf, die durch das Spiel zwischen der Rotorwelle und der dem Kommutator zugewandten Endbereich des Rotorkörpers kompensiert werden können. Bevorzugt ist die elektrische Wicklung zwischen dem Rotorkörper und dem Kommutator radial nicht an der Rotorwelle befestigt, damit die elektrische Wicklung in diesem Bereich Schwingungen der Rotorwelle ausgleichen kann.
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Bevorzugt findet die Erfindung Anwendung auf Rotorwellen mit relativ geringem Durchmesser, die beispielsweise nicht größer als 5,0 mm, oder insbesondere nicht größer als 4,0 mm ist. Dabei beträgt die Länge des Rotorkörpers beispielsweise 15 bis 30 mm.
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Der erfindungsgemäße Rotor wird in eine elektrische Maschine eingebaut, die bevorzugt als DC-Motor ausgebildet ist. Ein solch robust ausgebildeter Elektromotor kann beispielsweise in Kraftfahrzeug, vorzugsweise in dessen Motorraum verbaut werden. Durch die Vibrationsfestigkeit und die große thermische Belastbarkeit kann ein solcher Elektromotor auch direkt an den Motorblock des Kraftfahrzeugs, insbesondere an einem Drosselklappensteller befestigt werden. Ein solcher Elektromotor kann ebenfalls vorteilhaft zum Verstellen beweglicher Teile im Kraftfahrzeug eingesetzt werden, beispielsweise in Fensterheberantrieben, bei der Sitzverstellung oder im Schiebedachantrieb.
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Figurenliste
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Ausführungen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
- 1: Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Maschine, und
- 2: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rotors.
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In 1 ist schematisch eine elektrische Maschine 10 dargestellt, bei der ein Rotor 12 innerhalb eines Stators 13 gelagert ist. Der Rotor 12 weist eine Rotorwelle 14 auf, auf der ein Rotorkörper 16 befestigt ist. Der Rotorkörper 16 ist beispielsweise als Lamellenpaket 19 ausgebildet, das aus einzelnen Blechlamellen 18 zusammengesetzt ist, wobei jeweils Endlamellen 41, 43 die axialen Enden des Rotorkörpers 16 bilden. In einem axialen Abstand 20 zum Rotorpaket 16 ist ein Kommutator 22 auf der Rotorwelle 14 angeordnet. Dieser ist drehfest auf die Rotorwelle 14 befestigt, beispielsweise aufgepresst. Auf dem Rotorpaket 16 ist eine elektrische Wicklung 24 angeordnet, die elektrisch mit dem Kommutator 22 verbunden ist. Dazu weist der Kommutator 22 Kommutatorhaken 23 auf, die den elektrischen Kontakt zu einzelnen Kommutatorlamellen 26 des Kommutators 22 herstellen. Die elektrische Wicklung 24 umfasst mehrere Spulen 25, die jeweils mit einem Paar Kommutatorlamellen 26 verbunden sind. Mittels nicht näher dargestellten Bürsten, die an den Kommutatorlamellen 26 anliegen, können die Spulen 25 bestromt werden, um mit einem Magnetfeld des Stators 13 zusammenzuwirken. Der Rotorkörper 16 weist an seinem äußeren Umfang in Axialrichtung 7 verlaufende Rotornuten 30 auf, die zwischen entsprechenden radialen Rotorzähnen 32 ausgebildet sind. Am radial äußeren Umfang weisen die Rotorzähne 32 jeweils Zahnköpfe 34 auf, der als Rotorpole mit den Statorpolen zusammenwirken. Der Rotorkörper 16 weist eine erste Stirnseite 40 auf, die dem Kommutator 22 zugewandt ist und eine gegenüberliegende zweite Stirnseite 42 auf, die dem Kommutator 22 abgewandt ist. Die Stirnseiten 40, 42, werden hier durch die Endlamellen 41, 43 gebildet. Die elektrische Wicklung 24 liegt an Anlageflächen 44 am Rotorpaket 16 an, wobei diese Anlageflächen 44 mit einer Isolierschicht 45 versehen sind, um einen Kurzschluss zwischen der elektrischen Wicklung 24 und dem Rotorkörper 16 zu verhindern. Die Isolierschicht 45 kann als Epoxidbeschichtung 48 oder als Isoliermaske aus Kunststoff ausgebildet sein, die axial auf den Rotorkörper 16 aufgesteckt wird. Die einzelnen Spulen 25 verlaufen in Axialrichtung 7 in den Rotornuten 30 und bilden an den beiden Stirnseiten 40, 42 einen sogenannten Wickelkopf 46. Über den axialen Abstand 20 zwischen der ersten Stirnseite 40 und dem Kommutator 22 ist die elektrische Wicklung 24 radial nicht fest mit der Rotorwelle 14 verbunden. Am Kommutator 22 ist die elektrische Wicklung 24 an den Kommutatorhaken 23 beispielsweise mittels Warmverstemmen („hot stacking“) oder Schweißen mechanisch starr fixiert.
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In 1 weist der Rotorkörper 16 an beiden axialen Stirnseiten 40, 42 einen größeren Innendurchmesser 61 auf, als der Außendurchmesser 62 der Rotorwelle 14. In einem axial mittleren Bereich 64 des Rotorkörpers 16 ist der Innendurchmesser 61 des Rotorkörpers 16 kleiner ausgebildet, als an den axialen Stirnseiten 40, 42 und bildet mit der Rotorwelle 14 in diesem axial mittleren Bereich 64 eine Presspassung 65. An den axialen Enden hingegen weist der Rotorkörper 16 radiales Spiel 66 zur Rotorwelle 14 auf, so dass es an den axialen Endbereichen 70 zu keiner Verspannung zwischen der Rotorwelle 14 und dem Rotorkörper 16 kommt. In 1 ist beispielsweise an der zweiten Stirnseite 42 nur die erste Endlamelle 43 mit einem größeren Innendurchmesser 61 ausgebildet. Dazu wird beim Ausstanzen der einzelnen Blechlamellen 18 für die axialen Endbereich des Rotorkörpers 16 eine größere Bohrung 68 aus der Blechlamelle 18 ausgestanzt, als für den axial mittleren Bereich 64 des Rotorkörpers 16. In 1 auf der rechten Seite sind beispielsweise zwei, drei oder vier Blechlamellen 18 mit einem größeren Innendurchmesser 61 der Bohrung 68 ausgebildet. Dadurch ist auf der rechten Seite der Endbereich 70 mit radialem Spiel 66 zur Rotorwelle 14 größer ausgebildet. Bei der Herstellung werden zwei Typen von Blechlamellen 18 ausgestanzt, die sich insbesondere nur in der Größe des Innendurchmessers 61 unterscheiden. Danach werden die einzelnen Blechlamellen 18 zu einem Lamellenpaket 19 gestapelt und axial miteinander verbunden. Dazu werden beispielsweise an die einzelnen Blechlamellen 18 axiale Sicken 78 ausgeformt, die in entsprechende Ausnehmungen 74 der benachbarten Blechlamelle 18 eingreifen. Alternativ können die einzelnen Blechlamellen 18 auch miteinander verklebt werden. Das Lamellenpaket 19 ist beispielsweise auf die Rotorwelle 14 aufgepresst, wobei lediglich in einem axial mittleren Bereich 64 die Presspassung 65 zur Rotorwelle 14 ausgebildet ist und sich an den Enden mit dem größeren Innendurchmesser 61 die axialen Endbereiche 70 des Rotorkörpers 16 ausbilden, die keine Pressung zur Rotorwelle 14 hin aufweisen. Im Ausführungsbeispiel weist die Rotorwelle 14 über den gesamten axialen Bereich 72 des Rotorkörpers 16 einen konstanten Außendurchmesser 62 auf. Fertigungstechnisch ist es besonders günstig, wenn die Rotorwelle 14 über die gesamte axiale Erstreckung einen konstanten Außendurchmesser 62 aufweist.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotors 12 dargestellt, bei dem der Rotorkörper 16 beispielsweise auch einstückig ausgebildet sein kann. Alternativ kann der Rotorkörper 16 jedoch ebenfalls wie in 1 als Blechlamellenpaket 19 ausgebildet sein. Auch in diesem Ausführungsbeispiel weist der Rotorkörper 16 einen axial mittleren Bereich 64 auf, in dem der Rotorkörper 16 auf die Ankerwelle 14 aufgepresst ist. An beiden axialen Enden ist wiederum ein axialer Endbereich 70 mit radialem Spiel 66 zur Rotorwelle 14 ausgebildet, in dem die Rotorwelle 14 in gewissen Grenzen gegenüber dem Rotorkörper 16 beweglich ausgebildet ist. Kommt es beispielsweise zu einer axialen Längenänderung der Rotorwelle 14 aufgrund von Temperaturschwankungen, führt dies in den axialen Endbereichen 70 mit radialem Spiel zur Ankerwelle 14 zu keiner Verspannung mit dem Rotorkörper 16. Ebenso kann sich die Rotorwelle 14 in den axialen Endbereichen 70 mit radialem Spiel um Rotorkörper 16 in gewissen Grenzen aufgrund äußerer Belastungen oder Schwingungen radial gegenüber dem Rotorkörper 16 verbiegen, ohne dass es in diesen Bereichen zu Verspannungen zwischen der Rotorwelle 14 und dem Rotorkörper 16 kommt. Die Presspassung 65 zwischen Rotorwelle 14 und Rotorkörper 16 ist auf den mittleren axialen Bereich 64 des Rotorkörpers 16 beschränkt, der deutlich kürzer ausgebildet ist, als die gesamte axiale Abmessung 72 des Rotorkörpers 16. Im Ausführungsbeispiel beträgt die axiale Länge 63 des axial mittleren Press-Bereichs 64 beispielsweise weniger als die Hälfte der gesamten axialen Abmessung 72 des Rotorkörpers 16. Dadurch werden die störenden Einflüsse durch Temperaturschwankungen und äußeren Erschütterungen auf die Rundlaufeigenschaften des Rotors 12 deutlich reduziert. Die Presspassung 65 im axial mittleren Bereich 64 des Rotorkörpers 16 wird bei dieser Ausführung durch eine plastische Materialumformung an der Oberfläche der Rotorwelle 14 ausgebildet. Dabei kann diese plastische Materialumformung auf den axial mittleren Bereich 64 beschränkt sein, und sich insbesondere nicht in die axialen Endbereiche 70 mit radialem Spiel 66 hinein erstrecken. Als plastische Materialumformung sind in 2 an der Oberfläche der Rotorwelle 14 axiale Längskerben 80 ausgebildet, die sich in Axialrichtung 7 zumindest über den axial mittleren Bereich 64 des Rotorkörpers 16 erstrecken. Die Längskerben 18 werden vor dem Aufpressen des Rotorkörpers 16 beispielsweise mit einem Stempelwerkzeug am Umfang der Rotorwelle 14 eingepresst. Durch die Einkerbung wird Material der Rotorwelle 16 am Umfang aufgeworfen, so dass sich der Außendurchmesser 62 der Rotorwelle 14 entlang der Längskerben 80 vergrößert. Dieser Materialaufwurf bildet dann die Presspassung 65 mit dem Innendurchmesser 61 des Rotorkörpers 16 im axial mittleren Bereich 64. Die Längskerben 80 können sich auch teilweise oder ganz in die Endbereiche 70 mit radialem Spiel zum Rotorkörper 16 hinein erstrecken, solange sie in diesen axialen Endbereichen 70 keine Pressung zum Rotorkörper 16 ausbilden. Dies kann beispielsweise durch eine genügend große Ausbildung des Innendurchmessers 61 in den axialen Endbereichen 70 erreicht werden. Bevorzugt werden die Längskerben 80 jedoch möglichst kurz ausgebildet, so dass sie sich lediglich über den mittleren axialen Bereich 64 mit der Presspassung 65 erstrecken. Bevorzugt werden über den Umfang der Rotorwelle 14 verteilt vier Längskerben 80 ausgebildet, in alternativen Ausführungen können jedoch auch zwei oder drei oder mehr Längskerben 80 ausgebildet werden. Die geometrische Ausbildung des Rotorkörpers 16 in 2 bezieht sich sowohl auf einstückige Rotorkörper 16, die beispielsweise aus SMC-Material oder mittels Kunststoffspritzgießen gebildet sind, oder auf ein Blechlamellenpaket 19. Die axiale Abmessung 72 des Rotorkörpers 16 liegt beispielsweise im Bereich von 15 bis 30 mm, wobei der Außendurchmesser 62 der Rotorwelle 14 bevorzugt im Bereich zwischen 3,0 und 5,0 mm, insbesondere nicht größer als 4,0 mm beträgt.
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Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise die axiale Abmessung 63 der Bereiche 64 mit der Presspassung 65 und der Endbereiche 70 mit Spiel 66 zwischen Rotorkörper 16 und Rotorwelle 14 an die verschiedenen Anforderungen der Anwendungen angepasst werden. Optional kann der Endbereich 70 mit Spiel 66 auch nur an einem axialen Ende des Rotorkörpers 16 ausgebildet werden. In einer alternativen Ausführung kann auch der Außendurchmesser 62 der Rotorwelle 14 in den Endbereichen 70 des Rotorkörpers 16 kleiner ausgebildet sein, als im axial mittleren Bereich 64. Dabei kann der Rotorkörper 16 über seine gesamte axiale Länge 72 einen konstanten Innendurchmesser 61 aufweisen. Die Presspassung 65 kann alternativ auch ohne Längskerben 80 mit anderer Materialverformung realisiert werden. Die Anzahl und axiale Länge der Rotornuten 30 und die Art der elektrischen Wicklung 24 kann entsprechend der Leistungsanforderungen der elektrischen Maschine 10 variiert werden. Dabei kann die Isolierung 45 des Rotorpakets 16 mittels Epoxidharz 48 oder mittels separat gefertigten Isolationsmasken vorgenommen werden. Die elektrische Maschine 10 findet vorzugsweise Anwendung für Stellantriebe im Kraftfahrzeug, beispielsweise als Motorraumsteller, oder Fensterheber oder Sitzverstellantrieb oder Schiebedachantrieb oder Scheibenwischerantrieb, ist jedoch nicht auf solche Anwendungen beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008000291 A1 [0002]
- EP 1340306 B1 [0003]
