-
Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen Elektromotor mit einem Rotorkörper, der ein Lager zur drehbaren Lagerung des Rotors auf einer feststehenden Achse aufweist, das Lager umfassend eine erste und eine zweite Lagerhalbschale, wobei zumindest die erste Lagerhalbschale in Bezug auf die zweite Lagerhalbschale innerhalb des Rotorkörpers beweglich angeordnet ist.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Rotoren mit Lagern kommen in Elektromotoren, insbesondere in bürstenlosen Gleichstrommotoren, beispielsweise in Lüftern oder Verstellsystemen zum Einsatz, etwa im Automobil, in Industrie- oder Haushalts-Anwendungen. Dabei ist es üblich, Rotoren einzusetzen, die um eine feststehende Achse herum rotieren und zu diesem Zweck ein entsprechendes Lager aufweisen. Diese Lager sind meist als radiale Gleitlager ausgebildet. Um möglichst reibungsarm zu laufen, wird ein Radialspalt zwischen dem Lager und der Achse benötigt. Dieser Spalt ermöglicht allerdings eine radiale Bewegung des Rotorkörpers, was zu unerwünschter Geräuschentwicklung führen kann.
-
Aus der
DE 19 32 251 A1 ist ein feststehendes Lagergehäuse bekannt, bei welchem eine rotierende Welle mittels eines elastischen Elementes mit einer radialen Kraft beaufschlagt und vorgespannt wird. Diese Lagerart ist allerdings nicht in rotierenden Systemen einsetzbar, da bei hohen Motordrehzahlen hohe Massenkräfte infolge hoher Trägheitsmomente abgestützt werden müssen. Der für eine spielfreie Lagerung erforderliche Lagerdruck kann bei hohen Drehzahlen nicht aufrechterhalten werden.
-
Die Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, einen Rotor mit einem spielfreien Lager zur drehbaren Lagerung des Rotors bereitzustellen, welches auch bei hohen Drehzahlen einen hohen Lagerdruck aufrechterhalten kann.
-
Kurzbeschreibung der Erfindung
-
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Erfindungsgemäß ist ein Rotor geschaffen, der aus einem Rotorkörper besteht, der wiederum einen Rotormagneten trägt sowie im Zentrum ein Lager aufweist. Der Rotormagnet kann dabei zweckmäßigerweise aus einem ringförmigen permanentmagnetischen Körper bestehen, der in Umfangsrichtung abwechselnde magnetische Pole aufweist. Der Rotorkörper befindet sich in einem Stator der beispielsweise neun Statorpole aufweist. Diese Statorpole sind mit Statorwicklungen umwickelt.
-
Erfindungsgemäß geschaffen ist ein Rotor der eingangs definierten Art, wobei die erste Lagerhalbschale durch ein tangential zu der Achse angeordnetes federelastisches Element gegen den Rotorkörper abgestützt ist. Durch die in Bezug auf die Achse tangentiale Anordnung des federelastischen Elementes kann auf sich radial erstreckende Federelemente verzichtet werden. Dadurch wird das Trägheitsmoment des Rotors verkleinert. Ungleiche Massenverteilungen fallen auf diese Weise weniger ins Gewicht. Durch Störungen oder asymmetrische Massenverteilungen entstehende Schwingungen des Rotors bilden sich daher schwächer aus. Gleichzeitig wird das Trägheitsmoment verkleinert durch eine besondere Geometrie des Rotormagneten. Dabei sind in den Rotorkörper Hohlräume eingebracht, die durch Stege getrennt werden. Diese Hohlräume können entweder in Form von Durchbrüchen gegeben sein oder bevorzugt an einer Endseite des Rotorkörpers durch eine axiale Wandung begrenzt sein. Durch die eingebrachten Hohlräume wird der Rotorkörper leichter und entwickelt so weniger Trägheitsmoment. Gleichzeitig sind gegenüber den Hohlräumen Vorsprünge angebracht, die eine Unwucht vermeiden. Der Rotorkörper weist an seiner kreisförmigen Außenkante vier Haken auf, die in entsprechenden Taschen des Rotormagneten eingreifen. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, dass der Rotorkörper aus Kunststoff mittels Spritzgussverfahren an dem Rotormagneten angebracht ist oder die Haken des Rotorkörpers werden beispielsweise heißverstemmt und in die Taschen des Rotormagneten eingeformt, um diesen gegenüber dem Rotorkörper zu fixieren.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das federelastische Element ein Balkenelement und die erste Lagerhalbschale auf einer Längsseite des Balkenelementes angeordnet. Balkenelemente wirken als Blattfedern und können hohe Spannkräfte liefern. Dabei sind sie einfach und günstig. Durch die Anordnung der ersten Lagerhalbschale auf einer Längsseite des Balkenelementes wird erreicht, dass das Balkenelement großflächig an der Lagerhalbschale anliegt. Dadurch kann einen im Betrieb erforderliche Spannkraft mit geringem Druck übertragen werden.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind an der Achse anliegende Wandungen der Lagerhalbschalen formschlüssig zu der zu lagernden Achse, vorzugsweise hohlzylindrisch, ausgebildet. Die Achse wird von den Lagerschalen umschlossen und der Rotorkörper wird formschlüssig gehalten. Der Lagerdruck wird von den Lagerhalbschalen gleichmäßig auf eine Außenfläche der Achse verteilt. Dies vermindert den Verschleiß zwischen der Achse und den Lagerhalbschalen. Die Wandungen der Lagerhalbschalen können zur Reduktion der Reibung zusätzlich mit einem gleitenden Material überzogen sein. Alternativ bestehen die Lagerhalbschalen selbst aus einem gleitenden Material. Als Materialien kommen etwa Bronze-Verbindungen oder Kunststoffe in Betracht, wobei letzteren bevorzugt Materialien beigemengt werden, welche die Lagerreibung weiter verringern, wie etwa Polytetrafluorethylen (PTFE, Teflon). Weiterhin können Feststoff-Schmiermittel, wie etwa Molybdensulfit oder Graphit dem Lager beigefügt werden. Alternativ oder zusätzlich können Lagerfluide, wie etwa Öle oder Fette als Flüssig-Schmiermittel verwendet werden.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Rotorkörper wenigstens zwei Auflager zur Aufnahme des Balkenelementes auf und das Balkenelement ist innerhalb des Rotorkörpers statisch überbestimmt. Durch eine statisch überbestimmte Abstützung wird eine Bewegung des Balkenelementes in radialer Richtung ermöglicht. Das Balkenelement und die erste Lagerhalbschale sind dadurch von dem Rotorkörper entkoppelt. Beim Einbau zentriert sich die Lagerhalbschale durch den durch das Balkenelement ausgeübten Druck von selbst. Das Balkenelement kann dabei auf einfache Weise in den Rotorkörper eingesetzt werden. Dies vereinfacht die Montage.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Auflager des Balkenelementes von einer durch eine Rotorachse und einen Scheitelpunkt der Wandung der ersten Lagerhalbschale definierten Ebene beabstandet. Der Abstand zwischen den Auflagern ermöglicht das einfache Einsetzen des Balkenelementes in den Rotorkörper bei der Montage.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Balkenelement dazu ausgebildet, bei einer Anregung durch eine Drehbewegung des Rotorkörpers nur Eigenformen höherer Ordnung auszubilden, die eine translatorische Auslenkung der ersten Lagerschale in Bezug auf die Achse vermitteln. Durch Schwingungen des Rotors, welche durch Drehbewegungen angeregt werden, wird auch das Balkenelement zu Schwingungen angeregt. Wenn das Balkenelement im Bereich der ersten Lagerhalbschale einen Schwingungsbauch ausbildet, können diese Schwingungen trotz einer Vorspannung zum Ablösen der ersten Lagerhalbschale von der zu haltenden Achse in radialer Richtung führen. In Folge der Ablösung entsteht ein vergrößertes Radialspiel (ein vergrößerter Radiallagerspalt), wodurch sich der Rotor in Bezug auf die Achse bewegen kann. Dies kann zu unerwünschten Geräuschentwicklungen führen. Das Balkenelement ist daher so ausgebildet und dimensioniert, dass es ein Schwingungsverhalten aufweist, welches Schwingungsbäuche im Bereich der Lagerhalbschale vermeidet. Mit Vorteil weist es ein Schwingungsverhalten auf, welches bei Anregung Eigenformen ausbildet, die bewirken, dass sich das Balkenelement im Bereich der Lagerhalbschale so verformt, dass eine Drehbewegung der Lagerhalbschale um die Achse herum zustande kommt. Dadurch bleiben die Wandungen der Lagerhalbschale an der Achse anliegend und ein Ablösen wird verhindert. Unerwünschte radiale Bewegungen des Rotorkörpers werden somit unterbunden. Dadurch sinkt der Geräuschpegel.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung besteht das Balkenelement aus Metall oder Kunststoff. Für Anwendungen bei Rotoren mit großem Durchmesser, die mit hohen Drehzahlen umlaufen, hat Metall den Vorteil hoher Festigkeiten. Zudem können Metallfedern große Spannkräfte bereitstellen. Für Anwendungen bei Rotoren mit kleinem Durchmesser, die in großen Stückzahlen hergestellt werden, ist Kunststoff von Vorteil, da er leicht ist und günstig herzustellen ist.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Balkenelement mit der ersten Lagerschale einstückig ausgebildet. Das Balkenelement und die erste Lagerhalbschale bilden ein einheitliches Bauteil und können als einstückiges Element gefertigt werden. Dadurch werden Herstellkosten gesenkt. Es ist auch möglich, die Blattfeder separat herzustellen und die erste Lagerhalbschale ebenfalls separat herzustellen. Beide Teile werden dann mittels Löchern, die in der Blattfeder angebracht sind, und mit vorstehenden Zapfen, die an der ersten Lagerhalbschale angebracht sind, verbunden.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung bestehen die erste Lagerhalbschale und/oder das Balkenelement aus Materialien von geringem spezifischem Gewicht. Dadurch wird das Trägheitsmoment des Lagers und damit des Rotors weiter gesenkt. Der Rotor ist dann weniger schwingungsanfällig und kann schneller beschleunigen.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung bildet das Balkenelement die erste Lagerhalbschale. Auf ein eigenes, die erste Lagerhalbschale bildendes Element wird in dieser Anordnung verzichtet. Die Klemmkraft wird allein durch das Balkenelement auf die Achse übertragen. Die Bauform ist dadurch weiter vereinfacht und kostengünstiger. An einem axialen Ende des Rotorkörpers ist zusätzlich noch ein Zahnrad zum Antrieb weiterer Bauteile (nicht zeichnerisch dargestellt) angeformt.
-
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Abstand entlang einer Normalen von einer zwischen den Auflagern verlaufenden Verbindungslinie zu der Achse kleiner als eine Ausdehnung des Balkenelementes und/oder der ersten Lagerhalbschale entlang der Normalen. In dieser Ausgestaltung drückt die erste Lagerhalbschale bereits gegen die zweite Lagerhalbschale, ohne dass eine Achse zwischen den beiden Lagerhalbschalen eingesetzt ist. Das Balkenelement und/oder die erste Lagerhalbschale können also vorgespannt montiert werden.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Elektromotor geschaffen, umfassend einen Rotor nach den Ansprüchen 1-15. Die erfindungsgemäßen Rotoren eignen sich besonders für den Einsatz in Elektromotoren, vorzugsweise in bürstenlosen Gleichstrommotoren oder Schrittmotoren.
-
Figurenliste
-
Nachfolgend sind anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
- Die 1 den Schnitt A-A radial entlang der Achse eines ersten Ausführungsbeispiels eines Rotors gemäß der Erfindung;
- die 2 eine Draufsicht auf einen beispielhaften Rotor gemäß der 1;
- die 3 eine Explosionszeichung des Rotors aus 2;
- die 4 eine Schrägansicht des Rotors aus 2;
- die 5 den Schnitt B-B radial entlang der Achse eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotors;
- die 6 eine Draufsicht auf den Rotor gemäß der 5;
- die 7 eine Explosionszeichnung eines Rotors aus der 5;
- die 8 eine Schrägansicht des Rotors aus der 5;
- die 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Auslenkung eines Balkenelementes in einem Betriebszustand;
- die 10 eine weitere schematische Darstellung einer Auslenkung eines Balkenelementes in einem Betriebszustand bei Anregung von Eigenformen höherer Ordnung.
-
Figurenbeschreibung
-
Die 1 zeigt einen Schnitt A-A eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotors 1 mit Rotormagneten 1a. Die Erfindung umfasst einen Rotorkörper 3 mit einem Lager 2, wobei der Rotorkörper 3 einen Rotormagneten 1a umfasst. Bei dem Rotormagneten 1a handelt es sich um einen permanentmagnetischen Ring. Dieser wird von einem Rotorkörper 3 umfasst, der beispielsweise mittels eines Spritzgießverfahrens oder Heißverstemm-Verfahrens an den Rotormagneten 1a angebracht wird. Innerhalb des Rotorkörpers 3 ist das Lager 2 angeordnet. In dem Lager 2 ist die Achse 10 angeordnet, die zwischen der ersten Lagerhalbschale 4 und der zweiten Lagerschale 5, die in 2 ersichtlich ist, drehbar gelagert ist.
-
In der 2 zeigt die Draufsicht einen erfindungsgemäßen Rotorkörper 3, der den Rotormagneten 1a hält und der mit der zweiten Lagerschale 5 einstückig ausgebildet ist. An beiden axialen Endseiten des Rotorkörpers 3 sind ferner vier Haken 14 angeordnet, die eine feste Verbindung des Rotorkörpers 3 mit dem Rotormagneten 1a ermöglichen. In der Draufsicht ist auch zu erkennen, dass die erste Lagerhalbschale 4 mit dem Balkenelement 6 einstückig ausgebildet ist. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, wie später noch beschrieben wird. Das Balkenelement 6 ist über die Auflager 9 verspannt und presst somit die Achse 10 mittels der ersten Lagerhalbschale 4 gegen die zweite Lagerschale 5, wodurch die Achse 10 drehbar gelagert ist. Der Rotorkörper 3 weist ferner noch drei Hohlräume 15 auf. Diese Hohlräume 15 sind angefertigt, um das Gewicht des Rotorkörpers 3 zu reduzieren, was wiederum das Trägheitsmoment herabsetzt. Zwischen zwei der Hohlräume 15 gibt es einen Steg 20. Zwei weitere Stege 20 sind gegenüber dem Balkenelement 6 vorhanden und trennen die Hohlräume 15 von dem Balkenelement 6. Zusätzlich weist der Rotorkörper 3 zwei Vorsprünge 21 auf, die hier so positioniert sind, dass diese die Stege 20 und zwei der Hohlräume 15 auf der gegenüberliegenden Seite ausgleichen und so eine Unwucht des Rotors 1 vermeiden. Ebenfalls ist hier schematisch der Stator 22 mit neun Statorpolen 23 eingezeichnet. Die Statorwicklungen wurden hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
-
Die 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Rotor in einer Explosionszeichnung. Hier sind deutlich die an den Rotorkörper 3 angeformten Haken 14 zu erkennen, die in Taschen 16 greifen, die wiederum in den Rotormagneten 1a eingebracht sind. Dabei wird der Rotorkörper 3 mittels Spritzgießverfahrens in den Rotormagneten 1a eingespritzt und somit montiert. Desweiteren ist auch hier das Balkenelement 6 zu sehen, das hier einstückig mit der ersten Lagerhalbschale 4 ausgebildet ist. In der 3 sieht man auch noch ein Zahnrad 17, welches an einer Seite des Rotorkörpers 3 angebracht wird. Dabei wird die Achse 10 durch das Lager 2 gesteckt und das Zahnrad 17 wird anschließend an der Achse 10 drehbar gelagert. Im Anschluss wird die Achse 10 mittels der zweiten Lagerschale 5 und der ersten Lagerschale 4 drehbar gelagert, wobei die erste Lagerschale 4 einstückig mit dem Balkenelement 6 ausgebildet ist, und wobei das Balkenelement 6 über die Auflager 9 abgestützt ist.
-
Die 4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Rotors mit einem Rotorkörper aus 2. In dieser Figur sind vor allem die Hohlräume 15 gut zu erkennen, sowie die Vorsprünge 21. Die Vorsprünge 21 und die Hohlräume 15 sorgen dafür, dass einerseits das Gewicht niedrig gehalten wird durch die Hohlräume 15 und andererseits sorgen die Vorsprünge 21 für einen Ausgleich gegenüber den Stegen 20, damit sich keine Unwucht bildet. Durch diese Maßnahmen wird das Gewicht niedrig gehalten und somit sind auch Trägheitsmomente, die sich bilden, niedriger als in anderen drehbar gelagerten Rotorkörpern.
-
Die 5 zeigt einen Schnitt B-B eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotors 1 mit Rotorkörper 3. In dieser Ausführungsform der Erfindung sind das Balkenelement 6 und erste Lagerhalbschale 4 miteinander verbundene separate Bauteile und nicht einstückig ausgebildet. Die beiden Bauteile sind mittels zweier Löcher 19 in dem Balkenelement 6 und entsprechenden, zu den Löchern 19 passenden Zapfen 18, die an der ersten Lagerhalbschale 4 angebracht sind, miteinander verbunden. Diese Verbindung ist nochmal anschaulich mit den beiden 5 und 7 zu sehen.
-
Bei der 6, die nochmal eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Rotor 1 gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels mit einem Rotorkörper 3 zeigt, handelt es sich den Rotor 1 der bereits in der 5 beschrieben wurde. In dieser Ansicht sind nochmal die Zapfen 18 zu sehen, welche die erste Lagerhalbschale 4 mit dem Balkenelement 6 verbinden sowie schematisch den Stator 22 der neun Pole 23 aufweist. Die Statorwicklungen sind der Einfachheit hier nicht dargestellt.
-
Eine Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Rotors 1 gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels mit einem Rotorkörper 3 zeigt die 7. Dort wird nochmal das Zahnrad 17 gezeigt, das an dem Rotorkörper 3 angeformt ist und an der Achse 10 drehbar gelagert ist. Die Achse 10 wiederum ist zwischen der ersten Lagerschale 4 und der zweiten Lagerschale 5 drehbar gelagert. Die Presskraft, die benötigt wird, um die Achse 10 mit radialem Anpressdruck zu beaufschlagen, wird durch die erste Lagerschale 4 mittels des Balkenelements 6 aufgebracht, welches über die Auflager 9 gehalten und vorgespannt wird.
-
8 zeigt einen erfindungsgemäßen Rotor 1 gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels mit einem Rotorkörper, wie er in den vorherigen 5 bis 7 bereits ausführlich beschrieben worden ist.
-
9 zeigt eine schematische Darstellung einer Auslenkung der ersten Lagerhalbschale 4 und des Balkenelementes 6 in Bezug auf die Achse 10 in einem Betriebszustand. Durch die Massenträgheit des Balkenelementes 6 und der ersten Lagerhalbschale 4 werden diese um einen Betrag von der Achse 10 radial ausgelenkt. Das Balkenelement bildet seine 1. Eigenform 11 aus.
-
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Auslenkung der ersten Lagerhalbschale 4 in Bezug auf die Achse 10 in einem Betriebszustand bei Ausbildung von Eigenformen höherer Ordnung des Balkenelementes 6. Die durchgezogene Linie zeigt die 2. Eigenform 12 des Balkenelementes 6 bei Anregung durch Schwingungen in einem Betriebszustand. Die erste Lagerhalbschale 4 ist um einen Winkel α um einen Mittelpunkt der Achse 10 verschoben. Die erste Lagerhalbschale 4 liegt mit ihren Wandungen 7 an der Achse 10 an.
-
Die gestrichelte Linie zeigt einen Verlauf des Balkenelementes 6 und eine Position der ersten Lagerhalbschale 4 bei Anregung der dritten Eigenform 13 des Balkenelementes 6. Das Balkenelement 6 und die erste Lagerhalbschale 4 sind bei Anregung der dritten Eigenform 13 in Bezug auf die Achse 10 ausgelenkt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Rotor
- 1a
- Rotormagnet
- 2
- Lager
- 3
- Rotorkörper
- 4
- erste Lagerhalbschale
- 5
- zweite Lagerhalbschale
- 6
- Balkenelement
- 7
- Wandungen
- 8
- Ausnehmung
- 9
- Auflager
- 10
- Achse
- 11
- 1. Eigenform
- 12
- 2. Eigenform
- 13
- 3. Eigenform
- 14
- Haken
- 15
- Hohlraum
- 16
- Taschen
- 17
- Zahnrad
- 18
- Zapfen
- 19
- Löcher
- 20
- Steg
- 21
- Vorsprünge
- 22
- Stator
- 23
- Pole
-
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
-
