DE102017209895A1

DE102017209895A1 - Aktuatormodul sowie Verfahren zur Herstellung eines Aktuatormoduls

Info

Publication number: DE102017209895A1
Application number: DE102017209895.3A
Authority: DE
Inventors: Daniel Schleicher
Original assignee: Magna Powertrain Bad Homburg GmbH
Current assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Priority date: 2017-06-12
Filing date: 2017-06-12
Publication date: 2018-12-13
Also published as: CN110741539B; US11283326B2; WO2018228873A1; CN110741539A; US20210126506A1

Abstract

Es wird ein Aktuatormodul vorgeschlagen mindestens bestehend aus einer elektrischen Maschine und einem Anwendungsmodul, wobei die elektrische Maschine aus einem Stator (2) und einem Rotor besteht, wobei der Rotor unmittelbar am Stator (2) gleitgelagert ist und Stator und Rotor mindestens im Bereich der inneren Lagerfläche mit Kunststoff umgeben sind, wobei die Kunststoffbeschichtung der zylindrischen Rotor-Außenfläche Strukturen aufweist, die sich als Spirale durchgängig über die Bauhöhe des Rotors erstrecken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Aktuatormodul mindestens bestehend aus einer elektrischen Maschine und einem Anwendungsmodul, wobei die elektrische Maschine aus einem Stator und einem Rotor besteht, wobei der Rotor unmittelbar am Stator gleitgelagert ist und Stator und Rotor mindestens im Bereich der inneren Lagerfläche mit Kunststoff oder einem anderen Material geringer Reibung umgeben oder hergestellt sind.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Aktuatormoduls.
Stand der Technik
Aktuatoren bilden einen wesentlichen Teil elektronischer Regelsysteme in Kraftfahrzeugen und Nutzfahrzeugen. Ihre Aufgabe besteht darin, die elektrischen Signale eines Steuergerätes in eine mechanische Aktion -wie eine Linearverschiebung oder eine Winkeleinstellung - umzusetzen. Bei Aktuatoren handelt es sich meistens um Elektromotoren oder elektromagnetische Ventile, die es erlauben Klappen zu verstellen, Durchfluss von Flüssigkeiten zu regeln und Pumpen zum Druckaufbau, beispielsweise in Brems- und Lenksystemen, zu betätigen.
Zudem kommen sie in der Motorsteuerung und in Komfortsystemen zum Einsatz.
Die steigenden Umweltauflagen stellen immer höhere Anforderungen an moderne Fahrzeuge in Bezug auf niedrigen Kraftstoffverbrauch und geringen Schadstoffausstoß. Trotzdem wünschen die Kunden maximale Leistung und besten Fahrkomfort. Diese Anforderungen lassen sich nur mit leistungsfähigen Aktuatoren erfüllen, die den Motor mit der benötigten Kraftstoffmenge präzise versorgen und zur Optimierung der Leistung und des Schadstoffverhaltens die Frischluftzufuhr und Abgasrückführung exakt steuern.
In der Motorsteuerung übernehmen Aktuatoren die Regelung der Leerlaufdrehzahl, die Steuerung von Luftführungsklappen zur Drehmoment- und Leistungsoptimierung und die Dosierung des Kraftstoffes für eine optimale Verbrennung.
Außerdem kommen Aktuatoren in Komfortsystemen beispielsweise zur Ver- und Entriegelung der Fahrzeugtüren oder bei der Fernbetätigung von Tankdeckeln, Heckklappen, Motorhauben und Ablagefächern zum Einsatz.
Dank leistungsfähiger Aktuatoren in unterschiedlichsten Ausführungen konnten in den letzten Jahren zahlreiche Sicherheits- und Assistenzsysteme realisiert werden.
Aktuatoren im Stand der Technik weisen Elektromotoren auf, deren Rotorwelle außerhalb des Stators in zumindest einem Lager gehalten wird. Dadurch ist der Bauraum der elektrischen Maschinen zumindest um dieses Lager vergrößert.
Aus der CH299046B1 ist eine elektrische Maschine bekannt, wobei die einander gegenüberliegenden Oberflächen der aktiven, relativ zueinander beweglichen Teile einer elektrischen Maschine zugleich die Führungsflächen der Lagerung des umlaufenden Teils darstellen. Die Flächen können besonders bearbeitet oder durch Schichten aus besonderen Stoffen gebildet sein und während des Laufes der Maschine aufeinander gleiten. Dabei kann zur Verminderung der Reibung und zur Zentrierung des umlaufenden Teils in dem Spielraum der Lagerung ein flüssiges oder gasförmiges Schmiermittel vorgesehen sein.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Aktuator mit einer direktgelagerten elektrischen Maschine für die unterschiedlichen Anwendungen in einem Fahrzeug vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Aktuatormodul mindestens bestehend aus einer elektrischen Maschine und einem Anwendungsmodul, wobei die elektrische Maschine aus einem Stator und einem Rotor besteht, wobei der Rotor unmittelbar am Stator gleitgelagert ist und Stator und Rotor mindestens im Bereich der inneren Lagerfläche mit Kunststoff umgeben sind, wobei die Kunststoffbeschichtung der zylindrischen Rotor-Außenfläche Strukturen aufweist, die sich als Spirale durchgängig über die Bauhöhe des Rotors erstrecken.
Durch die Strukturierung der Lagerfläche wird Reibung minimiert und die Erwärmung der Lagerfläche vermieden. Die Spiralform ist dabei besonders für einen einfachen Herstellungsprozess geeignet.
Es ist vorteilhaft, dass der Rotor unter Vorspannung gegen den Stator steht, um so eine bessere Zentrierung des Rotors in der Statorlagerfläche zu erreichen.
Besonders günstig ist es, den Rotor mit einer Kraft aufgrund des magnetischen Flusses zwischen einem azentrischen Stator und dem Rotor vorzuspannen. Damit wird die Vorspannung allein im elektrischen Motor erzielt.
Alternativ ist es aber auch vorteilhaft, wenn der Rotor mit einer Kraft auf eine Welle des Rotors vorgespannt ist. Dann wird das Anwendungsmodul verwendet die axiale Vorspannung des Rotors kann über das Anwendungsmodul erfolgen und in der elektrischen Maschine müssen keine Vorkehrungen mehr getroffen werden. Im Prinzip könnte auch das Anwendungsmodul die gesamten axialen Kräfte aufnehmen.
Dabei ist es von Vorteil, dass der Rotor gegen eine zentrierende Feder vorgespannt ist.
Die Strukturen der Rotor- Außenfläche bestehen aus Rillen und/oder Rippen, was eine Herstellung im Spritzgussverfahren vereinfacht.
Es ist dabei notwendig, dass mindestens einen Rille und/oder Rippe über den gesamten Außenmantel des Rotors verläuft.
Vorteilhafterweise ist die Bauhöhe der elektrischen Maschine durch die Höhe des der Wickelköpfe des Stators und nicht mehr durch die Lager des Rotors bestimmt.
Die elektrische Maschine ist mit einem Gehäuseteil des Anwendungsmoduls abgedeckt und benötigt so keinen eigenen Deckel.
Es ist von Vorteil, dass der Rotor ein Kunststoffspritzgussbauteil ist.
Der Rotor enthält umspritzte Magnete, die so verliersicher befestigt sind und in einem Herstellungsschritt mit dem Rotor selbst vergossen oder umspritzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Aktuatormoduls besteht darin, dass der Rotor in einem zylindrischen Werkzeug hergestellt wird und die Entformung durch ein Herausdrehen des Rotors aus dem Werkzeug erfolgt.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform,
2 zeigt ein Detail der Ausführungsform.

In 1 a wird ein Aktuatormodul mit einer elektrischen Maschine 1 in konventioneller Bauweise schematisch dargestellt.
Ein Stator 2 umgibt einen Rotor 3, der auf einer Welle 4 drehbar gelagert ist. Der Rotor ist fest mit der Welle verbunden. Die Welle ist an den Lagerstellen drehbar mit z.B. Kugellager oder auch Gleitlagern gelagert. Die Welle 4 wird an zwei Lagerstellen 5 abgestützt. Die gesamte Bauhöhe H des Elektromotors erstreckt sich von einem Wellenstummel am Lager 5 bis zum zweiten Wellenstummel am zweiten Lager. Die gestrichelte Linie rechts stellt die Anbindungsebene 6 für ein Anwendungsmodul dar. Hier wird das Anwendungsmodul beispielsweise ein Linearversteller, oder ein Untersetzungsgetriebe auf geeignete Weise angebracht. Als Aktuatormodul ist somit die Baugruppe aus einer elektrischen Maschine mit einem Anwendungsmodul zu verstehen.
In 1B wird die erfindungsgemäße Lösung dargestellt. Wieder umgibt der Stator 2 den Rotor 3, aber es sind links und rechts des Rotors an der Welle 4 keine getrennten Lagerstellen mehr vorhanden. Die Anbindungsebene 6 für das Anwendungsmodul liegt in der Ebene der Oberfläche des Stators und des Rotors. Die Lagerung des Rotors erfolgt dabei direkt durch die einander gegenüberliegenden Oberflächen von Stator 2A und Rotor 3A.
Dadurch wird die Bauhöhe H1 der elektrischen Maschine deutlich reduziert.
Um die Lagerflächen 2A und 3A besonders günstig zu gestalten und die gesamte elektrische Maschine gegen über äußeren Einflüssen abzuschirmen, wird sowohl der Stator als auch der Rotor mit einem Kunststoffmaterial umspritzt. Als Material kommen dabei Kunststoffe zum Einsatz, die besonders für das Spritzen geeignet sind und auch schmierende Eigenschaften aufweisen. Solche Materialien wie Teflon werden bereits in Gleitlagern verwendet. Im Normalfall wird eine Lagerung über zwei Kunststoffoberflächen ausreichend sein, da die elektrische Maschine eines Aktuators keine permanent laufende elektrische Maschine ist, sondern nur für Schaltvorgänge aktiviert wird. Damit sind die Einsatzzeiten limitiert und ein Heißlaufen der Maschine ist nicht zu befürchten.
Dadurch, dass der Rotor mit seiner Lagerfläche 3A direkt an der Lagerfläche 2A des Stators anliegt, wird der Luftspalt zwischen Stator und Rotor reduziert und damit ein geringer magnetischer Widerstand erzielt.
Allerdings ist es auch möglich eine Schmierung über ein Schmieröl oder ein Schmierfett anzubringen, um Reibungsverluste zu reduzieren und Degradierung des Kunststoffs weitgehend zu verhindern.
In 2 ist ein Detail der erfindungsgemäßen Lösung dargestellt, wobei nur der obere Teil des Schnittes in der Figur ausgeführt ist. Der Elektromotor ist symmetrisch zur mittigen Achse A aufgebaut. Der Stator 2 umgibt den Rotor 3, allerdings ist der Stator in seiner Bauhöhe Hs gegenüber der Bauhöhe des Rotors 3 verringert. Der Rotor ist in diesem Ausführungsbeispiel von einer Kunststoffschicht umgeben. Die Kunststoffschicht 8 umgibt dabei die beiden Stirnflächen 8A des Rotors sowie die zylindrische Außenfläche 8B. Die zylindrische Außenfläche weist Rillen 9 auf, die die Kunststoffbeschichtung unterbrechen bzw. strukturieren. Diese Rillen oder auch Rippen sind spiralförmig auf der zylindrischen Außenfläche des Rotors angebracht. Es kann auch nur einen Rille oder Rippe verwendet sein, die sich dann spiralig über die gesamte zylindrische Außenfläche des Rotors in mehrfachen Wendeln erstreckt.
Es ist aber auch möglich mehrere Rippen oder Rillen parallel zueinander mit verschiedenen Anfangsstellen auf der Außenfläche zu verwenden.
Der Rotor sitzt wiederum auf einer Welle 4 auf, die mit einer Dichtung 11 nach außen abgedichtet ist. Die Anbindungsebene 6 liegt dabei direkt auf der Oberfläche der Kunststoffbeschichtung 8A auf der Stirnseite. Im Bereich der Welle 4 weist der Rotor Einschnürungen 12 A und 12 B auf, die seine Bauhöhe an diesen Stellen verringern. In der Einschnürung 12 A erfolgt eine Anbindung an das Anwendungsmodul, das sich - in der Figur nicht dargestellt - rechts von der Anbindungsebene 6 anschließt. Die Einschnürung 12B dient zur Aufnahme einer Feder 10, die als Domfeder mit ihren Außenrändern 10 A im Rotor befestigt ist. Die Feder kann dabei bereits direkt mit umspritzt oder vergossen sein.
Im Rotor sind Magnete 7 angebracht. Die Magnete sind kunststoffgebundene Magnete, oder Selten Erden Magnete Rotor und Magnete sind gemeinsam umspritzt oder vergossen.
Die Ummantelung des Rotors mit Kunststoffmaterial muss sich nicht über den gesamten Rotor erstrecken. Zunächst ist nur die Ausbildung einer Kunststoffschicht auf der zylindrischen Außenfläche 8B von Bedeutung. Diese Außenschicht, die durch Rillen 9 oder spiralförmige Rippen dargestellt ist, dient zur Lagerung des Stators 2. Die Stator-Wicklungen sind nicht mittig zum Rotor 3 angebracht. Dadurch ergibt sich eine Kraft F die den Rotor in axialer Richtung gegen den Stator vorspannt, wenn die Spulen bestromt sind.
Die Vorspannung erfolgt gegen die Federkraft der Feder 10, die zusätzlich zu der eigentlichen Gleitlagerung des Rotors im Stator eine radiale Zentrierung garantiert. Des Weiteren wird über die Feder ein Mindestabstand zwischen der Stator und der Rotor-Stirnfläche sichergestellt. Die Federspitze bildet eine Dorn 10B aus, so dass hier eine Punktlagerung erfolgt.
In einer alternativen Ausführungsform sind Stator und Rotor zueinander zentriert und eine Vorspannungskraft wird über das Anwendungsmodul und die Welle 4 auf den Rotor 3 ausgeübt.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird der Rotor komplett aus Kunststoff gegossen. Dabei werden die Strukturen, die Rillen oder Rippen 9, bereits direkt in Kunststoffspritzguss hergestellt. Besonders günstig ist es dabei, wenn die Magneten 7 bereits vormontiert im Rotor einfach umspritzt werden.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Nuten und Rillen am Stator angebracht.
Weiterhin ist eine Ausführung mit einer Acrylbeschichtung entweder des Stators und/oder des Rotors oder eine Materialkombination denkbar.
Auch ist es denkbar die Oberflächen so zu polieren, dass die Reibung minimal wird.
In einem weiteren Ausführung werden zusätzlich Magnete aus nicht metallischen Werkstoffen verwendet und mit umspritzt. Ein Beispiel ist PANiCNQ ein nichtmetallische Kunststoff, welcher bei Raumtemperatur ferrimagnetische Eigenschaften zeigt.
Die spiralig angeordneten Strukturen 9 sind auch besonders vorteilhaft, was ihre die Herstellung in Spritzguss betrifft. Das Werkzeug, in dem der Rotor 3 entweder als metallisches Bauteil umspritzt oder komplett als ein Gesamtbauteil gespritzt wird, muss zur Entformung des Rotors nicht geöffnet werden. Man kann einen einteiligen nahezu zylindrischen Werkzeugeinsatz verwenden, da der Rotor mit einer drehenden Entformbewegung aus dem Werkzeug entnommen werden kann.
Dieses Verfahren ist auch auf einen Stator anwendbar, indem die Rillen ebenfalls direkt im Spritzgusswerkzeug hergestellt sind.
Bezugszeichenliste

1: Elektrische Maschine
2: Stator
3: Rotor
4: Welle
5: Lagerstelle
6: Anbindungsebene
2A: Lagerfläche Stator
3A: Lagerfläche Rotor
7: Magnet
8: Kunststoff Umspritzung
8A: stirnseitige Kunststoff Umspritzung
8B: Kunststoff Umspritzung zylindrische Außenfläche
9: Rille oder Rippe
10: Feder
10A: Außenränder
10B: Dorn
11: Dichtung
12 A, 12 B: Einschnürungen
13: Anwendungsmodul
20: Aktuatormodul

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

CH 299046 B1 [0009]

Claims

Aktuatormodul (20) mindestens bestehend aus einer elektrischen Maschine und einem Anwendungsmodul, wobei die elektrische Maschine aus einem Stator und einem Rotor (3) besteht, wobei der Rotor (3) unmittelbar am Stator (2) gleitgelagert ist und Stator (2) und Rotor (3) mindestens im Bereich der inneren Lagerfläche (2A, 3A) mit Kunststoff oder einem Material mit geringem Reibwert umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffbeschichtung der zylindrischen Rotor-Außenfläche (8B) oder der Statorinnenfläche (2A) Strukturen (9) aufweist, die sich als spiralförmige Struktur durchgängig über die Bauhöhe des Rotors (3) der des Stators (2) erstrecken.
Aktuatormodul (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) unter Vorspannung gegen den Stator (2) steht.
Aktuatormodul (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) mit einer Kraft aufgrund des magnetischen Flusses zwischen einem azentrischen Stator (2) und dem Rotor (3) vorgespannt ist.
Aktuatormodul (20) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) mit einer Kraft auf eine Welle (4) des Rotors vorgespannt ist.
Aktuatormodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) gegen einen zentrierende Feder (10) vorgespannt ist.
Aktuatormodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen der Rotor-Außenfläche aus Rillen und/oder Rippen (9) bestehen.
Aktuatormodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Rille und/oder Rippe (9) über den gesamten Außenmantel des Rotors verläuft.
Aktuatormodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauhöhe (H) der elektrischen Maschine durch den Stator unabhängig von der Höhe des Rotors (3) bestimmt ist.
Aktuatormodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1) mit einem Gehäuseteil des Anwendungsmoduls () abgedeckt ist.
Aktuatormodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) ein Kunststoffspritzgussbauteil ist.
Aktuatormodul (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) umspritzte oder kunststoffgebundende Magnete (7) enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Aktuatormoduls (20) nach einem die vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) oder der Stator (2) in einem zylindrischen Werkzeug hergestellt wird und die Entformung durch ein Herausdrehen des Rotors (3) oder des Stators (2) aus dem Werkzeug erfolgt.