DE102017222289A1

DE102017222289A1 - Elektromotor

Info

Publication number: DE102017222289A1
Application number: DE102017222289.1A
Authority: DE
Inventors: Lakshmi Narayanan Muthu
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2019-06-13
Also published as: WO2019110425A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor (10), insbesondere einen Außenläufermotor, mit einem Rotor (14), einem Stator (12) und einer Motorwelle (26), wobei die Motorwelle (26) dem Stator (12) oder dem Rotor (14) zugeordnet ist und eine Drehachse (32) aufweist, um welche Rotor (14) und Stator (12) zueinander mittels wenigstens eines Lagers (40, 42) drehbar gelagert sind, und wobei die Motorwelle (26) eine Mantelfläche (28) aufweist und zwischen Rotor (14) und Stator (12) ein Kontaktierelement (48) angeordnet ist, welches in Kontakt mit dem wenigstens einen Lager (40,42) steht und an der Mantelfläche (28) der Motorwelle (26) und/oder einer Anlagefläche des Lagers (40, 42) zu dieser bewegbar, insbesondere drehbar, anliegt. Es wird vorgeschlagen, dass das Kontaktierelement (48) zumindest teilweise aus einer Nickelschicht (52), insbesondere einer Chemisch-Nickel-Schicht ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Kontaktierelement, ein solches Kontaktierelement sowie ein Lager mit einem solchen Kontaktierelement nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Bei der elektromechanischen Kommutierung von Motoren entstehen elektromagnetische Wellen, welche in die Umgebung abgestrahlt werden. Diese auftretenden elektromagnetischen Wellen gilt es zu mindern.
Aus der DE 10 2012 201 545 A1 ist eine Vorrichtung zum Abschirmen von elektromagnetischer Störstrahlung eines Elektromotors bekannt, welcher mittels eines getakteten Signals angesteuert wird. Es ist vorgesehen, dass der Rotor mit der Motorwelle über ein elektrisch leitendes Verbindungselement verbunden ist, wobei das Verbindungselement an der Stirnseite der Motorwelle angreift und an der Stirnseite des Rotorbauteils befestigt ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht von einem Elektromotor, insbesondere einem Außenläufermotor, mit einem Rotor, einem Stator und einer Motorwelle aus, wobei die Motorwelle dem Stator oder dem Rotor zugeordnet ist und eine Drehachse aufweist, um welche Rotor und Stator zueinander mittels wenigstens eines Lagers drehbar gelagert sind, und wobei die Motorwelle eine Mantelfläche aufweist und zwischen Rotor und Stator ein Kontaktierelement angeordnet ist, welches in Kontakt mit dem wenigstens einen Lager steht und an der Mantelfläche der Motorwelle und/oder einer Anlagefläche des Lagers zu dieser bewegbar, insbesondere drehbar, anliegt. Es wird vorgeschlagen, dass das Kontaktierelement zumindest teilweise aus einer Nickelschicht, insbesondere einer Chemisch-Nickel-Schicht ausgebildet ist, oder zumindest eine solche Nickelschicht aufweist.
Der erfindungsgemäße Elektromotor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass das Kontaktierungselement besonders platzsparend und einfach eingebaut werden kann. Durch den Einsatz eines Kontaktierlementes, welches zumindest teilweise aus einer Nickelschicht ausgebildet ist, welche hinsichtlich ihrer Gleiteigenschaften optimiert ist und gleichzeitig eine gute elektrische Leitfähigkeit innehat, können in vorteilhafter Weise Reibungsverluste zwischen dem erfindungsgemäßen Kontaktierelement und sich drehenden Bauteilen, wie beispielsweise dem Wälzlager und/oder der Motorwelle, minimiert werden und gleichzeitig eine stabile Ohmsche Verbindung zum Ausgleich von Potentialunterschieden zwischen Rotor und Stator bereitgestellt werden. Eine solche Reibungsminimierung wirkt sich somit vorteilhaft auf die entstehenden Reibungsverluste, die Wärmeentwicklungen und den Verschleiß eines solchen Kontaktierelementes aus. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Kontaktierelement aufgrund seiner geringen Größe platzsparend und ohne zusätzliche Anpassungen des Elektromotors, in bereits bestehenden Systemen integriert oder sogar nachgerüstet werden. Ferner kann ein solches Kontaktierelement in vorteilhafter Weise den Innenraum des Lagers vor festen oder flüssigen Verunreinigungen schützen. Durch die integrale Bauweise des erfindungsgemäßen Elektromotors, bei welchem sowohl die Funktion der Dichtung des Lagers als auch der Ausgleich von Potentialunterschieden in einem Bauteil integriert sind, können unter anderem die Zielfunktionen Gewicht, Bauteilezahl und Kosten in vorteilhafter Weise optimiert werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann unter einer Drehachse eine gedachte Achse verstanden werden, um welche ein Körper, insbesondere der Rotor, im Sinne einer Rotationsachse rotiert. Im Unterschied zur Drehachse, welche eine rein gedachte Achse darstellt, kann in Bezug auf die vorliegende Erfindung unter dem Begriff Motorwelle ein gegenständliches Maschinenelement verstanden werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann überdies unter einer Mantelfläche der Motorwelle diejenige Oberfläche der Motorwelle verstanden werden, welche sich in Axialrichtung, das heißt in Richtung der Drehachse umlaufend erstreckt. Der Begriff Mantelfläche ist hierbei nicht auf eine zylindrisch ebene Oberfläche begrenzt, vielmehr kann die Mantelfläche Vorsprünge und Ausnehmungen umfassen, welche die Motorwelle aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Nickelschicht als Chemisch-Nickel-Schicht ausgebildet. Eine Chemisch-Nickel-Schicht ist eine chemisch erzeugte Beschichtung aus Nickel, welche beispielsweise aus Nickel-Phosphor- oder Nickel-Bor-Legierungen stromlos auf ein Substrat abgeschieden wird. Die Abscheidung einer solchen Chemisch-Nickel-Schicht erfolgt dabei in einem autokatalytischen Prozess. Eine solche Chemisch-Nickel-Schicht weist insbesondere bezüglich der Gleichmäßigkeit der Schichtdicke, sowie der Korrosionsbeständigkeit der Schicht und der Verschleißfestigkeit Vorteile auf. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich eine solche Chemisch-Nickel-Schicht in vorteilhafter Weise für Dispersoide, wie beispielsweise PTFE-Partikel als Matrix zur Abscheidung von sogenannten Dispersionsschichten eignet, sodass die die Eigenschaften der Schicht in vorteilhafter Weise auf die bei einem Elektromotor auftretenden Belastungen und Anforderungen abgestimmt werden kann.
Erfindungsgemäß sind Rotor und Stator zueinander mittels wenigstens eines Lagers drehbar gelagert. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Motorwelle im Motorträger oder Stator fest eingespannt sein, wobei der Rotor im Betrieb um die Motorwelle rotiert. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Motorwelle selbst im Rotor eingespannt ist und gemeinsam mit dem Rotor im Stator beziehungsweise Motorblock drehbar gelagert ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Elektromotor ferner als Außenläufermotor ausgebildet. Bei einer solchen Ausführungsform kann in vorteilhafter Weise die abschirmende Wirkung des Rotors selbst zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit genutzt werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen gegebenen Merkmale.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Chemisch-Nickel-Schicht als Nickel-Phosphor-Legierungsschicht ausgebildet ist. Mit einer solchen erfindungsgemäß eingesetzten Nickel-Phosphor-Legierungsschicht kann eine als Verbundwerkstoff ausgebildete Schicht bereitgestellt werden, welche formstabil ist, sehr gute tribologische Eigenschaften aufweist und in der Lage ist aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit Potentialunterschiede zwischen Rotor in und Stator auszugleichen. Selbstverständlich beschränkt sich eine solche Nickel-Phosphor-Legierungsschicht nicht ausschließlich auf die Komponenten Nickel und Phosphor. So kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass zusätzliche Hartstoffpartikel oder Trockenschmierstoffpartikel eingelagert sind, sodass die Materialeigenschaften in vorteilhafter Weise optimal auf die Funktionalitäten abgestimmt werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Nickelschicht Festschmierstoffpartikel aufweist. Durch die Einlagerung von Feststoffschmierpartikeln in der Nickelschicht kann in besonders vorteilhafter Weise ein Material bereitgestellt werden, welches synergetisch die Eigenschaften der Nickelmatrix aufweist und gleichzeitig die Eigenschaften des Feststoffschmierpartikels, wie ein gutes abrasives Verhalten und hohe Gleitfähigkeit, innehat. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Nickelschicht zu diesem Zweck PTFE-Partikel aufweist, welche die Reibzahl und damit die Verschließrate für die dynamische Anwendung in dem erfindungsgemäßen Elektromotor senken kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Nickelschicht 20-30 Vol.% PTFE-Partikel aufweist. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen diese PTFE-Partikel ferner eine Partikelgröße zwischen 0,1-0,3µm auf. Auf diese Weise kann eine Nickelschicht bereitgestellt werden, welche zum einen hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften optimiert ist und zum anderen in der Lage ist Potentialunterschiede zwischen Rotor und Stator auszugleichen.
Eine besonders korrosionsbeständige und gleichzeitig harte Nickelschicht kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dadurch bereitgestellt werden, dass die Nickel-Phosphor-Legierungsschicht einen Phosphorgehalt von 9-13Vol. % aufweist. Insbesondere ein Bereich zwischen 10-12Vol. % Phosphor hat sich dabei als besonders geeignet erwiesen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Nickelschicht eine Schichtdicke von 5-25µm aufweist. Da mittels der chemischen Vernickelung Schichten abgeschieden werden können, deren Zielschichtdicke sehr genau eingestellt werden kann und welche eine hohe Maßhaltigkeit aufweisen, können durch die Auswahl der Schichtdicke die gegenläufigen Anforderungen an den Elektromotor, wie der Ausgleich der Potentialunterschiede und die Kostspieligkeit des Elektromotors, optimiert werden. Dabei hat es sich gezeigt, dass ein Schichtdickenbereich zwischen 7µm und 15µm sowohl kostengünstig produziert werden kann, als auch in der Lage ist eine elektrische Brücke der hier zur Rede stehenden Art zwischen Rotor und Stator bereitzustellen.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Kontaktierelement zumindest zweiteilig ausgebildet ist und wenigstens ein Tragelement und wenigstens ein Anlageelement aufweist, wobei das Anlageelement die Nickelschicht aufweist. Eine solche zweiteilige Ausführungsform des Kontaktierelementes weist hinsichtlich der Nachrüstbarkeit von bereits bestehenden Systemen und der Flexibilität der Fertigung des erfindungsgemäßen Elektromotors entscheidende Vorteile auf, da ein solches mehrteiliges Tragelement besonders einfach außerhalb des Elektromotors beschichtet werden kann und anschließend als ein gemeinsames Bauteil im Elektromotor verbaut werden kann. Die chemische Vernickelung stellt darüber hinaus eine drehfeste, stabile und kostengünstige Verbindung zwischen dem Anlageelement und dem Tragelement dar.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann unter einem Tragelement ein Grundkörper verstanden werden, welcher in der Lage ist eine Oberfläche für die Nickelschicht bereitzustellen. Ein solches Tragelement kann beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Tragelement aus einem Kunststoff ausgebildet ist, insofern es aufgrund seiner Materialeigenschaften dazu geeignet ist als Grundkörper für die Beschichtung zu fungieren und es prozesstechnisch realisierbar ist dieses Tragelement unter den gesetzten Randbedingungen chemisch zu vernickeln. Weiterhin kann unter einem Anlageelement ein solches Element verstanden werden, welches im montierten Zustand an sich drehenden Bauteilen des Elektromotors kontaktierend beziehungsweise schleifend anliegt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Kontaktierelement als Dichtelement für das Lager ausgebildet ist, das heißt, dass das Kontaktierelement den Innenraum des Lagers gegenüber der Umgebung in der Richtung abdichtet, in welcher das Kontaktierelement angeordnet ist. Unter dem Begriff Dichtelement kann in diesem Zusammenhang insbesondere ein solches Element verstanden werden, welches den Innenraum des Lagers im Wesentlichen dicht gegenüber Festsoffen und zusätzlich oder alternativ gegenüber Flüssigkeiten im Umfeld eines solchen erfindungsgemäßen Elektromotors abschließt. Auf diese Weise kann der Zutritt von festen und flüssigen Verunreinigungen in das Lager vorteilhaft verhindert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es ferner vorgesehen, dass das Kontaktierelement und zusätzlich oder alternativ auch das Tragelement als kreisringförmige Scheibe ausgebildet ist, wobei die Nickelschicht an der Stirnfläche des Lagers und zusätzlich oder alternativ hierzu an der Mantelfläche der Motorwelle schleifend anliegt. Eine solche flache Scheibe kann besonders platzsparend unter optimaler Ausnutzung des verfügbaren Bauraumes eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist es darüber hinaus vorgesehen, dass das Lager als Wälzlager ausgebildet ist und einen Innenring und einen Außenring aufweist, und dass das Kontaktierelement mit dem Außenring verbunden ist und an dem Innenring bewegbar, insbesondere drehbar anliegt. Durch die elektrische Überbrückung zwischen dem Innenring und dem Außenring kann die von dem erfindungsgemäßen Kontaktierelement zu übergreifende Strecke in vorteilhafter Weise gering gehalten werden. Zwar weisen solche Wälzlager eine Vielzahl an elektrisch leitenden Komponenten auf, welche grundsätzlich dazu geeignet sind Potentialunterschiede auszugleichen, bedingt durch die Schmierung dieser Lager eignen sich diese jedoch nicht eine lückenlose elektrische Leitung sicher einzuhalten, wodurch sich eine Kombination eines solchen Wälzlagers mit einem erfindungsgemäßen Kontaktierelement zum Ausgleichen von Potentialunterschieden als besonders vorteilhaft erweist. Darüber hinaus unterliegt ein solches Kontaktierelement aufgrund des geringen radialen Abstandes zur Drehachse geringen Relativgeschwindigkeiten, was sich positiv auf die Belastungshöhe des Kontaktierelementes und damit einhergehend auf seine Lebensdauer auswirkt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Motorwelle drehfest mit dem Stator verbunden ist, der Innenring drehfest mit der Motorwelle verbunden ist und der Außenring an einem Lagersitz anliegt, wobei der Lagersitz am Rotor ausgebildet ist.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Kontaktierelement oder das Tragelement als Teil des Wälzlagers ausgebildet ist. Eine solche Ausführungsform weist insbesondere bezüglich der Bauteilezahl sowie des benötigten Platzbedarfes Vorteile auf. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Tragelement als Deckscheibe des Wälzlagers ausgebildet ist. Ferner ist es vorgesehen, dass diese Deckscheibe mit einer Nickelschicht beziehungsweise Chemisch-Nickel-Schicht derart beschichtet wird, dass die Nickelschicht schleifend an sich drehenden Bauteilen anliegt. Aufgrund der guten tribologischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Nickelschicht können Reibungsverluste an der schleifenden Anlage minimiert werden, gleichzeitig ist ein solches Kontaktierelement in vorteilhafter Weise in der Lage, Potentialunterschiede zwischen Rotor und Stator auszugleichen und eine Abdichtung des Innenraumes des Lagers bereitzustellen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Tragelement ferner als Federelement ausgebildet. Ein solches Federelement kann beispielsweise ein elastischer Balken sein, welcher die Motorwelle radial oder axial kontaktiert. Durch das erfindungsgemäße aufbringen der gleitfähigen Nickelschicht im Bereich dieser Kontaktierung können auch bei einer solchen Ausführungsform in vorteilhafter Weise Quietschgeräusche und Reibungsverluste minimiert werden.
Das erfindungsgemäße Kontaktierelement ist in besonders bevorzugter Weise dazu geeignet in einem solchen Elektromotor, welcher einen Stator und einen Rotor und eine Motorwelle aufweist, eingesetzt zu werden. Bedingt durch seine Ausführungsform mit wenigstens einem Tragelement und wenigstens einem Anlageelement, welches bewegbar, insbesondere drehbar an wenigstens einer rotierenden Komponente des Elektromotors anliegt und welches eine Nickelschicht, insbesondere eine Chemisch-Nickel-Schicht aufweist, kann das erfindungsgemäße Kontaktierelement in besonders vorteilhafter Weise Störstrahlungen ableiten und als Dichtelement für wenigstens ein Lager des Elektromotors wirken. Gleichzeitig ermöglicht die funktionale Integration der Dichtung und Kontaktierung eine Kostenoptimierung und einfache und schnelle Montage. Hierzu ist es besonders vorteilhaft, wenn das Kontaktierelement und zusätzlich oder alternativ auch das Tragelement als kreisringförmige Scheibe ausgebildet ist. Bevorzugt ist das Kontaktierelement dazu ausgebildet, elektromagnetische Störstrahlung abzuleiten. Auf diese Weise kann die Emission der ungünstigen Störstrahlung reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Kontaktierelement ist in besonders bevorzugter Weise dafür geeignet in einem Lager, insbesondere in einem Wälzlager eingesetzt zu werden, welches eine Deckscheibe aufweist. Bedingt durch die Ausführungsform des Lagers, bei welcher diese Deckscheibe als Tragelement ausgebildet ist, wobei das Tragelement eine Nickelschicht aufweist, welche an einer Anlagefläche des Lagers schleifend anliegt, kann das erfindungsgemäße Lager in vorteilhafter Weise Potentialunterschiede zwischen Rotor und Stator ausgleichen und ist in gegenüber der Umgebung abgedichtet ausgebildet.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit einem erfindungsgemäßen Kontaktierelement,
2 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Elektromotors analog zu 1 in vergrößerter Darstellung,
3 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kontaktierelementes gemäß der 1 und 2,
4 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Elektromotors gemäß einer zweiten Ausführungsform,
5 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kontaktierelementes gemäß 4,
6 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Elektromotors gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem erfindungsgemäßen Lager,
7 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Elektromotors gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Beschreibung
1 zeigt einen beispielhaft als Außenläufermotor ausgebildeten Elektromotor 10 in einer Schnittansicht. Der Elektromotor kann dabei insbesondere als Lüftermotor in HVAC-Systemen oder zur Kühlung eines Verbrennungsmotors in einem Fahrzeug oder zum Antreiben eines Lüfters, eines Getriebes, einer Pumpe oder eines Stellantriebs eingesetzt werden.
Der Elektromotor 10 weist ein feststehendes Teil, den Stator 12 und ein umlaufendes Teil, den Rotor 14 auf. Ein Elektromotor 10 vom Typ eines Außenläufermotors, wie er beispielhaft in 1 dargestellt ist, zeichnet sich dadurch aus, dass der radial innen liegende Teil im Betrieb fest steht, während der radial außen liegende Teil rotiert. Am Stator 12 ist eine Mehrzahl an Wicklungen 16 angeordnet. Der Rotor 14 wiederum weist Magnete 18 auf. Werden die Wicklungen 16 von Strom durchflossen, so wird dadurch das magnetische Feld des Elektromotors 10 erzeugt.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Elektromotor 10 in 1 nur schematisch dargestellt ist, da Aufbau und Funktionalität eines geeigneten Elektromotors hinreichend aus dem Stand der Technik bekannt sind, sodass hier zwecks Knappheit und Einfachheit der Beschreibung auf eine eingehende Beschreibung des Elektromotors 10 verzichtet wird. Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass der Elektromotor 10 lediglich beispielhaft und nicht zur Einschränkung der Erfindung als Außenläufermotor dargestellt ist, da die Erfindung auch bei einem Innenläufermotor Anwendung finden kann.
Die Wicklungen 16 von Elektromotoren werden im Betrieb in der Regel mit pulsweitenmodulierten Signalen gespeist, die Störfelder verursachen können. Die elektromagnetischen Störstrahlungen treten hierbei in der Regel an den Wicklungen 16 oder den Magneten 18 auf. Ausgehend von den Wicklungen 16 oder Magneten 18 können die Störstrahlungen zu einer Störung anderer elektronischer Systeme und Komponenten führen, welche in der Umgebung des Elektromotors 10 angeordnet sind. Neben der Beeinflussung der Umgebungskomponenten durch den Elektromotor 10 können in umgekehrter Weise auch Störstrahlungen aus der Umgebung den Elektromotor 10 in seiner Funktionalität beeinträchtigen. Der erfindungsgemäße Elektromotor 10 sollte daher die Wicklungen 16 und Magnete 18 möglichst in alle Richtungen abschirmen.
Bei einem Elektromotor 10 vom Typ eines Außenläufers, wie er in 1 dargestellt ist, kann eine solche Abschirmung unter anderem durch einen möglichst nahe am Stator 12 angeordneten Rotor 14 erzielt werden. Wie in 1 deutlich zu erkennen ist, ist der Rotor 14 im Wesentlichen topfförmig ausgebildet. Diese topfförmige Ausführung des Rotors 14 bildet hierbei eine Abschirmung für die Wicklungen 16 und Magnete 18, welche innerhalb des topfförmigen Rotors 14 angeordnet sind. Der topfförmige Rotor 14 weist zu diesem Zweck einen sich in radialer Richtung erstreckenden ersten Abschnitt 20 auf. Dieser erste Abschnitt 20 des Rotors 14 bildet den Boden des topfförmigen Rotors 14. Neben dem ersten Abschnitt 20 weist der Rotor 14 einen zweiten Abschnitt 22 auf, welcher am äußeren Rand des Rotors 14 angeordnet ist und eine, sich in axialer Richtung erstreckende, umlaufende Seitenwand des topfförmigen Rotors 14 bildet.
Der dem Boden 20 des topfförmigen Rotors 14 gegenüberliegende, offene Bereich des Rotors 14 wird, wie in 1 deutlich zu erkennen ist, durch einen Motorträger 24 abgeschirmt. Durch die Anordnung des topfförmigen Rotors 14 sowie des als Deckel fungierenden Motorträgers 24 ergibt sich ein im Wesentlichen abgeschlossener Raum, welcher in alle Richtungen durch elektrisch leitfähige Oberflächen abgeschirmt ist.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Motorwelle 26 drehfest mit dem Motorträger 24 verbunden und somit dem Stator 12 zugeordnet. Eine solche drehfeste Verbindung kann insbesondere durch Einspritzen der Motorwelle 26 in den Motorträger 24 bereitgestellt werden. Wie in 1 dargestellt ist, weist die Motorwelle 26 ein freies Ende 30 und eine Drehachse 32 auf, um welche der Rotor 14 und der Stator 12 zueinander drehbar gelagert sind. Ferner weist die Motorwelle 26 eine sich in Axialrichtung erstreckende, umlaufende Mantelfläche 28 auf. Wie bereits erwähnt, ist die Erfindung nicht auf eine solche, hier dargestellte Ausführungsform mit einer drehfest im Stator 12 angeordneten Motorwelle 26 beschränkt. Vielmehr ist es auch denkbar, dass die Motorwelle 26 drehfest im Rotor 14 eingespannt ist und entsprechend die Motorwelle 26 dem Rotor 14 zugeordnet ist.
Wie in 1 dargestellt ist, verläuft die Drehachse 32 im Sinne einer sich ins Unendliche erstreckenden, gedachten Gerade insbesondere mittig durch die Motorwelle 26 und entspricht der Mittelachse der Motorwelle 26. Zur drehbaren Lagerung des Rotors 14 gegenüber dem Stator 12 um die Drehachse 32 weist der topfförmige Rotor 14 an seiner der Motorwelle 26 zugewandten Seite einen Lagersitz 36 auf, welcher sich in axialer Richtung erstreckt. Im Inneren des Lagersitzes 36 des Rotors 14 ist eine Lagerung 38 angeordnet. Wie in 1 dargestellt ist, weist die Lagerung 38 zwei Wälzlager auf 40, 42 auf, wobei beide Wälzlager 40, 42 mit ihrem jeweiligen Außenring 44 im Lagersitz 36 des Rotors 14 und mit ihrem entsprechenden Innenring 46 auf der Motorwelle 26 sitzen.
Um zu verhindern, dass der Rotor 14 die Funktion einen hochfrequenten Antenne übernimmt und das Störproblem gegebenenfalls verschlimmert, muss der Rotor 14 auf ein Massepotential 34 kontaktiert werden. Zu diesem Zweck muss der Rotor 14 mit der Motorwelle 26 elektrisch leitfähig verbunden werden, welche wiederum in den Motorträger 24 eingepresst ist und somit an dem Massenpotential 34 anliegt. Eine solche Kopplung zwischen dem Rotor 14 und der Motorwelle 26 kann in der Regel nicht über die Wälzlager 40, 42 bereitgestellt werden, da diese einen mit Öl gefüllten Lagerspalt aufweisen, der zur Folge hat, dass keine ausreichend stabile Ohm'sche Verbindung bereitgestellt werden kann.
Um dennoch eine ausreichend stabile Verbindung zwischen Rotor 14 und Motorwelle 26 bereitzustellen, ist zwischen dem Stator 12 und dem Rotor 14 ein elektrisch leitendes Kontaktierelement 48 angeordnet. Das Kontaktierelement 48, bewirkt den Abbau von Potentialunterschieden zwischen Rotor 14 und Stator 12 des Elektromotors 10 und ist erfindungsgemäß zumindest teilweise aus einer Nickelschicht 52 ausgebildet. Eine solche Nickelschicht 52 kann erfindungsgemäß sowohl auf elektrolytischem Wege aus Nickelelektrolyten abgeschieden werden, es ist jedoch auch denkbar, dass die Nickelschicht 52 mittels eines chemischen Vernickelungsverfahren aufgebracht wird. Im Fall einer solchen chemisch abgeschiedenen Nickelschicht 52 spricht man von einer sogenannten Chemisch-Nickel-Schicht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Nickelschicht 52 als Chemisch-Nickel-Schicht ausgebildet. Eine solche Chemisch-Nickel-Schicht 52 weist insbesondere bezüglich der Gleichmäßigkeit der Schichtdicke, sowie der Korrosionsbeständigkeit der Schicht und der Verschleißfestigkeit gegenüber elektrolytisch hergestellten Nickelschichten 52 Vorteile auf. Die Chemisch-Nickel-Schicht ist eine Legierungsschicht, welche in der Regel zu einem überwiegenden Teil Nickel und Phosphor aufweist, sodass hier von einer Nickel-Phosphor-Legierungsschicht die Rede ist. Es sei an dieser Stelle jedoch ausdrücklich erwähnt, dass neben einer solchen Nickel-Phosphor-Legierungsschicht auch Nickel-Bor-Legierungsschichten Anwendung finden können. Solche Nickel-Bor-Legierungsschichten werden im Allgemeinen mittels sogenannter Borate abgeschieden.
Sowohl bei Nickel-Bor-Legierungsschichten als auch bei Nickel-Phosphor-Legierungsschichten wird die Nickelschicht 52 außenstromlos in einem chemischen Prozess abgeschieden. Der autokatalytische Prozess beruht dabei auf einem Redoxvorgang, der durch die katalytische Oxidation des Reduktionsmittels an einer metallischen Oberfläche, verbunden mit der Reduktion angelagerter Metallionen, gekennzeichnet ist. Eine solche chemische Nickelabscheidung ist erfindungsgemäß ein nasschemischer Reduktionsprozess, welcher in der Regel katalytisch und thermisch aktiviert wird. Die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Chemisch-Nickel-Schicht 52 verwendeten Elektrolyte, weisen dabei Nickelionen auf, welche an der Oberfläche des zu beschichtenden Tragkörpers zu Nickelatomen reduziert werden. Die für einen solchen Prozess notwendigen Elektronen werden im Gegensatz zu einer galvanischen Abscheidung nicht von einer äußeren Stromquelle bereitgestellt, sondern von einem entsprechenden Reduktionsmittel. Es sei an dieser Stelle ausdrücklich erwähnt, dass es hierbei aufgrund von Nebenreaktionen des Reduktionsmittels zu einer Mitabscheidung weiterer Elemente kommen kann.
Mit der erfindungsgemäßen Nickel-Phosphor-Legierungsschicht 52 kann ein als Verbundwerkstoff ausgebildete Schicht bereitgestellt werden, welche formstabil ist, sehr gute tribologische Eigenschaften aufweist und in der Lage ist aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit Potentialunterschiede zwischen Rotor 14 und Stator 12 auszugleichen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Nickel-Phosphor Legierungsschicht 52 PTFE-Partikel auf. Diese PTFE-Partikel sind erfindungsgemäß in der Nickel-Phosphor-Matrix verteilt angeordnet, sodass hier von einem Verbundwerkstoff ausgegangen werden kann. Da PTFE, auch Polytetrafluorethylen, einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten aufweist, kann durch den Einbau von PTFE in die Nickel-Phosphor-Legierungsschicht 52 in besonders vorteilhafter Weise der Verschleiß und Abrieb im Bereich der drehbaren Anlage minimiert werden. Zu der deutlichen Verschleißminderung führen dabei zwei Effekte. Zum einen verhindern die eingebauten PTFE-Partikel auf Grund des niedrigen Reibwertes den Adhäsionsverschleiß, zum anderen bilden abgeriebene PTFE-Partikel zwischen den Reibpartnern einen Trockenschmierfilm aus.
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich erwähnt, dass auch andere Festschmierstoffpartikel, beziehungsweise Trockenschmierstoffpartikel denkbar sind. Als besonders geeignet hat sich dabei beispielsweise die Einlagerung von hexagonalem Bornitrid in die Nickel-Phosphor-Legierungsschicht 52 erwiesen. Die makroskopisch hexagonal erscheinenden Partikel, welche die Form von Plättchen aufweisen, sind aus gestapelten Schichten hexagonaler Symmetrie aufgebaut, die beim Auftreten von Scherkräften leicht gegeneinander abgleiten können. Neben hexagonalem Bornitrid ist es auch denkbar, dass bekannte Festschmierstoffe, wie beispielsweise Graphit und Molybdändisulfid Anwendung finden. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass als Festschmierstoffpartikel Perfluoralkoxy-Polymere zum Einsatz kommen, welche bezüglich des Schutzes vor Adhäsivverschleiß und der Vermeidung von Ruckgleiten (Stick-Slip-Verhalten) Vorteile aufweisen. Selbstverständlich können darüber hinaus auch andere Hartstoffe, wie beispielsweise Siliciumkarbid, Borkarbid oder Diamant in die Nickel-Phosphor-Legierungsschicht 52 eingelagert sein, welche sich beispielsweise positiv auf die Härte der Legierungsschicht auswirken können.
Nachfolgend wird das, dem fest eingespannten Ende 28 der Motorwelle 26 zugewandte Wälzlager als erstes Wälzlager 40 und das, dem freien Ende 30 der Motorwelle 26 zugeordnete Wälzlager als zweites Wälzlager 42 bezeichnet.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die in 1 dargestellten Lager 40, 42 lediglich beispielhaft als Wälzlager dargestellt sind. So ist es auch denkbar, dass ein solches erfindungsgemäßes Kontaktierelement 48 bei einem Elektromotor 10 Anwendung findet, welcher mittels wenigstens eines Gleitlagers gelagert ist. Aufgrund des Schmierspaltes, welcher zur Bereitstellung der hydrodynamischen Schmierung in der Regel mit Öl oder Fetten gefüllt ist, sind Gleitlager im Allgemeinen nicht dazu geeignet, eine ausreichend stabile Ohmsche Verbindung zwischen Stator 12 und Rotor 14 bereitzustellen, sodass eine Anwendung des Kontaktierelementes 48 in vorteilhafter Weise dazu geeignet ist, diesen Schmierspalt elektrisch zu überbrücken.
Ferner sei an dieser Stelle angemerkt, dass das Wälzlager in 1 lediglich beispielhaft und nicht zur Einschränkung der Erfindung als Kugellager dargestellt ist. So ist es auch denkbar, dass auch andere Grundformen von Wälzlagern, wie beispielsweise Zylinderrollenlager, Nadellager oder Kegelrollenlager Anwendung finden können. Allen diesen Wälzlagerformen ist jedoch gemein, dass zwischen dem Innenring 46 und einem Außenring 44 rollende Körper den Reibungswiderstand verringern und sie aufgrund der Schmierung oder ihrer Beschaffenheit nicht dazu in der Lage sind eine ausreichend stabile Ohmsche Verbindung zwischen dem Rotor 14 und dem Stator 12 bereitzustellen.
Wie in 1 zu erkennen ist, ist der Außenring 44 des ersten Lagers 40 bei der hier dargestellten Ausführungsform in axialer Richtung eindeutig fixiert. Zu diesem Zweck ist der Außenring 44 des ersten Wälzlagers 40 an seiner dem freien Ende 30 der Motorwelle 26 zugewandten Seite über eine Distanzhülse 49 fixiert. Die Funktion der Sicherung in axialer Richtung des Außenrings 44 an der, dem freien Ende 30 der Motorwelle 26 abgewandten Seite übernimmt der Lagersitz 38.
Wie in 1 ferner zu erkennen ist, übernimmt das zweite Lager 42 die Funktion eines Festlagers, das heißt es ist in der Lage die Motorwelle 26 in axialer Richtung eindeutig zu positionieren. Das zweite Lager 42 muss hierzu sowohl Radial- als auch Axialkräfte aufnehmen und in die umgebende Konstruktion leiten können. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Innenring 46 des zweiten Lagers 42 zu diesem Zweck an seiner dem freien Ende 30 der Motorwelle 26 zugewandten Seite über einen Sicherungsring 50 auf der Motorwelle 26 fixiert.
Selbstverständlich ist ein erfindungsgemäßer Elektromotor 10 nicht auf eine axiale Fixierung des Innenrings 46 über einen Sicherungsring 50 limitiert. Es können auch andere Sicherungselemente, wie beispielsweise Muttern oder Sicherungsscheiben vorgesehen sein. Um die Funktion eines Festlagers übernehmen zu können, ist auch der Außenring 44 des zweiten Lagers 46 in axialer Richtung, das heißt in Erstreckungsrichtung der Drehachse 32, fixiert. Neben der Distanzhülse 49 übernimmt die Funktion der Sicherung in axialer Richtung des Außenrings 44 eine Speednut 51.
Ferner sei an dieser Stelle erwähnt, dass die Lageranordnung und Sicherung der beiden Wälzlager 40, 42, wie sie in 1 dargestellt ist, in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden kann, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So ist es insbesondere auch denkbar, dass das Kontaktierelement 48 am zweiten Lager 42 angeordnet ist. Bei einer solchen Ausführungsform ist es beispielsweise denkbar, dass die Speednut 51 zusätzlich zu ihrer Stützfunktion die Funktion des erfindungsgemäßen Kontaktierelementes 48 übernimmt. Ferner ist es auch vorstellbar, dass das Kontaktierelement 48 an der, dem freien Ende 30 der Motorwelle 26 abgewandten Stirnseite 60 der jeweiligen Wälzlager 40, 42 angeordnet sein kann. Überdies ist die Erfindung nicht auf eine Ausführungsform mit lediglich einem Kontaktierelement 48 beschränkt. So ist es beispielsweise auch möglich, dass an beiden Wälzlagern 40, 42 ein entsprechendes Kontaktierelement 48 angeordnet ist.
2 zeigt einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Elektromotors 10 analog zu 1. Wie bereits erläutert, ist die Motorwelle 26 drehfest im Stator 12 befestigt. Zur drehbaren Lagerung des Rotors 14 gegenüber dem Stator 12 um die Drehachse 32 ist am Rotor 14 an seiner der Motorwelle 26 zugewandten Seite ein Lagersitz 36 ausgebildet. An diesem Lagersitz 36 liegt der Außenring 44 des ersten Lagers 40 an. Der Innenring 46 desselben Lagers 40 ist drehfest mit der Motorwelle 26 verbunden.
Um Potentialunterschiede zwischen Stator 12 und Rotor 14 auszugleichen, ist erfindungsgemäß ein Kontaktierelement 48 vorgesehen, welches in Kontakt mit dem Wälzlager 40 steht und, gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung, an der Stirnfläche 60 des Wälzlagers 40 drehbar, beziehungsweise schleifend anliegt. Wie in 2 zu erkennen ist, stellt die Stirnfläche 60 des Wälzlagers 40 diejenige Fläche dar, welche im Wesentlichen senkrecht auf der gedachten Drehachse 32 steht. Alternativ zu einer solchen Ausführungsform, bei welcher das Kontaktierelement 48 an der Stirnfläche 60 des Lagers 40 schleifend anliegt, ist es auch denkbar, dass das Kontaktierelement 48 an der Mantelfläche 28 der Motorwelle 26 drehbar, beziehungsweise schleifend anliegt. Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung kann es überdies vorgesehen sein, dass das erfindungsgemäße Kontaktierelement 48 sowohl an der Mantelfläche 28 der Motorwelle 26, als auch an der Stirnfläche 60 des Lagers 40 drehbar, beziehungsweise schleifend anliegt.
Wie in 2 deutlich zu erkennen ist, liegt, gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung, das Kontaktierelement 48 sowohl am Außenring 44 als auch am Innenring 46 des Lagers 40 kontaktierend an. Dabei ist es gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass das Kontaktierelement 48 in seinem Außenbereich über die Distanzhülse 49 auf den Außenring 44 des Lagers 40 gepresst wird, sodass das Kontaktierelement 48 im Wesentlichen drehfest auf dem Außenring 44 des Lagers 40 angeordnet ist. Aufgrund der Steifigkeit des Kontaktierelementes 48 in axialer Richtung wird das Kontaktierelement 48 ferner auf den Innenring 46 des Lagers 40 gepresst. Durch die flächige Anlage des Kontaktierelementes 48 sowohl am Außenring 44 des Lagers 40 als auch am Innenring 46 des Lagers 40 kann der Innenraum 58 des Lagers 40 in vorteilhafter Weise im Bereich des Kontaktierelementes 48 abgedichtet werden. Auf diese Weise können das Austreten von Schmierstoffen aus dem Lager 40 sowie das Eindringen von Partikeln in das Lager 40 verringert werden und somit die Lagerlebensdauer erhöht werden. Ferner kann eine solche, über das Kontaktierelement 48 bereitgestellte Dichtung besonders einfach montiert und in bereits bestehenden Systemen nachgerüstet werden. Aufgrund des optimierten Reibwertes der Chemisch-Nickel-Schicht 52 kann der Dichtungsverschleiß darüber hinaus in vorteilhafter Weise minimiert werden. Durch die integrale Bauweise des Elektromotors 10, bei welcher sowohl die Funktion der Dichtung des Lagers 40,42 als auch der Ausgleich von Potentialunterschieden in einem Bauteil integriert sind, können unter anderem die Zielfunktionen Gewicht, Bauteilezahl und Kosten in vorteilhafter Weise optimiert werden.
Wie in 2 deutlich zu erkennen ist, ist das Kontaktierelement 48 zweiteilig ausgebildet. Gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist das Kontaktierelement zu diesem Zweck ein Tragelement 54 und ein Anlageelement 56 auf, wobei das Anlageelement 56 die Nickelschicht 52 aufweist. Bei einem Tragelement 54 der hier zur Rede stehenden Art kann es sich um ein Stützelement aus Metall handeln. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Tragelement 54 aus einem anderen Material ausgebildet ist. Aufgrund der außenstromlosen Abscheidung bei der chemischen Vernickelung ist es möglich, auch elektrisch nicht leitfähige Tragelemente 54, welche beispielsweise aus Kunststoff ausgebildet sind, zu beschichten. Erfindungswesentlich ist hierbei lediglich, dass das Tragelement 54 eine ausreichende Biegesteifigkeit aufweist und somit eine stützende Struktur für Anlageelement 56 bildet und dass die Oberfläche des Tragelementes 54 derart ausgebildet ist, dass die Chemisch-Nickel-Schicht 52 auf dem Tragelement 54 stromlos abgeschieden werden kann. Neben seiner Funktion, einen Grundkörper für die Abscheidung der Nickelschicht 52 bereitzustellen kann es ferner vorgesehen sein, dass das Tragelement 54 derart ausgebildet ist, dass es in der Lage ist, kleine Toleranzunterschiede zwischen Rotor 14 und Stator 12 auszugleichen.
Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Elektromotors 10 gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform wird zunächst in einem ersten Fertigungsschritt die Nickelschicht 52 auf dem Tragelement 54 mittels chemischer Vernickelung abgeschieden. Die Nickelschicht 52 weist dabei vorzugsweise eine Schichthöhe 62 von 7-15µm auf. Anschließend wird das Kontaktierelement 48 soweit auf die Motorwelle 26 geschoben bis es mit dem Anlageelement 56 an dem Innenring 46 des ersten Lagers 40 anliegt. Im Anschluss wird die Distanzhülse 49 aufgeschoben, welche den äußeren Abschnitt des Kontaktierelementes 48 gegen den Außenring 44 presst. Erfindungswesentlich ist hierbei, dass der Auflagebereich zwischen dem Außenring 44 und dem Kontaktierelement 48 flächenmäßig so groß ausgelegt ist, dass eine ausreichend stabile Ohmsche Verbindung zwischen dem Außenring 44 und dem Kontaktierelement 48 bereit gestellt werden kann und dass lediglich der Anlagebereich 56 des Kontaktierelementes schleifend an sich drehenden Bauteilen anliegt.
3 zeigt die in 2 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kontaktierelementes 48 in einer perspektivischen Darstellung. Wie in 3 deutlich zu erkennen ist, ist die Schichthöhe 62 der Chemisch-Nickel-Schicht 52 derart eingestellt, dass sie in Axialrichtung bündig mit dem Tragelement 54 abschließt. Sowohl das Anlageelement 56 als auch das Tragelement 54 sind gemäß der in 5 dargestellten Ausführungsform als im Wesentlichen kreisringförmige Scheiben ausgebildet. Es sei an dieser Stelle ausdrücklich erwähnt, dass es auch denkbar ist, dass das Anlageelement 56 oder das Tragelement 54 eine andere Form aufweisen insofern diese geeignet sind, die entsprechenden Funktionalitäten bereitzustellen.
Wie bereits erläutert, kann die Nickelschicht 52 gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung als Nickel-Phosphor-Legierungsschicht ausgebildet sein, in welche PTFE Partikel eingelagert sind. Ein Phosphorgehalt von 10-12Vol.% hat sich dabei als besonders geeignet erwiesen, da bei einem solchen Phosphorgehalt der Verschleißschutz für den erfindungsgemäßen Elektromotor 10 als besonders geeignet erachtet wird. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es ferner vorgesehen, dass die Nickelschicht 52 zwischen 20 Vol.% und 30 Vol.% PTFE-Partikel aufweist, welche vorzugsweise zwischen 0,1µm und 0,3µm groß sind. Einlagerungsraten über 30 Vol.% sind bezüglich des tribologischen Verhaltens für einen entsprechenden Elektromotor 10 der hier zur Rede stehenden Art nicht geeignet, da zu wenig der zusammenhaltenden Chemisch-Nickel-Matrix vorhanden ist, wodurch die Partikel nicht ausreichend fest in der Schicht gehalten werden können.
Wie bereits eingangs erläutert, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Nickelschicht 52 drehbar an der Stirnfläche 60 des Lagers 40 beziehungsweise der Mantelfläche 28 der Motorwelle 26 anliegt. Da eine solche Nickelschicht 52, insbesondere unter der Zugabe von bestimmten Trockenschmierstoffen sehr kostenlastig sein kann, kann es gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die radiale Breite 64 des Anlageelementes 56 in radialer Richtung reduziert wird, sodass lediglich auf einem schmalen umlaufenden Rand des Trageelementes 54 die entsprechende Nickelschicht 52 beziehungsweise Chemisch-Nickel-Schicht abgeschieden wird. Erfindungswesentlich ist jedoch, dass das Tragelement 54 selbst nicht an rotierenden Bauteilen schleifend anliegt und hier Reibungsverluste bewirkt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass das Anlageelement 56 in axialer Richtung über die Kontur des Tragelementes 54 hinaussteht. Ferner kann es vorgesehen sein, dass das Anlageelement 56 beziehungsweise die Nickelschicht 52 die gesamte radiale Breite 66 des Tragelementes 54 überdeckt. Eine solche Ausführungsform ist beispielhaft in den 4 und 5 dargestellt.
4 zeigt einen Ausschnitt des Elektromotors 10 entsprechend 2 mit dem einzigen Unterschied, dass das Kontaktierelement 48 in einer weiteren alternativen Ausführungsform dargestellt ist. Das Kontaktierelement 48 aus 4 weist nunmehr eine Nickelschicht 52 beziehungsweise ein Anlageelement 56 auf, welches das Tragelement 56 einseitig über die gesamte radiale Breite 66 überdeckt. Wie in 4 weiterhin zu erkennen ist, liegt das Kontaktierelement 48 mit dieser Anlagefläche 56 sowohl an der Stirnseite 60 des Lagers 40 als auch an der Mantelfläche 28 der Motorwelle drehbar an.
Im Folgenden wird die drehbare, axiale Kontaktierung des Kontaktierelementes 48 mit der Stirnseite 60 des Lagers 40 als erste Schleifkontaktfläche 68 und die drehbare, radiale Kontaktierung des Kontaktierelementes 48 mit der Mantelfläche 28 der Motorwelle 26 als zweite Schleifkontaktfläche 70 bezeichnet. Eine Ausführungsform der Erfindung gemäß welcher es vorgesehen ist, dass das Kontaktierelement 48 sowohl an der ersten Schleifkontaktfläche 68 als auch an der zweiten Schleifkontaktfläche 70 anliegt, hat den Vorteil, dass bei einem Verlust der Kontaktierung mit einer der beiden Schleifkontaktflächen 68, 70 der Potentialausgleich über die entsprechende verbleibende Kontaktierung erfolgen kann. Insbesondere ein leichtes Abheben des Kontaktierelementes 48 von der ersten Schleifkontaktfläche 68 kann im Betrieb durch Anlaufbewegungen oder Schüttelbelastungen auftreten, sodass die entsprechende radiale Kontaktierung die Funktion des Ausgleichs der Potentialunterschiede aufrechterhalten kann. Auf diese Weise kann die Ausfallsicherheit der elektrischen Brücke erhöht werden.
Ferner kann mittels eines solchen, an beiden Schleifkontaktflächen 68, 70 anliegenden Kontaktierelementes 48 die Abdichtung des Lagerinnenraumes 58 gegenüber der Umgebung aufgrund der zusätzlichen Dichtflächen besonders bevorzugt bereitgestellt werden.
5 zeigt das in 4 abgebildete Kontaktierelement 48 in einer perspektivischen Darstellung. Wie in 5 deutlich zu erkennen ist, weist das erfindungsgemäße Kontaktierelement 48 eine Nickelschicht 52 auf, welche die gesamte Breite des Tragelementes 54 überdeckt. Im montierten Zustand liegt somit das Anlageelement 56 sowohl am Innenring 46 als auch am Außenring 44 kontaktierend an. Aufgrund des niedrigen Reibwertes des Anlageelementes 56 kann es bei einer solchen Ausführungsform der Erfindung sein, dass die Distanzhülse 49 keine ausreichend große Flächenpressung bereitstellen kann, um eine drehfeste Verbindung zwischen dem Außenring 44 und dem Anlageelement 56 bereitzustellen, sodass Relativbewegungen zwischen Anlageelement 56 und dem Außenring 44 auftreten können. Dies beeinträchtigt jedoch den Ausgleich von Potentialunterschieden nicht oder nur unwesentlich.
Wie bereits erläutert, liegt das Kontaktierelement 48 gemäß der in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsform sowohl an der ersten Schleifkontaktfläche 68 als auch an der zweiten Schleifkontaktfläche 70 schleifend an. Um dennoch bei der Montage ein einfaches Aufschieben des Kontaktierelementes 48 auf die Motorwelle 26 sicherstellen zu können, weist das Kontaktierelement gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung einen Innendurchmesser auf, dessen Kleinstmaß größer oder gleich groß ist wie das Größtmaß des Durchmessers der Motorwelle 26.
In 6 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. 6 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Elektromotors 10, wie er bereits in den 2 und 4 dargestellt ist, mit dem Unterschied, dass das Kontaktierelement 48 nunmehr als Teil des Lagers 40 selbst ausgebildet ist. Wie in 6 deutlich zu erkennen ist, weist das Wälzlager 40 an seiner, dem freien Ende 30 der Motorwelle 26 zugewandten Seite eine Deckscheibe 76 auf. Diese Deckscheibe 76 bildet erfindungsgemäß das Tragelement 54 für die Nickelschicht 52 aus.
Wie in 6 zu erkennen ist, ist die Deckscheibe 76 gemäß der in 6 dargestellten Ausführungsform am Außenring 44 angeordnet und erstreckt sich in radialer Richtung soweit in Richtung des Innenrings 46, dass zwischen dem Innenring 46 und der Deckscheibe lediglich ein schmaler Spalt verbleibt. Erfindungsgemäß ist es nunmehr vorgesehen, dass diese Deckscheibe 76 mit einer Nickelschicht beziehungsweise Chemisch-Nickel-Schicht derart beschichtet wird, dass die Nickelschicht schleifend am Innenring 46 des Wälzlagers 40 anliegt. Aufgrund der guten tribologischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Nickelschicht können Reibungsverluste an der schleifenden Anlage minimiert werden, gleichzeitig ist ein solches Kontaktierelement 48 jedoch in der Lage, Potentialunterschiede zwischen Rotor 14 und Stator 12 auszugleichen und eine Abdichtung des Innenraumes 56 des Lagers 40 bereitzustellen. Diese funktionale Integration wirkt sich dabei vorteilhaft auf die Anzahl der Komponenten eines solchen Elektromotors 10 sowie den benötigten Platzbedarf aus.
Gemäß der in 6 dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die Nickelschicht 52 auf der, dem freien Ende 30 der Motorwelle 26 zugewandten Seite der Deckscheibe 76 angeordnet. Es sei an dieser Stelle jedoch ausdrücklich erwähnt, dass sich die Erfindung nicht auf eine solche Ausführungsform beschränkt. So ist es beispielsweise auch denkbar, dass die Nickelschicht 52 beziehungsweise das Anlageelement 56 die Deckscheibe umgreift oder alternativ auf der dem Innenraum 58 des Lagers 40 zugewandten Seite angeordnet sein kann.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Anwendung von Deckscheiben 76 als Trageelemente 54 beschränkt. So ist es beispielsweise auch denkbar, dass andere nicht berührende Dichtungen der Lager 40, 42, wie beispielsweise nicht berührende Dichtscheiben oder Stauscheiben, als Tragelemente 54 ausgebildet sein können. Da, wie bereits eingangs erläutert, Chemisch-Nickel-Schichten sowohl auf metallischen Grundkörpern als auch auf Grundkörpern aus Kunststoff abgeschieden werden können, beschränkt sich die Erfindung überdies nicht auf ein metallisches Lagerteil als Tragelement 74, sodass beispielsweise Dichtscheiben aus Kunststoff als Tragelemente 54 im Sinne der Erfindung geeignet sein können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es überdies auch denkbar, dass zusätzlich oder alternativ zu einer, entsprechend 6 angeordneten Deckscheibe 76, diese an der, dem freien Ende 30 der Motorwelle 26 abgewandten Seite angeordnet sein kann. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass eine solche als Kontaktierelement 48 ausgebildete Deckscheibe 78, welche die Funktion des Tragkörpers für die auf der Deckscheibe aufgebrachte Nickelschicht 52 bildet, zusätzlich oder alternativ auch am zweiten Lager 42 angeordnet sein kann. Es sei an dieser Stelle weiterhin ausdrücklich darauf hingewiesen, dass sich die Form der Deckscheibe 76 nicht auf die in 6 dargestellte Kontur beschränkt. So sind eine Vielzahl an Deckscheiben denkbar, insofern sie geeignet sind, die Funktionalität des Tragelementes 74 entsprechend bereitzustellen. Darüber hinaus kann eine solche Deckscheibe 76, beziehungsweise Dichtscheibe, in Abhängigkeit des Anwendungsfalles als einzige Abdichtung für das Lager 40, 42 vorgesehen sein oder zusätzlich zu einer weiteren Vordichtung.
7 zeigt eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung gemäß welcher das Tragelement 54 als Federelement 78 ausgebildet sein kann. Wie in 7 zu erkennen ist, ist das Tragelement 54 gemäß der in 7 dargestellten Ausführungsform der Erfindung, integraler Bestandteil einer Speednut 51 zur axialen Fixierung des Lagers 42 und weist ein als Beigebalken ausgebildetes Federelement 78 auf, welches die Motorwelle 28 stirnseitig kontaktiert. Ferner ist es vorgesehen, dass das Federelement 78 im Bereich der Kontaktierung die erfindungsgemäße Nickelschicht 52 aufweist, sodass Reibungsverluste an der schleifenden Anlage in vorteilhafter Weise vermindert werden können.
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich erwähnt, dass sich das als Tragelement 54 ausgebildete Federelement 78 nicht auf eine solche, in 7 dargestellte Ausführungsform beschränkt. So ist es beispielsweise auch denkbar, dass ein oder mehrere Federelemente 78 zwischen dem Innenring 46 und dem Außenring 44 der Lager 40, 42 angeordnet sein können. Ferner ist es auch denkbar, dass ein solches Federelement 78 die Motorwelle 26 beziehungsweise die Mantelfläche 28 der Motorwelle26 radial kontaktiert. Erfindungswesentlich ist hierbei lediglich, dass auf dem Tragelement 54 ein entsprechendes Anlageelement 56 angeordnet ist, welches die erfindungsgemäße Nickelschicht 52 aufweist, und dass diese Nickelschicht 52 entsprechend an den sich drehenden Bauteilen des Elektromotors 10 angeordnet ist.
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 Ausgestaltung des Kontaktierelementes 48 und/oder des Einlegeelementes 76 an die zulässige Relativgeschwindigkeiten, Reibwerte und Quietschgeräusche angepasst werden. Auch die Ausgestaltung des Kontaktierelementes 48 als einteiliges beziehungsweise mehrteiliges Bauteil sowie die Art der drehfesten Befestigung des Kontaktierelementes am Wälzlager kann an Produktanforderungen wie beispielsweise die Kosten des Bauteils oder die Nachrüstbarkeit eines bestehenden Systems angepasst werden.
Vorzugsweise treibt der erfindungsgemäße Elektromotor 10 ein Verbrennungsmotorkühlgebläse an. Der Elektromotor 10 kann jedoch auch in einer Pumpe, insbesondere einer Kühlflüssigkeitspumpe, oder einer Innenraum Lüftungsanlage eines Fahrzeugs eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012201545 A1 [0003]

Claims

Elektromotor (10), insbesondere Außenläufermotor, mit einem Rotor (14), einem Stator (12) und einer Motorwelle (26), wobei die Motorwelle (26) dem Stator (12) oder dem Rotor (14) zugeordnet ist und eine Drehachse (32) aufweist, um welche Rotor (14) und Stator (12) zueinander mittels wenigstens eines Lagers (40, 42) drehbar gelagert sind, und wobei die Motorwelle (26) eine Mantelfläche (28) aufweist und zwischen Rotor (14) und Stator (12) ein Kontaktierelement (48) angeordnet ist, welches in Kontakt mit dem wenigstens einen Lager (40,42) steht und an der Mantelfläche (28) der Motorwelle (26) und/oder einer Anlagefläche des Lagers (40, 42) zu dieser bewegbar, insbesondere drehbar, anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktierelement (48) zumindest teilweise aus einer Nickelschicht (52), insbesondere einer Chemisch-Nickel-Schicht ausgebildet ist, oder zumindest eine solche Nickelschicht (52) aufweist.
Elektromotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Chemisch-Nickel-Schicht als Nickel-Phosphor-Legierungsschicht ausgebildet ist.
Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelschicht Festschmierstoffpartikel, insbesondere PTFE-Partikel aufweist.
Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelschicht 20-30 Vol.% PTFE-Partikel aufweist.
Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelschicht PTFE-Partikel mit einer Partikelgröße zwischen 0,1-0,3µm aufweist.
Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickel-Phosphor-Legierungsschicht einen Phosphorgehalt von 9-13Vol. %, insbesondere von 10-12Vol. % aufweist.
Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelschicht (52) eine Schichtdicke von 5-25µm, insbesondere von 7-15µm aufweist.
Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktierelement (48) zumindest zweiteilig ausgebildet ist und wenigstens ein Tragelement (54) und wenigstens ein Anlageelement (56) aufweist, wobei das Anlageelement (56) die Nickelschicht (52) aufweist.
Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktierelement (48) als Dichtelement für das Lager (40, 42) ausgebildet ist.
Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktierelement (48) und/oder das Tragelement (54) als kreisringförmige Scheibe ausgebildet ist, wobei die Nickelschicht (52) an der Stirnfläche (60) des Lagers (40, 42) und/oder der Mantelfläche (28) der Motorwelle (26) schleifend anliegt.
Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (40, 42) als Wälzlager ausgebildet ist und einen Innenring (46) und einen Außenring (44) aufweist, wobei das Kontaktierelement (48) mit dem Außenring (44) verbunden ist und an dem Innenring (46) bewegbar, insbesondere drehbar anliegt.
Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorwelle (26) drehfest mit dem Stator (12) verbunden ist, der Innenring (46) drehfest mit der Motorwelle (26) verbunden ist und der Außenring (44) an einem Lagersitz (36) anliegt, wobei der Lagersitz (36) am Rotor (14) ausgebildet ist.
Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktierelement (48) oder das Tragelement (54) als Teil des Wälzlagers (40 42), insbesondere als Deckscheibe (76) des Wälzlagers (40, 42) ausgebildet ist.
Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragelement (54) als Federelement (78) ausgebildet ist.
Kontaktierelement (48) zur Verwendung in einem Elektromotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktierelement (48) wenigstens ein Tragelement (54) und wenigstens ein Anlageelement (56) aufweist, wobei das Anlageelement (56) eine Nickelschicht (52), insbesondere eine Chemisch-Nickel-Schicht aufweist, wobei die Nickelschicht (52) im eingebauten Zustand an der Stirnfläche (60) des Lagers (40, 42) und/oder der Mantelfläche (28) der Motorwelle (26) schleifend anliegt.
Kontaktierelement (48) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktierelement (48) und/oder das Tragelement (54) als kreisringförmige Scheibe ausgebildet ist.
Lager (40,42) mit einem Kontaktierelement (48) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (40, 42) eine Deckscheibe (78) aufweist, wobei die Deckscheibe (78) als Tragelement (54) ausgebildet ist und wobei das Tragelement (54) eine Nickelschicht (52) aufweist, welche an einer Anlagefläche des Lagers (40, 42) schleifend anliegt.