DE102018106916A1

DE102018106916A1 - Antriebseinheit für einen Stellantrieb und Stellantrieb für einen Klappensteller

Info

Publication number: DE102018106916A1
Application number: DE102018106916.2A
Authority: DE
Inventors: Jürgen SCHILL; Andrey Pulnikov; Giovanni Biancuzzi; Helmut Schneider
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2018-09-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für einen Stellantrieb mit einem Elektromotor (10), der einen Stator (12) und einen in dem Stator angeordneten Rotor aufweist, wobei der Rotor mit einer Abtriebswelle (14) gekoppelt ist, die ein Antriebszahnrad (16) trägt, und mit einem Getriebestrang (20), der ein erstes Zwischenrad (22) aufweist, wobei das Antriebszahnrad (16) die Drehbewegung des Rotor an das erste Zwischenrad (22) überträgt, wobei eine Achse (42) oder Welle des ersten Zwischenrades (22) sich durch einen Raum erstreckt, der durch den Innendurchmesser und den Außendurchmesser des Stators (12) eingrenzt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für einen Stellantrieb mit einem Elektromotor und einen Stellantrieb für einen Klappensteller. Der Elektromotor umfasst einen Stator und einen in dem Stator angeordneten Rotor, der mit einer Abtriebswelle gekoppelt ist. Die Abtriebswelle trägt ein Antriebszahnrad, welches die Bewegung des Elektromotors auf einen Getriebestrang überträgt.
HINTERGRUND
Ein Anwendungsgebiet sind Stellantriebe mit Kleinmotoren, welche eine kompakte Bauweise und ein geringes Gewicht haben, insbesondere mit klein bauenden bürstenlosen Gleichstrommotoren, die im Automobilbereich zur Anwendung kommen, z. B. als Stellmotor, Lüftermotor, Antrieb für Klappensteller, beispielsweise in Klimaanlagen und zur Motorkühlung, wobei die Erfindung auf diese Anwendungen nicht beschränkt ist.
Die Antriebseinheit kann z.B. in Verbindung mit solchen Stellantrieben eingesetzt werden, die eine im Vergleich zur Drehzahl des Elektromotors langsame Verstellung des Stellgliedes erzeugen, beispielsweise in einer Lüftungsklappe. Als Antriebsmotor kommen z. B. bürstenlose Gleichstrommotoren zum Einsatz, die eine Drehzahl der Antriebswelle in der Größenordnung bis etwa 4000 U/min erzeugen können, spezieller im Bereich von etwa 500 bis 5000 U/min, während die am Abtrieb für den Klappensteller erforderliche Drehzahl z. B. im Bereich von 15 bis 20 U/min liegt. Die erforderlichen Drehmomente liegen im Bereich von beispielsweise 0,5 bis 3 Nm. In solchen Stellantrieben kann die Antriebseinheit somit ein Übersetzungsverhältnis größer als 1 (Untersetzung), zwischen Antrieb und Abtrieb erzeugen, wobei diese Übersetzung beispielsweise im Bereich von 2 bis 8 oder von 4 bis 5 pro Getriebestufe liegt, d. h. 4 ≤ i ≤ 5 für i = z_Abtrieb/z_Antrieb, wobei z die Anzahl der Zähne der Zahnräder einer Getriebestufe bezeichnet. Umgekehrt zur Drehzahl verhält sich das übertragene Drehmoment. Je niedriger die Abtriebsdrehzahl im Verhältnis zur Antriebsdrehzahl ist, desto stärker ist somit die Drehmomenterhöhung vom Antrieb zum Abtrieb.
Derartige Stellantriebe sind grundsätzlich bekannt und verwenden einen Getriebestrang mit einer Abfolge von Zahnrädern, die zwischen einem Antriebszahnrad oder einer Antriebsschnecke und einem Abtriebszahnrad angeordnet sind. Die zwischen dem Antriebszahnrad und dem Abtriebszahnrad angeordneten Zahnräder werden auch als Zwischenzahnräder oder Zwischenräder bezeichnet.
Die Leistungsfähigkeit des Antriebs hängt unter anderem von der Größe des Stators ab, die wiederum den minimalen Abstand des ersten Zwischenrades des Getriebestrangs von dem Antriebszahnrad bestimmt. Somit ist die Größe des ersten Zwischenrads abhängig von der Größe des Stators. Die Größe des Abtriebszahnrades wird unter anderem bestimmt durch die Größe des Gehäuses, das den Elektromotor und den Getriebestrang aufnimmt. Gehäusegröße und Größe des Stators beeinflussen somit die mit der Antriebseinheit erreichbare Übersetzung bzw. Untersetzung.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Antriebseinheit für einen Stellantrieb anzugeben, die einen einfachen und kompakten Aufbau hat und mit der das Übersetzungsverhältnis bzw. Untersetzungsverhältnis von Antriebszahnrad zu Abtriebszahnrad optimiert werden kann.
ÜBERBLICK
Diese Aufgabe wird durch eine Antriebseinheit für einen Stellantrieb gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Erfindung sieht ferner einen Stellantrieb für einen Klappensteller gemäß Patentanspruch 29 vor.
Die erfindungsgemäße Antriebseinheit umfasst einen Elektromotor, der einen Stator und einen in dem Stator angeordneten Rotor aufweist, wobei der Rotor ein Antriebszahnrad trägt. Sie hat ferner einen Getriebestrang, der ein erstes Zwischenrad aufweist, wobei das Antriebszahnrad die Drehbewegung des Rotors an das erste Zwischenrad überträgt. Eine Achse oder Welle des ersten Zwischenrades erstreckt sich durch einen Raum, der durch den Innendurchmesser und den Außendurchmesser des Stators eingrenzt wird. Durch diese Bauweise kann die Achse oder Welle des ersten Zwischenrades mit geringem Abstand zur Rotorachse angeordnet werden. Sie kann sich beispielsweise durch eine Statornut erstrecken, wobei sie in der oder angrenzend an die Nutöffnung oder im Bereich zwischen der Nutöffnung und dem Statorrückschluss angeordnet sein kann. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die Achse oder Welle aus magnetisch nicht leitendem Material ist. Alternativ kann sie sich durch eine Bohrung in einem Statorpol erstrecken, zum Beispiel mittig durch einen Polschuh des Stators. In dieser Ausgestaltung ist es vorteilhaft, wenn die Achse oder Welle aus magnetisch leitendem Material besteht. Die Achse oder Welle ist somit mit geringem Abstand zum Außenumfang des Rotors angeordnet. Dieser Abstand kann zum Beispiel in der Größenordnung von 0,5 bis 2 mm liegen. Das Antriebszahnrad kann beispielsweise mit einer Abtriebswelle gekoppelt sein, wobei das Antriebszahnrad und die Abtriebswelle auch einteilig ausgebildet sein können.
Durch die Anordnung der Achse oder Welle des ersten Zwischenrades nahe am Außenumfang des Rotors kann der Getriebestrang so ausgelegt werden, dass das Untersetzungsverhältnis zwischen dem Antriebszahnrad und dem ersten Zwischenrad in der Größenordnung von 4,8:1 und das Untersetzungsverhältnis des Getriebestrangs insgesamt in der Größenordnung von 471:1 liegt. Vorzugsweise liegt das Untersetzungsverhältnis zwischen dem Antriebszahnrad und dem ersten Zwischenrad im Bereich von 3:1 und 7:1 und beträgt beispielsweise 4,8:1. Ebenso ist es bevorzugt, dass das Untersetzungsverhältnis des Getriebestrangs insgesamt im Bereich von 200:1 bis 800:1, beispielsweise im Bereich von 250:1 bis 600:1, liegt. Dies erlaubt einen Betrieb des Elektromotors mit relativ geringen Drehzahlen, beispielsweise in der Größenordnung von 3000 min^-1, um im Ergebnis eine Drehzahl an der Abtriebswelle in der Größenordnung von 6 min^-1 zu erhalten, wenn der Motor mit einer Drehzahl von zum Beispiel 2800 min^-1 dreht. Dadurch kann die Entwicklung störender Geräusche im Betrieb der Antriebseinheit vermieden werden. Auch wird dadurch das in den einzelnen Getriebestufen übertragene Drehmoment und insbesondere das in der ersten Getriebestufe übertragene Drehmoment begrenzt. Auch kann die auf die erste Getriebestufe wirkende Last begrenzt werden. Ferner hat die erfindungsgemäße Bauweise den Vorteil, dass die Größe des Stellantriebs insgesamt verringert werden kann.
Da die Achse oder Welle des ersten Zwischenrades sich durch den Raum erstreckt, der durch den Innendurchmesser und den Außendurchmesser des Stators eingegrenzt wird, kann das erste Zwischenrad stabil gelagert werden, indem zum Beispiel seine Achse die Höhe des Antriebsgehäuses durchgreift und zwischen dem Gehäuseboden und dem Gehäusedeckel eingespannt ist.
Wenn die Achse des ersten Zwischenrades durch einen elektrisch leitenden Stift gebildet ist, der durch die Bohrung in dem Statorpol geführt ist, kann die Achse die zusätzliche Aufgabe übernehmen, den Stator mit einem Erdungskontakt elektrisch zu verbinden. In manchen Ausgestaltungen ist die Achse des ersten Zwischenrads dabei magnetisch leitend, so dass diese keinen magnetischen Widerstand für den magnetischen Fluss durch den Statorpol darstellt.
In einer Ausgestaltung, in der sich die Achse oder Welle des ersten Zwischenrades durch eine Statornut erstreckt, kann diese Statornut durch zwei benachbarte Statorzähne eingegrenzt sein, die zwei unterschiedlichen Phasen, z.B. den Phasen A und B, zugeordnet sind. Um für die Aufnahme der Achse oder Welle zusätzlichen Platz zu schaffen, können die zwei benachbarten Statorzähne, welche die Achse oder Welle einfassen, Statorspulen mit einer geringeren Windungszahl tragen als andere Statorzähne des Elektromotors. Alternativ oder zusätzlich können die zwei benachbarten Statorzähne eine geringere Breite haben als andere Statorzähne des Elektromotors. Alternativ oder zusätzlich können die zwei benachbarten Statorzähne auch im Verhältnis zu den anderen Statorzähnen des Elektromotors versetzt sein. Zusätzlicher Platz zum Unterbringen der Achse oder Welle in einer Statornut kann ferner dadurch gebildet werden, dass nach dem Aufbringen der Spulen auf die Statorzähne ein Dorn oder ein ähnliches Werkzeug in die Statornut zwischen die Statorspulen eingebracht wird, um diese zu verdichten und den Raum zur Aufnahme der Achse oder Welle zu vergrößern.
Eine Vergrößerung einer Statornut kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die zwei benachbarten Statorzähne Mittenachsen aufweisen, die sich in radialer Richtung erstrecken und im Verhältnis zu einer gleichmäßigen Verteilung aller Mittenachsen aller Statorzähne des Elektromotors in Umfangsrichtung derart versetzt sind, dass sie einen größeren Abstand haben als andere Statorzähne. Gleichwohl können die Statorzähne Polschuhe tragen, deren Mittenachsen, welche sich in radialer Richtung erstrecken, in Umfangsrichtung des Stators gleichmäßig verteilt sind.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Elektromotor ein Dreiphasenmotor und hat eine ungerade Anzahl von Statorzähnen. In diesem Ausführungsbeispiel können die zwei benachbarten Statorzähne zwei Phasen, z.B. den Phasen A und B, zugeordnet sein. Wenn die zwei benachbarten Statorzähne Statorspulen mit geringerer Windungszahl tragen, liegt den zwei benachbarten Statorzähnen ein weiterer Statorzahn diametral gegenüber, der ebenfalls eine Statorspule mit der geringeren Windungszahl trägt und der dritten Phase C zugeordnet ist. Ähnlich liegt, wenn die zwei benachbarten Statorzähne eine reduzierte Breite haben, den zwei benachbarten Statorzähnen ein weiterer Statorzahn diametral gegenüber, der die gleiche reduzierte Breite hat wie die zwei benachbarten Statorzähne und der dritten Phase C zugeordnet ist. Dadurch erhält man in jeder Phase einen Statorzahn mit reduzierter Windungszahl und/oder mit reduzierter Breite, so dass das Drehmoment und die Back-EMF des Elektromotors in allen Phasen gleich sind. Die Symmetrie des Elektromotors im Betrieb bleibt erhalten.
In einer anderen Ausgestaltung ist der Elektromotor ein Dreiphasenmotor und hat eine gerade Anzahl von Statorzähnen. Auch in dieser Ausgestaltung können wieder die zwei benachbarten Statorzähne zwei Phasen, z.B. den Phasen A und B, zugeordnet sein. Wenn die zwei benachbarten Statorzähne der Phasen A und B Statorspulen mit geringerer Windungszahl tragen, ist ihnen ein weiterer Statorzahn benachbart, der ebenfalls eine Statorspule mit der geringeren Windungszahl trägt und der dritten Phase C zugeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ kann dann, wenn die zwei benachbarten Statorzähne der Phasen A und B eine reduzierte Breite haben, der benachbarte Statorzahn die gleiche reduzierte Breite haben und der dritten Phase C zugeordnet sein. Dadurch kann auch bei einem Elektromotor mit gerader Anzahl von Statorzähnen das Drehmoment und die Back-EMF des Elektromotors in allen Phasen gleich gehalten werden. Die Symmetrie des Elektromotors im Betrieb bleibt erhalten.
In einer Ausgestaltung ist das erste Zwischenrad mit seiner Welle auf einer Achse des ersten Zwischenrades gelagert. Zwischen dem Elektromotor und dem ersten Zwischenrad ist eine Leiterplatte angeordnet, und die Achse des ersten Zwischenrades ist durch eine Öffnung in der Leiterplatte geführt. Auf der von dem Elektromotor abgewandten Seite der Leiterplatte ist ein axialer Anschlag, beispielsweise ein Wellensitz, mit einer Anlauffläche für das erste Zwischenrad vorgesehen ist. Die Anlauffläche kann gebildet sein durch eine auf die Achse aufgebrachte Anlaufbuchse, die in der Öffnung in der Leiterplatte zu liegen kommt. Die Anlaufbuchse kann in die Öffnung der Leiterplatte eingepresst sein. Sie kann alternativ oder zusätzlich einen Flansch aufweisen, der auf der Leiterplatte aufliegt oder in die Öffnung in der Leiterplatte eingepresst sein. Die Anlaufbuchse kann aus einem Material mit geringem Gleitwiderstand hergestellt sein, z.B. aus Kunststoff, Aluminium, Bronze, Kupfer, Messing, Zinn oder einer Legierung, die wenigstens eines dieser Metalle enthält, oder PTFE (Teflon) enthalten. Alternativ kann sie mit einem solchen Material beschichtet sein. Beispielsweise kann die Anlaufbuchse aus einem ersten Kunststoff bestehen und mit einem zweiten Kunststoff, der einen geringeren Gleitwiderstand als der erste Kunststoff aufweist, oder mit PTFE, beschichtet sein. In anderen Ausgestaltungen kann eine metallische Anlaufbuchse mit einer PTFE-Beschichtung vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann an der von dem Elektromotor abgewandten Seite der Leiterplatte ein Oberflächenbereich der Leiterplatte um die Öffnung herum modifiziert sein, um den Gleitwiderstand des Oberflächenbereichs zu reduzieren. Hierzu kann der Oberflächenbereich mit einem Metall oder Kunststoff beschichtet sein, z.B. mit Aluminium, Bronze, Kupfer, Messing, Zinn oder einer Legierung, die wenigstens eines dieser Metalle enthält, oder PTFE (Teflon) enthält.
In dieser Konfiguration ist die Achse durch die Leiterplatte zusätzlich stabilisiert, und es wird eine stabile, gleitreibungsarme Anlauffläche für die Welle des ersten Zwischenrades bereitgestellt.
Die Antriebseinheit kann ein Gehäuse zur Aufnahme des Elektromotors und einer Vielzahl von Zahnrädern des Getriebestrangs, einschließlich des ersten Zwischenrades aufweisen, wobei die Achse an einem Gehäuseboden der Antriebseinheit gelagert ist. An den Gehäuseboden können Lagersitze zur Aufnahme von Lagerstiften oder Achsen der Zahnräder des Getriebestrangs angeformt sein, wobei die Zahnräder auf den Lagerstiften oder Achsen gelagert sind. Beispielsweise können die Zahnräder mit Hohlwellen gekoppelt sein, wobei jeweils ein oder zwei Zahnräder einteilig mit einer Hohlwelle ausgebildet sein können.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Antriebseinheit sind im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Figurenliste
In den Fig. zeigen

1 eine Schnittdarstellung durch einen Stellantrieb gemäß einem Beispiel;
2 eine Draufsicht auf einen unteren Gehäuseteil des Stellantriebs gemäß einem Beispiel;
3 eine perspektivische Darstellung des unteren Gehäuseteils der 2;
4 eine Draufsicht auf einen unteren Gehäuseteil des Stellantriebs gemäß einem anderen Beispiel;
5 eine perspektivische Darstellung des unteren Gehäuseteils der 4;
6A und 6B schematische Schnittdarstellungen durch einen Elektromotor gemäß den Grundsätzen der Erfindung und gemäß einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung;
7A und 7B schematische Schnittdarstellungen durch einen anderen Elektromotor gemäß den Grundsätzen der Erfindung und gemäß einer weiteren speziellen Ausgestaltung der Erfindung;
8A und 8B schematische Schnittdarstellungen durch einen Elektromotor gemäß den Grundsätzen der Erfindung und gemäß noch einer weiteren speziellen Ausgestaltung der Erfindung;
8C, 8D, 8E und 8F Detailansichten verschiedener Aspekte eines Stators, der in dem Elektromotor der 8B eingesetzt sein kann; und
9A und 9B schematische Schnittdarstellungen durch einen Elektromotor gemäß den Grundsätzen der Erfindung und gemäß noch einer weiteren speziellen Ausgestaltung der Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Beispiel eines Stellantriebs mit einem Elektromotor, wobei in der Darstellung der 1 nur der Stator 12 zu erkennen ist. Der Stator 12 umschließt einen Rotor, der mit einer Antriebswelle 14 gekoppelt ist, wobei die Antriebswelle 14 im Beispiel auf einer drehfesten Achse 41 gelagert ist.
Der Rotor kann, wie grundsätzlich bekannt, einen Magnetträger und Permanentmagnete aufweisen. Der Magnetträger kann einteilig mit der Welle 14 ausgebildet sein. Die Antriebswelle 14 trägt ein Antriebszahnrad 16, dass die Drehbewegung des Motors an einen Getriebestrang 20 überträgt. Der Getriebestrang 20 bildet ein Untersetzungsgetriebe und umfasst in dem gezeigten Beispiel drei Zwischenzahnräder, im Folgenden auch als Zwischenräder bezeichnet, nämlich ein erstes Zwischenrad 22, ein zweites Zwischenrad 24 und ein drittes Zwischenrad 26, und ein Abtriebszahnrad 28. Das Abtriebszahnrad ist im Beispiel einteilig mit einer als Hohlwelle ausgebildeten Abtriebswelle 29 ausgeformt. Jedes der Zwischenräder ist als Doppelzahnrad ausgebildet, und bildet eine Getriebestufe jeweils zwischen dem stromaufwärts gelegenen Zahnrad und dem stromabwärts gelegenen Zahnrad. Eine erste Getriebestufe 20a wird somit zwischen dem Antriebszahnrad 16 und dem ersten Zwischenrad 22 gebildet; eine zweite Getriebestufe 20b wird zwischen dem ersten Zwischenrad 22 und dem zweiten Zwischenrad 24 gebildet; eine dritte Getriebestufe 20c wird zwischen dem zweiten Zwischenrad 24 und dem dritten Zwischenrad 26 gebildet; und eine vierte Getriebestufe 20d wird zwischen dem dritten Zwischenrad 26 und dem Abtriebszahnrad 28 gebildet. Der Getriebestrang 20 kann mehr oder weniger Zwischenräder umfassen, und er umfasst wenigstens ein Zwischenrad. Die Zwischenräder 22 bis 26 können jeweils als einteilig mit einer Hohlwelle ausgebildete Doppelzahnräder aufgefasst werden.
Die Antriebseinheit umfasst ferner eine Leiterplatte 30, die Bauteile zur Ansteuerung des Elektromotors trägt. Die Leiterplatte 30 kann zum Beispiel neben einer Steuereinheit mehrere Sensoren umfassen, welche die Drehlage des Rotors des Elektromotors bestimmen. Die Leiterplatte kann auch eine Schnittstelle zur Kommunikation und/oder Stromversorgung aufweisen, beispielsweise ein Anschluss an einen Datenbus oder einen Feldbus, wie einen LIN-Bus. Der Elektromotor ist beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor.
Der Motor 10, der Getriebestrang 20 und die Leiterplatte 30 sind in einem Antriebsgehäuse 32 aufgenommen, das einen Gehäuseboden 34 aufweist und mit einem Gehäusedeckel 36 verschlossen ist. Zwischen dem Gehäusedeckel 36 und dem Antriebsgehäuse 32 kann eine Dichtung vorgesehen sein, um das Innere der Antriebseinheit zu schützen. Alternativ können der Gehäusedeckel und das Antriebsgehäuse materialschlüssig, beispielsweise durch Laserschweißen oder Heißverstemmen, miteinander verbunden sein. Eine Anschlussbuchse 38 ist in dem Gehäuse 32 aufgenommen. Die Anschlussbuchse 38 ist mit der Leiterplatte 30 über eine Steckerleiste 48 elektrisch und mechanisch gekoppelt.
Der Elektromotor 10 ist an dem Gehäuseboden 34 innerhalb eines ringförmigen Stegs 40 gelagert. Der ringförmige Steg 40 hat einen Innendurchmesser, der dem Außendurchmesser des Stators 12 weitgehend entspricht, sodass er den Stator 12 eng umschließt. Im Zentrum des ringförmigen Stegs ist ebenfalls an dem Gehäuseboden 34 ein Lagersitz 50 für die Antriebswelle 14 angeformt. An ihrem gegenüberliegenden Ende ist die Antriebswelle 14 in der Leiterplatte 30 gelagert.
Das erste, das zweite, und das dritte Zwischenrad 22, 24, 26 sind jeweils auf Achsen 42, 44, 46 zwischen dem Gehäuseboden 34 und dem Gehäusedeckel 36 gelagert. Jedes der Zwischenräder 22, 24, 26 weist eine Hohlwelle auf, die auf der zugehörigen Achse drehbar gelagert ist. In 1 ist der Übersichtlichkeit halber nur die Hohlwelle 22' des ersten Zwischenrades 22 mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet. Entsprechende Lagersitze 52, 54, 56 für die Achsen sind an den Gehäuseboden 34 angeformt, und gegenüberliegende Lagersitze 62, 64, 66 sind an den Gehäusedeckel 36 angeformt. Die Lagersitze können in Form von Buchsen oder Hülsen ausgebildet sein, deren Länge angepasst werden kann, um eine gewünschte Steifigkeit der Lagerung zu erzielen. Ferner ist auch ein Lagersitz 58 für das Abtriebszahnrad 28 an den Gehäuseboden 34 und ein gegenüberliegender Lagersitz 68 für das Abtriebszahnrad 28 an den Gehäusedeckel 36 angeformt. In dem gezeigten Beispiel ist das Abtriebszahnrad 28 mittels seiner Lagersitze 58, 68 gelagert und gegen Herausfallen gesichert. Das Abtriebszahnrad 28 ist im Beispiel einteilig mit einer Hohlwelle 29 ausgebildet, wobei die Hohlwelle 29 sowohl am Gehäuseboden als auch am Gehäusedeckel über entsprechende Gehäuseöffnungen von außen an einen Verstellmechanismus koppelbar ist. Die beiden Gehäuseöffnungen sind durch zwei ringförmige Dichtlippen 70, 72 gegen das Eindringen von Feuchtigkeit und Schmutz abgedichtet.
Die Achse 42 des ersten Zwischenrades 22 verläuft durch einen Abschnitt des Elektromotors, der durch den Innendurchmesser und den Außendurchmesser des Stators 12 eingegrenzt ist. Mit anderen Worten durchdringt die Achse 42 einen Raum, der zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser des Stators 12 liegt. Dadurch kann die Achse oder Welle des ersten Zwischenrades mit geringem Abstand zur Achse oder Welle 14 des Rotors angeordnet werden. Der Abstand ist geringer als der Radius des Stators. Dies wiederum ermöglicht, das Untersetzungsverhältnis der ersten Getriebestufe 20a kleiner als im Stand der Technik auszulegen, beispielsweise in der Größenordnung von 3:1. Insgesamt kann dadurch ein Untersetzungsgetriebe mit einem kleineren Untersetzungsverhältnis als im Stand der Technik, beispielsweise in der Größenordnung von 700:1 für den gesamten Getriebestrang erhalten werden, sodass der Elektromotor zur Erreichung einer vorgegebenen Drehzahl des Stellantriebs mit geringeren Drehzahlen laufen kann. Dadurch wiederum kann die Entwicklung störende Geräusche im Betrieb der Antriebseinheit vermieden werden. Ein weiterer Effekt ist, dass auf das erste Zwischenrad 22 ein geringeres Drehmoment wirkt, sodass die Zuverlässigkeit des Getriebestrangs insgesamt erhöht wird.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Achsen 42, 44, 46 aller Zwischenräder 22, 24, 26 durch die gesamte Höhe des Gehäuses 32, vom Gehäuseboden 34 bis zum Gehäusedeckel 36. In einer Abwandlung könnten sich auch die Wellen der Zwischenräder entsprechend von dem Gehäuseboden bis zum Gehäusedeckel erstrecken.
In dem gezeigten Beispiel ist ferner an der Leiterplatte 30 eine Anlauffläche 74 für das erste Zwischenrad 22 gebildet, die in diesem Beispiel durch eine Anlaufbuchse 76 bereitgestellt wird. Die Anlaufbuchse 76 ist in eine Öffnung in der Leiterplatte 30 eingesetzt. Sie kann in diese Öffnung zum Beispiel eingepresst oder eingeklebt sein. In dem gezeigten Beispiel weist sie einen Flansch auf, der auf der Leiterplatte aufliegt und die Anlauffläche 74 bereitstellt. Um eine Anlauffläche 74 mit geringem Gleitwiderstand zu erhalten, kann die Anlaufbuchse 76 aus einem Metall oder Kunststoff mit guten Gleiteigenschaften hergestellt oder mit diesem beschichtet sein, wobei mögliche Materialien zum Beispiel Aluminium, Bronze, Kupfer, Messing, Zinn oder eine Legierung hieraus und PTFE (Teflon) sind. Anstelle der Anlaufbuchse 76 kann auch eine Anlauffläche direkt auf der Leiterplatte 30 durch eine entsprechende Beschichtung eines Oberflächenbereichs der Leiterplatte 30 oder einen Einsatz in der Leiterplatte 30 ausgebildet sein. Die Anlauffläche 74 ist eine Kontakt- und Lagerfläche für die Welle 22' des ersten Zwischenrades 22, die eine gleitreibungsarme Lagerung erlaubt. Die zusätzliche Lagerung der Welle 22' des ersten Zwischenrades 22 auf der Leiterplatte 30 stabilisiert sowohl das Zwischenrad 22 als auch die Leiterplatte 30.
Eine Ausgestaltung der Antriebseinheit ist im Folgenden auch mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben, wobei gleiche oder entsprechende Komponenten wie in 1 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und nicht nochmals im Einzelnen beschrieben sind. Auf die Beschreibung der 1 wird Bezug genommen. In der Ausgestaltung der 2 und 3 ist die Achse 42 des ersten Zwischenrad des 22 durch einen Raum geführt, der von einer Statornut 78 eingegrenzt wird. Der Lagersitz 52 am Gehäuseboden 34 ist so angeordnet, dass er in der Statornut 78 zu liegen kommt. In diesem Beispiel wird der Lagersitz 52 gebildet durch eine an den Gehäuseboden 34 an geformte Buchse, die in der Statornut durch einen Keil 80 gesichert ist. Eine entsprechende gegenüberliegende Buchse 62 ist an dem Gehäusedeckel 36 angeformt, wie in 1 gezeigt.
In der Darstellung der 2 und 3 sind ferner die Lagersitze 54, 56 und 58, die Anschlussbuchse 38 und die Steckerleiste 48 zu erkennen. Der Lagersitz 56 für das letzte (dritte) Zwischenrad und der Lagersitz 58 für das Abtriebszahnrad sind durch Versteifungsrippen verstärkt. An dem Gehäuse 32 sind Laschen 82 zu Befestigung der Antriebseinheit angeformt.
In der Ausgestaltung der 2 und 3 ist ferner der Stator 12 mit einer Nutisolation 84 versehen, auf die Statorspulen 86 aufgebracht sind. Die Nutisolation weist an ihrem Außenumfang Laschen 88 auf, in der Anschlüsse für die Statorspulen aufgenommen sind. Diese können direkt mit der Leiterplatte 30 verbunden werden. Ferner kann der Stator 12 mithilfe der Laschen 88 an dem ringförmigen Steg 40 fixiert werden, um den Elektromotor innerhalb des Antriebsgehäuses 32 stabil zu lagern. Im fertigmontierten Zustand umfasst der Elektromotor auch einen Rotor, der im Inneren des Stators umläuft. Ferner kann die Nutisolation eine Auflage für die Leiterplatte 30 bereitstellen, wobei der Elektromotor in axialer Richtung durch die Leiterplatte 30 fixiert wird. Die Leiterplatte 30 kann zusätzlich durch Stege, die an dem Gehäuse angeformt sind, fixiert werden.
Eine alternative Ausgestaltung der Antriebseinheit ist mit Bezug auf die 4 und 5 erläutert. Dieselben oder entsprechende Komponenten wie in den vorangegangenen Fig. sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und nicht nochmals beschrieben. Auf die obige Beschreibung wird Bezug genommen. In den 4 und 5 ist lediglich der Statorkörper, ohne Nutisolation und Spulen, dargestellt. Der Stator kann jedoch wie in der vorhergehenden Ausgestaltung mit einer Nutisolation und einer Spule versehen sein. Im fertigmontierten Zustand umfasst der Elektromotor auch einen Rotor, der im Inneren des Stators umläuft. Die Ausgestaltung der 4 und 5 unterscheidet sich von der vorhergehenden Ausgestaltung durch die Anordnung des Lagersitzes 52 für die Achse 42 des ersten Zwischenrades 22. in der Ausgestaltung der 4 und 5 ist der Lagersitz 52 so angeordnet, dass er einen Statorzahn 90 durchdringt und spezieller sich mittig durch den Polschuh 92 des Statorzahns 90 erstreckt. Durch diese Anordnung wird durch den Lagersitz 52 kein Raum innerhalb der Statornut beansprucht, sodass die Statornut vollständig zur Aufnahme von Spulen zur Verfügung steht.
In dem Beispiel der 4 und 5 kann die Lagerbuchse 52 und/oder die Achse 42 des ersten Zwischenrades 22, die in der Lagerbuchse 52 aufgenommen ist, aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt sein, um den Stator 12 mit einem Massekontakt elektrisch zu verbinden. Wird ferner für die Achse 42 ein magnetisch leitendes Materials gewählt, ändert sich der magnetische Fluss im Stator nur geringfügig, so dass der Elektromotor besonders effizient betrieben werden kann.
Die 6A und 6B zeigen Schnittdarstellungen durch einen Elektromotor, in dem die Grundsätze der Erfindung verwirklicht sind (6A), und gemäß einer speziellen Ausgestaltung (6B). Der Elektromotor kann ein bürstenloser Gleichstrom (BLDC)-Motor sein, der Teil einer Antriebseinheit für einen Stellantrieb gemäß der Erfindung ist. Zur Reduzierung der Größe der Antriebseinheit und zur Optimierung der auftretenden Lasten und Drehmoments ist eine Achse oder Welle einer ersten Getriebestufe in einer Statornut zwischen zwei benachbarten Statorspulen angeordnet.
Der Elektromotor 100 der 6A weist einen Stator 110 und einen Rotor 130 auf, die koaxial zueinander angeordnet sind. In dem gezeigten Beispiel ist der Rotor 130 drehbar im Inneren des Stators 110 angeordnet. Der Stator 110 ist mit einem ringförmigen Statorrückschluss 112 ausgebildet, von dem Statorzähne 114 in radialer Richtung nach Innen vorspringen. An den distalen Enden der Statorzähne 114 sind Polschuhe 116 angebracht oder ausgebildet. Die Statorzähne 114 grenzen Statornuten 120 ein und tragen Statorspulen 118. Auf die Statorzähne 114 ist ferner zur elektrischen Isolation der Spulen 118 eine Nutisolation 122 aufgebracht. Der Rotor 130 umfasst eine Welle 132, einen Rotorrückschluss 134 und einen Rotormagneten 135 mit zwölf Magnetpolen 136. Alternativ kann der Rotormagnet auch aus mehreren Einzelmagneten gebildet sein. Der Übersichtlichkeit halber sind nur drei der zwölf Magnetpole 136 mit einem Bezugszeichen gekennzeichnet.
Jedes Paar aus Statorzahn 114 und Polschuh 116 bildet einen Statorpol. Die Polschuhe dienen der Aufnahme des Magnetflusses von dem Rotor und der Magnetfeldkonzentration vom Rotor hin zu den Statorpolen.
Die hier beschriebenen Komponenten des Elektromotors 100 der 6A sind grundsätzlich auch in den Ausgestaltungen der 6B, 7A, 7B, 8A bis 8F, 9A und 9B vorhanden. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden diese Komponenten jedoch in der Beschreibung der weiteren Figuren nicht jeweils vollständig erneut beschrieben. Der Übersichtlichkeit halber sind auch die Bezugszeichen 100 bis 136 in den weiteren Figuren teilweise oder vollständig weggelassen. Auf die Beschreibung der 6A wird insofern Bezug auch für die weiteren Ausgestaltungen genommen.
In den im Folgenden beschriebenen Beispielen werden Statoren mit einer ungeraden Anzahl von Statornuten, insbesondere mit neun Nuten, Ns = 9, und mit einer geraden Anzahl von Statornuten, insbesondere mit sechs Nuten, Ns = 6, dargestellt. Den Statoren mit ungerader Anzahl von Statornuten, z.B. mit neun Nuten, können beispielsweise Rotoren mit sechs oder 12 Polen zugeordnet sein, und den Statoren mit gerader Anzahl von Statornuten, z.B. mit sechs Nuten, können beispielsweise Rotoren mit vier oder acht Polen zugeordnet sein. Dies sind lediglich Beispiele, und andere Nut- und Polzahlen sowie andere Verhältnisse von Nut- und Polzahlen können vorgesehen werden.
In dem Beispiel der 6A ist die Achse 42 des ersten Zwischenrades 22 des oben beschriebenen Stellantriebs in einer Statornut 120 zwischen zwei Statorspulen 118 angeordnet. Die Achse 42 liegt somit in einem Abschnitt des Elektromotors, der durch den Innendurchmesser und den Außendurchmesser des Stators 110 eingegrenzt ist. Mit anderen Worten durchdringt die Achse 42 einen Raum, der zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser des Stators 110 liegt. Dadurch kann die Achse oder Welle des ersten Zwischenrades mit geringem Abstand zur Welle 132 des Rotors 130 angeordnet werden. Der Abstand ist geringer als der Radius des Stators 110. Gleiches gilt für die Ausgestaltungen der 6B, 7A, 7B, 8A bis 8F, 9A und 9B.
Wenn in dem Beispiel der 6A alle Statorspulen 118 dieselbe Windungszahl und alle Statorzähne 114 dieselbe Breite haben, und unter der Annahme, dass grundsätzlich die Windungszahl maximiert werden soll, kann für die Aufnahme der Achse 42 in der Statornut 120 möglicherweise nicht ausreichend Platz zur Verfügung stehen. Zusätzlicher Raum kann dann dadurch geschaffen werden, dass ein Dorn oder ein ähnliches Werkzeug in die Statornut 120 zwischen die Statorspulen 118 eingebracht wird, um diese auseinander zu drücken und dabei zu verdichten und somit zusätzlichen Raum zur Aufnahme der Achse 42 zu schaffen. Dies kann aber möglicherweise noch immer nicht ausreichend sein. Bei dieser Vorgehensweise wird der Dorn / das Werkzeug nach dem Verdichten der Windungen der Statorspule(n) wieder entfernt.
Eine weitere Möglichkeit, zusätzlichen Raum zur Aufnahme der Achse 42 zu schaffen, besteht darin, die Windungszahl der Statorspulen benachbart zu der Statornut, welche die Achse 42 aufnimmt, zu verringern. Ein Beispiel dieser Lösung ist in 6B gezeigt.
In 6B sind, ebenso wie in den Fig. 7B, 8B und 9B, die den jeweiligen Phasen zugeordneten Statorpole mit a, b, c bezeichnet. In jeder der Ausgestaltungen ist ein dreiphasiger Elektromotor realisiert, welcher Spulen der Phasen A, B und C aufweist, die auf mehrere Statorzähne verteilt sind, die entsprechend mit a1, b1, c1, a2, b2, c2, ... bezeichnet sind. Die Windungszahl der jeweils auf einen Statorzahn aufgebrachten Statorspule ohne Modifikation, also für den Fall, dass alle Statorzähne Spulen mit gleich vielen Windungen tragen, ist mit „w“ bezeichnet.
In dem Beispiel der Fig. 6B, in dem der Stator neun Statorzähne und neun Nuten aufweist, wird somit jede Phase durch 3w Windungen gebildet. Der Elektromotor der 6B ist gegenüber dem der 6A so modifiziert, dass die Windungszahl der Statorspulen a1, b1 der Phasen A und B, zwischen denen die Achse 42 liegt, reduziert ist, und zwar zum Beispiel auf 0,9 w. Um einen symmetrischen Betrieb des Elektromotors zu gewährleisten und in allen Phasen insgesamt dieselbe Windungszahl zu haben und somit gleiche Drehmomente und Back-EMF zu erzeugen, wird auch die Windungszahl der den Statorspulen a1, b1 diametral gegenüber liegenden Statorspule c2 der Phase C reduziert, und zwar ebenfalls auf zum Beispiel 0,9 w. Anstelle der Statorspule c2 der Phase C kann auch eine der anderen Statorspulen c1 oder c3 der Phase C eine reduzierte Windungszahl haben.
Um diese Reduktion der Windungszahl auszugleichen, können die übrigen Statorzähne Statorspulen a2, a3, b2, b3, cl, c3 mit einer erhöhten Windungszahl tragen, zum Beispiel mit 1,05 w Windungen. Jede Phase hat dann insgesamt wiederum Spulen mit einer Gesamt-Windungszahl von W = 0,9 w + 1,05 w + 1,05 w = 3 w.
In dem Beispiel eines Elektromotors mit neun Statornuten und neun Statorzähnen, Ns = 9, kann beispielsweise die Windungszahl der Spulen a1, b1 und c2 von w auf bis zu 0,6 w reduziert werden, und die Windungszahl der anderen Spulen a2, a3, b2, b3, cl, c3 kann von w auf bis zu 1,2 w erhöht werden, um insgesamt die Anzahl der Windungen jeder Phase von 3w beizubehalten. Dadurch kann in der Statornut zwischen den Statorspulen a1, b1, die der Achse 42 benachbart sind, zusätzlicher Raum zur Aufnahme der Achse 42 geschaffen werden. Die Gesamtanzahl der Windungen pro Phase bleibt unverändert.
Die 7A und 7B illustrieren eine ähnliche Lösung wie die Fig. 6A und 6B für einen Stator mit einer geraden Anzahl von Statornuten, in diesem Beispiel sechs Statornuten. Auf die obige Beschreibung der 6A und 6B wird Bezug genommen, wobei entsprechende Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Auch in dem Beispiel der 7A haben alle Statorspulen 118 dieselbe Windungszahl, und alle Statorzähne 114 haben dieselbe Breite, so dass für die Aufnahme der Achse 42 in der Statornut 120 möglicherweise nicht ausreichend Platz zur Verfügung steht. 7B sieht daher ähnlich wie 6B eine Lösung vor, in der die Windungszahl der Statorspulen, die der Achse 42 benachbart sind, reduziert ist.
In dem Beispiel der Fig. 7B, in dem der Stator sechs Statorzähne und sechs Nuten aufweist, wird jede Phase durch 2 w Windungen gebildet. Der Elektromotor der 7B ist gegenüber dem der 7A so modifiziert, dass die Windungszahl der Statorspulen a1, b1 der Phasen A und B, zwischen denen die Achse 42 liegt, reduziert ist, und zwar zum Beispiel auf 0,9 w. Um einen symmetrischen Betrieb des Elektromotors zu gewährleisten und in allen Phasen insgesamt dieselbe Windungszahl zu haben und somit das gleiche Drehmoment und die gleiche Back-EMF zu erzeugen, wird in diesem Beispiel die Windungszahl der zweiten Statorspulen a2, b2 der Phasen A und B erhöht, und zwar auf zum Beispiel 1, 1 w. Die Statorspulen cl, c2 der dritten Phase C tragen Spulen mit nicht modifizierter Windungszahl, also mit 1,0 w Windungen. Jede Phase hat dann insgesamt wiederum Spulen mit einer Windungszahl von W = 0,9 w + 1,1 w = 2 w Windungen bzw. W = 1,0 w + 1,0 w = 2 w Windungen.
In dem Beispiel eines Elektromotors mit sechs Statornuten und sechs Statorzähnen, Ns = 6, können beispielsweise die Windungszahlen der Spulen a1 und b1 von w auf bis zu 0,6 w reduziert werden, und die Windungszahl der Spulen a2 und b2 werden dann von w auf bis zu 1,4 w erhöht, um insgesamt die vorgegebene Anzahl der Windungen, 2w, jeder Phase beizubehalten. Dadurch kann in der Statornut zwischen den Statorspulen a1, b1, die der Achse 42 benachbart sind, zusätzlicher Raum zur Aufnahme der Achse 42 geschaffen werden. Die Windungszahl der Spulen c1, c2 der dritten Phase C bleibt unverändert. Auch die Gesamtanzahl der Windungen pro Phase bleibt unverändert.
Die 8A und 8B illustrieren eine weitere Möglichkeit, zusätzlichen Raum zur Aufnahme der Achse 42 zu schaffen, wobei die 8A als Ausgangspunkt der Ausgestaltung der 8B dient und vollständig der 6A entspricht, auf deren Beschreibung Bezug genommen wird. In dem Beispiel der Fig. 8B, in dem der Stator 110 neun Statornuten 120 und neun Statorzähne 114 aufweist, ist der Stator 110 gegenüber dem in 8A gezeigten Stator derart modifiziert, dass die zwei der Achse 42 benachbarten Statorzähne, zum Beispiel die Statorzähne, welche die Spulen a1, b1 der Phasen A und B tragen (im Folgenden der Einfachheit halber als Statorzähne a1, b1 bezeichnet), eine reduzierte Breite haben. Durch die Reduktion der Breite der Statorzähne a1, b1 wird zusätzlicher Raum zur Aufnahme der Achse 42 in der zwischen den Statorzähnen liegenden Statornut geschaffen.
Um gleichwohl einen symmetrischen Betrieb des Elektromotors zu erreichen, kann auch, wie in der 8B dargestellt, der den Statorzähnen a1, b1 diametral gegenüberliegende Statorzahn, der die Spule c2 der Phase C trägt (im Folgenden der Einfachheit halber als Statorzahn c2 bezeichnet), die gleiche reduzierte Breite haben wie die zwei der Achse 42 benachbarten Statorzähne a1, b1. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Drehmoment und die Back-EMF des Elektromotors in allen Phasen gleich sind. Anstelle des Statorzahns c2 der Phase C kann auch einer der anderen Statorzähne c1 oder c3 der Phase C eine reduzierte Breite haben.
Die 8C bis 8F zeigen ein Beispiel, wie die Reduktion der Breite der Statorzähne ausgehend von einer gleichmäßigen Ausgangsbreite und -verteilung aller Statorzähne realisiert werden kann. Unter der Annahme, dass die Statorzähne eine gleichmäßige Ausgangsbreite b_t haben und die Statorspulen w Windungen aufweisen, ist in jeder Statornut ein Spalt der Breite d zwischen zwei benachbarten Statorspulen gebildet, in den die Achse 42 eingebracht werden kann. Um die Statornut zwischen den Statorzähne a1, b1 zu erweitern, werden die jeweils der betreffenden Statornut zugewandten Wände 114-1 der Statorzähne a1, b1 parallel zu sich selbst voneinander weg versetzt, während die abgewandten Wände 114-2 unverändert bleiben können, sodass sich die Breite der Statorzähne a1, b1 von der Ausgangsbreite b_t auf eine reduzierte Breite b_t1 verringert. Die zugehörigen Statorspulen 118 folgen diesem Versatz der Wände 114-1 der Statorzähne a1, b1, so dass sich die Breite des Spaltes zwischen den zwei benachbarten Spulen von d auf d1 erweitert. Der Spalt ist in dem gezeigten Beispiel dann breit genug, um die Achse 42 aufzunehmen.
8E zeigt eine der 8C entsprechende Darstellung des Stators, aus der erkennbar ist, dass aus der Verschiebung der Wände 114-1 der Statorzähne a1 und b1 eine Verschiebung der Mittenachse A_z der Statorzähne um d_a resultiert, wobei d_a = (b_t - b_t1)/2. Die Mittenachse A_z der Statorzähne a1, b1 ist somit gegenüber der Mittenachse A_S ihres Polschuhs um d_a versetzt. In 8E ist auch die Reduktion der Breite der Statorzähne a1 und b1 mit d_t1 = 2 d_a angegeben.
Eine weitere Möglichkeit, die Statorzähne a1, b1 mit verringerter Breite auszugestalten, ist in 8F gezeigt. Sie besteht darin, die Breite der Statorzähne im Wesentlichen wie mit Bezug auf 8C und 8E beschrieben zu verringern und die Statorzähne zusätzlich jeweils von einer Ausgangslage der Mittenachse A_Z0 um einen Winkel A_d von wenigen Grad, beispielsweise im Bereich von 0° bis 3°, neu auszurichten, so dass ihre Mittenachse A_Z sich wieder genau in radialer Richtung erstreckt. Der Winkel A_d ist in 8F kenntlich gemacht.
Wie in 8D gezeigt, wird die Breite des diametral gegenüberliegenden Statorzahn c2 ebenfalls verringert, und zwar um denselben Betrag wie die Verringerung jedes der Statorzähne a1 und b1. Hierzu werden in dem gezeigten Beispiel beide Wände 114-3 aufeinander zu bewegt, um die Breite des Statorzahn c2 von der Ausgangsbreite b_t auf die reduzierte Breite b_t2 zu verringern. Die zugehörigen Statorspulen 118 folgen dieser Verschiebung der Wände 114-3.
In dieser, den vorangegangenen und den folgenden Beispielen bleibt die Breite und Lage der Polschuhe 116 unverändert. D.h., alle Polschuhe 116 des Stators 110 haben dieselbe Breite und sind äquidistant, ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre.
In dem Beispiel der 8C bis 8F kann die reduzierte Breite b_t1 der der Achse 42 benachbarten Statorzähne a1 und b1 beispielsweise folgendes Verhältnis zur Ausgangsbreite b_t aufweisen: 0,75 b_t ≤ b_t1 ≤ 0,95 b_t. Auch die Breite b_t2 des gegenüberliegenden Statorzahns c2 kann entsprechend reduziert sein, mit: 0,75 b_t ≤ b_t2 ≤ 0,95 b_t. Somit haben im Ergebnis die Statorzähne der jeweiligen Phasen jeweils gleiche Breiten, sodass das Drehmoment und die Back-EMF des Elektromotors für alle Phasen gleich bleiben. Wie erwähnt, kann anstelle des Statorzahns c2 der Phase C auch einer der anderen Statorzähne c1 oder c3 der Phase C eine reduzierte Breite haben.
Die 9A und 9B illustrieren eine ähnliche Lösung wie die Fig. 8A und 8B für einen Stator mit einer geraden Anzahl von Statornuten, in diesem Beispiel sechs Statornuten. Die 9A entspricht vollständig der Fig. 7A, auf deren Beschreibung Bezug genommen wird. Auch in dem Beispiel der 9A haben alle Statorspulen 118 dieselbe Windungszahl, und alle Statorzähne 114 haben dieselbe Breite, so dass für die Aufnahme der Achse 42 in der Statornut 120 möglicherweise nicht ausreichend Platz zur Verfügung steht. 9B sieht daher ähnlich wie 8B eine Lösung vor, in der die Breite einzelner Statorzähne reduziert ist.
In dem Beispiel der Fig. 9B, in dem der Statoren sechs Statorzähne und sechs Nuten aufweist, ist der Stator 110 gegenüber dem in 9A gezeigten derart modifiziert, dass die zwei der Achse 42 benachbarten Statorzähne, zum Beispiel die Statorzähne, welche die Spulen a1, b1 der Phasen A und B tragen (im Folgenden der Einfachheit halber als Statorzähne a1, b1 bezeichnet), eine reduzierte Breite haben. Durch die Reduktion der Breite der Statorzähne a1, b1 wird zusätzlicher Raum zur Aufnahme der Achse 42 in der zwischen den Statorzähne liegenden Statornut geschaffen. Um gleichwohl einen symmetrischen Betrieb des Elektromotors zu erreichen, kann auch der benachbarte Statorzahn, der die Spule c1 oder die Spule c2 der Phase C trägt (im Folgenden der Einfachheit halber als Statorzahn cl oder c2 bezeichnet), die gleiche reduzierte Breite haben wie die zwei der Achse 42 benachbarten Statorzähne a1, b1. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Drehmoment und die Back-EMF des Elektromotors in allen Phasen gleich sind.
Die Reduktion der Breite der Statorzähne a1, b1 und c1 oder c2 kann auf dieselbe Weise erfolgen, wie oben für die Statorzähne a1, b1, c1 mit Bezug auf die 8C bis 8F beschrieben wurde. Auf die obige Beschreibung der Figuren 8A bis 8F und die dadurch erzielten Effekte wird Bezug genommen.
Die Ausgestaltungen der Fig. 6 bis 9 können kombiniert werden. D.h., zusätzlicher Raum zur Aufnahme der Achse 42 kann geschaffen werden, indem die Windungszahl der benachbarten Statorspulen reduziert wird und/oder in dem die Breite der benachbarten Statorzähne reduziert wird und/oder in dem die Achse der benachbarten Statorzähne versetzt wird.
Bezugszeichenliste

10: Elektromotor
12: Stator
14: Antriebswelle
16: Antriebszahnrad
20: Getriebestrang
20a, 20b, 20c, 20d: Getriebestufen
22: erstes Zwischenrad
22': Welle
24: zweites Zwischenrad
26: drittes Zwischenrad
28: Abtriebszahnrad
29: Abtriebswelle
30: Leiterplatte
32: Gehäuse
34: Gehäuseboden
36: Gehäusedeckel
38: Anschlussbuchse
40: ringförmige Steg
41, 42, 44, 46: Achsen
48: Steckerleiste
50, 52, 54, 56, 58: Lagersitze
62, 64, 66, 68: Lagersitze
70,: 72 Dichtlippen
74: Anlauffläche
76: Anlaufbuchse
78: Statornut
80: Keil
82: Laschen
84: Nutisolation
86: Statorspule
88: Laschen
90: Statorzahn
92: Polschuh
100: Elektromotor
110: Stator
112: Statorrückschluss
114: Statorzähne
114-1, 114-2, 114-3: Wände der Statorzähne
116: Polschuhe
118: Statorspulen
120: Statornuten
122: Nutisolation
130: Rotor
132: Welle
134: Rotorrückschluss
135: Rotormagnet
136: Magnetpole
A_Z: Mittenachse der Polschuhe
A_S: Mittenachse bei gleichmäßiger Verteilung
A_Z0: Ausgangslage der Mittenachse A_Z

Claims

Antriebseinheit für einen Stellantrieb mit einem Elektromotor (10), der einen Stator (12) und einen in dem Stator angeordneten Rotor aufweist, wobei der Rotor ein Antriebszahnrad (16) trägt, und mit einem Getriebestrang (20), der ein erstes Zwischenrad (22) aufweist, wobei das Antriebszahnrad (16) die Drehbewegung des Rotor an das erste Zwischenrad (22) überträgt, wobei eine Achse (42) oder Welle das erste Zwischenrad (22) radial lagert und sich durch einen Raum erstreckt, der durch den Innendurchmesser und den Außendurchmesser des Stators (12) eingegrenzt wird.
Antriebseinheit nach Anspruch 1, wobei zwischen dem Elektromotor (10) und dem ersten Zwischenrad (22) eine Leiterplatte (30) angeordnet ist und auf oder an der Leiterplatte (30) eine Anlauffläche (74) für das erste Zwischenrad (22) vorgesehen ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 2, wobei die Achse (42) oder Welle durch eine Öffnung in der Leiterplatte (30) geführt ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 3, wobei auf der von dem Elektromotor (10) abgewandten Seite der Leiterplatte (30) ein axialer Anschlag für das erste Zwischenrad (22) vorgesehen ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 3 oder 4, wobei auf die Achse (42) oder Welle eine Anlaufbuchse (76) aufgebracht ist, die in der Öffnung in der Leiterplatte (30) zu liegen kommt, wobei die Anlaufbuchse (76) eine Anlauffläche (74) für das erste Zwischenrad (22) bereitstellt.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Anlaufbuchse (76) einen Flansch aufweist, der auf der Leiterplatte (30) aufliegt oder wobei die Anlaufbuchse (76) in die Öffnung in der Leiterplatte (30) eingepresst ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Anlaufbuchse (76) aus einem Metall oder Kunststoff hergestellt ist, insbesondere aus Aluminium, Bronze, Kupfer, Messing, Zinn oder einer Legierung, die wenigstens eines dieser Metalle enthält, oder PTFE (Teflon) enthält, oder mit einem solchen Material beschichtet ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei an der von dem Elektromotor (10) abgewandten Seite der Leiterplatte (30) ein Oberflächenbereich der Leiterplatte (30) um die Öffnung herum modifiziert ist, um den Gleitwiderstand des Oberflächenbereichs zu reduzieren.
Antriebseinheit nach Anspruch 8, wobei der Oberflächenbereich mit einem Metall oder Kunststoff beschichtet ist, insbesondere mit Aluminium, Bronze, Kupfer, Messing, Zinn oder einer Legierung, die wenigstens eines dieser Metalle enthält, oder PTFE (Teflon) enthält.
Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Achse (42) oder Welle des ersten Zwischenrades (22) an einem Gehäuseboden (34) der Antriebseinheit gelagert ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 10, mit einem Gehäuse (32) zur Aufnahme des Elektromotors (10) und einer Vielzahl von Zahnrädern (22-28) des Getriebestrangs (20), einschließlich des ersten Zwischenrades (22), wobei an den Gehäuseboden (34) Lagersitze (52-58) zur Aufnahme von Achse (42-46) für die Zahnräder (22-26) des Getriebestrangs (20) angeformt sind, wobei die Zahnräder (22-26) auf den Achsen (42-46) gelagert sind.
Antriebseinheit nach Anspruch 11, wobei wenigstens die Achse (42) des ersten Zwischenrades (22) die Höhe des Antriebsgehäuses (32) vom Gehäuseboden (34) bis zu einem Gehäusedeckel (36) vollständig durchgreift.
Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Antriebszahnrad (16) und das erste Zwischenrad (22) eine Untersetzung im Bereich von 3:1 bis 7:1 bereitstellen.
Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Achse (42) oder Welle des ersten Zwischenrades (22) sich durch eine Statornut erstreckt.
Antriebseinheit nach Anspruch 14, wobei der Stator (12, 110) eine Reihe von Statorzähnen (90, 114) aufweist, die um den Umfang des Stators (12, 110) verteilt angeordnet sind, wobei die Statornut, durch die sich die Achse (42) oder Welle des ersten Zwischenrades erstreckt, durch zwei benachbarte Statorzähne (90, 114) eingegrenzt ist, die zwei unterschiedlichen Phasen zugeordnet sind.
Antriebseinheit nach Anspruch 15, wobei die zwei benachbarten Statorzähne (90, 114) Statorspulen (118) mit einer geringeren Windungszahl tragen als andere Statorzähne (90, 114) des Elektromotors.
Antriebseinheit nach Anspruch 15 oder 16, wobei die zwei benachbarten Statorzähne (90, 114) Statorspulen (118) tragen, deren Windungen dichter gepackt sind als die Statorspulen (118) anderer Statorzähne.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die zwei benachbarten Statorzähne (90, 114) eine geringere Breite haben als andere Statorzähne (90, 114) des Elektromotors.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die zwei benachbarten Statorzähne (90, 114) Mittenachsen (A_Z) aufweisen, die sich in radialer Richtung erstrecken und im Verhältnis zu Mittenachsen (A_S) von Statorzähnen, die mit gleichmäßigem Abstand in Umfangsrichtung verteilt sind, derart versetzt sind, dass die zwischen den zwei benachbarten Statorzähnen (90, 114) gebildete Statornut vergrößert ist.
Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche 15 bis 19, wobei die Statorzähne Polschuhe (116) tragen, die Mittenachsen (A_Z0, A_S) aufweisen, welche sich in radialer Richtung erstrecken und in Umfangsrichtung des Stators gleichmäßig verteilt sind.
Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor ein Dreiphasenmotor ist und eine ungerade Anzahl von Statorzähnen (90, 114) aufweist.
Antriebseinheit nach Anspruch 21 und einem der Ansprüchen 15 bis 20, wobei die zwei benachbarten Statorzähne (90, 114) Statorspulen (118) mit der geringeren Windungszahl tragen und zwei Phasen (A und B) zugeordnet sind, und den zwei benachbarten Statorzähnen (90, 114) ein weiterer Statorzahn (90, 114) diametral gegenüber liegt, der eine Statorspule (118) mit der geringeren Windungszahl trägt und der dritten Phase (C) zugeordnet ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 21 und einem der Ansprüchen 15 bis 22, wobei die zwei benachbarten Statorzähne (90, 114) eine reduzierte Breite haben und zwei Phasen (A und B) zugeordnet sind, und den zwei benachbarten Statorzähnen (90, 114) ein weiterer Statorzahn (90, 114) diametral gegenüber liegt, der die gleiche reduzierte Breite hat wie die zwei benachbarten Statorzähne (90, 114) und der dritten Phase (C) zugeordnet ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei der Elektromotor ein Dreiphasenmotor ist und eine gerade Anzahl von Statorzähnen (90, 114) aufweist.
Antriebseinheit nach Anspruch 24 und einem der Ansprüchen 15 bis 20, wobei die zwei benachbarten Statorzähne (90, 114) Statorspulen (118) mit der geringeren Windungszahl tragen und zwei Phasen (A und B) zugeordnet sind, und den zwei benachbarten Statorzähnen (90, 114) ein weiterer Statorzahn (90, 114) benachbart ist, der eine Statorspule (118) mit der geringeren Windungszahl trägt und der dritten Phase (C) zugeordnet ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 24 und einem der Ansprüchen 15 bis 20 und 25, wobei die zwei benachbarten Statorzähne (90, 114) eine reduzierte Breite haben und zwei Phasen (A und B) zugeordnet sind, und den zwei benachbarten Statorzähnen (90, 114) ein weiterer Statorzahn (90, 114) benachbart ist, der die gleiche reduzierte Breite hat wie die zwei benachbarten Statorzähne (90, 114) und der dritten Phase (C) zugeordnet ist.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Achse (42) oder Welle des ersten Zwischenrades (22) sich durch eine Bohrung in einem Statorpol erstreckt.
Antriebseinheit nach Anspruch 27, wobei die Bohrung mittig durch einen Polschuh des Stators (12) verläuft.
Antriebseinheit nach Anspruch 27 oder 28, wobei die Achse (42) des ersten Zwischenrades (22) durch einen elektrisch leitenden Stift gebildet ist, der durch die Bohrung in dem Statorpol geführt ist und den Stator (12) mit einem Erdungskontakt elektrisch verbindet.
Stellantrieb für einen Klappensteller in einem Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche und mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor als Antriebsmotor, wobei der Getriebestrang eine Untersetzung im Bereich von 200:1 bis 800:1 bereitstellt.