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GEBIET DER ERFINDUNG
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Vorliegende Erfindung betrifft eine Läuferanordnung, insbesondere aber nicht ausschließlich zur Verwendung bei einem Elektromotor, zum Beispiel bei einem Schrittmotor. Die Erfindung betrifft auch einen Elektromotor, der mit einer solchen Läuferanordnung ausgestattet ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Elektromotoren und insbesondere bürstenlose Motoren wie Schrittmotoren oder BLDC-Motoren werden verwendet, um für eine Präzisionssteuerung der Betätigung zu sorgen, da diese Motoren in sehr kleinen, präzisen Schritten betätigt werden können. Normalerweise erfolgt basierend auf einer Drehposition des Läufers des Motors eine interne Bezugnahme auf die Position des Motors, die durch eine genaue Detektion des Magnetfeldes des Läufers hergeleitet oder berechnet werden kann.
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Um einen Motor zu schaffen, der zweckmäßig ist, muss der Läufer über verschiedene entscheidende Eigenschaften verfügen. Zunächst muss ein gut definiertes Magnetfeld vorliegen, vorzugsweise in der axialen wie auch in der radialen Richtung, so dass das Magnetfeld zuverlässig erfasst werden kann. Zweitens muss der Läufer für einen Betrieb mit einer spezifischen Betriebstemperatur geeignet sein. Drittens muss der Läufer ausreichend robust sein, um den notwendigen Drehmomentanforderungen des Motors zu genügen.
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Läuferanordnungen stoßen bei den vorgenannten Kriterien häufig auf Probleme. Es ist schwierig, die Ausgangswelle des Läufers in den oder die das Magnetfeld erzeugenden Magnete zu integrieren, speziell wenn eine Magnetisierung in zwei Richtungen, d.h. in axialer wie auch radialer Richtung des Läufers, erforderlich ist.
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Eine Option ist eine Klebeverbindung der Ausgangswelle mit dem Magnet, wobei die Schwierigkeit hier ist, dass sich Klebstoffe unter hohen Betriebstemperaturen verschlechtern, wodurch die Wirksamkeit des Motors herabgesetzt wird. Ein Schlupf zwischen den Drehpositionen des Magnets und der Ausgangswelle ist ebenfalls ein Thema, da dieser Schlupf bei einem hohen Drehmoment zu einer Beschädigung der Ausgangswelle führen kann. Das Verkleben der Komponenten erhöht nicht nur die Kosten, sondern erschwert auch die Herstellung einer Läuferanordnung.
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Ein weiteres Problem ist, dass die Erzeugung einer bidirektionalen Magnetisierung des Magnetelements der Läuferanordnung die Verwendung eines elektromagnetisch erzeugten Magnetfeldes erfordert, um die notwendige Magnetisierung aufzuprägen. Dadurch entsteht erzeugt sehr viel Wärme in den Werkzeugen, die zu einer Deformation von anderen Läuferkomponenten führen kann, die solchen hohen Temperaturen gegebenenfalls nicht standhalten können. Dies stand bisher der Entwicklung von besseren Läufern entgegen. Wenn außerdem eine oder mehrere der elektromagnetischen Spulen oder ähnliche Elemente nicht korrekt aktiviert werden, arbeiten Läufer, die durch dieses Verfahren hergestellt wurden, nicht korrekt.
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ÜBERSICHT
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Damit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Läuferanordnung zu schaffen, die ausreichend robust ist für den Einsatz bei einem Elektromotor wie beispielsweise einem Schrittmotor mit bidirektionaler Magnetisierung, und bei deren Konstruktion kein Klebstoff verwendet wird.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Läuferanordnung für einen Elektromotor angegeben, wobei die Läuferanordnung umfasst: ein zylindrisches Magnetelement mit einer Magnetisierung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung, wobei das Magnetelement aus einem formbaren Magnetmaterial gebildet ist; und eine in dem Magnetelement aufzunehmende Ausgangswelle; wobei eine Innenfläche des Magnetelements und eine Außenfläche der Ausgangswelle komplementär in Eingriff zu bringende Verbindungselemente aufweisen, um eine Verlagerung des Magnetelements und der Ausgangswelle zu verhindern oder einzuschränken, wobei zumindest eines der Verbindungselemente durch Überformen des Magnetelements mit der Ausgangswelle oder der Ausgangswelle mit dem Magnetelement gebildet wird.
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Durch das Vorsehen einer Läuferanordnung, bei der das Magnetelement und die Ausgangswelle einander überformt sind, entfällt die Notwendigkeit, separate Komponenten miteinander in Eingriff zu bringen. Solchermaßen kann die Läuferanordnung als unitäres Bauteil montiert werden, wodurch nicht nur die Herstellungskosten reduziert werden, sondern auch die Komplexität eines Motors, der eine solche Anordnung enthält. Bei dieser Läuferanordnung kann auch die Notwendigkeit entfallen, bei der Herstellung Klebstoffkomponenten zu verwenden, die unter Umständen einer Verschlechterung durch Wärme unterliegen und die Lebensdauer des Motors verkürzen.
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Vorzugsweise kann das Magnetelement aus einem Gemisch eines Magnetmaterials mit Polymerharz bestehen und ein Seltenerdmagnetmaterial umfassen.
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Die beste Option für die Bereitstellung eines fließfähigen Materials, das so magnetisiert werden kann, dass ein präzises und genaues Magnetfeld gegeben ist, ist ein Seltenerdmagnetmaterial, das in einem fließfähigen und härtbaren Harz suspendiert ist.
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Die Ausgangswelle kann aus einem formbaren Material hergestellt sein, bevorzugt aus einem spritzgussfähigen Kunststoff.
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Für das Magnetelement und die Ausgangswelle, die einander zu überformen sind, werden Materialien verwendet, die überformbar sind, ohne sich bei der Überformung zu verformen.
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Als Option kann die Ausgangswelle ein damit einstückig ausgebildetes Ritzel aufweisen.
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Die mit der Ausgangswelle einstückige Ausbildung des Ritzels erhöht die Robustheit der Ausgangswelle, da der Übergang zwischen der Ausgangswelle und dem Ritzel traditionell eine Schwachstelle in der Konstruktion der Läuferanordnung ist.
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Vorzugsweise kann die Ausgangswelle mindestens einen Basisbereich aufweisen.
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Ein vorhandener Basisbereich, der vorzugsweise als Schulter an der Ausgangswelle ausgebildet ist, wenn die Ausgangswelle mit dem Magnetelement überformt wird, kann zu einer Verbesserung der Einheitlichkeit der Magnetisierung des Magnetelements führen, da der Basisbereich den schnellen axialen Fluss des formbaren Magnetmaterials von den Einspritzdüsen durch den Hohlraum des relevanten Werkzeugs unterbricht. Dadurch kann das formbare Material den Hohlraum auf natürlichere Weise füllen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Magnetelement ein Multipol-Magnetelement mit vorzugsweise zwischen sechs und zwanzig Polen sein.
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Ein Magnetfeld mit hoher Polarität, das durch die Läuferanordnung erzeugt wird, erlaubt eine hochgenaue Bestimmung der Drehposition des Läufers, was insbesondere bei einem Schrittmotor von großer Bedeutung ist.
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Als Option kann das Verbindungselement des Magnetelements einen nach innen gerichteten Vorsprung umfassen.
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Vorzugsweise kann das komplementär in Eingriff zu bringende Verbindungselement der Ausgangswelle als Aufnahmekanal für den nach innen gerichteten Vorsprung des Magnetelements ausgebildet sein.
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Ein Vorsprung, der vorzugsweise von der einen oder der anderen Öffnung der Bohrung nach innen versetzt ist, stellt in vorteilhafter Weise eine passende Gegenform für den Überformungsprozess bereit, so dass die Ausgangswelle auf beiden Seiten des Vorsprungs mit Rückhalteanschlägen ausgebildet wird, wodurch eine axiale Verschiebung des Magnetelements und der Ausgangswelle verhindert wird.
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Die komplementär in Eingriff bringbaren Verbindungselemente können zusätzlich oder alternativ in Umfangsrichtung asymmetrisch sein.
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Eine derartige Anordnung verhindert oder begrenzt in vorteilhafter Weise die Neigung des Magnetelements und der Ausgangswelle zu einer Rotationsverschiebung, die zu einem Ausfall der Läuferanordnung während des Betriebs führen kann.
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Vorzugsweise können die Innenfläche des Magnetelements und die Außenfläche der Ausgangswelle eine Konturpassungsverbindung bilden.
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Das Vorsehen einer Konturpassung, einer Formpassung, einer geometrischen Passung oder einer ähnlichen formschlüssigen Anordnung, das heißt einer Anordnung mit einer nichtzylindrischen Verbindung, schafft Sicherheit gegen eine Rotationsverschiebung des Magnetelements und der Ausgangswelle bei hohen Drehgeschwindigkeiten.
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Das Magnetelement kann an einer axialen Endfläche wenigstens einen Führungsvorsprung aufweisen.
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Das Vorsehen eines Führungsvorsprungs an der Läuferanordnung kann in vorteilhafter Weise die Gefahr von Graten an der Läuferanordnung einschränken, die während des Herstellungsprozesses infolge eines Verklemmens mit Übergabemechanismen entstehen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Elektromotor bereitgestellt, der einen Ständer und eine Läuferanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweist. Der Elektromotor kann bevorzugt ein bürstenloser Motor und noch weiter bevorzugt ein Schrittmotor oder BLCD-Motor sein.
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Ein Elektromotor mit einer Läuferanordnung wie vorstehend beschrieben ist wegen der geringeren Anzahl von Komponenten einfacher herstellbar und weniger ausfallgefährdet bei hohen Temperaturen und Drehmomenten.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Läuferanordnung für einen Elektromotor angegeben, wobei die Läuferanordnung umfasst: ein zylindrisches Magnetelement, das aus einem formbaren Magnetmaterial hergestellt ist; eine in dem Magnetelement aufzunehmende Ausgangswelle; wobei das zylindrische Magnetelement durch Überformen mit der Ausgangswelle oder die Ausgangswelle durch Überformen mit dem zylindrischen Magnetelement gebildet wird, so dass eine relative Verlagerung zwischen dem Magnetelement und der Ausgangswelle verhindert wird.
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Das Überformen des Magnetelements und der Ausgangswelle bildet einen Mechanismus zum Bilden einer unitären Läuferanordnung, die robust ist und geeignet ist für den Einsatz bei hohem Drehmoment und/oder hoher Temperatur.
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Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden einer Läuferanordnung gemäß dem ersten oder dritten Aspekt der Erfindung angegeben, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a] Bereitstellen eines ersten Werkzeugs mit einer Gießform zum Formen des Magnetelements und/oder der Ausgangswelle; b] Formen des Magnetelements und/oder der Ausgangwelle durch Einspritzen eines formbaren Materials in das erste Werkzeug und Aushärtenlassen des Materials; c] Bereitstellen eines zweiten Werkzeugs mit einer Gießform zum Bilden der Läuferanordnung; und d] Einsetzen des Magnetelements und/oder der Ausgangswelle in das zweite Werkzeug und Einspritzen eines fließfähigen Materials in das zweite Werkzeug und Aushärtenlassen des Materials.
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Das vorliegende Verfahren ermöglicht das Überformen einer Läuferanordnung, bei der das Magnetelement und die Ausgangswelle zusammen ausgebildet werden, wodurch die Gesamtzahl von Komponenten, die zum Herstellen eines Motors mit einer solchen Läuferanordnung notwendig ist, verringert wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann das zweite Werkzeug eine Mehrzahl von Permanentmagneten aufweisen, die angeordnet sind, um dem Magnetelement eine bidirektionale Magnetisierung auzuprägen. In einer alternativen Ausführungsform kann das erste Werkzeug eine Mehrzahl von Permanentmagneten aufweisen, die angeordnet sind, um dem Magnetelement eine bidirektionale Magnetisierung aufzuprägen.
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Durch die Verwendung von Permanentmagneten werden viele der Schwierigkeiten beseitigt, die mit einer Magnetisierung des Magnetelements durch eine elektromagnetische Spule verbunden sind und die bisher der Entwicklung einer solchen Läuferanordnung entgegenstanden.
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Vorzugsweise kann in Schritt a] das Werkzeug eine Gießform zum Bilden der Ausgangswelle aufweisen, und in Schritt d] kann das Einspritzen des fließfähigen Materials in das zweite Werkzeug zumindest auf einen Teil der Ausgangswelle ausgerichtet werden.
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Das Ausrichten der Einspritzdüsen auf die Ausgangswelle kann den Fluss des formbaren Magnetmaterials unterbrechen, was letztendlich zu einer einheitlicheren Magnetisierung des Magnetelements führen kann.
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Ein Verfahren zum Bilden einer Läuferanordnung gemäß dem ersten oder dritten Aspekt der Erfindung umfasst die folgenden Schritte: a] Bereitstellen eines Werkzeugs mit einer Gießform zum Bilden des Magnetelements, wobei das Werkzeug eine Mehrzahl von Permanentmagneten umfasst, die angeordnet sind, um dem Magnetelement eine bidirektionale Magnetisierung aufzuprägen; b] Einsetzen der Ausgangswelle in das Werkzeug; c] Einspritzen eines fließfähigen Magnetmaterials in das Werkzeug rund um die Ausgangswelle und Aushärtenlassen des fließfähigen Magnetmaterials.
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Es ist gegebenenfalls möglich, die Ausgangswelle als Vorkörper herzustellen und in einem Spritzgussverfahren mit dem Magnetmaterial zu umspritzen, ohne dass es notwendig ist, die Ausgangswelle selbst zu formen.
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Vorzugsweise kann in Schritt c] das fließfähige Material über eine Anzahl von Einspritzdüsen, die gleich einer, proportional zu einer oder ein Faktor einer Anzahl von durch die Mehrzahl von Permanentmagneten zu bildenden Magnetpolen ist, eingespritzt werden. Noch mehr bevorzugt kann das Verhältnis der Einspritzdüsen zu den Magnetpolen 1:2 betragen.
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Das Schaffen einer Übereinstimmung zwischen der Anzahl von Magnetpolen und der Anzahl von Einspritzpunkten kann dafür sorgen, dass rund um den Umfang der Läuferanordnung ein Magnetfeld erzeugt wird, das einheitlicher ist.
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Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung wird ein Werkzeugset für die Herstellung eines Läufers gemäß dem ersten oder dritten Aspekt der Erfindung bereitgestellt, wobei das Werkzeugset ein erstes Werkzeug mit einer Gießform zum Bilden entweder des Magnetelements oder der Ausgangswelle umfasst, und ein zweites Werkzeug mit einer Gießform zum Bilden der Läuferanordnung, wobei von erstem und dem zweitem Werkzeug eine Mehrzahl von Permanentmagneten aufweist, die angeordnet sind, um dem Magnetelement eine bidirektionale Magnetisierung aufzuprägen.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt eine Vorderansicht einer ersten Ausführungsform einer Läuferanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;
- 2 zeigt die in 1 dargestellte Läuferanordnung in einer Ansicht von unten;
- 3 zeigt die in 1 dargestellte Läuferanordnung in einem Vertikalschnitt;
- 4a zeigt eine erste mögliche Magnetkonfiguration für das Magnetelement der Läuferanordnung von 1;
- 4b zeigt eine zweite mögliche Magnetkonfiguration für das Magnetelement der Läuferanordnung von 1;
- 5 zeigt die Läuferanordnung von 1 in Draufsicht, wobei die radiale Magnetfeldanordnung dargestellt ist;
- 6 zeigt einen Schrittmotor gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung; und
- 7 zeigt eine zweite Ausführungsform der Läuferanordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung in einer vertikalen Schnittansicht.
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DETAILBESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die 1 und 2 zeigen eine allgemein mit Bezugsziffer 10 bezeichnete Läuferanordnung, die robust ist und herstellbar ist, ohne mehrere Zwischenkomponenten zusammensetzen oder Klebstoff verwenden zu müssen.
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Die Läuferanordnung 10 umfasst ein Magnetelement 12 und eine Ausgangswelle 14, die gebildet werden, indem ein Element, d.h. das Magnetelement 12 oder die Ausgangswelle 14, mit dem jeweils anderen Element überformt wird. Das heißt: es wird eine der Komponenten zuerst geformt und dann in situ mit der anderen Komponente überformt, so dass das Magnetelement 12 und die Ausgangswelle 14 zusammen als einzelner Läufer ausgebildet sind.
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Das Magnetelement 12 ist derart geformt, dass es zylindrisch ist, wobei zumindest ein Teil der Ausgangswelle in einem Innenradius oder Innenvolumen des Magnetelements 12 aufgenommen werden kann.
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Damit das Magnetelement 12 formbar ist, muss es aus einem formbaren magnetischen oder magnetisierbaren Material bestehen. In diesem Fall wird das Magnetelement 12 aus einem Gemisch geformt, das aus einem Magnetmaterial und einem Polymerharz besteht und das nach dem Formen entsprechend der bevorzugten Herstellung magnetisiert werden kann. Dabei ist das Magnetmaterial bevorzugt ein Seltenerdmagnetmaterial wie beispielsweise NdFeB oder SmCo, wobei zum Beispiel aber auch Ferritmaterialien in Betracht kämen.
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Die Ausgangswelle 14 ist derart ausgebildet, dass sie in dem Innenvolumen des Magnetelements 12 in Eingriff gebracht werden kann und einen Magnetkontakt-Körperabschnitt 20 hat, der in dem Innenvolumen des Magnetelements 12 im Wesentlichen oder vollständig aufgenommen werden kann, und einen Wellenabschnitt 22, der entlang der Drehachse der Läuferanordnung 10 von dem Magnetelement 12 vorspringt. Es wäre auch machbar, dass das Innenvolumen einen Radius relativ zur Achse der Ausgangswelle 14 hat, und zwar trotz der nichtzylindrischen Form der vorliegenden Anordnung. Die Ausgangswelle 14 kann in diesem Fall auch ein verzahntes Element aufweisen, vorzugsweise ein Ritzel 24, das bevorzugt einstückig mit dem Wellenabschnitt 22 ausgebildet ist. In den Zeichnungen ist ein Ritzel mit dreizehn Zähnen dargestellt, jedoch versteht es sich, dass die Anzahl von Ritzelzähnen von der Motoranwendung abhängt.
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Der Magnetkontakt-Körperabschnitt 20 hat vorliegend eine nichtzylindrische geometrische Form, die hier eine fünffache Symmetrieachse aufweist. Dies erlaubt eine Konturpassung, eine Formpassung, eine geometrische Passung oder eine ähnliche formschlüssige Anordnung mit dem Magnetelement 12, wodurch das Magnetelement 12 und die Ausgangswelle 14 drehphasenverriegelt sind.
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Während eine Ausgangswelle 14 dargestellt ist, bei welcher der Magnetkontakt-Körperabschnitt 20, der Wellenabschnitt 22 und das Ritzel 24 zusammen als unitäres Teil ausgebildet sind, versteht es sich, dass lediglich der Magnetkontakt-Körperabschnitt 20 mit dem Magnetelement 12 überformt werden muss. Zum Beispiel könnte im Anschluss an den Formungsprozess eine separate Welle befestigt werden, oder es könnte ein verzahntes Element als separates Bauteil enthalten sein. Im Hinblick auf eine einfache Herstellung wird es jedoch bevorzugt, dass die gesamte Ausgangswelle 14 als eine Einheit geformt wird.
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Die Ausgangswelle 14 besteht aus einem formbaren Material und bevorzugt aus einem formbaren Kunststoff wie beispielsweise Polyamid (PA). Wie der Fachmann erkennen wird, eignen sich auch andere Kunststoffmaterialen wie beispielsweise Polyoxymethylen (POM), Polypropylen (PP), thermoplastisches Elastomer (TPE). Das Material, das die Ausgangswelle 14 bildet, ist ein nichtmagnetisches Material.
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Der Eingriff zwischen dem Magnetelement 12 und der Ausgangswelle 14 ist in größerem Detail in 3 zu sehen. Es versteht sich, dass die Konfiguration des Magnetelements 12 und der Ausgangswelle 14 dergestalt ist, dass die beiden Komponenten in einem ausgehärteten Zustand nicht zusammengefügt werden können. Dementsprechend kann vorliegende Anordnung nur durch Umspritzen bzw. Überformen erzielt werden.
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Der Vorgang des Überformens ist dergestalt, dass sich die Außenfläche 26 des Magnetkörper-Kontaktabschnitts 20 der Ausgangswelle 14 zum Zeitpunkt der Ausbildung der Läuferanordnung 10 mit der Innenfläche 28 des Magnetelements 12 in Kontakt befindet. Es jedoch anzumerken, dass Temperaturschwankungen während des Betriebs der Läuferanordnung 10 zu einer geringfügigen Trennung des Magnetelements 12 und der Ausgangswelle 14 an der Innenfläche 28 führen können. Aus diesem Grund bilden die Außenfläche 26 der Ausgangswelle 14 und die Innenfläche 28 des Magnetelements 12 bei der vorliegenden Anordnung eine Konturpassung. Es können jedoch alternative Lösungen erwogen werden, die für eine Beibehaltung der relativen lateralen Positionen der Ausgangswelle 14 und des Magnetelements 12 sorgen.
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Die relative Positionierung des Magnetelements 12 und der Ausgangswelle 14 wird über komplementär in Eingriff bringbare Verbindungselemente an Magnetelement und Ausgangswelle beibehalten. Der Eingriff zwischen den komplementär in Eingriff bringbaren Verbindungselementen verhindert oder begrenzt die relative Verlagerung zwischen dem Magnetelement 12 und der Ausgangswelle 14. Es ist anzumerken, dass aus lateraler oder Drehungsperspektive die Komplementäreingriffsverbindung zumindest teilweise durch die Konturpassungsanordnung der Innenfläche 28 des Magnetelements 12 und der Außenfläche 26 der Ausgangswelle 14 gebildet werden könnte.
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Zusätzlich können Führungsvorsprünge 30 ausgebildet sein, vorzugsweise als bogenförmige Vorsprünge, die in der Nähe eines Umfangs der Basis 32 des Magnetelements 12 positioniert sind. Diese Führungsvorsprünge 30 können während des Herstellungsprozesses die Übergabe unterstützen.
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Eine solche Anordnung von komplementär in Eingriff bringbaren Verbindungselementen ist in 3 dargestellt. Es ist ein nach innen gerichteter Vorsprung 34 an der Innenfläche 28 des Magnetelements 12 vorgesehen, der hier als durchgehender umfangsseitiger Vorsprung der zweiten Öffnung 18 des Magnetelements 12 benachbart positioniert ist. Der nach innen gerichtete Vorsprung 34 kann wirksam sein zum Schaffen der Differenz zwischen den Größen der ersten und der zweiten Öffnung 16, 18 des Magnetelements 12.
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An der Ausgangswelle 14 ist ein komplementärer umfangsseitiger Aufnahmekanal 36 vorgesehen, in welchem der nach innen gerichtete Vorsprung 34 des Magnetelements 12 aufgenommen werden kann, wobei der Aufnahmekanal 36 einen oberen und einen unteren axialen Anschlag 38, 40 definiert, um eine axiale Verlagerung des Magnetelements 12 und der Ausgangswelle 14 zu verhindern.
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Der Vorgang des Überformens führt zur Bildung eines der komplementär in Eingriff bringbaren Verbindungselemente, unabhängig davon, welches zuerst gebildet wird. Wenn das Magnetelement 12 zuerst geformt wird, wird die Ausgangswelle 14 in dem Magnetelement 12 überformt, wodurch während des Überformungsvorgangs der Aufnahmekanal 36 rund um den nach innen gerichteten Vorsprung 34 gebildet wird. Wenn andererseits die Ausgangswelle 14 zuerst geformt wird, definiert der Aufnahmekanal 36 die Gestalt, Größe und Position des nach innen gerichteten Vorsprungs 34 während des Überformungsprozesses des Magnetelements 12.
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Die Form der komplementär in Eingriff bringbaren Verbindungselemente wie vorstehend beschrieben ist lediglich ein der Darstellung dienendes Beispiel. Es versteht sich, dass auch ein nicht kontinuierlicher Vorsprung vorgesehen sein könnte, d.h. eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Vorsprüngen, die sich von der Innenfläche 28 des Magnetelements 12 erstrecken. In diesem Fall würden anstelle eines durchgehenden Kanals an der Ausgangswelle 14 mehrere Ausnehmungen gebildet werden. Es versteht sich, dass ein nach außen gerichteter Vorsprung an der Ausgangswelle 14 zu einer entsprechenden Aufnahme an dem Magnetelement 12 führen würde, ohne dadurch die Passung der Komponenten zueinander zu ändern.
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Es versteht sich, dass die Konfiguration der komplementär in Eingriff bringbaren Verbindungselemente zwischen dem Magnetelement 12 und der Ausgangswelle 14 umgekehrt werden könnte, das heißt, die Ausgangswelle 14 könnte einen oder mehrere Vorsprünge und das Magnetelement 12 eine Ausnehmung oder einen Kanal aufweisen.
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Die komplementär in Eingriff bringbaren Verbindungselemente, wie sie vorstehend beschrieben wurden, bilden ein axiales Rückhaltemittel zwischen dem Magnetelement 12 und der Ausgangswelle 14. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, ein drehungsbezogenes Rückhaltemittel vorzusehen, um eine relative Drehung zwischen dem Magnetelement 12 und der Ausgangswelle 14 zu verhindern. Wie vorstehend erläutert wurde, ist dies bei vorliegender Anordnung über die nichtzylindrische Konturpassung zwischen dem Magnetelement 12 und der Ausgangswelle 14 gegeben. Als Alternative könnte eine Mehrzahl von Vorsprüngen und Vertiefungen vorgesehen sein, die in Umfangsrichtung beabstandet sind. Eine weitere Alternative wäre, ein oder mehrere zweite komplementär in Eingriff bringbare Verbindungselemente vorzusehen, die in Umfangsrichtung vorzugsweise asymmetrisch sind.
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Die relativen Konturen/Formen der Innenfläche 28 des Magnetelements 12 und der Außenfläche 26 der Ausgangswelle 14 können die Rückhaltung insbesondere in der axialen Richtung unterstützen. Zum Beispiel könnte an der oder angrenzend an die erste Öffnung des Magnetelements 14 eine Auskragung 42 der Ausgangswelle 14 vorgesehen sein, was die axiale Rückhaltung noch weiter verbessert. Eine Verbesserung lässt sich auch erreichen, indem ein schräger Wandabschnitt 44 vorgesehen wird, der für eine Keilwirkung sorgt; eine ähnliche Anordnung einer schrägen Wand kann zum Beispiel an dem oberen axialen Anschlag 38 vorgesehen sein.
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Die vorliegende Läuferanordnung 10 ist zur Verwendung als Teil eines Elektromotors vorgesehen, der z. B. ein bürstenloser Motor wie ein Schrittmotor oder BLDC-Motor ist und in welchem die Läuferposition genau bestimmbar ist, zum Beispiel durch die Verwendung eines oder mehrerer Hall-Sensoren, um die Drehposition und/oder Phase der Läuferanordnung 10 zu bestimmen. Solchermaßen wird das Magnetelement 12 derart magnetisiert, dass eine bidirektionale Magnetisierung gegeben ist, d.h. eine Magnetisierung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung.
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Eine erste zehnpolige Magnetkonfiguration des Magnetelements 12 ist in 4a gezeigt, mit einer alternierenden Polarität sowohl in der axialen als auch radialen Richtung. Eine zweite zehnpolige Magnetkonfiguration des Magnetelements 12 ist in 4b gezeigt, wobei die axiale Magnetisierung umgekehrt ist. Das radiale Profil von beiden Konfigurationen ist in 5 zu sehen. Es könnte eine beliebige mehrpolige Magnetkonfiguration verwendet werden, doch werden zwischen sechs und zwanzig Pole bevorzugt.
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Ein kompletter Elektromotor, vorzugsweise ein bürstenloser Motor, der vorliegend als Schrittmotor 50 vorgesehen ist, ist in 6 dargestellt. Diese zeigt die Positionierung der Läuferanordnung 10 bezüglich eines Ständers 52, der hier als sternförmiger Ständer gezeigt ist, eine Steuerschaltung 54, einen Getriebezug 56 und ein Gehäuse 58 des Schrittmotors 50.
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Ein Schrittmotor 50 mit einer solchen Läuferanordnung 10 hat ein Magnetfeldprofil, das ohne weiteres detektiertbar ist, und ist einfach herstellbar, da die gesamte Läuferanordnung 10 als Einzelkomponente ausgebildet ist.
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Bei der Herstellung der Läuferanordnung 10 müssen verschiedene Faktoren in Betracht gezogen werden. Probleme sind die Schaffung eines Werkzeugs, das geeignet ist, dem Magnetelement 12 die notwendige Magnetisierung aufzuprägen. Die Verwendung von elektromagnetischen Spulen wie im Stand der Technik üblich bildet zwei weitere Probleme. Erstens produzieren Spulen sehr viel Wärme, was potenziell zu Schwierigkeiten beim Überformungsprozess führt, und zweitens führt der Magnetisierungsprozess zu einem Versagen des Läufers, wenn die Spule aus irgendeinem Grund nicht aktiviert wird.
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Zur Beseitigung dieser Probleme stellt vorliegende Erfindung einen neuen Mechanismus für die Herstellung einer Läuferanordnung 10 bereit.
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Zunächst wird ein Werkzeug mit einer geeigneten Form zum Einfüllen eines fließfähigen Materials geschaffen, um entweder das Magnetelement 12 oder die Ausgangswelle 14 herzustellen. Diese Komponente wird durch die Anwendung eines Spritzgussverfahrens oder eines ähnlichen Herstellungsverfahrens hergestellt.
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Anschließend wird ein zweites Werkzeug mit einer für die Aufnahme der gesamten Läuferanordnung 10 geeigneten Form geschaffen. Das zweite fließfähige Material wird dann in dieses zweite Werkzeug eingespritzt, wodurch die zweite Komponente, d.h. das Magnetelement 12 oder die Ausgangswelle 14 hergestellt wird.
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In eines der beiden Werkzeuge wird eine Mehrzahl von Permanentmagneten eingelassen, wobei die Magnete derart angeordnet werden, dass sie aufgrund ihrer alternierenden Polaritäten für die notwendige bidirektionale Magnetisierung des Magnetelements 12 sorgen. Durch die Verwendung von Permanentmagneten vermeidet man in vorteilhafter Weise die Verwendung von elektromagnetischen Spulen als Teil des Werkzeugs, um dem Magnetelement 12 während der Herstellung die notwendige Magnetisierung aufzuprägen.
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Diese Anordnung erlaubt die Magnetisierung des Magnetelements 12 während der Formungs- und Festigungs- oder Aushärtungsphase, da keine Gefahr einer elektromagnetischen Erwärmung des fließfähigen Materials oder der fließfähigen Materialien in dem Werkzeug besteht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird zuerst die Ausgangswelle 14 geformt und dann mit dem Magnetelement 12 überformt. Die Ausgangswelle 14 wird in dem zweiten Werkzeug gesichert, und es wird vorzugsweise an einem nichtfunktionalen Rand des Magnetelements, sofern möglich, eine Einspritzdüse vorgesehen, über welche das formbare Magnetmaterial in das zweite Werkzeug eingespritzt wird. Die Einspritzung des formbaren Magnetmaterials in das zweite Werkzeug kann mit einem üblichen Spritzgussdruck erfolgen, wobei das formbare Material fließt und den Hohlraum in dem zweiten Werkzeug füllt, der mit der Form des Magnetelements 12 übereinstim mt.
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Es wird bevorzugt, dass die Einspritzpunkte mit den Positionen der Magnetpole des Magnetelements 12 übereinstimmen oder in einem Zahlenverhältnis zu diesen stehen, so dass ein rotationssymmetrisches Magnetfeld erzeugt wird. Zum Beispiel kann die Anzahl von Einspritzdüsen gleich der Anzahl von Magnetpolen entsprechen, kann ein Faktor der Anzahl von Magnetpolen sein, zum Beispiel die halbe Anzahl von Magnetpolen, oder kann proportional zur Anzahl von Magnetpolen sein, zum Beispiel das Zweifache der Magnetpole. In einer Ausführungsform ist der Einspritzpunkt für jede Einspritzdüse der ersten Öffnung 16 an einer Basis 32 des Magnetelements 12 benachbart, wobei der Hohlraum entlang einer axialen Richtung der Läuferanordnung gefüllt wird.
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Die Einspritzung kann dazu führen, dass sich am Rand des Magnetelements 12 ein oder mehrere Grate bilden, weshalb bevorzugt wird, dass an der Basis 32 gegebenenfalls ein oder mehrere Führungsvorsprünge mit einer Höhe größer als eine erwartete Höhe der Grate gebildet werden. Diese verhindern, dass sich Grate an Übergabemechanismen verhaken, die während der automatisierten Herstellung der Läuferanordnung 10 und des Gehäuses verwendet werden. Die Führungsvorsprünge 30 können während der Produktion den Transport der Läuferanordnung 10 entlang solcher Übergabemechanismen wie beispielsweise Durchfahrrohre unterstützen.
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Wenn die Ausgangswelle 14 zuerst geformt wird und dann mit dem Magnetelement 12 überformt wird, kann, wie man festgestellt hat, die Einspritzung des formbaren Materials an einem oder angrenzend an einen radial äußersten Rand der Läuferanordnung 10 zu einer uneinheitlichen Magnetisierung durch das Magnetelement 12 hindurch führen. 7 zeigt eine alternative Läuferanordnung, die allgemein mit Bezugsziffer 110 bezeichnet ist. Gleiche oder ähnliche Elemente wie jene in der ersten Ausführungsform sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden der Kürze halber nicht mir im Detail erläutert. Durch das Magnetmaterial kann die Läuferanordnung 110 gegebenenfalls über eine bessere Homogenität verfügen.
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Die Ausgangswelle 114 ist mit einem oder mehreren Basisbereichen 162 ausgebildet. Der Basisbereich 162 kann als Leiste ausgebildet sein, welche sich über den gesamten Umfang der Ausgangswelle 114 erstreckt, oder als eine Mehrzahl von Einbuchtungen. Es könnte eine Nabe oder ein ähnlicher Vorsprung vorgesehen sein, die/der sich über den Basisbereich 162 der Ausgangswelle 114 hinaus erstreckt, wobei der Basisbereich 162 effektiv als Leiste, Schulter oder Lippe an der Ausgangswelle 114 ausgebildet ist.
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Die Positionen der Einspritzdüsen 160 für das formbare Material sind in 7 angegeben und sind auf den oder jeden Basisbereich 162 der Ausgangswelle 114 ausgerichtet, wenn sie in dem zweiten Werkzeug montiert sind. Das formbare Magnetmaterial wird über die Einspritzdüsen 160 in das zweite Werkzeug eingespritzt und trifft auf dem jeweiligen Basisbereich 162 auf. Ausgehend von diesem Kontaktpunkt kann das Material dann rund um die Ecke in dem Hohlraum des zweiten Werkzeugs fließen und kann den gesamten Hohlraum füllen, um das Magnetelement 112 zu bilden.
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Solchermaßen kann eine Läuferanordnung für einen Motor geschaffen werden, die leicht herstellbar ist, da das Magnetelement mit der Ausgangswelle überformt wird. Daher müssen bei dem Motor weniger Bauteile montiert werden, so dass die Herstellung weniger komplex ist und die Kosten eines solchen Motors geringer sind.
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Vorliegende Erfindung stellt deshalb ein Mittel bereit zum Schaffen eines Magnetelements mit einem bidirektionalen Magnetfeld und einer Ausgangswelle, mit der das Magnetelement überformt wird oder umgekehrt, was bei einer Herstellung gemäß dem Stand der Technik ansonsten nicht möglich ist.
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Die Begriffe „umfassen/umfassend“ und „aufweisen/aufweisen“, sofern sie in der vorliegenden Beschreibung verwendet werden, geben an, dass ein genanntes Merkmal, eine genannte Ganzzahl, genannte Schritte oder Komponenten vorgesehen sind, ohne jedoch auszuschließen, dass ein(e) oder mehrere weitere Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Komponenten oder Gruppen derselben vorgesehen sind oder hinzugefügt werden können.
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Es versteht sich, dass Merkmale, die der Übersichtlichkeit halber in separaten Ausführungsformen beschrieben wurden, auch in Kombination oder in einer einzelnen Ausführungsform vorgesehen sein können. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die der Kürze halber in einer einzigen Ausführungsform beschrieben wurden, auch separat oder in einer geeigneten Unterkombination vorgesehen sein.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich Beispiele. Der Fachmann wird erkennen, dass verschiedene weitere Modifikationen möglich sind, ohne den Schutzrahmen der Erfindung zu verlassen.
