DE102019218423A1

DE102019218423A1 - Lagerschild für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine und Verfahren zum Herstellen einer solchen elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102019218423A1
Application number: DE102019218423.5A
Authority: DE
Inventors: Rami Deichelbohrer; Konstantin Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2021-06-02

Abstract

Lagerschild (10), insbesondere für eine elektrische Maschine (100), sowie Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine (100), mit einem radial äußeren Ringbund (22), der axial in ein zylindrisches Gehäuse (13) der elektrischen Maschine (100) einfügbar ist, und einem radial inneren Lagersitz (24) zur Aufnahme eines Radiallagers (19), und einem radial zwischen dem Ringbund (22) und dem Lagersitz (24) angeordneten Zwischenbereich (26), der eine höhere elastische Verformbarkeit in Radialrichtung (31) und/oder in Axialrichtung (32) aufweist, als der Ringbereich (22) und der Lagersitz (24).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lagerschild für eine elektrische Maschine, und eine elektrische Maschine, und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen elektrischen Maschine nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Mit der DE 10 2015 226 054 A1 ist eine elektrische Maschine bekannt geworden, bei der ein Rotor mittels eines Lagerschildes innerhalb eines Stators angeordnet ist. Dabei ist das Lagerschild in ein Statorgehäuse eingefügt und weist in seinem Zentrum einen Lagersitz auf, in dem ein Kugellager angeordnet ist. Beim Einpressen des Lagerschilds in das Statorgehäuse kann es an dessen radial äußerem Rand zu radialen Verformungen kommen, die sich negativ auf die radiale Positionierung des Lagersitzes auswirken. Dadurch kann es zu Problemen mit der Zentrierung des Rotors im Stator und dadurch zu mangelnden Rundlaufeigenschaften des Rotors kommen.
In der nachveröffentlichen DE 10 2019 203 167 A1 der Anmelderin ist ebenfalls eine elektrische Maschine bekannt geworden, bei der ein Rotor mittels eines Lagerschildes innerhalb eines Stators angeordnet ist. Dabei ist das ein Kugellager im Lagerschild als Festlager ausgebildet und ein gegenüberliegendes, am Gehäuseboden angeordnetes Kugellager als Loslager. Zwischen dem Loslager und dem Gehäuseboden ist ein separat ausgebildeter axialer Federring angeordnet, der das Lagerspiel des Rotors eliminiert. Die Fertigung und Montage eines solchen separaten Federrings ist relativ aufwändig und teuer.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die Ausbildung eines federnd verformbaren Zwischenbereichs im Lagerschild unbeabsichtigte Verformungen des Lagerschilds in Radialrichtung ausgeglichen werden können. Dadurch kann eine exakte radiale Zentrierung und damit ein sauberer Rundlauf des Rotors im Stator gewährleistet werden. Andererseits kann durch die axial federnde Ausbildung des Zwischenbereichs in Axialrichtung beim Einfügen des Lagerschildes eine axiale Vorspannung im Zwischenbereich erzeugt werden, mittels der das Axialspiel der Rotorlagerung ohne zusätzliches, separat gefertigtes Federelement beseitigt werden kann. Somit können durch den elastischen radialen Zwischenbereich sowohl radiale Toleranzen ausgeglichen werden, als auch ein Axialfederring des Rotorlagers ersetzt werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den uanbhägnigen Ansprüchen vorgegebenen Ausführung möglich. Besonders günstig kann das Lagerschild aus einem Metallblech ausgestanzt werden. Dabei kann durch die Wahl der Blechdicke und die Form und Größe der ausgestanzten Durchbrüche die Elastizität des Zwischenbereichs des Lagerschilds eingestellt werden. Dabei kann der gesamte radiale Zwischenbereich zwischen dem äußeren Ringbund und dem inneren Lagersitz im Wesentlichen als eine einzige radiale Ebene ausgebildet werden, oder alternativ eine axiale Struktur, wie beispielsweise eine axiale Stufe aufweisen. Durch die Form und Anzahl der Durchbrüche kann - gegebenenfalls in Verbindung mit einer axialen Kontur - der Zwischenbereich mit einer Verformbarkeit in Radialrichtung oder in Axialrichtung ausgebildet werden.
Zur Ausbildung einer Presspassung mit einem zylindrischen Motorgehäuse ist am äußeren Rand des Lagerschilds ein Ringbund angeformt. Dieser ist bevorzugt als zylinderförmiges Rohr ausgebildet, das koaxial in das rohrförmige Gehäuse einfügbar ist. Dieser Ringbund kann sehr kostengünstig einstückig an dem als Stanz-Biegeteil ausgebildeten Lagerschild angeformt werden. Der rohrförmige Ringbund verleiht dem äußeren Umfang des Lagerschilds eine hohe radiale Stabilität, was für die Ausbildung einer zuverlässigen Presspassung mit dem Gehäuse notwendig ist. Der Ringbund ist bevorzugt als über den Umfang vollständig geschlossenen Ring ausgebildet.
Für die Aufnahme eines Rotorlagers ist im Zentrum des Lagerschildes einstückig ein Lagersitz angeformt. Der Lagersitz ist bevorzugt als zylindrischer Fortsatz ausgebildet, an dessen Innenwand das Rotorlager radial anliegt. Dabei ist das Lager bevorzugt als Wälzlager ausgebildet, dessen radialer Außenring in den zylindrischen Fortsatz eingefügt ist. Dabei kann das Lager im Lagersitz als Loslager ausgebildet sein, bei dem der Außenring axial gegenüber dem rohrförmigen Fortsatz beweglich ist. Alternativ kann das Lager im Lagersitz auch als Festlager ausgebildet sein, bei dem der Außenring fest mit dem Lagersitz verbunden - beispielsweise eingepresst - ist.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Lagersitz des Lagerschilds axial näher am Rotor angeordnet, als der radial äußere Ringbund. Dabei weist das Lagerschild insbesondere eine axiale Stufe aus, so dass über dem radial inneren Bereich des Lagerschilds ein axialer Bauraum zur Verfügung steht, der beispielsweise für die Anordnung eines Signalgebers auf der Rotorwelle genutzt werden kann. Dabei kann der axiale Fortsatz des Lagersitzes ausgehend von der inneren radialen Ebene des Zwischenbereichs entweder axial zum Rotor hin oder axial vom Rotor weg hin ausgebildet sein. Entsprechend wird das Rotorlager axial nach, oder axial vor dem Einfügen des Lagerschildes auf die Rotorwelle aufgesetzt. Der äußere hülsenförmige Ringbund ist insbesondere axial an der äußeren radialen Ebene des Zwischenbereichs vom Stator weg ausgebildet, so dass das Lagerschild axial leichter in das zylindrische Gehäuse einfügbar ist. Der Zwischenbereich kann mit, oder ohne axial Stufe ausgebildet werden, wobei die axiale Stufe gegebenenfalls eine Zylindermantel-Fläche oder eine konische Fläche ausbildet.
Die Durchbrüche können beim Herstellen des Lagerschilds sehr einfach mit diesem ausgestanzt werden. Um eine gleichmäßige Elastizität des Zwischenbereichs zu erzeugen, sind die Durchbrüche gleichmäßig über den gesamten Umfang verteilt. Falls der Zwischenbereich eine axiale Stufe aufweist, können die Durchbrüche sowohl im radial äußeren Bereich, oder im radial inneren Bereich oder in beiden Ebenen des Zwischenbereichs ausgebildet sein. Je mehr Blechmaterial durch das Ausstanzen der Durchbrüche ausgeschnitten wird, desto elastischer ist das verbleibende Material im Zwischenbereich ausgebildet.
So können im Zwischenbereich beispielsweise über den gesamten Umfang mehrere Kreisringsegmente ausgeschnitten werden, zwischen denen speichenartige radiale Stege stehen bleiben. Da solche Stege näherungsweise in Radialrichtung verlaufen, ist eine solche Ausführung bezüglich der Radialrichtung mechanisch relativ stabil, und kann gleichzeitig bezüglich der Axialrichtung elastisch federnd ausgebildet werden. Dadurch kann beispielsweise der radial innere Lagersitz gegenüber dem radial äußeren Ringbund mittels dem axial elastischen Zwischenbereich axial federnd vorgespannt werden, um beispielsweise das axiale Lagerspiel des Rotors zu eliminieren.
In einer alternativen Ausführung des Lagerschildes sind die Durchbrüche in Umfangsrichtung schlitzförmig ausgebildet. Das bedeutet, dass die Erstreckung der Durchbrüche in Umfangsrichtung deutlich größer ist, als in Radialrichtung. Über den Umfang verteilt sind mehrere Schlitze in Umfangsrichtung angeordnet, wobei zwischen den Schlitzen in Umfangsrichtung jeweils eine Umfangsbrücke angeordnet ist. Bevorzugt werden die Schlitze auf unterschiedlichen Radien angeordnet, so dass radial zwischen zwei sich in Umfangsrichtung überlappenden Schlitzen nur ein relativ schmaler Rand zwischen den Schlitzen stehen bleibt. Diese Umfangsschlitze können sich dadurch relativ einfach in Radialrichtung verformen, so dass sich beim Aufbringen einer äußeren radialen Kraft die radiale Abmessung eines solchen Umfangschlitzes reduziert. Somit können lokale Verformungen des relativ stabilen äußeren Ringbundes durch den radial elastisch ausgebildeten Zwischenbereich kompensiert werden, so dass der zentral innere Lagersitz möglichst wenig verformt und in seiner Position verschoben wird. Dadurch kann die Funktionalität des äußeren Ringbundes - der Presssitz mit dem zylindrischen Gehäuse - von der Funktionalität des Lagersitzes - den Rotor zu verlässig präzise zu positionieren - entkoppelt werden. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass die beim Einpressen des Lagerschilds in das zylindrische Gehäuse entstehenden lokale Verformungen durch den radial elastischen Zwischenbereich ausgeglichen werden können.
In einer weiteren Ausführung des Lagerschildes sind spiralförmige oder tangential verlaufende Durchbrüche im Zwischenbereich ausgeschnitten, zwischen denen jeweils spiralförmigen (beziehungsweise tangentiale) Stegen sehen bleiben. Solche spiralförmigen Stege weisen ebenfalls eine Elastizität bezüglich Radialkräften auf, wodurch der radiale innere Lagersitz vom äußeren Ringbund mechanisch entkoppelt werden kann. Des Weiteren können solche spiralförmigen Stege auch in Axialrichtung elastisch verformt werden, so dass diese als ein in das Lagerschild integriertes axiales Federelement ausgebildet werden können. Wird bei der axialen Montage des Lagerschilds der Zwischenbereich axial vorgespannt, kann dadurch das axiale Lagerspiel der Rotorlagerung ausgeglichen werden. Dabei kann das Loslager entweder im Lagersitz des Lagerschildes oder gegenüberliegend an der Lageraufnahme des Gehäusebodens angeordnet werden.
Weist das Lagerschild optional eine axiale Stufe innerhalb des Zwischenbereichs auf, können die Durchbrüche an der radial äußeren Ebene oder an der radial inneren Ebene des Zwischenbereichs ausgeschnitten sein. In einer weiteren Variation können die Durchbrüche zur Ausbildung eines elastisch verformbaren Zwischenbereichs auch an der radial äußeren und an der radial inneren Ebene ausgeschnitten sein. Dadurch bestehen viele Freiheitsgrade für das Maß der elastischen Verformbarkeit, sowohl bezüglich der Radialrichtung und/oder als auch bezüglich der Axialrichtung. Gleichzeitig kann durch das Ausstanzen der Durchbrüche Material, und damit Gewicht der elektrischen Maschine reduziert werden.
Zusätzlich zu den Durchbrüchen zur Ausbildung der elastischen Verformbarkeit sind im Zwischenbereich auch Durchgangsöffnungen für die Phasenanschlüsse der Statorspulen ausgebildet. Beispielweise weist die Statorwicklung drei Phasen auf, so dass insbesondere drei Durchgangsöffnungen für drei Phasenanschlüsse ausgeschnitten sind. Die Phasenanschlüsse werden oberhalb des Lagerschilds miteinander verschaltet und von einer zu montierenden Elektronikeinheit angesteuert. Optional können im Zwischenbereich auch zusätzliche Löcher für die Montage und Positionierung des Lagerschilds im Motorgehäuse ausgebildet sein. Dadurch kann beispielsweise die Winkellage des Lagerschilds gegenüber dem Motorgehäuse exakt festgelegt werden.
Durch die Ausbildung einer axialen Stufe im Zwischenbereich kann dieser in zwei axial voneinander beabstandete radiale Ebenen unterteilt werden. Dabei weist beispielweise die radial äußere ringförmige Ebene einen größeren axialen Abstand zum Rotor auf, als die radial innere ringförmige Ebene. Dadurch kann unmittelbar axial über den Statorspulen Bauraum für die Kontaktierung und die Verbindung der einzelnen Statorspulen untereinander zur Verfügung gestellt werden. Im radial inneren Bereich steht hingegen zusätzlicher axialer Bauraum für einen Signalgeber einer Rotorlagenerfassung und/oder für ein Abtriebsritzel und/oder für die Elektronikeinheit oberhalb des Lagerschilds zur Verfügung. Dadurch kann die gesamte axiale Ausdehnung der elektrischen Maschine entsprechend reduziert werden.
Dabei ist es besonders günstig, wenn die Rotorwelle durch ein zentrales Durchgangsloch im Lagerschild hindurch in den Bauraum des Gehäuses oberhalb des Lagerschilds hineinragt. Dadurch kann axial oberhalb des Lagerschilds ein Abtriebselement, beispielweise ein Abtriebsritzel zum Eingriff in ein korrespondierendes Getriebe, direkt auf der Rotorwelle angerordnet werden. Das Getriebe ragt hierbei von der axial offenen Seite des Motorgehäuses in dieses hinein, wobei ein korrespondierendes Getriebebauteil mit dem Abtriebselement zusammenwirkt. Des Weiteren ist bevorzugt als Signalgeber ein Sensormagnetrad axial oberhalb des Lagerschildes angeordnet. Das Sensormagnetrad ist dabei beispielweise radial auf dem Abtriebselement oder radial auf der Rotorwelle angeordnet. Mit der Montage der Elektronikeinheit von der axial offenen Seite des Motorgehäuses wird hierbei insbesondere einen Magnetsensor unmittelbar benachbart zum Sensormagnetrad angeordnet, vorzugsweise innerhalb einer dafür vorgesehenen Ausnehmung im Lagerschild. Dabei kann der Magnetsensor radial gegenüberliegend zum Magnetrad angeordnet werden, so dass der Bauraum unmittelbar axial oberhalb des Magnetrades für andere Bauteile zur Verfügung steht. Durch den elastischen Zwischenbereich, der den Ringbund vorm Lagersitz für die Rotorwelle mechanisch entkoppelt, ist damit gewährleistet, dass das Magnetrad exakt gegenüber zum Sensormagnet der Elektronikeinheit positioniert ist, wodurch eine zuverlässige und exakte Rotorlageerfassung ermöglicht wird.
Das erfindungsgemäße Lagerschild wird insbesondere für ein Motorgehäuse verwendet, dass auf einer axialen Seite einen geschlossenen Gehäuseboden aufweist, und an der gegenüberliegenden Seite axial offen ausgebildet ist. Dabei kann das Lagerschild nach der Montage des Stators im Motorgehäuse axial im Motorgehäuse eingepresst werden, wodurch der Rotor einerseits am Gehäuseboden und andererseits am Lagerschild radial und axial gelagert wird. Durch den elastisch ausgebildeten Zwischenbereich des Lagerschilds kann der Rotor sowohl axial als auch radial exakt positioniert im Motorgehäuse gelagert werden. Dabei könne insbesondere auch die Bauteile, die auf dem aus dem Lagerschild herausragenden Teil der Rotorwelle gelagert sind, sehr präzise gegenüber korrespondierenden Bauelementen positioniert werden, die axial und radial mit den Bauteilen zusammenwirken.
Durch das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren kann zuerst der Statorgrundkörper in das Motorgehäuse eingepresst werden und davon unabhängig danach das Lagerschild axial in das Gehäuse eingefügt werden, nachdem der Rotor radial innerhalb des Statorgrundkörpers eingefügt wurde. Dabei kann das obere Rotorlager bei der Montage des Lagerschilds axial auf die Rotorwelle aufgefügt werden. Alternativ kann zuerst das Lagerschild axial oberhalb des Rotor befestigt werden, und danach erst das obere Wälzlager auf die Rotorwelle aufgeschoben werden, um dieses axial in den axial nach oben offenen Lagersitz einzufügen. Treten beim Einpressen des Lagerschilds in das Motorgehäuse unregelmäßige, störende Kräfte auf, werden diese durch den elastisch deformierbaren Zwischenbereich des Lagerschilds ausgeglichen. Dadurch kann der Rotor direkt mit der Montage des Lagerschilds bzw. des oberen Lagers, radial und/oder axial sehr exakt positioniert werden, ohne das ein weiteres Justierverfahren notwendig ist.
Das Statorgehäuse kann mittels Tiefziehen besonders günstig als geschlossener Topf ausgebildet werden, bei dem an der Bodenfläche kein axialer Durchbruch für die Rotorwelle ausgebildet ist. An der Bodenfläche ist eine Lageraufnahme für ein Rotorlager ausgebildet, so dass in diesem Fall das Abtriebselement des Rotors und die elektrische Kontaktierung des Stators axial auf der gleichen Seite, nämlich am offenen Flansch, angeordnet sind. Zur Montage der elektrischen Maschine wird nach dem Einfügen des bewickelten Statorgrundkörpers in das Statorgehäuse der Rotor axial innerhalb des Statorgrundkörpers eingefügt, und die Rotorwelle in der Lageraufnahme des Bodens des Gehäuses gelagert. Der Stator wird beispielsweise axial in ein erwärmtes Statorgehäuse eingesetzt, wobei beim Fügen ein minimaler radialer Luftspalt zwischen dem Umfang des Statorgrundkörpers und der Innenseite des Statorgehäuses besteht. Axial gegenüberliegend zum Gehäuseboden wird die Rotorwelle in dem separat gefertigten Lagerschild gelagert, das axial in das Motorgehäuse eingepresst wird. Bei solch einem einseitige geschlossenen Gehäusetopf kann das Loslager des Rotors am Gehäuseboden oder am Lagerschild angeordnet werden. Die Anschlüsse für die elektrische Wicklung des Stators ragen axial durch das Lagerschild hindurch und werden dort mit einer Elektronikeinheit elektrisch kontaktiert. Zur korrekten elektronischen Kommutierung der Statorspulen ist an der Rotorwelle zur Elektronik hin eine Rotorlage-Erfassung angeordnet, die beispielsweise einen Ringmagneten auf der Rotorwelle und einen Magnetsensor in der Elektronikeinheit aufweist. Am offenen Flansch des Statorgehäuses kann ein weiteres Gehäuseteil angeflanscht werden, das einerseits die Elektronikeinheit abschließt und/oder andererseits eine Getriebenheit für die Übertragung des von der Rotorwelle kommenden Drehmoments aufnimmt.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
2 bis 5 verschiedene Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Lagerschilden.

Bei der in 1 dargestellten elektrischen Maschine 100 handelt es sich um einen elektronisch kommutierten, permanenterregten Synchronmotor. Die elektrische Maschine 100 ist als Innenläufer ausgebildet und umfasst einen Stator 12, dessen Statorgrundkörper 11 in einem Statorgehäuse 13 eingefügt ist. Radial innerhalb des Stators 12 ist ein Rotor 14 aufgenommenen, der in einem Lagerschild 10 gelagert ist. Der Stator 12 weist über den Umfang verteilt mehrere bestrombaren Statorspulen 15 auf. Der Rotor 14 umfasst eine Rotorwelle 16, sowie ein Lamellenpaket 17, das auf der Rotorwelle 16 angeordnet ist. Über den Umfang des Rotors 14 verteilt sind mehrere Permanentmagnete 18 angeordnet, die mit den Statorspulen 15 zusammenwirken.
Das Lagerschild 10 weist an seinem radial äußeren Rand einen Ringbund 22 auf, mit dem das Lagerschild in das Statorgehäuse 13 eingepresst ist. Der Ringbund 22 ist hier als zylindrische Hülse 23 ausgebildet, die eine Presspassung mit der Innenwand des Statorgehäuses 13 bildet. Im Zentrum des Lagerschilds 10 ist ein Lagersitz 24 ausgeformt, der sich bevorzugt als zylindrischer Fortsatz 25 vom Lagerschild 10 in Axialrichtung 32 erstreckt. Im Lagersitz ist ein Wälzlager 19 angeordnet, das sich radial unmittelbar mit einem Außenring 20 an der Innenseite des zylindrischen Fortsatzes 25 abstützt. Der Lagersitz 24 ist über einen Zwischenbereich 26 mit dem äußeren Ringbund 22 verbunden. Im Zwischenbereich 26 sind Durchbrüche 50 ausgespart, die das Material des Lagerschildes 10 derart schwächen, dass dies einen elastischen Bewegungsausgleich des Lagersitzes 24 gegenüber dem äußeren Ringbundes 22 erlaubt. Somit weist der Zwischenbereich 26 eine elastische Verformbarkeit auf, die eine radiale Deformation des äußeren Ringbunds verursacht durch dessen Press-Sitz im Gehäuse gegenüber dem zentralen Lagersitz ausgleicht. Alternativ -oder zusätzlich - kann durch die elastische Verformbarkeit des Zwischenbereichs 26 eine axiale Vorspannkraft des Lagerschildes 10 auf das Lager 19 ausgeübt werden. Dadurch kann beispielsweise das axiale Lagerspiel des Rotors mittels der axialen Vorspannkraft des Lagerschilds 10 kompensiert werden. Dazu ist das Wälzlager 19 im Lagersitz 24 bevorzugt als Loslager ausgebildet, das mit seinem Außenring 41 axial verschiebbar im zylindrischen Fortsatz 25 verschiebbar ist. Der Innenring 42 ist hier beispielsweise fest auf der Rotorwelle 16 fixiert. An einem der offenen Seite gegenüberliegenden Ende des Statorgehäuses 13 ist der Gehäuseboden 21 ausgebildet, der das Statorgehäuse 13 auf dieser Seite axial abschließt. Im Zentrum des Gehäusebodens 21 ist eine Lageraufnahme 30 für ein zweites Rotorlager 20 ausgebildet. Bei dieser Ausführung ist das am Rotor 14 gegenüberliegende Lager 20 als Festlager ausgebildet, das die Rotorwelle 16 axial fest am Gehäuseboden 21 fixiert. Damit ist für den Axialspielausgleich kein zusätzliches axiales Federelement notwendig.
Der Zwischenbereich 26 weist eine axiale Stufe 28 auf, durch die eine äußere radiale Ebene 71 mit einer inneren radialen Ebene 72 des Lagerschildes 10 verbunden ist. Die axiale Stufe 28 ist hier schräg ausgebildet, so dass sie eine konische Fläche 29 zwischen den beiden Ringsegmenten 71, 72 bildet. Die Durchbrüche 50 sind dabei radial innerhalb der axialen Stufe 28 und/oder radial außerhalb der axialen Stufe 28 ausgeschnitten. Alternativ können die Durchbrüche 50 auch innerhalb der axialen Stufe 28 ausgebildet werden. Die zylindrische Hülse 23 des Ringbundes 22 erstreckt sich bei dieser Ausführung von der radial äußeren Ebene 71 axial weg vom Rotor 14. Der zylindrische Fortsatz 25 des Lagersitzes 24 erstreckt sich von der radial inneren Ebene 72 axial weg vom Rotor 14. Dabei bildet der Lagersitz 24 eine axiale Stirnfläche 27 an der sich der Außenring 41 axial abstützt und dadurch der Außenring 41 durch das Lagerschild 10 axial elastisch gegen den Rotor 14 gedrückt wird.
Bei dieser Ausführung durchdringt die Rotorwelle 16 das Lager und ein zentrales Durchgangsloch 66 des Lagerschilds 10, so dass auf dem freien Ende der Rotorwelle 16 ein Abtriebsritzel 80 und/oder ein Signalgeber 82 für eine Rotorlageerfassung angeordnet sind. Des Weiteren ragen Stromzuführungen 61 durch Durchgangsöffnungen 60 im Lagerschild 10, die die Statorspulen 15 mit einer nicht dargestellten Steuerelektronik der elektrischen Maschine 100 verbinden. In 1 kann dann eine Getriebeeinheit auf die offene Seite des Statorgehäuses 13 gefügt werden, so dass das Abtriebsritzel 80 die Getriebeeinheit - beispielsweise einer Pumpe - antreibt.
In einer alternativen Ausführung des Lagerschildes 10 wird das Lager 19 nicht von der Rotorseite in den Lagersitz 24 eingeführt, sondern von der dem Rotor 14 abgewandten Seite des Lagerschildes 10. Dabei übt das Lagerschild 10 beispielsweise eine axiale Vorspannkraft auf das Lager aus, die den Außenring 41 des Lagers 19 vom Rotor 16 wegdrückt. Dabei weist der zylindrische Fortsatz 25 des Lagersitzes 24 auf der dem Rotor 14 zugewandten Seite einen axialen Anschlag auf, der vorzugsweise als umlaufender Ring ausgebildet ist. In einer weiteren Ausführung kann auch das Lager im Lagerschild 10 als Festlager ausgebildet sein, und das diesem gegenüberliegende Lager 20 am Gehäuseboden 21 als Loslager. Bei dieser Ausführung drückt das Lagerschild 10 gemäß 1 elastisch über das Lager 19 die gesamte Rotorwelle 16 gegen den Gehäuseboden 21, so dass das Axialspiel am Lager 20 am Gehäuseboden 21 eliminiert wird.
In 2 ist eine weitere Ausführung eines Lagerschildes 10 dargestellt, das besonders für die Ausübung einer elastischen Vorspannkraft in Axialrichtung 32 geeignet ist. Dazu sind im Zwischenbereich 26 Kreisringsegmente 52 als Durchbrüche 50 ausgeschnitten. Die Kreisringsegmente 52 sind gleichmäßig über den gesamten Umfang verteilt, wobei dazwischen jeweils radial durchgehende Stege 53 ausgebildet sind, die den radial äußere Ebene 71 mit der radial inneren Ebene 72 verbinden. Die radial durchgehende Stege 53 lassen sich bei der Montage des Lagerschildes 10 in Axialrichtung 32 verbiegen. Der Lagersitz 22 ist bei dieser Ausführung vom Zwischenbereich 26 als zylindrischer Fortsatz 25 axial zum Rotor 14 hin ausgebildet, und weist zum Rotor 14 hin einen ringförmigen axialen Anschlag 44 auf. Beispielsweise wird hier nach der Montage des Stators 12 in das Statorgehäuse 13 und das Einsetzen des Rotors 14 in den Stator 12 das Lagerschild 10 axial in das Statorgehäuse 13 eingefügt, derart, dass die Rotorwelle 10 durch das zentrale Durchgangsloch 66 des Lagerschilds 10 hindurch ragt. Erst danach wird das Lager 19 axial auf die Rotorwelle 16 geschoben, wobei der Innenring 42 einen festen Press-Sitz auf der Rotorwelle 16 bildet und der Außenring 41 als Loslager in dem zylindrischen Fortsatz 25 axial beweglich ist. Das Lager 19 wird dabei soweit axial auf die Rotorwelle 16 aufgepresst, bis durch die elastische axiale Auslenkung des Lagersitzes 24 das axiale Lagerspiel des Lagers 19 beseitigt ist. Dabei wird der Außenring 41 nach dem Erreichen des axialen Anschlags des Lagersitzes 24 noch weiter gegen den axialen Anschlag gedrückt, um eine axiale Vorspannung im Lagerschild 10 aufzubauen. In der radial äußeren Ebene 71 sind drei Durchgangsöffnungen 60 für die Phasenanschlüsse 61 der Statorspulen 15 ausgeschnitten. Außerdem sind Löcher 62 für die Montage des Lagerschildes 10 oder eines Drehlagensensors ausgeformt, in die ein entsprechendes Montagewerkzeug und/oder der Drehlagensensor eingreifen kann.
3 zeigt eine weitere Variante des Lagerschildes 10, die besonders für einen radialen Ausgleich zwischen dem Ringbund 22 und dem Lagersitz 24 geeignet ist. Hier sind die Durchbrüche 50 spiralförmig ausgebildet, so dass diese sich als Schlitze in Umfangsrichtung 33 und in Radialrichtung 31 erstrecken. Zwischen den spiralförmigen Durchbüchen sind spiralförmige Stege 57 angeordnet, die bei einer radialen Krafteinwirkung elastisch nachgeben. Solche spiralförmigen Stege 57 können auch eine axiale Vorspannkraft innerhalb des Lagerschildes 10 erzeugen. Bei diesem Beispiel sind die Durchbrüche 50 und die spiralförmigen Stege 57 nur in der radial inneren Ebene 72 angeordnet. Die innere Ebene 71 ist hier durch die axiale Stufe 28 von der radial äußeren Ebene 71 getrennt. An der radialen Stufe 28 ist die Ausnehmung 64 zur Aufnahme eines Sensors ausgebildet. Der zylindrische Fortsatz 25 erstreckt sich hier von dem Zwischenbereich 26 axial vom Rotor 14 weg zum Ringbund 22 hin. Dabei ist auch der axiale Anschlag 44 an der dem Rotor 14 abgewandten Seite des zylindrischen Fortsatzes 25 angeformt.
In einer weiteren Variante des Lagerings 10 sind die Durchbrüche 50 als ringförmige Schlitze 54 ausgebildet, die sich über einen bestimmten Winkelbereich - insbesondere zwischen 40° und 70° - in Umfangsrichtung 33 erstrecken. Dabei sind auf unterschiedlichen Radien 54 ringförmige Schlitze 54 angeordnet, die sich jeweils in Umfangsrichtung 33 überlappen. Wirkt nun durch die Montage des Ringbundes 22 von außen eine radiale Kraft auf das Lagerschild 10, kann der Zwischenbereich 26 diese Kraft durch eine radiale elastische Verformung aufnehmen. Dabei können sich die ringförmigen Schlitze 54 bevorzugt in Radialrichtung 33 verengen. Bei der Anordnung der ringförmigen Schlitze 54 auf verschiedenen Radien 56, ist der Rand radial zwischen den ringförmigen Schlitzen 54 sehr dünn ausgebildet, so dass dieser Rand leicht deformierbar ist, um eine radial äußere Verformung am Ringbund 22 auszugleichen. Die Schlitze 54 sind hier auch wieder an der radial inneren Ebene 72 ausgeschnitten, können aber auch an der radial äußeren Ebene 71 angeordnet sein, wie dies in 5 dargestellt ist.
In 5 sind die Schlitze 54 radial sehr nah am Ringbund ausgeformt, wobei mehrere schlitzförmige Winkelabschnitte in Umfangsrichtung 33 durch Umfangsbrücken 58 voneinander getrennt. Durch die Nähe zum Ringbund 22 können Deformationen von diesem durch die ringförmigen schlitze 54 besonders gut ausgeglichen werden. Dabei bleibt der Lagersitz 24 im Zentrum exakt positioniert. Somit sind die beiden Funktionsbereiche des radial äußeren Ringbundes 22 von dem radial inneren Lagersitz 22 mechanisch entkoppelt. Bei dieser Ausführung erstreckt sich sowohl die zylindrische Hülse 23 des Ringbundes 22 als auch der zylindrische Fortsatz 25 ausgehend vom Zwischenbereich 26 axial weg vom Rotor 14. Durch die radiale Stufe 28, die im Zwischenbereich 26 ausgebildet ist, ist die zylindrische Hülse 23 trotzdem axial versetzt zum zylindrischen Fortsatz 25 angeordnet, insbesondere derart, dass diese axial nicht überlappen. Diese Geometriebedingung kann für alle beschriebenen Ausführungen des Lagerschilds 10 angewendet werden.
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 konkrete Ausbildung, die Anordnung und Anzahl der Durchbrüche 50 und/oder der Stege 53, 56, 58 entsprechend der Anforderungen bezüglich der axialen oder radialen Verformbarkeit variiert werden. Insbesondere kann der Zwischenbereich 26 eine axiale Stufe 28 aufweisen oder nicht. Somit können die Durchbrüche 50 nur an der äußeren Ebene71 oder nur an der inneren Ebene 72 oder an beiden Ebenen 71, 72 ausgeformt sein. Ebenso kann die Ausbildung des Ringbundes 22 und des Lagersitzes 24 an die entsprechende elektrische Maschine 100 angepasst werden. Das Gehäuse 13 ist bevorzugt als Statorgehäuse 13 eines bürstenlos kommutierten EC-Motors ausgebildet, das nicht magnetisch leitfähig ausgebildet sein muss. Mittels der Phasenanschlüsse 61 können unterschiedliche Verschaltungen der Statorspulen 15 realisiert werden, beispielsweise eine Dreiecks- oder eine Sternschaltung der einzelnen Phasen, sowie die Anzahl der Phasen variiert werden. Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise für den Drehantrieb 100 von Komponenten oder die Verstellung von Teilen im Kraftfahrzeug, ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015226054 A1 [0002]
DE 102019203167 A1 [0003]

Claims

Lagerschild (10), insbesondere für eine elektrische Maschine (100), mit einem radial äußeren Ringbund (22), der axial in ein zylindrisches Gehäuse (13) der elektrischen Maschine (100) einfügbar ist, und einem radial inneren Lagersitz (24) zur Aufnahme eines Radiallagers (19), und einem radial zwischen dem Ringbund (22) und dem Lagersitz (24) angeordneten Zwischenbereich (26), der eine höhere elastische Verformbarkeit in Radialrichtung (31) und/oder in Axialrichtung (32) aufweist, als der Ringbereich (22) und der Lagersitz (24).
Lagerschild (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerschild (10) als Stanz-Biegeteil aus Metall - vorzugsweise aus einem Stahlblech - ausgebildet ist.
Lagerschild (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringbund (22) als zylindrische, geschlossene Hülse (23) ausgebildet ist, die sich in Axialrichtung (32) der elektrischen Maschine (100) erstreckt - und insbesondere ausgebildet ist, eine Presspassung mit dem zylindrischen Gehäuse (13) zu bilden.
Lagerschild (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagersitz (24) als zentraler zylindrischer Fortsatz (25) ausgebildet ist, der sich in Axialrichtung (32) der elektrischen Maschine (100) erstreckt - und insbesondere einen Außenring (41) des Lagers (19) axial aufnehmen kann.
Lagerschild (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringbund (22) und der Lagersitz (24) axial versetzt zueinander angeordnet sind, wobei zwischen dem Ringbund (22) und dem Lagersitz (24) eine axiale Stufe (18) ausgebildet ist.
Lagerschild (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zwischenbereich (26) gleichmäßig über den Umfang verteilt mehrere Durchbrüche (50) ausgestanzt sind, die das Material des Lagerschilds (10) im Zwischenbereich (26) schwächen.
Lagerschild (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (50) als Kreisringsegmente (52) ausgebildet sind, zwischen denen in Umfangsrichtung (33) jeweils radial durchgehende Stege (53) angeordnet sind.
Lagerschild (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (50) als Schlitze (54) ausgebildet sind, die sich in Umfangsrichtung (33) erstrecken, wobei die Schlitze (54) auf unterschiedlichen Radien (55) angeordnet sind, und sich die Schlitze (54) auf den unterschiedlichen Radien (55) in Umfangsrichtung (33) überlappen.
Lagerschild (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (50) spiralförmig ausgebildet sind, wobei zwischen den spiralförmigen Durchbrüchen (56) in Umfangsrichtung (33) jeweils spiralförmige Stege (57) angeordnet sind.
Lagerschild (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (50) radial innerhalb der axialen Stufe (28) und/oder radial außerhalb der axialen Stufe (28) ausgebildet sind.
Lagerschild (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zwischenbereich (26) Durchgangsöffnungen (60) für die Stromzuführung (61) von Statorspulen (15) - und insbesondere Löcher (62) für den Eingriff eines Montagewerkzeugs oder für die Montage eines Rotorlagen-Sensors ausgebildet sind.
Lagerschild (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Stufe (28) als konische Fläche (29) ausgebildet ist, die eine erste radial äußere Ebene (71) mit einer zweiten, radial inneren Ebene (72) des Zwischenbereichs (26) verbindet - und insbesondere an der axialen Stufe (28) eine Ausnehmung (64) zur Aufnahme des Rotorlagen-Sensors ausgebildet ist.
Lagerschild (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerschild (10) ein zentrales Durchgangsloch (66) aufweist, durch das eine Rotorwelle (16) durch h den Lagersitz (24) hindurchgeführt werden kann - um insbesondere mit einem Drehlagensensor einer Steuerelektronik zusammenzuwirken.
Elektrische Maschine (100) mit einem Stator (12), der in einem Statorgehäuse (13) angeordnet ist, und einem Lagerschild (10) nach einem der vorherigen Ansprüchen, wobei das Lagerschild (10) axial über dem Stator (12) im Statorgehäuse (13) befestigt ist, und einen Rotor (14) lagert, der radial innerhalb des Stators (12) angeordnet ist - und insbesondere eine Rotorwelle (16) des Rotors (14) durch das Lagerschild (10) axial hindurch ragt.
Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine (100) nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - das Statorgehäuse (13) wird derart erwärmt, dass der Stator (12) axial in das Statorgehäuse (13) eingesetzt wird, wobei beim Abkühlen des Statorgehäuses (13) eine Presspassung mit dem Stator (12) ausgebildet wird, - danach wird das Lagerschild (10) axial in das Statorgehäuse (13) eingepresst und/oder eingeschrumpft, wobei radiale Verformungen am äußeren Ringbund (22) durch eine elastische Deformation des Zwischenbereichs (26) des Lagerschilds ausglichen werden, - und insbesondere beim Einfügen des Lagerschilds (10) eine axiale, elastische Vorspannung auf den Zwischenbereich (26) aufgebracht wird, die axial federnd ein axiales Lagerspiel des Rotors (14) im Lagersitz (24) eliminiert.