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Die Erfindung betrifft eine Elektromaschine mit einem runden Gehäuse, einem in dem Gehäuse drehfest angeordneten Stator und mit einem Rotor, der sich auf einer Rotorwelle dreht. Eine solche Elektromaschine funktioniert insbesondere als Elektromotor, kann im Prinzip aber ebenso gut auch als Generator eingesetzt werden.
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Durch die magnetischen Kräfte im Luftspalt zwischen Stator und Rotor entstehen zeitlich veränderliche mechanische Kräfte, die auf den Stator einwirken. Mathematisch lassen sich diese Kräfte als Kraftwellen beschreiben, welche sich in radialer Richtung und in tangentialer Richtung ausbreiten. Die Anregungen der Kraftwellen entstehen als Überlagerung von Wellen in radialer und tangentialer Richtung mit unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Ordnungen. Die Radialkraftwellen regen Schwingungen des Gehäuses an. Die Gehäuseschwingungen werden als Körperschall in die angrenzenden Strukturen eingeleitet oder als Schallwellen in die umgebende Luft abgestrahlt.
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Üblicherweise wird der Stator einer Elektromaschine möglichst steif in das Gehäuse eingebaut. Infolge der magnetischen Kräfte entstehende Verformungen des Stators in radialer Richtung werden unmittelbar auf das Gehäuse übertragen und führen zu störenden Geräuschen im Betrieb.
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Oft wird der Stator in das Gehäuse oder einen Statorträger eingepresst. Dabei entsteht auf der ganzen Pressfläche eine steife Verbindung. Alternativ wird der Stator mittels axialer Bohrungen mit den Stirnseiten des Gehäuses verschraubt. Dabei entstehen stirnseitige Kontaktflächen und wiederum eine steife Verbindung des Stators mit dem Gehäuse.
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Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, den Stator einer Elektromaschine so in dem Gehäuse zu befestigen, dass die radialen Verformungen des Stators infolge Anregung durch Radialkraftwellen so weit wie möglich vom Gehäuse ferngehalten werden.
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Gelöst wird die Aufgabe gemäß dem ersten Patentanspruch durch Verbindungselemente, die den Stator in Umfangsrichtung steif, in radialer Richtung aber nachgiebig mit dem Gehäuse verbinden. Durch die erfindungsgemäßen Verbindungsmittel werden die Drehmomente des Stators steif in das Gehäuse eingeleitet; gleichzeitig reagieren diese Verbindungsmittel auf radiale Verformungen des Stators weich, sodass die Verformungen nicht oder nur stark gedämpft auf das Gehäuse übertragen werden. In Umfangsrichtung bzw. bzw. in tangentialer Richtung stellen die Verbindungselemente also eine steife Anbindung dar, während sie gleichzeitig in radialer Richtung weich sind.
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Insbesondere übertragen die Verbindungselemente Schub- und Zugkräfte des Stators in Umfangsrichtung auf das Gehäuse, lassen aber gleichzeitig Bewegungen des Stators gegenüber dem Gehäuse in radialer Richtung in begrenztem Umfang zu. Durch diese anisotrope Eigenschaft der Verbindungselemente bleibt es, wie bei herkömmlichen Elektromaschinen, bei einer stabilen drehfesten Verbindung zwischen Stator und Rotor; gleichzeitig werden jedoch die vom Stator ausgehenden Radialkraftwellen weitestgehend von dem Gehäuse ferngehalten. Das Ergebnis ist ein schwingungsarmer Lauf und eine erheblich reduzierte Geräuschentwicklung.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Elektromaschine sind die Verbindungselemente als Gelenkhebel ausgebildet, welche zwischen dem Gehäuse und dem Stator angeordnet und in radialer Richtung schwenkbar an dem Gehäuse gelagert sind. Beispielsweise haben die Gelenkhebel einen sich in Umfangrichtung oder in tangentialer Richtung erstreckenden Schaft und an den beiden einander gegenüberliegenden Enden des Schafts angeordnete Gelenkköpfe. Die schwenkbar gelagerten Gelenkhebel lassen kleine Bewegungen des Stators in radialer Richtung zu, verbinden aber gleichzeitig den Stator in Umfangsrichtung steif mit dem Gehäuse, in dem sie Schub- und Zugkräfte des Stators tangential in das angrenzende Gehäuse einleiten.
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Die Gelenkhebel können vorteilhaft mit dem einen Gelenkkopf an dem Gehäuse und mit dem anderen Gelenkkopf an dem Stator drehbar gelagert sein. Zweckmäßig sind die Gelenkköpfe jeweils um eine Achse, die parallel zur Rotorachse verläuft, drehbar gelagert. Alternativ können die gewünschten anisotropen Eigenschaften der Gelenkhebel aber auch durch die Materialwahl oder die Kombination von Materialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften realisiert werden. Beispielsweise können die Verbindungselemente aus einem gummielastischen Material, vorzugsweise Elastomer-Element ausgeführt sein. Die gewünschte unterschiedliche Steifigkeit in radialer Richtung und in Umfangsrichtung kann dabei durch die geometrische Gestaltung erfolgen. Die Verbindungselemente können auch als Verbundbauteile, beispielsweise aus Metall und Gummi, ausgeführt sein. Ebenso denkbar sind Ausführungsformen, bei denen die Verbindungselemente als Gelenkhebel ausgebildet sind, deren Gelenkköpfe mit einem elastomeren Material umspritzt sind. Dann würden die Bereiche aus elastomerem Material zu der gewünschten Verformbarkeit bzw. Nachgiebigkeit in radialer Richtung führen.
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Der Stator der Elektromaschine umfasst vorzugsweise - in an sich bekannter Weise - ein Paket von Statorblechen. Die Statorbleche haben radial nach außen abstehende Augen. In den Augen der Statorbleche sitzen Lagerbolzen, welche sich parallel zur Rotorwelle erstrecken. Die als Verbindungselemente dienende Gelenkhebel sind mit einem Gelenkkopf auf dem Lagerbolzen und mit dem anderen Gelenkkopf an dem Gehäuse gelagert. Dabei erstrecken sich die Lagerbolzen in axialer Richtung durch das gesamte Paket von Statorblechen hindurch, allerdings ohne steife Verbindung zu dem Gehäuse in radialer Richtung. Die drehbare Lagerung des jeweils anderen Gelenkkopfes an dem Gehäuse erfolgt vorzugsweise durch eine Gelenkpfanne, die an der Stirnseite des Gehäuses ausgebildet ist.
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Um eine rotationssymmetrische Lagerung des Stators in dem Gehäuse zu erreichen, kann zweckmäßig eine Mehrzahl von Gelenkhebeln gleichmäßig um den Umfang des Stators verteilt angeordnet sein. Vorzugsweise sind an jeder der beiden Stirnseiten des Gehäuses jeweils vier bis acht, besonders bevorzugt sechs Gelenkhebel gleichmäßig verteilt angeordnet.
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Anstelle von zwischen Gehäuse und Stator angeordneten Gelenkhebeln können die Verbindungselemente auch einstückig an dem Stator angeformt sein. Bei einem Stator, der ein Paket von Statorblechen umfasst, können die Verbindungselemente dadurch realisiert werden, dass die Statorbleche im Bereich ihres Umfangs Radialschlitze haben, wobei diese Radialschlitze sich teilweise überlappen und schmale Blechstege abgrenzen, welche in radialer Richtung elastisch verbiegbar sind. In Umfangsrichtung bzw. in tangentialer Richtung verbiegen sich die Blechstege nicht, wohingegen sie auf Radialwellen und dadurch erzeugte Verformungen des Stators in radialer Richtung weich reagieren. Die Radialschlitze verhindern dadurch eine Ausbreitung der Radialwellen auf die in radialer Richtung angrenzenden Blechstege der Statorbleche und entkoppeln somit das Gehäuse wirksam von dem schwingenden Stator.
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Zweckmäßig ist eine Mehrzahl von Radialschlitzen gleichmäßig über den Umfang des Stators verteilt. Eine Anzahl zwischen vier und acht Radialschlitzen, die sich jeweils zu ungefähr einem Drittel überlappen, stellt einen optimalen Kompromiss zwischen Steifigkeit des äußeren Rands des Stators in Umfangsrichtung und Nachgiebigkeit in radialer Richtung dar.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der beigefügten Abbildungen näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 einen Elektromotor von vorne, perspektivisch;
- 2 den Stator des Elektromotors von 1, perspektivisch;
- 3 den Elektromotor gemäß 1, mit teilweise herausgezogenen Lagerbolzen;
- 4 den Stator des Elektromotors gemäß 2, in Explosionsdarstellung;
- 5 einen zweiten Elektromotor, in Vorderansicht;
- 6 den Stator des Elektromotors von 5, perspektivisch.
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Der in 1 vereinfacht dargestellte Elektromotor hat ein zylindrisches Gehäuse 10, in dem ein Stator 20 drehfest eingebaut ist. Ein konzentrisch angeordneter Rotor 30 dreht sich im Innern des Stators 20. Zwischen dem Stator 20 und dem Rotor 30 sind Gelenkhebel 40 angeordnet.
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Die vordere Stirnseite 11 und die hintere Stirnseite 12 des Gehäuses 10 sind in der Art eines Flansches ausgebildet. Am Übergang zwischen den Stirnseiten 11, 12 und der zylindrischen Gehäusewandung sind runde Gelenkpfannen 13 angeordnet. In axialer Richtung erstrecken sich radial nach außen weisende Sicken 14 zwischen der vorderen Stirnseite 11 und der hinteren Stirnseite 12.
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Der Stator 20 umfasst ein Paket von Statorblechen 21 mit radial nach außen weisenden Augen 22 (vgl. 4).
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Der Rotor 30 dreht sich um eine am Gehäuse 10 drehbar gelagerte Rotorwelle 31. Die Rotorwelle 31 bildet die Motorwelle des Elektromotors. Da der Rotor 30 innen und der Stator 20 außen sitzt, handelt es sich hier um einen Innenläufer. Die gegenseitigen magnetischen Anziehungs- und Abstoßungskräfte zwischen Stator 20 und Rotor 30 werden in eine Rotationsbewegung der Rotorwelle 31 umgesetzt.
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Wie insbesondere in 4 gut zu erkennen, haben die Gelenkhebel 40 einen Schaft 41, der sich in tangentialer Richtung erstreckt, sowie an den gegenüberliegenden Enden des Schafts 41 angeordnete Gelenkköpfe 42 und 43. Jeweils sechs Gelenkhebel 40 sind an den Stirnseiten 11, 12 gleichmäßig um den Umfang des Stators 20 angeordnet.
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In den Augen 22 der Statorbleche 21 sitzen Lagerbolzen 50, welche sich parallel zur Rotorwelle 31 in axialer Richtung erstrecken. Die Lagerbolzen 50 sitzen in den korrespondierenden Sicken 14 des Gehäuses 10. Die Gelenkhebel 40 sind mit ihren jeweils ersten Gelenkköpfen 42 auf den axialen Enden der Lagerbolzen 50 drehbar gelagert (vgl. 3, 4). Die Gelenkköpfe 43 an den gegenüberliegenden Enden der Gelenkhebel 40 sind in den Gelenkpfannen 13 des Gehäuses 10 drehbar gelagert.
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Die starren, aber drehbar gelagerten Gelenkhebel 40 verbinden den Stator 20 in Umfangsrichtung steif und gleichzeitig in radialer Richtung nachgiebig mit dem Gehäuse 10. Tangentiale Schub- und Zugkräfte des Stators 20 werden dadurch in Umfangsrichtung steif auf das Gehäuse 10 übertragen; gleichzeitig können sich die Augen 22 der Statorbleche 21 in radialer Richtung ein kleines Stück in den Sicken 14 des Gehäuses 10 bewegen. Die Gelenkhebel 40 reagieren also weich auf radiale Verformungen des Stators 20. Radialkraftwellen werden nicht vom Stator 20 auf das Gehäuse 10 übertragen.
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Bei der zweiten Ausführungsform eines Elektromotors gemäß den 5 und 6 umfasst der Stator 60 ebenfalls ein Paket von parallelen Statorblechen 61. Die Statorbleche 61 haben im Bereich ihres äußeren Rands Radialschlitze 62, die sich über den gesamten Umfang des Stators 60 gleichmäßig verteilen. Die Radialschlitze 62 überlappen sich teilweise und grenzen schmale Blechstege 63 ab. Befestigungslöcher 64 dienen der Aufnahme von (nicht dargestellten) Lagerbolzen, die sich in axialer Richtung durch den Stator erstrecken. Radiale Verformungen des Stators 60 werden von den Radialschlitzen 62 ausgeglichen. Dabei können die relativ schmalen Blechstege 63 der Statorbleche 61 in radialer Richtung etwas nachgeben, indem sie sich elastisch verbiegen.
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In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Ein einzelnes Element kann die Funktionen mehrerer der in den Patentansprüchen genannten Elemente ausführen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gehäuse
- 11
- Stirnseite
- 12
- Stirnseite
- 13
- Gelenkpfanne
- 14
- Sicke
- 20
- Stator
- 21
- Statorblech
- 22
- Auge
- 30
- Rotor
- 31
- Rotorwelle
- 40
- Gelenkhebel
- 41
- Schaft
- 42
- Gelenkkopf
- 43
- Gelenkkopf
- 44
- Bohrung (in 42)
- 50
- Lagerbolzen
- 60
- Stator
- 61
- Statorblech
- 62
- Radialschlitz
- 63
- Blechsteg
- 64
- Befestigungsloch
