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Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein gattungsgemäßer elektronisch kommutierter Gleichstrommotor umfasst einen bewickelten Stator, welcher ein Statorblechpaket und an den axialen Stirnseiten mindestens eine Isolierkappe ausweist. Ferner umfasst der elektronisch kommutierte Gleichstrommotor einen Rotor, welcher als Permanentmagnetrotor ausgebildet und auf einer Welle gelagert ist. Derartige Gleichstrommotoren finden beispielsweise Einsatz in Ölpumpen in Kraftfahrzeugen, wo es auf kompakte Bauweise und dennoch hoher und zuverlässiger Leistungsfähigkeit ankommt.
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Der Stator, sowie der Rotor sind innerhalb eines vorzugsweise topfförmigen Gehäuses des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors untergebracht, wobei der Rotor als Innenläufer koaxial innerhalb des feststehenden Stators angeordnet ist. Die Position des Stators darf sich im Betrieb des Motors nicht ändern. Um zu verhindern, dass der Stator seine Position etwa beim Anlaufmoment des Motors oder während Vibrationsbelastungen verändert, wird dieser in oder am Gehäuse durch geeignete Mittel rotatorisch und axial fixiert. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, den Stator beispielsweise durch Kleben oder Umspritzen zu befestigen, was jedoch einen erhöhten Aufwand und Kosten nach sich zieht.
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Alternativ ist ein kraftschlüssiges Verbinden etwa durch Einpressen des Stators in das Gehäuse bekannt. Dies birgt jedoch etwaige Risiken Beschädigungen zu verursachen, beim Verbindungsverfahren selbst als auch im Nachgang. Als Beispiele seien hier Rissbildungen, Deformierungen oder Spanbildungen (und damit Kurzschlussgefahr) durch den hohen Kraftaufwand beim Pressen genannt. Es ist weiterhin bekannt das Gehäuse vor dem Pressvorgang so zu erwärmen, dass dieses hierdurch eine gewisse Ausdehnung erfährt und somit ein Einpressen des Stators in das Gehäuse vereinfacht wird. Durch das darauf folgende, gezielte und gesteuerte, Abkühlen des Gehäuses wird dieses dementsprechend auf den Stator aufgeschrumpft. Problematisch ist grundsätzlich die Toleranzempfindlichkeit beim Montagevorgang, insbesondere durch die Rundlauftoleranz bzw. durch Rundlaufschwankungen bei Gehäuse und Stator. Weist der Stator beispielsweise einen sehr großen und das Gehäuse einen sehr kleinen Durchmesser (bezogen auf den Toleranzbereich) auf, erhöht sich der Kraftaufwand beim Einschieben oder Einpressen selbst mit beschriebenen Erwärmen erheblich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor vorzuschlagen geeignet für eine verbesserte Montage des Stators in das Gehäuse bei gleichzeitig optimaler rotatorischer und axialer Fixierung.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruch 1.
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Ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor mit einem Gehäuse umfasst einen bewickelten Stator, welcher ein Statorblechpaket und an den axialen Stirnseiten mindestens eine Isolierkappe aufweist, und einen Rotor, welcher als Permanentmagnetrotor ausgebildet und auf einer Welle gelagert ist. Das Statorblechpaket weist an seiner äußeren Umfangsfläche mindestens eine Erhöhung in radialer Richtung auf.
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Der Vorteil an dieser durch die an der äußeren Umfangsfläche mindestens einen Erhöhung in radialer Richtung gebildeten Struktur am (oder im) Stator ist, dass sich die Formtoleranz der Rundheit von Statorblechpaket und Gehäuse durch die mindestens eine Erhöhung weniger kritisch auswirkt und der Montagevorgang insgesamt deutlich toleranzunempfindlicher ausfällt. Die mindestens eine Erhöhung ermöglicht ferner einen Toleranzausgleich zwischen Gehäuse und Stator. Eine Realisierung eines möglichst kraftfreien Einbringens des Stators in das Gehäuse wird hierdurch gewährleistet, unabhängig von den tatsächlichen Durchmessern von Stator und/oder Gehäuse, genauer gesagt auch bei jeweils ungünstigen und/oder sehr großen bzw. sehr kleinen Durchmessern von Stator bzw. Gehäuse. Das Gehäuse wird im Nachgang gezielt abgekühlt und bildet eine optimale Verbindung mit dem Stator aus. Denkbar ist auch ein Pressvorgang ohne Aufschrumpfen. Der Kraftaufwand ist auch hier verringert. Bevorzugt sind mehrere Erhöhungen an mehreren Stellen am Stator vorgesehen. Weiterhin bevorzugt kann die Breite der Erhöhungen variieren in Abhängigkeit von dem zu übertragendem Kraftmoment.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung steht die mindestens eine Erhöhung in Verbindung mit der Innenseite des Gehäuses.
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Nach dem Einbringen des Stators in das Gehäuse besteht lediglich an diesen Erhöhungen Kontakt zwischen dem Statorblechpaket und dem Gehäuse an entsprechenden Stellen an der Innenseite des Gehäuses. Die anderen Bereiche des Stators haben keinen Kontakt zum Gehäuse und tragen nicht zum Verbund bei. Die betroffene Fläche ist im Vergleich zum Stand der Technik also verkleinert und das Risiko von Beschädigungen sinkt.
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In einer Ausbildung steht die mindestens eine Erhöhung in kraft-und/oder formschlüssiger Verbindung mit dem Gehäuse. Hierdurch wird vorteilhafterweise eine ungewollte Verdrehung oder Bewegungsänderung in radialer und axialer Richtung verhindert.
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Bevorzugt sind die Erhöhungen weder plastisch noch elastisch verformbar ausgebildet, so dass sie auch beim Einpressen des Stators in das Gehäuse die Form behalten.
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Prinzipiell ist es aber auch denkbar, diese gezielt elastisch und plastisch verformbar auszubilden (etwa durch Materialwahl oder Formgebung), um für eine gewollte lokale Verspannung von Stator und Gehäuse an mindestens einer Erhöhung zu sorgen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Statorblechpaket aus einer Anzahl von Teilblechpaketen ausgebildet, die einzelne Statorbleche umfassen.
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Beispielsweise können zwei äußere Teilblechpakete mit einer jeweils gleichen Anzahl von Statorblechen und zwischen diesen noch ein inneres Teilblechpaket mit einer abweichenden Anzahl Statorblechen vorgesehen sein. Die Anordnungen der Teilblechpakete und der verwendeten Statorbleche sind beliebig variierbar. Dies erlaubt eine bedarfsgerechte und abwechselnde Ausgestaltung der Teilblechpakete und Statorbleche hinsichtlich der Dimensionen und Anordnung einzelner Bleche.
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Besonders bevorzugt weist mindestens ein Teilblechpaket mindestens eine Erhöhung an der äußeren Umfangsfläche des Statorblechs auf und mindestens ein Teilblechpaket weist an der äußeren Umfangsfläche des Statorblechs keine Erhöhung auf.
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Die mindestens eine Erhöhung ist in axialer Richtung nicht komplett durchgezogen, es können bezogen auf die axiale Richtung mehrere Erhöhungen an ein oder mehreren (oder allen) Teilblechpaketen ausgeformt sein. Gleichzeitig können das mindestens eine weitere Teilblechpaket keine Erhöhung und somit den gleichen Durchmesser wie der Rest des Stators aufweisen (denkbar wäre aber auch, hier stattdessen Vertiefungen vorzusehen). Anders ausgedrückt, kann mindestens ein Teilblechpaket so ausgestaltet sein, dass es die gleiche Länge oder Ebene wie der Rest der Umfangsfläche des Stator (bis auf die Erhöhung) aufweist. Dies erlaubt eine beliebige Gestaltung und Anzahl von Erhöhungen in axialer Richtung.
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Beispielsweise kann dies derart ausgestaltet sein, dass an den Stirnseiten des Stators, bzw. des Statorblechpaketes keine Erhöhungen in axialer Richtung vorhanden sein müssen, während mittig des Statorblechpaketes eine Erhöhung vorhanden ist. Ebenfalls denkbar ist es, nur an den Stirnseiten Erhöhungen und mittig des Statorblechpakets keine Erhöhungen vorzusehen. Auch eine abwechselnde Reihung von Erhöhungen und fehlenden Erhöhungen (oder Vertiefungen) wäre möglich.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Statorbleche zu Teilblechpaketen aufeinander gestapelt.
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Dies gestattet im Vorfeld der Montage des Stators bzw. der Statorblechpakete die Anzahl und die Ausgestaltung Erhöhungen gezielt zu planen und bedarfsgerecht zu realisieren, da die einzelnen Statorbleche in unterschiedlicher Länge (oder Breite) vorgesehen sein können. Die Teilblechpakete bilden somit über die verschieden langen Statorbleche Erhöhungen aus (oder analog keine Erhöhungen oder Vertiefungen).
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Verschiedenste Variationen durch verschiedenste Stapelungen der Statorbleche sind vorteilhaft möglich ohne große Zusatzaufwände. Mit dieser Variabilität lässt sich die benötigte Pressverbindung einstellen ohne dabei am Blechschnitt etwas (nachträglich) zu ändern.
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Besonders vorteilhaft sind mindestens ein Statorblech ohne Erhöhung zu einem ersten Teilblechpaket, mindestens ein Statorblech mit Erhöhung zu einem zweiten Teilblechpaket und mindestens ein Statorblech ohne Erhöhung zu einem weiteren Teilblechpaket gestapelt. Somit bildet ein Teilblechpaket (dessen Anordnung im Statorblechverbund bzw. Statorblechpaket beliebig sein kann) die Erhöhung aus. In der Praxis ist die Ausgestaltung der mindestens einen Erhöhung jedoch nicht auf diese Ausführung beschränkt. Vielmehr sind verschiedene Formgebungen denkbar über die variable Ausgestaltung und Anordnung der Statorbleche.
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Besonders bevorzugt ist das erste Teilblechpaket in radialer Richtung länger als das zweite Teilblechpaket ausgeführt. Somit bildet das erste Teilblechpaket die mindestens eine Erhöhung aus, während das zweite Teilblechpaket den identischen Umfang wie der Rest des Stators (ohne Erhöhung) oder eine Vertiefung aufweist.
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Weiterhin bevorzugt ist das erste Teilblechpaket (9) in axialer Richtung länger (breiter, weiter, ausgeprägter) als das zweite Teilblechpaket (10) ausgeführt. Somit ergibt sich eine in axiale Richtung längere (breitere, weitere, ausgeprägtere) mindestens eine Erhöhung.
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Es ist auch denkbar, dass ein Teilblechpaket als solches bereits eine Anzahl verschieden dimensionierter Statorbleche umfasst und somit ein einzelnes Teilblechpaket mehrere (oder auch nur eine einzelne) Erhöhung ausbildet. Selbstverständlich ist auch eine durchgehende Erhöhung denkbar, die sich über alle Teilblechpakete erstreckt.
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In einer Weiterbildung ist die mindestens eine Erhöhung in Form eines Steges ausgebildet. Denkbar sind aber verschiedenste andere Fromen, wie runde, und/oder (mehr-)kantig sowie Krallen-, Stachel- oder anders spitzzulaufende Formen, die die Erhöhungen bilden und ausprägen. Die Breite der Erhebungen in radialer Richtung (aber auch in tangentialer Richtung) kann variieren je nach zu übertragendem Moment.
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Denkbar ist es, auf der Innenseite des Gehäuses korrespondierte Öffnungen oder umlaufende Nuten oder dergleichen vorzusehen, die mit den Erhöhungen zusammenwirken.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die mindestens eine Erhöhung teilweise umlaufend an der äußeren Umfangsfläche des Statorblechpakets (bzw. eines Teilblechpakets) ausgebildet. In dieser Ausgestaltung sind die Erhöhungen in tangentialer Richtung gesehen über einen längeren Abschnitt ausgebildet, neben einer auch möglichen punktuellen Anordnung der Erhöhungen. Die Erhöhungen können an einer oder an beiden äußeren Umfangsflächen angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die mindestens eine Erhöhung teilweise umlaufend und winkelversetzt in tangentialer Richtung an der äußeren Umfangsfläche des Statorblechpaketes (bzw. eines Teilblechpakets) ausgebildet. Eine, mehrere oder alle Erhöhungen können umlaufend (oder punktuell) und beispielsweise in einem Winkelmaß von 120° (Winkelweite) verteilt zueinander angeordnet sein. Möglich und denkbar sind auch andere Winkelmaße, wie etwa 30°. Denkbar ist es auch einzelne Erhöhungen oder Teilblechpakete mit Erhöhungen in axialer Richtung versetzt anzuordnen unter Einbeziehung eines bestimmten Winkelmaßes der Erhöhungen untereinander.
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Erfindungsgemäß kann die mindestens eine Erhöhung bevorzugt im Bereich des mindestens einen Statorzahnes angeordnet sein. Ein Stator kann üblicherweise eine Mehrzahl von versetzt zueinander, aber bevorzugt miteinander verbundenen Statorzähnen umfassen. Denkbar wäre auch eine zu den Statorzähnen versetzte Anordnung der Erhöhungen. Die Statorbleche werden durch Aufeinanderstapeln zu einem Statorblechpaket mit daran angeformten Statorzähnen ausgebildet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens ein Statorblech oder ein Teilblechpaket an seiner äußeren Umfangsfläche im Bereich des mindestens einen Statorzahnes (oder versetzt) mindestens eine Einkerbung auf. Derartige Einkerbungen sind über die entsprechende Stapelung der Statorbleche realisierbar und sind relevant für die spätere Ausrichtung beim Statorwickeln.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Stator mittels thermischem Verfahren, bevorzugt Aufschrumpfen, in das Gehäuse eingepresst. Insbesondere zeigen sich bereits erläuterte Vorteile der Erfindung, wenn ein Aufpressen des Gehäuses mittels thermischer Aufschrumpfung über den Stator erfolgt. Dabei wird das Gehäuse induktiv oder in einem geeigneten Ofen auf mehrere hundert Grad erhitzt und der Stator wird (im kalten Zustand) in das Gehäuse geschoben. Idealerweise ist so ein möglichst kraftfreies Einbringen des Stators in das Gehäuse möglich, insbesondere unter Bezugnahme auf die verschiedenen Ausgestaltungen von Erhöhungen am Stator.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass über die Laufzeit des eingesetzten Stanzwerkzeugs bzw. des eingesetzten Tiefziehwerkzeugs für das Gehäuse die Überpressung zunimmt. Dementsprechend kann aufgrund der höheren Überpressung über das Statorblechpaket der Pressverbund reduziert werden.
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Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Anwendung in BLDC-Motoren, d.h. bürstenlosen Gleichstrommotoren. Insbesondere eignet sich die Erfindung zur Anwendung bei bürstenlosen Gleichstrommotoren, die zum Antrieb von Pumpen zur Ölförderung, aber auch zur Förderung anderer, viskoser Medien, eingesetzt werden. Eine besonders vorteilhafte Anwendung ergibt sich für bürstenlose Gleichstrommotoren in Ölpumpen von Kraftfahrzeugen, insbesondere in einem Temperaturbereich von - 40°C bis +140°C.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht auf einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor gemäß einer Ausführungsform;
- 2 eine perspektivische Ansicht auf einen Stator gemäß einer Ausführungsform;
- 3 eine Detailansicht des Stator gemäß 2;
- 4 eine Detailansicht eines Statorzahns des Stators gemäß 2;
- 5 eine Detailansicht des Stators innerhalb eines Gehäuse des elektronisch kommutierten Gleichstrommotors gemäß einer Ausführungsform.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht auf einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor (5) gemäß einer Ausführungsform. Ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor (5) mit einem Gehäuse (1) umfasst einen bewickelten Stator (2), der an zumindest einer axialen Stirnseite eine Isolierkappe (4) zur elektrischen Isolierung aufweist. Möglich ist aber auch, an beiden axialen Stirnseiten eine Isolierkappe (4) vorzusehen. Ferner umfasst das Gehäuse einen Rotor (6), welcher als Permanentmagnetrotor ausgebildet und auf einer Welle (7) gelagert ist. Der Stator (2) wird beispielsweise mittels Einschrumpfen oder Einpressen in das Gehäuse (1) eingebracht und kann somit drehfest radial und axial fixiert werden.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht auf einen Stator (2) gemäß einer Ausführungsform. Der Stator (2) umfasst eine Vielzahl von Statorzähnen (13) und umfasst ferner mindestens ein Statorblechpaket (3), das im Ausführungsbeispiel aus einem ersten (9) und einem zweitem (10) Teilblechpaket gebildet ist, wobei jeweils ein zweites Teilblechpaket (10) an den Stirnseiten des Stators (2) angeordnet ist. Das erste Teilblechpaket (9) ist dagegen mittig angeordnet ist, also zwischen den beiden zweiten Teilblechpaketen (10). In diesem Ausführungsbeispiel bildet das erste Teilblechpaket (9) eine Erhöhung (8) in Form eines Stegs (12) aus. Es sind viele Varianten von verschiedenen Anordnungen von Teilblechpaketen (9, 10) möglich und nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise kann das zweite Teilblechpaket (10) nur an einer Stirnseite des Stators (2) vorgesehen sein. Die Teilblechpakete (9, 10) umfassen mindestens ein Statorblech (11), vorzugsweise jedoch eine Vielzahl von aufeinander gestapelten Statorblechen (11). Das Statorblechpaket (3) weist an seiner äußeren Umfangsfläche (90° zur Stirnseite des Stators versetzt angeordnet) mindestens eine Erhöhung (8) in radialer Richtung auf. Im Ausführungsbeispiel ist das Teilblechpaket (9) länger als die beiden peripher liegenden Teilblechpakete (10) und es wird somit eine mittige Erhöhung (8) ausgebildet. Beispielsweise kann dies aber auch exakt umgekehrt ausgestaltet sein, so dass eine Erhöhung (8) einer oder beiden Außenseiten gebildet wird. Eine Einkerbung (14) erleichtert den späteren Wicklungsvorgang.
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Die Statorbleche (11) können in unterschiedlichen Längen ausgestaltet werden, um die letztendlichen Erhöhungen (8) auf dem Statorblechpaket (3) bzw. auf den Teilblechpaketen (9, 10) zu bilden. Dies ist detaillierter in der 3 zu sehen, die eine Detailansicht des Stators (2) gemäß 2 zeigt. Auch können einzelne Statorbleche (11) abwechselnde Erhöhungen ausbilden, unabhängig von den Teilblechpaketen (9, 10). Mit anderen Worten kann das Statorblechpaket (3) einen Gesamtbereich mit verschiedenen ausgeprägten Erhöhungen (8) aufweisen.
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Die Teilblechpakete (9, 10) oder die Bereiche, die die Erhöhungen (8) aufweisen, können umlaufend, insbesondere teilweise umlaufend an der äußeren Umfangsfläche des Statorblechpakets (3) ausgebildet sein. Die Erhöhungen (8) können bevorzugt in verschiedenen Winkelmaßen, im Beispiel 120° Winkelweite, voneinander versetzt angeordnet sein. Dieser Ausführungsform folgend weist jeder Statorzahn (13) an seiner Außenumfangsfläche eine Erhöhung (8) auf, bevorzugt mittig angeordnet (versetzt mittig angeordnete Erhöhungen am Statorzahn wären natürlich auch möglich). Es wäre aber auch eine Treppenartige Anordnung der Erhöhungen (8) in tangentialer Richtung möglich mit jeweils einer versetzt angeordneten Erhöhung (8) je Statorblech (11), die jeweils nochmals am Statorblech (11) in einem Winkelmaß zueinander versetzt sind.
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4 zeigt eine Detailansicht eines Statorzahns (13) des Stators gemäß 2. Erkennbar ist die Erhöhung (8) mittig des Statorzahns in Form eines Stegs (12). Die Erhöhung (8) kann wie bereits beschrieben jedoch auch versetzt zur Mitte angeordnet sein. Wird nun beispielsweise mittels eines thermischen Verfahrens, etwa durch Aufschrumpfen und/oder Einpressen, der Stator (2) in das Gehäuse (1) eingebracht, (also beispielsweise mit hoher vorheriger Erwärmung des Gehäuses (1) und anschließenden Abkühlens nach dem Einsetzen des Stators), so erleichtern die Stege (12) bzw. die Erhöhung (8) durch Bildung einer Einschrumpfkontur die Einbringung des Stators (2) in das Gehäuse (1). Der Stator (2) steht über die Erhöhungen (8) in Kontakt mit der Innenseite des Gehäuses (1), bevorzugt in kraft-und/oder formschlüssiger Verbindung. Dies wäre auch der Fall bei einem Einpressvorgang ohne Aufschrumpfen. Eine kraftlose oder zumindest kraftreduzierte Einbringung ist möglich bei gleichzeitiger erhöhter Toleranzunempfindlichkeit. Nur an diesen erhabenen Stellen besteht ein Kontakt zwischen dem Stator (2) und dem Gehäuse (1), nachdem das Gehäuse (1) nach dem Aufschrumpfvorgang abgekühlt ist. Die anderen Bereiche des Stators (2) haben keinen Kontakt zum Gehäuse (1) und tragen nicht zum Verbund bei. Eine derartige Verbindung zwischen Stator (2), bzw. Steg (12) bzw. Erhöhung (8) am Statorzahn (13) und dem Gehäuse (1) ist detaillierter in der 5 gezeigt.
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Die Erfindung ist nicht auf die genannten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind alle Ausführungsvarianten, die im Rahmen der fachmännischen Tätigkeit und geringfügiger fachmännischer Änderungen umgesetzt werden können, enthalten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Stator
- 3
- Statorblechpaket
- 4
- Isolierkappe
- 5
- Gleichstrommotor
- 6
- Rotor
- 7
- Welle
- 8
- Erhöhung
- 9
- Erstes Teilblechpaket
- 10
- Zweites Teilblechpaket
- 11
- Statorblech(e)
- 12
- Steg
- 13
- Statorzahn
- 14
- Einkerbung
