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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.
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Stand der Technik
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Mit der
DE 10 2019 203 167 A1 der Anmelderin ist eine elektrische Maschine bekannt geworden, bei der ein Rotor mittels eines Lagerschildes innerhalb eines Stators angeordnet ist. Dabei ist 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.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die Ausbildung von einstückig am Lagersitz angeformten Federlaschen eine axiale Vorspannkraft auf das Radiallager des Rotors ausgeübt werden kann, das das Axialspiel des Rotors eliminiert. Die Federlaschen können vorteilhaft als Bestandteil der axialen Bodenfläche des Lagersitzes ausgebildet werden, wobei die Federlaschen axial von der Bodenfläche zum Radiallager hin abstehen. Beim axialen Einfügen des Radiallagers in den Lagersitz üben die elastischen Federlaschen eine Axialkraft auf das Wälzlager aus, die einen Außenring gegen einen Innenring des Wälzlagers axial verspannen, ohne dass hierfür ein zusätzliches Federelement montiert werden muss. Somit kann durch das axialelastische Anformen der Federlaschen an der Bodenfläche ein Axialfederring des Rotorlagers ersetzt werden.
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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 mit dem Lagersitz als Tiefziehteil aus einem Metallblech (z.B. aus Stahl) ausgestanzt werden. Dabei kann durch die Wahl der Blechdicke und die Form und Größe der Federlaschen die axiale Vorspannkraft auf das Radiallager eingestellt werden. Die Federlaschen sind dabei einstückig an der Bodenfläche angebunden, wobei die Schlitze zwischen den Federlaschen und der diese umgebenden Bodenfläche ausgeschnitten 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 oder Versteifungssicken aufweisen.
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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.
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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 Rotorlager bevorzugt als Wälzlager ausgebildet, dessen radialer Außenring in den zylindrischen Fortsatz eingefügt ist. Dabei kann das Rotorlager im Lagersitz als Loslager ausgebildet sein, bei dem der Außenring axial gegenüber dem rohrförmigen Fortsatz beweglich ist. Dabei kann das Rotorlager axial zum Rotor hin oder alternativ auch von der Rotorseite her in den Lagersitz eingefügt werden. Dabei kann der axiale Fortsatz des Lagersitzes ausgehend von der 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.
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Die Federlaschen sind gegenüber der Bodenfläche derart umgebogen, dass die freien Enden der Federlaschen axial beabstandet zur Bodenfläche zum Rotorlager hin angeordnet sind. Die freien Enden sind dabei radial außen an der Bodenfläche, radial überlappend mit dem Außenring des Rotorlagers angeordnet, und stützen sich axial am Außenring des Wälzlagers ab.
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Entsprechend den Platzverhältnissen an der Bodenfläche können die Federlaschen als radiale Federzungen oder als in Umfangsrichtung gebogene Federstege ausgebildet werden. Erstrecken sich die Federlaschen in Umfangsrichtung, können die Federhebel länger ausgebildet werden, als bei den Federlaschen in Radialrichtung. Es ist auch möglich die Federlaschen spiralförmig auszubilden, so dass sie sich vom inneren geschlossenen Ringbereich mit ihren freien Enden spiralförmig radial nach außen ausdehnen. Über den Umfang verteilt können bevorzugt genau drei Federlaschen angeordnet werden, die dann eine gleichmäßige axiale Anstellkraft auf den Lageraußenring ausüben.
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Die Bodenfläche des Lagersitzes ist um den zentralen Durchbruch für die Rotorwelle herum ringförmig ausgebildet, so dass sich die Federlaschen radial außerhalb des inneren geschlossenen Ringbereichs angeordnet sind, und insbesondere an dem inneren geschlossenen Ringbereich fest angebunden sind, und sich von diesem radial nach außen erstrecken. Dadurch beleibt die Bodenfläche des Lagersitzes mechanisch stabil und hat gleichzeitig die elastischen axialen Anpress-Elemente für das Wälzlager einstückig integriert.
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In einem Zwischenbereich zwischen dem radial äußeren Bund und dem zentralen Lagersitz sind im Lagerschild 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.
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Das erfindungsgemäße Lagerschild wird insbesondere für ein Motorgehäuse verwendet, das auf einer axialen Seite einen einstückig angeformten Gehäuseboden aufweist, in dem ein zweiter Lagersitz ausgeformt ist. Die gegenüberliegende Seite des Motorgehäuses ist axial offen ausgebildet. Dadurch 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 die axial elastisch ausgebildeten Federzungen an der Bodenfläche des Lagersitzes kann der Rotor ohne Verwendung von zusätzlichen separaten Federringen axial vorgespannt werden, wodurch störende Geräusche und die Brinellierung des Wälzlagers unterbunden werden kann. Dabei können insbesondere auch die Bauteile auf dem aus dem Lagersitz herausragenden Teil der Rotorwelle gelagert werden, die sehr präzise gegenüber korrespondierenden Bauelementen der elektrischen Maschine positioniert werden können.
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Besonders vorteilhaft ist die in den Lagersitz integrierte axiale Anstellfeder für ein Wälzlager, bei dem der Innenring fest auf die Rotorwelle aufgepresst ist, und der Außenring axial verschiebbar in der zylindrischen Hülse des Lagesitzes eingefügt ist. Dadurch kann axiales Spiel innerhalb des Wälzlagers, und auch das Axialspiel des Rotors in der elektrischen Maschine ohne zusätzlichen Montageschritt ausgeglichen werden. Dabei ist das erste Radiallager im Lagerschild als Loslager, und das gegenüberliegende zweite Rotorlager am Gehäuseboden bevorzugt als Festlager ausgebildet. Das zweite Rotorlager kann besonders günstig fest in eine unmittelbar am Gehäuseboden ausgeformte Lageraufnahme eingepresst werden.
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Besonders günstig ist es, wenn die Rotorwelle durch ein zentrales Durchgangsloch im Lagersitz 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.
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Zusätzlich oder alternativ ist bevorzugt als Signalgeber ein magnetisches Signalgeberrad axial oberhalb des Lagerschildes angeordnet. Das Sensorrad ist dabei beispielweise radial auf dem Abtriebselement oder unmittelbar auf der Rotorwelle angeordnet. Mit der Montage der Elektronikeinheit von der axial offenen Seite des Motorgehäuses wird hierbei insbesondere ein Magnetsensor unmittelbar axial oder radial benachbart zum Sensorrad angeordnet. 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. Alternativ kann der Rotorlagensensor axial gegenüberliegend zum freien Ende der Rotorwelle unmittelbar auf einer Leiterplatte der Elektronik angeordnet werden. Dadurch ist gewährleistet, dass das Signalgeberrad exakt gegenüber zum Sensor der Elektronikeinheit positioniert ist, wodurch eine zuverlässige und exakte Rotorlageerfassung ermöglicht wird.
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Bei dem 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 aufgeschoben 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. Beim axialen Fügen des Radiallagers in den Lagersitz des Lagerschildes stützen sich die freien Enden der an der Bodenfläche angeformten Federlaschen axial am Radiallager ab. Dadurch kann das Axialspiel des Rotors direkt mit der Montage des oberen Radiallagers, in das Lagerschild kompensiert werden, ohne dass die Montage eines weiteren separat gefertigten Federelements notwendig ist.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
- 2 und 3 verschiedene Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Lagerschilden.
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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 ein 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 Statorspulen 15 auf, die über eine Elektronikeinheit 90 angesteuert werden können. 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 8 erstreckt. Im Lagersitz 24 ist ein Radiallager 20 als Wälzlager angeordnet, das sich radial unmittelbar mit einem Außenring 41 an der radialen Innenseite des zylindrischen Fortsatzes 25 abstützt. Der Lagersitz 24 ist über einen Zwischenbereich 26 mit dem äußeren Ringbund 22 verbunden. Der Zwischenbereich weist hier zur mechanischen Stabilisierung einen Wulst 27 am Übergang zum zylindrischen Fortsatz 25 auf. Bei dieser Ausführung durchdringt die Rotorwelle 16 das Radiallager 20 und ein zentrales Durchgangsloch 56 des Lagerschilds 10, so dass auf einem ersten freien Ende 31 der Rotorwelle 16 beispielsweise ein Signalgeber 94 für eine Rotorlageerfassung angeordnet ist. Des Weiteren ragen Stromzuführungen 61 durch Durchgangsöffnungen 60 im Lagerschild 10, die die Statorspulen 15 mit einer Steuerelektronik 90 der elektrischen Maschine 100 verbinden.
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Am Lagersitz 24 ist zum Rotor 14 hin eine Bodenfläche 28 mit einer zentralen Aussparung für die Rotorwelle 16 ausgebildet. An der Bodenfläche 28 sind mehrere Federlaschen 50 ausgebildet, die sich axial an dem Außenring 41 des Radiallagers 20 abstützen. Durch die axiale Federkraft der Federlaschen 50 wird der Außenring 41 in Axialrichtung 8 gegenüber dem Innenring 42 und den dazwischen angeordneten Wälzkörpern 44 verspannt, wodurch das Axialspiel des Radiallagers 20 ausgeglichen werden kann. Die Federlaschen 50 sind dabei integrativer Bestandteil des Lagersitzes 24, so dass keine separat gefertigten Federelemente hierfür notwendig sind. Auf der rechten Seite in 1 ist beispielsweise eine Federlasche 50 dargestellt, die sich in Radialrichtung 7 erstreckt und mit ihrem freien Ende 51 unmittelbar an dem Außenring 41 anliegt. Auf der linken Seite ist beispielsweise eine Federlasche 50 dargestellt, die sich in Umfangsrichtung 9 erstreckt und mit ihrem freien Ende 51 unmittelbar an dem Außenring 41 anliegt.
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Das Radiallager 20 im Lagersitz 24 ist bevorzugt als Loslager ausgebildet, das mit seinem Außenring 41 axial verschiebbar im zylindrischen Fortsatz 25 aufgenommen ist. Der Innenring 42 ist hier beispielsweise fest auf der Rotorwelle 16 fixiert. An einem einer offenen Seite 33 des Statorgehäuses 13 gegenüberliegenden Seite 34 ist ein Gehäuseboden 35 ausgebildet, der das Statorgehäuse 13 auf dieser Seite 34 axial abschließt. Im Zentrum des Gehäusebodens 35 ist eine Lageraufnahme 82 für ein zweites Rotorlager 80 ausgebildet. Bei dieser Ausführung ist das dem Radiallager 20 gegenüberliegende Rotorlager 80 als Festlager ausgebildet, das die Rotorwelle 16 axial fest am Gehäuseboden 35 fixiert. Damit ist für den Axialspielausgleich des Rotors 14 kein zusätzliches axiales Federelement notwendig. In 1 ragt ein zweites freies Ende 32 der Rotorwelle 16 durch das Rotorlager 80 und den Gehäuseboden 35 hindurch. Am zweiten freien Ende 32 ist beispielsweise ein Abtriebselement 88 angeordnet, das eine Getriebeeinheit - vorzugsweise einer Pumpe oder einer Servolenkung - antreibt. Alternativ kann die Getriebeeinheit auch auf die offene Seite 33 des Statorgehäuses 13 gefügt werden, wobei dann an dem ersten freien Ende 31 das Abtriebselement 88 angeordnet ist.
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In einer alternativen nicht dargestellten Ausführung des Lagerschildes 10 wird das Radiallager 20 nicht von der dem Rotor 14 abgewandten Seite des Lagerschildes 10, sondern vom Rotor 14 her in den Lagersitz 24 eingeführt. Dabei ist die Bodenfläche 28 an der dem Rotor 14 abgewandten Seite des zylindrischen Fortsatzes 25 angeformt, so dass die Federlaschen 50 den Außenring 41 zum Rotor 14 hin mit einer elastischen Vorspannkraft beaufschlagen.
In 2 ist eine Ausführung eines Lagerschildes 10 dargestellt, bei der sich an der Bodenfläche 28 des Lagersitzes 24 die Federlaschen 50 in Radialrichtung 7 erstrecken. Die Federlaschen 50 sind als radiale Federzungen 52 aus der Bodenfläche 28 des Lagersitzes 24 ausgestanzt, und sind an den geschlossenen Ringbereich 54, der die zentrale Aussparung für die Rotorwelle 16 bildet, angebunden. Die Federzungen 52 erstrecken sich mit ihren freien Enden 51 radial nach außen und sind in Axialrichtung 8 in den Lagersitz 24 hinein zum Außenring 41 hin umgebogen, der in 2 nicht dargestellt ist.
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3 zeigt eine weitere Variante des Lagerschildes 10, bei der sich an der Bodenfläche 28 des Lagersitzes 24 die Federlaschen 50 in Umfangsrichtung 9 erstrecken. Die Federlaschen 50 sind als bogenförmige Federstege 53 aus der Bodenfläche 28 des Lagersitzes 24 ausgestanzt, und verlaufen radial außerhalb des geschlossenen Ringbereich 54, näherungsweise parallel zur kreisförmigen Innenwand des zylindrischen Fortsatzes 25. Die Federstege 53 erstrecken sich wieder mit ihren freien Enden 51 in Axialrichtung 8 in den Lagersitz 24 hinein zum nicht dargestellt Außenring 41 hin.
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Die axiale Vorspannkraft kann einerseits durch die Materialstärke 57 und die Breite 58 der Federzungen 50, als auch durch deren Länge 59 vorgegeben werden. Durch die Freistanzung der Federlaschen 50 entstehen Schlitze 49 zwischen den Federlaschen 50 und der benachbarten Bodenfläche 28, so dass die Federlaschen 50 in Axialrichtung 8 ohne Reibung umformbar sind. In einer weiteren nicht dargestellten Ausführung sind die Federlaschen 50 spiralförmig ausgebildet, so dass sich diese gleichzeitig in Umfangsrichtung 9 und in radial nach außen hin erstrecken.
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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 Federlaschen 50 entsprechend der Anforderungen an die axiale Vorspannkraft für das Radiallager 20 variiert werden. Insbesondere kann die Geometrie des Lagerschildes 10 angepasst werden, so dass der Zwischenbereich 26 eine axiale Stufe 28 oder Versteifungssicken aufweisen kann. 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. Mittels der Phasenanschlüsse 61 können unterschiedliche Verschaltungen der Statorspulen 15 realisiert werden. Der Signalgeber 94 für den Rotorlagensensor 92 und/oder das Abtriebselement 88 können wahlweise jeweils am ersten und/oder am zweiten freien Ende 31, 32 der Rotorwelle 16 angeordnet werden. Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise für den Drehantrieb von Komponenten oder die Verstellung von Teilen im Kraftfahrzeug - vorzugsweise für ein Bremsaggregat oder eine Servolenkung - ist jedoch nicht auf solche Anwendungen beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019203167 A1 [0002]
