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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor. Die elektrische Maschine umfasst eine Statoreinheit mit einem ferromagnetischen Statorkörper, einem mehrteiligen Kunststoffhaltekörper, welcher den Statorkörper umgibt, wobei der Kunststoffhaltekörper zwei, axial aneinander angrenzende Kunststoffhalteelemente aufweist, und mindestens einer Statorwicklung, welche an dem Kunststoffhaltekörper angeordnet ist. Außerdem umfasst die elektrische Maschine eine Rotoreinheit mit einer Rotorwelle, welche über ein Wellenradiallager an dem Kunststoffhaltekörper drehbar gelagert ist, und einem Rotorkörper, welcher an der Rotorwelle befestigt ist und innerhalb des Statorkörpers angeordnet ist.
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Eine derartige elektrische Maschine ist beispielsweise in
DE 40 215 99 A1 offenbart, wobei die elektrische Maschine eine Statoreinheit mit mehreren Statorzähnen, welche den ferromagnetischen Statorkörper bilden, und einem Kunststoffhaltekörper aufweist. Der Kunststoffhaltekörper weist zwei schalenförmige Kunststoffhalteelemente auf, welche an einer in Axialrichtung des Stators mittig angeordneten Trennebene axial aneinander angrenzen. Die Kunststoffhalteelemente dienen der Positionierung der Statorzähne zueinander und der Aufnahme der Statorwicklung, wobei die aufgewickelte Statorwicklung durch die Kunststoffhalteelemente elektrisch isoliert zu den Statorzähnen ist. Die Fixierung der Kunststoffhalteelemente in Umfangsrichtung erfolgt über einen an einem der Kunststoffhalteelemente befestigten Stift und eine an dem anderen Kunststoffhalteelement vorgesehene Öffnung, wobei der Stift in die Öffnung eingreift. Die elektrische Maschine weist außerdem eine Rotoreinheit auf, welche eine Rotorwelle und einen an der Rotorwelle befestigten Rotorkörper aufweist. Die Rotorwelle ist über zwei Wälzlager an den Kunststoffhalteelementen drehbar gelagert.
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Nachteilig an einer mittigen Teilung des Kunststoffhaltekörpers ist, dass die Statoreinheit dadurch eine relativ geringe Verwindungssteifigkeit, d.h. eine relativ geringe Steifigkeit in Umfangsrichtung, aufweist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine relativ kostengünstige und einfach montierbare elektrische Maschine zu schaffen, welche eine hohe Verwindungssteifigkeit aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst eine feststehende Statoreinheit und eine drehbare Rotoreinheit.
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Die Statoreinheit umfasst einen ferromagnetischen Statorkörper und einen mehrteiligen Kunststoffhaltekörper, welcher den Statorkörper umgibt. Typischerweise definiert der Statorkörper mehrere entlang eines Umfangs der Rotoreinheit verteilt angeordnete Statorpole. Der Statorkörper kann als massiver Körper ausgebildet sein. Vorzugsweise besteht der Statorkörper jedoch aus einer Vielzahl von Metallblechteilen. Ein derartig aufgebauter Statorkörper wird auch als laminierter Statorkörper oder als geblechter Statorkörper bezeichnet und weist im Betrieb der elektrischen Maschine besonders geringe Wirbelströme auf. Der Statorkörper besteht im Allgemeinen aus einem ferromagnetischen Metall. Der Statorkörper umfasst typischerweise mehrere Wicklungstragabschnitte, an denen eine elektromagnetische Statorwicklung angeordnet ist.
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Der Kunststoffhaltekörper weist zwei Kunststoffhalteelemente auf, welche vorzugsweise durch ein Spritzgussverfahren hergestellt sind. Vorzugsweise sind die Kunststoffhalteelemente identisch ausgeführt. Die Kunststoffhalteelemente grenzen axial aneinander an und sind mittelbar oder unmittelbar in Umfangsrichtung formschlüssig miteinander verbunden, wobei ein erstes Kunststoffhalteelement an einer ersten Axialseite auf den Statorgrundkörper aufgeschoben ist und ein zweites Kunststoffhalteelement an einer zweiten Axialseite auf den Statorkörper aufgeschoben ist.
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Der Kunststoffhaltekörper dient unter anderem der elektrischen Isolation zwischen dem Statorkörper und den Statorwicklungen, weshalb zumindest ein den Statorkörper umgebender Abschnitt des Kunststoffhaltekörpers vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial mit guten elektrischen Isolationseigenschaften, also mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand, typischerweise mindestens 1010 Ω cm, und einer hohen Durchschlagfestigkeit, besteht.
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Die Rotoreinheit umfasst eine Rotorwelle, die über ein Wellenradiallager in dem Kunststoffhaltekörper gelagert ist, und einen Rotorkörper, der an der Rotorwelle befestigt ist und innerhalb des Statorkörpers angeordnet ist. Das Wellenradiallager kann ausschließlich zur radialen Lagerung eingerichtet sein, oder kann zur radialen und axialen Lagerung der Rotorwelle eingerichtet sein. Typischerweise ist die Rotorwelle über ein weiteres Wellenradiallager, das auf einer dem an dem Kunststoffhaltekörper angeordneten Wellenradiallager gegenüberliegenden Seite des Rotorkörpers angeordnet ist, in einem Gehäuseteil der elektrischen Maschine gelagert.
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Der Rotorkörper kann als massiver, permanentmagnetischer Körper ausgebildet sein, kann eingerichtet sein, mindestens einen Permanentmagnet zu tragen, oder kann eingerichtet sein, mindestens eine elektromagnetische Rotorwicklung zu tragen. In den letzten beiden Fällen besteht der Rotorkörper im Allgemeinen aus einem ferromagnetischen Metall und kann entweder als massiver Körper ausgebildet sein oder aus mehreren miteinander verbundenen Einzelteilen, typischerweise Metallblechteilen, bestehen.
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Erfindungsgemäß weist der Kunststoffhaltekörper zwei axial voneinander beabstandete Trennebenen auf, an welchen die beiden Kunststoffhalteelemente axial aneinander angrenzen bzw. aneinander anliegen. Vorzugsweise weisen beide Kunststoffhalteelemente jeweils mindestens einen ersten, kurzen Axialabschnitt und mindestens einen zweiten, langen Axialabschnitt auf, wobei der erste Axialabschnitt des ersten Kunststoffhalteelements und der zweite Axialabschnitt des zweiten Kunststoffhalteelements eine erste Trennebene definieren und der erste Axialabschnitt des zweiten Kunststoffhalteelements und der zweite Axialabschnitt des ersten Kunststoffhalteelements eine zweite Trennebene definieren. Die Gesamtlänge der beiden, axial aneinander angrenzenden, d.h. fluchtend zueinander angeordneten, Axialabschnitte der beiden Kunststoffhalteelemente bleibt immer gleich.
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Bei einer Beanspruchung der Statoreinheit auf Torsion wird durch die beiden, axial voneinander beabstandeten Trennebenen bewirkt, dass keine Querebene vorliegt, an welcher ausschließlich ein Abgleiten der beiden Kunststoffhalteelemente in Umfangsrichtung erfolgt. An der ersten Trennebene würden die beiden Kunststoffhalteelemente zwar aneinander in Umfangsrichtung abgleiten, jedoch stützen die beiden Axialabschnitte, welche die zweite Trennebene definieren, den Bereich der ersten Trennebenen in Rotationsrichtung ab. Gleichermaßen stützen sich die beiden Kunststoffelemente an der zweiten Trennebenen durch die die erste Trennebene definierenden Axialabschnitte in Rotationsrichtung aneinander ab.
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Dadurch wird die Steifigkeit der Statoreinheit in Rotationsrichtung auf eine einfache Weise erhöht.
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Vorzugsweise weist der Statorkörper mehrere über den Umfang verteilte Radialvorsprünge und der Kunststoffhaltekörper je Radialvorsprung eine Radialöffnung auf, derart, dass die Kunststoffhalteelemente durch das Eingreifen der Radialvorsprünge in die Radialöffnungen mit dem Statorkörper in Umfangsrichtung formschlüssig verbunden sind. Dadurch kann der Kunststoffhaltekörper auf eine einfache Weise an dem Statorkörper in Umfangsrichtung formschlüssig befestigt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der erste Axialabschnitt in Umfangsrichtung an einer ersten Seite eines Radialvorsprungs des Statorkörpers angeordnet und der zweite Axialabschnitt ist an einer zweiten Seite des Radialvorsprungs angeordnet. Auf diese Weise ist der Kunststoffhaltekörper an jedem Radialvorsprung des Statorkörpers in beiden Trennebenen geteilt, so dass eine erhöhte Steifigkeit der Statoreinheit an jedem Radialvorsprung vorliegt. Vorzugsweise ist in Umfangsrichtung an den beiden zueinander zugewandten Seiten der zueinander benachbarten Radialvorsprünge jeweils der gleiche Axialabschnitt eines Kunststoffhalteelements angeordnet.
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Vorzugsweise weist das eine Kunststoffhalteelement einen Abschnitt in Umfangsrichtung zwischen zwei Axialabschnitten auf, welcher eine Aussparung aufweist, in welche ein Vorsprung eines in Umfangsrichtung zwischen zwei Axialvorsprüngen angeordneten Abschnitts des anderen Kunststoffhalteelements eingreift. Dadurch wird eine zusätzliche formschlüssige Verbindung zwischen den beiden Kunststoffhalteelementen realisiert, wodurch die Verwindungssteifigkeit, d.h. die Steifigkeit in Umfangsrichtung, der Statoreinheit nochmals erhöht wird.
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Vorzugsweise sind die Kunststoffhalteelemente jeweils einstückig hergestellt. Dadurch können die Kunststoffhalteelemente einfach und kostengünstig hergestellt werden. Vorzugsweise werden die Kunststoffhalteelemente durch ein Spritzgießverfahren hergestellt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Kunststoffhalteelemente durch die auf den Kunststoffhaltekörper aufgewickelte Statorwicklung axial aneinander befestigt. Dabei wird die Spulenwicklung im Bereich der Radialvorsprünge um die Abschnitte der Kunststoffhalteelemente gewickelt, wodurch die Kunststoffhalteelemente axial aneinander fixiert werden. Dadurch können die Kunststoffhalteelemente einfach und kostengünstig miteinander axial verbunden werden, wobei keine zusätzlichen, kostenintensiven Fügeelemente erforderlich sind.
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Vorzugsweise sind die Kunststoffhalteelemente jeweils topfförmig ausgeführt, wobei die Kunststoffhalteelemente jeweils einen Stirnseitenabschnitt und einen den Grundkörper umgebenden Umhüllungsabschnitt aufweisen. Zumindest einer der Kunststoffhalteelemente weist an dem Stirnseitenabschnitt eine Öffnung auf, durch welche die Rotoreinheit bei einer endmontierten Statoreinheit durchgeschoben werden kann. Alternativ könnte auch zunächst die Rotoreinheit in die Durchgangsöffnung der Statoreinheit eingeführt werden und anschließend zumindest eines der beiden Kunststoffhalteelemente endmontiert werden. Hierbei wäre eine Öffnung zum Durchschieben der Rotoreinheit an einem der Kunststoffhalteelemente nicht erforderlich.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das erste Kunststoffhalteelement und/oder das zweite Kunststoffhalteelement einen Lagerabschnitt zur Gleitlagerung der Rotorwelle auf. Der Lagerabschnitt ist eine Bohrung, in welche die Rotorwelle eingesteckt ist, wobei die Rotorwelle sich radial an der Umfangsfläche der Bohrung abstützt. Vorzugsweise ist der Lagerabschnitt durch einen an das Kunststoffhalteelement angespritzten Kunststoff gebildet, wodurch verbesserte Gleiteigenschaften der Gleitlagerung realisiert werden können.
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Vorzugsweise umfasst der Stirnseitenabschnitt eine Speichenstruktur. Die Speichenstruktur ermöglicht es, mit relativ geringem Materialeinsatz einen mechanisch stabilen Stirnseitenabschnitt zu schaffen. Hierdurch kann eine relativ leichtgewichtige elektrische Maschine geschaffen werden. Die Speichenstruktur ermöglicht es ferner, den gesamten Kunststoffhaltekörper mit einer relativ homogenen Wandstärke auszubilden. Die relativ homogene Wandstärke ermöglicht wiederum eine besonders einfache Herstellung des Kunststoffhaltekörpers im Spritzgussverfahren.
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Besonders bevorzugt ist die Speichenstruktur axial durchströmbar, um eine effiziente Kühlung der elektrischen Maschine zu ermöglichen.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, und
- 2 eine perspektivische Darstellung einer endmontierten Statoreinheit einer elektrischen Maschine aus 1.
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Die 1 zeigt eine elektrische Maschine 10 mit einer auch in der 2 gezeigten Statoreinheit 14 und einer drehbaren Rotoreinheit 16.
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Die Statoreinheit 14 umfasst einen Statorkörper 18, der aus einer Vielzahl von ferromagnetischen Metallblechteilen 181 besteht, die in axialer Richtung zu einem Blechpaket 182 gestapelt sind. Der Statorkörper 18 umfasst sechs, über den Umfang verteilt angeordnete Radialvorsprünge 20, welche sich von einer ersten Stirnseite bis zur zweiten Stirnseite des Blechpakets 182 axial erstrecken. Jeder Radialvorsprung 20 bildet jeweils einen Wicklungstragabschnitt 183, an denen eine Statorwicklung 22 angeordnet ist.
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Die Statoreinheit 14 umfasst weiterhin einen Kunststoffhaltekörper 24, welcher aus einem ersten Kunststoffhalteelement 241 und einem zweiten Kunststoffhalteelement 242 zusammengesetzt ist. Die Kunststoffhalteelemente 241, 242 sind jeweils topfartig ausgeführt und weisen einen Stirnseitenabschnitt 26 sowie einen Umhüllungsabschnitt 28 auf. Beide Kunststoffhalteelemente 241, 242 weisen am Umhüllungsabschnitt 28 sechs, über den Umfang verteilte, radial vorstehende Abschnitte 29 auf, welche jeweils eine offene Radialöffnung 30 umfassen. Im endmontierten Zustand sind die Radialvorsprünge 20 des Statorkörpers 18 innerhalb der Radialöffnungen 30 der Kunststoffhalteelemente 241, 242 angeordnet.
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Bei der Montage der Statoreinheit 14 wird das topfförmige erste Kunststoffhalteelement 241 über die erste Stirnseite des Statorkörpers 18 mit dem Umhüllungsabschnitt 28 auf das Blechpaket aufgeschoben. Das topfförmige zweite Kunststoffhalteelement 242 wird über die zweite Stirnseite des Statorkörpers 18 mit dem Umhüllungsabschnitt 28 ebenfalls auf das Blechpaket 182 aufgeschoben. Im endmontierten Zustand grenzen bzw. liegen die beiden Kunststoffhalteelemente 241, 242 mit dem dem Stirnseitenabschnitt 26 abgewandten Axialende aneinander an und sind durch die aufgewickelte Statorwicklung 22 miteinander axial verbunden.
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Erfindungsgemäß weist der Kunststoffhaltekörper 24 zwei axial voneinander beabstandete Trennebenen E1, E2 auf, an welchen die beiden Kunststoffhalteelemente 241, 242 axial aneinander angrenzen bzw. aneinander anliegen. Hierfür weisen beide Kunststoffhalteelemente 241, 242 jeweils sechs erste, kurze Axialabschnitte 321, 341 und sechs zweite, lange Axialabschnitte 322, 342 auf, wobei die ersten Axialabschnitte 321, 341 alle die gleiche Länge aufweisen und die zweiten Axialabschnitte 322, 342 auch alle die gleiche Länge aufweisen. Die ersten Axialabschnitte 321 des ersten Kunststoffhalteelements 241 und die zweiten Axialabschnitte 342 des zweiten Kunststoffhalteelements 242 definieren die erste Trennebene E1. Die ersten Axialabschnitte 341 des zweiten Kunststoffhalteelements 242 und die zweiten Axialabschnitte 322 des ersten Kunststoffhalteelements 241 definieren eine zweite Trennebene E2. Die Gesamtlänge der beiden, axial aneinander angrenzenden, d.h. fluchtend zueinander angeordneten, Axialabschnitte 321, 342 bzw. 322, 341 der beiden Kunststoffhalteelemente 241, 242 bleibt immer gleich.
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Die Axialabschnitte 321, 322, 341, 342 sind derart in Umfangsrichtung an den Radialvorsprüngen 20 des Statorkörpers 18 angeordnet, dass an einer ersten Seite eines Radialvorsprungs 20 der erste Axialabschnitt 321, 341 angeordnet ist und an einer zweiten Seite desselben Radialvorsprungs 20 der zweite Axialabschnitt 322, 342 angeordnet ist, wobei an den in Umfangsrichtung zueinander zugewandten Seiten der zueinander benachbarten Radialvorsprünge 20 jeweils der gleiche Axialabschnitt 321, 322, 341, 342 angeordnet ist. Beispielsweise sind an den in Umfangsrichtung zueinander zugewandten Seiten der zueinander benachbarten Radialvorsprünge 20 jeweils der erste Axialabschnitt 321, 341 angeordnet. Anderenfalls sind an den in Umfangsrichtung zueinander zugewandten Seiten der zueinander benachbarten Radialvorsprünge 20 jeweils der zweite Axialabschnitt 322, 342 angeordnet.
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Außerdem weisen beide Kunststoffhalteelemente 241, 242 mehrere Abschnitte 36 in Umfangsrichtung zwischen den beiden Axialabschnitten 321, 322, 341, 342 auf, welche jeweils eine Aussparung 361 oder einen Vorsprung 362 aufweisen, wobei jeder Vorsprung 362 eines Kunststoffhalteelements 241, 242 in jeweils eine Aussparung 361 des anderen Kunststoffhalteelements 241, 242 eingreift.
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Der Stirnseitenabschnitt 26 des ersten Kunststoffhalteelements 241 weist eine luftdurchströmbare Speichenstruktur 261 zur Bereitstellung eines Kühlluftstroms auf. Die Speichenstruktur 261 umfasst eine Vielzahl von Speichen 2611 und zwischen den Speichen 2611 ausgebildete Öffnungen 2612, über welche die Speichenstruktur 261 axial durchströmbar ist. Außerdem weist der Stirnseitenabschnitt 26 des ersten Kunststoffhalteelements 241 radial innen einen ein Wellenradiallager 25 bildenden Lagerabschnitt 262 zur Lagerung der Rotoreinheit 16 auf.
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Die Kunststoffhalteelemente 241, 242 können jeweils aus einem einzigen Kunststoffmaterial bestehen, das vorteilhafterweise sowohl relativ gute elektrische Isolationseigenschaften als auch relativ gute tribologische Eigenschaften aufweist. Alternativ könnte am Lagerabschnitt 262 ein anderes Kunststoffmaterial angespritzt sein, welches vorteilhafterweise besonders gute tribologische Eigenschaften aufweist.
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Die Rotoreinheit 16 umfasst eine Rotorwelle 40 und einen an der Rotorwelle 40 befestigten Rotorkörper 42. Die Rotorwelle 40 ist auf einer ersten axialen Seite des Rotorkörpers 42 über das Wellenradiallager 25 an dem Kunststoffhaltekörper 24, insbesondere an dem ersten Kunststoffhalteelement 241, gelagert, wobei sich die Rotorwelle 40 durch den Lagerabschnitt 262 des ersten Kunststoffhalteelements 241 hindurch erstreckt und eine Außenfläche der Rotorwelle 40 in Reibkontakt mit einer Gleitfläche 251 steht. Die Rotorwelle 40 ist auf einer zweiten axialen Seite des Rotorkörpers 42 über ein weiteres, in den Figuren nicht gezeigtes Lagerelement an einem ebenfalls nicht gezeigten Gehäuse drehbar gelagert. Alternativ könnte die Rotorwelle 40 ebenfalls an dem Kunststoffhaltekörper 24, insbesondere an dem zweiten Kunststoffhalteelemente 242, drehbar gelagert sein. Das zweite Kunststoffhalteelemente 242 weist eine Öffnung 32, welche derart ausgeführt ist, dass die Rotoreinheit 16 in die Statoreinheit 14 eingeschoben werden kann.
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Damit wird eine elektrische Maschine geschaffen, welche kostengünstig und einfach montierbar ist und eine Statoreinheit mit einer hohen hohe Verwindungssteifigkeit aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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