-
Die
Erfindung betrifft eine Wellendichtung zur Abdichtung einer MotorwelleAn
eines Elektromotors und einen Elektromotor, der eine solche Wellendichtung
verwendet.
-
Die
Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Elektromotoren und insbesondere
Gleichstrommotoren, die als Innenläufermotoren oder Außenläufermotoren
konfiguriert sein kön nen.
Noch spezieller kann es sich bei dem Motor um einen elektronisch kommutierten,
bürstenlosen
Gleichstrommotor oder einen anderen Permanentmagnet-Motor handeln, wobei
die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Solche Motoren umfassen
eine Rotorbaugruppe, die mit einer Welle verbunden ist und einen
oder mehrere Permanentmagnete aufweist, sowie eine Statorbaugruppe,
die einen z.B. aus Blechen aufgebauten Statorkörper und Phasenwicklungen umfaßt. Zwei
Lager sind mit axialem Abstand an der Welle angeordnet, um die Rotorbaugruppe
relativ zu der Statorbaugruppe zu lagern. Der Motor ist in der Regel
in einem Gehäuse
aufgenommen, das einen Gehäuseflansch aufweist,
wobei die Lager in dem Motorgehäuse und/oder
dem Gehäuseflansch
gehalten sind. An einem Abtriebsende ist die Welle aus dem Motorgehäuse herausgeführt, um
sie z.B. mit einem Getriebe oder einer anderen anzutreibenden Einheit
zu verbinden. Hierzu kann die Welle an ihrem Abtriebsende ein Ritzel
aufweisen.
-
Der
erfindungsgemäße Elektromotor
ist insbesondere für
Anwendungen im Automobilbereich bestimmt, beispielsweise zur Unterstützung der
Lenkung eines Kraftfahrzeuges oder als Getriebeschaltmotor. In solchen
Anwendungen ist der erfindungsgemäße Elektromotor in der Regel
mit einem Getriebe verbunden. Bei dem Einsatz im Automobilbereich besteht
die Gefahr, daß Fluide,
insbesondere Flüssigkeiten,
und andere Verunreinigungen in den Elektromotor eindringen. In Verbindung
mit einem Getriebe muß zusätzlich darauf
geachtet werden, daß kein Getriebeöl von dem
Getriebegehäuse
in das Innere des Elektromotors gelangt.
-
Aus
dem U.S. Patent 6,376,949 ist eine Dichtung für einen vertikal ausgerichteten
Elektromotor bekannt, der mit einem Getriebe oder einer anderen, ein
Fluid enthaltenen Vorrichtung verbunden ist. Die Dichtung umfaßt eine
Grundplatte und eine Schleuderplatte, die einander gegenüberliegen,
wobei die Schleuderplatte austretendes Öl von der Welle weg befördert, das
dann durch Drainageöffnungen
in der Grundplatte abgeführt
wird.
-
Die
EP 1 239 173 A2 beschreibt
eine andere Anordnung einer Wellendichtung, bei der die Welle über ein
Kugellager gelagert ist. Auf einer Seite des Kugellagers sind eine
Vielzahl von zungenartigen Vorsprüngen radial an einer Außenfläche des
Kugellagers ausgebildet. Benachbart zu den Vorsprüngen wird
eine ringförmige
Platte auf die Welle aufgebracht, die mehrere Durchgangslöcher auf
Ihrem Umfang aufweist, um die Fluidströmung zu beeinflussen und das
Kugellager abzudichten.
-
Es
sind weitere Wellendichtungen bekannt, die Schleuderringe, Labyrinthringe
mit Fettdepot, Magnetdichtungen und viskose Dichtungen (Viskoseals)
verwenden. Bei den bekannten, heute üblichen Wellendichtungen, welche
Radialwellendichtringe verwenden, besteht das Problem, daß selbst dann,
wenn Dichtlippen z.B. mit PTFE beschichtet sind, erhebliche Reibungsverluste
entstehen.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wellendichtung zur Abdichtung
einer Motorwelle eines Elektromotors anzugeben, die geringe Reibungsverluste
erzeugt. Die Dichtung soll einfach und günstig herzustellen und zu montieren
sein.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Wellendichtung mit den Merkmalen von Anspruch
1 gelöst.
-
Die
Erfindung sieht eine Wellendichtung zur Abdichtung der Motorwelle
eines Elektromotors vor, die eine erste und eine zweite Dichtscheibe
umfaßt. Die
beiden Scheiben sind im wesentlichen parallel zueinander, mit definiertem
Abstand koaxial an einem Stirnende der Motorwelle angeordnet. An
diesem Stirnende ist die Welle aus dem Motorgehäuse herausgeführt. Die
erste Dichtscheibe ist drehfest mit der Motorwelle verbunden, und
die zweite Dichtscheibe ist feststehend an der Stirnseite des Motorgehäuses angebracht.
Wenigstens eine der einander zugewandten Oberflächen der beiden Dichtscheiben weist
eine Rillenstruktur auf. Vorzugsweise ist die Rillenstruktur in
der Oberfläche
der ersten, mit der Motorwelle rotierenden Dichtscheibe ausgebildet.
-
Durch
die Erfindung wird eine berührungslose
Labyrinthdichtung geschaffen, die Flüssigkeit, und insbesondere Öl, an dem
Umfang der Welle aufnimmt und entlang der Rillenstruktur all mählich nach außen fördert, wobei
auf die Flüssigkeit
sowohl die Fliehkraft bei Rotation der Welle als auch Adhäsionskräfte wirken,
die eine gesteuerte Ausbreitung der Flüssigkeit erlauben. Zwischen
den beiden Dichtscheiben bildet sich ein Flüssigkeitsfilm, der die Dichtwirkung
der Wellendichtung unterstützt.
Die erfindungsgemäße Wellendichtung
funktioniert auch in Verbindung mit anderen Fluiden, wie Gas oder
Luft.
-
Die
erste Dichtscheibe ist auf die Welle aufgepreßt, und die zweite Dichtscheibe
ist an dem Stirnende des Motorgehäuses eingepreßt und/oder
verstemmt oder schwimmend auf einer Gehäuseschulter positioniert. Dadurch
entsteht eine berührungslose
Wellendichtung, wobei keinerlei Einpreßkräfte auf das Lager der Motorwelle
wirken. Die erfindungsgemäße Wellendichtung
ist preiswert herstellbar und leicht zu montieren. Sie arbeitet
praktisch reibungslos.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Rillenstruktur durch mehrere ineinander verschachtelte
Polygone oder polygonähnliche Strukturen
gebildet, welche unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Die Rillenstruktur
kann z.B. durch mehrere ineinander verschachtelte Sechsecke gebildet
werden. In einer alternativen Ausführungsform ist die Rillenstruktur
durch mehrere polgonartige Wellenlinien oder auch durch eine spiralförmige Struktur gebildet.
Solche Rillenstrukturen sind grundsätzlich aus hydrodynamischen
Axial-Drucklagern
bekannt, wie z.B. in dem U.S. Patent 6,493,181 beschrieben. In solchen
hydrodynamischen Lagern dienen die Rillenstrukturen jedoch nicht
zur Abdichtung des Lagers sondern zur Erzeugung eines hydrodynamischen
Lagerdrucks.
-
Die
zweite, mit dem Motorgehäuse
verbundene Dichtscheibe kann in ihrem Außenumfang Durchbrüche oder
Bohrungen aufweisen, um das durch die Rillenstruktur in radialer
Richtung nach außen
geförderte
Fluid in axialer Richtung nach außen aus dem Motorgehäuse abzuführen.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist wenigstens eine Dichtscheibe, insbesondere die zweite, mit dem
Motorgehäuse
verbundene Dichtscheibe in axialer Richtung flexibel, um axiale Schwingungen
und/oder Wärmedehnungen
des Rotorsystems im Inneren des Motorgehäuses aufzunehmen und auszugleichen.
-
Um
die erwünschte
Förderung
des Fluids zwischen den beiden Dichtscheiben zu erzielen, muß der axiale
Abstand zwischen den beiden Dichtscheiben definiert und im Verhältnis zur
Scheibendicke klein sein. Ein bevorzugter Wert für den axialen Abstand liegt
in der Größenordnung
von =/< 0,1 mm
(≤ 0,1 mm).
Diese Größe wird
jedoch von der genauen Ausführung
der Wellendichtung sowie von den Dimensionen des Motors und der
Welle abhängig
sein.
-
Die
Erfindung sieht auch einen Elektromotor mit einem Motorgehäuse, einer
Motorwelle und einer Wellendichtung der oben beschriebenen Art vor.
Die Motorwelle ist in dem Motorgehäuse gelagert und mit einem
Abtriebsende aus dem Motorgehäuse
herausgeführt,
wobei die Motorwelle an ihrem Abtriebsende mehrere Längsnuten
auf ihrem Außenumfang
aufweist. Diese Längsnuten
können
z.B. durch die Zahnlücken
eines Ritzels am Abtriebsende der Motorwelle, das zur Verbindung
mit einem Getriebe bestimmt ist, gebildet sein. Erfindungsgemäß ist die
erste Dichtscheibe drehfest auf das Abtriebsende der Motorwelle
aufgebracht und die zweite Dichtscheibe feststehend mit dem Motorgehäuse verbunden,
wobei zwischen der ersten und der zweiten Dichtscheibe ein definierter
Abstand zur Bildung eines Zwischenraums eingehalten ist. Die durch
die beiden Dichtscheiben gebildete Wellendichtung ist relativ zur Motorwelle
so positioniert, daß sich
die Längsnuten auf
dem Außenumfang
der Motorwelle in den Zwischenraum zwischen den beiden Dichtscheiben
erstrecken. Dadurch kann gezielt Getriebeöl oder eine andere Flüssigkeit
oder Fluid über
die Längsnuten
in den Zwischenraum zwischen die beiden Dichtscheiben geführt werden,
wo sich das Fluid nach außen ausbreitet
und dadurch den Zwischenraum abdichtet.
-
Angrenzend
an den Zwischenraum zwischen den beiden Dichtscheiben ist vorzugsweise
zwischen dem Motorgehäuse
und der zweiten Dichtscheibe ein Ringspalt gebildet, der ein Auffangvolumen
für das sich
ausbreitende Fluid bildet. Der Ringspalt ist beispielsweise keilförmig, um
das nach außen
geförderte
Fluid zuverlässig
aufzufangen.
-
Vorzugsweise
sind die Durchbrüche
am Außenumfang
der zweiten Dichtscheibe so angeordnet, daß sie mit dem Ringspalt zusammenwirken,
um nach außen
gefördertes
Fluid über
den Ringspalt und die Durchbrüche
in axialer Richtung aus dem Motorgehäuse abzuführen.
-
Der
erfindungsgemäße Elektromotor
ist, wie erwähnt,
vorzugsweise über
ein Ritzel am Abtriebsende der Motorwelle mit einem Getriebe verbunden, wobei
die Wellendichtung den Elektromotor zuverlässig gegenüber dem Getriebe abdichtet.
Aus dem Getriebe austretendes Spritz- oder Sprühöl wird über die Längsnuten des Wellenritzels
in den Zwischenraum zwischen die beiden Dichtscheiben gefördert, breitet sich
zwischen den Dichtscheiben in radialer Richtung nach außen aus
und wird über
den genannten Ringspalt und die Durchbrüche am Außenumfang der stationären Dichtscheibe
nach außen
abgeführt.
Das geförderte Öl oder Fluid übernimmt
sowohl die Funktion der Abdichtung als auch der Schmierung der beiden
Dichtscheiben. Zur Anfangsschmierung kann erfindungsgemäß vorgesehen
sein, zwischen dem Außendurchmesser
der ersten, rotierenden Dichtscheibe und dem Motorgehäuse ein
Fettreservoir vorzusehen.
-
Die
Erfindung ist im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform
mit Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert.
In den Figuren zeigen:
-
1 eine schematische Schnittdarstellung durch
einen Teil eines Elektromotors gemäß der Erfindung;
-
2 eine teilweise geschnittene
Explosion-Darstellung des Elektromotors der 1;
-
3 eine perspektivische Darstellung
der ersten Dichtscheibe mit einer Rillenstruktur gemäß einer
ersten Ausführung;
-
4 eine perspektivische Darstellung
der ersten Dichtscheibe mit einer Rillenstruktur gemäß einer
zweiten Ausführung.
-
Die
Erfindung ist zunächst
grundsätzlich
mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben. Der in 1 gezeigte Elektromotor
weist ein Motorgehäuse 10 mit einem
angeformten Motorflansch zur Befestigung des Elektromotors beispielsweise
in einem Kraftfahrzeug auf. Das Gehäuse hat eine grundsätzlich zylindrische
Form und ist drehfest mit einem Stator 14 verbunden, der
einen z.B. aus Blechen aufgebauten Statorkörper 14 und Phasenwicklungen 16 umfaßt, die
schematisch angedeutet sind. Ein Rotor 18 ist drehfest
mit einer Welle 20 verbunden und dreht relativ zu dem Motorgehäuse 10 und
dem Stator 14. Der Rotor umfaßt in der Regel Permanentmagnete und
einen Eisenrückschluß. Der Rotor 18 und
die Motorwelle 20 sind über
zwei Kugellager in dem Motorgehäuse 10 gelagert.
In den Figuren ist nur eines der Kugellager 22 gezeigt,
welches in dem Motorgehäuse 10 integriert
ist. Die Erfindung ist nicht beschränkt auf Kugellager, sondern
kann auch in Verbindung mit anderen Wälzlagern sowie in Verbindung mit
anderen Lagertypen, wie Fluidlagern, oder sogenannten Thrustlagern,
angewendet werden.
-
In
den 1 und 2 ist ferner ein Rotortopf 26 dargestellt,
welcher jedoch für
die Erfindung nicht entscheidend ist. Das Kugellager 22 ist über eine
Kugellagerlagerbuchse 28 in dem Motorgehäuse 10 im Preßsitz gehalten.
An die Kugellagerbuchse 28 grenzt eine Scheibe 29 an,
die als eine Stützscheibe für einen
Federring (nicht gezeigt) dient, der den Außenring des Kugellagers 22 verspannt
und dadurch die axiale Lagerluft aus dem Kugellager drückt.
-
Die
Motorwelle weist an ihrem Abtriebsende 30 Längsnuten 32 auf,
welche durch die Zahnlücken eines
Ritzels zur Verbindung mit einem Getriebe gebildet sind. Auf das
Abtriebsende 30 der Motorwelle 20 ist eine erste
Dichtscheibe 34, die im folgenden auch als rotierende Dichtscheibe
bezeichnet ist, aufgebracht. Die rotierende Dichtscheibe 34 kann
auf die Motorwelle 20 aufgepreßt werden und kommt gegen eine
Schulter 36 zu liegen. Eine zweite Dichtscheibe 38,
die im folgenden auch als stationäre Dichtscheibe bezeichnet
wird, wird in das Motorgehäuse 10 eingepaßt und kommt
im wesentlichen parallel, mit definiertem Abstand, koaxial zu der
ersten Dichtscheibe 34 zu liegen. Durch die Schulter 36 in der
Motorwelle 20 und eine Gehäuseschulter 40 in dem
Motorgehäuse 12 wird
sichergestellt, daß die
rotierende Dichtscheibe 34 und die stationäre Dichtscheibe 38 einen
vorgegebenen Abstand zu einander einhalten, der beispielsweise in
der Größenordnung
von 0,1 mm oder kleiner liegen kann. Der Abstand wird durch geringfügige Verformung
der Schulter (Fase) 36 beim Aufpressen auf Maß relativ
zur Gehäuseschulter 40 mit
einem Stufendorn oder einer geregelten messenden Presse eingestellt.
Die stationäre
Dichtscheibe 38 wird in das Motorgehäuse 10 eingepreßt und/oder
in diesem verstemmt oder schwimmend auf der keilförmig angefasten
Gehäuseschulter 40 positioniert.
-
Die
rotierende Dichtscheibe 34 weist auf ihrer der feststehenden
Dichtscheibe 38 zugewandten Oberfläche eine Rillenstruktur 42 auf,
die dazu dient, in den Zwischenraum zwischen den beiden Dichtscheiben 34, 38 eintretendes
Fluid, insbesondere Öl, radial
nach außen
zu führen
und einen Ölfilm
zwischen den beiden Dichtscheiben 34, 38 zu bilden.
-
Ist
der erfindungsgemäße Elektromotor
im Betrieb über
das Ritzel 32 mit einem Getriebe verbunden, kann Spritz-
und/oder Sprühöl von dem
Getriebe über
die Längsnuten 32 des
Ritzels entlang der Welle kriechen. Die Längsnuten 32 sind so
angeordnet, daß sie
in dem Zwischenraum zwischen den beiden Dichtscheiben 34, 38 münden, so
daß das
Getriebeöl,
oder gegebenenfalls ein anderes Fluid, vom Außenumfang der Motorwelle 20 radial
zwischen die beiden Dichtscheiben 34, 38 in die
am weitesten innen liegende Rille der Rillenstruktur 42 gelangt.
Von dort wird es bei Drehung der Motorwelle 20 durch Fliehkräfte drehrichtungsabhängig nach
rechts oder links in der Rillenstruktur nach außen verdrängt. Abhängig vom Abstand der beiden
Dichtscheiben 34, 38 entsteht ein Überdruck,
sobald sich eine überschüssige Menge
des Öles
oder anderen Fluids aufbaut. Dadurch entsteht ein teilweise stehender,
teilweise rotierender Ölfilm
zwischen den beiden Dichtscheiben 34, 38, der
die Funktion der Abdichtung gewährleistet,
ohne daß dadurch
nennenswerte mechanische Reibung entsteht. Der Ölfilm hat auch die Funktion,
die erfindungsgemäße Wellendichtung
zu schmieren.
-
Wenn
das Öl
oder andere Fluid am Umfang der rotierenden Dichtscheibe 34 ankommt,
wird das überschüssige Öl nach außen abgespritzt,
wo es von einem keilförmigen
Ringspalt 44, der zwischen der stationären Dichtscheibe 38 und
der Gehäusespalte 40 ausgebildet
ist, aufgefangen wird.
-
Am
Umfang der stationären
Dichtscheibe 38 sind Durchbrüche 46 ausgebildet,
die bei der gezeigten Ausführungsform
durch halblochförmige
Kerben gebildet werden. Über
diese Durchbrüche 46 gelangt das Öl oder andere
Fluid aus dem Ringspalt 44 wieder nach außen. Ist
der Elektromotor mit einem Getriebe verbunden, so kann auf diese
Weise das Getriebeöl
zurück
ins Getriebegehäuse
geführt
werden.
-
Die
stationäre
Dichtscheibe 38 kann in axialer Richtung flexibel sein,
so daß sie
zusammen mit dem Ölfilm
zwischen den beiden Dichtscheiben Bewegungen des Rotorsystems 18 aufnehmen
und ausgleichen kann, sie dient auch dem Ausgleich von Wärmedehnungen
und Schwingungen.
-
Für die Abdichtung
der Motorwelle 20 ist der Ölfilm oder andere Fluidfilm
zwischen den beiden Dichtscheiben 34, 38 ein wichtiges
Element. Um beim Anlaufen des Motors eine Anfangsschmierung gewährleisten
zu können,
sind bei der gezeigten Ausführungsform
zwischen dem Außendurchmesser
der rotierenden Dichtscheibe 34 und dem Motorgehäuse 10 sowie
zwischen der rotierenden Dichtscheibe 34 und der Scheibe 29 Reservoire 48 vorgesehen,
die z.B. als Fettdepot verwendet werden können, um eine Anfangsschmierung
der erfindungsgemäßen Wellendichtung
zu gewährleisten.
-
Beispiele
für verschiedene
rotierende Dichtscheiben 34 mit unterschiedlichen Rillenstrukturen sind
in 3 und 4 gezeigt, wobei der Fachmann verstehen
wird, daß die
Erfindung nicht auf die gezeigten Rillenstrukturen beschränkt ist.
So können diese
Strukturen auch gänzlich
anders gestaltet sein, z.B. in der Form von Spiralen bei unidirektionaler Drehrichtung.
Ferner können
die Rillenstrukturen zusätzlich
oder alternativ auch auf der Oberfläche der stationären Dichtscheibe 38 ausgebildet
sein, welche der rotierenden Dichtscheibe 34 zugewandt
ist.
-
Mit
der Erfindung wird eine Wellendichtung für die Motorwelle eines Elektromotors
angegeben, die extrem reibungsarm und aufgrund der Pumpenwirkung
der Rillenstruktur zuverlässig
arbeitet. Die Wellendichtung ist dabei kostengünstig herstellbar und einfach
zu montieren.
-
Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in den verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.
-
- 10
- Motorgehäuse
- 14
- Stator
- 16
- Phasenwicklungen
- 18
- Rotor
- 20
- Motorwelle
- 22
- Kugellager
- 26
- Rotortopf
- 28
- Kugellagerbuchse
- 29
- Scheibe
- 30
- Abtriebsende
- 32
- Längsnuten
- 34
- erste,
rotierende Dichtscheibe
- 36
- Schulter
- 38
- zweite,
stationäre
Dichtscheibe
- 40
- Gehäuseschulter
- 42
- Rillenstruktur
- 44
- Ringspalt
- 46
- Durchbrüche
- 48
- Reservoir