DE10354320A1 - Gleichstrom-Elektromotor - Google Patents

Abstract

Ein Gleichstrom-Elektromotor (1) weist einen Läufer (3) eines Durchmessers (D¶L¶) und einer Wicklungsstärke (W¶L¶), einen diesen umgebenden Magneten (4) eines Durchmessers (D¶M¶) und einer Wandstärke (W¶M¶) sowie ein diesen einschließendes Gehäuse (5) eines Durchmessers (D¶G¶) auf, wobei der Durchmesser (D¶M¶) des Magneten (4) mindestens das 1,5-fache des Durchmessers (D¶L¶) des Läufers (3) beträgt.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Elektromotor, insbesondere für einen Fensterheberantrieb eines Kraftfahrzeugs.
• An einen elektrischen Fensterheberantrieb werden aus verschiedenen Gründen hohe Leistungsanforderungen gestellt: Zum einen werden kurze Schließ- und Öffnungszeiten des Fensters gefordert, zum anderen sind erhebliche Reibungskräfte beim Verstellen des Fensters zu überwinden. Diese Kräfte sind unter anderem bedingt durch eine stabile Führung der Scheibe in der Tür, die benötigt wird, um Windgeräusche zu minimieren. Des Weiteren tragen gekrümmte Scheibenformen zu einem hohen Leistungsbedarf des Fensterhebermotors bei. Schließlich soll die Zuverlässigkeit des Fensterheberantriebs unter allen Witterungsbedingungen, insbesondere in allen Temperaturbereichen, gegeben sein.
• Konkurrierend zu den beschriebenen Anforderungen nach hoher Leistung sollten jedoch die vom elektromotorischen Antrieb des Fensterhebers erzeugten Einklemmkräfte möglichst gering sein. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromotorischen Antrieb anzugeben, der diesen konträren Anforderungen gleichermaßen gerecht wird.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gleichstrom-Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruches 1. Dieser Elektromotor weist einen mit einer Welle verbundenen Läufer mit einer Wicklung auf, der von einem Magneten etwa ringförmig umgeben ist. Hierbei beträgt der Durchmesser des Magneten mindestens das 1,5-fache, vorzugsweise mindestens das 1,7-fache des Durchmessers des Läufers. Der Läufer weist damit im Vergleich zum Magneten einen relativ geringen Durchmesser auf.
• Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bei der Auswahl eines Elektromotors, insbesondere Gleichstrom-Elektromotors, ein enger Zusammenhang zwischen der Leistung und der beim Betrieb im Motor gespeicherten kinetischen Energie gegeben ist. Diesem Zielkonflikt wird dadurch begegnet, dass der Läufer als rotierendes Teil des Motors relativ gering, der umgebende Magnet als nicht zur kinetischen Energie beitragendes statisches Teil jedoch relativ groß dimensioniert wird. Durch die Verlagerung von Motormasse von rotierenden auf feststehende Teile ist damit ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Leistung und Trägheit des Motors gegeben. Da bei einer Verwendung des Gleichstrom-Elektromotors in einem Fensterheberantrieb bereits aufgrund der geringen kinetischen Energie der rotierenden Teile des Motors die Einklemmkräfte begrenzt sind, verringert sich der steuerungstechnische Aufwand zur Begrenzung der Einklemmkräfte.
• Der Durchmesser des Läufers des Elektromotors beträgt vorzugsweise weniger als 60% des Gehäusedurchmessers. Innerhalb des Gehäuses ist der Magnet in Querschnittsbetrachtung in einer Ringfläche angeordnet, welche den Läufer umgibt und als äußere Ringfläche bezeichnet wird. Im Gegensatz dazu wird die Fläche, in der die die Welle umgebenden Wicklungen des Läufers angeordnet sind, als innere Ringfläche bezeichnet. Die äußere Ringfläche ist bevorzugt mindestens 1,5 mal so groß, insbesondere etwa doppelt so groß, wie die innere Ringfläche. Die Wandstärke des Magneten ist durch die Differenz zwischen dem äußeren und dem inneren Radius der äußeren Ringfläche gegeben. Analog ist die Wicklungsstärke des Läufers durch die Differenz zwischen dem Radius des Läufers und dem Radius der diesen tragenden Welle gegeben. Bevorzugt beträgt die Wandstärke mindestens 75% der Wicklungsstärke, insbesondere entspricht die Wandstärke zumindest annähernd der Wicklungsstärke.
• In bevorzugter Ausgestaltung ist der Magnet in fertigungstechnisch einfacher Weise durch mindestens eine Magnet befestigungsfeder von innen an die Wandung des Gehäuses gedrückt und damit stabil, insbesondere verdrehsicher, im Gehäuse fixiert.
• Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass ein Gleichstrom-Elektromotor, insbesondere ein Motor mit einer Leistung von weniger als 1 kW, sowohl ein vergleichsweise hohes Drehmoment, bedingt durch einen starken, groß dimensionierten Permanentmagneten, aufweist, als auch eine hohe Dynamik, bedingt durch einen Läufer mit in Relation zum Magneten besonders geringem Durchmesser und damit entsprechend geringem Trägheitsmoment.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen jeweils in nicht maßstäblicher vereinfachter Darstellung:
• 1 im Querschnitt einen Gleichstrom-Elektromotor nach der Erfindung, und
• 2 den Längsschnitt des Gleichstrom-Elektromotors nach 1.
• 3 in einer Darstellung analog 1 einen Gleichstrom-Elektromotor nach dem Stand der Technik.
• Einander entsprechende oder gleich wirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• In 3 ist schematisiert der Querschnitt eines herkömmlichen Gleichstrom-Elektromotors eines Fensterheberantriebs eines Kraftfahrzeuges dargestellt. Der Elektromotor 1 umfasst eine Welle 2, einen auf dieser montierten Läufer 3, einen Magneten 4, nämlich Permanantmagneten, sowie ein Gehäuse 5. Zur Fixierung des Magneten 4 im Gehäuse 5 dient eine Magnetbefestigungsfeder 6. Die jeweiligen Durchmesser von Welle 2, Läufer 3, Magnet 4 und Gehäuse 5 sind mit D_W, D_L, D_M, D_G bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Gehäusedurchmesser D_G 48 mm oder 43 mm, der Läuferdurchmesser D_L 32 mm bzw. 27 mm und der Wellendurchmesser D_W 9 mm. Die ringförmige Fläche, die innerhalb des Gehäuses 5 im Wesentlichen vom Magneten 4 ausgefüllt ist, wird als äußere Ringfläche 7 bezeichnet. Der Läufer 3 umfasst eine Wicklung 8, deren Dimensionierung innerhalb einer inneren Ringfläche 9 durch den Wellendurchmesser D_W sowie den Läuferdurchmesser D_L gegeben ist. Hierbei entspricht die Differenz zwischen dem Läuferdurchmesser D_L und dem Wellendurchmesser D_W der doppelten Wicklungsstärke W_L des Läufers 3. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Wicklungsstärke W_L je nach Dimensionierung des Läufers 3 11,5 mm bzw. 9 mm. Der Magnet 4 weist in beiden Fällen eine Wandstärke W_M von 5 mm auf.
• Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektromotors 1 nach 1 weist ebenso wie der in 3 dargestellte herkömmliche Elektromotor 1 ein Gehäuse 5 eines Durchmesser D_G von 43 mm sowie eine Welle 2 mit einem Durchmesser D_W von 9 mm auf und ist damit grundsätzlich mit einem Motor der anhand 3 erläuterten Bauform kompatibel. Im Unterschied zur Bauform nach 3 weist jedoch der Elektromotor 1 nach 1 einen relativ gering dimensionierten Läufer 3 mit einem Durchmesser D_L von nur 23 mm sowie einen relativ groß dimensionierten Magneten 4 mit einer Wandstärke W_M von 7 mm auf. Auf diese Weise ist bei drastisch reduziertem Trägheitsmoment des Läufers 3 und entsprechend reduzierter maximaler kinetischer Energie des Elektromotors 1 ein für die Anwendung als Fensterhebermotor ausreichendes Drehmoment von beispielsweise ca. 13 Nm bei einer Betriebsspannung von 13 V erzeugbar.
• Die Montage des Elektromotors 1 nach 1 ist mittels Magnetbefestigungsfedern 6 ebenso rationell möglich wie bei der herkömmlichen Bauform nach 3. Ein nicht dargestelltes, an den Elektromotor 1 nach 1 angeschlossenes Getriebe weist ein Übersetzungsverhältnis von etwa 1:60 auf. Insgesamt ist die in den rotierenden Teilen des Fensterheberantriebs gespeicherte kinetische Energie bei einem Läuferdurchmesser D_L von 23 mm im Vergleich zu einem Läuferdurchmesser D_L von 32 mm auf ca. ein Drittel reduziert. Der geringe Läuferdurchmesser D_L von 23 mm ermöglicht weiterhin eine schnellere Detektion eines möglichen Einklemmvorgangs bei schließendem Fenster und auch auf diese Weise eine Reduzierung der maximalen Einklemmkraft. Auf diese Art und Weise kann beispielsweise auf die „elektronische Taktung" des Motors verzichtet werden, die üblicherweise bei Fensterhebermotoren verwendet wird, um die erforderlichen Spezifikationen zu erreichen.
• Der in 1 nicht maßstäblich dargestellte Elektromotor 1 weist eine Wicklungsstärke W_L von 7 mm auf, die der Wandstärke W_M des Magneten 4 entspricht. Der Läuferdurchmesser D_L entspricht ca. 58% des Magnetdurchmessers D_M und ca. 53% des Gehäusedurchmessers D_G. Die äußere Ringfläche 7 entspricht etwas mehr als dem Doppelten der inneren Ringfläche 9 und ist zu ca. 90% durch den Magneten 4 ausgefüllt.
• Im in 2 dargestellten Längsschnitt des Gleichstrom-Elektromotors 1 nach 1 ist zusätzlich ein sechspoliges Magnetrad 10 sichtbar, welches überdimensioniert ist, da bei taktungslosem Betrieb maximal 4 Pole nötig sind. Weiter sind in 2 ein wie das Magnetrad 10 auf der Welle 2 angeordneter Kommutator 11 sowie an diesen angeschlossene, einen Teil der Wicklung 8 bildende Leiter 12 sichtbar. Die Lagerung der Welle 2 ist in herkömmlicher Weise vorgesehen und nicht dargestellt. Der Kommutator 11 sowie das Magnetrad 10 entsprechen ebenso wie das Gehäuse 5 der Ausführungsform des herkömmlichen Elektromotors 1 nach 3 mit einem Läuferdurchmesser D_L von 27 mm. Gleiches gilt für ein nicht näher dargestelltes, mit dem Kommutator 11 zusammenwirkendes Bürstensystem. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Motors 1 nach den 1 und 2, insbesondere die hohe Dynamik aufgrund der geringen Trägheit der rotierenden Teile 2,3,10,11 sind somit, ausgehend von der herkömmlichen Motorkonstruktion nach 3, mit relativ geringem herstellungstechnischen Aufwand nutzbar.

Claims (6)

1. Gleichstrom-Elektromotor mit einem Läufer (3) eines Durchmessers (D_L) und einer Wicklungsstärke (W_L), einem diesen umgebenden Magneten (4) eines Durchmessers (D_M) und einer Wandstärke (W_M) und einem diesen einschließenden Gehäuse (5) eines Durchmessers (D_G), dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D_M) des Magneten (4) mindestens das 1,5-fache des Durchmessers (D_L) des Läufers (3) beträgt.
2. Gleichstrom-Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D_L) des Läufers (3) weniger als 60% des Durchmessers (D_G) des Gehäuses (5) beträgt.
3. Gleichstrom-Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Ringfläche (7), innerhalb der – in Querschnittsbetrachtung – der Magnet (4) angeordnet ist, mindestens das 1,5-fache einer inneren Ringfläche (9), innerhalb der der Läufer (3) angeordnet ist, beträgt.
4. Gleichstrom-Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (W_M) des Magneten (4) mindestens 75% der Wicklungsstärke (W_L) des Läufers (3) beträgt.
5. Gleichstrom-Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Magnetbefestigungsfeder (6) zur Halterung des Magneten (4) im Gehäuse (5).
6. Fensterheberantrieb mit einem Gleichstrom-Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5.