DE19939890A1 - Elektromotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor mit einem Stator (52) und einem im Stator (52) rotierbar angeordneten Rotor (51a), an dessen Außenumfang eine Vielzahl von Permanentmagneten (51b) angeordnet sind. Die radial innere Oberfläche der Permanentmagneten (51b) ist radial nach innen im wesentlichen konvex gekrümmt. Der Außenumfang des Rotors (51a) weist gekrümmte Aussparungsflächen auf, die jeweils an der radial inneren gekrümmten Oberfläche des entsprechenden Permanentmagneten anliegen, wodurch eine lokale Konzentration des magnetischen Flusses zwischen angrenzenden Permanentmagneten im Rotor (51a) erheblich eingeschränkt wird.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf einen Elektromotor und im Besonderen auf einen Elektromotor, der in einer elektrisch betätigten Servolen­ kung verwendet wird, sowie die Gestaltung des Stators des Elektromotors.

Stand der Technik

Elektromotoren, in denen eine Vielzahl von Permanentmagneten am Au­ ßenumfang eines innerhalb eines Stators rotierbar vorgesehenen Rotors angeord­ net sind, werden beispielsweise in den offengelegten japanischen Patentanmel­ dungen Nr. HEI 2-111238 und HEt 4-69040 beschrieben. Ein Elektromotor, wie er in diesen offengelegten Patentanmeldungen beschrieben wird, ist konzipiert, um eine Drehmomentspitzenbildung zu verhindern. Unter einer Drehmomentspitzen­ bildung sind ungleichmäßige Drehmomentänderungen zu verstehen, die in Ab­ hängigkeit von der Konstruktion des Stators, des Rotors, der Permanentmagneten oder dergleichen selbst dann auftreten, wenn der Elektromotor nicht mit elektri­ scher Energie versorgt wird.

Bei einem Elektromotor, wie er in den vorstehend erwähnten veröffentlich­ ten Patentanmeldungen beschrieben wird, weisen die am Außenumfang des Ro­ tors angeordneten Permanentmagneten hinsichtlich ihres Querschnitts in Rotati­ onsebene des Rotors jeweils eine im allgemeinen halbzylindrische oder "C"- förmige Gestalt auf und sind jeweils an der radial nach außen gebogenen, bogen­ förmigen Außenumfangsfläche des Rotors angeordnet. In einigen Fällen entsteht daher im Rotor eine lokale Konzentration des magnetischen Flusses zwischen an­ grenzenden Permanentmagneten.

Bei einer lokalen Konzentration des magnetischen Flusses im Rotor ent­ steht ein erheblicher, auch als Hystereseverlust bekannter, magnetischer Verlust. Darüber hinaus fördert die lokale Konzentration des magnetischen Flusses im Rotor das Entstehen einer kleineren Schleife des magnetischen Flusses im Per­ manentmagneten. Die kleinere Schleife ist eine in einem Raumabschnitt derart verlaufende geschlossene Schleife des magnetischen Flusses, daß die Nordpole N und Südpole S der Permanentmagneten kurzgeschlossen werden. Der daraus resultierende magnetische Verlust im Rotor bewirkt eine Erhöhung des magneti­ schen Widerstands im Rotor derart, daß sich der Wirkungsgrad des Elektromotors verschlechtert und das abgegebene Drehmoment abnimmt. Die kleinere Schleife des magnetischen Flusses der Permanentmagneten trägt nicht zur Ausgangslei­ stung bzw. Ausgangskraft des Elektromotors bei und verschlechtert darüber hin­ aus den Wirkungsgrad des Elektromotors, wodurch das abgegebene Drehmoment abnimmt. Wenn eine kleinere Schleife sich in den Luftspalt zwischen Rotor und Stator erstreckt, beinträchtigt diese kleinere Schleife die Verteilung weiterer ma­ gnetischer Flüsse, was die Entstehung von Drehmomentwelligkeit und Drehmo­ mentspitzenbildung fördert. Unter Drehmomentwelligkeit sind Drehmomentände­ rungen zu verstehen, die während einer Versorgung des Elektromotors mit elektri­ scher Energie auftreten.

Das abgegebene Drehmoment eines Elektromotors ließe sich zwar durch eine Vergrößerung der Permanentmagneten erhöhen. Da diese Maßnahme je­ doch eine große Zahl teurer Permanentmagneten erfordert, würden die Herstell­ kosten mit zunehmender Baugröße des Elektromotors erheblich ansteigen.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung hat nun die Aufgabe, einen Elektromotor, insbesondere zur Verwendung in einer elektrischen Lenkvorrichtung, zu schaffen, der einen höheren Wirkungsgrad sowie ein höheres Ausgangsdrehmoment hat und das Entstehen von Drehmomentwelligkeit und Drehmomentspitzenbildung verhindert.

Diese Aufgabe wird durch den Elektromotor gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Anwendungsge­ biete sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß umfaßt der Elektromotor einen Stator, einen im Stator rotierbar angeordneten Rotor und eine Vielzahl von an der Außenumfangsfläche bzw. am Außenumfang des Rotors angeordneten Permanentmagneten. Die radial innere Oberfläche jedes Permanentmagneten ist in Radialrichtung nach innen im wesentlichen konvex gekrümmt. Der Außenumfang des Rotors weist gekrümmte Aussparungsflächen auf, die jeweils mit der radial inneren gekrümmten Oberfläche des entsprechenden Permanentmagneten in Kontakt stehen bzw. an dieser satt anliegen. Die radial äußere Oberfläche jedes Permanentmagneten kann eine Ge­ stalt ähnlich einem Segment einer in Umfangsrichtung unterteilten Umfangsfläche eines imaginären Zylinders, dessen Mittelachse mit der Achse des Rotors zusam­ menfällt, aufweisen.

Bei dem erfindungsgemäßen Elektromotor ist die radial innere Oberfläche jedes der am Außenumfang des Rotors angeordneten Permanentmagneten in Be­ zug auf dessen Querschnitt in Rotationsebene radial nach innen im wesentlichen konvex ausgebildet. Der Außenumfang des Rotors ist im Hinblick auf eine satte Anlage an der radial inneren gekrümmten Oberfläche des entsprechenden Per­ manentmagneten mit den gekrümmten Aussparungsflächen versehen. Die Anla­ gefläche zwischen jedem Permanentmagnet und dem Rotor kann daher derart vergrößert werden, daß eine lokale Konzentration des magnetischen Flusses zwi­ schen angrenzenden Permanentmagneten im Rotor nicht auftritt.

Folglich läßt sich der magnetische Verlust im Rotor derart reduzieren, daß der Wirkungsgrad des Elektromotors wie auch das abgegebene Drehmoment er­ höht werden. Des Weiteren läßt sich das Entstehen einer kleineren Schleife des magnetischen Flusses eines Permanentmagneten derart einschränken, daß der Wirkungsgrad des Elektromotors wie auch das abgegebene Drehmoment erhöht werden. Darüber hinaus lassen sich Drehmomentwelligkeit und Drehmomentspit­ zenbildung erheblich einschränken. Da die Permanentmagneten teilweise im Rotor eingebettet sind, kann ferner der zwischen Rotor und Stator ausgebildete Luftspalt derart verkleinert werden, daß das abgegebene Drehmoment erhöht wird.

Die Erfindung läßt sich realisieren, indem die Form bzw. Gestalt der Per­ manentmagneten wie auch des Rotors verändert werden. Im Vergleich zu einem Elektromotor, bei dem die Permanentmagneten zum Zweck einer Erhöhung des abgegebenen Drehmoments vergrößert werden, benötigt der erfindungsgemäße Elektromotor weniger der normalerweise teuren Permanentmagneten und ermög­ licht daher eine ökonomische und kompakte Gestaltung des Elektromotors. Die Erfindung sieht somit einen kostengünstigen Elektromotor von kleiner Baugröße mit einem hohen Ausgangsdrehmoment vor. Die Erfindung ermöglicht ferner eine größere Kontakt- bzw. Anlagefläche zwischen den Permanentmagneten und dem Rotor, so daß die Adhäsionsfähigkeit für den Fall, daß die Permanentmagneten beispielsweise mittels eines Klebemittels am Rotor befestigt werden, erhöht wird. Wenn die radial äußere Oberfläche jedes Permanentmagneten eine Gestalt aufweist, die einem Segment einer in Umfangsrichtung unterteilten Umfangsfläche eines imaginären Zylinders, dessen Mittelachse mit der Achse des Rotors zusam­ menfällt, ähnlich ist, lassen sich die Permanentmagneten, wenn die radial äußere Oberfläche der Permanentmagneten jeweils als eine Referenzfläche verwendet wird, am Außenumfang des Rotors äußerst präzise ankleben und befestigen. Der erfindungsgemäße Elektromotor kann somit effizienter montiert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorstehend genannten Merkmale, weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevor­ zugten Ausführungsform unter Bezugnahmen auf die beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen für die dieselben/entsprechenen Bauteile dieselben Bezugs­ zeichen verwendet wurden. Es zeigt/zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt einer elektrischen Servolenkung, in der der erfin­ dungsgemäße Elektromotor verwendet wird;

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte schematische Ansicht eines Rotors und zweier Permanentmagneten;

Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht eines Zahnteils zur Veranschaulichung der positionellen Beziehung zwischen einer Isolierpapierfolie und einem Vorsprungs­ abschnitt des Zahnteils;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Schritts zum Wickeln einer Wicklung im Statorproduktionsprozeß;

Fig. 6 eine Perspektivansicht der Wicklung, die im Schritt zum Wickeln ei­ ner Wicklung in Fig. 5 hergestellt wurde;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Schritts zum Pressformen der Wicklung im Statorproduktionsprozeß;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Schritts zum Einbauen der Wicklung im Statorproduktionsprozeß;

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Schritts zum Einbauen eines mit einer Wicklung versehenen Zahnteils in den Jochabschnitt im Statorprodukti­ onsprozeß;

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Schritts zum Formen im Sta­ torproduktionsprozeß;

Fig. 11 eine vergrößerte schematische Ansicht eines Vergleichsbeispiels zur Veranschaulichung der Verteilung des magnetischen Flusses im Rotor und kleiner Schleifen des magnetischen Flusses;

Fig. 12A die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform der Erfindung zum Ver­ gleich mit Vergleichsbeispielen;

Fig. 12B ein Vergleichsbeispiel B zum Vergleich mit der in Fig. 12A ge­ zeigten Ausführungsform;

Fig. 12C ein Vergleichsbeispiel C zum Vergleich mit der in Fig. 12A ge­ zeigten Ausführungsform;

Fig. 12D ein Vergleichsbeispiel D zum Vergleich mit der in Fig. 12A ge­ zeigten Ausführungsform;

Fig. 12E ein Vergleichsbeispiel E zum Vergleich mit der in Fig. 12A ge­ zeigten Ausführungsform;

Fig. 13 eine Grafik, die die Relativwerte des Drehmo­ ment/Querschnittsflächen-Verhältnisses der in Figur gezeigten 12A gezeigten Aus­ führungsform im Vergleich zu den in den Fig. 12B bis 12E gezeigten Ver­ gleichsbeispielen angibt; und

Fig. 14 einen vergrößerten Querschnitt eines Zahnteils.

Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen wird nachstehend eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ausführlich beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Zahnstangen-Lenkung mit einem Elektromotor 50. Die Lenkvorrichtung umfaßt eine Eingangswelle 20, eine Lenkstange 30, einen Kuge­ lumlaufspindelmechanismus 40, den Elektromotor 50 und dergleichen, die alle in ein Gehäuse 10 einer (nicht dargestellten) Fahrzeugkarosserie eingebaut sind. Das Gehäuse 10 erstreckt sich in Querrichtung der Fahrzeugkarosserie.

Die Eingangswelle 20 ist in der Weise an das Gehäuse 10 montiert, daß sie zwar drehbar, jedoch in Bezug auf ihre Axialrichtung unbewegbar ist. An ihrem aus dem Gehäuse 10 ragenden Endabschnitt steht die Eingangswelle 20 über ein Kardangelenk, eine Zwischenwelle, ein Kardangelenk, eine Lenkspindel und der­ gleichen (nicht dargestellt in der Weise mit einem Lenkrad in Verbindung, daß zwischen Lenkrad und Eingangswelle 20 ein Drehmoment übertragen werden kann. Die Eingangswelle 20 steht über ein an ihrem inneren Endabschnitt ausge­ bildetes Ritzel (nicht dargestellt) in der Weise in Eingriff mit einem an der Lenk­ stange 30 ausgebildeten Zahnstangenabschnitt 31, daß zwischen Eingangswelle 20 und Lenkstange 30 eine Lenkkraft übertragen werden kann. Durch eine Dre­ hung der Eingangswelle 20 wird die Lenkstange 30 demnach quer zur Längsrich­ tung der Fahrzeugkarosserie, d. h. nach links oder rechts, bewegt.

Die Lenkstange 30 entspricht im allgemeinen der Zahnstange. Die Lenk­ stange 30 ist auf Seiten des Ritzels der Eingangswelle 20 an dem entgegenge­ setzt liegenden Seitenabschnitt in Bezug auf den an der Lenkstange 30 ausgebil­ deten Zahnstangenabschnitt 31 über eine an das Gehäuse 10 montierte Zahn­ stangenführung 11 in der Weise elastisch gelagert, daß die Lenkstange 30 in Ra­ dialrichtung bewegbar ist. Ein linker Endabschnitt der Lenkstange 30 ist an einem an das Gehäuse 10 montierten Endanschlag 12 in der Weise angeordnet und ge­ lagert, daß er nicht in Radialrichtung der Lenkstange 30 bewegbar ist. Die Lenk­ stange 30 ist somit quer zur Längsrichtung der Fahrzeugkarosserie, d. h. nach links und rechts, bewegbar montiert, kann sich jedoch nicht drehen. Die Lenkstange 30 erstreckt sich durch das Gehäuse 10 und steht über Spurstangen 32 und 33 und Lenk- bzw. Spurstangenhebeln (nicht dargestellt) an ihrem linken bzw. rechten Ende mit den zu lenkenden Rädern (nicht dargestellt) in der Weise in Verbindung, daß die Lenkkraft von der Lenkstange 30 auf die Räder übertragen wird. Die Lenkstange 30 weist eine einstückig ausgebildete Kugelumlaufspindel 41 für den Kugelumlaufspindelmechanismus 40 auf. An der Außenumfangsfläche der Kuge­ lumlaufspindel 41 ist eine Spiralnut ausgebildet. Der Kugelumlaufspindelmecha­ nismus 40 verlagert rotierenderweise die Übertragungskraft von dem durch die Zahnstangenführung 11 elastisch gelagerten Abschnitt zu dem durch den Endan­ schlag 12 starr gelagerten Abschnitt in einer feststehenden Art und Weise, indem er die Rotation einer Ausgangswelle 51 des Elektromotors 50 in eine Verschie­ bung der Lenkstange 30 in Richtung deren Achse umwandelt.

Der Kugelumlaufspindelmechanismus 40 ist koaxial zur Lenkstange 30 an­ geordnet und umfaßt die Kugelumlaufspindel 41, eine Mutter 42, die am Außen­ umfang der Kugelumlaufspindel 41 angeordnet ist und in der Weise mit der Aus­ gangswelle 51 des Elektromotors 50 in Verbindung steht, daß sie mit der Aus­ gangswelle 51 um die Lenkstange 30 drehbar, in Axialrichtung der Lenkstange 30 jedoch nicht bewegbar ist, und eine Vielzahl von Kugeln 44, die durch einen dünnwandigen rohrförmigen Käfig 43 zwischen Mutter 42 und Kugelumlaufspindel 41 rotierbar gelagert ist. Die Kugeln 44 sind zwischen den am Außenumfang der Kugelumlaufspindel 41 ausgebildeten Spiralnuten und einer am Innenumfang der Mutter 42 ausgebildeten Spiralnut angeordnet.

Der Elektromotor 50 stellt an der Lenkstange 30 in Axialrichtung der Lenk­ stange 30 über den Kugelumlaufspindelmechanismus 40 eine Hilfslenkkraft zur Verfügung. Der Elektromotor 50 ist koaxial zur Lenkstange 30 montiert. Der Elek­ tromotor 50 umfaßt eine über Kugellager 13, 14 in der Weise an das Gehäuse 10 montierte rohrförmige Ausgangswelle 51, daß die Ausgangswelle 51 rotierbar, in Axialrichtung der Ausgangswelle 51 jedoch nicht bewegbar ist, und einen Stator 52, der einen Teil des Gehäuses 10 bildet. Die Rotationsleistung bzw. -kraft des Elektromotors 50 wird durch ein (nicht dargestelltes) Steuergerät auf der Basis von Signalen eines herkömmlichen (nicht dargestellten) Lenkmomentsensors, eines Sensors 53 zum Erfassen der Rotation der Ausgangswelle 51, und dergleichen geregelt bzw. gesteuert.

Wie es in den Fig. 1 bis 3 gezeigt ist, ist die Ausgangswelle 51 im we­ sentlichen aus einem Rotor 51a von abgestufter rohrförmiger Gestalt und einer Vielzahl von Permanentmagneten 51b gebildet, die gleichmäßig beabstandet an der Außenumfangsfläche bzw. am Außenumfang des Rotors 51a angeordnet sind. Die Permanentmagnete 51b sind so angeordnet, daß sich Südpol S und Nordpol N abwechseln. Jeder Permanentmagnet 51b erstreckt sich in Axialrichtung des Rotors. Die radial innere Oberfläche jedes Permanentmagneten 51b ist in Radial­ richtung nach innen im wesentlichen konvex ausgebildet. Die radial äußere Ober­ fläche jedes Permanentmagneten 51b weist eine Gestalt auf, die einem Segment einer Umfangsfläche eines imaginären Zylinders ähnlich ist, dessen Mittelachse mit der Achse des Rotors übereinstimmt, und zwar derart, daß die (in Umfangs­ richtung) entgegengesetzten Endabschnitte jedes Permanentmagneten 51b dün­ ner sind als der mittlere Abschnitt jedes Permanentmagneten 51b. Der Außenum­ fang des Rotors 51a weist eine Vielzahl von konkaven Aussparungsflächen auf, die jeweils der radial inneren gekrümmten Oberfläche des entsprechenden Per­ manentmagnets 51b angepaßt sind.

Der Stator 52 umfaßt eine Vielzahl von Zahnteilen 52a, die jeweils durch Schichtung elektromagnetischer Stahlbleche in Axialrichtung als ein Blockkörper hergestellt sind, eine um jedes Zahnteil 52a vorgesehene Wicklung 52b und einen Jochabschnitt 52c, in dem die Zahnteile 52a und die Wicklungen 52b aufgenom­ men sind. Die Zahnteile 52a, die Wicklungen 52b und der Jochabschnitt 52c sind durch Formung eines adhäsiven und elektrisch isolierenden Harzes zu einem ein­ stückigen Bauteil integriert. Wie es in den Fig. 2 und 4 gezeigt ist, hat jedes Zahnteil 52a an seinem radial inneren Endabschnitt einen sich in Umfangsrichtung (beidseitig) ausbreitenden Magnetpolabschnitt 52a1. Jedes Zahnteil 52a hat an seinem radial äußeren Endabschnitt einen in Umfangsrichtung (beidseitig) ragen­ den Vorsprungsabschnitt 52a2, wobei die Größe des Vorsprungs etwa 0.3-1.0 mm beträgt. Der Magnetpolabschnitt 52a1 und der Vorsprungsabschnitt 52a2 definie­ ren den dazwischen liegenden Wicklungsmontageabschnitt 52a3. Jedes Zahnteil 52a wird an den Jochabschnitt 52c montiert, indem der Vorsprungsabschnitt 52a2 in eine einer Vielzahl von im Jochabschnitt 52c ausgebildeten Schwalben­ schwanznuten 52c1 eingebaut wird. Der Wicklungsmontageabschnitt 52a3 jedes Zahnteils 52a ist mit einer Isolierfolie 52d umwickelt, die eine Dicke hat, die im we­ sentlichen gleich der Vorsprungsgröße L des Vorsprungsabschnitts 52a2 vor der Montage der Wicklung 52b an das Zahnteil 52a ist. Die Isolierfolie 52d ist aus ei­ nem elektrisch isolierendem Papier oder einem anderen Material mit elektrischer isolierender Eigenschaft hergestellt. Der Jochabschnitt 52c jedes Zahnteils 52a ist aus einem magnetischen Material hergestellt, das die Ausbildung magnetischer Feldlinien erlaubt und für das Gehäuse geeignet ist. Das Material des Jochab­ schnitts 52c kann ein Stahlrohr aus einem kohlenstoffarmen Stahl, wie z. B. S10C, S15C, oder dergleichen, oder ein elektromagnetisches Stahlblech sein.

Der Stator 52 wird durch die in den schematischen Zeichnungen der Fig. 5 bis 10 dargestellten Schritte hergestellt. In dem in Fig. 5 gezeigten Schritt zum Wickeln einer Wicklung wird ein Draht von einer Rolle 102 auf eine Vorrich­ tung 101, die hinsichtlich ihrer Gestalt dem Wicklungsmontageabschnitt 52a3 je­ des Zahnteils 52a ähnlich ist, gewickelt, bis die erforderliche Anzahl von Windun­ gen erreicht ist. Der Draht kann ein Kupferdraht sein, der einen Durchmesser von etwa 2,9 mm hat und mit einem Isolierfilm beschichtet ist. Nach dem Abschneiden des Drahts wird die erhaltene Wicklung 52b von der Vorrichtung 101 abgenom­ men, wie dies aus Fig. 6 ersichtlich ist. Ebenso wäre es jedoch möglich, den Draht um die Vorrichtung 101 bis zum Erreichen einer erforderlichen Windungszahl ent­ sprechend einer Vielzahl von Wicklungen 52b zu wickeln und die resultierende Wicklung, nach dem Abschneiden des Draht und Abnehmen der resultierenden Wicklung von der Vorrichtung 101, in einzelne Wicklungen zu schneiden, die je­ weils die erforderliche Windungszahl entsprechend der einzelnen Wicklung auf­ weisen, um eine Vielzahl von Wicklungen 52b gemäß Fig. 6 zu erhalten.

In dem in Fig. 7 gezeigten Schritt zum Pressformen wird die in Fig. 6 ge­ zeigte Wicklung 52b in eine Pressformvorrichtung 103 angeordnet und anschlie­ ßend in die bestimmte Gestalt pressgeformt. In dem Schritt zum Pressformen wird die Wicklung 52b so verformt, daß die Abstände zwischen den Windungen im we­ sentlichen verschwinden und die Wicklung 52b eine unrunde bzw. nichtkreisförmi­ ge Gestalt annimmt, wodurch der Ausnützungsfaktor bzw. Füllfaktor der Wicklung 52b in dem in Fig. 2 gezeigten montierten Zustand erhöht wird.

In dem in Fig. 8 gezeigten Schritt zum Montieren der Wicklung wird die pressgeformte Wicklung 52b, die in dem in Fig. 7 gezeigten Schritt zum Pressfor­ men hergestellt wurde, auf ein Zahnteil 52a, das in Form eines Blockkörpers aus geschichteten Blechen vorgesehen ist, montiert, indem die Wicklung 52b über das Ende des Zahnteils 52a auf Seiten des Vorsprungsabschnitts 52a2 auf den Wick­ lungsmontageabschnitt 52a3 montiert wird. In diesem Schritt wird vor der Montage der Wicklung 52b auf das Zahnteil 52a der Wicklungsmontageabschnitt 52a3 des Zahnteils 52a mit einer Isolierpapierfolie 52d umwickelt, die eine Dicke hat, die im wesentlichen gleich der Größe des Vorsprungs des Vorsprungsabschnitts 52a2 vor der Montage der Wicklung 52b auf das Zahnteil 52a ist.

In dem in Fig. 9 gezeigten Schritt zum Montieren der mit Wicklungen verse­ henen Zahnteile 52a in den Jochabschnitt 52c wird jedes Zahnteil 52a in eine an der Innenumfangsfläche bzw. am Innenumfang des Jochabschnitts 52c ausgebil­ dete entsprechende Schwalbenschwanznut 52c1 eingesetzt. Der Schritt zum Montieren der Zähne ist beendet, wenn alle Zahnteile 52a in den Jochabschnitt 52c montiert sind.

In dem in Fig. 10 gezeigten Schritt zum Formen wird der Jochabschnitt 52c, der in dem Schritt zum Montieren der Zahnteile mit der erforderlichen Anzahl von Wicklungen aufweisenden Zahnteilen 52a versehen wird, mittels Schrauben 106 mit einer Bodenplatte 105 verbunden, die einen Kern 104 aufweist. Anschließend wird ein elektrisch isolierendes, flüssiges Harzformmaterial 107 über die obere Öffnung in den Jochabschnitt 52c geschüttet. Nach dem Aushärten des Harz­ formmaterials 107 durch Erwärmen wird die Bodenplatte 105 einschließlich des Kerns 104 entfernt. Auf diese Weise wird der Stator 52, in dem der Jochabschnitt 52c und sämtliche Zahnteile 52a mit den Wicklungen durch das elektrisch isolie­ rende Harz zu einem einstückigen Bauteil zusammengefaßt sind, hergestellt. An­ stelle des vorstehend beschriebenen Schritts zum Formen könnte ebenso ein hocheffizienter Spritzgießschritt zum Zweck der Massenproduktion eingesetzt werden.

Da bei der elektrischen Lenkvorrichtung dieser Ausführungsform die Lenk­ kraft vom Ritzel der Eingangswelle 20 direkt auf den Zahnstangenabschnitt 31 der Lenkstange 30 übertragen wird, wird die Ausgangsleistung bzw. Ausgangskraft des Elektromotor 50 während der Regelung bzw. Steuerung des Steuergeräts (nicht gezeigt) über den Kugelumlaufspindelmechanismus 40 auf die Kugelum­ laufspindel 41 der Lenkstange 30 in der Weise übertragen, daß die vom Elektro­ motor 50 zur Verfügung gestellte Leistung bzw. Kraft (Hilfslenkleistung bzw. Hilfs­ lenkkraft) ein präzises Lenkmoment vorsieht.

Im Elektromotor 50 dieser Ausführungsform ist die radial innere Oberfläche jedes Permanentmagnets 51b in Radialrichtung nach innen im wesentlichen kon­ vex gekrümmt; der Außenumfang des Rotors 51a weist eine Vielzahl von konka­ ven Aussparungsflächen auf, die jeweils der radial inneren gekrümmten Oberflä­ che des entsprechenden Permanentmagnets 51b angepaßt sind und an dieser satt anliegen bzw. diese kontaktieren, wie es aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist. Die Kontaktfläche zwischen jedem Permanentmagneten 51b und dem Rotor 51a ist daher vergrößert, wodurch die im Rotor 51a auftretende lokale Konzentra­ tion des magnetischen Flusses A zwischen angrenzenden Permanentmagneten 51b im Vergleich zu dem in Fig. 11 gezeigten Vergleichsbeispiels erheblich einge­ schränkt ist. Wie es in Fig. 11 gezeigt ist, hat jeder Permanentmagnet 51b eine im Querschnitt halbzylindrische Gestalt mit einer radial inneren flachen Oberfläche; der Außenumfang des Rotors 51a weist eine flache Oberfläche auf, die an der ra­ dial inneren flachen Oberflächen der Permanentmagneten 51b satt anliegt.

Der magnetische Verlust im Rotor 51a läßt sich demnach reduzieren, wo­ durch der Wirkungsgrad des Elektromotors verbessert und das abgegebene Drehmoment erhöht wird. Des Weiteren läßt sich das Auftreten der in Fig. 11 ge­ zeigten kleineren Schleife B des magnetischen Flusses jedes Permanentmagne­ ten 51b derart reduzieren, daß der Wirkungsgrad des Elektromotors verbessert und das abgegebene Drehmoment erhöht wird; darüber hinaus wird das Auftreten von Drehmomentwelligkeit und Drehmomentspitzenbildung unterdrückt. Da die Permanentmagneten 51b teilweise im Rotor 51a eingebettet sind, ist ferner ein zwischen dem Rotor 51a und dem Stator 52 ausgebildeter Luftspalt derart verklei­ nert, daß sich das Ausgangsdrehmoment erhöhen läßt.

Der Elektromotor 50 dieser Ausführungsform der Erfindung läßt sich durch eine Änderung hinsichtlich der Form und Gestalt der Permanentmagneten 51b und der Gestalt des Rotors 51a realisieren. Im Vergleich zu Beispielen, in denen die Permanentmagneten 51b vergrößert werden, um das abgegebene Drehmoment zu erhöhen, benötigt diese Ausführungsform der Erfindung daher weniger kosten­ intensive Permanentmagneten, wodurch eine ökonomische und kompakte Ge­ staltung eines Elektromotor ermöglicht wird. Diese Ausführungsform der Erfindung sieht somit einen kostengünstigen Elektromotor 50 von kleiner Baugröße vor, der ein hohes Drehmoment abgibt.

Die Fig. 12A bis 12E und 13 zeigen, daß der Elektromotor 50 gemäß der Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung einer kleinen Anzahl von Per­ manentmagneten 51b im Vergleich zu den in den Fig. 12B-E gezeigten Bei­ spielen ein hohes Drehmoment abgeben kann. In dem in Fig. 12B gezeigten Ver­ gleichsbeispiel B sind Permanentmagnete 51b mit einer im Querschnitt im allge­ meinen "C"-förmigen oder bogenförmigen Gestalt an dem zylindrischen Außen­ umfang eines Rotors 51a befestigt. In dem in Fig. 12C gezeigten Vergleichsbei­ spiel C sind Permanentmagnete 51b mit einer im Querschnitt halbzylindrischen Gestalt an dem zylindrischen Außenumfang eines Rotors 51a befestigt. In dem in Fig. 12D gezeigten Vergleichsbeispiel D sind Permanentmagneten 51b mit einer im Querschnitt halbzylindrischen Gestalt an flachen Oberflächen befestigt, die am Außenumfang eines Rotors 51a ausgebildet sind. In dem in Fig. 12E gezeigten Vergleichsbeispiel E, das ähnlich ausgestaltet ist wie das in Fig. 12D gezeigte Vergleichsbeispiel D, weist ein Rotor 51a Nuten auf, die sich zwischen den Per­ manentmagneten 51b in Axialrichtung erstrecken.

In der in Fig. 13 gezeigten Grafik basieren die Relativwerte des Verhältnisses Drehmoment/Querschnittsfläche auf dem Wert des Drehmo­ ment/Querschnittsflächen-Verhältnisses im Vergleichsbeispiel B mit den im we­ sentlichen "C"-förmigen oder bogenförmigen Permanentmagneten, das als zu 1,00 definiert ist. Der Begriff "Drehmoment" in "Drehmoment/Querschnittsfläche" be­ deutet das abgegebene Drehmoment; der Begriff "Querschnittsfläche" bedeutet die Querschnittsfläche jedes Permanentmagneten und entspricht dessen Volu­ men. Wie es aus den in den Fig. 12B bis 12E und 13 gezeigten Vergleichsbei­ spielen ersichtlich ist, sind die Abschnitte, die als bei der Formgebung der radial inneren konvexen Oberfläche jedes Permanentmagneten 51b der Ausführungs­ form als abgeschnitten betrachtet werden können, Abschnitte, die das abgegebe­ ne Drehmoment nicht wesentlich beeinflussen, d. h. Abschnitte des Permanentma­ gneten, die, wenn sie zum Zweck der Verkleinerung des Permanentmagneten weggelassen werden, zu keiner Reduzierung des abgegebenen Drehmoments führen.

Bei dem Elektromotor 50 der Ausführungsform der Erfindung läßt sich fer­ ner die Anlagefläche zwischen jedem Permanentmagneten 51b und dem Rotor 51a, wie vorstehend beschrieben, derart vergrößern, daß die Adhäsionskraft für den Fall, daß die Permanentmagneten 51b jeweils beispielsweise mittels eines Klebemittels am Rotor 51a befestigt werden, erhöht wird. Da des Weiteren die ra­ dial äußere Oberfläche des Permanentmagneten 51b einem Segment einer in Umfangsrichtung unterteilten Umfangsfläche eines imaginären Zylinders, dessen Mittelachse mit der Achse des Rotors 51a zusammenfällt, ähnlich ist, läßt sich je­ der Permanentmagnet 51b am Außenumfang des Rotors 51a äußerst präzise an­ bringen und befestigen, wenn die radial äußere Oberfläche jedes Permanentma­ gneten 51b als eine Referenzfläche verwendet wird. Auf diese Weise wird die Montageeffizienz erhöht.

Bei dem Elektromotor 50 der Ausführungsform erhält die pressgeformte Wicklung 52b, wenn sie auf das Zahnteil 52a montiert wird, indem sie von Seiten des Vorsprungsabschnitts 52a2 des Zahnteil 52a ausgehend über dem Wick­ lungsmontageabschnitt 52a3 angeordnet wird, nach dem Überschreiten des Vor­ sprungsabschnitts 52a2 eine Führung durch die Außenumfangsfläche der Isolier­ folie 52d. Daher kann im wesentlichen eine Schrägstellung der pressgeformten Wicklung 52b relativ zum Zahnteil 52a verhindert werden, wodurch im wesentli­ chen ausgeschlossen werden kann, daß die Wicklung 52b in Eingriff mit dem Vor­ sprungsabschnitt 52a2 gerät oder gegen diesen stößt. Die pressgeformte Wick­ lung 52b läßt sich somit problemlos und präzise auf den Wicklungsmontageab­ schnitt 52a3 des Zahnteils 52a montieren.

In dieser Ausführungsform wird die geformte Wicklung 52b, die unter Ver­ wendung der Pressformvorrichtung 103, wie in Fig. 7 gezeigt, in eine bestimmte Form bzw. Gestalt pressgeformt wird, als die auf das Zahnteil 52a zu montierende geformte Wicklung verwendet. Daher kann der Füllfaktor der Wicklungen im Stator 52 erhöht werden, so daß die motorische Charakteristik des Elektromotor 50 ver­ bessert und der Elektromotor 50 verkleinert werden kann.

Bei der vorstehenden Ausführungsform ist um den Wicklungsmontageab­ schnitt 52a3 jedes Zahnteils 52a herum eine Wicklung (Windung) vorgesehen, wobei zwischen diesen Bauteilen die Isolierfolie 52d angeordnet ist. Ebenso könnten, wie in Fig. 14 gezeigt, an den Seitenflächen des Wicklungsmontageab­ schnitts 52a3 jedes Zahnteils 52a in Längsrichtung verlaufende Nuten 52a4 aus­ gebildet sein, die den Durchgang eines herkömmlichen Harzes mit elektrisch iso­ lierender Eigenschaft erlauben.

Die Vorsehung der Nuten 52a4 an den Seitenflächen des Wicklungsmon­ tageabschnitts 52a3 jedes Zahnteils 52a stellt sicher, daß im Formungsschritt zum einstückigen Zusammenfassen jedes Zahnteils 52a mit der darauf angeordneten Wicklung 52b unter Verwendung eines adhäsiv und elektrisch isolierenden Har­ zes, wie in Fig. 10 gezeigt, das Harz über die Nuten 52a4 präzise in die Räume zwischen jedem Zahnteil 52a und der entsprechenden Wicklung 52b fließt. Bei der Ausführung des Formungsschritts wird daher eine isolierende Harzschicht zwi­ schen jedem Zahnteil 52a und der entsprechenden Wicklung 52b ausgebildet, wodurch eine ausreichende elektrische Isolierung zwischen jedem Zahnteil 52a und der entsprechenden am Zahnteil 52a vorgesehenen Wicklung 52b erzielt wird. Da es nicht mehr erforderlich ist, im Raum zwischen jedem Zahnteil 52a und der entsprechenden, um jedes Zahnteil 52a vorgesehenen Wicklung 52b vor dem Harzformungsschritt eine Isolierfolie vorzusehen, können der Füllfaktor der Wick­ lungen 52b im Stator 52 erhöht und die motorischen Eigenschaften verbessert werden.

Gemäß der Ausführungsform verhindert das nach dem Strömen in die Nu­ ten 52a4 feste und ausgehärtete Harz, daß sich die Zahnteile 52a radial nach in­ nen bewegen und daher vom Jochabschnitt 52c lösen.

Im Fall der elektrischen Lenkvorrichtung der Ausführungsform kann der Jochabschnitt 52c des Elektromotors 50 auch als ein Teil des Gehäuses 10 der elektrischen Lenkvorrichtung fungieren, so daß die elektrische Lenkvorrichtung hinsichtlich ihres Aufbaus vereinfachen und hinsichtlich ihrer Baugröße verkleinern läßt. Des Weiteren kann durch Ausnutzung des Ausmaßes des im Jochabschnitt 52c auftretenden Eisenverlusts ein Lenkvorlastmoment (Last) erzeugt werden, wodurch eine angemessene Fahrstabilität des Fahrzeugs sichergestellt wird. Die angemessene Fahrstabilität des Fahrzeugs beinhaltet, daß Gierbewegungen in­ folge einer von den gelenkten Rädern über die Lenkstange (umgekehrter Kraftein­ gang) her rührenden Kraft verhindert werden.

Da bei der Ausführungsform der Jochabschnitt 52c des Elektromotors 50 beispielsweise aus einem Stahlrohr geformt ist, ist die Zahl der im Elektromotor 50 verwendeten kostenintensiven elektromagnetischen Stahlblechen gering. Des Weiteren kann der Jochabschnitt 52c selbst unter niedrigen Kosten hergestellt werden, so daß die elektrische Lenkvorrichtung kostengünstig produziert werden kann. Die Lenkstange 30 ist ferner eine Zahnstange, die in der Ausgangswelle 51 des Elektromotors 50 ist und sich koaxial zu dieser erstreckt. Der Elektromotor 50 ist somit um die Zahnstange, d. h. die Lenkstange 30, herum derart kompakt ange­ ordnet, daß der Durchmesser des Elektromotors 50 reduziert ist. Daher kann die elektrische Lenkvorrichtung hinsichtlich ihrer Baugröße verkleinert werden.

Wenngleich in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Erfin­ dung sich auf einen Elektromotor 50 einer elektrischen Lenkvorrichtung bezieht, sei darauf hingewiesen, daß sie nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist, sondern auf verschiedene weitere Elektromotoren anwendbar ist, bei denen eine Vielzahl von Permanentmagneten am Außenumfang eines zur Rotation innerhalb eines Stators vorgesehenen Rotors anwendbar ist.

Wenngleich die Erfindung vorstehend anhand einer speziellen Ausfüh­ rungsformen beschrieben wurde, ergeben sich für den Fachmann zahlreiche Al­ ternativen, Modifikationen und Abänderungen in naheliegender Weise. Daher ist die hierin beschriebene beispielhafte Ausführungsform der Erfindung nur als ver­ anschaulichend, jedoch nicht als einschränkend zu verstehen. Vielmehr sind in­ nerhalb des in den Patentansprüchen definierten Grundgedankens des Erfindung verschiedene Abwandlungen möglich.

Claims (10)

1. Elektromotor (50) mit einem Stator (52) und einem im Stator (52) rotierbar angeordneten Rotor (51a), an dessen Außenumfang eine Vielzahl von Perma­ nentmagneten (51b) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die radial innere Oberfläche jedes Permanentmagneten (51b) in eine Rich­ tung radial nach innen im wesentlichen konvex gekrümmt ist und der Außenum­ fang des Rotors (51a) eine Vielzahl von gekrümmten Aussparungsflächen auf­ weist, die jeweils mit der radial inneren gekrümmten Oberfläche des entsprechen­ den Permanentmagneten (51b) in Kontakt stehen bzw. an dieser anliegen.

2. Elektromotor (50) mit einem Stator (52) und einem im Stator (52) rotierbar angeordneten Rotor (51a), an dessen Außenumfang eine Vielzahl von Perma­ nentmagneten (51b) angeordnet sind, wobei der Elektromotor (50) über den im Stator (52) rotierenden Rotor (51a) an einer Lenkstange (30) eines Fahrzeugs eine Lenkhilfskraft zur Verfügung stellt, dadurch gekennzeichnet, daß die radial innere Oberfläche jedes Permanentmagneten (51b) in eine Rich­ tung radial nach innen im wesentlichen konvex gekrümmt ist und der Außenum­ fang des Rotors (51a) eine Vielzahl von gekrümmten Aussparungsflächen auf­ weist, die jeweils mit der radial inneren gekrümmten Oberfläche des entsprechen­ den Permanentmagneten (51b) in Kontakt stehen bzw. an dieser anliegen.

3. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radial äußere Oberfläche jedes Permanentmagneten (51b) eine Form ähnlich ei­ nem Segment einer in Umfangsrichtung unterteilten Umfangsfläche eines imaginä­ ren Zylinders, dessen Mittelachse mit der Achse des Rotors (51a) zusammenfällt, aufweist.

4. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Permanentmagnet (51b) sich in Richtung der Achse des Rotors (51a) erstreckt.

5. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (52) eine Vielzahl von Zahnteilen (52a) mit jeweils einem radial inneren En­ dabschnitt und einem radial äußeren Endabschnitt, eine um jedes Zahnteil (52a) herum vorgesehene Wicklung (52d) sowie einen Jochabschnitt (52c) mit einer Vielzahl von sich an der radial inneren Umfangsfläche des Jochabschnitts (52c) erstreckenden Schwalbenschwanznuten (52c1) aufweist, wobei der Jochabschnitt (52c) die Zahnteile (52a) und die Wicklungen (52b) umfaßt und die Zahnteile (52a), die Wicklungen (52b) und der Jochabschnitt (52c) durch Formen mittels ei­ nes adhäsiven und elektrisch isolierenden Harzes zu einem Stück zusammenge­ faßt sind.

6. Elektromotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zahnteil (52a) einen sich vom radial inneren Endabschnitt aus in Umfangsrichtung aus­ breitenden Magnetpolabschnitt (52a1) und einen vom radial äußeren Endabschnitt aus in Umfangsrichtung ragenden Vorsprungsabschnitt (52a2) aufweist, wobei der Magnetpolabschnitt (52a1) und der Vorsprungsabschnitt (52a2) einen Wicklungs­ montageabschnitt (52a3) definieren, der mit einer Isolierfolie (52d) umwickelt ist.

7. Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierfolie (52d) ein elektrisch isolierendes Material mit einer Dicke im wesentlichen gleich der Größe des Vorsprungs, um den der Vorsprungsabschnitt (52a2) vom radial äußeren Endabschnitt jedes Zahnteils (52a) aus in Umfangsrichtung ragt, aufweist.

8. Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wick­ lungsmontageabschnitt (52a3) eine sich in Längsrichtung erstreckende Nut (52a4) aufweist, die einen Durchgang des elektrisch isolierenden Harzes erlaubt.

9. Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Zahnteil (52a) an den Jochabschnitt (52c) montiert wird, indem der Vorsprungsabschnitt (52a2) in eine entsprechende Schwalbenschwanznut (52c1) eingesetzt wird.

10. Elektromotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (52b) unter Verwendung einer Pressformvorrichtung (103) in eine bestimmte Ge­ stalt geformt wird.