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Die Erfindung betrifft einen Rotor eines Elektromotors und einen Elektromotor mit einem entsprechenden Rotor.
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Bei Elektromotoren mit Permanentmagneten ist eine Welle-Nabe-Verbindung der Motorwelle an dem Magneten des Rotors üblicherweise nicht durch eine Pressverbindung realisierbar, da der Permanentmagnet aus einem spröden magnetischen Werkstoff wie z.B. Ferrit oder Keramik gebildet ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor bereit zu stellen, der derart angepasst ist, dass die Motorwelle über eine Pressverbindung an dem Permanentmagneten befestigbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein Rotor eines Elektromotors mit einem sich um eine Rotationsachse des Rotors erstreckenden Permanentmagneten vorgeschlagen, an dem eine Kunststoffumspritzung vorgesehen ist, die einen Wellendurchgang zur befestigenden Aufnahme einer Motorwelle des Elektromotors entlang der Rotationsachse bestimmt. An dem durch die Kunststoffumspritzung gebildeten Wellendurchgang ist unmittelbar angrenzend eine Pressbuchse angeordnet, in welche die Motorwelle durch eine Pressverbindung einpressbar und an dem Rotor fixierbar ist.
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Die Motorwelle wird somit nicht unmittelbar an dem Permanentmagneten oder seine Kunststoffumspritzung an dem Rotor befestigt, sondern mittelbar über die Pressbuchse, welche in die Kunststoffumspritzung eingreift. Somit ist es möglich, den spröden Permanentmagneten als Pressling zu nutzen.
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Eine vorteilhafte Ausführung des Rotors sieht vor, dass die Pressbuchse und der Permanentmagnet auf derselben axialen Höhe entlang der Rotationsachse angeordnet sind und sich im Axialschnitt gesehen zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig überlappen. Die auf die Pressbuchse beim Einpressen der Motorwelle einwirkenden Radialkräfte werden somit an dem Permanentmagneten abgestützt. Kräfte, die ein Verkanten zwischen der Pressbuchse und dem Permanentmagneten verursachen könnten, sind somit eliminiert.
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Bei einer Weiterbildung des Rotors ist zudem vorgesehen, dass der Permanentmagnet an zumindest einer seiner beiden axialen Stirnseiten zumindest eine axiale Ausnehmung aufweist, in welche die Kunststoffumspritzung formschlüssig eingreift. Vorzugsweise weist der Permanentmagnet jedoch an beiden seiner axialen Stirnseiten zumindest eine axiale Ausnehmung auf, in welche die Kunststoffumspritzung formschlüssig eingreift. Die axiale Ausnehmung bzw. die auf beiden Seiten vorgesehen Ausnehmungen sind in einer Ausführungsvariante als Einkerbung im Übergangsbereich von der axialen Stirnseite zur radialen Innenmantelfläche des Permanentmagneten ausgebildet. Dabei ist eine bezüglich der Kraftverteilung vorteilhafte Ausgestaltung, dass die Ausnehmung bzw. die Ausnehmungen im Radialschnitt gesehen einen Kugelkalottenquerschnitt aufweisen. Die Kunststoffumspritzung greift somit an der kritischen Kante am Übergang zum Axialdurchtritt in den Permanentmagneten ein und verhindert eine Relativbewegung zwischen dem Permanentmagneten und der Kunststoffumspritzung sowohl beim Verpressen der Motorwelle als auch im Betrieb des Rotors.
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Die Kunststoffumspritzung erstreckt sich zudem in einer Ausgestaltung des Rotors in axialer Richtung über die axialen Stirnflächen des Permanentmagneten hinaus und bildet zumindest eine Anlagefläche an zumindest einer der beiden axialen Stirnflächen des Permanentmagneten. Die Anlagefläche verhindert ebenfalls eine axiale Relativbewegung in eine Richtung zwischen dem Permanentmagneten und der Kunststoffumspritzung insbesondere beim Verpressen der Motorwelle, aber auch im Betrieb des Rotors.
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Der Rotor ist ferner in einem Ausführungsbeispiel dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffumspritzung einen Axialanschlag aufweist, an den die Pressbuchse anliegend positioniert ist. Der Axialanschlag ist vorzugsweise als Rücksprung des Innendurchmessers der Innenmantelfläche der Kunststoffumspritzung ausgebildet, an dem sich die Pressbuchse in eine axiale Richtung abstützt. Dadurch ist ein Versatz der Pressbuchse in der Kunstsoffumspritzung und mithin in dem Rotor ausgeschlossen, wenn die Motorwelle in die Pressbuchse eingepresst wird.
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Der Permanentmagnet ist aus sprödem, unelastischem Material, z.B. als gesinterter Ferritmagnet gebildet. Die Kunststoffumspritzung weist hingegen teilelastische Eigenschaften auf, so dass die Pressbuchse in radialer Richtung in die Kunststoffumspritzung ein Stück weit eindrückbar ist. Je nach Auslegung der Pressverbindung zwischen Motorwelle und Pressbuchse kann eine gewisse radiale Aufweitung des Außendurchmessers der Pressbuchse in die Kunststoffumspritzung hinein zugelassen werden, solange die nötigen Zug- und Druckspannungen in der Kunststoffumspritzung nicht überstiegen werden.
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Ferner ist eine Ausführung des Rotors vorteilhaft, bei der die Pressbuchse eine axiale Länge aufweist, die zumindest 50%, vorzugsweise zumindest 60% einer Axiallänge des Permanentmagneten entspricht. Somit ist eine ausreichende Abstützung zwischen der Pressbuchse und dem Permanentmagneten gewährleistet.
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Der Rotor ist vorzugsweise rotationssymmetrisch, die Kunststoffumspritzung und/oder der Permanentmagnet sind vorzugsweise einstückig ausgebildet.
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Die Offenbarung umfasst zudem einen Elektromotor mit einem Stator und einem vorstehend beschriebenen Rotor, bei dem die Motorwelle durch eine Pressverbindung in die Pressbuchse eingepresst an dem Rotor fixiert ist.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Rotors;
- 2 eine seitliche Schnittansicht durch einen beispielhaften Elektromotor mit einem Rotor nach 1.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen rotationssymmetrischen Rotors 1 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. 2 zeigt den Rotor 1 aus 1 schematisch in einem in einen Elektromotor 100 eingebauten Zustand.
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Bezugnehmend auf 1 weist der ringförmige, sich um die Rotationsachse des Rotors 1 erstreckende Permanentmagnet 6 an seiner Innenmantelfläche die Kunststoffumspritzung 3 auf, die den Wellendurchgang 10 für die in 2 dargestellte Motorwelle 14 des Elektromotors 100 entlang der Rotationsachse bestimmt. In dem Wellendurchgang 10 ist im Wesentlichen mittig die Pressbuchse 2 an der Kunststoffumspritzung 3 positioniert, in welche die Motorwelle 14 zur Befestigung an dem Rotor 1 eingepresst wird. Die Pressbuchse 2 kann sich dabei nach radial außen in die teilelastische Kunststoffumspritzung 3 hinein aufweiten, wobei das Ausmaß über die Wahl des Kunststoffmaterials beschränkt wird. Hierbei werden auch thermische Ausdehnungen z.B. durch Erhitzen des Lagers 29 berücksichtigt. Die Kunststoffumspritzung 3 weist im Axialverlauf unterschiedliche Innendurchmesser auf und bildet dabei einen Rücksprung bzw. eine Stufe, die als Axialanschlag 9 zur Anordnung der Pressbuchse 2 an einer axial fixierten Stelle dient. Ferner wird die Pressbuchse 2 in Axialrichtung von dem Permanentmagneten 6 beidseitig überstreckt, so dass eine vollständige Überlappung vorliegt und Radialkräfte stets zwischen der Pressbuchse 2 und der Kunststoffumspritzung 3 sowie dem Permanentmagneten 6 wirken.
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Die einstückige Kunststoffumspritzung 3 bildet auf der ersten axialen Seite des Permanentmagneten 6 einen axial gegenüber der axialen Stirnfläche 16 vorstehenden Ring 11, der in eine Radialerweiterung 4 übergeht, die bündig in einer Axialebene mit der Stirnfläche 16 verläuft. Auf der zweiten, gegenüberliegenden axialen Seite des Permanentmagneten 6 bildet die Kunststoffumspritzung einen Radialvorsprung 7, der die Anlagefläche 8 an der axialen Stirnfläche 15 des Permanentmagneten 6 bereitstellt und somit zum Einpressen der Motorwelle 14 die Relativbewegung des Permanentmagneten 6 gegenüber der Kunststoffumspritzung 3 in dieselbe Axialrichtung blockiert, wie der Axialanschlag 9 zur Anordnung der Pressbuchse 2.
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An dem einstückig die Rotationsachse umlaufend ausgebildeten Permanentmagneten 6 sind auf beiden axialen Stirnseiten 15, 16 am Übergang zur Innenmantelfläche jeweils als umlaufende Einkerbung ausgebildete Ausnehmungen 5 vorgesehen, in welche die Kunststoffumspritzung 3 formschlüssig eingreift. Im gemäß 1 gezeigten Radialschnitt sind die Querschnitte der Einkerbungen kugelkalottenförmig, da hierdurch die Spannungen vorteilhaft verteilt werden. An der axialen Stirnfläche 16 des Permanentmagneten 6 erstreckt sich die Radialerweiterung 4 der Kunststoffumspritzung 3 über die radiale Länge der Ausnehmung 5, an der gegenüberliegenden axialen Stirnfläche 15 geht die Kunststoffumspritzung 3 anschließend in den Radialvorsprung 7 über. Der Radialvorsprung 7 ist zur Materialeinsparung nur axial einseitig vorgesehen.
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Der Rotor 1 ist beispielhaft im Elektromotor 100 gemäß 2 verbaut. Bei dem Elektromotor 100 ist die Motorwelle 14 durch eine Pressverbindung in die Pressbuchse 2 eingepresst an dem Rotor 1 fixiert und über das Lager 29 gelagert. Der Elektromotor 100 umfasst ein einstückiges Motorgehäuse 22 mit einem Gehäusedeckel 33, an dessen Außenseite mehrere Kühlrippen zur verbesserten Wärmeabfuhr ausgebildet sind. Auf der axial dem Gehäusedeckel 33 gegenüberliegenden Seite bildet das Motorgehäuse 22 einstückig einen sich axial ins Innere des Motorgehäuses 2 hinein erstreckenden Spalttopf 77 aus. Zwischen der Innenwandung des Motorgehäuses 22 und dem Außenmantel des Spalttopfes 77 liegt der Motorabschnitt, in dem der Stator 66 und die auf der Leiterplatte 114 befestigte Motorelektronik 55 aufgenommen sind. Über den Spalttopf 77 dichtend abgegrenzt liegt innerhalb des Spalttopfes 77 der Wellenabschnitt, in dem die Motorwelle 14 entlang ihrer Rotationsachse verläuft. Der Spalttopf 77 erstreckt sich in axialer Richtung im Wesentlichen durch das gesamte Motorgehäuse 22 bis zu dem Gehäusedeckel 33.
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Im in axialer Richtung gesehen tiefsten Abschnitt des Spalttopfes 77 ist ein aus einem wärmeleitfähigen Material, insbesondere aus Metall gebildete Kugellagertopf 28 angeordnet. Das Motorgehäuse 22 mit dem Spalttopf 77 ist aus Kunststoff im Spritzgussverfahren um den Kugellagertopf 28 gespritzt, so dass der Spalttopf 77 und der Kugellagertopf 28 dieselbe Form bzw. Innen- und Außenkontur aufweisen und unmittelbar aneinander anliegen. Der Kugellagertopf 28 bestimmt den Lagersitz für das eingepresste Kugellager 29, in dem die Motorwelle 14 gelagert ist. Zwischen dem Kugellager 29 und der axialen Innenwandfläche des Spalttopfes 77 ist ein Freiraum 113 gebildet, in den sich die Motorwelle 14 mit ihrem freien Ende hinein erstreckt.
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Axial zwischen einem am Gehäusedeckel 33 ausgebildeten Kühlelement 101 und der axialen Außenwandfläche des Spalttopfes 77 ist ein Spalt 121 mit einem Spaltmaß von maximal 1/20 des Außendurchmessers des Kugellagers. In dem Spalt 121 ist in der gezeigten Ausführung eine Schicht einer Wärmeleitpaste vorgesehen, die auch durch Wärmeleitkleber ersetzbar ist.
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Eine Wärmeableitung der durch das Kugellager 29 im Betrieb erzeugten Wärme erfolgt von dem Kugellager 29 auf den Kugellagertopf 28, weiter an den Spalttopf 77 und in axialer Richtung über die Wärmeleitpaste an das Kühlelement 101 des Gehäusedeckels 33 des Motorgehäuses 22. Von dem Gehäusedeckel 33 wird die Wärme weiter an die Außenumgebung abgegeben. Das Motorgehäuse und insbesondere sein Gehäusedeckel 33 fungieren mithin als Kühlkörper.
