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Die
Erfindung betrifft einen Innenläufer-Elektromotor,
der einen Statorkörper
mit einem ringförmigen
Statorrückschluß und mehreren
Statorpolen aufweist. Die Statorpole stehen von der Innenfläche des Statorrückschlusses
radial nach innen vor. Der Statorkörper schließt eine aus einer Motorwelle
und einem Rotor bestehende Baugruppe ein, wobei Motorwelle und Rotor über Wälzlager
relativ zum Stator drehbar gelagert sind.
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Die
Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der elektronisch kommutierten,
bürstenlosen
Gleichstrommotoren und anderer Permanentmagnetmotoren, die als Innenläufer-Motoren
konfiguriert sind.
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Solche
aus dem Stand der Technik bekannten Motoren umfassen eine Welle,
eine Rotorbaugruppe, mit einem weichmagnetischen Rückschluß und einem
oder mehreren darauf angeordneten Permanentmagneten, und eine Statorbaugruppe,
die einen z.B. aus Blechen aufgebauten Statorkörper und Phasenwicklungen umfaßt. Zwei
Lager sind mit axialem Abstand auf der Welle, beidseits der Rotorbaugruppe
angeordnet, um die Rotorbaugruppe relativ zur Statorbaugruppe zu
lagern. Der erfindungsgemäße Elektromotor
ist auf keine bestimmte Anwendung beschränkt und kann im Automobilbereich,
z.B. zur Unterstützung
der Lenkung, zur Betätigung
des Scheibenwischers oder zum Antreiben einer Kühlwasserpumpe, genauso eingesetzt
werden, wie als Antriebsmotor für
Lüfter,
Laufwerke, Werkzeugmaschinen oder dergleichen.
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Innenläufermotoren
haben grundsätzlich
den Nachteil, daß sie
aufgrund des zylinderförmigen,
geschlossenen Stators in axialer Richtung montiert werden müssen, was
Beschränkungen
für das
Einbringen und Justieren der Bauteile im Statorinneren mit sich
bringt. Ursache sind die in axialer und radialer Richtung wirkenden
magnetischen Kräfte
zwischen dem Stator und den Permanentmagneten des Rotors. Ferner
ist es schwierig, die Phasenwicklungen auf die Statorpole eines
Statorkörpers
aufzubringen. Für
diesen Zweck werden hochkomplizierte Wickeltechniken und -maschinen,
wie Nadelwickler, eingesetzt.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Innenläufer-Elektromotor anzugeben,
der einfach hergestellt und montiert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Innenläufer-Elektromotor
mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist der
Statorkörper
in mehrere sich in axialer Richtung erstreckende Statorsegmente
aufgeteilt, welche in korrespondierenden Statorschalensegmenten
aufgenommen sind. Die Statorsegmente sind vorzugsweise im wesentlichen identisch
aufgebaut; ebenso sind die korrespondierenden Statorschalensegmente
vorzugsweise im wesentlichen identisch zueinander. Es sind Verbindungsmittel
zur mechanischen Verbindung der Statorsegmente und der korrespondierenden
Statorschalensegmente sowie Mittel zum elektrischen Koppeln der
Phasenwicklungen vorgesehen.
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Vorzugsweise
sieht die Erfindung einen Statorkörper vor, der aus zwei Statorsegmenten
und zwei korrespondierenden Statorschalensegmenten aufgebaut ist,
welche jeweils eine Statorhälfte
bilden. Selbstverständlich
kann der erfindungsgemäße Statorkörper auch
in mehr als zwei Segmente aufgeteilt werden, und die einzelnen Segmente
können
sich über
unterschiedliche Anteile des Umfangs des Statorkörpers erstrecken. Die Statorsegmente
sind vorzugsweise über
ein Scharnier und/oder Rastverbindungen mechanisch gekoppelt.
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Die
Erfindung schafft somit einen ein- oder mehrfach geteilten Stator,
dessen einzelne Innenflächen
nebst den darauf angeordneten Statorpolen ungehindert zugänglich sind,
wodurch die Wickeltechnik zum Aufbringen der Phasenwicklungen im
Vergleich zu einem herkömmlichen
Statorkörper
deutlich vereinfacht werden kann. Beispielsweise kann zum Bewickeln
der Pole des erfindungsgemäßen Statorkörpers anstelle
eines Nadelwicklers ein sogenannter „Flyerwickler" verwendet werden,
wodurch die für das
Bewickeln notwendige Zeit deutlich verringert wird. Auch ist es
möglich,
die Nuten zwischen den Statorpolen besser auszunutzen und den Füllfaktor deutlich
zu erhöhen.
Die bessere Zugänglichkeit
der Zylinderinnenfläche
des Statorkörpers
ermöglicht
ferner, ein Nutenisolationsmaterial auf die Zylinderinnenfläche des
Statorrückschlusses
und die Statorpole aufzubringen. Dies kann beispielsweise in einem Spritzvorgang
erfolgen.
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Auch
die Montage des Elektromotors wird durch die erfindungsgemäße Bauweise
des Statorkörpers
deutlich vereinfacht und weniger anfällig in bezug auf Beschädigungen,
die durch magnetische Kräfte
bei der Montage auftreten können.
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Die
vormontierte Rotorbaugruppe, bestehend aus Rotorwelle nebst Rückschluß, den am
Außenumfang
des Rückschlusses
befestigten Permanentmagneten und den auf der Rotorwelle angeordneten
Kugellagern, wird in eines der Statorsegmente, beispielsweise in
eine der beiden Statorhälften
eingelegt. Dabei wird die radiale Annäherung der beiden Bauteile
durch die zur Anlage kommenden Kugellageraussendurchmesser und die
in der betreffenden Statorhälfte
befindlichen zugehörigen
(hälftigen)
Lagersitze begrenzt. Durch die im Arbeitsluftspalt zwischen Statorhälfte und
Rotor wirksamen radialen Magnetkräfte werden die beiden derart
vormontierten Bauteile positioniert und gefesselt, so daß der Statorkörper durch
Aufstülpen
der zweiten Statorhälfte
einfach komplettiert und mittels der vorgesehenen Rast- bzw. Befestigungsmittel
verriegelt werden kann. Danach umschließt der komplettierte Statorkörper die innerhalb
des Statorkörpers
drehbar gelagerte Rotorbaugruppe vollständig unter Bildung eines konzentrischen
Arbeitsluftspalts.
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Hierzu
sind die Statorschaltsegmente vorzugsweise so ausgebildet, daß sie einen
Lagersitz für jedes
der Wälzlager
sowie geeignete Anschläge
für das
Montieren der Baugruppe aus Welle, Rotor und Wälzlagern bereitstellen.
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In
einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform
sind die Statorschalensegmente als Spritzgußteile ausgebildet, in welche
eine Aufnahme für
das korrespondierende Statorsegment sowie für die Wälzlager und geeignete Verbindungsmittel
zum mechanischen Koppeln der Statorschalensegmente einteilig integriert
sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform
könnte der
Stator beispielsweise bei einem Dreiphasenmotor auch dreigeteilt
sein, wobei das mittlere Statorsegment mittels angespritzer Filmscharniere
mit den beiden äußeren verbunden
sein könnte.
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In
einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform
ist auch ein Kopplungsmodul in die Statorsegmente und/oder die Statorschalensegmente
integriert, das die Phasenwicklungen kontaktiert und eine Verbindung
der Phasenwicklungen nach außen und/oder
zu benachbarten Statorsegmenten herstellt. Dadurch wird es besonders
einfach, vorgewickelte Statorsegmente zu verwenden, wobei die Phasenwicklungen
durch die vorgefertigten Kopplungsmodule geeignet verschaltet werden.
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Die
Statorsegmente können
in den Statorsegmenten über
Pass-Federn fixiert werden.
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In
einer zweckmäßigen Ausführungsform werden
nach der Montage der Welle und des Rotors innerhalb des Statorkörpers die
Statorschalensegmente in einem Motorgehäuse aufgenommen.
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Die
Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen
mit Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert.
In den Figuren zeigen:
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1 eine Querschnittsdarstellung
durch einen Innenläufer-Elektromotor
mit einem Statorkörper gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2a und 2b Längsschnittdarstellungen durch
den Statorkörper
sowie durch eine Rotorbaugruppe des Innenläufer-Elektromotors der 1;
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3 eine schematische Explosionsdarstellung
eines Innenläufer-Elektromotors
mit einem Statorkörper
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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4 eine schematische Explosionsdarstellung
eines Innenläufer-Elektromotors
mit einem Statorkörper
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung.
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1 zeigt schematisch eine
Querschnittsdarstellung durch einen Innenläufer-Elektromotor mit einem
Statorkörper
gemäß der Erfindung.
Der Statorkörper 8 umfaßt bei der
gezeigten Ausführung
zwei Statorhälften 10, 12,
die im wesentlichen gleich ausgebildet sind. Im folgenden ist daher
nur die eine Statorhälfte 10 beschrieben,
wobei entsprechendes auch für
die andere Statorhälfte 12 gilt.
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Die
Statorhälfte 10 umfaßt ein Statorschalensegment 14,
in dem ein korrespondierendes Statorsegment 16 aufgenommen
ist. Das Statorsegment 16 umfaßt einen Teil des Statorrückschlusses 18 und Statorpole 20.
Bei der gezeigten Ausführung
sind der Statorrückschluß 18 und
die Statorpole 20 von einem Nutenisolationsmaterial 22 umspritzt.
Das Nutenisolationsmaterial 22 kann in einem getrennten
Herstellungsschritt auf die Innenfläche des Statorrückschlusses 18 und
die Pole 20 aufgespritzt werden oder in einem Spritzgußvorgang
zusammen mit dem Statorschalensegment 14 hergestellt werden,
in dem das Statorsegment 16 vollständig in das korrespondierende
Statorschalensegment 14 eingebettet wird.
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In 1 ist beispielhaft nur eine
Phasenwicklung 24 dargestellt, die auf einen der Statorpole 20 aufgebracht
ist.
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Die
Statorhälften 10, 12 sind
an ihren Seitenrändern 26, 26', 28, 28' mechanisch
gekoppelt. Hierzu ist an dem Seitenrand 26 des Statorschalensegments 14 eine
Rastnase 30 ausgebildet, welche in eine korrespondierende
Ausnehmung 32 an dem gegenüberliegenden Rand 28 der
Statorhälfte 12 eingreift. Über eine
Freisparung 34 kann die Rastverbindung mit Hilfe eines
Werkzeuges gelöst
werden. Eine entsprechende Rastverbindung ist auf der gegenüberliegenden
Seite des Statorkörpers
bei den Seitenrändern 26', 28' der beiden
Statorhälften 10, 12 vorgesehen.
Zur zusätzlichen
Fixierung der Statorhälften 10, 12 ist
zwischen den Statorsegmenten 16 eine Pass-Feder 36 angeordnet.
Die Pass-Feder hat die Aufgabe, dem Druck der Rastnase 30 entgegen
zu wirken, so daß der
Rückschlußquerschnitt
des Stators nicht verändert
wird bzw. die beiden Statorsegmente in radialer Richtung keinen
Versatz haben. Dadurch wird ein gleichmäßiger konzentrischer Luftspalt
sichergestellt. Es können
auch andere Mittel vorgesehen sein, um zu gewährleisten, daß die Statorsegmente
in radialer Richtung nicht gegeneinander verrutschen. Es ist beispielsweise
möglich, daß die Statorsegmente
eine Verzahnung nach An einer Nut- und Federanordnung an ihren Rändern aufweisen.
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Wie
bereits erwähnt,
werden die Statorschalensegmente 14 vorzugsweise als Spritzgußteile ausgebildet,
wobei die Rastnase 30 und die korrespondierende Ausnehmung 32 zur
Herstellung der Rastverbindung einteilig mit den Statorschalensegmenten 14 ausgebildet
werden. Ferner sind vorzugsweise die Statorsegmente 16 so
in die Statorschalensegmente eingebettet, daß eine Nutenisolation 22 auf
der Innenfläche
des Statorrückschlusses 18 und der
Statorpole 20 gebildet wird. Die Statorsegmente 16 selbst
können
wie im Stand der Technik üblich
aus laminierten Blechen oder Ferritmaterialien hergestellt sein.
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In
einer alternativen Ausführung,
die in den Figuren nicht gezeigt ist, kann eine der Rastverbindungen
wenigstens durch ein Scharnier ersetzt werden.
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In 1 ist ferner schematisch
eine Rotorbaugruppe 38 dargestellt, welche innerhalb des
Statorkörpers
(8) angeordnet und gelagert ist und unter Bildung eines
konzentrischen Luftspaltes gegenüber dem
Statorkörper
(8) beabstandet ist.
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Die 2a und 2b zeigen schematische Längsschnittdarstellungen
durch den Statorkörper 8 bzw.
die Rotorbaugruppe 38 der 1,
wobei die Darstellung der 1 eine
Schnittansicht entlang der Linie A–A in den 2a, 2b ist.
Entsprechende Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet
und nicht nochmals im Einzelnen beschrieben.
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Neben
den bereits mit Bezug auf 1 beschriebenen
Merkmalen erkennt man in 2a Lagersitzflächen 40 in
dem Statorschalensegment 14, welche einen Lagersitz 42 zur
Aufnahme eines Kugellagers 44 bzw. eines Kugellagermontagerings 46 bilden.
Das Kugellager 44 und der Kugellagermontagering 46 sind
in 2b gezeigt. Das Kugellager 44 ist
auf eine Motorwelle 48 aufgebracht, auf der auch die Rotorbaugruppe 38 montiert
ist. Der Kugella germontagering 46 weist Montageflächen 50 auf,
die mit den Lagersitzflächen 40 in
Kontakt gebracht werden, um das Kugellager 44 und den Kugellagermontagering 46 vorzugsweise
im Preßsitz
in dem Statorschalensegment 14 zu montieren. Über die
Kugellager 44 wird die Rotorbaugruppe 38 relativ
zum Statorkörper 8 drehbar
gelagert. Der Fachmann wird verstehen, daß anstelle der Kugellager auch
andere Wälzlager verwendet
werden können.
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3 zeigt in einer Explosionsdarstellung schematisch
eine Statorhälfte
und die Rotorbaugruppe des erfindungsgemäßen Innenläufer-Elektromotors in einer ähnlichen
Ausführung
wie in den 1, 2a und 2b zur Erläuterung der Erfindung. Der
Klarheit halber sind einige Details, die in den 1, 2a und 2b gezeigt sind, weggelassen.
Entsprechende Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Bei
der Fertigung des erfindungsgemäßen Innenläufer-Elektromotors
werden zunächst
die Statorhälften 10, 12 mit
Statorschalensegmenten und mit den Statorsegmenten 16 hergestellt,
wobei die Statorsegmente 16 mit den Statorschalensegmenten 14 umspritzt
oder auf andere Weise mit diesen verbunden werden. Anschließend werden
auf die Statorpole der Statorsegmente 16 die Phasenwicklungen 24 aufgebracht.
Hierbei können
einfachere Wickeltechniken eingesetzt werden als bei üblichen
Statorkörpern
für Innenläufer-Motoren,
weil die Statorpole besser zugänglich
sind. Insbesondere können
anstelle der relativ langsameren sogenannten Nadelwickler schnellere
Flyerwickler eingesetzt werden, die weniger kompliziert sind, wodurch
die Wickeldauer deutlich gesenkt wird. Außerdem lassen sich bei der
Bewicklung der Statorpole mit den Phasenwicklungen höhere Füllfaktoren
erreichen. Weiterhin wird eine vorgefertigte Baugruppe aus der Motorwelle 48, der
Rotorbaugruppe 38, den Kugellagern 44 und ggf. Kugellagermontageringen 46 vorbereitet.
Diese vorgefertigte Baugruppe kann dann einfach in eine Statorhälfte 10 bzw.
ein Statorsegment eingelegt werden, wobei der Statorkörper anschließend mit
der verbleibenden Statorhälfte
bzw. den verbleibenden Statorsegmenten komplettiert wird. Die vormontierte Baugruppe
wird formschlüssig
in die Statorsegmente eingebracht. Die einzelnen Statorsegmente
werden, wie beschrieben, über
Rastmittel, Scharniere oder andere geeignete Mittel, wie z.B. Ultraschallverschweißen, mechanisch
miteinan der verbunden. Auf die genaue Ausbildung der Verbindungsmittel
kommt es bei der Erfindung nicht an. Wichtig ist, daß eine mechanische
Kopplung der Statorsegmente sowie eine elektrische Kopplung der
Phasenwicklungen erfolgt. Nach dem Zusammenfügen der Statorsegmente kann
der Statorkörper
an seinen Stirnenden durch Deckel 52, 54 verschlossen
werden. Ferner ist es möglich,
den verschlossenen oder unverschlossenen Statorkörper in ein zusätzliches
Motorgehäuse
(nicht gezeigt) einzubringen, das optional nochmals umspritzt werden
kann.
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4 zeigt eine schematische
Explosionsdarstellung einer alternativen Ausführung des erfindungsgemäßen Innenläufer-Elektromotors
mit weiteren Einzelheiten. Korrespondierende Bauteile werden mit
denselben Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Figuren bezeichnet.
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Die
in 4 gezeigte Ausführung unterscheidet
sich von den zuvor beschriebenen Ausführungen durch die Ausbildung
eines Lagersitzes 42, der so dimensioniert ist, daß die Kugellager 44 darin direkt,
ohne Zwischenschaltung von Kugellagermontageringen aufgenommen werden
können.
Die Deckel 52/54 können bereits mit integriert
bzw. eingespritzt werden. Ferner weist die Ausführung der 4 eine Kopplungsfläche 56 und ein Kopplungsmodul 58 auf, über welche
die Phasenwicklungen 24 elektrisch adaptiert und nach außen geführt werden können. Dies
vereinfacht die Verschaltung der Phasenwicklungen des mehrteiligen
Stators erheblich.
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Die
Fertigung des Innenläufer-Elektromotors der 4 erfolgt im wesentlichen
wie in Bezug auf 3 beschrieben.
Die vormontierte Baugruppe aus Rotor 38, Welle 48 und
Kugellagern 44 wird in eine der Statorhälften 10 eingelegt,
wobei der Motor anschließend
durch die andere Statorhälfte 12 komplettiert
wird. Die beiden Statorhälften
werden über
die Rastnasen 30 mechanisch miteinander verbunden. Anschließend wird
das Kopplungsmodul 58 auf die Kopplungsfläche 56 aufgebracht.
Die Kopplungsfläche 56 sieht
geeignete Verbindungen zu den Phasenwicklungen 24 vor,
welche zuvor auf die Statorpole 20 der Statorseg mente 16 aufgebracht
wurden. Das Kopplungsmodul 58 enthält die für die Verbindung der Phasenwicklungen
zueinander und nach außen
notwendigen Schaltungskomponenten.
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Der
so montierte Innenläufer-Elektromotor kann
formschlüssig
in einem zusätzlichen
Motorgehäuse
aufgenommen werden. In 4 ist
zusätzlich ein
kleiner Gehäusetopf 60 dargestellt,
der zur Aufnahme von Steuerelektronik und Sensorik, beispielsweise
eines Rotorlagegebers, außerhalb
des Motorgehäuses
dient.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung
der Erfindung in den verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.
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- 8
- Statorkörper
- 10
- Statorhälfte
- 12
- Statorhälfte
- 14
- Statorschalensegment
- 16
- Statorsegment
- 18
- Statorrückschluß
- 20
- Statorpole
- 22
- Nutenisolationsmaterial
- 24
- Phasenwicklung
- 26,26'
- Seitenränder der
Statorhälfte 10
- 28,28'
- Seitenränder der
Statorhälfte 12
- 30
- Rastnase
- 32
- Ausnehmung
- 34
- Freisparung
- 36
- Pass-Feder
- 38
- Rotorbaugruppe
- 40
- Lagersitzflächen
- 42
- Lagersitz
- 44
- Kugellager
- 46
- Kugellagermontagering
- 48
- Motorwelle
- 50
- Montageflächen
- 52
- Deckel
- 54
- Deckel
- 56
- Kopplungsfläche
- 58
- Kopplungsmodul
- 60
- Gehäusetopf