DE69814417T2

DE69814417T2 - Endkappe für einen ultra-lärmarmen elektrischen Motor

Info

Publication number: DE69814417T2
Application number: DE69814417T
Authority: DE
Inventors: Haran K. London Periyathamby; Marek London Horski
Original assignee: Siemens VDO Automotive Inc
Current assignee: Continental Tire Canada Inc
Priority date: 1997-10-08
Filing date: 1998-10-02
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2018-10-03
Also published as: EP1014537A3; EP0910153B1; DE69814417D1; EP0910153A2; DE69810234T2; US5969447A; DE69810234D1; EP1014537A2; EP0910153A3; EP1014537B1

Description

Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor mit minimaler akustischer Abstrahlung zur Anwendung in Kraftfahrzeugen.
Beschreibung des geltenden Stands der Technik
Gleichstrom-Elektro-Kleinmotoren sind in der Automobilindustrie weit verbreitet für elektrische Lüfter für den Motorkühler, Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimasysteme usw. Diese Art von Motoren weist im Allgemeinen einen äußeren Rahmen oder ein Gehäuse und einen Anker auf, der für eine Drehbewegung innerhalb des Gehäuses vorgesehen ist. Elektrischer Strom wird durch die elektromagnetischen Wicklungen des Ankers geleitet um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen. Dieses Feld wirkt mit dauerhaft im Gehäuse angebrachten Magneten zusammen, um eine Drehbewegung des Ankers zu bewirken und das System dadurch mit Strom zu versorgen.
Aufgrund verschiedener Faktoren, z. B. Unwucht von Motor oder Anker, ungleichen Magnetkräften und Lagerdefekten, kann der Motorbetrieb zu übermäßiger Oberflächenschwingung von Motorbauteilen führen. Durch diese Schwingungen entsteht unerwünschter Luft- und Körperschall, der sich oft bis ins Fahrzeuginnere fortpflanzt und dadurch den Insassenkomfort beeinträchtigt.
Automobilhersteller und Zulieferer bemühen sich, die akustische Abstrahlung von Elektromotoren möglichst gering zu halten. Ein herkömmliches Verfahren ist der Einsatz flexibler Scheiben, die in der Nähe der Lager um die Ankerwellen angebracht werden, um Bewegungen des Ankers relativ zum Rahmen zu dämpfen und dadurch das durch die Axialbewegung des Ankers erzeugte Geräusch zu minimieren. Ein anderer Ansatz zur Schalldämmung ist der Einsatz von schalldämmenden Materialien, Abschirmungen und Absorptionskreisen.
Patent US 5.497.039 beschreibt ein Schwingungsminderungssystem für einen Elektromotor. Patent US 5.444.320 beschreibt einen Motor, dessen Bürstenplatte durch eine Elastomertülle von einem Abschlussrahmen isoliert ist. Patent US-A-4705983 beschreibt einen Generator, dessen hinterer Lagerschild von einem verstärkten spritzgegossenen Kunststoffbauteil oder Druckgussbauteil gebildet wird. Allerdings stellt keine der vorgenannten Bemühungen eine vollständige Lösung für eine wirksame Unterdrückung von Schwingungen und Geräuschen dar, die von einem Elektromotor ausgehen.
ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Deshalb betreffen die Ausführungsformen der Erfindung einen schnelllaufenden Elektromotor zum Einsatz in Kraftfahrzeugen, der so konstruiert ist, dass die Schwingungen seiner Bauteile minimiert und dadurch durch bei seinem Betrieb entstehendes Geräusch unterdrückt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft also einen Elektromotor zum Einsatz in Kraftfahrzeugen, von dem eine minimale akustische Abstrahlung ausgeht. Er umfasst Folgendes: Ein Gehäuse mit einem vorderen und einem hinteren Lagerschild, der eine Kammer im Inneren umschließt, sowie eine Mittelachse; einen Anker in der Kammer im Gehäuseinneren mit einer Ankerwelle, die bei ihrer Drehbewegung von einem ersten und einem zweiten Lager getragen wird; einen Abschlussdeckel, der am hinteren Lagerschild des Gehäuses angebracht ist und die Kammer im Gehäuseinneren im Wesentlichen umschließt, wobei der Abschlussdeckel einen Hauptbereich aufweist; und eine Bürstenplatten-Baugruppe nahe des Abschlussdeckels, wobei die Bürstenplatten-Baugruppe eine Bürstenplatten-Halterung und eine Bürstenplatte umfasst, die von der Bürstenplatten-Halterung getragen wird; kennzeichnendes Merkmal ist, dass der Abschlussdeckel einen Bereich mit umlaufender Dichtung aufweist, die in einer allgemein axialen Richtung vom Hauptbereich hervorsteht; weiteres kennzeichnendes Merkmal ist, dass sich die Bürstenplatten-Halterung zumindest teilweise im Bereich mit umlaufender Dichtung des Abschlussdeckels befindet und damit in Formschluss ist sowie die Bürstenplatten-Halterung aus einem Schwingungsenergie absorbierenden Material besteht, um dadurch vom Abschlussdeckel übertragene Schwingungsenergie zu absorbieren.
Die Bürstenplatten-Halterung ist vorzugsweise ringförmig gestaltet mit einem ersten ringförmigen Bereich, der sich im Abschlussdeckel-Bereich mit umlaufender Dichtung befindet und damit in Formschluss ist, um vom Abschlussdeckel übertragene Schwingungsenergie zu absorbieren, und einem zweiten ringförmigen Bereich, der sich zwischen dem Bereich mit umlaufender Dichtung des Abschlussdeckels und dem Gehäuse befindet, um die Übertragung von Schwingungsenergie zwischen diesen Bauteilen/-gruppen zu minimieren.
Es werden zudem weitere bevorzugte Merkmale offengelegt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden ausführlich und mit Verweisen auf die Zeichnungen beschrieben, wobei
1 eine Schnittdarstellung mit Schnittverlauf in axialer Richtung des ultraleisen Elektromotors zeigt, der entsprechend der Prinzipien der vorliegenden Darstellung der Erfindung ausgeführt ist;
1A eine Schnittdarstellung mit Schnittverlauf in axialer Richtung des Gehäuses des Elektromotors in 1 zeigt;
2 eine Explosionszeichnung des Elektromotors in 1 zeigt;
3 eine Darstellung des hinteren Lagerschilds des Motors mit axialer Blickrichtung ist, die den Abschlussdeckel und den Befestigungsflansch zeigt;
4 ein Graph ist, der das Verhältnis des Phasenwinkels über dem Quotienten Länge/Durchmesser des Gehäuses darstellt;
5 eine Darstellung des Abschlussdeckels mit axialer Blickrichtung ist;
6 eine Schnittdarstellung des Abschlussdeckels entlang des Schnittverlaufs 6-6 in 5 ist;
7 eine Schnittdarstellung entlang des Schnittverlaufs 7-7 in 6 ist und die Ausklinkung im Abschlussdeckel zur Aufnahme des elektrischen Anschlusses zeigt;
8 eine Darstellung des Lagergehäuses zur Aufnahme des ungeteilten Gleitlagers mit axialer Blickrichtung ist;
9 und 10 Schnittdarstellungen des Lagergehäuses entlang des Schnittverlaufs 9-9 bzw. 10-10 in 8 sind;
11 eine Darstellung der schwingungsdämpfenden Scheibe (AVD, Antivibration/Dampening Washer) mit axialer Blickrichtung ist;
12 eine Schnittdarstellung der schwingungsdämpfenden Scheibe entlang des Schnittverlaufs 12-12 in 11 ist;
13 eine perspektivische Darstellung der Bürstenplatten-Baugruppe ist, die Bürstenplatten-Halterung und Bürstenplatte zeigt;
14 eine Darstellung der Bürstenplatten-Baugruppe in 13 mit axialer Blickrichtung ist;
15 und 16 Schnittdarstellungen der Bürstenplatten-Baugruppe entlang des Schnittverlaufs 15-15 bzw. 16-16 in 14 sind; und
17 eine Schnittdarstellung entlang des Schnittverlaufs 17-17 in 14 ist und die Ausklinkung in der Bürstenplatten-Halterung zur Aufnahme des elektrischen Anschlusses zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Allgemein
Der beschriebene erfindungsgemäße Motor weist in der hier genannten Ausführungsform den Vorteil auf, dass er Prinzipien der Schalltechnik berücksichtigt, um das vom Motor ausgehende Schwingungs- und Geräuschniveau zu minimieren und damit das Geräuschniveau im Fahrzeuginneren zu senken.
Der Motor kann für eine Reihe verschiedener Einsatzbereiche in Kraftfahrzeugen angepasst werden, einschließlich für u. a. elektrische Lüfter für den Motorkühler, Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimasysteme.
Nach einer allgemeinen Beschreibung einer Ausführungsform des Erfindungsgegenstands wird die Beschreibung in separate Abschnitte unterteilt, in denen die hier zur Minimierung von Schwingungs- und Geräuschniveau verwendeten Gestaltungs- und Schalltechnikprinzipien beschrieben werden.
Die Zeichnungen gehen auf Details ein, wobei gleiche Nummernzeichen ähnliche oder identische Elemente kennzeichnen. 1 bis 3 zeigen den ultraleisen Elektromotor gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. 1 ist eine Schnittdarstellung und 2 eine Explosionszeichung des Motors. 3 ist eine Darstellung des hinteren Lagerschilds des Motors mit axialer Blickrichtung. 1A ist eine Schnittdarstellung entlang des Schnittverlaufs 1-1 in 3.
Motor 10 umfasst ein Gehäuse 12, das einen Innenraum 14 umfasst, einen Abschlussdeckel 16, der an den hinteren Lagerschild von Gehäuse 12 montiert und den Innenraum 14 umschließt, und eine Ankerbaugruppe 18, die in ihrer Drehbewegung im Gehäuse 12 von einer vorderen und einer hinteren Lagerbaugruppe 20 und 22 gehalten wird. Motor 10 weist darüber hinaus eine Bürstenplatten-Baugruppe 24 auf, die in der Nähe von Abschlussdeckel 16 angebracht ist und einen Kommutator 26, der mit der Bürstenplatten-Baugruppe 24 zusammen den elektrischen Strom für Ankerbaugruppe 18 zuführt. Ein Befestigungsflansch 28 ist an Gehäuse 14 montiert, um den Motor 10 an ein geeignetes Teil des Kraftfahrzeugs anzubauen bzw. davon abzubauen.
Gehäuse
Wie in 1 und 1A gezeigt, hat Gehäuse 12 einen vorderen Lagerschild 12a, der einen geschlossenen zentralen Nabenbereich 30 und einen gestuften Bereich 32 umfasst. Dieser weist mehrere Stufen auf, die sich von Nabenbereich 30 zum Hauptbereich von Gehäuse 12 erstrecken. Der zentrale Nabenbereich 30 ist strukturiert, um die Anbringung von Lagerbaugruppe 20 zu erleichtern, die noch genauer beschrieben wird. Der gestufte Bereich 32 vergrößert die wirksame Länge oder den wirksamen Bereich des vorderen Lagerschilds 12a und verbessert dadurch die Absorption von Schwingungsenergie, die von der vorderen Lagerbaugruppe 20 ausgeht.
Gehäuse 12 weist darüber hinaus mehrere Lüftungsöffnungen 34 auf, die durch den vorderen Lagerschild 12a verlaufen und eine erste Ausklinkung 36 (vgl. 2), die am hinteren Lagerschild 12b ausgeführt ist. Die erste Ausklinkung 36 nimmt einen Lüftungsstutzen 38 (vgl. 3) auf, der in der ersten Ausklinkung 36 angebracht und dort von Abschlussdeckel 16 und Bürstenplatten-Baugruppe 24 in Position gehalten wird. Lüftungsöffnungen 34 und Lüftungsstutzen 38 sorgen für eine ausreichende Luftzirkulation über der Ankerbaugruppe 18, um die einzelnen Teile der Baugruppe während des Betriebs zu kühlen. Gehäuse 12 umfasst darüber hinaus eine zweite Ausklinkung 40 und diametral gegenüber liegende Befestigungszapfen 42. Die zweite Ausklinkung 40 nimmt den elektrischen Anschluss 44 auf. Die Befestigungszapfen 42 erleichtern die Anbringung von Abschlussdeckel 16 und Bürstenplatten-Baugruppe 24 am Gehäuse wie nachstehend beschrieben.
Die Abmessungen von Gehäuse 12 sind günstig gewählt, damit sie den Prinzipien der passiven Geräuschunterdrückung entsprechen und das reaktive akustische Feld im Nahfeld um den Motor verbessern. Im Allgemeinen bestimmt der Phasenwinkel zwischen Schalldruck und Teilchengeschwindigkeitsfeldern die Ausprägung der aktiven und reaktiven Intensität der Nahfeldakustikfortpflanzung. Je größer die Stärke des reaktiven Schallfelds, desto größer der Einfluss auf die Schallfortpflanzung, wie sie von den Motorbauteilen im Fernfeld erzeugt werden. Der Phasenwinkel hängt zumindest teilweise von den Gehäuseabmessungen ab. Bei geeigneter Auswahl kann die Stärke des reaktiven Intensitätsfelds maximiert werden und zu einer Auslöschung des von den Motorbauteilen erzeugten aktiven Intensitätsfelds führen.
Da das Gehäuse 12 im Wesentlichen zylindrisch geformt ist, kann daher die auf Gehäuse 12 erzeugte Oberflächenschwingung als einer Anzahl von drehenden harmonischen Wellen (Sinuswellen) angesehen werden, die auf der zylindrischen Oberfläche des Motors umlaufen. Die Phasendifferenz zwischen Schalldruck und Teilchengeschwindigkeit wird mit folgender Formel ausgedrückt:

QA = cos(hz)Jm{rv(k2 – h2)} – sin(hz)Ym{rv(k2 – h2)} QB = cos(hz)Ym{rv(k2 – h2)} + sin(hz)Jm{rv(k2 – h2)} QC = Jm–1{av(k2 – h2) } – Jm+1{av(k2 – h2)} QD = Ym–1{av(k2 – h2)} – Ym+1{av(k2 – h2)} X = –j{av(k2 – h2)}

K_I = ist eine modifizierte Besselsche Funktion
J_I = ist eine Besselsche Funktion erster Ordnung
Y₁ = ist eine Besselsche Funktion zweiter Ordnung
k (Wellenzahl) = w(Winkelgeschwindigkeit)/c(Schallgeschwindigkeit)
2b = Länge von Gehäuse 12
2a = Durchmesser von Gehäuse 12
z = axialer Abstand von der Mitte des Gehäuses 12 des Empfängers
r = radiale Position des Empfängers
Φ = Winkelposition des Empfängers
h = eine Konstante für eine allgemeine Näherung für die Dicke von Gehäuse 12
Wie durch die Gleichungen belegt, variiert demnach der Phasenwinkel θ_p-v mit der Wellentypanzahl m, dem Oberflächenradius r, der Wellenzahl k (k = w/c, wobei w = Winkelgeschwindigkeit und c = Schallgeschwindigkeit), dem axialen Abstand z von der Quelle. Darüber hinaus ist er abhängig von verschiedenen Gehäuseabmessungen einschließlich der Gehäuselänge 2a und dem Gehäusedurchmesser 2b des Motors (vgl. 1A).
Es kann ein Computerprogramm erstellt werden, das unter Berücksichtigung der oben genannten Gleichungen den Phasenwinkel zwischen Druck und Teilchengeschwindigkeit berechnet, um die Konstruktionsparameter zu optimieren. 4 ist ein Graph mit den durch das Programm generierten Werten. Er stellt dar, wie der Phasenwinkel mit dem Längen-/Durchmesserverhältnis von Gehäuse 12 variiert, während alle übrigen Parameter konstant gehalten werden. Wie der Graph zeigt, kann durch die gezielte Auswahl der Abmessungen von Gehäuse 12 ein reaktives Nahfeld um den Elektromotor erzeugt werden.
Bei der bevorzugen Ausführungsform reicht die Länge „2b„ des zylinderförmigen Hauptbereichs 12c (d. h. dem zylindrischen Bereich mit dem größten Durchmesser) von Gehäuse 12 von ca. 0,50 bis ca. 0,80, vorzugsweise 0,73, der Länge des Innendurchmessers „2a" vom zylinderförmigen Hauptbereich 12c (im Vergleich zu herkömmlichen Elektromotorgehäusen, die typischerweise ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von ca. 1,25 aufweisen), um einen Phasenwinkel von ca. 60° bis 70°, vorzugsweise von etwa 65° zu erhalten. Ein Phasenwinkel von ungefähr 65° hat sich als wirksam für die Erreichung von Zielen für die Geräuschunterdrückung erwiesen.
Abschlussdeckel
Im Folgenden wird der in den 5 und 6 dargestellte Abschlussdeckel 16 unter Einbeziehung von 1 bis 3 beschrieben. Abschlussdeckel 16 umfasst den zentralen Nabenbereich 44 und einen gestuften Bereich 46, der vom zentralen Nabenbereich nach außen hervorsteht. Der zentrale Nabenbereich 44 ist in Struktur und Funktion dem zentralen Nabenbereich 30 am vorderen Lagerschild 12a ähnlich, d. h. er erleichtert die Montage einer hinteren Lagerbaugruppe 22. Abschlussdeckel 16 hat darüber hinaus einen Bereich 48 mit umlaufender Dichtung, der rund um Abschlussdeckel 16 herum verläuft. Die Abmessungen des Bereichs 48 mit umlaufender Dichtung sind günstig gewählt, um die Oberflächenschwingung von Abschlussdeckel 16 zu minimieren, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben. Der Bereich 48 mit umlaufender Dichtung weist eine Ausklinkung 50 (vgl. 6 und 7) auf, die der zweiten Ausklinkung 40 von Gehäuse 12 entspricht, um den elektrischen Anschluss 44 aufzunehmen.
Abschlussdeckel 16 weist zudem ein geprägtes Profil um den zentralen Nabenbereich 44 auf, das aus einer Reihe von langgestreckten, bogenförmigen, erhabenen Bereichen 52 und Vertiefungen 54 besteht, die im Wechsel angeordnet sind. Die erhabenen Bereiche 52 umfassen teilbogenförmige Bereiche 52a und stegartige Bereiche 52b. Dieses geprägte Profil erleichtert die Absorption von Schwingungsbewegungen, die von der hinteren Lagerbaugruppe 22 erzeugt werden, und erreicht eine passive Geräuschunterdrückung und -reduktion des Oberflächenschwingungspegels. Das geprägte Profil trägt auch dazu bei, die Eigenfrequenz des Bauteils in einen Frequenzbereich umzuwandeln, der nicht störend ist. Insbesondere die Übertragung von Oberflächenschwingung in Luftschall ist eine Funktion von 1) der Schwingungsamplitude und 2) der Abstrahlungsleistung der Schallquelle.
Der Schalldruckpegel (SDP) bei einer bestimmten Frequenz wird durch folgende Gleichung ausgedrückt: SDP(f) = Lv(f) – 10 1g(R) + K + 10 1g δrad
wobei Lv(f) = Oberflächenschwingungspegel bei dieser Frequenz;
δ_rad = Schallleistung des Körpers;
K ist eine festgelegte Konstante, die auf Erfahrungswerten aus vorangegangenen Laborversuchen beruht, z. B.
K = 20 1g (ρ_oV_oC/P_o), dabei ist K ein empirisch ermittelter Term in der Gleichung, wobei
ρ = Dichte des Mediums;
V_o = Geschwindigkeit der abstrahlenden Oberfläche;
C = Schallgeschwindigkeit; und
P_o = Druck des akustischen Mediums.
Der genaue Wert für K ermittelt sich durch Berechnung und Verifizierung anhand ähnlicher Schallquellen; und
R ist das Verhältnis der imaginären Oberfläche (Schallkugel) zu abstrahlenden Körperbereichen (d. h. auf Basis des Messabstands).
Der Oberflächenschwingungspegel (Lv(f)) eines Körpers aufgrund von innerer Reibung hängt von den Dämpfungseigenschaften dieses Körpers ab. D. h. da die Frequenz einer Erregerkraft (Schwingung von Welle und Lagern) gleich oder näher an den Eigenfrequenzen eines Bauteils (Abschlussdeckel 16) ist, wird die Schwingungsamplitude von den Dämpfungseigenschaften des Körpers bestimmt. Die Dämpfungseigenschaften werden durch einen allgemeinen Parameter beschrieben, der logarithmisches Dekrement δ genannt wird. Für eine niedrige Dämpfung und stationäre Resonanz wird das logarithmische Dekrement δ einer Resonanzkurve anhand folgender Gleichung ermittelt: δ = πΔf/freq
wobei „freq„ die Resonanzfrequenz darstellt und
Δf die Breite des Resonanzausschlags ist, bei der Schwingungsamplitude = 0,707 × Resonanzamplitude ist.
Die Abmessungen von Abschlussdeckel 16 sind günstig gewählt, um seine Dämpfungscharakteristik zu verbessern. Insbesondere das geprägte Profil der abwechselnd erhabenen Bereiche 52 und vertieften Bereiche 54 hemmt den Fluss der Schwingungsenergie. Darüber hinaus trägt das geprägte Profil dazu bei, die große, an Abschlussdeckel 16 übertragene Vibrationsquelle in eine Anzahl kleiner Vibrationsquellen aufzubrechen und dadurch die gesamten Oberflächenschwingungspegel des Abschlussdeckels zu reduzieren. Zudem senkt das geprägte Profil den Gesamtschallpegel, indem es die Phasenänderung zwischen den erzeugten kleinen elementaren Schwingungsquellen nutzt. Durch die sich gegenseitige verstärkende Wirkung der Profilelemente wird eine Versteifung der Oberfläche des gesamten Bereichs erreicht, wodurch die Schwingungspegel auf jedem der kleinen Bereich zusätzlich gesenkt werden.
In der bevorzugten Ausführungsform mindert das geprägte Profil des Abschlussdeckels 16 wirksam den Oberflächenschwingungspegel des abstrahlenden Körpers. Insbesondere die bogenförmigen, erhabenen Bereiche 52 und Vertiefungen 54 senken den gemessenen Oberflächenschwingungspegel um das Sechsfache im Vergleich zu Abschlussdeckeln aus herkömmlicher Produktion.
Ankerbaugruppe
Im Folgenden wird die in den 1 und 2 dargestellte Ankerbaugruppe 18 ausführlich beschrieben. Die Ankerbaugruppe 18 umfasst die Ankerwelle 56 und den Anker 58, der auf der Ankerwelle 56 montiert ist. Die Ankerwelle 56 besteht aus den Wellenenden 60 und 62 und dem Wellenmittelteil 64 (als unsichtbare Kontur dargestellt). Ein buchsenförmiges Teil 65 umgibt Wellenmittelteil 64 und fungiert als Isolator, um Anker 58 gegen Welle 56 zu isolieren. Das buchsenförmige Teil 65 wird vorzugsweise aus zwei separaten Rohren hergestellt, die über dem Wellenmittelteil 64 angebracht werden. Die Wellenenden 60 und 62 bilden eine Einheit, während der Wellenmittelteil 64 ein separates Bauteil ist, das mit herkömmlichen Verfahren mit den Enden 60 und 62 verbunden ist. Auch Ankerwelle 56 kann ein separates Bauteil sein. Die Gesamtlänge von Ankerwelle 56 ist im Gegensatz zu herkömmlichen Bauteilen um 20% verkürzt. Diese Kürzung erleichtert das dynamische Gleichgewicht des Läufers, reduziert die Masse des drehenden Teils usw., minimiert dadurch die Schwingungsbewegung der Welle und somit die Geräuschentstehung.
Anker 58 ist herkömmlicher Bauart und besteht aus einem Ankerkern, in dem ein Stapel aus mehreren Ankerblechen enthalten ist, um die isolierbeschichtete Drahtwicklungen gewickelt sind. Die Ankerbleche können bei Bedarf einer Induktionswärmebehandlung unterzogen werden. Anker 58 ist koaxial um Welle 56 angebracht. Eine Befestigungsplatte (nicht gesondert dargestellt) kann zum Anbau von Ankerkern und -wicklungen an den Wellenmittelteil 64 verwendet werden. Anker 58 ist elektrisch mit Kommutator 26 verbunden und dreht sich als Wirkung auf das magnetische Feld, das von den im Gehäuse 12 angebrachten Magneten „M„ erzeugt wird. Anker 58 kann im Verhältnis zu den Magneten „M„ axial mittig ausgerichtet oder exzentrisch positioniert sein, wobei Anker 58 zu einer Seite vorgespannt ist.
Lagerbaugruppen
Im Folgenden werden die in den 8 bis 10 dargestellten Lagerbaugruppen 20 und 22 beschrieben: Für die Lagerbaugruppen 20 und 22 werden identische Bauteile verwendet. Die Lagerbaugruppen 20 und 22 umfassen jeweils ein Gleitlagergehäuse 66 und ein ungeteiltes Gleitlager 68, das im Lagergehäuse untergebracht ist. Wie am besten in 8 bis 10 zu erkennen, weist Lagergehäuse 66 einen ringförmigen Träger 70 und mehrere (z. B. drei) bogenförmige Befestigungssegmente 72 auf, die vom Träger hervorstehen. Der ringförmige Träger 70 hat einen relativ großen Querschnitt und enthält die Hohlbohrung 74, die weitgehend dem Außenmaß von Gleitlager 68 (sowohl in radialer als auch axialer Richtung) entspricht. Daher nimmt Lagergehäuse 66 das ungeteilte Gleitlager 68 in einer Weise auf, bei der der Lagersitz 74a, der Hohlbohrung 74 begrenzt, in Formschluss mit dem darin aufgenommenen Teil des Gleitlagers ist. Somit hat ein beträchtlicher Teil der Oberfläche des ungeteilten Gleitlagers Kontakt mit Lagergehäuse 66. Diese Eigenschaft erleichtert die Übertragung akustischer Schwingungsenergie von Gleitlager 68 an das Lagergehäuse 66, wie im Folgenden noch näher erläutert wird. Der ringförmige Träger 70 weist ein Maß „a„ am einen und eine weiteres Maß „b„ am anderen Ende auf.
Die Abmessungen der Befestigungssegmente 72 an Lagergehäuse 66 entsprechen ebenfalls der Gestalt der Außenfläche von Gleitlager 68. Allerdings ist der durch die Befestigungssegmente 72 bestimmte Innendurchmesser minimal größer als die der Hohlbohrung 74 des ringförmigen Trägers 70. Der Außendurchmesser von Gleitlager 68 hat daher ein geringes Spiel zwischen Gleitlager 68 und Befestigungssegmenten 72, wie am deutlichsten in 9 zu erkennen.
Insbesondere bestimmen die Befestigungssegmente die Innenmaße „c„ und „d„, die größer als die entsprechenden Maße „a„ und „b„ am ringförmigen Träger sind. Dieses Spiel ermöglicht die Anpassung der Radialbewegung von Gleitlagergehäuse 66 bei der Bewegung von Ankerwelle 56, d. h. es sorgt für eine Selbstausrichtung des Lagersystems. Darüber hinaus sind befinden sich mehrere (z. B. drei) bogenförmiger Nuten 73 an der Außenfläche des ringförmigen Trägers 70. Diese Nuten 73 dienen zwei Funktionen: 1) Die Nuten 73 vergrößern die wirksame Länge jedes Befestigungselements 72 und erleichtern so die federnde Bewegung der Befestigungssegmente 72 bei der Montage und der Radialbewegung der Gleitlager 66 während des Motorbetriebs und 2) die Nuten 73 können Lagerbaugruppe 20 bzw. 22 als Gesamtbaugruppe mitsamt Gehäuse aufnehmen.
Lagergehäuse 66 wird vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt, um die Schwingungsübertragung zu reduzieren und eine Absorption der Schwingungsenergie zu ermöglichen, die von Ankerwelle 56 über Gleitlager 68 übertragen wird. Wie bereits erwähnt wird die Übertragung von Schwingungsenergie durch die Abmessungen der Hohlbohrung 74 im Lagergehäuse 66 beeinflusst, das spritzgegossen wird. Bei einer der bevorzugten Ausführungsformen ist Lagergehäuse 66 aus einem Polymermaterial gefertigt. Lagergehäuse 66 dient zudem zur Vermeidung eines direkten Kontakts des ungeteilten Gleitlagers 68 mit dem vorderen Lagerschild 12a (bzw. Abschlussdeckel 16). Insbesondere der vergrößerte Träger 70 von Lagergehäuse 66 berührt die Innenfläche des vorderen Lagerschilds 12a (bzw. Abschlussdeckels 16) und verteilt die von Lager 68 ausgehende Last (der Schwingung) auf den vorderen Lagerschild 12a (oder den Abschlussdeckel 16). Dies bietet wesentliche Vorteile gegenüber dem herrschenden Stand der Technik, bei dem Lager von dem Stand der Technik entsprechenden Motoren das Gehäuse (bzw. den Lagerschild) typischerweise direkt berühren, um eine Punkt- und/oder Streckenlast der Lager herzustellen. Eine solche Punkt- oder Streckenlast erhöht die unerwünschte Schwingung des Gehäusebauteils, das direkten Kontakt mit dem Lager hat. Bei dem Lagergehäuse 66 der vorliegenden Erfindung erweitert der vergrößerte Träger 70 den wirksamen Bereich des Flächenkontakts zwischen den Lagerbaugruppen 20 sowie 22 und dem vorderen Lagerschild 12a (oder Abschlussdeckel 16), verteilt dadurch die Last und minimiert somit die Schwingung, der der vordere Lagerschild 12a (oder Abschlussdeckel 16) ausgesetzt ist.
Zu einer weiteren Minimierung der von den Lagerbaugruppen 20 und 22 übertragenen Schwingung kann ein Lagergehäuseisolator 76 (vgl. 1 und 2) um Lagergehäuse 66 gewickelt werden. Gehäuseisolator 76 wird vorzugsweise aus einem (akustische) Energie absorbierenden Material wie Filz, (schalldämmendem) Schaum o. ä. hergestellt und soll die vom Lagergehäuse 66 ausgehende akustische Rest-Energie absorbieren oder dämpfen.
Jede der Lagerbaugruppen 20 und 22 wird durch die Lagergehäusesicherung 78 in den entsprechenden zentralen Nabenbereichen 30 und 44 des vorderen Lagerschilds 12a und Abschlussdeckels 16 gehalten. Die Lagergehäusesicherung 78 wird vorzugsweise aus einem elastischen, federnden Material (wie Federstahl) hergestellt und ist so ausgelegt, dass sie durch Kraftschluss im Inneren des zentralen Nabenbereichs 30 bzw. 44 gehalten wird. Die Lagergehäusesicherung 78 kann verschiedene Ausführungsformen haben und auch zumindest teilweise in den bogenförmigen Befestigungssegmenten 73 angebracht werden, die auf der Oberfläche der Stirnseite des vergrößerten Trägers 70 ausgeformt sind.
Schwingungsdämafende Scheibe
Im Folgenden wird die in den 11 und 12 dargestellte schwingungsdämpfende Scheibe 80 unter Einbeziehung der 1 und 2 beschrieben. Sie wird in der Nähe des jeweiligen ungeteilten Gleitlagers 68 auf Welle 56 aufgesteckt. Die schwingungsdämpfende Scheibe 80 wird vorzugsweise mithilfe einer Presspassung auf Ankerwelle 56 befestigt. Sie dient zwei Funktionen: 1) Die topfförmige Fläche 82 der schwingungsdämpfenden Scheibe 80 leitet evt. aus den Gleitlagern 68 austretendes Öl in die Lager zurück und erhöht damit die Lebensdauer der Lager und 2) die schwingungsdämpfende Scheibe wirkt als elastische Feder und dämpft dadurch axiale Schwingungen der Ankerwelle. Dies minimiert wiederum übermäßige Geräuschentwicklung, die durch die Wellenbewegung in axialer Richtung von den Gleitlagern 68 ausgeht. Mindestens eine elastische Scheibe 84 kann zwischen der schwingungsdämpfenden Scheibe 80 und dem Gleitlagergehäuse 66 angebracht werden, um den beim Betrieb auftretenden Axialdruck von Ankerwelle 56 aufzunehmen. Zu den für Scheibe 84 geeigneten Materialien zählen Elastomer- oder Kunststoffmaterialien.
Wie in 1 bis 3 gezeigt, ist ein Schalldämmungselement 86 in der Nähe der schwingungsdämpfenden Scheibe 80 angebracht. Das Schalldämmungselement 86 ist vorzugsweise ringförmig mit einer Bohrung in der Mitte, die zumindest einen Teil der schwingungsdämpfenden Scheibe 80 aufnimmt.
Das Schalldämmungselement 86 wird vorzugsweise aus einem schalldämmenden Material wie Filz, Glasfasern usw. hergestellt. Eine Haltescheibe 88 hält das Schalldämmungselement 86 im vorderen Lagerschild 12a an Abschlussdeckel 16 in einer definierten Position. Haltescheibe 88 ist vorzugsweise aus einem elastischen Material hergestellt, z. B. Federstahl oder Polymermaterial, das durch Kraftschluss der entsprechenden Innenflächen des vorderen Lagerschilds 12a (oder Abschlussdeckels 16) gehalten wird, um das Schalldämmungselement 86 dort zu fixieren. Das Schalldämmungselement 86 isoliert die vordere und hintere Lagerbaugruppe 20 bzw. 22 vom Ankerbereich des Motors und dämpft dadurch das Restgeräusch, das von der jeweiligen Lagerbaugruppe 20 bzw. 22 ausgeht.
Spritzguss-Bürstenplatten-Baugruppe
Im Folgenden wird die in den 13 bis 17 dargestellte gegossene Bürstenplatten-Baugruppe 24 unter Einbeziehung von 1 und 2 beschrieben: Die Bürstenplatten-Baugruppe 24 dient der Isolierung des Schwingungsenergieflusses zwischen Abschlussdeckel 16, Gehäuse 14 und Bürstenplatten-Baugruppe. Die Bürstenplatten-Baugruppe 24 umfasst eine weitgehend ringförmige Bürstenplatten-Halterung 90 und eine Bürstenplatte 92, die in der Halterung befestigt ist. Die Bürstenplatten-Halterung 90 ist vorzugsweise aus einem Elastomer- oder Polymermaterial hergestellt, wird spritzgegossen und kann einen Schwingungsenergiefluss dämpfen. Bürstenplatte 92 kann während des Spritzgießprozesses in der Bürstenplatten-Halterung 90 angebracht werden, um die beiden Bauteile zu verbinden. Bürstenplatte 92 umfasst Elemente (z. B. Befestigungssegmente usw.), zusammenfassend durch das Nummernzeichen 94 wiedergegeben, die zur Befestigung mehrerer Bürsten (nicht gesondert dargestellt) dienen, damit sie in Kontakt mit Kommutator 26 kommen. Bürstenplatte 92 kann eine beliebige herkömmliche Ausführung sein.
Bürstenplatten-Halterung 90 umfasst einen ersten kreisringförmigen Bereich 96, zu dem eine umlaufende Oberfläche 98 gehört. Der erste kreisringförmige Bereich 96 ist von den Abmessungen her so ausgelegt, dass er im montierten Motor im Bereich 48 mit umlaufender Dichtung von Abschlussdeckel 16 angebracht werden kann, wie in 1 dargestellt. Die Abmessungen von Bereich 96 sind günstig gewählt, so dass er dem Innendurchmesser des Bereichs 48 mit umlaufender Dichtung entspricht, wodurch der Bereich 48 in Formschluss mit der umlaufenden Oberfläche 98 des ersten kreisringförmigen Bereichs ist. Dadurch kann die durch Abschlussdeckel 16 und den Bereich 48 mit umlaufender Dichtung übertragene Schwingungsenergie an den ersten kreisringförmigen Bereich 96 von Bürstenplatten-Halterung 90 abgeleitet werden, so dass sie durch die Bürstenplatten-Halterung gedämpft oder absorbiert wird. Bürstenplatten-Halterung 90 weist darüber hinaus einen zweiten kreisringförmigen Bereich 100 auf, dessen Durchmesser größer als der des ersten kreisringförmigen Bereichs 96 ist. Bei zusammengebautem Motor liegt der zweite kreisringförmige Bereich 100 zwischen Abschlussdeckel 16 und hinterem Lagerschild 12b, um die zwischen den beiden Bauteilen übertragene Schwingungsenergie zu absorbieren.
Bürstenplatten-Halterung 90 umfasst eine erste Ausklinkung 102 und eine zweite Ausklinkung 104 zur Aufnahme des elektrischen Anschlusses 44 bzw. Lüftungsstutzens 38. Bürstenplatten-Halterung 90 weist darüber hinaus die gegenüber liegenden Montageaussparungen 106 auf, die zwischen den Montagenoppen 108 liegen und zur Aufnahme der diametral gegenüber liegenden Befestigungszapfen 42 von Gehäuse 12 dienen. Ein Paar Befestigungselemente 110 (z. B. Schrauben) werden in Bohrungen entsprechender Größe in Abschlussdeckel 16, Bürstenplatten-Halterung 90, Bürstenplatte 92 und Befestigungszapfen 42 von Gehäuse 12 aufgenommen, um diese Bauteile funktionsgerecht zu verbinden. Die Befestigungselemente 110 können ein Gewinde aufweisen, damit sie in eine Bohrung mit Innengewinde des Gehäusebefestigungszapfens 42 geschraubt werden können. Eine zylindrische starre Distanzhülse 112 umgibt zumindest den Mittelteil von jedem Befestigungselement 110 (vgl. 1 und 15). Distanzhülse 112 definiert einen festgelegten Abstand zwischen Abschlussdeckel 16 sowie Gehäuse 12 und gewährleistet dadurch, dass Bürstenplatte 92 und die darin angebrachten Bürsten im Wesentlichen rechtwinklig zu Kommutator 26 sind. Dies erleichtert die korrekte Ausrichtung der Bürsten zu Kommutator 26, damit der gewünschte elektrische Kontakt dauerhaft erhalten bleibt. Distanzhülse 112 dient darüber hinaus zur Absorption der zwischen Abschlussdeckel 16 und Gehäuse 12 übertragenen Schwingungsenergie.
Dank der Berücksichtigung von Prinzipien zur Schalldämmung und Verminderung von Schwingungsenergie reduziert der Elektromotor in einer Ausführungsform, die der vorliegenden Erfindung entspricht, somit wirksam die Übertragung von akustischer Energie sowie den Geräuschpegel, die/der beim Betrieb des Elektromotors entsteht. Insbesondere die einzigartige Ausführung der vorderen und hinteren Lagerbaugruppe 20 bzw. 22 minimiert die an den vorderen Lagerschild 12a und Abschlussdeckel 16 übertragene Schwingungsenergie. Das gesamte ggf. noch entstehendes Restgeräusch wird durch die Schalldämmungselemente 86 im jeweiligen Bereich des Lagers absorbiert und dort isoliert. Die Übertragung von Schwingungsenergie durch den vorderen Lagerschild 12a wird durch den gestuften Bereich am vorderen Lagerschild 12a während der Übertragung von Energie durch den Abschlussdeckel 16 dank des geprägten Profils auf der Stirnseite von Abschlussdeckel 16 vermindert.
Die zwischen Abschlussdeckel 16, Gehäuse 14 und Bürstenplatte übertragene Schwingung und akustische Energie wird durch die Spritzguss-Bürstenplatten-Baugruppe 24 minimiert.
Befestigungsflansch
Im Folgenden wird der in den 1 bis 3 dargestellte einzigartige Befestigungsflansch 28 zur Montage des Elektromotors an den Motorrahmen des Kraftfahrzeugs ausführlich beschrieben: Der Befestigungsflansch 28 weist eine Muffe 114 (mit einer Bohrung) auf, die Gehäuse 12 des Elektromotors aufnimmt. Die Muffe 114 wird mit herkömmlichen Verfahren wie Schweißen, Kleben usw. an der Außenfläche von Gehäuse 12 befestigt. Der Randbereich des Befestigungsflanschs 28 weist ein geprägtes Profil auf, das aus einer Reihe von weitgehend rechteckigen Vertiefungen 116 und bogenförmigen Vertiefungen 118 besteht, die abwechselnd angeordnet sind (vgl. 3). Die bogenförmigen Vertiefungen 118 verlaufen in radialer Richtung (d. h. die bogenförmigen Vertiefungen weisen ein Radialelement 118a auf, das größer als Tangentialelement 118b ist). Die Vertiefungen 116 und 118 unterteilen den Flansch wirksam in mehrere Bereiche, die die an Flansch 28 übertragene, große Schwingungsquelle in kleinere Schwingungsquellen aufteilen. Darüber hinaus versteift das geprägte Profil den Flansch wirksam, so dass auch die Oberflächenschwingungspegel reduziert werden. Befestigungsflansch 28 vermindert zusätzlich den Geräuschpegel, indem er die Phasenschwankungen bzw. -änderungen nutzt, die zwischen den kleinen Schwingungsquellen erzeugt werden. Der Schwingungspegel des Körpers wird dadurch gesenkt und somit bei einer bestimmten Frequenz auch der Schalldruckpegel SDP (f). Zudem trägt das geprägte Profil dazu bei, die Eigenfrequenz des Bauteils in einen Frequenzbereich umzuwandeln, der nicht störend ist.
Mehrere Befestigungsbohrungen 120 verlaufen durch den äußersten Rand der Stirnseite von Flansch 28, damit er an geeigneter Stelle am Fahrzeug montiert werden kann.
SCHLUSSFOLGERUNG
Der in dieser Patentschrift beschriebene Elektromotor und die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben sich als recht wirksam zur Minimierung des vom Motor erzeugten Geräuschs erwiesen. Wie Messungen in 10 cm Abstand von der Motoroberfläche zeigen, erzeugt der Elektromotor 10 einen Geräuschpegel von weniger als 37 dBA insgesamt.
Die Angaben zur Geräuschemission von Motoren liegen derzeit bei etwa 40 dBA. Dies belegt, dass mit dem hier beschriebenen Motor eine wesentliche Verminderung erzielt wird.
Auch wenn die vorausgegangene Beschreibung viele konkrete Angaben enthält, dürfen diese nicht als Einschränkungen für den Umfang der Erfindung ausgelegt werden, sondern sie sind lediglich als Erläuterungen an Beispielen für bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anzusehen. Fachleute werden sich viele weitere Ausführungsformen und mögliche Varianten vorstellen können, die die Erfindung innerhalb des Umfangs der im Folgenden aufgeführten Ansprüche annehmen kann.

Claims

Ein Elektromotor zum Einsatz in Kraftfahrzeugen, von dem eine minimale akustische Abstrahlung ausgeht. Er umfasst Folgendes: ein Gehäuse (12) mit einem vorderen (12a) und hinteren Lagerschild (12b), das eine Kammer im Inneren umschließt, sowie eine Mittelachse; einen Anker (18) in der Kammer im Inneren von Gehäuse (12), der eine Ankerwelle (56) aufweist, die bei ihrer Drehbewegung von einem ersten (20) und einem zweiten Lager (22) gehalten wird; einen Abschlussdeckel (16), der am hinteren Lagerschild von Gehäuse (12) angebracht ist und im Wesentlichen die Kammer im Inneren von Gehäuse (12) umschließt, wobei der Abschlussdeckel (16) einen Hauptbereich (44) aufweist und eine Bürstenplatten-Baugruppe (24) in der Nähe des Abschlussdeckels (16), wobei die Bürstenplatten-Baugruppe (24) eine Bürstenplatten-Halterung (90) und eine Bürstenplatte (92) umfasst, die in der Bürstenplatten-Halterung (90) angebracht ist; kennzeichnendes Merkmal ist, dass der Abschlussdeckel (16) einen Bereich (48) mit umlaufender Dichtung aufweist, der in einer allgemein axialen Richtung vom Hauptbereich (44) hervorsteht; weiteres kennzeichnendes Merkmal ist, dass sich die Bürstenplatten-Halterung (90) zumindest teilweise im Bereich (48) mit umlaufender Dichtung des Abschlussdeckels (16) befindet und damit in Formschluss ist. Zugleich besteht die Bürstenplatten-Halterung (90) aus einem Schwingungsenergie absorbierendem Material, um dadurch vom Abschlussdeckel (16) übertragene Schwingungsenergie zu absorbieren.
Ein Elektromotor gemäß Anspruch 1, bei dem der Hauptbereich (44) von Abschlussdeckel (16) ein geprägtes Profil aufweist, das mindestens einen erhabenen Bereich (52) umfasst, der zur Minimierung der Übertragung von Schwingungsenergie dient.
Ein Elektromotor gemäß Anspruch 2, bei dem ein erhabener Bereich (52) des geprägten Profils bogenförmig ist.
Ein Elektromotor gemäß Anspruch 3, bei dem das geprägte Profil mehrere erhabene Bereiche aufweist, die konzentrisch um die Mittelachse angeordnet sind.
Ein Elektromotor gemäß allen vorgenannten Ansprüchen, bei dem die Bürstenplatten-Halterung (90) ringförmig gestaltet ist.
Ein Elektromotor gemäß Anspruch 5, dessen Bürstenplatten-Halterung (90) einen ersten kreisringförmigen Bereich (96) aufweist, der sich im Bereich (48) mit umlaufender Dichtung des Abschlussdeckels (16) befindet und damit in Formschluss ist, um vom Abschlussdeckel (16) übertragene Schwingungsenergie zu absorbieren, und einem zweiten ringförmigen Bereich (100), der sich zwischen dem Bereich (48) mit umlaufender Dichtung des Abschlussdeckels (16) und dem Gehäuse (12) befindet, um die Übertragung von Schwingungsenergie zwischen diesen Bauteilen/-gruppen zu minimieren,
Ein Elektromotor gemäß Anspruch 6, dessen Bürstenplatten-Halterung (90) aus einem Material spritzgegossen ist, das aus der Gruppe der Polymer- und Elastomermaterialien gewählt wird.
Ein Elektromotor gemäß allen vorgenannten Ansprüchen, der mindestens ein Befestigungselement (110) aufweist, das in entsprechenden Bohrungen des Abschlussdeckels (16), der Bürstenplatten-Halterung (90) und des Gehäuses (12) angebracht wird, um diese Bauteile funktionsgerecht zu verbinden.
Ein Elektromotor gemäß Anspruch 8, bei dem mindestens ein Befestigungselement (110) eine starre Distanzhülse (112) aufweist, die koaxial darum angebracht ist. Dabei ist die Distanzhülse (112) zwischen Abschlussdeckel (16) und hinterem Lagerschild angebracht und definiert so einen festgelegten Abstand zwischen diesen Bauteilen.