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Die Erfindung betrifft einen Innenläufer-Motor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Der Bedarf für hochdynamische Antriebe steigt mit zunehmender Elektrifizierung des Fahrzeugs und auch im allgemeinen Maschinenbau. Beispiele sind elektrische Aktuatoren für Bremse, Fahrwerk, Lenkung, Robotik.
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In der
DE 10 2005 040 389 A1 ist ein Motorkonzept beschrieben, welches eine erheblich kleinere Drehmasse besitzt als andere vergleichbare Motoren, dadurch, dass die Magnete auf einen dünnwandigen Rotor aufgesetzt sind und der magnetische Rückschluss über einen zweiten Luftspalt über einen fest stehenden Innenstator erfolgt.
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Der Aufbau ist jedoch durch beidseitige Lagerung mit zwei Innenstatoren aufwändiger im Vergleich zum konventionellen Motor mit rotierendem Rückschluss und einem Luftspalt.
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Bei vielen Antrieben wird die Drehbewegung über ein Kugel-Gewinde-Getriebe (bzw. Kugelgewindetrieb KGT) mit Mutter und Spindel in eine lineare Bewegung umgesetzt. Hierbei geht die Drehmasse der Mutter in die Dynamik ein. Zusätzlich ist bei diesem Antrieb eine Abstützung des Drehmoments und eine Feder zur Spindelrückstellung in die Ausgangslage notwendig.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Innenläufer-Motor für einen hochdynamischen Antrieb zu schaffen, mit einem reduzierten baulichen Aufwand.
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Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Mit anderen Worten basiert die Erfindung auf dem Grundgedanken, die Rotorlager (insbesondere Fest- und Loslager) auf einer Seite im Motorgehäuse bzw. im entsprechenden Gehäuseteil anzuordnen, so dass die Lagerkräfte im (zumindest wesentlichen) von diesem Gehäuseteil aufgenommen werden.
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Weitere Ausführungsformen bzw. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen enthalten.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Innenläufer-Motor geschaffen, mit wenig aufwändigen Aufbau, insbesondere auch einfacher Lagerung für Motor, mit einer möglichst kleinen Toleranzkette und reduzierter Drehmasse. Bei Lösungen mit Kugel-Gewinde-Getriebe ergeben sich günstige Integrationsmöglichkeiten und Drehmomentenabstützung.
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Eine bedeutende Rolle bezüglich des Aufwandes spielt die Lagerung und die Drehmasse. Diese erfolgt auf einer Seite im Motorgehäuse. Beim sogenannten Loslager ist der Innenstator bzw. die KGT-Mutter mit dem Lagerelement aufgebaut. Der Innenstator und die Motorlager bilden mit dem Motorgehäuse eine Baueinheit in die vorzugsweise die Fixierung des Stators mit einebzogen ist. Durch die erfindungsgemäße Lösung sind viele Toleranzen reduziert, weil die Lagersitze von Los- und Festlager in einer Aufspannung spanabhebend oder eingespritzt gefertigt werden können. Das Festlager sitzt im Motorgehäuse. Die Axiallagerung erfolgt, wenn ein KGT mit Spindel zum Einsatz kommt zweckmäßig in der Hauptkraftrichtung der Spindel über ein Axiallager des Rotors zusammen mit dem Festlager für die andere Richtung. Hierbei können als Lagerelement sowohl Wälz- als auch Gleitlager zum Einsatz kommen. Dieser Aufbau ist sowohl für einen konventionellen Motor mit nur einem Luftspalt zwischen Rotor und Stator geeignet als auch, noch besser, für einen Zwei-Luftspalt-Motor, wie er in der
DE 10 2005 040 389 A1 der Anmelderin beschrieben ist.
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Durch diesen Aufbau ist beim Zwei-Luftspalt-Motor nur ein dünnwandiger Rotor mit Magneten und ein fest stehender Rückschlussring notwendig, als gleichwertig oder günstiger als dem konventionellen Motor, welcher zusätzlich ein zweites Lagerschild mit entsprechendem Aufwand und Toleranzen benötigt. Hierbei kann der KGT in die Lagerung mit integriert sein. Beim Ein-Luftspalt-Motor bildet der Innenstator ein Lagerhülse, der Rotor beinhaltet den mitlaufenden Rückschlussring und ist daher bezüglich der Drehmasse größer.
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Es sind zwar bereits Motoren mit nur einseitiger Lagerung bekannt, siehe z.B.
DE 199 02 371 A1 . Diese sind jedoch bezüglich Aufbau und Leistung von der Erfindung grundverschieden, so dass ein Vergleich nicht sinnvoll möglich ist.
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Neben dem Aufbau soll die Drehmasse bei der Erfindung bzw. ihren Ausgestaltungen im Vergleich zu dem in der
DE 10 2005 040389 A1 beschriebenen Motor weiter reduziert werden. Hierbei wird die KGT-Mutter mit einbezogen. Eine Optimierung der Drehmasse ist möglich durch eine offene KGT-Mutter mit möglichst dünnen Flanschen für die Aufnahme bzw. Fixierung des des Rotors. Die Kugelrückführung erfolgt in einem leichtgewichtigen Käfig aus Kunststoff, der in einer insbesondere radial nach aussen offenen Ausnehmung innerhalb der KGT-Mutter angeordnet ist. Hierbei kann sowohl eine achsparallele Kugelführung als auch in Querrichtung zur Achse in einem Winkel von 30°–45° zur Achse erfolgen. Bekanntlich ist die Gestaltung der Kugelführung aus der Spindel heraus genauso wie in die Spindel hinein von Bedeutung. Auch soll neben der einreihigen auch eine zweireihige Kugelrückführung möglich sein. Zur Reduzierung der Drehmasse wird die KGT-Mutter zusätzlich mit dem Rotor und der Motorlagerung integriert. Dies erfolgt zweckmäßig durch einen einfachen Rotor, der stirnseitig mit dem KGT-Flansch verbunden, insbesondere angeschweißt ist und einer Verlängerung der KGT-Mutter als Lagerhülse für das Festlager.
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Das Drehmoment Md des Motors wird bestimmt durch die Verstelleistung bei einem linearen Antrieb, d. h. in welcher Zeiteinheit eine Kraft über einen bestimmten Weg aufgebaut wird. Wenn zusätzlich die Kraft wechselseitig dynamisch genutzt wird, so entsteht hierfür ein getrennter Md-Bedarf. Hierfür im folgenden ein Beispiel aus der Bremstechnik.
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Md1 für den Druckaufbau: hierbei bewegt die Spindel den Hauptzylinder-Kolben. Zielwert 200 bar in z. B. 200ms, was z. B. 5 Nm vom Motor erfordert. Md2 für die Druckmodulation in beiden Richtungen entsprechend Multiplex (MUX) wie es in der
DE 10 2005 055 751 A1 der Anmelderin näher beschrieben ist, auf die hier auch zu Offenbarungszwecken insofern Bezug genommen wird: bei einer bestimmten Drehmasse sind ebenso 5 Nm erforderlich.
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Wird nun die Drehmasse erheblich reduziert, z. B. 50 %, so ist Md2 erheblich kleiner. Damit kann nun für Md1 die Gewindesteigerung reduziert werden, was ein kleines Md vom Motor erfordert. Damit wird der Motor bei vorgegebenem Radius des Rotors entsprechen kürzer, was Material und zusätzliche teure Magnetkosten und Gewicht reduziert. D. h. die Reduzierung der Drehmasse spielt eine wichtige Rolle. Hierbei ist der Ein-Luftspalt-Motor ungünstiger als der Zwei-Luftspalt-Motor aber durch diesen Aufbau und offenem intergrierten KGT noch deutlich besser als der konventionelle Motor.
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Neben o. g. erfordert der Antrieb mit KGT eine Md-Abstützung und Spindelrückführung. Diese lassen sich in einem Zwischengehäuse vorzugsweise aus Kunststoff zum Antrieb z. B. THZ-Gehäuse einfach realisieren.
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Damit ist ein kostengünstiger hochdynamischen Antrieb geschaffen, welcher es ermöglicht, einen Motor mit kleinerem Drehmoment und Baugröße darzustellen. Die dazu höhere Drehzahl wird durch die bekannten Maßnahmen wie Wicklung und Phasenschaltung gelöst. Denkbar sind auch zwei getrennte Wicklungen pro Zahn, was zusätzlich eine Redundanz für den Ausfall einer Wicklung oder Ansteuerung bedeutet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer Ausgestaltungen sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 den grundsätzlichen Aufbau der einseitigen Lagerung bei einem Ein-Luftspalt-Motor (untere Hälfte) und bei einem Zwei-Luftspalt-Motor (obere Hälfte);
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2 einen Ausschnitt mit Integration des KGT in Rotor und Lagerung für einen Zwei-Luftspalt-Motor;
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3 Ausschnitt aus dem Rotor; und
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4 eine Magnetfixierung
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1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau des Motors mit eine einteiligem Motorgehäuse 1, Stator mit Wicklung 2, Rotor 4 mit Permanentmagnet 3, Kugel-Gewinde-Getriebe (KGT) 18 und Spindel 22. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist der Rotor über ein Nadel- oder auch Gleitlager 17 im Innensator 5 gelagert und im Festlager 9 im Motorgehäuse.
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Das Motorgehäuse 1 ist im Längsschnitt im wesentlichen U-förmig ausgebildet, mit einem zylindrischen Wandteil 1a und einem radial verlaufenden Seitenwandteil 1b. Auf der dem Seitenwandteil 1b gegenüberliegenden Seite ist ein radial verlaufendes Wandteil 16a eines Zwischengehäuses 16 angeordnet und mit dem zylinddrischen Wandteil 1a des Motorgehäuses verbunden, so dass der Motor und der KGT umschlossen werden.
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Der Rotor 4 weist sowohl beim Ein-Luftspalt-Motor, wie auch beim Zwei-Luftspalt-Motor im Längsschnitt einen im wesentlichen U-förmigen Abschnitt 4a auf, an dessen äußeren Schenkel die Permanantmagnete 3 befestigt sind. Der innere Schenkel liegt an der Aussenseite der KGT-Mutter an. Im oberen Bildteil ist der äußere Schenkel dünnwandig und trägt die Magnete und nimmt einen Teil des Rückschlusses auf. Daran anschließend ist ein radialer Abschnitt 4b vorgesehen, der an der Stirnseite der KGT-Mutter, insbesondere mittels Schweissen, befestigt ist. Schließlich folgt ein achsparalleler Abschnitt 4c, der an der Innenseite des Festlagers 9 anliegt, das in einer Ausnehmung des Motorgehäuses 1 sitzt. Ein hülsenförmiger Innenstator 28 ist mit einem Ende im Motorgehäuse befestigt und erstreckt sich mit seinem freien Ende in den U-förmigen Abschnitt 4a des Rotors. Dieser Innenstator übernimmt den Rest des Rückflusses der Magnete.
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In der unteren Bildhälfte ist der Ein-Luftspalt-Motor dargestellt. Hierbei ist anstelle des Innenstaors eine Lagerhülse 5a eingesetzt. Der Rotor 4 ist dickwandiger ausgeführt und nimmt die Magnete auf, deren Rückfluss nach üblicher Motorentechnik über den Rotormantel verläuft. Hierbei kann zur Vereinfachung auch ein nicht geblechter Rotor eingesetzt werden. Die höheren Wirbelstromverluste sind bei vielen Anwendungen erträglich. Es kann auch ähnlich wie beim Zwei-Luftspalt-Motor eine dünnwandige Rotorhülse eingesetzt werden, bei der der Rückschlußring 4x z.B. aufgepresst wird.
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Die Axialkräfte der Spindel werden in der Hauptrichtung über ein Axial-Nadellager 6 und in der zweiten Richtung mit kleineren Kräften über das Festlager 9 aufgenommen. Hierzu wird das Sensorrad 8 an 11 mit der Lagerhülse vorzugweise durch Schweißen fixiert. Die Rotorhülse ist bei 10 am KGT fixiert, ebenfalls vorzugsweise durch Schweißen, kann aber auch in eine Umfangsnut eingepresst werden. Das Radiallager 17 wird axial über eine Hülse 28 oder entsprechende Gestaltung des Innenstators 5 auf Abstand gehalten. Zur Reduzierung der Drehmasse ist das KGT 18 mit einer Ausnehmung 18a versehen, wie in der unteren Bildhälfte zu sehen ist, die zur Aufnahme eines Kugelkäfiges 13 frei gespart ist, wobei die beiden schmalen, die Ausnehmung begrenzenden Flansche 12 und 12a seitliche Begrenzungen der Ausnehmung bilden. Diese Flansche sind in der Formgestaltung auf minimale Drehmasse ausgebildet. Die Kugelrückführung erfolgt in einem Kugelkäfig, vorzugsweise in einem Kunststoffkäfig. Dabei kann die Kugelrückführung ein- oder zweireihig parallel oder unter einem bestimmten Winkel zur Achse 30–60° erfolgen. Durch diese offene Gestaltung kann die Drehmasse des KGT bis zu 70 % reduziert werden. Durch diese Lagerung ist die Toleranzkette auch beim Zwei-Luftspalt-Motor klein und auch in der Anzahl der Teile vergleichbar mit dem konventionellen Ein-Luftspalt-Motor. Vorteilhaft ist auch, dass Gehäusemaße in einer Aufspannung bearbeitet werden können, sofern der Innenstator in ein Druckgussgehäuse eingespritzt wird. Der Luftspalt zwischen Rotor und Stator hat einen großen Einfluß auf das Drehmoment. Hierbei sind die Toleranzketten im Gehäuse 1, Innenstator 5 und Sitz des Festlagers 9 und Rotor 4 mit Magnet 3, Lagersitz für Radiallager 17 und Festlager 9 die maßgeblichen Maße. Hierbei ist vorteilhaft, dass die Toleranzkette im Motorgehäuse in einer Einspannung bearbeitet werden kann und ebenso der Rotor 4 für die Lagersitze und Auflage der Magnete in einer Aufspannung bearbeitet werden kann.
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Durch entsprechende Strukturierung des Motorgehäuses kann das Teil mit Innenstator komplett aus Kunststoff ohne Nachbearbeitung gespritzt werden, was enorme Kosten- und Gewichtsredzierung bedeutet. Der Innenstator kann auch mit dem Lagersitz 5x kombiniert werden. Auch kann es vorteilhaft sein, zusamen mit dem Innenstator bzw. der Lagerhülse den Stator mit Wicklung mit in das die Lager aufnehmende Kunsstoffgehäuseteil einzuspritzen. Dies gilt bei entsprechender Gestaltung der Lagerhülse auch für den Ein-Luftspalt-Motor. Für viele Anwendungen z. B. der Bremse ist die thermische Belastung nicht hoch, so dass die Wärmabfuhr unbedeutend ist. Ggf. kann diese durch eine nicht gezeichnete eingespritzte Al-Hülse, die den Stator aufnimmt, verbessert werden. Der Motor benötigt zur Ansteuerung der einzelnen Phasen und Positionierung des Antriebes einen Sensor, der über das Sensorrad 8 aktiviert wird. Hierbei kann die Vielzahl von Sensoren wie zahnradangetriebener Drehwinkelgeber bis zum Segmentgeber eingesetzt werden.
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Der Spindelantrieb erfordert eine Rückstellung, die besonders einfach über einen Kupplungsflansch 14, der mit der Spindel drehfest und axial abgestützt wird, verbunden ist. Die Rückstellfeder 19, vorzugweise zwei Stück, stützt sich am Flansch 14 ab und wird im Führungbolzen 20 geführt, der im Gehäuse 21 oder auch zusätzlich im Zwichengehäuse 16 gelagert ist.
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Die Moment-Abstützung erfolgt über denselben Kupplungsflansch 14, welcher auch vorzugweise um 180° versetzte zwei Stege greift.
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Das Antriebselement 27, z. B. ein Kolben, wird vorzugsweise von einem Koppelelement 30 betätigt, welches mit der Spindel 22 verbunden ist.
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2 zeigt einen Ausschnitt von Rotor und Stator bei einem Zwei-Luftspalt-Motor. Zur weiteren Reduzierung der Drehmasse ist stirnseitig an Flansch 13a der KGT-Mutter ein vereinfachter Rotor 4d bei 10 fixiert. Die vorzugsweise formschlüssige Fixierung kann über Schweißen, Nieten oder Verstemmen erfolgen. Auch kann am Umfang des Flansches über eine Nut und entsprechende Formgebung der Rotorhülse eine formschlüssige Fixierung erfolgen. Der Flansch ist hierbei entsprechend vorbereitet, z. B. aus nicht gehärtetem Material oder einer weichen Materialzone. Außerdem übernimmt die mit der KGT-Mutter 18 verbundene Lagerhülse 13b die Rotorlagerung am Festlager. Diese Lagerhülse 13b kann als getrenntes Teil gestaltet sein und entsprechend 4a mit dem KGT-Flansch fixiert und verbunden sein. Zusätzlich kann zur Fixierung der Magnete eine Fixierhülse 23 mit Abstandsstegen am Rotor befestigt werden. Diese greifen stirnseitig, siehe 3, durch entsprechende Öffnungen des Rotors und kann zweckmäßig aus Metall oder Kunststoff hergestellt werden.
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3 zeigt einen Ausschnitt aus dem Rotor mit Fixierung der Magnete 3 über Stege 23 oder Ausdrückungen 24. Zweckmäßig werden die Magnete geschützt durch eine Schutzhülse 25 oder entsprechende Umspritzung 26. Zur besseren Verankerung der Umspritzung können Löcher im Rotor vorgesehen werden.
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4 zeigt einen Längsschnitt eines Rotors mit Ausdrückungen, welche durchgängig über die gesamte Magnetlänge oder auch nur partiell sein können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Motorgehäuse
- 1a
- zylindrischer Wandteil
- 1b
- Seitenwandteil
- 2
- Stator mit Wicklung
- 3
- Permanentmagnete
- 4
- Rotorhülse
- 4a
- U-förmiger Abschnitt
- 4b
- radialer Abschnitt
- 4c
- axialer Abschnitt
- 4d
- vereinfachte Rotorhülse
- 4x
- Rotorhülse
- 5
- Innenstator
- 5a
- Lagerhülse
- 5x
- kombinierte Lagerhülse/Innenstator mit Lagersitz Festlager
- 6
- Axiallager
- 7
- Motorsensor
- 8
- Sensorrad
- 9
- Festlager
- 10
- Rotorfixierung
- 11
- Sensorradfixierung
- 12
- KGT-Flansch
- 13
- Kugelkäfig
- 13a
- KGT-Flansch
- 13b
- Lagerhülse
- 14
- Kupplungsflansch
- 15
- Steg zur Md-Abstützung
- 16
- Zwischengehäuse
- 16a
- Wandteil
- 17
- Radiallager
- 18
- Kugel-KGT-Mutter
- 19
- Spindelrückstellfeder
- 20
- Führungsbolzen
- 21
- Gehäuse für Antrieb
- 22
- Spindel
- 23
- Magnetfixierhülse
- 24
- Ausdrückung
- 25
- Schutzhülse
- 26
- Umspritzung
- 27
- Antriebselement
- 28
- Abstandshülse
- 29
- Loch im Rotor
- 30
- Koppelelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005040389 A1 [0003, 0011, 0014]
- DE 19902371 A1 [0013]
- DE 102005055751 A1 [0016]
