Vorrichtung zum Halten einer Maschinenkomponente in einer elektrischen Maschine sowie elektrische Maschine

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen, insbesondere elektronisch kommutierte elektrische Maschinen. Die Erfindung betrifft weiterhin Maßnahmen zur Fixierung eines Stators in einem Gehäuse einer elektrischen Maschine.

Stand der Technik

Elektrische Maschinen werden vielfältig eingesetzt. Insbesondere elektronisch kommutierte, d. h. bürstenlose, elektrische Maschinen weisen den Vorteil auf, dass keine verschleißanfälligen Kommutatoren und Kohlebürsten verwendet werden. Beim Einsatz von elektronisch kommutierten Maschinen ist es notwendig, die Statorwicklung von elektrisch leitenden Partikeln wie z.B. Spritzwasser von außen in geeigneter Weise durch ein Gehäuse zu schützen. Beim Einsatz von elektronisch kommutierten Maschinen mit nass laufenden Rotoren, wie z.B. bei Pumpen ist es darüber hinaus notwendig, die Statorwicklung von elektrisch leitenden Partikeln wie z.B. dem zu pumpenden Medium von innen in geeigneter Weise durch ein Gehäuse zu schützen.

Statoren bzw. Einzelteile von Statoren werden zur Fixierung üblicherweise mit dem Gehäuse mittels Kleben, Schrauben, Schweißen, Rollieren oder Einschrumpfen verbunden oder einstückig mit dem Gehäuse umspritzt. Eine solche Fixierung hat jedoch den Nachteil, dass Massenkräfte aufgrund von inneren Schwingungen durch wechselnde Magnetfelder oder äußeren Schwingungen durch Einwirkungen aus der Umgebung und Temperaturschwankungen die Zu- verlässigkeit der Fixierung der Statorwicklung in dem Motorgehäuse beeinträchtigen können. Darüber hinaus müssen große Bauteiltoleranzen und unterschiedliche thermische Ausdehnungen der Komponenten des Stators ausgeglichen werden können.

Insbesondere bei Einsatz derartiger elektrischer Maschinen in Pumpen für Wassergemische im Automotiv- und Haustechnikeinsatz sowie Pumpen für Benzin- und Dieselgemische, Getriebestellern, E-Bikes und Lenkanwendungen wirken permanente Vibrationen auf den Stator bzw. die Statorwicklung ein. Insbesonde- re bei Pumpen, die eine hohe Lebensdauer aufweisen müssen, verfügen herkömmliche Befestigungen zur Anordnung des Stators bzw. der Statorwicklung nicht über eine ausreichende Zuverlässigkeit.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Halten einer Maschinenkomponente, insbesondere eines Stators, in einem Gehäuse einer elektrischen Maschine zur Verfügung zu stellen, bei der die Maschinenkomponente über die gesamte Lebensdauer zuverlässig in dem Gehäuse angeordnet ist. Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung zum Halten einer Maschinenkomponente in einem Gehäuse einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch die elektrische Maschine und das Verfahren zur Anordnung einer Maschi- nenkomponente in einem Gehäuse einer elektrischen Maschine gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Vorrichtung zum Halten einer Maschinenkomponente, insbesondere eines Stators, in einem Gehäuse einer elektrischen Maschine vorgesehen, wobei ein Druckelement in dem Gehäuse vorgesehen ist, um die Maschinenkomponente mit einer insbesondere axialen Kraft gegen einen Anschlag zu drücken, an dem die Maschinenkomponente formschlüssig gehalten wird. Eine Idee der obigen Vorrichtung besteht darin, die Maschinenkomponente durch permanente Kraftbeaufschlagung gegen einen Anschlag zu pressen, an der der Stator formschlüssig gegen eine Verschiebung quer zur Richtung der Kraftbeauf- schlagung gehalten wird. Auf diese Weise ist es möglich, Toleranzen und unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten in Richtung der Kraftbeaufschlagung auszugleichen und die Maschinenkomponente durch den Formschluss zuverlässig an einer definierten Position im Inneren des Gehäuses der elektrischen Maschine zu halten. Dadurch kann eine Maschinenkomponente so in einem Ge- häuse einer elektrischen Maschine angeordnet werden, dass diese trotz der Einwirkung von hohen Massenkräften und Temperaturschwankungen mit einer hohen Zuverlässigkeit über die gesamte Lebensdauer der elektrischen Maschine gehalten werden kann. Weiterhin kann eine Halteeinrichtung vorgesehen sein, die bezüglich der Maschinenkomponente dem Druckelement in Richtung der Kraftbeaufschlagung gegenüber liegt und in eine oder mehrere Ausnehmungen der Maschinenkomponente eingreifende Halteelemente aufweist, um die Maschinenkomponente gegen einen Versatz in einer Richtung quer zur Richtung der Kraftbeaufschlagung zu positionieren und zu fixieren.

Insbesondere können das eine oder die mehreren Halteelemente an einem Gehäusedeckel bzw. an dem Gehäuse angeordnet und die eine oder die mehreren Ausnehmungen an der Maschinenkomponente vorgesehen sein.

Gemäß einer Ausführungsform kann eines der Halteelemente mit einer Pressnase versehen sein, wobei es beim Einsetzen des Halteelementes in die entsprechende Ausnehmung zu Verformungen und/oder Abscherungen kommt und so eine spielfreie Paarung der Halteelemente in die Ausnehmungen gewährleistet.

Es kann vorgesehen sein, dass das Druckelement mindestens einen Haltestift mit einem darauf angebrachten Federelement, wie beispielsweise einer Spiralfeder, aufweist, wobei der Haltestift so in eine der Ausnehmungen eingesetzt ist, dass das Federelement vorgespannt ist und die Maschinenkomponente gegen den Anschlag drückt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können eine Außenabmessung der Maschinenkomponente und eine Innenabmessung des Gehäuses so ausgebildet sein, dass bei Einsetzen der Maschinenkomponente in das Gehäuse einer oder mehrere Presslappen, die an der Außenabmessung der Maschinenkomponente angeordnet sind, verformt werden, um einen Presssitz der Maschinenkomponente in dem Gehäuse zu gewährleisten.

Weiterhin können der eine oder die mehreren Presslappen mit einem oder mehreren Auflagebereichen versehen sein, die in Vertiefungen der Maschinenkom- ponente aufgenommen sind.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der eine oder die mehreren Presslappen Wölbungen aufweisen, die von der Maschinenkomponente wegweisen. Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:

- ein Gehäuse;

- eine in dem Gehäuse angeordnete Maschinenkomponente, insbesondere einen Stator, und

- ein Druckelement, das zwischen der Maschinenkomponente und dem Gehäuse angeordnet ist, um die Maschinenkomponente mit einer axial gerichteten Kraft gegen einen Anschlag zu drücken.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Fixieren einer Maschi- nenkomponente in einem Gehäuse einer elektrischen Maschine mit einem zylinderförmigen Gehäuse vorgesehen, umfassend:

- ein Isolierelement zum elektrischen Isolieren der Maschinenkomponente, wobei das Isolierelement in einer axialen Richtung benachbart zu der Maschinenkomponente anordenbar ist;

- einen oder mehrere Presslappen, die einstückig mit dem Isolierelement ausgebildet sind und in axialer Richtung von dem Isolierelement abstehen.

Weiterhin kann der eine oder die mehreren Presslappen mit einem oder mehreren Auflagebereichen versehen sein, die in Vertiefungen der Maschinenkomponente aufnehmbar sind, wobei der eine oder die mehreren Presslappen eine Wölbung aufweist, die beim Aufsetzen auf die Maschinenkomponente von dieser wegweist.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:

- ein Gehäuse;

- eine in dem Gehäuse angeordnete Maschinenkomponente, insbesondere einen Stator,

- ein Isolierelement zum elektrischen Isolieren der Maschinenkomponente, wobei das Isolierelement in einer axialen Richtung benachbart zu der Maschinenkomponente angeordnet ist;

- einen oder mehrere Presslappen, die einstückig mit dem Isolierelement ausgebildet sind und sich in axialer Richtung über die Maschinenkomponente erstrecken.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Querschnittsdarstellung einer Pumpe mit einem

elektronisch kommutierten Elektromotor;

Figur 2 eine perspektivische Darstellung eines Gehäuseteils zum

Einsatz eines Stators für die Pumpe der Figur 1 ;

Figur 3 ein Druckelement zur Fixierung des Stators in dem

Gehäuseteil der Figur 2;

Figur 4 einen Stator zum Einsatz in das Gehäuseteil der Figur 2 und zum Fixieren durch das Druckelement der Figur 3; und

Figur 5 ein Ausschnitt einer schematischen

Querschnittsdarstellung durch den Stator mit daran angeordneten Presslappen. Beschreibung von Ausführungsformen

Die Vorrichtung zum Befestigen eines Stators in einer elektrischen Maschine wird nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 5 beispielhaft für eine Wasserpumpe erläutert.

In Figur 1 ist eine elektrisch betriebene Pumpe 1 im Querschnitt dargestellt. Die Pumpe 1 hat eine kompakte Anordnung, in der eine elektrische Maschine mit einer Fördereinrichtung zum Pumpen einer Flüssigkeit gekoppelt und in einem gemeinsamen Gehäuse gekapselt ist.

Die Pumpe 1 weist ein Gehäuse mit einem im Wesentlichen zylindrischen Gehäuseteil 2 zur Aufnahme eines Stators 3 auf. Der Stator 3 ist Teil einer elektrischen Innenläufermaschine und umfasst eine Statorwicklung 4 mit mehreren Statorspulen, die an nicht gezeigten Statorzähnen angeordnet sind. Der Stator 3 umgibt eine Innenausnehmung 5 zur Aufnahme eines Rotors 6.

Ein axiales Ende des zylindrischen Gehäuseteils 2 ist mit einem Zwischenteil 19 verschlossen, wobei das Zwischenteil 19 eine topfartige, zylindrische Einwolbung aufweist, die in die Innenausnehmung 5 des Stators 3 hineinragt. Die Abmessungen der topfartigen, zylindrischen Einwolbung sind an den Innenumfang der Innenausnehmung 5 des Stators 3 angepasst, so dass der Stator 3 an der Einwolbung anliegt oder nur einen geringen Abstand von der Einwolbung aufweist.

In der topfartigen Einwolbung des Zwischenteils 19 ist der Rotor 6 angeordnet. Der Rotor 6 ist mit Permanentmagneten 7 versehen und an einer Rotorwelle 8b angeordnet, die als Hohlwelle ausgebildet sein kann. Die Rotorwelle 8b ist auf einer Achse 8a gelagert und ist mit einem Förderrad 9 gekoppelt, das zum Pumpen einer Flüssigkeit über eine Ansaugöffnung 10 in Richtung einer Auslassöffnung 12 dient. Die Ansaugöffnung 10 und die Auslassöffnung 12 sind in einem Pumpendeckel 1 1 angeordnet, der gegenüber dem Gehäuseteil 2 an dem Zwischenteil 19 angeordnet ist. Zwischen dem Zwischenteil 19 und dem Pumpendeckel 1 1 wird ein Pumpraum gebildet, in dem der Rotor 6 und das Förderrad 9 angeordnet sind. Die eine Seite der Achse 8a ist im Zwischenteils 19 gelagert bzw. integriert mit diesem ausgebildet. Eine weitere Lagerung der Achse 8a befindet sich im Pumpraum und ist dort mit dem Pumpendeckel 1 1 verbunden.

Das Gehäuseteil 2 der Pumpe 1 ist an einem dem Zwischenteil 19 gegenüberliegenden Kopfende durch einen Gehäusedeckel 13 verschlossen. Der

Gehäusedeckel 13 bildet mit dem Gehäuseteil 2 und dem Pumpendeckel 1 1 das Gehäuse der Pumpe 1 .

Zur elektrischen Kontaktierung des Stators 3 können Verbindungen 14 in Form von Drähten oder Leiterstreifen durch das Gehäuseteil 2 bis in den

Gehäusedeckel 13 reichen. Die Verbindungen 14 können mit einer Leiterplatte in dem Gehäuse verbunden sein.

In Figur 2 ist das Gehäuseteil 2 perspektivisch dargestellt.

Der Stator 3 ist im Inneren des Gehäuseteils 2 der Pumpe 1 angeordnet. Zur Fixierung wird der Stator axial verspannt. Dafür sind mehrere Anschlagflächen 31 vorgesehen die von mehreren Halteelementen 17 bereitgestellt werden die einteilig mit dem Gehäuseteil 2 sein können. Die Halteelemente 17 haben in idealer Weise noch einen Formschluss zu Ausnehmungen 25 des Stators 3, so dass die tangentialen Kräfte nicht nur über den Reibschluss der axialen Verspannung übertragen werden. Die Ausnehmungen 25 sind insbesondere in der perspektivischen Darstellung des Stators 3 in Figur 4 zu erkennen.

Des Weiteren ist ein Druckelement 20 vorgesehen, das in Figur 3 detaillierter dargestellt ist. Das Druckelement 20 ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet und weist eine kreisförmige Druckplatte 21 auf. Auf der Druckplatte 21 sind einer oder mehrere Haltestifte 22 angeordnet, die sich gleichgerichtet in axialer Richtung erstrecken. Die Haltestifte 22 sind mit Spiralfedern 23 versehen, um eine axiale Druckkraft auf die Maschinenkomponente, insbesondere eines Stators, in Richtung der herausstehenden Haltestifte 22 auszuüben. Bei der Montage der Pumpe 1 wird zunächst der Stator 3 in das Gehäuseteil 2 eingebracht und auf die Halteelemente 17 aufgesetzt und anschließend wird das Druckelement 20 so auf den Stator 3 aufgesetzt, dass die Haltestifte 22 in die Ausnehmungen 25 des Stators 3 eingreifen. Dabei greifen die Haltestifte 22 in die gleichen Ausnehmungen 25 wie die Halteelemente 17, jedoch auf der anderen axialen Seite des Stators 3.

Anschließend wird das Zwischenteil 19 auf das Druckelement 20 aufgesetzt und bis auf Kontakt mit dem Gehäuseteil 2 aufgepresst, so dass die Haltestifte 22 tiefer in die Ausnehmungen 25 des Stators 3 gedrückt und dadurch die Spiralfedern 23 vorgespannt werden. Dadurch wird der Stator 3 zwischen den Halteele- menten 17 des Gehäuseteils 2 und den Haltestiften 22 des Druckelements 20 verspannt und zuverlässig gehalten.

Das Vorsehen der Spiralfedern 23 ermöglicht es, Bauteiltoleranzen und thermische Ausdehnungen zu kompensieren, ohne dass die Befestigung ihre Zuverläs- sigkeit über die Lebensdauer einbüßt. Die Anpresskraft des Druckelements 20 wird so gewählt, dass diese immer größer ist als die auftretende Massenkraft im Betrieb der Pumpe 1. Durch die Verwendung von Spiraldruckfedern 23 kann eine flache Federkennlinie realisiert werden, so dass Längentoleranzen, insbesondere die vom Lamellenpaket des Stators, zu keinen großen Kraftänderungen auf den Stator 3 führen.

Die Halteelemente 17 an dem Gehäuseteil 2 weisen vorzugsweise Pressnasen auf, die beim Einpressen des Stators 3 zu Abscherungen und/oder Verformungen führen, so dass eine spielfreie Verbindung in radialer Richtung entsteht und damit insbesondere ein Verkippen des Stators 3 zur Rotationsachse des Rotors 6 ausgeschlossen werden kann.

Wie insbesondere in Figur 4 zu erkennen ist, werden zur besseren Zentrierung und zur robusteren schwingungsoptimierten Fixierung zwischen dem Stator 3 und dem Gehäuseteil 2 in radialer Richtung Presslappen 26 angebracht, die einteilig mit einer Isoliermaske 27 sein können und im Bereich des

Statoraußendurchmessers angeordnet sind. Die Isoliermaske 27 kann im wesentlichen ringförmig ausgebildet sein und in axialer Richtung am Lamellenpaket des Stator 3 anliegen. Die Isoliermaske 27 kann zusätzliche Bauteile oder Funk- tionen zur Drahtablage, Drahtführung und Verschaltung aufnehmen, dient aber im Wesentlichen dazu, die Statorwicklung 4 zum Lamellenpaket zu isolieren, so dass eine Beschädigung des Lacks des Wicklungsdrahtes der Statorwicklung 4 durch scharfe Kanten des Lamellenpaketes vermieden wird und kein Kurzschluss in der Statorwicklung auftreten kann. Zusätzlich wird durch die Ausgestaltung die Drahtlage positiv beeinflusst und in zusätzliche Nuten können beim Bewickeln Drähte abgelegt werden, die verschiedene Statorwicklungen 4 miteinander verschalten.

Die Presslappen 26 liegen auf dem Lamellenpaket des Stators 3, d. h. auf der Außenumfangsfläche des Lamellenpakets des Stators 3, auf und erstrecken sich im wesentlichen in axialer Richtung. Der Stator 3 mit den Presslappen 26 weist ein definiertes Übermaß zum Innendurchmesser des Gehäuseteils 2 auf. Die Anzahl und Lage der Presslappen 26 ist dabei so auf das Gehäuseteil 2 abgestimmt, dass die Spannungen des Gehäuseteils 2 unter allen Toleranzlagen im Wesentlichen zu Verformungen im elastischen Bereich liegen. Die Presslap- pen 26 sind vorzugsweise in regelmäßigen Abständen über den Umfang des

Stators 3 verteilt, wie beispielsweise sechs Presslappen 26 in einem Winkelabstand von 60° zueinander.

Beim Einsatz des Stators 3 in das Gehäuseteil 2 werden die Presslappen 26 zu- sammengedrückt, so dass eine Presspassung gewährleistet ist. Das Übermaß ist so gewählt, dass bei allen zulässigen Temperaturen eine Mindestpressung vorliegt und die Spannungen im Motorgehäuse und in den Presslappen nicht unzulässig hoch werden. Beispielsweise kann für die Presslappen 26 ein Kunststoffmaterial mit möglichst geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und ho- her Elastizität eingesetzt werden.

In Figur 5 ist ein Ausschnitt einer schematischen Querschnittsdarstellung durch den Stator 3 mit daran angeordneten Presslappen 26 dargestellt. Die Presslappen 26 sind nach außen, d. h. in Richtung einer Gehäuseinnenwand des

Gehäuseteiles 2, gewölbt ausgebildet und liegen auf zwei sich im Wesentlichen parallel zur Achsrichtung erstreckenden Auflagebereichen 28 in Umfangsrichtung voneinander beabstandet an einer Außenfläche des Lamellenpaketes des Stators 3 auf. Die Statoraußenfläche weist dazu zwei Vertiefungen 29 auf, in denen die Auflagebereiche 28 der Presslappen 26 angeordnet werden, so dass diese gegen ein Verrutschen in Umfangsrichtung gehalten sind. Eine Anordnung der Auflagebereiche 28 in den Vertiefungen 29 ist bedingt durch die Stabilität und Fertigbarkeit von Presslappen mit einer Mindestdicke. Das Einbetten der Presslappen 26 in die Vertiefungen erfolgt aufgrund enger Bauraumvorgaben und Vorteilen bei der Abstützung der Teile zueinander.

Die Auflagebereiche 28 können beispielsweise als Verdickungen an den Seitenkanten der Presslappen 26 mit einem teilweise runden Querschnitt ausgebildet sein, die sich vorzugsweise in der Wölbung der Presslappen 26 entgegengesetzter Richtung erstrecken.

Durch die Wölbung der Presslamellen 26 kommt es beim Einsetzen in das Gehäuse zu einer Verformung, bei der kleine Flächen der gewölbten Presslamellen 26 an einer Gehäuseinnenwand des Gehäuseteiles 2 mit einem Übermaß anliegen und damit wird der Stator 3 radial gepresst und axial und tangential über die Reibkräfte gehalten. Die Verformung ist im Wesentlichen elastisch. Durch das Vorsehen der Presslappen 26 kann die Zentrierung des Stators 3 im Gehäuse über einen großen Temperaturbereich und unter verschiedenen Toleranzlagen der Einzelteile verbessert werden. Darüber hinaus wird ein verbessertes Geräuschverhalten erreicht.