Elektrische Maschine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, umfassend : eine Statoreinheit mit einem ferromagnetischen Statorkörper und einem einstückigen Kunststoffhaltekörper, in den der Statorkörper eingebettet ist, und eine Rotoreinheit mit einer Rotorwelle, die über ein Wellenradiallager in dem Kunststoffhaltekörper gelagert ist, und einem Rotorkörper, der an der Rotorwelle befestigt ist und innerhalb des Statorkörpers angeordnet ist.

Wenn nicht anders definiert, ist im Folgenden eine axiale Richtung parallel zu der axialen Richtung der Rotorwelle, eine radiale Richtung senkrecht zu der axialen Richtung der Rotorwelle, und eine Querebene quer zu der axialen Richtung der Rotorwelle.

Aus der EP 1 420 502 A2 ist eine gattungsgemäße elektrische Maschine bekannt, bei der das Wellenradiallager ein Nadellager ist, das in einer durch den Kunststoffhaltekörper gebildeten Lageraufnahme angeordnet ist.

Aus der EP 1 422 809 A2 ist ferner eine gattungsgemäße elektrische Maschine bekannt, bei der das Wellenradiallager ein Gleitlager ist, wobei eine das Gleitlager bildende Gleitlagerhülse in einer durch den Kunststoffhaltekörper gebildeten Lageraufnahme angeordnet ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine relativ kostengünstige und einfach montierbare elektrische Maschine zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst eine feststehende Statoreinheit und eine drehbare Rotoreinheit.

Die Statoreinheit umfasst einen ferromagnetischen Statorkörper und einen einstückigen Kunststoffhaltekörper, in den der Statorkörper eingebettet ist. Typischerweise definiert der Statorkörper mehrere entlang eines Umfangs der Rotoreinheit verteilt angeordnete Statorpole. Der Statorkörper kann als massiver Körper ausgebildet sein. Vorzugsweise besteht der Statorkörper jedoch aus einer Vielzahl von Metallblechteilen, die durch den Kunststoffhaltekörper zuverlässig zusammengehalten werden. Axial übereinanderliegende Metallblechteile sind hierbei im Allgemeinen elektrisch voneinander isoliert. Ein derartig aufgebauter Statorkörper wird auch als laminierter Statorkörper oder als geblechter Statorkörper bezeichnet und weist im Betrieb der elektrischen Maschine besonders geringe Wirbelströme auf. Der Statorkörper besteht im Allgemeinen aus einem ferromagnetischen Metall. Der Statorkörper umfasst mindestens einen, typischerweise mehrere Wicklungstragabschnitte, an denen jeweils eine elektromagnetische Statorwicklung angeordnet ist.

Typischerweise ist der Kunststoffhaltekörper ein Spritzgussteil und wird durch sogenanntes Umspritzen des Statorkörpers hergestellt. Der Kunststoffhaltekörper kann vollständig aus einem einzigen Kunststoffmaterial bestehen oder es können einzelne Abschnitte des Kunststoffhaltekörpers aus unterschiedlichen Kunststoffmaterialien bestehen. Im zweiten Fall wird der Kunststoffhaltekörper typischerweise in einem mehrschrittigen Spritzgussprozess hergestellt. In jedem Fall besteht der gesamte Kunststoffhaltekörper aus einem einzigen Teil, das heißt, alle Abschnitte des Kunststoffhaltekörpers sind stoffschlüssig miteinander verbunden, auch wenn diese aus unterschiedlichen Kunststoffmaterialien bestehen. Der Kunststoffhaltekörper dient unter anderem der elektrischen Isolation zwischen dem Statorkörper und den Statorwicklungen, weshalb zumindest ein den Statorkörper umgebender Hauptabschnitt des Kunststoffhaltekörpers vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial mit gute elektrischen Isolationseigenschaften, also mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand, typischerweise mindestens IO ¹⁰ Qcm, und einer hohen Durchschlagfestigkeit, besteht.

Die Rotoreinheit umfasst eine Rotorwelle, die über ein Wellenradiallager in dem Kunststoffhaltekörper gelagert ist, und einen Rotorkörper, der an der Rotorwelle befestigt ist und innerhalb des Statorkörpers angeordnet ist. Das Wellenradiallager kann zur ausschließlich radialen Lagerung eingerichtet sein, oder kann zur radialen und axialen Lagerung der Rotorwelle eingerichtet sein. Typischerweise ist die Rotorwelle über ein weiteres Wellenradiallager, das auf einer dem an dem Kunststoffhaltekörper angeordneten Wellenradiallager gegenüberliegenden Seite des Rotorkörpers angeordnet ist, in einem Gehäuseteil der elektrischen Maschine gelagert.

Der Rotorkörper kann als massiver, permanentmagnetischer Körper ausgebildet sein, kann eingerichtet sein, mindestens einen Permanentmagnet zu tragen, oder kann eingerichtet sein, mindestens eine elektromagnetische Rotorwicklung zu tragen. In den letzten beiden Fällen besteht der Rotorkörper im Allgemeinen aus einem ferromagnetischen Metall und kann entweder als massiver Körper ausgebildet sein oder aus mehreren miteinander verbundenen Einzelteilen, typischerweise

Metallblechteilen, bestehen. Erfindungsgemäß ist das Wellenradiallager ein Gleitlager, wobei eine Gleitfläche durch den Kunststoffhaltekörper gebildet ist, sodass für die radiale Lagerung der Rotorwelle an dem Kunststoffhaltekörper keine zusätzlichen Bauteile, die an dem Kunststoffhaltekörper montiert werden müssten, erforderlich sind. Gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Maschine wird hierdurch sowohl die Anzahl von Bauteilen als auch die Anzahl von Montageschritten reduziert. Vorzugsweise besteht zumindest ein die Gleitfläche bildender Lagerabschnitt des Kunststoffhaltekörpers aus einem Kunststoffmaterial mit guten tribologischen Eigenschaften.

Aufgrund der reduzierten Anzahl von Bauteilen und Montageschritten kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine relativ einfach montiert und relativ kostengünstig hergestellt werden.

In einer vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung besteht der gesamte Kunststoffhaltekörper aus einem einzigen Kunststoffmaterial. Dies ermöglicht eine relativ einfache und kostengünstige Herstellung des Kunststoffhaltekörpers. Insbesondere kann der Kunststoffhaltekörper in einem einzigen Spritzgussschritt hergestellt werden. Das verwendete Kunststoffmaterial weist hierbei vorzugsweise sowohl relativ gute elektrische Isolationseigenschaften als auch relativ gute tribologische Eigenschaften auf.

In einer alternativen vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung bestehen ein die Gleitfläche bildender Lagerabschnitt des Kunststoffhaltekörpers und ein den Statorkörper umgebender Hauptabschnitt des Kunststoffhaltekörpers aus unterschiedlichen Kunststoffmaterialien. Dies ermöglicht es beispielsweise, für den Hauptabschnitt ein Kunststoffmaterial mit besonders guten elektrischen Isolationseigenschaften zu verwenden, und für den Lagerabschnitt ein Kunststoffmaterial mit besonders guten tribologischen Eigenschaften zu verwenden. Die Verwendung verschiedener Kunststoffmaterialien für den Hauptabschnitt und den Lagerabschnitt ermöglicht daher die Realisierung einer besonders zuverlässigen und effizienten elektrischen Maschine. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass für den relativ großvolumigen Hauptabschnitt ein - insbesondere im Vergleich zum für den Lagerabschnitt verwendeten Kunststoffmaterial - relativ günstiges Kunststoffmaterial verwendet wird. Der aus unterschiedlichen Kunststoffmaterialien bestehende Kunststoffhaltekörper wird typischerweise in einem mehrschrittigen Spritzgussprozess hergestellt, wobei in einem ersten Schritt der Hauptabschnitt durch Umspritzen des Statorkörpers hergestellt wird, und in einem folgenden Schritt der Lagerabschnitt an den Hauptabschnitt angespritzt wird.

Vorzugsweise umfasst der Kunststoffhaltekörper eine Speichenstruktur, über die der die Gleitfläche bildende Lagerabschnitt mit dem den Statorkörper umgebenden Hauptabschnitt verbunden ist. Die Speichenstruktur erstreckt sich im Wesentlichen in einer Querebene und verbindet den radial inneren Lagerabschnitt mit dem radial äußeren Hauptabschnitt. Die Speichenstruktur ermöglicht es, mit relativ geringem Materialeinsatz eine mechanisch stabile Verbindung zwischen dem Lagerabschnitt und dem Hauptabschnitt zu realisieren. Hierdurch kann eine relativ leichtgewichtige elektrische Maschine geschaffen werden. Die Speichenstruktur ermöglicht es ferner, den gesamten Kunststoffhaltekörper mit einer relativ homogenen Wandstärke auszubilden und gleichzeitig eine mechanisch stabile Verbindung zwischen dem Lagerabschnitt und dem Hauptabschnitt zu realisieren. Die relativ homogene Wandstärke ermöglicht wiederum eine besonders einfache Herstellung des Kunststoffhaltekörpers im Spritzgussverfahren. Besonders bevorzugt ist die Speichenstruktur axial durchströmbar, um eine effiziente Kühlung der elektrischen Maschine, insbesondere auch des als Gleitlager ausgebildeten Wellenradiallagers, zu ermöglichen.

In einer vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung erstreckt sich die Rotorwelle axial durch das Wellenradiallager hindurch und ist zur axialen Lagerung der Rotorwelle auf einer von dem Rotorkörper abgewandten axialen Seite des Wellenradiallagers ein Axiallagerelement angeordnet, das an der Rotorwelle befestigt ist und axial an dem Kunststoffhaltekörper anliegt. Vorzugsweise liegt das Axiallagerelement hierbei an dem die Gleitfläche bildenden Lagerabschnitt des Kunststoffhaltekörpers an, der vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial mit besonders guten tribologischen Eigenschaften besteht. Über das an dem Kunststoffhaltekörper anliegende Axiallagerelement kann auf einfache Weise eine zuverlässige axiale Lagerung der Rotorwelle realisiert werden. Vorzugsweise ist hierbei auf einer dem Axiallagerelement gegenüberliegenden Seite des Wellenradiallagers zwischen dem Rotorkörper und dem Kunststoffhaltekörper eine die Rotorwelle radial umschließende Anlaufscheibe angeordnet, an der der Rotorkörper oder eine mit diesem verbundene Komponente der Rotoreinheit axial anliegt.

Besonders bevorzugt, ist das Axiallagerelement ein an einem axialen Ende der Rotorwelle angeordnetes Ritzel, das der mechanischen Kopplung mit einer die Rotoreinheit der elektrischen Maschine antreibenden oder einer durch die Rotoreinheit der elektrischen Maschine angetriebenen Vorrichtung dient, sodass für das Axiallagerelement kein zusätzliches Bauteil vorgesehen werden muss.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Hierbei zeigt: Figur 1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, und

Figur 2 eine axiale Draufsicht der elektrischen Maschine aus Figur 1, wobei zwecks besserer Erkennbarkeit der Ausgestaltung eines Kunststoffhaltekörpers ein an einem Ende einer Rotorwelle angeordnetes Ritzel nicht dargestellt ist.

Die Figuren zeigen eine elektrische Maschine 10 mit einem Gehäuse 12, in dem eine feststehende Statoreinheit 14 und eine drehbare Rotoreinheit 16 angeordnet sind.

Die Statoreinheit 14 umfasst einen Statorkörper 18, der aus einer Vielzahl von ferromagnetischen Metallblechteilen 181 besteht, die in axialer Richtung zu einem Blechpaket 182 gestapelt sind. Der Statorkörper 18 umfasst sechs Wicklungstragabschnitte 183, an denen jeweils eine Statorwicklung 20 angeordnet ist.

Die Statoreinheit umfasst einen einstückigen Kunststoffhaltekörper 22, in den der Statorkörper 18 eingebettet ist. Im Speziellen ist der Kunststoffhaltekörper 22 ein Spritzgussteil, das durch Umspritzen des Statorkörpers 18 hergestellt ist. Der Kunststoffhaltekörper 22 umfasst einen Hauptabschnitt 221, eine Speichenstruktur 222 und einen Lagerabschnitt 223. Der Hauptabschnitt 221 ist hierbei derjenige Abschnitt des Kunststoffhaltekörpers 22, in den der Statorkörper 18 eingebettet ist, also derjenige Abschnitt, der den Statorkörper 18 umgibt.

Die Speichenstruktur 222 erstreckt sich im Wesentlichen in einer Querebene und ist an einer axialen Stirnseite des Hauptabschnitts 221 angeordnet. Die Speichenstruktur 222 umfasst eine Vielzahl von Speichen 2221 und zwischen den Speichen 2221 ausgebildeten Öffnungen 2222, über welche die Speichenstruktur 222 axial durchströmbar ist.

Der Lagerabschnitt 223 ist im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und im Zentrum der Speichenstruktur 222 angeordnet. Der Lagerabschnitt 223 weist eine zylinderförmige Rotorwellenöffnung 2231 auf, deren Innenfläche eine Gleitfläche 241 eines als Gleitlager ausgebildeten ersten Wellenradiallagers 24 bildet.

Der gesamte Kunststoffhaltekörper 22 kann aus einem einzigen Kunststoffmaterial bestehen, das vorteilhafterweise sowohl relativ gute elektrische Isolationseigenschaften als auch relativ gute tribologische Eigenschaften aufweist. Alternativ können der Hauptabschnitt 221 und der Lagerabschnitt 223 auch aus unterschiedlichen Kunststoffmaterialien bestehen, wobei das für den Hauptabschnitt 221 verwendete Kunststoffmaterial vorteilhafterweise besonders gute elektrische Isolationseigenschaften aufweist und das für den Lagerabschnitt 223 verwendete Kunststoffmaterial vorteilhafterweise besonders gute tribologische Eigenschaften aufweist. Die Speichenstruktur 222 besteht entweder aus dem gleichen Kunststoffmaterial wie der Lagerabschnitt 223 und wird zusammen mit diesem an den in einem ersten Spritzgussschritt hergestellten Hauptabschnitt 221 angespritzt, oder die Speichenstruktur 222 besteht aus dem gleichen Kunststoffmaterial wie der Hauptabschnitt 221 und wird zusammen mit diesem in dem ersten Spritzgussschritt hergestellt, wobei anschließend der Lagerabschnitt 223 an die Speichenstruktur 222 angespritzt wird.

Die Rotoreinheit 16 umfasst eine Rotorwelle 26 und einen an der Rotorwelle 26 befestigten Rotorkörper 28. Die Rotorwelle 26 ist auf einer ersten axialen Seite des Rotorkörpers 28 über das erste Wellenradiallager 24 in dem Kunststoffhaltekörper 22 gelagert, wobei sich die Rotorwelle 26 durch die Rotorwellenöffnung 2231 des Kunststoffhaltekörpers 22 hindurch erstreckt und eine Außenfläche 261 der Rotorwelle 26 in Reibkontakt mit der Gleitfläche 241 steht. Die Rotorwelle 26 ist auf einer zweiten axialen Seite des Rotorkörpers 28 über ein ebenfalls als Gleitlager ausgebildetes zweites Wellenradiallager 30 in dem Gehäuse 12 gelagert. Das zweite Wellenlager umfasst hierbei ein ringförmiges, die Rotorwelle 26 radial umschließendes Radiallagerelement 301.

Die Rotorwelle 26 ist axial über den Rotorkörper 28 und ein auf der von dem Rotorkörper 28 abgewandten Seite des Lagerabschnitts 223 des Kunststoffhaltekörpers 22 an einem Ende der Rotorwelle 26 befestigten Axiallagerelement 32 gelagert. Hierbei liegt der Rotorkörper 28 axial an einer zwischen dem Lagerabschnitt 223 des Kunststoffhaltekörpers 22 und dem Rotorkörper 28 angeordneten, ringförmigen Anlaufscheibe 34 an, und liegt das Axiallagerelement 32 axial an einer von dem Rotorkörper 28 abgewandten Seite des Lagerabschnitts 223 an. Das Axiallagerelement 32 ist hier ein Ritzel, das der mechanischen Kopplung mit einer die Rotoreinheit 16 antreibenden oder einer durch die Rotoreinheit 16 angetriebenen Vorrichtung dient.

Der Rotorkörper 28 ist innerhalb des Statorkörpers 18 angeordnet und besteht aus einer Vielzahl von Metallblechteilen 281, die in axialer Richtung zu einem Blechpaket 282 gestapelt sind. In den Rotorkörper 28 sind vier Permanentmagnete 36 eingebettet.

Bezugszeichenliste

10 elektrische Maschine

12 Gehäuse

14 Statoreinheit

16 Rotoreinheit

18 Statorkörper

181 Metallblechteile

182 Blechpaket

183 Wicklungstragabschnitte

20 Statorwicklungen

22 Kunststoffhaltekörper

221 Hauptabschnitt

222 Speichenstruktur

2221 Speichen

2222 Öffnungen

223 Lagerabschnitt

2231 Rotorwellenöffnung

24 erstes Wellenradiallager

241 Gleitfläche

26 Rotorwelle

261 Außenfläche

28 Rotorkörper

281 Metallblechteile

282 Blechpaket

30 zweites Wellenradiallager

301 Radiallagerelement

32 Axiallagerelement

34 Anlaufscheibe

36 Permanentmagnete