Die Erfindung bezieht sich auf einen mechanisch kommutierten Kfz-

Hilfsaggregat- Elektromotor zum Antrieb eines Hilfsaggregats in einem Kraftfahrzeug (Kfz).

In Kraftfahrzeugen werden viele Hilfsaggregate durch einen Elektromotor angetrieben, der sowohl als Stellantrieb, beispielsweise für Schließsysteme, als auch als kontinuierlicher Antrieb beispielsweise für Lüfter und Pumpen, dienen kann. Ein anspruchsloser, zuverlässiger und preiswerter Elektromotor ist der sogenannte Gleichstrom-Elektromotor, der mechanisch kommutiert wird. Hierzu weist der Motorrotor einen Kommutator auf, über den die Bestromung der Rotorspulen erfolgt. Der Motorstator weist mehrere Statorpole auf, die ferromagnetisch oder permanentmagnetisch ausgebildet sind. Ferner ist dem Motorstator ein ferromagnetischer Rückschluss zugeordnet, durch den ein widerstandsarmer Magnetkreis definiert wird.

Aus US 5 691 681 A ist ein mechanisch kommutierter Gleichstrom- Elektromotor bekannt, dessen Motorstator aus einem permanentmagnetisch polarisierten Statorkörper gebildet wird, der auch das Gehäuse des Elektromotors bildet. Die Motorspulen des Motorrotors sind diametral gewickelt.

Aufgabe der Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, einen preiswerten und leichten mechanisch kommutierten Kfz-Hilfsaggregat-Elektromotor zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Kfz-Hilfsaggregat- Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der erfindungsgemäße Kfz-Hilfsaggregat-Elektromotor weist einen Motorrotor mit mehreren Rotorspulen und einen mechanischen Kommutator zur Bestromung der Rotorspulen auf. Die Rotorspulen sitzen auf einem mehrpoligen, sternartigen und ferromagnetischen Rotorkörper, der auf einer ferromagnetischen Rotorwelle fixiert ist. Die Rotorwelle ist über Wellenlager an einem Gehäuse des Elektromotors drehbar gelagert. Der Elektromotor weist im Bereich des die Motorspulen aufweisenden Motorrotors einen permanentmagnetischen Motorstator auf, der in Umfangsrichtung mehrere Magnetpole bildet. Es ist ein einstückiger Statorkörper vorgesehen, der von einer Kunststoffmasse mit Permanentmagnet-Partikeln gebildet wird. Die Permanentmagnet- Partikel sind bevorzugt räumlich weitgehend homogen in dem Statorkörper bzw. der Kunststoff masse verteilt. Die Herstellung des Statorkörpers kann im Spritzguss erfolgen, wobei vorzugsweise bereits während des Spritzgießens die Permanentmagnet- Partikel In der Kunststoff masse permanent magnetisiert und/oder lokal entsprechend radial ausgerichtet werden.

Der Statorkörper weist in axialer Richtung betrachtet einen Motorabschnitt und einen axial daran angrenzenden Kommutatorabschnitt auf. Der Motorabschnitt des Statorkörpers bildet den Motorstator. Der Kommutatorabschnitt grenzt axial an den Motorabschnitt an und umgibt den Kommutator. Der Statorkörper ist bevorzugt hohlzylindrisch ausgebildet.

Die Wandstärke A des Statorkörpers ist im Motorabschnitt größer als die Wandstärke B des Statorkörpers in Kommutatorabschnitt. In dem Motorabschnitt muss die Wandstärke des Statorkörpers ein gewisses Mindestmaß aufweisen, um einen guten elektromagnetischen Wirkungsgrad des Elektromotors sicherzustellen. Je kleiner die Polzahl des Motorstators ist, desto größer muss hierzu die Wandstärke im Bereich des Motorabschnitts des sein. Vorzugsweise beträgt die Motorabschnitt- Wandstärke das 0,2- bis 0,8-fache des innenseitigen Polabstands P. Der innenseitige Polabstand ist der Abstand eines Südpols zu dem benachbarten Nordpol an der Innenumfangsseite des Motorstators bzw. des Statorkörpers im Bereich des Motorabschnitts. Die Wandstärke im Bereich des Motorabschnitts ist damit in der Regel erheblich größer, als dies für die mechanische Stabilität des Statorkörpers erforderlich wäre. In dem Kommutatorabschnitt, der an den Motorabschnitt unmittelbar angrenzt, kann die Wandstärke jedoch auf ein Maß reduziert sein, das für die mechanische Stabilität des Statorkörpers in diesem Bereich gerade ausreichend ist. Auf diese Weise wird das Materialvolumen des Statorkörpers unter Umständen erheblich reduziert. Neben einer nicht unerheblichen Gewichtsersparnis wird hierdurch auch der Materialeinsatz für die Herstellung des Statorkörpers verringert. Als Permanentmagnet- Partikel in der Kunststoffmasse des Statorkörpers werden wegen ihrer hervorragenden permanentmagnetischen Eigenschaften häufig Seltene Erden verwendet, die kostspielig sind. Durch die Reduzierung des Materialeinsatzes werden also auch die Materialkosten erheblich reduziert. Ferner wird durch die Verringerung der Wandstärke in dem Kommutatorabschnitt auch mehr Raum geschaffen, so dass der Elektromotor tendenziell kompakter ausgestaltet werden kann.

Vorzugsweise hält der Statorkörper im Bereich seines Kommutatorabschnitts eine Polbrücke, die ihrerseits den Kommutator bzw. den nicht-rotierenden Teil des Kommutators trägt. Der nichtrotierende Teil des Kommutators wird in der Regel durch die sogenannten Kommutatorbürsten gebildet, die auf einem rotorseitigen Kommutator- Lamellenkranz laufen. Die im Wesentlichen in einer Querebene stehende Polbrücke bildet also bevorzugt den Träger für die Kommutatorbürsten. Unter einer Querebene wird vorliegend grundsätzlich eine Ebene verstanden, die senkrecht zu der Drehachse des Rotors steht. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Statorkörper radial innen einen in Umfangsrichtung verlaufenden Absatz auf, der den Motorabschnitt von dem Kommutatorabschnitt trennt. Die radiale Absatztiefe entspricht dabei ungefähr der Differenz aus der Statorkörper- Wandstärke des Motorabschnitts und der Statorkörper-Wandstärke des Kommutatorabschnitts. Die ringscheibenförmige Absatz-Fläche liegt bevorzugt exakt in einer Querebene. Durch den innenseitigen Absatz wird in dem Kommutatorabschnitt der freie Querschnitt Innerhalb des Statorkörpers vergrößert, so dass entsprechend mehr Platz für die Polbrücke und den Kommutator vorhanden ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung bildet der Statorkörper das Gehäuse des Elektromotors, bzw. einen Teil des Gehäuses des Elektromotors. Das Elektromotor-Gehäuse, das den Motorrotor umgibt, und der Motorstator mit den Magnetpolen werden von einem einzigen einstückigen und homogenen Statorkörper gebildet. Der Statorkörper hat also eine Doppelfunktion, denn er bildet sowohl das den Motorrotor umgebende Gehäuse als auch den permanentmagnetischen Motorstator einschließlich mehrerer Magnetpole. Hierdurch wird der Aufbau des Elektromotors insbesondere im Bereich des Motorstators und des Motorrotors erheblich vereinfacht. Ein separates Motorgehäuse ist in diesem Bereich nicht vorgesehen bzw. nicht vorhanden.

Vorzugsweise beträgt die M otora bsch n itt- Wa ndst rke des Statorkörpers mindestens das 1,5-fache der Kommutatorabschnitt-Wandstärke, und beträgt besonders bevorzugt mindestens das 1,9-fache der Kommutatorabschnitt-Wandstärke. Damit ist im Bereich des Kommutatorabschnitts eine erhebliche Verringerung des Materialverbrauchs und des Gewichts verbunden, ohne dass die Stabilität des Statorkörpers bzw. des Gehäuses im Bereich des Kommutatorabschnitts hierdurch unzulässig geschwächt wäre. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Motorstator 4-polig, 6- polig oder 8 -polig ausgebildet, und ist besonders bevorzugt 6-polig ausgebildet.

Vorzugsweise ist im Bereich des Kommutatorabschnitts auf der Rotorwelle eine Zahnscheibe mit Zahnsegmenten befestigt, und ist statorseitig ein den Zahnsegmenten zugeordneter Magnetfeldsensor vorgesehen. Unter „statorseitig" ist vorliegend eine statische Fixierung zu verstehen, keine mit dem Rotor rotierende Fixierung. Durch die funktionale und räumliche Zuordnung des Magnetfeldsensors zu den Zahnsegmenten streichen diese derart an dem Magnetfeldsensor vorbei, dass das von dem dauermagnetischen Statorkörper generierte Magnetfeld durch die vorbeilaufenden Zahnscheiben-Zahnsegmente moduliert wird. Diese Modulation wird durch den feststehenden Magnetfeldsensor, der bevorzugt als sogenannter Hallsensor oder als Sensorspule ausgebildet sein kann, detektiert, so dass auf diese Weise ein einfach und preiswert konzipierter Drehsensor realisiert wird.

Der auf diese Weise realisierte Drehsensor erlaubt eine Steuerung bzw. Regelung des Motorstroms. Hierdurch wiederum wird es ermöglicht, den Anlaufstrom auf einen relativ niedrigen Wert zu begrenzen, da ein Nichtanlauf zuverlässig detektiert werden kann. Nur im Falle eines IMichtanlaufs wird der Anlaufstrom über die Begrenzung hinaus kurzzeitig erhöht, um einen Motoranlauf zu erzwingen. Da der Anlaufstrom standardmäßig relativ niedrig begrenzt werden kann, wird der Verschleiß des Kommutators durch sogenanntes Bürstenfeuer erheblich reduziert, so dass die Lebensdauer des Kommutators erheblich verlängert werden kann.

Die Anzahl der Zahnsegmente der Zahnscheibe ist bevorzugt größer als die Anzahl der Motorstator-Magnetpole, da auf diese Weise eine genauere Auflösung bzw. Bestimmung der Rotor-Drehposition möglich wird. Allerdings ist es mit einem einzigen Magnetfeldsensor prinzipiell nicht möglich, die Drehrichtung des Motorrotors sicher zu bestimmen. Es ist daher bevorzugt vorgesehen, dass mindestens zwei statorseitige Magnetfeldsensoren vorgesehen sind. Auf diese Weise kann auch die Drehrichtung des Motorrotors sicher detektiert werden, wenn die Magnetfeldsensoren analog ausgebildet sind. Wenn die Magnetfeldsensoren digital ausgebildet sind, sind drei Magnetfeldsensoren erforderlich, um die Drehrichtung zuverlässig erkennen zu können.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Motorspulen als Einzahnwicklungen ausgebildet. Eine Einzahnwicklungen weist einen, im Vergleich zur diametralen Wicklung, hohen elektromagnetischen Wirkungsgrad auf, so dass das Spulenvolumen der Rotorspulen verringert werden kann, woraus weitere positive sekundäre Effekte folgen, insbesondere eine verringerte Wärmeerzeugung der Rotorspulen und eine verbesserte Wärmeabfuhr von den Rotorspulen.

Der Motorrotor weist mehrere Pol köpfe auf, die durch Trennnuten voneinander getrennt sind. Vorzugsweise sind die Trennnuten exakt axial orientiert, beschreiben also keine Schraubenlinie. Schraubenartig verlaufende Trennnuten zwischen den Motorrotor-Polköpfen werden im Stand der Technik genutzt, um das Rastmoment zu verringern bzw. einen idealeren sinusförmigen Verlauf der Magnetkräfte über den Umfang zu erreichen. Durch die Bildung des permanentmagnetischen Motorstators aus einem einzigen homogenen Statorkörper, dem in Umfangsrichtung mehrere Magnetpole aufgeprägt sind, kann auf eine schraubenförmige Ausbildung der Trennnuten zwischen den Motorrotor- Polköpfen verzichtet werden, wobei gleichzeitig ein relativ idealer sinusförmiger Verlauf der zwischen dem Motorrotor und dem Motorstator wirkenden Magnetkräfte über den Umfang realisiert werden kann. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung bildet der Statorkörper auch eine abschließende Gehäuse- Stirnwand des Gehäuses, die ein Rotorlager trägt, das als Gleitlager oder als Wälzlager ausgebildet sein kann. Die von dem Statorkörper gebildete Stirnwand bildet also ein sogenanntes Lagerschild und sorgt gleichzeitig für einen widerstandsarmen magnetischen Rückschluss zur ferromagnetischen Rotorwelle. Durch die funktionale Integration der Gehäuse-Stirnwand in den Statorkörper wird der mechanische Aufbau des Elektromotors weiter vereinfacht, so dass hierdurch auch die Montagekosten verringert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung bestehen die Permanentmagnet- Partikel des Statorgehäusekörpers aus einem oder mehreren Ferriten. Ferrite sind preiswert und haben gute permanentmagnetische Eigenschaften. Alternativ oder ergänzend können die Permanentmagnet- Partikel auch aus Seltenen Erden bestehen, die hervorragende permanentmagnetischen Eigenschaften aufweisen. Besonders bevorzugt bestehen die Permanentmagnet-Partikel aus einem anisotropen Material, das eine magnetische Vorzugrichtung aufweist. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn die Permanentmagnet-Partikel bereits während des Spritzgießens des Statorgehäusekörpers durch ein äußeres Magnetfeld entsprechend radial ausgerichtet werden.

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt eines Kfz-Hilfsaggregat-Elektromotors,

Figur 2 einen ersten Querschnitt des Elektromotors der Figur 1 im Bereich des Motorrotors und des Motorstators, und

Figur 3 einen zweiten Querschnitt des Elektromotors der Figur 1 im Bereich der Zahnscheibe. In den Figuren ist ein Kfz-Hilfsaggregat-Elektromotor 10 dargestellt; der in einem Kraftfahrzeug als Antrieb für ein Hilfsaggregat jeder Art dienen kann, beispielsweise als Steller für ein Ventil, eine Drosselklappe, eine Schließanlage etc. oder aber als kontinuierlicher Antrieb für ein Gebläse, eine Pumpe etc. Der Elektromotor 10 ist als sogenannter Gleichstrom- Elektromotor ausgebildet, der einen mechanischen Kommutator 48 aufweist.

Der Elektromotor 10 weist einen Motorrotor 40 auf, der von einem ferromagnetischen Rotorkörper 41 mit vorliegend acht Polköpfen 44 gebildet wird, denen jeweils eine als Einzahnwicklung ausgebildete Rotorspule 45 zugeordnet ist Die Pol köpfe 44 sind außenseitig durch Trennnuten 42 voneinander getrennt, die exakt axial in Längsrichtung orientiert sind, also keine schraubenartige Komponente in ihrem Verlauf aufweisen. Die Rotorspulen 45 werden über den Kommutator 48 bestromt. Der Motorrotor 40 sitzt drehfest auf einer Rotorwelle 46, die an einem Längsende ein Abtriebsritzel 56 trägt.

Der Elektromotor 10 weist ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 20 auf, das den Elektromotor 10 an einem Längsende axial und über seine gesamte axiale Länge lateral abschirmt. Das Gehäuse 20 wird im Wesentlichen von einem einstückigen und homogenen Statorkörper 32 gebildet, der einen dünnwandigen zylindrischen Kommutatorabschnitt 62, einen daran angrenzenden dickwandigen zylindrischen Motorabschnitt 60 und an einem Längsende des Elektromotors 10 eine Stirnwand 22 aufweist. Der dickwandige Motorabschnitt 60 des Statorkörpers 32 bildet einen permanentmagnetischen Motorstator 30 mit sechs Magnetpolen N,S, die gleichmäßig über den Umfang angeordnet sind, wie in Figur 2 dargestellt.

Die Statorkörper-Wandstärke A des Motorabschnitts 60 beträgt ungefähr das 2,0-fache der Statorkörper-Wandstärke B des angrenzenden Kommutatorabschnitts 62. Die Motorabschnitt-Wandstärke A beträgt vorliegend ungefähr das 0,5-fache bis 0,6-fache des Polabstandes P. Unter dem Polabstand P wird vorliegend der Abstand zweier benachbarter Magnetpole gemessen an dem Innenumfang des Statorkörpers 32 in dem Motorabschnitt 60 verstanden.

Der Statorkörper 32, der das Gehäuse 20 bildet, ist außenseitig stufenfrei zylindrisch ausgebildet. Radial innenseitig ist an dem Übergang zwischen dem Motorabschnitt 60 und dem Korn m utatora bsch n itt 62 ein in Umfangsrichtung ringförmig verlaufender Absatz 64 vorgesehen, der den Motorabschnitt 60 von dem Kommutatorabschnitt 62 trennt. Die Ringfläche des Absatzes 64 liegt ungefähr in einer Querebene.

Der gesamte einstückige Statorkörper 32 besteht aus einer Kunststoffmasse 35, in die Permanentmagnet-Partikel 33 homogen verteilt eingelagert sind. Die Permanentmagnet-Partikel 33 können aus einem Ferrit bestehen, bestehen besonders bevorzugt jedoch aus einem Seltenerdmetall, auch Seltene Erden genannt, das anisotrop ist. Die anisotropen Permanentmagnet-Partikel 33 werden bereits während des Spritzgießens des Statorkörpers 32 durch externe Magnetfelder in der Kunststoff masse 35 entsprechend radial ausgerichtet. Der Volumenantei! der Permanentmagnet-Partikel am Gesamtvolumen beträgt vorzugsweise zwischen 40 % und 95 %, und liegt in der Regel im Bereich von 90 %.

Die von dem Statorgehäusekörper 32 gebildete endseitige Stirnwand 22 des Gehäuses 20 trägt in einer Lageröffnung 52 ein Rotorlager 54, das vorliegend als Wälzlager ausgebildet ist, und die Rotorwelle 46 drehbar an dem Motorgehäuse 20 lagert.

In dem Kommutatorabschnitt 62 ist auf der Rotorwelle 46 drehfest eine Zahnscheibe 70 fixiert, die beispielsweise zwölf Zahnsegmente 74 aufweist, die auf einer Zylinderfläche am radial äußeren Rand der Zahnscheibe 70 angeordnet sind. Wie in der Figur 3 zu erkennen ist, weist der Statorkörper 32 im Kommutatorabschnitt 62 insgesamt 20 Pole auf, so dass die Anzahl der Statorkörper-Magnetpole im Kommutatorabschnitt 62 größer ist als in dem Motorabschnitt 60.

An dem freien Längsende des Kommutatorabschnitts 62 hält der Statorkörper 32 eine deckelartig ausgebildete Polbrücke 80, die den Kommutator 48 hält, bzw. konkret die zwei Kommutatorbürsten 82 hält, die den elektrischen Kontakt zu einem wellenseitigen Kommutator- Lamellenkranz 81 herstellen.

Die deckelartig ausgebildete Polbrücke 80 hält ferner einen Magnetfeldsensor 84, der radial innenseitig der Zahnsegmente 74 und in ungefähr einer Querebene mit den Zahnsegmenten 74 statorseitig, also feststehend angeordnet ist. Der Magnetfeldsensor 84 kann als Hallsensor oder als Sensorspule ausgebildet sein.