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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor, insbesondere auf
einen Stell- oder Antriebsmotor in Kraftfahrzeugen, nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In
der
DE 43 38 557 C1 wird
ein Elektromotor mit axial verschiebbarem Rotor beschrieben, über dessen
Axialverschiebung der Motor zwischen einem Antriebszustand und einem
mechanischen Bremszustand verstellt werden kann. Über die
mechanische Bremsung soll der Elektromotor im Falle der Nichtbestromung
blockiert werden, so dass auch statische Momente vom Elektromotor
aufgenommen werden können. Ohne derartige mechanische Blockiereinrichtung
muss die Bremsung auf elektromotorischen Wege erfolgen, was jedoch
eine thermische Belastung des Motors zur Folge hat.
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Um
die verschiedenen Betriebszustände „mechanische
Bremsung" einerseits und „elektromotorischer Antrieb" andererseits
ohne separate Blockier- und Stelleinrichtungen zu realisieren, ist
der Rotor des Elektromotors axial verschieblich gelagert und wird
von einer Feder in eine stabile axiale Ausgangsstellung kraftbeaufschlagt,
die der mechanischen Bremsstellung entspricht, in der der Rotor
gegen einen gehäusefesten Bremsbelag gedrückt
wird. In der Laufstellung, die der elektromotorischen Betriebsstellung
entspricht, wird durch das Zuführen elektrischer Energie
ein Magnetfeld erzeugt, unter dessen Wirkung sich der Rotor axial
gegen die Kraft der auf ihn wirkenden Feder zurückverstellt.
Der Kontakt zwischen den aneinander liegenden Bremsflächen
wird aufgehoben, der Rotor kann ohne mechanische Bremsung umlaufen.
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Um
die Bremsstellung einzunehmen, muss die Rotorwelle einschließlich
des darauf angeordneten Ankers von der Federkraft des Federelementes axial
verschoben werden. Hierzu sind entsprechend aufwändig ausgebildete
Lagerstellen im Statorgehäuse erforderlich, in denen die
Rotorwelle gelagert ist. Die Lagerstellen müssen in der
Weise ausgebildet sein, dass die Rotationsbewegung der Rotorwelle in
der Laufstellung trotz der axialen Verschiebemöglichkeit
nicht beeinträchtigt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Von
diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, einen konstruktiv einfach aufgebauten Elektromotor zu
schaffen, der im unbestromten Zustand in eine Bremsstellung zu überführen
ist, wobei die Lagerstellen des Rotors keinen erhöhten
Belastungen ausgesetzt sein sollen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben
zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Der
erfindungsgemäße Elektromotor, der insbesondere
als Stell- oder Antriebsmotor in Kraftfahrzeugen Verwendung findet,
beispielsweise als Teil eines Hybridmotors oder in Hilfseinrichtungen wie
Antiblockiersysteme, Lenksysteme, Bremssysteme oder Scheibenwischereinrichtungen
oder Fensterheber, weist in einem Statorgehäuse einen Stator auf
sowie einen Rotor, der eine Rotorwelle und einen mit der Rotorwelle
umlaufenden Anker umfasst. Ein Bauteil des Rotors ist axial zwischen
einer Bremsstellung und einer Betriebs- bzw. Laufstellung verschieblich
gelagert, wobei in der Bremsstellung dieses Bauteil des Rotors in
einer Bremsposition mit einem korrespondierenden, statorfesten Bremsteil
liegt. Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem
axial verschieblichen Bauteil um den Anker, der relativ zur Rotorwelle
axial verschiebbar gelagert ist.
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Damit
wird die Möglichkeit eröffnet, die axiale Verstellbewegung
für die Überführung zwischen Brems- und
Betriebsposition ausschließlich oder zumindest im Wesentlichen
von dem Anker ausführen zu lassen, wohingegen die Rotorwelle
in Achsrichtung unverschieblich und lediglich mit der Möglichkeit einer
Drehbewegung lagerbar ist. Gegebenenfalls ist es aber auch zweckmäßig,
dass auch die Rotorwelle eine Axialverschiebung ausführen
kann; in diesem Fall können die axialen Verschiebebewegungen
von Rotorwelle und Anker zu einem gemeinsamen Stellweg aufaddiert
werden. Im Hinblick auf eine konstruktiv einfache Ausführung
der Lagerstellen ist es aber vorteilhaft, die Rotorwelle im Stator
bzw. im Statorgehäuse drehbar zu lagern, ohne die Möglichkeit einer
axialen Verschiebebewegung vorzusehen. Sofern eine derartige Verschiebebewegung
der Rotorwelle dennoch erwünscht oder erforderlich ist,
wird diese vorzugsweise auf kleine Stellwege beschränkt, die
insbesondere signifikant kleiner sind als der Stellweg, welcher
von dem Anker axial in Bezug auf die Rotorwelle ausgeübt
wird.
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Der
Anker ist vorzugsweise sowohl in der Laufstellung als auch in der
Bremsstellung drehfest mit der Rotorwelle verbunden, um die Antriebs-
und Bremsmomente übertragen zu können. Dies erfolgt beispielsweise über
eine Längsverzahnung zwischen Anker und Rotorwelle, die
zum einen eine axiale Relativverschiebung des Ankers gegenüber
der Rotorwelle erlaubt, zum andern aber eine Relativdrehbewegung
verhindert. Möglich ist aber auch eine Ausführung
mit einer kombinierten axialen Verschiebung und einer Drehbewegung
des Ankers gegenüber der Rotorwelle, was beispielsweise
mittels einer Gewindeverzahnung zwischen Anker und Rotorwelle erreicht
werden kann. Die letztgenannte Ausführung bietet außerdem
den Vorteil, dass größer dimensionierte Bremsfedern
eingesetzt werden können, die den Anker in die Bremsstellung
kraftbeaufschlagen, da über die Gewindeübersetzung die
Rückstellung des Ankers aus der Brems- zurück
in die Laufstellung durch die elektromotorische Kraft bei Bestromung des
Motors eine entsprechende Verstärkung erfährt. Auf
diese Weise sind höhere Bremskräfte zu erzielen.
Es kann zweckmäßig sein, in der Betriebs- bzw. Laufstellung
den Anker drehfest mit der Rotorwelle zu verriegeln, um in diesem
Betriebszustand eine axiale Relativverstellung des Ankers gegenüber
der Rotorwelle zu verhindern.
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Gemäß weiterer
zweckmäßiger Ausführung ist an dem Anker
eine Bremsscheibe gehalten, die in der Bremsstellung gegen ein statorfestes
Bremsteil gedrückt wird. Die Bremsscheibe kann gegenüber dem
Anker in Achsrichtung relativverschieblich angeordnet sein, wobei
in diesem Fall zwischen Anker und Bremsscheibe ein Bremsfederelement
angeordnet ist, welches die Bremsscheibe mit dem Anker koppelt und
die Bremsscheibe in die Bremsstellung kraftbeaufschlagt. Sobald
der Anker von dem auf ihn wirkenden, am Statorgehäuse abgestützten
Federelement in die Bremsstellung verschoben wird, gelangt die Bremsscheibe
in Kontakt mit dem statorfesten Bremsteil, wodurch ein Bremsmoment
erzeugt wird, welches den Anker und die Rotorwelle bremst. Mit zunehmender
Annäherung des Ankers an das statorfeste Bremsteil wird
auch die axial wirkende Bremskraft und damit auch das Bremsmoment
größer. Über die Bremsfeder zwischen
dem Anker und der Bremsscheibe wird ein sprunghafter Anstieg der
Bremskraft bzw. des Bremsmomentes vermieden, insbesondere für
den Fall, dass die Bremsfeder tordieren kann, so dass das Bremsmoment
zunächst in eine Torsionsbewegung der Bremsfeder umgesetzt
wird und erst mit Verzögerung eine entsprechende, auf den
Anker und die Rotorwelle wirkende Bremsfunktion entfaltet.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und
den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 einen
Schnitt durch einen Elektromotor, der insbesondere als Stell- oder
Antriebsmotor in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird, mit einem Stator
in einem Statorgehäuse und einem Rotor, welcher einen Anker
auf einer Rotorwelle umfasst, wobei der Anker gegenüber
der Rotorwelle axial verschieblich angeordnet ist, dargestellt in
einer Bremsstellung, in der eine Bremsscheibe am Anker in Bremskontakt mit
einem Bremsteil am Statorgehäuse liegt,
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2 der
Elektromotor nach 1, jedoch in der Betriebs- bzw.
Laufstellung, in der die Bremsscheibe am Anker auf Abstand zum Bremsteil
am Statorgehäuse liegt, so dass Rotorwelle und Anker frei
umlaufen können,
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3 und 4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines Elektromotors mit einem
axial zwischen einer Bremsstellung und einer Betriebsstellung verschiebbaren
Rotorteil, dargestellt in Bremsstellung (3) bzw.
Betriebsstellung (4),
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5 eine
stirnseitige Ansicht auf die Bremsscheibe mit einer Darstellung
einer Axialverzahnung zur Erhöhung des Reibschlusses in
der Bremsstellung.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei
dem in den Figuren dargestellten Elektromotor 1 handelt
es sich insbesondere um einen Innenläufer-Gleichstrommotor,
wobei im Rahmen der Erfindung auch eine Anwendung auf Außenläufermotoren
und gegebenenfalls auf Wechselstrom- bzw. Drehstrommotoren in Betracht
kommt.
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Wie
in den 1 und 2 dargestellt, umfasst der Elektromotor 1 einen
Stator 2, der in einem Statorgehäuse 3 angeordnet
ist, sowie einen Rotor 4 im Inneren des Stators 2,
der eine rotierend gelagerte Rotorwelle 5 und einen drehfest
mit der Rotorwelle 5 verbundenen Anker 6 umfasst.
Der Stator 2 umfasst Permanentmagnete 7 auf der
Innenseite des Statorgehäuses 3. Dem Anker 6 ist
eine bestrombare Wicklung 8 zugeordnet, in der bei Strombeaufschlagung ein
magnetisches Wechselfeld erzeugt wird. Gegebenenfalls ist es auch
möglich, anstelle der Permanentmagnete 7 im Stator 2 eine
bestrombare Erregerwicklung vorzusehen. Außerdem können
im Anker 6 Permanentmagnete anstelle der Wicklung vorgesehen
sein.
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Die
Rotorwelle 5 ist axial unverschieblich, jedoch drehbar
im Statorgehäuse 3 gelagert. Hierzu sind in Lageraufnahmen 9 und 10,
die als Ausbuchtungen im Statorgehäuse 3 ausgebildet
sind, Drehlager 11 bzw. 12 aufgenommen, in denen
die Rotorwelle 5 drehbar gelagert ist.
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Der
Anker 6 einschließlich der Wicklung 8 ist drehfest
mit der Rotorwelle 5 verbunden, jedoch gegenüber
der Rotorwelle 5 axial verschieblich gehalten. Der Anker 6 wird
von einem Federelement 13, welches sich im Bereich einer
axialen Stirnseite an der Innenwand des Statorgehäuses 3 abstützt,
in eine Bremsstellung kraftbeaufschlagt. Diese Bremsstellung wird
mithilfe einer Bremsscheibe 15 erreicht, die gegen ein
gehäusefest angeordnetes Bremsteil 16 gedrückt
wird. Die Bremsscheibe 15 ist mit dem Anker 6 verbunden,
und zwar über ein Bremsfederelement 14, das auf
der dem Federelement 13 gegenüberliegenden Stirnseite
angeordnet ist. Der Anker 6 wird von dem Federelement 13 permanent
in die Bremsstellung kraftbeaufschlagt. Die Bremsstellung wird im
nicht bestromten Zustand des Elektromotors 1 eingenommen.
Sobald der Elektromotor bestromt wird, bewirkt das dadurch erzeugte
Magnetfeld zwischen Stator und Rotor eine axiale Verschiebung des Ankers 6 aus
der Bremsstellung zurück in die Betriebs- bzw. Laufstellung,
in der die Bremsscheibe 15 vom Bremsteil 16 ausgerückt
ist und der Anker 6 einschließlich der Rotorwelle 5 im
Stator umlaufen kann.
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Um
eine Relativdrehbewegung des Ankers 6 gegenüber
der Rotorwelle 5 zu verhindern, ist auf der Mantelfläche
des Rotors 5 eine Längsverzahnung 17 angeordnet,
die mit einer korrespondierenden Verzahnung auf der Innenseite des
Ankers zusammenwirkt. Diese Längsverzahnung ermöglicht
ein axiales Verschieben des Ankers 6 gegenüber
der Rotorwelle 5, sie verhindert aber durch den Formschluss
in Umfangsrichtung eine Relativdrehbewegung des Ankers.
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Grundsätzlich
ist es auch möglich, anstelle der Längsverzahnung
eine Gewindeverzahnung mit spiralförmig umlaufendem Gewinde
zwischen Rotorwelle und Anker vorzusehen, wodurch grundsätzlich auch
eine zusätzliche Relativdrehbewegung zwischen Anker und
Rotorwelle ermöglicht wird.
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In 2 ist
der Elektromotor 2 mit dem Anker 6 in Betriebs-
bzw. Laufstellung dargestellt. Der maximal mögliche axiale
Verstellweg zwischen der Betriebsstellung und der Bremsstellung
ist mit Δl gekennzeichnet. In der Betriebs- bzw. Laufstellung
ist die Bremsscheibe 15, die mit dem Anker 6 verbunden ist,
aus der Bremsstellung ausgerückt, es besteht kein Kontakt
zum statorfesten Bremsteil 16.
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In
den 3 und 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Innenläufer-Gleichstrom-Elektromotors dargestellt,
der weitgehend den gleichen Aufbau wie das erste Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 aufweist,
jedoch mit dem Unterschied, dass der Anker 6 sowohl in
Drehrichtung als auch in Achsrichtung fest mit der Rotorwelle 5 verbunden
ist. Die Axialverschiebung des Rotors 4 relativ zum Stator 2 erfolgt
durch axiales Verstellen der Rotorwelle 5, die zu diesem
Zweck im Statorgehäuse 3 in den Drehlagern 11 und 12 drehbar sowie
axial verschieblich gelagert ist. Zur Überführung
von der Betriebs- in die Bremsstellung wird der gesamte Rotor 4 von
dem Federelement 13 kraftbeaufschlagt, das in der als Ausbuchtung
ausgeführten Lageraufnahme 10 im Statorgehäuse 3 auf
der dem Anker 6 abgewandten Seite des Drehlagers 12 aufgenommen
ist.
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Es
kann auch vorteilhaft sein, im Ausführungsbeispiel nach 3 und 4 zusätzlich
zur axialen Vestellmöglichkeit der Rotorwelle 5 eine
axiale Relativverschiebung des Ankers 6 gegenüber
der Rotorwelle 5 zuzulassen.
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In 5 ist
die Stirnseite der Bremsscheibe 15 dargestellt, die mit
dem Anker 6 über die Bremsfeder 14 verbunden
ist. An der Stirnseite der Bremsscheibe 15, auf der dem
statorfesten Bremsteil 16 zugewandten Seite, befindet sich
eine Axialverzahnung 18, die als einzelne, axial überstehende
Lamellen ausgeführt ist. In der Bremsposition liegen diese
Lamellen, die vorteilhafterweise auch eine Komponente in Umfangsrichtung
aufweisen, an dem Bremsteil an und bewirken eine Erhöhung
der Bremskraft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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