DE102023132511A1

DE102023132511A1 - Elektrische Maschine und Drehwinkelsensor mit einer solchen elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102023132511A1
Application number: DE102023132511.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Schmid; Andreas Krieger; Armin Kleiser; Dominik Schiller
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2023-11-22
Filing date: 2023-11-22
Publication date: 2025-05-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor, der umlaufend um eine Drehachse gelagert ist; mit einem den Rotor in Umfangsrichtung um die Drehachse außen umschließenden Stator; mit einem Gehäuse, das den Rotor und den Stator außen, in Umfangsrichtung um die Drehachse umschließt, wobei der Stator im Gehäuse fixiert ist und das Gehäuse und der Stator aus zueinander verschiedenen Werkstoffen mit zueinander verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt sind. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Stator in Richtung der Drehachse in einer ersten Axialrichtung ortsfest an einem Axialanschlag im Gehäuse anliegt und in einer zweiten, der ersten Axialrichtung entgegengesetzten Axialrichtung mit einem elastischen Spannring im Gehäuse fixiert ist, der radial innen am Gehäuse montiert ist und den Stator in der ersten Axialrichtung federelastisch abstützt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und einen Drehwinkelsensor in Form eines Resolvers, der eine solche elektrische Maschine umfasst.
Gattungsgemäße elektrische Maschinen weisen einen umlaufend um eine Drehachse gelagerten Rotor und einen den Rotor in Umfangsrichtung um die Drehachse außen umschließenden Stator auf, wobei ein Gehäuse wiederum den Rotor und den Stator außen, in Umfangsrichtung um die Drehachse gemeinsam umschließt.
Der Stator ist im Gehäuse fixiert und häufig sind das Gehäuse und der Stator aus verschiedenen Werkstoffen mit zueinander verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt. Beispielsweise ist der Stator zu einem wesentlichen Teil aus Metall hergestellt und das Gehäuse aus Kunststoff.
Die zueinander verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Stators und des Gehäuses führen zu unterschiedlichen thermisch bedingten Längenänderungen des Stators und des Gehäuses in Richtung der Drehachse. Daher muss der Stator derart im Gehäuse fixiert werden, dass die unterschiedlichen thermischen Dehnungen nicht zu einem Schaden führen.
Eine in der Praxis bekannte Fixierung des Stators im Gehäuse umfasst einen Niederhalter, der über den Stator geclipt wird, um dadurch an einer axialen Seite des Stators eine ortsfeste Fixierung des Stators im Gehäuse zu erreichen. Auf der anderen axialen Seite des Stators kann zwischen einem Anschlag im Gehäuse und dem Stator ein elastischer O-Ring angeordnet werden, der die axialen Ausdehnungsdifferenzen und Bauteiltoleranzen ausgleicht.
Nachteilig an der bekannten Lösung ist der Bauraum, den die Fixierung des Stators im Gehäuse erfordert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine der dargestellten Art derart zu verbessern, dass die Fixierung des Stators im Gehäuse mit einem möglichst geringen Bauraum auskommt und zugleich unterschiedliche thermische Dehnungen aufgrund zueinander verschiedener Werkstoffe des Stators und des Gehäuses sicher beherrscht werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung. Ferner wird ein Drehwinkelsensor in Form eines Resolvers angegeben, der eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen Rotor, der umlaufend um eine Drehachse gelagert ist, ferner einen den Rotor in Umfangsrichtung um die Drehachse außen umschließenden Stator und ein Gehäuse, das den Rotor und den Stator außen, in Umfangsrichtung um die Drehachse umschließt.
Der Stator ist im Gehäuse fixiert und das Gehäuse und der Stator sind aus zueinander verschiedenen Werkstoffen mit zueinander verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt.
Erfindungsgemäß liegt der Stator in Richtung der Drehachse in einer ersten Axialrichtung ortsfest an einem Axialanschlag im Gehäuse an und ist in einer zweiten, der ersten Axialrichtung entgegengesetzten Axialrichtung mit einem elastischen Spannring im Gehäuse fixiert, der radial innen am Gehäuse montiert ist und den Stator in der ersten Axialrichtung federelastisch abstützt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Axialanschlag durch einen Gehäuseboden gebildet. Beispielsweise ist das Gehäuse topfförmig und weist den Gehäuseboden, insbesondere ebenen Gehäuseboden, auf, an den sich eine zylinderförmige Gehäusewand anschließt. Der Stator, der insbesondere kreiszylinderförmig ist, kann dann auf dem Gehäuseboden stehen.
Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Axialanschlag durch einen Absatz in einer den Stator in Umfangsrichtung außen umschließenden Gehäusewand gebildet. Der Stator ist demnach in der ersten Axialrichtung auf diesem Absatz in der Gehäusewand gelagert, bevorzugt unmittelbar.
Bei der Ausführungsform mit einem Absatz in der Gehäusewand kann der Stator einen Abstand vom Gehäuseboden aufweisen.
Der Spannring ist bevorzugt als über dem Umfang um die Drehachse unterbrochener Innensicherungsring ausgeführt, der federelastisch radial von innen in eine umlaufende Nut in einer den Stator in Umfangsrichtung umschließenden Gehäusewand eingesteckt ist. Damit kann der Spannring besonders leicht radial innen an der Gehäusewand montiert werden.
Bevorzugt erstreckt sich der Spannring zum größten Teil innerhalb einer senkrecht zur Drehachse angeordneten Axialebene und weist eine Mehrzahl, beispielsweise zwei, drei oder vier, über dem Umfang verteilt angeordnete, das heißt in Umfangsrichtung mit Abstand zueinander vorgesehene, axial aus der Axialebene herausstehende federelastische Füße auf, die am Stator abgestützt sind. Die Füße können beispielsweise durch Abkantungen im Spannring gebildet werden und insbesondere eine U-Form aufweisen. Damit kann sich der Spannring als kontinuierliches Band innerhalb der Axialebene und im Bereich jeden Fußes aus der Axialebene heraus, bevorzugt parallel zur Axialebene, und wieder in die Axialebene hinein erstrecken.
Bevorzugt ist der Spannring aus Federstahl hergestellt.
Ein erfindungsgemäßer Drehwinkelsensor in Form eines Resolvers umfasst eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, wobei zumindest der Stator eine Vielzahl von elektrischen Wicklungen aufweist und der Rotor und Stator derart induktiv miteinander gekoppelt sind, dass in wenigstens einer der elektrischen Wicklungen eine Wechselspannung in Abhängigkeit einer Winkellage des Rotors variiert. Durch Abgreifen dieser Wechselspannung kann dann die Winkellage des Rotors exakt bestimmt werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren exemplarisch beschrieben werden.
Es zeigen:

1 eine beispielhafte dreidimensionale Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine;
2 einen Axialschnitt durch die elektrische Maschine aus der 1;
3 einen schematischen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine.

In der 1 ist eine erfindungsgemäße ausgeführte elektrische Maschine in einer dreidimensionalen Darstellung gezeigt, die als Resolver ausgeführt ist. Die elektrische Maschine umfasst einen Rotor 1, der nur schematisch angedeutet ist. Der Rotor 1 umfasst zwei Pole und ist deswegen in einer Draufsicht auf die Drehachse 2 elliptisch ausgeführt.
Der Rotor 1 ist drehbar um die Drehachse 2 gelagert und wird auf seinem radial äußeren Umfang vom Stator 3 umschlossen. Der Stator 3 umfasst drei Wicklungen, die nur schematisch anhand der elektrischen Anschlüsse 7 dargestellt sind, hier sechs elektrische Anschlüsse für drei Wicklungen, eine Wicklung zum Aufbringen einer Eingangsspannung und zwei Wicklungen zum Aufbringen von Ausgangsspannungen.
Der Stator 3 wird radial außen dicht von der Seitenwand 4.2 des Gehäuses 4 umschlossen. In einer ersten Axialrichtung, die in Richtung der Drehachse 2 verläuft, liegt der Stator 3 ortsfest an einem Axialanschlag 5 im Gehäuse 4 an. Wie in der 2 gezeigt ist, kann der Axialanschlag 5 beispielsweise durch einen Absatz 4.4 in der Gehäusewand 4.2 gebildet werden. Das Ausführungsbeispiel gemäß der 3 zeigt die Ausbildung des Axialanschlags 5 durch den Gehäuseboden 4.1.
In der zweiten Axialrichtung, die der ersten Axialrichtung entgegengesetzt ist, ist der Stator 3 mit einem elastischen Spannring 6 im Gehäuse 4 fixiert. Der elastische Spannring 6 ist radial innen am Gehäuse 4 montiert und stützt den Stator 3 in der ersten Axialrichtung federelastisch ab.
Im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 ist der elastische Spannring 6 als Innensicherungsring ausgebildet und radial von innen in eine umlaufende Nut 4.3 in der Gehäusewand 4.2 federelastisch eingesetzt. Der Spannring 6 erstreckt sich zum größten Teil innerhalb einer senkrecht zur Drehachse 2 angeordneten Axialebene. Nur die über dem Umfang verteilt angeordneten federelastischen Füße 6.1, die auf dem Stator 3 abgestützt sind, ragen aus der Axialebene in Richtung des Stators 3 heraus. Entsprechend ist die umlaufende Nut 4.3 in Richtung der Drehachse 2 mit Abstand zum Stator 3 positioniert.
Die Füße 6.1 sind einfach durch Abkantungen im Spannring 6 gebildet, der bevorzugt aus Federstahl hergestellt ist.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß der 3 sind die federelastischen Füße 6.1 beispielhaft als Gummielemente ausgeführt, die am Innensicherungsring montiert, beispielsweise anvulkanisiert, sind.
Das Gehäuse 4 ist insbesondere aus Kunststoff hergestellt, der Stator 3 besteht insbesondere zumindest zum überwiegenden Teil aus Metall.
Durch die federelastische Abstützung des Spannrings 6 auf dem Stator 3 können unterschiedliche Temperaturdehnungen zwischen dem Stator 3 und dem Gehäuse 4 einfach kompensiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
2: Drehachse
3: Stator
4: Gehäuse
4.1: Gehäuseboden
4.2: Gehäusewand
4.3: umlaufende Nut
4.4: Absatz
5: Axialanschlag
6: Spannring
6.1: Fuß
7: elektrische Anschlüsse

Claims

Elektrische Maschine mit einem Rotor (1), der umlaufend um eine Drehachse (2) gelagert ist; mit einem den Rotor (1) in Umfangsrichtung um die Drehachse (2) außen umschließenden Stator (3); mit einem Gehäuse (4), das den Rotor (1) und den Stator (3) außen, in Umfangsrichtung um die Drehachse (2) umschließt, wobei der Stator (3) im Gehäuse (4) fixiert ist und das Gehäuse (4) und der Stator (3) aus zueinander verschiedenen Werkstoffen mit zueinander verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt sind; dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (3) in Richtung der Drehachse (2) in einer ersten Axialrichtung ortsfest an einem Axialanschlag (5) im Gehäuse (4) anliegt und in einer zweiten, der ersten Axialrichtung entgegengesetzten Axialrichtung mit einem elastischen Spannring (6) im Gehäuse (4) fixiert ist, der radial innen am Gehäuse (4) montiert ist und den Stator (3) in der ersten Axialrichtung federelastisch abstützt.
Elektrische Maschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialanschlag (5) durch einen Gehäuseboden (4.1) gebildet wird.
Elektrische Maschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Axialanschlag (5) durch einen Absatz in einer den Stator (3) in Umfangsrichtung umschließenden Gehäusewand (4.2) gebildet wird.
Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannring (6) als über dem Umfang um die Drehachse (2) unterbrochener Innensicherungsring ausgeführt ist, der federelastisch, radial von innen in eine umlaufende Nut (4.3) in eine den Stator (3) in Umfangsrichtung umschließenden Gehäusewand (4.2) eingesetzt ist.
Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Spannring (6) zum größten Teil innerhalb einer senkrecht zur Drehachse (2) angeordneten Axialebene erstreckt und eine Mehrzahl von über dem Umfang verteilt angeordneten, axial aus der Axialebene herausstehenden federelastischen Füßen (6.1) aufweist, die am Stator (3) abgestützt sind.
Elektrische Maschine gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Füße (6.1) durch Abkantungen im Spannring (6) gebildet werden und insbesondere eine U-Form aufweisen.
Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannring (6) aus Federstahl hergestellt ist.
Drehwinkelsensor in Form eines Resolvers, der eine elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst, wobei zumindest der Stator (3) eine Vielzahl von elektrischen Wicklungen aufweist und der Rotor (1) und der Stator (3) derart induktiv miteinander gekoppelt sind, dass eine in wenigstens einer Wicklung erzeugte Wechselspannung in Abhängigkeit einer Winkellage des Rotors (1) variiert.