DE69810248T2

DE69810248T2 - Gehäuse für einen ultra-lärmarmen elektrischen Motor

Info

Publication number: DE69810248T2
Application number: DE69810248T
Authority: DE
Inventors: Marek Horski; Haran K. Periyathamby
Original assignee: Siemens VDO Automotive Inc
Current assignee: Continental Tire Canada Inc
Priority date: 1997-10-08
Filing date: 1998-10-02
Publication date: 2003-07-03
Anticipated expiration: 2018-10-03
Also published as: US5905320A; EP0915555A1; EP0915555B1; DE69810248D1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Elektromotoren für Kraftfahrzeuganwendungen und insbesondere einen Elektromotor, bei dem schwingungsreduzierende und schalltechnische Prinzipien zur Anwendung kommen, um von Bauteilen verursachte Schwingungen und während des Betriebs erzeugte Geräusche zu minimieren.

Beschreibung des Standes der Technik

Gleichstrom-Elektromotoren mit unter 1 PS liegender Leistung werden in der Automobilindustrie üblicherweise eingesetzt, um Heizungs-, Belüftungs- und/oder Klimatisierungssysteme, Motorkühlerlüfter usw. zu betreiben. Diese Motoren beinhalten allgemein einen Außenrahmen oder ein Außengehäuse sowie einen zwecks Drehbewegung innerhalb des Gehäuses montierten Anker. Ein elektrischer Strom wird durch elektromagnetische Wicklungen des Ankers geleitet, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, das mit innerhalb des Gehäuses dauerhaft befestigten Magneten zusammenwirkt, um eine Drehung des Ankers und damit eine Energieversorgung des Systems zu bewirken.
Aufgrund verschiedener Faktoren, wie beispielsweise eines Motor- oder Ankerungleichgewichts, ungleichförmiger magnetischer Kräfte und Lagerdefekte, kann der Betrieb des Motors eine übermäßige Oberflächenschwingung der Motorbauteile verursachen. Diese Schwingung bewirkt die Erzeugung von unerwünschten luftübertragenen Geräuschen und unerwünschtem konstruktionsbedingtem Schall, der sich häufig in das Innere des Fahrzeugs fortpflanzt und damit den Komfort der Fahrzeugpassagiere nachteilig beeinflußt.
Automobilhersteller und Zulieferer sind darum bemüht, das Abstrahlen akustischer Schwingungen von Elektromotoren zu minimieren. Ein herkömmlicher Lösungsweg sieht nachgiebige Unterlegscheiben vor, die um die Ankerwelle herum in der Nähe der Lager positioniert sind, um der Bewegung des Ankers im Verhältnis zum Rahmen entgegenzuwirken und dadurch zu versuchen, die von der Axialbewegung des Ankers verursachten Geräusche zu minimieren. Andere Lösungswege zur Geräuschunterdrückung beinhalten die Verwendung von geräuschabsorbierenden Materialien, Barrieren und Schaltungen. Ein schwingungsreduzierendes System für einen Elektromotor wird beispielsweise in der US-A-5 497 039 beschrieben.
Keiner der vorstehend beschriebenen Bemühungen bietet jedoch eine Komplettlösung zur wirksamen Unterdrückung von durch einen Elektromotor verursachten Schwingungen und Geräuschen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft folglich einen schnellaufenden Elektromotor für Kraftfahrzeuganwendungen, der so ausgelegt ist, daß Schwingungen seiner Bauteile wirksam minimiert und somit während seines Betriebs erzeugte Geräusche unterdrückt werden.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Gehäuse für einen Elektromotor in einer Ausführung, die einen Anker mit einer Ankerwelle und Magnetmittel zur Induzierung einer Drehbewegung der Ankerwelle beinhaltet. Das Gehäuse beinhaltet ein Gehäuseelement, das so dimensioniert ist, daß Geräuschenergie minimiert wird, sowie einen Hauptkörperabschnitt mit einer Innenkammer, in der der Anker und die Magnetmittel mindestens teilweise untergebracht werden können. Der Hauptkörperabschnitt definiert eine Axiallänge und eine Innenquerschnittsabmessung. Die Länge beträgt weniger als ungefähr die 1,25fache Distanz der Innenabmessung. Mit diesem speziellen Abmessungsverhältnis bewirkt das Gehäuse tatsächlich, wie gewünscht, ein reaktives Intensitätsfeld, um mindestens teilweise einem während des Betriebs erzeugten aktiven Intensitätsfeld entgegenzuwirken. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Axiallänge des Gehäuseelements in einem Bereich, der ungefähr der 0,65- bis ungefähr 0,80fachen Distanz der Innenabmessung entspricht, um das erwünschte reaktive Feld zu bewirken.
In einer alternativen Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung einen Elektromotor für Kraftfahrzeuganwendungen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er eine minimale Geräuschabstrahlung aufweist. Der Elektromotor beinhaltet ein Gehäuse, das ein offenes und ein geschlossenes Ende aufweist und eine Innenkammer definiert, einen innerhalb der Innenkammer des Gehäuses befindlichen Anker mit einer drehbaren Ankerwelle, sowie eine am hinteren Ende des Gehäuses montierte Endkappe, um die Innenkammer des Gehäuses im wesentlichen abzuschließen. Das Gehäuse ist so dimensioniert, daß ein reaktives Intensitätsfeld geschaffen wird, um einem während des Betriebs erzeugten aktiven Intensitätsfeld mindestens teilweise entgegenzuwirken.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nachstehend ausführlicher beschrieben; dabei sind:
Fig. 1 eine Seitenquerschnittsansicht des in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruierten ultraleisen Elektromotors;
Fig. 1A eine Seitenquerschnittsansicht des Gehäuses des Elektromotors der Fig. 1;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht mit separat dargestellten Teilen des Elektromotors der Fig. 1;
Fig. 3 eine Axialdraufsicht des hinteren Endes des Motors, die die Endkappe und den Motormontageflansch zeigt;
Fig. 4 eine grafische Darstellung, die das Verhältnis zwischen dem Phasenwinkel und den Längen/Durchmesser-Abmessungen des Gehäuses zeigt;
Fig. 5 eine Axialdraufsicht der Endkappe;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht der Endkappe entlang den Linien 6-6 der Fig. 5;
Fig. 7 eine Ansicht entlang den Linien 7- 7 der Fig. 6, die die Öffnung in der Endkappe zur Unterbringung des elektrischen Anschlußteils zeigt;
Fig. 8 eine Axialdraufsicht des Lagergehäuses zur Abstützung des Gleitlagers;
Fig. 9 und 10 Querschnittsansichten des Lagergehäuses entlang den jeweiligen Linien 9-9 und 10- 10 der Fig. 8;
Fig. 11 eine Axialdraufsicht der Antischwingungs/Dämpfungsunterlegscheibe (AVD);
Fig. 12 eine Querschnittsansicht der AVD- Unterlegscheibe entlang den Linien 12-12 der Fig. 11;
Fig. 13 eine perspektivische Ansicht der Bürstenträgereinheit, die das Bürstenträgermontageteil und den Bürstenträger zeigt;
Fig. 14 eine Axialdraufsicht der Bürstenträgereinheit der Fig. 13;
Fig. 15 und 16 Querschnittsansichten der Bürstenträgereinheit entlang den jeweiligen Linien 15- 15 und 16-16 der Fig. 14; und
Fig. 17 eine Ansicht entlang den Linien 17-17 der Fig. 14, die die Öffnung im Bürstenträgermontageteil zur Aufnahme des elektrischen Anschlußteils zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Allgemeines

Im allgemeinen kommen bei dem Motor gemäß der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise schalltechnische Prinzipien zur Anwendung, um vom Motor abgestrahlte Schwingungen und Geräusche dramatisch zu minimieren, so daß der Geräuschpegel im Innern eines Kraftfahrzeugs herabgesetzt wird. Der Motor kann für eine Reihe unterschiedlicher Kraftfahrzeuganwendungen ausgelegt sein, zu denen Heizungs-, Belüftungs- und Klimatisierungssysteme sowie Motorkühlerlüfter usw. zählen.
Nach einer allgemeinen Beschreibung der vorliegenden Erfindung teilt sich die Beschreibung in separate Abschnitte, in denen die hierin zur Anwendung kommenden konstruktiven und schalltechnischen Prinzipien zur Minimierung der Schwingungs- und Geräuschpegel beschrieben werden.
Nunmehr wird ausführlich auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen in den verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszahlen ähnliche oder gleiche Elemente bezeichnen. Die Fig. 1-3 zeigen den ultraleisen Elektromotor in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Die Fig. 1-2 sind Querschnittsansichten bzw. auseinandergezogene Ansichten des Motors, und Fig. 3 ist eine hintere Axialdraufsicht des Motors. Die Querschnittsansicht der Fig. 1 zeigt einen Schnitt entlang den Linien 1-1 der Fig. 3.
Der Motor 10 beinhaltet ein Gehäuse oder eine Ummantelung 12, die einen Innenhohlraum 14 definiert, eine am hinteren Ende des Gehäuses 12 montierte Endkappe 16, um den Hohlraum 14 abzuschließen, sowie eine Ankereinheit 18, die zwecks Drehbewegung innerhalb des Gehäuses 12 von einer vorderen und einer hinteren Lagereinheit 20 bzw. 22 abgestützt ist. Der Motor 10 beinhaltet weiterhin eine Bürstenträgereinheit 24, die neben der Endkappe 16 montiert ist, und einen Kollektor 26, der mit der Bürstenträgereinheit 24 zusammenwirkt, um die Ankereinheit 18 mit elektrischem Strom zu versorgen. Ein Montageflansch 28 ist mit dem Gehäuse 14 verbunden, um den Motor 10 betriebswirksam mit einem Stützabschnitt des Fahrzeugs zu verbinden oder daran zu montieren.

Gehäuse

Das Gehäuse 12 besitzt, wie aus den Fig. 1 und 1A ersichtlich, ein vorderes Gehäuseende 12a, das einen geschlossenen zentralen Nabenabschnitt 30 und einen abgestuften Bereich 32 definiert, der durch mehrere Stufen, die vom Nabenabschnitt 30 aus zum Hauptabschnitt des Gehäuses 12 verlaufen, gekennzeichnet ist. Der zentrale Nabenabschnitt 30 ist so ausgeführt, daß die Montage der Lagereinheit 20, wie nachstehend ausführlich beschrieben, erleichtert wird. Der abgestufte Bereich 32 vergrößert die wirksame Länge oder Fläche des vorderen Gehäuseendes 12a und verstärkt als Folge davon das Absorbieren von Schwingungsenergie, die von der vorderen Lagereinheit 20 abgestrahlt wird.
Das Gehäuse 12 beinhaltet weiterhin mehrere Belüftungsöffnungen 34, die durch das vordere Gehäuseende 12a und den ersten Ausschnittabschnitt 36 (Fig. 2) verlaufen, der im hinteren Gehäuseende 12b definiert ist. Der erste Ausschnittabschnitt 36 nimmt das Belüftungsrohr 38 (Fig. 3) auf, das innerhalb des ersten Ausschnittabschnitts 36 positioniert ist und darin von der Endkappe 16 und der Bürstenhaltereinheit 24 gehalten wird. Die Belüftungsöffnungen 34 und das Belüftungsrohr 38 stellen für die Ankereinheit 18 eine ausreichende Luftzirkulation bereit, um die Bauteile der Einheit während des Betriebs zu kühlen. Das Gehäuse 12 definiert außerdem einen zweiten. Ausschnittabschnitt 40 und diametral gegenüberliegende, radial verlaufende Montagefüße 42. Der zweite Ausschnittabschnitt 40 nimmt das elektrische Anschlußteil 44 auf. Die Montagefüße 42 erleichtern die Montage der Endkappe 16 und der Bürstenhaltereinheit 24 am Gehäuse, wie nachstehend beschrieben.
Das Gehäuse 12 ist vorteilhafterweise so dimensioniert, daß es passiven Geräuschunterdrückungsprinzipien entspricht, um das reaktive Nahfeld- Schallfeld um den Motor herum zu verstärken. Im allgemeinen bestimmt der Phasenwinkel zwischen dem Schalldruck- und dem Teilchengeschwindigkeitsfeld den Inhalt der aktiven und reaktiven Intensität der Nahfeld-Schallfortpflanzung. Je stärker das reaktive Feld ist, um so größer ist die Kontrolle über die von den Motorbauteilen ins Fernfeld bewirkte Geräuschfortpflanzung. Der Phasenwinkel hängt mindestens teilweise von den Gehäuseabmessungen ab, und die Stärke des reaktiven Intensitätsfeldes kann, bei geeigneter Wahl, maximiert werden, so daß eine Zerstörung des von den Motorbauteilen erzeugten aktiven Intensitätsfeldes bewirkt wird.
Da das Gehäuse 12 eine grundsätzlich zylindrische Form aufweist, können die am Gehäuse 12 erzeugten Oberflächenschwingungen in dieser Hinsicht als eine Reihe sich drehender sinusförmiger Verdrängungswellen angesehen werden, die auf die zylindrische Oberfläche der Maschine einwirken. Die Phasendifferenz zwischen dem Schalldruck und der Teilchengeschwindigkeit ist durch folgende Gleichung dargestellt:
QA = cos(hz)Jm{r (k² - h²)} - sin(hz)Ym{r (k² - h²)}
QB = cos(hz)Ym{r (k² - h²)} + sin(hz)Jm{r (k² - h²)}
QC = Jm-1{a (k² - h²)} - Jm+1{a (k² - h²)}
QD = Ym-1{a (k² - h²)} - Ym+1{a (k² - h²)}
X = -j{a (k² - h²)}
Ki = eine modifizierte Bessel-Funktion
JL = eine Bessel-Funktion der ersten Art
Yi = die Bessel-Funktion der zweiten Art
k (Wellenzahl) = ω(Winkelfrequenz)/c(Schallgeschwindigkeit)
2b = Länge des Gehäuses 12
2a = Durchmesser des Gehäuses 12
z = Axialabstand, ausgehend vom Zentrum des Gehäuses 12 des Empfängers
r = Radialstandort des Empfängers
Φ = Winkelposition des Empfängers
h = eine Konstante, die allgemein der Dicke des Gehäuses 12 nahekommt
Somit variiert der Phasenwinkel θp-v, wie aus den Gleichungen erkennbar, mit der Wellentypanzahl m, dem Radius der Oberfläche r, der Wellenzahl k (k = w/c, wobei w die Winkelfrequenz ist und c = Schallgeschwindigkeit), und mit dem Axialabstand z von der Quelle und ist außerdem von den verschiedenen Gehäuseabmessungen, zu denen die Gehäuselänge 2a und der Gehäusedurchmesser 2b der Maschine (siehe Fig. 1a) zählen, abhängig.
Es kann ein Computerprogramm, das die vorstehenden Gleichungen enthält, zur Berechnung des Phasenwinkels zwischen dem Druck und der Teilchengeschwindigkeit erstellt werden, um die Auslegungsparameter zu optimieren. Fig. 4 ist eine grafische Darstellung der vom Programm erzeugten Werte, woraus deutlich wird, wie der Phasenwinkel mit dem Längen/Durchmesser-Verhältnis des Gehäuses 12 variiert, während andere Parameter konstant gehalten werden. Wie aus der grafischen Darstellung erkennbar, kann durch Wahl der Abmessungen des Gehäuses 12 ein reaktives Nahfeld um den Elektromotor herum geschaffen werden.
In der bevorzugten Ausführungsform liegt die Länge "2b" des zylindrischen Hauptabschnitts 12c (d. h. des zylindrischen Abschnitts mit dem größten Durchmesser) des Gehäuses 12 in einem Bereich, der ungefähr der 0,50- bis ungefähr 0,80fachen, vorzugsweise der 0,73fachen Länge oder Distanz des Innendurchmessers "2a" des zylindrischen Hauptabschnitts 12c entspricht (verglichen mit herkömmlichen Gehäusen von Elektromotoren, die typischerweise ein Längen/Durchmesser-Verhältnis von ungefähr 1,25 aufweisen), um einen Phasenwinkel zu erhalten, der zwischen etwa 60º und 70º, vorzugsweise bei etwa 65º liegt. Der Phasenwinkel von etwa 65º hat sich als wirksam erwiesen, um die Geräuschunterdrückungsziele zu erreichen. Es versteht sich jedoch, daß jedes beliebige Längen/Durchmesser- Verhältnis von weniger als ungefähr 1,25, was auch Verhältnisse von weniger als 1,1, 1,0, 0,9 usw. einschlielst, unter den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fällt.

Endkappe

Unter Bezugnahme auf die Fig. 5-6 in Verbindung mit den Fig. 1-3 wird nunmehr die Endkappe 16 ausführlich beschrieben. Die Endkappe 16 definiert einen zentralen Nabenabschnitt 44 und einen abgestuften Bereich 46, der sich vom zentralen Nabenabschnitt aus nach außen erstreckt. Der zentrale Nabenabschnitt 44 gleicht in seiner Konstruktion und Funktion dem zentralen Nabenabschnitt 30 der Vorderseite des Gehäuses 12, d. h. er erleichtert die Montage der hinteren Lagereinheit 22. Die Endkappe 16 definiert weiterhin einen Umfangslippenabschnitt 48, der sich am Umfang über die Endkappe 16 erstreckt. Der Umfangslippenabschnitt 48 ist vorteilhafterweise so dimensioniert, daß die Oberflächenschwingungen der Endkappe 16 minimiert werden, wie nachstehend beschrieben. Der Umfangslippenabschnitt 48 beinhaltet einen Ausschnittabschnitt 50 (Fig. 6 und 7), der dem zweiten Ausschnittabschnitt 40 des Gehäuses 12 entspricht, um das elektrische Anschlußteil 44 aufzunehmen.
Die Endkappe 16 definiert weiterhin ein über den zentralen Nabenabschnitt 44 verlaufendes Stempelmuster, das aus einer Reihe alternierender länglicher gekrümmter erhöhter Abschnitte 52 und Vertiefungen 54 besteht. Die erhöhten Abschnitte 52 beinhalten gekrümmte Umfangsabschnitte 52a und Radialabschnitte 52b. Dieses Stempelmuster erleichtert das Absorbieren von durch die hintere Lagereinheit 22 verursachten Schwingungsbewegungen und bewirkt eine passive Geräuschunterdrückung sowie eine Reduzierung des Oberflächenschwingungspegels. Das Stempelmuster trägt ebenfalls dazu bei, die natürliche Frequenz des Bauteils in einen oberen Frequenzbereich zu verschieben. Die Umwandlung der Oberflächenschwingung in luftübertragenen Schall ist insbesondere abhängig von 1) der Schwingungsamplitude und 2) dem Strahlungswirkungsgrad der Quelle. Der Schalldruckpegel (SPL) bei einer bestimmten Frequenz wird durch die nachstehende Gleichung dargestellt:
SPL(f) = Lv(f) - 10log&sub1;&sub0;(R) + K + 10log&sub1;&sub0;δrad
wobei:
Lv(f) = Oberflächenschwingungspegel bei jener Frequenz;
δrad = Strahlungswirkungsgrad der Konstruktion;
K ist eine auf der Basis von Erfahrungen aus bisherigen Labortests festgelegte Konstante, z. B.
K = 20log&sub1;&sub0;[ρ&sub0;V&sub0;C]/P&sub0;
und wird als empirischer Wert in der
Gleichung benutzt, wobei:
ρ = Dichte des Mediums;
V&sub0; = Geschwindigkeit der abstrahlenden Oberfläche;
c = Schallgeschwindigkeit; und
P&sub0; = Druck des Schallmediums.
Der exakte Wert K wird durch Berechnung und Verifizierung unter Verwendung ähnlicher Geräuschquellen ermittelt; und
R ist das Verhältnis zwischen den Flächen der Imaginäroberfläche (Kugel) und der abstrahlenden Konstruktion (d. h. auf der Basis der Meßdistanz).
Der Oberflächenschwingungspegel (Lv(f)) einer Konstruktion aufgrund innerer Reibung hängt vom Dämpfungsvermögen jener Konstruktion ab, d. h. wenn die Frequenz einer Erregerkraft (Schwingung von Welle und Lagern) einer der natürlichen Frequenzen eines Bauteils (Endkappe 16) entspricht oder dieser nahekommt, wird die Schwingungsamplitude durch das Dämpfungsvermögen der Konstruktion bestimmt. Die Dämpfungseigenschaft wird durch einen gemeinsamen Parameter mit der Bezeichnung "logarithmisches Dekrement δ" erklärt. Für eine geringe Dämpfung und stationäre Resonanz wird das logarithmische Dekrement δ aus einer Resonanzkurve unter Verwendung der nachstehenden Gleichung erhalten:
δ = πΔf/freq
wobei:
freq die Resonanzfrequenz und
Δf die Breite der Resonanzspitze ist, bei der die Schwingungsamplitude der 0,707fachen Resonanzamplitude entspricht.
Die Endkappe 16 ist vorteilhafterweise so dimensioniert, daß ihre Dämpfungseigenschaften verstärkt werden. Insbesondere das Stempelmuster der alternierenden erhöhten Abschnitte 52 und Vertiefungen 54 behindert das Strömen von Schwingungsenergie. Darüber hinaus trägt das Stempelmuster dazu bei, die auf die Endkappe 16 übertragene große Schwingungsquelle in eine Anzahl kleiner Schwingungsquellen aufzuteilen, so daß dadurch die Gesamtoberflächenschwingungspegel der Endkappe tatsächlich reduziert werden. Zusätzlich bewirkt das Stempelmuster eine Verringerung des Gesamtgeräuschpegels durch Nutzung der Phasenvariation zwischen den erzeugten kleinen Schwingungsquellen der Elemente. Des weiteren werden die Schwingungspegel an jeder kleinen Fläche durch die gegenseitige Versteifung mit der Gesamtoberfläche ebenfalls reduziert.
In der bevorzugten Ausführungsform setzt das Stempelmuster der Endkappe 16 den Oberflächenschwingungspegel der abstrahlenden Konstruktion wirksam herab. Deutlicher gesagt: Die gekrümmten erhöhten Abschnitte 52 und Vertiefungen 54 sorgen für eine wirksame Verringerung des Oberflächenschwingungspegels, der bei Messungen im Vergleich zu Endkappen aus herkömmlicher Produktion um das Sechsfache höher lag.

Ankereinheit

Unter erneuter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 wird die Ankereinheit 18 nunmehr ausführlich beschrieben. Die Ankereinheit 18 beinhaltet eine Ankerwelle 56 und einen um die Ankerwelle 56 montierten Anker 58. Die Ankerwelle 56 besteht aus den Wellenendabschnitten 60, 62 und dem Wellenzwischenabschnitt 64 (als Konstruktionsdurchsicht dargestellt). Eine rohrförmige Konstruktion 65 umgibt den Wellenzwischenabschnitt 64 und dient als Isolator zur Isolierung des Ankers 58 gegenüber der Welle 56. Die rohrförmige Konstruktion 65 ist vorzugsweise aus zwei separaten Rohren gebildet, die über dem Wellenabschnitt 64 positioniert sind. Bei den Wellenendabschnitten 60, 62 und dem Zwischenabschnitt 64 handelt es sich vorzugsweise um ein homogenes Konstruktionselement, die Welle 56 kann jedoch die Einzelabschnitte 60, 62 und 64 umfassen, die durch herkömmliche Mittel verbunden sind. Die Ankerwelle 56 kann auch als Einzeleinheit ausgeführt sein. Die Gesamtlänge der Ankerwelle 56 ist im Verhältnis zu herkömmlichen Einheiten um etwa 20% reduziert. Diese Reduzierung erleichtert das dynamische Auswuchten des Rotors, eine Massenverringerung bei beweglichen Teilen usw., wodurch die Schwingungsbewegung der Welle und die Geräuscherzeugung minimiert werden.
Bei dem Anker 58 kann es sich um einen beliebigen herkömmlichen Anker handeln, der aus einem Ankerkern besteht, in dem eine Anzahl gestapelter Ankerbleche mit einem Satz isolierbeschichteter Drahtwicklungen, die um die Bleche herum verlaufen, untergebracht sind. Die Ankerbleche können auf Wunsch durch induktive Erwärmung behandelt werden. Der Anker 58 ist koaxial um die Welle 54 montiert. Eine (nicht dargestellte) Montageplatte kann vorgesehen sein, um den Ankerkern und die Wicklungen mit dem Wellenzwischenabschnitt 65 mechanisch zu verbinden. Der Anker 58 steht in elektrischem Kontakt mit dem Kollektor 26 und dreht sich in Reaktion auf das von den innerhalb des Gehäuses 12 montierten Magneten "m" bereitgestellte Magnetfeld. Der Anker 58 kann im Verhältnis zu den Magneten "m" axial zentriert oder im Verhältnis zu den Magneten "m" exzentrisch angeordnet sein, so daß der Anker 58 zu einer Seite hin vorbelastet ist.

Lagereinheiten

Unter Bezugnahme auf die Fig. 8-10 in Verbindung mit den Fig. 1-2 werden nunmehr die vordere und die hintere Lagereinheit 20 bzw. 22 beschrieben. Die Lagereinheiten 20, 22 sind hinsichtlich ihrer Bauteile identisch. Jede Lagereinheit 20, 22 beinhaltet ein Gleitlagergehäuse 66 und ein innerhalb des Lagergehäuses abgestütztes Gleitlager 68. Wie am besten aus den FIGUREN. 8-10 ersichtlich, beinhaltet das Lagergehäuse 66 eine ringförmige Basis 70 und mehrere (z. B. drei) gekrümmte Montagevorsprünge 72, die sich von der Basis aus erstrecken. Die ringförmige Basis 70 weist eine relativ große Querschnittsabmessung auf und definiert eine Innenbohrung 74, die so konfiguriert ist, daß sie allgemein der Außenabmessung des Gleitlagers 68 (sowohl in der radialen als auch der axialen Richtung) entspricht. Als Folge davon nimmt das Lagergehäuse 66 das Gleitlager 68 so auf, daß der Lagergehäusewandabschnitt oder der aufnehmende Wandabschnitt 74a, der die Innenbohrung 74 definiert, in Kontakteingriff mit dem darin aufgenommenen Gleitlagerabschnitt steht. Somit steht eine wesentliche Oberfläche des Gleitlagers 68 in Kontakt mit dem Lagergehäuse 66. Dieses Merkmal erleichtert die Übertragung von Schallschwingungsenergie vom Gleitlager 68 auf das Lagergehäuse 66, wie nachstehend ausführlicher erläutert. Die ringförmige Basis 70 definiert eine erste Abmessung oder einen Durchmesser "a" an einem Ende und eine zweite Abmessung "b" am anderen Ende.
Die Montagevorsprünge 72 des Lagergehäuses 66 sind auch so konfiguriert, daß sie der Konfiguration der Außenfläche des Gleitlagers 68 entsprechen. Die von den Montagevorsprüngen 72 definierte Innenabmessung ist jedoch geringfügig größer als die Innenbohrung 74 der ringförmigen Basis 70 und die Außenabmessung des Gleitlagers 68, wie am besten aus Fig. 9 ersichtlich, so daß ein geringfügiger Spalt oder Zwischenraum zwischen dem Gleitlager 68 und den Montagevorsprüngen 72 entsteht. Deutlicher gesagt: Die Montagevorsprünge definieren eine Innenabmessung "c" und eine Innenabmessung "d", die größer als die entsprechenden jeweiligen Abmessungen "a", "b" der ringförmigen Basis 70 sind. Dieser Zwischenraum erlaubt ein Justieren der Radialbewegung des Gleitlagers 68 während der Drehung der Ankerwelle 56, d. h. er sorgt für eine Selbstausrichtung des Lagersystems. Zusätzlich sind mehrere (z. B. drei) gekrümmte Nuten 73 in der Außenfläche der ringförmigen Basis 70 ausgebildet. Die Nuten 73 dienen zwei Funktionen: 1) Die Nuten 73 vergrößern die wirksame Länge eines jeden Montagevorsprungs 72 und erleichtern somit eine Biegebewegung der Montagevorsprünge 72 während der Montage sowie eine Radialbewegung der Gleitlager 68 während des Betriebs des Motors; und 2) die Nuten 73 können eine Halterung aufnehmen, und die Lagereinheiten 20, 22 innerhalb ihres jeweiligen Gehäusebauteils zu montieren.
Das Lagergehäuse 66 besteht vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial, um die Schwingungsübertragung zu reduzieren und ein Absorbieren von Schwingungsenergie, die durch das Gleitlager 68 von der Ankerwelle 56 übertragen wird, zu ermöglichen. Die Übertragung von Schwingungsenergie wird, wie vorstehend erwähnt, durch die Dimensionierung der Innenbohrung 74 des Lagergehäuses 66 gesteuert, das durch Spritzgießen hergestellt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Lagergehäuse 66 aus einem polymeren Material. Das Lagergehäuse 66 dient auch dazu, einen direkten Kontakt des Gleitlagers 68 mit dem vorderen Gehäuseende 12a (oder der Endkappe 16) zu verhindern. Insbesondere die vergrößerte Basis 70 des Lagergehäuses 66 berührt die Innenfläche des vorderen Endes 12a (oder der Endkappe 16) und verteilt die auf das vordere Gehäuseende 12a (oder auf die Endkappe 16) einwirkende Belastung (der Schwingung) durch das Lager 68. Dies hat wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik zur Folge, wo die Lager in nach dem Stand der Technik hergestellten Motoren typischerweise in direktem Kontakt mit dem Gehäuse stehen und eine punkt- und/oder linienförmige Belastung der Lager bewirken. Durch eine solche punkt- oder linienförmige Belastung wird in unerwünschter Weise die Schwingung des in direktem Kontakt mit dem Lager stehenden Gehäusebauteils erhöht. Mit dem Lagergehäuse 66 gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch die vergrößerte Basis 70 die wirksame Fläche eines Oberflächenkontakts zwischen der Lagereinheit 20, 22 und dem vorderen Gehäuseende 12a (oder der Endkappe 16) vorteilhafterweise vergrößert, so daß die Belastung verteilt und die auf das vordere Gehäuseende 12a (oder die Endkappe 16) einwirkende Schwingung minimiert wird.
Um die Schwingungsübertragung von jeder Lagereinheit 20, 22 weiterhin zu minimieren, kann ein Lagergehäuseisolator 76 (Fig. 1 und 2) um das Lagergehäuse 66 gewickelt werden. Der Gehäuseisolator 76 besteht vorzugsweise aus einem energieabsorbierenden (z. B. schallabsorbierenden) Material, wie beispielsweise Filz, Schaum (schallschluckend) oder einem ähnlichen Material, und soll bewirken, daß die vom Lagergehäuse 66 ausgehende restliche Schallenergie absorbiert oder gedämpft wird.
Jede Lagereinheit 20, 22 wird innerhalb der jeweiligen zentralen Nabenabschnitte 30, 44 des vorderen Gehäuseendes 12a und der Endkappe 16 durch die Lagergehäusehalterung 78 gehalten. Die Lagergehäusehalterung 78 besteht vorzugsweise aus einem nachgiebigen Federmaterial (wie beispielsweise Federstahl) und ist so konfiguriert, daß sie mit dem Inneren des jeweiligen zentralen Nabenabschnitts 30, 44 in Reibungseingriff steht. Die Lagergehäusehalterung 78 kann eine Vielzahl von Konfigurationen aufweisen und kann mindestens teilweise innerhalb der in der Oberfläche der vergrößerten Basis 70 ausgebildeten gekrümmten Nuten 73 aufgenommen werden.

Antischwingungsunterlegscheibe

Wie, aus den Fig. 11-12 in Verbindung mit den Fig. 1-2 ersichtlich, ist eine Antischwingungs/Dämpfungsunterlegscheibe (AVD) 80 in der Nähe eines jeden Gleitlagers 68 um die Ankerwelle 56 herum positioniert. Die AVD-Unterlegscheibe 80 ist vorzugsweise in die Ankerwelle 56 eingepreßt und dient zwei Funktionen: 1) Die gekrümmte Oberfläche 82 der AVD-Unterlegscheibe 80 leitet Öl, das als Leckage eventuell aus den Gleitlagern 68 austreten kann, zurück zum Lager und verlängert somit die Lagerlebensdauer; und 2) die AVD-Unterlegscheibe, die als elastische Feder wirkt, dämpft die Axialschwingungen an der Ankerwelle. Dadurch wird wiederum jedes übermäßige Geräusch, das durch die Wellenbewegung in der axialen Richtung an den Gleitlagern 68 entstehen kann, minimiert. Mindestens eine nachgiebige Unterlegscheibe 84 kann zwischen der AVD-Unterlegscheibe 80 und dem Gleitlager 66 positioniert sein, um die Schubbewegung der Ankerwelle 56 während des Betriebs aufzunehmen. Zu geeigneten Materialien für die Unterlegscheibe 84 zählen elastomere oder Kunststoffmaterialien.
Wie aus den Fig. 1-3 ersichtlich, ist ein geräuschabsorbierendes Element 86 neben der AVD Unterlegscheibe 80 positioniert. Das geräuschabsorbierende Element 86 weist vorzugsweise eine ringförmige Konfiguration auf und definiert eine Innenöffnung zur Aufnahme von mindestens einem Abschnitt der AVD-Unterlegscheibe 80. Das geräuschabsorbierende Element 86 besteht vorzugsweise aus einem geräuschabsorbierenden Material, wie beispielsweise Filz, Glasfasern, usw. Ein Halteelement 88 fixiert das geräuschabsorbierende Element 86 wirksam innerhalb des vorderen Gehäuseendes 12 entlang der Endkappe 16. Das Halteelement 88 besteht vorzugsweise aus einem nachgiebigen Material, z. B. aus Federstahl oder einem polymeren Material, und steht in Reibungseingriff mit den entsprechenden Innenflächen des vorderen Gehäuseendes 12a (oder der Endkappe 16), um das geräuschabsorbierende Element 86 darin festzuhalten. Das geräuschabsorbierende Element 86 bewirkt eine Schallisolierung der vorderen und der hinteren Lagereinheit 20 bzw. 22 gegenüber dem Ankerabschnitt des Motors, um das von der jeweiligen Lagereinheit 20, 22 erzeugte Restgeräusch zu absorbieren.

Gegossene Bürstenhaltereinheit

Wie aus den Fig. 13-17 in Verbindung mit den Fig. 1-2 ersichtlich, wird die gegossene Bürstenhaltereinheit 24 nunmehr ausführlich beschrieben. Die Bürstenhaltereinheit 24 soll als Isolator gegenüber dem Schwingungsenergiestrom zwischen der Endkappe 16, dem Gehäuse 14 und der Bürstenrohreinheit dienen. Die Bürstenhaltereinheit 24 beinhaltet ein allgemein ringförmiges Bürstenhalter montageteil 90 und eine vom Montageteil abgestützte Bürstenhalterung 92. Das Bürstenhaltermontageteil 90 besteht vorzugsweise aus einem mittels Spritzgießtechnik hergestellten elastomeren oder polymeren Material und kann den Schwingungsenergiestrom absorbieren oder dämpfen. Die Bürstenplatte 92 kann während des Gießverfahrens innerhalb des Bürstenhaltermontageteils 90 montiert werden, um die beiden Bauteile zu verbinden. Die Bürstenplatte 92 beinhaltet die allgemein mit der Bezugszahl 94 gekennzeichnete Konstruktion (z. B. Montagevorsprünge usw.), um mehrere (nicht dargestellte) Bürsten für einen Kontakt mit dem Kollektor 26 abzustützen. Bei der Bürstenplatte 92 kann es sich um eine beliebige herkömmliche Plattenanordnung handeln.
Das Bürstenhaltermontageteil 90 beinhaltet einen ersten ringförmigen Abschnitt 96, der eine Umfangsfläche 98 definiert. Der erste ringförmige Abschnitt 96 ist so dimensioniert, daß er innerhalb des Umfangslippenabschnitts 48 der Endkappe 16 im montierten Zustand des Motors, wie aus Fig. 1 ersichtlich, positioniert werden kann, und ist vorteilhafterweise so dimensioniert, daß er der Innenabmessung des Umfangslippenabschnitts 48 entspricht, wodurch der Umfangslippenabschnitt 48 in Kontakteingriff mit der Umfangsfläche 98 des ersten ringförmigen Abschnitts 96 steht. Somit wird die durch die Endkappe 16 und den Umfangslippenabschnitt 48 übertragene Schwingungsenergie zum ersten ringförmigen Abschnitt 96 des Bürstenhaltermontageteils 90 weitergeleitet, um vom Bürstenmontageteil gedämpft oder absorbiert zu werden. Das Bürstenhaltermontageteil 90 beinhaltet weiterhin einen zweiten ringförmigen Abschnitt 100, der einen Durchmesser definiert, der größer als der Durchmesser des ersten ringförmigen Abschnitts 96 ist. In der montierten Position des Motors befindet sich der zweite ringförmige Abschnitt 100 zwischen der Endkappe 16 und dem hinteren Gehäuseende 12b, um die Schwingungsenergieübertragung zwischen den beiden Bauteilen zu absorbieren.
Das Bürstenhaltermontageteil 90 beinhaltet einen ersten und einen zweiten Ausschnitt 102 bzw. 104, um jeweils das elektrische Anschlußteil 44 und die Belüftungsrohreinheit 38 aufzunehmen. Das Bürstenhaltermontageteil 90 beinhaltet weiterhin diametral gegenüberliegende Montagerücksprünge 106, die zwischen Montagenoppen 108 definiert sind, um die radial verlaufenden Montagefüße 42 des Gehäuses 12 aufzunehmen. Ein Paar Montagebefestigungselemente 110 (z. B. Schrauben) befinden sich innerhalb entsprechend dimensionierter Bohrungen der Endkappe 16, des Bürstenhaltermontageteils 90, der Bürstenplatte 92 und der Montagefüße 42 des Gehäuses 12, um diese Bauteile betriebswirksam zu verbinden. Die Befestigungselemente 110 können an ihren distalen Enden mit Gewinde ausgestattet sein, um einen Gewindeeingriff mit einer mit Innengewinde versehenen Öffnung des Gehäusemontagefußes 42 sicherzustellen. Ein zylindrisches starres Abstandselement 112 umgibt mindestens einen Zwischenabschnitt eines jeden Befestigungselements 110 (Fig. 1 und 15). Das Abstandselement 112 sorgt für die Aufrechterhaltung einer vorbestimmten Distanz zwischen der Endkappe 16 und dem Gehäuse 12, wodurch sichergestellt ist, daß die Bürstenplatte 92 und die dadurch abgestützten Bürsten allgemein senkrecht zum Kollektor 26 angeordnet sind. Dies erleichtert eine sachgemäße Orientierung der Bürsten gegenüber dem Kollektor 26, um den gewünschten ständigen elektrischen Kontakt aufrechtzuerhalten. Das Abstandselement 112 dient auch dazu, die Schwingungsenergieübertragung zwischen der Endkappe 16 und dem Gehäuse 12 zu absorbieren.
Der Elektromotor gemäß der vorliegenden Erfindung stellt somit durch Anwendung von schwingungsenergie- und geräuschreduzierenden Prinzipien eine wirksame Verringerung der Schallenergieübertragung und des während des Betriebs des Elektromotors erzeugten Geräuschpegels sicher. Insbesondere wird durch die einzigartige Konfiguration der vorderen und der hinteren Lagereinheit 20 bzw. 22 die Schwingungsenergieübertragung auf das vordere Gehäuseende 12a und die Endkappe 16 minimiert. Restgeräusche, die eventuell entstehen können, werden innerhalb der jeweiligen Lagerfläche durch die geräuschabsorbierenden Elemente 86 absorbiert und isoliert. Die Übertragung von Schwingungsenergie durch das vordere Gehäuseende 12a wird durch den abgestuften Bereich des vorderen Endes 12a reduziert, während die Übertragung von Energie durch die Endkappe 16 durch das Stempelmuster auf der Außenseite der Endkappe 16 verringert wird. Die Übertragung von Schwingungs- und Schallenergie zwischen der Endkappe 16, dem Gehäuse 14 und der Bürstenplatte wird durch die gegossene Bürstenhaltereinheit 24 minimiert.

Montageflansch

Unter erneuter Bezugnahme auf die Fig. 1-3 wird nunmehr der einzigartige Montageflansch 28 zur Montage des Elektromotors 10 am Motorrahmen des Fahrzeugs beschrieben. Der Montageflansch 28 beinhaltet eine Innenlippe 114, die eine Bohrung zur Aufnahme des Gehäuses 12 des Elektromotors definiert. Die Innenlippe 114 ist an der Außenfläche des Gehäuses 12 mittels herkömmlicher Mittel, zu denen Schweißen, Kleben usw. zählen, gesichert. Die Umfangsfläche des Montageflansches 28 weist ein Stempelmuster auf, das aus einer Reihe alternierender, allgemein rechtwinklig geformter Vertiefungen 116 und gekrümmter Vertiefungen 118 (Fig. 3) besteht. Die gekrümmten Vertiefungen 118 verlaufen in einer radialen Richtung (d. h. die gekrümmten Vertiefungen besitzen ein radiales Bauteil 118a, das größer als ein Umfangsbauteil 118b ist). Die Vertiefungen 116, 118 dienen dazu, den Flansch wirksam in mehrere Abschnitte zu unterteilen, wodurch die große Schwingungsquelle, die auf den Flansch 28 übertragen wird, praktisch in kleinere Schwingungsquellen aufgeteilt wird. Zusätzlich wird der Flansch durch das Stempelmuster wirksam versteift, so daß auch die Oberflächenschwingungspegel reduziert werden. Der Montageflansch 28 reduziert auch den Geräuschpegel durch Nutzung der Phasenvariation oder der Differenz zwischen den erzeugten kleinen Schwingungsquellen. Die Schwingungspegel der Konstruktion werden dadurch herabgesetzt, und als Folge davon wird der Schalldruckpegel SPL (f) bei einer bestimmten Frequenz verringert. Zusätzlich trägt das Stempelmuster dazu bei, die natürliche Frequenz des Bauteils in einen oberen Frequenzbereich zu verschieben.
Mehrere Montageöffnungen 120 verlaufen durch die äußere Außenfläche des Flansches 28, um eine Montage am Fahrzeugrahmen zu ermöglichen.

SCHLUSSFOLGERUNG

Der Elektromotor gemäß der vorliegenden Erfindung hat sich als durchaus wirksam erwiesen, um vom Motor erzeugte Geräusche zu minimieren. Tatsächlich hat sich bei Messungen am Elektromotor 10 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, daß dieser Motor, wenn die Messungen in Abständen von. 10 cm von der Motoroberfläche erfolgen, einen Geräuschpegel von weniger als 37 DBA erzeugt. Derzeitige Motorgeräuschspezifikationen liegen bei etwa 40 DBA, so daß der Motor gemäß der vorliegenden Erfindung eine wesentliche Reduzierung repräsentiert.
Modifizierungen innerhalb des Schutzbereichs der beiliegenden Ansprüche sind möglich.

Claims

1. Gehäuse (12) für einen Elektromotor (10) in einer Ausführung, die einen Anker (58) mit einer Ankerwelle (56) und Magnetmitteln (m) zur Induzierung einer Drehbewegung der Ankerwelle beinhaltet, wobei das Gehäuse folgendes umfaßt:

ein Gehäuseelement, das so dimensioniert ist, daß Geräuschenergie minimiert wird, wobei das Gehäuseelement einen Hauptkörperabschnitt (12c) mit einer Innenkammer beinhaltet, um dort mindestens teilweise den Anker und die Magnetmittel unterzubringen, wobei der Hauptkörperabschnitt eine Axiallänge und eine Innenquerschnittsabmessung definiert, wobei die Länge weniger als ungefähr die 1,25fache Distanz der Innenabmessung beträgt.

2. Gehäuse nach Anspruch 1, bei dem die Axiallänge des Gehäuseelements (12c) weniger als ungefähr die 1,10fache Distanz der Innenabmessung beträgt.

3. Gehäuse nach Anspruch 2, bei dem die Axiallänge des Gehäuseelements (12c) weniger als ungefähr die 1,00fache Distanz der Innenabmessung beträgt.

4. Gehäuse nach Anspruch 3, bei dem die Axiallänge des Gehäuseelements (12c) weniger als ungefähr die 0,90fache Distanz der Innenabmessung beträgt.

5. Gehäuse nach Anspruch 4, bei dem die Axiallänge des Gehäuseelements (12c) weniger als ungefähr die 0,80fache Distanz der Innenabmessung beträgt.

6. Gehäuse nach Anspruch 1, bei dem die Axiallänge des Gehäuseelements (12c) in einem Bereich liegt, der ungefähr der 0,50- bis ungefähr 0,80fachen Distanz der Innenabmessung entspricht.

7. Gehäuse nach Anspruch 6, bei dem die Axiallänge des Gehäuseelements (12c) ungefähr der 0,73fachen Distanz der Innenabmessung entspricht.

8. Gehäuseelement nach Anspruch 1, bei dem das Gehäuseelement ein geschlossenes Ende und ein offenes Ende beinhaltet.

9. Gehäuseelement nach Anspruch 8, das mehrere Öffnungen (34) beinhaltet, die durch den geschlossenen Endabschnitt verlaufen, um dadurch Kühlluft leiten zu können.