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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine rotierende elektrische Maschine,
insbesondere einen Elektromotor und/oder einen Generator, für
ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Hybridfahrzeug,
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Insbesondere
bei Fahrzeuganwendungen kann der Wunsch bestehen, die elektrische
Maschine möglichst leicht zu bauen. Hierzu kann vorgesehen sein,
das Gehäuse aus einem Leichtmetall herzustellen, während
der Statorträger üblicherweise aus Stahl oder
aus einem anderen Eisenwerkstoff besteht. Unterschiedliche thermische
Ausdehnungskoeffizienten führen im Betrieb der Maschine
zu unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen, die kompensiert werden
müssen, um eine ordnungsgemäße Funktion
der Maschine gewährleisten zu können.
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Aus
der
US 5,585,682 ist
ein Generator bekannt, der ein Gehäuse sowie einen in das
Gehäuse eingesetzten Statorträger aufweist. Der
Statorträger weist an einem ersten axialen Endbereich radial
außen einen ersten Ringkörper auf, der eine erste
kegelförmige Schulter bildet. An einem zweiten axialen Endbereich
weist der Statorträger radial außen einen zweiten
Ringkörper auf, der eine zweite kegelförmige Schulter
bildet. Das Gehäuse weist ebenfalls einen Ringkörper
auf, der mit dem Gehäuse verschraubt ist und der einen
zur ersten Schulter komplementären Kegelsitz bildet, in
dem sich der Statorträger über die erste Schulter
axial am Gehäuse abstützt. Ferner ist im Gehäuse
ein Spannring angeordnet, der eine zur zweiten Schulter komplementäre
Stützkontur aufweist und der sich an der zweiten Schulter
am Statorträger axial abstützt. Der Spannring
ist außerdem über einen Sprengring axial am Gehäuse
abgestützt. Durch die Kegelflächen an den axialen
Endbereichen ergibt sich eine Zentrierung des Statorträgers
hinsichtlich seiner Längsmittelachse. Hierdurch können thermische
Ausdehnungseffekte in radialer Richtung kompensiert werden.
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Aus
der
US 5,315,200 ist
ein weiterer Generator bekannt, dessen Statorträger mittels
einer ringförmigen Wellenfeder axial gegen das Gehäuse
vorgespannt ist. Durch diese Bauweise können axiale thermische
Ausdehnungseffekte kompensiert werden.
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Ein
weiterer Generator mit einer Kompensation axialer thermischer Ausdehnungseffekte
mittels einer Federeinrichtung ist aus der
DE 29 28 393 C2 bekannt.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für eine rotierende elektrische Maschine der eingangs genannten
Art eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform
anzugeben, die sich insbesondere durch eine verbesserte Kompensation
thermisch bedingter Wärmedehnungen auszeichnen.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand
des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Statorträger
einerseits mittels Kegelflächen bezüglich seiner
Längsmittelachse zu zentrieren und andererseits mittels
einer Federeinrichtung parallel zu seiner Längsmittelachse
mit dem Gehäuse zu verspannen. Durch die Kegelflächen
können radiale Ausdehnungseffekte kompensiert werden, während
durch die Federeinrichtung axiale Ausdehnungseffekte kompensiert
werden können. Insgesamt ergibt sich somit eine verbesserte
Positionierung des Statorträgers im Gehäuse über
einen vergleichsweise großen Temperaturbereich. Die erfindungsgemäß geschaffene
Möglichkeit, sowohl in axialer Richtung als auch in radialer
Richtung unterschiedliche thermisch bedingte Dehnungen zwischen Gehäuse
und Statorträger zu kompensieren, können Verspannungen
im Gehäuse und/oder im Statorträger vermieden
werden, was die Dauerhaltbarkeit der Maschine erhöht. Insbesondere
kann die Maschine dadurch besonders leistungsfähig ausgestaltet
werden, was eine Verwendung einer derartigen Maschine in einem Hybridfahrzeug
vereinfacht.
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Die
Federeinrichtung zum axialen Verspannen des Statorträgers
im Gehäuse kann grundsätzlich beliebig aufgebaut
sein. Bevorzugt ist dabei eine ringförmige Federeinrichtung,
insbesondere ein Federring. Dieser Federring kann dabei als Tellerfeder oder
Tellerfederpaket oder als Wellfeder oder Wellfederpaket ausgestaltet
sein. Tellerfedern besitzen relativ steile Kennlinien, während
Wellfedern relativ große Stellwege ermöglichen.
Der Federring kann in der Umfangsrichtung geschlitzt sein, um thermische Ausdehnungseffekte
in Umfangsrichtung kompensieren zu können.
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Entsprechend
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann der
Statorträger an seinem ersten Endbereich eine Axialverzahnung
aufweisen, die in eine am Gehäuse ausgebildete, dazu komplementäre
Gegenverzahnung zur Drehmomentübertragung axial eingreift.
Mit Hilfe einer derartigen Verzahnung zwischen Statorträger
und Gehäuse können mit der elektrischen Maschine
vergleichsweise große Drehmomente auf das Gehäuse übertragen
werden. Hierdurch eignet sich die Maschine in besonderer Weise für
einen Einsatz in einem Hybridfahrzeug bzw. in einem Elektrofahrzeug.
Durch die axiale Verzahnung zwischen Statorträger und Gehäuse
kann bei einer entsprechenden Ausgestaltung dieser Verzahnung gewährleistet
werden, dass thermische Ausdehnungseffekte keine Verspannung zwischen Gehäuse
und Statorträger bewirken. Hierzu kann insbesondere vorgesehen
sein, die Axialverzahnung mit axial abstehenden, sich radial erstreckenden
Rippen zu realisieren, während die Gegenverzahnung durch Vertiefungen
gebildet ist, in welche die Rippen axial eingreifen. Dabei können
die Rippen mit Axialspiel und/oder mit Radialspiel in die Vertiefungen
eingreifen, so dass sich die Rippen relativ zu den Vertiefungen
radial bzw. axial bewegen können.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch
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1 einen
stark vereinfachten Längsschnitt durch eine rotierende
elektrische Maschine,
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2 einen
Längsschnitt wie in 1 im Bereich
eines Statorträgers, jedoch bei einer anderen Ausführungsform.
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Entsprechend 1 umfasst
eine rotierende elektrische Maschine 1 ein Gehäuse 2 und
einen Statorträger 3. Bei der Maschine 1 handelt
es sich um einen Elektromotor oder um einen Generator oder um eine
Kombination daraus. Letztere findet beispielsweise bei einem Startergenerator
Anwendung. Die Maschine 1 ist bevorzugt für eine
Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen, so dass es sich dann
um eine Fahrzeugmaschine 1 handelt. Beim Fahrzeug handelt
es sich bevorzugt um ein Elektrofahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug.
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Das
Gehäuse 2 weist eine Statoraufnahme 4 auf
und ist beispielsweise durch einen Gehäusedeckel 5 verschlossen.
Der Statorträger 3 ist in das Gehäuse 2 bzw.
in die Statoraufnahme 4 eingesetzt. Der Statorträger 3 trägt
einen Stator 6 und ist bezüglich einer Rotationsachse 7 der
Maschine 1 koaxial angeordnet. Die Maschine 1 weist
außerdem einen Rotor 8 auf, der bezüglich
der Rotationsachse 7 rotiert, wenn die Maschine 1 in
Betrieb ist.
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Der
Statorträger 3 weist an einem ersten axialen Endbereich 9 radial
außen eine kegelförmige erste Schulter 10 auf.
Außerdem weist er an einem zweiten axialen Endbereich 11 radial
außen eine kegelförmige zweite Schulter 12 auf.
Das Gehäuse 2 besitzt nun einen Kegelsitz 13,
der komplementär zur ersten Schulter 10 ausgestaltet
ist und in dem sich der Statorträger 3 über
die erste Schulter 10 axial am Gehäuse 2 abstützt.
Des Weiteren ist im Gehäuse 2 bzw. in der Statoraufnahme 4 ein
Spannring 14 angeordnet, der eine Stützkontur 15 besitzt.
Diese Stützkontur 15 ist komplementär
zur zweiten Schulter 12 ausgestaltet. Der Spannring 14 stützt
sich über seine Stützkontur 15 an der
zweiten Schulter 12 am Statorkörper 3 axial
ab.
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Ferner
weist die Maschine 1 eine Federeinrichtung 16 auf,
die im Gehäuse 2 bzw. in der Statoraufnahme 4 angeordnet
ist. Die Federeinrichtung 16 stützt sich einerseits
am Spannring 14 und andererseits am Gehäuse 2 axial
ab, wobei sie eine axiale Vorspannung des Statorträgers 3 gegen
den Kegelsitz 13 bewirkt. In den gezeigten Beispielen stützt sich
die Federeinrichtung 16 jeweils direkt am Spannring 14 ab.
Grundsätzlich ist auch eine indirekte Abstützung über
ein hier nicht gezeigtes Zusatzelement denkbar. Ferner stützt
sich die Federeinrichtung 16 bei den gezeigten Ausführungsformen
jeweils indirekt über zumindest ein zusätzliches
Bauteil am Gehäuse 2 axial ab. Bei beiden Ausführungsformen
ist ein Sprengring 17 vorgesehen, der in eine ringförmige
Radialnut 18 eingesetzt ist, die an der dem Statorträger 3 zugewandten
Seite am Gehäuse 2 ausgebildet ist. Während
sich die Federeinrichtung 16 bei der in 1 gezeigten
Ausführungsform über einen Stützring 19 am
Sprengring 17 axial abstützt, erfolgt bei der
in 2 gezeigten Ausführungsform eine direkte
Abstützung der Federeinrichtung 16 am Sprengring 17.
Der Stützring 19 kann hierbei auch als geschlossener
L-Ring ausgeführt sein.
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Die
Federeinrichtung 16 ist bevorzugt ringförmig ausgestaltet.
Insbesondere handelt es sich bei der Federeinrichtung 16 um
einen Federring. Dieser Federring 16 kann entsprechend
den gezeigten Beispielen als Tellerfeder ausgestaltet sein. Grundsätzlich
ist jedoch auch eine Ausführung als Wellfeder möglich.
Anstelle eines einzelnen Federrings 16 ist auch ein Federringpaket
denkbar. Der Federring 16 kann in Umfangsrichtung geschlitzt
sein, um unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten zwischen
Federring 16 und Gehäuse 12 kompensieren
zu können.
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Bei
den gezeigten, bevorzugten Ausführungsformen ist der Kegelsitz 13 integral
am Gehäuse 2 ausgeformt. Ferner sind die erste
Schulter 10 und die zweite Schulter 12 jeweils
integral am Statorträger 3 ausgeformt. Insbesondere
bei Gussteilen vereinfacht sich dadurch die Herstellung der Maschine 1.
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Der
Statorträger 3 weist an seinem ersten Endbereich 9 vorzugsweise
eine Axialverzahnung 20 auf, während das Gehäuse 2 mit
einer dazu komplementären Gegenverzahnung 21 ausgestattet
ist. Die Axialverzahnung 20 greift axial in die Gegenverzahnung 21 ein,
um Drehmomente zwischen Statorträger 3 und Gehäuse 2 übertragen
zu können. Die durch den Eingriff zwischen Axialverzahnung 20 und Gegenverzahnung 21 gebildete
Verzahnung 20–21 ist zweckmäßig
so ausgestaltet, dass sich ein Axialspiel und/oder ein Radialspiel
ergibt. Hierdurch kann die Axialverzahnung 20 axial und/oder
radial verstellbar in die Gegenverzahnung 21 eingreifen.
Die axiale bzw. radiale Verstellbarkeit zwischen Statorträger 3 und
Gehäuse 2 innerhalb der Verzahnung 20–21 ermöglicht
einen Ausgleich thermisch bedingter Relativbewegungen, ohne dass
es dabei zu Verspannungen zwischen Statorträger 3 und
Gehäuse 2 kommt. Hierzu kann die Axialverzahnung 20 beispielsweise und
ohne Beschränkung der Allgemeinheit vom ersten Endbereich 9 axial
abstehende, sich radial erstreckende, hier nicht dargestellte Rippen
aufweisen. Die Gegenverzahnung 21 besitzt dann dazu komplementäre
Vertiefungen, die ebenfalls nicht dargestellt sind und in welche
die Rippen axial hineinragen. Die Rippen und Vertiefungen sind hinsichtlich
ihrer Dimensionierung dabei so aufeinander abgestimmt, dass die Rippen
mit Axialspiel und/oder mit Radialspiel in die Vertiefungen eingreifen.
Somit können sich die Rippen relativ zu den Vertiefungen
axial bzw. radial bewegen. In der Folge können axiale und/oder
radiale Relativbewegungen kompensiert werden, wobei stets eine hinreichende
Drehmomentübertragung sichergestellt ist.
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Vorzugsweise
ist das Gehäuse 2 aus Leichtmetall, insbesondere
aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Im
Unterschied dazu ist der Statorträger 3 bevorzugt
aus Eisen oder aus einer Eisenlegierung, insbesondere aus Stahl,
hergestellt. Hierdurch kann zum einen die erforderliche Stabilität
und Festigkeit für den Stator realisiert werden. Zum anderen
baut die Maschine 1 vergleichsweise leicht. Wobei der Statorträger 3 auch
aus einem Aluminiumwerkstoff gebildet sein kann. Die Gesamtwärmedehnung
wird dennoch durch die eingepressten Elektrobleche mitbestimmt.
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Der
Spannring 14 kann ebenfalls aus Leichtmetall, insbesondere
aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung, hergestellt sein.
In diesem Fall kann der Spannring 14 insbesondere in Umfangsrichtung
geschlossen ausgestaltet sein. Alternativ kann der Spannring 14 aus
Eisen oder aus einer Eisenlegierung, insbesondere aus Stahl hergestellt sein.
In diesem Fall ist der Spannring 14 zweckmäßig geschlitzt,
also in der Umfangsrichtung unterbrochen ausgestaltet.
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Bei
den hier gezeigten Ausführungsformen weist der Statorträger 3 radial
außen Kühlrippen 22 auf, die sich beispielsweise
in Umfangsrichtung geschlossen, ringförmig erstrecken.
Die Kühlrippen 22 können sich dabei in
einen Kühlmittelraum 23 hineinerstrecken, der
im Betrieb der Maschine 1 von einem Kühlmittel
durchströmbar ist. Zur Abdichtung des Kühlmittelraums 23 kann
der Statorträger 3 im Bereich seiner Endbereich 9, 11 ringnutartige
Aufnahmen 24 für hier nicht gezeigte Dichtringe,
insbesondere O-Ringe aufweisen, die den Statorträger 3 radial gegen
das Gehäuse 2 dichten.
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Falls
sich bei einer Erwärmung der Maschine 1 das Gehäuse 2 in
radialer und in axialer Richtung stärker ausdehnt als der
Statorträger 3, kommt es zu einer Relativbewegung
zwischen Statorträger 3 und Gehäuse 2.
Einer axialen Ausdehnung kann der Statorträger 3 aufgrund
seiner axialen Vorspannung durch die Federeinrichtung 16 einfach
folgen. Im Falle einer radialen Ausdehnung des Gehäuses 2 gleitet der
Statorträger 3 mit seiner ersten Schulter 10 im Kegelsitz 13 ab,
wodurch sich gleichzeitig eine Axialverstellung ergibt. Durch die
Federbelastung bleibt die Lage des Statorträgers 3 im
Gehäuse 2 stabil. Bei einer Abkühlung
der Maschine 1 kehren sich die Relativbewegungen um.
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Die
Kegelflächen der Schultern 10, 12 bzw. des
Kegelsitzes 13 und der Stützkontur 15 besitzen vorzugsweise
einen Kegelwinkel von 45°. Es ist klar, dass grundsätzlich
auch andere geeignete Kegelwinkel verwendet werden können,
die insbesondere in einem Bereich von 30°–60° liegen
können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5585682 [0003]
- - US 5315200 [0004]
- - DE 2928393 C2 [0005]