DE102013017692A1

DE102013017692A1 - Elektrische Maschine, insbesondere für einen Hilfsantrieb eines Kraftwagens

Info

Publication number: DE102013017692A1
Application number: DE201310017692
Authority: DE
Inventors: Maximilian Bushe; Christian Dinca; Julian Hermann; Christoph Lincke; Michel Mintschev; Katrin Rettig
Original assignee: Technische Universitaet Berlin; Daimler AG
Current assignee: Technische Universitaet Berlin; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2015-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (12), insbesondere für einen Hilfsantrieb eines Kraftwagens, mit einem Stator (26) und mit einem um eine Drehachse relativ zu dem Stator (26) drehbaren Rotor (28), welcher mittels wenigstens eines Spaltrohrs (32) gegen den Stator (26) abgedichtet ist, wobei das Spaltrohr (32) aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Hilfsantrieb eines Kraftwagens, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Derartige elektrische Maschinen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik, beispielsweise aus dem Serienfahrzeugbau, hinlänglich bekannt. Eine solche elektrische Maschine wird beispielsweise bei einem Hilfsantrieb eines Kraftwagens verwendet, um ein Pumpenrad zum Fördern einer Flüssigkeit anzutreiben. Eine solche elektrische Maschine ist somit beispielsweise als Pumpe zum Fördern der Flüssigkeit ausgebildet.
Die elektrische Maschine umfasst einen Stator sowie einen um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbaren Rotor. Der Rotor ist dabei mittels wenigstens eines Spaltrohrs gegen den Stator abgedichtet. Eine solche elektrische Maschine beziehungsweise Pumpe wird auch als Spaltrohrmaschine beziehungsweise Spaltrohrpumpe bezeichnet. Das Spaltrohr dient dabei dazu, die Flüssigkeit, die beim Fördern in Kontakt mit dem Pumpenrad und dem Rotor kommt, vom Stator fernzuhalten. Dazu ist das Spaltrohr in radialer Richtung der elektrischen Maschine zwischen dem Rotor und dem Stator angeordnet.
Während des Betriebs der elektrischen Maschine können sehr hohe, von der Flüssigkeit ausgehende Drücke auf das Spaltrohr wirken. Um Leckagen oder gar ein Bersten des Spaltrohrs zu vermeiden und somit eine sichere Abdichtung des Stators gegen den Rotor zu gewährleisten, wird daher das Spaltrohr üblicherweise mit einer sehr hohen Wanddicke ausgebildet. Dies führt zu einem hohen Gewicht sowie zu einem hohen Bauraumbedarf der elektrischen Maschine insbesondere in radialer Richtung. Dadurch wird auch das magnetische Feld gegenüber geringeren Wanddicken geschwächt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine sichere Abdichtung des Rotors gegen den Stator auf besonders gewichts- und bauraumgünstige Weise realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine elektrische Maschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich eine besonders sichere Abdichtung des Rotors gegen den Stator auf besonders bauraum- und kostengünstige Weise realisieren lässt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Spaltrohr aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist. Das Spaltrohr kann somit auch besonders hohe Drücke aufnehmen, ohne dass es zu Leckagen oder einem Bersten des Spaltrohrs kommt. Hierdurch ist eine sichere Abdichtung des Stators gegen den Rotor beziehungsweise umgekehrt gewährleistet. Darüber hinaus ist es möglich, das Spaltrohr besonders dünnwandig auszugestalten, so dass das Gewicht und der Bauraumbedarf der elektrischen Maschine insbesondere in radialer Richtung besonders gering gehalten werden können. Das aus dem faserverstärkten Kunststoff gebildete Spaltrohr kann beispielsweise Drücke von mehr als 120 bar aufnehmen und dabei den Rotor gegen den Stator sicher abdichten. Insbesondere wurde gefunden, dass der Rotor gegen den Stator mittels des aus dem faserverstärkten Kunststoff gebildeten Spaltrohrs auch bei einem Druck von 160 bar sicher abgedichtet werden kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der faserverstärkte Kunststoff ein kohlefaserverstärkter Kunststoff oder ein glasfaserverstärkter Kunststoff. Mittels eines kohlefaserverstärkten Kunststoffs oder eines glasfaserverstärkten Kunststoffs lässt sich eine besonders hohe Stabilität des Spaltrohrs schaffen, so dass der Stator gegen den Rotor auch bei besonders hohen Drücken sicher abgedichtet werden kann bei gleichzeitiger Realisierung eines geringen Gewichts und eines geringen Bauraumbedarfs des Spaltrohrs und somit der elektrischen Maschine insgesamt.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich eine besonders vorteilhafte Abdichtung auch bei sehr hohen Drücken realisieren lässt, wenn der faserverstärkte Kunststoff einen Faseranteil von 40% aufweist. Hierdurch kann die Wanddicke des Spaltrohrs besonders gering gehalten werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Spaltrohr eine Wanddicke von maximal 1 Millimeter auf. Es hat sich nämlich gezeigt, dass das Spaltrohr bis zu einer Wanddicke von 1 Millimeter besonders hohe Drücke aufnehmen und somit die Abdichtung des Stators gegen den Rotor gewährleisten kann. Insbesondere ist es dabei möglich, den Rotor gegen den Stator auch bei Drücken abzudichten, welche üblicherweise bei Hilfsantrieben für Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, auftreten. Dadurch kann der Bauraumbedarf der elektrischen Maschine insbesondere bei solchen bauraumkritischen Anwendungen gering gehalten werden.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Wanddicke maximal 0,6 Millimeter beträgt. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass eine Wanddicke von 0,6 Millimetern ausreichend ist, um den Stator gegen den Rotor auch bei besonders hohen Drücken abzudichten.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Wanddicke mindestens 0,2 Millimeter. Hierdurch weist das Spaltrohr eine noch hinreichende Stabilität auf, um den Rotor gegen den Stator auch bei sehr hohen Drücken sicher abdichten zu können.
Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Spaltrohr innenumfangsseitig mit wenigstens einer zusätzlich zum faserverstärkten Kunststoff vorgesehenen Beschichtung versehen ist, wobei die Beschichtung vorzugsweise aus einem Kunststoff gebildet ist. Durch diese Beschichtung kann das aus dem faserverstärkten Kunststoff gebildete Spaltrohr selbst abgedichtet werden, so dass beispielsweise vermieden werden kann, dass Flüssigkeit durch das Spaltrohr hindurch diffundieren und somit vom Rotor zum Stator gelangen kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Beschichtung eine Dicke in einem Bereich von einschließlich 0,5 Mikrometer bis einschließlich 1 Mikrometer auf. Hierdurch kann das Spaltrohr besonders gut abgedichtet werden. Andererseits können so das Gewicht, die Kosten und der Bauraumbedarf des Spaltrohrs gering gehalten werden.
Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die elektrische Maschine als Pumpe ausgebildet ist und wenigstens ein von dem Rotor antreibbares Pumpenrad zum Fördern einer Flüssigkeit aufweist. Bei der Pumpe ist es somit möglich, den Stator gegen den Rotor auch bei besonders hohen Drücken der Flüssigkeit sicher abzudichten. Die elektrische Maschine beziehungsweise die Pumpe kann somit für unterschiedliche Anwendungen, das heißt für unterschiedliche Hilfsantriebe eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, verwendet werden. Beispielsweise kann die Pumpe als Hydraulikölpumpe, Zusatzölpumpe oder Wasserpumpe, insbesondere Hauptwasserpumpe, verwendet werden. Ferner ist es möglich, die Pumpe bei einem adaptiven Wankstabilisierungssystem zu verwenden, wobei mittels der Pumpe eine Hydraulikflüssigkeit, insbesondere Hydrauliköl, zu wenigstens einem Stoßdämpfer eines Fahrwerks des Kraftwagens gefördert wird, um dadurch beispielsweise Wankbewegungen des Aufbaus des Kraftwagens gering zu halten oder zu vermeiden.
Zur Erfindung gehört auch ein Kraftwagen, insbesondere ein Personenkraftwagen, mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Vorteilhafte Ausgestaltungen der elektrischen Maschine sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des Kraftwagens anzusehen und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische und perspektivische Draufsicht eines Gehäuseelements für eine elektrische Maschine eines Hilfsantriebs eines Kraftwagens, wobei die elektrische Maschine einen Stator und einen um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbaren Rotor umfasst, der mittels wenigstens eines Spaltrohrs gegen den Stator abgedichtet ist, wobei das Spaltrohr aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist;
2 eine schematische Draufsicht eines gewickelten Einzelzahns der elektrischen Maschine;
3 eine schematische Perspektivansicht eines Einzelzahns der elektrischen Maschine;
4 ausschnittsweise eine schematische und perspektivische Vorderansicht des Stators, welcher Keile umfasst;
5 eine schematische und perspektivische Draufsicht des Stators ohne die Keile;
6 ausschnittsweise eine schematische und perspektivische Rückansicht des Stators mit dem Spaltrohr;
7 eine schematische und perspektivische Vorderansicht des Stators mit dem Spaltrohr;
8 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht eines Prüfstands zum Prüfen von Spaltrohren für elektrische Maschinen;
9 eine schematische Perspektivansicht eines Blechpakets des Rotors;
10 eine schematische und perspektivische Draufsicht einer Leistungselektronik der elektrischen Maschine;
11 ausschnittsweise eine schematische und perspektivische Draufsicht der Leistungselektronik in ihrem in dem Gehäuseelement eingebauten Zustand;
12 ausschnittsweise eine schematische und perspektivische Seitenansicht des Rotors und eines Positionssensors zum Erfassen der Drehstellung des Rotors;
13 ausschnittsweise eine schematische Vorderansicht des Gehäuseelements;
14 eine schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht des Spaltrohrs;
15 eine schematische Querschnittsansicht des Spaltrohrs entlang einer in 14 gezeigten Schnittlinie C-C;
16 ausschnittsweise eine Perspektivansicht eines Einzelzahns des Stators;
17 eine schematische Perspektivansicht des Spaltrohrs und einer Halbschale des Stators, welcher in Schalenbauweise ausgebildet sein kann;
18 ausschnittsweise eine schematische und perspektivische Vorderansicht des Stators mit dem Spaltrohr;
19 ausschnittsweise eine schematische und perspektivische Vorderansicht des Rotors;
20 ausschnittsweise eine schematische und perspektivische Vorderansicht des Stators;
21 ausschnittsweise eine schematische und perspektivische Längsschnittansicht der elektrischen Maschine; und
22 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht der elektrischen Maschine.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Gehäuseelement einer beispielsweise aus 21 erkennbaren elektrischen Maschine 12. Das Gehäuseelement 10 umfasst – wie in Zusammenschau mit 21 erkennbar ist – ein Motorgehäuse 14, welches außenumfangsseitig Kühlrippen aufweist. Das Gehäuseelement 10 umfasst ferner ein in 21 nicht dargestelltes Leistungsgehäuse 16 zum Aufnehmen einer in 10 erkennbaren Leistungselektronik 18 der elektrischen Maschine 12. Das Gehäuseelement 10 umfasst darüber hinaus ein Pumpenradgehäuse 20, welches in 1 offen ist und in 21 mit einem Gehäusedeckel 22 verschlossen ist. Wie aus 21 erkennbar ist, ist durch das Pumpengehäuse 20 und den Gehäusedeckel 22 ein Aufnahmeraum 24 begrenzt, in welchem ein nicht dargestelltes Pumpenrad zum Fördern einer Flüssigkeit anordenbar ist.
Die elektrische Maschine 12 umfasst einen Stator 26 und einen Rotor 28, welcher um eine Drehachse relativ zu dem Stator 26 drehbar ist. Der Rotor 28 umfasst dabei eine Welle 30, welche als Vollwelle ausgebildet und um die Drehachse drehbar ist. Das Pumpenrad ist dabei mit der Welle 30 drehfest verbindbar beziehungsweise verbunden, so dass das Pumpenrad von dem Rotor 28 angetrieben werden kann. Bei der Flüssigkeit handelt es sich beispielsweise um Wasser oder Öl wie beispielsweise Hydrauliköl, welches mittels der elektrischen Maschine 12 gefördert werden kann.
Wie besonders gut aus 6 und 7 zu erkennen ist, umfasst die elektrische Maschine 12 ein Spaltrohr 32, mittels welchem der Rotor 28 gegen den Stator 26 beziehungsweise umgekehrt abgedichtet ist. Mittels des Spaltrohrs 32 kann vermieden werden, dass die mittels der elektrischen Maschine 12 zu fördernde Flüssigkeit, die während des Betriebs der elektrischen Maschine 12 mit dem Rotor 28 in Kontakt kommt, auch mit dem Stator 26 und dessen elektrischen Bauteilen in Kontakt kommt.
Um das Gewicht und den Bauraumbedarf der elektrischen Maschine 12 besonders gering zu halten, ist das Spaltrohr 32 aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet. In radialer Richtung der elektrischen Maschine 12 ist das Spaltrohr 32 dabei zwischen dem Stator 26 und dem Rotor 28 angeordnet. Mit anderen Worten umgibt das Spaltrohr 32 den Rotor 28 außenumfangsseitig.
Die elektrische Maschine 12 kann beispielsweise bei einem Hilfsantrieb eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, zum Einsatz kommen. Kraftwagen können dabei unterschiedliche Hilfsantriebe aufweisen. Um somit unterschiedliche Bauvarianten eines Hilfsantriebs zu schaffen, ist ein modulares Baukastensystem vorteilhaft. Mittels eines solchen modularen Baukastensystems können unterschiedliche Bauvarianten des Hilfsantriebs mit einer hohen Anzahl an Gleichteilen geschaffen werden. Somit ist eine kostengünstige Variantenbildung darstellbar. Mittels des modularen Baukastensystems sind die Hilfsantriebe einfach skalierbar, das heißt für unterschiedliche Drehzahlen und Drehmomente in ihrer Bauweise variierbar. Jedoch können die unterschiedlichen Bauvarianten auf einer Produktionsstraße gefertigt werden. Dies hat den Vorteil, auf Marktänderungen schnell reagieren zu können und eine maximale Ausnutzung der Produktionskapazitäten zu erreichen. Zudem ermöglicht ein solcher Baukasten die sehr schnelle Entwicklung weiterer Antriebe, welche durch den Baukasten abgedeckt werden können. Vorteilhafterweise ist dabei die elektrische Maschine 12 als permanenterregte bürstenlose Gleichstrommaschine (BLDC-Maschine) ausgebildet. Vorzugsweise wird eine Pol-zu-Nut-Kombination von 8 zu 12 verwendet. Ferner werden vorzugsweise vergrabene Magneten gewählt.
Beispielsweise ist es möglich, Bauvarianten für drei unterschiedliche Anwendungsfälle zu schaffen. Ein erster dieser drei Anwendungsfälle ist beispielsweise ein adaptives Wankstabilisierungssystem eines Kraftwagens, welches je nach Straßenunebenheiten Stoßdämpfer eines Fahrwerks dynamisch nachstellt und dadurch ein zumindest nahezu vibrationsfreies Fahren auf unwegsamem Gelände ermöglicht. Hierzu wird mittels wenigstens einer Kamera die Umgebung des Kraftwagens optisch erfasst, so dass dadurch Untergrundänderungen erfasst werden. Ölhydraulische Motorpumpen werden in Abhängigkeit von den erfassten Untergrundänderungen betrieben, so dass Aufbaubewegungen zumindest gering gehalten werden können. Dabei kann die elektrische Maschine 12 als eine solche, ölhydraulische Motorpumpe verwendet werden, mittels welcher Hydrauliköl zu wenigstens einem Stoßdämpfer gefördert wird.
Für ein solches adaptives Wankstabilisierungssystem ergeben sich vielerlei Anforderungen. Der Rotor 28 und das Pumpenrad sind aufgrund des hohen Drucks des zu fördernden Öls nicht voneinander abgedichtet. Eine Analyse von Dichtringen ergab, dass ein sicheres Abdichten unter Druckbedingungen von 200 bar und einer Drehzahl von 7.500 Umdrehungen pro Minute des Rotors 28 nicht oder nur sehr aufwendig möglich ist. Somit wird der Stator 26 gegen den Rotor 28 mit Hilfe des Spaltrohres 32 abgedichtet. Bei einem Spitzendruck von 200 bar lastet auf dem Spaltrohr 32 sowie auf dem stützenden Stator 26 umgerechnet ein Gewicht von circa 32 Tonnen. Bei einem Bruch beziehungsweise Bersten des Spaltrohres 32 soll das Motorgehäuse 14 in der Lage sein, zumindest 50% des Druckes aufzunehmen, ohne dabei selbst zu bersten. Die maximalen Abmessungen für die elektrische Maschine 12 inklusive Leistungselektronik 18 betragen in der Länge vorzugsweise 250 Millimeter und im Durchmesser 135 Millimeter. Vorzugsweise ist die elektrische Maschine 12 aufgrund ihres Einbauorts vibrationsfest. Die Prüfung auf Vibrationsfestigkeit erfolgt beispielsweise nach DIN 40046 Teil 22 im sogenannten „Heide-Dauerlauf”. Ferner ist vorzugsweise eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit vorgesehen, das heißt das Gehäuseelement 10 sollte seewasserbeständig ausgestaltet sein. Dafür sind beispielsweise Stahlteile zu verzinnen sowie Aluminiumteile zu eloxieren.
Am Einbauort der elektrischen Maschine 12 kann es zu Temperaturen von 120 Grad Celsius oder bis zu 180 Grad Celsius kommen. Daher sollten Leitbäche so eingebaut werden, dass Fahrtluft die elektrische Maschine 12 umströmen kann. Die Funktion des adaptiven Wankstabilisierungssystems ist ab 15 Kilometer pro Stunde Fahrgeschwindigkeit sowie bis zu 80 Grad Celsius Außentemperatur zu gewährleisten.
Mittels der elektrischen Maschine 12 ist es beispielsweise möglich, die Flüssigkeit, das heißt das Öl zum Stoßdämpfer hin und vom Stoßdämpfer weg zu fördern. Mit anderen Worten weist die elektrische Maschine 12 beispielsweise zwei entgegengesetzte Förderrichtungen auf. Daraus resultieren auch zwei entgegengesetzte Flussrichtungen der Flüssigkeit. Durch den ständigen Wechsel der Flussrichtung der Flüssigkeit kann eine Kühlung der elektrischen Maschine 12 durch die Flüssigkeit nicht realisiert werden, da durch die elektrische Maschine 12 erhitzte Flüssigkeit ungekühlt zur elektrischen Maschine 12 zurückfließen kann. Vorzugsweise weist die elektrische Maschine 12 eine sehr hohe Effizienz auf. Im gesamten Drehzahlbereich sollte die Effizienz nicht unter 78% sinken. Als minimale Temperatur wird beispielsweise –40 Grad Celsius angenommen.
Da der Stoßdämpfer sehr schnell dem Untergrund, das heißt dem Straßenbelag, angepasst werden muss, sollte die elektrische Maschine 12 in jeder Förderrichtung, das heißt in jeder Drehrichtung des Rotors 28, eine hohe Dynamik aufweisen. Für einen Hochlauf von 0 auf 5.000 Umdrehungen pro Minute unter maximal anliegender Last sollten maximal 0,3 Sekunden verstreichen beziehungsweise für einen Hochlauf von –5.000 Umdrehungen pro Minute bis +5.000 Umdrehungen pro Minute maximal 0,7 Sekunden. Das Pumpenrad ist zumindest nahezu leckagefrei. Daher sollte das volle Drehmoment von der elektrischen Maschine 12 auch im Stillstand aufgebracht werden können. Zur Prüfung wird beispielsweise eine Sinus-Ölfluss-Zeitkennlinie vorgegeben. Die Abweichung sollte dabei bei maximal 0,2 Liter pro Minute betragen. Zur Realisierung eines energieeffizienten Betriebs der elektrischen Maschine 12 sollte die elektrische Maschine 12 die fließende Flüssigkeit bremsen und die in der fließenden Flüssigkeit enthaltene Energie durch das Abbremsen zurückgewinnen und beispielsweise in eine Bordbatterie des Kraftwagens zurückspeisen können. Als maximale Last sind beispielsweise bei 738 Umdrehungen pro Minute 9,2 Newtonmeter und bei 6.000 Umdrehungen pro Minute 4 Newtonmeter vorgesehen.
Die elektrische Maschine 12 wird als Elektromotor beispielsweise aus einem Lithium-Ionen-Batteriesystem gespeist, welches eine Spannung von minimal 36 Volt sowie maximal 52 Volt aufweisen kann. Zudem sollte damit gerechnet werden, dass die Spannung aufgrund von Störungen für kurze Zeit bis zu 70 Volt betragen kann. Das Lithium-Ionen-Batteriesystem wird aus einer Lichtmaschine des Kraftwagens gespeist und dient dabei als Energiezwischenpuffer, wenn höhere Lasten angefordert werden. Das Gehäuseelement 10 der elektrischen Maschine 12 sollte bezüglich der Masse des Personenkraftwagens geerdet sein.
Die Steuerung oder Regelung einzelner Module (der elektrischen Maschine 12, die Kamera etc.) des adaptiven Wankstabilisierungssystems übernimmt beispielsweise ein zentrales Steuergerät, mittels welchem auch von der Kamera erfasste Bilder ausgewertet werden. Das adaptive Wankstabilisierungssystem umfasst beispielsweise pro Rad einen Stoßdämpfer und somit insgesamt vier Stoßdämpfer, welche jeweils mittels einer elektrischen Maschine gemäß der elektrischen Maschine 12 mit Öl versorgt werden können. Die jeweilige elektrische Maschine 12 fungiert dabei als Pumpe, die von dem Steuergerät gesteuert beziehungsweise geregelt wird. Das Steuergerät und die jeweilige Pumpe sind beispielsweise über einen Highspeed-CAN-Bus miteinander verbunden, so dass jeweilige Signale zum Steuern beziehungsweise Regeln der jeweiligen Pumpe über den CAN-Bus übertragen, an die jeweilige Pumpe übermittelt und von dieser empfangen werden können. Ein jeweiliger Mikrokontroller der jeweiligen elektrischen Maschine 12 übernimmt dann die Steuerung beziehungsweise Regelung der jeweiligen elektrischen Maschine 12.
Zur Realisierung eines Recyclings der elektrischen Maschine 12 ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die elektrische Maschine 12 in ihre Komponenten zerlegt werden kann. Als Flüssigkeit wird beispielsweise Öl, insbesondere Pentosin-CHF-11 S eingesetzt.
Ein zweiter der genannten Anwendungsfälle kann beispielsweise eine elektrische Hauptwasserpumpe sein. Mit anderen Worten kann die elektrische Maschine 12 auch als elektrische Hauptwasserpumpe verwendet werden. Eine solche elektrische Hauptwasserpumpe, welche auch als elektrische Wasserpumpe bezeichnet wird, soll drehzahlstarr gekoppelte Wasserpumpen heutiger Kraftwagen ablösen, so dass ein bedarfsgerechter Betrieb der Wasserpumpe realisierbar ist. Durch die Entkopplung der Wasserpumpe von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine des Kraftwagens kann der Kraftstoffverbrauch des Kraftwagens erheblich gesenkt werden.
Üblicherweise beträgt die elektrische Spannung eines Bordnetzes eines Kraftwagens 12 Volt. Dies hätte den Nachteil, dass bei einer maximalen Leistung von 800 Watt ein sehr großer Stromfluss entsteht, welcher eine maximale Stromgrenze überschreiten könnte. Daher ist es vorteilhaft, spezielle Kühlverfahren für die Leistungselektronik 16 vorzusehen, um einen Dauerbetrieb zu gewährleisten. Diese Problematiken können bei einer Bordnetzspannung von beispielsweise 48 Volt vermieden werden.
Bei einer elektrischen Wasserpumpe läuft der Rotor 28, wie bereits zu dem Wankstabilisierungssystem geschildert, nass. Jedoch besteht nur ein geringer Druck des zu pumpenden beziehungsweise zu fördernden Wassers. Jedoch wird auch bei der elektrischen Hauptwasserpumpe das Spaltrohr 32 verwendet. Auch die elektrische Wasserpumpe ist vorzugsweise vibrationsfest, was durch den zuvor genannten „Heide-Dauerlauf” überprüft werden kann. Vorzugsweise ist das Gehäuseelement 10 auch bei der elektrischen Wasserpumpe korrosionsbeständig und gegen Spritzwasser von außen geschützt. Der Temperaturbereich, in welchem die elektrische Wasserpumpe betrieben wird, reicht beispielsweise von –40 Grad Celsius bis +120 Grad Celsius.
Das Wasser, welches mittels der elektrischen Maschine 12 im Anwendungsfall der elektrischen Hauptwasserpumpe gefördert wird, wird beispielsweise zum Kühlen der Verbrennungskraftmaschine des Kraftwagens verwendet. Der Verbrennungskraftmaschine wird das Wasser von einem Wasserkühler übergeben, so dass sich beispielsweise eine Temperatur des Wassers von maximal 88 Grad Celsius ergibt.
Anders als bei dem Wankstabilisierungssystem gelten für die elektrische Wasserpumpe keine besonders hohen Dynamikanforderungen. Auch ein Haltemoment im Stillstand ist nicht vorgesehen. Die maximale Last beträgt beispielsweise bei 9.000 Umdrehungen pro Minute 0,9 Newtonmeter. Das Spitzendrehmoment soll beispielsweise bis zu dieser Drehzahl verfügbar sein.
Für die elektrische Wasserpumpe gelten die gleichen elektrischen Spezifikationen wie für das Wankstabilisierungssystem. Im Gegensatz zum Wankstabilisierungssystem wird die elektrische Wasserpumpe jedoch beispielsweise aus vier in Reihe geschalteten Bleibatterien gespeist. Auch bei der elektrischen Wasserpumpe sollte das Gehäuseelement 10 bezüglich der Masse des Kraftwagens geerdet sein.
Die Steuerung beziehungsweise Regelung der elektrischen Wasserpumpe erfolgt ebenfalls über den CAN-Bus mittels eines zentralen Steuergeräts des Kraftwagens. Hinsichtlich der Recyclingfähigkeit gelten für die elektrische Hauptwasserpumpe die gleichen Anforderungen wie für das Wankstabilisierungssystem.
Der dritte Anwendungsfall ist beispielsweise die Verwendung der elektrischen Maschine 12 als elektrische Zusatz-Getriebeölpumpe. Hierbei wird als die Flüssigkeit Öl in Form von Getriebeöl zum Kühlen und/oder Schmieren wenigstens eines Getriebes des Kraftwagens mittels der als Pumpe agierenden elektrischen Maschine 12 gefördert.
Eine elektrische Zusatz-Getriebeölpumpe kommt beispielsweise bei Hybrid-Fahrzeugen zum Einsatz und dient dazu, im Rahmen eines Start-Stopp-Betriebs, wenn die Verbrennungskraftmaschine des Hybrid-Fahrzeugs deaktiviert ist, den Getriebeöldruck aufrecht zu erhalten, um dann bei einem Wiederstart der Verbrennungskraftmaschine ein zügiges Anfahren zu ermöglichen.
Um auch bei diesem dritten Anwendungsfall möglichen Dichtungsproblemen zuvorzukommen, läuft auch bei der elektrischen Zusatz-Getriebeölpumpe der Rotor 28 nass, so dass auch hierbei das Spaltrohr 32 verwendet wird. Der Druck des Getriebeöls ist um ein Vielfaches geringer als der Druck des Hydrauliköls bei dem Wankstabilisierungssystem. Auch bei der elektrischen Zusatz-Getriebeölpumpe sollte das Gehäuseelement 10 korrosionsbeständig sein.
Wie bei dem Wankstabilisierungssystem und der elektrischen Hauptwasserpumpe ist es beispielsweise auch bei dem dritten Anwendungsfall vorgesehen, dass die elektrische Maschine 12, das heißt die elektrische Zusatz-Getriebeölpumpe in einem Motorraum des Kraftwagens angeordnet wird. In diesem Motorraum ist auch die Verbrennungskraftmaschine angeordnet. Dies bedeutet, dass die elektrische Zusatz-Getriebeölpumpe heißes Getriebeöl umwälzen muss. Die Temperatur des Öls kann dabei bis zu 130 Grad Celsius betragen, so dass nur eine bedingte Kühlung zur Verfügung steht. Daher ist vorzugsweise auch die elektrische Zusatz-Getriebeölpumpe sehr effizient auszulegen. Im Gegensatz zum Wankstabilisierungssystem fließt das Getriebeöl bei der elektrischen Zusatz-Getriebeölpumpe jedoch nur in eine Richtung. Auch bei der Zusatz-Getriebeölpumpe beträgt die minimale Temperatur beispielsweise –40 Grad Celsius.
Auch beim dritten Anwendungsfall bestehen dynamische und regelungstechnische Anforderungen. Im Gegensatz zum Wankstabilisierungssystem bestehen nur geringe Anforderungen an den Hochlaufpunkt. Ein Haltemoment bei einer Drehzahl von 0 wird aufgrund der höheren Leckage des Pumpenrads nicht auftreten. Die maximale Last beträgt beispielsweise bei 3.700 Umdrehungen pro Minute 1,3 Newtonmeter.
Hinsichtlich der elektrischen Anforderungen gelten beim dritten Anwendungsfall die Spezifikationen für ein Standard-12-Volt-Bordnetz nach ISO 7637. Auch hierbei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Kraftwagen das gleiche elektrische Potential wie das Gehäuseelement 10 der elektrischen Maschine 12 besitzt.
Auch beim dritten Anwendungsfall ist vorzugsweise eine Steuerung oder Regelung der elektrischen Maschine 12 über den CAN-Bus vorgesehen. Die Steuerung beziehungsweise Regelung erfolgt dabei durch das zentrale Steuergerät des Kraftwagens. Hinsichtlich des Recyclings gelten die gleichen Bedingungen wie bei dem Wankstabilisierungssystem. Als Getriebeöl wird beispielsweise ein ACF eingesetzt, dessen Zusätze korrosive Eigenschaften haben können.
Die elektrische Maschine 12 ist als sogenannte Motorpumpeneinheit ausgebildet. Die elektrische Maschine 12 umfasst dabei einen elektrischen Motor beziehungsweise eine Motoreinheit, die den Stator und den Rotor umfasst und zum Antreiben des Pumpenrades dient. Ferner umfasst die elektrische Maschine 12 eine Pumpe beziehungsweise eine Pumpeneinheit mit dem Pumpenrad. Die Pumpeneinheit, die Motoreinheit und auch die Leistungselektronik 16 sind dabei im gemeinsamen Gehäuseelement 10 angeordnet. Dies hat beispielsweise gegenüber Varianten mit separater Leistungselektronik den Vorteil, dass hier Verbindungskabel sowie schwierige Abdichtungen eingespart werden können. Zudem kann der Bauraumbedarf und das Gewicht gering gehalten werden. Das Gesamtsystem wird robuster und kann somit auch in schwierigen Bauräumen verwendet werden. Das System, das heißt die elektrische Maschine 12, ist so konstruiert, dass sie sowohl luftgekühlt als auch über die zu fördernde Flüssigkeit gekühlt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der Rotor 28 nass ausgeführt wird. Dies bedeutet, dass der Rotor 28 in Kontakt mit der zu fördernden Flüssigkeit kommt.
Das Gehäuseelement 10 weist beispielsweise eine Topfgehäuse-Bauform auf. Alternativ dazu ist es denkbar, das Gehäuseelement 10 beziehungsweise dessen Komponenten in Form des Motorgehäuses 14, des Leistungsgehäuses 16 und/oder des Pumpengehäuses 20 als Gießteil beziehungsweise Gießteile auszubilden, so dass eine zeit- und kostengünstige Herstellung des Gehäuseelements 10 darstellbar ist.
Um das Gewicht des Gehäuseelements 10 gering zu halten, ist das Gehäuseelement 10 beispielsweise aus EN-AW 7075-T6 Aluminium gebildet, so dass eine sehr hohe Festigkeit und gleichzeitig ein geringes Gewicht des Gehäuseelements 10 darstellbar sind. Das Gehäuseelement 10 ist in seiner Länge an den jeweiligen Anwendungsfall anpassbar. Mit anderen Worten weist das Gehäuseelement 10 eine je nach Anwendungsfall variierende Länge, ansonsten jedoch den identischen Aufbau auf.
Das Motorkonzept der elektrischen Maschine 12 beruht auf einer bürstenlosen Gleichstrommaschine mit einem Läufer, das heißt mit dem Rotor 28 mit vergrabenen Magneten, insbesondere Permanentmagneten. Aufgrund der Verwandtschaft zur permanenterregten Synchronmaschine kann bei Änderung des Kontrollalgorithmus auch eine sinuskummutierte Ansteuerung erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass auch Anwendungen abgedeckt werden können, welche zum Beispiel hohe Drehmomentgenauigkeiten und eine geringe Drehmomentwelligkeit erfordern.
Zur Realisierung einer hohen Energieeffizienz und um somit auch einen Einbau in Bereichen mit sehr hoher Temperatur zu ermöglichen, ist ein entsprechendes Wickelkonzept zu verwenden. Bei der elektrischen Maschine 10 wird beispielsweise eine lineare Einzelzahnwicklung eingesetzt.
Hierbei umfasst der Stator 26 beispielsweise eine Mehrzahl von Einzelzähnen, wobei in 2 und 3 ein solcher Einzelzahn des Stators 26 dargestellt und mit 34 bezeichnet ist. Der Einzelzahn 34 ist beispielsweise durch ein Blechpaket gebildet und weist eine Mehrzahl von Blechen bzw. Blechschnitten auf, die in axialer Richtung der elektrischen Maschine 12 übereinander gestapelt und miteinander verbunden sind. Durch Variieren der Anzahl der Bleche kann somit die Länge des jeweiligen Einzelzahns 34 variiert werden, so dass dadurch die Länge des Stators 26 beziehungsweise der elektrischen Maschine 12 insgesamt variiert und an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann. Das zuvor erwähnte, modulare Baukastensystem zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass die elektrische Maschine 12 je nach Anwendungsfall eine variierende Länge, jedoch ansonsten den identischen Aufbau aufweist. Somit können beispielsweise bei jedem Anwendungsfall die Bleche des Stators 26 als Gleichteile verwendet werden. Entsprechendes kann auch auf den Rotor 28 übertragen werden. Dies bedeutet, dass sich durch die Variation der Anzahl der Bleche die Länge des Stators 26 und des Rotors 28 realisieren lässt.
Hierbei kann auch die Länge des für den jeweiligen Anwendungsfall zu verwendenden Spaltrohrs 32 variiert werden, so dass das Spaltrohr 32 je nach Anwendungsfall eine variierende Länge, jedoch ansonsten den identischen Aufbau aufweist. Dadurch ist eine einfache Skalierbarkeit der elektrischen Maschine 12 geschaffen, so dass diese auf einfache und kostengünstige Weise an die unterschiedlichen Anwendungsfälle anpassbar ist.
Die Verwendung der linearen Einzelzahnwicklung hat den Vorteil, dass die Einzelzähne unterschiedlicher Länge auf eine Anlage zum Bewickeln der jeweiligen Einzelzähne ohne große Umbauten montiert und mittels der Anlage mit wenigstens einem elektrischen Leiter, beispielsweise in Form eines aus einem metallischen Werkstoff gebildeten Drahts, umwickelt werden können. Durch dieses Umwickeln kann eine jeweilige elektrische Spule bzw. eine Wicklung der elektrischen Maschine 12 hergestellt werden.
Des Weiteren ist es auf einfache Weise möglich, Änderungen hinsichtlich der Dicke des elektrischen Leiters vorzunehmen, was große Freiheiten in der Gestaltung der elektrischen Maschine 12 gegeben sind.
In 2 ist die Wicklung mit 36 bezeichnet. Wie erwähnt, umfasst die Wicklung wenigstens einen elektrischen Leiter, der in 2 mit 38 bezeichnet ist. Um den elektrischen Leiter 38 eng am Einzelzahn 34 anliegen zu lassen und somit einen guten Wärmeübergang gewährleisten zu können, wird die Wicklung 36 nach dem Wickeln nachbehandelt. Hierbei wird der Einzelzahn 34 mit der Wicklung 36 in eine Vorrichtung gespannt. Mittels der Vorrichtung wird der jeweilige Einzelzahn 34 gepresst. Während des Pressens fließt für beispielsweise 9 Sekunden ein Strom von circa 110 Ampere durch die Wicklung 36, was die Temperatur auf circa 180 Grad steigen lässt. Dadurch relaxiert sich der elektrische Leiter 38 in der jetzt eingezwängten Form. Durch das Pressen wird die Wicklung 36 auf beiden Seiten um circa 2 Millimeter zusammengedrückt. Eine Verformung des elektrischen Leiters 38, zum Beispiel in Richtung eines Sechsecks, findet nicht statt.
Wie aus 2 erkennbar ist, wird bei der Bewicklung wenigstens ein Isolationselement 39 verwendet, mittels welchem die jeweilige Wicklung 36 gegen den jeweils korrespondierenden Einzelzahn 34 elektrisch isoliert ist. Als Isolationselement 39 wird beispielsweise ein formlabiles beziehungsweise biegeschlaffes Isolationselement verwendet. Hierbei kann ein standardmäßiges Nutisolationspapier verwendet werden.
Alternativ dazu wird als Isolationselement 39 ein insbesondere flexibles, das heißt biegeschlaffes Silikon-Elastomer eingesetzt, welches mit Aluminiumoxid-Partikeln gefüllt ist. Mit anderen Worten ist das Silikon-Elastomer mit keramischen Aluminiumpartikeln versehen. Die keramischen Aluminiumpartikel gewährleisten eine hohe elektrische Isolation bei gleichzeitiger, sehr guter thermischer Leitfähigkeit. Gegenüber einem standardmäßigen Nutisolationspapier weist das flexible und mit Aluminiumoxid-Partikeln versehene Silikon-Elastomer eine zehnfach höhere thermische Leitfähigkeit auf.
Die Flexibilität des Isolationselements 39 ermöglicht einen sehr guten Kontakt des wenigstens einen elektrischen Leiters 38, wodurch ein weiterer Vorteil für die Wärmeleitung entsteht. Zur Realisierung einer besonders hohen Robustheit kann vorgesehen sein, dass der jeweilige Einzelzahn 34, insbesondere im Rahmen einer Serienproduktion, mit dem mit Aluminiumoxid-Partikeln versehenen Elastomer, insbesondere Silikon-Elastomer, vergossen beziehungsweise zumindest teilweise umgossen wird.
Ist das Isolationselement 39 jedoch – wie in 2 vorgesehen – als vom Einzelzahn 34 separat ausgebildetes Bauteil vorgesehen, so ist es beispielsweise vorgesehen, dass das Isolationselement 39 mit dem Einzelzahn 34 verbunden, insbesondere verklebt wird. Wird der Einzelzahn 34 mit dem Isolationselement umgossen, so kann dieses Kleben entfallen.
Es hat sich gezeigt, dass ein Druck von circa 12 bar beim Verpressen des jeweiligen Einzelzahns 34 vorteilhaft ist, um einerseits eine Beschädigung des Isolationselements 39 zu vermeiden und andererseits die Entstehung von Lücken, insbesondere zwischen dem elektrischen Leiter 38 und dem Isolationselement 39 und/oder zwischen dem Isolationselement 39 und dem korrespondierenden Einzelzahn 34, gering zu halten. Es hat sich ferner gezeigt, dass der Druck abhängig von der Dicke des elektrischen Leiters 38 ist. Als vorteilhaft hat sich eine Dicke, insbesondere ein Durchmesser, des elektrischen Leiters 38 von 1,6 Millimetern erwiesen.
Wie aus 3 erkennbar ist, weist der Stator 26 eine Nut-Feder-Einzelzahnkonstruktion mit einer Mehrzahl von Einzelzähnen 34 auf. Aus 4 ist erkennbar, dass der Stator 26 beispielsweise zwölf einzeln bewickelte Einzelzähne 34 aufweist, welche jeweils als zumindest im Wesentlichen T-förmiges Segment ausgebildet sind. Mit anderen Worten ist der Stator 26 aus zwölf einzeln bewickelten T-Segmenten zusammengesetzt. Für alle Anwendungsfälle wird dabei die Blechform, das heißt die Form, insbesondere der Querschnitt, der Bleche und somit der Einzelzähne 34 gleich gehalten. Es werden jeweils immer unterschiedlich viele Bleche übereinander gestapelt, so dass dadurch unterschiedliche Längen des Stators 26 je nach Anwendungsfall realisierbar sind.
Aus 3 ist erkennbar, dass der jeweilige Einzelzahn 34 an einer Stirnseite mit einer Wickelendkappe 40 versehen ist. Die Wickelendkappe 40 ist beispielsweise aus einem Kunststoff gebildet.
Aus 4 ist erkennbar, dass die Einzelzähne 34 in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind. Dabei weisen jeweils zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Einzelzähne 34 jeweilige, einander gegenüberliegende Seiten, insbesondere Längsseiten, auf. Diese Längsseiten sind somit in Umfangsrichtung einander zugewandt. Wie noch im Folgenden erläutert wird, weisen diese jeweiligen Längsseiten eine spezielle Form auf, die es möglich macht, zwischen jeweils zwei der Einzelzähne 34 einen Keil 42 anzuordnen. Die Einzelzähne 34 sind dabei über die jeweiligen Keile 42 aneinander abgestützt. Mit anderen Worten ist in Umfangsrichtung zwischen jeweils zwei der Zähne 34 ein Keil 42 angeordnet. Der jeweilige Keil 42 weist einen Querschnitt auf, der nach Art einer Sanduhr geformt ist. Dies bedeutet, dass der jeweilige Keil 42 an seinen jeweiligen, den jeweiligen Einzelzähnen 34 in Umfangsrichtung zugewandten Längsseiten jeweils eine Aufnahme aufweist, in welcher der jeweilige Einzelzahn 34 beziehungsweise dessen jeweilige Längsseite zumindest teilweise aufgenommen ist. Hierdurch wirken die Einzelzähne 34 mit den Keilen 42 formschlüssig zusammen. Dadurch ist es möglich, einen in Umfangsrichtung zumindest im Wesentlichen durchgängigen, das heißt unterbrechungsfreien Statorinnenraum 44 zu bilden, welcher vorzugsweise keine Stufen, Kanten oder dergleichen Unebenheiten aufweist.
Aus 5 ist erkennbar, dass, wenn die Keile 42 weggelassen würden, in Umfangsrichtung zwischen den Einzelzähnen 34 Freiräume vorhanden wären. Diese Freiräume werden durch die Keile 42 aufgefüllt, so dass das später in den Statorinnenraum eingesetzte Spaltrohr 32 auf ganzem Umfang unterstützt wird. Dadurch kann die Wanddicke beziehungsweise die Wandstärke des Spaltrohrs 32 besonders gering gehalten werden. Mit anderen Worten ist durch die Einzelzähne 34 und die Keile 42 eine in Umfangsrichtung durchgängige, innenumfangsseitige Mantelfläche 46 des Stators 26 geschaffen, wobei das Spaltrohr 32 an der innenumfangsseitigen Mantelfläche 46 besonders vorteilhaft abgestützt werden kann.
Vor dem Anordnen des Spaltrohrs 32 in dem Statorinnenraum 44 wird die innenumfangsseitige Mantelfläche 46 mit einem Kunststoff beschichtet. Vorzugsweise handelt es sich bei diesem Kunststoff um PTFE (Polytetrafluorethylen). Vorzugsweise sind die Keile 42 aus einem Kunststoff, insbesondere PPS GF 40 gebildet. Mit anderen Worten sind die Keile 42 vorzugsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet. Je nach Anwendungsfall können die Keile 42 jedoch auch weggelassen werden, was aus 5 erkennbar ist. Die Keile 42 werden beispielsweise mittels eines Pultrusionsverfahrens aus Glasendlosfasern in Längsrichtung hergestellt. Dies hat Toleranz- und Kostenvorteile.
Beim Anwendungsfall des Wankstabilisierungssystems werden beispielsweise circa 340 Bleche mit einer jeweiligen Stärke von 0,35 Millimetern übereinander gestapelt. Jedes Blech ist beispielsweise mit einer Backlackschicht überzogen, welche bei circa 220 Grad Celsius aktiviert wird und die Bleche in einer speziell dafür vorgesehenen Form zusammenklebt. Hierbei ist es von Vorteil, die Form aufgrund der hohen Toleranzanforderungen zu erodieren, woraus jedoch hohe Kosten resultieren können. Ist die Form bereits vor dem Backen warm, so kann es dazu kommen, dass die Bleche schon beim Stapeln in der Form in einer ungewollten Position zusammenkleben. Ist die Form jedoch zu kalt, stimmen die Toleranzen nicht mehr und die Bleche haben nach dem Verbacken einen hohen Versatz zueinander. Zudem kann es dazu kommen, dass Bleche nicht miteinander verbacken.
Nach DIN EN 10106 für warmgewalzte Elektrobleche darf ein solches Blech einen Dickenunterschied von 8% aufweisen. Werden zu viele Bleche übereinander gestapelt, kann es im besten Fall zu einer Verlängerung des Blechpakets kommen, im schlimmsten Fall kann das Paket schief werden. Ein nachträgliches Geradebiegen ist dann nicht mehr möglich. Daher sind Längen über 120 Millimeter nur sehr schwer zu fertigen und limitieren damit die Blechpakethöhe und somit die Länge der elektrischen Maschine 12 des Baukastensystems.
Toleranzen beim Lasern des Bleches können zu ungewollten Riffelungen am Statorinnendurchmesser führen, welche aufgrund von scharfen Kanten das Spaltrohr verletzen könnten. Um dies zu verhindern, werden zwischen die zusammengesetzten Einzelzähne 34 die Keile 42 eingeschoben und kurzzeitig auf 190 Grad Celsius erwärmt. Bei dieser Temperatur wird der eingesetzte Backlack weich und die Bleche verschieben sich in die gewünschte Position.
Ferner kann vorgesehen sein, die Bleche stanzzupaketieren, wodurch eine sehr viel bessere Toleranz erreicht werden kann. Trotzdem kann es ab einer Einzelzahnanzahl von 20 zu so hohen Toleranzen kommen, dass ein Spalt zwischen dem Stator 26 und dem Rotor 28 vergrößert werden muss. Dies kann jedoch die Effizienz der elektrischen Maschine 12 beeinträchtigen. Im Fall des Wankstabilisierungssystems kann sich das Drehmoment bei Aufweitung des Spalts, wobei es sich um einen Luftspalt oder einen Ölspalt handeln kann, von 1,1 Millimeter auf 1,2 Millimeter um circa 0,9 Newtonmeter, was 10% des Drehmoments darstellt. Um die Vorteile der Einzelzahnwicklung nicht zu verlieren, den Spalt jedoch weiterhin klein zu halten, kann ein entsprechendes Wickelverfahren eingesetzt werden. Das Spaltrohr 32 ist beispielsweise aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) oder aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK) hergestellt.
Zum Herstellen des Spaltrohrs 32 wird beispielsweise ein Kohle- beziehungsweise Glasfaserendlosfaden mit einem Wickelwinkel von circa 89 Grad auf einen vorher erhitzten Dorn gewickelt. Der Faden wird unmittelbar vor dem Aufwickeln mit einem speziellen Epoxidharz getränkt. Die Harz-Härter-Mischung ist dabei so abzustimmen, dass trotz der erhöhten Temperatur des Dorns ein zu schnelles Erhärten nicht stattfindet. Da der Dorn nicht nachgeheizt wird, wird das Wickeln sehr schnell durchgeführt. Hierbei sind Wickelfehler beziehungsweise Überlappungen des Fadens an ungewollten Stellen zu vermeiden, da ansonsten Mikrofehler entstehen könnten. Derartige Mikrofehler führen zwar nicht zu einem Riss des Materials, jedoch zu einer Störstelle in der Faser-Harz-Matrix, was zu einem langsamen Lecken der zu pumpenden beziehungsweise zu fördernden Flüssigkeit führt.
Um dies zu verhindern, wird nach dem eigentlichen Wickeln und Entfernen des Dorns eine weitere dünne Harzschicht am Innendurchmesser des Spaltrohrs 32 aufgetragen. Mit anderen Worten wird eine aus 6 und 7 erkennbare, innenumfangsseitige Mantelfläche 48 des Spaltrohrs 32 nach dem Wickeln mit einer dünnen Harzschicht versehen. In einem anschließenden zweiten Schritt erfolgt eine weitere Beschichtung mittels eines sogenannten Laser-Deposition-Verfahrens. Ein Targetmaterial wird in das Spaltrohr 32 eingeschoben und durch einen Laser so stark erhitzt, bis ein Plasma entsteht. Das Plasma setzt sich an der kalten, innenumfangsseitigen Mantelfläche 48 des aus dem faserverstärkten Kunststoff gebildeten Spaltrohrs 32 ab und bildet dabei eine circa 4 bis 10 Mikrometer dicke Schicht. Bei dem Targetmaterial handelt es sich somit um ein Beschichtungsmaterial, mittels welchem die innenumfangsseitige Mantelfläche 48 beschichtet wird. Durch diese Beschichtung des Spaltrohrs 32 kann das Spaltrohr 32 flüssigkeits- und/oder insbesondere gasdicht versiegelt werden.
Zur Realisierung einer hohen Kratzbeständigkeit dieser Beschichtung kann auf diese Beschichtung eine weitere Schicht aufgetragen werden, wobei diese weitere Schicht beispielsweise aus einem Kunststoff, insbesondere aus PTFE gebildet ist.
Trotz des sehr genauen Wickelns und des nachträglichen Backens im Vakuum kann es passieren, dass der Außendurchmesser des Spaltrohrs 32 nicht den geforderten Toleranzen genügt. Um den Außendurchmesser präzise auf Maß zu bringen, kann vorgesehen sein, dass das Spaltrohr 32 außenumfangsseitig geschliffen wird. Um Risse zu vermeiden, wird das Schleifen äußerst behutsam durchgeführt.
6 zeigt den zusammengebauten Stator 26, in dessen Statorinnenraum 44 das Spaltrohr 32 teilweise eingeschoben ist. Dies ist auch in 7 zu erkennen. Bei Beaufschlagung des Spaltrohrs 32 mit Druck könnte es aufgrund von Unebenheiten der jeweiligen Blechpakete der Einzelzähne 34 zu Rissen kommen. Diese Druckbeaufschlagung geht dabei von der zu fördernden Flüssigkeit aus, die das Spaltrohr 32 innenumfangsseitig beaufschlagt. Daher wird das Spaltrohr 32 in den Stator 26 eingeklebt. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Blech und faserverstärktem Kunststoff wird zum Verkleben des Spaltrohrs 32 mit dem Stator 26 ein Silikonkleber verwendet. Zum Verkleben wird beispielsweise ein Klebespalt zwischen dem Spaltrohr 32 und dem Stator 26 vorgesehen, wobei der Klebespalt beispielsweise 0,025 Millimeter beträgt. Beim Fügen wird der vorgesehene Klebespalt durch einen speziellen, sehr niederviskosen Kleber gefüllt. Nach dem Verkleben ist das Spaltrohr 32 nicht mehr aus dem Stator 26 herauszulösen und damit ein Testen unterschiedlicher Beschichtungsarten nicht möglich.
Zum Testen des Spaltrohrs 32 beziehungsweise unterschiedlicher Bauvarianten des Spaltrohrs 32 wird daher ein in 8 gezeigter Druckprüfstand 50 verwendet. Der Druckprüfstand 50 weist eine Aufnahme 52 auf, in der das Spaltrohr 32 beziehungsweise unterschiedliche Bauvarianten des Spaltrohrs 32 angeordnet werden kann beziehungsweise können. Im in der Aufnahme 52 aufgenommenen Zustand kann die jeweilige Bauvariante innenumfangsseitig mit einem Druck beaufschlagt werden. Diese Druckbeaufschlagung kann dabei so lange beziehungsweise mit einem so hohen Druck erfolgen, dass das Spaltrohr 32 birst. Nach dem Zerbersten kann das geborstene Spaltrohr 32 aus der Aufnahme 52 ausgebaut und eine neue Bauvariante des Spaltrohrs 32 eingebaut werden.
Mittels des Druckprüfstands 50 ist es nun möglich, unterschiedliche Bauvarianten des Spaltrohrs 32 mit unterschiedlichen Beschichtungen und/oder unterschiedlicher Länge zu testen. Wie aus 8 erkennbar ist, weist auch der Druckprüfstand 52 Zähne 54 auf, durch welche die Einzelzähne 34 der elektrischen Maschine 12 nachgebildet werden. Die hohe Festigkeit des Druckprüfstands 50 ermöglicht es zudem, gefahrenfrei gasgefüllte Spaltrohre zu testen. Hierdurch können CO₂-Klimakompressoren näher untersucht werden, da sie in ihrer Leistungsklasse in das Baukastensystem passen.
Mittels des Druckprüfstands 50 kann das Spaltrohr 32 mit einem Druck von bis zu 750 bar beaufschlagt werden, was beispielsweise circa dem 4,6-fachen entspricht, was das Spaltrohr 32 eigentlich aushalten müsste.
Wie aus 9 erkennbar ist, ist der Rotor 28 als Hohlrotor ausgebildet. Aus 9 ist dabei ein Blechpaket 56 erkennbar, welches – ähnlich wie der Stator 26 – eine Mehrzahl von Blechen umfasst. Die Bleche sind dabei als Elektrobleche ausgebildet und in axialer Richtung der elektrischen Maschine 12 aufeinander gestapelt und miteinander verbunden. Das Blechpaket 56 ist nach Art eines Hohlzylinders beziehungsweise einer Hohlwelle ausgebildet und weist einen Innenraum 58 auf. Ein solcher Hohlrotor hat den Vorteil, dass er ein besonders geringes Gewicht im zusammengebauten Zustand aufweist sowie im zusammengebauten Zustand sehr viel besser magnetisiert werden kann. Die Magnetisierung erfolgt dabei durch den gesamten Rotor 28 hindurch und nicht, wie sonst üblich, durch einen Kopf am Rotoraußendurchmesser. Die Sättigungsmagnetisierung lässt sich somit von circa 80% auf bis 97% steigern und kommt dem Magnetisieren der Magnete vor deren Einbau sehr nahe. Der Rotor 28 ist zudem als IPM (Internal Permanent Magnet) ausgeführt, so dass sich das zusätzliche Reluktanzmoment nutzen lässt.
Wie aus 9 erkennbar ist, weist das Blechpaket 56 in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Aufnahmen 60 auf. Die Aufnahmen 60 werden auch als „Slots” bezeichnet. In 9 ist auch ein Magnet in Form eines Permanentmagneten 62 des Rotors 28 erkennbar. Die Aufnahmen 60 dienen dabei zum Aufnehmen der Permanentmagnete. Hierzu wird der jeweilige Permanentmagnet 62 beziehungsweise werden die Permanentmagnete in die jeweiligen Aufnahmen 60 in axialer Richtung des Rotors 28 eingesteckt und beispielsweise mit dem Blechpaket 56 verbunden.
Gegenüber Oberflächenmagneten (SPM) kann fast 20% Magnetmaterial bei gleicher Drehmomentdichte gespart werden. Die dabei verwendeten, zumindest im Wesentlichen quaderförmigen Permanentmagnete sind zudem sehr viel einfacher zu fertigen als bei Oberflächenmagneten.
10 zeigt die Leistungselektronik 18 ohne Signalelektronik. Als größte Herausforderung hat sich die Lötbarkeit von Dickkupferplatten erwiesen, welche eine sehr hohe Wärmeleitung und Kapazität haben. Daher muss die gesamte Platine auf eine Temperatur von circa 150 Grad Celsius gebracht werden, bevor mit einem Starklötkolben die Bauteile eingesetzt werden können. Die Aufheizung kann zur verringerten Haltbarkeit der Haupt- sowie Filterkondensatoren führen. Daher sollte dieser Prozess mittels eines Reflow-Ofens oder Lötbad optimiert werden.
11 zeigt die Leistungselektronik 18, die in das Gehäuseelement 10 eingebaut ist. Eine weitere Herausforderung hinsichtlich der Leistungselektronik 18 stellt die Verbindung, insbesondere mit dem Stator 28 dar. Hier müssen sehr hohe Ströme übertragen werden. Zudem muss die Verbindung zwischen Motor und Leistungselektronik 18 vor dem Schließen des Gehäuseelements 10 erfolgen, was die Verwendung von langen Verbindungskabeln erfordern könnte. Abhilfe könnten hier Hochstromsteckverbinder schaffen, die jedoch bei Niederdruckanwendungen im Spaltrohr 32 durch ein offenes Leistungselektronikgehäuse ersetzt werden können. Dadurch können die gewickelten Statordrähte direkt mit der Leistungselektronikplatine kontaktiert werden.
Die elektrische Maschine 12 umfasst auch eine Signalelektronik, welche sämtliche Sensorauswertungsfilter, die Ansteuerung von MOSFETs sowie einen Hauptprozessor beinhaltet. Über ein Highspeed-CAN-Modul können Daten an einen Computer zur Auswertung übertragen werden, wodurch eine Fehleranalyse erleichtert werden kann. Die Separation zwischen Leistungselektronik 18 und Signalelektronik kann erforderlich sein, um unterschiedliche Löttechniken nutzen zu können. Diese sollten nicht miteinander kombiniert werden.
Zudem wird der Hauptprozessor so weit wie möglich entfernt von heißen Bauteilen verbaut, da die Maximaltemperaturen für MOSFETs und den Hauptprozessor unterschiedlich sind. Die Haupttemperatur für MOSFETs beträgt beispielsweise 180 Grad Celsius, während die Maximaltemperatur für den Hauptprozessor beispielsweise 150 Grad Celsius beträgt. Zum exakten Regeln oder Steuern der elektrischen Maschine 12 ist es erforderlich, die Drehstellung des Rotors 28 um die Drehachse erfassen zu können. Hierzu wird ein Positionssensor verwendet. Dieser Positionssensor kann als Hall-Sensor ausgebildet sein.
Vorzugsweise wird jedoch zur Positionsbestimmung das sogenannte GMR-Verfahren (GMR – Giant Magnetoresistance) verwendet. Dieses GMR-Verfahren ist anhand von 12 erläutert. Hierzu wird eine Platine 64 und ein darauf angeordneter GMR-Sensor 66 verwendet. Mit der Welle 30 ist ein Magnet in Form eines Scheibenmagnets 68 drehfest gekoppelt, so dass sich der Scheibenmagnet 68 mit der Welle 30 mitdreht.
Die Positionserfassung, das heißt die Erfassung der Drehstellung des Rotors 28 erfolgt somit mittels des Scheibenmagnets 68 und des GMR-Sensors 66, das heißt magnetisch. Der Vorteil gegenüber dem Hall-Sensor liegt in der sehr viel höheren Auflösung und den nahezu identischen Kosten. Der Scheibenmagnet 68 ist dabei diametral magnetisiert und ermöglicht dem GMR-Sensor 66, die Position, das heißt die Drehstellung der Welle 30 auf bis zu 0,4 Grad aufzulösen. Der Scheibenmagnet 68 wird beispielsweise direkt an die Welle 30 angeschraubt, so dass die zu fördernde Flüssigkeit auch den Scheibenmagneten 68 berührt beziehungsweise umspült. Das vom Scheibenmagnet 68 ausgehende Magnetfeld kann beispielsweise durch eine Wandung des Gehäuseelements 10 vom GMR-Sensor 66 hindurch detektiert werden und ermöglicht dadurch einen komplett hermetisch abgedichteten Rotor 28. Dadurch ist es möglich, die zu fördernde Flüssigkeit vom GMR-Sensor 66 fernzuhalten.
13 zeigt das Gehäuseelement 10 mit einem Deckel 70. In axialer Richtung der elektrischen Maschine 12 hinter dem Deckel 70 ist der Scheibenmagnet 68 angeordnet. Der GMR-Sensor 66 kann nun auf einer dem Scheibenmagneten 68 abgewandten Außenseite des Deckels 70 in einem Raum angeordnet werden, wobei dieser Raum mittels des Deckels 70 gegen einen Raum, in dem der Scheibenmagnet 68 angeordnet ist und der von der Flüssigkeit durchströmt wird, abgetrennt ist.
Als Hauptprozessor wird beispielsweise ein XC2267-Prozessor verwendet. Die Programmierung erfolgt in Festkommaarithmetik und ermöglicht eine sehr hohe Regelfrequenz. Hierbei ist eine Takt- und Regelfrequenz realisierbar, welche in einem Bereich von 25 Kilohertz bis 50 Kilohertz liegt. Dadurch ergibt sich ein besonders gutes Spannungsverhalten an der Batterie, wodurch beispielsweise passive Filter verkleinert werden können.
Durch die Ausgestaltung des Spaltrohrs 32 aus einem faserverstärkten Kunststoff kann einerseits eine effektive Abdichtung des Rotors 28 gegen den Stator 26 auch bei sehr hohen Drücken von beispielsweise 160 bar realisiert werden. Andererseits kann die Wanddicke des Spaltrohrs 32 gering gehalten werden. Dadurch kann wiederum eine sehr hohe Effizienz der elektrischen Maschine 12 realisiert werden. Ferner ist das aus dem faserverstärkten Kunststoff gebildete Spaltrohr 32 nicht magnetisch und nicht elektrisch aktiv. Fernern können die Toleranzen insbesondere des Außendurchmessers des Spaltrohrs 32 auf einfache Weise gering gehalten werden. Dies ist beispielsweise durch Rundschleifen auf einfache Weise darstellbar.
Um das Spaltrohr 32 gasdicht zu gestalten, wird das Spaltrohr 32 innenumfangsseitig mit einer zusätzlich zu dem faserverstärkten Kunststoff vorgesehenen Beschichtung, vorzugsweise aus Kunststoff, versehen. Diese Beschichtung wird auch als Layer bezeichnet und weist vorzugsweise eine Dicke auf, die in einem Bereich von 0,5 Mikrometer bis 1 Mikrometer liegt. Mittels dieses Layers kann die feinporöse Struktur des faserverstärkten Kunststoffs gasdicht versiegelt werden.
Es hat sich gezeigt, dass das Einbringen eines Liners zum Beispiel aus PTFE unzweckmäßig ist, da ein solcher Liner mit einer Wandstärke von weniger als 0,5 Millimeter nicht schadfrei eingesetzt werden kann.
Zur Realisierung einer besonders guten Effizienz der elektrischen Maschine 12 ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Wanddicke beziehungsweise Wandstärke des Spaltrohrs 32 maximal 1 Millimeter beträgt.
14 und 15 zeigen das Spaltrohr 32, welches eine nur sehr geringe Dicke aufweist und dennoch auch sehr hohe Drücke aufnehmen kann, wodurch eine sichere Abdichtung des Stators 26 gegen den Rotor 28 gewährleistet wird. Durch entsprechende Anpassung der Bleche des Stators 26 kann das Spaltrohr 32 abgestützt werden. Der Gesamtdruck sollte jedoch nicht nur auf den Einzelzähnen 34 liegen, da sich diese gegebenenfalls verformen könnten. Eine Verbindung der Einzelzähne 34 in Umfangsrichtung durch elektrisch leitende Materialien ist unzweckmäßig, da sich ansonsten der magnetische Fluss kurzschließen würde.
Daher werden die aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem faserverstärkten Kunststoff, gebildeten Keile 42 verwendet, welche elektrisch nicht leitend und nicht aktiv sind. Durch die Keile 42 kann ein zwischen den Einzelzähnen 34 in Umfangsrichtung vorgesehener Spalt geschlossen werden, so dass eine besonders vorteilhafte Abstützwirkung realisierbar ist.
Da die Einzelzähne 34 relativ lang sind, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Einzelzähne 34 insbesondere in Umfangsrichtung separiert werden, da die Keile 42 beim Einschieben beschädigt werden könnten. Das Separieren der Einzelzähne 34 hat weitere Vorteile, da nun sehr viel mehr Kupfer bei gleichem Querschnitt in den Motor eingebracht werden kann. Durch die Separation können nun beispielsweise wenigstens zwei Halbschalen aus jeweiligen Einzelzähnen 34 und Keilen 42 erzeugt werden, welche um das Spaltrohr geschlossen werden. Bei konventioneller Fertigung, das heißt bei einem geschlossenen Stator aus einem Blech würde das Spaltrohr 32 beim Einschieben beschädigt werden und Mikrorissen könnten entstehen. 16 zeigt einen Einzelzahn 34 mit einer Wickelendkappe 40 und einer Wicklung 36. Darüber hinaus ist in 16 ein Keil 42 dargestellt.
Aus 17 ist eine mit 72 bezeichnete Halbschale des Stators 26 erkennbar. Die Halbschale 42 umfasst eine Mehrzahl von Einzelzähnen 34, die jeweils mit wenigstens einem elektrischen Leiter 38 unter Ausbildung wenigstens einer jeweiligen Wicklung 36 bewickelt sind. Der Stator 26 umfasst auch eine in 17 nicht dargestellte und mit der Halbschale 72 korrespondierende Halbschale. Im Zuge der Herstellung des Stators 26 kann das fertig hergestellte Spaltrohr 32 zunächst teilweise in der Halbschale 72 angeordnet werden, wie es aus 17 hervorgeht.
Im Anschluss daran werden die Halbschale 72 und die zweite Halbschale zusammengesetzt, wobei das Spaltrohr 32 auch teilweise in der zweiten Halbschale angeordnet wird. Hierdurch kann das Spaltrohr 32 einfach und beschädigungsfrei im Statorinnenraum 44 angeordnet werden, wobei der Statorinnenraum 44 zu einem ersten Teil, insbesondere zu einer ersten Hälfte, von der Halbschale 42 und zu einem zweiten Teil, insbesondere zur zweiten Hälfte, durch die zweite Halbschale begrenzt wird.
18 zeigt den Stator 26 in einer perspektivischen Querschnittsansicht. Dabei ist der Stator 26 im Gehäuseelement 10, insbesondere im Motorgehäuse 14, angeordnet. Aus 18 sind besonders gut die Keile 42 und ihr jeweiliger, sanduhrförmiger Querschnitt erkennbar. Hierdurch sind die jeweiligen Einzelzähne 34 an ihrem jeweiligen Innendurchmesser formschlüssig mit den Keilen 42 verbunden.
An ihrem jeweiligen Außendurchmesser sind die Einzelzähne 34 formschlüssig miteinander verbunden. Hierzu weist der jeweilige Einzelzahn 34 einerseits einen Vorsprung und andererseits eine Aufnahme auf. Der Vorsprung eines jeweiligen ersten Einzelzahns 34 ist in der korrespondierenden Aufnahme eines jeweiligen, in Umfangsrichtung auf den ersten Einzelzahn 34 folgenden, zweiten Einzelzahns 34 aufgenommen. In der Aufnahme des ersten Einzelzahns 34 ist der korrespondierende Vorsprung eines dem einen Einzelzahn 34 vorweggehenden, anderen Einzelzahns 34 aufgenommen. Mit anderen Worten sind die Einzelzähne an ihrem jeweiligen Außenumfang in Umfangsrichtung zusammengesteckt.
Zur Realisierung schneller Beschleunigungen des Rotors 28 insbesondere auf Maximaldrehzahl ist ein sehr niedriges Trägheitsmoment vorteilhaft. Der Rotor 26 ist jedoch relativ lang und muss dazu sehr steif ausgeführt sein. Grundsätzlich erfordern diese beiden Anforderungen gegensätzliche Maßnahmen. Um sowohl eine hohe Steifigkeit als auch gleichzeitig ein geringes Trägheitsmoment des Rotors 28 zu realisieren, ist der Rotor 28 – wie aus 19 hervorgeht – nach einem sogenannten Doppelwellenkonzept ausgebildet. Wie aus 19 erkennbar ist, umfasst der Rotor 28 eine Hohlwelle 74. Aus dieser Hohlwelle 74 ist das Blechpaket 56 des Rotors 28 angeordnet. Der Rotor 28 kann auch eine Mehrzahl von Blechpaketen, sogenannte Teilblechpakete, umfassen, welche auf der Hohlwelle 74 angeordnet und mit der Hohlwelle 74 drehfest verbunden sind. Aus 19 sind darüber hinaus die Permanentmagnete 62 zu erkennen, die in den korrespondierenden Aufnahmen 60 des Blechpakets 56 aufgenommen sind.
Die Hohlwelle 74 wiederum ist mit der Welle 30 drehfest verbunden. Die Welle 30 ist dabei als Vollwelle ausgebildet. Beispielsweise wird die Hohlwelle 74 über wenigstens eine Buchse, insbesondere eine Mehrzahl von Buchsen, auf die Welle 30 gespannt.
Vorzugsweise sind alle Teile, die mit der zu pumpenden Flüssigkeit in Berührung kommen, mit einem Kunststoff, insbesondere mit PTFE, beschichtet, um dadurch insbesondere die Reibung besonders gering zu halten.
Bei allen drei Anwendungsfällen wird die elektrische Maschine 12 an besonders heißen Stellen des Kraftwagens eingesetzt. Die elektrische Maschine 12 wird beispielsweise im bis zu 120 Grad Celsius heißen Motorraum oder neben einem Auspuff in einem Bereich angeordnet, in dem Temperaturen von bis zu 180 Grad Celsius herrschen können. Dabei ist der Stator 26 so zu optimieren, dass wenig Wärme entsteht und diese trotz nötiger elektrischer Isolation optimal abgeführt werden kann. Dabei kann auf Nutisolationspapier als Isolationselement 39 zurückgegriffen werden, welches hervorragende mechanische elektrische isolatorische Eigenschaften aufweist, jedoch auch als Wärmedämmmaterial verwendet werden kann.
Um die Wärme noch besser abführen zu können, wird auf das zuvor erwähnte, mit keramischen Aluminiumpartikeln versehene Silikon-Elastomer als Isolationselement 39 zurückgegriffen. Im Rahmen der Fertigung der elektrischen Maschine 12 wird das Isolationselement 39 – welches beispielsweise besonders gut aus 20 erkennbar ist – auf die jeweiligen Einzelzähne 34 geklebt und anschließend mit dem elektrischen Leiter 38 umwickelt. Bei dem elektrischen Leiter 38 kann es sich beispielsweise um Kupferdraht handeln.
Um nun einen vorteilhaften Kontakt des elektrischen Leiters 38 zum Isolationselement 39 zu erreichen, werden die jeweiligen Wicklungen 36 und dadurch gebildete Spulen mittels elektrischen Stroms erwärmt und an das Isolationselement 39 gepresst. Erst wenn ein Luftspalt zwischen der jeweiligen Wicklung 36 und dem Isolationselement 39 verschwunden oder hinreichend gering ist, kann das Isolationselement 39 seine Vorzüge entfalten. Hierdurch lässt sich die Wärmeleitfähigkeit um das Vierzigfache steigern.
Vorzugsweise wird als elektrischer Leiter 38 ein sogenannter Backlack-Kupferdraht eingesetzt. Dabei ist eine beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Kupfer, gebildete Seele des elektrischen Leiters 38 mit einem Lack, einem sogenannten Backlack, überzogen, wobei dieser Lack bei circa 150 Grad Celsius flüssig wird. Wird nun der elektrische Leiter 38 erwärmt, indem beispielsweise ein elektrischer Strom durch ihn hindurchgeleitet wird, und an das Isolationselement 39 gepresst, so werden Lücken, die beim orthozyklischen Wickeln entstehen, mit dem Lack gefüllt, und es kommt zu einer weiteren Verbesserung der Wärmeleiteigenschaften.
Um Vibrationen, das heißt Drehzahlschwingungen, zu verhindern oder besonders gering zu halten, wird die Lage beziehungsweise die Position des Rotors 28 um dessen Drehachse präzise erfasst. Hierzu wird der zuvor erwähnte GMR-Sensor 66 im Zusammenspiel mit der diametral magnetisierten Magnetscheibe 68 verwendet. Um die Position beziehungsweise Drehstellung des Rotors 28 durch eine druckbeständige Wandung beziehungsweise durch den druckbeständigen Deckel 70 des Gehäuseelements 10 zu erfassen, wird die Magnetscheibe 68 so montiert, dass sie vor dem Deckel 70 rotiert. Der Deckel 70 wird auch als Lagerschild bezeichnet. Das Lagerschild ist vorzugsweise so zu gestalten, dass es dem pulsartigen Druck widerstehen kann, jedoch so dünn ist, dass der auf der trockenen Seite angeordnete GMR-Sensor 66 die Position des Rotors 28 vorzugsweise auf 0,5 Grad genau erfassen kann. Der GMR-Sensor 66 ist dabei gleichzeitig auf der Platine 64 platziert, welche beispielsweise eine Ansteuerplatine der Leistungselektronik 18 ist. Dieser Aufbau geht besonders gut aus 22 hervor. Wie aus 22 erkennbar ist, weist der Deckel 70 eine druckstoßoptimierte Wandgeometrie auf. Aus 21 und 22 ist ferner erkennbar, dass der Rotor 28 über wenigstens ein Wälzlager 76 am Gehäuseelement 10, insbesondere am Pumpengehäuse 20, gelagert ist.
Bezugszeichenliste

10: Gehäuseelement
12: elektrische Maschine
14: Motorgehäuse
16: Leistungsgehäuse
18: Leistungselektronik
20: Pumpengehäuse
22: Gehäusedeckel
24: Aufnahmeraum
26: Stator
28: Rotor
30: Welle
32: Spaltrohr
34: Einzelzahn
36: Wicklung
38: elektrischer Leiter
39: Isolationselement
40: Wickelendkappe
42: Keil
44: Statorinnenraum
46: innenumfangsseitige Mantelfläche
48: innenumfangsseitige Mantelfläche
50: Druckprüfstand
52: Aufnahme
54: Zahn
56: Blechpaket
58: Innenraum
60: Aufnahme
62: Permanentmagnet
64: Platine
66: GMR-Sensor
68: Scheibenmagnet
70: Deckel
72: Halbschale
74: Hohlwelle
76: Wälzlager

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 40046 Teil 22 [0048]
ISO 7637 [0067]
EN-AW 7075-T6 [0071]
DIN EN 10106 [0090]

Claims

Elektrische Maschine (12), insbesondere für einen Hilfsantrieb eines Kraftwagens, mit einem Stator (26) und mit einem um eine Drehachse relativ zu dem Stator (26) drehbaren Rotor (28), wobei der Rotor mittels wenigstens eines Spaltrohrs (32) gegen den Stator (26) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltrohr (32) aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet ist.
Elektrische Maschine (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der faserverstärkte Kunststoff ein kohlefaserverstärkter Kunststoff oder ein glasfaserverstärkter Kunststoff ist.
Elektrische Maschine (12) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der faserverstärkte Kunststoff einen Faseranteil von 40% aufweist.
Elektrische Maschine (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltrohr (32) eine Wanddicke von maximal 1 Millimeter aufweist.
Elektrische Maschine (12) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke maximal 0,6 Millimeter beträgt.
Elektrische Maschine (12) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke mindestens 0,2 Millimeter beträgt.
Elektrische Maschine (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltrohr (32) innenumfangsseitig mit einer zusätzlich zum faserverstärkten Kunststoff vorgesehenen Beschichtung, insbesondere aus einem Kunststoff, versehen ist.
Elektrische Maschine (12) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Dicke in einem Bereich von einschließlich 0,5 Mikrometer bis einschließlich 1 Mikrometer aufweist.
Elektrische Maschine (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (12) als Pumpe ausgebildet ist und wenigstens ein von dem Rotor (28) antreibbares Pumpenrad zum Fördern einer Flüssigkeit aufweist.
Kraftwagen mit wenigstens einer elektrischen Maschine (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.