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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug. Die elektrische Maschine weist einen Stator und einen Rotor auf, wobei zwischen dem Stator und dem Rotor ein Luftspalt angeordnet ist. Zur Nutzung in einem Kraftfahrzeug ist es aus Komfortgründen vorteilhaft, wenn die elektrische Maschine geräuschgedämpft ist. Insbesondere die eine Geräuschreduzierung vor allem bei sogenannten Traktionsmotoren für den Fahrkomfort von Bedeutung, da hierbei die elektrische Maschine zum Antrieb des Kraftfahrzeuges genutzt wird und eine entsprechend große Leistung abgeben können muss, was zur Beeinträchtigung des Fahrkomfort durch eine Geräuschbelastung des Fahrers führen kann. Zudem erschwert eine notwendige mechanische Verbindung der elektrischen Maschine mit dem Kraftfahrzeug zur Lagerung der elektrischen Maschine und Abstützung der Kräfte eine Schwingungsentkopplung, um so eine Geräuschreduzierung außerhalb der elektrischen Maschine zu gewährleisten
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So zeigt schon die
EP 0909005 A2 eine besonders geräuschgedämpfte elektrische Maschine, welche auch für ein Kraftfahrzeug nutzbar ist. Hierbei schlägt die
EP 0909005 A2 eine besondere Lagerung der elektrischen Maschine und des Rotors vor, um die in der elektrischen Maschine und insbesondere im Rotor entstandenen Vibrationen und Schwingungen nicht nach außen auf das Kraftfahrzeug zu übertragen und so eine Geräuschbelästigung des Fahrers durch die Schwingungen zu vermindern.
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Die
EP 1142083 B1 vermindert hingegen die Schwingungen in der elektrischen Maschine durch einen Statordämpfer, der zwischen dem Gehäuse und dem Stator angeordnet ist und so eine Übertragung der Schwingungen aus dem Stator an das Gehäuse vermindert. Auch hier ist das vorgeschlagene Ziel eine Verminderung der Schwingungsübertragung von der elektrischen Maschine an das Gehäuse und somit an die Umgebung.
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Entsprechend schlägt auch die
DE 20 2010 010 156 U1 vor zwischen dem Rotor beziehungsweise dem Ringmagnet des Rotors und der Rotorachse einen Stoßdämpfer aus schwingungsabsorbierendem Material anzuordnen, um so eine Schwingungsübertragung vom Rotor an die Rotorwelle und damit auch über dessen Lagerung nach außen zu vermindern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Geräuschdämpfung für eine elektrische Maschine anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer elektrischen Maschine gelöst, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine gattungsgemäße elektrische Maschine hat einem Stator und einem Rotor, wobei zwischen dem Stator und dem Rotor ein Luftspalt angeordnet ist. Die elektrische Maschine kann dabei in Form eines Außenläufertyps oder eines Innenläufertyps ausgestaltet sein. Erfindungsgemäß ist an mindestens einer dem Luftspalt zugewandten Oberfläche des Stators und/oder des Rotors eine Vorrichtung zur Schallabsorption vorgesehen.
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Durch die Vorrichtung zur Schallabsorption sollen Schallwellen, die sich im Medium des Luftspaltes fortbewegen, absorbiert werden um nicht zu einer weiteren Schwingungsanregung von Stator und/oder Rotor beizutragen. Schwingungen und Vibrationen, welche in der elektrischen Maschine entstehen, können das Medium im Luftspalt ebenfalls zu Schwingungen anregen, was sich als Schall dann durch das Medium des Luftspalts fortbewegt und an anderer Stelle der elektrischen Maschine wieder zu Schwingungen und Vibrationen der elektrischen Maschine führen kann. Ziel der Erfindung es eben diese Schwingungspropagation durch das Medium des Luftspaltes zu vermindern und somit Schwingungen und Vibrationen in der elektrischen Maschine selbst zu vermindern und nicht nur deren Übertragung nach außen zu dämpfen, wie es der Stand der Technik vorschlägt. Zudem entstehen durch die Drehung des Rotors im Medium des Luftspalts ebenfalls Schwingungen und Vibrationen, welche durch Strömungen und Verwirbelungen des Mediums durch die Drehung hervorgerufen werden. Solche Schwingungen im Medium des Luftspalts können als fortlaufende Wellen das Material der elektrischen Maschine zu weiteren Schwingungen anregen oder sich in Form einer stehenden Welle, die sich im Luftspalt ausbilden kann, aufschaukeln. Im Resonanzfall kann eine solche stehende Welle zu wesentlichen Schwingungen der gesamten elektrischen Maschine beitragen, was umso mehr durch eine äußere Dämpfung abgefangen werden muss, um spürbare Komforteinbußen oder sogar strukturelle Schäden zu vermeiden. Somit ist durch die vorliegende Erfindung es wesentlich besser und einfacher gelöst, solche Wellen im Luftspalt direkt zu vermindern oder ganz zu verhindern, bevor diese zu einer Beeinträchtigung im Betrieb der elektrischen Maschine führen.
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Eine Verminderung der Schallübertragung im Luftspalt kann auch durch eine geeignete Wahl des Mediums im Luftspalt erreicht werden, wobei hier insbesondere bei Vakuum keine Schallübertragung mehr vorhanden wäre. Im technischen Umfeld und im Betrieb der elektrischen Maschine ist es aber schwer ein Vakuum im Luftspalt einer elektrischen Maschine dauerhaft aufrecht zu erhalten, so dass entweder das Vakuum in Luftspalt durch eine zusätzliche Vorrichtung, insbesondere eine Vakuumpumpe, gewährleitstet werden müsste oder sonstige Maßnahmen zur Abdichtung des Luftspaltes vorgenommen werden müsste, was beides im Rahmen einer sinnvollen Abwägung nicht zielführend wäre. Unter Vakuum kann unter vorliegendem Verständnis auch ein im Vergleich zum Umgebungsdruck wesentlich abgesenkter Innendruck des Mediums im Luftspalt verstanden werden, da ein Vakuum unter technischen Gesichtspunkten eher als sehr niedriger Relativdruck zum Außendruck verstanden ist. Ebenso würde eine Füllung des Luftspaltes mit einem anderen Medium als Luft, welches Schall schlecht leitet, eine besondere Abdichtung erfordern, was besonders an der Lagerung des Rotors weitere Maßnahmen notwendig machen würde.
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Somit stellt die erfindungsgemäße Lösung eine schallabsorbierende Vorrichtung am Luftspalt vorzusehen eine einfache und günstige Möglichkeit dar, den Schall aus dem Luftspalt nicht wieder in Schwingungen und Vibrationen der elektrischen Maschine umzuwandeln und somit werden die Schwingungen und Vibrationen in der elektrischen Maschine an sich gedämpft ohne nur eine Übertragung nach außen hin zu dämpfen. Die schallabsorbierende Vorrichtung reduziert auch den Schall im Luftspalt, so dass sich oben beschriebene Wellen nicht aufbauen und weiter fortpflanzen können.
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In einer erfindungsgemäßen Fortbildung ist die schallabsorbierende Vorrichtung aus Überständen und/oder Einbuchtungen im Stator und/oder im Rotor gebildet. Hierbei bricht sich der Schall an den Überständen und/oder Einbuchtungen, so dass eine Schallausbreitung vermindert ist.
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Schall, welcher sich als Wellenfront fortpflanzt, kann sich an glatten und ebenen Oberflächen gut reflektieren und diese zu Schwingungen, insbesondere Eigenschwingungen, anregen. Trifft eine Schallwellenfront auf eine Oberfläche, welche Überstände und/oder Einbuchtungen aufweist, wird die Wellenfront an den Überständen und/oder Einbuchtungen entsprechend dem Einfallswinkel in unterschiedliche Richtungen reflektiert und somit zerstreut. Durch eine solche Zerstreuung der Wellenfront ist ein Fortschreiten der Welle verhindert und auch die Schwingungsanregung des Materials vermindert, da es zu lokalen Auslöschungen der Schwingungen kommen kann.
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Die Schallwellen im Luftspalt breiten sich in alle Richtungen aus, von daher ist es sinnvoll solche Überstände und/oder Einbuchtungen als schallabsorbierende Vorrichtung an entsprechenden Oberflächen am Stator und/oder am Rotor vorzusehen. Vorteilhaft wären solche Überstände und/oder Einbuchtungen sowohl am Stator als auch am Rotor vorzusehen, wobei sich diese gegenseitig bei der Dämpfung verstärken. Aus konstruktiven Gründen kann es aber auch zweckmäßig sein, die Überstände und/oder Einbuchtungen nur an einem der beiden Teile, dem Stator oder dem Rotor vorzusehen. Im einfachsten Fall können schon ein einzelner Überstand oder eine einzelne Einbuchtung pro Umfangsabschnitt genügen um die Schallausbreitung im Luftspalt zu reduzieren, wobei aber eine geschickte Kombination aus beiden Möglichkeiten und deren angepasste Verteilung pro Umfangsabschnitt, beziehungsweise auf den gesamten Umfang gesehen, die Schallabsorption verbessert und eine wesentlich höhere Dämpfungseigenschaft erzeugt.
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Ist der Stator als Stator aus Zähnen aufgebaut, wobei hier insbesondere pro Zahn eine Einzelwicklung vorgesehen ist, ist es vorteilhaft die Überstände und/oder Einbuchtungen an einer Oberfläche eines Fußbereichs des Statorzahns auszubilden. Hierbei kann der Stator als Vollschnitt über den gesamten Umfang gebildet sein oder auch segmentiert aufgebaut sein, wobei die Zähne zu mehreren in Gruppen gebildet sein können oder auch aus Einzelzähnen aufgebaut sein kann. Ein solcher Statorzahn hat einen Fußbereich welcher den Teil des Zahnes in Richtung Rotor und Luftspalt bildet. Die Oberflächen an diesem Fußbereich sind dem Luftspalt am nächsten und dort bewirken auch die Überstände und/oder Einbuchtungen am meisten. Hierbei ist es auch vorteilhaft die Überstände und/oder Einbuchtungen vor allem am Stator anzuordnen, denn durch seine starre, nicht drehend Anordnung erzeugen diese Überstände und/oder Einbuchtungen auch keine zusätzlichen Verwirbelungen im Medium des Luftspaltes, wie es Überstände und/oder Einbuchtungen am Rotor, der sich dreht, tun könnten.
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Durch die meistens isolierte Anordnung des Fußbereichs eines Statorzahns im Verhältnis zum Fußbereich der benachbarten Statorzähne, sprich durch die konstruktiv getrennte Anordnung, ist hierbei meist sowieso eine Abweichung von einer glatten Zylinderform am Stator gegeben. Es entstehen durch diese Form am Fußbereich somit meist auch schon Verwirbelungen, welche durch speziell zur Schallabsorption angepasste Überstände und/oder Einbuchtungen genutzt werden können, um eine Schallfortpflanzung im Luftspalt zu vermindern.
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Verfügt der Stator über Nuten, im Gegensatz zur obigen Ausführungsform mit Zähnen, ist es vorteilhaft die Überstände und/oder Einbuchtungen an einer dem Luftspalt zugewandten Oberfläche des Stators zwischen zwei Nuten anzuordnen. Bei einem solchen Stator sind die Nuten vorgesehen um eine Statorwicklung aufzunehmen, insbesondere eine sogenannte verteilte Wicklung. Stege, die zwischen den Nuten angeordnet sind, führen magnetische Feldlinien hin zum Luftspalt und zum Rotor, so dass diese Stege zwischen den Nuten eine Oberfläche zum Luftspalt hin aufweisen, an denen die Überstände und/oder Einbuchtungen angeordnet sein können.
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In beiden Fällen, beim Stator mit Zähnen und beim Stator mit Nuten, ist aber auch darauf zu achten, dass die Überstände und/oder Einbuchtungen, welche am Stator angeordnet sind, den Fluss des magnetischen Feldes mit beeinflussen können, wenn diese direkt mit aus dem Statormaterial gebildet werden und sozusagen einstückig mit dem jeweiligen Statorteil gefertigt werden. So ist die Form der Überstände und/oder Einbuchtungen nicht nur auf eine Schallabsorption hin anzupassen, sondern auch in Bezug auf den magnetischen Fluss und vor allem auf den Verlauf der magnetischen Feldlinien.
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Alternativ zu Überständen und/oder Einbuchtungen, welche den Schall brechen, kann die schallabsorbierende Vorrichtung auch aus einem schallabsorbierenden Material bestehen. Dieses Material ist auf der dem Luftspalt zugewandten Oberfläche des Stators und/oder des Rotors angeordnet. Das schallabsorbierende Material dämpft den Schall direkt und vermindert oder verhindert gänzlich eine Reflexion beziehungsweise eine Schwingungsanregung des Materials, auf dem es angeordnet ist. Vorteilhaft ist das schallabsorbierende Material magnetisch inaktiv, so dass es keinen Einfluss oder zumindest einen vernachlässigbaren Einfluss auf den magnetischen Fluss der elektrischen Maschine hat. So kann das schallabsorbierenden Material einfach in eine bestehende Konstruktion eingefügt werden, ohne die magnetischen Eigenschaften der elektrischen Maschine darauf hin anzupassen, was einfach, kostengünstig und schnell realisierbar ist. Das schallabsorbierende Material kann dabei sowohl auf dem Rotor als auch auf dem Stator angeordnet sein und muss nicht den Umfang vollständig bedecken. Hierbei muss geprüft werden ob es zweckmäßig ist, dass das schallabsorbierende Material den Umfang am Luftspalt ganz umläuft oder ob es nur abschnittsweise angeordnet ist. Dies kann auch von der Konstruktion der elektrischen Maschine abhängen.
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Ebenfalls umfasst von der erfinderische Idee einer Anordnung einer Vorrichtung zur Schallabsorption an einer dem Luftspalt zugewandten Oberfläche ist eine Anordnung über die gesamte axiale Erstreckung des Stators und/oder Rotors oder auch nur eine abschnittsweise Anordnung in einem oder mehreren Bereichen über die axiale Erstreckung des Stators und/oder Rotors hinweg.
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In einer weiteren erfinderischen Fortbildung ist das schallabsorbierende Material aus einem Filzstoff. Filze oder Filzstoffe sind ein textiles Flächengebilde aus einem ungeordneten, nur schwer zu trennenden Fasergut. Insbesondere handelt es sich bei Filz also um eine nicht gewebte Textilie, wobei auch gewebte Textilien zum Einsatz kommen können, die nach dem Weben verfilzt oder vernadelt sind. Die Fasern des Faserguts können aus Chemie- beziehungsweise Kunstfasern oder auch aus Pflanzenfasern bestehen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 einen Schnitt durch eine elektrische Maschine (1) mit einem Stator (2) und einem Rotor (3),
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2 einen vergrößernden Ausschnitt aus 1 des Stators (2) und Rotors (3), und
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3 einen noch weiter vergrößernden Ausschnitt aus 1 des Stators (2) und Rotors (3) mit einer Vorrichtung (11) zur Geräuschabsorption am Luftspalt.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Schnitt entlang einer Drehachse 4 einer elektrischen Maschine 1. Die elektrische Maschine 1 hat einen Stator 2 und einen Rotor 3 und ist in Form eines Innenläufertyps ausgestaltet. Hierbei ist der Rotor 3 als drehender Läufer in radialer Richtung innerhalb des Stators 2 angeordnet. Der Rotor 3 ist über einen Rotortäger 6 mit einer Welle verbunden und dreht sich um die Drehachse 4. Der Stator 2 ist über einen Statorträger 5 mit einem Gehäuse 7 der elektrischen Maschine 1 verbunden und ist davon ortsfest und drehfest gehalten. Spulen 8 im Stator 2 können ein magnetisches Feld erzeugen, welches mit dem Rotor 3 wechselwirkt und so einen Betrieb der elektrischen Maschine 1 ermöglicht. Hierbei kann die elektrische Maschine 1 sowohl als Motor genutzt werden, bei dem elektrische Energie in mechanische Energie, insbesondere Antriebsenergie, Drehenergie, umgewandelt wird, als auch als Generator betrieben werden, welcher mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.
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Zur besseren Verdeutlichung zeigt 2 einen Ausschnitt aus 1 mit dem Stator 2 und Rotor 3, wobei hier ein Luftspalt 9 zwischen Stator 2 und Rotor 3 sichtbar ist. Der Luftspalt 9 ist auch schon in 1 vorhanden aber in der Gesamtdarstellung der elektrischen Maschine 1 nicht erkennbar und deswegen dort nicht bezeichnet. In 2 sind auch Magnete 10, insbesondere Permanentmagnete, im Rotor 3 ersichtlich, deren Magnetfeld mit einem erzeugbaren Magnetfeld der Spulen 8 des Stators 2 wechselwirken und so den Rotor bei einem entsprechenden umlaufenden Statormagnetfeld in Drehung versetzen oder zumindest ein Drehmoment ausüben können. Die dargestellte elektrische Maschine 1 ist eine permanenterregte Synchronmaschine. Im dargestellten Ausschnitt der 2 ist neben dem Stator 2 noch der Statorträger 5 und am Rotor 2 noch der Rotorträger 6 ersichtlich.
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Zur Darstellung der erfinderischen Idee wurde in 3 ein noch weiter vergrößerter Ausschnitt aus 1 abgebildet. Hierbei ist wieder zwischen dem Stator 2 und dem Rotor 3 der Luftspalt 9 zu erkennen. An den Oberflächen vom Stator 2 und vom Rotor 3 ist jeweils eine Vorrichtung 11 zur Schallabsorption vorgesehen. Hierbei besteht die Vorrichtung 11 zur Schallabsorption aus einem schallabsorbierenden Material, wie in diesem Fall aus einem Filzstoff 12. Der Filzstoff 12 ist flächig auf den dem Luftspalt 9 zugewandten Oberflächen des Stators 2 und des Rotors 3 angeordnet und dämpft so den Schall, der sich im Medium des Luftspaltes ausbreitet. In der dargestellten Ausführungsform ist der Filzstoff 12 mit den Oberflächen verklebt. Alternativ kommen aber auch andere Befestigungsmöglichkeiten in Betracht, wie zum Beispiel Verklemmen, Verschrauben, Vergießen oder andere Möglichkeiten. Der Filzstoff 12 besteht auch aus magnetisch inaktivem Material, so dass der Magnetfluss und die Magnetfeldlinien vom Stator 2 und Rotor 3, welche durch den Filzstoff 12 in den Luftspalt 9 hineindringen, nicht gestört oder merklich beeinflusst werden. Somit kann durch Einbringen der Vorrichtung 11 zur Schallabsorption in Form eines Filzstoffes 12 eine vorhandene elektrische Maschine 1 geräuschgedämpft werden, ohne wesentliche konstruktive Änderungen zu benötigen.
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Einzig eine Dicke des Filzstoffes 12 muss entsprechen einer Dicke des Luftspaltes 9 berücksichtig werden, so dass nach Einbringen des Filzstoffes 12 noch eine genügende Dicke des restlichen freien Luftspaltes übrig bleibt um eine freie Drehung des Rotors 3 gewährleisten zu können. Als Dicke wird hierbei eine radiale Erstreckung des Filzstoffes 12 beziehungsweise des Luftspalts 9 in der elektrischen Maschine 1 bezeichnet. Hier ist die Dicke des Filzstoffes 12 sehr klein gegenüber der Dicke des Luftspaltes 9, so dass im Betrieb der elektrischen Maschine 1 keine Einschränkungen oder Nachteile durch den Filzstoff 12 als Vorrichtung 11 zur Schallabsorption am Luftspalt 9 entstehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0909005 A2 [0002, 0002]
- EP 1142083 B1 [0003]
- DE 202010010156 U1 [0004]
