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Energieübertragungsvorrichtung, wie eine Wärme- und/oder Stromübertragungsvorrichtung, zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, mit einem Stator, innerhalb dessen ein Rotor drehbar angeordnet ist, wobei in einem zwischen dem Rotor und dem Stator vorhandenem Kanal wenigstens ein Wälzelement (abstandswahrend) angeordnet ist, das sowohl mit dem Rotor als auch dem Stator in daran abwälzendem Kontakt steht.
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Solche Energieübertragungsvorrichtungen werden bspw. in Antriebsbaugruppen eingesetzt. Solche Antriebsbaugruppen sind bspw. aus der
WO 2012/075974 A2 bekannt. Dort wird bspw. eine Antriebsbaugruppe offenbart, die einen ersten Motor und wenigstens einen zweiten Motor aufweist, wobei die Motoren bei insbesondere hoher Leistungsanforderung (Boost-Betrieb) koppelbar sind, derart, dass die Antriebsleistung durch beide Motoren bereitgestellt wird, wobei als besonders herausgestellt ist, dass der erste Motor oder zweite Motor über zwei zueinander parallele Antriebsstränge miteinander koppelbar sind, wobei in einem ersten Antriebsstrang ein erster Freilauf und in einem zweiten Antriebsstrang ein zweiter Freilauf angeordnet ist und wobei die Freiläufe bei unterschiedlichen Drehzahlen sperren.
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Üblicherweise wird bei einem Stator und einem Rotor versucht, neben der Sicherstellung einer Lagerung, zwischen diesen Energie zu übertragen, wie elektrischen Strom oder Wärme. Dazu ist es bekannt, bürstenlos arbeitende Überträger, Bürstenüberträger oder herkömmliche Wälzlager einzusetzen.
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Es ist aber zu beklagen, dass die bisherigen Lösungen Nachteile in puncto Leistungsdichte haben, also eine mangelnde Leistungsdichte aufweisen, verschleißnachteilig sind, sowohl hohe Schleppmomente aufweisen und/oder unzuverlässigen Kontakt mit dem Rotor und/oder dem Stator aufweisen, worauf auch durch Lagerhersteller hingewiesen wird.
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Es steht aber als Forderung im Raum, eine Abkühlung von rotierenden Wellen zu stehenden Gehäusen zu ermöglichen. Drehende Wellen können Wärme hauptsächlich über Lager bzw. über den Luftspalt zum Gehäuse abführen. Eine Verbesserung ist auch gerade für Elektromotoren oder Getriebe wünschenswert, genauso wie für Kupplungen, wie sog. E-Clutches / E-Kupplungen (dies umfasst elektronisch-gesteuerte-Kupplungen), denn auch der Einsatz von wärmeleitenden Medien, wie Fetten oder Fluiden zwischen dem Rotor, dem Stator und dem Wälzelement hat bisher nicht zu einer ausreichend guten Lösung geführt. So sind immer noch temperaturabhängige Reibungsverluste und Schleppverluste zu beklagen.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen oder wenigstens abzumildern. Es soll eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden, die mit einem breiten Wälzkontakt elektrischen Strom von einem stehenden Bauteil zu einem drehenden Bauteil übertragen kann, wobei die Leistungsdichte möglichst hoch sein soll und das Schleppmoment möglichst gering sein soll. Gleichzeitig sollen aber auch temperaturabhängige Reibungsverluste und Schleppverluste soweit wie möglich reduziert werden. Es soll auch mit einem guten-Wirkungsgrad Wärme von einem rotierenden Teil, nämlich dem Rotor, zu einem stehenden Teil, nämlich dem Stator, transportiert werden können.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Wälzelement als vorzugsweise geschlossenes Band ausgebildet ist.
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Zwischen dem rotierenden Teil, bspw. dem Rotor einer E-Maschine und dem stehenden Teil, z.B. einem Gehäuse, liegt nun ein mitrotierendes Band, das die Wärme abtransportiert. Je schneller sich der Rotor dreht, desto mehr Wärme kann abgeführt werden.
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Es können nun die bisher bekannten Wasser- oder Luftkühlprinzipien an dem Stator / Gehäuse weiterhin genutzt werden. Der Nachteil, wie er bisher vorlag, dass der Rotor die Wärme nur relativ schlecht über einen Luftspalt oder über eine Welle / ein Lager zum Stator / Gehäuse nach außen abtransportieren kann, wird beseitigt. Es wird eine kompakte Antriebsstrangausgestaltung für Hybrid- und Elektrofahrzeuge möglich.
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Es ist aber auch möglich, nicht nur Wärme von einer rotierenden Welle abzuführen, sondern auch vom Gehäuse zur Welle Strom zu übertragen.
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Vorteilhafte Ausführungsfomen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
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So ist es von Vorteil, wenn das Band aus einem wärme- und/oder elektrisch leitfähigem Material aufgebaut ist, bspw. einer Stahllegierung oder einer ähnlichen Metalllegierung. Auch bietet sich der Einsatz von Kupfer an.
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Ein präzises Lagern des Rotors wird erleichtert, wenn das Band in einem uneingebauten Zustand eine kreisringförmige Innen- und/oder Außenkontur aufweist und/oder im zwischen dem Rotor und dem Stator eingebauten Zustand eine ovale oder elliptische oder verwundene ovale / elliptische Innen- und/oder Außenkontur vom Band gebildet wird.
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Das Band soll eine breite Kontaktfläche zum stehenden und drehenden Teil aufweisen, wodurch eine gute Stromübertragung bzw. Leistungsdichte gewährleistet ist. Das Band wälzt sowohl mit dem stehenden als auch dem drehenden Teil (mit / ab), wodurch ein geringes Schleppmoment gewährleistet ist. Das Schleppmoment wird im Wesentlichen durch die Biegehysterese des Bandes bestimmt.
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Für eine aus elektrischer Sicht optimierte Ausgestaltung ist es zuträglich, wenn das Band zur Erdung eingesetzt ist.
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Auch ist es von Vorteil, wenn wenigstens zwei oder mehr bandartige Wälzelemente verbaut sind. Neben dem Einsatz von mehreren Bändern pro Kanal ist es auch möglich, die gesamte Vorrichtung mehrkanalig aufzubauen. Es ist von Vorteil, wenn die Energieübertragungsvorrichtung als Maschine mit rotierenden Stromverbrauchern oder Generatoren ausgebildet ist oder als Maschine zur Signalübertragung genutzt ist.
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Für den Gesamtbewegungsablauf im Einsatz ist es vorteilhaft, wenn das Band nach Art eines Planetenrades mit dem hohlradähnlich wirkenden Stator und dem sonnenradähnlich wirkenden Rotor in Wirkkontakt steht.
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Zwischen einem rotierenden Teil und einem stehenden Teil befindet sich also das mitrotierende Band, wobei das Band sich in reib- bzw. formschlüssigem Kontakt mit sowohl dem Rotor, als auch dem Stator befindet. Die Wärme wird vom Rotor auf das Band abtransportiert und gespeichert. Wenn das aufgewärmte Band in Kontakt mit dem Stator kommt, wird die Wärme wieder abtransportiert. Bei sehr großer Drehzahl ist die Wärmeleitung im Band vernachlässigbar und der Wärmetransport ist primär vom Wärmeübergang an den Kontaktstellen abhängig.
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Eine Optimierung kann erreicht werden, wenn auf dem Rotor vorhandene Zähne zum Eingreifen in Löcher des Bandes vorbereitet sind / eingreifen. Der Schlupf kann dadurch vermieden werden.
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Auch ist der Einsatz einer Wärmeleitpaste, von Fett oder ähnlichen Medien möglich, um die Wärmeleitung an der Kontaktstelle zu verbessern.
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Um die Dauerfestigkeit zu verbessern, ist es von Vorteil, wenn ein Käfig zum Führen des Bandes in Wirkkontakt mit diesem steht. Dabei ist es zweckmäßig, wenn das Band eine hohe Wärmekapazität hat, um eine erhöhte Wirkung zu zeitigen. Die Kühlung von E-Maschinen mit rotierenden Teilen oder allgemeinen Maschinen mit rotierenden Teilen, kann dadurch verbessert werden. Auch eine E-Clutch, also eine Aktorik, die rotierend in eine Kupplung integriert ist, kann optimiert werden, da auch dort ein Übertrager / Überträger gebraucht ist. Die begrenzte Leistungsdichte von berührungslosen Übertragern / Überträgern erfordert bisher einen Mehraufwand zur Minderung des Leistungsbedarfs der Aktorik, was nun vermieden wird.
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Mit anderen Worten kann auch gesagt werden, dass das Band zur Übertragung von elektrischer Energie zwischen einem stehenden Gehäuse und einer drehenden Welle eingesetzt ist. Allgemein ist durch die Erfindung eine Energieübertragungsvorrichtung, insbesondere eine Wärme- und/oder Stromübertragungsvorrichtung betroffen, aufweisend zumindest einen Rotor und einen Stator, wobei der Rotor innerhalb des Stators drehbar angeordnet ist, wobei ferner der Rotor mit dem Stator zumindest über ein wärmeleitfähiges und/oder elektrisch leitfähiges, um eine Achse des Rotors mitrotierbares Band in Kontakt ist, wobei das Band sowohl mit dem Rotor, als auch mit dem Stator abwälzt.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform in nur teilweise dargestellter, teilweise geschnittener perspektivischer Ansicht,
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2 die Kontur eines unverformten Bandes, wie er in dem Ausführungsbeispiel in 1 eingesetzt ist,
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3 die Form eines Bandes, wie es in einer Energieübertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung im verbauten Zustand eingesetzt ist,
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4, 5 und 6 eine Abfolge von Prinzipskizzen, die das Abwälzen des Bandes der 1 bis 3 in einer erfindungsgemäßen Energieübertragungsvorrichtung im Laufe der Zeit wiedergibt.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In der 1 ist ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Energieübertragungsvorrichtung 1 wiedergegeben. Die Energieübertragungsvorrichtung 1 weist einen Stator 2 und einen Rotor 3 auf. Dazwischen ist in einem hohlzylinderartigen Kanal 4 ein Wälzelement 5 angeordnet. Das Wälzelement 5 ist als umlaufend geschlossenes Band 6 ausgebildet.
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Das Band 6 weist eine Breite 7 auf, die ausreichend groß für einen Wärmeübergang und/oder einen elektrischen Stromübergang dimensioniert ist. Das Wälzelement 5 ist hohl ausgestaltet, derart, dass das Band 6 vollständig einen Hohlraum 8, etwa nach Art eines Vollzylinders, umgibt.
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Das Band 6 hat, wie in 2 zu erkennen, im unverformten Zustand eine kreisrunde Form. Dahingegen hat es im eingebauten Zustand die in 3 wiedergegebene Form einer verwundenen Ellipse bzw. einer verwundenen, ovalen Gestalt.
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In den 4 bis 6 ist das planetengetriebeartige Zusammenwirken des Stators 2, des Rotors 3 und des Wälzelementes 5 wiedergegeben. An der Kontaktstelle zwischen dem Band 6 und dem Rotor 3 wird Wärme übertragen. Die Wärme wird im Band 6 gespeichert (T°Band ≤ T°Rotor). Wenn sich der Rotor 3 dreht, nimmt er das vorgespannte Band 6 durch einen reib- bzw. formschlüssigen Kontakt mit. Die Anordung ist mit einem Planetengetriebe vergleichbar, wobei der Rotor 3 als Sonnenrad wirkt, der Stator 2 als Hohlrad wirkt und das Band 6 als Planetenrad wirkt.
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Wenn der Rotor 3 weiter rotiert und das aufgewärmte Band 6 am Stator 2 anliegt, wird die Wärme an der Kontaktstelle abtransportiert (T°Stator < T°Band). Ein Wärmeübergang ist richtungsmäßig mit dem Bezugszeichen 9 durch Pfeile symbolisiert.
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Das Band 6 hat eine gleichbleibende Breite 7, kann aber auch eine variable Breite 7 aufweisen, insbesondere eine sich kontinuierlich verändernde Breite 7.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energieübertragungsvorrichtung
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Kanal
- 5
- Wälzelement
- 6
- Band
- 7
- Breite
- 8
- Hohlraum
- 9
- Wärmeübertragungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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