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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kontaktanordnung für eine elektrische Maschine.
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Stand der Technik
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Schaltungsanordnungen zum Speisen elektrischer Maschinen, insbesondere Pulswechselrichter, sind in der Regel zum Liefern steilflankiger Speisespannungen ausgebildet, die große Oberschwingungsanteile hoher Frequenzen aufweisen. Durch diese Oberschwingungsanteile können hochfrequente elektromagnetische Felder verursacht werden, die von der elektrischen Maschine abgestrahlt werden und einen Betrieb benachbarter elektrischer oder elektronischer Geräte beeinträchtigen können. Ist eine solche elektrische Maschine in einem Kraftfahrzeug angeordnet, z.B. in einem Traktionsantrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, können die hochfrequenten Störspannungen insbesondere von Statorwicklungen über einem Rotor der elektrischen Maschine und damit elektrisch leitfähig verbundenen, weiteren Konstruktionselementen, z.B. Elementen des Traktionsantriebs, z.B. Gelenkwellen, elektromagnetische Felder aufbauen und abstrahlen, und dadurch können andere elektronische Einrichtungen des Kraftfahrzeugs gestört werden.
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Bei einem in einem Gehäuse durch mechanische Lager aus elektrisch leitfähigen Werkstoffen, insbesondere Wälzlager wie z.B. Kugellager, geführten Rotor besteht im Stillstand der elektrischen Maschine ein Kurzschluss zwischen Rotor und Gehäuse, d.h. Fahrzeugmasse. Sobald der Traktionsantrieb sich zu drehen beginnt und sich in den Lagern zwischen gegeneinander drehenden Lagerteilen eine Schmiermittelschicht aufbaut, ist der Kurzschluss, der im Stillstand des Motors zwischen den Lagerteilen und damit zwischen Rotor und Gehäuse gebildet ist, aufgehoben, da die in aller Regel verwendeten Schmiermittel isolierende Eigenschaften haben. Bei einem Kugellager z.B. schwimmen die Kugeln in den Kugellagern auf dem Schmiermittel auf, und der Kurzschluss, den die Kugeln des Lagers im Stillstand des Motors zwischen Innenschale und Außenschale des Lagers bilden, ist aufgehoben. Damit können sich Störspannungen zwischen den Lagerteilen aufbauen, da die resultierenden Störströme nicht mehr niederimpedant über die Lager an das Gehäuse abgeleitet bzw. über das Gehäuse gegen Fahrzeugmasse kurzgeschlossen werden. Diese Effekte sind insbesondere drehzahl- und temperaturabhängig. Auf Grund der sehr geringen Schichtdicken des Schmiermittels entstehen dann bei jeder Schaltflanke des Pulswechselrichters hohe elektrische Feldstärken zwischen den Lagerteilen, z.B. den Kugeln und Laufflächen in Innen- und Außenschalen der Lager, und es erfolgen funkenartige elektrische Entladungen durch das Schmiermittel hindurch, die neben einer Schädigung z.B. der Kugeln und Laufflächen auch hochfrequente elektromagnetische Emissionen verursachen, die Insbesondere Störungen beim Mittelwellenempfang eines Fahrzeug-Rundfunkempfängers hervorrufen und gesetzlich vorgeschriebene Grenzwerte übersteigen können.
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Zwar könnten insbesondere Kugellager mit leitfähigen Schmiermitteln ausgestattet werden. Die reibungstechnischen und elektrischen Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen, erfordert jedoch Kompromisse bei der Wahl und Zusammensetzung der Schmiermittel, die zu unbefriedigenden Ergebnissen führen.
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Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Die Erfindung hat die Aufgabe, bei einer elektrischen Maschine der beschriebenen Art ein wartungsfreies und sicheres, von Betriebsparametern, wie insbesondere Drehzahl oder Temperatur, unabhängiges Mittel zur Unterdrückung der vorbeschriebenen Störspannungen zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschine, bei der ein mit einem elektrisch leitenden Material ausgebildeter Rotor über wenigstens ein Lagerelement beweglich an wenigstens einem ein elektrisch leitendes Material umfassenden Stützelement gelagert ist, wobei das elektrisch leitende Material des wenigstens einen Stützelements mit einem ein elektrisches Massepotential führenden Element elektrisch leitend verbindbar ist und wobei eine elektrische Kontaktanordnung vorgesehen ist zum beweglichen niederimpedanten elektrischen Verbinden des Rotors mit dem wenigstens einen Stützelement für ein Ableiten elektrischer Störspannungen vom Rotor an das Massepotential.
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Die erfindungsgemäß ausgebildete elektrische Maschine umfasst den Stator, in dem der Rotor durch das wenigstens eine Lagerelement beweglich, insbesondere drehbar, an dem wenigstens einen Stützelement gelagert angeordnet ist. Der Rotor und das wenigstens eine Stützelement sind teilweise oder vollständig mit einem elektrisch leitenden Material, insbesondere Metall wie z.B. einem Stahl oder einer Aluminiumlegierung, ausgebildet, bzw. der Rotor und das wenigstens eine Stützelement enthalten einen Leiter aus einem oder mehreren derartiger Materialien. Dadurch sind der Rotor und das wenigstens eine Stützelement insbesondere für durch vom Stator herrührende bzw. in dessen Wicklungen eingespeiste elektrische Störspannungen hervorgerufene elektrische Störströme leitfähig. Insbesondere umfasst dabei der Rotor ein wenigstens teilweise mit elektrisch leitfähigem Material ausgebildetes Rotorträgerelement, welches über das wenigstens eine Lagerelement beweglich, insbesondere drehbar, an dem wenigstens einen Stützelement gelagert ist, sowie eine Magnetanordnung, die in unterschiedlichster Weise gestaltet sein kann, z.B. mit Permanentmagneten oder einem elektrisch leitenden Läuferkäfig, eingebettet in magnetisierbaren Werkstoff, und die ebenfalls wenigstens teilweise elektrisch leitfähig ist. Das Rotorträgerelement kann auf unterschiedlichste Weise gestaltet sein und z.B. eine zentrale Welle umfassen, mittels derer der Rotor über das wenigstens eine Lagerelement drehbar am wenigstens einen Stützelement gelagert ist, wobei das wenigstens eine Lagerelement und das wenigstens eine Stützelement die Welle wenigstens teilweise umschließen. Dabei ist z.B. jedes Stützelement als Lagerbock ausgebildet, in dem die Welle durch ein z.B. als Wälz- oder Gleitlager ausgebildetes Lagerelement gelagert ist. Wahlweise kann das Rotorträgerelement hohlwellenartig ausgeformt sein und das wenigstens eine Stützelement sowie das wenigstens eine, z.B. als Wälz- oder Gleitlager ausgebildete, Lagerelement wenigstens teilweise umschließen, wobei insbesondere das wenigstens eine Stützelement wenigstens teilweise in die hohlwellenartige Ausformung des Rotorträgerelements hineinragt.
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Um zu verhindern, dass die beschriebenen Störströme vom Rotor unkontrolliert z.B. über die zentrale Welle abfließen oder als elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden und damit elektromagnetische Störungen außerhalb der elektrischen Maschine verursachen können, ist ein Ableiten bzw. Kurzschließen der Störströme an ein elektrisches Massepotential gewünscht. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß die elektrische Kontaktanordnung vorgesehen, durch die eine elektrisch leitende niederimpedante Verbindung zwischen dem Rotor, insbesondere dem elektrisch leitfähigen Material des Rotorträgerelements, und dem elektrisch leitenden Material des wenigstens einen Stützelements hergestellt ist. Die Kontaktanordnung und damit die durch sie gebildete elektrisch leitende niederimpedante Verbindung ist beweglich ausgeführt, da der Rotor gegenüber dem wenigstens einen Stützelement drehbar angeordnet ist. Die Kontaktanordnung ist in der Weise angeordnet, dass durch sie das wenigstens eine Lagerelement elektrisch leitend niederimpedant überbrückt ist, und dient damit dem Kurzschließen bzw. Ableiten der beschriebenen Störströme an Massepotential, wobei diese Störströme vom wenigstens einen Lagerelement ferngehalten werden, so dass dessen schwankende und unbestimmte elektrische Leitfähigkeit keinen Einfluss auf das Ableiten der Störströme ausüben kann. Dabei sind Konstruktionselemente, die in dem wenigstens einen Lagerelement mechanische Lagerkräfte aufnehmen bzw. vom Rotor an das wenigstens eine Stützelement übertragen, bewusst von denjenigen Konstruktionselementen der Kontaktanordnung getrennt ausgebildet, durch die ein Ableiten der Störströme vorgesehen ist.
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Die Erfindung ermöglicht eine sichere und zuverlässige Unterdrückung einer Abstrahlung von im Betrieb der elektrischen Maschine verursachten Störfeldern. Die erfindungsgemäße Anordnung ist einfach aufgebaut, kostengünstig, raumsparend und wartungsfrei.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weist die Kontaktanordnung einen wenigstens nahezu schwankungsfreien, d.h. dauerhaft gleichbleibenden bzw. zeitlich konstanten und niederimpedanten, Kontaktwiderstand auf. Einer im Betrieb an diesem wenigstens nahezu konstanten Kontaktwiderstand durch einen Störstrom hervorgerufenen Spannung würde durch Schwankungen des Kontaktwiderstands zusätzliche Schwankungen und damit zusätzliche Störungen aufmoduliert. Derartige Störungen werden durch die vorbeschriebene Weiterbildung zuverlässig unterdrückt. Auf Grund des niederimpedanten Strompfades durch den Kontaktwiderstand kann sich keine kritische Störspannung zwischen dem Rotor und dem wenigstens einen Stützelement mehr aufbauen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist die Kontaktanordnung mit einem elektrisch leitenden, niederimpedanten, beweglich formbaren Kontaktwerkstoff, insbesondere einem elektrisch leitenden Fluid und/oder einem leitfähigen Feststoff, bevorzugt einem wenigstens weitgehend pulverförmigen Feststoff, ausgebildet, wobei der elektrisch leitende niederimpedante Kontaktwerkstoff einen Raumbereich zwischen wenigstens zwei elektrisch leitenden Kontaktelementen wenigstens teilweise ausfüllt, von denen wenigstens ein erstes mit dem Rotor und wenigstens ein zweites mit dem wenigstens einen Stützelement elektrisch leitend verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform der Kontaktanordnung bilden die bevorzugt mit einem metallischen Werkstoff ausgebildeten, elektrisch leitenden Kontaktelemente eine wenigstens weitgehend geschlossene, starre Berandung des Raumbereichs, in dem der elektrisch leitende, niederimpedante, beweglich formbare Kontaktwerkstoff eingeschlossen ist, und dienen dabei zugleich einer elektrischen Kontaktierung des elektrisch leitenden, niederimpedanten, beweglich formbaren Kontaktwerkstoffs, d.h. einer elektrisch leitenden Verbindung des elektrisch leitenden, niederimpedanten beweglich formbaren Kontaktwerkstoffs mit dem Rotor, z.B. dem Rotorträgerelement, einerseits und dem wenigstens einen Stützelement andererseits. Im Betrieb auftretende Bewegungen zwischen dem Rotor und dem wenigstens einen Stützelement werden somit von dem elektrisch leitenden, niederimpedanten, beweglich formbaren Kontaktwerkstoff aufgenommen bzw. führen zu einer – fortlaufenden – Verformung desselben, wobei die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktelementen bzw. dem Rotor und dem wenigstens einen Stützelement über den elektrisch leitenden, niederimpedanten, beweglich formbaren Kontaktwerkstoff kontinuierlich gewahrt ist. Besonders bevorzugt ist der elektrisch leitende, niederimpedante, beweglich formbare Kontaktwerkstoff mit einem elektrisch leitenden Fluid ausgebildet, welches einfach, sicher und reibungsarm verformbar ist und zugleich einen dauerhaft guten elektrischen Kontakt zu den Kontaktelementen gewährleistet. Weiterhin vorteilhaft sind als elektrisch leitende, niederimpedante, beweglich formbare Kontaktwerkstoffe auch leitende Feststoffe in Pulverform einsetzbar, z.B. Graphitpulver oder dergleichen.
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Eine mit einem elektrisch leitenden, niederimpedanten, beweglich formbaren Kontaktwerkstoff, insbesondere einem elektrisch leitenden, niederimpedanten Fluid und/oder einem leitfähigen, niederimpedanten Feststoff, bevorzugt einem wenigstens weitgehend pulverförmigen Feststoff, ausgebildete Kontaktanordnung ermöglicht einen besonders schwankungsarmen bzw. schwankungsfreien Kontaktwiderstand und damit eine besonders wirksame Störunterdrückung. Eine solche Kontaktanordnung ist außerdem wenigstens nahezu verschleiß- und damit wartungsfrei und somit materialsparend und kostengünstig betreibbar.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass aus der Druckschrift
DE-AS 1 253 802 eine elektrische Unipolarmaschine mit einem Stator und einem mindestens zweifach gelagerten Rotor bekannt ist, dessen Lager eine elektrisch gut leitfähige Flüssigkeit enthalten und als Stromabnahmekollektoren vom Rotor zum Stator dienen. Als elektrisch leitende Flüssigkeit dienen Quecksilber, Natrium oder eine Mischung aus Natrium und Kalium. Sämtliche Kollektoren sind im wesentlichen in der gleichen radialen Ebene wie die sich gegenüberstehenden elektromagnetisch aktiven Flächen des Rotors und Stators angeordnet und als reine Flüssigkeitslager ausgebildet, indem die elektrisch leitfähige Lagerflüssigkeit den sich über den ganzen Umfang der Lager erstreckenden ringförmigen Zwischenraum als Flüssigkeitsschicht ausfüllt. Hierdurch bieten sich größere Flüssigkeitslagerflächen und Kollektorflächen an, da der Lagerdurchmesser im Wesentlichen dem Rotordurchmesser entspricht. Außerdem wird das Bürstenfeuer vollständig vermieden, so daß infolge des stark reduzierten elektrischen Übergangswiderstandes ein höherer Wirkungsgrad erreicht wird. Außerdem wird die Lebensdauer und die erlaubte Drehzahl der Lager erhöht. Eine Störungsunterdrückung ist jedoch nicht genannt. Die Flüssigkeit wird den Lagern über ein Leitungssystem zu- und von ihnen abgeführt. Die Lager können neben ihrer Funktion zum Zuführen von Nutzströmen an den Rotor entweder als rein hydrostatische Lager oder mit einer gemischten hydrostatischen und hydrodynamischen Wirkung arbeiten.
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Hydrostatische Lager der in der Druckschrift
DE-AS 1 253 802 beschriebenen Art erfordern ein Fördersystem mit einer zusätzlichen Energiequelle zur Förderung der Lagerflüssigkeit. Ein derartiges Fördersystem ist jedoch gegenüber konventionellen Lagerelementen wie Wälz- oder Gleitlagern, z.B. Kugellagern, unwirtschaftlich, da konventionelle Lagerelemente wesentlich kostengünstiger und wartungsärmer sind. Hydrodynamische Lager sind für elektrische‐Maschinen nur eingeschränkt tauglich, da sie einem Betrieb mit häufigem Stillstand nicht standhalten. Beispielsweise sind derartige Lager für Fahrzeugantriebe aufgrund der dort häufigen Betriebsunterbrechungen, z.B. im Start‐/Stop‐Betrieb, nicht einsetzbar. Daher ist erfindungsgemäß die Funktion der Kontaktanordnung von der des wenigstens einen Lagerelements getrennt verwirklicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist der elektrisch leitende Kontaktwerkstoff mit einem elektrisch leitfähigen Ferrofluid gebildet. Wie aus der Internet-Enzyklopädie "Wikipedia" – vgl. den Internetauftritt "http://de.wikipedia.org/wiki/Ferrofluid", Eintrag gelesen am 08.12.2014 um 16:45 Uhr – entnehmbar ist, sind Ferrofluide Flüssigkeiten, die auf magnetische Felder reagieren, ohne zu verfestigen. Sie bestehen aus wenige Nanometer großen magnetischen Partikeln, die in einer Trägerflüssigkeit kolloidal suspendiert sind. Die Partikel werden in der Regel mit einer polymeren Oberflächenbeschichtung stabilisiert. Echte Ferrofluide sind stabile Dispersionen, was bedeutet, dass sich die festen Teilchen nicht mit der Zeit absetzen und selbst in extrem starken Magnetfeldern nicht aneinander anlagern oder sich von der Flüssigkeit als andere Phase abscheiden. Die Teilchen bestehen normalerweise aus Eisen, Magnetit oder Kobalt und sind kleiner als eine magnetische Domäne, typischerweise 5–10 Nanometer im Durchmesser. Die umgebende Flüssigkeit ist normalerweise Öl oder Wasser, seltener Wachs. Tenside werden zugesetzt, um die Suspension stabiler zu machen, indem sich die in Mizellen gebundenen Teilchen aufgrund sterischer Wechselwirkungen gegenseitig abstoßen. In einem Magnetfeld werden die magnetischen Momente der Teilchen des Ferrofluides tendenziell in dessen Richtung ausgelenkt und erlangen hierdurch eine makroskopische Magnetisierung. Jedoch überwiegt die zufällige Bewegung der Partikel immer noch die Kraft, die sie zusammenzieht; sie bilden keine Ketten, ihre Viskosität ändert sich fast nicht, aber sie neigen dazu, in hochmagnetischen Feldern zu bleiben.
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Ferrofluide sind somit wesentlich umweltfreundlicher einzusetzen und auch gegenüber anderen Konstruktionselementen der elektrischen Maschine nicht aggressiv wie z.B. Quecksilber oder Natrium. Durch den Gehalt elektrisch leitfähiger Partikel können sie elektrisch leitfähig ausgebildet sein. Damit sind sie z.B. in elektrischen Maschinen für Fahrzeugantriebe sehr vorteilhaft einsetzbar. Einen besonderen Vorzug bildet ihre Reaktion auf Magnetfelder, die es in sehr einfacher Weise ermöglicht, Ferrofluide durch Anlegen eines magnetischen Feldes an einen gewünschten Ort zu führen bzw. dort zu halten. Demgemäß ist bei einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine die Kontaktanordnung mit wenigstens einem Magnetelement zum Führen des Ferrofluides im Raumbereich zwischen den Kontaktelementen ausgebildet. Damit kann sehr einfach und wirkungsvoll ein Auslaufen des Ferrofluides aus der Kontaktanordnung verhindert werden, wobei diese Maßnahme zudem kostengünstig ist und eine wartungsfreie Konstruktion erlaubt. Obgleich somit bei dieser Weiterbildung der Erfindung nicht erforderlich, kann nach einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine wahlweise oder zusätzlich die Kontaktanordnung gegenüber dem wenigstens einen Lagerelement durch wenigstens ein Dichtelement, bevorzugt durch wenigstens einen Wellendichtring, abgeschlossen sein. Das wenigstens eine Dichtelement, z.B. mit wenigstens einem Wellendichtring ausgebildet, dient dabei außer zum Halten des elektrisch leitenden Kontaktwerkstoffs innerhalb der Kontaktanordnung und zum Fernhalten des Kontaktwerkstoffs von dem wenigstens einen Lagerelement auch dazu, das Schmiermittel aus dem wenigstens einen Lagerelement von der Kontaktanordnung fernzuhalten, so dass keine gegenseitige Beeinträchtigung zwischen dem Kontaktwerkstoff und dem Schmiermittel auftritt, d.h. weder Kontaktwerkstoff in das wenigstens ein Lagerelement noch Schmiermittel in die Kontaktanordnung geraten kann.
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Gemäß einer noch anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind den Raumbereich zwischen den Kontaktelementen berandende Oberflächen einander gegenüberliegend angeordneter Kontaktelemente mit oberflächenvergrößernden, bevorzugt ineinandergreifenden Ausformungen und/oder eine Entmischung und/oder Agglomeration von Bestandteilen des leitfähigen Fluides und/oder des leitfähigen Feststoffs unterbindenden Strukturen ausgestaltet. Mit dieser Maßnahme kann auch ein Kontaktwerkstoff eingesetzt werden, dessen elektrische Leitfähigkeit verhältnismäßig gering ist, insbesondere geringer als die der Kontaktelemente, da damit die von den Störströmen durchflossene Oberfläche, d.h. der Leiterquerschnitt des Kontaktwerkstoffs, vergrößert werden kann. Bevorzugt wird dabei der Abstand einander gegenüberliegender Kontaktelemente möglichst gering gewählt, so daß die Länge der Strompfade der Störströme möglichst klein und auch dadurch der resultierende Kontaktwiderstand des Kontaktwerkstoffs und damit der Kontaktanordnung möglichst gering bemessen ist. Bevorzugt sind dazu die Kontaktelemente mit Profilierungen, z.B. in der Art von Oberflächenwellen, oder in Form ineinandergreifender Töpfe, Scheiben, Lamellen oder dergleichen, zur Vergrößerung der Oberflächen, d.h. Kontaktflächen, zwischen den Kontaktelementen und dem Kontaktwerkstoff, z.B. dem Fluid oder dem Pulver, ausgebildet. Damit wird ein möglichst niederohmiger Kontaktwiderstand zwischen den Kontaktelementen erhalten.
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Die Profilierung dient ebenfalls dazu, eine permanente Zirkulation des Fluids oder Pulvers herbeizuführen, um einer nicht gänzlich auszuschließenden Entmischung der Suspension oder Ablagerung entgegen zu wirken. Die eine Entmischung und/oder Agglomeration von Bestandteilen des leitfähigen Fluides und/oder des leitfähigen Feststoffs unterbindenden Strukturen dienen vorteilhaft dazu, eine lange Lebensdauer des Kontaktwerkstoffs zu gewährleisten und damit eine möglichst wartungsarme bzw. wartungsfreie Maschine zu schaffen.
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In einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine umfasst das ein elektrisches Massepotential führende Element ein mit elektrisch leitendem Material ausgebildetes, die elektrische Maschine wenigstens teilweise umschließendes Gehäuse, insbesondere ein mit einem mit elektrisch leitendem Material ausgebildetes Gehäuse, und/oder ist durch dieses gebildet. Das Gehäuse bildet dabei vorteilhaft sowohl einen mechanischen Schutz als auch eine elektromagnetische Schutz- bzw. Entstöreinrichtung. Überdies kann es durch Verbindung mit dem wenigstens einen Stützelement auf die elektrische Maschine wirkende bzw. von ihr erzeugte Antriebskräfte aufnehmen. Dabei ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine das wenigstens eine Stützelement einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet und/oder mit dem Gehäuse elektrisch leitend verbunden. Insbesondere ist dabei die Verbindung zwischen Gehäuse und Stützelement bzw. Stützelementen auch kraftschlüssig ausgebildet.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Kontaktanordnung für eine elektrische Maschine, ausgebildet gemäß den vorbeschriebenen Merkmalen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine und die genannten Vorteile aufweisend. Insbesondere ist die Kontaktanordnung einfach, kostengünstig, wartungsfrei, betriebssicher und universell einsetzbar. Besonders bevorzugt ist ein Einsatz in Fahrzeugantrieben, insbesondere in Traktionsantrieben für Elektro- oder Hybridfahrzeuge.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im nachfolgenden näher beschrieben, wobei übereinstimmende Elemente in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sind und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Es zeigen:
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1 eine Teilansicht eines Hybridantriebs für ein Kraftfahrzeug mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten elektrischen Maschine in grob schematischer Darstellung,
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2 eine Teilansicht der elektrischen Maschine gemäß 1 mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten Kontaktanordnung in grob schematischer Darstellung und
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3 die Teilansicht gemäß 2 der elektrischen Maschine gemäß 1 mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäß ausgebildeten Kontaktanordnung in grob schematischer Darstellung.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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In 1 ist mit dem Bezugszeichen 100 eine elektrische Maschine für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs bezeichnet, grob schematisch dargestellt in einer Teilansicht, die in einem Längsschnitt eine Hälfte der elektrischen Maschine 100 bis zu einer Rotationsachse 101 eines Rotors 102 der Maschine 100 wiedergibt. Der Rotor 102 ist mit einem metallischen, d.h. elektrisch leitenden, rotationssymmetrischen Rotorträgerelement 103 und einer kreiszylindrisch gestalteten Magnetanordnung 104 ausgebildet, die das Rotorträgerelement 103 entlang seiner Umfangsfläche umgibt. Die Magnetanordnung 104 kann auf unterschiedlichste Weise ausgestaltet sein, z.B. mit Permanentmagneten oder einem Läuferkäfig, die in magnetisch und insbesondere auch elektrisch leitfähigem Material eingebettet sind. Einzelheiten des Aufbaus der Magnetanordnung 104 sind dabei für die erfindungsgemäße Ausbildung der elektrischen Maschine 100 nicht von Belang.
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Der Rotor 102 ist mit dem Rotorträgerelement 103 über zwei als Kugellager ausgebildete Lagerelemente 105 an einem Stützelement 106 gelagert. Dazu ist das Rotorträgerelement 103 mit einem hohlwellen- oder hülsenartig ausgestalteten Lagerabschnitt 107 ausgebildet, mit dem das Rotorträgerelement 103 das Stützelement 106 und die beiden Kugellager 105 umschließt. Das Stützelement 106 ragt durch den Lagerabschnitt 107 hindurch und trägt die Kugellager 105 an seinem Außenumfang. Das Stützelement 106 ist hier ebenfalls hohl, d.h. hülsenartig, und rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 101 ausgebildet. Zentral im Stützelement 106 und durch dieses nach beiden Seiten hindurch ragend ist eine Zentralwelle 108 angeordnet, die wie das Rotorträgerelement 103 um die Rotationsachse drehbar ist und mit diesem über eine Kupplungseinrichtung 109 kraftschlüssig kuppelbar ist, so dass Drehmomente vom Rotor 102 auf die Zentralwelle 108 und umgekehrt übertragbar sind. Kugellager 105, Stützelement 106, Lagerabschnitt 107, Zentralwelle 108 und Kupplungseinrichtung 109 sind mit elektrisch leitenden Materialien ausgebildet. Nähere konstruktive Einzelheiten dieser Elemente, insbesondere der Zentralwelle 108 und der Kupplungseinrichtung 109, sind hier ohne Belang und daher nicht dargestellt.
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Die elektrische Maschine 100 ist ferner mit einem Gehäuse 110 versehen, welches hier einstückig mit dem Stützelement 106 geformt ist, z.B. als ein gemeinsames Metallgussstück. In diesem Gehäuse 110 ist ein Stator 111 der elektrischen Maschine 100 angeordnet, der in an sich bekannter Weise mit elektrisch leitfähigen und mit elektrischen Strömen beaufschlagbaren Wicklungen und einem magnetisch leitfähigen Material ausgestaltet ist, hier ebenfalls nicht im Detail wiedergegeben. Durch Schaltflanken der von einem Pulswechselrichter generierten und an den Wicklungen des Stators 111 anliegenden getakteten Motorspannung werden Störspannungen hervorgerufen, die zu Störströmen im Rotorträgerelement 103 führen, die z.B. über die Kupplungseinrichtung 109 in die Zentralwelle 108 einstreuen und von dieser als hochfrequente elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden, sofern sie nicht gegen ein elektrisches Massepotential kurzgeschlossen werden. Dazu bietet es sich an, das Gehäuse 110 an ein solches Massepotential, insbesondere Fahrzeugmasse, anzuschließen, so dass das Gehäuse 110 ein ein elektrisches Massepotential führendes Element bildet.
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Eine elektrische Verbindung zum Kurzschließen der Störströme im Rotorträgerelement 103 gegen das Gehäuse 110 besteht hier über den Lagerabschnitt 107, das Stützelement 106 und die Kugellager 105. Letztere weisen jedoch durch das in ihnen notwendig enthaltene, elektrisch isolierende Schmiermittel eine stark schwankende, drehzahl- und temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit auf, die nicht nur zum sicheren Kurzschließen der Störströme ungeeignet ist, sondern zu weiteren Störspannungen zwischen Lagerabschnitt 107 und Stützelement 106 führt, die dann ebenfalls z.B. über die Zentralwelle 108 abgestrahlt werden.
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Um eine sichere, schwankungsfreie, niederimpedante elektrische Verbindung für ein zuverlässiges Kurzschließen der Störströme zu erhalten, ist daher zwischen dem Lagerabschnitt 107, dem Stützelement 106 sowie den Lagerelementen 105 eine elektrische Kontaktanordnung 200 eingefügt, die wenigstens teilweise ringartig das Stützelement 106 entlang dessen Außenumfangs umschließt bzw. an den Lagerabschnitt 107 entlang dessen Innenumfangs angrenzt. Die Kontaktanordnung 200 ist sowohl mit dem Lagerabschnitt 107 als auch mit dem Stützelement 106 elektrisch leitend verbunden und überbrückt die Lagerelemente 105 elektrisch, so dass nicht nur deren Leitfähigkeitsschwankungen für das Kurzschließen der Störströme keine Rolle mehr spielen, sondern durch Fernhalten der Störströme von den Lagerelementen 105 deren Verschleiß verringert wird.
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Eine detailliertere Darstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten elektrischen Kontaktanordnung 200 zeigt 2 in einer Teilansicht der elektrischen Maschine 100 gemäß 1. Das dort grob schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel der Kontaktanordnung 200 umfasst zwei erste Kontaktelemente 201, die mit dem Lagerabschnitt 107 des Rotorträgerelements 103 und damit dem Rotor 102 elektrisch leitend verbunden sind, sowie zwei zweite Kontaktelemente 202, die mit dem Stützelement 106 elektrisch leitend verbunden sind. In einem Raumbereich 203 zwischen je einem der ersten 201 und zweiten 202 Kontaktelemente ist ein elektrisch leitender, beweglich formbarer Kontaktwerkstoff 204 den Raumbereich 204 wenigstens teilweise, bevorzugt wenigstens nahezu vollständig, ausfüllend aufgenommen, durch den eine bewegliche elektrisch leitende Verbindung zwischen den ersten Kontaktelementen einerseits und den zweiten Kontaktelementen andererseits und somit zwischen dem Stützelement 106 und dem Lagerabschnitt 107 gebildet ist.
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Als Kontaktwerkstoff 204 ist in der Kontaktanordnung 200 vorteilhaft ein elektrisch leitendes Fluid und/oder ein leitfähiger Feststoff vorgesehen, wobei letzterer bevorzugt als ein wenigstens weitgehend pulverförmiger Feststoff, wie z.B. Graphit, vorliegt. Derartige Kontaktwerkstoffe ermöglichen wenigstens nahezu reibungs- und damit verlustfrei eine Drehbewegung des Rotors 102 gegenüber dem Stützelement 106 und weisen dabei wenigstens nahezu drehzahl- und/oder temperaturunabhängig einen auch zeitlich wenigstens nahezu schwankungsfreien Kontaktwiderstand auf. Durch eine elektrische Überbrückung der Lagerelemente 105 mit einem solchen Kontaktwerkstoff 204 wird ein wenigstens nahezu störungsfreies Kurzschließen der Störströme vom Rotor 102 zum Gehäuse 110 erzielt.
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Besonders bevorzugt ist als elektrisch leitendes Fluid 204 ein elektrisch leitfähiges Ferrofluid gewählt. Ein solches Ferrofluid 204 ist langzeitbeständig, wartungsfrei, nicht korrosiv oder giftig und damit umweltschonend und außerdem einfach in den Raumbereich 203 einbringbar und dort auslaufsicher zu führen bzw. zu halten, d.h. im Raumbereich 203 sicher gegen Auslaufen aus dem Raumbereich 203 zusammenzuhalten. Besonders vorteilhaft ist die Kontaktanordnung 200 zum Halten des Ferrofluides 204 im Raumbereich 203 mit einem wenigstens weitgehend ringförmigen Magnetelement 205 oder wahlweise mit einem oder mehreren wenigstens weitgehend teilringförmigen Magnetelementen 205 zum Führen des Ferrofluides 204 im Raumbereich 203 zwischen den Kontaktelementen 201, 202 ausgebildet. Im Ausführungsbeispiel nach 2 ist ein ringförmiges Magnetelement 205 konzentrisch zur Rotationsachse 101 in axialer Richtung, d.h. in der Richtung der Rotationsachse 101, hintereinander zwischen den beiden ersten, ebenfalls ringförmigen, zur Rotationsachse 101 konzentrischen Kontaktelementen 201 aufgereiht angeordnet. Wahlweise können ein oder mehrere weitere, nicht dargestellte Magnetelemente entsprechender Gestaltung axial zwischen den zweiten Kontaktelementen 202 ring- oder teilringförmig auf der Umfangsfläche des Stützelements 106 angeordnet sein. Die Kontaktelemente 201, 202 sind hierbei aus magnetisch leitendem Werkstoff ausgebildet, um das Magnetfeld zum Halten bzw. Führen des Ferrofluides 204 gebündelt durch den Raumbereich 203 zu führen.
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Die Führung des Magnetfeldes ist bei der Konstruktion dieser Kontaktanordnung 200 derjenigen einer Drehdurchführung und Wellendichtung angelehnt, die vom Hersteller „FerroTec unter der registrierten Marke Ferrofluidic angeboten wird, vergleiche dazu den oben genannten Internetauftritt "http://www.ferrotec-europe.de/de/htmls/ft.overview.php" der FerroTec GmbH, Eintrag gelesen am 11.12.2014 um 12:53 Uhr. Dabei wird durch das Magnetfeld die magnetische Flüssigkeit zwischen Welle und Polschuhen gehalten.
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Zusätzlich ist vorsehbar, die Kontaktanordnung 200 gegenüber den Lagerelementen 105 durch wenigstens ein hier nicht dargestelltes Dichtelement, bevorzugt durch wenigstens einen Wellendichtring, abzuschließen. Wahlweise kann dabei als Dichtelement auch eine ebenfalls mit einem Ferrofluid ausgebildete Wellendichtung an sich bekannter Art zum Einsatz kommen, vergleiche dazu den vorgenannten Internetauftritt "http://www.ferrotec-europe.de/de/htmls/ft.overview.php" der FerroTec GmbH, Eintrag gelesen am 11.12.2014 um 12:53 Uhr, oder die Kontaktanordnung 200 und das Dichtelement auf Grundlage eines Ferrofluides sind miteinander zu einem Konstruktionselement kombiniert. Vorteilhaft dient das wenigstens eine Dichtelement zum Führen des elektrisch leitenden Kontaktwerkstoffs 204 innerhalb der Kontaktanordnung 200 und zum Fernhalten von den Lagerelementen 105; besonders bevorzugt hält das wenigstens eine Dichtelement aber das Schmiermittel aus den Lagerelementen 105 von der Kontaktanordnung 200 fern, so dass keine gegenseitige Beeinträchtigung der Lagerelemente 105 durch den Kontaktwerkstoff 204 bzw. der Kontaktanordnung 200 durch das Schmiermittel auftreten kann.
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In 2 weisen die einander gegenüberliegend angeordneten Kontaktelemente 201, 202 den Raumbereich 203 berandende Oberflächen mit oberflächenvergrößernden, ineinandergreifenden Ausformungen auf. Diese Ausformungen sind hier als ineinandergreifende Rillen bzw. Scheiben oder Lamellen ausgebildet, auch eine topfartige Ausgestaltung ist möglich. Damit werden die Kontaktflächen zwischen den Kontaktelementen 201, 202 und dem Kontaktwerkstoff 204 vergrößert und wird der Kontaktwiderstand verringert. Mit demselben Zweck sind die Abstände zwischen den ersten Kontaktelementen 201 und den gegenüberliegenden zweiten Kontaktelementen 202 so gering wie möglich gewählt. 3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine mit dem Bezugszeichen 300 bezeichnete Abwandlung des Beispiels der erfindungsgemäß ausgebildeten Kontaktanordnung 200 gemäß 2 in grob schematischer Darstellung und in der gleichen Teilansicht wie derjenigen der 2. Die Kontaktanordnung 300 entspricht weitgehend einer Hälfte der symmetrisch aufgebauten Kontaktanordnung 200, wobei ein Magnetelement 305 mit in radialer Richtung ringförmig hintereinander liegenden Magnetpolen eingesetzt ist; insbesondere ist in der Darstellung nach 3 ein magnetischer Nordpol N radial außen, ein magnetischer Südpol S radial innen angeordnet. Bei dieser Anordnung des Magnetelements 305 und der damit erzielten Orientierung des erzeugten Magnetfelds, wobei auch mehrere Magnetelemente 305 vorgesehen sein können, wird eine noch bessere Nutzung des Magnetfelds zum Halten des Fluids erzielt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Elektrische Maschine
- 101
- Rotationsachse von 102
- 102
- Rotor von 100
- 103
- Rotorträgerelement von 102
- 104
- Magnetanordnung von 100
- 105
- Lagerelement; insbesondere Kugellager
- 106
- Stützelement
- 107
- Lagerabschnitt von 103
- 108
- Zentralwelle
- 109
- Kupplungseinrichtung
- 110
- Gehäuse zu 100
- 111
- Stator von 100
- 200
- Elektrische Kontaktanordnung
- 201
- Erstes Kontaktelement von 200, leitend verbunden mit 107
- 202
- Zweites Kontaktelement von 200, leitend verbunden mit 106
- 203
- Raumbereich zwischen 201 und 202
- 204
- Kontaktwerkstoff in 203
- 205
- Magnetelement
- 300
- Elektrische Kontaktanordnung
- 305
- Magnetelement
- N
- Magnetischer Nordpol von 305
- S
- Magnetischer Südpol von 305
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://de.wikipedia.org/wiki/Ferrofluid [0016]
- http://www.ferrotec-europe.de/de/htmls/ft.overview.php [0034]
- http://www.ferrotec-europe.de/de/htmls/ft.overview.php [0035]
