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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine umfassend ein Gehäuse, eine Rotorwelle, wobei die Rotorwelle als Hohlwelle mit einem zentralen Innenraum ausgebildet ist und drehbar in dem Gehäuse gelagert ist, und zumindest eine Dichtungseinheit, wobei die Dichtungseinheit derart zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse angeordnet ist, dass der Innenraum der Rotorwelle gegenüber dem Gehäuse abgedichtet ist.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen, wie Generatoren oder Elektromotoren, weisen im Allgemeinen ein Gehäuse, einen Stator und einen Rotor, der an einer Rotorwelle befestigt ist, auf.
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Wie bekannt wandelt ein Elektromotor elektrische Energie in mechanische Energie und ein Generator mechanische Energie in elektrische Energie. Diese Energiewandlung im Elektromotor/Generator ist jedoch verlustbehaftet. Ein Teil der beispielsweise an den Elektromotor abgegebenen elektrischen Energie wird nicht in mechanische Energie überführt, sondern im Elektromotor in Wärme umgesetzt. Dies führt zu einer Temperaturerhöhung im Elektromotor und bedingt eine unnötige thermische Belastung des Elektromotors bzw. der Bauteile des Elektromotors, wodurch zum einen mit einer Leistungseinschränkung aufgrund thermischer Grenzen von Bauteilen des Elektromotors zu rechnen ist und zum anderen die Lebensdauer des Elektromotors negativ beeinflusst wird.
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Einer derartigen Elektromotor-Erwärmung wird auf unterschiedlichste Arten, wie beispielsweise mittels Flüssigkeits- oder Luftkühlungen, entgegengewirkt.
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Oftmals wird die Rotorwelle einer elektrischen Maschine hohl ausgeführt und dient als Kühlfluid-Leitungspfad eines Kühlkreislaufs zur Kühlung der elektrischen Maschine, insbesondere des Rotors der elektrischen Maschine.
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Das Dokument
US 2008/0272661 A1 zeigt beispielsweise einen flüssigkeitsgekühlten Rotor-Aufbau. Der Rotor umfasst eine Rotorwelle, die als Hohlwelle ausgebildet ist. Die Rotorwelle weist ein offenes Ende sowie ein geschlossenes Ende auf. Eine Kühlflüssigkeitsröhre ist fest an der Rotorwelle befestigt. Kühlflüssigkeit ausgehend vom Bereich des offenen Endes der Rotorwelle durch die Kühlflüssigkeitsröhre gepumpt, tritt an dem geschlossenen Ende der Rotorwelle aus der Kühlflüssigkeitsröhre aus und fließt im Bereich zwischen der Außenwand Kühlflüssigkeitsröhre und der Innenwand der Rotorwelle wieder zurück.
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Um eine zuverlässige Kühlung des Rotors über die Rotorwelle zu gewährleisten muss eine zuverlässige, mediumdichte Abdichtung des Innenraums der bewegten Rotorwelle gegenüber ihrer Umgebung erfolgen.
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Eine weitere Herausforderung auf dem Gebiet der elektrischen Maschinen stellt die Erdung von unterschiedlichen Bauteilen, insbesondere der Rotorwelle, dar. Auf die Rotorwelle eines Elektromotors werden während des Betriebs des Elektromotors schädigende Spannungen induziert. Diese auf der Rotorwelle induzierten Spannungen suchen einen Weg zur Erdung, der üblicherweise durch die Lager der Rotorwelle im Gehäuse des Elektromotors verläuft. Dies führt zu irreversiblen Beschädigungen der Lager der Rotorwelle.
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In der Regel wird die Rotorwelle über einen mechanischen Schleifkontakt beispielsweise in Form einer Kohlebürste elektrisch kontaktiert und mit einem Erdungsanschluss verbunden.
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Das Dokument
DE 10 2005 045 960 A1 beschriebt beispielsweise eine elektrische Rotationsmaschine, insbesondere einen Elektromotor. Um Lagerströme zu vermeiden ist eine Erdung des Rotors des Elektromotors mit Hilfe von Flüssigmetall-Kontaktelementen vorgesehen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine der genannten Art zu verbessern und diese insbesondere im Hinblick auf Betriebszuverlässigkeit, Herstellungskosten und Bauteilaufwand zu optimieren.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine elektrische Maschine nach Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung, nämlich durch eine elektrische Maschine umfassend ein Gehäuse, eine Rotorwelle, wobei die Rotorwelle als Hohlwelle mit einem zentralen Innenraum ausgebildet ist und drehbar in dem Gehäuse gelagert ist, und zumindest eine Dichtungseinheit, wobei die Dichtungseinheit derart zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse angeordnet ist, dass der Innenraum der Rotorwelle gegenüber dem Gehäuse abgedichtet ist, wobei die Dichtungseinheit zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet ist und derart zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse angeordnet ist, dass während eines Betriebs der elektrischen Maschine eine elektrische Leitung von der Rotorwelle über die Dichtungseinheit zum Gehäuse erfolgt.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
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Erfindungsgemäß umfasst die elektrische Maschine ein Gehäuse, eine Rotorwelle und zumindest eine Dichtungseinheit.
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Die Rotorwelle ist erfindungsgemäß als Hohlwelle mit einem zentralen Innenraum ausgebildet und drehbar in dem Gehäuse gelagert.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Dichtungseinheit derart zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse angeordnet, dass der Innenraum der Rotorwelle gegenüber dem Gehäuse abgedichtet ist.
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Weiterhin ist die Dichtungseinheit erfindungsgemäß zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet und derart zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse angeordnet, dass bei einem Betrieb der elektrischen Maschine eine elektrische Leitung von der Rotorwelle über die Dichtungseinheit zum Gehäuse erfolgt.
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Die Dichtungseinheit besteht somit zumindest teilweise aus einem elektrisch leitenden Material, wie beispielsweise aus einem kohlenstoffbasierenden Material, einem metallischen Werkstoff, einem elektrisch leitenden Kunststoff (gefüllter Kunststoff) etc.
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Durch die erfindungsgemäße Ausführung der elektrischen Maschine kann insbesondere ein in Bezug auf den Bauteilaufwand optimierter Aufbau realisiert werden.
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Im Besonderen wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung und Anordnung der Dichtungseinheit ein maßgeblicher Synergieeffekt generiert – die Dichtungseinheit übernimmt zum einen eine Abdichtfunktion des Innenraums der Rotorwelle zum Gehäuse und zum anderen eine Erdungsfunktion, so dass die Rotorwelle bzw. der Rotor auf einfache Art und Weise geerdet werden kann.
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Derart wird auf simple Art eine Schädigung der Lager der Rotorwelle verhindert und somit ein zuverlässiger Betrieb der elektrischen Maschine gewährleistet.
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Die Funktionszusammenführung von Dichtung und Erdung der Rotorwelle in einem Bauteil, nämlich der Dichtungseinheit, führt zu einer Bauteilereduktion und in weiterer Folge zu einem bauraum- und kostenoptimierten Aufbau der elektrischen Maschine.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist die Dichtungseinheit mehrteilig ausgebildet und umfasst zumindest zwei Dichtungselemente, nämlich zumindest ein erstes Dichtungselement und zumindest ein zweites Dichtungselement.
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Jeweils eines der Dichtungselemente, beispielsweise das erste Dichtungselement, ist auf der Rotorwelle und das andere Dichtungselement, beispielsweise das zweite Dichtungselement, ist an dem Gehäuse angeordnet. Eine umgekehrte Anordnung, bei der beispielsweise das zweite Dichtungselement auf der Rotorwelle und das erste Dichtungselement an dem Gehäuse angeordnet ist, ist ebenso denkbar.
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Das erste Dichtungselement und das zweite Dichtungselement bestehen zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise aus einem kohlenstoffbasierenden Material, einem metallischen Werkstoff, einem elektrisch leitenden Kunststoff (gefüllter Kunststoff) etc.
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Das erste Dichtungselement und das zweite Dichtungselement sind in Bezug auf eine zentrale Rotationsachse der Rotorwelle vorzugsweise koaxial angeordnet.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn das erste Dichtungselement und das zweite Dichtungselement im Wesentlichen ringförmig mit jeweils einer zentralen Bohrung ausgeführt sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das erste Dichtungselement drehfest und axial nicht bewegbar an der Rotorwelle oder dem Gehäuse angeordnet.
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Die Richtungsangabe „axial” entspricht einer Richtung entlang und/oder parallel zu der zentralen Rotationsachse der Rotorwelle der elektrischen Maschine.
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Die Richtungsangabe „radial” entspricht einer Richtung normal auf die zentrale Rotationsachse der Rotorwelle der elektrischen Maschine.
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Das erste Dichtungselement ist elektrisch leitend mit der Rotorwelle oder dem Gehäuse verbunden.
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Das erste Dichtungselement kann als eigenständiges Bauteil ausgeführt sein oder einteilig mit der Rotorwelle oder dem Gehäuse ausgebildet sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das zweite Dichtungselement drehfest und axial bewegbar an der Rotorwelle oder dem Gehäuse angeordnet.
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Das zweite Dichtungselement kann ebenso radial bewegbar ausgeführt sein.
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Derart können auf einfache Art und Weise radiale Verschiebungen, Toleranzen sowie Wärmeausdehnungen ausgeglichen werden.
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Das zweite Dichtungselement ist elektrisch leitend mit der Rotorwelle oder dem Gehäuse verbunden.
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Vorzugsweise berühren sich das erste Dichtungselement und das zweite Dichtungselement an einer Gleitfläche.
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Das erste Dichtungselement und das zweite Dichtungselement sind über die Gleitfläche elektrisch miteinander verbunden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist das zweite Dichtungselement vermittels einer Axialstelleinrichtung in eine axiale Richtung zur Gleitfläche hin vorgespannt.
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Durch den Einsatz einer Axialstelleinrichtung können ebenso axiale und radiale Verschiebungen, Toleranzen sowie Wärmeausdehnungen ausgeglichen werden.
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Durch eine solche Ausführung der Dichtungseinheit und die Ausbildung von lediglich einer Gleitfläche zwischen dem ersten Dichtungselement und dem zweiten Dichtungselement wird die Anzahl an Reibstellen reduziert, was einen verschleiß- und verlustleistungsreduzierten Aufbau der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine bedingt.
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Durch eine derartige Ausbildung der Dichtungseinheit wird auf einfache Art und Weise eine besonders zuverlässige Abdichtung des Innenraums der Rotorwelle gegenüber dem Gehäuse der elektrischen Maschine bewirkt.
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Bevorzugt bestehen das erste Dichtungselement und/oder das zweite Dichtungselement aus Siliziumkarbid.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt eine Teilansicht einer elektrischen Maschine in einem Längsschnitt.
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2 zeigt eine Detailansicht der elektrischen Maschine aus 1.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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In 1 ist eine Teilansicht einer beispielhaften erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 in einem Längsschnitt dargestellt.
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2 zeigt eine Detailansicht, nämlich den Bereich einer Dichtungseinheit 6, der in 1 dargestellten elektrischen Maschine 1.
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Die elektrische Maschine 1 weist ein Gehäuse 2 und einen drehfest in dem Gehäuse 2 angeordneten Stator 12 auf.
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Innerhalb des Stators 12 ist ein Rotor 13 angeordnet, wobei der Stator 12 und der Rotor 13 in Bezug auf eine Rotationsachse 11 koaxial angeordnet sind.
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Der Rotor 13 ist drehfest auf einer Rotorwelle 3 angeordnet.
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Die Rotorwelle 3 ist als Hohlwelle mit einem zentralen Innenraum 4 ausgebildet und über ein erstes Lager 14, hier ein Wälzlager, und zumindest ein zweites Lager (in 1 und 2 nicht dargestellt) drehbar in dem Gehäuse 2 der elektrischen Maschine 1 gelagert. Die Rotorwelle 3 ist somit derart gelagert, dass die Rotorwelle 3 und mit ihr der Rotor 13 um die Rotationsachse 11 rotierbar sind.
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Während eines Betriebs der elektrischen Maschine 1 rotiert die Rotorwelle 3 und mit ihr der Rotor 13 um die Rotationsachse 11.
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Durch den Innenraum 4 der Rotorwelle 3 wird Kühlfluid geleitet, um derart eine Kühlung der Rotorwelle 3/des Rotors 13 zu bewirken.
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Dazu weist die Rotorwelle 3 zumindest eine Kühlfluidöffnung 17 auf. Die Kühlfluidöffnung 17 der Rotorwelle 3 ist im Bereich einer ersten Stirnseite 15 der Rotorwelle 3 angeordnet.
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Die Kühlfluidöffnung 17 dient als Kühlfluideingang oder als Kühlfluidausgang.
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Weiterhin umfasst die elektrische Maschine 1 eine Dichtungseinheit 5.
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Die Dichtungseinheit 5 ist im Bereich zwischen der ersten Stirnseite 15 der Rotorwelle 3 und einer ersten Innenseite 16 des Gehäuses 2 angeordnet.
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Die erste Stirnseite 15 der Rotorwelle 3 ist der ersten Innenseite 16 des Gehäuses 2 der elektrischen Maschine 1 zugewandt.
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Die Dichtungseinheit 5 ist derart zwischen der Rotorwelle 3 und dem Gehäuse 2 der elektrischen Maschine 1 angeordnet, dass der Innenraum 4 der Rotorwelle 3 gegenüber dem Gehäuse 2 abdichtet ist.
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Derart wird eine zuverlässige Kühlfluidleitung, nämlich ohne Verlust an Kühlfluid, durch den Innenraum 4 der Rotorwelle 3 gewährleistet.
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Die Dichtungseinheit 5 ist zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet und derart zwischen der Rotorwelle 3 und dem Gehäuse 2 angeordnet, dass während eines Betriebs der elektrischen Maschine 1 eine elektrische Leitung von der Rotorwelle 3 über die Dichtungseinheit 5 zum Gehäuse 2 erfolgt.
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Derart ausgebildet fungiert die Dichtungseinheit 5 zudem als Erdung für die Rotorwelle 3/den Rotor 13 der elektrischen Maschine 1, wodurch eine elektrische Leitung über das Lager 14 verhindert werden kann.
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Die Dichtungseinheit 5 ist mehrteilig ausgebildet und umfasst zumindest ein erstes Dichtungselement 6 und ein zweites Dichtungselement 7.
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Das erste Dichtungselement 6 und das zweite Dichtungselement 7 bestehen zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material.
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Das erste Dichtungselement 6 und das zweite Dichtungselement 7 sind im Wesentlichen ringförmig mit jeweils einer zentralen Bohrung 8, 8' ausgebildet und in Bezug auf die Rotationsachse 11 der Rotorwelle 3 koaxial angeordnet.
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Die zentralen Bohrungen 8, 8' dienen der Leitung des Kühlfluids hin zur Kühlfluidöffnung 17, oder weg von der Kühlfluidöffnung 17 der Rotorwelle 3, je nachdem, ob die Kühlfluidöffnung 17 als Kühlfluideingang oder als Kühlfluidausgang dient.
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Das erste Dichtungselement 6 ist drehfest und axial sowie radial nicht bewegbar an der Rotorwelle 3, nämlich im Bereich der ersten Stirnseite 15 der Rotorwelle 3, angeordnet.
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Das erste Dichtungselement 6 ist elektrisch leitend mit der Rotorwelle 3 verbunden.
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Das zweite Dichtungselement 7 ist drehfest und axial sowie radial bewegbar an dem Gehäuse 2, nämlich im Bereich der ersten Innenseite 16 des Gehäuses 2, angeordnet.
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Das zweite Dichtungselement 7 ist elektrisch leitend mit dem Gehäuse 2 verbunden.
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Das erste Dichtungselement 6 und das zweite Dichtungselement 7 berühren einander an einer Gleitfläche 9.
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Das erste Dichtungselement 6 und das zweite Dichtungselement 7 sind über die Gleitfläche 9, an der sie einander berühren, elektrisch miteinander verbunden.
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Weiterhin stellt die Gleitfläche 9 die Dichtungsfläche zwischen dem ersten Dichtungselement 6 und dem zweiten Dichtungselement 7 dar.
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Das zweite Dichtungselement 7 ist vermittels einer Axialstelleinrichtung 10, hier ein elastisches Element, nämlich eine Feder, in eine axiale Richtung hin zur Gleitfläche 9 vorgespannt.
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Derart wird ein zuverlässiger Kontakt zwischen dem ersten Dichtungselement 6 und dem zweiten Dichtungselement 7, insbesondere während des Betriebs der elektrischen Maschine 1, gewährleistet.
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Die in 2 gezeigte bespielhafte Dichtungseinheit 5 der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 umfasst zudem ein erstes Halteelement 18, ein zweites Halteelement 19 und ein Verdrehsicherungselement 10.
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Das erste Haltelement 18, das zweite Halteelement 19 und das Verdrehsicherungselement 20 bestehen ebenso aus einem zumindest teilweise elektrisch leitfähigen Material.
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Über das erste Halteelement 18 ist das erste Dichtungselement 6 drehfest und axial nicht beweglich an der Rotorwelle 3 angeordnet.
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Über das zweite Halteelement 19 und das Verdrehsicherungselement 20 ist das zweite Dichtungselement 7 drehfest, jedoch axial beweglich an dem Gehäuse 2 angeordnet.
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Die Axialstelleinrichtung 10 ist in einer Aufnahme 21 im Bereich der ersten Innenseite 16 des Gehäuses 2 derart angeordnet, dass sie das zweite Halteelement 19 und somit das zweite Dichtungselement 7 in axiale Richtung hin zu dem ersten Dichtungselement 6 vorspannt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Maschine
- 2
- Gehäuse
- 3
- Rotorwelle
- 4
- Innenraum (der Rotorwelle)
- 5
- Dichtungseinheit
- 6
- Erstes Dichtungselement
- 7
- Zweites Dichtungselement
- 8
- Zentrale Bohrung (des ersten Dichtungselements)
- 8'
- Zentrale Bohrung (des zweiten Dichtungselements)
- 9
- Gleitfläche
- 10
- Axialstelleinrichtung
- 11
- Zentrale Rotationsachse
- 12
- Stator
- 13
- Rotor
- 14
- Lager
- 15
- Erste Stirnseite (der Rotorwelle)
- 16
- Erste Innenseite (des Gehäuses)
- 17
- Kühlfluidöffnung (der Rotorwelle)
- 18
- Erstes Halteelement
- 19
- Zweites Halteelement
- 20
- Verdrehsicherungselement
- 21
- Aufnahme
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008/0272661 A1 [0006]
- DE 102005045960 A1 [0010]
