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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor, der an einer um eine Drehachse drehbar gelagerten Hohlwelle angebunden ist. Unter elektrischer Maschine wird hierbei vorzugsweise ein Elektromotor, jedoch auch ein Generator verstanden. Die elektrische Maschine ist insbesondere ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs und dient beispielsweise dessen Antrieb. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen elektrischen Maschine.
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Zur Vermeidung oder Reduzierung von Schadstoffemissionen werden Antriebsräder eines Kraftfahrzeugs mittels eines Elektromotors angetrieben. Hierbei wird beispielsweise mittels des Elektromotors ein von einer Verbrennungskraftmaschine aufgebrachtes Drehmoment verstärkt, und das Kraftfahrzeug ist somit als sogenanntes Hybridfahrzeug ausgestaltet. In einer Alternative hierzu weist das Kraftfahrzeug keine Verbrennungskraftmaschine auf, sondern lediglich den Elektromotor oder eine Anzahl von Elektromotoren auf, wobei jedem Antriebsrad beispielsweise einer der als Radnabenmotor ausgestalteten Elektromotoren zugeordnet ist. In diesem Fall erfolgt ein Antrieb des Kraftfahrzeugs rein elektrisch. Um das mittels des jeweiligen Elektromotors aufgebrachte Drehmoment unabhängig von dessen Drehzahl regeln zu können, wird als Elektromotor ein fremderregter Elektromotor herangezogen, dessen Rotor somit keine Permanentmagneten, sondern einen Elektromagneten umfasst. Dieser muss für einen ordnungsgemäßen Betrieb bestromt werden. Aufgrund der bei Betrieb erfolgenden Rotationsbewegung des Rotors ist hierfür ein Drehübertrager erforderlich, mittels dessen eine elektrische Kontaktierung zwischen einem drehfesten Anschluss des Elektromotors und dem rotierenden Elektromagneten erstellt werden kann. Der Drehübertrager weist meist einen Schleifring auf, der umfangsseitig auf einer Welle aufgesetzt ist, und der mittels einer Bürste als drehfestes Teil überstrichen wird.
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Üblicherweise wird ein derartiger Drehübertrager stirnseitig an ein Gehäuse des Elektromotors an dessen B-Seite angeflanscht, was den benötigten Bauraum des Antriebs in axialer Richtung vergrößert. Infolgedessen ist eine Verwendung eines derartigen Elektromotors als Radnabenmotor nicht ermöglicht. Zur Bereitstellung eines vergleichsweise großen Drehmoments ist es erforderlich, dass der Rotor einen vergleichsweise großen Durchmesser aufweist. Der Rotor selbst ist an einer Welle befestigt, die um die Rotationsachse des Elektromotors drehbar gelagert ist. Um hierbei eine vergleichsweise große mechanische Robustheit und dennoch eine vergleichsweise geringe Trägheit und somit ein vergleichsweise hohe Dynamik zu erreichen, ist die Welle üblicherweise als Hohlwelle ausgestaltet. Wenn an einer derartigen Welle nun ein Drehübertrager befestigt ist, muss dieser somit auch eine vergrößerte Ausdehnung in radialer Richtung aufweisen. Daher ist der benötigte Bauraum nochmals vergrößert. Auch ist aufgrund des vergrößerten Gehäuses des Drehübertragers ein Gewicht des Elektromotors erhöht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete elektrische Maschine mit einem Rotor, der an einer Hohlwelle angebunden ist, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine anzugeben, wobei insbesondere ein Bauraum reduziert ist, und wobei vorzugsweise eine Zuverlässigkeit verbessert ist, und wobei beispielsweise eine Lebensdauer und/oder ein Wirkungsgrad erhöht ist.
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Hinsichtlich der elektrischen Maschine wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Kraftfahrzeugs durch die Merkmale des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Die elektrische Maschine ist beispielsweise ein Generator, besonders bevorzugt jedoch ein Elektromotor. Insbesondere ist die elektrische Maschine eine strom-/fremderregte synchron Elektromaschine. Die elektrische Maschine ist beispielsweise ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs und ist insbesondere in Wirkverbindung mit einem Antriebsrad des Kraftfahrzeugs. Beispielsweise wird die elektrische Maschine als Antrieb des Kraftfahrzeugs verwendet.
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Die elektrische Maschine weist einen Rotor auf, der an einer Hohlwelle angebunden ist. Geeigneterweise ist der Rotor an der Hohlwelle befestigt, die beispielsweise durch den Rotor hindurch ragt. Der Rotor liegt besonders bevorzugt direkt an der Hohlwelle an. Insbesondere ist zwischen dem Rotor und der Hohlwelle ein direkter mechanischer Kontakt erstellt. Die Hohlwelle selbst ist im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgestaltet und um eine Drehachse drehbar gelagert. Hierfür ist beispielsweise ein Lager vorgesehen, beispielsweise ein Gleitlager, besonders bevorzugt jedoch ein Wälzlager, wie ein Kugel- oder Zylinderlager. Die hohlzylindrische Welle weist beispielsweise einen Außendurchmesser auf, der größer oder gleich 5 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm oder 50 cm ist. Geeigneterweise ist der Außendurchmesser der Hohlwelle kleiner als 100 cm, 90 cm, 80 cm oder 60 cm. Insbesondere ist der Innendurchmesser der Hohlwelle größer oder gleich 80%, 85%, 90% oder 95% des Außendurchmessers der Hohlwelle. Vorzugsweise ist die Hohlwelle im Bereich der Anbindung des Rotors hohlzylindrisch ausgestaltet und weist insbesondere einen im Wesentlichen konstanten Außendurchmesser auf. Beispielsweise weist die Hohlwelle eine Querschnittsverringerung auf, die Insbesondere trichterförmig oder stufenförmig ist. Die Querschnittsverringerung ist besonders bevorzugt von dem Rotor in axialer Richtung beabstandet, also in einer Richtung, die parallel zur Drehachse ist. Mittels der Querschnittsverringerung ist die Ausdehnung der Hohlwelle in radialer Richtung, also senkrecht zur Drehachse, verkleinert, und der Umfang der Hohlwelle verringert, also deren Ausdehnung in tangentialer Richtung. Im Weiteren beziehen sich die axiale, tangentiale und radiale Richtung insbesondere stets auf die Hohlwelle und deren Drehachse, sofern keine weitere Präzisierung erfolgt. Beispielsweise ist die Hohlwelle aus einem faserverstärkten Kunststoff, einem Aluminium, also reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, einem Stahl, einem Edelstahl oder Titan erstellt.
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Die elektrische Maschine weist ferner einen Drehübertrager auf, der der elektrischen Kontaktierung eines Bauteils des Rotors dient. Der Drehübertrager weist eine erste Bürste auf, die beispielsweise freiendseitig elastische Borsten aufweist, die insbesondere aus einem Kupferdraht erstellt sind. Besonders bevorzugt jedoch ist die erste Bürste eine Kohlebürste und aus gepresstem Kohlenstaub erstellt, was eine Reibung und eine Funkenbildung verringert. Die erste Bürste ist insbesondere drehfest bezüglich der drehbargelagerten Hohlwelle gehalten.
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Der Drehübertrager weist ferner einen ersten Schleifring auf, an dem die erste Bürste anliegt, sodass die erste Bürste mit dem ersten Schleifring elektrisch kontaktiert ist. Vorzugsweise ist zwischen der ersten Bürste und dem ersten Schleifring ein direkter mechanischer Kontakt erstellt. Der erste Schleifring ist innerhalb der Hohlwelle angeordnet. Mit anderen Worten wird der erste Schleifring in radialer Richtung mittels der Hohlwelle umgeben. Somit ist der Außenradius des ersten Schleifrings kleiner als deren Außenradius, insbesondere kleiner oder gleich dem Innenradius der Hohlwelle im Bereich der Positionierung des ersten Schleifrings. Der erste Schleifring ist an der Hohlwelle angebunden, beispielsweise an dieser befestigt. Der erste Schleifring ist somit drehfest mit der Hohlwelle und folglich bezüglich der ersten Bürste drehbar gelagert. Geeigneterweise ist der erste Schleifring konzentrisch zur Drehachse angeordnet. Der erste Schleifring ist vorzugsweise drehsymmetrisch bezüglich der Drehachse ausgestaltet.
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Vorzugsweise ist der erste Schleifring an einem Montageelement angebunden, welches an der Hohlwelle angebunden ist, beispielsweise mittels eines Form- und/oder Kraftschlusses oder mittels weiterer Befestigungsmittel, wie eines Klebstoffs. Insbesondere ist das Montageelement in die Hohlwelle eingepresst. Das Montageelement ist aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, wie einem Kunststoff, erstellt. Der erste Schleifring selbst ist aus einem elektrisch leitfähigen Material erstellt, wie beispielsweise einem Metall, insbesondere aus einem Kupferwerkstoff, wie Kupfer, Messing oder Bronze. Der erste Schleifring ist folglich drehfest mit der Hohlwelle verbunden, weswegen mittels des ersten Schleifrings und der ersten Bürste eine elektrische Kontaktierung mit einem mit der Hohlwelle mit rotierenden Teil des Rotors und einem feststehenden elektrischen Teil der elektrischen Maschine, welches mit der ersten Bürste elektrisch kontaktiert ist, ermöglicht ist. Hierbei ist die Stelle der elektrischen Kontaktierung zwischen der ersten Bürste und dem ersten Schleifring bezüglich des Innendurchmessers der Hohlwelle in Richtung der Drehachse versetzt.
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Aufgrund der radial nach innen versetzten elektrischen Kontaktierung zwischen der ersten Bürste und dem ersten Schleifring tritt zwischen diesen bei einer Rotationsbewegung der Hohlwelle eine verringerte Relativgeschwindigkeit auf. Infolgedessen ist ein Abrieb und somit ein Verschleiß verringert, was die Lebensdauer der Bestandteile des Drehübertragers vergrößert. Zudem ist aufgrund der innerhalb der Hohlwelle angeordneten Bestandteile des Drehübertragers ein Bauraum der elektrischen Maschine in radialer sowie in axialer Richtung verringert, was insbesondere einen Integrationsgrad erhöht. Auch ist aufgrund des verkleinerten ersten Schleifrings das Gewicht der elektrischen Maschine und somit auch die Trägheit verringert, was zu einer erhöhten Dynamik der elektrischen Maschine führt.
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Besonders bevorzugt weist die elektrische Maschine einen Stator auf, der beispielsweise eine Anzahl an Elektromagneten umfasst, von denen jeder beispielsweise eine elektrische Spulen umfasst. Insbesondere sind die elektrischen Spulen auf ein Blechpaket des Stators gewickelt. Die Achsen der elektrischen Spulen verlaufen insbesondere in radialer Richtung bezüglich der Drehachse, sodass mittels der Elektromagneten bei deren Bestromung ein in radialer Richtung verlaufendes Magnetfeld erstellt wird. Vorzugsweise ist der Stator mehrphasig, z. B. 6-phasig. Insbesondere ist der Stator dreiphasig, weist folglich drei Statorwicklungen auf, wobei jeder der Statorwicklungen insbesondere eine gleiche Anzahl an Elektromagneten zugeordnet ist. Beispielsweise umgibt der Stator den Rotor in radialer Richtung, wobei vorzugsweise zwischen diesen ein Luftspalt gebildet ist. Mit anderen Worten handelt es sich bei der elektrischen Maschine um einen Innenläufer. Somit wird mittels des Drehübertragers anderweitig nicht genutzter Bauraum innerhalb der Hohlwelle ausgenutzt, was zu einem verringertem Bauraum führt.
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Besonders bevorzugt ist zwischen der ersten Bürste und dem ersten Schleifring ein Kraftschluss erstellt, wofür ein erstes Federelement verwendet wird, welches beispielsweise eine Schraubenfeder ist. Beispielsweise wird die erste Bürste in radialer Richtung mittels des ersten Federelements mit Kraft beaufschlagt, weswegen die erste Bürste in radialer Richtung, beispielsweise nach außen oder nach innen gerichtet, gegen den ersten Schleifring gepresst wird. Bevorzugt jedoch erfolgt der Kraftschluss zwischen der ersten Bürste und dem ersten Schleifring in eine Kraftrichtung, die parallel zur Drehachse der Hohlwelle ist. Mit anderen Worten wird die erste Bürste an eine Anlagefläche des ersten Schleifrings gepresst, die senkrecht zur Drehachse der Hohlwelle und somit parallel zur Stirnseite der elektrischen Maschine ist. Infolgedessen ist eine Montage des Drehübertragers vereinfacht, da zunächst der erste Schleifring an der Hohlwelle angebunden werden kann. In einem weiteren Arbeitsschritt kann die erste Bürste in axialer Richtung in die Hohlwelle eingeführt werden, wobei hierbei ein Kraftschluss zwischen der ersten Bürste und dem ersten Federelement erstellt wird.
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Beispielsweise ist der erste Schleifring bandförmig ausgestaltet und an der Innenwandung der Hohlwelle befestigt. Insbesondere ist der erste Schleifring hohlzylindrisch ausgestaltet, was eine Fertigung und eine Montage erleichtert. Zweckmäßigerweise ist der erste Schleifring konzentrisch zur Drehachse angeordnet. Beispielsweise ist die Dicke des ersten Schleifrings, also dessen Abstand zwischen Innen- und Außendurchmesser, zwischen 70% und 120% der Dicke der Hohlwelle. Folglich ist der erste Schleifring vergleichsweise robust. Beispielsweise ist der Querschnitt des ersten Schleifrings parallel zur Drehachse im Wesentlichen I-förmig. Vorzugsweise umfasst der erste Schleifring einen Kragen, der in radialer Richtung verläuft. Mit anderen Worten ist der Querschnitt des ersten Schleifrings parallel zur Drehachse im Wesentlichen L-förmig, wobei der mittels des zweiten L-Schenkels gebildete Kragen vorzugsweise in radialer Richtung nach außen gerichtet ist. Vorzugsweise liegt die erste Bürste stirnseitig an dem Kragen an.
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Beispielsweise umfasst der Rotor eine Rotorwicklung, die elektrisch mit dem ersten Schleifring kontaktiert ist. Folglich dient der Drehübertrager der elektrischen Bestromung der Rotorwicklung. Die Rotorwicklung selbst ist bevorzugt mittels eines Kupferlackdrahtes erstellt und um ein Rotorpaket des Rotors gewickelt, welches insbesondere an der Hohlwelle befestigt ist, zum Beispiel mittels eines Form- und/oder Kraftschlusses. Geeigneterweise ist das Rotorpaket auf die Hohlwelle aufgeschrumpft. Des Rotorpaket ist beispielweise aus einem Vollmaterial erstellt und insbesondere ein Sintereisen. Das Rotorpaket ist bevorzugt ein Blechpaket. Das Blechpaket selbst weist eine Anzahl gegeneinander elektrisch isolierter Bleche auf (Elektrobleche), die insbesondere in axialer Richtung aufeinander gestapelt sind. Die Achse der Rotorwicklung hingegen verläuft vorzugsweise in radialer Richtung, sodass mittels der Rotorwicklung bei Betrieb ein radial gerichtetes Magnetfeld erstellt wird. Hierbei ist der erste Schleifring vorzugsweise achsensymmetrisch ausgestaltet, sodass sichergestellt ist, dass unabhängig von der Winkelstellung der Hohlwelle und folglich des ersten Schleifrings, stets ein elektrischer Kontakt zwischen der ersten Bürste und dem ersten Schleifring erstellt ist.
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Insbesondere erfolgt die elektrische Kontaktierung zwischen dem ersten Schleifring und der Rotorwicklung mittels eines ersten Anschlusses, wobei der erste Anschluss sowohl mit dem ersten Schleifring als auch mit der Rotorwicklung elektrisch kontaktiert ist. Insbesondere ist der erste Anschluss sowohl an dem ersten Schleifring als auch an der Rotorwicklung befestigt, vorzugsweise an einem Freiende der Rotorwicklung. Mit anderen Worten ist elektrisch, und Insbesondere auch mechanisch, zwischen der Rotorwicklung und dem ersten Schleifring der erste Anschluss angeordnet, weswegen der erste Anschluss hinsichtlich einer verbesserten Laufeigenschaft der ersten Wicklung und die Rotorwicklung hinsichtlich einer verbesserten Magnetfelderstellung optimiert werden kann. Um dennoch eine vergleichsweise gute Paarung zwischen diesen zu erhalten, wird der erste Anschluss verwendet.
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Besonders bevorzugt ist der erste Anschluss stiftförmig ausgestattet und aus einem elektrisch leitfähigen Material erstellt, insbesondere einem Metall, wie Stahl oder Kupfer. Vorzugsweise ist der erste Anschluss nach Art eines Metallstabs erstellt. Der erste Anschluss ragt durch eine erste radiale Aussparung der Hohlwelle, also eine Aussparung, die in radialer Richtung verläuft. Hierbei ist ein Freiende des ersten Anschlusses insbesondere radial innenliegend bezüglich der Hohlwelle und das verbleibende Freiende radial außenliegend bezüglich der Hohlwelle positioniert. An dem radial außenliegenden Freiende ist die Rotorwicklung angebunden, insbesondere befestigt, beispielsweise mittels Löten, Schweißen, Schrauben oder einer Klemm-Verbindung. Das radial innenliegende Freiende des ersten Anschlusses ist insbesondere in einer korrespondierenden Aussparung oder Nut des ersten Schleifrings positioniert. Besonders bevorzugt ist der erste Anschluss an der Hohlwelle befestigt, wobei hierbei beispielsweise eine elektrische Isolierung zwischen dem ersten Anschluss und der Hohlwelle positioniert ist, weswegen ein elektrischer Kurzschluss vermieden ist.
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Geeigneterweise umfasst der Drehübertrager einen zweiten Schleifring, der ebenfalls innerhalb der Hohlwelle angeordnet und an dieser angebunden ist. Beispielsweise ist der zweite Schleifring bezüglich des ersten Schleifrings in radialer Richtung und/oder in axialer Richtung versetzt. Insbesondere ist der zweite Schleifring aus einem elektrisch leitenden Material erstellt, beispielsweise Kupfer oder einem Aluminium. Der zweite Schleifring ist an der Hohlwelle angebunden, insbesondere befestigt, wofür beispielsweise ein Montageelement, insbesondere das gleiche Montageelement wie für den ersten Schleifring, sofern dieses vorhanden ist, verwendet wird. Das Montageelement ist vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material, wie einem Kunststoff erstellt. Der zweite Schleifring ist somit drehfest mit der Hohlwelle verbunden, weswegen bei einer Rotation der Hohlwelle um die Drehachse ebenfalls der zweite Schleifring rotiert wird.
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Der Drehübertrager weist ferner geeigneterweise eine zweite Bürste auf, die an dem zweiten Schleifring anliegt, wobei zwischen diesen insbesondere eine Anlagefläche erstellt ist. Insbesondere ist die zweite Bürste elektrisch mit dem zweiten Schleifring kontaktiert, wobei vorzugsweise ein direkter mechanischer Kontakt zwischen diesen erstellt ist. Die zweite Bürste ist drehfest, insbesondere bezüglich eines Stators der elektrischen Maschine, sofern dieser vorhanden ist. Die zweite Bürste weist beispielsweise freiendseitig Borsten auf, die bei Betrieb den zweiten Schleifring überstreichen. Besonders bevorzugt jedoch ist die zweite Bürste eine Kohlenbürste und folglich aus gepresstem Kohlestaub erstellt.
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Beispielsweise ist die zweite Bürste baugleich zur ersten Bürste und/oder der erste Schleifring baugleich zum zweiten Schleifring, was eine Verwendung von gleichen Teilen erlaubt. Die zweite Bürste und der zweite Schleifring dienen ebenfalls der elektrischen Kontaktierung zwischen dem Rotor und weiteren, drehfesten Bestandteilen der elektrischen Maschine. Insbesondere ist ein Freiende der Rotorwicklung, sofern diese vorhanden ist, mit dem ersten Schleifring und das verbleibende Ende mit dem zweiten Schleifring elektrisch kontaktiert. Hierbei ist beispielsweise der erste und insbesondere ein zweiter Anschluss vorhanden, die vorzugsweise jeweils in einer jeweils separaten radialen Aussparung der Hohlwelle angeordnet sind und durch diese hindurch ragen. Beispielsweise umfasst der Drehübertrager ein zweites Federelement, mittels dessen ein Kraftschluss zwischen der zweiten Bürste und dem zweiten Schleifring erstellt ist, wobei die Kraftausübung beispielsweise in radialer Richtung, besonders bevorzugt jedoch in axialer Richtung erfolgt. Mit anderen Worten liegt die zweite Bürste an der Stirnseite des zweiten Schleifrings an. Vorzugsweise ist die erste Bürste und/oder die zweite Bürste im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet, wobei eine Stirnseite an dem jeweiligen Schleifring anliegt. An dem verbleibenden Freiende ist besonders bevorzugt eine Litze oder eine anderweitige elektrische Leitung elektrisch kontaktiert, und insbesondere befestigt.
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Vorzugsweise umfasst der zweite Schleifring einen geringeren Innenradius als der erste Schleifring. Infolgedessen ist eine Kontaktierung der beiden Schleifringe mit im Wesentlichen in axialer Richtung angeordneter erster und zweiter Bürste ermöglicht. Alternativ oder in Kombination hierzu ist der zweite Schleifring scheibenförmig ausgestaltet. Hierbei ist die zylindrische Scheibe konzentrisch zur Drehachse positioniert. Vorzugsweise erfolgt die elektrische Kontaktierung der zweiten Bürste mit dem zweiten Schleifring im Bereich des Mittelpunkts der Scheibe und die zweite Bürste ist im Wesentlichen achsen- und/oder drehsymmetrisch bezüglich der Drehachse der Hohlwelle positioniert. Vorzugsweise schneidet die Anlagefläche zwischen der zweiten Bürste und dem zweiten Schleifring die Drehachse. Infolgedessen tritt in diesem Bereich im Wesentlichen keine Relativbewegung der zweiten Bürste bezüglich des zweiten Schleifrings auf, was einen Verschleiß und eine Reibung verringert. Infolgedessen ist einerseits eine Langlebigkeit und andererseits ein Wirkungsgrad erhöht.
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Insbesondere umfasst der Drehübertrager ein Gehäuse, das stirnseitig an einem Lagerschild der elektrischen Maschine angebunden ist. Hierbei ist das Lagerschild vorzugsweise zwischen dem Rotor und dem Gehäuse des Lagerschilds positioniert. Das Lagerschild, welches insbesondere ein B-seitiges Lagerschild ist, weist ein Lager auf, mittels dessen die Hohlwelle drehbar gelagert ist, wie ein Wälzlager, beispielsweise ein Kugellager. Das Gehäuse weist eine erste Führung auf, innerhalb derer die erste Bürste geführt ist. Beispielsweise ist zwischen der ersten Bürste und der erste Führung zumindest teilweise eine Spielpassung erstellt. Insbesondere ist die erste Führung aus einem elektrisch nicht leitenden Material, wie einem Kunststoff, erstellt. Zweckmäßigerweise ist die erste Bürste mittels der ersten Führung in axialer Richtung geführt. Die erste Führung selbst ragt insbesondere in die Hohlwelle hinein, und innerhalb der ersten Führung ist beispielsweise das erste Federelement positioniert, sofern dieses vorhanden ist. Vorzugsweise umfasst das Gehäuse eine zweite Führung, mittels derer die zweite Bürste geführt ist, insbesondere in axialer Richtung, sofern die zweite Bürste vorhanden ist. Hierbei sind die beiden Führungen, und folglich auch die beiden Bürsten, in radialer Richtung zueinander versetzt, wobei die zweite Bürste bevorzugt einen geringeren Abstand zur Drehachse aufweist als die erste Bürste.
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Beispielsweise ist der Drehübertrager vollständig innerhalb der Hohlwelle positioniert und wird in radialer Richtung beispielsweise vollständig mittels des Rotors umgeben. Alternativ hierzu erfolgt die elektrische Kontaktierung zwischen der ersten Bürste und dem ersten Schleifring bzw. der zweiten Bürste und dem zweiten Schleifring, in einem Bereich, der mittels des Rotors in radialer Richtung gegeben ist. Infolgedessen ist ein Platzbedarf verringert. Alternativ hierzu ist der Drehübertrager bezüglich des Rotors in axialer Richtung versetzt. Mit anderen Worten ist kein Bestandteil des Drehübertragers in radialer Richtung mittels des Rotors umgeben. Auf diese Weise ist eine Anpassung der Hohlwelle an den jeweiligen Schleifring ermöglicht. Auch ist es ermöglicht, zwischen einer etwaigen Rotorwicklung und dem ersten Schleifring den ersten Anschluss vorzusehen, ohne dass ein etwaiges Blechpaket eine Aussparung oder dergleichen aufweisen müsste.
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Das Kraftfahrzeug weist ein Antriebsrad auf, insbesondere zwei oder vier Antriebsräder. Das Antriebsrad ist in Wirkverbindung mit der elektrischen Maschine, die beispielsweise die Funktionalität eines Elektromotors und/oder eines Generators aufweist. Insbesondere dient die elektrische Maschine dem Antrieb des Antriebsrads und ist beispielsweise als Radnabenmotor ausgestaltet. Alternativ hierzu wirkt die elektrische Maschine auf eine Antriebsachse, beispielsweise auf eine Kardanwelle, wobei beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine vorhanden ist, die auf die gleiche Antriebsachse wirkt. Zusammenfassend ist das Kraftfahrzeug mittels der elektrischen Maschine angetrieben.
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Die elektrische Maschine umfasst einen Rotor, der an einer um eine Drehachse drehbar gelagerten Hohlwelle angebunden ist. Ferner weist die elektrische Maschine einen Drehübertrager auf, der einen ersten Schleifring und eine daran anliegende erste Bürste umfasst. Der erste Schleifring ist innerhalb der Hohlwelle angeordnet und an dieser angebunden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor,
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2 in einer Draufsicht schematisch ausschnittsweise den Elektromotor,
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3 und 4 in einer Schnittdarstellung längs einer Drehachse eine erste Ausführungsform des Elektromotors, und
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5 und 6 jeweils weitere Ausführungsformen des Elektromotors gemäß 4.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug 2 dargestellt, welches zwei Vorderräder 4 sowie zwei als Antriebsräder 6 ausgestaltete Hinterräder aufweist.
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Alternativ sind die Antriebsräder 6 lediglich mittels der Vorderräder 4 oder mittels der Vorderräder 4 und der Hinterräder gebildet. Die Antriebsräder 6 sind mittels eines Elektromotors 8 angetrieben, wofür beispielsweise Antriebsachsen 10 verwendet werden. Alternativ hierzu ist der Elektromotor 8 als Radnabenmotor ausgestaltet und in das jeweilige Antriebsrad 6 integriert. Das Kraftfahrzeug 2 weist ferner einen Energiespeicher 12 in Form einer Lithium-Ionen-Batterie und eine Steuerung 14 auf, mittels derer ein Energiefluss zwischen dem Energiespeicher 12 und dem Elektromotor 8 eingestellt wird. Insbesondere umfasst die Steuerung 14 eine Strom- und/oder elektrische Spannungsregelung. Mit anderen Worten erfolgt mittels der Steuerung 14 eine Bestromung des Elektromotors 8.
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In 2 ist schematisch vereinfacht in einer Draufsicht der Elektromotor 8 dargestellt. Der Elektromotor 8 umfasst einen Stator 16, der im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgestaltet und innerhalb eines nicht näher dargestellten Gehäuses positioniert ist. Der Stator 16 weist eine Anzahl an Elektromagneten 18 auf, von denen beispielsweise drei dargestellt sind. Die Elektromagneten sind zu drei Statorwicklungen verschalten. Mit anderen Worten ist jeder der Elektromagneten 18 jeweils einer der Statorwicklungen zugeordnet. Die Statorwicklungen selbst sind beispielsweise in einer Dreiecks- oder einer Sternschaltung miteinander elektrisch kontaktiert. Die Elektromagneten 18 selbst sind mittels elektrischer Spulen erstellt, die um entsprechende Strukturen eines nicht näher dargestellten Blechpakets des Stators 16 geschlungen sind. Die Elektromagneten 18 sind drehsymmetrisch bezüglich einer Drehachse 20 eines Rotors 22 positioniert, der innerhalb des Stators angeordnet ist. Mit anderen Worten ist der Elektromotor 8 ein Innenläufer, und die Elektromagneten 18 sind zueinander in einer tangentialen Richtung T bezüglich der Drehachse 20 versetzt. Der Rotor 22 ist an einer parallel zur Drehachse 20 und konzentrisch mit dieser angeordneten Hohlwelle 24 befestigt, die durch den Rotor 22 in einer axialen Richtung A, also parallel zur Drehachse 20 hindurch ragt.
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In 3 ist in einer Schnittdarstellung längs der Drehachse 20 der Elektromotor 8 ausschnittsweise dargestellt. In 4 ist der Elektromotor entsprechend dargestellt, wobei jedoch ein Teil abgeändert sein kann. Die Hohlwelle 24 weist einen Befestigungsbereich 26 auf, an dem der Rotor 22 befestigt ist. Somit ist der Rotor 22 drehfest an der Hohlwelle 24 im Befestigungsbereich 26 verbunden. Der Rotor 22 liegt im Befestigungsbereich 26 umfangsseitig an der Hohlwelle 24 an. Der hierbei anliegende Teil des Rotors 22 ist ein Rotorblechpaket 18, welches eine Anzahl an in axialer Richtung A aufeinander und gegeneinander elektrisch isolierter Einzelbleche 30 aufweist. Um das Rotorblechpaket 28 ist eine Rotorwicklung 32 aus Kupferlackdraht gewickelt, die ein erstes Anschlussende 34 und ein zweites Anschlussende 36 aufweist. Die Achse der Rotorwicklung 32 ist hierbei senkrecht zur Drehachse 20 und läuft durch diese hindurch, also in eine radiale Richtung R.
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Die einstückige und aus einem Stahl, einem Aluminium oder einem glasfaserverstärkten Kunststoff erstellte Hohlwelle 24 weist eine trichterförmige Querschnittsverringerung 38 auf. Mittels der Querschnittsverringerung 38 geht der Befestigungsbereich 26 in ein Wellenende 40 über, dessen Durchmesser zwischen 50% und 70% des Durchmessers der Hohlwelle 24 im Befestigungsbereich 26 entspricht. Der Durchmesser im Befestigungsbereich 26 ist im Wesentlichen 30 cm und die Dicke, also der Unterschied zwischen dem Innenradius und dem Außenradius der Hohlwelle 24 beträgt 1 cm. Das Wellenende 40 ist mittels eines Lagers 42, das als Kugellager ausgestaltet ist, drehbar um die Drehachse 20 gelagert. Das Lager 42 ist an einem Lagerschild 44 aus einem Aluminium befestigt, das ein Teil des nicht weiter dargestellten Gehäuses des Elektromotors 8 bildet.
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An dem als B-seitigen Lagerschild ausgeführten Lagerschild 44 ist ein Gehäuse 46 eines Drehübertragers 48 mittels Schrauben 50 befestigt. Das Gehäuses 46 weist eine in axialer Richtung A verlaufende erste Führung 52 und eine ebenfalls in axialer Richtung A verlaufende zweite Führung 54 auf, die mittels eines aus einen elektrisch nicht leitfähigen Kunststoff gefertigten Isolationskörpers 56 des Gehäuses 46 erstellt sind. Die erste und die zweite Führung 52, 54 sind mit jeweils einer in Axialrichtung A verlaufenden Bohrung gebildet. Innerhalb der ersten Führung 52 ist teilweise eine erste Bürste 58 angeordnet, die im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist. Die erste Bürste 58 ist eine Kohlenbürste und folglich aus gepresstem Kohlenstoff erstellt, wobei zwischen der ersten Bürste 58 und der ersten Führung 52 am Umfang der ersten Bürste 58 ein Formschluss erstellt ist. Innerhalb der ersten Führung 52 ist ferner ein erstes Federelement in Form einer Schraubenfeder an der Stirnseite der ersten Bürste 58 am Boden der die erste Führung 52 bildenden Bohrung angeordnet. Im Bereich dieses Endes der Kohlenbürste 58 weist der Isolationskörper 56 eine erste Aussparung 62 auf, innerhalb derer ein erstes Kontaktelement 64 angeordnet und an der ersten Bürste 58 befestigt ist. Das erste Kontaktelement 64 ist mittels einer ersten Litze 66 mit der Steuerung 14 elektrisch verbunden. Das verbleibende Freiende der ersten Bürste 58 ragt in die Hohlwelle 24 und ist innerhalb des Wellenendes 40 positioniert. Mit anderen Worten ist dieses Freiende der ersten Bürste 58 in radialer Richtung R mittels der Hohlwelle 24 umgeben.
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Auch in der zweiten Führung 54 ist an deren Boden ein zweites Federelement 68 positioniert, ebenso wie eine zweite Bürste 70, die ebenfalls aus gepresstem Kohlenstaub erstellt ist, und die eine zylindrische Form aufweist, an deren Umfang die zweite Führung 54 unter Ausbildung einer Spielpassung anliegt. Ferner weist der Isolationskörper 56 einen zur ersten Aussparung 62 in axialer Richtung A versetzte zweite Aussparung 72 auf, innerhalb derer ein zweites Kontaktelement 74 positioniert ist, das an der zweiten Bürste 70 befestigt ist. Auch das zweite Kontaktelement 74, das baugleich zum ersten Kontaktelement 66 ist, und ebenfalls aus einem elektrisch leitfähigen Material erstellt ist, ist mit der Steuerung 14 elektrisch kontaktiert.
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Innerhalb des Wellenendes 40 ist ein Montageelement 76 angeordnet und drehfest an der Hohlwelle 24 befestigt. Das Montageelement 76 ist aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff erstellt, und ein erster Schleifring 78 sowie ein zweiter Schleifring 80 sind drehfest hieran befestigt und teilweise in das Montageelement 76 eingebettet. Die beiden Schleifringe 78, 80 sind jeweils aus Kupferwerkstoff, wie Kupfer, Bronze oder Messing, erstellt und werden von dem Wellenende 40 und somit von der Hohlwelle 24, in radialer Richtung R umgeben. Hierbei dient das Montageelement 76 der Anbindung der beiden Schleifringe 78, 80 an der Hohlwelle 24, wobei das Montageelement 76 in axialer Richtung A im Wesentlichen bei der Querschnittsverringerung 38 endet.
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Der erste Schleifring 78 ist hohlzylindrisch ausgestaltet und konzentrisch zur Drehachse 20 positioniert. Ferner weist der erste Schleifring 78 an dem der Querschnittsverringerung 38 gegenüberliegenden Ende einen Kragen 82 auf, der in radialer Richtung R verläuft. Mit anderen Worten ist der Kragen 82 ringförmig ausgestaltet. Die erste Bürste 58 ist mittels des ersten Federelements 60 gegen den Kragen 82 gepresst, sodass zwischen diesen ein Kraftschluss erstellt ist. Die Ausübung der Kraft erfolgt somit in axialer Richtung A. Mit dem ersten Schleifring 78 ist ferner ein erster Anschluss 84 elektrisch kontaktiert, der stiftförmig ausgestaltet ist und senkrecht zur Drehachse 20 durch eine radiale Aussparung 86 der Hohlwelle 40 verläuft, die mit einem ersten Isolationselement 88 ausgekleidet ist, welches der elektrischen Isolation dient. Der erste Anschluss 84 ist an der Hohlwelle 24 befestigt, und an dem radial außenliegenden Freiende 90 des ersten Anschlusses ist des erste Anschlussende 34 der Rotorwicklung 32 befestigt, beispielsweise angeschweißt.
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Der zweite Schleifring 80 ist scheibenförmig ausgestaltet und senkrecht zur Drehachse 20 positioniert. Folglich weist der zweite Schleifring 80 im Wesentlichen einen Innendurchmesser von null auf, der somit kleiner als der des ersten Schleifrings 78 ist, zu dem der zweite Schleifring 80 in axialer Richtung A in Richtung der Querschnittsverringerung 38 versetzt ist. Mit dem zweiten Schleifring 80 ist ein stiftförmiger zweiter Anschluss 92 elektrisch kontaktiert, der ebenfalls in radialer Richtung R angeordnet und baugleich zu dem ersten Anschluss 84 ist. Der zweite Anschluss 92 ragt durch eine mit einem zweiten Isolationselement 94 ausgeschlagene zweite radiale Aussparung 96 der Hohlwelle 24, sodass ein Freiende 98 des zweiten Anschlusses 92 außerhalb der Hohlwelle 24 angeordnet ist. An diesem Freiende 98 ist das zweite Anschlussende 36 der Rotorwicklung 32 mittels Schweißen befestigt und folglich elektrisch kontaktiert.
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Mittels des zweiten Federelements 68 wird die im Wesentlichen auf der Drehachse 20 angeordnete zweite Bürste 70 gegen den zweiten Schleifring 80 gepresst, sodass zwischen diesen in axialer Richtung A ein Kraftschluss erstellt ist. Folglich dient der Drehübertrager 48 der elektrischen Kontaktierung der Rotorwicklung 32 mit der Steuerung 14, weswegen das mittels des Rotors 22 erstellte Magnetfeld mittels der Steuerung 14 einstellbar ist. Ein Teil des Drehübertragers 48 ragt in die Hohlwelle 24 hinein, jedoch nicht weiter als bis zur Querschnittsverringerung 38. Infolgedessen ist der Drehübertrager 48 bezüglich des Rotors 22 in axialer Richtung A versetzt. Die mechanischen Kontakte zwischen den beiden Bürsten 58, 70 und deren jeweils zugeordnetem Schleifring 78, 80 sind bezüglich der Hohlwelle 24 in Richtung der Drehachse 20 versetzt, sodass zwischen den jeweils zugeordneten Teilen eine verringerte Relativgeschwindigkeit auftritt. Infolgedessen ist ein Verschleiß und eine Reibung der beiden Bürsten 58, 70 verringert, weswegen eine Lebensdauer erhöht ist. Zudem sind die beiden Schleifringe 78, 80 vergleichsweise materialsparend ausgeführt und ebenfalls in Richtung der Drehachse 20 versetzt, was eine Dynamik des Elektromotors 8 erhöht.
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In 5 ist eine weitere Ausgestaltungsform des Elektromotors 8 dargestellt, wobei das Montageelement 76 sowie die beiden Schleifringe 78, 80 und die hiermit elektrisch kontaktierten beiden Anschlüsse 84, 92 in axialer Richtung A von dem Lager 42 sowie dem Lagerschild 44 weg versetzt sind. Diese sind somit im Wesentlichen vollständig in radialer Richtung R von dem Befestigungsbereich 26 und somit von dem Rotor 22 umgeben sind. Infolgedessen ragen die in axialer Richtung A verlängerten beiden Bürsten 58, 70 im Wesentlichen vollständig durch das Wellenende 40 hindurch, wobei hier beispielhaft die zweite Führung 54 ebenfalls in axialer Richtung A verlängert ist und durch das Wellenende 40 bis zur Querschnittsverringerung 38 hindurch ragt. Die beiden Anschlussenden 34, 36 sind durch nicht näher dargestellte Öffnungen innerhalb der Querschnittsverringerung 38 oder anderer Bereiche der Hohlwelle 24 nach innen geführt. Zwischen der Rotorwicklung 32 und dem Lagerschild 44 ist ein vergrößerter Bereich geschaffen, innerhalb dessen weitere Bauteile des Elektromotors 8 positioniert werden können, wie beispielsweise Sensoren.
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In 6 ist eine weitere Abwandlung des in 5 dargestellten Elektromotors 8 dargestellt, wobei das Wellenende 40 in axialer Richtung A verkürzt ausgestaltet ist. Auch hierbei sind die beiden Schleifringe 78, 80 sowie das Montageelement 76 in radialer Richtung von dem Rotor 22 umgeben. Auch die beiden Anschlüsse 84, 92 sowie die beiden Anschlussenden 34, 36 sind unverändert belassen. Die Form des Isolationskörpers 56 sowie die beiden Führungen 52, 54 entsprechen jedoch im Wesentlichen der in 3 bzw. 4 dargestellten Variante. Infolgedessen ist die Rotorwicklung 32 in axialer Richtung A auf das Lagerschild 44 zu versetzt, weswegen der Bauraum des Elektromotors in axialer Richtung A verkürzt ist. Auch ist aufgrund der verkürzten Hohlwelle 24 das Gewicht reduziert, was einerseits einen Wirkungsgrad und andererseits eine Dynamik des Elektromotors 8 erhöht.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den einzelnen Ausführungsbeispielen beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Vorderrad
- 6
- Antriebsrad
- 8
- Elektromotor
- 10
- Antriebsachse
- 12
- Energiespeicher
- 14
- Steuerung
- 16
- Statur
- 18
- Elektromagnet
- 20
- Drehachse
- 22
- Rotor
- 24
- Hohlwelle
- 26
- Befestigungsbereich
- 28
- Rotorblechpaket
- 30
- Einzelblech
- 32
- Rotorwicklung
- 34
- erstes Anschlussende
- 36
- zweites Anschlussende
- 38
- Querschnittsverringerung
- 40
- Wellenende
- 42
- Lager
- 44
- Lagerschild
- 46
- Gehäuse
- 48
- Drehübertrager
- 50
- Schraube
- 52
- erste Führung
- 54
- zweite Führung
- 56
- Isolationskörper
- 58
- erste Bürste
- 60
- erstes Federelement
- 62
- erste Aussparung
- 64
- erstes Kontaktelement
- 66
- erste Litze
- 68
- zweites Federelement
- 70
- zweite Bürste
- 72
- zweite Aussparung
- 74
- zweites Kontaktelement
- 76
- Montageelement
- 78
- erster Schleifring
- 80
- zweiter Schleifring
- 82
- Kragen
- 84
- erster Anschluss
- 86
- erste radiale Aussparung
- 88
- erstes Isolationselement
- 90
- Freiende des ersten Anschluss
- 92
- zweiter Anschluss
- 94
- zweites Isolationselement
- 96
- zweite radiale Aussparung
- 98
- Freiende des zweiten Anschluss
- A
- axiale Richtung
- R
- radiale Richtung
- T
- tangentiale Richtung
