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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (auch als Elektromaschine / Elektromotor bezeichnet) für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeug, bspw. eines Pkws, Busses, Lkws oder eines anderen Nutzfahrzeuges, mit einem Stator und einem relativ zu dem Stator verdrehbaren Rotor, wobei der Rotor mit einem Drehelement bewegungsgekoppelt oder bewegungskoppelbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen (hybriden) Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, mit der elektrischen Maschine.
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Gattungsgemäßer Stand der Technik ist bereits hinlänglich bekannt. Die
DE 103 10 831 A1 offenbart prinzipiell Fliehkraftpendel, die in Antriebssträngen einsetzbar sind.
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Die Vorteile des bekannten Monotilgers sind zum einen die erzwungene Synchronisierung der jeweiligen Pendelmassen und zum anderen die Reduktion der Hertz'schen Pressung. Dies schränkt jedoch häufig die Performance des jeweiligen Fliehkraftpendels ein. Bei den bisher bekannten Monotilger-Ausführungen ist es insbesondere von Nachteil, dass die Tilgermasse häufig massiv auszuführen ist, sodass hierbei deutlich an Bauraum eingebüßt wird.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, die hinsichtlich ihres Schwingungsverhaltens im Betrieb des Kraftfahrzeuges möglichst effektiv gedämpft werden soll, andererseits im Bauraum durch die Anbringung eines Drehschwingungsdämpfers möglichst geringfügig beeinflusst werden soll.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Fliehkraftpendeleinrichtung so (unmittelbar) mit dem Rotor (wirk-)verbunden ist, dass ein Drehmomentenfluss im Betrieb der elektrischen Maschine vom Rotor über die Fliehkraftpendeleinrichtung zum Drehelement geleitet ist / wird.
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Dadurch wird der Rotor unmittelbar als Tilgermasse / Dämpfungsmasse benutzt. Zudem wird der Rotor nicht fest, sondern über das Fliehkraftpendel / die Fliehkraftpendeleinrichtung schwingungsgedämpft mit dem Drehelement verbunden. Durch eine Kombination aus elektrischer Maschine sowie Schwingungsdämpfeinrichtung ist eine besonders kompakte Bauweise umgesetzt. Desweiteren, durch die Verwendung des Rotors, kann mittels geeigneter Software-Strategien das elektromotorische Moment in Schub- und Zugrichtung zur Verspannung der Fliehkraftpendeleinrichtung verwendet werden. Hiermit wird wiederum auch das NVH-Verhalten maßgeblich verbessert.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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Weist die Fliehkraftpendeleinrichtung zwei Rotationsteile sowie mehrere die beiden Rotationsteile miteinander koppelnde Fliehkraftkörper auf, ist die Fliehkraftpendeleinrichtung wiederum in sich besonders kompakt aufgebaut.
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Diesbezüglich ist es zweckmäßig, wenn jeder Fliehkraftkörper einen Rollbereich (einen zapfenförmigen Rollbereich) aufweist, mit dem er (der jeweilige Fliehkraftkörper) an den beiden Rotationsteilen (drehfest / rotatorisch gekoppelt) anliegt. Dadurch ist eine besonders geschickte Bewegungskopplung der Fliehkraftkörper mit den Rotationsteilen umgesetzt.
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Desweiteren ist es vorteilhaft, wenn jeder Fliehkraftkörper kraftschlüssig (vorzugsweise reibkraftschlüssig) und/oder formschlüssig, vorzugsweise über eine Verzahnung oder eine Verschlingung, mit zumindest einem, vorzugsweise beiden, Rotationsteil(- en) in Eingriff / Wirkeingriff steht. Somit ist eine geschickte Bewegungskopplung des jeweiligen Rotationsteils mit dem Fliehkraftkörper umgesetzt und die Fliehkraftpendeleinrichtung im Aufbau weiter vereinfacht.
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Weist jeder Fliehkraftkörper ein exzentrisch zu einer Rollachse des Rollbereiches angeordnete Fliehmasse auf, ist der Aufbau der Fliehkraftpendeleinrichtung wiederum vereinfacht. Die Fliehkraftkörper schwenken dann bei Erreichen einer bestimmten Drehzahl (in Abhängigkeit der Größe der Fliehmasse) in radialer Richtung nach außen.
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Weist die Fliehkraftpendeleinrichtung darüber hinaus einen Klemmmechanismus auf, der die Verdrehung der Rotationsteile relativ zueinander in einem bestimmten Drehwinkelbereich einschränkt, ist sichergestellt, dass die Drehmomentenübertragung von der elektrischen Maschine auf das Drehelement im Betrieb stattfindet.
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Diesbezüglich ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der Klemmmechanismus je Fliehkraftkörper einen, vorzugsweise in einem zweiten Rotationsteil aufgenommenen, Klemmkörper aufweist, der bei einer bestimmten Verdrehung des Fliehkraftkörpers relativ zu dem jeweiligen Rotationsteil mit einer Anlagefläche / Klemmfläche an dem Fliehkraftkörper verklemmt, sodass es zu einer drehfesten Koppelung der beiden Rotationsteile kommt.
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Zudem ist es von Vorteil, wenn der Rotor mit einem als ein Ringelement, ein Sonnenrad oder ein Stegelement ausgebildeten ersten Rotationsteil der Fliehkraftpendeleinrichtung drehfest verbunden ist.
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Diesbezüglich ist es auch vorteilhaft, wenn ein zweites Rotationsteil der Fliehkraftpendeleinrichtung mit dem Drehelement drehfest verbunden ist oder zur drehfesten Verbindung mit dem Drehelement (geometrisch und/oder stofflich) vorbereitet ist.
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Auch das Drehelement ist zweckmäßigerweise wiederum mit dem als ein Ringelement, ein Sonnenrad oder ein Stegelement ausgebildeten zweiten Rotationsteil der Fliehkraftpendeleinrichtung drehfest verbunden ist.
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Die beiden Rotationsteile sind hierbei selbstverständlich mit jeweils stets unterschiedlichen Bauteilen verbunden. Dadurch ergeben sich verschiedene Anbringungsmöglichkeiten der Fliehkraftpendeleinrichtung zwischen Rotor und Drehelement.
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Ist der ringförmig ausgebildete Rotor mit einem Durchgangsloch versehen, durch das das Drehelement zumindest in einem betriebsfähigen Zustand der elektrischen Maschine hindurchragt und/oder in dem das Drehelement zumindest in einem betriebsfähigen Zustand der elektrischen Maschine relativ zu dem Rotor rotatorisch, bevorzugt über ein Wälzlager, gelagert ist, ergibt sich eine besonders geschickte platzsparende Anordnung von Rotor und Drehelement. Unter betriebsfähigem Zustand ist hierbei jener Zustand der elektrischen Maschine zu verstehen, in dem die elektrische Maschine in ihrem bestimmungsgemäßen Einsatzbereich im Antriebsstrang platziert / montiert ist und bei ihrem Betrieb auf den Antriebsstrang einwirkt.
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Das Drehelement ist bevorzugt als Welle / Triebwelle ausgebildet und weiterhin Bestandteil eines Getriebes des Antriebsstranges, etwa in Form einer Getriebeeingangswelle. Weiter bevorzugt ist das Drehelement jedoch auch als Kupplungsbestandteil / Drehteil einer Kupplung des Antriebsstranges ausgebildet. Prinzipiell ist das Drehelement an zahlreichen weiteren Stellen im Antriebsstrang einsetzbar. Somit sind grundsätzlich alle Hybridarchitekturen (= Einbaupositionen der elektrischen Maschine) denkbar, wobei das Drehelement bevorzugt als Abtriebsseite dient.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung einen (hybriden) Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine nach zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausführungen, sodass auch der Antriebsstrang gesamtheitlich besonders kompakt ausgestaltet ist.
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In anderen Worten ausgedrückt, ist erfindungsgemäß eine elektrische Maschine aufweisend eine Fliehkraftpendeleinrichtung nach der Art eines Planetengetriebes umgesetzt. Insbesondere wird die elektrische Maschine in einem hybriden Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges eingesetzt. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine dient zur Reduktion oder zum Dämpfen von Drehmomentungleichförmigkeiten unter Verwendung einer möglichst einfachen Konstruktion. Dabei wird ein Rotor der elektrischen Maschine als Masse des Dämpfers / der Fliehkraftpendeleinrichtung verwendet. Der Dämpfer ist durch ein planetenähnliches Fliehkraftpendel (Fliehkraftpendeleinrichtung) ausgebildet. Der Rotor ist mittels dem Planeten-Fliehkraftpendel mit einer Eingangswelle (Drehelement) verbunden.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsbeispiele angedeutet sind.
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Es zeigen:
- 1 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei besonders gut die Kopplung eines Rotors mittels einer Fliehkraftpendeleinrichtung mit einem Drehelement erkennbar ist,
- 2 eine Vorderansicht der elektrischen Maschine nach 1, wobei die Fliehkraftpendeleinrichtung, die seitens des Rotors angeordnet ist, von außen gut zu erkennen ist,
- 3 eine perspektivische Darstellung der in Längsrichtung geschnittenen elektrischen Maschine der 1,
- 4 eine perspektivische Darstellung eines Zusammenbaus aus Rotor, Fliehkraftpendeleinrichtung sowie Drehelement, wie er in der elektrischen Maschine der 1 bis 3 eingesetzt ist,
- 5 eine perspektivische Darstellung der in den 1 bis 4 eingesetzten Fliehkraftpendeleinrichtung,
- 6 eine perspektivische Darstellung eines (zweiten) Rotationsteils, das in den 1 bis 4 drehfest mit dem Drehelement verbunden ist,
- 7 eine perspektivische Darstellung eines der Fliehkraftkörper der Fliehkraftpendeleinrichtung nach 5,
- 8 eine Längsschnittdarstellung der Fliehkraftpendeleinrichtung nach 5 im Bereich eines Fliehkraftkörpers,
- 9 eine Querschnittsdarstellung der Fliehkraftpendeleinrichtung nach 5, sodass besonders gut die Anordnung eines Klemmmechanismus der Fliehkraftpendeleinrichtung erkennbar ist,
- 10 eine schematische Detaildarstellung der geschnittenen Fliehkraftpendeleinrichtung nach 9 im Bereich eines Fliehkraftkörpers, wobei sich der Klemmmechanismus in einer gesperrten Stellung befindet, in der die Rotationsteile der Fliehkraftpendeleinrichtung mittels dem Fliehkraftkörper drehfest miteinander verbunden / verklemmt sind, und
- 11 eine Detaildarstellung der Fliehkraftpendeleinrichtung im Bereich des Fliehkraftkörpers, ähnlich zu 10, wobei sich der Klemmmechanismus nun in einer entsperrten Stellung befindet, in der die Rotationsteile um einen gewissen Drehwinkelbereich relativ zueinander frei verdrehbar sind.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 in ihrem Aufbau gut zu erkennen. Die elektrische Maschine 1 ist im Betrieb Bestandteil eines Antriebsstranges, nämlich eines hybriden Antriebsstranges eines Kraftfahrzeuges, wobei der Antriebsstrang hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellt ist. Die elektrische Maschine 1 ist auch als Elektromotor bezeichnet. Die elektrische Maschine 1 weist auf typische Weise einen Stator 2, wie auch in 2 zu erkennen, sowie einen Rotor 3 auf, der relativ zum Stator 2 drehbar gelagert ist. In einem Betrieb der elektrischen Maschine 1 wird der Rotor 3 auf übliche Weise drehend durch den Stator 2 angetrieben.
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Mit dem Rotor 3 ist ein Drehelement 4, hier in Form einer Welle / Triebwelle bewegungsgekoppelt. Das Drehelement 4 ist hier Bestandteil der elektrischen Maschine 1 und im Betrieb fest mit einer weiteren Antriebswelle des Antriebsstranges verbunden.
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Alternativ ist es auch gemäß weiterer Ausführungen möglich, das Drehelement 4 unmittelbar als Antriebswelle auszubilden, wobei das Drehelement 4 dann nur im betriebsfähigen Zustand mit dem Rotor 3 bewegungsgekoppelt und nicht unmittelbar Bestandteil der elektrischen Maschine 1 ist. Wie in den 3 und 4 veranschaulicht, ist das Drehelement 4, die durch ein von dem ringförmigen Rotor 3 ausgebildeten Durchgangsloch 13 des Rotors 3 hindurchragt, radial innerhalb des Rotors 3 mittels zweier Wälzlager 19 relativ zu dem Rotor 3 drehbar gelagert. Die Wälzlager 19 sind auf je einer axialen Seite des Rotors 3 angeordnet und hier als Kugellager ausgeführt. Auch andere Lagerungen sind selbstverständlich prinzipiell umsetzbar.
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Insbesondere dient zur Bewegungskopplung des Rotors 3 mit dem Drehelement 4 im betriebsfähigen Zustand der elektrischen Maschine 1 eine Fliehkraftpendeleinrichtung 5, die mit dem Rotor 3 sowie dem Drehelement 4 verbunden ist. Der Aufbau der Fliehkraftpendeleinrichtung 5 ist in Verbindung mit den 5 bis 8 gut zu erkennen. Die Fliehkraftpendeleinrichtung 5 weist zwei Rotationsteile 6 und 7 auf, die über mehrere Fliehkraftkörper 8 miteinander gekoppelt sind. Ein erstes Rotationsteil 6 ist als Ringelement, insbesondere als eine Art Hohlrad, ausgebildet und drehfest mit dem Rotor 3 verbunden.
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Wie gut in den 3 und 4 zu erkennen, ist das erste Rotationsteil 6 an einer Stirnseite des Rotors 3 angebracht und dort mit diesem drehfest verbunden. Somit bilden das erste Rotationsteil 6 der Fliehkraftpendeleinrichtung 5 sowie der Rotor 3 eine Dreheinheit aus, wobei eine Schwungmasse des ersten Rotationsteils 6 auch durch die Masse des Rotors 3 mit beeinflusst ist.
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Radial innerhalb des ersten Rotationsteils 6, in Bezug auf eine Drehachse 14 des Drehelementes 4 / des Rotors 3, ist ein zweites Rotationsteil 7 der Fliehkraftpendeleinrichtung angeordnet. Auch das zweite Rotationsteil 7 ist als Ringelement ausgebildet und dient insbesondere als eine Art Sonne / Sonnenrad. Das zweite Rotationsteil 7 ist drehfest mit dem Drehelement 4 verbunden. Insbesondere ist dieses zweite Rotationsteil 7 auf einem aus dem Rotor 3 axial hinausragenden Zapfenbereich 15 des Drehelementes 4 aufgesetzt und dort drehfest befestigt.
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Die beiden Rotationsteile 6 und 7 sind mittels mehrerer, in einer Umfangsrichtung um die Drehachse 14 herum verteilt angeordneter Fliehkraftkörper 8 miteinander bewegungsgekoppelt. Zu diesem Zwecke, wie in 7 und 8 erkennbar, weist jeder der Fliehkraftkörper 8 einen Rollbereich 9 auf, der im Wesentlichen als Wellenabschnitt / Hülsenabschnitt ausgeführt ist und sowohl mit einer radialen Außenseite an einer radialen Innenseite des ersten Rotationsteils 6 als auch mit einer radialen Innenseite an einer radialen Außenseite des zweiten Rotationsteils 7 anliegt. In diesem Ausführungsbeispiel besteht an den Kontaktbereichen zwischen den beiden Rotationsteilen 6 und 7 und dem Rollbereich 9 lediglich ein kraftschlüssiger, nämlich reibkraftschlüssiger Verbund, wobei eine Bewegung des jeweiligen Rotationsteils 6 auf dem Rollbereich durch Reibung / Rollreibung übertragen wird.
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Alternativ hierzu sei jedoch erwähnt, dass es auch gemäß weiterer Ausführungen möglich ist, die Fliehkraftkörper 8 prinzipiell auf unterschiedliche Wirkweisen mit den Rotationsteilen 6 und 7 zu koppeln. Es ist demnach auch möglich in den Kontaktbereichen zwischen den jeweiligen Rotationsteilen 6 und 7 und den Fliehkraftkörpern 8 jeweils eine formschlüssige Verbindung, wie eine Verzahnung, umzusetzen. Auch eine Umschlingung mittels einer Art Feder wäre möglich.
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Desweiteren weist jeder Fliehkraftkörper 8 seitlich des zentral zwischen den Rotationsteilen 6 und 7 angeordneten Rollbereich 9 zwei Fliehmassen 11 auf, die in axialer Richtung der Drehachse 14 gesehen seitlich des ersten Rotationsteils 6 angeordnet sind. Diese Fliehmassen 11 sind exzentrisch zu einer Rollachse 10 der Rollbereiche 9 angeordnet. Dies bedeutet, wie in 7 zu erkennen, dass die Fliehmassen 11 einen Massenschwerpunkt aufweisen, der in radialer Richtung der Rollachse 10 des Rollbereiches 9 gesehen, beabstandet zur Rollachse 10 ist. Somit neigen die Fliehmassen 11 bei einer steigenden Drehzahl des Rotors 3 im Betrieb dazu, sich aufgrund der wirkenden Zentrifugalkräfte, in radialer Richtung relativ zur Drehachse 14 nach außen zu bewegen. Somit wird ein übliches Fliehkraftpendel durch die Fliehkraftpendeleinrichtung 1 umgesetzt.
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Desweiteren ist in den 9 bis 11 dargestellt, dass die Fliehkraftpendeleinrichtung 5 einen Blockier- / Klemmmechanismus 12 aufweist. Dieser Klemmmechanismus 12 dient dazu, lediglich eine Rotation der Fliehkraftkörper 8 relativ zu den Rotationsteilen 6 und 7 in einem bestimmten Drehwinkelbereich zuzulassen. Folglich ist auch nur eine gewisse Verdrehung des ersten Rotationsteils 6 relativ zum zweiten Rotationsteil 7 in einem bestimmten Drehwinkelbereich im Betrieb möglich. Der Klemmmechanismus 12 weist wiederum rollenartige / stabförmige Klemmkörper 16 auf, die hier in dem zweiten Rotationsteil 7 eingebracht / aufgenommen sind. Je Fliehkraftkörper 8 ist ein Klemmkörper 16 vorgesehen, der den jeweiligen Fliehkraftkörper 8 in einer gesperrten Stellung, wie es in 10 dargestellt ist, vor einer weiteren Verdrehung schützt / blockiert.
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Jeder Klemmkörper 16 ist in zwei in dem zweiten Rotationsteil 7 eingebrachten Klemmlöchern / Aufnahmelöchern 17 aufgenommen. Jedes Aufnahmeloch 17 weist eine elliptische Querschnittform auf, wie in 9 veranschaulicht. Das jeweilige Aufnahmeloch 17 ist somit als Langloch ausgebildet. An jedem Fliehkraftkörper 8 ist eine Klemmzunge 18 vorhanden, die mit diesem Klemmkörper 16 zusammenwirkt. In 11 ist noch eine entsperrte Stellung des Klemmmechanismus 12 dargestellt, wobei der Fliehkraftkörper 8 im Wesentlichen in radialer Richtung nach außen ausgerichtet ist, sodass eine gedachte Verbindungslinie in radialer Richtung zwischen der Rollachse 10 und dem Schwerpunkt der Fliehmassen 11 in radialer Richtung verläuft. Hierbei ist der Klemmkörper 16 spannungsarm / entspannt angeordnet, sodass er die Klemmzunge 18 in ihrer Bewegung nicht blockiert. Folglich ist der Fliehkraftkörper 8 in dieser entsperrten Stellung frei drehbar innerhalb seines Drehwinkelbereiches am ersten Rotationsteil 6 sowie am zweiten Rotationsteil 7 abrollbar. Kommt es nun zu einem derartigen Verdrehen des ersten gegenüber dem zweiten Rotationsteil 6 und 7 hin zu einem Rand des zulässigen Drehwinkelbereiches, gelangt die Klemmzunge 18 mit einer radial nach innen gerichteten Klemmfläche 20 aufgrund des Verschwenkens des Fliehkraftkörpers 8 in Kontakt mit dem Klemmkörper 16, sodass der Klemmkörper 16 die Klemmzunge 18 vor einem weiteren Verdrehen / vor einer weiteren Bewegung in Umfangsrichtung hindert. Der Klemmmechanismus 12 funktioniert somit nach dem Prinzip eines Freilaufes. Hierbei sei jedoch auch darauf hingewiesen, dass der Klemmmechanismus 12 noch auf zahlreiche andere Methoden umsetzbar ist.
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6 zeigt wiederum die alleinige Darstellung des zweiten Rotationsteils 7. Das zweite Rotationsteils 7 ist als Doppelring ausgebildet. In axialer Richtung der Rollachse 10 / der Drehachse 14 gesehen ist in beiden Teilringen des zweiten Rotationsteils 7, d.h. zu beiden Seiten der jeweiligen Klemmzunge 18 im betriebsfähigen Zustand, ein Aufnahmeloch 17 je Fliehkraftkörper 8 ausbildet, sodass ein Klemmkörper 16 stabil an beiden Seiten der Klemmzunge 18 in jeweils einem Aufnahmeloch 17 aufgenommen ist.
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Der Vollständigkeit sei darauf hingewiesen, dass der Rotor 3 sowie das Drehelement 4 auch auf andere Weise mit der Fliehkraftpendeleinrichtung 1 verbunden werden könne. Prinzipiell sei darauf hingewiesen, dass es auch möglich ist, den Rotor 3 mit dem zweiten Rotationsteil 7 und das Drehelement 4 mit dem ersten Rotationsteil 6 zu verbinden. Auch wäre es möglich, den Rotor 3 und/oder das Drehelement 4 mit anderen Bestandteilen der Fliehkraftpendeleinrichtung 1 zu verbinden, so bspw. auch mit einem nicht weiter dargestellten Steg.
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In anderen Worten ausgedrückt, wird in der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 der Rotor 3 als Tilgermasse benutzt. Dazu wird der Rotor 3 nicht fest mit der Antriebswelle (Drehelement 4), sondern über ein Planeten-FKP / Planeten-Fliehkraftpendel (Fliehkraftpendeleinrichtung 1) verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Drehelement
- 5
- Fliehkraftpendeleinrichtung
- 6
- erstes Rotationsteil
- 7
- zweites Rotationsteil
- 8
- Fliehkraftkörper
- 9
- Rollbereich
- 10
- Rollachse
- 11
- Fliehmasse
- 12
- Klemmmechanismus
- 13
- Durchgangsloch
- 14
- Drehachse
- 15
- Zapfenbereich
- 16
- Klemmkörper
- 17
- Aufnahmeloch
- 18
- Klemmzunge
- 19
- Wälzlager
- 20
- Klemmfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10310831 A1 [0002]
- DE 102010054294 A1 [0003]
- DE 102011081248 A1 [0003]
