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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine, beispielsweise eine Klauenpolmaschine, mit einem Stromübertragungssystem zur Stromübertragung auf eine Rotorwicklung, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In der
DE 38 38 436 A1 wird eine Klauenpolmaschine beschrieben, auf deren Rotor eine Schleifringanordnung mit zwei axial benachbarten Schleifringen liegt, über die ein Erregerstrom auf eine Erregerwicklung des Rotors übertragbar ist. Mit den Schleifringen steht jeweils eine Bürste in Schleifkontakt. Die Schleifringe sind über jeweils eine Stromschiene mit den Enden der Erregerwicklung des Rotors verbunden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist ein Stromübertragungssystem auf, welches dazu dient, Strom auf eine Rotorwicklung eines Rotors der elektrischen Maschine zu übertragen. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um eine Klauenpolmaschine mit einer Rotorwicklung, wobei in diesem Fall das Stromübertragungssystem zwei axial nebeneinander liegende Schleifringe auf einer Rotorwelle des Rotors umfasst, von denen jeder mit jeweils einer Bürste, die im Stator bzw. im Gehäuse der elektrischen Maschine gelagert ist, in Schleifkontakt steht. Die Schleifringe bilden rotorseitig bestromte Kontaktelemente.
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Die elektrische Maschine kann gegebenenfalls auch mehrere Rotorwicklungen sowie ein Kommutierungssystem zur Stromübertragung und -wendung auf die Rotorwicklungen aufweisen. Das Stromübertragungssystem ist in diesem Fall von dem Kommutierungssystem gebildet, das einen rotorseitigen Kollektor umfasst, an dem die stromübertragenden Bürsten anliegen und in Schleifkontakt stehen. Der Kollektor weist über den Umfang verteilt eine Mehrzahl von Lamellen auf, die jeweils ein rotorseitiges Stromkontaktelement des Stromübertragungssystems bilden und mit einer Rotorwicklung verbunden sind.
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Durch den Schleifkontakt zwischen den Bürsten und den rotorseitigen Stromkontaktelementen entsteht Wärme, die über einen Kühlweg im Rotor abgeführt wird. Der Kühlweg verläuft entlang der rotorseitigen Stromkontaktelemente und dient zum Führen von Kühlluft, die vorzugsweise mithilfe eines rotorseitigen Lüfterrades entlang des Kühlwegs bewegt wird. Das Lüfterrad ist meist mit dem Rotor verbunden und führt die gleiche Drehbewegung wie die Rotorwelle des Rotors aus.
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Zur Beeinflussung der Kühlluftbewegung liegt im Kühlweg nun mindestens ein Luftleitelement, das stator- bzw. gehäuseseitig angeordnet ist und zur Lenkung und Erhöhung des Volumenstroms der Kühlluft dient, die durch den Kühlweg geführt ist. Das Luftleitelement ist direkt oder indirekt fest mit dem Stator bzw. einem Gehäuse der elektrischen Maschine verbunden. Durch die Erhöhung des Volumenstroms, der entlang der rotorseitigen Stromkontaktelemente insbesondere im Kontaktbereich zwischen den Stromkontaktelementen und den Bürsten geführt wird, wird eine verbesserte, effiziente Wärmeableitung erreicht. Das stator- bzw. gehäusefest angeordnete Luftleitelement führt zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft und/oder zu einer Erhöhung des Volumendurchsatzes der Kühlluft und bewirkt außerdem ein gezieltes Führen und Lenken der Kühlluft zu den rotorseitigen Stromkontaktelementen und Bürsten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist das im Kühlweg liegende Luftleitelement an einer Bürstenhalterung angeordnet, die eine oder mehrere Bürsten aufnimmt, wobei die Bürsten in der Bürstenhalterung in Richtung auf das zugeordnete Stromkontaktelement gehalten und radialverschieblich (in Bezug auf die Rotorachse) geführt sind. Es ist insbesondere möglich, das Luftleitelement einteilig mit der Bürstenhalterung auszuführen, welche vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist.
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Das Luftleitelement ist bevorzugt benachbart zu dem den rotorseitigen Stromkontaktelementen zugewandten Ende der Bürstenhalterung positioniert und kann beispielsweise trichter-, kegel-, zylinder- oder ringförmig bzw. als Sektor davon mit einer Öffnung für die Rotorwelle ausgebildet sein. Das Luftleitelement kann somit die Rotorwelle ganz oder teilweise umgreifen.
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Die Außenseite steht vorzugsweise über die Seitenwand der Bürstenhalterung über und kann zur Abstützung an einem Gehäusebauteil dienen. Die Innenseite bildet vorzugsweise eine abgeschrägte Strömungsfläche, die sich in Richtung des Kühlwegs erstreckt und eine den Kühlweg begrenzende Wandung bildet. Der Volumenstrom der Kühlluft verläuft entlang der Innenseite mit einem Strömungsvektor, der mehr oder weniger parallel zur Innenseite gerichtet ist. Das in dieser Weise ausgebildete Luftleitelement unterstützt und verbessert die Luftströmung entlang der rotorseitigen Stromkontaktelemente.
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Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, dass die Innenseite des Luftleitelements das nächstliegende Stromkontaktelement teilweise übergreift. Das Luftleitelement ist vorzugsweise halboffen ausgebildet, wobei die Innenseite die offene Seite bildet, welche dem rotorseitigen Stromkontaktelement zugewandt ist. Auf diese Weise kann eine kompakte und zugleich die Strömungsführung unterstützende Gestaltung erreicht werden.
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In der Ausführung des Luftleitelementes als Sektor erstreckt sich dieser über ein Winkelsegment, das vorzugsweise maximal 180° beträgt. Es kann gegebenenfalls aber auch zweckmäßig sein, einen Sektor vorzusehen, der sich über ein Winkelsegment zwischen 180° und kleiner 360° erstreckt. In der Ausführung des Luftleitelementes als Trichter bzw. Kegel, Ring oder Zylinder ist dieser umlaufend geschlossen ausgebildet mit einer Winkelerstreckung über 360° und umschließt die Rotorwelle.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung befindet sich ein Luftleitelement an einer Gehäusewand einer Anschlussplatte, über die eine Statorwicklung im Stator mit einer Leistungselektronik verbunden ist. Die Anschlussplatte ist stator- bzw. gehäuseseitig angeordnet und weist eine Gehäusewand auf, die einen Aufnahmeraum zur Aufnahme der rotorseitigen Stromkontaktelemente umschließt, um die Stromkontaktelemente sowie die Bürsten vor Schmutz und Feuchtigkeit zu schützen. Das Luftleitelement ist vorteilhafterweise Bestandteil der Gehäusewand der Anschlussplatte und ragt in den Aufnahmeraum hinein, der von der Gehäusewand begrenzt ist. In bevorzugter Ausführung ist das Luftleitelement einteilig mit der Gehäusewand der Anschlussplatte ausgebildet, wobei die Gehäusewand und das Luftleitelement vorzugsweise als Kunststoffbauteil ausgeführt sind.
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Gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung ist das Luftleitelement an der Anschlussplatte als ein Gehäusevorsprung an der Gehäusewand ausgebildet. Der Gehäusevorsprung befindet sich benachbart zu den rotorseitigen Stromkontaktelementen und reduziert die freie Strömungsquerschnittsfläche des Kühlwegs, was zu einer Strömungsbeschleunigung der Kühlluft und zu einer Erhöhung des Volumenstroms der Kühlluft führt. Der Gehäusevorsprung kann sich über ein Winkelsegment von beispielsweise mindestens 180° erstrecken und entsprechend über dieses Winkelsegment die freie Strömungsquerschnittsfläche des Kühlwegs im Bereich benachbart zu den rotorseitigen Stromkontaktelementen reduzieren. Bei einer Ausführung der elektrischen Maschine als Klauenpolmaschine kann es zweckmäßig sein, den Gehäusevorsprung über ein Winkelsegment ringförmig zu erstrecken, das nur von der Bürstenhalterung unterbrochen ist.
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Die Luftleitelemente an der Bürstenhalterung und an der Gehäusewand einer Anschlussplatte können alternativ oder kumulativ vorhanden sein.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer elektrischen Maschine, die beispielsweise als Boost-Rekuperations-Maschine in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird,
- 2 einen Schnitt längs durch die Maschine gemäß 1 im Bereich einer Schleifringanordnung,
- 3 in perspektivischer Ansicht eine Bürstenhalterung mit angeformtem Luftleitelement,
- 4 eine 2 entsprechende Darstellung einer Maschine in einer Ausführungsvariante mit einem Luftleitelement in Form eines Gehäusevorsprungs.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die in 1 und ausschnittsweise in 2 dargestellte elektrische Maschine 1 kann beispielsweise als Boost-Rekuperations-Maschine (d.h. sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar) in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden und als Klauenpolmaschine ausgeführt sein. Die elektrische Maschine 1 weist einen Maschinenteil 10 auf, welcher den Elektromotor bzw. Generator enthält und einen Stator bzw. Ständer 11 sowie einen innenliegenden Rotor 12 (2) umfasst. Des Weiteren gehört zur elektrischen Maschine 1 eine Bürstenhalterung 20, die Teil eines Stromübertragungssystems zur Stromübertragung auf eine Rotorwicklung des Elektromotors ist, und eine Leistungselektronik 30 an der Stirnseite der elektrischen Maschine 1. Zwischen dem Maschinenteil 10 und der Leistungselektronik 30 befindet sich eine Anschlussplatte 40, welche die Phasen der Wicklung des Ständers 11 mit der Leistungselektronik 30 verbindet. Außerdem dient die Anschlussplatte 40 zur Aufnahme der Bürstenhalterung 20.
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Der Ständer 11 des Maschinenteils 10 ist zwischen Lagerschilden 101 und 102 aufgenommen, welche ein Gehäuse bilden. Der Ständer 11 umfasst ein Lamellenpaket und die im Lamellenpaket aufgenommenen Ständerwicklungen.
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Die Lagerschilde 101 und 102 nehmen zusätzlich Kugellager auf, in denen der Rotor 12 mit der Rotorwelle 121 drehbar gelagert ist.
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Die Stromübertragung auf die Rotorwicklung des Rotors 12 erfolgt über eine Schleifringanordnung 50 und die Bürstenhalterung 20 mit Bürsten 21 und 22. Die Schleifringanordnung 50 umfasst zwei rotorseitige Stromkontaktelemente, die als hülsenförmige Schleifringe 51 und 52 ausgebildet sind, welche axial liegend drehfest auf der Rotorwelle 121 aufsitzen, sowie Stromschienen zur elektrischen Verbindung mit den Wicklungsdrahtenden der Rotorwicklung; in 2 und 4 ist eine Stromschiene 53 dargestellt, die ein Wicklungsdrahtende 57 mit dem Schleifring 51 verbindet. An den Schleifringen 51 und 52 liegen die Bürsten 21 und 22 auf Kontakt, die in der gehäuseseitigen Bürstenhalterung 20 geführt sind. Die Stromschienen sowie die Schleifringe 51 und 52 sind in einer Kunststoffumspritzung 61 aufgenommen. An der Bürstenhalterung 20 sind an dem dem Luftleitelement 23 gegenüberliegende Ende zwei Anschlüsse für den elektrischen Anschluss der Bürsten 21 und 22 angeordnet.
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Zur Bestimmung der Winkelposition der Rotorwelle 121 ist ein Drehwinkelgeber 80 benachbart zur Stirnseite der Rotorwelle 121 angeordnet, wobei der Drehwinkelgeber 80 in einem Gehäuseteil 81 einen Permanentmagneten 82 aufweist und das Gehäuseteil 81 über einen Haltestift 83 drehfest mit der Rotorwelle 121 verbunden ist, beispielsweise über eine Presspassung.
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Die Schleifringanordnung 50 ist von einer Gehäusewand 41 der Anschlussplatte 40 umgriffen, wobei innerhalb der Gehäusewand 41 ein Aufnahme- bzw. Schleifringraum 70 gebildet ist, der die Schleifringanordnung 50 aufnimmt. Der Aufnahme- bzw. Schleifringraum 70 wird von Kühlluft 71 durchströmt, die von einem rotorseitigen Lüfterrad 122 in einem Volumenstrom durch den Aufnahme- bzw. Schleifringraum 70 hindurch gefördert wird. Die Kühlluft tritt benachbart zur Bürstenhalterung 20 in den Aufnahme- bzw. Schleifringraum 70 ein, wird entlang der Schleifringanordnung 50 mit den beiden Schleifringen 51 und 52 gefördert und strömt entlang eines Kanals, der von der Gehäusewand 41 der Anschlussplatte 40 begrenzt ist, in Richtung zum Lüfterrad 122, von dem aus die Kühlluft aus der elektrischen Maschine abgeleitet wird. Hiermit ist gewährleistet, dass die im Stromübertragungssystem durch die Reibung zwischen den Bürsten 21, 22 und den Schleifringen 51, 52 entstehende Wärme effizient abgeführt wird.
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Zur Verbesserung der Kühlung befindet sich an der Bürstenhalterung 20 ein Luftleitelement 23, das in 3 in vergrößerter Darstellung gezeigt ist. Das Luftleitelement 23 ist einteilig mit der Bürstenhalterung 20 ausgebildet und als halboffener Kegel- bzw. Trichtersektor ausgeführt, der benachbart zu dem Ende der Bürstenhalterung 20 angeordnet ist, an welchem die Bürsten 21 und 22 hinausragen. Die Trichteraußenseite 24 bildet eine Abstützfläche zur Abstützung an einem Gehäusebauteil. Die Trichterinnenseite 25 bildet eine Schräge, entlang der die Kühlluft 71 strömen kann, wobei die Kühlluft parallel zur schrägen Ausrichtung der Trichterinnenseite 25 entlangströmt. Die schräge Ausrichtung der Trichterinnenseite 25 ist in der Weise ausgeführt, dass die Kühlluft 71 unmittelbar auf die Schleifringe 51 und 52 sowie die Enden der Bürsten 21 und 22 trifft. Das trichterförmige Luftleitelement 23 erstreckt sich, wie 3 zu entnehmen ist, über ein Winkelsegment von näherungsweise 180°.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rotors 12 dargestellt, der weitgehend baugleich mit dem Rotor aus 2 ist. Auch in 4 ist an der Bürstenhalterung 20 ein Luftleitelement 23 in Form eines Trichtersektors angeordnet, das die Luftanströmung der Schleifringanordnung 50 unterstützt und zu einer Erhöhung des Volumenstroms der Kühlluft führt. Zusätzlich ist im Kühlweg der Kühlluft 71 ein weiteres Luftleitelement 42 angeordnet, das in Form eines Gehäusevorsprunges an der Gehäusewand 41 ausgebildet ist. Der Gehäusevorsprung reduziert die freie Strömungsquerschnittsfläche im Aufnahme- bzw. Schleifringraum 70, wodurch eine signifikante Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Kühlluft 71 erzielt wird. Der Gehäusevorsprung 42 ist Teil der Gehäusewand 41 und erstreckt sich vorteilhafterweise teilring- bzw. teilzylinderförmig um die Schleifringe 51 und 52 zwischen den Umfangsstirnseiten der Bürstenhalterung 20, so dass entsprechend ein teilringförmiger Aufnahme- bzw. Schleifringraum 70 mit reduzierter freier Strömungsquerschnittsfläche gebildet ist. Die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit bzw. der erhöhte Volumenstrom der Kühlluft 71 verbessert weiter die Wärmeableitung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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