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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine aufweisend einen Rotor mit einer Rotorwelle, wobei der Rotor über die Rotorwelle gegenüber einem Stator und/oder Gehäuse der elektrischen Maschine in Rotorlagern drehbar gelagert ist und die Rotorwelle hierbei zumindest ein elektrisches Isolierelement und wenigstens eine elektrischen Strom leitende Wellenkomponente aufweist.
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Im Zuge der stetig wachsenden Elektromobilität ist eine hocheffiziente Nutzung der in Energiespeichern wie Akkumulatoren vorgehaltenen Energie von zentraler Bedeutung. Hierbei erlauben hocheffiziente und hochkompakte Leistungshalbleiter mit sehr kurzen Schaltzeiten das Umrichten von Strömen zum Betrieb einer elektrischen Maschine oder der durch eine elektrische Maschine generierten Ströme. Aufgrund dieser kurzen Schaltzeiten entstehen hohe Spannungsflanken, welche in der angebundenen elektrischen Maschine negative Auswirkungen zur Folge haben. Eine Auswirkung, welche hierbei eine technische Herausforderung darstellt, sind induzierte Kreisströme, die sich über den Rotor, die Lager und das Gehäuse der elektrischen Maschine schließen. Diese induzierten, hochfrequenten Ströme verursachen insbesondere aufgrund von elektrischen Überschlägen zwischen den Lagerkomponenten Schädigungen in den Lagern der elektrischen Maschine.
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Zur Vermeidung oder Minimierung der Kreisströme besteht unter anderem die Möglichkeit, die Lager mit Keramikelementen und/oder Spezialschmierstoffen auszugestalten, was jedoch aufgrund der verwendeten Spezialwerkstoffe hohe Kosten bedingt.
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Eine weitere Möglichkeit, das Problem zu adressieren, wird durch die
DE 100 37 423 A1 offenbart, in welcher eine Wälzlageranordnung für den Rotor eines Elektromotors beschrieben wird. Die Wälzlageranordnung weist dabei ein stromisoliertes Wälzlager auf, wofür zwischen dem Außenring des Wälzlagers und dem Lagersitz des Wälzlagers ein Isolatorring angeordnet ist. Dieser Isolatorring isoliert hierbei den Außenring des Wälzlagers radial sowie stirnseitig gegenüber dem Lagersitz.
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Durch die gattungsbildende
DE 44 19 855 A1 ist zudem ein Elektromotor bekannt, bei welchem die Rotorwelle des Rotors in Längsrichtung aufgetrennt vorliegt, wobei zwei metallische Längsabschnitte der Rotorwelle über eine in Längsrichtung zwischen die Längsabschnitte eingebrachte, über die Längsabschnitte überstehende Keramikscheibe elektrisch isoliert miteinander verbunden sind. Nachteilig verändert sich jedoch aufgrund des Überstehens der Keramikscheibe die Massenverteilung und somit die Dynamik der Rotorwelle.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass die Dynamik der Rotorwelle und somit der elektrischen Maschine im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer elektrischen Maschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also eine elektrische Maschine - insbesondere ein Elektromotor - vorgesehen, wobei die elektrische Maschine einen Rotor mit einer Rotorwelle aufweist und der Rotor über die Rotorwelle gegenüber einem Stator und/oder Gehäuse der elektrischen Maschine in Rotorlagern drehbar gelagert ist. Die Rotorlager, welche insbesondere als Wälzlager ausgebildet sind, sollten hierbei regelmäßig im Gehäuse angeordnet sein, wobei gewöhnlicherweise eine zweiseitige Lagerung des Rotors erfolgt.
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Die Rotorwelle weist erfindungsgemäß zudem zumindest ein elektrisches Isolierelement und wenigstens eine elektrischen Strom leitende Wellenkomponente auf. Hierdurch kann es insbesondere ermöglicht werden, einen über die Rotorlager zwischen Rotorwelle sowie Stator und/oder Gehäuse schließbaren Stromkreis, über welchen im Betrieb der elektrischen Maschine Kreisströme fließen können, entsprechend zu unterbrechen. In bevorzugter Ausgestaltung sollte die Rotorwelle jedoch zwei elektrischen Strom leitende Wellenkomponenten aufweisen, wobei das Isolierelement diese isolierend unterbricht.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass das zumindest eine Isolierelement und die wenigstens eine Wellenkomponente zumindest im Bereich der Erstreckung des Isolierelements - insbesondere in radialer und/oder axialer Richtung - überstandslos miteinander abschließend die Rotorwelle ausformen. Zwischen dem Isolierelement oder den Isolierelementen und der Wellenkomponente oder den Wellenkomponenten ist somit weder in axialer noch in radialer Richtung der Rotorwelle ein Überstand ausgebildet und diese schließen jeweils bündig, in axialer Richtung entsprechend auch einseitig bündig, miteinander ab. Hierdurch bleibt die Dynamik und/oder die mechanische Belastbarkeit der Rotorwelle, insbesondere im Vergleich mit einer kein Isolierelement aufweisenden Rotorwelle, im Wesentlichen unbeeinflusst. Somit können beispielsweise auch bereits bestehende elektrische Maschinen gewinnbringend mit einer solchen Rotorwelle ausgestattet werden, respektive muss der Entwurf der elektrischen Maschine nicht auf sich verändernde Eigenschaften der Rotorwelle angepasst werden.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich das Isolierelement axial zumindest über eine einen Kontaktbereich von Rotorlager und Rotorwelle definierende Breite des Rotorlagers. Das Isolierelement würde sich demzufolge insbesondere in seiner Längenausdehnung über den Kontaktbereich zwischen Rotorlager und Rotorwelle erstrecken. Hierbei könnte das Isolierelement in direkten Kontakt mit dem Rotorlager treten, das Isolierelement könnte jedoch auch teilweise radial nach innen versetzt in der Rotorwelle angeordnet sein. Bevorzugt erstreckt sich das Isolierelement hierbei beidseitig des Rotorlagers über einen größeren Bereich als den Kontaktbereich von Rotorlager und Rotorwelle, um beispielsweise mögliche Überschläge zwischen Rotorwelle und Rotorlager ausschließen zu können. Über eine solche Weiterbildung kann vergleichsweise einfach sichergestellt werden, dass zwischen Rotorlager und Rotorwelle ein Stromfluss vermieden wird.
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Günstig stellt es sich zudem dar, wenn das Isolierelement als eine Hülse ausgeformt ist. Hierdurch ließe sich das Isolierelement einerseits in vorteilhaft einfacher Weise herstellen und zur Bildung der Rotorwelle an einer Wellenkomponente anordnen. Denkbar ist dabei insbesondere, dass die Hülse an wenigstens einem Wellenende der Rotorwelle ausgebildet ist und sich über den Kontaktbereich zwischen Rotorwelle und Rotorlager erstreckt. Die Hülse könnte dabei in direktem Kontakt mit dem Rotorlager stehen oder teilweise radial nach innen versetzt in der Rotorwelle angeordnet sein.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist auch dann als vorteilhaft anzusehen, wenn das als Hülse ausgeformte Isolierelement einen radial abgesetzten Hülsenabschnitt und einen - sich bedingt durch den abgesetzten Hülsenabschnitt ergebenden - stirnseitig ausgebildeten, flanschartigen Anschlag aufweist. Der Anschlag kann hierbei beispielsweise als ein Axialanschlag ausgeführt sein, über welchen sich einerseits die Hülse an die die Hülse aufnehmende Wellenkomponente anlegt. Hierfür könnte die Wellenkomponente entsprechend selbst einen abgesetzten Wellenabschnitt aufweisen.
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Andererseits ist in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung in dem abgesetzten Hülsenabschnitt eine hülsenförmige Wellenkomponente angeordnet. Diese hülsenförmige Wellenkomponente würde sich ferner von der Seite axial an den Anschlag anlegen, welche von der die Hülse aufnehmenden Wellenkomponente abgewandt ist, und zudem den eigentlichen Kontakt mit dem Rotorlager ausbilden. Dies bedingt im Umkehrschluss, dass das als Hülse ausgebildete Isolierelement nicht unmittelbar in Kontakt mit dem Rotorlager tritt, jedoch aufgrund des Anschlags zwischen der die Hülse aufnehmenden Wellenkomponente und auf der Hülse angeordneten, hülsenförmigen Wellenkomponente eine elektrische Isolation vorliegt. Das als Hülse mit abgesetztem Wellenabschnitt ausgebildete Isolierelement und die mit der Hülse die Rotorwelle formenden Wellenkomponenten würden zudem wiederum überstandslos gegenüber einander abschließen. Weiterhin läge gewinnbringend eine Rotorwelle vor, welche eine gegenüber einer kein Isolierelement aufweisenden Rotorwelle eine minimale, respektive quasi unveränderte Dynamik sowie mechanische Belastbarkeit aufweist. Die hülsenförmige oder auch rohrförmige Wellenkomponente sollte dabei, wie alle Wellenkomponenten, aus einem Metall bestehen.
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Eine vielversprechende Ausführungsform der Erfindung liegt weiterhin darin begründet, dass eine der Wellenkomponenten einen radial abgesetzten Wellenabschnitt aufweist, in welchem das Isolierelement angeordnet ist. Mittels des abgesetzten Wellenabschnitts, welcher gegenüber der Wellenkomponente einen verminderten Radius aufweist, ließe sich in konstruktiv einfacher Weise ein übestandsloses, bündiges Abschließen der Wellenkomponente und dem in dem abgesetzten Wellenabschnitt angeordneten Isolierelement erreichen.
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In erfolgversprechender Weise unterbricht das Isolierelement in einer Ausgestaltung der Erfindung die Rotorwelle in axialer Richtung in zumindest zwei Wellenkomponenten, wobei diese Wellenkomponenten dem Isolierelement zugewandt zumindest abschnittsweise hohlzylindrisch ausgebildet sind. Die Rotorwelle besteht somit im Wesentlichen aus zwei elektrischen Strom leitenden Wellenkomponenten, welche durch das Isolierelement voneinander getrennt werden. Hierdurch kann wiederum über die Rotorwelle kein Stromkreis geschlossen werden. Aufgrund des überstandslosen, bündigen Abschließens der Wellenkomponenten und des Isolierelements würde auch hierbei die Dynamik der Rotorwelle und somit des Rotors nicht beeinflusst. Die Wellenkomponenten können entsprechend teilweise oder vollständig als hohlzylindrisch ausgebildet sein, was ein Fügen der Wellenkomponenten und des Isolierelements überaus vereinfacht.
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Eine praxisgerechte Weiterbildung der Erfindung lässt sich überdies dadurch beschreiben, dass sich das Isolierelement axial in hohlzylindrisch ausgebildete Abschnitte der beiden Wellenkomponenten eingreifend erstreckt, wodurch sich eine überaus stabile Verbindung zwischen Wellenkomponenten und Isolierelement mit einer hohen mechanischen Belastbarkeit und im Wesentlichen unveränderten Dynamik realisieren ließe. Das Isolierelement würde dabei insbesondere nach Form eines Doppelnippels ausgebildet sein.
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Vielversprechend ist es zudem, wenn das Isolierelement in einem einer Lastseite des Elektromotors abgewandten Wellenendbereich der Rotorwelle angeordnet ist. Hierbei wäre ferner in dem Wellenendbereich eines der Rotorlager angeordnet. Hierdurch ließe sich in einfacher Weise ein Stromkreis zwischen Stator, Gehäuse und/oder Rotorlager unterbrechen, wobei die Anordnung im der Lastseite abgewandten Wellenendbereich des Rotors beispielsweise durch eine Last hervorgerufene Störeinflüsse auf das Isolierelement minimiert.
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Neben dem lastseitig abgewandten Rotorlager sollte die elektrische Maschine zudem ein lastseitiges Rotorlager aufweisen und es könnte überdies in einer Last, beispielsweise ein Getriebe, ein weiteres Lager zur Abstützung der Rotorwelle ausgebildet sein. Denkbar ist hierbei, dass im Bereich jedes Rotorlagers und Lagers oder eines der Rotorlager oder des Lagers ein Isolierelement angeordnet ist. Die bevorzugte Anordnung erfolgt jedoch im der Lastseite abgewandten Wellenendbereich der Rotorwelle.
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In weiterer vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung besteht das Isolierelement aus Phenoplast und/oder Novolak. Diese weisen überaus ideale Isolationseigenschaften bei gleichzeitig sehr guter Bearbeitbarkeit auf.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind einige davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Die Zeichnung zeigt in
- 1 eine erste Weiterbildung der elektrischen Maschine;
- 2 eine zweite Weiterbildung der elektrischen Maschine.
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1 zeigt eine erste Weiterbildung der als Elektromotor ausgeführten elektrischen Maschine 1, wobei diese den Rotor 2 mit der Rotorwelle 3 aufweist. Der Rotor 2 ist hierbei über die Rotorwelle 3 gegenüber dem Stator sowie dem Gehäuse 4 der elektrischen Maschine 1, in welchem der Stator angeordnet ist, in den jeweiligen Rotorlagern 5 drehbar gelagert. Neben den Rotorlagern 5 erfolgt die Lagerung des Rotors 2 respektive der Rotorwelle 3 zudem über das an der Last 14 angeordnete Lager 15. Überdies weist die Rotorwelle 3 das elektrische Isolierelement 6 und die zwei jeweils elektrischen Strom leitenden Wellenkomponenten 7, 10 auf, wobei das Isolierelement 6 in dem der Lastseite des Elektromotors abgewandten Wellenendbereich 13 der Rotorwelle 3 angeordnet ist. Dies ist in der Detaildarstellung der 1 verdeutlicht aufgezeigt. Der Detaildarstellung lässt sich dabei weiterhin entnehmen, dass das Isolierelement 6 als eine Hülse ausgeformt ist, wobei diese den radial abgesetzten Hülsenabschnitt 8 und den stirnseitig ausgebildeten, flanschartigen Anschlag 9 aufweist. Das Isolierelement 6 in Form der Hülse erstreckt sich axial über die den Kontaktbereich von Rotorlager 5 und Rotorwelle 3 definierende Breite des Rotorlagers 5 beidseitig hinaus, wobei die Hülse teilweise, hierbei in Form des Hülsenabschnitts 8, radial in die Rotorwelle 3 versetzt ist. In dem abgesetzten Hülsenabschnitt 8 ist ferner die hülsenförmige Wellenkomponente 10 angeordnet, welche den eigentlichen Kontaktbereich mit dem Rotorlager 5 ausbildet. Der Hülsenabschnitt 8 isoliert dabei die Wellenkomponenten 7, 10 in radialer und der Anschlag 9 die Wellenkomponenten 7, 10 in axialer Richtung der Rotorwelle 3 voneinander. Hierdurch kann sich zwischen der Rotorwelle 3 und dem Rotorlager 5 sowie dem Gehäuse 4 kein Stromfluss einstellen, wodurch die Rotorlager 5 sowie das Lager 15 schädigende Kreisströme vermieden werden. Dabei schließt das als Hülse ausgebildete Isolierelement 6 und die Wellenkomponenten 7, 10 im Bereich der Erstreckung des Isolierelements 6 sowie über die gesamte Rotorwelle 3 überstandslos miteinander ab. Im Speziellen ist hierbei in der Detaildarstellung der 1 aufgezeigt, dass ein Ende des Hülsenabschnitts 8 in axialer Richtung sowohl mit der hülsenförmigen Wellenkomponente 10 als auch der Wellenkomponente 7 überstandslos und hierbei der Last 14 abgewandt, einseitig überstandslos abschließt. Zudem schließen die Wellenkomponenten 7, 10 mit dem Anschlag 9 in radialer Richtung überstandlos ab. Dieses überstandslose, bündige Abschließen der Wellenkomponenten 7, 10 mit dem Isolierelement 6 ist dabei in vorteilhafter Weise dadurch realisiert, dass das Isolierelement 6 mitsamt der Wellenkomponente 10 in dem radial abgesetzten Wellenabschnitt 11 der Wellenkomponente 7 angeordnet ist. Dies führt im Allgemeinen vorteilhaft zu im Wesentlichen unveränderten dynamischen Eigenschaften sowie unveränderter mechanischer Belastbarkeit der Rotorwelle 3.
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2 ist eine zweite Weiterbildung der elektrischen Maschine 1 in Detaildarstellung zu entnehmen, wobei diese eine sich von der 1 unterscheidende Ausführung der Rotorwelle 3 aufweist. Wie dargestellt unterbricht das Isolierelement 6 die Rotorwelle 3 in axialer Richtung in die zwei Wellenkomponenten 12, wobei die Wellenkomponenten 12 hohlzylindrisch ausgebildet sind und sich das in Form eines Doppelnippels vorliegende Isolierelement 6 axial in die holzylindrisch ausgebildeten Wellenkomponenten 12 eingreifend erstreckt. Auch in dieser Weiterbildung schließen das Isolierelement 6 und die Wellenkomponenten 12 im Bereich der Erstreckung des Isolierelements 6 sowie über die gesamte Rotorwelle 3 überstandslos miteinander ab, wobei das überstandslose Abschließen in diesem Fall in radialer Richtung der Rotorwelle 3 vorliegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Maschine
- 2
- Rotor
- 3
- Rotorwelle
- 4
- Gehäuse
- 5
- Rotorlager
- 6
- Isolierelement
- 7
- Wellenkomponente
- 8
- Hülsenabschnitt
- 9
- Anschlag
- 10
- Wellenkomponente
- 11
- Wellenabschnitt
- 12
- Wellenkomponente
- 13
- Wellenendbereich
- 14
- Last
- 15
- Lager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10037423 A1 [0004]
- DE 4419855 A1 [0005]
