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Die vorliegende Erfindung betrifft ein scheibenförmiges Bauteil und eine Scheibenanordnung aus mehreren sich gegenüberliegenden scheibenförmigen Bauteilen. Solche Bauteile bzw. Anordnungen finden beispielsweise Anwendung in elektrischen Maschinen, Getriebeanordnungen, Bremsanlagen und ähnlichen Bestandteilen von Fahrzeugen oder Antriebssträngen.
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Bei Hybrid- oder E-Fahrzeugen werden die Traktionsmotoren über eine Batterie mit Energie versorgt, welche einen Gleichstrom liefert. Mit Hilfe eines Wechselrichters wird über eine Pulsweitenmodulation ein Wechselstrom erzeugt. Hierbei kommen Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode, kurz IGBT, zum Einsatz, welche sehr hohe Frequenzen aufweisen. Aufgrund dieser hohen Frequenzen entstehen steile Spannungsflanken, welche wiederum parasitäre Kapazitäten an unterschiedlichen Stellen des Traktionsmotors hervorrufen. Diese parasitären Kapazitäten äußern sich als Lagerspannungen, Wellenspannungen und Gehäusespannungen, woraus parasitäre Ströme resultieren. Neben dem Rotor-Erdungsstrom, bei welchem parasitäre Hochfrequenzströme über die Welle und die Kupplung zur angetriebenen Last fließen, und dem Zirkularstrom, welche über die Welle und das Gehäuse zirkuliert, tritt ein EDM-Strom auf. Dieser resultiert aus der Lagerspannung und tritt am Lagerschmierspalt auf. Der Schmierfettfilm auf den Lagern wirkt isolierend. Die Lagerspannung kann das Isolationsvermögen des Schmierfettfilms überwinden und zwischen den Lagerkugeln und der Laufbahn einen elektrischen Durchschlag verursachen, auch Funkenerosion genannt. Die Funkenerosion erzeugt an den Lagerkugeln und der Laufbahn winzige Verschmelzungen, welche zu einem Lagerverschleiß führen. Solch ein Lagerverschleiß kann sich als sogenannte Pittings, welche das Laufgeräusch des Lagers erhöhen, oder Riffelbildung äußern. Durch die verursachten Schäden wird die Lebensdauer des Lagers herabgesetzt.
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Um solche Schäden zu verhindern, wird auf zwei Methoden zurückgegriffen. Zum einen die Stromisolation und zum anderen die Stromableitung. Derzeit werden stromisolierende Lager verwendet, welche auf der getriebeabgewandten Seite eingesetzt werden und Stromdurchgangsschäden vermeiden sollen. Diese weisen eine Keramikbeschichtung des Lageraußenrings, des Lagerinnenrings oder der Lagerwälzkörper auf. Jedoch führen die ström isolierten Lager zu hohen Anschaffungskosten und erfordern zusätzlich eine sensible Handhabung, damit die Lagerisolation nicht beschädigt wird.
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An scheibenförmigen Bauteilen kommt es zu Kondensatorwirkungen, die aufgrund der großen Flächen der sich gegenüberstehenden Scheiben eine hohe kapazitive Aufladung erfahren. Auch an anderen Stellen, an denen sich scheibenförmige Bauteile gegenüberstehen, kommt es zu unerwünschten Kondensatorwirkungen, die mit steigenden Spannungen und Schaltfrequenzen beim Einsatz von Wechselrichtern bei Traktionsmotoren in Elektro- und Hybridfahrzeugen, hohe elektrische Aufladungen erfahren können.
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Bekannt ist es, an solchen scheibenförmigen Bauteilen in einer Ausnehmungsfläche, die sich radial zwischen einem äußeren und einem inneren Begrenzungskreis erstreckt, zahlreiche Ausnehmungen anzuordnen, zumeist in radial ausgerichteter Tropfenform, um die Masse der Scheiben zu reduzieren, die Flächensteifigkeit zu erhöhen usw. Zwischen den tropfenförmigen Ausnehmungen verbleiben dann Stege, die jeweils einen Winkelabschnitt des scheibenförmigen Bauteils einnehmen und jeweils zu einer Radiallinie symmetrisch sind. Die Stege stellen bei sich gegenüberliegenden Bauteilen weiterhin Kondensatorflächen dar, an denen eine statische Aufladung entstehen kann, sodass elektrische Potenziale abzuführen sind.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine verbesserte Bauform von scheibenförmigen Bauteilen bereitzustellen, welche eine deutlich verringerte Kondensatorwirkung zeigen.
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Die genannte Aufgabe wird durch ein scheibenförmiges Bauteil gemäß dem beigefügten Anspruch 1 und einer Scheibenanordnung gemäß dem Anspruch 8 gelöst.
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Das erfindungsgemäße scheibenförmige Bauteil umfasst zunächst in an sich bekannter Weise eine Ausnehmungsfläche, welche sich in der Haupterstreckungsebene des Bauteils zwischen einem radial äußeren Begrenzungskreis und einem radial inneren Begrenzungskreis erstreckt. Regelmäßig nimmt die Ausnehmungsfläche den größten Flächenabschnitt des Bauteils ein. Das scheibenförmige Bauteil besitzt bevorzugt eine zentrale koaxiale Öffnung zur Montage des Bauteils auf einer Welle oder einem ähnlichen Maschinenelement. Auf der Ausnehmungsfläche sind mehrere Ausnehmungen angeordnet, welche die Fläche durchdringen. Ein äußerer Konturabschnitt jeder Ausnehmung verläuft mindestens abschnittsweise entlang des äußeren Begrenzungskreises und ein innerer Konturabschnitt verläuft mindestens abschnittsweise entlang des inneren Begrenzungskreises, wobei der äußere Konturabschnitt regelmäßig länger als der innere Konturabschnitt ist und wobei der innere Konturabschnitt im einfachsten Fall auch nur als Umkehrradius bzw. Umkehrpunkt auf dem inneren Begrenzungskreis ausgebildet sein kann. Jede der Ausnehmungen besitzt zwei geradlinige stegbildende Konturabschnitte, die voneinander beabstandet zwischen dem äußeren und dem inneren Konturabschnitt verlaufen, sodass zwischen den Ausnehmungen jeweils ein Steg verbleibt.
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Erfindungsgemäß zeichnen sich die geradlinigen stegbildenden Konturabschnitte der Ausnehmungen dadurch aus, dass sie sich zumindest in ihrer überwiegenden Länge nicht-radial zwischen dem radial äußeren und dem radial inneren Begrenzungskreis erstrecken. Stattdessen verlaufen die stegbildenden Konturabschnitte entlang von Linien, die beispielsweise eine Tangente des inneren Begrenzungskreises darstellen.
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Ein wesentlicher Vorteil der veränderten Konturbildung der Ausnehmungen besteht darin, dass die zwischen den Ausnehmungen verbleibenden Stege nicht-symmetrisch zu Radiallinien sind. Wenn derart geformte scheibenförmige Bauteile spiegelbildlich gegenüberliegend angeordnet werden, führt dies zur Verkleinerung der während einer Rotation einander parallel gegenüberliegenden Materialflächen, die als Kondensatorflächen wirken. Die Kondensatorwirkung derartiger Bauteile ist damit verringert.
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Das scheibenförmige Bauteil ist überall dort einsetzbar, wo Probleme mit einer kondensatorischen Aufladung zweier gegenüberliegender Scheiben auftreten können.
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Das erfindungsgemäße scheibenförmige Bauteil stellt somit ein charakteristisches Muster von Ausnehmungen bereit, die bei einer spiegelbildlich gegenüberliegenden Anordnung zweier scheibenförmiger Bauteile zu einer Reduktion der als Kondensatorflächen wirkenden Materialbereiche, also der Stege zwischen den Ausnehmungen führen. Die Ausnehmungen können in verschiedenen Ausführungsformen dreieckig, viereckig oder mehreckig gestaltet sein. Ein äußerer Konturabschnitt (oder ein erster Schenkel) der Ausnehmung verläuft auf oder etwa tangential zum radial äußeren Begrenzungskreis, der konzentrisch zum Außendurchmesser ausgerichtet ist, und ein stegbildender Konturabschnitt (oder ein zweiter Schenkel) verläuft etwa tangential zum inneren Begrenzungskreis, der konzentrisch zu einer vorzugsweise vorhandenen Durchgangsöffnung ausgerichtet ist. Mindestens ein, vorzugsweise zwei Umkehrpunkte der Konturlinie der Ausnehmung liegen auf dem radial inneren Begrenzungskreis.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht das scheibenförmige Bauteil aus einem elektrisch leitfähigen Material oder besitzt zumindest eine elektrisch leitfähige Oberflächenbeschichtung.
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Das Profil des scheibenförmigen Bauteils kann an den jeweiligen Einsatzfall angepasst sein. Es ist im Radialschnitt eben oder gekrümmt.
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Die erfindungsgemäße Scheibenanordnung mit reduzierter Kondensatorwirkung umfasst ein sich axial erstreckendes Maschinenelement sowie mindestens zwei an diesem Maschinenelement angeordnete, voneinander beabstandete scheibenförmige Bauteile, die zueinander rotierbar sind. Die zwei scheibenförmigen Bauteile sind gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen gestaltet und spiegelverkehrt zueinander am Maschinenelement angeordnet.
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Die Scheibenanordnung ist vorzugsweise Bestandteil eines mit Wechselrichtern betriebenen Traktionsmotors. Insbesondere kann die Scheibenanordnung Bestandteil einer Kupplung sein, wobei die scheibenförmigen Bauteile als Kupplungsscheiben ausgebildet sind.
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Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf die Haupterstreckungsebene einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen scheibenförmigen Bauteils;
- 2 eine Seitenansicht von drei Ausführungsformen des scheibenförmigen Bauteils;
- 3 eine vereinfachte Draufsicht auf die Haupterstreckungsebene einer weiteren Ausführungsform des scheibenförmigen Bauteils;
- 4 eine vereinfachte Draufsicht auf eine Scheibenanordnung mit zwei sich gegenüberliegenden scheibenförmigen Bauteilen.
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1 zeigt eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen scheibenförmigen Bauteils 01. Es handelt sich um eine kreisrunde, flache Scheibe, die eine zentral liegende, axiale Durchgangsöffnung 08 besitzt. Zur Orientierung sind als gestrichelte Hilfslinien ein radial äußerer Begrenzungskreis 02 sowie ein radial innerer Begrenzungskreis 03 eingezeichnet. Zwischen den beiden Begrenzungskreisen 02, 03 erstreckt sich eine Ausnehmungsfläche 04, in deren Bereich mehrere Ausnehmungen 06 angeordnet sind. Zwischen den jeweils benachbarten Ausnehmungen 06 verbleiben Stege 07, die aus dem Material des scheibenförmigen Bauteils bestehen. Die mehreren Ausnehmungen 06 durchdringen die Ausnehmungsfläche 04. Die Ränder der Ausnehmungen 06 sind durch eine umlaufende Konturlinie definiert. Ein äußerer Konturabschnitt 06a jeder Ausnehmung verläuft entlang des äußeren Begrenzungskreises 02. Ein innerer Konturabschnitt 06b verläuft entlang des inneren Begrenzungskreises 03, wobei in der Ausführungsform gemäß 1 der innere Konturabschnitt auf einen radial innenliegenden Umkehrpunkt, der auf dem inneren Begrenzungskreis 03 liegt, beschränkt ist. Die Ausnehmung 06 besitzt außerdem zwei geradlinige stegbildende Konturabschnitte 06c, die voneinander beabstandet zwischen dem äußeren und dem inneren Konturabschnitt verlaufen. Die beiden geradlinigen stegbildenden Konturabschnitte 06c erstrecken sich zumindest mit ihrer überwiegenden Länge nicht-radial zwischen dem radial äußeren und dem radial inneren Begrenzungskreis 02, 03.
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Zur Definition der Lage der Ausnehmungen 06 können auch zwei als dicke Volllinien eingezeichnete Hilfslinien 10, 11 genutzt werden. Die erste Hilfslinie 10 verläuft tangential zum radial äußeren Begrenzungskreis 02 und definiert die Lage des äußeren Konturabschnitts 06a. Die zweite Hilfslinie 11 verläuft tangential zum radial inneren Begrenzungskreis 03 und definiert die Lage des einen stegbildenden Konturabschnitts 06c.
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2 zeigt drei Ausführungsformen des scheibenförmigen Bauteils 01 in Seitenansicht, wobei jeweils nur eine Hälfte bezogen auf eine Rotationsachse dargestellt ist. Die Ausführung gemäß Abbildung a ist als ebene Scheibe geformt. Die Ausführung gemäß Abbildung b besitzt ebenfalls eine gleichbleibende Dicke, weist aber einen rechtwinklig abgeknickten Abschnitt im Bereich der axialen Durchgangsöffnung sowie im weiteren Materialverlauf eine dopplet Abwinklung auf. Die Ausführung gemäß besitzt darüber hinaus eine veränderliche Dicke.
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3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des scheibenförmigen Bauteils 01 in vereinfachter Draufsicht. Der Einfachheit halber sind nur zwei Ausnehmungen 06 eingezeichnet, die sich in der Ausnehmungsfläche 04 befinden und zwischen den der Steg 07 verläuft. Der Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform besteht vor allem in der Form der Ausnehmungen 06. Die Konturlinie verläuft hier mit einem verlängerten inneren Konturabschnitt 06b auf dem radial inneren Begrenzungskreis 03. Aber auch in diesem Fall verlaufen die geradlinigen stegbildenden Konturabschnitte 06c auf nicht-radialen Linien.
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4 zeigt eine vereinfachte Draufsicht auf eine Scheibenanordnung, die ein Maschinenelement 12, insbesondere eine Welle, sowie zwei darauf angeordnete scheibenförmige Bauteile 01 umfasst. Die beiden scheibenförmigen Bauteile 01 sind spiegelbildlich zueinander positioniert und gegeneinander drehbar. Die Ausnehmungen 06 der beiden scheibenförmigen Bauteile sind somit ebenfalls spiegelbildlich angeordnet. Dies führt dazu, dass die Stege 07 der beiden scheibenförmigen Bauteile nur mit kleinen Flächen unmittelbar gegenüberliegen, sodass die unerwünschte Kondensatorwirkung der Bauteile reduziert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- scheibenförmiges Bauteil
- 02
- radial äußerer Begrenzungskreis
- 03
- radial innerer Begrenzungskreis
- 04
- Ausnehmungsfläche
- 05
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- 06
- Ausnehmung
- 07
- Steg
- 08
- axiale Durchgangsöffnung
- 09
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- 10
- Hilfslinie
- 11
- Hilfslinie
- 12
- Maschinenelement
