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Die vorliegende Erfindung betrifft eine stromerregte elektrische Maschine sowie ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug.
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Elektrische Maschinen sind zwar bereits seit langer Zeit bekannt und vielfältig im Einsatz, weitere Verbesserungen sind jedoch stets wünschenswert, da nicht zuletzt im Fahrzeugbereich sogar mit einer zunehmenden Verbreitung elektrischer Antriebe zu rechnen ist. Für einen zuverlässigen Betrieb einer elektrischen Maschine sollte diese bzw. deren Inneres möglichst vor Verschmutzungen geschützt werden. Beispielsweise kann es ein Problem darstellen, dass bei der Verwendung von Schleifringen zur Stromübertragung an stromerregte Rotoren an den Schleifringen laufende Bürsten im Laufe der Zeit verschleißen, wodurch Abrieb oder Bürstenstaub entsteht. Dieser kann dann gegebenenfalls ins Innere der jeweiligen elektrischen Maschine gelangen und dort zu Beschädigungen, erhöhtem Verschleiß oder verminderter Leistung führen. Insbesondere sollte ein Eindringen von leitfähigem Schmutz in die elektrische Maschine vermieden werden. Daraus ergibt sich ein Bedarf für eine Abdichtung zwischen dem Inneren der elektrischen Maschine und ihrer Umgebung bzw. einer außerhalb des Maschineninneren angeordneten Schleifringeinheit.
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Die Problematik von Verschmutzungen in einer elektrischen Maschine ist bereits beispielsweise in der
EP 1 705 781 A1 thematisiert. Dort ist ein Verfahren zur Lösung von Fremdablagerungen innerhalb der elektrischen Maschine beschrieben, bei dem Ultraschallwellen auf eine vorgegebene Stelle innerhalb der elektrischen Maschine eingestrahlt werden. Eine solche Stelle kann beispielsweise in einer Schleifringanordnung mit einem eigenen, entlang einer zentralen Welle vorgelagerten Gehäuse liegen. In diesem Gehäuse sind Schleifringe aufgenommen, deren Abrieb mit einem senkrecht zu der Welle strömenden Kühlluftstrom durch einen Luftaustritt aus dem Gehäuse heraus transportiert werden kann. An einer Seite des Gehäuses, an der die Welle in das Gehäuse eintritt, ist die Welle von einem Auffangmittel, beispielsweise einem Filter, umgeben. Dadurch soll ein unerwünschtes Austreten von Abrieb entlang der Welle aus dem Gehäuse der Schleifringanordnung vermieden werden. Da der an den Schleifringen entstehende Abrieb aber dennoch in eine Umgebung der elektrischen Maschine transportiert wird und es zudem auch noch andere Quellen für Verschmutzungen, Staub, Partikel und dergleichen in der Umgebung der elektrischen Maschine geben kann, kann weiterhin ein Bedarf dafür bestehen, ein Eindringen solcher Verschmutzungen ins Innere der elektrischen Maschine, beispielsweise in einen Bereich von Rotor- und Statorwicklungen, zu vermeiden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen besonders zuverlässigen Betrieb einer elektrischen Maschine zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in der Zeichnung angegeben.
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Eine erfindungsgemäße stromerregte elektrische Maschine weist einen Stator und einen in einem Innenraum der elektrischen Maschine angeordneten, relativ zu dem Stator um eine zentrale Drehachse drehbar gelagerten Rotor mit wenigstens einer Rotorwicklung auf. Ebenso kann der Stator eine Statorwicklung aufweisen. Weiter weist die erfindungsgemäße elektrische Maschine ein Wellenelement auf, das drehfest mit dem Rotor gekoppelt und, beispielsweise in einem motorischen Betrieb der elektrischen Maschine zu mechanischen Kopplung mit einer Last oder in einem generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine zur Kopplung mit einem Antrieb, aus dem Innenraum herausgeführt ist. Das Wellenelement kann beispielsweise eine massive Welle, eine Hohlwelle, eine Wellenaufnahme oder dergleichen sein oder umfassen. Weiter weist die erfindungsgemäße elektrische Maschine eine Schleifringeinheit auf, die außerhalb des Innenraums angeordnet ist und einen elektrischen Kontakt, insbesondere einen außenseitigen oder außenliegenden Kontakt, an dem Wellenelement bildet. Die Schleifringeinheit kann dazu das Wellenelement bereichsweise umgreifen. Über die Schleifringeinheit kann die elektrische Maschine beispielsweise zum Aufbauen eines elektromagnetischen Rotorfeldes mit elektrischer Energie versorgt werden. Dazu weist die erfindungsgemäße elektrische Maschine auch eine Verbindungsleitung auf, welche die Rotorwicklung elektrisch mit der Schleifringeinheit, insbesondere mit einem Schleifring oder einem rotorseitigen Teil eines durch die Schleifringeinheit gebildeten Gleitkontakts, verbindet. Erfindungsgemäß ist der Innenraum der elektrischen Maschine gegenüber deren äußerer Umgebung durch eine das Wellenelement umgebende Dichtung abgedichtet. Die Verbindungsleitung ist dabei radial innenseitig der Dichtung angeordnet und ist in axialer Richtung unter der Dichtung hindurchgeführt.
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Die Verbindungsleitung verläuft mit anderen Worten also in radialer Richtung betrachtet zwischen der Dichtung bzw. einem radial inneren Rand der Dichtung einerseits und der zentralen Drehachse andererseits. Die Dichtung kann beispielsweise an einer Austrittsstelle angeordnet sein, an der das Wellenelement eine Wand eines den Innenraum umgebenden Gehäuses durchtritt. Der Innenraum kann hier insbesondere ein zumindest teilweise luft- oder - wie weiter unten noch näher erläutert wird - flüssigkeitsgefülltes Volumen innerhalb des Gehäuses sein. An dieses Volumen, also an den Innenraum angrenzend bzw. gegenüber dem Innenraum exponiert sein kann beispielsweise der Rotor oder ein diesen aufnehmendes Rotorgehäuse, eine radiale Innenseite des Stators, die Statorwicklung und/oder dergleichen mehr. In diesen Innenraum eintretende Fremdstoffe oder Verschmutzungen können daher den Betrieb der elektrischen Maschine negativ beeinflussen, also deren Zuverlässigkeit verringern.
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Zumindest im Bereich der Dichtung tritt im Betrieb der elektrischen Maschine notwendigerweise eine Relativbewegung zwischen benachbarten Bauteilen oder Komponenten der elektrischen Maschine auf, hier beispielsweise zwischen dem Wellenelement und der Dichtung bzw. dem Gehäuse, an dem die Dichtung gehalten sein kann. Für den Betrieb der elektrischen Maschine ist eine Kontaktierung der Rotorwicklung von außen, hier in Form der Verbindungsleitung, notwendig. Diese Kontaktierung, also eine entsprechende Stromführung zu oder von der Rotorwicklung von außerhalb der elektrischen Maschine muss an dieser Stelle, also im Bereich der Dichtung vorbei- oder hindurchgeführt werden. Dies kann potenziell die Abdichtung des Innenraums, also eine Dichtwirkung der Dichtung, verschlechtern, wodurch letztlich auch die Zuverlässigkeit der elektrischen Maschine in Mitleidenschaft gezogen werden würde. Diese Problematik wird durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anordnung der Verbindungsleitung gelöst. Dadurch, dass die Verbindungsleitung radial innenseitig unter der Dichtung hindurchgeführt ist, kann die Dichtung unterbrechungsfrei und damit besonders eng an dem Wellenelement anliegen und so eine besonders gute Dichtwirkung zur Abdichtung des Innenraums gegenüber der äußeren Umgebung erzielen.
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Die Verbindungsleitung kann dazu in das Wellenelement versenkt sein. Beispielsweise kann das Wellenelement eine in seine Außenoberfläche, also ein Hauptmaterial des Wellenelements eingegrabene, in Längsrichtung des Wellenelements verlaufende Rinne bzw. einen zunächst nach außen offenen Kanal aufweisen. In dieser Rinne oder in diesem Kanal kann die Verbindungsleitung angeordnet, also in Längsrichtung entlang des Wellenelements unter der Dichtung geführt sein. Die Rinne bzw. der Kanal kann dann zur Fixierung der Verbindungsleitung, zu deren elektrischer Isolierung und zum Schaffen einer glatten Außenoberfläche des Wellenelements mit einem elektrisch isolierenden Füllmaterial, beispielsweise einem Polymermaterial, verfüllt sein. Dieses Füllmaterial oder eine darauf aufgebrachte Beschichtung kann dann also einen Teil der letztlichen Oberfläche des Wellenelements bilden. Das Hauptmaterial der Welle soll im vorliegenden Sinne ein Material sein, dass eine Struktur bzw. einen Hauptteil des Wellenelements bildet oder ausmacht. Das Hauptmaterial kann insbesondere ein Metall oder ein metallischer Werkstoff sein.
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In der beschriebenen Variante, in der die Verbindungsleitung in eine Rinne oder einen Kanal an einer Außenseite des Wellenelements aufgenommen ist, kann eine relativ aufwändige Bearbeitung des Wellenelements notwendig sein, um letztlich eine möglichst glatte Oberfläche über einen gesamten Umfang des Wellenelements im Bereich der Dichtung herzustellen. Um diesen Aufwand zu vermeiden kann die Verbindungsleitung bevorzugt zumindest im Bereich der Dichtung radial innerhalb oder unterhalb einer ununterbrochenen, also einheitlichen bzw. kontinuierlich und einstückig ausgebildeten Außenoberfläche des Wellenelements verlaufen, also angeordnet sein. Insbesondere kann die Verbindungsleitung dazu in das Hauptmaterial des Wellenelements eingebettet und dann von diesem im Querschnitt betrachtet allseitig umgeben sein oder aber in einem inneren zentralen Hohlraum des Wellenelements, der die zentrale Drehachse umgibt, geführt sein. Letzteres kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn das Wellenelement als Wellenaufnahme oder Hohlwelle ausgebildet ist. Die Führung der Verbindungsleitung in einem solchen zentralen Hohlraum kann eine besonders einfache Fertigung des Wellenelements und der elektrischen Maschine insgesamt ermöglichen, da lediglich eine radiale Durchführung durch eine Wand oder einen Mantel des hohlen Wellenelements zum Durchführen der Verbindungsleitung erforderlich ist. Um einen Bauraumkonflikt in dem Hohlraum, beispielsweise zwischen der Verbindungsleitung und einer darin aufgenommenen Welle, sowie einen Aufwand zum Befestigen oder Halten der Verbindungsleitung in dem Hohlraum zu vermeiden, stellt das Führen der Verbindungsleitung in dem Hauptmaterial des Wellenelements eine besonders bevorzugte Variante der vorliegenden Erfindung dar.
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Die äußere Umgebung, gegenüber welcher der Innenraum durch die Dichtung abgedichtet ist, kann eine Außenwelt aber ebenso ein Inneres eines umfassenderen Gehäuses sein. Ein solches umfassenderes Gehäuse - auch als Außengehäuse bezeichnet - kann vorteilhaft auch die Schleifringeinheit umgeben oder einschließen und diese somit beispielsweise vor Beschädigungen oder Feuchtigkeitseintrag schützen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die elektrische Maschine als innen flüssigkeitsgekühlte elektrische Maschine ausgebildet, bei der im Betrieb gegenüber dem Innenraum exponierte Komponenten der elektrischen Maschine durch eine in dem Innenraum befindliche Kühlflüssigkeit beaufschlagt sind oder werden. Mit anderen Worten kann in dem Innenraum also ein direkter Kontakt zwischen der Kühlflüssigkeit und an den Innenraum angrenzenden zu entwärmenden Bauteilen oder Komponenten bestehen. Die Kühlflüssigkeit ist hier also nicht in separaten Kühlkanälen in einem den Stator außenseitig umgebenden Kühlmantel geführt. Vielmehr kann die Kühlflüssigkeit beispielsweise direkt auf den Rotor, die Statorwicklung und/oder andere Bauteile oder Komponenten aufgebracht, beispielsweise aufgespritzt oder aufgesprüht, sein oder werden bzw. diese Bauteile oder Komponenten direkt umströmen. Auf diese Weise kann zum einen eine besonders effektive Kühlung der elektrischen Maschine erreicht werden, beispielsweise im Vergleich zu einer Durchströmung des Innenraums mit Kühlluft. Zum anderen können durch die Kühlflüssigkeit Staub oder Schmutzpartikel in dem Innenraum gebunden werden, wodurch deren Ablagerung an den Bauteilen oder Komponenten der elektrischen Maschine verhindert oder verzögert werden kann. Eine derartige innere direkte Flüssigkeitskühlung wird erst dadurch zuverlässig ermöglicht, dass die Verbindungsleitung radial innenseitig unter der Dichtung hindurchgeführt ist, also beispielsweise nicht außenseitig an dem Wellenelement anliegt, da auf diese Weise eine ausreichend gute Dichtheit oder Dichtwirkung der Dichtung erreicht werden kann. Als Kühlflüssigkeit kann beispielsweise ein Öl oder ein Wasser-Glykol-Gemisch oder dergleichen verwendet werden. Dies kann im Einzelfall beispielsweise abhängig von jeweiligen Anforderungen hinsichtlich einer Kühlleistung und einer elektrischen Isolierung oder Durchschlagsfestigkeit bestimmt sein.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Dichtung als Öldichtung zum Halten von Öl in dem Innenraum ausgeführt. Die Verbindungsleitung ist dann unter, also radial innenseitig von dieser Öldichtung, einer ebenfalls das Wellenelement umgebenden separaten Staubdichtung und einem Lagersitz des Wellenelements hindurchgeführt. Auf diese Weise kann auch die Staubdichtung besonders dicht an dem Wellenelement anliegen und somit besonders effektiv wirken. Dazu kann das Wellenelement beispielsweise eine entsprechende Lauffläche für die Staubdichtung aufweisen. Diese Lauffläche - ebenso wie eine entsprechende außenseitige Lauffläche für die Dichtung bzw. Öldichtung - kann ein besonders glatter ringförmiger Abschnitt der Außenseite oder Außenoberfläche des Wellenelements sein. Zudem kann durch die hier vorgeschlagene Führung der Verbindungsleitung der Lagersitz besonders einfach realisiert und flexibel entlang des Wellenelements positioniert werden. Bevorzugt kann die Staubdichtung in axialer Richtung betrachtet auf einer von dem Innenraum abgewandten Seite der Öldichtung angeordnet sein. Dadurch können die Zuverlässigkeit bzw. Lebensdauer und die Dichtheit der Öldichtung verbessert bzw. besonders lange aufrechterhalten werden. Der Lagersitz kann hingegen auf einer dem Innenraum zugewandten Seite der Öldichtung, insbesondere innerhalb des Innenraums, angeordnet sein. Auf diese Weise kann gegebenenfalls ein als Kühlflüssigkeit in dem Innenraum eingesetztes Öl auch als Schmiermittel für ein an dem Lagersitz angeordnetes Lager bzw. entsprechende Wälzelemente dienen. Zudem ist auf diese Weise das Lager besonders effektiv vor Verschmutzung, beispielsweise Staubeintrag geschützt, insbesondere ohne dass dazu ein zusätzliches Lagergehäuse vorgesehen werden müsste.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Verbindungsleitung innerhalb einer in das Wellenelement wenigstens im Beriech der Dichtung zumindest Wesentlichen in dessen Längsrichtung eingebrachten Bohrung geführt. Die Längsrichtung des Wellenelements kann dabei insbesondere der Richtung der zentralen Drehachse entsprechen. Die Bohrung verläuft also im Hauptmaterial des Wellenelements, bei Ausführung des Wellenelements als Wellenaufnahme oder als Hohlwelle also insbesondere in deren Wand oder Mantel, die bzw. der dann den zentralen Hohlraum umgibt. Die Bohrung kann also insbesondere in radialer Richtung von der zentralen Drehachse beabstandet verlaufen, bevorzugt zumindest im Wesentlichen parallel zu der zentralen Drehachse. Dass die Bohrung zumindest im Wesentlichen in der jeweils beschriebenen Weise verläuft, kann vorliegend beispielsweise einen entsprechenden Verlauf bis auf Toleranzabweichungen oder beispielsweise bis auf Abweichungen bis zu 30° bedeuten. Ein tatsächlich zu der zentralen Drehachse paralleler Verlauf der Bohrung kann gegebenenfalls besonders einfach gefertigt werden. Ein im Vergleich dazu geneigter oder gekippter Verlauf - bei dem eine Längsrichtung zumindest eines Abschnitts der Bohrung im Bereich der Dichtung und eine die zentrale Drehachse in einer Längsquerschnittsfläche einen Winkel von mehr als 0° und höchstens 90° einschließen - kann hingegen auf besonders einfache Weise einen Austritt der Bohrung aus dem Wellenelement ermöglichen, beispielsweise als Ein- oder Austritt für die Verbindungsleitung. In jedem Fall kann die Bohrung auf einer dem Innenraum zugewandten Seite der Dichtung in anderer Richtung, insbesondere in radialer Richtung nach außen verlaufen. Dadurch kann die Verbindungsleitung in dem Innenraum aus dem Wellenelement heraus und zu der Rotorwicklung geführt werden. Durch die hier vorgeschlagene Anordnung des Wellenelements kann auf besonders einfache und zuverlässige Weise eine unterbrechungsfreie, einheitliche und kontinuierliche Ausgestaltung der Außenoberfläche des Wellenelements zumindest im Bereich der Dichtung erreicht bzw. ermöglicht werden. Gleichzeitig kann zusätzlicher Aufwand zum Halten der Verbindungsleitung gegen radial wirkende Fliehkräfte vermieden werden. Letzteres ist der Fall, da die Bohrung und damit auch die darin geführte Verbindungsleitung in einer Querschnittsebene durch das Wellenelement und die Verbindungsleitung betrachtet allseitig von dem Hauptmaterial des Wellenelements umgeben ist. Dadurch ist die Verbindungsleitung zudem besonders effektiv vor Beschädigungen geschützt. Die Bohrung kann insbesondere einen runden Querschnitt aufweisen. Dies ermöglicht eine besonders einfache Fertigung und eine besonders geringe Schwächung des Wellenelements.
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In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist in die Bohrung ein elektrisch isolierender Füllstoff eingebracht, der in der Bohrung die Verbindungsleitung umgibt. Die Verbindungsleitung ist innerhalb der Bohrung also durch den Füllstoff von dem Hauptmaterial des Wellenelements elektrisch isoliert. Zudem kann die Verbindungsleitung durch den Füllstoff in der Bohrung gehalten oder fixiert sein. Durch den Füllstoff kann zudem ein Eindringen von anderen Materialien oder Stoffen in die Bohrung verhindert oder reduziert werden. Der Füllstoff kann beispielsweise ein Gummi- oder Polymermaterial sein, das beispielsweise in die Bohrung eingespritzt oder eingepresst sein kann, insbesondere nach Einbringen der Verbindungsleitung in die Bohrung.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Wellenelement mehrere voneinander beabstandete, wie beschrieben wenigstens im Bereich der Dichtung zumindest im Wesentlichen in Längsrichtung des Wellenelements verlaufende Bohrungen auf. Diese Bohrungen können insbesondere zumindest im Wesentlichen gleichmäßig in Umfangsrichtung um die zentrale Drehachse herum verteilt angeordnet sein. Durch die Bohrungen ist jeweils eine Verbindungsleitung geführt, sodass mehrere Schleifringe der Schleifringeinheit, beispielsweise ein Schleifring für einen positiven Kontakt und ein Schleifring für einen negativen Kontakt, durch verschiedene der entsprechend mehreren Verbindungsleitungen kontaktiert sind. Dabei kann je nach Ausgestaltung der elektrischen Maschine bzw. der Rotorwicklung jeder Schleifring durch eine oder durch mehrere Verbindungsleitungen kontaktiert sein. Durch das Führen der Verbindungsleitungen durch individuelle Bohrungen können die Verbindungsleitungen besonders einfache elektrisch voneinander isoliert werden. Zudem kann auf diese Weise eine besonders gleichmäßige Massendichte oder Massenverteilung des Wellenelements erreicht werden, wodurch vorteilhaft eine Unwucht bei einer Rotation des Wellenelements um die zentrale Drehachse vermieden werden kann, beispielsweise im Vergleich zu einem Führen aller Verbindungsleitungen in einer einzigen Bohrung. Die Kontaktierung der Schleifringe durch jeweils mehrere Verbindungsleitungen kann beispielsweise einen besonders zuverlässigen Kontakt und/oder eine Ausbildung mehrerer magnetischer Rotorpole ermöglichen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kontaktiert die Verbindungsleitung die Schleifringeinheit bzw. einen jeweiligen Schleifring an einer radial innenliegenden Seite. Die Verbindungsleitung ist also von innen an eine der zentralen Drehachse zugewandte Innenseite der Schleifringeinheit bzw. des jeweiligen Schleifrings der Schleifringeinheit herangeführt. Dies kann für wenigstens eine, insbesondere aber für alle Verbindungsleitungen gelten. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung kann ein elektrischer Kontaktpunkt zwischen der Verbindungsleitung und der Schleifringeinheit bzw. dem jeweiligen Schleifring nach außen hin, insbesondere durch den jeweiligen Schleifring selbst, verdeckt oder überdeckt und somit vor Beschädigungen geschützt sein. Zudem kann auf diese Weise eine unerwünschte Verlagerung der Verbindungsleitung bzw. eines schleifringseitigen Endes der Verbindungsleitung, beispielsweise aufgrund von mechanischen Erschütterungen oder Fliehkräften im Betrieb der elektrischen Maschine vermieden werden, ohne dass dafür eine zusätzliche Halterung oder Fixierung der Verbindungsleitung notwendig wäre.
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Ebenso kann die Verbindungsleitung aber, insbesondere auf einer in axialer Richtung von dem Innenraum abgewandten Seite der Dichtung oder der genannten zusätzlichen Staubdichtung, radial nach außen aus dem Wellenelement herausgeführt sein. Die Verbindungsleitung kann dann beispielsweise außenseitig des Wellenelements in axialer Richtung zu der Schleifringeinheit bzw. in dem Innenraum zu einem Verbindungs- oder Anschlusspunkt der Rotorwicklung geführt sein. Außerhalb des Innenraums kann die Verbindungsleitung dann die Schleifringeinheit beispielsweise in axialer Richtung oder an einer radial außenliegenden Seite kontaktieren. Dies kann gegebenenfalls eine einfachere Fertigung ermöglichen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Dichtung als Radialwellendichtring ausgeführt. Insbesondere kann die Dichtung damit zur Abdichtung des Innenraums gegen einen Ölausfluss oder Ölverlust abgedichtet sein.
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Radialwellendichtringe stellen erfahrungsgemäß besonders hohe Anforderungen an die Glattheit und Formtreue einer Oberfläche oder Lauffläche, an der sie anliegen bzw. ihre Dichtwirkung erzielen sollen. Die Abdichtung des Innenraums durch einen derartigen Radialwellendichtring kann bei entsprechend präparierter Außenoberfläche des Wellenelements besonders effektiv sein. Eine solche Präparierung wird hier durch eine bezogen auf die entsprechende Ober oder Lauffläche des Wellenelements unterirdische, also radial innenliegende Anordnung oder Führung der Verbindungsleitung, also dadurch, dass die Verbindungsleitung diese Ober oder Lauffläche radial innenliegend von dem Radialwellendichtring untertunnelt, auf besonders einfache Weise ermöglicht. Insgesamt können somit in dem Innenraum Öl beispielsweise als Schmier- und/oder Kühlmittel, eingesetzt und gleichzeitig eine besonders hohe Zuverlässigkeit der elektrischen Maschine erreicht werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist an einer in dem Innenraum angeordneten Eintrittsstelle, an der die Verbindungsleitung in das Wellenelement eintritt, ein zusätzliches Dichtelement angeordnet. Dieses zusätzliche Dichtelement ist also von der genannten Dichtung und auch von der genannten Staubdichtung verschieden und separat. Das zusätzliche Dichtelement ist dazu angeordnet, um ein Vordringen einer Flüssigkeit, insbesondere eines Schmier- und/oder Kühlmittels, entlang der Verbindungsleitung zu der Schleifringeinheit zu verhindern oder zumindest zu reduzieren. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass in der Praxis ohne das zusätzliche Dichtelement beispielsweise Öl aus dem Innenraum entlang der Verbindungsleitung kriechen kann. Dies kann auch dann der Fall sein, wenn die Verbindungsleitung in einer in das Wellenelement eingebrachten Bohrung geführt und diese Bohrung mit einem Polymermaterial oder dergleichen verfüllt ist. Gelangt Öl zu der Schleifringeinheit, so kann es deren Bürsten tränken und dadurch im Laufe der Zeit einen elektrischen Widerstand des entsprechenden Gleitkontakts ansteigen bzw. eine elektrische Leitfähigkeit der an den Schleifringen laufenden Bürsten reduzieren. Dies kann zu einer verringerten Effizienz oder sogar zu einem Ausfall der elektrischen Maschine führen. Da dies durch das zusätzliche Dichtelement vermieden oder verlangsamt werden kann, wird somit also letztlich die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der elektrischen Maschine vergrößert.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das wenigstens eine erfindungsgemäße elektrische Maschine aufweist. Insbesondere kann die elektrische Maschine dabei als Traktionsmaschine des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ausgebildet, also Teil eines Antriebs des Kraftfahrzeugs sein. Der Einsatz der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist jedoch nicht auf den Fahrzeugbereich beschränkt, sondern kann ebenso zumindest nahezu beliebige andere Anwendungsbereiche oder technische Gebiete umfassen.
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Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine ausschnittweise schematische Längsquerschnittansicht einer elektrischen Maschine, deren Schleifringe durch in einem Wellenelement geführte Verbindungsleitungen kontaktiert sind; und
- 2 eine ausschnittweise schematische Ansicht des Wellenelements in axialer Richtung.
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In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Für einen zuverlässigen Betrieb elektrischer Maschinen sollten diese idealerweise durch eine entsprechende Abdichtung vor einem Eintrag von Verschmutzungen geschützt werden. Eine zuverlässige Abdichtung ist dabei insbesondere im Falle flüssigkeitsgekühlter Maschinen besonders wichtig, da dabei auch noch ein Schleifring- oder Bürstenraum vor Flüssigkeiten aus einem Inneren der Maschine geschützt werden muss. Eine Abdichtung - speziell gegen Flüssigkeiten - mit dynamischen Dichtungen, wie etwa einem Radialwellendichtring, setzt dabei sehr genau gefertigte und bearbeitete, kontinuierliche Oberflächen voraus. Ein besonderes Problem ergibt sich in diesem Zusammenhang bei stromerregten Maschinen, da dort eine Stromführung vom Rotor zu einem außenliegenden Kontakt bzw. umgekehrt an einer entsprechenden Dichtstelle im Bereich einer drehenden Komponente vorbeigeführt werden muss.
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Zur Lösung dieser Herausforderungen zeigt 1 eine ausschnittweise schematische Längsquerschnittansicht einer elektrischen Maschine 10. Diese elektrische Maschine 10 weist ein hier nur teilweise angedeutetes Gehäuse 12 auf, in dem insbesondere ein Stator und ein Rotor mit einer Rotorwicklung aufgenommen sind. Das Gehäuse 12 umgibt dabei einen Innenraum 14. Aus diesem Innenraum 14 ist dabei ein Wellenelement 18 der elektrischen Maschine 10 in deren äußere Umgebung 16 geführt.
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Das Wellenelement 18 umgibt einen zentralen Aufnahmeraum 20, in dem beispielsweise eine anzutreibende Welle angeordnet werden kann. Mittig durch das Wellenelement 18 und den Aufnahmeraum 20 verläuft in deren Längsrichtung eine zentrale Drehachse 22, um die das Wellenelement 18 und der Rotor der elektrischen Maschine 10 in deren Betrieb rotieren können.
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An ihrer Außenseite oder Außenoberfläche weist das Wellenelement 18 hier beispielhaft einen Lagersitz 24 auf. Der Lagersitz 24 findet sich hier beispielhaft in dem Innenraum 14, kann grundsätzlich jedoch auch an anderer Stelle angeordnet sein. An dem Lagersitz 24 können beispielsweise Wälzelemente umlaufen, um das Wellenelement 18 relativ zu dem Gehäuse 12 drehbar zu lagern. Weiter weist das Wellenelement 18 hier eine Öldichtungslauffläche 26 sowie eine Staubdichtungslauffläche 28 auf. Die Öldichtungslauffläche 26 ist hier im Bereich eines Durchtritts des Wellenelements 18 durch eine Wand des Gehäuses 12 angeordnet. Dort ist auch eine Dichtung 30 der elektrischen Maschine 10, insbesondere eine Flüssigkeitsdichtung, wie beispielsweise ein Radialwellendichtring zur Ölabdichtung des Innenraums 14, angeordnet sein. Durch diese Dichtung 30 wird der Innenraum 14 vorliegend gegen die Umgebung 16 flüssigkeitsdicht abgedichtet.
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Die Staubdichtungslauffläche 28 ist hier außerhalb des Innenraums 14 auf einer in axialer Richtung von diesem abgewandten Seite der Öldichtungslauffläche 26 und der Dichtung 30 angeordnet. An der Staubdichtungslauffläche 28 kann eine separate Staubdichtung angeordnet sein, um ein Vordringen von Staub zu der Öldichtungslauffläche 26 bzw. der Dichtung 30 und letztlich in den Innenraum 14 zu vermeiden.
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Weiter weist die elektrische Maschine 10 eine außerhalb des Innenraums 14 an dem Wellenelement 18 angeordnete Schleifringeinheit 32 auf. Die hier nur teilweise dargestellt Schleifringeinheit 32 umfasst einen ersten Schleifring 34 und einen von diesem beabstandeten, insbesondere elektrischen isolierten zweiten Schleifring 36. Die Schleifringe 34, 36 umgeben hier außenseitig das Wellenelement 18 und bilden Anschluss- oder Kontaktflächen zur elektrischen Kontaktierung von außen. Die Schleifringeinheit 32 kann zudem beispielsweise auch an den Schleifringen 34, 36 anliegende Bürsten, einen entsprechenden Büstenhalter und dergleichen mehr umfassen.
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In das Wellenelement 18 sind vorliegend mehrere Bohrungen 38 eingebracht. Diese Bohrungen 38 erstrecken sich zumindest im Wesentlichen in Längsrichtung von jeweils einem der Schleifringe 34, 36 in Richtung des Innenraums 14 durch das Wellenelement 18 und sind innerhalb des Innenraums 14 in radialer Richtung nach außen aus dem Wellenelement 18 herausgeführt. In den Bohrungen 38 ist die jeweils eine Verbindungsleitung 40 geführt. Die Verbindungsleitungen 40 können beispielsweise Kupferdrähte oder dergleichen sein. Durch die Verbindungsleitungen 40 wird die Schleifringeinheit 32, werden also die Schleifringe 34, 36 mit der bzw. einer jeweiligen Rotorwicklung der elektrischen Maschine 10 elektrisch verbunden.
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Die Bohrungen 38 und damit auch die Verbindungsleitungen 40 unterlaufen hier den Lagersitz 24, die Öldichtungslauffläche 26 und die Staubdichtungslauffläche 28 radial innenseitig. Der Lagersitz 24, die Öldichtungslauffläche 26 und die Staubdichtungslauffläche 28 sind hier durch die Bohrungen 38 also untertunnelt. Dadurch wird eine elektrische Verbindung der Schleifringeinheit 32 mit der Rotorwicklung ohne Beeinträchtigung einer Oberflächengüte des Lagersitzes 24, der Öldichtungslauffläche 26 und der Staubdichtungslauffläche 28 und damit ohne Beeinträchtigung einer entsprechenden Abdichtung des Innenraums 14 durch die Dichtung 30 gegen die Umgebung 16 ermöglicht bzw. erreicht.
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Zur Abdichtung der Bohrungen 38, beispielsweise gegen aus dem Innenraum 14 eintretendes Öl, ist vorliegend an Eintrittsstellen, an denen die Verbindungsleitungen 40 in dem Innenraum 14 in das Wellenelement 18 eintreten, ein jeweiliges Dichtelement 42 angeordnet.
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2 zeigt eine ausschnittweise schematische Ansicht des Wellenelements 18 in axialer Richtung. Hier ist erkennbar, dass das Wellenelement 18 mehrere - vorliegend beispielhaft sechs - in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnete und voneinander beabstandete Bohrungen 38 zum Führen bzw. Aufnehmen jeweils einer Verbindungsleitung 40 aufweist. Je nach Ausgestaltung der elektrischen Maschine 10 bzw. deren Rotors sind ebenso andere Anzahlen von Bohrungen 38 und dementsprechend von Verbindungsleitungen 40 möglich.
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Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie ein Schleifringsystem bzw. eine Schleifringkontaktierung mit einer Innenraumabdichtung für stromerregte E-Maschinen für einen besonders zuverlässigen Betrieb kombiniert werden kann. Das Grundprinzip ist dabei, die Stromführung in einer Welle zu versenken und - bezogen auf deren äußere Oberfläche - unterirdisch unter einer Dichtungslauffläche hindurchzuführen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- elektrische Maschine
- 12
- Gehäuse
- 14
- Innenraum
- 16
- Umgebung
- 18
- Wellenelement
- 20
- Aufnahmeraum
- 22
- zentrale Drehachse
- 24
- Lagersitz
- 26
- Öldichtungslauffläche
- 28
- Staubdichtungslauffläche
- 30
- Dichtung
- 32
- Schleifringeinheit
- 34
- erster Schleifring
- 36
- zweiter Schleifring
- 38
- Bohrungen
- 40
- Verbindungsleitungen
- 42
- Dichtelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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