DE102020122256B4

DE102020122256B4 - Elektrische Maschinenanordnung

Info

Publication number: DE102020122256B4
Application number: DE102020122256.4A
Authority: DE
Inventors: Dirk Reimnitz; Ivo Agner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2020-08-26
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2040-08-27
Also published as: DE102020122256A1; CN116210144A; EP4205262A1; US20230268786A1; WO2022042785A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschinenanordnung (1), umfassend eine elektrische Maschine (2) mit einem Stator (3) und mit einem Rotor (4), eine den Stator (3) abstützende Komponente (6) sowie ein in drehfestem Kontakt mit dem Rotor (4) stehendes Abtriebselement (100). Gemäß der Erfindung ist der Stator (3) unter Zwischenschaltung eines Längenausgleichselements (8) in Rotationsrichtung abgestützt und zumindest axialbeweglich gegenüber der den Stator (3) abstützenden Komponente (6) an dieser angebunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschinenanordnung, umfassend eine elektrische Maschine für den Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit einem Stator und mit einem Rotor, eine den Stator abstützende Komponente sowie ein in drehfestem Kontakt mit dem Rotor stehendes Abtriebselement.
Bei Elektromotoren kommt es auf eine sehr genaue Ausrichtung der vom Magnetfeld durchströmten Teile an, da bereits geringe Positionsabweichungen der Teile untereinander den magnetischen Fluss (beispielsweise durch veränderte Luftspalte) nennenswert beeinflussen können. Daher ist es wichtig die mechanische Struktur des Elektromotors ausreichend robust zu gestalten, um die notwendige exakte Ausrichtung der elektrischen oder magnetischen Teile sicherzustellen. Bei der Ausgestaltung des Rotors und des Stators ist es daher wichtig, dass diese Komponenten weder durch vom Motor selbst hervorgerufene Kräfte noch durch von außen auf den Motor einwirkende Belastungen, oder durch Trägheitskräfte, wie insbesondre die auf den Rotor wirkende Fliehkraft, unzulässig stark verformt werden. Darüber hinaus muss auch die Lagerung des Rotors ausreichend steif sein, um die exakte Ausrichtung von Rotor und Stator zu gewährleisten.
Die Notwendigkeit, die Struktur des Elektromotors besonders steif zu gestalten, steht in der praktischen Ausgestaltung von Elektromotoren für Kraftfahrzeuge häufig im Widerspruch zu den im Fahrzeugbau immer bestehenden Anforderungen nach kompakter Bauweise, geringem Gewicht, hoher Leistungsdichte und geringen Kosten.
Aus der JP 2014-18001 A ist eine elektrische Maschinenanordnung bekannt, die eine elektrische Maschine mit einem Stator und mit einem Rotor, eine den Stator abstützende Komponente, ein in drehfestem Kontakt mit dem Rotor stehendes Abtriebselement, und ein Längenausgleichselement aufweist, wobei der Stator unter Zwischenschaltung des Längenausgleichselements in Rotationsrichtung abgestützt und zumindest axialbeweglich gegenüber der den Stator abstützenden Komponente an dieser angebunden ist.
Bezüglich weiteren Standes der Technik wird auf die US 4 634 909 A , die US 3 742 271 A , die DE 24 59 237 A1 und die DE 101 03 447 A1 verwiesen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine elektrischen Maschinenanordnung mit einer elektrischen Maschine bereitzustellen, die einen möglichst bauraumsparenden Aufbau und zugleich eine hochgenaue Positionierung von Rotor und Stator zueinander gewährleistet.
Die Überlegungen zu der Erfindung wurden getragen von dem Gedanken Statt alle tragenden Komponenten besonders steif, robust und groß auszuführen, ist es meist sinnvoller an geeigneten Stellen durch Zusatzmaßnahmen oder zusätzliche Bauteile dafür zu sorgen, dass die Belastung für die benachbarten Teile reduziert wird. Ebenso ist es meist sinnvoller, kurze Toleranzketten oder toleranzunempfindliche Komponentenanordnungen zu realisieren, statt nur auf hochgenaue Fertigungsabläufe zu setzen. Hier setzt die Erfindung an.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschinenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Eine erfindungsgemäße Maschinenanordnung umfasst eine elektrische mit einem Stator und mit einem Rotor, eine den Stator abstützende Komponente sowie ein in drehfestem Kontakt mit dem Rotor stehendes Abtriebselement. Erfindungsgemäß ist der Stator unter Zwischenschaltung eines Längenausgleichselements in Rotationsrichtung abgestützt und zumindest axialbeweglich gegenüber der den Stator abstützenden Komponente an dieser angebunden. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass mit konstruktiv einfachen Mitteln eine elektrische Maschinenanordnung bereitgestellt werden kann, die eine verbesserte Positionierung von Stator zu Rotor in sich ändernden Betriebssituationen gewährleistet. Da sich der Stator an axiale und radiale Verlagerungen des Rotors anpassen kann, verursachen diese axialen und radialen Verlagerungen des Rotors, die meist durch Verformungen und Kräfte von Nachbarkomponenten der elektrischen Maschine hervorgerufenen werden, keine nennenswerten Verformungen der Statorstruktur oder verschlechtern in relevanter Weise die Ausrichtung zwischen Rotor und Stator. Die senkt die mechanische Belastung des Stators wodurch dieser kostengünstiger hergestellt werden kann. Durch die genauere Ausrichtung des Stators zum Rotor, lässt sich die Effizienz der elektrischen Maschine erhöhen. Durch die vorzugsweise am radial äußern Bereich des Stators angeordnete Drehmomentabstützung durch das Längenausgleichselement, wird der Stator von der Drehbewegung des Rotors abgekoppelt und so verhindert, dass der Stator sich unzulässig weit verdreht oder mitrotiert. Über diese Drehmomentabstützung wird das Reaktionsmoment abgestützt, das immer entsteht, wenn der Motor ein Drehmoment erzeugt, das von der Rotorwelle auf ein nachgelagertes Aggregat des Antriebstranges übertragen wird. In Umfangsrichtung betrachtet ist der Stator über das Längenausgleichselement quasi fest mit dem Motorgehäuse verbunden, wie es für die Funktion des Motors notwendig ist. Für alle anderen Bewegungsrichtungen stellt die Drehmomentabstützung keine relevante Einschränkung da, so dass sich der Stator durch die Lagerstelle zwischen Stator und Rotor immer an der Lage des Rotors ausrichten kann und auch Lageänderungen des Rotors folgen kann, wie sie beispielsweise im Fahrbetrieb durch elastische Verformungen oder Wärmedehnungen des E-Motorgehäuses und/oder der E-Motorwelle auftreten können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz oder nach ihrer Relevanz im Hinblick auf die Erfindung erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken.
Das Gehäuse umhaust die elektrische Maschine. Ein Gehäuse kann darüber hinaus auch die Steuer- und Leistungselektronik aufnehmen. Das Gehäuse kann darüber hinaus auch Bestandteil eines Kühlsystems für die elektrische Maschine sein und derart ausgebildet sein, dass Kühlfluid über das Gehäuse der elektrischen Maschine zugeführt werden kann und/oder die Wärme über die Gehäuseflächen nach außen abgeführt werden kann. Darüber hinaus schützt das Gehäuse die elektrische Maschine sowie die ggf. vorhandene Elektronik vor äußeren Einflüssen.
Der Stator einer Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Durch diesen Aufbau werden die durch das Statorfeld verursachten Wirbelströme im Stator geringgehalten. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten oder umfänglich geschlossene Ausnehmungen eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. In Abhängigkeit von der Konstruktion zur Oberfläche hin können die Nuten mit Verschlusselementen, wie Verschlusskeilen oder Deckeln oder dergleichen verschlossen sein, um ein Herauslösen der Statorwicklung zu verhindern.
Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine. Insbesondere wird von einem Rotor gesprochen, wenn es auch einen Stator gibt. Der Rotor umfasst in der Regel eine Rotorwelle und einen oder mehrere drehfest auf der Rotorwelle angeordnete Rotorkörper. Die Rotorwelle kann auch hohl ausgeführt sein, was zum einen eine Gewichtsersparnis zur Folge hat und was zum anderen die Zufuhr von Schmier- oder Kühlmittel zum Rotorkörper erlaubt. Wenn die Rotorwelle hohl ausgeführt ist, können auch Bauteile, beispielsweise Wellen, von benachbarten Aggregaten in den Rotor hinein oder durch den Rotor hindurch ragen, ohne die Funktionsweise der elektrischen Maschine negativ zu beeinflussen.
Als Luftspalt wird der zwischen dem Rotor und dem Stator existierende Spalt bezeichnet. Bei einer Radialflussmaschine ist das ein sich axial erstreckender kreisringförmiger Spalt mit einer radialen Breite, die dem Abstand zwischen Rotorkörper und Statorkörper entspricht. Der magnetische Fluss in einer elektrischen Axialflussmaschine, wie beispielsweise eine als Axialflussmaschine ausgebildete elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, ist im Luftspalt zwischen Stator und Rotor axial, parallel zur Rotationsachse der elektrischen Maschine gerichtet. Der gebildete Luftspalt bei einer Axialflussmaschine ist somit im Wesentlichen ringscheibenförmig ausgebildet.
Der magnetische Fluss in einer elektrischen Axialflussmaschine, wie beispielsweise eine als Axialflussmaschine ausgebildete elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, ist im Luftspalt zwischen Stator und Rotor axial, parallel zur Rotationsachse der elektrischen Maschine gerichtet. Axialflussmaschinen werden unter anderem mit Blick auf Ihren Ausbau unterschieden in Axialflussmaschinen in I-Anordnung und in Axialflussmaschinen in H-Anordnung. Unter einer Axialflussmaschine in I-Anordnung wird eine elektrische Maschine verstanden, bei der eine einzelne Rotorscheibe der elektrischen Maschine zwischen zwei Statorhälften eines Stators der elektrischen Maschine angeordnet und über diese mit einem elektromagnetischen Drehfeld beaufschlagbar ist. Unter einer Axialflussmaschine in H-Anordnung wird eine elektrische Maschine verstanden, bei der zwei Rotorscheiben eines Rotors der elektrischen Maschine in dem axial zwischen sich befindlichen Ringraum einen Stator der elektrischen Maschine aufnehmen, über den die beiden Rotorscheiben mit einem elektromagnetischen Drehfeld beaufschlagbar sind. Die beiden Rotorscheiben einer elektrischen Maschine in H-Anordnung sind mechanisch miteinander verbunden. Dies erfolgt meistens über eine Welle oder ein wellenähnliches Verbindungselement, das radial innen (radial innerhalb der Magnete der elektrischen Maschine) durch den Stator hindurchragt und die beiden Rotorscheiben radial innen miteinander verbindet. Eine Sonderform der H-Anordnung stellen elektrische Maschinen da, deren beide Rotorscheiben radial außen (radial außerhalb der Magnete der elektrischen Maschine) miteinander verbunden sind. Der Stator dieser elektrischen Maschine wird dann radial innen (meisten einseitig) an einer die elektrische Maschine abstützenden Komponente befestigt. Diese Sonderform der H-Anordnung wird auch als J-Anordnung bezeichnet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die den Stator abstützende Komponente als ein Gehäuse der elektrischen Maschine ausgebildet ist, wodurch eine entsprechend kompakte Bauform als auch ein entsprechender Schutz von Rotor und Stator als auch von dessen Lagerung zueinander gewährleistet wird.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Stator über zumindest eine erste Lagerung von der Drehbewegung des Rotors entkoppelt gegen den Rotor abgestützt angeordnet ist. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass durch diese auf den ersten Blick vielleicht etwas umständlich wirkende Lösung, die mechanischen Belastungen, die auf die elektrische aktiven Teile des Motors, bzw. die die elektrisch aktiven Teile des Motors umgebenden Strukturen wirken, erheblich reduziert werden. Dadurch lassen sich Verformungen der Teile reduzieren, ohne die Teile selbst robuster ausführen zu müssen. Dadurch, dass der Rotor auf dem Stator gelagert wird, wird der Elektromotor zudem auch unempfindlicher gegenüber Lageabweichungen, Einbautoleranzen oder im Fahrbetrieb auftretende temporäre Verlagerungen der Rotorwelle. Indem der Stator auf dem Rotor gelagert ist, ist die Position des Stators direkt an die aktuelle Position des Rotors gekoppelt, so dass Lageänderungen der Rotorwelle sich gleichermaßen auf Rotor und Stator auswirken.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Längenausgleichselement als sich in axialer Richtung oder in radialer Richtung erstreckender Fortsatz ausgebildet ist, der bereichsweise in einer korrespondierenden Ausnehmung geführt angeordnet ist, wobei der Fortsatz entweder am Stator oder an der den Stator abstützenden Komponente angebunden ist und wobei die korrespondierende Ausnehmung in der abstützenden Komponente oder im Stator ausgebildet ist. Hierdurch wird über das Längenausgleichelement eine konstruktiv einfache und wirksame Drehmomentabstützung des Stators gewährleistet und zugleich eine Beweglichkeit von Stator und Rotor ermöglicht, die es erlaubt kleinere Lageveränderungen von Rotor und/oder Stator beispielsweise durch Wärmedehnungen oder dergleichen auszugleichen bzw. diesen zu folgen.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Fortsatz in der korrespondieren Ausnehmung über ein elastisches Element zumindest in einer Umfangsrichtung kraftbeaufschlagt angeordnet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass durch die Elastizität des elastischen Elements definierte geringe axiale und radiale Verlagerungen sowie leichtes Verkippen zwischen Stift und zylindrischer Bohrung ermöglicht ist. Diese Verlagerungsfähigkeit zwischen dem E-Motorgehäuse und dem Statorgehäuse ist im Sinne der Drehmomentabstützung in Umfangsrichtung vernachlässigbar, im Hinblick auf alle anderen Bewegungen, die der Stator ausführen muss, um der Lage des Rotors zu folgen, ist sie aber ausreichend groß. Mit Vorteil ist das elastische Element dabei als Elastomer oder als Spiral- oder Blattfeder ausgebildet, wodurch eine einfache und bauraumsparende elastische Drehmomentabstützung erreicht wird.
Die Drehmomentabstützung zwischen Stator und Gehäuse kann auch auf andere Weise erfolgen. Besonders sinnvoll ist es, das Drehmoment in Form einer tangentialen Kraft, über ein, ebenfalls tangential oder näherungsweise tangential angeordnetes Element, zu übertragen. Dieses tangential angeordnete Element sollte eine schlanke längliche Form aufweisen, an deren in Längsrichtung gegenüberliegenden Endbereichen sich jeweils eine Befestigungsstelle anschließt, mit der das Element auf der einen Seite am Stator und auf der anderen Seite am Gehäuse der elektrischen Maschine befestigt werden kann. Das Drehmoment der elektrischen Maschine kann dann in Form von Zug- oder Druckkräften in Längsrichtung des Elementes übertragen werden. Alle anderen Bewegungen des Stators werden durch eine elastische Verformung des Elementes ermöglicht. Diese elastischen Verformungen erfolgen im Wesentlichen durch elastische Auslenkung der beiden Endbereiche relativ zueinander (Die elastische Auslenkung erfolgt dabei hauptsächlich orthogonal zur Längsrichtung des Elementes und durch Torsion des Elementes).
Hierfür kann die Erfindung dahingehend weiterentwickelt sein, dass das Längenausgleichselement aus zumindest einer umfänglich am Stator angebundenen Blattfeder oder aus zumindest einem umfänglich am Stator angebundenen Blattfederpaket gebildet ist. Besonders bevorzugt ist das Längenausgleichselement jedoch durch eine Mehrzahl von umfänglich am Stator verteilt angebundener Blattfedern oder einer Mehrzahl von umfänglich am Stator verteilt angebundenen Blattfederpaketen ausgebildet. Durch mehrere auf dem Umfang verteilte Längenausgleichselemente können hohe Drehmomente besonders gut abgestützt werden. Die Kombination aus mehreren auf dem Umfang verteilten Blattfedern lässt wesentlich weniger radiale Verlagerung des Stators relativ zum Gehäuse zu, als dies bei einem einzelnen Längenausgleichselement der Fall ist. Daher muss ein über mehrere auf dem Umfang verteilt angeordnete Längenausgleichselemente angebundener Stator bei der Montage sehr genau zur Rotationsachse des Rotors ausgerichtet werden. Da die auf dem Umfang verteilten Längenausgleichselemente ein späteres radiales wegwandern des Stators aus dieser Position verhindern wollen, nehmen die auf dem Umfang verteilten Längenausgleichselemente Radialkräfte des Stators auf und übertragen diese auf das Gehäuse. Daher überträgt ein mit mehreren auf dem Umgang verteilten angeordneten Blattfedern befestigter Stator fast keine durch das Drehmoment verursachte radiale Abstützkraft über die Lagerung zwischen Stator und Rotor auf den Rotor, wie dies bei Statoren der Fall ist, die mit nur einem nur in tangentialer Richtung Kräfte übertragenden Längenausgleichselement am Gehäuse abgestützt sind. Dadurch sind mehrere auf dem Umfang verteilten Längenausgleichselemente gut geeignet, um Statoren von elektrischen Maschinen abzustützen, die besonders hohe Drehmomente erzeugen.
Alternativ zu vorstehender Ausführungsform kann die Drehmomentabstützung auch über ein in sich starres tangential oder näherungsweise tangential angeordnetes Element erfolgen, wenn die beiden zueinander beabstandeten Befestigungsstellen, über die das Element auf der einen Seite am Stator und auf der anderen Seite am Gehäuse der elektrischen Maschine oder einem anderen den Stator abstützenden Bauteil befestigt ist, Rotationsbewegungen in mehrere Raumrichtungen zulassen aber gleichzeitig den Abstand zwischen den beiden Befestigungsstellen am Stator und am Gehäuse konstant halten. Hierfür kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass das Längenausgleichselement als Koppelstange ausgebildet ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Koppelstange an zumindest einem ihrer freien axialen Enden eine Gelenkverbindung, insbesondere eine Kugelgelenkverbindung, oder eine elastische Verbindung, insbesondere einen mit einem Elastomer ausgestatten Verbindungskopf, aufweist. Durch eine klare Funktionstrennung zwischen dem länglichen knickstabilen Bereich der Drehmomentabstützung durch den die durch das Motordrehmoment hervorgerufenen Tangentialkräfte des Stators in Form von Zug- oder Druckkräften zwischen dem beiden Befestigungsstellen des Längenausgleichselemente übertragen werden und den in alle Raumrichtungen neigbaren Befestigungsstellen, lässt ich besonders gut eine auch für hohen Drehmomente geeignete Drehmomentabstützung realisieren, die gleichzeitig große axiale und radiale Verlagerungen sowie Verkippungen und Taumelbewegungen des Stators zulässt.
Sinnvollerweise wird eine Drehmomentabstützung mit zwei auf dem Umfang versetzten Befestigungsstellen so angeordnet, dass in der Umfangsrichtung gesehen, in der die elektrische Maschine im Betrieb das größere Moment auf die nachgelagerten Bauteile überträgt, die Befestigungsstelle der Drehmomentabstützung am Stator vor den Befestigungsstellen der Drehmomentabstützung an der den Stator abstützenden Komponente (z.B. dem Gehäuse der elektrischen Maschine) liegt, damit das größte Drehmoment der elektrischen Maschine in Form einer tangentialen Zugkraft über die Drehmomentabstützung übertragen wird. In der anderen Umfangsrichtung, in der die elektrische Maschine das geringere Drehmoment liefert, überträgt die Drehmomentabstützung dann dieses Drehmoment durch Druckkräfte.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Längenausgleichselement als sich in axialer Richtung oder in radialer Richtung erstreckende und als Wellrohr ausgebildete Versorgungsleitung für Kühlmittel ausgebildet ist. Da das Wellrohr ein elastisches Bauteil darstellt, das zwischen zwei beabstandeten Befestigungspunkten Kräfte übertragen kann und gleichzeitig einen inneren Hohlraum dicht umschließt, kann das Wellrohr gleichzeitig als Drehmomentabstützung und als Versorgungsleitung dienen. Das Wellrohr überträgt dann die durch das Drehmoment der elektrischen Maschine hervorgerufenen Tangentialkräfte vom Stator der elektrischen Maschine auf die die elektrische Maschine abstützende Komponente (beispielsweise ein Gehäuse). Die Axialbewegungen, Radialbewegungen und Kippbewegungen des Stators werden durch die Flexibilität des Wellrohres nicht nennenswert beeinflusst, da sich das Wellrohr in Rahmen dieser geringen räumlichen Verlagerungen elastisch verformen kann und dabei auch immer einen dichten Innenraum bildet, durch den das Fühlmittel hindurchgeleitet werden kann
In der Erfindung ist vorgesehen, dass Versorgungsleitungen ausgebildet sind, eine aufgrund der Zwischenschaltung des Längenausgleichselements zwischen Stator und der den Stator abstützenden Komponente zugelassene axiale Verschiebung des Stators um eine vorbestimmte maximale Wegstrecke auszugleichen. Dadurch kann erreicht werden, dass sich der Stator an der aktuellen Lage des Rotors ausrichten kann, aber nicht mitdreht, und alle Verbindungs- bzw. Versorgungsleitungen (z.B. Kabel, Stromschienen, Schläuche oder Rohre), die für die Stromversorgung, Ansteuerung, Kühlung und Überwachung des Stators notwendig sind, zwischen dem Stator und dem E-Motorgehäuse flexibel ausgeführt sind und der Stator durch ein ebenfalls flexibles Drehmomentabstützungselement (vorstehend auch als Längenausgleichselement bezeichnet) mit dem E-Motorgehäuse verbunden ist.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass eine als Kühlmittelleitung ausgebildete Versorgungsleitung zumindest abschnittsweise durch eine elastische und/oder verschiebbare Dichtung, durch ein elastisches Wellrohr, durch einen elastischen Balg oder durch einen elastischen Schlauch gebildet ist, derart, dass eine Kühlmittelversorgung des Stators in allen axialen Positionen, die durch das axiale Längenausgleichselement zwischen Stator und der den Stator abstützenden Komponente ermöglicht sind, gewährleistet ist. Wenn der Stator so auf dem Rotor gelagert ist, dass der Stator allen Bewegungen des Rotors folgen kann, außer der Rotationsbewegung, sind flexible Versorgungsleitungen oder die flexible Anbindung von ansonsten starren Versorgungsleitungen eigentlich kein Vorteil, sondern eine Notwendigkeit. Die einzige Möglichkeit bei diesem Lagerungskonzept auf Flexibilität in den Versorgungsleitungen des Stators zu verzichten, die ich zurzeit sehe, die aber viel aufwendiger ist, besteht darin die Leistungselektronik und das Kühlsystem direkt am Stator zu befestigen und somit zusammen mit dem Stator schwimmend auf dem Rotor abzustützen.
Besonders bevorzugt umfasst die als Kühlmittelleitung ausgebildete Versorgungsleitung einen Rohrabschnitt, der an zumindest einem axialen Ende mit einer elastischen und/oder verschiebbaren Dichtung ausgebildet und in einer Aufnahme, verschiebbar geführt angeordnet ist. Hierdurch wird eine besonders stabile und langlebige Lösung einer bereichsweise beweglichen Versorgungsleitung für Kühlmittel geschaffen.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Koppelstange zur Zuführung von Kühlmittel zum Stator im Inneren hohl ausgebildet ist und/oder für die elektrische Versorgung des Stators zumindest bereichsweise elektrisch leitend ausgebildet ist. Durch eine Funktionsintegration der Drehmomentabstützfunktion und der Aufgabe Kühlmittel oder elektrischen Strom zu übertragen in eine gemeinsame Baugruppe, die zumindest teilweise dieselben Bauteile für die beiden Funktionen nutzt, kann Bauraum und oder Kosten eingespart werden. Da die Drehmomentabstützung und die flexiblen Versorgungsleitungen zwangsweise mehr Bauraum beanspruchen und aufwendigere Bauteile benötigen, als starre Verbindungselemente, bietet die Funktionsintegration den großen Vorteil, zumindest einen Teil dieses Bauraum- und Kostennachteils wieder zu kompensieren.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass eine als Stromleitung ausgebildete Versorgungsleitung zumindest bereichsweise einen, eine Verlängerung der Versorgungsleitung ermöglichenden Längenausgleichsabschnitt aufweist, wobei der Längenausgleichsabschnitt insbesondere durch ein Kabel, durch eine elastische Stromschiene, durch eine Leiterspirale oder durch ein elastisches, elektrisch leitendes Leitergeflecht gebildet ist. In dem die Versorgungsleitungen einen Längenausgleich ermöglicht und sich so an sich ändernde Abstände zwischen zwei Befestigungsstellen anpassen kann, kann sich der Stator räumlich begrenzt bewegen, ohne die Versorgungsleitungen zu beschädigen. Der Längenausgleich der Verbindungsleitungen ist dabei sowohl dann sinnvoll, wenn die Versorgungsleitung im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse der elektrischen Maschine angeordnet ist und eine axiale Verlagerung des Rotors direkt einer Längenänderung der Versorgungsrichtung bedingt, als auch wenn die Versorgungsleitung hauptsächlich radial angeordnet ist und ein axiale Verlagerung des Stators eine näherungsweise s-förmige Verformung oder Schrägstellung der Versorgungsleitung hervorruft, bei der sich ebenfalls die Länge der Versorgungsleitung ändert.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die als Stromleitungen ausgebildeten Versorgungsleitungen zur elektrischen Versorgung der elektrischen Maschine gebildet sind durch zumindest zwei umfänglich verteilt am Stator angeordnete Blattfedern oder Blattfederpakete. Hierdurch wird eine konstruktiv besonders interessante Lösung für die Kontaktierung der Statorwicklungsenden geschaffen. Eine aufwändige Umleitung der Statorwicklungsenden zu einer gemeinsamen zentralen Anschlussstelle kann entfallen und die Statorwicklungsenden können umfänglich dort angebunden werden, wo sie denn auch am Ende der Bewicklung umfänglich am Stator auskommen.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine als Stromleitung ausgebildete Versorgungsleitung flachbandartig ausgebildet ist, wobei die Stromleitung derart an den Stator angebunden ist, dass die Bandebene der Stromleitung sich senkrecht zur axialen Bewegungsrichtung des Stators erstreckt. Bei einer flachbandartigen Form weist die Stromleitung senkrecht zur Bandebene ihre mit Abstand geringste Breite auf und ist somit senkrecht zur Bandebene am flexibelsten. Wird die Bandebene senkrecht zur Rotationsachse des Rotors und somit senkrecht zur Axialrichtung des Stators ausgerichtet, ist die Richtung, in der die Stromleitung die höchste Flexibilität aufweist, in derselben Richtung ausgerichtet, in der die größten Verlagerungen des Stators zu erwarten sind. Durch diese Ausrichtung und die flachbandartige Form, lassen sich besonders wirtschaftlich Stromleitungen realisieren, die einen ausreichend großen Querschnitt aufweisen, um den Strom für die elektrische Maschine zu übertragen und gleichzeitig in axialer Richtung der elektrischen Maschine ausreichend flexibel sind.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können.
Es zeigen:

1 eine elektrische Axialflussmaschine in H-Anordnung in einem Axialschnitt, in schematischer Darstellung,
2 eine elektrische Axialflussmaschine in I-Anordnung in einem Axialschnitt, in schematischer Darstellung,
3 die elektrische Axialflussmaschine in I-Anordnung gemäß 2 mit anderer Anordnung von drehmomentabstützenden Längenausgleichselementen in einem Axialschnitt, in schematischer Darstellung,
4 eine elektrische Axialflussmaschine in I-Anordnung mit einer Drehmomentabstützung über Blattfedern, einer Stromzuführung über elektrische Stromschienen und einer Kühlmittelzuführung über beweglich montierte Leitungsrohre in perspektivischer Darstellung,
5 eine elektrische Axialflussmaschine in I-Anordnung mit einer Drehmomentabstützung über eine näherungsweise tangential angeordnete, starre Koppelstange,
6 eine elektrische Axialflussmaschine mit einer konstruktiv einfachen Drehmomentabstützung über einen in einer Ausnehmung gelagerten Zapfen, in schematischer Darstellung, einmal in axialer Draufsicht (oben) und einmal in einer Perspektivdarstellung (unten), wobei in der unteren Darstellung der Zapfen über ein als Blattfeder ausgebildetes elastisches Element in Umfangsrichtung kraftbeaufschlagt ist, und
7 eine elektrische Radialflussmaschine in einem Axialschnitt, in schematischer Darstellung und damit, dass die am Beispiel verschiedener Axialflussmaschinen vorgestellten Lösungen auch auf Radialflussmaschinen übertragbar sind.

1 zeigt eine elektrische Maschinenanordnung 1 mit einer als Axialflussmaschine in H-Anordnung ausgebildeten elektrischen Maschine 2 in einem Axialschnitt, in schematischer Darstellung. Die Darstellung zeigt einen Axialflussmotor in H-Anordnung, dessen Rotorwelle W (hier als integraler Bestandteil des als Antriebswelle ausgebildeten Abtriebselements 100 ausgebildet) in einem Gehäuse 7 gelagert ist, welches die elektrische Maschine 2 umgibt. Dazu ist die Rotorwelle W über eine Lagerung 62 mit je einem Lager 621, 622 in den rechts und links der elektrischen Maschine 2 angeordneten Gehäuseseitenwänden des Gehäuses 7 drehbar abgestützt. Das mit der Rotorwelle W einteilig ausgebildete Abtriebselement, in Form einer Abtriebswelle, ist über eine Außenverzahnung der Abtriebswelle mit einer Getriebestufe 22 verbunden. Zwischen den beiden scheibenförmigen Rotorhälften des Rotors 4 ist der Stator 3 angeordnet und über eine weitere Lagerung 61 (in der Abbildung bestehend aus zwei als Schrägkugellager in O-Anordnung ausgebildeten Lagerstellen 611, 612) auf dem Rotor 4 abgestützt. Durch diese am radial inneren Bereich des Stators 3 angeordnete Lagerstelle 61 und die vorzugsweise am radial äußern Bereich des Stators 3 angeordnete Drehmomentabstützung durch ein Längenausgleichselement 8, wird der Stator 3 von der Drehbewegung des Rotors 4 abgekoppelt und so verhindert, dass der Stator 3 sich unzulässig weit verdreht oder mitrotiert. Über diese Drehmomentabstützung wird das Reaktionsmoment abgestützt, das immer entsteht, wenn die elektrische Maschine 2 ein Drehmoment erzeugt, das von der Rotorwelle W auf ein nachgelagertes Aggregat des Antriebstranges übertragen wird. In Umfangsrichtung betrachtet ist der Stator 3 über die Drehmomentabstützung quasi fest mit dem Gehäuse 7 verbunden, wie es für die Funktion des Motors notwendig ist. Für alle anderen Bewegungsrichtungen stellt die Drehmomentabstützung keine relevante Einschränkung dar, so dass sich der Stator 3 durch die Lagerung 61 zwischen Stator 3 und Rotor 4 immer an der Lage des Rotors 4 ausrichten kann und auch Lageänderungen des Rotors 4 folgen kann, wie sie beispielsweise im Fahrbetrieb durch elastische Verformungen oder Wärmedehnungen des Gehäuses 7 und/oder der Rotorwelle W auftreten können. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Drehmomentabstützung bzw. das Längenausgleichselement 8 realisiert durch eine elastische Kunststoff- oder Gummimanschette, die in eine als zylindrische Bohrung ausgeführte Ausnehmung 30 des Statorgehäuses eingebracht und die in der Mitte auf einen als Stift ausgebildeten Fortsatz 81 aufgesteckt ist, der im Gehäuse 7 verankert ist. Die Bohrung im Statorgehäuse, die Gummimanschette und der im Gehäuse 7 verankerte Stift sind konzentrisch zueinander angeordnet und koaxial zur Rotationsachse der elektrischen Maschine 2 ausgerichtet. Das Drehmoment der elektrischen Maschine 2 führt am radialen Außenbereich des Stators 3 zu einer tangentialen Kraftwirkung, die in Form einer radial zum Stift der Drehmomentabstützung verlaufenden Kraft von der Statorgehäusebohrung durch die Gummimanschette zum Stift (und umgekehrt) übertragen wird. Durch die Elastizität der Gummimanschette sind geringe axiale und radiale Verlagerungen sowie leichtes Verkippen zwischen Stift und zylindrischer Bohrung möglich. Diese Verlagerungsfähigkeit zwischen dem Gehäuse 7 der elektrischen Maschine 2 und dem Stator 3 bzw. dem Statorgehäuse ist im Sinne der Drehmomentabstützung in Umfangsrichtung vernachlässigbar - im Hinblick auf alle anderen Bewegungen, die der Stator 3 ausführen muss, um der Lage des Rotors 4 zu folgen, ist sie aber ausreichend groß. Bei dem Stator 3 des gezeigten Ausführungsbeispiels erfolgt die Zuführung der Kühlflüssigkeit durch die als elastische Elemente (z.B. elastische Verbindungsleitungen) ausgebildeten Versorgungsleitungen 9. In der 1 ist dies bei der angedeuteten Kühlmittelzuführung durch eine Versorgungsleitung 9 in Wellbalgform der Zuleitung zwischen Gehäuse 7 und Stator 3 realisiert. Diese Versorgungsleitung 9 kann beispielsweise durch den Einsatz eines metallischen Wellbalgrohres oder durch die Verwendung eines Gummischlauches (eventuell auch in Form eines Hydraulikschlauches mit Gewebeverstärkung) realisiert werden. Um unerwünschte Ströme durch die Lagerstellen zu vermeiden, ist zwischen Rotor 4 und Gehäuse 7 ein als Wellenerdungsring ausgebildetes Wellenerdungselement 11 angeordnet. Dieser ist zwischen einem axial von der Gehäusewand und einem axial vom Rotorkörper vorstehenden Ringflansch angeordnet. Ferner ist ein Rotorlagesensor 12 vorgesehen, um die rotatorische Rotorlage jederzeit zuverlässig erfassen zu können.
2 zeigt eine als elektrische Axialflussmaschine in I-Anordnung ausgebildete elektrische Maschine 2 in einem Axialschnitt, in schematischer Darstellung. Hier ist gut veranschaulicht, dass das bereits in 1 vorgestellte Funktionsprinzip auch auf einen Axialflussmotor in I-Anordnung übertragbar ist. Gleichwirkende Komponenten sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
3 zeigt die elektrische Axialflussmaschine in I-Anordnung gemäß 2, wobei die Drehmomentabstützung mittels Längenausgleichselement 8 und/oder die Versorgungsleitungen 9 nicht unbedingt radial oberhalb des Stators 3 angeordnet werden müssen. Diese Elemente können auch komplett oder teilweise axial neben der elektrischen Maschine 2 angeordnet werden. Bei Axialflussmotoren in I-Anordnung ist das besonders gut realisierbar, da die beiden Statorhälften des Stators 3, die den Rotor 4 umgeben, die axial äußeren Komponenten der elektrischen Maschine 2 bilden. In 3 ist die Drehmomentabstützung wieder durch die bereits aus 1 bekannte Gummimanschette realisiert. Diese ist in diesem Fall jedoch axial neben dem Stator 3 angeordnet. Die Drehmomentabstützung ist bei dem Ausführungsbeispiel trotz der Anordnung neben dem Stator 3 relativ weit radial außen angeordnet, um die durch das Motordrehmoment in die Drehmomentabstützung eingeleiteten Kräfte zu verringern. Die hier gezeigte Position für die Drehmomentabstützung ist auch sehr gut geeignet für die weiter oben beschriebenen alternativen Ausführungsformen der Drehmomentabstützung. In der 3 ist eine als Kühlflüssigkeitszuführung ausgebildete Versorgungsleitung 9 abgebildet, die radial innen an der rechten Stirnseite des Stators angeschlossen ist. Diese Versorgungsleitung 9 ist über ein Winkelstück mit dem Stator 3 verbunden, an das sich eine elastischer in radial Richtung verlaufender Bereich anschließt, der in ein Rohr übergeht. Die Verbindungselemente (z.B. Kabel, Stromschienen, Rohre oder Schläuche) möglichst weit innen an den Stator 3 anzuschließen ist besonders sinnvoll, da dort die durch die Kippbewegungen des Stators 3 hervorgerufenen Verlagerungen kleiner sind als radial außen und somit die daraus resultierenden elastischen Verformungen der Verbindungselemente verringert werden können.
An der linken Stirnseite des Stators 3 ist eine weitere Zuführungsleitung in axialer Richtung angeordnet. Auch auf dieser Seite können elektrische und hydraulische Leitungen in beliebiger Anzahl auf unterschiedlichen Radialpositionen und in unterschiedlicher Ausrichtung angeordnet werden.
In den 4-6 ist lediglich der eingehauste Stator 3 der Axialflussmaschine in 1-Anordnung gezeigt, wobei der Rotor 4 durch die radial außen miteinander verbundenen und in dem Statorgehäuse eingehausten Statorhälften verdeckt ist.
4 zeigt eine als elektrische Axialflussmaschine in I-Anordnung ausgebildete elektrische Maschine 2 mit einem Längenausgleichselement 8, ausgebildet als Drehmomentabstützung über Blattfedern 84, einer Stromzuführung über elektrische Stromschienen und einer Kühlmittelzuführung über beweglich montierte Rohrabschnitte 90 in perspektivischer Darstellung. Das Längenausgleichselement 8 ist dabei gebildet aus insgesamt drei umfänglich an zumindest einer axialen Stirnseite des Stators 3 angebundenen Blattfedern 84 oder Blattfederpaketen 840.
In der dargestellten Ausführungsform sind insgesamt drei auf dem Umfang verteilte näherungsweise tangential ausgerichtete Blattfederpakete 840 gezeigt. Die Blattfederpakete 840 bestehen aus mehreren übereinander liegenden und mit denselben Befestigungsmitteln (Niete) an den Nachbarbauteilen fixierten Blattfedern 84. Die Blattfedern 84 werden aus dünnem Federstehlblech hergestellt und so montiert, dass deren Blechebenen (ungefähr) orthogonal zur Rotationsachse der elektrischen Maschine 2 (Axialrichtung) ausgerichtet sind. Jeweils ein Ende der Blattfederpakete 840 ist am Stator 3 der elektrischen Maschine 2 befestigt und das andere Ende an einem die elektrische Maschine 2 abstützenden Element (z.B. einem Gehäuse 7 - in der Abbildung nicht dargestellt). Wenn sich der Stator 3 axial verlagert, können die durch ihre Struktur axial weichen Blattfederpakete 840 die Verlagerung mitmachen und die elektrische Maschine 2 gleichzeitig in Umfangsrichtung abstützen, so dass das Motordrehmoment durch die Blattfedern 84 auf das die elektrische Maschine 2 abstützende Element übertragen werden kann. Die drei auf dem Umfang angeordneten Blattfederpakete 840 haben zusammen auch eine radial zentrierende Wirkung auf den Stator 3. Daher muss die elektrische Maschine 2 mit ihrer Rotationsachse exakt koaxial zu der Rotationsachse des Abtriebselements 100 z.B. der Getriebeeingangswelle (bzw. des anders ausgeführten nachgelagerten Aggregates) - montiert werden. Dies kann erfolgen indem die Befestigungslöcher, mit denen die Blattfeder 84 am Gehäuse 7 oder am Stator 3 angeschraubt werden, etwas größer sind als die Schrauben, so dass genug Spiel entsteht, um die elektrische Maschine 2 bei der Montage exakt ausrichten zu können. Alternativ kann die elektrische Maschine 2 auch über verstiftete Zentrierlöcher exakt zu seinem Nachbaraggregat ausgerichtet werden. Dazu müssen dann Zentrierlöcher am Gehäuse 7, exakt ausgerichtet zur Rotationsachse des Nachbaraggregates (Getriebes), und Zentrierlöcher an den Blattfedern 84, exakt ausgerichtet zur Rotationsachse des Rotors 4, gebohrt werden, die dann miteinander verstiftet werden. Wenn die Blattfedern 84 montagetechnisch ein Teil des Getriebegehäuses sind, müssen die exakt gebohrten Zentrierlöcher natürlich in den Stator 3 und die Blattfederpakete 840 eingebracht werden. Im unteren und im linken Teil der Darstellung sind Befestigungselemente abgebildet, die mit den Blattfedern 84 vernietet sind und Befestigungslöcher aufweisen oder in die die Zentrierlöcher gebohrt werden können, über die die Blattfederpakete 840 anschließend am Gehäuse 7 verschraubt werden. Alternativ kann dieses Ausführungsbeispiel auch mit nur einem Blattfederpacket 84 ausgestattet werden. Ein einzelnes Blattfederpaket 840 kann die elektrische Maschine 2 nicht radial zentrieren und erfordert daher auch keine so exakte Ausrichtung bei der Montage. Die Zentrierung des Stators 3 erfolgt dann nur über die Lagerung des Stators 3 auf dem Rotor 4 oder der Rotorwelle W.
5 zeigt eine als elektrische Axialflussmaschine in I-Anordnung ausgebildete elektrische Maschine 2 mit einer Drehmomentabstützung über ein Längenausgleichselement 8 mittels einer näherungsweise tangential angeordneten, starren Koppelstange 85. Die gezeigte Koppelstange 85 ist über Befestigungsstellen an beiden axialen Enden mit dem Stator 3 und einem den Stator 3 abstützenden Bauteil verbunden. Diese Befestigungsstellen sind, wie in der vergrößerten Detaildarstellung oben zu entnehmen ist, jeweils als Kugelköpfe ausgeführt, die Rotationsbewegungen in mehrere Raumrichtungen zulassen. Dadurch kann die Drehmomentabstützung das ungewollte Mitrotieren des Stators 3 verhindern und sich gleichzeitig an radiale und axiale Verlagerungen des Stators 3 anpassen, ohne diese Bewegungen zu behindern.
Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Zuführung und Ableitung der Kühlflüssigkeit (bzw. eines Fluids das eine andere Aufgabe erfüllt) durch zwei als elastische Wellbalgrohre ausgebildete Versorgungsleitungen 9. Diese Wellbalgrohre können beispielsweise aus Metall oder Kunststoff ausgeführt werden. Alternativ kann die Fluidzuführung auch über Schläuche erfolgen, z.B. über Schläuche mit Gewebeverstärkung, wie dies beispielsweise bei Hydraulikschläuchen der Fall ist. Es können auch mehrere elastische Elemente hintereinander angeordnet werden. So ist es beispielsweise sinnvoll ein starres Verbindungselement wie beispielsweise ein Rohrstück zwischen zwei elastischen Elementen anzuordnen, über die es dann an dem Stator 3 und an der das Fluid bereitstellenden Komponente angeschlossen wird. Durch das starre Element zwischen den beiden elastischen Elementen führen die meisten Bewegungen des Stators 3 nur zu geringen Winkelbewegungen in den elastischen Elementen. Dadurch wird die Verformung der elastischen Elemente reduziert, so dass kleinere und günstigere elastische Elemente verwendet werden können.
Um die elektrische Maschine 2 mit Strom zu versorgen, sind bei dem Ausführungsbeispiel von 5 drei als gebogene elektrische Leiter ausgebildete elektrische Versorgungsleitungen 9 vorgesehen. Die Leiter verbinden den Stator 3 mit einer den elektrischen Strom bereitstellenden Komponente (in der Abbildung nicht dargestellt). Durch die Wölbung der gebogenen Leiter werden die Leiter flexibler und können Bewegungen des Stators 3 relativ zu der benachbarten Komponente in allen Raumrichtungen elastisch ausgleichen. Je länger der Leiter ist und je stärker er gewölbt oder gekrümmt ist, desto flexibler wird er. Spiralförmig gebogene Leiter oder mäanderförmig gebogene Leiter sind besonders gut geeignet, um auf kleinem Bauraum einen ausreichend elastischen Leiter unterzubringen. Die Leiter können massiv ausgeführt werden (z.B. in Form einer geraden oder gebogenen Stange) oder sie können aus dünneren Drähten zusammengesetzt sein, wie dies beispielsweise bei Kabeln oder Metallgeweben der Fall ist.
6 zeigt eine als elektrische Axialflussmaschine ausgebildete elektrische Maschine 2 mit einer konstruktiv einfachen Drehmomentabstützung über einen in einer Ausnehmung gelagerten Zapfen, in schematischer Darstellung, einmal in axialer Draufsicht (oben) und einmal in einer Perspektivdarstellung (unten), wobei in der unteren Darstellung der Zapfen über ein als Blattfeder ausgebildetes elastisches Element in Umfangsrichtung kraftbeaufschlagt ist. Die Drehmomentabstützung erfolgt hier über einen in Umfangsrichtung wirkenden Anschlag bzw. einen Formschluss zwischen dem Stator 3 der elektrischen Maschine 2 und dem Gehäuse 7 (oder einem andern die elektrische Maschine 2 abstützenden Element). Bei dem Ausführungsbeispiel ragt ein mit dem Stator 3 verbundener Fortsatz 81 in einen Schlitz des Gehäuses 7 hinein. Je nachdem in welche Richtung die elektrische Maschine 2 Drehmoment auf die Räder ausübt, legt sich die eine oder andere Seite des Fortsatzes tangential an die entsprechende Kontaktfläche des Schlitzes im Gehäuse 7 an. Ändert sich die Drehmomentrichtung, verdreht sich der Stator 3 minimal bis das tangentiale Spiel überwunden ist und die zuvor nicht belasteten Anschlagsflächen von Stator 3 und Gehäuse 7 in Kontakt kommen und so die vom Drehmoment hervorgerufene Tangentialkraft übertragen können. Radiale und axiale Bewegungen des Stators 3 sind weiterhin möglich, da der Fortsatz 81 radial und axial in dem Schlitz verschoben werden kann. Bei dieser Bauform der Drehmomentabstützung ist es besonders sinnvoll, diese radial möglichst weit außen am Stator 3 die elektrische Maschine 2 zu positionieren, um einen möglichst großen Abstand zwischen der Drehachse die elektrische Maschine 2 und der Kontaktstelle der Drehmomentabstützung zu schaffen. Durch diesen großen Abstand zwischen der Drehachse die elektrische Maschine 2 und der Kontaktstelle der Drehmomentabstützung, wird die tangentiale Abstützkraft gesenkt und somit auch die Verschiebereibung reduziert, die bei axialen oder radialen Verlagerungen des Stators 3 auftritt, wenn gleichzeitig Drehmoment übertragen wird. Um die auftretende Reibung noch weiter zu senken oder um den Verschleiß an den Kontaktstellen zu reduzieren, können die Kontaktstellen auch beschichtet werden oder zusätzliche Bauteile aus reibwertreduzierendem und/oder verschleißfestem Material zwischen dem Fortsatz die elektrische Maschine 2 und dem Gehäuse 7 angeordnet werden.
Alternativ können auch andere einen tangentialen Formschluss bildende Konturen als Drehmomentabstützung genutzt werden. Beispielsweise kann das Gehäuse 7 auch einen Fortsatz aufweisen, der in den Stator 3 hineinragt, statt dass der Stator 3 mit einem Fortsatz 81 in das Gehäuse 7 hineinragt.
Alternativ kann die spielbehaftete Drehmomentabstützung auch mit einem Federmechanismus versehen werden, der eine tangentiale Kraft auf den Stator 3 die elektrische Maschine 2 und/oder die Drehmomentabstützung ausübt (Darstellung unten). Durch die tangentiale Federkraft wird von der Feder ein Drehmoment auf den Stator 3 ausgeübt, das dem Drehmoment, mit dem sich der Stator 3 an der Drehmomentabstützung abstützen muss, um die Rotorwelle W anzutreiben, überlagert wird. Der Flankenwechsel, der in der spielbehafteten Drehmomentabstützung beim Nulldurchgang des Drehmomentes auftritt, kann durch den Federmechanismus zu anderen Motordrehmomenten hin verschoben werden. Somit lässt sich durch die richtige Dimensionierung des Federmechanismus der Flankenwechsel in einen Motordrehmomentbereich legen, in der der Flankenwechsel nicht störend ist. Beispielsweise ist es möglich den Flankenwechsel in ein Drehmomentbereich zu legen, der selten durchfahren wird, um die Anzahl der Flankenwechsel zu reduzieren. Dadurch kann der Verschleiß an der Drehmomentabstützung reduziert werden. Es ist beispielsweise auch möglich den Flankenwechsel in ein Drehmomentbereich zu legen, in dem mögliche Klappergeräusche der Drehmomentabstützung nicht stören, da sie von anderen Fahrgeräuschen überdeckt werden. Ist der Federmechanismus stark genug, kann der Motor auch so stark in eine Richtung gegen eine Kontaktfläche (Flanke) der Drehmomentabstützung gedrückt werden, dass das Motordrehmoment in die Gegenrichtung nie oder fast nie groß genug ist, um die Kraftwirkung des Federmechanismus zu überwinden und einen Flankenwechsel in der Drehmomentabstützung hervorzurufen.
Der gezeigte Federmechanismus besteht aus einer gebogenen Blattfeder, die an Gehäuse 7 befestigt ist und deren freies federndes Ende zwischen den Fortsatz 81 und der benachbarten Kontaktfläche des Gehäusespaltes liegt. Das freie Federende kann so eine tangential wirkende Kraft auf den Fortsatz 81 des Stators 3 ausüben, die diesen gegen die gegenüberliegende Kontaktfläche des Gehäusespalts drückt. Da die Feder zwischen dem Fortsatz 81 und einer der beiden Kontaktflächen des Gehäuses 7 angeordnet ist, schützt sie auch die hinter der Feder liegende Kontaktfläche des Gehäuses 7 vor Verschleiß. Diesen Effekt kann man auch für die gegenüberliegende Kontaktstelle zwischen Fortsatz 81 und Schlitz nutzen, indem man auch dort ein hochfestes oder gehärtetes Blechteil zwischen Fortsatz 81 und Schlitz montiert. Man kann dafür sogar eine baugleiche Feder nutzen, wenn man diese so einbaut, dass sie kein Kraftwirkung in Richtung des Fortsatzes 81 ausübt oder deutlich schwächer ist als die gegenüberliegende Feder.
7 zeigt eine als elektrische Radialflussmaschine ausgebildete elektrische Maschine 2 in einem Axialschnitt, in schematischer Darstellung und veranschaulicht damit, dass die am Beispiel verschiedener Axialflussmaschinen vorgestellten Lösungen auch auf Radialflussmaschinen übertragbar sind. Die 7 zeigt eine Radialflussmaschine die mit ihrem Statorgehäuse über entsprechende Längenausgleichselemente 8 zur Drehmomentabstützung des Stators 3 gegen das Gehäuse 7 der elektrischen Maschine 2 abgestützt ist. Dabei ist der Rotor 4 über die Lagerstelle 61 am Stator abgestützt und ist der Rotor 4 mit seiner Rotorwelle W an gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 7 in Gehäusewandungen gelagert abgestützt. Im Übrigen gelten die vorstehend bezüglich Axialflussmaschinen beschrieben Eigenschaften analog auch bei der dargestellten Radialflussmaschiene bzw. sind diese entsprechend umsetzbar.
Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten axial elastischen Elemente (Längenausgleichselemente 8), die der Drehmomentabstützung dienen oder Teil der flexiblen Leitungen zwischen dem Stator 3 und der den Stator 3 umgebenden Bauteilen sind, sind immer nur beispielhaft für Elemente mit diesen Eigenschaften dargestellt. Es können bei allen Ausführungsbeispielen immer auch anders ausgeführte Elemente eingesetzt werden, wenn sie vergleichbare Eigenschaften aufweisen wie die abgebildeten Detaillösungen.
Die hier vorgestellte Lagerung des Stators 3 auf dem Rotor 4 bzw. der Rotorwelle W ist für Axialflussmotoren besonders sinnvoll, da diese E-Motoren durch ihre schlanke scheibenförmige Bauweise besondere empfindlich sind gegenüber axial auf sie einwirkenden Kräften oder langen Toleranzketten, die sich auf die Luftspalte zwischen Rotor und Stator auswirken. Die Lagerung des Stators 3 auf dem Rotor 4 ist aber auch für alle anderen E-Motoren sinnvoll, um die axiale Kraftbelastung auf die Struktur der E-Motoren zu reduzieren und um eine sehr genaue Ausrichtung zwischen Stator 3 und Rotor 4 dauerhaft sicherstellen zu können.
Die hier beschriebenen Lagerungsvarianten sind nicht nur für E-Achsen anwendbar. Die Lagerungsvarianten können auch für Elektromotoren eingesetzt werden, die an anderen Stellen eines Kraftfahrzeugs angeordnet sind. Die Lagerung ist auch unabhängig nutzbar von der Art der von den Elektromotoren angetriebenen Aggregaten. In den Abbildungen ist immer eine Stirnradstufe 22 abgebildet, die ein Getriebe andeuten soll, das das Drehmoment der elektrischen Maschine 2 aufnimmt. Es können aber auch andere Aggregate oder Antriebsstrangkomponenten angetrieben werden. So ist es beispielsweise auch möglich, dass der Elektromotor direkt mit einem Antriebsrad verbunden wird.
In dieser Erfindungsmeldung werden unter Antriebsstrang alle Komponenten eines Kraftfahrzeugs verstanden, die Leistung für den Antrieb des Kraftfahrzeuges generieren und über die Fahrzeugräder bis auf die Straße übertragen.
Die in dieser Erfindungsmeldung benutzten Begriffe radial , axial , tangential und Umfangsrichtung beziehen sich immer auf die Rotationsachse der elektrischen Maschine. Die Begriffe links , rechts sowie oben , unten dienen hier nur dazu, um zu verdeutlichen, welche Bereiche der Abbildungen gerade im Text beschrieben werden. Die spätere Ausführung der Erfindung kann auch anders angeordnet werden.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezugszeichenliste

1: Maschinenanordnung
2: elektrische Maschine
3: Stator
4: Rotor
6: (den Stator) abstützende Komponente
7: Gehäuse
8: Längenausgleichselement
9: Versorgungsleitung
11: Wellenerdungselement
12: Rotorlagesensor
22: Getriebezahnrad/Getriebestufe
30: Ausnehmung (Stator)
50: Ausnehmung (Gehäuse)
31: Widerlager (Stator)
41: Widerlager (Rotor)
61: Lagerung (Rotor/Stator)
611: erste Lagerstelle
612: zweite Lagerstelle
62: Lagerung (Rotorwelle/Gehäuse)
621: erste Lagerstelle
622: zweite Lagerstelle
80: elastisches Element
81: Fortsatz
83: Wellrohr
84: Blattfeder
840: Blattfederpaket
85: Koppelstange
90: Rohrabschnitt
91, 92: Aufnahme (für Rohrabschnitt)
100: Abtriebselement

Claims

Elektrische Maschinenanordnung (1), die aufweist: eine elektrische Maschine (2) für den Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit einem Stator (3) und mit einem Rotor (4), eine den Stator (3) abstützende Komponente (6), ein in drehfestem Kontakt mit dem Rotor (4) stehendes Abtriebselement (100), ein Längenausgleichselement (8), wobei der Stator (3) unter Zwischenschaltung des Längenausgleichselements (8) in Rotationsrichtung abgestützt und zumindest axialbeweglich gegenüber der den Stator (3) abstützenden Komponente (6) an dieser angebunden ist, und Versorgungsleitungen (9), die ausgebildet sind, eine aufgrund der Zwischenschaltung des Längenausgleichselements (8) zwischen dem Stator (3) und der den Stator (3) abstützenden Komponente (6) zugelassene axiale Verschiebung des Stators (3) um eine vorbestimmte maximale Wegstrecke auszugleichen.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach Anspruch 1, wobei die den Stator (3) abstützende Komponente (6) als ein Gehäuse (7) der elektrischen Maschine (2) ausgebildet ist.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stator (3) über zumindest eine erste Lagerung (61) von der Drehbewegung des Rotors (4) entkoppelt gegen den Rotor (4) abgestützt angeordnet ist.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Längenausgleichselement (8) als sich in axialer Richtung oder in radialer Richtung erstreckender Fortsatz (81) ausgebildet ist, der bereichsweise in einer korrespondierenden Ausnehmung (82) geführt angeordnet ist, der Fortsatz entweder an dem Stator (3) oder an der den Stator abstützenden Komponente (6) angebunden ist und die korrespondierende Ausnehmung in der abstützenden Komponente (6) oder in dem Stator (3) ausgebildet ist.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach Anspruch 4, wobei der Fortsatz (81) in der korrespondieren Ausnehmung (82) über ein elastisches Element (80) zumindest in einer Umfangsrichtung kraftbeaufschlagt angeordnet ist.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach Anspruch 5, wobei das elastische Element (80) als Elastomer oder als Spiral- oder Blattfeder ausgebildet ist.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Längenausgleichselement (8) als einzelne Blattfeder (84) oder als Blattfederpaket ausgebildet ist.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach Anspruch 7, wobei das Längenausgleichselement (8) durch eine Mehrzahl von umfänglich an dem Stator (3) verteilt angebundenen Blattfedern (84) oder durch eine Mehrzahl von umfänglich an dem Stator (3) verteilt angebundenen Blattfederpaketen ausgebildet ist.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Längenausgleichselement (8) als eine Koppelstange (85) ausgebildet ist.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach Anspruch 9, wobei die Koppelstange (85) an zumindest einem ihrer freien axialen Enden eine Gelenkverbindung, insbesondere eine Kugelgelenkverbindung, oder eine elastische Verbindung, insbesondere einen mit einem Elastomer ausgestatten Verbindungskopf, aufweist.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Längenausgleichselement (8) als sich in axialer Richtung oder in radialer Richtung erstreckende und als Wellrohr (83) ausgebildete Versorgungsleitung (9) für ein Kühlmittel ausgebildet ist.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei eine als Kühlmittelleitung ausgebildete Versorgungsleitung (9) zumindest abschnittsweise durch eine elastische und/oder verschiebbare Dichtung, durch ein elastisches Wellrohr, durch einen elastischen Balg oder durch einen elastischen Schlauch derart gebildet ist, dass eine Kühlmittelversorgung des Stators (3) in allen axialen Positionen gewährleistet ist, die durch das axiale Längenausgleichselement (8) zwischen dem Stator (3) und der den Stator (3) abstützenden Komponente (6) ermöglicht sind.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach Anspruch 12, wobei die als Kühlmittelleitung ausgebildete Versorgungsleitung (9) einen Rohrabschnitt (90) umfasst, der an zumindest einem axialen Ende mit einer elastischen und/oder verschiebbaren Dichtung ausgebildet und in einer Aufnahme (91, 92) verschiebbar geführt angeordnet ist.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Koppelstange (11) zum Zuführen eines Kühlmittels zu dem Stator (3) im Inneren hohl ausgebildet ist und/oder für das elektrische Versorgen des Stators (3) zumindest bereichsweise elektrisch leitend ausgebildet ist.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei eine als Stromleitung ausgebildete Versorgungsleitung (9) zumindest bereichsweise einen, eine Verlängerung der Versorgungsleitung (9) ermöglichenden Längenausgleichsabschnitt (91) aufweist, und der Längenausgleichsabschnitt (91) insbesondere durch ein Kabel, durch eine elastische Stromschiene, durch eine Leiterspirale oder durch ein elastisches, elektrisch leitendes Leitergeflecht gebildet ist.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei als Stromleitungen ausgebildete Versorgungsleitungen (9) zum elektrischen Versorgen der elektrischen Maschine (2) gebildet sind durch zumindest zwei umfänglich verteilt an dem Stator (3) angeordnete Blattfedern (51) oder Blattfederpakete.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei eine als Stromleitung ausgebildete Versorgungsleitung (9) flachbandartig ausgebildet ist, und die Stromleitung derart an den Stator (3) angebunden ist, dass eine Bandebene der Stromleitung sich senkrecht zur axialen Bewegungsrichtung des Stators (3) erstreckt.