DE102021204098A1

DE102021204098A1 - Vorrichtung zum elektrischen Koppeln einer drehbar gelagerten Welle und Antriebssystem

Info

Publication number: DE102021204098A1
Application number: DE102021204098.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schneider; Tobias Karstens; Peter Sigg
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-04-26
Filing date: 2021-04-26
Publication date: 2022-10-27

Abstract

Eine Vorrichtung (110) zum elektrischen Koppeln einer drehbar gelagerten Welle (102) mit einem Bauteil (106) eines Antriebssystems (100), bei der die Welle (102) Teil eines zumindest teilweise elektrischen Antriebssystems (100) ist, umfasst eine erste Kopplungseinheit (120), die aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeformt ist und an der Welle (102) mitdrehend befestigbar oder befestigt ist. Auch umfasst die Vorrichtung (110) eine zweite Kopplungseinheit (130), die aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeformt ist und bezüglich der Welle (102) feststehend an dem Bauteil (106) in dem Antriebssystem (100) befestigbar ist. In einem montierten Zustand der Vorrichtung (110), in dem die erste Kopplungseinheit (120) an der Welle (102) befestigt ist und die zweite Kopplungseinheit (130) bezüglich der Welle (102) feststehend an dem Bauteil (106) in dem Antriebssystem (100) befestigt ist, ist eine kapazitive Kopplung zwischen der ersten Kopplungseinheit (120) und der zweiten Kopplungseinheit (130) über einen Spalt zwischen denselben hinweg erzeugbar.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum elektrischen Koppeln einer drehbar gelagerten Welle und auf ein Antriebssystem, das zumindest teilweise elektrisch ausgeführt ist, mit einer solchen Vorrichtung.
Insbesondere Elektroantriebe und Hybridantriebe können eine sogenannte Wellenerdung benötigen, um eingekoppelte Ströme von der Welle in Richtung zu einem Gehäuse abzuleiten. Viele herkömmliche Lösungen wie beispielsweise Schleifkontakte können Reibung erzeugen und sich abnützen, wobei auch eine Wirkweise mancher derartigen herkömmlichen Lösungen gegenüber höheren Frequenzen abnehmen kann. Ferner existieren Ableitkondensatoren für eine Wellenspannung von Elektroantrieben.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zum Erden, elektrischen Koppeln oder anderweitige Stromführung einer drehbar gelagerten Welle und ein verbessertes Antriebssystem gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Gemäß Ausführungsformen kann insbesondere eine elektrische Kopplung, insbesondere eine Erdung einer drehbar gelagerten Welle eines mindestens teilweise elektrischen Antriebssystems auf kapazitive Weise realisiert werden. Dabei kann beispielsweise eine kapazitive Kopplung zwischen einer mit der Welle mitdrehenden Komponente und einer bezüglich der Welle feststehenden Komponente auf eine mechanisch kontaktlose Weise über einen Spalt hinweg erzielt werden.
Vorteilhafterweise kann gemäß Ausführungsformen insbesondere eine kompakte, effiziente kapazitive Wellenerdung erreicht werden. So kann auf vorteilhafte Weise eine EMV-Maßnahme oder anders ausgedrückt eine Maßnahme zur elektromagnetischen Verträglichkeit, zur Entstörung oder auch anderweitige Stromführungen realisiert werden. Die vorgestellte Vorrichtung kann beispielsweise eine hocheffiziente Kopplung zwischen einer drehenden Welle und einem feststehenden Teil, wie beispielsweise einem Gehäuse, ermöglichen oder bewirken. Ermöglicht werden kann dies insbesondere durch eine vorteilhafte geometrische Anordnung oder Ausformung der Vorrichtung, so dass eine hohe Kapazität auf geringem Bauraum erzielt werden kann, um eine effiziente Entstörung erzielen zu können. Zudem kann im Hinblick auf die Vorrichtung beispielsweise Reibung vermieden und somit eine hohe Zuverlässigkeit erreicht werden.
Eine Vorrichtung zum elektrischen Koppeln einer drehbar gelagerten Welle mit einem Bauteil eines Antriebssystems, wobei die Welle Teil eines zumindest teilweise elektrischen Antriebssystems ist, umfasst folgende Merkmale:

eine erste Kopplungseinheit, die aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeformt ist und an der Welle mitdrehend befestigbar oder befestigt ist; und
eine zweite Kopplungseinheit, die aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeformt ist und bezüglich der Welle feststehend in dem Antriebssystem befestigbar ist,
wobei in einem montierten Zustand der Vorrichtung, in dem die erste Kopplungseinheit an der Welle befestigt ist und die zweite Kopplungseinheit bezüglich der Welle feststehend an dem Bauteil in dem Antriebssystem befestigt ist, eine kapazitive Kopplung zwischen der ersten Kopplungseinheit und der zweiten Kopplungseinheit über einen Spalt zwischen denselben hinweg erzeugbar ist.

Das Antriebssystem kann einen elektrischen oder hybridelektrischen Antriebsstrang, ein Hybridgetriebe, einen Hybridelektroantrieb, einen Elektroantrieb, einen elektromotorischen Steller, ein Getriebe oder dergleichen aufweisen. Der Spalt kann als Luftspalt ausgebildet sein. Alternativ kann auch ein Dielektrikum wie beispielsweise ein Öl oder Ethanol zur Erhöhung der Kapazität in den Spalt eingebracht sein.
Günstig ist ferner eine Ausführungsform, bei der die erste Kopplungseinheit als eine sich von der Welle weg erstreckende Scheibe und/oder die zweiten Kopplungseinheit als eine sich von dem Bauteil weg erstreckende Scheibe ausgeformt ist, insbesondere wobei die erste Kopplungseinheit und die zweite Kopplungseinheit im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil eines geringen erforderlichen Bauraums.
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform durch zumindest eine aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeformte und an der Welle befestigte oder befestigbare weitere erste Kopplungseinheit und/oder zumindest eine aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeformte und an dem Bauteil befestigte oder befestigbare weitere zweiten Kopplungseinheit vorgesehen sein. In einem montierten Zustand der Vorrichtung kann eine kapazitive Kopplung zwischen der zumindest einen weiteren ersten Kopplungseinheit und/oder der zweiten Kopplungseinheit und/oder der zumindest einen weiteren zweiten Kopplungseinheit über den Spalt und/oder einen weiteren Spalt hinweg erzeugbar sein. Insbesondere kann die zumindest eine weitere erste Kopplungseinheit als eine sich von der Welle weg erstreckende Scheibe und/oder die zumindest eine weitere zweiten Kopplungseinheit als eine sich von dem Bauteil weg erstreckende Scheibe ausgeformt sein. Speziell kann auch die erste Kopplungseinheit, die zumindest eine weitere erste Kopplungseinheit, die zweite Kopplungseinheit und/oder die zumindest eine zweite Kopplungseinheit im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sein. Eine solches Ausführungsform bietet den Vorteil einer besonders großen kapazitiven Kopplungsmöglichkeit zwischen dem Bauteil und der Welle.
Ferner kann gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform die erste Kopplungseinheit zumindest einen Zylindermantel aufweisen, der in einem an der Welle befestigten Zustand der ersten Kopplungseinheit koaxial zu einer Drehachse der Welle angeordnet ist, wobei der Zylindermantel einen ersten Radius aufweist, wobei die zweite Kopplungseinheit zumindest einen weiteren Zylindermantel aufweist, der in einem bezüglich der Welle feststehend befestigten Zustand der zweiten Kopplungseinheit koaxial zu der Drehachse der Welle angeordnet oder anordenbar ist. Auch kann der weitere Zylindermantel einen zweiten Radius aufweisen, der sich von dem ersten Radius unterscheidet und wobei eine kapazitive Kopplung zwischen dem zumindest einen Zylindermantel und dem zumindest einen weiteren Zylindermantel über einen Spalt zwischen denselben hinweg erzeugbar sein. Der zumindest eine Zylindermantel der ersten Kopplungseinheit kann von einer Umfangsoberfläche der Welle radial beabstandet angeordnet sein. In dem montierten Zustand der Vorrichtung kann der Zylindermantel zwischen der Welle und dem weiteren Zylindermantel angeordnet sein oder kann der weitere Zylindermantel zwischen der Welle und dem Zylindermantel angeordnet sein. Auch eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass durch eine solches Anordnung von Komponenten eine sehr hohe Kapazität bei geringen räumlichen Abmessungen realisiert werden kann.
Dabei können in dem montierten Zustand der Vorrichtung der zumindest eine Zylindermantel und der zumindest eine weitere Zylindermantel über den Spalt radial bezüglich der Drehachse voneinander beabstandet angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ können in dem montierten Zustand der Vorrichtung der zumindest eine Zylindermantel und der zumindest eine weitere Zylindermantel bezogen auf axiale Abmessungen der Zylindermäntel zumindest teilweise einander überlappend angeordnet sein. Ebenso ist eine Ausführung denkbar bei der Scheibenelemente kammförmig ineinander greifen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein mindestens verschleißarmer oder verschleißfreier Betrieb der Vorrichtung ermöglicht wird, wobei zugleich eine effiziente und zuverlässige Erdung erzielt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann der zumindest eine Zylindermantel eine erste axiale Abmessung aufweisen und kann der zumindest eine weitere Zylindermantel eine zweite axiale Abmessung aufweisen. Hierbei können die axialen Abmessungen innerhalb eines Toleranzbereichs identisch sein. Der Toleranzbereich kann herstellungsbedingt und zusätzlich oder alternativ montagebedingt sein. Unter einer axialen Abmessung kann eine Länge eines Zylindermantels oder weiteren Zylindermantels verstanden werden. Je größer die axialen Abmessungen sind, desto höher ist die elektrische Kapazität der Vorrichtung, und ist umgekehrt die elektrische Kapazität der Vorrichtung umso niedriger, je kleiner die axialen Abmessungen sind. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die kapazitive Kopplung effizient und in minimalem Bauraum realisiert werden kann.
Insbesondere kann in dem montierten Zustand der Vorrichtung bei einer Drehbewegung der Welle die erste Kopplungseinheit reibungsfrei bezüglich der zweiten Kopplungseinheit angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein Verschleiß der Vorrichtung im Betrieb zumindest verringert oder verhindert werden kann.
Auch kann die Vorrichtung in dem montierten Zustand als ein Zylinderkondensator wirken. Hierbei kann die elektrische Kapazität der Vorrichtung eine Funktion des von den Radien der Zylindermäntel abhängigen Spalts und von axialen Abmessungen der Zylindermäntel sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die elektrische Kapazität der Vorrichtung zuverlässig und exakt auf die für ein Anwendungsszenario beabsichtigte Entstörung abgestimmt sein bzw. werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die erste Kopplungseinheit eine erste Mehrzahl von Zylindermänteln aufweisen und kann die zweite Kopplungseinheit eine zweite Mehrzahl von weiteren Zylindermänteln aufweisen. Die Zylindermäntel und die weiteren Zylindermäntel können alle voneinander unterschiedliche Radien aufweisen. In dem montierten Zustand der Vorrichtung können die Zylindermäntel und die weiteren Zylindermäntel in radialer Richtung abwechselnd angeordnet sein. Die erste Mehrzahl von Zylindermänteln und die zweite Mehrzahl von Zylindermänteln können identisch oder voneinander verschieden sein. Anders ausgedrückt kann eine erste Anzahl von Zylindermänteln und eine zweite Anzahl von weiteren Zylindermänteln vorgesehen sein, wobei die erste Anzahl und die zweite Anzahl identischer oder voneinander verschieden sein kann. Die Zylindermäntel und die weiteren Zylindermäntel können in dem montierten Zustand der Vorrichtung miteinander kämmen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Welle auf effiziente, zuverlässige und Platz sparende Weise geerdet werden kann.
Insbesondere kann die erste Kopplungseinheit zwei Zylindermäntel aufweisen und kann die zweite Kopplungseinheit drei weitere Zylindermäntel aufweisen. Hierbei kann in dem montierten Zustand der Vorrichtung jeweils ein Zylindermantel zwischen zwei der weiteren Zylindermäntel angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein günstiges Verhältnis zwischen elektrischer Kapazität und benötigtem Bauraum für die Zylindermäntel und weiteren Zylindermäntel erzielt werden kann. Alternativ kann die erste Kopplungseinheit drei Zylindermäntel aufweisen und kann die zweite Kopplungseinheit zwei weitere Zylindermäntel aufweisen, wobei jeweils ein weiterer Zylindermantel zwischen zwei der Zylindermäntel angeordnet sein kann.
Auch kann die erste Kopplungseinheit eine Scheibe mit einem Aufnahmeabschnitt zum Aufnehmen der Welle aufweisen. Hierbei kann sich der zumindest eine Zylindermantel als ein Vorsprung in axialer Richtung von der Scheibe weg erstreckt. Der Aufnahmeabschnitt kann koaxial bezüglich des zumindest einen Zylindermantels angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die erste Kopplungseinheit aufgrund ihrer geometrischen Ausformung sicher an der Welle fixierbar und platzsparend ausführbar ist.
Ferner kann die zweite Kopplungseinheit eine weitere Scheibe aufweisen. Hierbei kann sich der zumindest eine weitere Zylindermantel als ein Vorsprung in axialer Richtung von der weiteren Scheibe weg erstrecken. Insbesondere kann in der weiteren Scheibe ein weiterer Aufnahmeabschnitt zum Aufnehmen der Welle ausgeformt sein. Der weitere Aufnahmeabschnitt kann koaxial bezüglich des zumindest einen weiteren Zylindermantels angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die geometrische Ausformung der zweiten Kopplungseinheit eine effiziente und platzsparende Wellenerdung ermöglicht.
Ein Antriebssystem, wobei das Antriebssystem zumindest teilweise elektrisch ausgeführt ist, umfasst folgende Merkmale:

eine drehbar gelagerte Welle;
ein bezüglich der Welle feststehendes Bauteil; und
eine Ausführungsform der vorstehend genannten Vorrichtung, wobei die erste Kopplungseinheit an der Welle befestigt ist, wobei die zweite Kopplungseinheit an dem Bauteil befestigt ist.

In einem solchen Antriebssystem kann eine Ausführungsform der vorstehend genannten Vorrichtung vorteilhaft eingesetzt oder verwendet werden, um die Welle elektrisch zu erden. Bei dem Bauteil kann es sich beispielsweise um ein Gehäuse des Antriebssystems oder ein anderes bezüglich der Welle feststehendes Bauteil handeln.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Antriebssystems mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung einer ersten Kopplungseinheit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Kopplungseinheit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Antriebssystems 100 mit einer Vorrichtung 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Antriebssystem 100 ist zumindest teilweise elektrisch ausgeführt. Anders ausgedrückt handelt es sich bei dem Antriebssystem 100 um ein elektrisches Antriebssystem oder ein hybrid-elektrisches Antriebssystem für ein Kraftfahrzeug. Das Antriebssystem 100 umfasst die Vorrichtung 110.
Die Vorrichtung 110 ist eine Vorrichtung zum elektrischen Koppeln einer drehbar gelagerten Welle 102. Eine solche Kopplung kann beispielsweise zum Erden der Welle oder allgemein zum Verbringen eines Potenzials der Welle auf einen bestimmten Wert verwendet werden. Das Antriebssystem 100 umfasst die drehbar gelagerte Welle 102. Anders ausgedrückt ist die drehbar gelagerte Welle 102 Teil des Antriebssystems 100. Die Welle 102 ist um eine Drehachse 104 drehbar gelagert. Das Antriebssystem 100 umfasst ferner ein bezüglich der Welle 102 feststehendes Bauteil 106. Bei dem Bauteil 106 handelt es sich gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich exemplarisch um ein Gehäuse des Antriebssystems 100.
Die Vorrichtung 110 umfasst eine erste Kopplungseinheit 120 und eine zweite Kopplungseinheit 130. Die erste Kopplungseinheit 120 und die zweite Kopplungseinheit 130 können für den Fall, dass die Vorrichtung 110 zum Erden verwendet wird, auch jeweils als Erdungseinheiten bezeichnet werden. In der Darstellung von 1 ist die erste Kopplungseinheit 120 an der Welle 102 befestigt, wobei die zweite Kopplungseinheit 130 an dem Bauteil 106 befestigt ist, was einen montierten Zustand der Vorrichtung 110 repräsentiert. Anders ausgedrückt ist in dem montierten Zustand der Vorrichtung 110 die erste Kopplungseinheit 120 mitdrehend an der Welle 102 befestigt und ist die zweite Kopplungseinheit 130 bezüglich der Welle 102 feststehend in dem Antriebssystem 100 befestigt.
Die erste Kopplungseinheit 120 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeformt. Auch ist die erste Kopplungseinheit 120 ausgeformt, um an der Welle 102 mitdrehend befestigbar zu sein. Die erste Kopplungseinheit 120 weist zumindest einen Zylindermantel 122 auf, der in dem an der Welle 102 befestigten Zustand der ersten Kopplungseinheit 120 koaxial zu der Drehachse 104 der Welle 102 angeordnet ist. Der Zylindermantel 122 weist einen ersten Radius auf. Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die erste Kopplungseinheit 120 einen Zylindermantel 122 auf.
Die zweite Kopplungseinheit 130 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeformt. Ferner ist die zweite Kopplungseinheit 130 ausgeformt, um bezüglich der Welle 102 feststehend in dem Antriebssystem 100, genauer gesagt an dem Bauteil 106, befestigbar zu sein. Anders ausgedrückt ist die zweite Kopplungseinheit 130 gehäusefest montierbar. Die zweite Kopplungseinheit 130 weist zumindest einen weiteren Zylindermantel 132 auf, der in dem bezüglich der Welle 102 feststehend befestigten Zustand der zweiten Kopplungseinheit 130 koaxial zu der Drehachse 104 der Welle 102 angeordnet ist. Der weitere Zylindermantel 132 weist einen zweiten Radius auf, der sich von dem ersten Radius des Zylindermantels 122 der ersten Kopplungseinheit 120 unterscheidet. Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die zweite Kopplungseinheit 130 einen weiteren Zylindermantel 132 auf.
In dem montierten Zustand der Vorrichtung 110 ist eine kapazitive Kopplung zwischen dem zumindest einen Zylindermantel 122 und dem zumindest einen weiteren Zylindermantel 132 über einen Spalt zwischen denselben hinweg erzeugbar. Dabei ist in dem montierten Zustand der Vorrichtung 110 bei einer Drehbewegung der Welle 102 die erste Kopplungseinheit 120 reibungsfrei bezüglich der zweiten Kopplungseinheit 130 angeordnet.
Insbesondere sind in dem montierten Zustand der Vorrichtung 110 der zumindest eine Zylindermantel 122 und der zumindest eine weitere Zylindermantel 132 über den Spalt radial bezüglich der Drehachse 104 voneinander beabstandet. Auch sind hierbei in dem montierten Zustand der Vorrichtung 110 der zumindest eine Zylindermantel 122 und der zumindest eine weitere Zylindermantel 132 insbesondere bezogen auf axiale Abmessungen der Zylindermäntel 122 und 132 zumindest teilweise einander überlappend angeordnet sind. Unter axialen Abmessungen sind Abmessungen entlang der Drehachse 104 zu verstehen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der zumindest eine Zylindermantel 122 eine erste axiale Abmessung auf und weist der zumindest eine weitere Zylindermantel 132 eine zweite axiale Abmessung auf. Dabei sind die axialen Abmessungen innerhalb eines Toleranzbereichs identisch.
Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zweite Radius größer als der erste Radius. Somit ist hierbei der Zylindermantel 122 zumindest teilweise von dem weiteren Zylindermantel 132 umschlossen, umgeben, umringt oder umfangen. Insbesondere wirkt die Vorrichtung 110 in dem montierten Zustand als ein Zylinderkondensator, dessen elektrische Kapazität eine Funktion des von den Radien der Zylindermäntel 122 und 132 abhängigen Spalts und von den axialen Abmessungen der Zylindermäntel 122 und 132 ist. Anders ausgedrückt ist die elektrische Kapazität abhängig von einer Abmessung des Spalts und von den axialen Abmessungen der Zylindermäntel 122 und 132.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Kopplungseinheit 120 einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die erste Kopplungseinheit 120 entspricht hierbei der ersten Kopplungseinheit aus 1 mit Ausnahme dessen, dass die erste Kopplungseinheit 120 in 2 eine erste Mehrzahl von Zylindermänteln 122, 122', hier zwei Zylindermäntel 122 und 122' aufweist. Die erste Kopplungseinheit 120 weist eine Scheibe 224 auf, von der aus sich die Zylindermäntel 122 und 122' als Vorsprünge in axialer Richtung weg erstrecken. In der Scheibe 224 ist auch ein Aufnahmeabschnitt zum Aufnehmen der Welle 102 ausgeformt. Der Aufnahmeabschnitt ist hierbei koaxial bezüglich der Zylindermäntel 122 und 122' angeordnet.
Die Zylindermäntel 122 und 122' weisen voneinander verschiedene erste Radien auf. Die Zylindermäntel 122 und 122' weisen identische axiale Abmessungen auf. Die Scheibe 224 repräsentiert eine gemeinsame Basis für die Zylindermäntel 122 und 122'. Die erste Kopplungseinheit 120 ist an der Welle 102 beispielsweise durch einfaches Aufstecken, durch Aufpressen, durch Aufschrumpfen, durch Aufkleben mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs oder durch dergleichen befestigt.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Kopplungseinheit 130 einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die zweite Kopplungseinheit 130 entspricht hierbei der zweiten Kopplungseinheit aus 1 mit Ausnahme dessen, dass die zweite Kopplungseinheit 130 in 3 eine zweite Mehrzahl von weiteren Zylindermänteln 132, 132', 132'', hier drei weitere Zylindermäntel 132, 132' und 132'' aufweist. Die zweite Kopplungseinheit 130 weist eine weitere Scheibe 334 auf, von der aus sich die weiteren Zylindermäntel 132, 132' und 132'' als Vorsprünge in axialer Richtung weg erstrecken. In der weiteren Scheibe 334 ist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel optional ein weiterer Aufnahmeabschnitt 336 zum Aufnehmen der Welle des Antriebssystems ausgeformt. Der weitere Aufnahmeabschnitt 336 ist koaxial bezüglich der weiteren Zylindermäntel 132, 132' und 132'' angeordnet.
Die weiteren Zylindermäntel 132, 132' und 132'' weisen voneinander verschiedene zweite Radien auf. Auch weisen die weiteren Zylindermäntel 132, 132' und 132'' identische axiale Abmessungen auf. Die weitere Scheibe 334 repräsentiert eine gemeinsame Basis für die weiteren Zylindermäntel 132, 132' und 132''. Die zweite Kopplungseinheit 130 ist an dem Bauteil des Antriebssystems beispielsweise unter Verwendung von Befestigungsmitteln, wie beispielsweise Schrauben oder dergleichen, befestigbar. Hierzu ist in der weiteren Scheibe 334 beispielhaft eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 338 für Befestigungsmittel ausgeformt.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die hier gezeigte Vorrichtung 110 entspricht oder ähnelt der Vorrichtung aus 1. Die Vorrichtung 110 ist in der Darstellung von 4 in dem montierten Zustand gezeigt. Insbesondere ist hierbei die erste Kopplungseinheit 120 mitdrehend an der Welle 102 des Antriebssystems befestigt.
Die in 4 gezeigte Vorrichtung 110 umfasst die erste Kopplungseinheit 120 aus 2 oder eine ähnliche erste Kopplungseinheit und die zweite Kopplungseinheit 130 aus 3 oder eine ähnliche zweite Kopplungseinheit. Somit ist jeweils ein Zylindermantel der ersten Kopplungseinheit 120 zwischen zwei der weiteren Zylindermäntel der zweiten Kopplungseinheit 130 angeordnet. Anders ausgedrückt sind die Zylindermäntel der ersten Kopplungseinheit 120 und die weiteren Zylindermäntel der zweiten Kopplungseinheit 130 in radialer Richtung abwechselnd angeordnet. Alle Zylindermäntel und weiteren Zylindermäntel weisen voneinander unterschiedliche Radien auf. Insbesondere weisen auch alle Zylindermäntel und weiteren Zylindermäntel innerhalb eines Toleranzbereichs identische axiale Abmessungen auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt der Spalt zwischen den Zylindermänteln der ersten Kopplungseinheit 120 und den weiteren Zylindermänteln der zweiten Kopplungseinheit 130 lediglich beispielhaft 0,25 Millimeter. Es seien ferner als erster Radius R₁ beispielsweise 5 Zentimeter und das zweite Radius R₂ beispielsweise 5,025 Zentimeter angenommen. Ferner beträgt eine Länge I bzw. axiale Abmessung der Zylindermäntel und der weiteren Zylindermäntel lediglich beispielhaft 3 Zentimeter. Auch sei eine relative Permittivität ε_r von lediglich beispielhaft 2 Farad pro Meter angenommen. Die elektrische Kapazität C eines Zylinderkondensators ergibt sich unter idealen Umständen gemäß der Beziehung $C = 2 π ε_{r} ε_{0} \frac{l}{l n \frac{R_{2}}{R_{1}}},$
wobei zusätzlich zu den vorstehend genannten Variablen und Konstanten π die Kreiszahl repräsentiert und ε₀ die elektrische Feldkonstante repräsentiert. Gemäß der vorstehend angegebenen Beziehung erhält man durch Einsetzen der vorstehend gegebenen Werte eine elektrische Kapazität von etwa 5,35 Nano-Farad für das genannte Ausführungsbeispiel.
Günstig ist weiterhin ein Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes, bei dem in dem in dem Spalt ein Dielektrikum, beispielsweise ein Öl oder Ethanol, etc. eingebracht wird. Auf diese Weise wird die Kapazität (und damit die Wirkung) der Vorrichtung signifikant erhöht.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 110 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Bei der in der 5 dargestellten Vorrichtung 110 ist nun kein Zylindermantel an der ersten oder zweiten Kopplungseinheit vorgesehen, sondern die erste und zweite Kopplungseinheit 120, 130 sind als Scheiben ausgebildet, die an der Welle 102 befestigt sind und von der Welle 102 (erste Kopplungseinheit 120) bzw. an dem Bauteil 106 befestigt sind oder von dem Bauteil 106 (zweite Kopplungseinheit 130) abstehen. Zusätzlich können auch noch eine weitere erste Kopplungseinheit 120' oder eine andere erste Kopplungseinheit 120" vorgesehen sein, die je an der Welle 102 befestigt sind und von der Welle 102 abstehen. Auch kann noch eine weitere zweite Kopplungseinheit 130' vorgesehen sein, die von dem Bauteil 106 absteht. Dabei können diese hier beispielhaft als Scheiben ausgebildeten ersten und zweiten Kopplungseinheiten 120, 120', 120" bzw. 130, 130' im Wesentlichen parallel und/oder ineinander eingreifend angeordnet sein, sodass hierdurch eine alternierende Struktur zwischen ersten und zweiten Kopplungseinheiten 120 bzw. 130 ausgebildet wird. Beispielsweise sin d die zweiten Kopplungseinheiten 130, 130' 130" als Scheibe mit einem Loch ausgebildet, durch das die Welle 102 geführt ist. Durch eine solche Ausführung der Vorrichtung 110 lässt sich eine sehr hohe elektrische Kapazität durch die erste(n) und zweite(n) Kopplungseinheiten 120 bzw. 130 bei geringem Bauraumbedarf realisieren.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezugszeichenliste

100: Antriebssystem
102: Welle
104: Drehachse
106: Bauteil
110: Vorrichtung
120: erste Kopplungseinheit
120': weitere Kopplungseinheit
120": andere erste Kopplungseinheit
122: Zylindermantel
122': Zylindermantel
130: zweite Kopplungseinheit
130': weitere zweite Kopplungseinheit
132: weiterer Zylindermantel
132': weiterer Zylindermantel
132'': weiterer Zylindermantel
224: Scheibe
334: weitere Scheibe
336: weitere Aufnahmeabschnitt
338: Durchgangsloch

Claims

Vorrichtung (110) zum elektrischen Koppeln einer drehbar gelagerten Welle (102) mit einem Bauteil (106) eines Antriebssystems (100), wobei die Welle (102) Teil eines zumindest teilweise elektrischen Antriebssystems (100) ist, wobei die Vorrichtung (110) folgende Merkmale aufweist: eine erste Kopplungseinheit (120), die aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeformt ist und an der Welle (102) mitdrehend befestigbar oder befestigt ist; und eine zweite Kopplungseinheit (130), die aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeformt ist und bezüglich der Welle (102) feststehend an dem Bauteil (106) in dem Antriebssystem (100) befestigbar ist, wobei in einem montierten Zustand der Vorrichtung (110), in dem die erste Kopplungseinheit (120) an der Welle (102) befestigt ist und die zweite Kopplungseinheit (130) bezüglich der Welle (102) feststehend an dem Bauteil (106) in dem Antriebssystem (100) befestigt ist, eine kapazitive Kopplung zwischen der ersten Kopplungseinheit (120) und der zweiten Kopplungseinheit (130) über einen Spalt zwischen denselben hinweg erzeugbar ist.
Vorrichtung (110) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kopplungseinheit (120) als eine sich von der Welle (102) weg erstreckende Scheibe und/oder die zweiten Kopplungseinheit (130) als eine sich von dem Bauteil (106) weg erstreckende Scheibe ausgeformt ist, insbesondere wobei die erste Kopplungseinheit (120) und die zweite Kopplungseinheit (130) im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind.
Vorrichtung (110) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet, durch zumindest eine aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeformte und an der Welle (102) befestigte oder befestigbare weitere erste Kopplungseinheit (120') und/oder zumindest eine aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeformte und an dem Bauteil (106) befestigte oder befestigbare weitere zweiten Kopplungseinheit (130'), wobei in einem montierten Zustand der Vorrichtung (110) eine kapazitive Kopplung zwischen der zumindest einen weiteren ersten Kopplungseinheit (120') und/oder der zweiten Kopplungseinheit (130) und/oder der zumindest einen weiteren zweiten Kopplungseinheit (130') über den Spalt und/oder einen weiteren Spalt hinweg erzeugbar ist, insbesondere wobei die zumindest eine weitere erste Kopplungseinheit (120') als eine sich von der Welle (102) weg erstreckende Scheibe und/oder die zumindest eine weitere zweiten Kopplungseinheit (130') als eine sich von dem Bauteil (106) weg erstreckende Scheibe ausgeformt ist, insbesondere wobei die erste Kopplungseinheit (120), die zumindest eine weitere erste Kopplungseinheit (120'), die zweite Kopplungseinheit (130) und/oder die zumindest eine zweite Kopplungseinheit (130') im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind.
Vorrichtung (110) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wobei die erste Kopplungseinheit (120) zumindest einen Zylindermantel (122, 122') aufweist, der in einem an der Welle (102) befestigten Zustand der ersten Kopplungseinheit (120) koaxial zu einer Drehachse (104) der Welle (102) angeordnet ist, wobei der Zylindermantel (122, 122') einen ersten Radius aufweist, wobei die zweite Kopplungseinheit (130) zumindest einen weiteren Zylindermantel (132, 132', 132") aufweist, der in einem bezüglich der Welle (102) feststehend befestigten Zustand der zweiten Kopplungseinheit (130) koaxial zu der Drehachse (104) der Welle (102) angeordnet oder anordenbar ist, wobei der weitere Zylindermantel (132, 132', 132") einen zweiten Radius aufweist, der sich von dem ersten Radius unterscheidet und wobei eine kapazitive Kopplung zwischen dem zumindest einen Zylindermantel (122, 122') und dem zumindest einen weiteren Zylindermantel (132, 132', 132") über einen Spalt zwischen denselben hinweg erzeugbar ist.
Vorrichtung (110) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem montierten Zustand der Vorrichtung (110) der zumindest eine Zylindermantel (122, 122') und der zumindest eine weitere Zylindermantel (132, 132', 132") über den Spalt radial bezüglich der Drehachse (104) voneinander beabstandet und/oder bezogen auf axiale Abmessungen der Zylindermäntel (122, 122', 132, 132', 132") zumindest teilweise einander überlappend angeordnet sind.
Vorrichtung (110) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Zylindermantel (122, 122') eine erste axiale Abmessung aufweist und der zumindest eine weitere Zylindermantel (132, 132', 132") eine zweite axiale Abmessung aufweist, wobei die axialen Abmessungen innerhalb eines Toleranzbereichs identisch sind.
Vorrichtung (110) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (110) in dem montierten Zustand als ein Zylinderkondensator wirkt, insbesondere wobei die elektrische Kapazität der Vorrichtung (110) eine Funktion des von den Radien der Zylindermäntel (122, 122', 132, 132', 132") abhängigen Spalts und von axialen Abmessungen der Zylindermäntel (122, 122', 132, 132', 132") ist.
Vorrichtung (110) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kopplungseinheit (120) eine erste Mehrzahl von Zylindermänteln (122, 122') aufweist und die zweite Kopplungseinheit (130) eine zweite Mehrzahl von weiteren Zylindermänteln (132, 132', 132") aufweist, wobei die Zylindermäntel (122, 122') und die weiteren Zylindermäntel (132, 132', 132") alle voneinander unterschiedliche Radien aufweisen, wobei in dem montierten Zustand der Vorrichtung (110) die Zylindermäntel (122, 122') und die weiteren Zylindermäntel (132, 132', 132") in radialer Richtung abwechselnd angeordnet sind.
Vorrichtung (110) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kopplungseinheit (120) zwei Zylindermäntel (122, 122') aufweist und die zweite Kopplungseinheit (130) drei weitere Zylindermäntel (132, 132', 132") aufweist, wobei in dem montierten Zustand der Vorrichtung (110) jeweils ein Zylindermantel (122, 122') zwischen zwei der weiteren Zylindermäntel (132, 132', 132") angeordnet ist.
Vorrichtung (110) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kopplungseinheit (120) eine Scheibe (224) mit einem Aufnahmeabschnitt zum Aufnehmen der Welle (102) aufweist, wobei sich der zumindest eine Zylindermantel (122, 122') als ein Vorsprung in axialer Richtung von der Scheibe (224) weg erstreckt, wobei der Aufnahmeabschnitt koaxial bezüglich des zumindest einen Zylindermantels (122, 122') angeordnet ist.
Vorrichtung (110) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kopplungseinheit (130) eine weitere Scheibe (334) aufweist, wobei sich der zumindest eine weitere Zylindermantel (132, 132', 132") als ein Vorsprung in axialer Richtung von der weiteren Scheibe (334) weg erstreckt, insbesondere wobei in der weiteren Scheibe (334) ein weiterer Aufnahmeabschnitt (336) zum Aufnehmen der Welle (102) ausgeformt ist, wobei der weitere Aufnahmeabschnitt (336) koaxial bezüglich des zumindest einen weiteren Zylindermantels (132, 132', 132") angeordnet ist.
Vorrichtung (110) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem montierten Zustand der Vorrichtung (110) bei einer Drehbewegung der Welle (102) die erste Kopplungseinheit (120) reibungsfrei bezüglich der zweiten Kopplungseinheit (130) angeordnet ist.
Vorrichtung (110) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Spalt ein Dielektrikum, insbesondere ein flüssiges oder festes Dielektrikum, Öl oder Ethanol angeordnet ist.
Antriebssystem (100), wobei das Antriebssystem (100) zumindest teilweise elektrisch ausgeführt ist, wobei das Antriebssystem (100) folgende Merkmale aufweist: eine drehbar gelagerte Welle (102); ein bezüglich der Welle feststehendes Bauteil (106); und eine Vorrichtung (110) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste Kopplungseinheit (120) an der Welle (102) befestigt ist, wobei die zweite Kopplungseinheit (130) an dem Bauteil (106) befestigt ist.