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Die Erfindung betrifft eine fremderregte Elektromaschine, umfassend einen Rotor sowie eine Kontakteinrichtung umfassend wenigstens ein an einem Kontaktabschnitt des Rotors anliegendes Schleifkontaktelement zur Übertragung eines Erregerstroms.
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Bei einer fremderregten Elektromaschine ist es für deren Betrieb erforderlich, in den Rotor einen Erregerstrom einzubringen. Der Rotor weist eine Rotorwicklung auf, die als Erregerwicklung zur Erzeugung eines magnetischen Erregerfelds dient, wozu sie zu bestromen ist. Hierzu dient üblicherweise eine positionsfeste Kontakteinrichtung, die wenigstens ein Schleifkontaktelement aufweist, das an einem Kontaktabschnitt des Rotors anliegt. Der Rotor rotiert relativ zum positionsfesten Schleifkontaktelement, das an der Fläche des Kontaktabschnitts gleitet, jedoch permanent in elektrischem Kontakt mit dem Kontaktabschnitt ist.
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Eine solche fremderregte Elektromaschine kann in einem elektrisch betriebenen Kraftfahrzeug eingesetzt werden, und z. B. in der Vorderachse integriert werden und dort als Unterstützungsantrieb dienen, während der Hauptantrieb in der Hinterachse integriert ist. Der Vorteil einer solchen fremderregten Maschine ist, dass sie, analog eines Freilaufs, mitlaufen kann, ohne in irgendeiner Form ein Drehmoment zu erzeugen. Mithin wirkt sich folglich die Rotation des Rotors dieser fremderregten Maschine, wenn sie nicht aktiv betrieben wird, nicht nachteilig auf den Fahrbetrieb aus. Jedoch steht die Kontakteinrichtung respektive der wenigstens eine Schleifkontakt auch in diesem Fall permanent in Kontakt mit dem Kontaktabschnitt des Rotors, der trotz allem rotiert, wenn sich das Fahrzeug bewegt. Der Schleifkontakt ist daher auch während dieser Zeit einem gewissen Verschleiß unterworfen, wird also abgerieben, auch wenn die fremderregte Elektromaschine nicht bestromt wird, also nicht arbeitet.
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Aus
DE 20 2020 101 256 U1 ist eine elektrische Maschine bekannt, bei der eine aufwendig konzipierte Mechanik zum Anheben eines Schleifkontaktelements vorgesehen ist, umfassend eine beweglich gelagerte Stange, die mit dem Schleifkontaktelement bewegungsgekoppelt ist, wobei diese Stange mit Hilfe eines Stellelements um ein Gelenk verschwenkt werden kann. Wenngleich hierüber das Schleifkontaktelement bei Bedarf aus seiner Schleifanlage am Rotor abgehoben werden kann, ist die Anordnung gleichwohl sehr komplex konzipiert.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine demgegenüber verbesserte, fremderregte Elektromaschine anzugeben.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einer fremderregten Elektromaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Schleifkontaktelement in einem elektromagnetischen Aktor integriert ist, über den es zwischen einer am Kontaktabschnitt anliegenden und einer davon beabstandeten Position gesteuert bewegbar ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Elektromaschine ist das Schleifkontaktelement ein integraler Bestandteil eines elektromagnetischen Aktors, ist also Teil desselben respektive an beziehungsweise in diesem beweglich angeordnet. Über ein elektromagnetisches Stellmittel des Aktors kann das Schleifkontaktelement zwischen zwei definierten Positionen bewegt werden, wobei es in der einen Position schleifend am Rotorabschnitt anliegt, während es in der anderen Position davon beabstandet ist. Da der Aktor über eine entsprechende Steuerungseinrichtung gezielt angesteuert werden kann, kann folglich das Schleifkontaktelement bei Bedarf abgehoben respektive wieder in Kontakt gebracht werden.
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Aufgrund der direkten Integration des Schleifkontaktelements in den Aktor selbst ist demzufolge eine sehr kompakte Baueinheit gegeben, die einerseits sehr einfach handzuhaben und daher zu montieren ist, da der vorkonfigurierte Aktor lediglich an der entsprechenden Montageposition verbaut werden muss, zusätzliche sonstige mechanische Kopplungs- oder Stellelemente wie im Stand der Technik sind nicht vorzusehen. Andererseits kann dadurch, dass das Schleifkontaktelement unmittelbar im Aktor integriert ist, über das entsprechende elektromagnetische Stellmittel auch die unmittelbare Stellbewegung des Schleifkontaktelements erwirkt werden, wobei der Stellweg, den das Stellmittel erwirkt, natürlich entsprechend ausgelegt wird, dass sich in der abgehobenen Position ein definierter Mindestabstand des Schleifkontaktelements zum Kontaktabschnitt, der im Bereich weniger Millimeter liegen kann, ergibt.
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Die erfindungsgemäße fremderregte Elektromaschine ist demzufolge in Bezug auf die Schleifkontaktanordnung wesentlich kompakter und demzufolge einfacher ausgelegt als bisher üblich. Insbesondere kann der erfindungsgemäß vorgesehene Aktor aufgrund seiner Kompaktheit auch in Maschinen, bei denen relativ wenig Bauraum vorhanden ist, integriert werden.
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In Weiterbildung der Erfindung können wenigstens zwei Schleifkontaktelemente vorgesehen sein, die in einem gemeinsamen Aktor integriert und gemeinsam bewegbar sind. Das heißt, dass, wenn zum Einprägen des Stromes in die Erregerwicklung zwei Schleifkontakte erforderlich sind, diese simultan bewegt werden, wobei dies über einen gemeinsamen Aktor, in den die beiden Schleifkontaktelemente integriert sind, erfolgt. Alternativ ist es natürlich auch denkbar, dass jedes Schleifkontaktelement Teil eines separaten Aktors ist, mithin also beispielsweise zwei separate, benachbarte Aktoren vorgesehen sind, die dann separat anzusteuern sind, jedoch bevorzugt in der Lage sind, die beiden Schleifkontaktelemente synchron anzuheben und abzusenken.
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Das oder die Schleifkontaktelemente sind zweckmäßigerweise über den gemeinsamen oder den jeweiligen Aktor radial relativ zur Drehachse des Rotors linear bewegbar. Das heißt, dass eine einfache lineare radiale Stellbewegung zum Verbringen des oder der Schleifkontaktelemente zwischen den beiden Positionen erfolgt.
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In einer konkreten Ausgestaltung der Erfindung kann das oder können die Schleifkontaktelemente in einer Halterung aufgenommen sein, die in einer Führung des Aktors aufgenommen ist und in dieser über ein elektromagnetisches Stellmittel linear bewegbar sein. Die Halterung dient der Aufnahme und Fixierung eines oder auch mehrerer Schleifkontaktelemente und ist beispielsweise als Hülse ausgeführt. Über diese Halterung erfolgt die entsprechende Linearführung des Schleifkontaktelements relativ zum elektromagnetischen Stellmittel, wozu die Halterung in einer entsprechenden linearen Führung des Aktors aufgenommen ist, der letztlich das elektromagnetische Stellmittel zugeordnet ist. Das elektromagnetische Stellmittel ist oder umfasst eine oder mehrere gezielt bestrombare Spulen, über die ein Magnetfeld aufbaubar ist, das mit der Halterung wechselwirkt und diese linear verschiebt.
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Dabei weist die Führung bevorzugt einen von einer Kreisform abweichenden Innenquerschnitt, insbesondere einen mehreckigen oder vorzugsweise quadratischen oder rechteckigen Innenquerschnitt auf, wobei die Halterung einen formkompatiblen Außenquerschnitt aufweist. Über diese von einer Kreisform abweichenden Geometrien wird eine geometrische Verdrehsicherung realisiert, das heißt, dass die Halterung samt Schleifkontaktelement nicht innerhalb der Führung respektive des Aktors verdreht werden kann.
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Die Halterung ist wie beschrieben bevorzugt eine Hülse. Damit sichergestellt wird, dass das Schleifkontaktelement mit einem entsprechenden Mindestdruck am Kontaktabschnitt anliegt respektive gegen diesen drückt und es im Betrieb nicht zu einem temporären Abheben kommt, ist in Weiterbildung der Erfindung in der Hülse wenigstens ein das oder die Schleifkontaktelemente gegen den Rotor spannendes Federelement aufgenommen, das einerseits an einem Hülsenboden und andererseits an dem oder den Schleifkontaktelementen abgestützt ist. Über dieses Federelement lässt sich eine definierte Druckkraft, mit der das Schleifkontaktelement gegen den Rotor gespannt ist, erzeugen. Gleichzeitig ergibt sich eine sehr kompakte Anordnung aus Hülse, Federelement und Schleifkontaktelement, die auf einfache Weise in den kompakten Aktor integriert werden kann.
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Um zu verhindern, dass das Federelement ein Schleifkontaktelement beim Anheben vollständig aus der Halterung respektive Hülse schiebt, kann in Weiterbildung der Erfindung eine Anschlageinrichtung vorgesehen sein, die die über das wenigstens eine Federelement erwirkte Ausschiebebewegung des oder der Schleifkontaktelemente begrenzt. Wird über das elektromagnetische Stellmittel die Halterung respektive Hülse in den Aktor eingezogen, so drückt zu Beginn dieser Bewegung das Federelement das Schleifkontaktelement noch aus der Halterung. Dies geht solange, bis die Anschlageinrichtung greift, mithin also ein mit dem Schleifkontaktelement oder dem Federelement gekoppelter Anschlag gegen einen entsprechenden halterungs- oder hülsenseitigen Anschlag läuft, so dass die Ausschiebebewegung begrenzt ist. Hierüber wird demzufolge verhindert, dass das Schleifkontaktelement respektive die Schleifbürste aus der Hülse fällt.
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Neben der fremderregten Elektromaschine selbst betrifft die Erfindung ferner einen elektromagnetischen Aktor für eine fremderregte Elektromaschine der vorstehend beschriebenen Art, umfassend wenigstens ein integriertes Schleifkontaktelement, das über ein elektromagnetisches Stellmittel linear verschiebbar ist. Dabei kann der Aktor nur ein Schleifkontaktelement aufweisen, denkbar ist es aber auch, zwei oder mehr Schleifkontaktelemente im gemeinsamen Aktorgehäuse vorzusehen, die auch gemeinsam bewegbar sind.
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Das oder die Schleifkontakte sind in einer Halterung aufgenommen, die in einer Führung des Aktors aufgenommen ist und in dieser über das Elektromagnetische Stellmittel linear bewegbar ist. Dabei weist die Führung bevorzugt einen von einer Kreisform abweichenden Innenquerschnitt, insbesondere einen mehreckigen, vorzugsweise quadratischen oder rechteckigen Innenquerschnitt auf, wobei die Halterung einen form kompatiblen Außenquerschnitt aufweist, worüber ein Verdrehen der Halterung relativ zum Aktorgehäuse verhindert wird.
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Die Halterung selbst ist bevorzugt eine Hülse, in der ein das oder die Schleifkontaktelemente aus der Hülse drückendes Federelement aufgenommen ist, das einerseits an einem Hülsenboden und andererseits an dem oder den Schleifkontaktelementen abgestützt ist.
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Schließlich ist bevorzugt eine Anschlageinrichtung vorgesehen, die die über das Federelement erwirkte Ausschiebebewegung des oder der Schleifkontaktelemente begrenzt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen fremderregten Synchronmaschine in Form einer Teilansicht, mit einem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktor mit einem sich in der Schleifstellung befindlichen Schleifkontaktelement, und
- 2 die Anordnung aus 1 mit einem in der abgehobenen Position befindlichen Schleifkontaktelement.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße fremderregte elektrische Maschine 1, also eine Synchronmaschine, oft auch fremderregte Synchronmaschine (FSM) genannt. Diese umfasst neben einem nicht gezeigten Stator einen Rotor 2, der um eine Rotationsachse 3 drehbar ist. Der Rotor 2 weist einen Kontaktabschnitt 4 auf, über den ein elektrischer Strom einer nicht näher gezeigten Erregerwicklung des Rotors 2 zugeführt werden kann. Hierzu ist eine Kontakteinrichtung 5 vorgesehen, die in einen elektromagnetischen Aktor 6 integriert ist und über diesen in der Elektromaschine positionsfest verbauten Aktor zwischen zwei definierten Positionen, nämlich einer in 1 gezeigten, am Kontaktabschnitt 4 anliegenden, daran schleifenden Kontaktposition und einer in 2 gezeigten, abgehobenen Position bewegbar ist. Die Kontakteinrichtung 5 umfasst ein Schleifkontaktelement 7, üblicherweise auch Kontakt- oder Schleifbürste genannt, die in einer Halterung 8, hier eine Hülse 9, zusammen mit einem Federelement 10, z.B. eine Schraubenfeder, aufgenommen ist. Das Federelement 10 ist einerseits am Boden der Hülse 9 und andererseits am Schleifkontaktelement 7 abgestützt, so dass dieses kontinuierlich in Richtung des Rotors 2 angefedert ist, also mit einem definierten Druck am Kontaktabschnitt 4 anliegt.
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Ferner ist eine Anschlageinrichtung 11 vorgesehen, die verhindert, dass das Schleifkontaktelement 7 von dem Federelement 10 aus der Hülse 9 herausgedrückt werden kann, beziehungsweise nur bis zu einer maximalen Ausschiebeposition heraus bewegt werden kann, um zu verhindern, dass das Schleifkontaktelement 7, wenn in der in 2 gezeigten angehobenen Position, aus der Hülse 9 fällt. Wird die Hülse 9 aus der in 2 gezeigten Position gegen den Rotor bewegt, läuft das Schleifkontaktelement 7 gegen den Kontaktabschnitt 4 und drückt bei weiterer Bewegung der Hülse 9 das Federelement 10 zusammen, so dass dieses das Schleifkontaktelement 7 mit einer definierten Kraft gegen den Kontaktabschnitt 4 spannt.
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Die Hülse 9 weist einen von einer Kreis- respektive Zylinderform abweichenden Außenquerschnitt respektive eine abweichende Außenform auf, sie ist beispielsweise im Querschnitt rechteckig. Im Aktor 6 ist sie in einer entsprechenden Führung 12 aufgenommen, die formkompatibel ist, mithin also ebenfalls beispielsweise zwei einander gegenüberliegende Führungsflächen aufweist oder ähnliches. Hierüber wird verhindert, dass sich die Kontakteinrichtung 5 innerhalb der Führung 12 verdrehen kann.
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Benachbart zur Führung 12 ist ein elektromagnetisches Stellelement 13 vorgesehen, umfassend eine oder mehrere Spulen 14, die entsprechend bestromt werden können, um ein Magnetfeld aufzubauen, das mit der metallischen Hülse 9 wechselwirkt, so dass diese definiert zwischen den beiden in 1 und 2 gezeigten Positionen axial respektive linear innerhalb der Führung 12 bewegt werden kann.
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Ferner ist eine Steuerungseinrichtung 15 vorgesehen, über die einerseits der Strom zugeführt wird, der über das Schleifkontaktelement 7 dem Kontaktabschnitt 4 respektive der Erregerwicklung zugeführt werden soll. Zum anderen wird hierüber das elektromagnetische Stellmittel 13 respektive die Spule 14 bestromt, um das erforderliche Stellmagnetfeld aufzubauen.
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Wenngleich in 1 nur ein Schleifkontaktelement 7 gezeigt ist, das in der Hülse 9 aufgenommen ist, ist es natürlich auch denkbar, in der Hülse 9 zwei parallele Schleifkontaktelemente 7 vorzusehen, wenn dies für das Einprägen des Erregerstroms erforderlich ist. Die beiden Schleifkontaktelemente 7 sind gegeneinander isoliert. Da sie gemeinsam in der Hülse 9, jeweils über ein Federelement 10 vorgespannt, aufgenommen sind, können sie zwangsläufig auch gemeinsam zwischen den beiden Positionen über ein gemeinsames Stellmittel bewegt werden. Alternativ zur Ausbildung des Aktors 6 mit zwei Schleifkontaktelementen 7 ist es natürlich auch denkbar, bei Bedarf zwei Aktoren 6 mit jeweils einem Schleifkontaktelement parallel zu setzen.
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Wird die Elektromaschine 1 betrieben, so befindet sich das Schleifkontaktelement 7 oder befinden sich die Schleifkontaktelemente 7 in der Schleifposition, sie liegen also an dem oder den Kontaktabschnitten 4 schleifend an, der Erregerstrom kann eingeprägt werden.
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Wird die Elektromaschine 1 jedoch nicht betrieben, weil sie beispielsweise bei Verbauen in einem Kraftfahrzeug nicht benötigt wird, um ein entsprechendes Antriebsmoment zur Verfügung zu stellen, so wird der Schleifkontakt 7 aus seiner schleifenden Anlage bewegt, so dass kein weiterer Kontakt mehr zu dem nach wie vor rotierenden Rotor 2 respektive dem Kontaktabschnitt 4 gegeben ist. Es kommt demzufolge zu keiner weiteren Reibbeanspruchung mehr und demzufolge zu keinem weiteren Verschleiß. Um in diesen Zustand zu gelangen, wird über die Steuerungseinrichtung 15 das Stellmittel 13 angesteuert, also die Spule 14 bestromt, so dass über das erzeugte Magnetfeld die Kontakteinrichtung 5 quasi in den Aktor 6 eingezogen wird, wobei das Schleifkontaktelement 7 vom Rotor 2 wegbewegt wird, also davon beabstandet wird. Hierbei schiebt das Federelement 10 das Schleifkontaktelement 7 noch etwas aus der Hülse 9 heraus, bis diese Ausschiebebewegung über die Anschlageinrichtung 11 begrenzt wird.
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Soll die Elektromaschine 1 wieder betrieben werden, so wird über die Steuerungseinrichtung 15 die Bestromung der Spule 14 beendet, so dass die Kontakteinrichtung 5 wieder aus dem Aktorgehäuse geschoben und das Schleifkontaktelement 7 wieder in schleifende Anlage zum Kontaktabschnitt 4 gebracht wird.
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Denkbar ist es hierzu diese Einziehbewegung der Kontakteinrichtung 5 in den Aktor gegen ein weiteres Federelement, beispielsweise wiederum eine Schraubenfeder, vorzunehmen, so dass diese hierbei vorgespannt wird. Sobald die Bestromung der Spule 14 in der in 2 gezeigten Position beendet wird und das Magnetfeld der Spule 14 zusammenbricht, kann dieses weitere, vorgespannte Federelement die Kontakteinrichtung 5 wieder aus dem Aktor herausschieben. Alternativ hierzu kann diese Herausschiebebewegung aber auch über eine entsprechende Umschaltung der Richtung des Magnetfelds, das über die Spule 14 aufgebaut wird, erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202020101256 U1 [0004]
