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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Druckausgleichsvorrichtung für eine elektrische Maschine. Weiter betrifft die Erfindung ein Gehäuse für eine elektrische Maschine, wobei das Gehäuse die Druckausgleichsvorrichtung aufweist. Darüber hinaus wird gemäß der Erfindung eine elektrische Maschine mit einem solchen Gehäuse vorgeschlagen. Zudem betrifft die Erfindung ein insbesondere als Personenkraftwagen ausgebildetes Kraftfahrzeug, das eine solche elektrische Maschine aufweist.
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Bei elektrischen Anordnungen, beispielsweise bei elektrischen Antriebsaggregaten, die eine elektrische Maschine (beispielsweise als Traktionsmaschine) aufweisen, kommt es des Öfteren vor, dass eine mit einer Flüssigkeit gefüllte Flüssigkeitskammer der elektrischen Anordnung fluidisch gegen eine Luftkammer abgedichtet ist, obwohl ein Maschinenelement, etwa eine Welle etc., sich von einem Inneren der Flüssigkeitskammer in die Luftkammer erstreckt. Beispielsweise erstreckt sich eine Rotorwelle aus einer mit einer Flüssigkeit gefüllten Statorkammer (Flüssigkeitskammer) in eine luftgefüllte Bürstenkammer (Luftkammer) der elektrischen Maschine, wobei die Statorkammer und die Bürstenkammer entlang der Rotorwelle fluidisch voneinander abgedichtet sind. Das bedeutet, dass es sich bei einer derart ausgebildeten elektrischen Maschine dann um eine sogenannte Nassläufermaschine handelt. Ebenso kann sich die Rotorwelle bei trockenlaufenden elektrischen Maschinen aus der luftgefüllten Statorkammer (Luftraum) in eine mit Öl gefüllte Getriebekammer (Flüssigkeitskammer) erstrecken, wobei dann die Statorkammer und die Getriebekammer entlang der Rotorwelle fluidisch voneinander abgedichtet sind.
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Um zu vermeiden, dass in unerwünschter Weise Flüssigkeit aus der Flüssigkeitskammer austritt und in die Luftkammer eintritt, kommt entlang der Rotorwelle an einem Wandelement zwischen der Flüssigkeitskammer und der Luftkammer, durch das die Rotorwelle sich hindurch erstreckt, eine Radialwellendichtung zum Einsatz. Um diese Radialwellendichtung möglichst frei von axialen Kräften zu halten, sodass mittels der Radialwellendichtung eine besonders zuverlässige Dichtwirkung gewährleistet ist, ist es erforderlich, in der entsprechenden Kammer, das heißt zum Beispiel in der Flüssigkeitskammer, keinen Überdruck oder Unterdruck in Bezug auf die Luftkammer entstehen zu lassen, der axial, das heißt entlang der Rotorwelle, in nachteiliger Weise auf die Radialwellendichtung wirkt. Ist ein Kraftfahrzeug mit einem solchen herkömmlichen Antriebsaggregat bzw. mit einer solchen herkömmlichen elektrischen Anordnung bzw. Maschine ausgerüstet, kann es zum Beispiel vorkommen, dass Luft in der Luftkammer erwärmt oder abgekühlt wird, etwa aufgrund einer im Betrieb der elektrischen Maschine entstehenden Abwärme bzw. aufgrund einer externen Abkühlung der elektrischen Maschine, zum Beispiel durch einen Watbetrieb. Hieraus resultiert gemäß thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten eine Druckänderung in der Luftkammer und infolgedessen ein Druckunterschied zwischen der Luftkammer und der Flüssigkeitskammer. Damit geht eine unerwünschte axiale Belastung der Radialwellendichtung und letztlich eine verringerte oder weniger zuverlässige Dichtwirkung für den Wellensitz zwischen den Kammern einher.
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Um diesem Problem Herr zu werden, ist beispielsweise aus der
DE 10 2013 200 894 A1 ein Gehäuse eines Generators bekannt, das einen Steckersockel und einen Druckausgleichskanal aufweist. Der Druckausgleichskanal verbindet einen Innenraum des Generators mit einem in den Steckersockel eingesteckten Kabelbaum, der auch als Druckausgleich dient, nach außen. Jedoch ist ein Kombinieren des Steckersockels mit dem Druckausgleichskanal besonders aufwendig und eine Dichtwirkung ist von einem korrekten Sitz eines Steckerelements in dem Steckersockel abhängig. Zudem sind ein solches Generatorgehäuse mit dem Steckersockel sowie der Kabelbaum für einen Serienfahrzeugbau ungünstig in Handhabung, teuer und erfordern außerhalb des Generators besonders viel Bauraum, wodurch eine allgegenwärtige Packaging-Problematik im Fahrzeugbau noch verschärft wird.
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Aus der
DE 10 2017 128 532 B4 ist ein Kabel mit einem elektrischen Leiter bekannt, der in einem Isolationsmaterial des Kabels eingebunden und von einem elektrisch isolierenden und dampfdichten Außenmantel des Kabels umgeben ist. An einer Stelle des Kabels ist eine semipermeable Membran angeordnet, die für Luft und Wasserdampf durchlässig ist, wobei der Außenmantel im Bereich der Membran Ausnehmungen aufweist, sodass eine Entlüftung des Kabels über die Membran gewährleistet ist. Solch ein herkömmliches Kabel ist jedoch besonders aufwendig hinsichtlich Herstellung, Betrieb und Handhabung, da die semipermeable Membran besonders leicht beschädigt werden kann, sodass Flüssigkeit durch die defekte/beschädigte Membran hindurch in direkten elektrischen Kontakt mit dem elektrischen Leiter gelangen kann. Dies hätte einen Kurzschluss zur Folge.
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Radialwellendichtungen können bei herkömmlichen elektrischen Maschinen bzw. herkömmlichen Gehäusen kritische Betriebszustände annehmen, bei denen aufgrund einer Druckdifferenz zwischen der Luftkammer und der Flüssigkeitskammer, insbesondere zwischen der Statorkammer und der Bürstenkammer, eine Dichtwirkung der Radialwellendichtung nachlässt. Abhängig von einer aktuellen Betriebstemperatur der Radialwellendichtung reicht für solch einen kritischen Betriebszustand bereits eine besonders geringe Druckdifferenz aus. Lässt die Dichtwirkung aufgrund der Druckdifferenz nach, kann es zu einem Leckstrom einer in der Flüssigkeitskammer befindlichen Flüssigkeit (zum Beispiel einer Nassläuferflüssigkeit zum Kühlen des Stators und/oder Rotors in der Statorkammer) aus der Flüssigkeitskammer heraus, über die nicht mehr ausreichende dichtende Radialwellendichtung in die Luftkammer kommen. Dort kann es zu einer Beschädigung und/oder einer Fehlfunktion der Maschine, etwa zu einem sogenannten Isolationsfehler kommen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine besonders effiziente Lösung zu schaffen, um eine Druckdifferenz zwischen einer Flüssigkeitskammer und einer Luftkammer einer elektrischen Maschine zu vermeiden, die mittels einer Radialwellendichtung voneinander fluidisch abgedichtet sind.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche anzusehen. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.
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Um eine unerwünscht starke Druckdifferenz zwischen einer Flüssigkeitskammer und einer Luftkammer eines Gehäuses bzw. einer elektrischen Maschine zu vermeiden, insbesondere vollständig zu vermeiden, wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung eine Druckausgleichsvorrichtung für eine ein Gehäuse aufweisende elektrische Maschine vorgeschlagen. In bestimmungsgemäßen Einbaulage, das heißt, wenn die Druckausgleichsvorrichtung gemäß ihrem designierten Einsatzzweck verbaut bzw. eingesetzt ist, bildet sie einen Teil des Gehäuses bildet. Somit weist die das Gehäuse aufweisende elektrische Maschine die Druckausgleichsvorrichtung auf, indem das Gehäuse die Druckausgleichsvorrichtung als Bestandteil aufweist. Infolgedessen weist das Kraftfahrzeug die Druckausgleichsvorrichtung auf, indem es die elektrische Maschine und infolgedessen das Gehäuse aufweist.
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Bei der elektrischen Maschine erstreckt sich eine Welle, insbesondere Rotorwelle, aus der mit Flüssigkeit gefüllten Flüssigkeitskammer in die Luftkammer hinein. Die Luftkammer ist frei von einer Flüssigkeit und insbesondere mit Luft (zum Beispiel aus der Atmosphäre) gefüllt. Um ein Strömen der Flüssigkeit aus der Flüssigkeitskammer heraus und in die Luftkammer hinein - insbesondere entlang der Rotorwelle - zu verhindern, weist das Gehäuse bzw. die elektrische Maschine eine Radialwellendichtung auf, die außenumfangsseitig die Rotorwelle an der Stelle fluidisch dicht umgreift, an der die Rotorwelle eine die Luftkammer und die Flüssigkeitskammer voneinander abgrenzende Wand durchstößt. Die Radialwellendichtung selbst ist an dieser Stelle außenumfangsseitig fluidisch dicht von der Wand umschlossen.
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Die Druckausgleichsvorrichtung umfasst drei Rückströmverhinderer, wobei der jeweilige Rückströmverhinderer eine Einströmseite und eine Ausströmseite aufweist. Der jeweilige Rückströmverhinderer ist von dessen Einströmseite her in Richtung hin zu dessen Ausströmseite von einem Fluid (beispielsweise Luft) durchströmbar. Dahingegen ist mittels des jeweiligen Rückströmverhinderers ein Durchströmen desselben von dessen Ausströmseite her in Richtung hin zu dessen Einströmseite gesperrt bzw. blockiert. Im bestimmungsgemäßen Betrieb des jeweiligen Rückströmverhinderers kann also das Fluid nur dann durch den Rückströmverhinderer strömen, wenn es über dessen Einströmseite in diesen einströmt und über die Ausströmseite aus diesem ausströmt. Das Fluid kann nicht über die Ausströmseite in den Rückströmverhinderer einströmen. Folglich handelt es sich bei dem jeweiligen Rückströmverhinderer um eine Rückschlagarmatur, die die Strömung eines Fluids (Flüssigkeit, Gas) in nur einer Richtung zulässt.
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Die Ausströmseite des ersten Rückströmverhinderers, die im Folgenden als „erste Ausströmseite“ bezeichnet wird, ist mit der Einströmseite des zweiten Rückströmverhinderers („zweite Einströmseite“) fluidisch verbunden. Zudem ist die erste Ausströmseite dazu ausgebildet, mit der Luftkammer des Gehäuses fluidisch verbunden zu werden. Somit gilt für die bestimmungsgemäße Einbaulage, dass die erste Ausströmseite - direkt oder indirekt, zum Beispiel mittels eines Kanalelements, - fluidisch mit der Luftkammer verbunden ist. Dabei kommunizieren die erste Ausströmseite und die zweite Einströmseite fluidisch miteinander, wodurch in der bestimmungsgemäßen Einbaulage die zweite Einströmseite und die Luftkammer ebenfalls fluidisch miteinander gekoppelt sind. Die erste Einströmseite, das heißt die Einströmseite des ersten Rückströmverhinderers, mündet in die Umgebung der Druckausgleichsvorrichtung bzw. der elektrischen Maschine, etwa in die Atmosphäre.
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Die Ausströmseite des zweiten Rückströmverhinderers („zweite Ausströmseite“) ist mit der Einströmseite des dritten Rückströmverhinderers („dritte Einströmseite“) verbunden. Zudem ist die zweite Ausströmseite dazu ausgebildet, mit der Flüssigkeitskammer des Gehäuses fluidisch verbunden zu werden. Somit gilt für die bestimmungsgemäße Einbaulage, dass die zweite Ausströmseite - direkt oder indirekt, zum Beispiel mittels eines weiteren Kanalelements, - fluidisch mit der Flüssigkeitskammer verbunden ist. Dabei kommunizieren die zweite Ausströmseite und die dritte Einströmseite fluidisch miteinander, wodurch in der bestimmungsgemäßen Einbaulage die dritte Einströmseite und die Flüssigkeitskammer ebenfalls fluidisch miteinander gekoppelt sind. Die dritte Ausströmseite mündet in die Umgebung der Druckausgleichsvorrichtung bzw. der elektrischen Maschine, also zum Beispiel in die Atmosphäre.
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Es ist also in der bestimmungsgemäßen Einbaulage einem Fluid, etwa Luft, aufgrund der die jeweilige Strömungsrichtung vorgebenden Rückströmverhinderer möglich,
- - aus der Umgebung durch den ersten Rückströmverhinderer hindurch- und in die Luftkammer hineinzuströmen,
- - aus der Umgebung durch den ersten Rückströmverhinderer hindurch-, durch den zweiten Rückströmverhinderer hindurch- und in die Flüssigkeitskammer hineinzuströmen,
- - aus der Luftkammer heraus-, durch den zweiten Rückströmverhinderer hindurch- und durch den dritten Rückströmverhinderer hindurch in die Umgebung hineinzuströmen,
- - aus der Luftkammer heraus-, durch den zweiten Rückströmverhinderer hindurch- und in die Flüssigkeitskammer hineinzuströmen,
- - aus der Flüssigkeitskammer heraus- und durch dritten Rückströmverhinderer hindurch in die Umgebung hineinzuströmen.
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Dabei ist es dem Fluid in bestimmungsgemäßer Einbaulage aufgrund der die jeweilige Strömungsrichtung vorgebenden Rückströmverhinderer verwehrt,
- - aus der Luftkammer heraus- und durch den ersten Rückströmverhinderer hindurch in die Umgebung hineinzuströmen,
- - aus der Flüssigkeitskammer heraus- und durch den zweiten Rückströmverhinderer hindurch in die Umgebung oder in die Luftkammer hineinzuströmen.
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Hierdurch ist gewährleistet, dass die Radialwellendichtung der elektrischen Maschine die Luftkammer und die Flüssigkeitskammer besonders zuverlässig fluidisch voneinander abdichtet, da mittels der Druckausgleichsvorrichtung die eingangs beschriebenen kritischen Betriebszustände der Radialwellendichtung verhindert werden. In einem Betrieb der elektrischen Maschine ist die Radialwellendichtung aufgrund der fehlenden Druckdifferenz keinen oder lediglich besonders geringfügigen axialen Verformungen unterworfen, woraus eine besonders geringe Reibung zwischen der im Betrieb sich drehenden Rotorwelle und der Radialwellendichtung resultiert. Daher ist mittels der elektrischen Maschine, die die Druckausgleichsvorrichtung aufweist, ein besonders effizienter Wirkungsgrad ermöglicht. Ferner hat die elektrische Maschine aufgrund der Druckausgleichsvorrichtung eine in vorteilhafter Weise besonders lange Lebensdauer und/oder besonders lange Wartungsintervalle, da die aufgrund der Druckausgleichsvorrichtung geringer belastete Radialwellendichtung eine längere Lebensdauer innehat und weniger wartungsintensiv ist.
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Bei der Luftkammer der elektrischen Maschine bzw. des Gehäuses kann es sich zum Beispiel um eine Bürstenkammer handeln, wobei es sich bei der Flüssigkeitskammer dann um eine Statorkammer handelt. Die Rotorwelle erstreckt sich dabei sowohl in der Bürstenkammer als auch in der Statorkammer. Mittels der Radialwellendichtung im Zusammenspiel mit der von der Radialwellendichtung umgriffenen Rotorwelle sind die Bürstenkammer und die Statorkammer fluidisch voneinander abgedichtet. Dabei gilt für die bestimmungsgemäße Einbaulage, dass die erste Ausströmseite und die zweite Einströmseite fluidisch mit der Bürstenkammer verbunden sind, wobei die zweite Ausströmseite und die dritte Einströmseite fluidisch mit der Statorkammer verbunden sind.
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Ferner kann die Flüssigkeitskammer durch einen Kammerverbund aus der Statorkammer und einer damit fluidisch verbundenen Getriebekammer gebildet sein, wobei die Rotorwelle sich einerseits in der Bürstenkammer erstreckt und andererseits sich in dem Kammerverbund erstreckt, indem die Rotorwelle die Statorkammer durchzieht und insbesondere in die Getriebekammer hineinragt. Mittels der Radialwellendichtung im Zusammenspiel mit der von der Radialwellendichtung umgriffenen Rotorwelle sind die Bürstenkammer und die Statorkammer - und infolgedessen der Kammerverbund - fluidisch voneinander abgedichtet. In bestimmungsgemäßer Einbaulage sind die erste Ausströmseite und die zweite Einströmseite fluidisch mit der Bürstenkammer verbunden, wobei die zweite Ausströmseite und die dritte Einströmseite fluidisch mit dem die Flüssigkeitskammer bildenden Kammerverbund gekoppelt sind. Beispielsweise sind die zweite Ausströmseite und die dritte Einströmseite mit der Statorkammer und/oder mit der Getriebekammer fluidisch verbunden.
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Des Weiteren kann die Statorkammer durch die Luftkammer gebildet sein, wobei die Flüssigkeitskammer in dem Fall durch die Getriebekammer gebildet ist. Die Rotorwelle erstreckt sich dabei sowohl in der Statorkammer als auch in der Getriebekammer, die mittels der Radialwellendichtung im Zusammenspiel mit der von der Radialwellendichtung umgriffenen Rotorwelle fluidisch voneinander abgedichtet sind. In diesem Fall sind in der bestimmungsgemäßen Einbaulage die erste Ausströmseite und die zweite Einströmseite fluidisch mit der Statorkammer verbunden, wobei die zweite Ausströmseite und die dritte Einströmseite fluidisch mit der Getriebekammer verbunden sind. Für den Fall, dass die Statorkammer und die Bürstenkammer fluidisch miteinander kommunizieren, kann die Luftkammer durch einen anderen Kammerverbund gebildet sein, der die Statorkammer und die damit fluidisch verbundene Bürstenkammer aufweist. Dann können die erste Ausströmseite und die zweite Einströmseite fluidisch mit der Bürstenkammer und/oder mit der Statorkammer verbunden sein. Der andere Kammerverbund und damit die Luftkammer kann zudem eine Inverterkammer umfassen, die mit der Statorkammer und/oder der Bürstenkammer fluidisch kommuniziert. Dann können die erste Ausströmseite und die zweite Einströmseite fluidisch mit der Statorkammer und/oder mit der Bürstenkammer und/oder mit der Inverterkammer fluidisch verbunden sein. Alternativ ist die Inverterkammer der Statorkammer und/oder der Bürstenkammer fluidisch abgedichtet. In diesem Fall wird die Inverterkammer mittels eines separaten Druckausgleichselements entlüftet oder die Inverterkammer ist mit der ersten Ausströmseite und der zweiten Einströmseite fluidisch verbunden.
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In weiterer Ausgestaltung der Druckausgleichsvorrichtung ist der zweite Rückströmverhinderer dazu ausgebildet, das Strömen des Fluids bzw. der Luft von seiner (zweiten) Einströmseite hin zu seiner (zweiten) Ausströmseite ab einer zwischen der zweiten Einströmseite und der zweiten Ausströmseite vorliegenden Öffnungsdruckdifferenz freizugeben, die kleiner als eine Druckdifferenz zwischen der Flüssigkeitskammer und der Luftkammer ist, die zu einem eingangs beschriebenen kritischen Betriebsdruck führen würde. Demnach ist in dieser Ausgestaltung vorgesehen, dass die Öffnungsdruckdifferenz, unter der das Strömen der Luft zwischen der zweiten Einströmseite und der zweiten Ausströmseite mittels des zweiten Rückströmverhinderers freigegeben wird, kleiner als 10 mbar (Millibar), insbesondere kleiner als 5 mbar, bevorzugt kleiner als 1 mbar, ist. Hierdurch sind in vorteilhafter Weise bereits besonders geringe Druckdifferenzen zwischen der Flüssigkeitskammer und der Bürstenkammer Luftkammer vermeidbar.
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Die Rückströmverhinderer können je nach zur Verfügung stehendem Bauraum in der Umgebung des Gehäuses beliebig - insbesondere separat und/oder räumlich entfernt voneinander - angeordnet werden und bedarfsgerecht mittels eines Kanalsystems, Rohrsystems, Schlauchsystems etc. entsprechend der hierin beschriebenen Anordnung fluidisch miteinander sowie mit der Luftkammer und der Flüssigkeitskammer verschaltet werden. Um einer heutzutage besonders prekären Packaging-Problematik effizient zu begegnen, das heißt, um den wenigen zur Verfügung stehenden Bauraum bei der Herstellung und/oder Konzeptionierung von Kraftfahrzeugen effizient auszunutzen, ist in weiterer Ausgestaltung vorgesehen, dass mindestens zwei der Rückströmverhinderer oder alle der Rückströmverhinderer miteinander in Baueinheit ausgeführt sind. Hierdurch entfällt ein Teil des Kanalsystems, zumindest diejenigen Kanalelemente, die zwischen die Rückströmverhinderer untereinander verbinden. Dies hat neben dem Packaging-Vorteil auch noch den Vorteil, dass die Druckausgleichsvorrichtung besonders leicht ausgebildet ist, wodurch sich letztendlich ein besonders energieeffizient und emissionsarm betreibbares Kraftfahrzeug ergibt.
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In einer weiteren möglichen Ausführungsform weist die Druckausgleichsvorrichtung ein von einem Fluid durchströmbares Filterelement auf, dessen erste Durchströmseite mit der Einströmseite des zweiten Rückströmverhinderers fluidisch verbunden ist. Zudem ist die zweite Durchströmseite des Filterelements dazu ausgebildet, mit der Luftkammer, insbesondere Bürstenkammer, des Gehäuses fluidisch verbunden zu werden, sodass für die bestimmungsgemäße Einbaulage gilt, dass die zweite Durchströmseite und die Luftkammer bzw. Bürstenkammer miteinander fluidisch verbunden sind. In der Bürstenkammer kommt es im Betrieb der elektrischen Maschine aufgrund der an den Bürsten (Schleifkontakten) reibenden Rotorwelle zu Staub, insbesondere aus Metall. Daher kann es dazu kommen, dass die Luft, die aus der die Bürstenkammer bildenden Luftkammer ausströmt, mit dem Metallstaub beladen wird und dadurch den Metallstaub aus der Bürstenkammer heraustransportiert. Mittels des Filterelements wird die aus der Luftkammer ausströmende und staubbeladene Luft gefiltert, wodurch staubfreie Luft weiter in Richtung hin zum zweiten Rückströmverhinderer strömen kann. Es ist somit verhindert, dass die metallischen Staubpartikel in unerwünschter Weise den zweiten Rückströmverhinderer passieren und insbesondere in die Flüssigkeitskammer, insbesondere Statorkammer, gelangen. Denn ein elektrisch leitender bzw. leitfähiger Kurzschluss zwischen dem Rotor und dem Stator und/oder zwischen Polkontakten (üblicherweise als U, V, W bezeichnet) ist für eine einwandfreie Funktion zu vermeiden. Ferner wird - wenn die zweite Ausströmseite und die Getriebekammer miteinander verbunden sind - vermieden, dass die metallischen Staubpartikel in die Getriebekammer gelangen. Dies gilt analog, wenn die Statorkammer und die Getriebekammer zu dem Kammerverbund fluidisch zusammengeschlossen sind. Die Metallstaubpartikel würden nämlich in der Getriebekammer eine Reibung zwischen Getriebeelementen in unerwünschter Weise erhöhen und/oder die Getriebeelemente, beispielsweise Lager etc., schädigen. Dies könnten letztlich zu einem Getriebeschaden und damit zu einem Antriebsausfall des mit der elektrischen Maschine ausgerüsteten Kraftfahrzeugs führen.
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Die erste Durchströmseite des Filterelements und die erste Ausströmseite des ersten Rückströmverhinderers sind insbesondere - wie in weiterer Ausgestaltung vorgesehen - miteinander fluidisch verbunden. In diesem Fall weist das Filterelement eine Doppelfunktionalität auf, es wird nämlich, erstens, dazu eingesetzt, den Bürstenstaub aus der Luft zu filtern, die aus der Bürstenkammer ausströmt, und, zweitens, dazu eingesetzt, Staub oder Ähnliches aus der Luft zu filtern, die aus der Umgebung in Richtung hin zur Luftkammer bzw. Bürstenkammer strömt. Es sind weitere Einbauorte für das Filterelement und/oder wenigstens ein weiteres Filterelement denkbar, etwa um zu vermeiden, dass Staub etc. aus der Umgebung in die Flüssigkeitskammer oder überhaupt nicht in das Gehäuse der elektrischen Maschine gelangt. Hierzu kann beispielsweise ein weiteres Filterelement der ersten Einströmseite des ersten Rückströmverhinderers vorgeschaltet werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Druckausgleichsvorrichtung ist/sind zumindest einer oder mehr der Rückströmverhinderer als ein Rückschlagventil, insbesondere Schirmventil, ausgebildet. Es kann vorgesehen sein, dass alle der bei der Druckausgleichsvorrichtung eingesetzten Rückströmverhinderer als ein jeweiliges Rückschlagventil ausgebildet sind. Generell sind noch andere Ausführungsformen für einen oder mehr der Rückströmverhinderer denkbar, beispielsweise eine Rückschlagklappe, ein Tellerrückschlagventil, ein Kugelrückschlagventil etc. Zudem ist es denkbar, dass einer oder mehr der Rückströmverhinderer als bedarfsgerecht (insbesondere elektronisch) steuerbares Sperrventil ausgebildet ist.
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Die Ausgestaltung eines oder mehr der Rückströmverhinderer als Rückschlagventil ist insofern vorteilhaft, als die Druckausgleichsvorrichtung besonders einfach herstellbar ist, wobei das Rückschlagventil eine besonders zuverlässige Dichtfunktion bereitstellt. Ferner können Rückschlagventile heutzutage besonders bauraumeffizient gefertigt und verbaut werden, wodurch dem Gedanken ein besonders vorteilhaftes Packaging in besonderem Maße Rechnung getragen wird. Schirmventile sind zudem besonders wartungsarm, was zu einer vorteilhaft besonders langen Lebensdauer der Druckausgleichsvorrichtung beiträgt.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Gehäuse für eine elektrische Maschine vorgeschlagen, wobei das Gehäuse eine gemäß der vorstehenden Beschreibung ausgebildete Druckausgleichsvorrichtung aufweist. Das Gehäuse weist also die Flüssigkeitskammer und die Luftkammer auf oder ist aus der Flüssigkeitskammer und der Luftkammer zumindest teilweise gebildet. Dabei sind die Flüssigkeitskammer und die Luftkammer miteinander fluidisch über die Druckausgleichsvorrichtung derart verbindbar, dass Luft (oder ein anderen Fluid) aus der Luftkammer in die Flüssigkeitskammer strömen kann, nicht aber aus der Flüssigkeitskammer in die Luftkammer. Ferner weist das Gehäuse eine die Flüssigkeitskammer und die Luftkammer miteinander fluidisch verbindende Öffnung auf, die dazu ausgebildet ist, als Sitz für die Radialwellendichtung zu dienen. Durch diese Öffnung hindurch erstreckt sich bei der elektrischen Maschine die Rotorwelle aus der Flüssigkeitskammer in die Luftkammer, das heißt zum Beispiel aus der Statorkammer in die Bürstenkammer und/oder aus der Statorkammer in die Getriebekammer. Die Luftkammer und die Flüssigkeitskammer sind in bestimmungsgemäßer Einbaulage (das heißt, wenn durch das Gehäuse einen Bestandteil der einsatzbereiten elektrischen Maschine gebildet ist) fluidisch voneinander abgedichtet, indem in die Öffnung die Radialwellendichtung eingesetzt ist, wobei eine Welle, insbesondere eine Rotorwelle, der elektrischen Maschine sich durch die Radialwellendichtung hindurcherstreckt.
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In einer möglichen Weiterbildung des Gehäuses ist durch die Luftkammer eine Bürstenkammer des Gehäuses gebildet, wobei durch die Flüssigkeitskammer eine Statorkammer des Gehäuses gebildet ist. Alternativ kann für das Gehäuse vorgesehen sein, dass die Luftkammer durch einen Kammerverbund gebildet ist, der durch die Bürstenkammer und die damit fluidisch kommunizierende Statorkammer gebildet ist, wobei durch die Flüssigkeitskammer eine Getriebekammer des Gehäuses gebildet ist. Bei einer weiteren Möglichkeit, das Gehäuse auszugestalten, ist durch die Luftkammer die Bürstenkammer des Gehäuses gebildet, wobei die Flüssigkeitskammer durch einen anderen Kammerverbund gebildet ist, der durch die Statorkammer und die damit fluidisch kommunizierende Getriebekammer gebildet ist.
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Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt eine elektrische Maschine, die das die Druckausgleichsvorrichtung aufweisende Gehäuse gemäß der vorstehenden Beschreibung umfasst. Die elektrische Maschine ist insbesondere als eine elektrische Traktionsmaschine für ein Kraftfahrzeug ausgebildet.
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Zudem betrifft die Erfindung in einem weiteren Aspekt ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen und/oder Lastkraftwagen, wobei das Kraftfahrzeug die gemäß der vorstehenden Beschreibung ausgebildete elektrische Maschine aufweist. Demnach handelt es sich bei dem Kraftfahrzeug insbesondere um ein zumindest teilweise elektrisch antreibbares/fortbewegbares Kraftfahrzeug oder um ein reinelektrisch betreibbares Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Ansicht einer ein Gehäuse aufweisenden elektrischen Maschine mit einer Druckausgleichsvorrichtung und
- 2 ein Diagramm von Betriebszuständen eines Radialwellendichtung der elektrischen Maschine, wobei kritische Betriebszustände mittels der Druckausgleichsvorrichtung vermieden werden.
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In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der folgende Vortrag bezieht sich gleichermaßen auf eine Druckausgleichsvorrichtung DAV, ein Gehäuse G, eine elektrische Maschine EM und auf ein Kraftfahrzeug (nicht dargestellt).
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Hierzu zeigt 1 in schematischer Ansicht die das Gehäuse G aufweisende elektrische Maschine EM mit der Druckausgleichsvorrichtung DAV, die die Rückströmverhinderer V1, V2, V3 aufweist. Vorliegend ist der jeweilige Rückströmverhinderer V1, V2, V3 als ein jeweiliges Rückschlagventil, insbesondere jeweils in Form eines Schirmventils, ausgeführt. Eine erste Ausströmseite AS1 des ersten Rückströmverhinderers V1 und eine zweite Einströmseite ES2 des zweiten Rückströmverhinderers V2 sind miteinander fluidisch verbunden, vorliegend, indem ein Kanalelement C1 in ein Kanalelement C2 mündet, mittels dessen die erste Ausströmseite AS1 und eine Luftkammer K1 des Gehäuses G bzw. der elektrischen Maschine (EM) fluidisch miteinander verbunden sind. Eine zweite Ausströmseite AS2 des zweiten Rückströmverhinderers V2 und eine Einströmseite ES3 des dritten Rückströmverhinderers V3 sind miteinander fluidisch verbunden, vorliegend, indem ein Kanalelement C3 in ein Kanalelement C4 mündet, mittels dessen die zweite Ausströmseite AS2 und eine Flüssigkeitskammer K2 des Gehäuses G bzw. der elektrischen Maschine (EM) fluidisch miteinander verbunden sind.
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Die Flüssigkeitskammer K2 ist mit einer Flüssigkeit N - zum Beispiel einer Nassläuferflüssigkeit, einem Schmiermittel, etwa einem Öl, etc. - zumindest teilweise befüllt. Die Luftkammer K1 ist frei von einer Flüssigkeit und mit Luft L gefüllt. Die Luftkammer K1 weist eine Bürstenkammer BK des Gehäuses G bzw. der elektrischen Maschine EM auf oder ist aus der Bürstenkammer BK gebildet. Die Flüssigkeitskammer K2 weist eine Statorkammer SK des Gehäuses G bzw. der elektrischen Maschine EM auf oder ist aus der Statorkammer SK gebildet. Somit handelt es sich bei der in 1 dargestellten elektrischen Maschine EM um eine Nassläufermaschine. Das Gehäuse G weist vorliegend eine Getriebekammer GK auf, die zum Beispiel mit einem Getriebeöl gefüllt ist, in der im Betrieb der elektrischen Maschine EM Getriebeelemente (nicht dargestellt) planschen. Dabei können die Getriebekammer GK und die Statorkammer SK fluidisch miteinander kommunizieren, wobei es sich bei dem Getriebeöl um die Nassläuferflüssigkeit N handeln kann oder umgekehrt. Demnach kann die Flüssigkeitskammer K2 aus einem ersten Kammerverbund KV1 gebildet sein, der die Statorkammer SK und die Getriebekammer GK umfasst.
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Nicht dargestellt, aber von der Erfindung ebenso umfasst, ist die Möglichkeit, die elektrische Maschine EM als eine Trockenläufermaschine auszubilden, wobei dann die Statorkammer SK im Betrieb der elektrischen Maschine EM trocken läuft, das heißt frei von einer Flüssigkeit ist. In diesem Fall ist die Flüssigkeitskammer K2 aus der Getriebekammer GK gebildet, wobei die Luftkammer K1 aus einem zweiten Kammerverbund KV2 gebildet ist, der die (trockene, das heißt flüssigkeitsfreie) Statorkammer SK und die Bürstenkammer BK umfasst, die miteinander fluidisch kommunizieren.
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Um zu vermeiden, dass die Flüssigkeit N entlang einer sich aus der Flüssigkeitskammer K2 und in die Luftkammer K1 hineinerstreckenden Rotorwelle RW aus der Flüssigkeitskammer K2 in die Luftkammer K1 leckt, ist die Rotorwelle RW außenumfangsseitig von einer Radialwellendichtung RWD fluiddicht umschlossen. Die Radialwellendichtung RWD sitzt zum Beispiel in einer Öffnung Ö1 einer Wand W1 des Gehäuses G, wobei mittels der Wand W1 die Bürstenkammer BK und die Statorkammer SK fluidisch voneinander abgedichtet sind. Mit anderen Worten durchdringt die Öffnung Ö1 die Wand W1 und verbindet somit die Bürstenkammer BK und die Statorkammer SK. Ein Übertreten der Flüssigkeit N ist jedoch verhindert, indem die Radialwellendichtung RWD, die die Rotorwelle RW an der Stelle der Öffnung Ö1 außenumfangsseitig fluiddicht umschließt, und die Radialwellendichtung RWD selbst fluiddicht in der Öffnung Ö1 sitzt.
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Die Radialwellendichtung RWD kann alternativ - wenn die Statorkammer SK Teil der Luftkammer K1 ist - in einer Öffnung Ö2 einer Wand W2 des Gehäuses G sitzen. Mittels der Wand W2 sind die Statorkammer SK und die Getriebekammer GK fluidisch voneinander abgedichtet. Mit anderen Worten durchdringt die Öffnung Ö2 die Wand W2 und verbindet somit die Statorkammer SK und die Getriebekammer GK. Ein Übertreten der Flüssigkeit N ist jedoch verhindert, indem die Radialwellendichtung RWD, die die Rotorwelle RW an der Stelle der Öffnung Ö2 außenumfangsseitig fluiddicht umschließt, und die Radialwellendichtung RWD selbst fluiddicht in der Öffnung Ö2 sitzt.
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Die Kanalelemente C1, C2, C3, C4 sind bidirektional von einem Fluid (also zum Beispiel von der Luft L bzw. von der Flüssigkeit N oder einem anderen beliebigen Fluid) durchströmbar, wohingegen der jeweilige Rückströmverhinderer bzw. das jeweilige Rückschlagventil V1, V2, V3 bei bestimmungsgemäßem Gebrauch lediglich monodirektional von einem Fluid durchströmbar ist, wie in 1 durch die möglichen Strömungsrichtungen R1, R2, R3 dargestellt ist. Somit sind ein Belüften und ein Entlüften der Kammern K1, K2 sowie ein Druckausgleich zwischen den Kammern K1, K2 möglich, indem die Luft L, aufgrund der die jeweilige Strömungsrichtung R1, R2, R3 vorgebenden Rückströmverhinderer V1, V2, V3 folgendermaßen strömen kann
- - aus einer Umgebung U des Gehäuses G bzw. der elektrischen Maschine EM durch den ersten Rückströmverhinderer V1 hindurch und in die Luftkammer K1 hinein,
- - aus der Umgebung U durch den ersten Rückströmverhinderer V1 hindurch, durch den zweiten Rückströmverhinderer V2 hindurch und in die Flüssigkeitskammer K2 hinein,
- - aus der Luftkammer K1 heraus, durch den zweiten Rückströmverhinderer V2 hindurch und durch den dritten Rückströmverhinderer V3 hindurch in die Umgebung U hinein,
- - aus der Luftkammer K1 heraus, durch den zweiten Rückströmverhinderer V2 hindurch und in die Flüssigkeitskammer K2 hinein,
- - aus der Flüssigkeitskammer K2 heraus und durch dritten Rückströmverhinderer V3 hindurch in die Umgebung U hinein.
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Dabei ist es der Luft L verwehrt,
- - aus der Luftkammer K1 heraus- und durch den ersten Rückströmverhinderer V1 hindurch in die Umgebung U hineinzuströmen,
- - aus der Flüssigkeitskammer K2 heraus- und durch den zweiten Rückströmverhinderer V2 hindurch in die Umgebung U oder in die Luftkammer K1 hineinzuströmen.
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In 1 ist des Weiteren eine Inverterkammer IK angedeutet, wobei die Bürstenkammer BK und die Inverterkammer IK fluidisch miteinander verbunden sind, vorliegend über eine Kabeldurchführung KD, mittels derer ein in der Bürstenkammer BK und in der Inverterkammer IK verlaufendes elektrisches Kabel (etwa ein SSM-Kabel) durch eine Wand W3 des Gehäuses G geführt ist. Alternativ können in diesem Fall die Bürstenkammer BK und die Inverterkammer IK fluidisch voneinander abgedichtet sein, indem die Kabeldurchführung KD und das Kabel so ausgebildet sind, das ein Fluidübertritt zwischen der Bürstenkammer BK und der Inverterkammer IK verhindert ist. Die Statorkammer SK und die Getriebekammer sind vorliegend fluidisch miteinander verbunden, wobei- wie in 1 dargestellt - die dritte Einströmseite ES3 und die zweite Ausströmseite AS2 fluidisch mit der Getriebekammer GK verbunden sind. Durch eine die Wand W2 durchdringende Öffnung Ö2 erstreckt sich die Rotorwelle RW aus der Statorkammer SK in die Getriebekammer GK hinein. Die Inverterkammer IK und die Statorkammer SK bzw. Getriebekammer GK sind fluidisch voneinander abgedichtet, wobei zwischen der Inverterkammer IK und der Statorkammer SK eine Öffnung Ö3 ausgebildet sein kann, durch welche hindurch Polkabei P verlaufen, die einerseits an einem Stator S und andererseits an einem Inverter I der elektrischen Maschine EM angeschlossen sind. Um die fluiddichte Abgrenzung zwischen der Statorkammer SK und der Inverterkammer IK an der Öffnung Ö3 zu gewährleisten - wenn die elektrische Maschine EM als die Nassläufermaschine ausgebildet ist und somit die Statorkammer SK Teil der Flüssigkeitsklammer K2 ist -, ist dort ein Dichtring DR, zum Beispiel in Form eines O-Rings, angeordnet. Ist die Statorkammer SK dahingegen Teil der Luftkammer K1, kann der Dichtring DR entfallen.
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Ist durch die Statorkammer SK ein Anteil der Flüssigkeitskammer K2 gebildet, sind die erste Ausströmseite AS1 und die zweite Einströmseite ES2 fluidisch miteinander und fluidisch mit der Luftkammer K1 verbunden, indem sie mit der Bürstenkammer BK und/oder mit der Inverterkammer IK fluidisch verbunden sind. Hierzu kann zum Beispiel das Kanalelement C2 direkt in die Bürstenkammer BK und/oder direkt in die Inverterkammer IK münden. In diesem Fall sind die zweite Ausströmseite AS2 und die dritte Einströmseite ES3 fluidisch miteinander und fluidisch mit der Flüssigkeitskammer K2 verbunden, indem sie mit der Statorkammer SK und/oder mit der Getriebekammer GK fluidisch verbunden sind. Dazu kann das Kanalelement C4 direkt in die Statorkammer SK und/oder direkt in die Getriebekammer GK münden.
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Ist durch die Statorkammer SK ein Anteil der Luftkammer K1 gebildet, sind die erste Ausströmseite AS1 und die zweite Einströmseite ES2 fluidisch miteinander und fluidisch mit der Luftkammer K1 verbunden, indem sie mit der Bürstenkammer BK und/oder mit der Statorkammer SK und/oder mit der Inverterkammer IK fluidisch verbunden sind. Hierzu kann zum Beispiel das Kanalelement C2 direkt in die Bürstenkammer BK und/oder direkt in die Statorkammer SK und/oder direkt in die Inverterkammer IK münden. In diesem Fall sind die zweite Ausströmseite AS2 und die dritte Einströmseite ES3 fluidisch miteinander und fluidisch mit der Flüssigkeitskammer K2 verbunden, indem sie mit der Getriebekammer GK fluidisch verbunden sind. Dazu kann das Kanalelement C4 direkt in die Getriebekammer GK münden.
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Zumindest der zweite Rückströmverhinderer V2 ist derart ausgestaltet, ausgewählt oder hergestellt, dass er ein Strömen der Luft L freigibt, sobald ein an der zweiten Einströmseite ES2 anliegender Fluiddruck bzw. Luftdruck 1 mbar erreicht oder überschreitet.
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Wie zudem aus 1 hervorgeht, sind die Rückströmverhinderer V1, V2, V3 vorliegend in Baueinheit B ausgeführt, das heißt zu der Baueinheit B zusammengefasst. Dabei können die Kanalelemente C1, C3 besonders kurz ausfallen oder komplett entfallen.
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Ferner weist die Druckausgleichsvorrichtung DAV vorliegend ein von Luft L durchströmbares Filterelement F auf, dessen erste Durchströmseite DS1 sowohl mit der zweiten Einströmseite ES2 als auch mit der ersten Ausströmseite AS1 fluidisch verbunden ist. Ferner sind eine zweite Durchströmseite DS2 des Filterelements F und die Bürstenkammer fluidisch miteinander verbunden.
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Durch die Druckausgleichsvorrichtung DAV, durch das Gehäuse G, durch die elektrische Maschine EM sowie durch das Kraftfahrzeug ist eine jeweilige Möglichkeit aufgezeigt, um eine Druckdifferenz zwischen der Flüssigkeitskammer K2 und der Luftkammer K1 der elektrischen Maschine EM zu vermeiden, die mittels der Radialwellendichtung RWD voneinander fluidisch abgedichtet sind. Aktuellen Leckageproblemen zwischen den Kammern K1, K2 wird somit wirksam entgegengewirkt. Die Ent- und Belüftung der beiden Kammern K1, K2 (die auch als Öl- bzw. Luftraum bezeichnet werden können) werden aufgeteilt. Die Belüftung des Systems findet über die Luftseite, das heißt über die Luftkammer K1 bzw. über den mit der Luftkammer K1 fluidisch kommunizierenden Rückströmverhinderer V1, statt. Die Entlüftung des Systems findet über die Öl-Seite, das heißt über den mit der Flüssigkeitskammer K2 fluidisch kommunizierenden Rückströmverhinderer V3, statt. Beide Kammern K1, K2 werden durch den zweiten Rückströmverhinderer V2, der bei der absolut geringen Öffnungsdruckdifferenz von weniger als 1 mbar durchströmbar ist oder wird, miteinander monodirektional fluidisch verbunden. Die Durchflussrichtung oder Strömungsrichtung ist durch den zweiten Rückströmverhinderer V2 vorgegeben, und zwar von der Luft-Seite hin zur Öl-Seite. Ein Öleintrag in den Luftraum bzw. in die Luftkammer K1, insbesondere in die Bürstenkammer BK und in die Inverterkammer IK, wird dadurch verhindert. Der zweite Rückströmverhinderer V2 gibt eine Fluid- bzw. Luftströmung in Richtung R2 frei, wenn ein Überdruck im Luftraum oder ein Unterdruck im Öl-Raum anliegt. Dadurch werden die kritischen Betriebspunkte der Radialwellendichtung RWD aufgrund des Druckausgleichs zwischen den Kammern K1, K2 vermieden. Die Öffnungsdrücke bzw. Öffnungsdruckdifferenzen der Rückströmverhinderer V1, V2, V3, die insbesondere als ein jeweiliges Schirmventil ausgebildet sein können, nach bzw. von außen sind so ausgelegt, dass hohe Systemdrücke vermieden werden, wodurch das System hocheffizient ist.
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2 zeigt beispielhaft ein Diagramm von Betriebszuständen der Radialwellendichtung RWD der elektrischen Maschine EM, wobei kritische Betriebszustände KB mittels der Druckausgleichsvorrichtung DAV vermieden werden. Durch die Abszisse ist eine Temperatur T der Radialwellendichtung RWD charakterisiert, wobei die Ordinate eine Druckdifferenz zwischen den Kammern K1, K2 charakterisiert. Es ergeben sich in Abhängigkeit der Temperatur T der Radialwellendichtung RWD die kritischen Betriebszustände KB im Bereich unterhalb der Grenzkurve C. Durch den Einsatz der Druckausgleichsvorrichtung DAV sind die Betriebspunkte der Radialwellendichtung RWD stets oberhalb der Grenzkurve C und damit nicht kritisch. Denn bereits unter 10 mbar Druckdifferenz DZ, insbesondere ab 1 mbar Druckdifferenz DZ erfolgt der Druckausgleich zwischen den Kammern K1, K2 über den zweiten Rückströmverhinderer V2. Dies ist in dem Diagramm der 2 durch die Öffnungskennlinie KL des zweiten Rückströmverhinderers V2 dargestellt. Dadurch wird die Radialwellendichtung RWD nur noch unkritischen Betriebspunkten unterworfen.
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Bezugszeichenliste
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- AS1
- Ausströmseite
- AS2
- Ausströmseite
- AS3
- Ausströmseite
- B
- Baueinheit
- BK
- Bürstenkammer
- C
- Grenzkurve
- DAV
- Druckausgleichsvorrichtung
- DR
- Dichtring
- DS1
- Durchströmseite
- DS2
- Durchströmseite
- DZ
- Druckdifferenz
- EM
- elektrische Maschine
- ES1
- Einströmseite
- ES2
- Einströmseite
- ES3
- Einströmseite
- F
- Filterelement
- G
- Gehäuse
- GK
- Getriebekammer
- I
- Inverter
- IK
- Inverterkammer
- K1
- Luftkammer
- K2
- Flüssigkeitskammer
- KD
- Kabeldurchführung
- KV1
- Kammerverbund
- KV2
- Kammerverbund
- L
- Luft
- N
- Flüssigkeit
- KL
- Öffnungskennlinie
- Ö1
- Öffnung
- Ö2
- Öffnung
- Ö3
- Öffnung
- P
- Polkabel
- R1
- Strömungsrichtung
- R2
- Strömungsrichtung
- R3
- Strömungsrichtung
- RW
- Rotorwelle
- RWD
- Radialwellendichtung
- S
- Stator
- SK
- Statorkammer
- T
- Temperatur
- V1
- Rückströmverhinderer
- V2
- Rückströmverhinderer
- V3
- Rückströmverhinderer
- W1
- Wand
- W2
- Wand
- W3
- Wand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013200894 A1 [0004]
- DE 102017128532 B4 [0005]
