DE102022207945A1

DE102022207945A1 - Electric machine

Info

Publication number: DE102022207945A1
Application number: DE102022207945.0A
Authority: DE
Inventors: Kim Führer; Joao Bonifacio
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-08-02
Filing date: 2022-08-02
Publication date: 2024-02-08

Abstract

Vorgeschlagen wird eine elektrische Maschine (10), umfassend einen Stator (12) mit wenigstens einer Statorwicklung, einen Rotor (14) mit wenigstens einer auf einer drehbar gelagerten Rotorwelle (16) angebrachten Erregerwicklung (18), wobei die Rotorwelle (16) an ihren beiden axialen Enden jeweils elektrisch leitfähige Stirnflächen (20) aufweist und eine Stromübertragungseinrichtung (22), die ausgebildet ist, einen elektrischen Strom für die Erregerwicklung (18) über die beiden Stirnflächen (20) der Rotorwelle (16) von einer Erregerschaltung (24) zur Erregerwicklung (18) zu übertragen.The invention proposes an electrical machine (10), comprising a stator (12) with at least one stator winding, a rotor (14) with at least one field winding (18) mounted on a rotatably mounted rotor shaft (16), the rotor shaft (16) being attached to its both axial ends each have electrically conductive end faces (20) and a current transmission device (22) which is designed to supply an electrical current for the excitation winding (18) via the two end faces (20) of the rotor shaft (16) from an excitation circuit (24). Exciter winding (18) to be transferred.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrische Maschinen und insbesondere auf Stromübertragungseinrichtungen für Rotoranordnungen elektrischer Maschinen.The present invention relates generally to electrical machines and in particular to power transmission devices for rotor assemblies of electrical machines.

Elektrische Maschinen nutzen Eigenschaften der elektromagnetischen Wechselwirkung und basieren auf elektromagnetischer Induktion und magnetischen Kraftwirkungen, die durch die Lorentzkraft, und bei einigen Maschinentypen durch die Reluktanzkraft, beschrieben werden. Bei rotierenden elektrischen Maschinen, die durch eine Vielzahl verschiedener Bauformen und Einsatzbereiche geprägt sind, spielen die magnetischen Kraftwirkungen eine zentrale Rolle. Sie dienen der Umsetzung elektrischer Leistung in mechanische Leistung an einer Welle. Wird elektrische Leistung in mechanische Leistung umgesetzt, spricht man von einem Elektromotor, wird in der Gegenrichtung mechanische Leistung in elektrische Leistung umgeformt, spricht man von einem elektrischen Generator. Einige elektrische Maschinentypen können sowohl als Motor als auch als Generator betrieben werden, die konkrete Funktion wird durch einen Betriebsbereich der Maschine bestimmt.Electric machines use properties of electromagnetic interaction and are based on electromagnetic induction and magnetic force effects, which are described by the Lorentz force and, in some types of machines, by the reluctance force. Magnetic forces play a central role in rotating electrical machines, which are characterized by a variety of different designs and areas of application. They are used to convert electrical power into mechanical power on a shaft. If electrical power is converted into mechanical power, it is called an electric motor. If mechanical power is converted into electrical power in the opposite direction, it is called an electric generator. Some types of electrical machines can be operated as both a motor and a generator; the specific function is determined by the operating range of the machine.

Elektrische Maschinen können grob in Kommutatormaschinen, Asynchronmaschinen und Synchronmaschinen unterteilt werden. Synchronmaschinen wiederum können in permanenterregte Synchronmaschinen (PSM), fremderregte Synchronmaschinen (FSM) und Hybridsynchronmaschinen (HSM) unterteilt werden. Bei Letzteren weist der Rotor neben einem Permanentmagneten zusätzlich eine Felderregerwicklung auf.Electric machines can be roughly divided into commutator machines, asynchronous machines and synchronous machines. Synchronous machines, in turn, can be divided into permanent magnet synchronous machines (PSM), separately excited synchronous machines (FSM) and hybrid synchronous machines (HSM). In the latter case, the rotor has a field exciter winding in addition to a permanent magnet.

Fremderregte Synchronmaschinen oder Hybridsynchronmaschinen als Antriebe für Fahrzeuge, wie zum Beispiel PKWs, verwenden zur Übertragung eines für eine Rotorfelderzeugung notwendigen Stroms vom stehenden auf ein drehendes System konduktive Übertragungseinrichtungen. Diese können beispielsweise als Kohlebürsten- oder Schleifringanordnungen ausgeführt sein. Nachteilig daran sind Schleppverluste, mechanischer Verschleiß, möglicher Ausfall und Wartungsaufwand. Außerdem funktionieren Kohlebürsten- oder Schleifringanordnungen nur im Trockenraum.Externally excited synchronous machines or hybrid synchronous machines as drives for vehicles, such as cars, use conductive transmission devices to transmit the current necessary for rotor field generation from the stationary to a rotating system. These can be designed, for example, as carbon brush or slip ring arrangements. The disadvantages are drag losses, mechanical wear, possible failure and maintenance costs. In addition, carbon brush or slip ring arrangements only work in a dry room.

Darüber hinaus sind auch berührungslose Übertragungseinrichtungen bekannt, die insbesondere auf induktiver Übertragung basieren. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Transformatoren, deren Primär- und Sekundärseite durch einen Luftspalt voneinander getrennt und gegeneinander drehbar ausgeführt sind. Auf der Sekundärseite befindet sich ferner eine Gleichrichterschaltung, um den für die Übertragung notwendigen Wechselstrom in einen für eine Magnetfelderzeugung notwendigen Gleichstrom zu wandeln. Durch die Transformatoren ergibt sich meist ein größerer Bauraumbedarf.In addition, non-contact transmission devices are also known, which are based in particular on inductive transmission. These are essentially transformers whose primary and secondary sides are separated from each other by an air gap and designed to rotate against each other. There is also a rectifier circuit on the secondary side to convert the alternating current necessary for transmission into a direct current necessary for generating a magnetic field. The transformers usually require more installation space.

Somit besteht ein Bedarf an alternativen Strom- bzw. Spannungsübertragungssystemen auf rotierende Teile elektrischer Maschinen.There is therefore a need for alternative power or voltage transmission systems to rotating parts of electrical machines.

Diesem Bedarf wird durch eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 Rechnung getragen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This need is taken into account by an electrical machine according to claim 1. Advantageous further training is the subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung schlägt eine elektrische Maschine (E-Maschine) vor, die einen Stator mit wenigstens einer Statorwicklung und einen Rotor mit wenigstens einer auf einer drehbar gelagerten Rotorwelle angebrachten Erregerwicklung umfasst. Die Rotorwelle weist an ihren beiden axialen Enden jeweils elektrisch leitfähige Stirnflächen auf. Die elektrische Maschine umfasst ferner eine Strom- bzw. Spannungsübertragungseinrichtung, die ausgebildet ist, einen elektrischen Strom für die Erregerwicklung über die beiden Stirnflächen der Rotorwelle von einer Erregerschaltung zur Erregerwicklung zu übertragen. Dadurch kann eine kostengünstige Wellenstromführung geschaffen werden, die geringe Schleppverluste hat und wenige Bauteile benötigt.The present invention proposes an electrical machine (electric machine) which comprises a stator with at least one stator winding and a rotor with at least one field winding mounted on a rotatably mounted rotor shaft. The rotor shaft has electrically conductive end faces at its two axial ends. The electrical machine further comprises a current or voltage transmission device which is designed to transmit an electrical current for the excitation winding via the two end faces of the rotor shaft from an excitation circuit to the excitation winding. This makes it possible to create a cost-effective shaft current guide that has low drag losses and requires few components.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist die Strom- bzw. Spannungsübertragungseinrichtung ausgebildet, den elektrischen Strom über die beiden Stirnflächen im unmittelbaren Bereich einer Drehachse der Rotorwelle zu übertragen. Das bedeutet, dass Strom an einer Stirnfläche eingeleitet und an der anderen, gegenüberliegenden Stirnfläche ausgeleitet wird. Durch Kontaktierung der Stirnflächen im Bereich der Drehachse, d.h. im Drehzentrum, kann Reibung minimiert werden.According to some exemplary embodiments, the current or voltage transmission device is designed to transmit the electrical current via the two end faces in the immediate area of an axis of rotation of the rotor shaft. This means that current is introduced at one end face and discharged at the other, opposite end face. Friction can be minimized by contacting the end faces in the area of the axis of rotation, i.e. in the center of rotation.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen weist die Strom- bzw. Spannungsübertragungseinrichtung ein erstes elektrisch leitfähiges Kontaktelement auf, welches mit einer ersten Stirnfläche der Rotorwelle im Bereich der Drehachse der Rotorwelle in Kontakt steht. Dementsprechend weist die Strom- bzw. Spannungsübertragungseinrichtung ein zweites elektrisch leitfähiges Kontaktelement auf, welches mit einer zweiten Stirnfläche der Rotorwelle im Bereich der Drehachse der Rotorwelle in Kontakt steht. Dadurch kann der Wellenstrom an den Stirnseiten der Rotorwelle im Drehzentrum derselben übertragen werden. Es gibt in diesem Bereich zwar immer noch Relativdrehzahl, aber nur noch eine geringe Relativgeschwindigkeit. Das kann den Verschleiß des Wellenstromübertragungssystems verringern.According to some exemplary embodiments, the current or voltage transmission device has a first electrically conductive contact element which is in contact with a first end face of the rotor shaft in the region of the axis of rotation of the rotor shaft. Accordingly, the current or voltage transmission device has a second electrically conductive contact element, which is in contact with a second end face of the rotor shaft in the region of the axis of rotation of the rotor shaft. This allows the shaft current to be transmitted to the end faces of the rotor shaft in its center of rotation. There is still relative speed in this area, but only a low relative speed. This can reduce wear on the shaft power transmission system.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen weisen die Kontaktelemente jeweils eine gekrümmte, insbesondere kugelförmige, Kontaktfläche zur Stirnfläche der Rotorwelle auf. Wenn die Kontaktelemente ballig oder kugelförmig ausgebildet sind, lässt sich die Relativgeschwindigkeit zwischen Rotorwelle und Kontaktelementen minimieren. Auch Reibung und Verschleiß können reduziert werden. Es versteht sich, dass - je nach Bedarf - auch andere geometrische Formen für die Kontaktelemente vorgesehen sein können, wie z.B. nadelartig oder kegelartig.According to some exemplary embodiments, the contact elements each have a curved, in particular spherical, contact surface to the end face of the rotor shaft. If the contact elements are crowned or spherical, the relative speed between the rotor shaft and the contact elements can be minimized. Friction and wear can also be reduced. It is understood that - depending on requirements - other geometric shapes can also be provided for the contact elements, such as needle-like or cone-like.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen sind die Kontaktelemente jeweils über Federelemente axial an die Stirnflächen der Rotorwelle vorgespannt. Dadurch kann auch im laufenden Betrieb der E-Maschine ein zuverlässiger elektrischer Kontakt zwischen Kontaktelementen und Stirnflächen gewährleistet werden.According to some exemplary embodiments, the contact elements are each axially biased against the end faces of the rotor shaft via spring elements. This means that reliable electrical contact between contact elements and end faces can be ensured even during ongoing operation of the electric machine.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen stehen die Kontaktelemente gegenüber der Rotorwelle fest, drehen sich also im laufenden Betrieb der E-Maschine nicht mit. Trotz der Relativdrehung zwischen Rotorwelle und Kontaktelementen bleibt der elektrische Kontakt zur Stromübertragung bestehen. Bei elektrischem bzw. mechanischem Kontakt m Drehzentrum können Verschleißerscheinungen durch Reibung minimal gehalten werden.According to some exemplary embodiments, the contact elements are fixed relative to the rotor shaft and do not rotate during operation of the electric machine. Despite the relative rotation between the rotor shaft and the contact elements, the electrical contact for power transmission remains. With electrical or mechanical contact in the turning center, wear and tear caused by friction can be kept to a minimum.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist eine eingangsseitige Stirnfläche der Rotorwelle über ein erstes elektrisch leitfähiges Kontaktelement der Stromübertragungseinrichtung mit der Erregerschaltung gekoppelt. Demgegenüber ist eine ausgangseitige Stirnfläche der Rotorwelle über ein zweites elektrisch leitfähiges Kontaktelement der Stromübertragungseinrichtung mit einem Massepotenzial zur Erdung der Rotorwelle gekoppelt. Über diese Wellenerdung können beispielsweise Lager der Rotorwelle gegen Lagerströme geschützt werden. Diese bauteilsparende Ausführungsform mit Wellenerdung kann insbesondere für Systeme mit Rotorerregungsspannungen kleiner als beispielsweise 60V vorteilhaft sein.According to some exemplary embodiments, an input-side end face of the rotor shaft is coupled to the excitation circuit via a first electrically conductive contact element of the power transmission device. In contrast, an output-side end face of the rotor shaft is coupled to a ground potential for grounding the rotor shaft via a second electrically conductive contact element of the power transmission device. This shaft grounding can be used, for example, to protect rotor shaft bearings against bearing currents. This component-saving embodiment with shaft grounding can be particularly advantageous for systems with rotor excitation voltages lower than, for example, 60V.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist die Erregerwicklung eingangsseitig über wenigstens eine Anschlussleitung mit der eingangsseitigen Stirnfläche und ausgangsseitig über wenigstens eine Anschlussleitung mit einer Mantelfläche der Rotorwelle gekoppelt. Somit kann elektrischer Strom aus der Erregerwicklung sowie beispielsweise auch Lagerströme über die Mantelfläche der Rotorwelle zur Wellenerdung abfließen.According to some exemplary embodiments, the field winding is coupled on the input side via at least one connecting line to the input-side end face and on the output side via at least one connecting line to a lateral surface of the rotor shaft. This means that electrical current can flow from the field winding and, for example, bearing currents via the lateral surface of the rotor shaft to the shaft grounding.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist die eingangsseitige Stirnfläche der Rotorwelle über ein erstes elektrisch leitfähiges Kontaktelement mit einem ersten Anschluss der Erregerschaltung und die ausgangseitige Stirnfläche der Rotorwelle über ein zweites elektrisch leitfähiges Kontaktelement der Stromübertragungseinrichtung mit einem zweiten Anschluss der Erregerschaltung gekoppelt. Dies kann insbesondere für Systeme mit Rotorerregungsspannungen größer als beispielsweise 60V vorteilhaft sein.According to some exemplary embodiments, the input-side end face of the rotor shaft is coupled to a first connection of the excitation circuit via a first electrically conductive contact element and the output-side end face of the rotor shaft is coupled to a second connection of the excitation circuit via a second electrically conductive contact element of the power transmission device. This can be particularly advantageous for systems with rotor excitation voltages greater than, for example, 60V.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist die Erregerwicklung eingangsseitig über wenigstens eine Anschlussleitung mit der eingangsseitigen Stirnfläche und ausgangsseitig über wenigstens eine Anschlussleitung mit der ausgangsseitigen Stirnfläche gekoppelt. Die (isolierten) Anschlussleitungen dienen vorteilhaft zum Führen des Gleichstroms zwischen den als Kontaktflächen ausgebildeten Stirnflächen und der Erregerwicklung innerhalb der Rotorwelle.According to some exemplary embodiments, the field winding is coupled on the input side via at least one connecting line to the input-side end face and on the output side via at least one connecting line to the output-side end face. The (insulated) connecting lines advantageously serve to conduct the direct current between the end faces designed as contact surfaces and the field winding within the rotor shaft.

Gemäß einigen Ausführungsbeispielen ist wenigstens der Rotor mit der Rotorwelle und die Stromübertragungseinrichtung in einem Ölraum der E-Maschine untergebracht. Das Übertragungssystem kann zur Schmierung und Kühlung also in Öl eingesetzt werden. Aufgrund der geringen Relativgeschwindigkeit im Drehzentrum kann sich kein Ölfilm aufbauen, welcher die Stromübertragung verschlechtern könnte.According to some exemplary embodiments, at least the rotor with the rotor shaft and the power transmission device are accommodated in an oil chamber of the electric machine. The transmission system can be used in oil for lubrication and cooling. Due to the low relative speed in the center of rotation, no oil film can build up, which could impair power transmission.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsachse mit einer hierin vorgeschlagenen elektrischen Maschine.Another aspect of the present invention relates to an electric drive axle with an electric machine proposed herein.

Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebsachse gemäß dem vorherigen Aspekt.A still further aspect of the present invention relates to a motor vehicle with an electric drive axle according to the previous aspect.

Die vorliegende Erfindung kann eine kostengünstige Wellenstromführung für E-Maschinen bereitstellen, die geringe Schleppverluste hat, wenige Bauteile benötigt, robuste Bauteile verwendet und die Rotorlager gegen Lagerströme schützen kann.The present invention can provide a cost-effective shaft current guide for electric machines that has low drag losses, requires few components, uses robust components and can protect the rotor bearings against bearing currents.

Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben.Some embodiments of the present invention are described below with reference to the accompanying figures.

Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine; und
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine.

Show it:

1 a first exemplary embodiment of an electrical machine; and
2 a second embodiment of an electrical machine.

Die 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine elektrische Maschine (E-Maschine) 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der E-Maschine 10 kann es sich beispielsweise um eine fremderregte Synchronmaschine (FSM) oder um eine Hybridsynchronmaschine (HSM) mit Fremdstromerregung im Rotor handeln.The 1 shows schematically a section through an electrical machine (e-machine) 10 according to an exemplary embodiment of the present invention. The electric machine 10 can be, for example, an externally excited synchronous machine machine (FSM) or a hybrid synchronous machine (HSM) with external current excitation in the rotor.

Die E-Maschine 10 umfasst einen Stator (auch Ständer genannt) 12 mit wenigstens einer Statorwicklung. Zur Drehfelderzeugung können im Stator 12 beispielsweise mehrere in Statorblechpakete eingelegte Statorwicklungen vorgesehen sein. Die E-Maschine 10 umfasst ferner einen radial innerhalb des Stators 12 angeordneten Rotor (auch Läufer genannt) 14 mit wenigstens einer auf einer drehbar gelagerten Rotorwelle 16 angebrachten Erregerwicklung 18. Die Rotorwelle 16 ist mittels Wälzlagern 19 drehbar gelagert. Die Rotorwelle 16 kann dazu an ihrem Außenumfang die wenigstens eine Erregerwicklung bzw. Rotorwicklung 18 mittels eines Rotorblechpakets tragen. Im Falle einer Hybridsynchronmaschine kann der Rotor 14 ferner einen Permanentmagneten aufweisen (nicht gezeigt). Die Rotorwelle 14 weist an ihren beiden axialen Enden jeweils elektrisch leitfähige Stirnflächen 20-1, 20-2 auf. Im Fall einer Rotorwelle 16 aus Stahl können die Stirnflächen 20-1, 20-2 ebenfalls Stahl aufweisen. Für bessere elektrische Kontaktierung können die Stirnflächen 20-1, 20-2 jedoch auch zusätzlich jeweils eine elektrisch leitfähige(re) Beschichtung aufweisen, wie z.B. Graphen, Silber, Kupfer, oder Gold, um nur einige Beispiele zu nennen.The electric machine 10 includes a stator (also called a stator) 12 with at least one stator winding. To generate a rotating field, several stator windings inserted into stator laminated cores can be provided in the stator 12, for example. The electric machine 10 further comprises a rotor (also called rotor) 14 arranged radially within the stator 12 with at least one field winding 18 mounted on a rotatably mounted rotor shaft 16. The rotor shaft 16 is rotatably mounted by means of roller bearings 19. For this purpose, the rotor shaft 16 can carry the at least one field winding or rotor winding 18 on its outer circumference by means of a rotor laminated core. In the case of a hybrid synchronous machine, the rotor 14 can also have a permanent magnet (not shown). The rotor shaft 14 has electrically conductive end faces 20-1, 20-2 at its two axial ends. In the case of a rotor shaft 16 made of steel, the end faces 20-1, 20-2 can also have steel. However, for better electrical contacting, the end faces 20-1, 20-2 can also each additionally have an electrically conductive coating, such as graphene, silver, copper, or gold, to name just a few examples.

E-Maschine 10 umfasst ferner eine Stromübertragungseinrichtung 22, die ausgebildet ist, einen elektrischen Strom für die Rotorerregerwicklung 18 über die beiden Stirnflächen 20-1, 20-2 der Rotorwelle 16 von einer Erregerschaltung 24 zur Rotorerregerwicklung 18 zu übertragen. Die Erregerschaltung 24 kann einen oder mehrere Umrichter 25-1, 25-2 aufweisen. Zur Rotorerregung kann eine Gleichspannung bzw. ein Gleichstrom von einem vom Fahrzeughochspannungskreis 27 (z.B. 400 V, 800 V) galvanisch getrennten Gleichspannungswandler 25-2 erzeugt werden. Über einen Drehrichter 25-1 kann ein Drehfeld in den Statorwicklungen des Stators 12 erzeugt werden.E-machine 10 further comprises a power transmission device 22, which is designed to transmit an electrical current for the rotor field winding 18 via the two end faces 20-1, 20-2 of the rotor shaft 16 from an excitation circuit 24 to the rotor field winding 18. The excitation circuit 24 can have one or more converters 25-1, 25-2. To excite the rotor, a direct voltage or a direct current can be generated by a direct-voltage converter 25-2 that is galvanically isolated from the vehicle high-voltage circuit 27 (e.g. 400 V, 800 V). A rotating field can be generated in the stator windings of the stator 12 via a rotary converter 25-1.

Die Rotorwelle 16 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel mit einem Getriebe 40 gekoppelt, welches wiederum Räder 42 einer Antriebsachse antreibt. Je nach Ausführungsform könnte das Getriebe 40 zwischen Rotor 14 und Rädern 42 auch entfallen. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die E-Maschine 10 nebst dem Getriebe 40 in einem Ölraum 29 untergebracht. Das bedeutet, dass wenigstens der Rotor 14 mit der Rotorwelle 16 und die Stromübertragungseinrichtung 22 in dem Ölraum 29 untergebracht sein können.In the exemplary embodiment shown, the rotor shaft 16 is coupled to a transmission 40, which in turn drives wheels 42 of a drive axle. Depending on the embodiment, the gear 40 between rotor 14 and wheels 42 could also be omitted. At the in 1 In the exemplary embodiment shown, the electric machine 10 and the transmission 40 are accommodated in an oil chamber 29. This means that at least the rotor 14 with the rotor shaft 16 and the power transmission device 22 can be accommodated in the oil chamber 29.

Vorzugsweise ist die Stromübertragungseinrichtung 22 ausgebildet, den elektrischen Strom von der Erregerschaltung 24 über die beiden Stirnflächen 20-1, 20-2 im Bereich einer Drehachse 26 der Rotorwelle 16 zu übertragen. Das bedeutet, dass Kontaktpunkte zwischen Kontaktelementen 28-1, 28-2 der Stromübertragungseinrichtung 22 und den jeweiligen Stirnflächen 20-1, 20-2 idealerweise auf der Drehachse 26 der Rotorwelle 16 liegen bzw. diese umfassen. Es gibt in diesem Bereich zwar immer noch eine Relativdrehzahl, aber nur noch eine vergleichsweise geringe Relativgeschwindigkeit. Nichtsdestoweniger sind auch Ausführungsformen denkbar, bei denen Kontaktpunkte zwischen Kontaktelementen 28-1, 28-2 der Stromübertragungseinrichtung 22 und den jeweiligen Stirnflächen 20-1, 20-2 radial außerhalb der Drehachse 26 liegen. Dabei kann es allerdings zu höheren Reibungsverlusten kommen.The current transmission device 22 is preferably designed to transmit the electrical current from the excitation circuit 24 via the two end faces 20-1, 20-2 in the area of an axis of rotation 26 of the rotor shaft 16. This means that contact points between contact elements 28-1, 28-2 of the power transmission device 22 and the respective end faces 20-1, 20-2 ideally lie on or encompass the axis of rotation 26 of the rotor shaft 16. There is still a relative speed in this area, but only a comparatively low relative speed. Nevertheless, embodiments are also conceivable in which contact points between contact elements 28-1, 28-2 of the power transmission device 22 and the respective end faces 20-1, 20-2 lie radially outside the axis of rotation 26. However, this can lead to higher friction losses.

Die in 1 gezeigte Stromübertragungseinrichtung 22 weist ein erstes elektrisch leitfähiges Kontaktelement 28-1 auf, welches mit der ersten Stirnfläche 20-1 der Rotorwelle 16 radial im Bereich der Drehachse 26 der Rotorwelle 16 sowohl elektrisch als auch mechanisch in Kontakt steht. Ferner ist am gegenüberliegenden Ende der Rotorwelle 16 ein zweites elektrisch leitfähiges Kontaktelement 28-2 vorgesehen, welches mit der zweiten Stirnfläche 20-2 der Rotorwelle 16 radial im Bereich der Drehachse 26 in Kontakt steht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Kontaktelemente 28-1, 28-2 jeweils mit einer gekrümmten, insbesondere kugelförmigen, Kontaktfläche ausgebildet. Vorliegend sind die Kontaktelemente 28-1, 28-2 als Kugeln ausgebildet. Kugelkalotten oder andere abgerundete Kontaktflächen sind natürlich ebenfalls denkbar. Selbst als Stifte ausgebildete Kontaktelemente 28-1, 28-2, die mit ihrer Spitze genau im Drehzentrum (d.h. auf der der Drehachse 26) der Rotorwelle 16 Kontakt herstellen, sind vorstellbar. Es versteht sich, dass die Kontaktelemente 28-1, 28-2 elektrisch leitfähig sein müssen. Als Material für die Kontaktelemente 28-1, 28-2 kommt beispielsweise Stahl in Betracht. Optionale leitfähige(re) Beschichtungen (Graphen, Silber, Kupfer, Gold, usw.) sind möglich.In the 1 The power transmission device 22 shown has a first electrically conductive contact element 28-1, which is in both electrical and mechanical contact with the first end face 20-1 of the rotor shaft 16 radially in the region of the axis of rotation 26 of the rotor shaft 16. Furthermore, a second electrically conductive contact element 28-2 is provided at the opposite end of the rotor shaft 16, which is in radial contact with the second end face 20-2 of the rotor shaft 16 in the area of the axis of rotation 26. In the exemplary embodiment shown, the contact elements 28-1, 28-2 are each designed with a curved, in particular spherical, contact surface. In the present case, the contact elements 28-1, 28-2 are designed as balls. Spherical caps or other rounded contact surfaces are of course also conceivable. Even contact elements 28-1, 28-2 designed as pins, which make contact with their tip exactly in the center of rotation (ie on the axis of rotation 26) of the rotor shaft 16, are conceivable. It goes without saying that the contact elements 28-1, 28-2 must be electrically conductive. Steel, for example, can be considered as a material for the contact elements 28-1, 28-2. Optional conductive coatings (graphene, silver, copper, gold, etc.) are possible.

In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Kontaktelemente 28-1, 28-2 jeweils über Federelemente 30-1, 30-2 axial an die Stirnflächen 20-1, 20-2 angepresst, um möglichst optimalen Kontakt zu den Stirnflächen 20-1, 20-2 zu erhalten. Eine Gleichspannung bzw. ein Gleichstrom von der Erregerschaltung 24 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel also über mit Federn 30-1, 30-2 vorgespannten Kugeln 28-1, 28-2 im Drehzentrum 26 der Rotorwelle 16 in die Rotorwicklung 18 eingespeist. Die mit den 30-1, 30-2 Federn vorgespannten Kugeln 28-1, 28-2im Drehzentrum der Rotorwelle 16 bieten eine verlustarme Möglichkeit den Strom von stehenden Bauteilen in die drehende Welle zu führen.In the in 1 In the exemplary embodiment shown, the contact elements 28-1, 28-2 are each pressed axially against the end faces 20-1, 20-2 via spring elements 30-1, 30-2 in order to achieve the best possible contact with the end faces 20-1, 20-2 receive. In the exemplary embodiment shown, a direct voltage or a direct current from the excitation circuit 24 is fed into the rotor winding 18 via balls 28-1, 28-2 preloaded with springs 30-1, 30-2 in the center of rotation 26 of the rotor shaft 16. The balls 28-1, 28-2 in the center of rotation of the rotor shaft 16, which are preloaded with the 30-1, 30-2 springs, offer a low-loss option for guiding the current from stationary components into the rotating shaft.

Die Kontaktelemente 28-1, 28-2 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils feststehend, drehen sich also im Betrieb der E-Maschine 10 nicht mit der Rotorwelle 16 mit. The contact elements 28-1, 28-2 are each fixed in the exemplary embodiment shown, So they do not rotate with the rotor shaft 16 when the electric machine 10 is in operation.

Konstruktiv etwas aufwändiger ließen sich aber auch Kontaktelemente realisieren, sie sich mit der Rotorwelle 16 um die Drehachse 26 mitdrehen. Damit könnte ein Verschleiß des Wellenstromübertragungssystems bzw. der Kontaktelemente 28-1, 28-2 noch weiter reduziert werden.However, contact elements that rotate with the rotor shaft 16 about the axis of rotation 26 could also be implemented with a little more construction complexity. This could further reduce wear on the shaft current transmission system or the contact elements 28-1, 28-2.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die eingangsseitige Stirnfläche 20-1 der Rotorwelle 16 über das erste elektrisch leitfähige Kontaktelement 28-1 elektrisch mit der Erregerschaltung 24 gekoppelt. Die ausgangseitige Stirnfläche 20-2 der Rotorwelle 16 ist über das zweite elektrisch leitfähige Kontaktelement 28-2 mit einem Massepotenzial 32 zur Erdung der Rotorwelle 16 gekoppelt. Das ausgangseitige Kontaktelement 28-2 kann also beispielsweise mit einer Fahrzeugkarosserie zur Erdung der Rotorwelle 16 verbunden sein. Damit kann eine Niederspannungsseite der Erregerschaltung 24 mit der Fahrzeugmasse verbunden werden. Eine maximale Gleichspannung für die Rotorstromerregung sollte dabei allerdings kleiner als 60V sein (Berührungsschutz).In the exemplary embodiment shown, the input-side end face 20-1 of the rotor shaft 16 is electrically coupled to the excitation circuit 24 via the first electrically conductive contact element 28-1. The output-side end face 20-2 of the rotor shaft 16 is coupled to a ground potential 32 for grounding the rotor shaft 16 via the second electrically conductive contact element 28-2. The output-side contact element 28-2 can therefore be connected, for example, to a vehicle body for grounding the rotor shaft 16. This allows a low-voltage side of the excitation circuit 24 to be connected to the vehicle ground. However, a maximum DC voltage for the rotor current excitation should be less than 60V (touch protection).

Durch die Wellenerdung 32 können die Rotorlager 19 gegen Lagerströme geschützt werden. Lagerströme treten auf, wenn in den Rotor 14 und die Welle 16 induzierte Spannungen über die Lager 19 gegen Masse entladen werden. Dadurch kommt es zu einer Metallübertragung zwischen Wälzkörpern und Laufringen - es findet also eine Elektroerosion (EDM) statt. Insgesamt können durch EDM ein vorzeitiger Verschleiß sowie ein erhöhter Geräuschpegel und verstärkte Vibrationen resultieren. Die Wellenerdung 32 stellt für unerwünschte Lagerströme einen Kurzschluss dar, so dass die Ströme über Welle 16 und Wellenerdung 32 anstatt über die Lager 19 abfließen.The rotor bearings 19 can be protected against bearing currents by the shaft grounding 32. Bearing currents occur when voltages induced in the rotor 14 and the shaft 16 are discharged to ground via the bearings 19. This leads to metal transfer between rolling elements and races - electrical erosion (EDM) takes place. Overall, EDM can result in premature wear as well as increased noise levels and increased vibrations. The shaft grounding 32 represents a short circuit for unwanted bearing currents, so that the currents flow via shaft 16 and shaft grounding 32 instead of via the bearings 19.

Die Rotorerregerwicklung 18 ist eingangsseitig über eine oder mehrere Anschlussleitungen 34 mit der eingangsseitigen Stirnfläche 20-1 gekoppelt, die wiederum mit der Erregerschaltung 24 über Kontaktelement 28-1 gekoppelt ist. Hier können die Anschlussleitungen 34 im Innern der Rotorwelle 16 (die hohl ausgebildet sein kann) von der Stirnfläche 20-1 zu einem oder mehreren Eingangsanschlüssen der Rotorerregerwicklung 18 führen. Ausgangsseitig ist die wenigstens eine Rotorerregerwicklung 18 ebenfalls über eine oder mehrere Anschlussleitungen 34 mit einer Mantelfläche der Rotorwelle 18 gekoppelt. Über die Mantelfläche der Rotorwelle 18, das ausgangseitige Kontaktelement 28-2 und das Massepotenzial 32 kann damit ein Erregungsstrom über die Fahrzeugkarosserie zurückgeführt werden. Die ausgangsseitigen Anschlussleitungen 34 der Rotorerregerwicklung 18 können, anstatt mit der Mantelfläche gekoppelt zu sein, auch im Innern der Rotorwelle 16 bis zur ausgangsseitigen Stirnfläche 20-2 geführt werden.The rotor excitation winding 18 is coupled on the input side via one or more connecting lines 34 to the input-side end face 20-1, which in turn is coupled to the excitation circuit 24 via contact element 28-1. Here, the connecting lines 34 inside the rotor shaft 16 (which can be hollow) can lead from the end face 20-1 to one or more input connections of the rotor field winding 18. On the output side, the at least one rotor field winding 18 is also coupled to a lateral surface of the rotor shaft 18 via one or more connecting lines 34. An excitation current can thus be returned via the vehicle body via the lateral surface of the rotor shaft 18, the output-side contact element 28-2 and the ground potential 32. The output-side connecting lines 34 of the rotor field winding 18 can, instead of being coupled to the lateral surface, also be routed inside the rotor shaft 16 up to the output-side end face 20-2.

Während die 1 eine Ausführungsform der elektrischen Maschine mit Wellenerdung betrifft, die sich insbesondere für maximale Gleichspannungen für die Rotorstromerregung kleiner als 60V eignet, zeigt die 2 eine Ausführungsform, bei welcher der Erregungsstrom von der Rotorwelle 16 ausgangseitig zur Erregerschaltung 24 zurückgeführt wird. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die eingangsseitige Stirn- bzw. Kontaktfläche 20-1 der Rotorwelle 16 über das erste elektrisch leitfähige Kontaktelement 28-1 mit einem ersten Anschluss 36-1 (z.B. Plus-Pol) der Erregerschaltung 24 gekoppelt. Die ausgangseitige Stirn- bzw. Kontaktfläche 20-2 der Rotorwelle 16 ist über das zweite elektrisch leitfähige Kontaktelement 28-2 mit einem zweiten Anschluss 36-2 (z.B. Minus-Pol) der Erregerschaltung 24 gekoppelt. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Erregerwicklung eingangsseitig über eine oder mehrere Anschlussleitungen 34 mit der eingangsseitigen Stirn- bzw. Kontaktfläche 20-1 gekoppelt und ausgangsseitig über eine oder mehrere Anschlussleitungen 34 mit der ausgangsseitigen Stirn- bzw. Kontaktfläche 20-2. Die Anschlussleitungen 34 können jeweils innerhalb der Rotorwelle 16 geführt sein. Diese Variante der Wellenstromführung eignet sich insbesondere für maximale Gleichspannungen für die Rotorstromerregung größer als 60V.While the 1 shows an embodiment of the electrical machine with shaft grounding, which is particularly suitable for maximum DC voltages for rotor current excitation of less than 60V 2 an embodiment in which the excitation current from the rotor shaft 16 is returned to the excitation circuit 24 on the output side. At the in 2 In the exemplary embodiment shown, the input-side end face or contact surface 20-1 of the rotor shaft 16 is coupled to a first connection 36-1 (eg plus pole) of the excitation circuit 24 via the first electrically conductive contact element 28-1. The output-side end face or contact surface 20-2 of the rotor shaft 16 is coupled to a second connection 36-2 (eg negative pole) of the excitation circuit 24 via the second electrically conductive contact element 28-2. At the in 2 In the exemplary embodiment shown, the excitation winding is coupled on the input side via one or more connecting lines 34 to the input-side end face or contact surface 20-1 and on the output side via one or more connection lines 34 to the output-side end face or contact surface 20-2. The connecting lines 34 can each be guided within the rotor shaft 16. This variant of shaft current management is particularly suitable for maximum DC voltages for rotor current excitation greater than 60V.

Zusammenfassend schaffen die hierin vorgeschlagenen Ausführungsbeispiele eine kostengünstige Wellenstromführung, die geringe Schleppverluste hat, wenige Bauteile benötigt, robuste Bauteile verwendet und die Rotorlager gegen Lagerströme schützen kann. Die Wellenstromführung kann in FSM/HSM - E-Achsen mit einer Rotorerregungsspannung kleiner 60V aber auch größer als 60V verbaut werden. In der E-Achse können in einem Ölraum die E-Maschine und ein Radsatz untergebracht sein. Die E-Maschine kann von einem externen Umrichter angesteuert werden. Zur Rotorerregung kann eine Gleichspannung / ein Gleichstrom von einem vom Fahrzeughochspannungskreis galvanisch getrennten DC/DC-Wandler erzeugt werden. Damit kann die Niederspannungsseite mit der Fahrzeugmasse verbunden werden. Die maximale Gleichspannung für die Rotorstromerregung mit Wellenerdung sollte kleiner als 60V sein (Berührungsschutz). Die Gleichspannung kann über eine mit einer Feder vorgespannten Kugel im Drehzentrum der Rotorwelle in die Rotorwicklung eingespeist werden. Am Rotorwellenende kann die entsprechende Stromführungseinrichtung platziert werden. Das andere Ende der Rotorwicklung kann direkt mit der Rotorwelle verbunden werden. Der Erregungsstrom kann über eine weitere mit einer Feder vorgespannten Kugel ins Gehäuse abgeleitet werden. Die Rotorlager können damit über die Wellenerdung gleichzeitig gegen Lagerströme geschützt werden. Die mit Federn vorgespannten Kugeln im Drehzentrum der Welle bieten eine verlustarme Möglichkeit den Strom von stehenden Bauteilen in die drehende Welle zu führen.In summary, the exemplary embodiments proposed here create a cost-effective shaft current guide that has low drag losses, requires few components, uses robust components and can protect the rotor bearings against bearing currents. The shaft current guide can be installed in FSM/HSM - E-axles with a rotor excitation voltage less than 60V but also greater than 60V. The electric motor and a wheel set can be accommodated in an oil chamber in the e-axle. The electric machine can be controlled by an external converter. To excite the rotor, a direct voltage/direct current can be generated by a DC/DC converter that is galvanically isolated from the vehicle's high-voltage circuit. This allows the low-voltage side to be connected to the vehicle ground. The maximum DC voltage for rotor current excitation with shaft grounding should be less than 60V (touch protection). The direct voltage can be fed into the rotor winding via a ball preloaded with a spring in the center of rotation of the rotor shaft. The corresponding current-carrying device can be placed at the end of the rotor shaft. The other end of the rotor winding can be directly connected to the rotor shaft. The excitation current can be biased via another spring th ball is diverted into the housing. The rotor bearings can therefore be protected against bearing currents via shaft grounding. The spring-loaded balls in the center of rotation of the shaft offer a low-loss option for guiding the current from stationary components into the rotating shaft.

Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Während jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hier explizit vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.Furthermore, the following claims are hereby incorporated into the detailed description, whereby each claim may stand on its own as a separate example. While each claim can stand on its own as a separate example, it should be noted that - although a dependent claim may refer to a particular combination with one or more other claims in the claims - other examples also include a combination of the dependent claim with the subject matter of each may include other dependent or independent claims. Such combinations are explicitly suggested here, unless it is stated that a particular combination is not intended. Furthermore, features of a claim should also be included for any other independent claim, even if that claim is not made directly dependent on the independent claim.

BezugszeichenReference symbols

1010: elektrische Maschineelectric machine
1212: Statorstator
1414: Rotorrotor
1616: RotorwelleRotor shaft
1818: Erregerwicklungexciter development
1919: RotorlagerRotor bearing
2020: Stirnflächeface
2222: StromübertragungseinrichtungElectricity transmission device
2424: Erregerschaltungexcitation circuit
2525: UmrichterInverter
2626: DrehachseAxis of rotation
2727: FahrzeughochspannungskreisVehicle high voltage circuit
2828: KontaktelementContact element
2929: ÖlraumOil room
3030: FederelementSpring element
3232: MassepotenzialGround potential
3434: AnschlussleitungConnection cable
3636: AnschlussConnection
4040: Getriebetransmission
4242: Radwheel

Claims

Electric machine (10), comprising a stator (12) with at least one stator winding; a rotor (14) with at least one field winding (18) mounted on a rotatably mounted rotor shaft (16), the rotor shaft (16) having electrically conductive end faces (20) at its two axial ends; and a power transmission device (22) which is designed to transmit an electrical current for the excitation winding (18) via the two end faces (20) of the rotor shaft (16) from an excitation circuit (24) to the excitation winding (18).

The electric machine (10) after Claim 1 , wherein power transmission device (4) is designed to transmit the electrical current via the two end faces in the area of an axis of rotation of the rotor shaft.

The electrical machine (10) according to one of the preceding claims, wherein the power transmission device (22) has a first electrically conductive contact element (28-1) which is connected to a first end face (20-1) of the rotor shaft (16) in the area of the axis of rotation ( 26) of the rotor shaft (16) is in contact, and has a second electrically conductive contact element (28-2), which is in contact with a second end face (20-2) of the rotor shaft (16) in the area of the axis of rotation (26) of the rotor shaft stands.

The electric machine (10) after Claim 3 , wherein the contact elements (28) each have a curved, in particular spherical, contact surface.

The electric machine (10) after Claim 3 or 4 , wherein the contact elements (28) are each axially prestressed on the end faces via spring elements (30).

The electrical machine (10) according to one of the Claims 3 until 5 , whereby the contact elements (28) are fixed relative to the rotor shaft (16).

The electric machine (10) according to one of the preceding claims, wherein an input-side end face (20-1) of the rotor shaft is coupled to the excitation circuit (24) via a first electrically conductive contact element (28-1) of the current transmission device (22) and wherein a output-side end face (20-2) of the rotor shaft is coupled to a ground potential (32) for grounding the rotor shaft via a second electrically conductive contact element (28-2) of the power transmission device (22).

The electric machine (10) after Claim 7 , wherein the field winding (18) is coupled on the input side to the input-side end face (20-1) via at least one connecting line (34) and the field winding (18) is coupled on the output side to a lateral surface of the rotor shaft (16) via at least one connecting line (34). .

The electrical machine (10) according to one of the Claims 1 until 6 , wherein an input-side end face (20-1) of the rotor shaft is coupled to a first connection of the excitation circuit (24) via a first electrically conductive contact element (28-1) of the current transmission device (22) and wherein an output-side end face (20-2) of the Rotor shaft is coupled to a second connection of the excitation circuit (24) via a second electrically conductive contact element (28-2) of the power transmission device (22).

The electric machine (10) after Claim 9 , wherein the field winding (18) is coupled on the input side to the input-side end face (20-1) via at least one connection line (34) and the field winding (18) is coupled on the output side to the output-side end face (20-2) via at least one connection line (34). is.

The electric machine (10) according to one of the preceding claims, wherein at least the rotor (14) with the rotor shaft (16) and the power transmission device (22) are accommodated in an oil chamber (29).

Electric drive axle with an electric machine (10) according to one of the present claims.

Motor vehicle with an electric drive axle according to Claim 12 .