DE112020003208T5

DE112020003208T5 - Eine Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine und eine elektrische Maschine mit selbiger und ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE112020003208T5
Application number: DE112020003208.6T
Authority: DE
Inventors: Chuan DENG; Guohua DU; Yigang YUAN
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2019-07-02
Filing date: 2020-07-02
Publication date: 2022-03-17
Also published as: CN112186981A; WO2021003360A1; US20220255277A1; US11916343B2

Abstract

Gemäß der vorliegenden Anmeldung wird eine Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine bereitgestellt, die ein Rotationslagerelement, das in einer Rotorwelle befestigt ist und mit dieser rotiert, und eine nicht rotierende Komponente umfasst. Das Rotationslagerelement umfasst: eine erste Kammer, die mit einem leitenden Fluid gefüllt ist und eine erste Öffnung und einen positiven Rotoranschluss aufweist, der in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist und elektrisch mit einem positiven Rotorpol verbunden ist; eine zweite Kammer, die mit einem leitenden Fluid gefüllt ist und von der ersten Kammer elektrisch isoliert ist und eine zweite Öffnung und einen negativen Rotoranschluss aufweist, der in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist und elektrisch mit einem negativen Rotorpol verbunden ist. Die nicht rotierende Komponente schließt die erste und die zweite Öffnung und umfasst: einen positiven Leistungsanschluss, der sich in die erste Kammer erstreckt und in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist; und einen negativen Leistungsanschluss, der sich in die zweite Kammer erstreckt und in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist. Im Gegensatz zu bestehenden Übertragungsstrukturen mit leitendem Fluid ist die Vorrichtung in der vorliegenden Erfindung in die Rotorwelle integriert, was kompakter und zuverlässiger ist und äußere Einflüsse weitestgehend vermeiden kann.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Elektrotechnik und insbesondere eine Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit selbiger und ein Fahrzeug.
Hintergrund
Bestehende elektrische Maschinen umfassen im Allgemeinen zwei Teile: einen Rotor und einen Stator, die als Energieumwandlungsvorrichtungen zur Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie und zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie dienen. In einigen Strukturen der elektrischen Maschinen ist es notwendig, Gleichstrom von einer Energiequelle zu einer Rotorwicklung des Rotors der elektrischen Maschine oder umgekehrt zu übertragen, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, und kann der Rotor dann unter einem rotierenden Magnetfeld des Stators der elektrischen Maschine rotieren.
Der Prozess der Übertragung von Gleichstrom von der Energiequelle zu der Rotorwicklung des Rotors der elektrischen Maschine oder umgekehrt umfasst die Stromübertragung zwischen beweglichen Teilen. Die derzeit in der Technik hauptsächlich verwendeten technischen Lösungen umfassen mechanische Schleifringübertragung, Rotationstransformatorübertragung, kapazitive Energieübertragung und resonante Energieübertragung. Von diesen weist die mechanische Schleifringübertragung höhere Verluste auf, während die Rotationstransformatorübertragung, die kapazitive Energieübertragung und die resonante Energieübertragung komplexe Strukturen und höhere Kosten aufweisen.
Die chinesische Patentschrift CN2697938Y offenbart ein Fluiderregungsstromführungssystem, in dem eine Lösung für Stromübertragung durch ein leitendes Fluid erwähnt wird. In dem Fluiderregungsstromführungssystem fließt der Erregerstrom von einem positiven oder negativen Pol einer Energieversorgung zu einem stationären guten Leiter und passiert dann eine gut leitende Flüssigkeit zu einem guten Leiter an einer rotierenden Welle und dann zu einer Rotorwicklung eines Generators, wobei eine rotierende gut leitende Vorrichtung an der rotierenden Welle des Generators installiert ist und zusammen mit der rotierenden Welle rotiert, eine stationäre gut leitende Vorrichtung am Umfang des rotierenden guten Leiters installiert ist, ein Hohlraum zwischen der rotierenden gut leitenden Vorrichtung und der stationären gut leitenden Vorrichtung gebildet ist und die gut leitende Flüssigkeit den Hohlraum füllt. In dieser Struktur sind die rotierende gut leitende Vorrichtung, die stationäre gut leitende Vorrichtung und die gut leitende Flüssigkeit alle außerhalb der rotierenden Welle des Generators angeordnet, so dass die Gesamtstruktur relativ groß und anfällig für äußere Einflüsse ist.
Vor diesem Hintergrund erkannte der Erfinder der vorliegenden Anmeldung, dass ein Bedarf an einer Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine besteht, die Strom durch ein leitendes Fluid an die Rotorwicklung übertragen kann, die kompakter und zuverlässiger ist als die bestehenden Übertragungsstrukturen mit leitendem Fluid und die äußere Einflüsse weitestgehend vermeiden kann.
Aussagen der Erfindung
Die Offenbarung fasst Aspekte der Ausführungsformen zusammen und sollte nicht als Einschränkung der Ansprüche verwendet werden. Andere Implementierungen können gemäß den hierin beschriebenen Techniken angedacht werden, wie bei der Prüfung der folgenden Zeichnungen und ausführlichen Beschreibung ersichtlich sein wird, und solche Implementierungen sollen in den Umfang dieser Anmeldung fallen.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine bereitzustellen, die kompakter und zuverlässiger ist als die bestehenden Übertragungsstrukturen mit leitendem Fluid und die äußere Einflüsse weitestgehend vermeiden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine bereitgestellt mit:

einem Rotationslagerelement, das in einer Rotorwelle befestigt ist und mit dieser rotiert, wobei das Rotationslagerelement umfasst:
- eine erste Kammer, die mit einem leitenden Fluid gefüllt ist, wobei die erste Kammer eine erste Öffnung und einen positiven Rotoranschluss aufweist, der in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist und elektrisch mit einem positiven Rotorpol verbunden ist;
- eine zweite Kammer, die mit einem leitenden Fluid gefüllt ist und von der ersten Kammer elektrisch isoliert ist, wobei die zweite Kammer eine zweite Öffnung und einen negativen Rotoranschluss aufweist, der in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist und elektrisch mit einem negativen Rotorpol verbunden ist; und einer nicht rotierenden Komponente, die die erste und die zweite Öffnung schließt und die umfasst:
  - einen positiven Leistungsanschluss, der sich in die erste Kammer erstreckt und in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist;
  - einen negativen Leistungsanschluss, der sich in die zweite Kammer erstreckt und in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Rotationslagerelement einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt, die voneinander getrennt sind, wobei der erste Abschnitt die erste Kammer umfasst und die erste Öffnung aufweist und der zweite Abschnitt die zweite Kammer umfasst und die zweite Öffnung aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die nicht rotierende Komponente ferner eine Verschlusskomponente, die an Rändern der ersten und der zweiten Öffnung anliegt, und erstrecken sich der positive Leistungsanschluss und der negative Leistungsanschluss durch die Verschlusskomponente.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die erste Öffnung und die zweite Öffnung in entgegengesetzte axiale Richtungen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die erste Öffnung und die zweite Öffnung in die gleiche axiale Richtung.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die nicht rotierende Komponente ferner Fluidabdichtungsstrukturen, die jeweils an der Verbindungsstelle mit der ersten Öffnung und der Verbindungsstelle mit der zweiten Öffnung vorgesehen sind.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die nicht rotierende Komponente ferner ein Rotationslager, das an dem Rotationslagerelement anliegt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Rotationslagerelement aus Metall gemacht und auf der Oberfläche, die mit dem leitenden Fluid in Kontakt kommt, mit einer isolierenden Beschichtung beschichtet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Rotationslagerelement aus isolierendem Kunststoff gemacht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das leitende Fluid eine leitende Lösung oder ein Flüssigmetall.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Maschine bereitgestellt mit: einem Rotor mit einer Rotorwicklung und einer Rotorwelle, die einen inneren Hohlraum umfasst, wobei die Rotorwicklung einen positiven Rotorpol und einen negativen Rotorpol aufweist; und
einer Stromübertragungsvorrichtung, die umfasst:

ein Rotationslagerelement, das in dem inneren Hohlraum befestigt ist und mit der Rotorwelle rotiert, wobei das Rotationslagerelement umfasst:
- eine erste Kammer, die mit einem leitenden Fluid gefüllt ist, wobei die erste Kammer eine erste Öffnung und einen positiven Rotoranschluss aufweist, der in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist und elektrisch mit dem positiven Rotorpol verbunden ist;
- eine zweite Kammer, die mit einem leitenden Fluid gefüllt und von der ersten Kammer elektrisch isoliert ist, wobei die zweite Kammer eine zweite Öffnung und einen negativen Rotoranschluss aufweist, der in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist und elektrisch mit dem negativen Rotorpol verbunden ist; und
- eine nicht rotierende Komponente, die die erste und die zweite Öffnung schließt und die umfasst:
  - einen positiven Leistungsanschluss, der sich in die erste Kammer erstreckt und in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist;
  - einen negativen Leistungsanschluss, der sich in die zweite Kammer erstreckt und in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Rotationslagerelement einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt, die voneinander getrennt sind, wobei der erste Abschnitt die erste Kammer umfasst und die erste Öffnung aufweist und der zweite Abschnitt die zweite Kammer umfasst und die zweite Öffnung aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die nicht rotierende Komponente ferner eine Verschlusskomponente, die an den Rändern der ersten und der zweiten Öffnung anliegt, und erstrecken sich der positive Leistungsanschluss und der negative Leistungsanschluss durch die Verschlusskomponente.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die erste Öffnung und die zweite Öffnung in entgegengesetzte axiale Richtungen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die erste Öffnung und die zweite Öffnung in die gleiche axiale Richtung.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die nicht rotierende Komponente ferner Fluidabdichtungsstrukturen, die jeweils an der Verbindungsstelle mit der ersten Öffnung und der Verbindungsstelle mit der zweiten Öffnung vorgesehen sind.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die nicht rotierende Komponente ferner ein an dem Rotationslagerelement anliegendes Rotationslager.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Rotationslagerelement aus Metall gemacht und auf der Oberfläche, die mit dem leitenden Fluid in Kontakt kommt, mit einer isolierenden Beschichtung beschichtet.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Rotationslagerelement aus isolierendem Kunststoff gemacht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, das die vorstehend beschriebene elektrische Maschine umfasst.
Figurenliste
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung kann auf die in den folgenden Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen Bezug genommen werden. Die Komponenten in den Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und verwandte Elemente können weggelassen werden oder in einigen Fällen können die Proportionen übertrieben sein, um die hierin beschriebenen neuen Merkmale hervorzuheben und klar darzustellen. Zusätzlich können die Systemkomponenten unterschiedlich angeordnet sein, wie in der Technik bekannt. Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich in den Figuren gleiche Bezugsahlen auf gleiche Teile in den verschiedenen Figuren.

1 zeigt ein Blockdiagramm einer elektrischen Maschine, die eine Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst, wobei die elektrische Maschine über einen DC-DC-Wandler mit einer Energiequelle verbunden ist;
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt eine vergrößerte schematische Ansicht eines Rotationslagerelements in einer Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die darin enthaltenen Komponenten der Klarheit halber weggelassen sind;
4 zeigt eine vergrößerte schematische Ansicht eines Rotationslagerelements in einer Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die darin enthaltenen Komponenten der Klarheit halber weggelassen sind; und
5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es sollte jedoch zu verstehen sein, dass die offenbarten Ausführungsformen nur Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene alternative Formen annehmen können. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und einige Funktionen können übertrieben oder verkleinert sein, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Somit sollten die speziellen strukturellen und funktionellen Details, die hierin offenbart werden, nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage, um den Fachmann zu lehren, wie die Erfindung auf verschiedene Weise verwendet werden kann. Wie für den Durchschnittsfachmann zu verstehen sein wird, können verschiedene Merkmale, die mit Bezugnahme auf jegliche der Zeichnungen gezeigt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Zeichnungen gezeigt werden, um Ausführungsformen zu schaffen, die nicht ausdrücklich gezeigt oder beschrieben sind. Die Kombination der gezeigten Merkmale stellt eine repräsentative Ausführungsform für eine typische Anwendung bereit. Für gewisse spezielle Anwendungen oder Ausführungsformen können jedoch verschiedene Kombinationen und Modifikationen von Merkmalen erwartet werden, die mit den Lehren der vorliegenden Offenbarung übereinstimmen.
Um die Struktur der in der elektrischen Maschine verwendeten Stromübertragungsvorrichtung kompakter und zuverlässiger zu machen und äußere Einflüsse weitestgehend zu vermeiden, stellt die vorliegende Erfindung eine Stromübertragungsvorrichtung 100 für die elektrische Maschine bereit. In 1 ist ein Blockdiagramm einer elektrischen Maschine 220 gezeigt, die eine Stromübertragungsvorrichtung 100 umfasst.
Mit fortgesetzter Bezugnahme auf 1 wird dann auf 2 und 3 Bezug genommen, die ein schematisches Diagramm einer Stromübertragungsvorrichtung 100 für eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eine vergrößerte Ansicht eines Rotationslagerelements darin zeigen, wobei die darin enthaltenen Komponenten in der vergrößerten Ansicht von 3 der Klarheit halber weggelassen sind. Wie aus den Figuren ersichtlich ist, umfasst die Stromübertragungsvorrichtung 100 für eine elektrische Maschine ein Rotationslagerelement 130 und eine nicht rotierende Komponente 185. Das Rotationslagerelement 130 ist in einer Rotorwelle 135 der elektrischen Maschine 220 befestigt und rotiert mit der Rotorwelle 135. Das Rotationslagerelement 130 umfasst darin eine erste Kammer 145 und eine zweite Kammer 150. Wie in 3 deutlicher gezeigt, weist die erste Kammer 145 eine erste Öffnung 155 und einen positiven Rotoranschluss 175 darin auf, wobei der positive Rotoranschluss 175 über das Rotationslagerelement 130 elektrisch mit dem positiven Rotorpol 165 verbunden ist. Das Innere der ersten Kammer 145 ist mit einem leitenden Fluid 140 gefüllt und das leitende Fluid 140 ist in elektrischem Kontakt mit dem positiven Rotoranschluss 175. Die zweite Kammer 150 weist eine zweite Öffnung 160 und einen negativen Rotoranschluss 180 darin auf; und der negative Rotoranschluss 180 ist über das Rotationslagerelement 130 elektrisch mit dem negativen Rotorpol 170 verbunden. Das Innere der zweiten Kammer 150 ist mit einem leitenden Fluid 140 gefüllt und das leitende Fluid 140 ist in elektrischem Kontakt mit dem negativen Rotoranschluss 180. Dabei ist die erste Kammer 145 von der zweiten Kammer 150 elektrisch isoliert, so dass das jeweilige leitende Fluid 140 in der ersten Kammer 145 und der zweiten Kammer 150 elektrisch isoliert und getrennt ist. Die nicht rotierende Komponente 185 schließt die erste Öffnung 155 und die zweite Öffnung 160 und umfasst einen positiven Leistungsanschluss 190 und einen negativen Leistungsanschluss 195. Der positive Leistungsanschluss 190 erstreckt sich in die erste Kammer 145 und ist in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid 140 in der ersten Kammer 145. Der negative Leistungsanschluss 195 erstreckt sich in die zweite Kammer 150 und ist in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid 140 in der zweiten Kammer 150.
Wie in 1 und 2 gezeigt, befindet sich die Stromübertragungsvorrichtung 100 für eine elektrische Maschine gemäß einiger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im montierten Zustand in einem Hohlraum 230 der Rotorwelle 135 und sind ihr positiver Rotoranschluss 175 und ihr negativer Rotoranschluss 180 mit dem positiven Rotorpol 165 bzw. dem negativen Rotorpol 170 einer Rotorwicklung 105 eines Rotors 125 der elektrischen Maschine verbunden. Das Rotationslagerelement 130 und sein positiver Rotoranschluss 175 und sein negativer Rotoranschluss 180 sind an der Rotorwelle 135 befestigt und können mit der Rotorwelle 135 und der Rotorwicklung 105 rotieren. Die nicht rotierende Komponente 185 sowie der positive Leistungsanschluss 190 und der negative Leistungsanschluss 195 bleiben relativ zu der Rotorwelle 135 stationär. Zwischen dem positiven Leistungsanschluss 190 und dem positiven Rotoranschluss 175 sowie zwischen dem negativen Leistungsanschluss 195 und dem negativen Rotoranschluss 180 wird ein Strom durch das leitende Fluid 140 übertragen. Während des Betriebs der elektrischen Maschine 220 empfängt die Rotorwicklung 105 elektrische Energie von einer Energieversorgung 120 oder überträgt elektrische Energie über einen Gleichspannungswandler (DC-DC) 110 durch eine Stromübertragungsvorrichtung 100 für eine elektrische Maschine an die Energieversorgung 120. Es wird für den Fachmann zu verstehen sein, dass das Konzept der Erfindung nicht auf die in den Zeichnungen gezeigten Komponenten beschränkt ist; zum Beispiel kann der DC-DC-Wandler 110 auch nicht vorhanden sein.
Die Formen und relativen Positionen der in den Zeichnungen gezeigten Komponenten, wie des Rotationslagerelements 130, der ersten Kammer 145 und der zweiten Kammer 150 sowie der nicht rotierenden Komponente 185 sollen nicht einschränkend sein, sondern nur eine der Ausführungsformen darstellen, in denen die Erfindung implementiert werden kann. Zum Beispiel können der positive Rotoranschluss 175 und der negative Rotoranschluss 180 sowie der positive Leistungsanschluss 190 und der negative Leistungsanschluss 195 auf einen elektrischen Kontakt reduziert werden, der mit der inneren Oberfläche der nicht rotierenden Komponente 185 oder ihrem eingeschlossenen Element 200 und der inneren Oberfläche der ersten Kammer 145 oder der zweiten Kammer 150 bündig ist oder leicht davon hervorsteht, ohne dass er sich über eine Strecke in das leitende Fluid 140 hinein erstrecken muss, wie in der Figur gezeigt; natürlich kann er sich auch weiter in das leitende Fluid 140 hinein erstrecken. Der positive Rotoranschluss 175 und der negative Rotoranschluss 180 sowie der positive Leistungsanschluss 190 und der negative Leistungsanschluss 195 können mit dem Rotationslagerelement 130 und der nicht rotierenden Komponente 185 mittels Befestigung wie Schweißen, Nieten, Formschluss usw. verbunden werden, um eine ausreichende Dichtheit zu gewährleisten, damit das leitende Fluid 140 nicht austritt.
Zusätzlich können die erste Kammer 145 und die zweite Kammer 150 vollständig oder teilweise mit dem leitenden Fluid 140 gefüllt werden, was vom Fachmann in Abhängigkeit von der Struktur, den Kosten, den Montageanforderungen und anderen Faktoren geändert werden kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die erste Kammer 145 und die zweite Kammer 150 vollständig mit dem leitenden Fluid 140 gefüllt.
Außerdem wird für den Fachmann zu verstehen sein, dass die nicht rotierende Komponente 185 ein integraler Teil sein kann, der einen positiven Leistungsanschluss 190 und einen negativen Leistungsanschluss 195 umfasst und gleichzeitig die erste Öffnung 155 und die zweite Öffnung 160 schließt, wie in der Ausführungsform gemäß 4 gezeigt; alternativ kann die nicht rotierende Komponente 185 auch zwei separate Teile umfassen, die die erste Öffnung 155 bzw. die zweite Öffnung 160 schließen und mit einem positiven Leistungsanschluss 190 bzw. einem negativen Leistungsanschluss 195 versehen sind, wie in der Ausführungsform gemäß 2 gezeigt.
Als Nächstes ist mit Bezugnahme auf 4 ein Rotationslagerelement 130 in einer Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, wobei die darin enthaltenen Komponenten der Klarheit halber weggelassen sind. Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Rotationslagerelement 130 einen ersten Abschnitt 235 und einen zweiten Abschnitt 240 umfassen, die voneinander getrennt sind. In dieser Ausführungsform umfasst der erste Abschnitt 235 eine erste Kammer 145 und weist eine erste Öffnung 155 und einen positiven Rotoranschluss 175 auf und umfasst der zweite Abschnitt 240 eine zweite Kammer 150 und weist eine zweite Öffnung 160 und einen negativen Rotoranschluss 180 auf. In dieser Ausführungsform können die Positionen des positiven Rotoranschlusses 175 und des negativen Rotoranschlusses 180 flexibler bereitgestellt werden, ohne auf die gleiche Position beschränkt zu sein.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die nicht rotierende Komponente 185 ferner eine Verschlusskomponente 200, die an den Rändern der ersten Öffnung 155 und der zweiten Öffnung 160 anliegt. Jeder des positiven Leistungsanschlusses 190 und des negativen Leistungsanschlusses 195 erstreckt sich durch die Verschlusskomponente 200. Aus den Zeichnungen ist ersichtlich, dass die Anzahl der Verschlusskomponenten 200 eine (wie in der Ausführungsform gemäß 5 gezeigt) oder mehrere (wie in der Ausführungsform gemäß 2 gezeigt) sein kann. Das Vorhandensein der Verschlusskomponente 200 ermöglicht eine zuverlässigere Befestigung des positiven Leistungsanschlusses 190 und des negativen Leistungsanschlusses 195 sowie ein besseres Schließen der ersten Öffnung 155 und der zweiten Öffnung 160, um ein Austreten des leitenden Fluids 140 zu verhindern. Es wird für den Fachmann zu verstehen sein, dass die nicht rotierende Komponente 185 aus isolierendem Material gemacht sein sollte, wie isolierendem Kunststoff, isolierendem Keramikmaterial oder mit einer isolierenden Beschichtung beschichtetem Metallmaterial usw.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die erste Öffnung 155 einem Ende der Rotorwelle 135 zugewandt und ist die zweite Öffnung 160 dem anderen Ende der Rotorwelle 135 zugewandt, d. h. die erste Öffnung 155 und die zweite Öffnung 160 weisen in entgegengesetzte axiale Richtungen. In diesem Fall erstrecken sich der positive Leistungsanschluss 190 und der negative Leistungsanschluss 195 aus entgegengesetzten Richtungen in die Rotorwelle und in die erste Kammer 145 bzw. die zweite Kammer 150, um mit dem darin gespeicherten leitenden Fluid 140 in Kontakt zu gelangen, und die spezielle Struktur ist in 2 gezeigt. Bei dieser Struktur ist die Ausrichtungsanforderung für die Montage der nicht rotierenden Komponente 185 in dem Rotationslagerelement 130 relativ gering und wenn das Rotationslagerelement 130 rotiert, verursachen der positive Leistungsanschluss 190 und der negative Leistungsanschluss 195, die sich in das leitende Fluid 140 erstrecken, weniger Störungen in dem jeweiligen leitenden Fluid 140.
In einigen weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind das Rotationslagerelement 130, der positive Leistungsanschluss 190 und der negative Leistungsanschluss 195 koaxial zueinander angeordnet. Wenn das Rotationslagerelement 130 rotiert, befinden sich bei dieser Struktur der positive Leistungsanschluss 190 und der negative Leistungsanschluss 195 auf der Rotationsachse und in der Mitte der ersten Kammer 145 und der zweiten Kammer 150. Dadurch können Störungen, die durch den erweiterten positiven Leistungsanschluss 190 und den negativen Leistungsanschluss 195 in dem jeweiligen leitenden Fluid 140 verursacht werden, weiter reduziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die erste Öffnung 155 und die zweite Öffnung 160 dem gleichen Ende der Rotorwelle 135 zugewandt. Das heißt, die erste Öffnung 155 und die zweite Öffnung 160 weisen in die gleiche axiale Richtung. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die nicht rotierende Komponente 185 ein integraler Teil sein, der sowohl den positiven Leistungsanschluss 190 als auch den negativen Leistungsanschluss 195 umfasst, die dadurch passieren, und schließt gleichzeitig die erste Öffnung 155 und die zweite Öffnung 160 auf der gleichen Seite. Bei dieser Struktur wird der Draht, der die Energieversorgung 120 oder den DC-DC-Wandler 110 verbindet, durch die gleiche Seite in die Rotorwelle 135 eingeführt, was die Verdrahtung bequemer macht und die Montagekosten reduziert.
In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst die nicht rotierende Komponente 185 außerdem eine Anzahl von Fluidabdichtungsstrukturen 205 und sind die Fluidabdichtungsstrukturen 205 jeweils an der Verbindungsstelle der nicht rotierenden Komponente 185 und der ersten Öffnung 155 und der Verbindungsstelle der nicht rotierenden Komponente 185 und der zweiten Öffnung 160 angeordnet. In diesem Fall dichtet die nicht rotierende Komponente 185 das leitende Fluid 140 in der ersten Kammer 145 und der zweiten Kammer 150 durch die Fluidabdichtungsstrukturen 205 ab. Die Fluidabdichtungsstrukturen 205 können z. B. eine magnetische Fluidabdichtungstechnologie verwenden, die eine bessere Dichtungsleistung zwischen dem Rotationslagerelement 130 und der nicht rotierenden Komponente 185, die relativ zueinander rotieren, erreichen kann, und die bestmöglich sicherstellt, dass das leitende Fluid 140 nicht austritt. Natürlich wird für den Fachmann zu verstehen sein, dass der Schutzumfang der Erfindung nicht auf die Fluidabdichtungsstrukturen 205 beschränkt ist und in weiteren Ausführungsformen auch andere geeignete Abdichtungstechnologien verwendet werden können.
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst die nicht rotierende Komponente 185 auch ein Rotationslager 205, das sich zwischen der nicht rotierenden Komponente 185 oder ihrer Verschlusskomponente 200 und dem Rotationslagerelement 130 befindet und an dem Rotationslagerelement 130 anliegt, wie in 2 gezeigt. In einigen weiteren Ausführungsformen liegen die erste Öffnung 155 und die zweite Öffnung 160 jeweils an einem außerhalb der Dichtungsstrukturen angeordneten Rotationslager 205 an. Es wird für den Fachmann zu verstehen sein, dass das Rotationslager 205 ein Kugellager, ein Zylinderlager, ein Kegellager usw. sein kann. Das zwischen der nicht rotierenden Komponente 185 und dem Rotationslagerelement 130 angeordnete Rotationslager 205 kann eine bessere Stützkraft für die Rotationsbewegung des Rotationslagerelements 130 relativ zu der nicht rotierenden Komponente 185 bereitstellen und die Stabilität der gesamten Rotationsstruktur gewährleisten.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Rotationslagerelement 130 aus Metall gemacht sein und mit einer isolierenden Beschichtung in der ersten Kammer 145 und der zweiten Kammer 150 beschichtet sein, d. h. auf der mit dem leitenden Fluid 140 in Kontakt gelangenden Oberfläche, um zu gewährleisten, dass das leitende Fluid 140 in der ersten Kammer 145 und der zweiten Kammer 150 elektrisch voneinander isoliert ist. Die isolierende Beschichtung kann jegliche geeignete isolierende Beschichtung umfassen, wie eine AluminiumoxidKeramik-Beschichtung oder eine Keramik-Polymer-Beschichtung. Die Rotationslagerkomponente 130 aus einer Metallstruktur hat eine höhere Festigkeit und eine längere Lebensdauer und die erforderliche Isolierung wird durch die isolierende Beschichtung gewährleistet.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Rotationslagerelement 130 aus isolierendem Kunststoff gemacht sein, umfassend z. B. PVC (Polyvinylchlorid), PP (Polypropylen), PS (Polystyrol), PMMA (Polymethylmethacrylat), ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol). Da der Preis und die Verarbeitungskosten von Kunststoff relativ niedrig sind, können auch der Gesamtpreis und die Verarbeitungskosten der Vorrichtung gesenkt werden, wenn für das Rotationslagerelement 130 isolierender Kunststoff verwendet wird.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst das leitende Fluid 140 eine leitende Lösung oder ein Flüssigmetall. Von diesen kann die leitende Lösung eine Natriumchloridlösung, Kaliumchloridlösung, Natriumsulfatlösung, Natriumhydroxidlösung, Kaliumnitratlösung usw. umfassen und kann das Flüssigmetall Hydrargyrum umfassen. In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Flüssigmetall Gallium und dessen Legierungen umfassen. Die leitende Lösung oder das Flüssigmetall kann gemäß der Struktur, den Kosten, der Betriebsumgebung, der Lebensdauer und anderen Faktoren ausgewählt werden, um das am besten geeignete als das leitende Fluid 140 auszuwählen. Zusätzlich kann in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die leitende Lösung oder das Flüssigmetall gemäß den chemischen Eigenschaften der in den elektrischen Anschlüssen 175, 180, 190, 195 verwendeten Materialien ausgewählt werden, um die Reaktion mit dem Anschluss zu verlangsamen oder zu vermeiden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird mit Bezugnahme auf 1-5 eine elektrische Maschine 220 bereitgestellt, wobei die elektrische Maschine 220 einen Rotor 125 und eine vorstehend beschriebene Stromübertragungsvorrichtung 100 umfasst. Der Rotor 125 weist eine Rotorwicklung 105 und eine Rotorwelle 135 auf, wobei die Rotorwelle 135 einen inneren Hohlraum 230 umfasst und die Rotorwicklung 105 einen positiven Rotorpol 165 und einen negativen Rotorpol 170 aufweist. Die Stromübertragungsvorrichtung 100 für eine elektrische Maschine umfasst ein Rotationslagerelement 130 und eine nicht rotierende Komponente 185. Das Rotationslagerelement 130 ist in dem inneren Hohlraum 230 der Rotorwelle 135 der elektrischen Maschine 220 befestigt und rotiert mit der Rotorwelle 135. Das Rotationslagerelement 130 umfasst eine erste Kammer 145 und eine zweite Kammer 150. Dabei weist, wie in 3 deutlicher dargestellt, die erste Kammer 145 eine erste Öffnung 155 und einen positiven Rotoranschluss 175 darin auf und ist der positive Rotoranschluss 175 über das Rotationslagerelement 130 und die Rotorwelle 135 elektrisch mit dem positiven Rotorpol 165 verbunden. Die erste Kammer 145 ist mit einem leitenden Fluid 140 gefüllt und das leitende Fluid 140 ist in elektrischem Kontakt mit dem positiven Rotoranschluss 175. Die zweite Kammer 150 weist eine zweite Öffnung 160 auf und weist darin einen negativen Rotoranschluss 180 auf und der negative Rotoranschluss 180 ist über das Rotationslagerelement 130 und die Rotorwelle 135 elektrisch mit dem negativen Rotorpol 170 verbunden. Die zweite Kammer 150 ist mit einem leitenden Fluid 140 gefüllt und das leitende Fluid 140 ist in elektrischem Kontakt mit dem negativen Rotoranschluss 180. Dabei ist die erste Kammer 145 von der zweiten Kammer 150 elektrisch isoliert, so dass das leitende Fluid 140 in der ersten Kammer 145 und der zweiten Kammer 150 isoliert und getrennt ist. Die nicht rotierende Komponente 185 schließt die erste Öffnung 155 und die zweite Öffnung 160 und umfasst einen positiven Leistungsanschluss 190 und einen negativen Leistungsanschluss 195. Der positive Leistungsanschluss 190 erstreckt sich in die erste Kammer 145 und ist in elektrischem Kontakt mit einem leitenden Fluid 140 in der ersten Kammer 145. Der negative Leistungsanschluss 195 erstreckt sich in die zweite Kammer 150 und ist in elektrischem Kontakt mit einem leitenden Fluid 140 in der zweiten Kammer 150.
Es sollte zu verstehen sein, dass alle vorstehend für die Stromübertragungsvorrichtung 100 für eine elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung beschriebenen Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile gleichermaßen auf die elektrische Maschine 220 gemäß der Erfindung anwendbar sind, ohne zueinander im Widerspruch zu stehen. Das heißt, alle vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Varianten der Stromübertragungsvorrichtung 100 für eine elektrische Maschine können direkt auf die elektrische Maschine 220 gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet und direkt mit dieser kombiniert werden. Der Kürze der vorliegenden Offenbarung willen wird dies hier nicht wiederholt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, das eine elektrische Maschine 220 wie vorstehend beschrieben umfasst. In ähnlicher Weise sind alle Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile, die vorstehend für die Stromübertragungsvorrichtung 100 für eine elektrische Maschine und die elektrische Maschine 220 gemäß der Erfindung beschrieben sind, gleichermaßen auf das Kraftfahrzeug gemäß der Erfindung anwendbar.
Im Allgemeinen schlägt die vorliegende Erfindung eine Stromübertragungsvorrichtung 100 für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine 220 mit selbiger und ein Kraftfahrzeug auf Grundlage der derzeitigen Übertragungstechnologie für eine elektrische Maschine im Stand der Technik vor. Im Gegensatz zu den bestehenden Übertragungsstrukturen mit leitendem Fluid ist die Vorrichtung 100 in die Rotorwelle integriert, was kompakter und zuverlässiger ist und äußere Einflüsse weitestgehend vermeiden kann.
Wo es technisch möglich ist, können die in Bezug auf die verschiedenen Ausführungsformen aufgeführten technischen Merkmale miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen im Umfang der vorliegenden Erfindung zu schaffen.
In dieser Anmeldung soll die Verwendung des Disjunktivs den Konjunktiv einschließen. Die Verwendung bestimmter oder unbestimmter Artikel dient nicht der Angabe der Kardinalität. Insbesondere soll eine Bezugnahme auf „das“ Objekt oder „ein“ Objekt auch eines aus einer möglichen Mehrzahl solcher Objekte bezeichnen. Ferner kann die Konjunktion „oder“ verwendet werden, um Merkmale auszudrücken, die gleichzeitig vorhanden sind, anstatt sich gegenseitig ausschließende Alternativen darzustellen. Mit anderen Worten, die Konjunktion „oder“ sollte so verstanden werden, dass sie „und/oder“ umfasst. Der Begriff „mit“ ist einschließend und hat den gleichen Umfang wie „umfassend“.
Die vorstehend erwähnten Ausführungsformen sind mögliche Beispiele für Implementierungen der vorliegenden Erfindung und werden nur zu dem Zweck angegeben, dass der Fachmann die Prinzipien der Erfindung klar verstehen kann. Es sollte für den Fachmann zu verstehen sein, dass die vorstehende Erörterung zu jeglicher Ausführungsform nur darstellend ist, und soll nicht bedeuten, dass der offenbarte Umfang der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung (einschließlich Ansprüche) auf diese Beispiele beschränkt ist; unter dem Gesamtkonzept der Erfindung können die technischen Merkmale in den vorstehend genannten Ausführungsformen oder unterschiedlichen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, um viele andere Änderungen in verschiedenen Aspekten der Ausführungsformen der Erfindung zu schaffen, die im Interesse der Kürze nicht in der ausführlichen Beschreibung bereitgestellt werden. Somit fällt jegliche Auslassung, Modifikation, jeder gleichwertige Ersatz, jede Verbesserung usw., die im Geist und Prinzip der Ausführungsform der Erfindung vorgenommen werden, in den von der Erfindung beanspruchten Schutzumfang.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

CN 2697938 Y [0004]

Claims

Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine mit: einem Rotationslagerelement, das in einer Rotorwelle befestigt ist und mit dieser rotiert, wobei das Rotationslagerelement umfasst: eine erste Kammer, die mit einem leitenden Fluid gefüllt ist, wobei die erste Kammer eine erste Öffnung und einen positiven Rotoranschluss aufweist, der in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist und elektrisch mit einem positiven Rotorpol verbunden ist; eine zweite Kammer, die mit einem leitenden Fluid gefüllt ist und von der ersten Kammer elektrisch isoliert ist, wobei die zweite Kammer eine zweite Öffnung und einen negativen Rotoranschluss aufweist, der in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist und elektrisch mit einem negativen Rotorpol verbunden ist; und einer nicht rotierenden Komponente, die die erste und die zweite Öffnung schließt und die umfasst: einen positiven Leistungsanschluss, der sich in die erste Kammer erstreckt und in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist; einen negativen Leistungsanschluss, der sich in die zweite Kammer erstreckt und in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist.
Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei das Rotationslagerelement einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt umfasst, die voneinander getrennt sind, wobei der erste Abschnitt die erste Kammer umfasst und die erste Öffnung aufweist und der zweite Abschnitt die zweite Kammer umfasst und die zweite Öffnung aufweist.
Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die nicht rotierende Komponente ferner eine Verschlusskomponente umfasst, die an den Rändern der ersten und der zweiten Öffnung anliegt, und sich der positive Leistungsanschluss und der negative Leistungsanschluss durch die Verschlusskomponente erstrecken.
Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die erste Öffnung und die zweite Öffnung in entgegengesetzte axiale Richtungen weisen.
Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die erste Öffnung und die zweite Öffnung in die gleiche axiale Richtung weisen.
Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine nach Anspruch 3, wobei die nicht rotierende Komponente ferner Fluidabdichtungsstrukturen umfasst, die jeweils an der Verbindungsstelle mit der ersten Öffnung und der Verbindungsstelle mit der zweiten Öffnung vorgesehen sind.
Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine nach Anspruch 3, wobei die nicht rotierende Komponente ferner ein Rotationslager umfasst, das an dem Rotationslagerelement anliegt.
Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei das Rotationslagerelement aus Metall gemacht ist und auf der Oberfläche, die mit dem leitenden Fluid in Kontakt kommt, mit einer isolierenden Beschichtung beschichtet ist.
Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei das Rotationslagerelement aus isolierendem Kunststoff gemacht ist.
Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei das leitende Fluid eine leitende Lösung oder ein Flüssigmetall umfasst.
Elektrische Maschine mit: einem Rotor mit einer Rotorwicklung und einer Rotorwelle, die einen inneren Hohlraum umfasst, wobei die Rotorwicklung einen positiven Rotorpol und einen negativen Rotorpol aufweist; und einer Stromübertragungsvorrichtung, die umfasst: ein Rotationslagerelement, das in dem inneren Hohlraum befestigt ist und mit der Rotorwelle rotiert, wobei das Rotationslagerelement umfasst: eine erste Kammer, die mit einem leitenden Fluid gefüllt ist, wobei die erste Kammer eine erste Öffnung und einen positiven Rotoranschluss aufweist, der in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist und elektrisch mit dem positiven Rotorpol verbunden ist; eine zweite Kammer, die mit einem leitenden Fluid gefüllt ist und von der ersten Kammer elektrisch isoliert ist, wobei die zweite Kammer eine zweite Öffnung und einen negativen Rotoranschluss aufweist, der in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist und elektrisch mit dem negativen Rotorpol verbunden ist; und eine nicht rotierende Komponente, die die erste und die zweite Öffnung schließt und die umfasst: einen positiven Leistungsanschluss, der sich in die erste Kammer erstreckt und in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist; einen negativen Leistungsanschluss, der sich in die zweite Kammer erstreckt und in elektrischem Kontakt mit dem leitenden Fluid darin ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 11, wobei das Rotationslagerelement einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt umfasst, die voneinander getrennt sind, wobei der erste Abschnitt die erste Kammer umfasst und die erste Öffnung aufweist und der zweite Abschnitt die zweite Kammer umfasst und die zweite Öffnung aufweist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 11, wobei die nicht rotierende Komponente ferner eine Verschlusskomponente umfasst, die an den Rändern der ersten und der zweiten Öffnung anliegt, und sich der positive Leistungsanschluss und der negative Leistungsanschluss durch die Verschlusskomponente erstrecken.
Elektrische Maschine nach Anspruch 11, wobei die erste Öffnung und die zweite Öffnung in entgegengesetzte axiale Richtungen weisen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 11, wobei die erste Öffnung und die zweite Öffnung in die gleiche axiale Richtung weisen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13, wobei die nicht rotierende Komponente ferner Fluidabdichtungsstrukturen umfasst, die jeweils an der Verbindungsstelle mit der ersten Öffnung und der Verbindungsstelle mit der zweiten Öffnung vorgesehen sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13, wobei die nicht rotierende Komponente ferner ein an dem Rotationslagerelement anliegendes Rotationslager umfasst.
Elektrische Maschine nach Anspruch 11, wobei das Rotationslagerelement aus Metall gemacht ist und auf der Oberfläche, die mit dem leitenden Fluid in Kontakt kommt, mit einer isolierenden Beschichtung beschichtet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 11, wobei das Rotationslagerelement aus isolierendem Kunststoff gemacht ist.
Kraftfahrzeug, das die elektrische Maschine nach Anspruch 11 umfasst.