DE19908450A1 - Electrical machine attachable to internal combustion engine comprises glide ring which limits radial displacement of rotor relative to stator - Google Patents

Electrical machine attachable to internal combustion engine comprises glide ring which limits radial displacement of rotor relative to stator

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Abstract

The electrical machine, with its stator (2) attachable to the housing of an internal combustion engine and its rotor (5) attachable to the crankshaft of this engine, comprises a slip ring (15) which limits the radial displacement of the rotor relative to the stator.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine zur Befestigung an einem Verbrennungsmotor, wobei ein Stator der elektrischen Maschine mit einem Gehäuse des Verbrennungsmotors verbindbar ist und ein Rotor der elektrischen Maschine an einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors befestigbar ist.The invention relates to an electrical machine for attachment to a Internal combustion engine, a stator of the electrical machine with a housing of the internal combustion engine is connectable and a rotor of the electrical machine a crankshaft of the internal combustion engine can be fastened.

Verwendung finden elektrische Maschinen dieser Art beispielsweise in Flurförderzeugen mit verbrennungsmotorischem Antrieb, bei denen die elektrische Energie für einen Fahrantrieb mittels eines direkt an den Verbrennungsmotor gekoppelten Generators erzeugt wird. Die elektrische Maschine kann beispielsweise als permanenterregter Synchrongenerator ausgeführt sein, bei dem der Rotor mit Permanentmagneten bestückt ist und der Stator eine Wicklung aufweist. Zwischen den Permanentmagneten des Rotors und der Wicklung des Stators befindet sich ein Luftspalt, der eine freie Drehbarkeit des Rotors ermöglicht. Um einen günstigen Wirkungsgrads der elektrischen Maschine zu erreichen, weist der Luftspalt eine möglichst geringe Dicke auf.Electrical machines of this type are used, for example, in Industrial trucks with internal combustion engine drive, in which the electrical Energy for a traction drive by means of a directly to the internal combustion engine coupled generator is generated. The electrical machine can, for example be designed as a permanently excited synchronous generator, in which the rotor with Is equipped permanent magnet and the stator has a winding. Between Permanent magnet of the rotor and the winding of the stator is located Air gap that allows the rotor to rotate freely. To a cheap one To achieve efficiency of the electrical machine, the air gap has one as small a thickness as possible.

Elektrische Maschinen der genannten Art können lagerlos ausgeführt sein, wobei der Rotor ausschließlich an der Kurbelwelle befestigt ist und an dem Gehäuse der elektrischen Maschine nicht gelagert ist. Der Rotor kann an der Kurbelwelle entweder unmittelbar oder mittelbar über ein oder mehrere Zwischenstücke befestigt sein. Das Gehäuse der elektrischen Maschine ist dabei an ein Gehäuse des Verbrennungsmotors angeflanscht. Eine derartige Anordnung einer elektrischen Maschine an einem Verbrennungsmotor ist beispielsweise in der DE 197 21 528 A1 dargestellt.Electrical machines of the type mentioned can be designed without a bearing, the Rotor is only attached to the crankshaft and to the housing of the electrical machine is not stored. The rotor can be on the crankshaft either be attached directly or indirectly via one or more intermediate pieces. The Housing of the electrical machine is connected to a housing of the Flanged internal combustion engine. Such an arrangement of an electrical Machine on an internal combustion engine is, for example, in DE 197 21 528 A1 shown.

Während des Betriebs eines Verbrennungsmotors erfährt die Kurbelwelle infolge elastischer Verformung und durch Toleranzen der Lager der Kurbelwelle geringfügige Lage- und Winkelveränderungen. Diese Lage- und Winkelveränderungen übertragen sich auf den mit der Kurbelwelle starr verbundenen Rotor der elektrischen Maschine, der sich hierdurch relativ zu dem Stator der elektrischen Maschine in radialer Richtung bewegt. Bei bestimmten Resonanzdrehzahlen verstärkt sich diese Relativbewegung des Rotors, wodurch in bestimmten Betriebssituationen der Rotor mit dem Stator der elektrischen Maschine in Kontakt treten kann, was zu einer Beschädigung oder Zerstörung der elektrischen Maschine führt.As a result, the crankshaft experiences during operation of an internal combustion engine elastic deformation and slight tolerances of the crankshaft bearings Changes in position and angle. Transfer these changes in position and angle on the rotor of the electrical machine rigidly connected to the crankshaft, which is relative to the stator of the electrical machine in the radial direction emotional. This relative movement increases at certain resonance speeds  of the rotor, whereby in certain operating situations the rotor with the stator electrical machine can come into contact, causing damage or Destruction of the electrical machine leads.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei der eine Beschädigung infolge von Resonanzschwingungen des Rotors ausgeschlossen ist.The invention is therefore based on the object of an electrical machine to provide the type mentioned above, in the event of damage as a result is excluded from resonance vibrations of the rotor.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Gleitring vorgesehen ist, der eine Relativbewegung des Rotors gegenüber dem Stator in radialer Richtung einschränkt. Der Gleitring verhindert eine übermäßige Bewegung des Rotors relativ zu dem Stator. Er kann beispielsweise zwischen einem Gehäuseteil des Stators und einem tragenden Teil des Rotors angeordnet sein. Eine Anordnung im Bereich des Luftspalts der elektrischen Maschine ist ebenfalls möglich.This object is achieved in that a slide ring is provided which is a relative movement of the rotor with respect to the stator in the radial direction restricted. The slide ring prevents excessive movement of the rotor relative to the stator. It can, for example, between a housing part of the stator and be arranged a supporting part of the rotor. An arrangement in the area of Air gap of the electrical machine is also possible.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der elektrischen Maschine ist der Gleitring an dem Rotor angeordnet und ist an dem Stator eine dem Gleitring zugeordnete Gleitfläche angeordnet. Der Gleitring ist dabei fest mit dem Rotor verbunden und kann auf der nicht rotierenden Gleitfläche abgleiten. Die Gleitfläche kann als bearbeitete Metallfläche eines Statorgehäuses ausgeführt sein. Ebenfalls möglich ist es, an dem Stator ein zusätzliches Bauteil zu befestigen, welches die Gleitfläche bildet. Als Gleitfläche kann beispielsweise auch ein zweiter Gleitring verwendet werden.According to an advantageous embodiment of the electrical machine, the slide ring is arranged on the rotor and is assigned to the sliding ring on the stator Sliding surface arranged. The slide ring is firmly connected to the rotor and can slide on the non-rotating sliding surface. The sliding surface can be machined Metal surface of a stator housing to be executed. It is also possible to use the Attach an additional component to the stator, which forms the sliding surface. As A second sliding ring can also be used, for example.

Gemäß einer anderen, ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform ist der Gleitring an dem Stator angeordnet und ist eine dem Gleitring zugeordnete Gleitfläche an dem Rotor angeordnet. Auch hier kann die Gleitfläche als bearbeitete Metallfläche oder als getrenntes Bauteil ausgeführt werden.According to another, likewise advantageous embodiment, the slide ring is on the Stator arranged and is a sliding surface associated with the sliding ring on the rotor arranged. Here, too, the sliding surface can be used as a machined metal surface or as separate component.

Zweckmäßigerweise sind der Gleitring und die Gleitfläche an einer der Kurbelwelle abgewandten Seite der elektrischen Maschine angeordnet. Eine Winkelverschiebung der Kurbelwelle bewirkt naturgemäß an dem der Kurbelwelle abgewandten Ende der elektrischen Maschine die größte Auslenkung in radialer Richtung. Der Gleitring wird daher vorzugsweise an der dem Verbrennungsmotor abgewandten Hälfte des Rotors angeordnet. The slide ring and the slide surface are expediently on one of the crankshafts arranged opposite side of the electrical machine. An angular shift the crankshaft naturally causes the end of the crankshaft facing away from the electrical machine the largest deflection in the radial direction. The slide ring will therefore preferably on the half of the rotor facing away from the internal combustion engine arranged.  

Mit besonderem Vorteil sind die Durchmesser des Gleitrings und der Gleitfläche derart gewählt, daß bei koaxialer Anordnung des Gleitrings und der Gleitfläche zwischen dem Gleitring und der Gleitfläche ein Luftspalt vorhanden ist. In Ruhestellung der elektrischen Maschine, wenn der Rotor und der Stator zueinander koaxial angeordnet sind, berühren der Gleitring und die Gleitfläche einander nicht. Gleiches gilt für den normalen Betrieb des Verbrennungsmotors und der elektrischen Maschine, wenn der Rotor koaxial zu dem Stator rotiert oder der Rotor eine nur geringfügige radiale Auslenkung aufweist. Erst bei stärkerer radialer Verschiebung oder Winkelverschiebung des Rotors tritt der Gleitring mit der Gleitfläche in Kontakt und definiert damit die maximale Auslenkung des Rotors. Bei dieser Anordnung ist ein reibungsbedingter Verschleiß des Gleitrings dadurch begrenzt, daß der Gleitring die Gleitfläche während eines nur geringen Anteils der Betriebszeit berührt.The diameters of the sliding ring and the sliding surface are particularly advantageous chosen that with coaxial arrangement of the sliding ring and the sliding surface between the Sliding ring and the sliding surface there is an air gap. At rest the electrical machine when the rotor and the stator are arranged coaxially with each other the sliding ring and the sliding surface do not touch each other. The same applies to the normal operation of the internal combustion engine and the electrical machine when the The rotor rotates coaxially to the stator or the rotor has only a slight radial Has deflection. Only with a stronger radial displacement or Angular displacement of the rotor, the sliding ring comes into contact with the sliding surface and defines the maximum deflection of the rotor. In this arrangement there is a frictional wear of the slide ring is limited by the fact that the slide ring Sliding surface touched during only a small portion of the operating time.

Zweckmäßigerweise weist der zwischen dem Gleitring und der Gleitfläche vorhandene Luftspalt in radialer Richtung eine Dicke von mindestens 0,5 mm und höchstens 3 mm auf. Gemäß einer weiter verbesserten Ausführungsform weist der Luftspalt in radialer Richtung eine Dicke von mindestens 0,8 mm und höchstens 1,5 mm auf. Die Dicke des Luftspalts zwischen dem Gleitring und der Gleitfläche wird in erster Linie durch die Dicke des zwischen dem Rotor und dem Stator vorhandenen Luftspalts bestimmt. In jedem Fall muß eine Beschädigung durch eine Berührung eines Bauteils des Rotors mit einem Bauteil des Stators, z. B. eines Permanentmagnets mit einem Spulenkörper, vermieden werden.Advantageously, the existing between the slide ring and the sliding surface Air gap in the radial direction a thickness of at least 0.5 mm and at most 3 mm on. According to a further improved embodiment, the air gap is radial Towards a thickness of at least 0.8 mm and at most 1.5 mm. The thickness of the Air gap between the slide ring and the sliding surface is primarily caused by the Thickness of the air gap present between the rotor and the stator is determined. In In any case, damage must be caused by touching a component of the rotor with a component of the stator, e.g. B. a permanent magnet with a coil former, be avoided.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn der für den Gleitring verwendete Werkstoff PTFE enthält. PTFE zeichnet sich durch einen besonders günstigen Reibungskoeffizient bei gleichzeitig hoher Abriebfestigkeit aus. Die innere Dämpfungseigenschaft eines aus PTFE hergestellten Gleitrings kann vorteilhaft zur Dämpfung der Schwingungen des Rotors ausgenutzt werden.Particular advantages arise when the material used for the slide ring PTFE contains. PTFE is characterized by a particularly cheap one Friction coefficient with high abrasion resistance. The inner one Damping property of a slide ring made of PTFE can be advantageous for Damping of the vibrations of the rotor can be used.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigtFurther advantages and details of the invention are based on the in the schematic figures illustrated embodiment explained in more detail. It shows

Fig. 1 eine elektrische Maschine des Standes der Technik, Fig. 1 shows an electrical machine of the prior art,

Fig. 2 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Fig. 2 shows a section of an electrical machine according to the invention.

Fig. 1 zeigt eine elektrische Maschine mit einem ein Gehäuse 1 umfassenden Stator 2, welches mit einem Gehäuseflansch 1a mit einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor fest verbunden ist. An dem Gehäuse 1 ist eine Statorwicklung 2a des Stators 2 der elektrischen Maschine befestigt. Im Bereich der Statorwicklung 2a sind in dem Gehäuse 1 Kühlkanäle 3 angeordnet. Eine die Kühlkanäle 3 durchströmende Flüssigkeit führt insbesondere aus der Statorwicklung 2a Wärme ab. Fig. 1 shows an electrical machine with a housing 1 comprising stator 2 , which is firmly connected to a housing flange 1 a with an internal combustion engine, not shown. On the housing 1 , a stator winding 2 a of the stator 2 of the electrical machine is attached. In the area of the stator winding 2 a 1 cooling channels 3 are arranged in the housing. A liquid flowing through the cooling channels 3 removes heat in particular from the stator winding 2 a.

An einer Kurbelwelle 4 des Verbrennungsmotors ist ein Rotor 5 der elektrischen Maschine befestigt. Der Rotor 5 ragt in das Gehäuse 1 hinein, wobei auf dem Rotor 5 befestigte Permanentmagnete 6 von dem Stator 2 durch einen Luftspalt 7 getrennt sind.A rotor 5 of the electrical machine is fastened to a crankshaft 4 of the internal combustion engine. The rotor 5 projects into the housing 1 , with permanent magnets 6 fastened on the rotor 5 being separated from the stator 2 by an air gap 7 .

Um zu verhindern, daß die Permanentmagnete während der Vormontage der elektrischen Maschine selbst oder während der Montage der elektrischen Maschine an dem Verbrennungsmotor mit dem Stator 2 in Kontakt treten, weist die elektrische Maschine ein Montagehilfsmittel zum Festlegen der Position des Rotors gegenüber dem Stator auf. Dieses Montagehilfsmittel wird gebildet von einem aus dem Gehäuse 1 ausgearbeiteten Rezeß 8, auf den der Rotor 5 aufgeschoben wird. Darüber hinaus sind Sicherungsschrauben 9 vorgesehen, die ein Abrutschen des Rotors 5 von dem Rezeß 8 verhindern. Durch den Rezeß 8 und die Sicherungsschrauben 9 ist der Rotor 5 in axialer und radialer Richtung festgelegt und vor Verdrehen gesichert.In order to prevent the permanent magnets from coming into contact with the stator 2 during the pre-assembly of the electrical machine itself or during the assembly of the electrical machine on the internal combustion engine, the electrical machine has an assembly aid for determining the position of the rotor with respect to the stator. This assembly aid is formed by a recess 8 worked out from the housing 1 , onto which the rotor 5 is pushed. In addition, locking screws 9 are provided, which prevent the rotor 5 from slipping off the recess 8 . By the recess 8 and the locking screws 9 , the rotor 5 is fixed in the axial and radial directions and secured against rotation.

Während der Montage sind die Schrauben 10 durch eine stirnseitige Öffnung einer Einbuchtung 1b des Gehäuses 1 hindurch zugänglich. In der Einbuchtung 1b ist ein Pumpenaggregat 11 angeordnet, welches ebenfalls mit der Kurbelwelle 4 verbunden ist. Der Rotor 5 ist weiterhin als Schwungscheibe für ein den Verbrennungsmotor ausgeführt und weist eine zum Eingriff mit einem Anlasser vorgesehene Verzahnung 12 sowie eine Markierung 13 für den oberen Totpunkt des Verbrennungsmotors auf.During assembly, the screws 10 are accessible through an opening at the front of an indentation 1 b of the housing 1 . In the indentation 1 b, a pump unit 11 is arranged, which is also connected to the crankshaft 4 . The rotor 5 is also designed as a flywheel for an internal combustion engine and has a toothing 12 provided for engagement with a starter and a marking 13 for the top dead center of the internal combustion engine.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Maschine als Innenläufer- Generator ausgeführt. Eine Ausführung der elektrischen Maschine als Außenläufer- Maschine und/oder als Motor ist gleichermaßen möglich. Als Pumpenaggregat 11 ist eine Kühlmittelpumpe oder eine Hydraulikpumpe vorgesehen. In the exemplary embodiment shown, the electrical machine is designed as an internal rotor generator. An execution of the electrical machine as an external rotor machine and / or as a motor is equally possible. A coolant pump or a hydraulic pump is provided as the pump unit 11 .

Während des Betriebs des Verbrennungsmotors kann die Kurbelwelle 4 zum Schwingen angeregt werden, wobei insbesondere Winkelverschiebungen auftreten, die sich auf den mit der Kurbelwelle 4 starr verbundenen Rotor 5 übertragen. In bestimmten Drehzahlbereichen führen Resonanzen bei elektrischen Maschinen des Standes der Technik zu einer Verstärkung dieser Winkelverschiebungen, was zu einem Anschlagen der Permanentmagnete 6 an der Statorwicklung 2a führen kann.During operation of the internal combustion engine, the crankshaft 4 can be excited to oscillate, in particular angular displacements occurring which are transmitted to the rotor 5 rigidly connected to the crankshaft 4 . In certain speed ranges, resonances in electrical machines of the prior art lead to an amplification of these angular displacements, which can lead to the permanent magnets 6 striking the stator winding 2 a.

Diese Nachteile werden bei der in Fig. 2 dargestellten elektrischen Maschine behoben. Erfindungsgemäß ist an dem Rotor 5 ein Gleitring 15 befestigt, dem eine bearbeitete Gleitfläche 16 des Gehäuses 1 des Stators gegenüberliegt. Zwischen dem Gleitring 15 und der bearbeiteten Gleitfläche 16 befindet sich erfindungsgemäß ein Luftspalt, der eine geringere Dicke aufweist, als der zwischen den Permanentmagneten 6 und der Statorwicklung 2a vorgesehene Luftspalt 7.These disadvantages are eliminated in the electrical machine shown in FIG. 2. According to the invention, a slide ring 15 is attached to the rotor 5 , which is opposite a machined slide surface 16 of the housing 1 of the stator. According to the invention, between the slide ring 15 and the machined slide surface 16 there is an air gap which has a smaller thickness than the air gap 7 provided between the permanent magnets 6 and the stator winding 2 a.

Wenn während des Betriebs der elektrischen Maschine der Rotor 5 koaxial zu dem Stator 2 rotiert, berührt der Gleitring 15 die Gleitfläche 16 nicht. Eine radiale Verschiebung oder eine Winkelverschiebung des Rotors 5 wird jedoch begrenzt, wenn der Gleitring 15 mit der Gleitfläche 16 in Kontakt tritt. Durch die Dicke des zwischen dem Gleitring 15 und der Gleitfläche 16 vorhandenen Luftspalts wird die maximale radiale Verschiebung und Winkelverschiebung des Rotors 5 definiert.If the rotor 5 rotates coaxially to the stator 2 during operation of the electrical machine, the sliding ring 15 does not touch the sliding surface 16 . A radial displacement or an angular displacement of the rotor 5 is limited, however, when the sliding ring 15 comes into contact with the sliding surface 16 . The maximum radial displacement and angular displacement of the rotor 5 are defined by the thickness of the air gap present between the sliding ring 15 and the sliding surface 16 .

Eine Beschädigung der elektrischen Maschine durch eine übermäßige Exzentrizität des Rotors 5 kann dadurch sicher verhindert werden. Gleichzeitig kann durch Verwendung eines Gleitrings 15 auf eine aufwendige Rotorlagerung, z. B. mittels Wälzlagern, verzichtet werden. Dadurch, daß der Gleitring 15 mit der Gleitfläche 16 nur sporadisch in Kontakt tritt, wird ein reibungsbedingter Verschleiß des Gleitrings 15 minimiert.Damage to the electrical machine due to excessive eccentricity of the rotor 5 can thereby be reliably prevented. At the same time can by using a slide ring 15 on a complex rotor bearing, for. B. by means of roller bearings. Because the sliding ring 15 only comes into contact with the sliding surface 16 sporadically, wear of the sliding ring 15 due to friction is minimized.

Claims (8)

1. Elektrische Maschine zur Befestigung an einem Verbrennungsmotor, wobei ein Stator (2) der elektrischen Maschine mit einem Gehäuse des Verbrennungsmotors verbindbar ist und ein Rotor (5) der elektrischen Maschine an einer Kurbelwelle (4) des Verbrennungsmotors befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleitring (15) vorgesehen ist, der eine Relativbewegung des Rotor (5) gegenüber dem Stator (2) in radialer Richtung einschränkt.1. Electrical machine for attachment to an internal combustion engine, wherein a stator ( 2 ) of the electrical machine can be connected to a housing of the internal combustion engine and a rotor ( 5 ) of the electrical machine can be attached to a crankshaft ( 4 ) of the internal combustion engine, characterized in that a sliding ring ( 15 ) is provided which restricts a relative movement of the rotor ( 5 ) with respect to the stator ( 2 ) in the radial direction. 2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitring (15) an dem Rotor (5) angeordnet ist und an dem Stator (2) eine dem Gleitring (15) zugeordnete Gleitfläche (16) angeordnet ist.2. Electrical machine according to claim 1, characterized in that the sliding ring (15) is arranged on the rotor (5) and the sliding ring (15) associated with the sliding surface (16) is arranged on the stator (2). 3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitring (15) an dem Stator (2) angeordnet ist und eine dem Gleitring (15) zugeordnete Gleitfläche (16) an dem Rotor (5) angeordnet ist.3. Electrical machine according to claim 1, characterized in that the sliding ring (15) is arranged on the stator (2) and the slide ring (15) associated with the sliding surface (16) is arranged on the rotor (5). 4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitring (15) und die Gleitfläche (16) an einer der Kurbelwelle (4) abgewandten Seite der elektrischen Maschine angeordnet sind.4. Electrical machine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the sliding ring ( 15 ) and the sliding surface ( 16 ) are arranged on a side of the electrical machine facing away from the crankshaft ( 4 ). 5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser des Gleitrings (15) und der Gleitfläche (16) derart gewählt sind, daß bei koaxialer Anordnung des Gleitrings (15) und der Gleitfläche (16) zwischen dem Gleitring (15) und der Gleitfläche (16) ein Luftspalt vorhanden ist.5. Electrical machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the diameter of the sliding ring ( 15 ) and the sliding surface ( 16 ) are selected such that with a coaxial arrangement of the sliding ring ( 15 ) and the sliding surface ( 16 ) between the Sliding ring ( 15 ) and the sliding surface ( 16 ) there is an air gap. 6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt in radialer Richtung eine Dicke von mindestens 0,5 mm und höchstens 3 mm aufweist.6. Electrical machine according to claim 5, characterized in that the Air gap in the radial direction a thickness of at least 0.5 mm and at most 3 mm having. 7. Elektrische Maschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt in radialer Richtung eine Dicke von mindestens 0,8 mm und höchstens 1,5 mm aufweist. 7. Electrical machine according to claim 4 or 5, characterized in that the Air gap in the radial direction a thickness of at least 0.8 mm and at most 1.5 mm.   8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der für den Gleitring (15) verwendete Werkstoff PTFE enthält.8. Electrical machine according to one of claims 1 to 7, characterized in that the material used for the sliding ring ( 15 ) contains PTFE.
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