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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromübertragungseinrichtung für einen Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, umfassend eine Ringscheibe die eine Rotorwelle des Rotors umfänglich zumindest abschnittsweise umgreift, und welche drehfest zu der Rotorwelle positionierbar ist, so dass die Rotorwelle relativ zur Ringscheibe rotiert, wobei an der Ringscheibe wenigstens ein elektrisches Kontaktierungsmittel angeordnet ist, welche mittels jeweils einem Federelement in Radialrichtung federkraftbeaufschlagt und in Richtung der Rotorwelle jeweils in einem Führungsmittel linearverschieblich geführt ist, und das Kontaktierungsmittel so auf wenigstens einer umfänglich verlaufenden Leiterbahn der Rotorwelle elektrisch leitend anliegt. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine.
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Elektrische Bürstenmotoren sind üblicherweise aus einem Stator und einem relativ dazu drehbaren Rotor gebildet. Der Stator ist bei Radialflussmaschinen hohlzylindrisch ausgeführt, welcher, im Falle eines permanenterregten Bürstenmotors, mit Hilfe eines Dauermagneten oder, im Falle eines Reihenschlussmotors oder eines Nebenschlussmotors, mit Hilfe einer Hauptpol- oder auch Erregerwicklung ein Magnetfeld ausbildet, in welchem sich der Rotor bewegen kann. An dem Rotor ist hierzu in der Regel eine oder mehrere Spulen bzw. Rotorwicklungen vorgesehen, welche über einen Kommutator bzw. Polwender mit einer elektrischen Energieversorgung verbunden sind. Werden diese Spulen bestromt, entsteht ein Magnetfeld, welches in Kombination mit dem Magnetfeld des Stators ein Drehmoment erzeugt.
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Der Kommutator ändert während der Drehung die Polung der Rotorwicklungen derart, dass immer diejenigen Rotorwicklungen von einem Strom in entsprechender Richtung durchflossen werden, die sich quer zu dem Magnetfeld des Stators bewegen. Diese Änderung der Polung wird über sogenannte Schleifkontakte oder Bürsten realisiert. Diese Bürsten sind in einem Bürstenmotor derart angeordnet, dass sie bei einer Drehung des Kommutators die einzelnen Kommutatorkontakte nacheinander kontaktieren.
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Neben diesen Gleichstrommotoren sind fremderregte Synchronmaschinen bekannt, welche bei einem hohen Wirkungsgrad ebenfalls ohne Seltene-Erden-Magnete auskommen. Wie bei den fremderregten Synchronmaschinen erfolgt die Energieübertragung üblicherweise mittels eines Schleifringsystems auf den Rotor.
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Hierzu sind diese Bürsten üblicherweise in Bürstenhaltern aufgenommen, welche die Bürste in radialer Richtung auf die Welle des Rotors hin gerichtet linearverschieblich führen. Derartige Kohlebürstenhalter bestehen in der Regel aus mehreren Bauteilen. So werden beispielsweise mehrere Führungen form- oder stoffschlüssig mit einer Grundplatte verbunden. Diese Zusatzbauteile verursachen erhöhte Werkstoff- und auch Montagekosten, was regelmäßig unerwünscht ist. Weiterhin muss sichergestellt werden, dass sich im Betrieb diese Verbindungen der verschiedenen Bauteile der Bürstenhalter nicht unbeabsichtigt lösen können, um eine sichere Führung der Kohlebürsten über die gesamte Lebensdauer eines Bürstenmotors zu realisieren.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden oder zumindest abzuschwächen und eine Stromübertragungseinrichtung für einen Rotor einer elektrischen Maschine bereitzustellen, die fertigungstechnisch optimiert ist und ein hohes Maß an Betriebssicherheit gewährleistet. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung eine verbesserte elektrische Maschine zu realisieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Stromübertragungseinrichtung für einen Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, umfassend eine Ringscheibe die eine Rotorwelle des Rotors umfänglich zumindest abschnittsweise umgreift, und welche drehfest zu der Rotorwelle positionierbar ist, so dass die Rotorwelle relativ zur Ringscheibe rotiert, wobei an der Ringscheibe wenigstens ein Kontaktierungsmittel angeordnet ist, welches mittels jeweils einem Federelement in Radialrichtung federkraftbeaufschlagt und in Richtung der Rotorwelle jeweils in einem Führungsmittel linearverschieblich geführt ist, und das Kontaktierungsmittel so auf wenigstens einer umfänglich verlaufenden Leiterbahn der Rotorwelle elektrisch leitend anliegt, wobei das oder die Führungsmittel monolithisch mit der Ringscheibe ausgebildet sind.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass die Führungsmittel bereits in der Ringscheibe integriert sind, was fertigungstechnisch besonders günstig ist. Insbesondere sind die Führungsmittel mittels spanloser Umformung wenigstens eines Abschnitts der Ringscheibe gebildet.
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Es ist bevorzugt, dass eine Mehrzahl von Kontaktierungsmitteln an der Stromübertragungseinrichtung angeordnet ist. Höchst bevorzugt sind drei Kontaktierungsmittel an der Stromübertragungseinrichtung angeordnet.
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Gemäß einer höchst bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass aus der Ringscheibe Laschen freigestellt werden, die nach zweimaligem Umbiegen als Führungsmittel für die Kontaktierungsmittel dienen. Zu diesem Zweck kann es in diesem Zusammenhang ferner bevorzugt sein, dass die beiden gebogenen Laschen an der Oberseite form-, kraft oder stoffschlüssig verbunden sind. Weiterhin ist es auch bevorzugt, dass die beiden Laschen asymmetrisch ausgeführt sind, was aus Gründen des Bauraums bevorzugt sein kann.
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Die Ringscheibe kann umlaufend geschlossen ausgebildet sein oder aber auch ringsegmentartig.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Relevanz oder ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine. Der Rotor umfasst insbesondere eine Rotorwelle. Die Rotorwelle kann hohl ausgeführt sein, was zum einen eine Gewichtsersparnis zur Folge hat und was zum anderen die Zufuhr von Schmier- oder Kühlmittel zum Rotorkörper erlaubt.
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Die elektrische Maschine kann insbesondere als fremderregte Synchronmaschine ausgeführt sein.
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Die Stromübertragungseinrichtung kann auch als eine Wellenerdung für die Rotorwelle ausgestaltet sein, so dass ein Strom von der Rotorwelle abgeführt werden kann.
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Die elektrische Maschine kann insbesondere als Rotationsmaschine ausgebildet sein. Die Rotationsmaschine kann insbesondere als Radialflussmaschine konfiguriert sein. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken. Als Luftspalt wird der zwischen dem Rotor und dem Stator existierende Spalt bezeichnet. Bei einer Radialflussmaschine ist das ein im Querschnitt kreisringförmiger Spalt mit einer radialen Breite, die dem Abstand zwischen Rotorkörper und Statorkörper entspricht.
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Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
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Als Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Anmeldung gelten Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden, ohne an Bahngleise gebunden zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), Kleinkrafträder, Leichtkraftfahrzeuge, Krafträder, Kraftomnibusse (KOM) oder Zugmaschinen.
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Ein Kontaktierungsmittel kann beispielsweise eine elektrische Kohlebürste sein. Besonders bevorzugt ist das Kontaktierungsmittel ein blockartiger Festkörper aus einem elektrisch leitfähigem Material.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Ringscheibe aus einem Blech geformt ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die Führungsmittel so auf fertigungstechnisch besonders einfache Weise aus dem Blech geformt werden können.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass an der Ringscheibe durch Umformung gebildete laschenartige Abschnitte, angeordnet sind, welche sich aus der Ebene der Ringscheibe herauserstrecken und so ein Führungsmittel für ein elektrisches Kontaktierungsmittel bilden. Es kann hierdurch erreicht werden, dass das Führungsmittel beispielsweise wenigstens zwei parallel verlaufende Abschnitte aufweisen kann, was eine gute beidseitige Führung des Kontaktierungsmittels erlaubt.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die ein Führungsmittel bildende laschenartigen Abschnitte, jeweils eine rechteckartige Grundform aufweisen, welche jeweils einen durch Umformung sich aus der Ebene der Ringscheibe herauserstreckenden Abschnitt und einen sich parallel zur Ebene der Ringscheibe erstreckenden Abschnitt mit einem freien Ende aufweisen. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass hierdurch ein Kontaktierungsmittel umfänglich definiert geführt werden kann.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die freien Enden der laschenartigen Abschnitte, zumindest in Umfangsrichtung gegeneinander, insbesondere formschlüssig, fixiert sind. Hierdurch lässt sich insbesondere der Wirkung erzielen, dass ein Führungsmittel fertigungstechnisch günstig und im Betrieb formstabil bereitgestellt werden kann.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass an dem freien Ende des ersten laschenartigen Abschnitts ein schwalbenschwanzartiger Steg angeordnet ist, welcher in eine dazu korrespondierende Nut am freien Ende des zweiten laschenartigen Abschnitts eingreift. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass hierdurch eine fertigungs- wie montagetechnisch ganz besonders günstige Ausführungsform realisierbar ist.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Ringscheibe eine kreisrunde, von der Rotorwelle durchgriffene Öffnung aufweist, an denen die tangential zur Öffnung verlaufende, ein Führungsmittel bildende laschenartigen Abschnitte, ausgebildet sind.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Kontaktierungsmittel und/oder die Führungsmittel im Wesentlichen identisch ausgeformt sind, so dass sich weitere Kostenvorteile durch einen hohen Grad an Gleichteiligkeit realisieren lassen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch eine elektrische Maschine umfassend eine Stromübertragungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1-8.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine elektrische Maschine mit einer Stromübertragungseinrichtung in einer schematischen Axialschnittansicht,
- 2 einen Kommutator eines bestrombaren Rotors in einer schematischen, perspektivischen Darstellung,
- 3 eine Ringscheibe der Stromübertragungseinrichtung mit einer Mehrzahl von an der Ringscheibe ausgebildeten Führungsmitteln in einer perspektivischen Darstellung,
- 4 eine Ringscheibe der Stromübertragungseinrichtung mit einer Mehrzahl von laschenartigen Abschnitten, die noch nicht aus der Ebene der Ringscheibe umgeformt wurden.
- 5 ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine in einer schematischen Blockschaltdarstellung,
- 6 Rotor einer fremderregten Synchronmaschine in einer schematischen Darstellung,
- 7 eine zweite Ausführungsform einer Ringscheibe der Stromübertragungseinrichtung mit einer Mehrzahl von an der Ringscheibe ausgebildeten Führungsmitteln in einer perspektivischen Darstellung,
- 8 eine dritte Ausführungsform einer Ringscheibe der Stromübertragungseinrichtung mit einer Mehrzahl von an der Ringscheibe ausgebildeten Führungsmitteln in einer perspektivischen Darstellung,
- 9 eine Ausführungsform einer Stromübertragungseinrichtung mit zwei axial beabstandeten Ringscheiben in einer schematischen Axialschnittdarstellung.
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Die 1 zeigt eine Stromübertragungseinrichtung 1 für einen Rotor 2 einer als Radialflussmaschine konfigurierten elektrischen Maschine 3, insbesondere einer elektrischen Maschine 3 innerhalb eines Antriebsstrangs 4 eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs 5, wie es auch exemplarisch in der 5 skizziert ist.
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Die Stromübertragungseinrichtung umfasst eine Ringscheibe 6, die eine Rotorwelle 7 des Rotors 2 umfänglich umgreift, und welche drehfest zu der Rotorwelle 7 positioniert ist, so dass die Rotorwelle 7 relativ zur Ringscheibe 6 rotiert. Hierzu kann die Ringscheibe 6 drehfest mit einem nicht rotierenden Bauteil der elektrischen Maschine 3 verbunden sein. An der Ringscheibe 6 ist eine Mehrzahl von elektrischen Kontaktierungsmitteln 8 angeordnet, welche mittels jeweils einem Federelement 9 in Radialrichtung federkraftbeaufschlagt und in Richtung der Rotorwelle 7 jeweils in einem Führungsmittel 10 linearverschieblich geführt sind, indem das Kontaktierungsmittel 8 gleitend an den inneren Wandungen der Führungsmittel 10 anliegt.
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Wie anhand der 2 ersichtlich, liegen die Kontaktierungsmittel 8 auf wenigstens einer umfänglich verlaufenden Leiterbahn 11 der Rotorwelle 7 elektrisch leitend an. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 bilden die beiden halbschalenartigen Leiterbahnen 11 den Kommutator 19 einer Gleichstrommaschine. Für eine Anwendung in einer fremderregten Synchronmaschine sind die Leiterbahnen 11 dann umfängliche geschlossen, also ringförmig, ausgeführt oder es kann auch nur eine ringförmige Leiterbahn 11 am Rotor 2 ausgebildet sein. Dieser Aufbau ist in der 6 exemplarisch skizziert. Es versteht sich, dass die Stromübertragungseinrichtung 1 sowohl für eine Anwendung in einer Gleichstrommaschine als auch in einer fremderregten Synchronmaschine verwendet werden kann.
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Die Führungsmittel 10 sind monolithisch mit der Ringscheibe 6 ausgebildet, was in der 3 gezeigt ist. Die Ringscheibe 6 ist aus einem Blech geformt. An der Ringscheibe 6 sind durch Umformung gebildete laschenartige Abschnitte 13,14 angeordnet, welche sich aus der Ebene der Ringscheibe 6 herauserstrecken und so ein Führungsmittel 10 für ein elektrisches Kontaktierungsmittel 8 bilden. Die ein Führungsmittel 10 bildende laschenartigen Abschnitte 13,14 besitzen jeweils eine rechteckartige Grundform, welche jeweils einen durch Umformung sich aus der Ebene der Ringscheibe 6 herauserstreckenden Abschnitt 15 und einen sich parallel zur Ebene der Ringscheibe 6 erstreckenden Abschnitt 16 mit einem freien Ende 20 aufweisen.
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Die freien Enden 20 der laschenartigen Abschnitte 13,14 sind zumindest in Umfangsrichtung gegeneinander formschlüssig fixiert. Hierzu sind an dem freien Ende des ersten laschenartigen Abschnitts 13 ein schwalbenschwanzartiger Steg 17 angeordnet, welcher in eine dazu korrespondierende Nut 18 am freien Ende des zweiten laschenartigen Abschnitts 14 eingreift.
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Die Ringscheibe 6 verfügt ferner über eine kreisrunde, von der Rotorwelle 7 durchgriffene Öffnung 12, an denen die tangential zur Öffnung 12 verlaufende, ein Führungsmittel 10 bildende laschenartigen Abschnitte 13,14 ausgebildet sind. Die Kontaktierungsmittel 8 und die Führungsmittel 10 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen identisch ausgeformt.
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In der 7 ist eine weitere Ausführungsform einer Ringscheibe 6 gezeigt, bei der sich die freien Enden der Abschnitte 16 stirnseitig nicht kontaktieren und so ein Spalt gebildet ist, der im Wesentlichen radial zur kreisrunden Öffnung 12 der Ringscheibe 6 verläuft. Hierdurch kann die Ringscheibe 6 weiter gewichtsoptimiert werden und gleichzeitig noch eine hinreichend gute Führung der Kontaktierungsmittel 8 realisieren. Eine weitere Möglichkeit, eine noch weiter gewichtsoptimierte Ausführungsform einer Ringscheibe 6 auszubilden, ist in der 8 gezeigt, bei der der radial äußere Abschnitt um die Führungsmittel 10 herum vollständig entfernt wurde und die Führungsmittel so nur noch eine stegartige, radial verlaufende Verbindung zu der Ringscheibe 6 aufweist.
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9 zeigt eine Ausführungsform einer Stromübertragungseinrichtung 1 mit zwei axial beabstandeten Ringscheiben 6,26 in einer schematischen Axialschnittdarstellung. Die erste Ringscheibe 6 und die zweite Ringscheibe 26 sind hierbei an einer gemeinsamen Halteplatte 21 angeordnet, die bevorzugt aus einem elektrisch nichtleitenden Material geformt ist. Auch die Halteplatte 21 ist ringartig aufgebaut und wird von der Rotorwelle 7 durchgriffen. Durch die Anordnung der Ringscheiben 6,26 an der Halteplatte 21 entsteht so ein Bauteil, durch das Ströme über die Ringscheiben 6,26, die elektrischen Leiter 23 und die Kontaktierungsmittel 8 auf die Rotorwelle 7 übertragen oder von dieser abgeführt werden können, was durch das +/- Zeichen an den elektrischen Leitern 22 angedeutet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stromübertragungseinrichtung
- 2
- Rotor
- 3
- elektrische Maschine
- 4
- Antriebsstrang
- 5
- Kraftfahrzeug
- 6
- Ringscheibe
- 7
- Rotorwelle
- 8
- Kontaktierungsmitteln
- 9
- Federelement
- 10
- Führungsmittel
- 11
- Leiterbahn
- 12
- Öffnung
- 13
- Abschnitt
- 14
- Abschnitt
- 15
- Abschnitt
- 16
- Abschnitt
- 17
- Steg
- 18
- Nut
- 19
- Kommutator
- 20
- Ende
- 21
- Halteplatte
- 22
- elektrischer Leiter
- 23
- elektrischer Leiter
- 26
- Ringscheibe
