EP4226485A1 - Elektrische maschine mit einer lagerung einer mit einem rotor verbundenen verbindungswelle - Google Patents

Elektrische maschine mit einer lagerung einer mit einem rotor verbundenen verbindungswelle

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Publication number
EP4226485A1
EP4226485A1 EP21806971.4A EP21806971A EP4226485A1 EP 4226485 A1 EP4226485 A1 EP 4226485A1 EP 21806971 A EP21806971 A EP 21806971A EP 4226485 A1 EP4226485 A1 EP 4226485A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
stator
rotor
bearing
roller bearing
housing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21806971.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk Reimnitz
Ivo Agner
Stefan Riess
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4226485A1 publication Critical patent/EP4226485A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/085—Structural association with bearings radially supporting the rotary shaft at only one end of the rotor
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
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    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/24—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets axially facing the armatures, e.g. hub-type cycle dynamos
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    • H02K5/173—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields using bearings with rolling contact, e.g. ball bearings
    • H02K5/1732—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields using bearings with rolling contact, e.g. ball bearings radially supporting the rotary shaft at both ends of the rotor

Definitions

  • the invention relates to an electric machine for a motor vehicle drive, preferably an electric machine which is connected upstream of a transmission of a motor vehicle drive train.
  • the motor vehicle can be implemented as a purely electrically powered or hybrid motor vehicle.
  • the electric machine is equipped with a housing, with a stator accommodated in the housing and with a rotor which is non-rotatably connected to a connecting shaft.
  • the connecting shaft is also preferably connected to a first axial side of the rotor via a double-row roller bearing arrangement supported radially and axially on the housing side or the output side and supported on the housing side via an additional roller bearing designed at least for the transmission of axial forces to a second axial side of the rotor facing away from the first axial side.
  • the rolling bearing assembly may be fixed directly to the stator or a stator housing of the stator, or to a main housing body or another housing.
  • the roller bearing arrangement is preferably attached to the stator.
  • This mounting of the connecting shaft relative to the housing preferably a housing-integrated stator housing, supports the connecting shaft with the rotor against displacement and against tilting relative to the stator in a significantly more robust manner. This significantly increases the efficiency of the electrical machine.
  • the roller bearing arrangement is formed as a double-row roller bearing, preferably as a double-row roller bearing with a one-piece outer or inner ring (forming two axially adjacent (first and third) roller body raceways).
  • the roller bearing arrangement is implemented as stably as possible.
  • roller bearing arrangement is formed by two single-row roller bearings arranged directly axially next to one another and preferably touching directly axially with their outer rings and inner rings. As a result, the manufacturing cost of the roller bearing assembly is significantly reduced.
  • roller bearing assembly is designed as a double row or two single row angular contact ball bearings or a double row or two single row tapered roller bearings or a combination of an angular ball bearing and a tapered roller bearing. If several rolling body raceways of the rolling bearing arrangement are aligned with one another in an O arrangement or X arrangement, the result is a particularly stable mounting of the connecting shaft.
  • the roller bearing arrangement has at least one outer ring fixed both radially and axially, preferably axially on both sides, on the stator, for example on a stator housing accommodating the stator, and/or at least one both radially as well as axially (preferably axially on both sides) fixed to the connecting shaft inner ring.
  • the additional roller bearing enters into a radial clearance fit on its outer ring or on its inner ring on the part of the stator, preferably to a stator housing accommodating the stator, or the connecting shaft.
  • the additional roller bearing is implemented softly in a targeted manner in the radial direction in order to avoid distortions with the roller bearing arrangement.
  • the additional roller bearing is designed as an angular ball bearing or a tapered roller bearing.
  • rolling body tracks or force transmission directions of the additional roller bearing are opposite in relation to rolling body tracks or force transmission directions of the rolling body arrangement. Overall, this results in a particularly stable mounting of the connecting shaft with the rotor.
  • the additional roller bearing can be opposed to one of the roller bearing raceways of the roller bearing arrangement.
  • roller bearing arrangement and the additional roller bearing are also preferably used for direct mounting of the connecting shaft on a stator housing that is further connected to a further main housing body of the housing. It is also advantageous if a direct bearing area/contact area between a support wall of the stator housing and the main housing body is arranged offset axially with respect to the stator. This provides a robust attachment of the stator housing to the main housing body.
  • the robust support according to the invention between the rotor and stator has a particularly effective effect on the efficiency of the electrical machine.
  • stator has two disk-shaped stator halves, each having at least one coil body, each stator half being accommodated in the stator housing and the disk-shaped rotor being arranged axially between the stator halves.
  • a support wall of the stator housing is attached to the main housing body by means of at least one attachment element.
  • the at least one fastening element preferably designed as a screw, is more preferably aligned in its longitudinal direction or with its longitudinal axis parallel to an axis of rotation of the rotor.
  • the at least one fastening element is aligned in its longitudinal direction or with its longitudinal axis perpendicular to an axis of rotation of the rotor.
  • the rotor shaft (connecting shaft) is mounted on one side of the rotor by a double-row bearing (roller bearing arrangement; eg a double-row angular contact ball bearing) or two adjacent bearings.
  • a double-row bearing roll bearing arrangement; eg a double-row angular contact ball bearing
  • This storage prevents radial movements, axial movements and unwanted tilting movements of the rotor shaft or to a very small extent dimension limited.
  • the rotor shaft is mounted in another bearing (additional roller bearing), which at least transmits axial forces (e.g. a single-row angular contact ball bearing, possibly with a radial clearance fit on the inner or outer ring).
  • the bearing point (rolling bearing arrangement) to be on the one side of the rotor shaft, which can prevent radial movements, axial movements and unwanted tilting movements of the rotor shaft, has two rolling element raceways aligned in an O arrangement with respect to one another.
  • the other rolling element bearing (auxiliary bearing), on the other side of the rotor shaft, should be arranged so that its rolling element raceway forms an X arrangement with one of the other rolling element raceways of the bearing location arranged on the opposite side of the rotor shaft.
  • the two bearing points of the rotor shaft advantageously support the rotor shaft on a stator of the electrical axial flow machine.
  • the two bearing points of the rotor shaft support the rotor shaft on one stator half each of the electric axial flow machine.
  • 1 is a longitudinal sectional view of an electric machine according to a first exemplary embodiment, with an illustrated fastening element for connecting a stator housing to a main housing body being axially aligned
  • 2 shows a longitudinal sectional view of an electrical machine according to a second exemplary embodiment, with the fastening element being aligned radially
  • FIG. 3 shows an enlarged area of a longitudinal sectional illustration of an electrical machine according to a third exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows an enlarged area of a longitudinal sectional illustration of an electrical machine according to a fourth exemplary embodiment.
  • the basic structure of an electrical machine 1 according to the invention can be seen particularly well in FIG.
  • the electric machine 1 is used in a preferred area of application in a hybrid or purely electrically driven motor vehicle drive.
  • the electric machine 1 has a housing 23 which, during operation, is connected to a transmission housing of a transmission of the motor vehicle drive, for example.
  • the case 23 has a main case body 2 .
  • the main housing body 2 has both a radial outer wall 24 and an axial intermediate wall 25 projecting radially inwards from this outer wall 24 .
  • a stator housing 3 is fastened to the intermediate wall 25 .
  • the stator housing 3 in turn accommodates a stator 4 , here having two coil formers 18 .
  • a rotor 8 is rotatably mounted relative to the stator 4, as explained in more detail below.
  • the rotor 8 is fixed to a radial outside of a connecting shaft 7 .
  • the connecting shaft 7 which is thus also referred to as the rotor shaft, and the rotor 8 are arranged together coaxially to a central axis of rotation 14 .
  • axial/axial direction a direction along the axis of rotation 14
  • radial a direction perpendicular to the axis of rotation 14
  • circumferential direction is a direction along a circular line concentric with the axis of rotation 14 .
  • connecting shaft 7 With regard to the connecting shaft 7, it can also be seen in FIG. Those components can be input shafts of a gearbox or a differential gear.
  • stator 4 and the rotor 8 are thus each configured essentially in the shape of a disk and are arranged next to one another in the axial direction.
  • the stator 4 has two disc-shaped stator halves 19a, 19b, each of which forms a coil body 18.
  • the width of the two stator halves 19a, 19b is essentially the same.
  • the disc-shaped rotor 8 is arranged axially between the two coil formers 18 and in operation interacts in the usual way with the stator halves 19a, 19b to drive the rotor 8.
  • a first stator half 19a is arranged on a first axial side 20a of the rotor 8 and a second stator half 19b is arranged on a second axial side 20b of the rotor 8 facing away from the first axial side 20a.
  • the stator 4, i.e. the stator halves 19a, 19b, are firmly accommodated in a stator housing 3.
  • the stator housing 3 surrounds the respective stator half 19a, 19b both radially from the outside and radially from the inside as well as in the axial direction from a side facing away from the rotor 8.
  • the stator housing 3 is closed towards a radial outside of the stator halves 19a, 19b/of the stator 4.
  • That part of the stator housing 3 which faces the intermediate wall 25 of the main housing body 2 axially forms a support wall 5 .
  • This support wall 5 extends essentially parallel to the intermediate wall 25 and thus in the radial direction from an outer diameter of the stator 4 to an inner diameter.
  • the support wall 5 directly forms that section of the stator housing 3 which surrounds a first stator half 19a radially from the outside, radially from the inside and on an axial side facing away from the rotor 8 .
  • the support wall 5 is further fixed to the main case body 2 at a central support base 22 .
  • the support wall 5 and the intermediate wall 25 abut one another both in the axial direction with their end faces and via a centering extension 27 in the radial direction.
  • the axially protruding centering extension 27 is formed on the support wall 5 and is pushed into a receptacle 28 / receptacle shoulder of the main housing body 2 .
  • a direct contact area 11 between the support wall 5 and the main housing body 2 is arranged axially offset with respect to the stator 4 .
  • a fastener 6 is illustrated.
  • the fasteners 6 are designed as screws.
  • the respective fastening element 6 protrudes through a through hole 31 in the main housing body 2 .
  • Each fastening element 6 also has a threaded area 29 which is screwed into an internally threaded bore 30 in the support wall 5 .
  • the fastening element 6 is supported on the main housing body 2 with a head 40 .
  • the support wall 5 also forms a bearing journal 32 radially inside the fastening elements 6 .
  • the bearing journal 32 protrudes in the axial direction radially from the inside into the stator 4, namely the first stator half 19a.
  • a roller bearing arrangement 9 for radially and axially supporting the connecting shaft 7 and thus the rotor 8 is arranged radially from the inside on the bearing journal 32 .
  • the roller bearing arrangement 9 arranged according to the invention is therefore used for the axial and radial mounting of the connecting shaft 7 on a radial inner side 10 of the support wall 5.
  • the roller bearing arrangement 9 is arranged on the first axial side 20a of the rotor 8 and is located radially inside and axially at the level of the first stator half 19a.
  • roller bearing arrangement 9 With regard to the roller bearing arrangement 9, it can be seen that its (radial) outer ring 15 is fixed to the bearing journal 32/the support wall 5/the stator housing 3 both in the radial direction and axially on both sides. In a first axial direction/towards a first axial side of the outer ring 15, it rests against a radial shoulder 33 of the bearing journal 32; in a second axial direction/second axial side of the outer ring 15, it rests against a retaining ring 34, which is in the bearing journal 32 snapped, on.
  • a (radial) inner ring 16 of the roller bearing arrangement 9 is fixed on both sides of the connecting shaft 7 both in the radial direction and axially.
  • the inner ring 16 is supported in a first axial direction / to its first axial side, with the interposition of a (first) bearing element 35a (here a bearing washer) on a radial shoulder 41 of the connecting shaft 7 and in a second axial direction / to its second axial Page fixed via a securing element 36 in the form of a lock nut.
  • the roller bearing assembly 9 is further implemented as a double row roller bearing.
  • the roller bearing arrangement 9 is designed in particular as a double-row angular contact ball bearing.
  • the outer ring 15 also forms two (a first and a third) rolling element raceways 46a, 46c and is made of one piece of material. It can also be seen that the inner ring 16 is divided in two, with each part of the inner ring 16 forming one of the two (second and fourth) rolling element raceways 46b, 46d of the inner ring 16.
  • a group of first rolling elements 48 of the rolling bearing arrangement 9 distributed in a circumferential direction in an axial plane is in contact with the first rolling element raceway 46a and the second rolling element raceway 46b.
  • a group of second rolling elements 49 circumferentially distributed in another axial plane of the rolling bearing assembly 9 is in contact with the third rolling element raceway 46c and the fourth rolling element raceway 46d.
  • the rolling bearing arrangement 9 is implemented (as a double-row angular contact ball bearing) in such a way that its rolling element tracks 46a, 46b, 46c, 46d form an O arrangement (connecting line between contact points of the first rolling element 48 with the first and second rolling element tracks 46a, 46b with the connecting line between contact points of the second rolling element 49 with the third and fourth rolling element raceway 46c, 46d are positioned in a radially inwardly open V) to one another.
  • the roller bearing arrangement 9 can be realized in a different way, for example as a double-row angular roller bearing, preferably as a tapered roller bearing in an O arrangement.
  • the roller bearing arrangement 9 is located radially inside the fastening elements 6 and axially at least partially at the same height as the fastening elements 6. At the same time, the roller bearing arrangement 9 is radially inside the stator 4 and in the axial direction at the same height as the stator, in particular the first Stator half 19a arranged.
  • An additional roller bearing 17 is provided to further support the connecting shaft 7 / the rotor 8 relative to the stator 4 .
  • the additional roller bearing 17 is realized as a (single-row) ball bearing, namely as an angular ball bearing, but in further embodiments it can also be designed in a different way. While the roller bearing arrangement 9 is arranged on the first axial side 20a of the rotor 8, the additional roller bearing 17 is arranged on the second axial side 20b of the rotor 8 facing away from the first axial side 20a.
  • the additional roller bearing 17 is firstly placed directly on the connecting shaft 7 and secondly on the stator housing 3 (radially inside and at axial height with the second stator half 19b) is supported.
  • the additional roller bearing 17 is coupled to the stator housing 3 in such a way that the stator housing 3 can move radially relative to an outer ring 42 of the additional roller bearing 17 .
  • a sleeve 44 additionally inserted between the outer ring 42 and the stator housing 3 is designed in such a way that the outer ring 42/the additional roller bearing 17 is accommodated on the housing side/in the stator housing 3 via a clearance fit and is therefore radially displaceable by a certain amount.
  • the additional roller bearing 17 is attached at least on one side between the connecting shaft 7 and the stator housing 3 so that it is axially fixed/for the transmission of axial forces.
  • An inner ring 43 of the additional roller bearing 17 is in turn attached to the connecting shaft 7 in a radially fixed manner.
  • the additional roller bearing 17 is supported axially on one side with its inner ring 43 with the interposition of a (second) contact element 35b, here a contact washer, on the connecting shaft 7 .
  • the outer ring 42 of the additional roller bearing 17 is supported axially opposite to the support of the inner ring 43 on the stator housing 3 (via the radial collar of the sleeve 44).
  • the additional roller bearing 17 arranged on the second stator half 19b/stator housing 3 facing away from the common rigid support base 22 is thus designed as a single-row angular contact ball bearing and has a loose fit between the outer ring 42 and the bearing seat of the second stator half 19b.
  • the radial clearance of the clearance between the additional roller bearing 17 and the second stator half 19b ensures that the additional roller bearing 17 performs a sufficiently large radial displacement can, in order to be able to align itself with the axis of rotation 14 defined by the double-row angular contact ball bearing (roller bearing arrangement 9).
  • the additional roller bearing 17 rests axially on the bearing seat of the second stator half 19b, which is designed as a separate sleeve 44 in this exemplary embodiment.
  • the additional roller bearing 17 can be electrically insulated from the rest of the stator 4 and/or the coefficient of friction, which results at the contact point between the outer ring 42 and the sleeve 44 forming the bearing seat, can be reduced influence in the desired way.
  • the single-row angular contact ball bearing rests axially both on the bearing seat of the second stator half 19b and on the bearing seat of the rotor shaft (connecting shaft 7) and can therefore transmit axial forces.
  • the double-row angular contact ball bearing is in any case axially fixed on both the outer ring 15 and the inner ring 16, connected to the first stator half 19a/the stator housing 3 and the rotor shaft and can therefore even transmit axial forces in both directions. It is thus possible for axial forces to be able to be transmitted from one stator half 19a, 19b to the other via the rotor shaft.
  • the bearings and the rotor shaft can contribute to aligning the two stator halves radially on the inside relative to one another so that they are exactly spaced axially and thus set the two air gaps between the rotor and the stator exactly and keep them constant.
  • the additional roller bearing 17 Due to its design as a single-row angular contact ball bearing, the additional roller bearing 17 also has an inclined connecting line (i.e. at an angle of less than 90° and greater than 0° to the axis of rotation 14) between contact points of its (third) rolling element 50 with a first rolling element raceway 47a of the outer ring 42 and a second rolling element track 47b of the inner ring 43.
  • This connecting line of the additional roller bearing preferably forms a radially outwardly open V with the connecting line of the roller bearing arrangement 9 running through the first rolling elements 48, which corresponds to an X arrangement.
  • This bearing arrangement thus prevents all magnetic forces which want to move the stator halves 19a, 19b towards one another from having to be supported radially on the outside around the rotor 8 via the mechanical structure of the stator 4.
  • the two stator halves 19a, 19b can are transmitted with axial forces in opposite directions via the rolling elements 48, 50 in an X arrangement to the connecting shaft 7 (rotor shaft) and are thus mutually supported radially on the inside via the connecting shaft 7.
  • Some of the magnetic forces that act axially on the stator halves 19a, 19b and want to move the stator halves 19a, 19b towards one another then act radially outwards around the rotor 8 via the mechanical structure of the stator 4 and the other part via the connecting shaft 7 supported.
  • the X-arrangement on both sides of the rotor 8 and the rotor shaft thus reduces the mechanical stress on the stator structure and thus enables a smaller, lighter and more cost-effective motor design.
  • stator housing 3 is arranged outside of the common central support base 22 at a distance axially and radially from the main housing body 2 and the entire housing 23 .
  • connection structures 12, 13 in the form of fluidic connection structures 12 and electrical connection structures 13 which indirectly couple the stator housing 3 and housing 23 to one another.
  • two fluidic connection structures 12 and one electrical connection structure 13 are present.
  • the fluidic connection structures 12, 13 are primarily used for introducing and removing liquids, in particular cooling liquids; the electrical connection structures 13 primarily serve to transmit electrical power.
  • the connection structures 12, 13 are necessarily attached to the main housing body 2 on the one hand and to the stator housing 3/the stator 4 on the other hand.
  • connection structures 12, 13 are designed to be softer than the support base 22 in a targeted manner.
  • the electrical connection structure 13 is designed as a curved cable in this embodiment, but this can also be implemented in other embodiments in other embodiments.
  • the two fluid connections tion structures 12 are designed as corrugated tubes, for example. Thus, both the fluidic connection structures 12 and the electrical connection structures 13 are resilient and bendable in the axial direction and radial direction.
  • FIG. 2 a second exemplary embodiment of the electrical machine 1 according to the invention is illustrated, which corresponds to the first exemplary embodiment in its basic structure. For the sake of brevity, only the differences between these two exemplary embodiments will therefore be described below.
  • the fastening element 6 is not aligned parallel but perpendicular to the central axis of rotation 14 .
  • the fastening element 6 is accessible radially from the outside via an axial gap between the support wall 5 and the intermediate wall 25 radially outside the support base 22 .
  • a through-opening 21 is made in the radial outer wall 24 of the main housing body 2 for each fastening element 6 , the through-opening 21 being provided in alignment with the fastening element 6 . After assembly, the through-opening 21 is closed with a cover 37 .
  • the intermediate wall 25 is also adapted on the supporting base 22 side.
  • the intermediate wall 25 has an axial projection 38 through which the fastening element 6 penetrates radially. That projection 38 rests on the centering extension of the support wall 5 radially from the outside.
  • the fastening element 6 is, of course, screwed with its threaded area 29 into a radially running internally threaded bore 30 of the centering extension 27 .
  • the internally threaded bore 30 (at least in sections) is arranged axially level with the roller bearing arrangement 9 .
  • the fastening element 6 is in turn also in the axial direction at the same height as the roller bearing arrangement 9.
  • the connecting shaft 7 in the second exemplary embodiment no longer protrudes directly from the housing 23, but forms a shaft section which is connected radially inside the roller bearing arrangement 9 (via serrations) to a further output shaft 39, with this output shaft 39 then protrudes from the housing 23.
  • FIG. 3 shows an enlarged area of a longitudinal sectional illustration of an electrical machine according to a third exemplary embodiment.
  • FIG. 3 shows an enlarged portion showing the rolling bearing assembly 9 of FIG. 1 in a different configuration than that shown in FIG.
  • the third exemplary embodiment is identical to the first exemplary embodiment shown in FIG. 1, so that the explanations given above with regard to the first exemplary embodiment also apply to the third exemplary embodiment.
  • the other configuration of the rolling element arrangement 9 can be applied to the second exemplary embodiment shown in FIG. 2, so that the explanations given above with regard to the second exemplary embodiment also apply to the third exemplary embodiment.
  • the connecting shaft 7 is so rigidly connected to another rotatably mounted component (e.g. output shaft 39 or a transmission input shaft) that the roller bearing arrangement 9 does not have to stabilize the axis of rotation of the rotor 8 alone
  • the rolling element raceways 46a, 46b, 46c, 46d of the rolling element arrangement 9 be arranged so that the two rolling elements 48, 49 of the rolling element arrangement 9 are positioned in an X arrangement. Since the X-arrangement stabilizes the shaft less, the X-arrangement reduces the risk of a concentricity deviation. Deviation between the roller bearing arrangement 9 and the bearing of the component rigidly connected to the connecting shaft 7 leads to unwanted distortion of the bearing and thus reduces the bearing service life.
  • the roller bearing arrangement 9 is also implemented as a double-row roller bearing or as two single-row roller bearings arranged next to one another.
  • the roller bearing arrangement 9 is designed in particular as a double-row angular contact ball bearing.
  • the outer ring 15 then forms two rolling element raceways 46a, 46c, just as previously described for the double-row angular contact ball bearing in an O arrangement in FIG. 1 or FIG. 2, and the inner ring 16 also forms two rolling element raceways 46b, 46d.
  • the arrangement of these rolling element raceways 46a, 46b, 46c, 46d differs from that of the O arrangement. If one mentally goes through the double-row roller bearing arrangement 9 in an X-arrangement from left to right in Fig.
  • a roller track 46a on the outer ring 15 comes first axially and radially outside the first roller elements 48 distributed on the circumference.
  • On the other side of the second rolling element 49 there is a rolling element raceway 46c on the outer ring, axially behind and radially outside of the second rolling element 49.
  • the roller bearing arrangement 9 in an X arrangement is implemented in such a way (as a double-row angular contact ball bearing) that its rolling element raceways 46a, 46b, 46c, 46d in an X arrangement, i.e. a connecting line between contact points of the first rolling element 48 with the rolling element raceway 46a on the outer ring 15 and the Rolling body track 46b on the inner ring 16 forms a radially outwardly open with a connecting line between contact points of the second rolling bodies 49 with the rolling body track 46d on the inner ring 16 and the rolling body track 46c on the outer ring 15 V, are positioned to each other.
  • the inner ring 15 and/or the outer ring 16 can be designed in multiple parts.
  • the outer ring 15 in particular can be designed in two parts, so that the outer ring 15 is formed from two rings, each of which forms a roller bearing raceway.
  • the additional roller bearing 17 Due to its design as a single-row angular contact ball bearing, the additional roller bearing 17, see Fig. 1 and Fig. 2, has an inclined connecting line, i.e. at an angle of less than 90° and greater than 0° to the axis of rotation 14, between the contact points of its (third) rolling elements 50 with a first rolling body track 47a of the outer ring 42 and a second rolling body track 47b of the inner ring 43.
  • This connecting line of the additional roller bearing 17 forms, when the roller bearing arrangement 9, as shown in FIG. arrangement corresponds.
  • This bearing arrangement made up of the additional bearing 17 and the roller bearing arrangement 9 in an X arrangement can thus, just like the previously described bearing arrangement made up of the additional bearing 17 and the roller bearing arrangement 9 in an O arrangement, prevent all the magnetic forces which the stator halves 19a, 19b are moving toward one another want to move, have to be supported radially on the outside around the rotor 8 via the mechanical structure of the stator 4 .
  • the two stator halves 19a, 19b can thus transmit axial forces in opposite directions via the rolling elements 49, 50 arranged in an X arrangement to the connecting shaft 7 (rotor shaft) and thus mutually support each other radially on the inside via the connecting shaft.
  • FIG. 4 shows an enlarged area of a longitudinal sectional illustration of an electrical machine according to a fourth exemplary embodiment.
  • FIG. 4 shows an enlarged portion showing the auxiliary roller bearing 17 of FIG. 1 in a different configuration than that shown in FIG.
  • the fourth exemplary embodiment is identical to the first exemplary embodiment shown in FIG. 1, so that the explanations given above with regard to the first exemplary embodiment also apply to the fourth exemplary embodiment.
  • the other configuration of the additional roller bearing 17 can be applied to the second exemplary embodiment shown in FIG. 2 and the third exemplary embodiment shown in FIG. 3, so that the explanations made above with regard to the second exemplary embodiment and the third exemplary embodiment also apply to the fourth exemplary embodiment.
  • the additional roller bearing 17 in which the outer ring 44 is connected to the connecting shaft 7 (rotor shaft) and the inner ring 43 is connected to the stator 4, there is also the possibility that the two stator halves can be connected via the additional roller bearing 17, the connecting shaft 7 (Rotor shaft) and the roller bearing assembly 9 support each other radially on the inside in the axial direction and can thus better withstand the magnetic forces acting on them.
  • the additional roller bearing 17 is designed in particular as a single-row angular contact ball bearing.
  • the inner ring 43 of the additional roller bearing 17 can support the stator half in at least axial force-transmitting contact on the connecting shaft 7 (rotor shaft), the inner ring 43 has a roller bearing raceway 47b which, seen in the direction of force (force transmission from the stator half to the shaft), is in front of and radially inside the rolling element 50 of the additional roller bearing 17 is located.
  • the outer ring 44 is connected to the connecting shaft 7 (rotor shaft) and also has a roller bearing raceway 47a axially behind and radially outside of the roller bodies 50 of the additional roller bearing 17, viewed in the direction of force.
  • the connecting line between the contact points of the rolling elements 50 of the additional bearing 17 with the rolling element raceway 47a on the outer ring 44 and the rolling element raceway 47b on the inner ring 43 is oriented the other way around in this variant as in the previously described exemplary embodiments.
  • the alignment of the roller bearing raceways 47a, 47b must also be reversed, which means that the alignment of the connecting line between the contact points of the Rolling element 50 changes with the rolling element track 47a on the outer ring 44 and the rolling element track 47b on the inner ring 43 in order to be able to maintain the axial direction of power transmission between the stator half and the additional shaft unchanged.
  • the additional roller bearing 17 thus forms an O arrangement with one of the two rolling elements (48 or 49) of the roller bearing arrangement 9.
  • the connecting line between the contact points of the rolling elements 50 of the additional roller bearing 17 with the rolling element track 47a on the outer ring 44 and the Rolling body track 47b on the bearing inner ring 43 forms a radially inwardly open V with the connecting line between the contact points of the rolling bodies 48 or 49 of the rolling bearing arrangement 9 with their rolling body tracks 46b, 46d on the inner ring 16 and their rolling body tracks 46, 46c on the outer ring 15).
  • the connecting shaft 7 (rotor shaft) and the roller bearing assembly 9 is possible.
  • the two stator halves can thus support each other radially inside the motor in the axial direction and thus better on them endure acting magnetic forces.
  • the inner ring 43 and the outer ring 44 of the additional roller bearing 17 can each be connected axially and radially to their neighboring components, or they can only be connected axially and radially displaceably to their neighboring components.
  • the outer ring 44 is radially and axially firmly connected to the connecting shaft 7 and the inner ring 43 is axially firmly connected (so that forces can be transmitted at least in one axial direction) to the stator (stator half) and the Inner ring 43 can perform radial movements relative to the stator.
  • Stator and rotor are rigidly connected only to the common support base or are connected to the common support base and also rigidly connected to the support base elements.
  • the stator and rotor are also not subjected to any external constraining forces or constraint deformations that could damage the structure of the Stators or rotors can be deformed to an unacceptable extent and would thus lead to an unacceptably large change in the air gap, for example.
  • the common support base must not allow any relevant deformations between its connection point for the rotor and its connection point for the stator.
  • the common support base In order for the common support base to be sufficiently stiff without using extreme material, which is too expensive and too heavy for vehicle construction, it makes sense to arrange the attachment points that the common support base provides for the components or assemblies attached to it as close together as possible.
  • the common rigid support base laterally next to (/axially next to) and/or radially under the active parts of the motor on the smallest possible diameter around a component that connects the rotor with the motor that can be driven Unit connects for the purpose of torque transmission (e.g. a shaft).
  • the active parts are the motor components through which the magnetic fields that generate the torque between the stator and rotor flow.
  • the common rigid support base consists of two structural units (components or assemblies) that are rotationally decoupled by at least one bearing.
  • One of the assemblies is connected to the stator of the electric motor (rotationally stationary assembly of the common rigid support base) and the other of the two assemblies is connected to the rotor of the electric motor (rotatable assembly of the common rigid support base).
  • the two structural units are attached to one another by the at least one bearing.
  • the at least one bearing enables the two structural units to rotate relative to one another about an axis of rotation. Translational movements of the two structural units of the common rigid support base relative to each other are prevented by the at least one bearing or limited to a very small extent. This applies in particular to radial or axial displacements of the two units relative to one another.
  • the assembly of the common rigid support base connected to the stator can be formed, for example, by the stator and the electric motor housing (stator housing/supporting wall) or by one or more components connected to the stator and/or the electric motor housing.
  • a bearing which connects the two structural units of the common rigid support base to one another, can be fastened both to the component assigned to the stator and/or to the component assigned to the housing. If several bearings are arranged between the two structural units of the common rigid support base, these can all be fastened to the component associated with the stator or the component associated with the housing. At least one bearing can also be attached to the component assigned to the stator and at least one bearing to the component assigned to the housing.
  • the other structural unit of the common rigid support base connected to the rotor can, for example, be replaced by the rotor (e.g. the rotor shaft/connecting shaft) or a component connected to it and by a torque transmission element which connects the rotor to the unit that can be driven by the engine for the purpose of torque transmission (e.g. a shaft) or by a component connected to it.
  • a bearing which connects the two structural units of the common rigid support base to one another, can be fastened both to the component assigned to the rotor and/or to the component assigned to the torque transmission element.
  • bearings are arranged between the two structural units of the common rigid support base, these can all be fastened to the component assigned to the rotor or to the component assigned to the three-torque transmission element. At least one bearing can also be attached to the component assigned to the rotor and at least one bearing to the component assigned to the torque transmission element.
  • the rotor shaft is mounted on one side of the rotor with a double-row bearing (e.g. a double-row angular contact ball bearing) or two adjacent bearings. This bearing point can prevent or limit to a very small extent radial movements, axial movements and unwanted tilting movements of the rotor shaft.
  • a double-row bearing e.g. a double-row angular contact ball bearing
  • the rotor shaft is supported by another bearing that can transmit at least axial forces (e.g. a single-row angular contact ball bearing, possibly with a radial clearance fit on the inner or outer ring).
  • the rotor shaft has angular contact ball bearings, tapered roller bearings or other bearings with the direction of force transmission inclined to the axis of rotation of the bearing (e.g. caused by the contact angle or pressure angle of the rolling elements in rolling contact with the bearing raceways), it makes sense that the bearing point on one side of the rotor shaft, the Can prevent radial movements, axial movements and unwanted tilting movements of the rotor shaft, has two rolling element raceways aligned in an O arrangement with one another.
  • the other rolling element bearing, on the other side of the rotor shaft should be arranged so that its rolling element raceway forms an X arrangement with one of the other rolling element raceways of the bearing located on the opposite side of the rotor shaft.
  • the two bearing points of the rotor shaft connect the rotor shaft to the stator of an axial flux motor.
  • the two bearing points of the rotor shaft connect the rotor shaft to one half of the stator of an axial flux motor.
  • An axial force can be transmitted from one half of the stator via the rotor shaft to the other half of the stator via the two bearing points. Depending on the bearing structure, this can cause the stator halves to move towards one another or away from one another. be prevented or at least limited because of the stator halves. If both bearing points can transmit axial forces in both axial directions, forces can also be transmitted between the stator halves in alternating axial directions.
  • FIG. 1 shows an electric motor arrangement that is useful for electric axles in motor vehicles.
  • the electric motor is designed as an axial flux motor.
  • the motor consists of rotor and stator.
  • the stator consists of two stator halves connected to one another radially on the outside, which are connected radially on the inside via a bearing point to the rotor shaft in a rotationally decoupled manner.
  • the rotor is attached to the rotor shaft and consists of a disk-shaped section which extends radially outwards between the two stator halves.
  • the air gaps through which the axial magnetic flux of the motor runs are located between the two halves of the stator and the rotor.
  • the magnetic springs of the motor cause a torque that acts on the rotor and is then introduced into the rotor shaft.
  • the rotor shaft protrudes from the motor in the axial direction and has teeth at its end, through which the torque of the motor can be transmitted to an adjacent unit.
  • This adjacent unit can be, for example, a transmission (indicated by a spur gear stage in FIG. 1), a differential, a shaft or a wheel of the motor vehicle.
  • the stator half facing the transmission is connected radially on the inside to the housing that surrounds the electric motor.
  • the housing has a side wall or intermediate wall which is screwed to this stator half.
  • a bearing (designed as a double-row angular contact ball bearing in an O-arrangement in this exemplary embodiment) is arranged radially inside this screw connection point and connects the stator half to the rotor shaft in a rotationally decoupled manner.
  • This bearing which connects the rotor shaft axially and radially to one half of the stator and also prevents the rotor shaft from tilting about an axis that deviates from the axis of rotation of the motor, means that the rotor and stator are sufficiently supported relative to one another to form a functional unit.
  • a further bearing is optionally arranged on the side of the motor facing away from the common rigid support base, which bearing connects the further stator half to the rotor shaft.
  • This bearing can be designed or installed in such a way that it can transmit radial and axial forces, or it can be designed as an axially displaceable bearing (bearing primarily transmits radial forces) or as a radially displaceable bearing (bearing primarily transmits axial forces). If the bearing transmits radial forces, the rotor shaft can be supported on either side of the rotor on a stator half.
  • the axis of rotation of the rotor shaft is then only determined by the double-row angular contact ball bearing on the other half of the stator.
  • this is on the opposite side of the common rigid support base Stator half arranged bearing designed as a single-row angular contact ball bearings that has a clearance fit between the outer ring and the bearing seat of the stator half.
  • the radial clearance of the clearance fit between the bearing and the stator half ensures that the bearing can perform a sufficiently large radial displacement in order to be able to align itself with the axis of rotation defined by the double-row angular contact ball bearing.
  • the bearing rests axially on the bearing seat of the stator half, which in this exemplary embodiment is designed as a separate sleeve.
  • the bearing can be electrically isolated from the rest of the stator and/or the coefficient of friction that occurs at the contact point between the bearing outer ring and the sleeve forming the bearing seat can be influenced in the desired manner.
  • the single-row angular contact ball bearing is located axially both on the bearing seat of the stator half and on the bearing seat the rotor shaft and can thus transmit axial forces.
  • the double-row angular contact ball bearing is in any case connected to the stator half and the rotor shaft in an axially fixed manner on both the outer ring and the inner ring and can therefore even transmit axial forces in both directions. It is thus possible for axial forces to be transmitted from one stator half to the other via the rotor shaft.
  • the bearings and the rotor shaft can help to align the two stator halves radially on the inside relative to one another so that they are exactly spaced axially and thus set the two air gaps between the rotor and the stator exactly and keep them constant.
  • the single-row angular contact ball bearing together with a ball track (rolling element track) of the double-row angular contact ball bearing located on the other side of the rotor forms an X-arrangement over which the two stator halves, which want to move towards one another as a result of the magnetic forces, can support one another axially.
  • This bearing arrangement thus prevents all magnetic forces that want to move the stator halves towards each other must be supported radially outwards around the rotor via the mechanical structure of the stator.
  • the X-arrangement of the bearing raceways (rolling element raceways) on both sides of the rotor and the rotor shaft thus reduces the mechanical stress on the stator structure and thus enables a smaller, lighter and more cost-effective motor design.
  • common rigid support base
  • the main risks for the motor resulting from these shifts are, on the one hand, that fatigue strength problems could occur in the electric motor structure due to constantly changing external forces and deformations acting on the motor, or that the structure was designed for high mechanical strength from the outset would have to, which is at the expense of power density and efficiency optimization.
  • the shape of the magnetically relevant air gap between the two components can be changed by deformation of the rotor and/or stator, thus degrading the performance and efficiency of the motor.
  • the electrically and magnetically optimal design of the motor is severely restricted if a large minimum gap width has to be provided so that the two components never touch during operation, since constant changes in the air gap during operation are to be expected.
  • the rotor and the stator of the electric motor are attached to components or are operatively connected to components that perform different displacements or the components to which the stator or the rotor is attached or with which there is an operative connection can exert forces on the electric motor
  • the structure of the electric motor is subjected to an impermissibly high load and/or the air gap widths are changed inadmissibly.
  • the central, common, rigid support base consists of two structural units which are rotatable relative to one another about the rotor axis of the electric motor rotor but are otherwise firmly connected to one another by the double-row angular contact ball bearing.
  • One structural unit consists of the radially inner part of the stator half, which is screwed to the radially inner part of the housing support wall, which also forms part of the structural unit.
  • the other structural unit of the central, common, rigid support base consists of the rotor shaft, which also forms the output shaft of the electric motor by merging into the transmission input shaft in one piece.
  • the common rigid support base can thereby transfer forces exerted on the motor from the outside by the transmission input shaft (or another torque-transmitting connection element designed in another way) to the support wall of the housing, without structural elements of the electric motor that do not belong to the central common rigid support base , are impermissibly loaded by these forces.
  • the supporting wall of the housing (or a differently designed fastening contour of the element carrying the electric motor) and the transmission input shaft (or a differently designed torque-transmitting connecting element) are also connected to one another by the common, central, rigid support base. bound that their spatial displacements are coupled with each other.
  • the support wall of the housing (or a differently designed fastening contour of the element carrying the electric motor) and the transmission input shaft (or a differently designed torque-transmitting connecting element) can therefore only perform the same displacements (simultaneously the same direction of movement and the same displacement distance).
  • the central, common, rigid support base therefore always performs the same displacement as the neighboring components that are firmly connected to the electric motor, taking the rotor and the stator with it in the same way.
  • the rotor and stator can only perform the same displacement, which means that there is no significant relative displacement between the rotor and stator that would change the air gap widths.
  • An axial displacement of the transmission input shaft which is particularly problematic for axial flux motors with conventional bearings, since it can shift the rotor axially relative to the stator and thus has a direct effect on the air gap widths, in this axial flux motor with a central common rigid support base means that the central shared rigid support base axially displaced and thus rotor and stator are moved together, which has no effect on the air gap width.
  • the common support base In order for the functional principle of the central common rigid support base to work well, the common support base should be sufficiently rigid so that it can transmit forces without the connection contours or connection elements that the support base provides for the components or assemblies attached to it deforming to the relevant extent or deform relative to each other. Therefore, it makes sense to design all the components or component areas that form the central common rigid support base to be as rigid as possible and to arrange them compactly in the immediate vicinity. The closer together the connection contours or connection elements that the support base provides for the components or assemblies attached to it can be arranged, the smaller the deformations that occur between them.
  • the common support base is therefore arranged on the side next to the active parts of the electric motor around the transmission input shaft, around all the important components that the common support base has to connect to one another bring together in the smallest possible space.
  • This also results in a close-lying arrangement of the rigid bearing between the two structural units of the common support base and the radially inner connection (screw connection) between the stator and the housing.
  • the arrangement of the connection point between the stator and the housing radially close to the bearing between the stator and the rotor shaft or between the housing and the rotor shaft is technically particularly useful.
  • this screw connection between the housing and the stator takes place axially through the side wall or support wall of the housing.
  • an O-ring is arranged between the stator and the housing radially inside and radially outside of the screw connection area.
  • seals can also be arranged under the screw heads or on the screw shafts, which prevent oil from flowing through the holes in the side wall or support wall that are necessary for the screw connection.
  • the threaded holes in the stator are sealed.
  • the rotor and stator should be able to freely follow the displacement that the central common rigid support base imparts to the rotor and stator. All additional connections between the rotor and an adjacent unit of the electric motor and the stator and an adjacent unit of the electric motor that are not made via the central common rigid support base should therefore be much softer than the central common rigid support base and the Structural elements of the rotor and stator between the central common rigid support base and the additional connection point with an adjacent unit of the electric motor, so that the displacements that occur relatively between the central common rigid support base and the additional connection point only lead to deformations on the additional Joint leads used fasteners and not deformation of the rotor or stator.
  • connection elements for the cooling fluid and the electric current as flexible connecting elements (corrugated pipe and curved cable).
  • hoses or pipe sections designed to be tiltable on both sides and axially displaceable can also be used in order to transfer the cooling fluid between the stator and the unit providing the cooling fluid.
  • elastic busbars or electrical conductors consisting of many thin wires can also be used to transmit the electrical current.
  • a rotor position sensor 45 is fastened to the stator half there, which sensor detects the angular position of the rotor shaft. This allows the angular position of the magnets installed in the rotor to be determined relative to the magnets in the stator. This information is used to control the motor.
  • a shaft grounding element is arranged between the rotor and the double-row angular contact ball bearing. This can prevent a significant electrical voltage from building up between the bearing outer ring and the bearing inner ring, which could lead to damage to the bearing.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment in which the connection point between the housing wall (partition wall) and the stator is realized by a radial screw connection.
  • this radial screw connection enables the electric motor to be assembled or dismantled without having to use tools to reach into the housing area of the gearbox.
  • the fastening screws are then inserted radially from the outside into the motor housing through openings in the motor housing that can later be closed with covers and are screwed into the threaded holes.
  • the screws are equipped with a particularly high head, so that the screws can be held well with a tool and securely assembled and disassembled (without falling into the motor housing).
  • the radial assembly play should be limited to the dimension absolutely necessary for the assembly by means of an exact and tight fit, in order to avoid unwanted tensioning of the two components to be screwed together. If the assembly process allows it, a slight oversize is also useful (e.g. a transition or press fit).
  • the rotor shaft is connected to the transmission input shaft by splines (alternatively, it can also be a differently designed torque-transmitting connecting element for a unit of the drive train that absorbs the torque of the engine.).
  • This transmission input shaft can be supported in the radial direction via the rotor shaft on the common rigid support base.
  • the spline between the rotor shaft and the transmission input shaft can be assumed to be quasi-rigid as soon as high torques are transmitted in the spline, since the contact forces acting on the tooth flanks are then very high. In order to be able to move the transmission input shaft axially relative to the rotor shaft, a very high axial frictional force would then have to be overcome.
  • the transmission input shaft can transmit unwanted forces and displacements to the rotor.
  • the common, central, rigid support base ensures that these forces and displacements do not have a negative effect on the air gaps between rotor and stator.
  • the connection point between the rotor shaft and the transmission input shaft is functionally a part of the central, common, rigid support base.
  • the electric motor is protected from the transmission oil by a radial shaft sealing ring between the support wall and the rotor shaft and by a cover which closes the axial inner passage opening in the rotor shaft.
  • This sealing concept can also be transferred to the exemplary embodiment in FIG.
  • connection point between the support wall and the rotor of the electric motor has been arranged on the smallest possible diameter in the exemplary embodiments in order to show how a support base that is as stiff as possible can be created in which only minimal, negligible elastic deformations between the components connected to the support base or . If it is not structurally possible to pull the supporting wall of the motor housing (intermediate wall of the main housing body) so far radially inwards (e.g. because the required installation space is not available or the supporting wall is too soft as a result), it is also possible to use the connecting point between the stator and housing (screw connection) further radially to the outside.
  • connection point between the stator and the housing increases the distance between the connection point between the stator and the housing (screw connection) and the bearing between the two structural units of the support base. This makes the support base a little more elastic, but in the overall context of a real electric motor connection it can definitely be a technically sensible compromise. In extreme cases, the connection point between the stator and the housing (screw connection) can be moved radially outwards to near the outer diameter of the stator.
  • the single-row and double-row angular contact ball bearings shown in the examples are only examples of bearings with these properties. It With all the exemplary embodiments, other bearings can always be used, which can transmit the radial forces, axial forces and/or tilting moments to be transmitted at this bearing point.
  • the double-row angular contact ball bearing can also be expediently replaced by two tapered roller bearings in an O arrangement that are even more rigid due to the design.
  • the joint, rigid support base and bearing arrangement for the rotor shaft presented here are particularly useful for axial flux motors, since these electric motors are particularly sensitive to axial forces acting on them due to their slim, disc-shaped design.
  • the common rigid support base and bearing arrangement for the rotor shaft are also useful for all other electric motors in order to reduce the axial force load on the structure of the electric motors.
  • the drive train means all components of a motor vehicle that generate power for driving the motor vehicle and transmit it to the road via the vehicle wheels.
  • Rotor position sensor a first rolling element track of the rolling bearing arrangementb second rolling element track of the rolling bearing arrangementc third rolling element track of the rolling element arrangementd fourth rolling element track of the rolling element bearing arrangementa first rolling element track of the additional rolling bearingb second rolling element track of the additional rolling bearing first rolling element second rolling element third rolling element

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1) für einen Kraftfahrzeugantrieb, mit einem Gehäuse (23), mit einem in dem Gehäuse (23) aufgenommenen Stator (4) und mit einem drehfest mit einer Verbindungswelle (7) verbundenen Rotor (8), wobei die Verbindungswelle (7) über eine zweireihige Wälzlageranordnung (9) zu einer ersten axialen Seite (20a) des Rotors (8) hin radial sowie axial abgestützt ist und über ein zumindest zur Übertragung von Axialkräften ausgebildetes Zusatzwälzlager (17) zu einer der ersten axialen Seite (20a) abgewandten zweiten axialen Seite (20b) des Rotors (8) gehäuseseitig abgestützt ist.

Description

Elektrische Maschine mit einer Lagerung einer mit einem Rotor verbundenen Verbindungswelle
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für einen Kraftfahrzeugantrieb, vorzugsweise eine elektrische Maschine, die einem Getriebe eines Kraftfahrzeugantriebsstranges vorgeschaltet ist. Das Kraftfahrzeug kann als ein rein elektrisch angetriebenes oder hybridisch angetriebenes Kraftfahrzeug realisiert sein.
Bei elektrischen Maschinen besteht im Einsatzbereich von Kraftfahrzeugantriebssträngen prinzipiell die Anforderung, eine Lage eines Rotors relativ zu einem Stator über den Betrieb hinweg möglichst konstant zu halten. Dies wird insbesondere durch die dynamischen Vorgänge im Kraftfahrzeugantrieb erschwert, die die axiale und radiale Lage des Rotors bzw. der mit dem Rotor weiter verbundenen Verbindungswelle direkt beeinflussen. Insbesondere bei hohen Belastungen des Kraftfahrzeugantriebs kann es dadurch zu einem axialen und/oder radialen Verschieben und/oder einem Verkippen des Rotors relativ zum Stator kommen. Die daraus resultierende Änderung der vorhandenen Luftspalte zwischen Rotor und Stator führt wiederum zu Einbußen des Wirkungsgrades der elektrischen Maschine.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, die auch bei hohen dynamischen Beanspruchungen des Kraftfahrzeugantriebs einen möglichst großen Wirkungsgrad aufweist.
Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Genauer gesagt ist de elektrische Maschine mit einem Gehäuse, mit einem in dem Gehäuse aufgenommenen Stator und mit einem drehfest mit einer Verbindungswelle verbundenen Rotor ausgestattet. Die Verbindungswelle ist ferner über eine zweireihige Wälzlageranordnung zu einer ersten axialen Seite des Rotors hin vorzugsweise gehäuseseitig oder abtriebsseitig radial sowie axial abgestützt und über ein zumindest zur Übertragung von Axialkräften ausgebildetes Zusatzwälzlager zu einer der ersten axialen Seite abgewandten zweiten axialen Seite des Rotors gehäuseseitig abgestützt.
Die Wälzlageranordnung kann direkt an dem Stator oder einem Statorgehäuse des Stators oder an einem Hauptgehäusekörper oder einem weiteren Gehäuse befestigt sein. Bevorzugt ist die Wälzlageranordnung an dem Stator befestigt.
Durch diese Lagerung der Verbindungswelle relativ zu dem Gehäuse, vorzugsweise einem gehäuseintegrierten Statorgehäuse, ist die Verbindungswelle mit dem Rotor gegen ein Verschieben sowie gegen ein Verkippen relativ zum Stator deutlich robuster abgestützt. Der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine wird dadurch deutlich erhöht.
Weitergehende vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
Demnach ist es auch von Vorteil, wenn die Wälzlageranordnung als ein zweireihiges Wälzlager, vorzugsweise als ein zweireihiges Wälzlager mit einem einteiligen (zwei axial benachbarte (erste und dritte) Wälzkörperlaufbahnen bildenden) Außen- oder Innenring gebildet ist. Dadurch ist die Wälzlageranordnung möglichst stabil umgesetzt.
Alternativ hierzu ist es auch von Vorteil, wenn die Wälzlageranordnung durch zwei unmittelbar axial nebeneinander angeordnete, sich vorzugsweise mit ihren Außenringen und Innenringen direkt axial berührende, einreihige Wälzlager gebildet ist. Dadurch wird der Herstellaufwand der Wälzlageranordnung deutlich reduziert.
Diesbezüglich hat es sich ferner als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Wälzlageranordnung als ein zweireihiges oder zwei einreihige Schrägkugellager oder ein zweireihiges oder zwei einreihige Kegelrollenlager oder eine Kombination aus einem Schrägkugellager und einem Kegelrollenlager ausgebildet ist. Sind mehrere Wälzkörperlaufbahnen der Wälzlageranordnung in einer O-Anordnung oder X-Anordnung zueinander ausgerichtet, ergibt sich eine besonders stabile Lagerung der Verbindungswelle.
Für eine noch robustere Lagerung der Verbindungswelle ist es ferner von Vorteil, wenn die Wälzlageranordnung zumindest einen sowohl radial als auch axial, vorzugsweise axial beidseitig, an dem Stator, zum Beispiel an einem den Stator aufnehmenden Statorgehäuse, fixierten Außenring aufweist und/oder zumindest einen sowohl radial als auch axial (vorzugsweise axial beidseitig) an der Verbindungswelle fixierten Innenring aufweist.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn das Zusatzwälzlager an seinem Außenring oder an seinem Innenring eine radiale Spielpassung seitens des Stators, vorzugsweise zu einem den Stator aufnehmenden Statorgehäuse, oder der Verbindungswelle eingeht. Dadurch ist das Zusatzwälzlager gezielt in radialer Richtung weich umgesetzt, um Verspannungen mit der Wälzlageranordnung zu vermeiden.
Diesbezüglich hat es sich ferner als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Zusatzwälzlager als ein Schrägkugellager oder ein Kegelrollenlager ausgebildet ist.
Von Vorteil ist es auch, wenn Wälzkörperlaufbahnen oder Kraftübertragungsrichtungen des Zusatzwälzlagers bezüglich Wälzkörperlaufbahnen oder Kraftübertragungsrichtungen der Wälzkörperanordnung entgegengerichtet sind. Dadurch ergibt sich in Gänze eine besonders stabile Lagerung der Verbindungswelle mit dem Rotor. Somit kann das Zusatzwälzlager einer der Wälzlagerlaufbahnen der Wälzlageranordnung entgegengestellt sein.
Die Wälzlageranordnung und das Zusatzwälzlager dienen weiter bevorzugt zur direkten Lagerung der Verbindungswelle an einem mit einem weiteren Hauptgehäusekörper des Gehäuses weiter verbundenen Statorgehäuse. Auch ist es von Vorteil, wenn ein direkter Anlagebereich / Kontaktbereich zwischen einer Stützwand des Statorgehäuses und dem Hauptgehäusekörper axial versetzt zu dem Stator angeordnet ist. Dadurch wird eine robuste Befestigung des Statorgehäuses an dem Hauptgehäusekörper zur Verfügung gestellt.
Ist die elektrische Maschine als Axialflussmaschine ausgebildet, wirkt sich die erfindungsgemäße robuste Abstützung zwischen Rotor und Stator besonders effektiv auf den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine aus.
Demnach ist es weiterhin von Vorteil, wenn der Stator zwei, jeweils mindestens einen Spulenkörper aufweisende, scheibenförmige Statorhälften aufweist, wobei jede Statorhälfte in dem Statorgehäuse aufgenommen ist und axial zwischen den Statorhälften der scheibenförmige Rotor angeordnet ist.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn eine Stützwand des Statorgehäuses mittels zumindest einem Befestigungselement an dem Hauptgehäusekörper befestigt ist. Das zumindest eine, vorzugsweise als Schraube ausgebildete Befestigungselement, ist weiter bevorzugt in seiner Längsrichtung bzw. mit seiner Längsachse parallel zu einer Drehachse des Rotors ausgerichtet ist. Alternativ hierzu ist es auch zweckmäßig, wenn das zumindest eine Befestigungselement in seiner Längsrichtung bzw. mit seiner Längsachse senkrecht zu einer Drehachse des Rotors ausgerichtet ist.
Mit anderen Worten ausgedrückt, ist somit eine stabile Rotorwellenlagerung für einen Elektromotor bzw. eine elektrische Maschine umgesetzt. Bei der elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Axialflussmaschine, ist die Rotorwelle (Verbindungswelle) auf einer Seite des Rotors durch ein zweireihiges Lager (Wälzlageranordnung; z.B. ein zweireihiges Schrägkugellager) oder zwei benachbarte Lager gelagert. Durch diese Lagerung werden radiale Bewegungen, axiale Bewegungen und unerwünschte Kippbewegungen der Rotorwelle verhindert oder auf ein sehr geringes Maß begrenzt. Auf der anderen Seite der Rotorwelle ist die Rotorwelle in einem weiteren Lager (Zusatzwälzlager) gelagert, das zumindest Axialkräfte überträgt (z. B. ein einreihiges Schrägkugellager, eventuell mit radialer Spielpassung am Innen- oder Außenring).
Wenn die Rotorwelle über Schrägkugellager, Kegelrollenlager oder andere Lager mit zur Drehachse der Lager schrägstehender Kraftübertragungsrichtung (beispielsweise hervorgerufen über den Berührungswinkel oder Druckwinkel der mit den Wälzkörperlaufbahnen im Wälzkontakt stehenden Wälzkörper) gelagert ist, so ist es sinnvoll, dass die Lagerstelle (Wälzlageranordnung) auf der einen Seite der Rotorwelle, die Radialbewegungen, Axialbewegungen und ungewollte Kippbewegungen der Rotorwelle verhindern kann, zwei in O-Anordnung zueinander ausgerichtete Wälzkörperlaufbahnen aufweist. Das andere Wälzlager (Zusatzwälzlager), auf der anderen Seite der Rotorwelle, sollte so angeordnet werden, dass seine Wälzkörperlaufbahn eine X-Anord- nung mit einer der anderen Wälzkörperlaufbahnen des auf der gegenüberliegenden Seite der Rotorwelle angeordneten Lagerstelle bildet. Vorteilhafterweise stützen die zwei Lagerstellen der Rotorwelle die Rotorwelle an einem Stator der elektrischen Axialflussmaschine ab. Vorteilhafterweise stützen die zwei Lagerstellen der Rotorwelle die Rotorwelle an je einer Statorhälfte der elektrischen Axialflussmaschine ab.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben sind.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung einer elektrischen Maschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei ein dargestelltes Befestigungselement zur Verbindung eines Statorgehäuses mit einem Hauptgehäusekörper axial ausgerichtet ist, Fig. 2 eine Längsschnittdarstellung einer elektrischen Maschine nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei das Befestigungselement radial ausgerichtet ist,
Fig. 3 einen vergrößerten Bereich einer Längsschnittdarstellung einer elektrischen Maschine nach einem dritten Ausführungsbeispiel, und
Fig. 4 einen vergrößerten Bereich einer Längsschnittdarstellung einer elektrischen Maschine nach einem vierten Ausführungsbeispiel.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Ferner können die unterschiedlichen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele frei miteinander kombiniert werden.
Der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 ist in Fig. 1 besonders gut zu erkennen. Die elektrische Maschine 1 ist in einem bevorzugten Einsatzbereich in einem hybridisch oder rein elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt.
Die elektrische Maschine 1 weist ein Gehäuse 23 auf, das im Betrieb bspw. mit einem Getriebegehäuse eines Getriebes des Kraftfahrzeugantriebs verbunden ist. Das Gehäuse 23 weist einen Hauptgehäusekörper 2 auf. Der Hauptgehäusekörper 2 weist sowohl eine radiale Außenwandung 24 als auch eine von dieser Außenwandung 24 aus radial nach innen abstehende axiale Zwischenwandung 25 auf.
An der Zwischenwandung 25 ist, wie nachfolgend näher erläutert, ein Statorgehäuse 3 befestigt. Das Statorgehäuse 3 nimmt wiederum einen Stator 4, hier aufweisend zwei Spulenkörper 18 auf. Ein Rotor 8 ist relativ zu dem Stator 4, wie nachfolgend näher erläutert, verdrehbar gelagert. Der Rotor 8 ist an einer radialen Außenseite einer Verbindungswelle 7 befestigt. Die somit auch als Rotorwelle bezeichnete Verbindungswelle 7 und der Rotor 8 sind gemeinsam koaxial zu einer zentralen Drehachse 14 angeordnet. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass die gegenständlich verwendeten Richtungsangaben axial / axiale Richtung, radial / radiale Richtung und Umfangsrichtung auf diese zentrale Drehachse 14 bezogen sind. Folglich ist unter axial eine Richtung entlang der Drehachse 14, unter radial eine Richtung senkrecht zu der Drehachse 14 und unter Umfangsrichtung eine Richtung entlang einer konzentrisch zu der Drehachse 14 umlaufenden Kreislinie zu verstehen.
Bezüglich der Verbindungswelle 7 ist in Fig. 1 weiter zu erkennen, dass diese durch eine zentrale Öffnung der Zwischenwandung 25 hindurchragt und außerhalb des Gehäuses 23 mit weiteren Bestandteilen des Antriebsstranges, vorzugsweise über eine Zahnradverbindung 26, verbunden ist. Jene Bestandteile können Eingangswellen eines Schaltgetriebes oder eines Differentialgetriebes sein.
Hinsichtlich der elektrischen Maschine 1 ist ferner zu erkennen, dass diese in Fig. 1 als eine Axialflussmaschine ausgebildet ist. Der Stator 4 und der Rotor 8 sind somit jeweils im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet und in axialer Richtung nebeneinander angeordnet. Der Stator 4 weist zwei scheibenförmige Statorhälften 19a, 19b auf, die jeweils einen Spulenkörper 18 bilden. Die beiden Statorhälften 19a, 19b sind in ihrer Breite im Wesentlichen gleich ausgebildet. Axial zwischen den beiden Spulenkörpern 18 ist der scheibenförmige Rotor 8 angeordnet und befindet sich auf übliche Weise mit den Statorhälften 19a, 19b im Betrieb in Wechselwirkung, zum Antrieb des Rotors 8. Eine erste Statorhälfte 19a ist zu einer ersten axialen Seite 20a des Rotors 8 angeordnet und eine zweite Statorhälfte 19b ist zu einer, der ersten axialen Seite 20a abgewandten, zweiten axialen Seite 20b des Rotors 8 angeordnet. Der Stator 4, sprich die Statorhälften 19a, 19b, sind in einem Statorgehäuse 3 fest aufgenommen. Das Statorgehäuse 3 umgreift die jeweilige Statorhälfte 19a, 19b sowohl radial von außen als auch radial von innen sowie in axialer Richtung von einer dem Rotor 8 abgewandten Seite. Zudem ist das Statorgehäuse 3 zu einer radialen Außenseite der Statorhälften 19a, 19b / des Stators 4 hin geschlossen.
Jener Bestandteil des Statorgehäuses 3, der der Zwischenwandung 25 des Hauptgehäusekörpers 2 axial zugewandt ist, bildet eine Stützwand 5 aus. Diese Stützwand 5 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu der Zwischenwandung 25 und somit in radialer Richtung von einem Außendurchmesser des Stators 4 hin zu einem Innendurchmesser. Die Stützwand 5 bildet unmittelbar jenen Abschnitt des Statorgehäuses 3, der eine erste Statorhälfte 19a radial von außen, radial von innen sowie zu einer dem Rotor 8 abgewandten axialen Seite umgreift.
Die Stützwand 5 ist des Weiteren an dem Hauptgehäusekörper 2 an einer zentralen Abstützbasis 22 befestigt. Die Stützwand 5 und die Zwischenwandung 25 liegen sowohl in axialer Richtung mit ihren Stirnseiten, als auch über einen Zentrierfortsatz 27 in radialer Richtung aneinander an. Der axial vorstehende Zentrierfortsatz 27 ist in dieser Ausführung an der Stützwand 5 ausgeformt und ist in einer Aufnahme 28 / Aufnahmeschulter des Hauptgehäusekörpers 2 eingeschoben. Mit anderen Worten ausgedrückt ist somit ein direkter Anlagebereich 11 zwischen der Stützwand 5 und dem Hauptgehäusekörper 2 axial versetzt zu dem Stator 4 angeordnet.
Zum Fixieren der Stützwand 5 an dem Hauptgehäusekörper 2 sind mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Befestigungselemente 6 vorhanden, wovon in Fig.
1 ein Befestigungselement 6 veranschaulicht ist. Die Befestigungselemente 6 sind als Schrauben ausgeführt. Das jeweilige Befestigungselement 6 durchragt ein Durchgangsloch 31 des Hauptgehäusekörpers 2. Jedes Befestigungselement 6 weist zudem einen Gewindebereich 29 auf, der in eine Innengewindebohrung 30 der Stützwand 5 eingeschraubt ist. Mit einem Kopf 40 ist das Befestigungselement 6 an dem Hauptgehäusekörper 2 abgestützt. Radial innerhalb der Befestigungselemente 6 bildet die Stützwand 5 zudem einen Lagerzapfen 32 aus. Der Lagerzapfen 32 ragt in axialer Richtung radial von innen in den Stator 4, nämlich die erste Statorhälfte 19a, hinein. An dem Lagerzapfen 32 ist radial von innen eine Wälzlageranordnung 9 zur radialen und axialen Abstützung der Verbindungswelle 7 und somit des Rotors 8 angeordnet.
Jene erfindungsgemäß angeordnete Wälzlageranordnung 9 dient folglich zur axialen und radialen Lagerung der Verbindungswelle 7 an einer radialen Innenseite 10 der Stützwand 5. Die Wälzlageranordnung 9 ist zu der ersten axialen Seite 20a des Rotors 8 angeordnet und befindet sich radial innerhalb sowie axial auf Höhe der ersten Statorhälfte 19a.
Hinsichtlich der Wälzlageranordnung 9 ist zu erkennen, dass deren (radialer) Außenring 15 an dem Lagerzapfen 32 / der Stützwand 5 / dem Statorgehäuse 3 sowohl in radialer Richtung als auch axial beidseitig fixiert ist. In einer ersten axialen Richtung / zu einer ersten axialen Seite des Außenrings 15 liegt dieser an einer radialen Schulter 33 des Lagerzapfens 32 an, zu einer zweiten axialen Richtung / zweiten axialen Seite des Außenrings 15 liegt dieser an einem Sicherungsring 34, der in dem Lagerzapfen 32 eingeschnappt ist, an.
Ein (radialer) Innenring 16 der Wälzlageranordnung 9 ist sowohl in radialer Richtung als auch axial beidseitig an der Verbindungswelle 7 fixiert. Der Innenring 16 ist in einer ersten axialen Richtung / zu seiner ersten axialen Seite, unter Zwischenlage eines (ersten) Anlageelementes 35a (hier eine Anlagescheibe), an einer radialen Schulter 41 der Verbindungswelle 7 abgestützt und in einer zweiten axialen Richtung / zu seiner zweiten axialen Seite über ein Sicherungselement 36 in Form einer Wellenmutter fixiert. Die Wälzlageranordnung 9 ist weiterhin als ein zweireihiges Wälzlager umgesetzt. Die Wälzlageranordnung 9 ist insbesondere als ein zweireihiges Schrägkugellager ausgebildet. Der Außenring 15 bildet zudem zwei (eine erste und eine dritte) Wälzkörperlaufbahnen 46a, 46c aus und ist stoffeinteilig umgesetzt. Ferner ist zu erkennen, dass der Innenring 16 zweigeteilt ist, wobei je ein Teil des Innenrings 16 eine der beiden (zweiten und vierten) Wälzkörperlaufbahnen 46b, 46d des Innenrings 16 bildet. Eine Gruppe an, in einer Axialebene in Umfangsrichtung verteilten ersten Wälzkörpern 48 der Wälzlageranordnung 9 befindet sich mit der ersten Wälzkörperlaufbahn 46a und der zweiten Wälzkörperlaufbahn 46b in Kontakt. Eine Gruppe an, in einer anderen Axialebene in Umfangsrichtung verteilten zweiten Wälzkörpern 49 der Wälzlageranordnung 9 befindet sich mit der dritten Wälzkörperlaufbahn 46c und der vierten Wälzkörperlaufbahn 46d in Kontakt. Die Wälzlageranordnung 9 ist derart (als zweireihiges Schrägkugellager) umgesetzt, dass deren Wälzkörperlaufbahnen 46a, 46b, 46c, 46d in O-Anordnung (Verbindungslinie zwischen Kontaktpunkten der ersten Wälzkörper 48 mit der ersten und zweiten Wälzkörperlaufbahn 46a, 46b bildet mit der Verbindungslinie zwischen Kontaktpunkten der zweiten Wälzkörper 49 mit der dritten und vierten Wälzkörperlaufbahn 46c, 46d ein radial nach innen geöffnetes V) zueinander positioniert sind. In weiteren Ausführungen ist die Wälzlageranordnung 9 jedoch auf andere Weise realisierbar, beispielsweise als ein doppelreihiges Schrägrollenlager, vorzugsweise als ein Kegelrollenlager in O-Anordnung.
Mit anderen Worten ausgedrückt befindet sich die Wälzlageranordnung 9 radial innerhalb der Befestigungselemente 6 sowie axial zumindest teilweise auf gleicher Höhe mit den Befestigungselementen 6. Zugleich ist die Wälzlageranordnung 9 radial innerhalb des Stators 4 sowie in axialer Richtung auf gleicher Höhe mit dem Stator, insbesondere der ersten Statorhälfte 19a, angeordnet.
Zur weiteren Abstützung der Verbindungswelle 7 / des Rotors 8 relativ zu dem Stator 4 ist ein Zusatzwälzlager 17 vorgesehen. Das Zusatzwälzlager 17 ist in dieser Ausführung als ein (einreihiges) Kugellager, nämlich als ein Schrägkugellager realisiert, kann in weiteren Ausführungen jedoch wiederum auch auf andere Weise ausgeführt sein. Während die Wälzlageranordnung 9 zu der ersten axialen Seite 20a des Rotors 8 angeordnet ist, ist das Zusatzwälzlager 17 zu der der ersten axialen Seite 20a abgewandten zweiten axialen Seite 20b des Rotors 8 angeordnet. Das Zusatzwälzlager 17 ist zum einen unmittelbar auf der Verbindungswelle 7 aufgesetzt und zum anderen an dem Statorgehäuse 3 (radial innerhalb sowie auf axialer Höhe mit der zweiten Statorhälfte 19b) abgestützt.
In dieser Ausführung ist das Zusatzwälzlager 17 derart mit dem Statorgehäuse 3 gekoppelt, dass das Statorgehäuse 3 eine radiale Relativbewegung zu einem Außenring 42 des Zusatzwälzlagers 17 vollziehen kann. Eine zusätzlich zwischen dem Außenring 42 und dem Statorgehäuse 3 eingelegte Hülse 44 ist derart ausgebildet, dass der Außenring 42 / das Zusatzwälzlager 17 über eine Spielpassung gehäuseseitig / in dem Statorgehäuse 3 aufgenommen ist und somit radial um ein gewisses Maß verschiebbar ist. Zugleich ist das Zusatzwälzlager 17 jedoch axialfest / zur Weiterleitung von Axialkräften zumindest einseitig zwischen der Verbindungswelle 7 und dem Statorgehäuse 3 angebracht. Ein Innenring 43 des Zusatzwälzlagers 17 ist wiederum radialfest an der Verbindungswelle 7 angebracht.
Das Zusatzwälzlager 17 ist mit seinem Innenring 43 axial einseitig, unter Zwischenlage eines (zweiten) Anlageelementes 35b, hier einer Anlagescheibe, an der Verbindungswelle 7 abgestützt. Der Außenring 42 des Zusatzwälzlagers 17 ist axial entgegengesetzt zu der Abstützung des Innenrings 43 an dem Statorgehäuse 3 (über Radialbund der Hülse 44) abgestützt.
Das an der der gemeinsamen steifen Abstützbasis 22 abgewandten zweiten Statorhälfte 19b / Statorgehäuse 3 angeordnete Zusatzwälzlager 17 ist somit als einreihiges Schrägkugellager ausgeführt und weist zwischen Außenring 42 und Lagersitz der zweiten Statorhälfte 19b eine Spielpassung aufweist. Durch die radiale Luft der Spielpassung zwischen Zusatzwälzlager 17 und zweiter Statorhälfte 19b ist sichergestellt, dass das Zusatzwälzlager 17 eine ausreichend große radiale Verlagerung vollziehen kann, um sich auf die vom zweireihigen Schrägkugellager (Wälzlageranordnung 9) festgelegte Drehachse 14 ausrichten zu können. Axial liegt das Zusatzwälzlager 17 am Lagersitz der zweiten Statorhälfte 19b an, der bei diesem Ausführungsbeispiel als separate Hülse 44 ausgeführt ist. Durch die Wahl des Werkstoffes oder der Oberflächenbeschichtung der Hülse 44 lässt sich das Zusatzwälzlager 17 elektrisch vom restlichen Stator 4 isolieren und/oder es lässt sich der Reibwert, der sich an der Kontaktstelle zwischen dem Außenring 42 und der den Lagersitz bildenden Hülse 44 ergibt, in gewünschter Weise beeinflussen. Das einreihige Schrägkugellager liegt axial sowohl am Lagersitz der zweiten Statorhälfte 19b als auch am Lagersitz der Rotorwelle (Verbindungswelle 7) an und kann somit Axialkräfte übertragen. Das zweireihige Schrägkugellager ist sowieso sowohl am Außenring 15 als auch am Innenring 16 axial fixiert mit der ersten Statorhälfte 19a / dem Statorgehäuse 3 und der Rotorwelle verbunden und kann dadurch Axialkräfte sogar in beide Richtungen übertragen. Somit ist es möglich, dass Axialkräfte von der einen auf die andere Statorhälfte 19a, 19b über die Rotorwelle übertragen werden können. Dadurch können die Lager und die Rotorwelle dazu beitragen die beiden Statorhälften radial innen relativ zueinander axial exakt be- abstandet auszurichten und damit die beiden Luftspalte zwischen dem Rotor und dem Stator exakt einzustellen und konstant zu halten.
Das Zusatzwälzlager 17 weist aufgrund seiner Ausbildung als einreihiges Schrägkugellager ebenfalls eine schräg (d.h. in einem Winkel kleiner 90° und größer 0° zu der Drehachse 14) gestellte Verbindungslinie zwischen Kontaktpunkten dessen (dritter) Wälzkörper 50 mit einer ersten Wälzkörperlaufbahn 47a des Außenrings 42 und einer zweiten Wälzkörperlaufbahn 47b des Innenrings 43 auf. Diese Verbindungslinie des Zusatzwälzlagers bildet vorzugsweise mit der durch die erste Wälzkörper 48 verlaufenden Verbindungslinie der Wälzlageranordnung 9 ein radial nach außen geöffnetes V aus, was einer X-Anordnung entspricht. Diese Lageranordnung verhindert somit, dass sich alle magnetischen Kräfte, die die Statorhälften 19a, 19b aufeinander zu bewegen wollen, über die mechanische Struktur des Stators 4 radial außen um den Rotor 8 herum abgestützt werden müssen. Die beiden Statorhälften 19a, 19b können so- mit Axialkräfte in jeweils entgegengesetzter Richtung über die in X-Anordnung stehenden Wälzkörper 48, 50 auf die Verbindungswelle 7 (Rotorwelle) übertragen und sich somit über die Verbindungswelle 7 radial innen gegenseitig abstützen. Von den magnetischen Kräften, die axial auf die Statorhälften 19a, 19b einwirken und die Statorhälften 19a, 19b aufeinander zu bewegen wollen, wird dann ein Teil über die mechanische Struktur des Stators 4 radial außen um den Rotor 8 herum und der andere Teil über die Verbindungswelle 7 abgestützt. Die X-Anordnung beidseits des Rotors 8 und die Rotorwelle reduziert somit die mechanische Belastung der Statorstruktur und ermöglicht somit einen kleineren, leichteren und kostengünstigeren Motoraufbau.
Ferner ist zu erkennen, dass das Statorgehäuse 3 außerhalb der gemeinsamen zentralen Abstützbasis 22 axial und radial beabstandet zu dem Hauptgehäusekörper 2 sowie dem gesamten Gehäuse 23 angeordnet ist. Es sind lediglich einzelne Verbindungsstrukturen 12, 13 in Form von fluidischen Verbindungsstrukturen 12 und elektrischen Verbindungsstrukturen 13 vorhanden, die indirekt Statorgehäuse 3 und Gehäuse 23 miteinander koppeln.
In dem ersten Ausführungsbeispiel sind zwei fluidische Verbindungsstrukturen 12 und eine elektrische Verbindungsstruktur 13 vorhanden. Die fluidischen Verbindungsstrukturen 12, 13 dienen primär zum Einbringen und Abführen von Flüssigkeiten, insbesondere Kühlflüssigkeiten; die elektrischen Verbindungsstrukturen 13 dienen primär zum Übertragen elektrischer Leistung. Die Verbindungsstrukturen 12, 13 sind notwendigerweise zum einen an dem Hauptgehäusekörper 2 angebracht und zum anderen an dem Statorgehäuse 3 / dem Stator 4 angebracht.
Die Verbindungsstrukturen 12, 13 sind gezielt weicher als die Abstützbasis 22 ausgebildet. Zu diesem Zwecke ist die elektrische Verbindungsstruktur 13 in dieser Ausführung als ein gekrümmt verlegtes Kabel ausgebildet, was in weiteren Ausführungen jedoch auch auf andere Weise umgesetzt sein kann. Die beiden fluidischen Verbin- dungsstrukturen 12 sind beispielhaft als gewellte Rohre ausgebildet. Somit sind sowohl die fluidischen Verbindungsstrukturen 12 als auch die elektrische Verbindungsstrukturen 13 in axialer Richtung und radialer Richtung federnd sowie biegbar.
In Verbindung mit Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 veranschaulicht, das im grundlegenden Aufbau dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Der Kürze wegen werden daher nachfolgend lediglich die Unterschiede zwischen diesen beiden Ausführungsbeispielen beschrieben.
Es ist in Fig. 2 zu erkennen, dass das Befestigungselement 6 nicht parallel, sondern senkrecht zu der zentralen Drehachse 14 ausgerichtet ist. Das Befestigungselement 6 ist über einen axialen Spalt zwischen der Stützwand 5 und der Zwischenwand ung 25 radial außerhalb der Abstützbasis 22 radial von außen zugänglich. Zu diesem Zwecke ist auch je Befestigungselement 6 eine Durchgangsöffnung 21 in der radialen Außenwandung 24 des Hauptgehäusekörpers 2 eingebracht, wobei die Durchgangsöffnung 21 in Flucht zu dem Befestigungselement 6 vorgesehen ist. Nach der Montage wird die Durchgangsöffnung 21 mit einem Deckel 37 verschlossen.
Durch die radiale Ausrichtung der Befestigungselemente 6 ist auch die Zwischenwandung 25 seitens der Abstützbasis 22 angepasst. Die Zwischenwandung 25 weist einen axialen Vorsprung 38 auf, der von dem Befestigungselement 6 radial durchdrungen ist. Jener Vorsprung 38 liegt radial von außen auf dem Zentrierfortsatz der Stützwand 5 auf.
Zudem ist selbsterklärend das Befestigungselement 6 mit seinem Gewindebereich 29 in eine radial verlaufende Innengewindebohrung 30 des Zentrierfortsatzes 27 verschraubt. Es ist zu erkennen, dass die Innengewindebohrung 30 (zumindest abschnittsweise) axial auf Höhe mit der Wälzlageranordnung 9 angeordnet ist. Dadurch befindet sich das Befestigungselement 6 wiederum ebenfalls in axialer Richtung auf gleicher Höhe mit der Wälzlageranordnung 9. Des Weiteren ist zu erkennen, dass die Verbindungswelle 7 in dem zweiten Ausführungsbeispiel nicht mehr unmittelbar aus dem Gehäuse 23 hinausragt, sondern einen Wellenabschnitt bildet, der radial innerhalb der Wälzlageranordnung 9 (über eine Kerbverzahnung) mit einer weiteren Ausgangswelle 39 verbunden ist, wobei diese Ausgangswelle 39 dann aus dem Gehäuse 23 hinausragt.
Fig 3 zeigt einen vergrößerten Bereich einer Längsschnittdarstellung einer elektrischen Maschine nach einem dritten Ausführungsbeispiel.
Genauer gesagt zeigt Fig. 3 einen vergrößerten Bereich, der die Wälzlageranordnung 9 von Fig. 1 in einer anderen Ausgestaltung als in Fig. 1 zeigt.
Ausgenommen dieser anderen Ausgestaltung der Wälzlageranordnung 9 ist das dritte Ausführungsbeispiel identisch zu dem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel, so dass die zuvor bezüglich des ersten Ausführungsbeispiels gemachten Erläuterungen ebenso für das dritte Ausführungsbeispiel gelten.
Ebenso kann die andere Ausgestaltung der Wälzkörperanordnung 9 an dem in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel angewendet werden, so dass die zuvor bezüglich des zweiten Ausführungsbeispiels gemachten Erläuterungen ebenso für das dritte Ausführungsbeispiel gelten.
Wenn die Verbindungswelle 7 so starr mit einem anderen drehbar gelagerten Bauteil (beispielsweise Ausgangswelle 39 oder einer Getriebeeingangswelle) verbunden ist, dass die Wälzlageranordnung 9 nicht allein die Rotationsachse des Rotors 8 stabilisieren muss, können die Wälzkörperlaufbahnen 46a, 46b, 46c, 46d der Wälzkörperanordnung 9 so angeordnet sein, dass die beiden Wälzkörper 48, 49 der Wälzkörperanordnung 9 in X-Anordnung positioniert sind. Da die X-Anordnung die Welle weniger stark stabilisiert, reduziert die X-Anordnung die Gefahr, dass eine Konzentrizitätsab- weichung zwischen der Wälzlageranordnung 9 und der Lagerung des mit der die Verbindungswelle 7 starr verbundenen Bauteils zu einer ungewollten Verspannung der Lager führt und so die Lagerlebensdauer herabsetzt.
Bei einer Wälzlageranordnung 9 in X-Anordnung ist die Wälzlageranordnung 9 weiterhin als ein zweireihiges Wälzlager oder als zwei nebeneinander angeordnete einreihige Wälzlager umgesetzt. Die Wälzlageranordnung 9 ist insbesondere als ein zweireihiges Schrägkugellager ausgebildet. Der Außenring 15 bildet dann, genauso wie zuvor für das zweireihige Schrägkugellager in O-Anordnung in Fig. 1 oder Fig. 2 beschrieben, zwei Wälzkörperlaufbahnen 46a, 46c aus und der Innenring 16 bildet ebenfalls zwei Wälzkörperlaufbahnen 46b, 46d aus. Die Anordnung dieser Wälzkörperlaufbahnen 46a, 46b, 46c, 46d unterscheidet sich von der der O-Anordnung. Wenn man gedanklich von links nach rechts in Fig. 3 axial durch die zweireihige Wälzlageranordnung 9 in X-Anordnung durchgeht, so kommt zuerst eine Wälzkörperlaufbahn 46a an dem Außenring 15 axial vor und radial außerhalb der ersten auf dem Umfang verteilten Wälzkörper 48. Auf der anderen Seite dieser ersten Wälzkörper 48 kommt dann eine Wälzkörperlaufbahn 46b an dem Innenring axial hinter und radial innerhalb der ersten Wälzkörper 48. Wenn man dann von links nach rechts in Fig. 3 gedanklich weiter axial in derselben Richtung durch die zweireihige Wälzlageranordnung 9 in X-An- ordnung durchgeht, so kommt axial vor und radial innerhalb der zweiten auf dem Umfang verteilten Wälzkörper 49 eine Wälzlagerlaufbahn 46d an dem Innenring. Auf der anderen Seite der zweiten Wälzkörper 49 kommt dann eine Wälzkörperlaufbahn 46c an dem Außenring axial hinter und radial außerhalb der zweiten Wälzkörper 49.
Die Wälzlageranordnung 9 in X-Anordnung ist derart (als zweireihiges Schrägkugellager) umgesetzt, dass deren Wälzkörperlaufbahnen 46a, 46b, 46c, 46d in X-Anordnung, d.h. eine Verbindungslinie zwischen Kontaktpunkten der ersten Wälzkörper 48 mit der Wälzkörperlaufbahn 46a an dem Außenring 15 und der Wälzkörperlaufbahn 46b an dem Innenring 16 bildet mit einer Verbindungslinie zwischen Kontaktpunkten der zweiten Wälzkörper 49 mit der Wälzkörperlaufbahn 46d an dem Innenring 16 und der Wälzkörperlaufbahn 46c an dem Außenring 15 ein radial nach außen geöffnetes V, zueinander positioniert sind. Bei der Wälzlageranordnung 9 können der Innenring 15 und/oder der Außenring 16 mehrteilig ausgeführt sein. Bei der Wälzlageranordnung 9 in X-Anordnung kann insbesondere der Außenring 15 zweiteilig ausgeführt sein, so dass der Außenring 15 aus zwei Ringen ausgebildet ist, von denen jeder eine Wälzlagerlaufbahn ausbildet.
Die zuvor beschriebene Möglichkeit, dass sich die beiden Statorhälften über das Zusatzwälzlager 17, die Verbindungswelle 7 (Rotorwelle) und die Wälzlageranordnung 9 radial innen gegenseitig in axialer Richtung aufeinander abstützen und so besser die auf sie einwirkenden Magnetkräfte ertragen können, besteht auch wenn die Wälzlageranordnung 9 in X-Anordnung ausgeführt ist.
Das Zusatzwälzlager 17, siehe Fig. 1 und Fig. 2, weist aufgrund seiner Ausbildung als einreihiges Schrägkugellager eine schräg, d.h. in einem Winkel kleiner 90° und größer 0° zu der Drehachse 14, gestellte Verbindungslinie zwischen Kontaktpunkten von dessen (dritten) Wälzkörpern 50 mit einer ersten Wälzkörperlaufbahn 47a des Außenrings 42 und einer zweiten Wälzkörperlaufbahn 47b des Innenrings 43 auf. Diese Verbindungslinie des Zusatzwälzlagers 17 bildet, wenn die Wälzlageranordnung 9, wie in Fig. 3 gezeigt, in X-Anordnung ausgeführt ist mit der durch die zweiten Wälzkörper 49 verlaufenden Verbindungslinie der Wälzlageranordnung 9 ein radial nach außen geöffnetes V aus, was auch einer X-Anordnung entspricht. Diese Lageranordnung aus dem Zusatzlager 17 und der Wälzlageranordnung 9 in X-Anordnung kann dadurch genauso wie die zuvor beschriebene Lageranordnung aus dem Zusatzlager 17 und der Wälzlageranordnung 9 in O-Anordnung verhindern, dass sich alle magnetischen Kräfte, die die Statorhälften 19a, 19b aufeinander zu bewegen wollen, über die mechanische Struktur des Stators 4 radial außen um den Rotor 8 herum abstützen müssen. Die beiden Statorhälften 19a, 19b können somit Axialkräfte in jeweils entgegengesetzter Richtung über die in X-Anordnung stehenden Wälzkörper 49, 50 auf die Verbindungswelle 7 (Rotorwelle) übertragen und sich somit über die Verbindungswelle radial innen gegenseitig abstützen. Von den magnetischen Kräften, die axial auf die Statorhälften 19a, 19b einwirken und die Statorhälften 19a, 19b aufeinander zu bewegen wollen, wird dann ein Teil über die mechanische Struktur des Stators 4 radial außen um den Rotor 8 herum und der andere Teil über die Verbindungswelle 7 abgestützt. Die X-Anordnung beidseits des Rotors 8 und die Verbindungswelle (Rotorwelle) 7 reduzieren somit die mechanische Belastung der (radial äußeren) Statorstruktur und ermöglichen somit einen kleineren, leichteren und kostengünstigeren Motoraufbau.
Fig 4 zeigt einen vergrößerten Bereich einer Längsschnittdarstellung einer elektrischen Maschine nach einem vierten Ausführungsbeispiel.
Genauer gesagt zeigt Fig. 4 einen vergrößerten Bereich, der das Zusatzwälzlager 17 von Fig. 1 in einer anderen Ausgestaltung als in Fig. 1 zeigt.
Ausgenommen dieser anderen Ausgestaltung des Zusatzwälzlagers 17 ist das vierte Ausführungsbeispiel identisch zu dem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel, so dass die zuvor bezüglich des ersten Ausführungsbeispiels gemachten Erläuterungen ebenso für das vierte Ausführungsbeispiel gelten.
Ebenso kann die andere Ausgestaltung des Zusatzwälzlagers 17 an dem in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel und dem in Fig. 3 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel angewendet werden, so dass die zuvor bezüglich des zweiten Ausführungsbeispiels und des dritten Ausführungsbeispiels gemachten Erläuterungen ebenso für das vierte Ausführungsbeispiel gelten.
Bei dieser Variante des Zusatzwälzlagers 17, bei der der Außenring 44 mit der Verbindungswelle 7 (Rotorwelle) verbunden ist und der Innenring 43 mit dem Stator 4 verbunden ist, besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass sich die beiden Statorhälften über das Zusatzwälzlager 17, die Verbindungswelle 7 (Rotorwelle) und die Wälzlageranordnung 9 radial innen gegenseitig in axialer Richtung aufeinander abstützen und so besser die auf sie einwirkenden Magnetkräfte ertragen können. Das Zusatzwälzlager 17 ist insbesondere als ein einreihiges Schrägkugellager ausgebildet. Damit sich die mit dem Innenring 43 des Zusatzwälzlagers 17 in einem mindestens axialkraftübertragungsfähigen Kontakt stehende Statorhälfte auf der Verbindungswelle 7 (Rotorwelle) abstützen kann, weist der Innenring 43 eine Wälzlagerlaufbahn 47b auf, die sich in Kraftrichtung (Kraftübertragung von der Statorhälfte auf die Welle) gesehen vor und radial innerhalb der Wälzkörper 50 des Zusatzwälzlagers 17 befindet. Der Außenring 44 ist mit der Verbindungswelle 7 (Rotorwelle) verbunden und weist ebenfalls in Kraftrichtung gesehen eine Wälzlagerlaufbahn 47a axial hinter und radial außerhalb der Wälzkörper 50 des Zusatzwälzlagers 17 auf. Die Verbindungslinie zwischen den Kontaktpunkten der Wälzkörper 50 des Zusatzlagers 17 mit der Wälzkörperlaufbahn 47a an dem Außenring 44 und der Wälzkörperlaufbahn 47b an dem Innenring 43 ist bei dieser Ausführungsvariante andersherum orientiert wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen. Dadie Zuordnung des Innen- und des Außenrings 43, 44 zu dem Stator (Statorhälfte) und dem Rotor (Verbindungswelle 7) vertauscht ist, muss man auch die Ausrichtung der Wälzlagerlaufbahnen 47a, 47b vertauscht sein, wodurch sich die Ausrichtung der Verbindungslinie zwischen den Kontaktpunkten der Wälzkörper 50 mit der Wälzkörperlaufbahn 47a an dem Außenring 44 und der Wälzkörperlaufbahn 47b an dem Innenring 43 ändert, um die axiale Kraftübertragungsrichtung zwischen der Statorhälfte und der Zusatzwelle unverändert beibehalten zu können. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel bildet das Zusatzwälzlager 17 somit eine O-Anordnung mit einem der beiden Wälzkörper (48 oder 49) der Wälzlageranordnung 9. (Die Verbindungslinie zwischen den Kontaktpunkten der Wälzkörper 50 der Zusatzwälzlagers 17 mit der Wälzkörperlaufbahn 47a an dem Außenring 44 und der Wälzkörperlaufbahn 47b an dem Lagerinnenring 43 bildet mit der Verbindungslinie zwischen den Kontaktpunkten von den Wälzkörpern 48 oder 49 der Wälzlageranordnung 9 mit deren Wälzkörperlaufbahnen 46b, 46d an dem Innenring 16 und deren Wälzkörperlaufbahnen 46, 46c an dem Außenring 15 ein radial nach innen geöffnetes V). Über diese in O-Anordnung orientierten Wälzkörper 48, 49, 50 auf beiden Seiten des Rotors ist eine axiale Kraftübertragung zwischen den beiden Statorhälften über das Zusatzwälzlager 17, die Verbindungswelle 7 (Rotorwelle) und die Wälzlageranordnung 9 möglich. Die beiden Statorhälften können sich dadurch radial innen im Motor gegenseitig in axialer Richtung aufeinander abstützen und so besser die auf sie einwirkenden Magnetkräfte ertragen. Auch bei dieser Variante können der Innenring 43 und der Außenring 44 des Zusatzwälzlagers 17 jeweils axial und radial fest mit ihren Nachbarbauteilen verbunden sein oder nur axial fest und radial verlagerbar mit ihren Nachbarbauteilen verbunden sein. Bei dieser Variante ist es insbesondere möglich, dass der Außenring 44 radial und axial fest mit der Verbindungswelle 7 verbunden ist und der Innenring 43 axial fest (so dass mindestens in eine Axialrichtung Kräfte übertragen werden können) mit dem Stator (Statorhälfte) verbunden ist und der Innenring 43 radial Relativbewegungen zu dem Stator ausführen kann.
Mit anderen Worten zu den vorhergehenden Ausführungen ausgedrückt, besteht die Notwendigkeit, die Struktur eines Elektromotors besonders steif zu gestalten, steht in der praktischen Ausgestaltung von Elektromotoren für Kraftfahrzeuge häufig im Widerspruch zu den im Fahrzeugbau immer bestehenden Anforderungen nach kompakter Bauweise, geringem Gewicht, hoher Leistungsdichte und geringen Kosten.
Statt alle tragenden Komponenten besonders steif, robust und groß auszuführen, ist es meist sinnvoller an geeigneten Stellen durch Zusatzmaßnahmen oder zusätzliche Bauteile dafür zu sorgen, dass die Belastung für die benachbarten Teile reduziert wird. Diese Beschreibung stellt daher ein Anordnungs- und Befestigungsprinzip für einen Elektromotor vor, bei dem von außen auf den Elektromotor einwirkende Kräfte und Verschiebungen immer zu gleichgroßen und gleichgerichteten Verlagerungen des Stators und des Rotors führen. Dadurch bleibt die Lage des Rotors relativ zum Stator auch dann gleich, wenn der Elektromotor insgesamt verlagert wird. Ermöglicht wird dies durch eine gemeinsame steife Abstützbasis an der der Stator, der Rotor und das mit dem Rotor verbundenen Abtriebselement abgestützt bzw. gelagert sind. Stator und Rotor sind dabei nur mit der gemeinsamen Abstützbasis steif verbunden oder sind mit der gemeinsamen Abstützbasis und ebenfalls mit der Abstützbasis steif verbunden Elementen verbunden. Indem der Stator und der Rotor nicht steif mit Umgebungsbauteilen verbunden sind, die andere Verlagerungen oder Verformungen erfahren, als die gemeinsame steife Abstützbasis, wirken auf den Stator und den Rotor auch keine äußeren Zwangskräfte oder Zwangsverformungen, die die Struktur des Stators oder Rotors unzulässig stark verformen können und so beispielsweise zu einer unzulässig großen Veränderung des Luftspaltes führen würde.
Damit durch die gemeinsame Abstützbasis die Lagerung des Rotors relativ zum Stator verbessert wird, darf die gemeinsame Abstützbasis keine relevanten Verformungen zwischen ihrer Verbindungstelle für den Rotor und ihrer Verbindungstelle für den Stator zulassen. Damit die gemeinsame Abstützbasis auch ohne extremen Materialeisatz, der für den Fahrzeugbau zu teuer und zu schwer wird, ausreichend steif ist, ist es sinnvoll, die Befestigungsstellen, die die gemeinsame Abstützbasis für die an ihr befestigten Bauteile oder Baugruppen bereitstellt, möglichst nah zusammen anzuordnen. Für Elektromotoren, insbesondere für Axialflussmotoren, ist es daher sinnvoll, die gemeinsame steife Abstützbasis seitlich neben (/ axial neben) und/oder radial unter den Aktivteilen des Motors auf möglichst kleinem Durchmesser um ein Bauteil herum anzuordnen, das den Rotor mit dem vom Motor antreibbaren Aggregat zum Zwecke der Drehmomentübertragung verbindet (z.B. einer Welle). Die Aktivteile sind die Motorbauteile, die von den Magnetfeldern durchströmt werden, die das Drehmoment zwischen Stator und Rotor hervorrufen.
Die gemeinsame steife Abstützbasis besteht sinnvollerweise aus zwei durch mindestens ein Lager drehentkoppelten Baueinheiten (Bauteile oder Baugruppen). Eine der Baueinheiten ist mit dem Stator des Elektromotors verbunden (rotatorisch stillstehende Baueinheit des gemeinsamen steifen Abstützbasis) und die andere der beiden Baueinheiten ist mit dem Rotor des Elektromotors verbunden (rotierbare Baueinheit des gemeinsamen steifen Abstützbasis). Die beiden Baueinheiten sind durch das mindestens eine Lager aneinander befestigt. Das mindestens eine Lager ermöglicht eine Verdrehung der beiden Baueinheiten relativzueinander um eine Rotationsachse. Translatorische Bewegungen der beiden Baueinheiten der gemeinsamen steife Abstützbasis relativzueinander werden durch das mindestens eine Lager verhindert oder auf ein sehr geringes Maß begrenzt. Dies gilt besonders für radiale oder axiale Verlagerungen der beiden Baueinheiten zueinander. Auch Kipp- oder Rotationsbewegun- gen der beiden Baueinheiten, die nicht um die Rotationsachse des Lagers herum erfolgen wollen, werden durch das mindestens eine Lager verhindert oder auf ein sehr geringes Maß begrenzt. Die mit dem Stator verbundenen Baueinheit der gemeinsamen steifen Abstützbasis kann beispielsweise durch Stator und das E-Motorgehäuse (Statorgehäuse / Stützwand) oder durch ein oder mehrere mit dem Stator und/oder dem E-Motorgehäuse verbundenes Bauteilen gebildet werden. Ein Lager, das die beiden Baueinheit der gemeinsamen steifen Abstützbasis miteinander verbindet, kann dabei sowohl an dem dem Stator zugeordneten Bauteil und/oder dem dem Gehäuse zugeordneten Bauteil befestigt seine. Sind mehrere Lager zwischen den beiden Baueinheiten der gemeinsamen steifen Abstützbasis angeordnet, können diese alle an dem dem Stator zugeordneten Bauteil oder dem dem Gehäuse zugeordneten Bauteil befestigt sein. Es kann auch mindestens ein Lager an dem dem Stator zugeordneten Bauteil und mindestens ein Lager an dem dem Gehäuse zugeordneten Bauteil befestigt sein.
Die andere mit dem Rotor verbundenen Baueinheit der gemeinsamen steifen Abstützbasis kann beispielsweise durch den Rotor (z.B. die Rotorwelle / Verbindungswelle) oder ein mit diesem verbundenen Bauteil und durch ein Drehmomentübertragungselement, das den Rotor mit dem vom Motor antreibbaren Aggregat zum Zwecke der Drehmomentübertragung verbindet (z.B. einer Welle) oder durch ein mit diesen verbundenen Bauteilen bestehen. Ein Lager, das die beiden Baueinheiten der gemeinsamen steifen Abstützbasis miteinander verbindet, kann dabei sowohl an dem dem Rotor zugeordneten Bauteil und/oder dem dem Drehmomentübertragungselement zugeordneten Bauteil befestigt seine. Sind mehrere Lager zwischen den beiden Baueinheiten der gemeinsamen steifen Abstützbasis angeordnet, können diese alle an dem dem Rotor zugeordneten Bauteil oder dem dem Dreimomentübertragungselement zugeordneten Bauteil befestigt sein. Es kann auch mindestens ein Lager an dem dem Rotor zugeordneten Bauteil und mindestes ein Lager an dem dem Drehmomentübertragungselement zugeordneten Bauteil befestigt sein.
Wichtige Aspekte sind (Rotorlagerung): Die Rotorwelle ist auf der einen Seite des Rotors mit einem zweireihigen Lager (z.B. einem zweireihigen Schrägkugellager) oder zwei benachbarten lagern gelagert. Diese Lagerstelle kann Radialbewegungen, Axialbewegungen und ungewollte Kippbewegungen der Rotorwelle verhindern oder auf ein sehr geringes Maß begrenzen. Auf der anderen Seite der Rotorwelle ist die die Rotorwelle durch ein weiteres Lager abgestützt was mindestens Axialkräfte übertragen kann (z.B. eine einreihiges Schrägkugellager eventuell mit einer radialen Spielpassung am Innen- oder Außenring).
Wenn die Rotorwelle über Schrägkugellager, Kegelrollenlager oder andere Lager mit zur Rotationsachse der Lager schrägstehender Kraftübertragungsrichtung (beispielsweise hervorgerufen über den Berührungswinkel oder Druckwinkel der mit den Lagerlaufbahnen im Wälzkontakt stehenden Wälzkörper) so ist es sinnvoll, dass die Lagerstelle auf der einem Seite der Rotorwelle, die Radial beweg ungen, Axialbewegungen und ungewollte Kippbewegungen der Rotorwelle verhindern kann, zwei in O-Anord- nung zueinander ausgerichtete Wälzkörperlaufbahnen aufweist. Das andere Wälzlager, auf der anderen Seite der Rotorwelle, sollte so angeordnet werden, dass seine Wälzkörperlaufbahn eine X-Anordnung mit einer der anderen Wälzkörperlaufbahnen des auf der Gegenüberliegenden Seite der Rotorwelle angeordneten Lagerstelle bildet.
Die beiden Lagerstellen der Rotorwelle verbinden die Rotorwelle mit dem Stator eines Axialflussmotors.
Die beiden Lagerstellen der Rotorwelle verbinden die Rotorwelle mit jeweils einer Statorhälfte eines Axialflussmotors.
Über die beiden Lagerstellen kann eine Axialkraft von der einen Statorhälfte über die Rotorwelle auf die andere Statorhälfte übertragen werden. Je nach Lageraufbau kann dadurch das Aufeinanderzubewegen der Statorhälften oder das Voneinanderwegbe- wegen der Statorhälften verhindert oder zumindest begrenzt werden. Wenn beide Lagerstellen Axialkräfte in beide Axialrichtungen übertragen können, können auch Kräfte in wechselnden Axialrichtungen zwischen den Statorhälften übertragen werden.
Bei einem Axialflussmotor, bei dem die Magnetkräfte, die beiden Statorhälften aufeinander zu bewegen wollen, können diese Kräfte zumindest teilweise über die beiden Lager und die Rotorwelle axial abgestützt werden.
Es wird eine E-Motoranordnung, insbesondere für eine E-Achse eines Kraftfahrzeugs beschrieben:
Figur 1 zeigt eine E-Motoranordnung, die für E-Achsen von Kraftfahrzeugen sinnvoll ist. Der Elektromotor ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Axialflussmotor ausgeführt. Der Motor besteht aus Rotor und Stator.
Der Stator besteht aus zwei radial außen miteinander verbundenen Statorhälften, die sich radial innen über je eine Lagerstelle mit der Rotorwelle drehentkoppelt verbunden sind. Der Rotor ist an der Rotorwelle befestigt und besteht aus einem scheibenförmigen Abschnitt, der sich zwischen den beiden Statorhälften radial nach außen erstreckt. Zwischen dem beiden Statorhälften und dem Rotor befinden sich die Luftspalte, durch die der axiale magnetischen Fluss des Motors verläuft. Die Magnetfeder des Motors verursachen ein Drehmoment, dass auf den Rotor wirkt und von diesem in die Rotorwelle eingeleitet wird. Die Rotorwelle ragt in axialer Richtung aus dem Motor heraus und weist an ihrem Ende eine Verzahnung auf, durch die das Drehmoment des Motors auf ein benachbartes Aggregat übertragen werden kann. Dieses benachbarte Aggregat kann beispielsweise ein Getriebe (In Figur 1 angedeutet durch eine Stirnradstufe), ein Differenzial, eine Welle oder ein Rad des Kraftfahrzeugs sein.
Die dem Getriebe zugewandte Statorhälfte ist radial innen mit dem Gehäuse verbunden, das den Elektromotor umgibt. Dazu weist das Gehäuse eine Seitenwand oder Zwischenwand auf, die mit dieser Statorhälfte verschraubt ist. Sinnvollerweise werden mehrere Schrauben auf dem Umfang verteilt angeordnet. Radial innerhalb dieser Verschraubungsstelle ist ein Lager (bei diesem Ausführungsbeispiel als zweireihiges Schrägkugellager in O-Anordnung ausgeführt) angeordnet, dass die Statorhälfte mit der Rotorwelle drehentkoppelt verbindet. Durch dieses Lager, das die Rotorwelle axial und radial mit der einen Statorhälfte verbindet und auch ein Verkippen der Rotorwelle um eine von der Rotationsachse des Motors abweichenden Achse verhindert, sind Rotor und Stator bereits ausreichen relativ zueinander gelagert, um eine funktionstüchtige Einheit zu bilden. Der in der Figur 1 zu erkennende Bereich, der das Lager und die Verschraubung umfasst, bildet eine gemeinsame steife Abstützbasis für alle wichtigen Hauptkomponenten.
Lagerung:
In dem Ausführungsbeispiel ist optional ein weiteres Lager auf der der gemeinsamen steifen Abstützbasis abgewandten Motorseite angeordnet, dass die weitere Statorhälfte mit der Rotorwelle verbindet. Dieses Lager kann so ausgeführt bzw. eingebaut werden, dass es radiale und axiale Kräfte übertragen kann oder als axial verschiebliches Lager (Lager überträgt hauptsächlich Radialkräfte) oder als radial verschiebliches Lager (Lager überträgt hauptsächlich Axialkräfte) ausgeführt werden. Überträgt das Lager Radialkräfte kann die Rotorwelle auf beiden Seiten des Rotors auf je einer Statorhälfte abgestützt werden. Dadurch lässt sich eine sehr steife Lagerung der Rotorwelle erzielen, die beiden Lagerstellen müssen aber sehr exakt konzentrisch ausgerichtet werden, um eine Verspannung der beiden Lager zu verhindern. Kann eine ausreichend exakte Ausrichtung der Lager nicht gewährleistet werden, um eine Verspannung der Lager und die damit einhergehende Lagerüberlastung zu verhindern, ist es sinnvoll das auf der der gemeinsamen steifen Abstützbasis abgewandten Motorseite angeordnet Lager radial verschieblich einzubauen oder einen Lagertyp zu wählen, der ohnehin einen radialen Ausgleich zwischen den beiden Lagerseiten zulässt.
Die Rotationsachse der Rotorwelle wird dann nur über das zweireihige Schrägkugellager an der anderen Statorhälfte bestimmt. Bei dem in der Figur 1 abgebildeten Ausführungsbeispiel ist das an der der gemeinsamen steifen Abstützbasis abgewandten Statorhälfte angeordnete Lager als einreihiges Schrägkugellager ausgeführt, dass zwischen Außenring und dem Lagersitz der Statorhälfte eine Spielpassung aufweist. Durch die radiale Luft der Spielpassung zwischen Lager und Statorhälfte ist sichergestellt, dass das Lager eine ausreichend große radiale Verlagerung vollziehen kann, um sich auf die vom zweireihigen Schrägkugellager festgelegte Drehachse ausrichten zu können. Axial liegt das Lager am Lagersitz der Statorhälfte an, der bei diesem Ausführungsbeispiel als separate Hülse ausgeführt ist. Durch die Wahl des Werkstoffes oder der Oberflächenbeschichtung der Hülse lässt sich das Lager elektrische von restlichen Stator isolieren und/oder es lässt sich der Reibwert, der sich an der Kontaktstelle zwischen dem Lageraußenring und der den Lagersitz bildenden Hülse ergibt, in gewünschter Weise beeinflussen. (Durch eine hohen Reibwert lassen sich radiale Rotorwellenschwingungen besonders effektiv dämpfen und mit einem niedrigen Reibwert richtet sich die Rotorwelle besonders schnell und besonders genau auf die von zweireihigen Schrägkugellager vorgegebenen Drehachse aus.) Das einreihige Schrägkugellager liegt axial sowohl am Lagersitz der Statorhälfte als auch am Lagersitz der Rotorwelle an und kann somit Axialkräfte übertragen. Das zweireihige Schrägkugellager ist sowieso sowohl am Außenring als auch am Innenring axial fixiert mit der Statorhälfte und der Rotorwelle verbunden und kann dadurch Axialkräfte sogar in beide Richtungen übertragen. Somit ist es möglich, dass Axialkräfte von der einen auf die andere Statorhälfte über die Rotorwelle übertragen werden können. Dadurch können die Lager und die Rotorwelle dazu beitragen die beiden Statorhälften radial innen relativ zueinander axial exakt beabstandet auszurichten und damit die beiden Luftspalte zwischen dem Rotor und dem Stator exakt einzustellen und konstant zu halten. Bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel bildet das einreihige Schrägkugellager zusammen mit einer sich auf der anderen Seite des Rotors befindlichen Kugellaufbahn (Wälzkörperlaufbahn) des zweireihigen Schrägkugellagers (in der Figur 1 ist dies die Kugellaufbahn direkt neben dem Rotor) eine X-Anordnung über die sich die beiden Statorhälften, die sich durch die magnetischen Kräfte aufeinander zubewegen wollen, axial aufeinander abstützen können. Diese Lageranordnung verhindert somit, dass sich alle magnetischen Kräfte, die die Statorhälften aufeinander zu bewegen wollen, über die mechanische Struktur des Stators radial außen um den Rotor herum abgestützt werden müssen. Die X-Anordnung der Lagerlaufbahnen (Wälzkörperlaufbahnen) beidseits des Rotors und die Rotorwelle reduzieren somit die mechanische Belastung der Statorstruktur und ermögliche somit einen kleineren, leichteren und kostengünstigeren Motoraufbau. gemeinsame steife Abstützbasis:
Für die Funktion des Elektromotors ist die exakte Ausrichtung aller von den Magnetfeldern des Motors durchströmter Teile sehr wichtig. Bereits geringe Lageabweichungen der Teile untereinander haben großen Einfluss auf die Leistung und Effizienz des Motors. Einen besonders großen negativen Einfluss haben ungewollte Veränderungen der Luftspaltbreiten zwischen Rotor und Stator auf die Eigenschaften des E-Motors. Ein Elektromotor muss daher so ausgestaltet und mit seinen Nachbaraggregaten verbunden werden, dass im Inneren des Elektromotors auftretende und von außen auf den Elektromotor einwirkende Kräfte nicht zu einer unzulässig hohen Veränderung der Luftspaltbreiten führen. Um die inneren Kräfte des Elektromotors effektiv und kostengünstig abstützen zu können, wird in dieser Beschreibung eine besondere Lageranordnung zwischen dem beiden Statorhälften und der Rotorwelle vorgestellt. Um den Elektromotor unempfindlich zu machen gegenüber von außen auf den Elektromotor einwirkenden Kräfte und Verlagerungen wird in dieser Beschreibung eine zentrale gemeinsame steife Abstützbasis vorgestellt. Von außen auf den Elektromotor einwirkende Kräfte und Verlagerungen können beispielsweise durch in Fährbetrieb des Kraftfahrzeugs vorkommende elastische Verformungen des E-Achsgehäuses bzw. des E-Motorgehäuses hervorgerufen werden. Eine weitere Ursache für axiale von außen auf den Elektromotor einwirkende Kräfte sind häufig Schrägverzahnungen in den an den E-Motor angrenzenden Aggregaten. Ist der E-Motor beispielsweise mit einem Getriebe verbunden, wie des in der Figur 1 und 2 angedeutet ist. Bei Drehmomentänderungen ändert sich auch die axialen Reaktionskräfte die die schrägverzahnten Zahnräder auf ihre Lager, Wellen und Gehäuse ausüben. Da die Abstützelement des Getriebes (besonders die Stützwände oder Seitenwände / Hauptgehäusekörper und Zwischenwandung) nie absolut steif sind und immer eine gewisse Elastizität aufweisen, führt eine Änderung des im Antriebsstrang zwischen E-Motor und Rad des Kraftfahrzeugs übertragenen Drehmoment durch die Schrägverzahnungen fast unvermeidbar zu einer ungewollten elastischen Verlagerung von Komponenten des Antriebsstrangs wie beispielsweise der Verbindungswelle zwischen E-Motor und Getriebe oder der Stütz- bzw. Seitenwand des Gehäuses (Zwischenwandung des Hauptgehäusekörpers).
Die Hauptrisiken die sich durch diese Verlagerungen für den Motor ergeben, bestehen zum einen darin, dass durch sich ständig ändernde von außen auf dem Motor einwirkende Kräfte und Verformungen Dauerfestigkeitsprobleme in der E-Motorstruktur auftreten könnten oder die Struktur von vornherein auf hohe mechanische Belastbarkeit ausgelegt werden müsste, was zu Lasten der Leistungsdichte- und Wirkungsgradoptimierung geht. Zum anderen kann durch Verformung des Rotors und/oder Stators die Form des magnetisch relevanten Luftspaltes zwischen den beiden Komponenten verändert und so die Leistung und den Wirkungsgrad des Motors verschlechtert werden. Außerdem schränkt es die elektrisch und magnetisch optimale Auslegung des Motors stark ein, wenn man eine große Mindestspaltbreite vorsehen muss, damit sich die beiden Komponenten im Betrieb nie berühren, da mit ständigen Luftspaltänderungen im Betrieb zu rechnen ist.
Wenn der Rotor und der Stator des Elektromotors an Komponenten befestigt sind oder mit Komponenten in Wirkverbindung stehen, die unterschiedliche Verlagerungen ausführen oder die Komponenten an denen der Stator oder der Rotor befestigt ist oder mit denen eine Wirkverbindung besteht Kräfte auf den E-Motor ausüben kann die Struktur des E-Motors unzulässig stark belastet und/oder die Luftspaltbreiten unzulässig verändert werden. Damit Verlagerungen des E-Motorgehäuses in dem Bereich an dem der E-Motor am Gehäuse befestigt ist und/oder Verlagerungen der Welle (oder eines anders ausgeführten drehmomentübertragenden Verbindungselementes) zwischen E-Motor und Getriebes (oder eines anders ausgeführten das Drehmoment des E-Motors aufnehmenden Aggregates) nicht zu einer relativen Verlagerung zwischen den Aktivteilen von Rotor und Stator führt (Die Aktivteile des Motors sind alle Bauteile, die der Entstehung der notwendigen Magnetfelder dienen oder von diesen durchströmt werden.) oder von außen auf den Motor einwirkende Kräfte Strukturelemente des Motors belasten, die dafür nicht ausgelegt sind, besitzen die hier in den Ausführungsbeispielen vorgestellte Elektromotoren alle eine zentrale gemeinsame steife Abstützbasis, an der sowohl der Stator und der Rotor des Elektromotors befestigt sind als auch die an den Motor angrenzenden Komponenten die nennenswerte Kräfte auf den Motor auswirken (z.B. Gehäuse und Verbindungswelle bzw. Abtriebswelle). In den Figur 1 und 2 ist der Bereich der zentrale gemeinsame steife Abstützbasis gut zu erkennen. In der Figur 1 besteht die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis aus zwei durch das zweireihige Schrägkugellager zueinander um die Rotorsachse des E- Motorrotors drehbare ansonsten aber fest miteinander verbundenen Baueinheiten. Die eine Baueinheit besteht aus dem radial inneren Teil der Statorhälfte, die mit der ebenfalls einen Teil der Baueinheit bildenden radial inneren Teil der Gehäusestützwand verschraubt ist. Die andere Baueinheit der zentrale gemeinsame steife Abstützbasis besteht aus der Rotorwelle, die auch die Abtriebswelle des E-Motors bildet, indem sie einstückig in die Getriebeeingangswelle übergeht. Indem sich alle Komponenten des Motors an der zentrale gemeinsame steife Abstützbasis abstützen und ansonsten nur noch untereinander abstützen oder über stark elastische Verbindungselemente mit anderen Nachbarkomponenten in Verbindung stehen, wirken sich alle von außen auf den Elektromotor einwirkende Kräfte und Verlagerungen auf die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis aus. Die geneinsame steife Abstützbasis kann dadurch Kräfte die von außen durch die Getriebeeingangswelle (oder ein anders ausgeführtes drehmomentübertragendes Verbindungselement) auf den Motor ausgeübt wird auf die Stützwand es Gehäuses Übertagen, ohne dass Strukturelemente des E-Motors, die nicht zu der zentralen gemeinsamen steifen Abstützbasis gehören, durch diese Kräfte unzulässig belastet werden. Durch die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis sind auch die Stützwand des Gehäuses (oder eine anders ausgestaltete Befestigungskontur des den E-Motor tragenden Elementes) und die Getriebeeingangswelle (oder ein anders ausgeführtes drehmomentübertragendes Verbindungselement) so miteinander ver- bunden, dass ihre räumlichen Verlagerungen miteinander gekoppelt sind. Die Stützwand des Gehäuses (oder eine anders ausgestaltete Befestigungskontur des den E- Motor tragenden Elementes) und die Getriebeeingangswelle (oder ein anders ausgeführtes drehmomentübertragendes Verbindungselement) können daher nur dieselben (zeitgleich dieselbe Bewegungsrichtung und selbe Verlagerungsstrecke) Verlagerungen ausführen. Die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis führt also immer dieselbe Verlagerung aus wie die mit dem Elektromotor fest verbundenen Nachbarkomponenten und nimmt dabei den Rotor und den Stator in gleicher Weise mit. Dadurch können Rotor und Stator nur dieselbe Verlagerung ausführen wodurch keine Nennenswerte relative Verlagerung zwischen Rotor und Stator auftritt, die die Luftspaltbreiten verändern würde. So führt eine axiale Verlagerung der Getriebeeingangswelle, die für konventionell gelagerte Axialflussmotoren besonders problematisch ist, da sie den Rotor axial relativ zum Stator verschieben kann und sich somit unmittelbar auf die Luftspaltbreiten auswirkt, bei diesem Axialflussmotor mit zentrale gemeinsame steife Abstützbasis dazu, dass sich die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis axial verlagert und somit Rotor und Stator gemeinsam verschoben werden, was keinen Einfluss auf die Luftspaltbreite hat.
Damit das Funktionsprinzip der zentrale gemeinsame steife Abstützbasis gut funktioniert, sollte die gemeinsame Abstützbasis ausreichend steif sein, damit sie Kräfte übertragen kann, ohne dass sich die Anschlusskonturen oder Anschlusselemente, die die Abstützbasis für die an ihr befestigten Bauteile oder Baugruppen bereitstellt im relevanten Maße verformen oder relativ zueinander verformen. Daher ist es sinnvoll alle die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis bildenden Bauteile oder Bauteilbereiche möglichst steif auszuführen und kompakt in unmittelbarer Nähe anzuordnen. Je dichter die Anschlusskonturen oder Anschlusselemente, die die Abstützbasis für die an ihr befestigten Bauteile oder Baugruppen bereitstellt, zusammen angeordnet werden können, desto geringe sind auch dazwischen auftretenden Verformungen. Bei den Ausführungsbeispielen ist die gemeinsame Abstützbasis daher seitlich neben den Aktivteilen des E-Motors um die Getriebeeingangswelle herum angeordnet, um alle wichtigen Komponenten, die die gemeinsame Abstützbasis miteinander verbinden muss, auf möglichst kleinem Raum zusammenzuführen. Dadurch ergibt sich auch eine engne- beneinander liegende Anordnung vom dem steifen Lager zwischen den beiden Baueinheiten der gemeinsamen Abstützbasis und der radial weit innen liegenden Verbindung (Verschraubung) zwischen Stator und Gehäuse. Die Anordnung der Verbindungsstelle zwischen Stator und Gehäuse radial dicht über dem Lager zwischen dem Stator und der Rotorwelle oder zwischen dem Gehäuse und der Rotorwelle ist technisch besonders sinnvoll. Dies Verschraubung zwischen dem Gehäuse und dem Stator erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel 1 axial durch die Seitenwand oder Stützwand des Gehäuses. Damit durch diese Verschraubung kein Öl in den E-Motor eindringen kann, ist radial innerhalb und radial außerhalb des Verschraubungsbereichs ein O- Ring zwischen Stator und Gehäuse angeordnet. Alternativ können auch Dichtungen unter den Schraubenköpfen oder an den Schraubenschäften angeordnet werden, die verhindern, dass Öl durch für die Verschraubung notwendigen Bohrungen im der Seitenwand oder Stützwand fließen kann. Zusätzlich sind die Gewindelöcher im Stator abgedichtet.
Damit das Funktionsprinzip der zentrale gemeinsame steife Abstützbasis gut funktioniert, sollten der Rotor und der Stator der Verlagerung, die die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis auf den Rotor und den Stator überträgt, ungehindert folgen können. Alle zusätzlichen Verbindungen zwischen dem Rotor und einem benachbarten Aggregat des E-Motors sowie dem Stator und einem benachbarten Aggregat des E- Motors, die nicht über die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis erfolgen, sollten daher viel weicher sein, als die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis und die Strukturelemente des Rotors und des Stators zwischen der zentralen gemeinsamen steifen Abstützbasis und der zusätzlichen Verbindungstelle mit einem benachbarten Aggregat des E-Motors, damit die Verlagerungen die relativ zwischen der zentralen gemeinsamen steifen Abstützbasis und der zusätzlichen Verbindungsstelle auftritt, nur zu Verformungen an den an der zusätzlichen Verbindungstelle verwendeten Verbindungselementen führt und nicht zu Verformungen des Rotors oder des Stators. In den Figuren sind daher die angedeuteten Verbindungselemente für das Kühlfluid und den elektrischen Strom als flexible Verbindungselemente (Wellrohr und gekrümmt verlegtes Kabel) abgebildet. Alternativ können beispielsweise auch Schläuche oder beidseitig neigbar und axial verschieblich ausgeführte Rohrabschnitte verwendet werden, um das Kühlfluid zwischen dem Stator und dem das Kühlfluid bereitstellenden Aggregat zu übertragen. Für die Übertragung des elektrischen Stroms können alternativ auch elastische Stromschienen oder aus vielen dünnen Drähten bestehende elektrische Leiter verwendet werden.
In der Figur 1 ist links neben dem einreihigen Schrägkugellager ein Rotorlagesensor 45 an der dortigen Statorhälfte befestigt, der die Winkelstellung der Rotorwelle erfasst. Dadurch kann die Winkelstellung der in Rotor eingebauten Magnete relativ zu den Magneten des Stators ermittelt werden. Diese Information wird für die Ansteuerung des Motors verwendet.
Zwischen dem Rotor und dem zweireihigen Schrägkugellage ist in der Figur 1 ein Wellenerdungselement angeordnet. Dadurch kann verhindert werden, dass sich zwischen dem Lageraußenring und dem Lagerinnenring eine nennenswerte elektrische Spannung aufbauen kann, die zur Beschädigung des Lagers führen könnte.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Verbindungstelle zwischen der Gehäusewand (Zwischenwandung) und dem Stator durch eine radiale Verschraubung realisiert ist. Durch diese radiale Verschraubung ist bei diesem Ausführungsbeispiel, bei dem sich an die als Stützwand für den E-Motor ausgeführte Gehäusewand ein Getriebe anschließt, eine Montage oder Demontage des Elektromotors möglich, ohne mit Werkzeigen in den Gehäusebereich des Getriebes eingreifen zu müssen.
(Bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 ist dies erforderlich, da die dort axial angeordneten Schrauben durch die Stützwand des Gehäuses hindurchregen und von der Getriebeseite aus montiert oder demontiert werden müssen.) Für die Montage des in Figur 2 dargestellten Elektromotors wird dieser axial in das Motorgehäuse eingesetzt und auf den Zentriersitz der Stützwand aufgeschoben, bis die axialwirkende Anschlagfläche des Stators an der korrespondierenden Anschlagfläche der Stützwand anliegt. Die Umfangsorientierung des Stators wird dabei so ausgereichtet, dass die radialen Gewindelöcher im Stator mit den radialen Durchgangslöchern im der Befestigungskontur der Stützwand übereinstimmen und zudem die elektrischen Anschlüsse und die Kühlfluidanschlüsse an der richtigen Stelle liegen. Anschließend werden die Befestigungsschrauben radial von außen durch später mit Deckeln verschließbaren Öffnungen im Motorgehäuse in das Motorgehäuse eingebracht und in den Gewindelöchern verschraubt. Die Schrauben sind bei dem Ausführungsbeispiel mit einem besonders hohen Kopf ausgestattet damit die Schrauben gut mit einem Werkzeug gehalten und sicher montiert und demontiert werden können (ohne in das Motorgehäuse zu fallen). An dem zylindrischen Zentriersitz zwischen Stützwand und Stator sollte das radiale Montagespiel durch eine genaue und enge Passung auf das für die Montage unbedingt notwendige Maß begrenzt werden, um eine ungewollte Verspannung der beiden zu verschraubenden Bauteile zu vermeiden. Wenn es der Montageablauf ermöglicht, ist auch ein geringes Übermaß sinnvoll (z.B. eine Übergangs- oder Presspassung).
Bei dem in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Rotorwelle durch eine Steckverzahnung mit der Getriebeeingangswelle (Alternativ kann es sich auch um ein anders ausgeführtes drehmomentübertragendes Verbindungselement für ein das Drehmoment des Motors aufnehmendes Aggregat des Antriebsstranges handeln.) verbunden. Diese Getriebeeingangswelle kann sich über die Rotorwelle auf der gemeinsamen steifen Abstützbasis in radialer Richtung abstützen. Die Steckverzahnung zwischen der Rotorwelle und der Getriebeeingangswelle kann als quasi starr angenommen werden, sobald hohe Drehmomente in der Verzahnung übertragen werden, da dann die an den Zahnflanken wirkende Kontaktkräfte sehr hoch sind. Um die Getriebeeingangswelle relativ zu der Rotorwelle axial verschieben zu können, müsste dann eine sehr hohe axiale Reibkraft überwunden werden. Somit kann auch bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 die Getriebeeingangswelle ungewollte Kräfte und Verlagerungen auf den Rotor übertragen. Die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis sorgt auch bei diesem Ausführungsbeispiel dafür, dass sich diese Kräfte und Verlagerungen nicht negativ auf die Luftspalte zwischen Rotor und Stator auswirken. Die Verbindungstelle zwischen Rotorwelle und Getriebeeingangswelle ist bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 2 funktionell ein Teil der zentralen gemeinsamen steifen Abstützbasis.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 2 ist der Elektromotor durch einen Radialwellendichtring zwischen der Stützwand und der Rotorwelle und durch einen Deckel, der die axiale innere Durchgangsöffnung in der Rotorwelle verschließt, vor dem Getriebeöl geschützt. Dieses Abdichtungskonzept lässt sich auch auf das Ausführungsbeispiel von Figur 1 übertragen.
Hinweise:
Die Verbindungstelle zwischen der Stützwand und dem Rotor des E-Motor ist bei den Ausführungsbeispielen auf einem möglichst kleinen Durchmesser angeordnet worden, um aufzuzeigen wie eine möglichst steife Abstützbasis geschaffen werden kann, in der nur minimale vernachlässigbare elastische Verformungen zwischen den an der Abstützbasis angebundenen Bauteilen bzw. Bauteilbereichen auftreten. Sollte es konstruktiv nicht möglich sein die Stützwand des Motorgehäuses (Zwischenwandung des Hauptgehäusekörpers) so weit radial nach innen zu ziehen (beispielsweise, weil der dazu benötige Bauraum nicht vorhanden ist oder die Stützwand dadurch zu weich wird), ist es auch möglich die Verbindungsstelle zwischen Stator und Gehäuse (Verschraubung) weiter radial nach außen zu verlegen. Dadurch vergrößert sich der Abstand zwischen der Verbindungsstelle zwischen Stator und Gehäuse (Verschraubung) und dem Lager zwischen den beiden Baueinheiten der Abstützbasis. Dies macht die Abstützbasis etwas elastischer, kann aber im Gesamtkontext einer real ausgestalteten E-Motoranbindung durchaus ein technisch sinnvoller Kompromiss sein. Im Extremfall kann die Verbindungsstelle zwischen Stator und Gehäuse (Verschraubung) radial bis nahe des Stator-Außendurchmessers nach außen verlegt werden.
Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten einreihigen und zweireihigen Schrägkugellager sind immer nur beispielhaft für Lager mit diesen Eigenschaften dargestellt. Es können bei allen Ausführungsbeispielen immer auch andres ausgeführte Lager eingesetzt werden, die die an dieser Lagerstelle zu übertragen Radialkräfte, Axialkräfte und/oder Kippmomente übertragen können. Um die für die gemeinsame steife Abstützbasis notwendige Lagersteifigkeit zu ermöglichen, kann das zweireihige Schrägkugellager auch zweckmäßiger Weise durch zwei bauartbedingt noch steifere Kegelrollenlager in O-Anordnung ersetzt werden.
Die hier vorgestellte gemeinsame steife Abstützbasis und Lageranordnung für die Rotorwelle sind für Axialflussmotoren besonders sinnvoll, da diese E-Motoren durch ihre schlanke scheibenförmige Bauweise besondere empfindlich sind gegen axial auf sie einwirkende Kräfte. Die gemeinsame steife Abstützbasis und Lageranordnung für die Rotorwelle sind aber auch für alle anderen E-Motoren sinnvoll, um die axiale Kraftbelastung auf die Struktur der E-Motoren zu reduzieren.
In dieser Beschreibung werden unter Antriebsstrang alle Komponenten eines Kraftfahrzeugs verstanden, die Leistung für den Antrieb des Kraftfahrzeuges generieren und über die Fahrzeugräder bis auf die Straße übertragen.
Obgleich die vorliegende Erfindung vorhergehend anhand von Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich, dass verschiedene Ausgestaltungen und Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.
Bezüglich weiterer Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird ausdrücklich auf die Offenbarung der Zeichnung verwiesen. Bezuqszeichenliste elektrische Maschine
Hauptgehäusekörper
Statorgehäuse
Stator
Stützwand
Befestigungselement
Verbindungswelle
Rotor
Wälzlageranordnung
Innenseite
Anlagebereich fluidische Verbindungsstruktur elektrische Verbindungsstruktur
Drehachse
Außenring der Wälzlageranordnung
Innenring der Wälzlageranordnung
Zusatzwälzlager
Spulenkörper a erste Statorhälfte b zweite Statorhälfte a erste axiale Seite b zweite axiale Seite
Durchgangsöffnung
Abstützbasis
Gehäuse
Außenwandung
Zwischenwandung
Zahnradverbindung
Zentrierfortsatz
Aufnahme Gewindebereich
Innengewindebohrung
Durchgangsloch
Lagerzapfen
Schulter des Lagerzapfens
Sicherungsring a erstes Anlageelement b zweites Anlageelement Sicherungselement
Deckel
Vorsprung
Ausgangswelle
Kopf
Schulter der Verbindungswelle
Außenring des Zusatzwälzlagers Innenring des Zusatzwälzlagers Hülse
Rotorlagesensor a erste Wälzkörperlaufbahn der Wälzlageranordnungb zweite Wälzkörperlaufbahn der Wälzlageranordnungc dritte Wälzkörperlaufbahn der Wälzlageranordnungd vierte Wälzkörperlaufbahn der Wälzlageranordnunga erste Wälzkörperlaufbahn des Zusatzwälzlagersb zweite Wälzkörperlaufbahn des Zusatzwälzlagers erste Wälzkörper zweite Wälzkörper dritte Wälzkörper

Claims

- 38 -
Patentansprüche Elektrische Maschine (1 ) für einen Kraftfahrzeugantrieb, mit einem Gehäuse (23), mit einem in dem Gehäuse (23) aufgenommenen Stator (4) und mit einem drehfest mit einer Verbindungswelle (7) verbundenen Rotor (8), wobei die Verbindungswelle (7) über eine zweireihige Wälzlageranordnung (9) zu einer ersten axialen Seite (20a) des Rotors (8) hin radial sowie axial abgestützt ist und über ein zumindest zur Übertragung von Axialkräften ausgebildetes Zusatzwälzlager (17) zu einer der ersten axialen Seite (20a) abgewandten zweiten axialen Seite (20b) des Rotors (8) gehäuseseitig abgestützt ist. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlageranordnung (9) als ein zweireihiges Wälzlager oder durch zwei unmittelbar axial nebeneinander angeordnete einreihige Wälzlager gebildet ist. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlageranordnung (9) als ein zweireihiges oder zwei einreihige Schrägkugellager oder ein zweireihiges oder zwei einreihige Kegelrollenlager oder eine Kombination aus einem Schrägkugellager und einem Kegelrollenlager ausgebildet ist. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wälzkörperlaufbahnen (46a, 46b, 46c, 46d) der Wälzlageranordnung (9) in einer O-Anordnung oder X-Anordnung zueinander ausgerichtet sind. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlageranordnung (9) zumindest einen sowohl radial als auch axial an dem Stator (4) oder dem Gehäuse (23) fixierten Außenring (15) aufweist und/oder zumindest einen sowohl radial als auch axial an der Verbindungswelle (7) fixierten Innenring (16) aufweist. - 39 - Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzwälzlager (17) an seinem Außenring (42) oder an seinem Innenring (43) eine radiale Spielpassung seitens des Stators (4) oder der Verbindungswelle (7) eingeht. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzwälzlager (17) als ein Schrägkugellager oder ein Kegelrollenlager ausgebildet ist. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Wälzkörperlaufbahnen (47a, 47b) oder Kraftübertragungsrichtungen des Zusatzwälzlagers (17) bezüglich Wälzkörperlaufbahnen (46a, 46b, 46c, 46d) oder Kraftübertragungsrichtungen der Wälzkörperanordnung (9) entgegengerichtet sind. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1) als Axialflussmaschine ausgebildet ist. Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (4) zwei, jeweils mindestens einen Spulenkörper (18) aufweisende, scheibenförmige Statorhälften (19a, 19b) aufweist, wobei jede Statorhälfte (19a, 19b) in einem Statorgehäuse (3) aufgenommen ist und axial zwischen den Statorhälften (19a, 19b) der scheibenförmige Rotor (8) angeordnet ist.
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