EP4659316A1 - Kontaktlose stromübertragungsvorrichtung mit flüssigkeit für eine elektrische antriebsmaschine; sowie elektrische antriebsmaschine - Google Patents

Kontaktlose stromübertragungsvorrichtung mit flüssigkeit für eine elektrische antriebsmaschine; sowie elektrische antriebsmaschine

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Publication number
EP4659316A1
EP4659316A1 EP24702471.4A EP24702471A EP4659316A1 EP 4659316 A1 EP4659316 A1 EP 4659316A1 EP 24702471 A EP24702471 A EP 24702471A EP 4659316 A1 EP4659316 A1 EP 4659316A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contact element
primary part
transmission device
primary
power transmission
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
EP24702471.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Hartmann
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 EP4659316A1 publication Critical patent/EP4659316A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/18—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush
    • H01R39/30—Liquid contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/64—Devices for uninterrupted current collection
    • H01R39/646—Devices for uninterrupted current collection through an electrical conductive fluid

Definitions

  • the invention relates to a power transmission device for an electric drive machine of a motor vehicle, such as a car, truck, bus or other commercial vehicle, with a primary part and a secondary part which is essentially sleeve-shaped and rotatably mounted relative to the primary part, wherein the primary part is arranged radially within the secondary part and a contact element of the primary part is (electrically) coupled by means of a liquid to a contact element of the secondary part which is spatially spaced from the contact element of the primary part.
  • the invention further relates to an electric drive machine having this power transmission device.
  • DE 11 2020 003 208 T5 discloses a generic power transmission device with a rotary bearing element that is fastened in a rotor shaft.
  • the power transmission device for ensuring mutual contact between the contact elements over the longest possible operating period is relatively complex to maintain.
  • the volume of the co-rotating electrically conductive fluid usually decreases over the operating period, but at the same time, depending on the relative rotational position, the contact elements are relatively far apart from each other, which, however, requires a relatively large volume of fluid.
  • electrical contact between the contact elements is interrupted, depending on their rotational position and the state of the electrically conductive fluid.
  • contact element of the primary part and/or the contact element of the secondary part are/is ring-shaped.
  • the ring-shaped design of at least one of the contact elements significantly reduces the probability of an interruption in the current transmission between the contact elements, since this at least one contact element is always in contact with the liquid, regardless of the rotational position. If both interacting contact elements are ring-shaped, the transmission reliability is significantly increased. At the same time, the contact elements are radially compact due to their ring shape.
  • the contact element of the primary part and/or the contact element of the secondary part are axially fixed.
  • a radial gap filled with the liquid between the contact element of the primary part and the contact element of the secondary part has a thickness (i.e. radial dimension) that is smaller than a thickness (i.e. radial dimension) of the contact element of the primary part and/or the contact element of the secondary part.
  • a gap thickness of less than 1 mm, more preferably less than 300 pm, particularly preferably less than 200 pm has proven to be particularly suitable. This creates a suitable compromise between a required liquid volume and a space-saving arrangement of the contact elements. The structure is thus made even more compact, particularly in its radial extension. To ensure that the contact element of the primary part is held in place without damage, it is also advantageous if it is supported radially in an elastic/spring-loaded manner.
  • the contact element of the primary part is supported radially from the inside by means of a wave spring. This means that the elastic support of the contact element of the primary part is implemented in the most space-saving way possible. If the wave spring is used directly to secure the contact element of the primary part (on a base body of the primary part), the structure is further simplified.
  • the primary part and the secondary part each have several, preferably two, ring-shaped contact elements that are coupled in pairs by means of a liquid.
  • the primary part preferably has a first contact element that interacts with a first contact element of the secondary part with the liquid interposed, and the primary part has a second contact element axially spaced from its first contact element that interacts with a second contact element of the secondary part with the liquid interposed.
  • the respective contact elements are then further connected to poles or connections.
  • the contact elements of the primary part are each further connected to one of two poles of a power supply, whereas the contact elements of the secondary part are each further connected to one of two connections of a rotor winding/coil winding of the rotor.
  • the primary part is essentially sleeve-shaped/tubular in its entirety, the power transmission device is implemented even more compactly.
  • the primary part is attached to a shaft section, which further simplifies the storage of the primary part.
  • the primary part and the secondary part are supported by means of a rolling bearing so that they can rotate relative to one another, with an inner ring of the rolling bearing being mounted on a radial outer side of the secondary part. and an outer ring of the rolling bearing is accommodated in a carrier element connected to the primary part.
  • the rolling bearing is arranged at least in sections at the same axial height with a first contact element of the primary part and a first contact element of the secondary part.
  • the invention also relates to a power transmission device for an electric drive machine of a motor vehicle, with a primary part and a secondary part which is essentially sleeve-shaped as a whole and is rotatably received relative to the primary part, wherein the primary part is arranged radially inside the secondary part and a contact element of the primary part is coupled by means of a liquid to a contact element of the secondary part which is spatially spaced from the contact element of the primary part, wherein the primary part and the secondary part are supported rotatably relative to one another by means of a rolling bearing, wherein an inner ring of the rolling bearing is arranged on a radial outer side of the secondary part and an outer ring of the rolling bearing is received in a carrier element connected to the primary part.
  • the primary part and the secondary part are thus supported robustly relative to one another with means arranged in the most space-saving way
  • Power transmission device wherein the contact element of the primary part and/or the contact element of the secondary part are/is ring-shaped.
  • Power transmission device wherein the rolling bearing is arranged at least in sections at the same axial height with a first contact element of the primary part and a first contact element of the secondary part.
  • a radial gap filled with the liquid between the contact element of the primary part and the contact element of the secondary part has a thickness which is smaller than a thickness of the contact element of the primary part and/or the contact element of the secondary part.
  • Power transmission device according to the second partial aspect, wherein the primary part as a whole is essentially sleeve-shaped.
  • the invention further relates to an electric drive machine for a motor vehicle, with a rotor and a current transmission device according to the invention connected to a coil winding of the rotor according to at least one of the previously described embodiments (of the first or second partial aspect).
  • the drive machine is particularly preferably a separately excited synchronous machine.
  • the previously mentioned liquid used according to the invention both with regard to the first partial aspect and the second partial aspect
  • it is preferably an electrically conductive liquid.
  • the liquid itself is preferably electrically conductive and/or is mixed with electrically conductive additives, whereby it is then electrically conductive as a liquid in its entirety.
  • the electrically conductive liquid can be designed as a liquid metal or an ionic liquid or the like.
  • the electrically conductive liquid is preferably designed as a conductive oil or conductive grease.
  • the conductive oils and greases generally have a lower conductivity than, for example, liquid metal, they are less toxic and/or easier to handle.
  • losses in conductivity can be compensated, so that a technically sensible use of conductive oils and/or conductive greases is possible.
  • an electrically conductive liquid with an electrical conductivity at 25°C of greater than 10,000 nS/m, in particular greater than 30,000 nS/m is used, such as oils or greases with conductive additives or other oil-free and/or grease-free liquids. These are particularly suitable for low-resistance applications.
  • the electrically conductive liquid then has an electrical conductivity at 25°C of less than 500 nS/m, preferably less than 300 nS/m and in particular less than 100 nS/m or less than 50 nS/m.
  • the electrical conductivity is greater than 1 nS/m, preferably greater than 5 nS/m and in particular greater than 10 nS/m.
  • Fig. 1 is a longitudinal sectional view of a power transmission device according to the invention according to a preferred embodiment, wherein two contact element pairs of a primary part and a secondary part can be seen in more detail with regard to their design and arrangement,
  • Fig. 2 is a perspective view of the power transmission device according to Fig. 1 in a full view
  • Fig. 3 is a cross-sectional view of the current transmission device in the area of a contact element pair
  • Fig. 4 a perspective view of the primary part in a full view
  • Fig. 5 is a perspective view of the secondary part cut in the longitudinal direction
  • Fig. 6 is a longitudinal sectional view of the power transmission device according to the invention, further illustrating a rolling bearing supporting the secondary part relative to the primary part,
  • Fig. 7 is an exploded view of the power transmission device with rolling bearing cut in the longitudinal direction in Fig. 6,
  • Fig. 8 is a schematic longitudinal sectional view of an electric drive machine having the power transmission device of Figs. 1 to 7, and Fig. 9 is a side view of the complete drive machine according to Fig. 8.
  • a preferred field of application of the power transmission device 1 according to the invention is the use in an electric drive machine 10 of a motor vehicle, which motor vehicle is designed either as a purely electrically or hybrid-powered motor vehicle.
  • the power transmission device 1 serves to supply an electrical power/an electrical current to a schematically indicated coil winding 21 of a rotatably mounted rotor 20 of the electric drive machine 10.
  • the power transmission device 1 projects at least partially axially into a rotor shaft 24 of the rotor 20.
  • a sleeve-shaped/tubular secondary part 3 which is explained in more detail below, is connected in a rotationally fixed manner to the rotor shaft 24.
  • the electric drive machine 10 typically also has a stator 25, which is also annular in its entirety and is arranged radially outside the rotor 20.
  • the direction specifications used in the present case, axial, radial and circumferential are related to a rotation axis 26 of the rotor 20, which rotation axis 26 corresponds to a longitudinal axis of the power transmission device 1.
  • the axial/axial direction is therefore a direction along/parallel to the rotation axis 26, the radial/radial direction is a direction perpendicular to this rotation axis 26 and the circumferential direction is a direction along a circular line running concentrically to the rotation axis 26.
  • the actual power transmission device 1 is illustrated in detail with respect to its primary part 2 and its secondary part 3. It can be seen that the primary part 2 arranged radially inside the secondary part 3 is implemented as a whole in the form of a sleeve/tube.
  • the primary part 2 has, among other things, Looking at Figs. 1 and 4 together, the electric drive motor 10 has a substantially sleeve-shaped/tubular base body 17 which is made of one piece of material. This base body 17 is of course made of electrically non-conductive/insulating material. Lines 18a, 18b are accommodated/introduced in this base body 17 to form two separate poles. Both lines 18a, 18b can be clearly seen in Fig. 4.
  • the lines 18a, 18b protrude from the base body 17 to a side axially facing away from the rotor 20 and are further coupled to a power source when the electric drive machine 10 is in operation.
  • Each line 18a, 18b has a circular segment-shaped contact area 19a, 19b in the base body 17 which runs around the circumference of the base body.
  • a first line 18a opens into a first contact region 19a, which is arranged in a first axial position of the base body 17 and is accessible/exposed radially outward with respect to the base body 17.
  • a second line 18b has a second contact region 19b, which is arranged in a second axial position of the base body 17, axially spaced from the first contact region 19a, and is also exposed radially outward with respect to the base body 17.
  • the contact regions 19a, 19b do not extend completely in the circumferential direction.
  • the primary part 2 also has two contact elements 4 and 6 that are all ring-shaped.
  • a first contact element 4 of the primary part 2 is electrically connected to the first contact region 19a.
  • a second contact element 6 of the primary part 2, which is arranged axially spaced from the first contact element 4, is electrically connected to the second contact region 19b. It can be seen in Fig. 4 that the two contact regions 19a, 19b are arranged axially between the contact elements 4, 6 of the primary part 2.
  • Each contact element 4, 6 of the primary part 2 has an axially projecting contact nose 27a, 27b with which it contacts the contact area 19a, 19b/rests on it.
  • the respective contact element 4, 6 of the primary part 2 thus runs completely in the circumferential direction.
  • Each contact element 4, 6 of the primary part 2 is received radially from the outside on the base body 17.
  • the respective contact element 4, 6 of the primary part 2 is supported in the radial direction from the inside by a wave spring 9.
  • the respective contact element 4, 6 of the primary part 2 is arranged/supported to a certain extent in the radial direction elastically/movably relative to the base body 17.
  • the contact elements 4, 6 of the primary part 2 are also firmly supported axially.
  • the respective contact element 4, 6 of the primary part 2 is fixed to the base body 17 in the axial direction by means of the wave spring 9.
  • the secondary part 3 which is arranged radially outside the primary part 2, can again be clearly seen when looking at Figs. 1 and 5 together.
  • the secondary part 3 has a sleeve-shaped/tubular base body 28, which accommodates several, namely two connections, forming two connection lines 29a, 29b.
  • a first connection line 29a and a second connection line 29b protrude from the base body 28 to an axial side facing the rotor 20.
  • the base body 28 is of course made of electrically non-conductive/insulating material.
  • Each connecting line 29a, 29b is electrically connected to a contact element 5, 7 of the secondary part 3.
  • the first connecting line 29a is electrically connected to a first contact element 5 of the secondary part 3
  • the second connecting line 29b is electrically connected to a second contact element 7 of the secondary part 3.
  • Fig. 5 also shows that the contact elements 5, 7 of the secondary part 3 are essentially ring-shaped as a whole. For easier assembly, it is advantageous if they are slotted at a circumferential point.
  • a metal/sheet metal sleeve 32 is preferably pressed/placed onto the base body 28 radially from the outside.
  • the two ring-shaped contact elements 5, 7 of the secondary part 3 are preferably clamped axially fixed.
  • the first contact element 4 of the primary part 2 is arranged axially at the same height as a first contact element 5 of the secondary part 3 and thus form a first contact element pair that belongs together.
  • the first contact element 5 of the secondary part 3 here has a smaller axial width than the first contact element 4 of the primary part 2.
  • the second contact element 6 of the primary part 2 is arranged axially at the same height as a second contact element 7 of the secondary part 3 and thus form a second contact element pair that belongs together.
  • the second contact element 7 of the secondary part 3 here has a smaller axial width than the second contact element 6 of the primary part 2.
  • a radial gap 11 is provided radially between the contact elements 4, 5; 6, 7 of the respective contact element pair, so that the contact elements 4, 5; 6, 7 of the respective contact element pair are arranged radially spaced apart and contactless with one another.
  • an electrically conductive liquid 8 is filled into the gap 11.
  • the liquid 8 is preferably filled into a radial intermediate space 23 between the primary part 2 and the secondary part 3, in which the contact elements 4, 5; 6, 7 are also arranged.
  • the intermediate space 23 is sealed on its two axially opposite sides by means of seals 30a and 30b.
  • the sealing rings 30a, 30b are designed as radial shaft sealing rings.
  • the gap 11 between the first contact element 5 of the secondary part 3 and the first contact element 4 of the primary part 2 has the same dimensions as the gap 11 between the second contact element 7 of the secondary part 3 and the second contact element 6 of the primary part 2.
  • Each gap 11 is dimensioned so that it is as thin as possible. In this regard, it can be seen that each gap 11 has a smaller thickness/height in the radial direction than the respective contact element 4, 6 or 5, 7.
  • the gap 11 is preferably less than 200 pm thick.
  • the current is transmitted via the lines 18a, 18b and the pairs of contact elements 4, 5 and 6, 7 via the connecting lines 29a, 29b to the coil winding 21 of the rotor 20.
  • Figs. 6 and 7 clearly show that the primary part 2 and the secondary part 3 are mounted so that they can rotate relative to one another via a special bearing arrangement.
  • the primary part 2 which is fixed to the housing/stationary during operation, is connected to a shaft section 22 with its base body 17 or is fixedly mounted on it.
  • the shaft section 22 is also connected to a carrier element 16 in a rotationally fixed manner.
  • the carrier element 16 is here entirely pot-shaped and runs from an area connected to the shaft section 22 in a radial direction outwards.
  • the carrier element 16 extends radially outwards to such an extent that it finally opens into an (axially extending) sleeve region 31.
  • the sleeve region 31 is arranged radially outside the secondary part 3, at a distance from the secondary part 3.
  • a rolling bearing 12 is arranged between the sleeve region 31 and a radial outer side of the secondary part 3 or a support sleeve 34 of the secondary part 3.
  • the support sleeve 34 is pressed/placed radially from the outside onto the base body 28 and the sheet metal sleeve 32.
  • the rolling bearing 12 is implemented here as a ball bearing.
  • the rolling bearing 12 is even designed as a sensor bearing.
  • the rolling bearing 12 has an inner ring 13 which is received directly on the radial outer side 15 of the secondary part 3/is fixed thereon.
  • An outer ring 14 of the rolling bearing 12 arranged radially outside the inner ring 13 is pressed into the sleeve area 31/is firmly received therein. This results in reliable radial and axial support of the primary part 2 relative to the secondary part 3 during operation.
  • the rolling bearing 12 is arranged in the axial direction at least in sections at the level of the first contact element 4 of the primary part and thus also of the first contact element 5 of the secondary part 3.
  • this power transmission device 1 together with the bearing arrangement is in a housing component 33, which here designed as a flange.
  • the carrier element 16 is mounted radially fixed and axially movable in the component 33.
  • a contactless and thus wear-free transmitter (current transmission device 1) is implemented, which establishes the contact via contact elements 4 to 7. These create a targeted gap 11 between the primary part 2 and the secondary part 3, which is bridged by an electrically conductive liquid 8, whereby the currents can be transmitted safely.
  • the structure of the contactless transformer is as follows:
  • the primary-side, stationary part consists of an insulating sleeve (base body 17), connections (cables 18a, 18b), spring elements (wave spring 9), primary contact elements (first contact element 4 and second contact element 6 of the primary part 2) and electrical connectors (contact areas 19a, 19b).
  • the secondary-side, rotating part consists of a steel sleeve (sheet metal sleeve 32), an insulating sleeve (base body 28), secondary contact elements (first contact element 5 and second contact element 7 of the secondary part 3) and connections (connection cables 29a, 29b). Seals 30a, 30b and the electrically conductive liquid 8 are also added when the module is assembled.
  • the insulating sleeve is located in the primary part 2 as a carrier.
  • Two primary contact elements which represent the positive and negative poles, are spaced apart on this. These two contact elements are mounted radially elastically and axially fixed using spring elements (e.g. wave springs 9).
  • the two poles are connected to the two connections via elastic electrical connections. They also have anti-twisting devices so that they can compensate for radial tolerances but are otherwise connected to the carrier in a rotationally fixed manner.
  • the secondary part 3 there is a steel sleeve (sheet metal sleeve 32) as a carrier, in which the insulation sleeve is located.
  • a steel sleeve sheet metal sleeve 32
  • two secondary contact elements are spaced apart, which represent the positive and negative poles. These two contact elements are firmly attached to the insulation sleeve and the tracks run parallel to the primary Contact elements.
  • the two poles are connected to the two terminals via electrical connections.
  • an electrically conductive liquid 8 is filled in and the resulting assembly is sealed with two seals 30a, 30b.
  • the system can therefore be used in wet and dry electric machines/electric drive machines 10.
  • the advantage of the preferred embodiment is that the two primary contact elements are mounted radially elastically via spring elements, so that axis offsets and tolerances between the primary and secondary parts can be compensated. This ensures that the maximum permissible gap between the primary and secondary contact elements is maintained and limited.
  • the design allows a certain axial offset between the primary and secondary parts. This means that the axial play that must be provided for in a floating bearing can be compensated for with this design.
  • the contactless operation means there are no mechanical losses and therefore no wear.
  • the electrical losses are also reduced by the electrically conductive liquid compared to the known transformer types.
  • the reduction in mechanical and electrical losses means that no active cooling is required.
  • the electrically conductive liquid ensures that there is always contact between the primary and secondary contact elements. This system therefore has no negative impact on electromagnetic compatibility (EMC). Additional shielding for the transformer is not required.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the structure ensures a safe electrical separation of the two poles, so that no encapsulation of the two poles is required. This reduces the axial installation space.
  • the areas of the poles can also be separated by an additional seal. so that each pole forms its own contact space.
  • the design also allows the two poles to be separated.
  • An assembly with just one pole can then be created and installed twice in the electric machine.
  • Sensors or electronics for processing or transmitting sensor signals can also be integrated into the assembly, e.g. to determine rotor position, torque or temperature.
  • the assembly can be built, tested, advertised and sold as a standalone product.
  • the contactless transformer is (particularly with regard to the second aspect) connected to a bearing (rolling bearing 12) to form a self-contained assembly.
  • the secondary-side, rotating part of the contactless transformer is inserted into the interior of the inner bearing carrier (support sleeve 34). This is firmly connected to the inner ring 13 of the bearing.
  • the primary-side, stationary part is arranged coaxially inside the secondary-side part.
  • the primary-side, stationary part is firmly connected to the outer ring 14 of the bearing.
  • the structure of the bearing-transmitter unit is as follows:
  • the bearing unit consists of an outer bearing carrier (carrier element 16), the inner bearing carrier, the bearing, a further carrier element (shaft section 22, e.g. designed as an oil lance) for the primary part of the transmitter and the “conductive liquid transmitter”.
  • the bearing is extended by an inner and outer bearing carrier.
  • the outer bearing carrier is attached to the outer ring of the bearing and holds the primary-side, stationary part of the transformer.
  • the primary part of the transformer is attached to the outer bearing carrier via a support element (e.g. oil lance, which can also be used to feed oil).
  • the inner ring of the bearing is attached to the inner bearing carrier.
  • the inner bearing carrier forms part of the multi-part rotor shaft and holds the secondary-side, rotating part of the transformer on the inside.
  • the radial separation between the primary and secondary transformer parts in conjunction with a low tolerance chain for the rotor bearing enables the gap in the transformer between the primary and secondary transformer parts to be minimized, which favors a reduction in the size of the transformer components.
  • the transformer is positioned away from the rotor windings, which are warm during operation, so that the rotor windings do not heat up the transformer. If the inner bearing carrier (rotor shaft) is cooled, e.g. by a fluid inside the rotor shaft, the transformer's losses can be dissipated efficiently. Reduction of the radial tolerance chain, as the connection is made directly to the bearing and only the bearing play has an influence. Reduction of the axial tolerance chain, as the connection is made directly to the bearing and thus the axial play, which must be provided for with a loose bearing, is eliminated with this design.
  • the inner bearing carrier (support sleeve 34) is made of an electrically conductive material, e.g. steel, it additionally shields the transformer from surrounding components and systems and thus makes a contribution to electromagnetic compatibility (EMC) with surrounding components and systems.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • Sensors or electronics for processing or transmitting sensor signals can also be integrated into the assembly (current transmission device 1 with rolling bearing 12). This unit can be developed, built and tested as a complete assembly.
  • Base body a first line b second line a first contact area b second contact area
  • Rotation axis a first contact nose b second contact nose base body a first connecting cable b second connecting cable a first sealing ring b second sealing ring sleeve area sheet metal sleeve housing component support sleeve

Landscapes

  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
  • Motor Or Generator Frames (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromübertragungsvorrichtung (1 ) für eine elektrische Antriebsmaschine (10) eines Kraftfahrzeugs, mit einem Primärteil (2) und einem gesamt- heitlich im Wesentlichen hülsenförmigen, relativ zu dem Primärteil (2) verdrehbar aufgenommenen Sekundärteil (3), wobei das Primärteil (2) radial innerhalb des Sekundärteils (3) angeordnet ist und ein Kontaktelement (4, 6) des Primärteils (2) mit einem zu dem Kontaktelement (4, 6) des Primärteils (2) räumlich beabstandeten Kontaktelement (5, 7) des Sekundärteils (3) mittels einer Flüssigkeit (8) gekoppelt ist, und wobei das Kontaktelement (4, 6) des Primärteils (2) und / oder das Kontaktelement (5, 7) des Sekundärteils (3) ringförmig ausgebildet sind / ist. Zudem betrifft die Erfindung eine elektrische Antriebsmaschine (10) mit dieser Stromübertragungsvorrichtung (1 ).

Description

Kontaktlose Stromübertragungsvorrichtunq mit Flüssigkeit für eine elektrische Antriebsmaschine; sowie elektrische Antriebsmaschine
Die Erfindung betrifft eine Stromübertragungsvorrichtung für eine elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeuges, wie eines Pkws, Lkws, Busses oder sonstigen Nutzfahrzeuges, mit einem Primärteil und einem gesamtheitlich im Wesentlichen hülsenförmigen, relativ zu dem Primärteil verdrehbar aufgenommenen Sekundärteil, wobei das Primärteil radial innerhalb des Sekundärteils angeordnet ist und ein Kontaktelement des Primärteils mit einem zu dem Kontaktelement des Primärteils räumlich be- abstandeten Kontaktelement des Sekundärteils mittels einer Flüssigkeit (elektrisch) gekoppelt ist. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Antriebsmaschine aufweisend diese Stromübertragungsvorrichtung.
Gattungsgemäße Strom Übertragungsvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Beispielsweise offenbart die DE 11 2020 003 208 T5 eine gattungsgemäße Strom Übertragungsvorrichtung mit einem Rotationslagerelement, das in einer Rotorwelle befestigt ist.
Bei diesen aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen hat es sich jedoch herausgestellt, dass die Stromübertragungsvorrichtung zur Gewährleistung der gegenseitigen Kontaktierung der Kontaktelemente über einen möglichst langen Betriebszeitraum hinweg relativ aufwändig in der Wartung ist. Dies liegt unter anderem daran, dass sich das Volumen der mitrotierenden elektrisch leitenden Flüssigkeit für gewöhnlich über den Betriebszeitraum hinweg reduziert, zugleich jedoch in Abhängigkeit der relativen Drehposition die Kontaktelemente relativ weit voneinander entfernt sind, wofür jedoch ein relativ großes Flüssigkeitsvolumen benötigt wird. Dadurch ist es nach einer gewissen Betriebsdauer unter Umständen möglich, dass ein elektrischer Kontakt zwischen den Kontaktelementen, je nach ihrer Drehstellung und dem Zustand der elektrisch leitenden Flüssigkeit, unterbrochen wird.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine berührungslose Stromübertragungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die über einen möglichst langen Zeitraum hinweg eine hohe Übertragungssicherheit aufweist, zugleich jedoch räumlich möglichst kompakt ausgebildet ist.
Dies wird erfindungsgemäß gemäß einem ersten Teilaspekt der Erfindung dadurch gelöst, dass das Kontaktelement des Primärteils und / oder das Kontaktelement des Sekundärteils ringförmig ausgebildet sind / ist.
Durch die ringförmige Ausbildung zumindest eines der Kontaktelemente wird die Wahrscheinlichkeit einer Unterbrechung der Strom Übertragung zwischen den Kontaktelementen deutlich gesenkt, da dieses zumindest eine Kontaktelement unabhängig von einer Drehposition stets mit der Flüssigkeit in Kontakt ist. Sind gar beide miteinander zusammenwirkende Kontaktelemente ringförmig ausgebildet, wird die Übertragungssicherheit nochmals deutlich erhöht. Zugleich werden die Kontaktelemente durch ihre Ringform radial kompakt ausgebildet.
Weitergehende vorteilhafte Ausführungsformen zu dem ersten Teilaspekt sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
Demnach ist es weiterhin von Vorteil, wenn das Kontaktelement des Primärteils und / oder das Kontaktelement des Sekundärteils axial fest aufgenommen sind / ist.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn ein mit der Flüssigkeit befüllter radialer Spalt zwischen dem Kontaktelement des Primärteils und dem Kontaktelement des Sekundärteils eine Dicke (das heißt radiale Abmessung) aufweist, die kleiner als eine Dicke (das heißt radiale Abmessung) des Kontaktelementes des Primärteils und / oder des Kontaktelementes des Sekundärteils ist. Als besonders geeignet hat sich eine Dicke des Spaltes kleiner als 1 mm, weiter bevorzugt kleiner 300 pm, besonders bevorzugt kleiner 200 pm herausgestellt. Dadurch wird ein geeigneter Kompromiss zwischen einem benötigten Flüssigkeitsvolumen und einer bauraumsparenden Anordnung der Kontaktelemente realisiert. Der Aufbau wird somit insbesondere in seiner radialen Erstreckung noch kompakter ausgebildet. Für eine beschädigungsfreie Aufnahme des Kontaktelementes des Primärteils ist es ferner vorteilhaft, wenn dieses radial elastisch / federnd abgestützt ist.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das Kontaktelement des Primärteils mittels einer Wellfeder von radial innen abgestützt ist. Damit wird die elastische Abstützung des Kontaktelementes des Primärteils möglichst bauraumsparend umgesetzt. Ist die Wellfeder unmittelbar dazu eingesetzt das Kontaktelement des Primärteils (an einem Grundkörper des Primärteils) zu sichern, wird der Aufbau weiter vereinfacht.
Für eine weiter optimierte Anwendung ist es von Vorteil, wenn das Primärteil und das Sekundärteil jeweils mehrere, vorzugsweise zwei, ringförmige Kontaktelemente aufweisen, die paarweise mittels einer Flüssigkeit gekoppelt sind. Somit weist das Primärteil bevorzugt ein erstes Kontaktelement auf, das mit einem ersten Kontaktelement des Sekundärteils unter Zwischenschaltung der Flüssigkeit zusammenwirkt und das Primärteil weist axial beabstandet zu seinem ersten Kontaktelement ein zweites Kontaktelement auf, das mit einem zweiten Kontaktelement des Sekundärteils unter Zwischenschaltung der Flüssigkeit zusammenwirkt. Auf übliche Weise sind die jeweiligen Kontaktelemente dann mit Polen oder Anschlüssen weiter verbunden. Diesbezüglich ist es zudem vorteilhaft, wenn die Kontaktelemente des Primärteils jeweils mit einem von zwei Polen einer Stromversorgung weiter verbunden sind, wohingegen die Kontaktelemente des Sekundärteils jeweils mit einem von zwei Anschlüssen einer Rotorwicklung / Spulenwicklung des Rotors weiter verbunden sind.
Ist das Primärteil gesamtheitlich im Wesentlichen hülsenförmig / rohrförmig ausgebildet, ist die Strom Übertragungsvorrichtung noch kompakter umgesetzt. Diesbezüglich hat es sich weiterhin als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Primärteil auf einem Wellenabschnitt befestigt ist, wodurch die Lagerung des Primärteils weiter vereinfacht wird.
Als zweckmäßig hat es sich ferner herausgestellt, wenn das Primärteil und das Sekundärteil mittels eines Wälzlagers relativ zueinander verdrehbar abgestützt sind, wobei ein Innenring des Wälzlagers auf einer radialen Außenseite des Sekundärteils an- geordnet ist und ein Außenring des Wälzlagers in einem mit dem Primärteil verbundenen Trägerelement aufgenommen ist. Dadurch kommt es zum einen zu einer kompakten Anordnung jenes Wälzlagers, das die zuvor erwähnte Lagerung ermöglicht, und zum anderen zu einer robusten Abstützung der beiden Teile relativ zueinander.
Für eine axial kompakte Bauweise hat es sich zudem als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Wälzlager zumindest abschnittsweise auf einer gleichen axialen Höhe mit einem ersten Kontaktelement des Primärteils und einem ersten Kontaktelement des Sekundärteils angeordnet ist.
Gemäß einem weiteren, zweiten erfindungsgemäßen Teilaspekt, der losgelöst von dem ersten Teilaspekt ist und damit auch Gegenstand einer eigenen (Teil-) Anmeldung sein kann, betrifft die Erfindung auch eine Strom Übertragungsvorrichtung für eine elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem Primärteil und einem gesamtheitlich im Wesentlichen hülsenförmigen, relativ zu dem Primärteil verdrehbar aufgenommenen Sekundärteil, wobei das Primärteil radial innerhalb des Sekundärteils angeordnet ist und ein Kontaktelement des Primärteils mit einem zu dem Kontaktelement des Primärteils räumlich beabstandeten Kontaktelement des Sekundärteils mittels einer Flüssigkeit gekoppelt ist, wobei das Primärteil und das Sekundärteil mittels eines Wälzlagers relativ zueinander verdrehbar abgestützt sind, wobei ein Innenring des Wälzlagers auf einer radialen Außenseite des Sekundärteils angeordnet ist und ein Außenring des Wälzlagers in einem mit dem Primärteil verbundenen Trägerelement aufgenommen ist. Damit sind Primärteil und Sekundärteil robust zueinander mit möglichst platzsparend angeordneten Mitteln abgestützt.
Weitergehende vorteilhafte Ausführungsformen zu dem zweiten Teilaspekt ergeben sich aus den Teilgedanken des ersten Teilaspekts und sind der Vollständigkeit halber nachfolgend nochmals aufgeführt:
Stromübertragungsvorrichtung nach dem zweiten Teilaspekt, wobei das Kontaktelement des Primärteils und / oder das Kontaktelement des Sekundärteils ringförmig ausgebildet sind / ist. Stromübertragungsvorrichtung nach dem zweiten Teilaspekt, wobei das Wälzlager zumindest abschnittsweise auf einer gleichen axialen Höhe mit einem ersten Kontaktelement des Primärteils und einem ersten Kontaktelement des Sekundärteils angeordnet ist.
Stromübertragungsvorrichtung nach dem zweiten Teilaspekt, wobei das das Kontaktelement des Primärteils und / oder das Kontaktelement des Sekundärteils axial fest abgestützt sind / ist.
Stromübertragungsvorrichtung nach dem zweiten Teilaspekt, wobei ein mit der Flüssigkeit befüllter radialer Spalt zwischen dem Kontaktelement des Primärteils und dem Kontaktelement des Sekundärteils eine Dicke aufweist, die kleiner als eine Dicke des Kontaktelementes des Primärteils und / oder des Kontaktelementes des Sekundärteils ist.
Stromübertragungsvorrichtung nach dem zweiten Teilaspekt, wobei das Kontaktelement des Primärteils radial elastisch / federnd abgestützt ist.
Stromübertragungsvorrichtung nach dem zweiten Teilaspekt, wobei das Kontaktelement des Primärteils mittels einer Wellfeder von radial innen abgestützt ist.
Stromübertragungsvorrichtung nach dem zweiten Teilaspekt, wobei das Primärteil und das Sekundärteil jeweils mehrere ringförmige Kontaktelemente aufweisen, die paarweise mittels einer Flüssigkeit gekoppelt sind.
Stromübertragungsvorrichtung nach dem zweiten Teilaspekt, wobei das Primärteil ge- samtheitlich im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet ist.
Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit einem Rotor und einer erfindungsgemäßen, an einer Spulenwicklung des Rotors angeschlossenen Strom Übertragungsvorrichtung nach zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausführungen (des ersten oder zweiten Teilaspekts). Die Antriebsmaschine ist besonders bevorzugt eine fremderregte Synchronmaschine. In Bezug auf die zuvor erwähnte, erfindungsgemäß eingesetzte Flüssigkeit (sowohl bezüglich des ersten Teilaspekts als auch des zweiten Teilaspekts) sei darauf hingewiesen, dass es sich bevorzugt um eine elektrisch leitfähige / leitende Flüssigkeit handelt. Bevorzugt ist die Flüssigkeit selbst elektrisch leitend und/oder ist mit elektrisch leitenden Additiven versetzt, wobei sie in Gänze dann als Flüssigkeit wiederum elektrisch leitend ist. Prinzipiell kann die elektrisch leitende Flüssigkeit als ein Flüssigmetall oder eine ionische Flüssigkeit oder dergleichen ausgebildet sein. Bevorzugt ist die elektrisch leitfähige Flüssigkeit jedoch als ein leitfähiges Öl oder leitfähiges Fett ausgebildet. Die leitfähigen Öle und Fette weisen zwar in der Regel eine geringere Leitfähigkeit als z.B. Flüssigmetall auf, sind jedoch weniger giftig und/oder einfacher handhabbar. Durch die Anpassung des radialen Spaltes zwischen den Kontaktelementen des Primärteils und des Sekundärteils können Einbußen in der Leitfähigkeit jedoch kompensiert werden, so dass ein technisch sinnvoller Einsatz von leitfähigen Ölen und/oder leitfähigen Fetten ermöglicht wird. Insbesondere wird daher eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit mit einer elektrischen Leitfähigkeit bei 25°C größer als 10.000 nS/m, insbesondere größer als 30.000 nS/m verwendet, wie z.B. Öle oder Fette mit leitfähigen Additiven oder andere ölfreie und/oder fettfreie Flüssigkeiten. Diese sind insbesondere für niederohmige Anwendungen geeignet.
Für geringere Anforderungen an den Übertragungswiderstand, also für höhere Übertragungswiderstände, können durch die geeignete Dicke des radialen Spaltes zwischen den Kontaktelementen des Primärteils und des Sekundärteils sogar gebräuchliche Getriebeöle verwendet werden.
In einer alternativen Ausführungsform weist die elektrisch leitfähige Flüssigkeit dann eine elektrische Leitfähigkeit bei 25°C von weniger als 500 nS/m, vorzugsweise von weniger als 300 nS/m und insbesondere von weniger als 100 nS/m oder weniger als 50 nS/m auf. Dagegen ist es bevorzugt, dass die elektrische Leitfähigkeit größer als 1 nS/m, vorzugsweise größer als 5 nS/m und im Speziellen größer als 10 nS/m ist. Mit dieser elektrischen Leitfähigkeit ist es möglich, Getriebeöle zu verwenden, wie diese gebräuchlich sind, so dass auf speziell angepasste Flüssigkeiten, insbesondere mit leitfähigen Additiven, verzichtet werden kann. Dies wird durch den Einsatz verringerten Ringspaltbreite / Dicke des radialen Spaltes zwischen den Kontaktelementen des Primärteils und des Sekundärteils ermöglicht. Somit ist es gemäß weiteren Ausführungen auch möglich als Flüssigkeit nicht leitfähiges Öl oder nicht leitfähiges Fett einzusetzen.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Stromübertragungsvorrichtung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei zwei Kontaktelementpaare eines Primärteils und eines Sekundärteils hinsichtlich ihrer Ausbildung und Anordnung näher zu erkennen sind,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Strom Übertragungsvorrichtung nach Fig. 1 in einer Vollansicht,
Fig. 3 eine Querschnittsdarstellung der Strom Übertragungsvorrichtung im Bereich eines Kontaktelementpaares,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des Primärteils in einer Vollansicht,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des in Längsrichtung geschnittenen Sekundärteils,
Fig. 6 eine Längsschnittdarstellung der erfindungsgemäßen Strom Übertragungsvorrichtung, wobei ferner ein das Sekundärteil relativ zum Primärteil abstützendes Wälzlager veranschaulicht ist,
Fig. 7 eine Explosionsdarstellung der in Fig. 6 in Längsrichtung geschnittenen Stromübertragungsvorrichtung mit Wälzlager,
Fig. 8 eine schematische Längsschnittdarstellung einer elektrischen Antriebsmaschine aufweisend die Strom Übertragungsvorrichtung der Fign. 1 bis 7, sowie Fig. 9 eine Seitenansicht der vollständigen Antriebsmaschine nach Fig. 8.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Ausgehend von den Fign. 8 und 9 ist ein bevorzugter Einsatzbereich der erfindungsgemäßen Strom Übertragungsvorrichtung 1 der Einsatz in einer elektrischen Antriebsmaschine 10 eines Kraftfahrzeuges, welches Kraftfahrzeug entweder als rein elektrisch oder hybridisch angetriebenes Kraftfahrzeug ausgebildet ist.
Die Stromübertragungsvorrichtung 1 dient dabei zum Zuführen einer elektrischen Leistung / eines elektrischen Stroms zu einer schematisch angedeuteten Spulenwicklung 21 eines drehbar gelagerten Rotors 20 der elektrischen Antriebsmaschine 10.
Die Stromübertragungsvorrichtung 1 ragt nach den Fign. 8 und 9 zumindest teilweise axial in eine Rotorwelle 24 des Rotors 20 hinein. Dabei ist insbesondere ein nachfolgend näher erläutertes, gesamtheitlich hülsenförmiges / rohrförmiges Sekundärteil 3 drehfest mit der Rotorwelle 24 verbunden. Die elektrische Antriebsmaschine 10 weist auf typische Weise weiterhin einen Stator 25 auf, der ebenfalls gesamtheitlich ringförmig ausgebildet ist und radial außerhalb des Rotors 20 angeordnet ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass die gegenständlich verwendeten Richtungsangaben axial, radial und in Umfangsrichtung in Bezug auf eine Drehachse 26 des Rotors 20 bezogen sind, welche Drehachse 26 einer Längsachse der Strom Übertragungsvorrichtung 1 entspricht. Unter axial / axialer Richtung ist folglich eine Richtung entlang / parallel zu der Drehachse 26, unter radial / radialer Richtung eine Richtung senkrecht zu dieser Drehachse 26 und unter Umfangsrichtung eine Richtung entlang einer konzentrisch zur Drehachse 26 um laufenden Kreislinie zu verstehen.
In Verbindung mit den Fign. 1 bis 5 ist die eigentliche Strom Übertragungsvorrichtung 1 seitens ihres Primärteils 2 und ihres Sekundärteils 3 detailliert veranschaulicht. Es ist zu erkennen, dass das radial innerhalb des Sekundärteils 3 angeordnete Primärteil 2 gesamtheitlich hülsenförmig / rohrförmig umgesetzt ist. Das Primärteil 2 weist, unter Zusammenschau der Fign. 1 und 4, einen im Wesentlichen hülsenförmigen / rohrförmigen Grundkörper 17 auf, der stoffeinteilig ausgebildet ist. Dieser Grundkörper 17 besteht selbstverständlich aus elektrisch nicht leitfähigem / isolierendem Material. In diesem Grundkörper 17 sind Leitungen 18a, 18b unter Ausbildung zweier separater Pole aufgenommen / eingebracht. Beide Leitungen 18a, 18b sind in Fig. 4 gut zu erkennen. Die Leitungen 18a, 18b ragen zu einer dem Rotor 20 axial abgewandten Seite aus dem Grundkörper 17 hinaus und sind im Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine 10 mit einer Stromquelle weiter gekoppelt. Jede Leitung 18a, 18b weist in dem Grundkörper 17 einen in Umfangsrichtung des Grundkörpers umlaufenden, kreissegmentförmigen Kontaktbereich 19a, 19b auf. Eine erste Leitung 18a mündet in einem ersten Kontaktbereich 19a, der in einer ersten axialen Position des Grundkörpers 17 angeordnet ist und in Bezug auf den Grundkörper 17 radial nach außen zugänglich / freigelegt ist. Eine zweite Leitung 18b weist einen zweiten Kontaktbereich 19b auf, der an einer zweiten axialen Position des Grundkörpers 17, axial beabstandet zu dem ersten Kontaktbereich 19a, angeordnet ist und ebenfalls in Bezug auf den Grundkörper 17 radial nach außen freigelegt ist. Diesbezüglich sei auch darauf hingewiesen, dass die Kontaktbereiche 19a, 19b nicht vollständig in Umfangsrichtung umlaufen.
Ferner weist das Primärteil 2 zwei gesamtheitlich ringförmig ausgebildete Kontaktelemente 4 und 6 auf. Ein erstes Kontaktelement 4 des Primärteils 2 ist elektrisch mit dem ersten Kontaktbereich 19a verbunden. Ein zweites Kontaktelement 6 des Primärteils 2, das axial beabstandet zu dem ersten Kontaktelement 4 angeordnet ist, ist mit dem zweiten Kontaktbereich 19b elektrisch verbunden. Es ist in Fig. 4 zu erkennen, dass die beiden Kontaktbereiche 19a, 19b axial zwischen den Kontaktelementen 4, 6 des Primärteils 2 angeordnet sind.
Jedes Kontaktelement 4, 6 des Primärteils 2 weist eine axial vorspringende Kontaktnase 27a, 27b auf, mit welcher es den Kontaktbereich 19a, 19b kontaktiert / auf diesem aufliegt. Das jeweilige Kontaktelement 4, 6 des Primärteils 2 läuft somit in Umfangsrichtung vollständig um. Jedes Kontaktelement 4, 6 des Primärteils 2 ist radial von außen auf dem Grundkörper 17 aufgenommen. Diesbezüglich wird unter Zusammenschau der Fign. 1 und 3 auch ersichtlich, dass das jeweilige Kontaktelement 4, 6 des Primärteils 2 in radialer Richtung von innen durch eine Wellfeder 9 abgestützt ist. Dadurch ist das jeweilige Kontaktelement 4, 6 des Primärteils 2 in einem gewissen Maß in radialer Richtung elastisch / relativbeweglich zu dem Grundkörper 17 angeordnet / abgestützt.
Ferner ist ersichtlich, dass die Kontaktelemente 4, 6 des Primärteils 2 auch axial fest abgestützt sind. Das jeweilige Kontaktelement 4, 6 des Primärteils 2 ist dabei mittels der Wellfeder 9 in axialer Richtung an dem Grundkörper 17 festgelegt.
Das radial außerhalb des Primärteils 2 angeordnete Sekundärteil 3 ist wiederum unter Zusammenschau der Fign. 1 und 5 gut zu erkennen. Das Sekundärteil 3 weist einen hülsenförmigen / rohrförmigen Basiskörper 28 auf, der mehrere, nämlich zwei Anschlüsse unter Ausbildung zweier Anschlussleitungen 29a, 29b aufnimmt. Eine erste Anschlussleitung 29a und eine zweite Anschlussleitung 29b ragen zu einer dem Rotor 20 zugewandten axialen Seite aus dem Basiskörper 28 hinaus. Der Basiskörper 28 besteht selbstverständlich aus elektrisch nicht leitfähigem / isolierendem Material.
Jede Anschlussleitung 29a, 29b ist mit einem Kontaktelement 5, 7 des Sekundärteils 3 elektrisch verbunden. Die erste Anschlussleitung 29a ist elektrisch mit einem ersten Kontaktelement 5 des Sekundärteils 3 verbunden, die zweite Anschlussleitung 29b ist mit einem zweiten Kontaktelement 7 des Sekundärteils 3 elektrisch verbunden.
Fig. 5 lässt auch erkennen, dass die Kontaktelemente 5, 7 des Sekundärteils 3 ge- samtheitlich im Wesentlichen ringförmig ausgebildet sind. Für eine einfachere Montage ist es von Vorteil, wenn diese an einer Umfangsstelle geschlitzt ausgebildet sind. Radial von außen ist auf den Basiskörper 28 bevorzugt eine Metall- / Blechhülse 32 aufgepresst / aufgesetzt.
Es ist ferner ersichtlich, dass die beiden ringförmigen Kontaktelemente 5, 7 des Sekundärteils 3 bevorzugt axialfest eingespannt sind. Gemäß Fig. 1 ist das erstes Kontaktelement 4 des Primärteils 2 mit einem ersten Kontaktelement 5 des Sekundärteils 3 axial auf gleicher Höhe angeordnet und bilden demnach ein zusammengehörendes erstes Kontaktelementpaar. Das erste Kontaktelement 5 des Sekundärteils 3 weist hier eine geringere axiale Breite auf als das erste Kontaktelement 4 des Primärteils 2. Das zweite Kontaktelement 6 des Primärteils 2 ist mit einem zweiten Kontaktelement 7 des Sekundärteils 3 axial auf gleicher Höhe angeordnet und bilden demnach ein zusammengehörendes zweites Kontaktelementpaar. Das zweite Kontaktelement 7 des Sekundärteils 3 weist hier eine geringere axiale Breite auf als das zweite Kontaktelement 6 des Primärteils 2.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass radial zwischen den Kontaktelementen 4, 5; 6, 7 des jeweiligen Kontaktelementpaares ein radialer Spalt 11 vorgesehen ist, sodass die Kontaktelementen 4, 5; 6, 7 des jeweiligen Kontaktelementpaares radial beabstandet und kontaktlos zueinander angeordnet sind.
Im Betrieb ist eine elektrisch leitende Flüssigkeit 8 in dem Spalt 11 eingefüllt. Insbesondere ist die Flüssigkeit 8 bevorzugt in einem radialen Zwischenraum 23 zwischen dem Primärteil 2 und dem Sekundärteil 3 eingefüllt, in dem auch die Kontaktelemente 4, 5; 6, 7 angeordnet sind. Der Zwischenraum 23 ist zu seinen beiden axial gegenüberliegenden Seiten mittels Dichtungen 30a und 30b abgedichtet. Die Dichtringe 30a, 30b sind als Radialwellendichtringe ausgebildet.
Es ist zu erkennen, dass der Spalt 11 zwischen dem ersten Kontaktelement 5 des Sekundärteils 3 und dem ersten Kontaktelement 4 des Primärteils 2 gleich dimensioniert ist wie der Spalt 11 zwischen dem zweiten Kontaktelement 7 des Sekundärteils 3 und dem zweiten Kontaktelement 6 des Primärteils 2. Jeder Spalt 11 ist so dimensioniert, dass er möglichst dünn ausgebildet ist. Diesbezüglich ist zu erkennen, dass jeder Spalt 11 in radialer Richtung eine geringere Dicke / Höhe aufweist als das jeweilige Kontaktelement 4, 6 oder 5, 7. Bevorzugt ist der Spalt 11 weniger als 200 pm dick.
Somit kommt es im Betrieb bei einer Strom Übertagung zur Übertragung des Stroms über die Leitungen 18a, 18b und die Paare der Kontaktelemente 4, 5 und 6, 7 über die Anschlussleitungen 29a, 29b zur Spulenwicklung 21 des Rotors 20. Mit den Fign. 6 und 7 wird deutlich, dass das Primärteil 2 und das Sekundärteil 3 über eine spezielle Lageranordnung relativ zueinander verdrehbar gelagert sind. Das im Betrieb gehäusefest / ortsfest aufgenommene Primärteil 2 ist mit seinem Grundkörper 17 mit einem Wellenabschnitt 22 verbunden bzw. fest auf diesem aufgenommen. Der Wellenabschnitt 22 ist weiterhin drehfest mit einem Trägerelement 16 verbunden. Das Trägerelement 16 ist hier gesamtheitlich topfförmig ausgebildet und verläuft von einem mit dem Wellenabschnitt 22 verbundenen Bereich in radialer Richtung nach außen.
Das Trägerelement 16 erstreckt sich derart weit radial nach außen, dass es schließlich in einen (axial verlaufenden) Hülsenbereich 31 mündet. Der Hülsenbereich 31 ist radial außerhalb des Sekundärteils 3, beabstandet zu dem Sekundärteil 3, angeordnet. Zwischen dem Hülsenbereich 31 und einer radialen Außenseite des Sekundärteils 3 bzw. einer Stützhülse 34 des Sekundärteils 3 ist ein Wälzlager 12 angeordnet. Die Stützhülse 34 ist radial von außen auf den Basiskörper 28 und die Blechhülse 32 aufgepresst / aufgesetzt.
Das Wälzlager 12 ist hier als Kugellager realisiert. Insbesondere ist das Wälzlager 12 gar als Sensorlager ausgeführt. Das Wälzlager 12 weist einen Innenring 13 auf, der unmittelbar auf der radialen Außenseite 15 des Sekundärteils 3 aufgenommen / auf diesem fixiert ist. Ein radial außerhalb des Innenrings 13 angeordneter Außenring 14 des Wälzlagers 12 ist in den Hülsenbereich 31 eingepresst / in diesem fest aufgenommen. Somit kommt es im Betrieb zu einer verlässlichen radialen und axialen Abstützung des Primärteils 2 relativ zu dem Sekundärteil 3.
Es ist zu erkennen, dass das Wälzlager 12 in axialer Richtung zumindest abschnittsweise auf Höhe des ersten Kontaktelementes 4 des Primärteils und somit auch des ersten Kontaktelementes 5 des Sekundärteils 3 angeordnet ist.
Gesamtheitlich, wie wiederum in den Fign. 8 und 9 zu erkennen, ist diese Stromübertragungsvorrichtung 1 samt der Lageranordnung in einem Gehäusebauteil 33, das hier flanschartig ausgeführt ist, aufgenommen. Das Trägerelement 16 ist zu diesem Zwecke radial fest und axial beweglich in dem Bauteil 33 angebracht.
Mit anderen Worten ausgedrückt, ist (insbesondere hinsichtlich des ersten Teilaspektes) erfindungsgemäß ein kontaktloser und somit verschleißfreier Übertrager (Stromübertagungsvorrichtung 1 ) umgesetzt, welcher den Kontakt über Kontaktelemente 4 bis 7 herstellt. Diese erzeugen einen gezielten Spalt 11 zwischen Primärteil 2 und Sekundärteil 3, welcher durch eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit 8 überbrückt wird, wodurch die Ströme sicher übertragen werden können.
Der Aufbau des kontaktlosen Übertragers ist dabei folgendermaßen: Der primärseitige, stehende Teil besteht aus einer Isolationshülse (Grundkörper 17), aus Anschlüssen (Leitungen 18a, 18b), aus Federelementen (Wellfeder 9), aus primären Kontaktelementen (erstes Kontaktelement 4 und zweites Kontaktelement 6 des Primärteils 2) und elektrischen Verbindern (Kontaktbereiche 19a, 19b). Der sekundärseitige, rotierende Teil besteht aus einer Stahlhülse (Blechhülse 32), einer Isolationshülse (Basiskörper 28), aus sekundären Kontaktelementen (erstes Kontaktelement 5 und zweites Kontaktelement 7 des Sekundärteils 3) und aus Anschlüssen (Anschlussleitungen 29a, 29b). Bei der Montage der Baugruppe kommen noch Dichtungen 30a, 30b und die elektrische leitfähige Flüssigkeit 8 hinzu.
Die Funktionsweise ist wie folgt: Im Primärteil 2 befindet sich als Träger die Isolationshülse. Auf dieser sitzen beabstandet zwei primäre Kontaktelemente, welche den Plus- und Minuspol darstellen. Diese beiden Kontaktelemente sind über Federelemente (z.B. Wellfedern 9) radial elastisch und axial fixiert gelagert. Die beiden Pole sind über elastische elektrische Verbindungen mit den beiden Anschlüssen verbunden. Zusätzlich besitzen sie Verdrehsicherungen, damit sie radiale Toleranzen ausgleichen können aber sonst drehfest mit dem Träger verbunden sind.
Im Sekundärteil 3 befindet sich als Träger eine Stahlhülse (Blechhülse 32), in der sich die Isolationshülse befindet. In dieser sitzen beabstandet zwei sekundäre Kontaktelemente, welche den Plus- und Minuspol darstellen. Diese beiden Kontaktelemente sind fest in der Isolationshülse befestigt und die Spuren laufen parallel zu den primären Kontaktelementen. Die beiden Pole sind über elektrische Verbindungen, mit den beiden Anschlüssen, verbunden.
Bei der Montage des Primärteiles 2 und des Sekundärteiles 3 wird eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit 8 eingefüllt und die entstandene Baugruppe mit zwei Dichtungen 30a, 30b verschlossen. Somit kann das System in nassen und trockenen E-Maschi- nen / elektrischen Antriebsmaschinen 10 eingesetzt werden.
Vorteilhaft bei der bevorzugten Ausführungsform ist, dass die beiden primären Kontaktelemente über Federelemente radial elastisch gelagert sind und somit Achsversätze und Toleranzen zwischen Primär- und Sekundärteil ausgeglichen werden können. Dies gewährleistet, dass der maximal zulässige Spalt zwischen dem primären - und dem sekundären Kontaktelement, eingehalten und begrenzt wird.
Das Design erlaubt einen gewissen axialen Versatz, zwischen Primär- und Sekundärteil. Somit kann das axiale Spiel, welches bei einer Loslagerung vorgesehen werden muss, bei diesem Aufbau ausgeglichen werden.
Ein weiterer Vorteil dieses Systems ist, das durch den kontaktlosen Betrieb keine mechanischen Verluste und somit auch kein Verschleiß entsteht. Gegenüber kontaktbehafteten Übertragern entsteht somit auch kein Abrieb. Die elektrischen Verluste werden, gegenüber den bekannten Übertragertypen, durch die elektrisch leitfähige Flüssigkeit ebenfalls reduziert. Durch die Reduzierung der mechanischen und elektrischen Verluste wird auch keine aktive Kühlung benötigt. Durch die elektrisch leitfähige Flüssigkeit wird sichergestellt, dass immer ein Kontakt zwischen dem primären und dem sekundären Kontaktelement besteht. Somit hat dieses System keinen negativen Einfluss auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Entsprechende zusätzliche Schirmungen für den Übertrager werden nicht benötigt. Der Übertrager kann durch seinen Aufbau entfernt von den im Betrieb warmen Rotorwicklungen positioniert werden, sodass eine Erwärmung des Übertragers durch die Rotorwicklungen vermieden wird. Der Aufbau gewährt eine sichere elektrische Trennung der beiden Pole, sodass keine Kapselung der beiden Poole benötigt wird. Dies reduziert den axialen Bauraum. Die Bereiche der Pole können aber auch durch eine zusätzliche Dichtung getrennt werden, sodass jeder Pol einen eigenen Kontaktraum bildet. Das Design erlaubt auch eine Auftrennung der beiden Pole. Es kann dann eine Baugruppe mit nur einem Pol erstellt werden und diese zweimal in der E-Maschine verbaut werden. In die Baugruppe kann zudem Sensorik oder Elektronik zur Verarbeitung oder Übermittlung von Sensorsignalen integriert werden z.B. zur Bestimmung von Rotorposition, Drehmoment oder Temperatur. Die Baugruppe kann als eigenständiges Produkt aufgebaut, geprüft, beworben und vertrieben werden.
Der kontaktlose Übertrager wird (insbesondere hinsichtlich des zweiten Teilaspektes) zusammen mit einem Lager (Wälzlager 12), zu einer in sich abgeschlossenen Baugruppe verbunden. Dabei wird der sekundärseitige, rotierende Teil des kontaktlosen Übertragers, in das Innere des inneren Lagerträgers (Stützhülse 34) gefügt. Dieser ist dabei fest mit dem Innenring 13 des Lagers verbunden. Der primärseitige, stehende Teil wird koaxial im Inneren des sekundärseitigen Teils angeordnet. Der primärseitige, stehende Teil ist dabei fest mit dem Außenring 14 des Lagers verbunden.
Der Aufbau der Lager - Übertrager - Einheit ist dabei folgendermaßen: Die Lagereinheit besteht aus einem äußeren Lagerträger (Trägerelement 16), dem inneren Lagerträger, dem Lager, einem weiteren Trägerelement (Wellenabschnitt 22, z.B. als Öllanze ausgebildet) für den Primärteil des Übertragers und dem „conductive liquid transmitter“.
Die Funktionsweise ist wie folgt: Das Lager wird um einen inneren- und äußeren Lagerträger erweitert. Der äußere Lagerträger ist auf dem Außenring des Lagers befestigt und nimmt den primärseitigen, stehenden Teil des Übertragers auf. Der Primärteil des Übertragers ist dabei über ein Trägerelement (z.B. Öllanze, welche auch zur Öldurchführung genutzt werden kann), an dem äußeren Lagerträger befestigt. Der Innenring des Lagers ist auf dem inneren Lagerträger befestigt. Der innere Lagerträger bildet dabei einen Teil der mehrteiligen Rotorwelle und nimmt im inneren, den sekundärseitigen, rotierenden Teil des Übertragers auf. Auf Grund der Anordnung im Inneren des inneren Lagerträgers, der axial langen aber radial kompakten Dimensionierung in Verbindung mit einem radialen Spalt im Übertrager, sowie der Ausbildung als abgeschlossene Baugruppe, können eine Reihe der genannten technischen Probleme gelöst bzw. reduziert werden: Es muss kein zusätzlicher Bauraum vorgehalten werden. Es wird der Bauraum unterhalb des Lagers genutzt und es entsteht so eine kompakte Lager - Übertrager - Einheit. Durch den integrierten kontaktlosen Übertrager, erhöhen sich auch nicht die mechanischen Verluste der Lager - Übertrager - Einheit. Der rotierende Übertragerteil wird durch den inneren Lagerträger drehzahlfest abgestützt. Durch die radial kompakte Abmessung werden die Anforderungen bzgl. Drehzahlfestigkeit zusätzlich entschärft. Gewichtsreduzierung, da keine zusätzlichen Bauteile zur Aufnahme des Übertragers benötigt werden. Die radiale Trennung zwischen primärem und sekundärem Übertragerteil in Verbindung mit einer geringen Toleranzkette zur Rotorlagerung, ermöglicht eine Minimierung des Spalts im Übertrager zwischen primärem und sekundärem Übertragerteil, was eine Verkleinerung der Übertragerkomponenten begünstigt. Der Übertrager ist entfernt von den im Betrieb warmen Rotorwicklungen positioniert, sodass eine Erwärmung des Übertragers durch die Rotorwicklungen vermieden wird. Ist der innere Lagerträger (Rotorwelle) gekühlt, z.B. durch ein Fluid im Inneren der Rotorwelle, können die Verluste des Übertragers günstig abgeführt werden. Reduzierung der radialen Toleranzkette, da die Anbindung direkt an das Lager erfolgt und nur noch das Lagerspiel einen Einfluss hat. Reduzierung der axialen Toleranzkette, da die Anbindung direkt an das Lager erfolgt und somit das axiale Spiel, welches bei einer Loslagerung vorgesehen werden muss, bei diesem Aufbau entfällt.
Ist der innere Lagerträger (Stützhülse 34) aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. Stahl, gefertigt, schirmt er den Übertrager zusätzlich gegenüber umgebenden Komponenten und Systemen ab, und bietet somit einen Beitrag zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) gegenüber umgebenden Komponenten und Systemen.
In die Baugruppe (Stromübertagungsvorrichtung 1 mit Wälzlager 12) kann zudem Sensorik oder Elektronik zur Verarbeitung oder Übermittlung von Sensorsignalen integriert werden, z.B. zur Bestimmung von Rotorposition, Drehmoment oder Temperatur. Diese Einheit kann als abgeschlossene Baugruppe entwickelt, aufgebaut und geprüft werden.
Bezuqszeichenliste
Stromübertagungsvorrichtung
Primärteil
Sekundärteil erstes Kontaktelement des Primärteils erstes Kontaktelement des Sekundärteils zweites Kontaktelement des Primärteils zweites Kontaktelement des Sekundärteils Flüssigkeit
Wellfeder
Antriebsmaschine
Spalt
Wälzlager
Innenring
Außenring
Außenseite
Trägerelement
Grundkörper a erste Leitung b zweite Leitung a erster Kontaktbereich b zweiter Kontaktbereich
Rotor
Spulenwicklung
Wellenabschnitt
Zwischenraum
Rotorwelle
Stator
Drehachse a erste Kontaktnase b zweite Kontaktnase Basiskörper a erste Anschlussleitungb zweiter Anschlussleitunga erster Dichtring b zweiter Dichtring Hülsenbereich Blechhülse Gehäusebauteil Stützhülse

Claims

Patentansprüche
1 . Stromübertragungsvorrichtung (1 ) für eine elektrische Antriebsmaschine (10) eines Kraftfahrzeugs, mit einem Primärteil (2) und einem gesamtheitlich im Wesentlichen hülsenförmigen, relativ zu dem Primärteil (2) verdrehbar aufgenommenen Sekundärteil (3), wobei das Primärteil (2) radial innerhalb des Sekundärteils (3) angeordnet ist und ein Kontaktelement (4, 6) des Primärteils (2) mit einem zu dem Kontaktelement (4, 6) des Primärteils (2) räumlich beabstandeten Kontaktelement (5, 7) des Sekundärteils (3) mittels einer Flüssigkeit (8) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (4, 6) des Primärteils (2) und / oder das Kontaktelement (5, 7) des Sekundärteils (3) ringförmig ausgebildet sind / ist.
2. Stromübertragungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (4, 6) des Primärteils (2) und / oder das Kontaktelement (5, 7) des Sekundärteils (3) axial fest aufgenommen sind / ist.
3. Stromübertragungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit der Flüssigkeit befüllter radialer Spalt (11 ) zwischen dem Kontaktelement (4, 6) des Primärteils (2) und dem Kontaktelement (5, 7) des Sekundärteils (3) eine Dicke aufweist, die kleiner als eine Dicke des Kontaktelementes (4, 6) des Primärteils (2) und / oder des Kontaktelementes (5, 7) des Sekundärteils (3) ist.
4. Stromübertragungsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (4, 6) des Primärteils (2) radial elastisch / federnd abgestützt ist.
5. Stromübertragungsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (4, 6) des Primärteils (2) mittels einer Wellfeder (9) von radial innen abgestützt ist.
6. Stromübertragungsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärteil (2) und das Sekundärteil (3) jeweils mehrere ringförmige Kontaktelemente (4, 5; 6, 7) aufweisen, die paarweise mittels einer elektrisch leitenden Flüssigkeit (8) gekoppelt sind.
7. Stromübertragungsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärteil (2) gesamtheitlich im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet ist.
8. Stromübertragungsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärteil (2) und das Sekundärteil (3) mittels eines Wälzlagers (12) relativ zueinander verdrehbar abgestützt sind, wobei ein Innenring (13) des Wälzlagers (12) auf einer radialen Außenseite (15) des Sekundärteils (3) angeordnet ist und ein Außenring (14) des Wälzlagers (12) in einem mit dem Primärteil (2) verbundenen Trägerelement (16) aufgenommen ist.
9. Stromübertragungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (12) zumindest abschnittsweise auf einer gleichen axialen Höhe mit einem ersten Kontaktelement (4) des Primärteils (2) und einem ersten Kontaktelement (5) des Sekundärteils (3) angeordnet ist.
10. Elektrische Antriebsmaschine (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Rotor (20) und einer an einer Spulenwicklung (21 ) des Rotors (20) angeschlossenen Stromübertragungsvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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