EP4702627A1

EP4702627A1 - Bürstensteller zur fremderregung eines auf einer rotorwelle angeordneten rotors eines elektromotors, anordnung einer rotorwelle eines elektromotors und eines nasslaufenden, elektromagnetisch aktuierbaren bürstenstellers, elektromotor, fahrzeug und verfahren zum betreiben eines elektromotors

Info

Publication number: EP4702627A1
Application number: EP24716697.8A
Authority: EP
Inventors: Christof Heeger; Karl Martin Fritsch; Jens HENRICH
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2023-04-24
Filing date: 2024-03-28
Publication date: 2026-03-04
Also published as: CN121058135A; WO2024223215A1; DE102023110338A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bürstensteller zur Fremderregung eines auf Rotorwelle angeordneten Rotors eines Elektromotors. Der Bürstensteller (2) weist dabei eine erste und zweite jeweils gegen einen zugeordneten Schleifring (8, 10) der Rotorwelle anpressbare Schleifbürste (4, 6) auf. Die Schleifbürsten (4, 6) sind dabei über einen Anker (18) eines Elektromagneten (12) und einen mit dem Anker (14) über eine Feder (20) zusammenwirkenden Stützabschnitt des Elektromagneten gegen die Schleifringe (8, 10) federvorspannbar, wobei über einen Spulenkörper (16) des Elektromagneten (12) eine in oder entgegen einer Vorspannrichtung der Feder (20) wirkende, bedarfsabhängig variabel einstellbare elektromagnetische Kraft auf den Anker (18) aufprägbar ist, um eine Anpressung der Schleifbürsten (4, 6) über die Feder (20) zu verstärken oder abzuschwächen und dabei ein Abheben der Schleifbürsten (4, 6) während eines Betriebs des Elektromotors zu vermeiden. Die Erfindung betrifft zudem eine Anordnung, einen Elektromotor, ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors.

Description

Beschreibung

Bürstensteller zur Fremderregung eines auf einer Rotorwelle angeordneten Rotors eines Elektromotors, Anordnung einer Rotorwelle eines Elektromotors und eines nasslaufenden, elektromagnetisch aktuierbaren Bürstenstellers, Elektromotor, Fahrzeug und Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors

Die Erfindung betrifft einen Bürstensteller zur Fremderregung eines auf einer Rotorwelle angeordneten Rotors eines Elektromotors, eine Anordnung einer Rotorwelle eines Elektromotors und eines nasslaufenden, elektromagnetisch aktuierbaren Bürstenstellers zur Fremderregung eines Rotors des Elektromotors, welcher auf der Rotorwelle angeordnet ist. Die Erfindung betrifft zudem einen Elektromotor, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs, mit solch einer Anordnung sowie ein Fahrzeug mit solch einem Elektromotor bzw. solch einer Anordnung. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors.

Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine zuverlässige Fremderregung eines Rotors eines Elektromotors zu gewährleisten. Eine weitere der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, diese Fremderregung energiesparend zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird durch einen Bürstensteller mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Anspruch 4 stellt eine Anordnung einer Rotorwelle eines Elektromotors und eines nasslaufenden, elektromagnetisch aktuierbaren Bürstenstellers zur Fremderregung eines Rotors des Elektromotors, welcher auf der Rotorwelle angeordnet ist, unter Schutz. Die Ansprüche 8 und 9 stellen einen Elektromotor bzw. ein Fahrzeug mit einer solchen Anordnung unter Schutz. Der Anspruch 10 stellt ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen. Es wird ein Bürstensteller zur Fremderregung eines auf einer Rotorwelle angeordneten Rotors eines Elektromotors vorgeschlagen, wobei der Bürstensteller eine erste und zweite jeweils gegen einen zugeordneten Schleifring der Rotorwelle anpressbare bzw. andrückbare Schleifbürste aufweist. Die Schleifbürsten sind dabei über einen Anker eines Elektromagneten und einen mit dem Anker über eine Feder zusammenwirkenden Stützabschnitt des Elektromagneten gegen die Schleifringe federvorspannbar, wobei über einen Spulenkörper des Elektromagneten eine in oder entgegen einer Vorspannrichtung der Feder wirkende, bedarfsabhängig bzw. bedarfsabhängig variabel einstellbare elektromagnetische Kraft auf den Anker aufprägbar ist, um eine Anpressung bzw. Andrückung der Schleifbürsten über die Feder zu verstärken oder abzuschwächen und dabei ein Abheben der Schleifbürsten während eines Betriebs des Elektromotors zu vermeiden.

Der Anker kann dabei gegen ein gabelförmiges Kraftverteilelement angelenkt sein, welches sich in zwei Arme teilend gegen die Schleifringe abstützbar ist.

Es wird dabei vorgeschlagen, die Schleifbürsten in Gestalt von Silbergraphitbürsten auszuführen.

Es wird zudem eine Anordnung einer Rotorwelle eines Elektromotors und eines nasslaufenden, elektromagnetisch aktuierbaren Bürstenstellers zur Fremderregung eines Rotors des Elektromotors vorgeschlagen, welcher auf der Rotorwelle angeordnet ist.

Der Bürstensteller weist dabei eine erste und zweite jeweils gegen einen zugeordneten Schleifring der Rotorwelle angepresste bzw. angedrückte Schleifbürste auf, wobei die Schleifbürsten über einen Anker eines Elektromagneten und einen mit dem Anker über eine Feder zusammenwirkenden Stützabschnitt des Elektromagneten gegen die Schleifringe federvorgespannt sind. Dabei ist über einen Spulenkörper des Elektromagneten eine in oder entgegen einer Vorspannrichtung der Feder wirkende, bedarfsabhängig bzw. bedarfsabhängig variabel einstellbare elektromagnetische Kraft auf den Anker aufprägbar, um eine Anpressung bzw. Andrückung der Schleifbürsten über die Feder zu verstärken oder abzuschwächen und dabei ein Abheben der Schleifbürsten während eines Betriebs des Elektromotors zu vermeiden.

Die vorgeschlagene Anordnung ermöglicht eine bedarfsgerechte Anpressung bzw. Andrückung der Schleifbürsten gegen die Schleifringe. Die Schleifbürsten können dabei - je nach Bedarf - wahlweise passiv federvorgespannt oder aktiv federvorgespannt gegen die Schleifringe angepresst / angedrückt sein bzw. werden.

Im unbestromten Zustand des Elektromagneten wirkt lediglich eine passive bzw. statische Federkraft auf die Schleifbürsten ein. Man spricht dabei von einer passiven Anpressung bzw. Andrückung der Schleifbürsten durch zumindest eine Feder bzw. von einer passiven Federvorspannung der Schleifbürsten.

Im bestromten Zustand des Elektromagneten hingegen wird die Anpressung bzw. Andrückung über die mindestens eine Feder - je nach Bestromung des Elektromagneten - elektromagnetisch verstärkt oder abgeschwächt, indem über den Spulenkörper des Elektromagneten auf den Anker zusätzlich eine elektromagnetische Kraft entweder in der Federvorspannrichtung aufgeprägt und dadurch die Anpressung bzw. Andrückung verstärkt wird oder entgegen der Federvorspannrichtung aufgeprägt und dadurch die Anpressung bzw. Andrückung abschwächt wird. Diese Aufprägung der elektromagnetischen Kraft erfolgt dabei bedarfsgerecht bzw. bedarfsgerecht variabel bzw. bedarfsabhängig bzw. bedarfsabhängig variabel.

Diese aktive Anpressung bzw. Andrückung der Schleifbürsten erfolgt dabei gesteuert oder geregelt und in Abhängigkeit bzw. unter Berücksichtigung von verschiedenen, definierbaren Einflussparametern, wie etwa einer Rotor(wellen)- drehzahl, einer Rotor(wellen)position und / oder einer Fahrzeugbeschleunigung in Richtung der Schleifbürsten und dergleichen mehr.

In einer Ausführung ist der Anker gegen ein gabelförmiges Kraftverteilelement angelenkt, welches sich in zumindest zwei Arme teilend gegen die Schleifringe abstützt. Diese gelenkige Anbindung des Ankers an das gabelförmige Kraftverteilelement gewährleistet eine hinreichende Anpressung der Schleifbürsten gegen die Schleifringe, auch wenn der Bürstensteller in seiner Gebrauchslage nicht ideal rechtwinklig zur Rotorwelle ausgerichtet ist. Man spricht dabei von einem Verkippungsausgleich durch den Bürstensteller. Diese gelenkige Anbindung des Ankers wirkt auch einer unterschiedlichen Abnutzung der Schleifbürsten entgegen.

In einer weiteren Ausführung ist auf der Rotorwelle zwischen den Schleifringen ein in radialer Richtung der Rotorwelle umlaufend vorspringender Isolationsabschnitt zur Ausbildung einer hinreichenden Kriech- und Luftstrecke zwischen den Strom leitenden bzw. führenden Elementen bzw. den Schleifringen und den Schleifbürsten vorgesehen, um Kurzschlüsse zu vermeiden.

Dieser Isolationsabschnitt fungiert dabei im Sinne eines vorteilhaften Rotorwellenkragens, durch welchen sich ein axialer Abstand zwischen den Schleifringen und den Schleifbürsten vorteilhafterweise minimieren lässt. Dieser Rotorwellenkragen trägt somit zur Bauraumeinsparung bei.

In einer weiteren Ausführung sind die Schleifbürsten in Gestalt von Silbergraphitbürsten ausgeführt.

Durch die Verwendung solcher Silbergraphitbürsten in Verbindung mit Schleifringen aus z.B. Eisen oder Stahl lässt sich eine Alterung eines Getriebeöls verlangsamen, welches die Schleifbürsten und die Schleifringe benetzt, denn im Vergleich zu Kupfergraphitbürsten und Schleifringen aus Kupfer wirkt sich ein Funkenflug nicht alternd auf das Getriebeöl aus. Im Falle von Kupfergraphitbürsten und Schleifringen aus Kupfer reagiert das Kupfer bei einem solchen Funkenflug mit einem Schwefelgehalt des Getriebeöls und lässt das Getriebeöl dadurch altern. Das Silbergraphit verbessert demnach die Haltbarkeit des Getriebeöls.

Es wird zudem ein Elektromotor, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs, mit einem fremderregten auf einer Rotorwelle angeordneten Rotor vorgeschlagen. Dabei ist die Rotorwelle mit einem nasslaufenden Bürstensteller der zuvor beschriebenen Art zur Fremderregung des Rotors kombiniert, wobei der Bürstensteller an einem Gehäuse des Elektromotors angebracht und dabei radial zur Rotorwelle angeordnet ist, und bildet dabei eine Anordnung der zuvor beschriebenen Art.

Es wird ferner ein Fahrzeug mit einer Anordnung der zuvor beschriebenen Art und / oder einem Elektromotor der zuvor beschriebenen Art vorgeschlagen.

Unter einem Fahrzeug ist dabei jede Art von Fahrzeug bzw. Kraftfahrzeug zu verstehen, welches elektromotorisch betrieben wird, insbesondere aber Personenkraftwagen und / oder Nutzfahrzeuge in Gestalt von Elektro- oder Hybridfahrzeugen. Dabei kann es sich um teilautonom oder vollautonom betriebene Fahrzeuge handeln.

Es wird zudem ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors vorgeschlagen, bei welchem zum Fremderregen eines auf einer Rotorwelle angeordneten Rotors des Elektromotors zumindest eine erste und zweite Schleifbürste gegen zugeordnete Schleifringe der Rotorwelle angepresst bzw. angedrückt werden. Dabei werden die Schleifbürsten über einen Anker eines Elektromagneten und einen mit dem Anker über eine Feder zusammenwirkenden Stützabschnitt des Elektromagneten gegen die Schleifringe federvorgespannt, wobei über einen Spulenkörper des Elektromagneten eine in oder entgegen einer Vorspannrichtung der Feder wirkende, bedarfsabhängig bzw. bedarfsabhängig variabel einstellbare elektromagnetische Kraft auf den Anker aufgeprägt wird, um eine Anpressung bzw.

Andrückung der Schleifbürsten über die Feder zu verstärken oder abzuschwächen und dabei ein Abheben der Schleifbürsten während eines Betriebs des Elektromotors zu vermeiden.

In einer Ausführung wird vorgeschlagen, dass die Schleifbürsten bis zu einer definierbaren Grenzdrehzahl der Rotorwelle passiv federvorgespannt und oberhalb dieser Grenzdrehzahl durch eine Bestromung des Elektromagneten aktiv feder- vorgespannt und dabei bedarfsabhängig bzw. bedarfsabhängig variabel gegen die zugeordneten Schleifringe angepresst bzw. angedrückt werden.

In einer weiteren Ausführung wird vorgeschlagen, dass die Schleifbürsten bis zu einer definierbaren ersten Grenzdrehzahl und oberhalb einer definierbaren, gegenüber der ersten Drehzahl höheren, zweiten Grenzdrehzahl der Rotorwelle aktiv federvorgespannt und dabei bedarfsabhängig variabel gegen die zugeordneten Schleifringe angepresst werden, wobei die beiden Grenzdrehzahlen einen zwischen liegenden Drehzahlbereich definieren, in welchem die Schleifbürsten passiv federvorgespannt gegen die zugeordneten Schleifringe angepresst werden.

Passiv bedeutet dabei, dass der Elektromagnet unbestromt ist, so dass lediglich eine statische Federkraft auf die Schleifbürsten einwirkt. Aktiv hingegen bedeutet dabei, dass diese statische Federkraft bzw. diese statische Anpressung über die Feder elektromagnetisch verstärkt oder abgeschwächt wird, indem der Elektromagnet entsprechend bestromt wird, so dass über den Spulenkörper des Elektromagneten eine in oder entgegen der Vorspannrichtung der Feder wirkende, elektromagnetisch einstellbare Kraft auf den Anker aufgeprägt wird, und zwar bedarfsabhängig bzw. bedarfsabhängig variabel bzw. bedarfsgerecht bzw. bedarfsgerecht variabel, etwa unter Berücksichtigung zumindest eines der zuvor genannten Einflussparameter, wie etwa einer Rotor(wellen)drehzahl, einer Rotor- (wellen)position und / oder einer Fahrzeugbeschleunigung in Richtung der Schleifbürsten und dergleichen mehr.

Dabei wird vorgeschlagen, dass die erste und zweite Grenzdrehzahl so festgelegt werden und somit der zwischen ihnen liegende Drehzahlbereich so festgelegt wird, dass die einem Fahrzyklus nach am häufigsten vorkommenden Drehzahlen durch diesen Drehzahlbereich abgedeckt werden, in welchem der Elektromagnet nicht bestromt wird. Als Fahrzyklus kann dabei z.B. ein WLTC-Fahrzyklus (WLTC = Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle) verwendet werden. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigen:

Fig. 1 einen vorgeschlagenen Bürstensteller in einer perspektivischen Ansicht,

Fig. 2 den in Fig. 1 gezeigten Bürstensteller in einer Schnittansicht,

Fig. 3 einen weiteren, vorgeschlagenen Bürstensteller in einer perspektivischen Ansicht und

Fig. 4 den in Fig. 3 gezeigten Bürstensteller in einer Schnittansicht.

Der in der Fig. 1 veranschaulichte bidirektional wirkende Bürstensteller 2 bzw. das in der Fig. 1 veranschaulichte bidirektional wirkende Bürstenmodul 2 dient der Fremderregung eines auf einer Rotorwelle angeordneten Rotors eines Elektromotors in Gestalt einer Synchronmaschine zum Antrieb eines Fahrzeugs. Der Elektromotor ist dabei mit einem Reduktionsgetriebe kombiniert, welches ölgeschmiert und ölgekühlt ist. Das Getriebeöl schmiert und kühlt dabei auch den Elektromotor und wird innerhalb eines Ölkühlkreises gefördert, welcher das Getriebe und den Elektromotor umfasst.

Dieser Bürstensteller 2 ist dabei nasslaufend im Bereich einer ölgeschmierten Lagerstelle LS der Rotorwelle und radial zur Rotorwelle sowie ortsfest zu einem Gehäuse des Elektromotors vorgesehen bzw. angeordnet. An dieser Lagerstelle LS entfällt dabei eine Öldichtung, sodass ein Getriebeöl aus dem Gehäuseinneren durch die Lagerstelle LS austreten und bis zum Bürstensteller 2 dringen kann. Diese Anordnung des Bürstenstellers 2 ist dabei mittels eines - hier nicht dargestellten - Gehäusedeckels gegenüber der Umgebung abgeschlossen.

Der Bürstensteller 2 ist dabei über einen ersten und zweiten Aufnahmepunkt AP-i, AP2 am Gehäuse des Elektromotos angebracht bzw. befestigt. Über eine bspw. rüsselartig ausgeführte Buchse, welche an einem Gehäuse eines Elektromagneten 12 angeformt ist, ist dieser Bürstensteller 2 bzw. der Elektromagnet 12 des Bürstenstellers 2 elektrisch kontakierbar.

Der Bürstensteller 2 weist dabei eine erste und zweite jeweils gegen einen zugeordneten Schleifring 8, 10 der Rotorwelle variabel anpressbare Schleifbürste 4, 6 auf. Diese beiden Schleifbürsten 4, 6 sind dabei jeweils innerhalb eines zugeordneten Bürstenaufnahme- und Bürstenführungselements 7 sowie radial zur Rotorwelle beweglich angeordnet. Die Schleifbürste 4 ist dabei z.B. negativ und die Schleifbürste 6 somit positiv gepolt.

Die Schleifbürsten 4, 6 sind dabei über eine Feder 20 in Gestalt einer Schraubenfeder im Inneren des Elektromagneten 12 - bzw. eines Solenoiden 12 - gegen die Schleifringe 8, 10 federvorgespannt. Die Feder 20 ist dabei zwischen einem Anker 18 und einem Bolzen bzw. Stift 14 eines Stützabschnitts des Elektromagneten 12 angeordnet. Dieser Stützabschnitt ist dabei ortsfest zum Gehäuse des Elektromagneten angeordnet. Der Anker 18 ist dabei größtenteils innerhalb eines Spulenkörpers 16 des Elektromagneten 12 und längsbeweglich zum Spulenkörper 16 angeordnet. Der Anker 18 ist zudem abschnittsweise mit dem Bolzen bzw. Stift 14 gefügt, welcher ebenfalls größtenteils innerhalb des Spulenkörpers 16 und dabei zu diesem ortsfest angeordnet ist.

Der besagte Stützabschnitt des Elektromagneten 12 umfasst dabei ein zylinderförmig metallisches Rückschlusselement aus z.B. Eisen oder Stahl auf, in welches der Stift 14 verpresst eingesteckt ist. Der Stift 14 selbst kann dabei auch metallisch ausgeführt sein.

Der Anker 18 ist dabei als Dauermanget ausgeführt und kann dabei aus einem Kunststoff mit Magnetpartikeln, etwa ferromagnetischen Magnetpartikeln ausgebildet bzw. gespritzt sein. Alternativ zu einer solch magnetischen Kunststoffausbildung kann der Anker 18 metallisch und dabei bspw. aus einem ferromagnetischen Metall oder aus einem rostfreien, magnetisierten Stahl ausgebildet sein. Die Feder 20 übt demnach auf die Schleifbürsten 4, 6 eine nominale bzw. statische Kraft von bspw. ca. 30N aus. Im unbestromten Zustand des Elektromagneten 12 ist dies diejenige Kraft, mit welcher die Schleifbürsten 4, 6 gegen die Schleifringe 8, 10 angepresst bzw. angedrückt sind.

Unterhalb einer definierbaren Grenzdrehzahl der Rotorwelle von bspw. ca. 800U/min kann der Elektromagnet 12 unbestromt bleiben, um eine Gesamtverlustleistung des Bürstenstellers 2 zu minimieren.

Diese Gesamtverlustleistung des Bürstenstellers 2 ergibt sich dabei im Wesentlichen aus der Reibung der Schleifbürsten 4,6 auf der sich drehenden Rotorwelle und der elektrischen Verlustleistung des Elektromagneten 12 bei einer Reduktion der Anpresskraft. Unterhalb dieser Grenzdrehzahl von ca. 800U/min ist die elektrische Verlustleistung bei der Aktuierung des Bürstenstellers 2 größer als die Reibleistungseinsparung an den Schleifbürsten 4, 6, die sich als solche - im Vergleich zum passiven Betrieb des Bürstenstellers 2 - durch eine reduzierte Anpresskraft infolge der Aktuierung des Bürstenstellers 2 einstellt. Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle auch noch die Reibung im Elektromagneten 12 und der Feder 20 genannt, wobei jedoch diese Verlustleistungsbestandteile vernachlässigbar sind bzw. eine untergeordnete Rolle spielen.

Unterhalb dieser Grenzdrehzahl sind die Schleifbürsten 4, 6 demnach vorteilhafterweise passiv gegen die Schleifringe 8, 10 angepresst.

Oberhalb dieser Grenzdrehzahl hingegen kann über den Anker 18 und den auf den Anker 18 einwirkenden Spulenkörper 16 eine aktive Anpressung der Schleifbürsten 4, 6 gegen die Schleifringe 8, 10 bereitgestellt werden, und zwar abhängig von verschiedenen, definierbaren Einflussparametern, wie etwa einer Rotor(wellen)- drehzahl, einer Rotor(wellen)position, einer Fahrzeugbeschleunigung in Richtung der Schleifbürsten 4, 6 und dergleichen mehr, so dass einer Rotor(wellen)unrund- heit, einem Aufschwimmen der Schleifbürsten 4, 6 auf dem Getriebeöl, welches die Schleifringe 8, 10 benetzt, und / oder Vibrationen und Schlägen, welche auf den Bürstensteller 2 einwirken, entsprechend bedarfsweise entgegen gewirkt werden kann. Dabei kann durch eine entsprechende Bestromung des Elektromagneten 12 eine bedarfsgerechte elektromagnetische Kraft von bspw. bis zu ca. 50N auf den Anker 18 aufgeprägt werden, welche zusätzlich auf den Anker 18 einwirkt, so dass sich die auf die Schleifbürsten 4, 6 ausgeübte Kraft variabel auf bis zu ca. 80N erhöhen lässt, um ein Abheben der Schleifbürsten 4, 6 während eines Fahrzeugbetriebes zu vermeiden.

Der Anker 18 ist dabei mit einem Kraftverteilelement 22 gefügt, und zwar unter Ausbildung eines sog. Kugelgelenks. Der Anker 18 umfasst dabei einen Gelenkkopf mit einer kugelähnlichen Form, welcher von einem dazu komplementär ausgeformten Abschnitt des Kraftverteilelements 22 bzw. einer Gelenkpfanne bzw. Kugelpfanne des Kraftverteilelements 22 umschlossen ist. Das Kraftverteilelement 22 kann dabei als ein gespritztes Kunststoffelement ausgeführt sein.

Somit ist der Anker 18 gegenüber dem Kraftverteilelement 22 angelenkt, welches sich in zwei Arme teilend gegen die Schleifringe 8, 10 abstützt.

Auf der Rotorwelle und zwischen den Schleifringen 8, 10 ist dabei ein in radialer Richtung der Rotorwelle umlaufend vorspringender Isolationsabschnitt 24 aus Kunststoff zum Schutz vor Kurzschlüssen vorgesehen. Dieser Isolationsabschnitt 24 bildet dabei eine hinreichende Isolierung in Form einer Kriech- und Luftstrecke zwischen den Schleifringen 8, 10 aus. Dieser Isolationsabschnitt 24 bildet dabei einen Teil der in den Fign. 1 und 2 nicht dargestellten Rotorwelle.

Es wird dabei vorgeschlagen, die Schleifbürsten 4, 6 in Gestalt von Silbergraphitbürsten auszuführen, welche die Haltbarkeit des Getriebeöls verbessert.

In der Ausführung nach den Fign. 3 und 4 weist der Bürstensteller 2 zudem eine Leiterplatte 28 auf (auch PCB genannt; PCB = Printed Circuit Board), über welche der Bürstensteller 2 bzw. der Elektromagnet 12 des Bürstenstellers 2 über eine in der Fig. 3 veranschaulichte Buchse elektrisch kontakierbar ist. Diese Leiterplatte 28 weist dabei einen Rotorwellenpositionssensor und / oder einen Beschleunigungssensor auf. Die Leiterplatte 28 ist dabei durch einen Kunststoffgehäuseabschnitt 26 aufgenommen, welcher an einem Kunststoffgehäuseabschnitt des Elektromagneten 12 angeformt ist und sich dabei quer, vorzugsweise orthogonal zur Rotorwelle RW und bis in einen Bereich um eine Stirnseite eines Endes der Rotorwelle RW erstreckt, sodass die Leiterplatte 28 quer, vorzugsweise orthogonal zur Rotorwelle RW und dabei dem Ende der Rotorwelle RW derart gegenüberliegend angeordnet ist, dass die Leiterplatte 28 einen Bereich um die Stirnseite des Endes der Rotorwelle RW abdeckt, um mit dieser Stirnseite bspw. induktiv Zusammenwirken zu können.

Auch in dieser Ausführung des Bürstenstellers 2 muss man sich die hier vorgeschlagene Anordnung mit einem - hier nicht dargestellten - Gehäusedeckel gegenüber der Umgebung abgeschlossen vorstellen.

Fig. 4 veranschaulicht dabei ein metallisches Ende der Rotorwelle RW mit einem auf ihm angeordneten Rotorwellenabschnitt RWA aus einem Kunststoff, welcher auf das Ende der Rotorwelle RW aufgeschoben oder aufgespritzt sein kann. In diesen Kunststoff sind metallische Kontaktierungsmittel in Gestalt von zwei Schleifringen 8, 10 sowie eine dem jeweiligen Schleifring 8, 10 zugeordnete Leiterbahn eingebettet, welche sich vom zugeordneten Schleifring 8, 10 durch den Kunststoffabschnitt in Richtung des auf der Rotorwelle RW angeordneten - hier nicht dargestellten - fremderregten Rotors erstreckt.

Der Schleifring 8 ist dabei topfartig und dabei bspw. als sog. Tiefziehteil ausgeformt, wobei der Boden des Topfes einen stirnseitigen metallischen Abschnitt 30 - welcher in der Fig. 4 nur teilweise veranschaulicht ist - des Endes der Rotorwelle RW bildet, um mit einem bspw. induktiven Signalgeber der Leiterplatte 28 Zusammenwirken zu können.

Diesen Boden des Topfes bzw. diesen stirnseitigen metallischen Abschnitt 30 des

Schleifrings 8 muss man sich mit Unterbrechungen im Umfangsrichtung des

Schleifrings 8 vorstellen, welche als solche mit dem Kunststoff ausgefüllt sein können. Zwischen zwei benachbarten Unterbrechungen bzw. Aussparungen dieses Topfbodens befindet sich dabei ein metallisch stegförmiger Abschnitt, welcher an den äußeren geschlossen umlaufenden Abschnitt des Schleifrings 8, welcher mit der Schleifbürste 4 zusammenwirkt, angeformt ist.

Der Rotorwellenabschnitt RWA nach Fig. 4 setzt somit zwei Funktionen um. Er dient einerseits der Fremderregung des Rotors der Rotorwelle RW und andererseits der Positionserfassung des fremderregten Rotors. Der Schleifring 8 verbindet dabei zwei Funktionen in einem Bauteil. Zum einem wirkt er als Kontaktierungselement mit der Schleifbürste 4 und zum anderen als Geberrad mit dem induktiven Signalgeber der Leiterplatte 28 zusammen. Beim Zusammenwirken mit dem Signalgeber werden periodische bzw. Sinus-Cosinus-förmige Spannungssignale erzeugt, aus denen sich in einer Steuereinheit eine absolute Winkellage bzw. Winkelposition des Rotors relativ zu einem Stator der Synchronmaschine ermitteln lässt, so dass die Synchronmaschine effizient kommutiert werden kann.

Auf der Leiterplatte 28 kann zudem ein Beschleunigungssensor vorgesehen sein, mit dem Fahrzeugbeschleunigungen in Richtung der Schleifbürsten 4, 6 - infolge von Schlägen und Vibrationen - ermittelt werden können. Diese Fahrzeugbeschleunigungen können dabei - neben weiteren Fahrzeugparametern - zur Einstellung der Anpressung der Schleifbürsten 4, 6 verwendet werden. Zusätzlich oder alternativ dazu können Fahrzeugbeschleunigungsinformationen bspw. auch an einer Antriebsachse des Fahrzeugs abgegriffen und über einen CAN-Bus bereitgestellt werden, an welchen der hier vorgeschlagene Bürstensteller 2 über die Leiterplatte 28 angebunden ist, um derartigen Fahrzeugbeschleunigungen mit dem Bürstensteller 2 begegnen zu können.

Und indem Fahrzeugbeschleunigungen in Richtung der Schleifbürsten 4, 6 - infolge von Schlägen und Vibrationen - durch eine entsprechend aktive Anpressung der Schleifbürsten 4, 6 kompensiert werden können, lässt sich die Anzahl der zur Fremderregung erforderlichen Schleifbürsten 4, 6 auf ein Paar reduzieren. Der in den Fign. 1 bis 4 veranschaulichte Bürstensteller 2 beansprucht in axialer Richtung der Rotorwelle RW nur wenig Bauraum. Er ist zudem einfach an das Gehäuse des Elektromotors und dabei radial zur Rotorwelle montierbar.

In der Ausführung des Bürstenstellers 2 nach den Fign. 3 und 4 unterscheidet sich dabei gegenüber der Ausführung des Bürstenstellers 2 nach den Fign. 1 und 2 lediglich durch die hinzugefügte Leiterplatte 28 und den sie aufnehmenden Kunststoffgehäuseabschnitt 26 sowie den ebenfalls am Kunststoffgehäuseabschnitt des Elektromagneten 12 angeformten Kunststoffaufnahmeabschnitt mit Aufnahmepunkten, über welche der Bürstensteller 2 an das Gehäuse des Elektromotors - und dabei radial zur Rotorwelle RW liegend - angebracht bzw. anbringbar ist.

Durch die im Rahmen dieser Offenbarung vorgeschlagene aktive Anpressung bzw. Andrückung der Schleifbürsten 4, 6 gegen die zugeordneten Schleifringe 8, 10 lässt sich eine Schleifkontaktreibung bzw. eine Schleifkontaktreibleistung gegenüber einem rein passiven System, bei welchem eine Federkraft zur Anpressung bzw. Andrückung der Schleifbürsten basierend auf einer maximalen Rotorwellendrehzahl festgelegt wird, vorteilhafterweise bedarfsabhängig auf ein notwendiges Mininimum reduzieren. Dies bedingt zudem vorteilhafterweise einen reduzierten bzw. geringeren Bürstenverschleiß. Damit einhergehend reduziert sich auch ein Stromverbrauch des Elektromotors, so dass eine Reichweite einer den Elektromotor versorgenden Batterie erhöht wird.

Dabei kann die Anpressung bzw. Andrückung über die Feder 20 bis zu einer definierbaren ersten Grenzdrehzahl der Rotorwelle abgeschwächt und oberhalb einer definierbaren, gegenüber der ersten Drehzahl höheren, zweiten Grenzdrehzahl der Rotorwelle verstärkt werden. Oberhalb der ersten Grenzdrehzahl und bis zur zweiten Grenzdrehzahl hingegen, die einen Drehzahlbereich definieren, kann der Elektromagnet 12 unbestromt bleiben.

Dabei wird vorgeschlagen, die erste und zweite Grenzdrehzahl so zu definieren bzw. festzulegen und somit diesen durch sie definierten bzw. zwischen ihnen liegenden Drehzahlbereich so festzulegen, dass die einem Fahrzyklus nach - etwa in Gestalt eines sog. WLTC-Fahrzyklus (WLTC = Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle) - am häufigsten vorkommenden Drehzahlen durch diesen Drehzahlbereich abgedeckt sind, in welchem der Elektromagnet unbestromt bleiben kann. Daraus ergibt sich ein minimaler Leistungsbedarf zur aktiven Anpressung bzw. Andrückung der Schleifbürsten 4, 6 über die Lebenszeit des eingangs genannten Fahrzeugs.

Alternativ zum in den Fign. 1 bis 4 dargestellten Elektromagneten 12, bei welchem der Spulenkörper 16 als Stator ausgebildet ist, welcher auf den zu ihm innenliegenden bzw. auf den von ihm umfassten und als Dauermagnet ausgeführten Anker 18 einwirkt, kann der Elektromagnet auch in Gestalt einer - hier nicht dargestellten - Tauchspule ausgeführt sein, deren Anker als Spulenkörper ausgeführt ist, welcher als solcher in einen als Dauermagnet ausgeführten Stator eintaucht und dabei längsbeweglich zu diesem ausgeführt ist.

Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere im Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.

Claims

Patentansprüche

1 . Bürstensteller (2) zur Fremderregung eines auf einer Rotorwelle angeordneten Rotors eines Elektromotors, wobei der Bürstensteller (2) eine erste und zweite jeweils gegen einen zugeordneten Schleifring (8, 10) der Rotorwelle anpressbare Schleifbürste (4, 6) aufweist, wobei die Schleifbürsten (4, 6) über einen Anker (18) eines Elektromagneten (12) und einen mit dem Anker (18) über eine Feder (20) zusammenwirkenden Stützabschnitt des Elektromagneten (12) gegen die Schleifringe (8, 10) federvorspannbar sind, wobei über einen Spulenkörper (16) des Elektromagneten (12) eine in oder entgegen einer Vorspannrichtung der Feder (20) wirkende, bedarfsabhängig variabel einstellbare elektromagnetische Kraft auf den Anker (20) aufprägbar ist, um eine Anpressung der Schleifbürsten (4, 6) über die Feder (20) zu verstärken oder abzuschwächen und dabei ein Abheben der Schleifbürsten (4, 6) während eines Betriebs des Elektromotors zu vermeiden.

2. Bürstensteller (2) nach Anspruch 1 , wobei der Anker (18) gegen ein gabelförmiges Kraftverteilelement (22) angelenkt ist, welches sich in zwei Arme teilend gegen die Schleifringe (8, 10) abstützbar ist.

3. Bürstensteller (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schleifbürsten (4, 6) in Gestalt von Silbergraphitbürsten ausgeführt sind.

4. Anordnung einer Rotorwelle eines Elektromotors und eines nasslaufenden, elektromagnetisch aktuierbaren Bürstenstellers (2) zur Fremderregung eines Rotors des Elektromotors, welcher auf der Rotorwelle angeordnet ist, wobei der Bürstensteller (2) eine erste und zweite jeweils gegen einen zugeordneten Schleifring (8, 10) der Rotorwelle angepresste Schleifbürste (4, 6) aufweist, wobei die Schleifbürsten (4, 6) über einen Anker (18) eines Elektromagneten (12) und einen mit dem Anker (18) über eine Feder (20) zusammenwirkenden Stützabschnitt des Elektromagneten (12) gegen die Schleifringe (8, 10) federvorgespannt sind, wobei über einen Spulenkörper (16) des Elektromagneten (12) eine in oder entgegen einer Vorspannrichtung der Feder (20) wirkende, bedarfsabhängig variabel einstellbare elektromagnetische Kraft auf den Anker (18) aufprägbar ist, um eine Anpressung der Schleifbürsten (4, 6) über die Feder (20) zu verstärken oder abzuschwächen und dabei ein Abheben der Schleifbürsten (4, 6) während eines Betriebs des Elektromotors zu vermeiden.

5. Anordnung nach Anspruch 4, wobei der Anker (18) gegen ein gabelförmiges Kraftverteilelement (22) angelenkt ist, welches sich in zwei Arme teilend gegen die Schleifringe (8, 10) abstützt.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, wobei auf der Rotorwelle zwischen den Schleifringen (8, 10) ein in radialer Richtung der Rotorwelle umlaufend vorspringender Isolationsabschnitt (24) zur Ausbildung einer hinreichenden Kriech- und Luftstrecke zwischen den Schleifringen (8, 10) vorgesehen ist.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, wobei die Schleifbürsten (4, 6) in Gestalt von Silbergraphitbürsten ausgeführt sind.

8. Elektromotor, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs, mit einem fremderregten auf einer Rotorwelle angeordneten Rotor, wobei die Rotorwelle mit einem nasslaufenden Bürstensteller (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3 kombiniert ist und dabei eine Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7 bildet.

9. Fahrzeug mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7 und / oder einem Elektromotor nach Anspruch 8.

10. Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors, bei welchem zum Fremderregen eines auf einer Rotorwelle angeordneten Rotors des Elektromotors zumindest eine erste und zweite Schleifbürste (4, 6) gegen zugeordnete Schleifringe (8, 10) der Rotorwelle angepresst werden, wobei die Schleifbürsten (4, 6) über einen Anker (18) eines Elektromagneten (12) und einen mit dem Anker (18) über eine Feder (20) zusammenwirkenden Stützabschnitt des Elektromagneten (12) gegen die Schleifringe (8, 10) federvorgespannt werden, wobei über einen Spulenkörper (16) des Elektromagneten (12) eine in oder entgegen einer Vorspannrichtung der Feder (20) wirkende, bedarfs- abhängig variabel einstellbare elektromagnetische Kraft auf den Anker (18) aufgeprägt wird, um eine Anpressung der Schleifbürsten (4, 6) über die Feder (20) zu verstärken oder abzuschwächen und dabei ein Abheben der Schleifbürsten (4, 6) während eines Betriebs des Elektromotors zu vermeiden.

11 . Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Schleifbürsten (4, 6) bis zu einer definierbaren Grenzdrehzahl der Rotorwelle passiv federvorgespannt und oberhalb dieser Grenzdrehzahl durch eine Bestromung des Elektromagneten aktiv federvorgespannt und dabei bedarfsabhängig variabel gegen die zugeordneten Schleifringe (8, 10) angepresst werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Schleifbürsten (4, 6) bis zu einer definierbaren ersten Grenzdrehzahl und oberhalb einer definierbaren, gegenüber der ersten Drehzahl höheren, zweiten Grenzdrehzahl der Rotorwelle aktiv federvorgespannt und dabei bedarfsabhängig variabel gegen die zugeordneten Schleifringe (8, 10) angepresst werden, wobei die beiden Grenzdrehzahlen einen zwischen liegenden Drehzahlbereich definieren, in welchem die Schleifbürsten (4, 6) passiv federvorgespannt gegen die zugeordneten Schleifringe (8, 10) angepresst werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste und zweite Grenzdrehzahl so festgelegt werden und somit der zwischen ihnen liegende Drehzahlbereich so festgelegt wird, dass die einem Fahrzyklus nach am häufigsten vorkommenden Drehzahlen durch diesen Drehzahlbereich abgedeckt werden, in welchem der Elektromagnet nicht bestromt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei als Fahrzyklus ein WLTC-Fahrzyklus (WLTC = Worldwide harmonized Light vehicles Test Cycle) verwendet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Anpressung über die Feder unter Berücksichtigung einer Rotor(wellen)drehzahl, einer Rotor- (wellen)position und / oder einer Fahrzeugbeschleunigung in Richtung der Schleifbürsten verstärkt oder abgeschwächt wird.