WO2022042790A1 - Elektrische maschinenanordnung - Google Patents

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Dirk Reimnitz
Ivo Agner
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H02K2213/09—Machines characterised by the presence of elements which are subject to variation, e.g. adjustable bearings, reconfigurable windings, variable pitch ventilators

Definitions

  • the present invention relates to an electrical machine arrangement, comprising an electrical machine for driving an electrically drivable motor vehicle, having a stator and a rotor, and an output element which is in non-rotatable contact with the rotor.
  • the object of the present invention is to provide an electrical machine arrangement with an electrical machine that enables a design that is as compact and light as possible as well as sufficiently robust. This object is achieved by an electrical machine arrangement, comprising an electrical machine for driving an electrically drivable motor vehicle with the features of patent claim 1.
  • An electrical machine arrangement constructed according to the invention comprises an electrical machine with a stator and with a rotor and also comprises an output element which is in non-rotatable contact with the rotor.
  • an axially elastic length compensation element is arranged to transmit a torque between the rotor of the electric machine and the output element. This allows the desired axial length compensation to be achieved in a targeted manner and with a correspondingly positive (compensating) effect. If the axially elastic compensating element is arranged between the rotor and the output element, axial displacements between the output element and the stator of the electrical machine can be compensated for in the axially elastic element without the axial displacements of the output element being transmitted to the rotor.
  • the displacements of the output element would lead to an axial displacement of the rotor relative to the stator or to a deformation of the rotor and/or the stator. This prevents unwanted displacements or deformations from occurring in the electrical machine, which would have a negative impact on the properties of the electrical machine.
  • a torque-transmitting length compensation element is therefore proposed for the connection between an electric machine (eg an axial flux motor) and a unit of the drive train (eg a gearbox or the like) connected to the electric machine.
  • the axially soft but torque-transmitting connection prevents axial forces and/or axial displacements, which are caused by a transmission or another unit of the drive train, from being transmitted directly to the structure of the electrical machine.
  • the axially elastic length compensation element can be formed by a component that is axially elastic due to its elastic material or by a component that is movably arranged or guided in the axial direction (also itself configured as a non-elastic part).
  • the component arranged to be movable in the axial direction can also be subjected to spring force in the axial direction via a spring element or itself be formed from a material, as a result of which an axially elastic or axially movable effect can be achieved.
  • Electrical machines are used to convert electrical energy into mechanical energy and/or vice versa, and generally include a stationary part referred to as a stator, stand or armature and a part referred to as a rotor or runner and arranged movably relative to the stationary part.
  • a radial flux machine is characterized in that the magnetic field lines extend in the radial direction in the air gap formed between rotor and stator, while in the case of an axial flux machine the magnetic field lines extend in the axial direction in the air gap formed between rotor and stator.
  • the housing encloses the electrical machine.
  • a housing can also accommodate the control and power electronics.
  • the housing can also be part of a cooling system for the electric machine and can be designed in such a way that cooling fluid can be supplied to the electric machine via the housing and/or the heat can be dissipated to the outside via the housing surfaces.
  • the housing protects the electrical machine and any electronics that may be present from external influences.
  • the stator of a radial flow machine is usually constructed cylindrically and generally consists of electrical laminations that are electrically insulated from one another and are constructed in layers and packaged to form laminated cores. This structure keeps the eddy currents in the stator caused by the stator field low. Distributed over the circumference, grooves or peripherally closed recesses are let into the electrical lamination running parallel to the rotor shaft and accommodate the stator winding or parts of the stator winding. Depending on the construction towards the surface, the slots can be closed with locking elements such as locking wedges or covers or the like in order to prevent the stator winding from being detached.
  • a rotor is the spinning (rotating) part of an electrical machine.
  • the rotor generally comprises a rotor shaft and one or more rotor bodies arranged on the rotor shaft in a rotationally fixed manner.
  • the rotor shaft can also be hollow, which on the one hand saves weight and on the other hand allows lubricant or coolant to be supplied to the rotor body.
  • the gap between the rotor and the stator is called the air gap.
  • a radial flux machine this is an axially extending annular gap with a radial width that corresponds to the distance between the rotor body and the stator body.
  • the magnetic flux in an electrical axial flux machine such as an electrical drive machine of a motor vehicle designed as an axial flux machine, is directed axially in the air gap between the stator and rotor, parallel to the axis of rotation of the electrical machine.
  • the air gap that is formed in an axial flow machine is thus essentially in the form of a ring disk.
  • the magnetic flux in an electrical axial flux machine is directed axially in the air gap between the stator and rotor, parallel to the axis of rotation of the electrical machine.
  • Axial flux machines are differentiated, among other things with a view to their expansion, into axial flux machines in an (-arrangement and in axial flux machines in an H-arrangement.
  • An axial flux machine in an I-arrangement is understood as an electrical machine in which a single rotor disk of the electrical machine is placed between two stator halves of a stator is arranged on the electrical machine and can be acted upon by it with a rotary electromagnetic field.
  • An axial flow machine in an H arrangement is understood to be an electrical machine in which two rotor disks of a rotor of the electrical machine accommodate a stator of the electrical machine in the annular space located axially between them, through which the two rotor disks can be subjected to an electromagnetic rotating field.
  • the axially elastic length compensation element is designed in such a way that backlash-free power transmission is ensured in the direction of rotation for transmission of the torque. In this way, a direct, temporally undelayed power transmission to the output element coupled to the rotor can always be guaranteed.
  • the axially elastic compensating element is formed by at least one leaf spring or a leaf spring assembly - in particular a plurality of leaf springs or leaf spring assemblies distributed circumferentially - or is formed by a corrugated tube or is formed by an annular disk .
  • the advantageous effect of these configurations of a length compensation element is based on the fact that highly efficient means for axial length compensation between the electrical machine and an output element or between the stator of an electrical machine and a supporting component, such as a housing or the like, can be implemented with structurally simple means.
  • the axially elastic length compensation element is formed by at least one circumferentially arranged or a plurality of circumferentially distributed leaf springs or at least one leaf spring assembly or a plurality of circumferentially distributed leaf spring assemblies, and these are arranged and fastened in such a way that, seen in the circumferential direction in which the electric machine transmits the greater torque to the output element during operation, the fastening point of a leaf spring or a leaf spring assembly on the side facing the rotor, seen circumferentially, in front of the fastening point of the same leaf spring or of the same leaf spring assembly is on the side facing the output element, so that the greater torque can be transmitted to the output element in the form of a tangential tensile force via the axially elastic length compensation element.
  • the leaf springs are arranged in such a way that, viewed in the circumferential direction in which the motor transmits the greater torque to the downstream components during operation, the fastening point of the leaf springs on the rotor is arranged in front of the fastening points of the same leaf springs on the shaft, this allows The greatest torque of the engine in the form of a tangential tensile force can be transmitted very efficiently via the leaf springs to the shaft or a component connected to the shaft. In the other circumferential direction, in which the motor delivers the lower torque, the leaf springs then transmit this torque through compressive forces.
  • the invention can also be further developed in such a way that the electrical machine arrangement has a housing for accommodating the electrical machine, the housing forming the component supporting the stator and the stator being arranged at least in a rotationally fixed manner within the housing and the rotor being rotatable on the housing is stored.
  • This has the advantage that the supporting forces of the rotor are introduced directly into the housing and do not have to be transmitted via the stator.
  • the mechanical structure of The load on the stator is less severe and the load-bearing elements of the stator can be designed to be lighter, cheaper and more space-saving.
  • the electrical machine arrangement has a housing for accommodating the electrical machine, the stator being arranged in a rotationally fixed manner within the housing and the rotor being rotatably mounted on the stator.
  • a further optimization of the installation space can be achieved in this way. If the rotor is mounted directly on the stator, there is a very short tolerance chain between the components of the stator and the rotor. As a result, a precise alignment of all magnetically relevant components of the electrical machine can be achieved during assembly without complex subsequent adjustment processes.
  • the electric motor is not adversely affected by changes in the housing, such as those that can occur during vehicle operation, for example due to thermal expansion or elastic deformation.
  • the rotor is connected to the or an output element via a first axially elastic length compensation element and a second axially elastic length compensation element connected in series with the first axially elastic length compensation element with regard to the torque flow.
  • the advantage that can be realized in this way is that the forces to be balanced within the electrical machine arrangement can be distributed to different locations within the machine. This results in improved compensation behavior and is also an advantage with regard to a space-optimized design.
  • the axially elastic length compensation elements connected in series with regard to their axially elastic or axially movable properties can be arranged directly one behind the other or spatially spaced - for example on different sides of an axial flux machine constructed in an I-arrangement can be connected to the two axially spaced rotor halves. Due to the fact that the two axially elastic length compensation elements are arranged in two axially spaced planes and are coupled to one another by a torque-transmitting connecting element that can tilt about an axis orthogonal to the axis of rotation, not only an axial offset or an axial movement between the rotor and the driven element can be compensated for, but also a radial offset or a radial movement.
  • the axially elastic elements allow an angular offset between the axis of rotation of the rotor and the axis of rotation of the connecting element, and between the axis of rotation of the connecting element and the axis of rotation of the output element.
  • a further axially elastic length compensation element is provided, which is then arranged between the stator and the component supporting the stator, in particular between the stator and a housing of the electrical machine, resulting in additional length compensation can be implemented in the drive train of an electrically driven motor vehicle.
  • the length compensation element can be designed as an extension extending in the axial direction or in the radial direction, which is guided in some areas in a corresponding recess, the extension being connected either to the stator or to the component supporting the stator and the corresponding recess formed in the supporting component or in the stator.
  • the extension is designed as a pin and is movably mounted in the region of its guide in the corresponding receptacle for the axial compensation via an elastomer or other spring means.
  • the electrical machine is designed as an axial flow machine. Due to their mostly disc-shaped design (axial length of the motor is less than the motor diameter) and the air gaps between the rotor and stator, which are aligned orthogonally to the axial direction, axial flux machines are particularly sensitive to axial forces acting on them from the outside or axial displacements that move the rotor relative to the stator want.
  • the A disk-shaped design always tends to lead to rotor structures that are axially soft, and the air gaps aligned orthogonally to the axial direction mean that even small axial shape deviations have a strong negative effect on the efficiency of the electrical machine.
  • the proposed axialleatic length compensation elements which can protect an electrical machine from axial forces or displacements acting on it from the outside, are therefore particularly useful for axial flow machines.
  • the invention can also be advantageously implemented in such a way that the electrical machine arrangement has a first electrical machine designed as an axial flux machine and a second electrical machine designed as an axial flux machine arranged in a common housing, with the rotor of the first electrical machine on one axial side of the machine arrangement drives a first output element via a first axially elastic element and wherein the rotor of the second electric machine drives a second output element on the opposite axial side of the machine arrangement via a second axially elastic element.
  • a space- and weight-optimized arrangement of a twin motor can be provided—for example, for the independent, simultaneous drive of two wheels on a vehicle axle.
  • the output element can be designed as a shaft and can be mounted rotatably in the supporting component designed as a housing, as a result of which an optimized design with regard to the distribution of the forces to be balanced is made possible. If the electrical machine and the driven element, for example designed as a shaft, are supported on the same component, it is particularly easy to ensure that the electrical machine and the driven element are precisely aligned.
  • a functional integration in which a supporting component, for example a housing, supports and connects several components to one another is a particularly compact, robust and economical solution.
  • the invention and its indicated developments show an electrical machine arrangement that enables an improved connection to downstream components of the drive train of an electrically drivable motor vehicle.
  • the type of connection reduces the forces acting on the electrical machine from the outside. This enables a filigree, space-saving and economical construction of the machine arrangement, which ensures the required positioning accuracy within the arrangement.
  • Figure 1 shows an electrical machine arrangement according to the invention in a first possible embodiment in an axial section in a schematic representation
  • Figure 2 shows an electrical machine arrangement according to the invention in a second possible embodiment in an axial section in a schematic representation
  • Figure 3 shows an electrical machine arrangement according to the invention in a third possible embodiment in an axial section in a schematic representation
  • Figure 4 shows an electrical machine arrangement according to the invention in a fourth possible embodiment in an axial section in a schematic representation
  • FIG. 5 shows an electrical machine arrangement according to the invention in a fifth possible embodiment in an axial section in a schematic representation
  • FIG. 6 shows an electrical machine arrangement according to the invention in a sixth possible embodiment in an axial section in a schematic representation
  • FIG. 7 a detail of an electrical machine arrangement according to the invention in a further possible embodiment in an axial section in a schematic representation
  • FIG. 8 shows an electrical machine arrangement according to the invention with an electrical machine designed as a radial flux machine in a possible embodiment in an axial section in a schematic representation
  • FIG. 9 shows an electrical machine arrangement according to the invention in a further embodiment with an electrical machine designed as a radial flux machine in an axial section in a schematic representation.
  • All drawing figures, FIGS. 1-7, show different configurations of the invention using the example of differently designed axial flow machines—although the invention is not limited to axial flow machines, but rather can also be used in radial flow machines.
  • FIGS. 1-4 show exemplary embodiments of an electrical machine arrangement 1 with an electrical machine 2, the rotor 4 of an electrical machine 2 constructed in an I arrangement or in an H arrangement and designed as an axial flux machine being mounted directly on the stator 3.
  • FIGS. 5-6 Machine arrangements 1 with electrical machines 2 designed as axial flow machines are shown in FIGS. 5-6, in which the rotor 4 is mounted in side walls of the housing 7 in each case.
  • a detail of the machine arrangement 1 in FIG. 7 shows a torque support 8 of the stator 3 on the housing 7, through which a further length compensation is achieved.
  • FIGS. 8 and 9 two approaches adapted to the radial flux machine are shown as representative of the other approaches that were explained exclusively using the example of the axial flux machine.
  • FIG. 1 shows an electrical machine arrangement 1 in a first possible embodiment in an axial section in a schematic representation.
  • the electrical machine arrangement 1 shown comprises two electrical machines 2 arranged next to one another in a common housing 7 and designed as axial flux motors in an H-arrangement.
  • the stators 3 of the electrical machines 2 are fastened to the housing 7 so as to be non-rotatable and preferably non-displaceable radially on the outside and carry a bearing point radially on the inside 611, 612 (consisting of two angular ball bearings in an O arrangement) via which the respective rotor 4 is mounted on the respective stator 3.
  • each rotor 4 comprises a section similar to a hollow shaft, which is connected to the respective stator 3 via the bearing point 611 , 612 and which is adjoined on the right and left by disk-shaped sections of the rotor 4 , which extend radially outward next to the stator 3 .
  • a stator 3 and the The two disc-shaped sections of a rotor 4 are the air gaps through which the axial magnetic flux of the motor runs.
  • a measuring surface is provided on the disc-shaped rotor section that faces away from the other electrical machine 2 in each case, which can be detected and evaluated by the rotor position sensor 20 attached to the housing 7 .
  • Both coupling elements 110 are each connected via a spline to a drive shaft Output element 100 connected.
  • the output shafts are each mounted via a further bearing point 621, 622 in the lateral walls of the housing 7 of the electrical machine.
  • a grounding ring 21 is provided between the coupling element 110 and the housing 7 , via which the currents induced in the rotor 4 can be discharged into the housing 7 .
  • Each output shaft is mounted in a side wall of the housing 7, through which it protrudes from the space in which the motors are located into the space in which their associated gear is located. In order to separate these two spaces from each other in an oil-tight manner, the shaft is sealed in the housing wall with a radial shaft seal.
  • the gearing is indicated in the figure by a toothed step 22 in each case.
  • the housing 7 is designed to be divided axially in the middle, as a result of which simplified assembly of the electrical machine arrangement 1 is achieved.
  • FIG. 2 shows an electrical machine arrangement 1 according to the invention in a second possible embodiment in an axial section in a schematic representation.
  • FIG. 2 shows that the axially flexible, torque-transmitting connection concept presented in FIG. 1 with electrical machines 2 designed as axial flux motors in an H arrangement can also be transferred to electrical machines 2 in an I arrangement.
  • two stators 3 each, each with two stator halves arranged in a stator housing and each receiving a rotor 4 in their center, are fastened radially on the outside to the housing 7 and each carry a bearing point 611, 612 radially on the inside, on which the rotor shaft W opposite Stator 3 or the stator housing is mounted.
  • each bearing point 611 , 612 which is located radially on the inside of one of the stator halves of a stator 3 , consists of an angular ball bearing that forms an O arrangement together with the second angular ball bearing on the second stator half 3 .
  • the rotor 4 is fixed to the rotor shaft W in each case and consists of a disc-shaped section which extends radially outwards between the two stator halves of a stator 3 .
  • the air gaps through which the axial magnetic flux of the electrical machine 2 runs are located between the two stator halves of a stator 3 and the rotor 4 .
  • the rotors 4 of the electrical machines 2 shown in Figure 2 transmit the torques caused by the magnetic springs of the motors to the rotor shaft (sections) W.
  • the rotor shaft W is connected to the output element 100 or the downstream element via leaf springs 51 Aggregate of the drive train, such as a transmission connected.
  • the rotor shaft W is connected via a spline to a coupling element 110, to which a plurality of leaf spring assemblies 51 distributed over the circumference are fastened.
  • Each leaf spring assembly 51 extending approximately tangentially (in the circumferential direction) is attached (eg riveted) with its other end region of the tangential extent to a connecting flange attached (eg welded) to the output shaft.
  • the leaf spring assembly shown in FIG. 2 is shown turned by about 90° in the figure for a better overview, in order to be able to show the two connection points of the leaf spring assembly 51 in the sectional plane of FIG. In a real structure, however, a tangential alignment of the leaf springs makes more sense.
  • the spline between the rotor shaft W of the electrical machine 2 and the coupling element 110 represents a simple assembly interface for the electrical machine 2.
  • the common housing 7 of the two electrical machines 2 can be divided in the middle, so that the motors , after the transmission has already been installed and tested in its housing area behind the side wall, can be inserted laterally into the housing half.
  • the motor is inserted into the housing half, the two spline contours of the coupling element 110 and the rotor shaft W are pushed into one another and a positive connection is thus created.
  • a rotor position sensor 20 is placed at one bearing of the rotor shaft W on the left motor and a grounding ring 21 at the other bearing.
  • the rotor shaft W is welded to a connecting disk (coupling element 110), which forms the measuring surface for the rotor position sensor 20.
  • the connecting disk is also used to transmit torque between the motor and the output element 100 (gear).
  • a corrugated tube 52 eg metal bellows
  • a connecting element 111 connected (eg welded) to the drive shaft (output element 100).
  • This corrugated tube 52 is arranged concentrically to the rotor axis of the electrical machine 2 and is welded to the connecting disk on one side and to a connecting ring 112 on the other side.
  • the connecting ring 112 is screwed to the connecting element 111 by a plurality of radially arranged screws. Even after the electrical machine 2 has been installed in the housing 7, the screws are accessible through radial openings in the housing 7 that can be closed with covers.
  • the corrugated tube 52 is elastic in the axial direction and sufficiently torsionally rigid in the circumferential direction. Like the leaf springs 51 described above and the flexplate 53 described below, the corrugated tube 52 is a possible embodiment for an axially soft but torque-transmitting connection.
  • FIG. 3 and FIG. 4 each show an electrical machine arrangement 1 according to the invention in a third or fourth possible embodiment in an axial section in a schematic representation.
  • Figures 3 and 4 show two exemplary embodiments in which the axially soft but torque-transmitting connecting element - also referred to as an axially elastic length compensation element 5 within the scope of the invention - is arranged on the side of the electrical machine 2 facing away from the transmission or the output element 100.
  • an axially elastic length compensation element 5 designed as a flexplate or as an annular disk 53 is fastened radially on the outside. For this purpose, centering and riveting points are distributed over the circumference of the rotor 4 .
  • the flexplate is connected (riveted) to a hub (coupling element 110) radially on the inside, which is connected to the output element 100 (transmission input shaft) designed as a drive shaft via a positive connection (spline).
  • the flexplate is a concentric to the axis of rotation
  • the thin disk arranged on the electrical machine 2 e.g. a thin sheet metal disk made of spring steel or a package of several thin sheet metal disks lying one on top of the other), which is located radially on the outside at several points distributed on the circumference on one component and radially on the inside at several points distributed on the circumference on one component other component is attached.
  • the flexplate can transmit torque from radially outside to radially inside and vice versa, at the same time, due to its thin, flat shape, the flexplate is axially soft in the direction of the axis of rotation of the electrical machine 2 (orthogonal to the sheet metal plane of the flexplate) and can thus accommodate axial displacements between the electrical machine 2 and the output element 100 balance.
  • the stator 3 of the electrical machine 2 is fastened to the housing 7 and the rotor 4 is rotatably mounted on the stator 3.
  • Figure 3 shows an embodiment in which the transmission input shaft is supported radially and axially on one side with a bearing 622 on the lateral housing wall of the housing 7 and on the other side additionally radially via the hub (or the coupling element 110) and the flexplate (Annular disk 53) can be supported radially on the rotor 4 of the electric machine 2. Since the axial distance between the flexplate and the bearing 622 supporting the transmission input shaft on the housing wall is large, small axial offset errors between the transmission and the rotor 4 of the electric machine 2 can be compensated for by a slight misalignment of the output element 100 designed as a drive shaft.
  • the exemplary embodiment from FIG. 4 is very similar to that from FIG.
  • FIG. 5 shows an electrical machine arrangement 1 according to the invention in a fifth possible embodiment in an axial section in a schematic representation.
  • FIG. 5 shows that even in the case of electrical machines 2 whose rotor 4 is not mounted directly on the stator 3, an axially soft, torque-transmitting connection to the downstream components of the drive train is possible.
  • FIG. 5 shows an axial flux motor in an H arrangement, the rotor 4 of which is mounted on the right and left on or in the side walls of the housing 7 via bearing points 631, 632. So that the deformations caused by the transmission and/or other assemblies of the drive train (e.g. a vehicle wheel) connected to the electric machine 2 do not have a negative effect on the electric machine 2, not only the shaft has to be supported with this type of bearing of the rotor 4 but also the side wall of the housing 7, on which the rotor 4 is supported, can be considered.
  • the transmission and/or other assemblies of the drive train e.g. a vehicle wheel
  • a separate support wall 71 was provided for the transmission, which is bolted to the side of the housing 7 . Since the transmission now supports its axial forces on its own support wall 71 and does not transmit the axial forces to the same housing side wall on which the rotor 4 is mounted, no unwanted constraining forces and/or displacements are transmitted from the housing side wall to the rotor 4.
  • the transmission input shaft or the output element 100 is again connected to the rotor 4 via leaf springs 51 (as already shown in FIG. 1), so that displacements of the shaft do not have a negative effect on the rotor 4 either.
  • the separate support wall 71 for the transmission also has the advantage that this wall can be made from a different material than the rest of the transmission or the housing 7. It is thus possible, for example, to produce the support wall 71 from steel in order to achieve the high modulus of elasticity to reduce the deformations and to make the other housing components from aluminum to save weight.
  • FIG. 5 shows, by way of example, that in the exemplary embodiments presented here there is space radially on the inside in order to insert a separate shaft through the electrical machine arrangement 1 described here. This is particularly useful for e-axles, where torque is to be transmitted from a gearbox arranged on one side of the e-motor to both wheels of the vehicle.
  • FIG. 6 shows an electrical machine arrangement 1 according to the invention in a sixth possible embodiment in an axial section in a schematic representation.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment in which the electric machine 2 is not only protected against axial displacements of the neighboring components, but also axis offset and angular errors between the electric machine 2 and a unit of the drive train receiving the torque of the electric machine 2 can be compensated.
  • the difference between the embodiment shown in FIG. 5 and the embodiment shown in FIG Rotor 4 is running. According to FIG.
  • the rotor 4 is connected to a connecting sleeve 113 via a first axially flexible, torque-transmitting connection point (or via a first axially elastic length compensation element 5).
  • This connecting sleeve 113 is then connected to the transmission input shaft (output element 100) via a second axially flexible, torque-transmitting connection point (or via a second axially elastic length compensation element 5).
  • the connecting sleeve 113 between the two axially elastic length compensation elements 5 slightly inclined relative to the axis of rotation of the rotor 4 and / or to the axis of rotation of the transmission input shaft (of the output element 100). Due to the inclined position of the connecting sleeve 113 in relation to one or both neighboring systems, the connecting sleeve 113 can compensate for angular errors, axis offsets and wobbling movements of the neighboring systems.
  • FIG. 7 shows a detail of an electrical machine arrangement 1 according to the invention in a further possible embodiment in an axial section in a schematic representation.
  • the stator 3 is supported in the direction of rotation with the interposition of a further length compensation element—here in the form of a torque support 8—and is connected to the housing 7 in an at least axially movable manner relative to the housing 7 .
  • the torque support 8 is designed as an extension 81 fixed in a wall of the housing 7 and extending in the axial direction parallel to the axis of rotation of the electric machine 2, which is guided in certain areas in a corresponding receptacle 30 in the body or in the housing of the stator 3.
  • the extension 81 designed as a pin is movably mounted in the region of its guide, in the corresponding receptacle 30 for the axial compensation, via an elastomer or other spring means.
  • a supply line 9 is shown, which is supplied to the stator housing from above through the housing wall—for example, in order to supply it with cooling liquid.
  • the supply line 9 is designed to be elastic in some areas, which is illustrated here by a section designed as a corrugated tube. As a result, the supply line can also compensate for the undesired movements between the stator 3 and the housing 7 and help to avoid voltages occurring within the electrical machine 2 .
  • FIG. 8 shows an electrical machine arrangement 1 according to the invention with an electrical machine 2 designed as a radial flow machine in a possible embodiment in an axial section in a schematic representation.
  • the embodiment shown here with a radial flux machine essentially corresponds in terms of design and functionality to the embodiment shown in FIG. 5 with an axial flux machine.
  • FIG. 8 shows a radial flux motor whose rotor 4 is mounted on the right and left on or in the side walls of the housing 7 via bearing points 631, 632. So that the deformations caused by the transmission and/or other assemblies of the drive train (e.g.
  • the separate support wall 71 for the transmission also has the advantage that this wall can be made from a different material than the rest of the transmission or the housing 7. It is thus possible, for example, to produce the support wall 71 from steel in order to achieve the high modulus of elasticity to reduce the deformations and to make the other housing components from aluminum to save weight.
  • FIG. 8 shows, by way of example, that in the exemplary embodiments presented here there is space radially on the inside in order to insert a separate shaft through the electrical machine arrangement 1 described here. This is particularly useful for e-axles, where torque is to be transmitted from a gearbox arranged on one side of the e-motor to both wheels of the vehicle. The transmission of torque from the transmission to the wheel arranged on the other side of the electric motor can then take place via this separate shaft inserted through the electric motor radially on the inside.
  • FIG. 9 shows an electrical machine arrangement 1 according to the invention in a further embodiment with an electrical machine 2 designed as a radial flux machine in an axial section in a schematic representation.
  • the embodiment shown here with a radial flux machine essentially corresponds to the embodiment shown in FIG. 6 with an axial flux machine in terms of basic design and functionality.
  • FIG. 9 shows an electrical machine arrangement 1 according to the invention in a further possible embodiment with an electrical machine 2 designed as a radial flux machine in an axial section in a schematic representation.
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment in which the electrical machine 2 is not only protected against axial displacements of the neighboring components, but also against axial displacement and angular errors can be compensated between the electric machine 2 and the torque of the electric machine 2 receiving assembly of the drive train.
  • two axially elastic length compensation elements 5 are used instead of just one axial length compensation element 5.
  • two axially elastic length compensation elements 5 are connected in series between the rotor 4 and the output element 100 and are connected via a connector ring.
  • the rotor 4 is connected to a connector ring 114 via a first axially soft, torque-transmitting connection point (or via a first axially elastic length compensation element 5 in the form of an annular disk 53 (flexplate)).
  • This connector ring 114 is then connected to the transmission input shaft (output element 100) via a second axially flexible, torque-transmitting connection point (or via a second axially elastic length compensation element 5—here in the form of a leaf spring assembly 51). Since the axially elastic length compensation elements 5 can not only compensate for axial deformations, but also for an angular offset between the two axes of rotation of the adjacent assemblies, the connector ring 114 between the two axially elastic length compensation elements 5 can tilt slightly relative to the axis of rotation of the rotor 4 and/or to the axis of rotation of the Transmission input shaft (of the output element 100).
  • the connector ring 114 Due to the inclined position of the connector ring 114 in relation to one or both neighboring systems, the connector ring 114 can compensate for angular errors, axis offsets and wobbling movements of the neighboring systems.
  • the transmission with its transmission input shaft is only to be understood here as an example of a unit of the drive train that absorbs the torque of the electric machine 2 .
  • the functional principle described here also works when the electrical machine 2 is connected to another unit or to another element.
  • the other solutions shown for axial flux machines can also be transferred to the radial flux machine, as is the case here using two example solutions transferred to the radial flux machine.
  • the axially elastic length compensation elements 5, 51, 52, 53 shown in the exemplary embodiments are always only shown as examples for elements with these properties. In all of the exemplary embodiments, differently designed elements can always be used, for example leaf springs 51, annular disks 53 (flex plates) or corrugated bellows or corrugated tubes 52.
  • the design of the elastic, torque-transmitting elements is not limited to the three exemplary embodiments.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschinenanordnung (1), umfassend eine elektrische Maschine (2) für den Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit einem Stator (3) und mit einem Rotor (4) sowie umfassend ein in drehfestem Kontakt mit dem Rotor (4) stehendes Abtriebselement (100). Gemäß der Erfindung ist zwischen der elektrischen Maschine (2) und dem Abtriebselement (100) ein axialelastisches Längenausgleichselement (5) zur Übertragung eines Drehmoments angeordnet.

Description

Elektrische Maschinenanordnunq
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschinenanordnung, umfassend eine elektrische Maschine für den Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit einem Stator und mit einem Rotor sowie ein in drehfestem Kontakt mit dem Rotor stehendes Abtriebselement.
Bei Elektromotoren kommt es auf eine sehr genaue Ausrichtung der vom Magnetfeld durchströmten Teile an, da bereits geringe Positionsabweichungen der Teile untereinander den magnetischen Fluss (beispielsweise durch veränderte Luftspalte) nennenswert beeinflussen können. Daher ist es wichtig die mechanische Struktur des Elektromotors ausreichen robust zu gestalten, um die notwendige exakte Ausrichtung der elektrischen oder magnetischen Teile sicherzustellen. Bei der Ausgestaltung des Rotors und des Stators ist es daher wichtig, dass diese Komponenten weder durch vom Motor selbst hervorgerufene Kräfte noch durch von außen auf den Motor einwirkende Belastungen, oder durch Trägheitskräfte, wie insbesondre die auf den Rotor wirkende Fliehkraft, unzulässig stark verformt werden. Darüber hinaus muss auch die Lagerung des Rotors ausreichend steif sein, um die exakte Ausrichtung von Rotor und Stator zu gewährleisten.
Die Notwendigkeit, die Struktur des Elektromotors besonders steif zu gestalten, steht in der praktischen Ausgestaltung von Elektromotoren für Kraftfahrzeuge häufig im Widerspruch zu den im Fahrzeugbau immer bestehenden Anforderungen nach kompakter Bauweise, geringem Gewicht, hoher Leistungsdichte und geringen Kosten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine elektrischen Maschinenanordnung mit einer elektrischen Maschine bereitzustellen, die eine möglichst kompakt und leicht als auch ausreichend robust ausgebildeten Aufbau ermöglicht. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschinenanordnung, umfassend eine elektrische Maschine für den Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Eine erfindungsgemäß aufgebaute elektrische Maschinenanordnung umfasst eine elektrische Maschine mit einem Stator und mit einem Rotor und umfasst ferner ein in drehfestem Kontakt mit dem Rotor stehendes Abtriebselement. Gemäß der Erfindung ist zur Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Rotor der elektrischen Maschine und dem Abtriebselement ein axialelastisches Längenausgleichselement angeordnet. Hierdurch kann der gewünschte axiale Längenausgleich zielgerichtet und mit entsprechend positiver (Ausgleichs-)Wirkung erreicht werden. Wenn das axialelastische Ausgleichselement zwischen dem Rotor und dem Abtriebselement angeordnet ist, können axiale Verlagerungen zwischen dem Abtriebselement und dem Stator der elektrischen Maschine in dem axialelastischen Element ausgeglichen werden, ohne dass die axialen Verlagerungen des Abtriebselementes auf den Rotor übertragen werden. Wäre dies nicht der Fall, würden die Verlagerungen des Abtriebselementes zu einer axialen Verlagerung des Rotors relativ zum Stator oder zu einer Verformung des Rotors und/oder des Stators führen. Es wird hierdurch verhindert, dass ungewollte Verlagerungen oder Verformungen in der elektrischen Maschine auftreten, welche sich negativ auf die Eigenschaften der elektrischen Maschine auswirken würden.
Anstatt alle tragenden Komponenten besonders steif, robust und groß auszuführen, ist es meist sinnvoller an geeigneten Stellen durch Zusatzmaßnahmen oder zusätzliche Bauteile dafür zu sorgen, dass die Belastung für die benachbarten Teile reduziert wird. Es wird daher eine drehmomentübertragendes Längenausgleichselement für die Verbindung zwischen einer elektrischen Maschine (z.B. einem Axialflussmotor) und einem mit der elektrischen Maschine verbundenen Aggregat des Antriebstranges (z.B. einem Getriebe oder dergleichen) vorgeschlagen. Durch die axial weiche, aber drehmomentübertragende Verbindung wird verhindert, dass axiale Kräfte und/oder axiale Verlagerungen, die von einem Getriebe oder einem anderen Aggregat des Antriebstranges hervorgerufen werden, direkt auf die Struktur der elektrischen Maschine übertragen werden. Diese Anbindung reduziert die von außen auf die elektrische Maschine einwirkenden Kräfte und ermöglicht dadurch auch eine filigranere, bauraumsparendere und günstigere Konstruktion einer elektrischen Maschine, bei der die erforderlichen Positioniergenauigkeiten dennoch gewährleistet sind. Das axialelastische Längenausgleichselement kann im Sinne der Erfindung durch ein aufgrund seines elastischen Materials axialelastisch ausgebildetes Bauteil oder durch ein in axialer Richtung beweglich angeordnetes bzw. geführtes (auch selbst als nicht-elastisches Teil ausgebildetes) Bauteil gebildet sein. Dabei kann das in axialer Richtung beweglich angeordnete Bauteil auch über ein Federelement in axialer Richtung federkraftbeaufschlagt sein oder selbst aus einem Material gebildet sein, wodurch eine axialelastische bzw. axialbewegliche Wirkung erzielbar ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz oder nach ihrer Relevanz im Hinblick auf die Erfindung erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken. Das Gehäuse umhaust die elektrische Maschine. Ein Gehäuse kann darüber hinaus auch die Steuer- und Leistungselektronik aufnehmen. Das Gehäuse kann darüber hinaus auch Bestandteil eines Kühlsystems für die elektrische Maschine sein und derart ausgebildet sein, dass Kühlfluid über das Gehäuse der elektrischen Maschine zugeführt werden kann und/oder die Wärme über die Gehäuseflächen nach außen abgeführt werden kann. Darüber hinaus schützt das Gehäuse die elektrische Maschine sowie die ggf. vorhandene Elektronik vor äußeren Einflüssen.
Der Stator einer Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Durch diesen Aufbau werden die durch das Statorfeld verursachten Wirbelströme im Stator geringgehalten. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten oder umfänglich geschlossene Ausnehmungen eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. In Abhängigkeit von der Konstruktion zur Oberfläche hin können die Nuten mit Verschlusselementen, wie Verschlusskeilen oder Deckeln oder dergleichen verschlossen sein, um ein Herauslösen der Statorwicklung zu verhindern.
Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine. Insbesondere wird von einem Rotor gesprochen, wenn es auch einen Stator gibt. Der Rotor umfasst in der Regel eine Rotorwelle und einen oder mehrere drehfest auf der Rotorwelle angeordnete Rotorkörper. Die Rotorwelle kann auch hohl ausgeführt sein, was zum einen eine Gewichtsersparnis zur Folge hat und was zum anderen die Zufuhr von Schmier- oder Kühlmittel zum Rotorkörper erlaubt.
Als Luftspalt wird der zwischen dem Rotor und dem Stator existierende Spalt bezeichnet. Bei einer Radialflussmaschine ist das ein sich axial erstreckender kreisringförmiger Spalt mit einer radialen Breite, die dem Abstand zwischen Rotorkörper und Statorkörper entspricht. Der magnetische Fluss in einer elektrischen Axialflussmaschine, wie beispielsweise eine als Axialflussmaschine ausgebildete elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, ist im Luftspalt zwischen Stator und Rotor axial, parallel zur Rotationsachse der elektrischen Maschine gerichtet. Der gebildete Luftspalt bei einer Axialflussmaschine ist somit im Wesentlichen ringscheibenförmig ausgebildet. Der magnetische Fluss in einer elektrischen Axialflussmaschine, wie beispielsweise eine als Axialflussmaschine ausgebildete elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, ist im Luftspalt zwischen Stator und Rotor axial, parallel zur Rotationsachse der elektrischen Maschine gerichtet. Axialflussmaschinen werden unter anderem mit Blick auf Ihren Ausbau unterschieden in Axialflussmaschinen in (-Anordnung und in Axialflussmaschinen in H-Anordnung. Unter einer Axialflussmaschine in I-Anordnung wird eine elektrische Maschine verstanden, bei der eine einzelne Rotorscheibe der elektrischen Maschine zwischen zwei Statorhälften eines Stators der elektrischen Maschine angeordnet und über diese mit einem elektromagnetischen Drehfeld beaufschlagbar ist. Unter einer Axialflussmaschine in H-Anordnung wird eine elektrische Maschine verstanden, bei der zwei Rotorscheiben eines Rotors der elektrischen Maschine in dem axial zwischen sich befindlichen Ringraum einen Stator der elektrischen Maschine aufnehmen, über den die beiden Rotorscheiben mit einem elektromagnetischen Drehfeld beaufschlagbar sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das axialelastische Längenausgleichselement derart ausgebildet ist, dass in Rotationsrichtung zur Übertragung des Drehmoments eine spielfreie Kraftübertragung gewährleistet ist. Hierdurch kann stets eine unmittelbare zeitlich unverzögerte Kraftübertragung auf das mit dem Rotor gekoppelte Abtriebselement gewährleistet werden.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das axialelastische Ausgleichselement durch mindestens eine Blattfeder oder ein Blattfederpaket - insbesondere eine Mehrzahl umfänglich verteilt angeordneter Blattfedern oder Blattfederpaketen - gebildet ist oder durch ein Wellrohr gebildet ist oder durch eine Ringscheibe gebildet ist. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltungen eines Längenausgleichselements ist darin begründet, dass mit konstruktiv einfachen Mitteln höchst effiziente Mittel für einen axialen Längenausgleich zwischen elektrischer Maschine und einem Abtriebselement oder zwischen dem Stator einer elektrischen Maschine und einer abstützenden Komponente, wie einem Gehäuse oder dergleichen, realisierbar sind. Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass für den Fall, dass das axialelastische Längenausgleichselement durch mindestens eine umfänglich angeordnete oder eine Mehrzahl umfänglich verteilt angeordneter Blattfedern oder mindestens ein Blattfederpaket o- der eine Mehrzahl umfänglich verteilt angeordneter Blattfederpakete ausgebildet ist, und diese derart angeordnet und befestigt sind, dass in der Umfangsrichtung gesehen, in der die elektrische Maschine im Betrieb das größere Drehmoment auf das Abtriebselement überträgt, die Befestigungsstelle einer Blattfeder oder eines Blattfederpakets an der dem Rotor zugekehrten Seite umfänglich gesehen vor der Befestigungsstelle derselben Blattfeder oder desselben Blattfederpakets an der dem Abtriebselement zugekehrten Seite liegt, so dass das größere Drehmoment in Form einer tangentialen Zugkraft über das axialelastische Längenausgleichselement auf das Abtriebselement übertragbar ist. Dadurch, dass die Blattfedern so angeordnet werden, dass in der Umfangsrichtung gesehen, in der der Motor im Betrieb das größere Moment auf die nachgelagerten Bauteile überträgt, die Befestigungsstelle der Blattfedern am Rotor vor den Befestigungsstellen der selben Blattfedern an der Welle angeordnet werden, kann das größte Drehmoment des Motors in Form einer tangentialen Zugkraft sehr effizient über die Blattfedern auf die Welle oder ein mit der Welle verbundenes Bauteil übertragen werden. In der anderen Umfangsrichtung, in der der Motor das geringere Drehmoment liefert, übertragen die Blattfedern dann dieses Drehmoment durch Druckkräfte. Durch die längliche schlanke Form der Blattfedern, sind die maximal in den Blattfedern in Längsrichtung übertragbaren Druckkräfte durch das Ausknicken der Blattfedern limitiert. Dieses Problem der Blattfedern tritt bei Zugbelastung nicht auf und wird durch die vorgeschlagene Anordnung der Blattfedern verhindert.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die elektrische Maschinenanordnung ein Gehäuse zur Aufnahme der elektrischen Maschine aufweist, wobei das Gehäuse, die den Stator abstützende Komponente bildet und der Stator zumindest drehfest innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und wobei der Rotor drehbar am Gehäuse gelagert ist. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass die Abstützkräfte des Rotors direkt in das Gehäuse eingeleitet werden und nicht über den Stator übertragen werden müssen. Die mechanische Struktur des Stators wird so weniger stark belastet und die tragenden Elemente des Stators können so leichter, günstiger und platzsparender ausgeführt werden.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die elektrische Maschinenanordnung ein Gehäuse zur Aufnahme der elektrischen Maschine aufweist, wobei der Stator drehfest innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und wobei der Rotor drehbar am Stator gelagert ist. Hierdurch kann eine weitere Optimierung des Bauraums erreicht werden. Wenn der Rotor direkt am Stator gelagert ist, ergibt sich eine sehr kurze Toleranzkette zwischen den Komponenten des Stators und des Rotors. Dadurch kann ohne aufwendige nachträgliche Justiervorgänge während der Montage eine genaue Ausrichtung aller magnetisch relevanter Komponenten der elektrischen Maschine erzielt werden. Zudem wir der Elektromotor nicht durch Veränderungen des Gehäuses, wie sie im Betreib des Fahrzeugs beispielsweise durch Wärmedehnungen oder elastische Verformungen auftreten können negativ beeinflusst.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Rotor über ein erstes axialelastisches Längenausgleichselement und ein mit dem ersten axialelastischen Längenausgleichselement bezüglich des Momentenflusses in Reihe geschaltetes zweites axialelastisches Längenausgleichselement an das bzw. ein Abtriebselement angebunden ist. Der Vorteil, der sich hierdurch realisieren lässt, ist, dass die auszugleichenden Kräfte innerhalb der elektrischen Maschinenanordnung auf unterschiedliche Stellen innerhalb der Maschine aufgeteilt werden können. Dies hat ein verbessertes Ausgleichsverhalten zur Folge und ist auch mit Blick auf eine bauraumoptimierte Konstruktion von Vorteil. Dabei können die bezüglich ihrer axialelastischen bzw. axialbeweglichen Eigenschaften in Serie geschalteten axialelastischen Längenausgleichselemente unmittelbar hintereinander angeordnet sein oder aber räumlich beabstandet angeordnet sein - so z.B. auf unterschiedlichen Seiten einer in I-Anordnung aufgebauten Axialflussmaschine an die beiden axial beabstandeten Rotorhälften angebunden sein. Dadurch, dass die beiden axialelastischen Längenausgleichselemente in zwei axial beabstandeten Ebnen angeordnet sind, und durch ein drehmomentübertragendes Verbindungselement miteinander gekoppelt sind, dass sich um eine Achse orthogonal zur Drehachse neigen kann, kann durch diesen Aufbau nicht nur eine axialer Versatz oder eine axiale Bewegung zwischen dem Rotor und dem Abtriebselement ausgeglichen werden, sondern auch ein radialer Versatz oder eine radiale Bewegung. Die axialelastischen Elemente ermöglichen dabei einen Winkelversatz zwischen der Drehachse des Rotors und der Drehachse des Verbindungselementes, sowie zwischen der Drehachse des Verbindungselementes und der Drehachse des Abtriebselements.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass ein weiteres axialelastisches Längenausgleichselement vorgesehen ist, welches dann zwischen dem Stator und der den Stator abstützenden Komponente, insbesondere zwischen dem Stator und einem Gehäuse der elektrischen Maschine angeordnet ist, wodurch ein zusätzlicher Längenausgleich im Antriebsstrang eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs realisierbar ist. Hierdurch wird eine weitere Möglichkeit zum Ausgleich von ungewollten und aufgrund von Toleranzen und/oder temperaturbedingten Materialvolumenveränderungen auftretenden axialen Bewegungen aber auch radialen Bewegungen erreicht. Dabei kann das Längenausgleichselement als sich in axialer Richtung oder in radialer Richtung erstreckender Fortsatz ausgebildet sein, der bereichsweise in einer korrespondierenden Ausnehmung geführt angeordnet ist, wobei der Fortsatz entweder am Stator o- der an der den Stator abstützenden Komponente angebunden ist und wobei die korrespondierende Ausnehmung in der abstützenden Komponente oder im Stator ausgebildet ist. Mit Vorteil ist der Fortsatz als Stift ausgebildet und im Bereich seiner Führung in der für den axialen Ausgleich korrespondierenden Aufnahme über ein Elastomer oder andere Federmittel kraftbeaufschlagt beweglich gelagert.
Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine als Axialflussmaschine ausgebildet ist. Durch ihre meist scheibenförmige Bauweise (axiale Länge des Motors geringer als der Motordurchmesser) und durch die orthogonal zur Axialrichtung ausgerichtete Luftspalte zwischen Rotor und Stator sind Axialflussmaschinen besonders empfindlich gegen von außen auf sie einwirkende axialen Kräfte oder axiale Verlagerungen, die den Rotor relativ zum Stator verlagern wollen. Die scheibenförmige Bauweise führt tendenziell immer zu eher axialweichen Rotorstrukturen und die orthogonal zur Axialrichtung ausgerichtete Luftspalte führen dazu, dass sich bereits geringe axiale Formabweichungen stark auf die Effizienz der elektrischen Maschine negativ auswirken. Die vorgeschlagenen axialeleatischen Längenausgleichselemente, die eine elektrische Maschine vor von außen auf sie einwirkenden axialen Kräften oder Verlagerungen schützen können, sind daher für Axialflussmaschinen besonders sinnvoll.
Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass die elektrische Maschinenanordnung eine erste als Axialflussmaschine ausgebildete elektrische Maschine und eine zweite als Axialflussmaschine ausgebildete elektrische Maschine in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet aufweist, wobei der Rotor der ersten elektrischen Maschine auf der einen axialen Seite der Maschinenanordnung über ein erstes axialelastisches Element ein erstes Abtriebselement antreibt und wobei der Rotor der zweiten elektrischen Maschine auf der gegenüberliegenden axialen Seite der Maschinenanordnung über ein zweites axialelastisches Element ein zweites Abtriebselement antreibt. Durch diese bevorzugte Ausgestaltung kann eine bauraum- und gewichtsoptimierte Anordnung eines Zwillingsmotors - beispielsweise für unabhängigen gleichzeitigen den Antrieb zweier Räder einer Fahrzeugachse - bereitgestellt werden.
Mit Vorteil kann das Abtriebselement als Welle ausgebildet und drehbar in der als Gehäuse ausgebildeten abstützenden Komponente gelagert sein, wodurch eine mit Blick auf die Verteilung der auszugleichenden Kräfte optimierte Konstruktion ermöglicht ist. Wenn die elektrische Maschine und das Abtriebselement, beispielsweise ausgeführt als eine Welle, an derselben Komponente abgestützt werden, ist es besonders einfach eine exakte Ausrichtung der elektrischen Maschine und des Abtriebselementes sicherzustellen. Zudem ist eine Funktionsintegration, indem eine abstützende Komponente, beispielsweise ein Gehäuse, mehrere Komponenten abstützt und miteinander verbindet, eine besonders kompakte, robuste und wirtschaftliche Lösung. Insgesamt wird durch die Erfindung und ihre aufgezeigten Weiterbildungen eine elektrische Maschinenanordnung aufgezeigt, durch die eine verbesserte Anbindung an nachgelagerte Komponenten des Antriebsstrangs eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs ermöglicht ist. Insbesondere werden durch die Art der Anbindung, die von außen auf die elektrische Maschine einwirkenden Kräfte reduziert. Dies ermöglicht einen filigranen, bauraumsparenden und günstigen Aufbau der Maschinenanordnung, der die erforderlichen Positioniergenauigkeiten innerhalb der Anordnung gewährleistet.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Auch wenn die Erfindung vorrangig am Beispiel von Axialflussmaschinen veranschaulicht ist, so sind die vorgestellten Lösungen ebenso auf Radialflussmaschinen übertragbar.
Es zeigen:
Figur 1 eine elektrische Maschinenanordnung gemäß der Erfindung in einer ersten möglichen Ausführungsform in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung,
Figur 2 eine elektrische Maschinenanordnung gemäß der Erfindung in einer zweiten möglichen Ausführungsform in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung, Figur 3 eine elektrische Maschinenanordnung gemäß der Erfindung in einer dritten möglichen Ausführungsform in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung,
Figur 4 eine elektrische Maschinenanordnung gemäß der Erfindung in einer vierten möglichen Ausführungsform in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung,
Figur 5 eine elektrische Maschinenanordnung gemäß der Erfindung in einer fünften möglichen Ausführungsform in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung,
Figur 6 eine elektrische Maschinenanordnung gemäß der Erfindung in einer sechsten möglichen Ausführungsform in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung,
Figur 7 ausschnittsweise eine elektrische Maschinenanordnung gemäß der Erfindung in einer weiteren möglichen Ausführungsform in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung,
Figur 8 eine elektrische Maschinenanordnung gemäß der Erfindung mit einer als Radialflussmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine in einer möglichen Ausführungsform in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung, und
Figur 9 eine elektrische Maschinenanordnung gemäß der Erfindung in einer weiteren Ausführungsform mit einer als Radialflussmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung. Alle Zeichnungsfiguren, Figur 1 -7, zeigen verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung am Beispiel unterschiedlich ausgebildeter Axialflussmaschinen - wenngleich die Erfindung nicht auf Axialflussmaschinen beschränkt ist, sondern vielmehr ebenfalls bei Radialflussmaschinen Anwendung finden kann.
Die Figuren 1 -4 zeigen Ausführungsbeispiele einer elektrischen Maschinenanordnung 1 mit einer elektrischen Maschine 2, wobei der Rotor 4 einer in I-Anordnung oder in H-Anordnung aufgebauten und als Axialflussmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine 2 unmittelbar auf dem Stator 3 gelagert ist.
In den Figuren 5-6 sind Maschinenanordnungen 1 mit als Axialflussmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen 2 gezeigt, bei denen der Rotor 4 jeweils in Seitenwandungen des Gehäuses 7 gelagert ist.
In Figur 7 wird in einem Ausschnitt der Maschinenanordnung 1 eine Drehmomentabstützung 8 des Stators 3 am Gehäuse 7 gezeigt, durch die ein weiterer Längenausgleich erzielt wird.
In den Figuren 8 und 9 sind stellvertretend für die anderen, ausschließlich am Beispiel der Axialflussmaschine erläuterten Lösungsansätzen, zwei Lösungsansätze adaptiert auf die Radialflussmaschine dargestellt.
Figur 1 zeigt eine elektrische Maschinenanordnung 1 in einer ersten möglichen Ausführungsform in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung. Die gezeigte elektrische Maschinenanordnung 1 umfasst zwei nebeneinander in einem gemeinsamen Gehäuse 7 angeordnete als Axialflussmotoren in H-Anordnung ausgebildete elektrische Maschinen 2. Die Statoren 3 der elektrischen Maschinen 2 sind radial außen dreh- und bevorzugt verschiebefest am Gehäuse 7 befestigt und tragen radial innen eine Lagerstelle 611 , 612 (bestehend aus je zwei Schrägkugellagen in O- Anordnung) über die der jeweilige Rotor 4 auf dem jeweiligen Stator 3 gelagert ist. Jeder Rotor 4 umfasst radial innen einen hohlwellenähnlichen Abschnitt, der über die Lagerstelle 611 , 612 mit dem jeweiligen Stator 3 verbunden ist und an dem sich rechts und links scheibenförmige Abschnitte des Rotors 4 anschließen, die sich neben dem Stator 3 radial nach außen erstrecken. Zwischen einem Stator 3 und den beiden scheibenförmigen Abschnitten eines Rotors 4 befinden sich die Luftspalte, durch die der axiale magnetische Fluss des Motors verläuft. An dem scheibenförmigen Rotorabschnitt, der jeweils der anderen elektrischen Maschine 2 abgewandt ist, ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Messfläche vorgesehen, die von dem am Gehäuse 7 befestigten Rotorlagesensor 20 erfasst und ausgewertet werden kann. Die Rotoren 4, die durch die Magnetfeder der elektrischen Maschine 2 angetrieben werden, übertagen ihr Drehmoment jeweils über ein aus umfänglich verteilt angeordneten Blattfederpaketen 51 ausgebildete axialelastische Längenausgleichselemente 5 jeweils auf ein Koppelelement 110. Beide Koppelelemente 110 sind jeweils über eine Steckverzahnung mit einem als Abtriebswelle ausgebildeten Abtriebselement 100 verbunden. Dabei sind die Abtriebswellen jeweils über eine weitere Lagerstelle 621 , 622 in den seitlichen Wänden des Gehäuses 7 der elektrischen Maschine gelagert.
Darüber hinaus ist bei diesem Ausführungsbeispiel zwischen dem Koppelelement 110 und dem Gehäuse 7 ein Erdungsring 21 vorgesehen, über den in den Rotor 4 induzierte Ströme in das Gehäuse 7 abgeleitet werden können. Jede Abtriebswelle ist in einer Seitenwand des Gehäuses 7 gelagert, durch die sie von dem Raum, in dem sich die Motoren befinden, in den Raum, in dem sich das ihnen zugeordnete Getriebe befindet, hindurchragt. Um diese beiden Räume auch öl-dicht voneinander zu trennen, ist die Welle in der Gehäusewand mit einem Radialwellendichtring abgedichtet. Das Getriebe ist in der Abbildung jeweils durch eine Verzahnungsstufe 22 angedeutet. Das Gehäuse 7 ist axial mittig geteilt ausgebildet, wodurch eine vereinfachte Montage der elektrischen Maschinenanordnung 1 erreicht wird.
Figur 2 zeigt eine elektrische Maschinenanordnung 1 gemäß der Erfindung in einer zweiten möglichen Ausführungsform in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung. Figur 2 zeigt, dass das in Figur 1 mit als Axialflussmotoren in H-Anordnung ausgebildeten elektrischen Maschinen 2 vorgestellte axialweiche drehmomentübertragende Anbindungskonzept auch auf elektrische Maschinen 2 in I-Anordnung übertragbar ist. Bei den Axialflussmotoren in I-Anordnung sind je zwei Statoren 3 mit jeweils zwei in einem Statorgehäuse angeordneten Statorhälften, die in ihrer Mitte je einen Rotor 4 aufnehmen, radial außen am Gehäuse 7 befestigt und tragen radial innen je eine Lagerstelle 611 , 612, an der die Rotorwelle W gegenüber dem Stator 3 bzw. dem Statorgehäuse gelagert ist. Jede Lagerstelle 611 , 612, die sich radial innen jeweils an einer der Statorhälften eines Stators 3 befindet, besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem Schrägkugellager, dass zusammen mit dem zweiten Schrägkugellager an der zweiten Statorhälfte 3 eine O-Anordnung bildet. Der Rotor 4 ist jeweils an der Rotorwelle W befestigt und besteht aus einem scheibenförmigen Abschnitt, der sich zwischen den beiden Statorhälften eines Stators 3 radial nach außen erstreckt. Zwischen dem beiden Statorhälften eines Stators 3 und dem Rotor 4 befinden sich die Luftspalte, durch die der axiale magnetische Fluss der elektrischen Maschine 2 verläuft. Die Rotoren 4 der in Figur 2 gezeigten elektrischen Maschinen 2 übertragen die durch die Magnetfeder der Motoren hervorgerufenen Drehmomente auf die Rotorwellen(abschnitte) W. Bei der links abgebildeten elektrischen Maschine 2 ist die Rotorwelle W über Blattfedern 51 mit dem Abtriebselemet 100 bzw. dem nachgelagerten Aggregat des Antriebsstrangs, wie beispielsweise einem Getriebe, verbunden. Die Rotorwelle W ist bei diesem Ausführungsbeispiel über eine Steckverzahnung mit einem Koppelelement 110 verbunden, an dem mehrere auf dem Umfang verteilte Blattfederpakete 51 befestigt sind. Jedes sich etwa tangential (in Umfangsrichtung) erstreckende Blattfederpaket 51 ist mit seinem andere Endbereich der tangentialen Erstreckung an einem an der Abtriebswelle befestigten (z.B. geschweißten) Verbindungsflansch befestigt (z.B. vernietet). Das in der Abbildung 2 gezeigte Blattfederpaket ist in der Figur zur besseren Übersicht um etwa 90° verdreht dargestellt, um die beiden Verbindungstellen des Blattfederpaketes 51 in der Schnittebene der Figur 2 zeigen zu können. Bei einem realen Aufbau ist jedoch eine tangentiale Ausrichtung der Blattfedern sinnvoller. Bei der linken elektrischen Maschine 2 stellt die Steckverzahnung zwischen der Rotorwelle W der elektrischen Maschine 2 und dem Koppelelement 110, eine einfache Montageschnittstelle für elektrische Maschine 2 dar. Das gemeinsame Gehäuse 7 der beiden elektrischen Maschinen 2 ist in der Mitte teilbar, so dass der Motoren, nachdem bereits das Getriebe in seinen Gehäusebereich hinter der Seitenwand eingebaut und getestet wurde, seitlich in die Gehäusehälfte eingesetzt werden kann. Beim Einsetzen des Motors in die Gehäusehälfte werden die beiden Steck- verzahnungskonturen des Koppelelements 110und der Rotorwelle W ineinandergeschoben und so eine formschlüssige Verbindung geschaffen.
Am linken Motor ist bei einem Lager der Rotorwelle W ein Rotorlagesensor 20 platziert und ein Erdungsring 21 beim anderen Lager. Bei dem rechten Motor von Figur 2 ist die Rotorwelle W mit einer Verbindungsscheibe (Koppelelement 110) verschweißt, die die Messfläche für den Rotorlagesensor 20 ausbildet. Die Verbindungsscheibe dient auch zur Drehmomentübertragung zwischen Motor und Abtriebselement 100 (Getriebe). Dazu ist zwischen der Verbindungscheibe und einem mit der Antriebswelle (Abtriebselement 100) verbundenen (z.B. verschweißten) Verbindungselement 111 ein Wellbalgrohr 52 (z.B. Metallbalg) angeordnet. Dieses Wellbalgrohr 52 ist konzentrisch zur Rotorachse der elektrischen Maschine 2 angeordnet und auf der einen Seite mit der Verbindungsscheibe und auf der anderen Seite an einem Verbindungsring 112 verschweißt. Um eine spielfreie Montageschnittstelle zu schaffen, ist der Verbindungsring 112 mit dem Verbindungselement 111 durchmehrere radial angeordnete Schrauben verschraubt. Die Schrauben sind auch nach der Montage der elektrischen Maschine 2 in das Gehäuse 7 durch mit Deckeln verschließbare radiale Öffnungen im Gehäuse 7 zugänglich. Das Wellbalgrohr 52 ist in axialer Richtung elastisch und in Umfangsrichtung ausreichend torsionssteif ausgebildet. Das Wellbalgrohr 52 ist wie die zuvor beschriebenen Blattfedern 51 und die nachfolgend beschriebene Flexplate 53 eine mögliche Ausgestaltungsform für eine axial weiche, aber drehmomentübertragende Verbindung.
Figur 3 und Figur 4 zeigen jeweils eine elektrische Maschinenanordnung 1 gemäß der Erfindung in einer dritten bzw. vierten möglichen Ausführungsform in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung. Die Figuren 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsbeispiele, bei denen das axial weiche, aber drehmomentübertragende Verbindungselement - im Rahmen der Erfindung auch als axialelastisches Längenausgleichselement 5 bezeichnet - auf der dem Getriebe bzw. dem Abtriebselement 100 abgewandten Seite der elektrischen Maschine 2 angeordnet ist. An der Rückseite, der dem Getriebe abgewandten Rotorhälfte, ist radial außen ein als Flexplate bzw. als Ringscheibe 53 ausgebildetes axialelastisches Längenausgleichselement 5 befestigt. Dazu sind Zentrier- und Vernietungsstellen auf dem Umfang des Rotors 4 verteilt vorgesehen. Radial innen ist die Flexplate mit einer Nabe (Koppelelement 110) verbunden (vernietet), die über eine formschlüssige Verbindung (Steckverzahnung) mit dem als Antriebswelle ausgebildeten Abtriebselement 100 (Getriebeeingangswelle) verbunden ist. Die Flexplate ist ein konzentrisch zur Rotationsachse der elektrischen Maschine 2 angeordnete dünne Scheibe (z.B. eine dünne Blechscheibe aus Federstahl oder ein Paket aus mehreren aufeinander liegenden dünnen Blechscheiben), die radial außen an mehreren auf dem Umfang verteilten Stellen an einem Bauteil und radial innen an mehreren auf dem Umfang verteilten Stellen an einem anderen Bauteil befestigt ist. Die Flexplate kann Drehmoment übertragen von radial außen nach radial innen und umgekehrt, gleichzeitig ist die Flexplate wegen ihrer dünnen ebenen Form in Richtung der Rotationsachse der elektrischen Maschine 2 (orthogonal zur Blechebene der Flexplate) axial weich und kann so axiale Verlagerungen zwischen der elektrischen Maschine 2 und dem Abtriebselement 100 ausgleichen. Bei den Figuren 3 und 4 ist jeweils der Stator 3 der elektrischen Maschine 2 am Gehäuse 7 befestigt und der Rotor 4 auf dem Stator 3 drehbar gelagert.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei der die Getriebeeingangswelle auf der einen Seite mit einem Lager 622 an der seitlichen Gehäusewand des Gehäuses 7 radial und axial abgestützt ist und sich auf der anderen Seite zusätzlich radial über die Nabe (bzw. das Koppelelement 110) und die Flexplate (Ringscheibe 53) radial am Rotor 4 der elektrischen Maschine 2 abstützen kann. Da der axiale Abstand zwischen der Flexplate und dem die Getriebeeingangswelle an der Gehäusewand abstützenden Lager 622 groß ist, können geringe Axialversatzfehler zwischen dem Getriebe und dem Rotor 4 der elektrischen Maschine 2 durch eine leichte Schiefstellung des als Antriebswelle ausgebildeten Abtriebselements 100 ausgeglichen werden. Das Ausführungsbeispiel von Figur 4 ist dem von Figur 3 sehr ähnlich jedoch ist noch zusätzlich ein Nadellager 623 zwischen der Getriebeeingangswelle (Abtriebselement 100) und dem Rotor 4 verbaut. Diese Variante kann kaum Axialversatzfehler ausgleichen und ist daher auf eine sehr genaue Ausrichtung zwischen der elektrischen Maschine 2 und dem Getriebe bzw. dem Abtriebselement 100 angewiesen. Durch das Nadellager 623 können jedoch deutlich größere radiale Abstützkräfte dem Abtriebselement (Getriebewelle) in die elektrische Maschine 2 eingeleitet werden. Da sich das Nadellager 623 direkt im Zentrum der elektrischen Maschine 2 befindet, werden auch die Stützkräfte zentral in die elektrische Maschine 2 eingeleitet und rufen kein Kippmoment hervor, das auf den Rotor 4 wirkt. Figur 5 zeigt eine elektrische Maschinenanordnung 1 gemäß der Erfindung in einer fünften möglichen Ausführungsform in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung. Figur 5 zeigt, dass auch bei elektrischen Maschinen 2, deren Rotor 4 nicht direkt auf dem Stator 3 gelagert ist, eine axial weiche drehmomentübertragende Verbindung zu den nachgelagerten Komponenten des Antriebsstranges möglich ist. Figur 5 zeigt einen Axialflussmotor in H-Anordnung dessen Rotor 4 rechts und links auf bzw. in den Seitenwänden des Gehäuses 7 über Lagerstellen 631 , 632 gelagert ist. Damit sich die Verformungen, die durch das Getriebe und/oder andere mit der elektrischen Maschine 2 verbundenen Aggregate des Antriebsstrangs (z.B. einem Fahrzeugrad) hervorgerufen werden, nicht negativ auf die elektrische Maschine 2 auswirken, muss bei dieser Lagerungsart des Rotors 4 nicht nur die Welle sondern auch die Seitenwand des Gehäuses 7, auf der sich der Rotor 4 abstützt, betrachtet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde daher für das Getriebe eine separate Stützwand 71 vorgesehen, die seitlich an Gehäuse 7 angeschraubt ist. Da das Getriebe seine Axialkräfte nun an einer eigenen Stützwand 71 abstützt und die Axialkräfte nicht auf dieselbe Gehäuseseitenwand überträgt, auf der der Rotor 4 gelagert ist, werden keine ungewollten Zwangskräfte und/oder Verlagerungen von der Gehäuseseitenwand auf den Rotor 4 übertragen. Die Getriebeeingangswelle bzw. das Abtriebselement 100 ist bei diesem Ausführungsbeispiel wieder über Blattfedern 51 an den Rotor 4 angebunden (wie bereits in Figur 1 gezeigt), so dass sich auch Verlagerungen der Welle nicht negativ auf den Rotor 4 auswirken.
Die separate Stützwand 71 für das Getriebe hat auch den Vorteil, dass diese Wand aus einem anderen Material gefertigt werden kann als das restliche Getriebe oder das Gehäuse 7. So ist es beispielsweise möglich die Stützwand 71 aus Stahl herzustellen, um durch den hohen E-Modul die Verformungen zu reduzieren und die anderen Gehäusebauteile aus Aluminium herzustellen, um Gewicht einzusparen. Die Figur 5 zeigt exemplarisch, dass bei den hier vorgestellten Ausführungsbeispielen radial innen Platz ist, um eine separate Welle durch die hier beschriebene elektrische Maschinenanordnung 1 hindurchzustecken. Dies ist besonders für E-Achsen sinnvoll, bei denen Drehmoment von einem auf der einen Seite des E-Motors angeordneten Getriebes zu beiden Rädern des Fahrzeugs übertragen werden soll. Die Drehmomentübertragung von dem Getriebe zu dem auf der anderen Seite des E- Motors angeordneten Rad, kann dann über diese separate radial innen durch den E-Motor hindurchgesteckte Welle erfolgen. Figur 6 zeigt eine elektrische Maschinenanordnung 1 gemäß der Erfindung in einer sechsten möglichen Ausführungsform in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung. Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem die elektrische Maschine 2 nicht nur vor axialen Verlagerungen der Nachbarbauteile geschützt wird, sondern auch Achsversatz und Winkelfehler zwischen der elektrischen Maschine 2 und einen das Drehmoment der elektrischen Maschine 2 aufnehmendem Aggregat des Antriebsstrangs kompensiert werden können. Der Unterschied zwischen der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform und der in Figur 6 gezeigten Ausführungsform ist, dass die Getriebeeingangswelle (Abtriebselement 100), die in der separaten Stützwand 71 über eine Lagerstelle 622 des Gehäuses 7 gelagert ist, nicht einteilig bis zu einer axialelastischen Verbindungsstelle am Rotor 4 ausgeführt ist. Gemäß Figur 6 ist der Rotor 4 über eine erste axial weiche drehmomentübertragende Verbindungstelle (bzw. über ein erstes axialelastisches Längenausgleichselement 5) mit einer Verbindungshülse 113 verbunden. Diese Verbindungshülse 113 ist dann über eine zweite axial weiche drehmomentübertragende Verbindungstelle (bzw. über ein zweites axialelastisches Längenausgleichselement 5) mit der Getriebeeingangswelle (Abtriebselement 100) verbunden. Da die axialelastischen Längenausgleichselemente 5, 51 (in der Abbildung 6 sind die bereits in Abbildung 1 und Abbildung 2 beschriebenen Blattfederpakete 51 abgebildet) nicht nur axiale Verformungen ausgleichen können, sondern auch einen Winkelversatz zwischen den beiden Rotationsachsen der benachbarten Baugruppen, kann sich die Verbindungshülse 113 zwischen den beiden axialelastischen Längenausgleichselementen 5 leicht schrägstellen relativ zu der Rotationsachse des Rotors 4 und/oder zur Rotationsachse der Getriebeeingangswelle (des Abtriebselements 100). Durch die Schrägstellung der Verbindungshülse 113 bezogen auf eine oder beide Nachbarsysteme, kann die Verbindungshülse 113 Winkelfehler, Achsversätze und Taumelbewegungen der Nachbarsysteme ausgleichen. Das Getriebe mit seiner Getriebeeingangswelle ist hier nur als Beispiel für ein das Drehmoment der elektrischen Maschine 2 aufnehmendes Aggregat des Antriebsstrangs zu verstehen. Das hier beschriebene Funktionsprinzip funktioniert ebenso, wenn die elektrische Maschine 2 mit einem anderen Aggregat oder mit einem anderen Element verbunden wird. Figur 7 zeigt ausschnittsweise eine elektrische Maschinenanordnung 1 gemäß der Erfindung in einer weiteren möglichen Ausführungsform in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung. Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist der Stator 3 unter Zwischenschaltung eines weiteren Längenausgleichselements - hier in Form einer Drehmomentabstützung 8 - in Rotationsrichtung abgestützt und zumindest axialbeweglich gegenüber dem Gehäuse 7 an dieses angebunden. Die Drehmomentabstützung 8 ist dabei als in einer Wand des Gehäuses 7 fixierter und sich in axialer Richtung parallel zur Rotationsachse der elektrischen Maschine 2 erstreckender Fortsatz 81 ausgebildet, der bereichsweise in einer korrespondierenden Aufnahme 30 im Körper oder in Gehäuse des Stators 3 geführt angeordnet ist. Der als Stift ausgebildete Fortsatz 81 ist im Bereich seiner Führung, in der für den axialen Ausgleich korrespondierenden Aufnahme 30, über ein Elastomer oder andere Federmittel kraftbeaufschlagt beweglich gelagert. Darüber hinaus ist eine Versorgungsleitung 9 gezeigt, die von oben durch die Gehäusewand dem Statorgehäuse zugeführt wird - beispielsweise um diesen mit Kühlflüssigkeit zu versorgen. Die Versorgungsleitung 9 ist dabei bereichsweise elastisch ausgebildet, was hier durch einen als Wellrohr ausgebildeten Abschnitt veranschaulicht ist. Hierdurch kann die Versorgungsleitung ebenfalls die ungewollten Bewegungen zwischen Stator 3 und Gehäuse 7 ausgleichen und auftretende Spannungen innerhalb der elektrischen Maschine 2 vermeiden helfen.
Figur 8 zeigt eine elektrische Maschinenanordnung 1 gemäß der Erfindung mit einer als Radialflussmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine 2 in einer möglichen Ausführungsform in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung. Die hier mit einer Radialflussmaschine gezeigte Ausführungsform entspricht vom Aufbau und der Funktionalität im Wesentlichen der in Figur 5 mit einer Axialflussmaschine gezeigten Ausführungsform. Figur 8 einen Radialflussmotor dessen Rotor 4 rechts und links auf bzw. in den Seitenwänden des Gehäuses 7 über Lagerstellen 631 , 632 gelagert ist. Damit sich die Verformungen, die durch das Getriebe und/oder andere mit der elektrischen Maschine 2 verbundenen Aggregate des Antriebsstrangs (z.B. einem Fahrzeugrad) hervorgerufen werden, nicht negativ auf die elektrische Maschine 2 auswirken, muss bei dieser Lagerungsart des Rotors 4 nicht nur die Welle sondern auch die Seitenwand des Gehäuses 7, auf der sich der Rotor 4 abstützt, betrachtet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde daher für das Getriebe eine separate Stützwand 71 vorgesehen, die seitlich an Gehäuse 7 angeschraubt ist. Da das Getriebe seine Axialkräfte nun an einer eigenen Stützwand 71 abstützt und die Axialkräfte nicht auf dieselbe Gehäuseseitenwand überträgt, auf der der Rotor 4 gelagert ist, werden keine ungewollten Zwangskräfte und/oder Verlagerungen von der Gehäuseseitenwand auf den Rotor 4 übertragen. Die Getriebeeingangswelle bzw. das Abtriebselement 100 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls über Blattfedern 51 an den Rotor 4 angebunden, so dass sich auch Verlagerungen der Welle nicht negativ auf den Rotor 4 auswirken.
Die separate Stützwand 71 für das Getriebe hat auch den Vorteil, dass diese Wand aus einem anderen Material gefertigt werden kann als das restliche Getriebe oder das Gehäuse 7. So ist es beispielsweise möglich die Stützwand 71 aus Stahl herzustellen, um durch den hohen E-Modul die Verformungen zu reduzieren und die anderen Gehäusebauteile aus Aluminium herzustellen, um Gewicht einzusparen. Die Figur 8 zeigt exemplarisch, dass bei den hier vorgestellten Ausführungsbeispielen radial innen Platz ist, um eine separate Welle durch die hier beschriebene elektrische Maschinenanordnung 1 hindurchzustecken. Dies ist besonders für E-Achsen sinnvoll, bei denen Drehmoment von einem auf der einen Seite des E-Motors angeordneten Getriebes zu beiden Rädern des Fahrzeugs übertragen werden soll. Die Drehmomentübertragung von dem Getriebe zu dem auf der anderen Seite des E- Motors angeordneten Rad, kann dann über diese separate radial innen durch den E-Motor hindurchgesteckte Welle erfolgen.
Figur 9 zeigt eine elektrische Maschinenanordnung 1 gemäß der Erfindung in einer weiteren Ausführungsform mit einer als Radialflussmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine 2 in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung. Die hier mit einer Radialflussmaschine gezeigte Ausführungsform entspricht vom grundsätzlichen Aufbau und der Funktionalität im Wesentlichen der in Figur 6 mit einer Axialflussmaschine gezeigten Ausführungsform. Figur 9 zeigt eine elektrische Maschinenanordnung 1 gemäß der Erfindung in einer weiteren möglichen Ausführungsform mit einer als Radialflussmaschine ausgebildeten elektrischen Maschine 2 in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung. Figur 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem die elektrische Maschine 2 nicht nur vor axialen Verlagerungen der Nachbarbauteile geschützt wird, sondern auch Achsversatz und Winkelfehler zwischen der elektrischen Maschine 2 und einen das Drehmoment der elektrischen Maschine 2 aufnehmendem Aggregat des Antriebsstrangs kompensiert werden können. Der Unterschied zwischen der in Figur 8 gezeigten Ausführungsform gezeigten Ausführungsform ist, dass bei der Ausführungsform gemäß Figur 9 zwei axialelastische Längenausgleichselemente 5 anstatt nur eines axialen Längenausgleichselements 5 Verwendung finden. In der hier gezeigten Ausführungsform werden zwischen Rotor 4 und Abtriebselement 100 zwei axialelastische Längenausgleichselemente 5 über einen Verbinderring verbunden hintereinander in Serie geschaltet angeordnet. Gemäß Figur 9 ist der Rotor 4 über eine erste axial weiche drehmomentübertragende Verbindungstelle (bzw. über ein erstes axialelastisches Längenausgleichselement 5 in Form einer Ringscheibe 53 (Flexplate)) mit einem Verbinderring 114 verbunden. Dieser Verbinderring 114 ist dann über eine zweite axial weiche drehmomentübertragende Verbindungstelle (bzw. über ein zweites axialelastisches Längenausgleichselement 5 - hier in Form eines Blattfederpakets 51 ) mit der Getriebeeingangswelle (Abtriebselement 100) verbunden. Da die axialelastischen Längenausgleichselemente 5 nicht nur axiale Verformungen ausgleichen können, sondern auch einen Winkelversatz zwischen den beiden Rotationsachsen der benachbarten Baugruppen, kann sich der Verbinderring 114 zwischen den beiden axialelastischen Längenausgleichselementen 5 leicht schrägstellen relativ zu der Rotationsachse des Rotors 4 und/oder zur Rotationsachse der Getriebeeingangswelle (des Abtriebselements 100). Durch die Schrägstellung des Verbinderrings 114 bezogen auf eine oder beide Nachbarsysteme, kann der Verbinderring 114 Winkelfehler, Achsversätze und Taumelbewegungen der Nachbarsysteme ausgleichen. Das Getriebe mit seiner Getriebeeingangswelle ist hier nur als Beispiel für ein das Drehmoment der elektrischen Maschine 2 aufnehmendes Aggregat des Antriebsstrangs zu verstehen. Das hier beschriebene Funktionsprinzip funktioniert ebenso, wenn die elektrische Maschine 2 mit einem anderen Aggregat oder mit einem anderen Element verbunden wird.
So wie hier anhand von zwei auf die Radialflussmaschine übertragenen Lösungsbeispielen sind auch die übrigen bei Axialflussmaschinen gezeigten Lösungen auf die Radialflussmaschine übertragbar. Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten axialelastischen Längenausgleichselemente 5, 51 , 52, 53 sind immer nur beispielhaft für Elemente mit diesen Eigenschaften dargestellt. Es können bei allen Ausführungsbeispielen immer auch anders ausgeführte Elemente eingesetzt werden z.B. Blattfedern 51 , Ringscheibe 53 (Flexpla- tes) oder Wellbalge bzw. Wellrohre 52. Zudem ist die Gestaltung der elastischen drehmomentübertragenden Elemente nicht auf die drei Ausführungsformen begrenzt.
Die Erfindung ist daher insgesamt nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als be- schränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung 'erste' und 'zweite' Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der llnter- Scheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezuqszeichenliste
1 Maschinenanordnung
2 Maschine
3 Stator
4 Rotor
5 Längenausgleichselement
51 Blattfedern
52 Wellrohr
53 Ringscheibe
6 Komponente
7 Gehäuse
70 Aufnahme
71 Stützwand
20 Rotorlagesensor
21 Erdungsring
22 Getriebe, Verzahnungsstufe
100 Abtriebselement
110 Koppelelement
111 Verbindungselement
112 Verbindungsring 113 Verbindungshülse
114 Verbinderring
W Rotorwelle
611 , 612 Lagerstelle (Rotor/Stator)
621 , 622 Lagerstelle (Abtriebswelle/Gehäuse)
623 Nadellager (Rotor/Abtriebswelle)
631 , 632 Lagerstelle (Rotor/Gehäuse)

Claims

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Ansprüche Elektrische Maschinenanordnung (1 ), umfassend
- eine elektrische Maschine (2) für den Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit einem Stator (3) und mit einem Rotor (4), sowie
- ein in drehfestem Kontakt mit dem Rotor (4) stehendes Abtriebselement (100), dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Rotor (4) der elektrischen Maschine (2) und dem Abtriebselement (100) ein axialelastisches Längenausgleichselement (5) angeordnet ist. Elektrische Maschinenanordnung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das axialelastische Längenausgleichselement (5) derart ausgebildet ist, dass in Rotationsrichtung zur Übertragung des Drehmoments eine spielfreie Kraftübertragung gewährleistet ist. Elektrische Maschinenanordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das axialelastische Ausgleichselement (5) durch mindestens eine umfänglich angeordnete Blattfeder (51 ) oder mindestens ein Blattfederpaket gebildet ist o- der durch ein Wellrohr (52) gebildet ist oder durch eine Ringscheibe (53) gebildet ist. Elektrische Maschinenanordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass das axialelastische Längenausgleichselement (5) durch mindestens eine umfänglich angeordnete Blattfeder (51 ) oder mindestens ein Blattfederpaket ausgebildet ist, diese derart angeordnet und befestigt sind, dass in der Umfangsrichtung gesehen, in der die elektrische Maschine (2) im Betrieb das größere Drehmoment auf das Abtriebselement (100) überträgt, die Befestigungsstelle einer Blattfeder (51 ) oder eines Blattfederpakets an der dem Rotor (4) zugekehrten Seite umfänglich gesehen vor der Befestigungsstelle derselben Blattfeder (51 ) oder desselben Blattfederpakets an der dem Abtriebselement (100) zugekehrten Seite liegt, so dass das größere Drehmoment in Form einer tangentialen Zugkraft über das axialelastische Längenausgleichselement (5) auf das Abtriebselement (100) übertragbar ist. Elektrische Maschinenanordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschinenanordnung (1 ) ein Gehäuse (7) zur Aufnahme der elektrischen Maschine (2) aufweist, wobei das Gehäuse (7) die den Stator (3) abstützende Komponente (6) bildet. Elektrische Maschinenanordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschinenanordnung (1 ) ein Gehäuse (7) zur Aufnahme der elektrischen Maschine (2) aufweist, wobei der Stator (3) drehfest innerhalb des Gehäuses (7) angeordnet ist und wobei der Rotor (4) drehbar am Stator (3) gelagert ist. Elektrische Maschinenanordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) über ein erstes axialelastisches Längenausgleichselement (5) und ein mit dem ersten axialelastischen Längenausgleichselement (5) im Momentenfluss in Reihe geschaltetes zweites axialelastisches Längenausgleichselement (5) an das bzw. ein Abtriebselement (100) angebunden ist. Elektrische Maschinenanordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (3) unter Zwischenschaltung eines weiteren Längenausgleichselements (8) in Rotationsrichtung abgestützt und zumindest axialbeweglich gegenüber der den Stator (3) abstützenden Komponente (6) an dieser angebunden ist. Elektrische Maschinenanordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (2) als Axialflussmaschine ausgebildet ist. Elektrische Maschinenanordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschinenanordnung (1 ) eine erste als Axialflussmaschine ausgebildete elektrische Maschine (2) und eine zweite als Axialflussmaschine ausgebildete elektrische Maschine (2) in einem gemeinsamen Gehäuse (7) angeordnet aufweist, wobei der Rotor (4) der ersten elektrischen Maschine (2) auf der einen axialen Seite der Maschinenanordnung (1 ) über ein erstes axialelastisches Element (5) ein erstes Abtriebselement (100) antreibt und wobei der Rotor (4) der zweiten elektrischen Maschine (2) auf der gegenüberliegenden axialen Seite der Maschinenanordnung (1 ) über ein zweites axialelastisches Element (5) ein zweites Abtriebselement (100) antreibt. Elektrische Maschinenanordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (100) als Welle ausgebildet und drehbar in der Komponente (6) gelagert ist.
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