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Die Erfindung betrifft einen Rotorwellenabschnitt für eine fremderregte Synchronmaschine einer Elektromotor-Antriebseinheit, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs, eine Elektromotor-Antriebseinheit, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs, mit einem solchen Rotorwellenabschnitt sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Elektromotor-Antriebseinheit.
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Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine Elektromotor-Antriebseinheit, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch einen gemäß Anspruch 1 vorgeschlagenen und unter Schutz gestellten Rotorwellenabschnitt gelöst.
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Der vorgeschlagene Rotorwellenabschnitt ist insbesondere zur Verwendung mit einem nasslaufenden Bürstensteller bzw. Bürstenaktuator zur Stromübertragung vorgesehen, dessen Schleifbürsten während eines Betriebs einer fremderregten Synchronmaschine beölt werden bzw. mit einem zur Schmierung und Kühlung der Synchronmaschine vorgesehenen bzw. vorrätigen Öl in Kontakt kommen bzw. mit diesem Öl benetzt werden.
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An den jeweiligen Kontaktflächen bzw. Kontaktstellen zwischen den Schleifbürsten und den zugeordneten Schleifringen entsteht Wärme bedingt durch Reibverluste sowie durch Ohm'sche bzw. elektrische Verluste, wobei diese Verluste als solche abhängig von einem Betriebspunkt der Synchronmaschine variieren.
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Insbesondere bei einem Stillstand der Synchronmaschine sowie bei geringen Drehzahlen stellt sich eine Wärmeabfuhr bzw. ein Wärmeabtransport durch das Öl als schlecht bzw. unzureichend dar. Bei geringen Drehzahlen der Synchronmaschine, die mit hohen Drehmomenten der Synchronmaschine einhergehen, werden hohe Ströme bzw. Rotorströme über die besagten Kontaktflächen übertragen, so dass sich entsprechend hohe Ohm'sche bzw. elektrische Verluste an den Kontaktflächen bzw. Kontaktstellen einstellen. Und dies kann zu übermäßig hohen Schleifring- und Schleifbürstentemperaturen führen, die das Öl schädigen bzw. altern lassen und somit dauerhaft negativ beeinflussen können.
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Der zur Vergrößerung der Schleifringoberfläche vorgeschlagene bzw. vorgesehene wenigstens eine Rippenabschnitt trägt dazu bei, diese hohen Schleifring- und Schleifbürstentemperaturen insbesondere bei niedrigen Drehzahlen einer Rotorwelle bzw. einer solchen Synchronmaschine signifikant zu reduzieren.
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Ein solch vorgeschlagener Rippenabschnitt wirkt somit einer temperaturbedingten Ölalterung entgegen bzw. verlangsamt sie wenigstens.
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Insbesondere in Verbindung mit einer Beölung des vorgeschlagenen Rotorwellenabschnitts lassen sich diese Schleifring- und Schleifbürstentemperaturen noch weiter reduzieren. Folglich lässt sich auch eine thermische Beanspruchung der Schleifringe und Schleifbürsten vorteilhafterweise reduzieren.
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Die Beölung kann dabei aktiv umgesetzt sein, indem ein zur Schmierung und Kühlung der Synchronmaschine vorgesehenes Öl bspw. mittels einer Spritzdüse dem Rotorwellenabschnitt in einem Bereich der Schleifringe und Schleifbürsten bzw. der jeweiligen Kontaktflächen zugeführt wird.
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Zusätzlich oder alternativ dazu bzw. im einfachsten Fall kann auch nur konstruktionsgemäß sichergestellt sein, dass beim Betrieb der Synchronmaschine bzw. des Fahrzeugs das Öl bis in diesen Bereich der Schleifringe und Schleifbürsten dringen und diese somit benetzen kann. In diesem Zusammenhang kann man auch von einer passiven Beölung sprechen.
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Und indem eine thermische Beanspruchung eines - solche Schleifbürsten aufweisenden - Bürstenstellers bzw. Bürstenaktuators reduziert wird, lässt sich ein solcher Steller bzw. Aktuator auch kleiner bauend und somit platzsparender ausführen.
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Die Orientierung bzw. Erstreckung eines solchen Rippenabschnitts ist dabei in einer Längsrichtung und / oder Querrichtung einer Rotorwellen(abschnitts)achse bzw. einer Rotationsachse eines solchen Rotorwellenabschnitts zu verstehen. Daraus ergibt sich, dass der an wenigstens einem der beiden Schleifringe angeformte Rippenabschnitt - bezogen auf eine solche Achse - beliebig, d.h. radial nach außen und / oder innen - d.h. von der Achse weg und / oder zur Achse hin - vorspringend und / oder axial vorspringend ausgebildet sein kann, um die Schleifringoberfläche zwecks einer verbesserten Wärmeabfuhr bzw. eines verbesserten Wärmeabtransports zu vergrößern.
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In einer Ausführung wird vorgeschlagen, dass pro Schleifring wenigstens zwei solche zueinander beabstandete, jeweils radial und / oder axial vorspringend angeformte Rippenabschnitte vorgesehen sind, wobei zwei benachbarte Rippenabschnitte eines zugeordneten Schleifrings derart zueinander beabstandet sind, dass sie die Kontaktierung mit der zugeordneten Schleifbürste ermöglichen.
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In einer weiteren Ausführung wird vorgeschlagen, dass einer der zwei Schleifringe zudem mit einem stirnseitigen, metallischen Abschnitt mit Unterbrechungen in Umfangsrichtung des Rotorwellenabschnitts ausgeformt ist, wobei dieser stirnseitig metallische Abschnitt dazu ausgebildet ist, mit einem zugeordneten Signalgeber zur Positionserfassung eines Rotors der Synchronmaschine zusammenzuwirken.
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Die Fremderregung der Synchronmaschine einerseits sowie die Positionserfassung des Rotors der Synchronmaschine andererseits werden durch den vorgeschlagenen Schleifring ermöglicht, welcher als solcher diese beiden Funktionen umsetzt. Der vorgeschlagene Rotorwellenabschnitt trägt somit zur Einsparung von Bauteilen bei. Dies wiederum geht mit einer Einsparung von Gewicht, Bauraum und Kosten einher. Es vereinfacht sich zudem eine Montage einer Rotorwelle.
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Dabei kann der Schleifring mit dem stirnseitig metallischen Abschnitt als ein topfartig ausgeformtes Element ausgebildet sein, wobei der Boden des Topfes den besagten stirnseitigen, metallischen Abschnitt mit den Unterbrechungen in Umfangsrichtung des Rotorwellenabschnitts (aus)bildet.
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In einer weiteren Ausführung wird vorgeschlagen, den Rotorwellenabschnitt in Gestalt eines Rotorwellenaufsatzes auszubilden, dessen Kunststoff auf eine metallische, auf einen Wellenzapfen einer Rotorwelle aufschiebbare Hülse aufgespritzt ist.
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Alternativ dazu kann der Kunststoff des Rotorwellenabschnitts auch auf einen solchen Wellenzapfen einer Rotorwelle - direkt - aufgespritzt sein, so dass der vorgeschlagene Rotorwellenabschnitt im Sinne eines mit der Rotorwelle einteilig bzw. einstückig ausgebildeten bzw. ausgeformten Teils zu verstehen ist.
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Des Weiteren wird eine Elektromotor-Antriebseinheit, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs vorgeschlagenen und unter Schutz gestellt. Die Elektromotor-Antriebseinheit weist dabei eine fremderregte Synchronmaschine mit einem Rotorwellenabschnitt der zuvor beschriebenen Art auf (vgl. Anspruch 7).
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Zudem wird Fahrzeug mit einer Elektromotor-Antriebseinheit dieser Art vorgeschlagenen und unter Schutz gestellt (vgl. Anspruch 8).
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Unter einem Fahrzeug ist dabei jede Art von Fahrzeug bzw. Kraftfahrzeug zu verstehen, welches elektromotorisch betrieben wird, insbesondere aber Personenkraftwagen und / oder Nutzfahrzeuge in Gestalt eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs. Dabei handelt es sich vorzugsweise um teilautonom und insbesondere um vollautonom betriebene Fahrzeuge.
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Im Weiteren wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Figurendarstellungen im Einzelnen erläutert. Aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen ergeben sich weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Hierzu zeigen:
- 1 einen vorgeschlagenen Rotorwellenabschnitt in einer Schnittdarstellung und
- 2 den in 1 gezeigten Rotorwellenabschnitt in einer perspektivischen Darstellung.
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Der Rotorwellenabschnitt 2 nach 1 ist Teil einer Rotorwelle einer fremderregten Synchronmaschine, insbesondere zum Antrieb eines Fahrzeugs. Die 1 zeigt diesen Rotorwellenabschnitt 2 zudem im Verbund mit einem Bürstensteller bzw. Bürstenaktuator, dessen Schleifbürsten 24, 26 gegen zugeordnete Schleifringe 10, 12 des Rotorwellenabschnitts 2 angelegt sind.
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Die 1 zeigt ein metallisches Wellenende bzw. einen Wellenzapfen 4, auf welches / welchen ein Kunststoff bzw. ein Kunststoffabschnitt 6 angebracht ist.
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Dieser Kunststoffabschnitt 6 kann dabei direkt auf den Wellenzapfen 4 aufgespritzt und somit mit diesem stoffschlüssig verbunden sein. Alternativ dazu kann dieser Kunststoffabschnitt 6 auch auf eine in 1 - nicht dargestellte Hülse - aufgespritzt und somit mit dieser stoffschlüssig verbunden sein, die als solche auf den Wellenzapfen 4 form- und / oder kraftschlüssig bzw. reibschlüssig aufschiebbar ist und dabei bspw. einen Pressverbund mit dem Wellenzapfen 4 (aus)bilden kann. Im letzteren Fall bzw. im Falle der Hülse bildet der vorgeschlagene Rotorwellenabschnitt 2 somit eine Art Rotorwellenadapter(teil) bzw. Rotorwellenaufsatz (aus).
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In diesen Kunststoffabschnitt 6 sind metallische Kontaktierungsmittel in Gestalt der zwei Schleifringe 10, 12 sowie zweier Leiterbahnen 16, 18 eingebettet, welche mit einem zugeordneten Schleifring 10, 12 kontaktiert sind und sich vom zugeordneten Schleifring 10, 12 durch den Kunststoffabschnitt 6 in Richtung eines auf der Rotorwelle angeordneten - hier nicht dargestellten - fremderregten Rotors erstrecken.
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Zwischen den Schleifringen 10, 12 ist ein radial vorspringender Kunststoffabschnitt 8 vorgesehen, welcher mit dem Kunststoffabschnitt 6 einteilig bzw. einstückig ausgebildet ist. Dieser Kunststoffabschnitt 8 dient dabei einer hinreichenden Isolierung der beiden Schleifringe 10, 12 voneinander, und zwar in Form von sog. Luft- und Kriechstecken zum Schutz vor Kurzschlüssen. Gleichermaßen bildet ein Bürstensteller- bzw. Bürstenaktuatorabschnitt aus einem Kunststoff, in welchen sich der Kunststoffabschnitt 8 (hinein)erstreckt eine hinreichende Isolierung der beiden Schleifbürsten 24, 26 voneinander, und zwar in Form von sog. Luft- und Kriechstecken zum Schutz vor Kurzschlüssen (aus). Dieser Bürstensteller- bzw. Bürstenaktuatorabschnitt und der Kunststoffabschnitt 8 bilden somit im dargestellten Verbund eine Art Isolationsstruktur zum Schutz vor Kurzschlüssen (aus).
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Pro Schleifring 10, 12 sind dabei zwei zueinander beabstandete, jeweils radial vorspringend angeformte Rippenabschnitte R1, R2, R3, R4 vorgesehen. Die Rippenabschnitte R1, R2, R3, R4 eines zugeordneten Schleifrings 10, 12 sind dabei derart zueinander beabstandet angeformt bzw. ausgebildet, dass sie die Kontaktierung mit der zugeordneten Schleifbürste 24, 26 ermöglichen und dabei die zugeordnete Schleifbürste 24, 26 flankieren.
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Der Schleifring 12 ist dabei topfartig ausgeformt bzw. ausgebildet. Der Boden des Topfes bildet dabei einen stirnseitigen Abschnitt 14 eines Endes des Rotorwellenabschnitts 2 (aus), um mit einem bspw. induktiven Signalgeber einer Leiterplatte zur Positionserfassung der Rotorwelle und somit des Rotors zusammenwirken zu können.
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2 zeigt den Rotorwellenabschnitt 2, aber losgelöst vom Rotorwellenzapfen 4 und sowie der Bürstenanordnung gemäß 1. Die 2 zeigt zudem die Ausbildung des metallischen Abschnitts 14 mit seinen Unterbrechungen U in Umfangsrichtung des Schleifrings 12, welche als solche mit dem verspritzten Kunststoff gänzlich ausgefüllt sein können. Zwischen zwei benachbarten Unterbrechungen U bzw. Aussparungen dieser Art befindet sich ein metallisch stegförmiger Abschnitt 20, welcher sich als solcher radial nach innen bzw. in Richtung der Rotationsachse des Rotorwellenabschnitts erstreckt.
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Das in der 1 gezeigte Sackloch im Wellenzapfen 4 hat im Rahmen der hier vorgeschlagenen bzw. offenbarten Erfindung keinerlei Bedeutung. Es handelt sich vielmehr um eine Aufnahmestelle der Rotorwelle, um die Rotorwelle auswuchten zu können.
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Der vorgeschlagene Rotorwellenabschnitt 2 setzt insgesamt wenigstens zwei, d.h., streng genommen sogar drei Funktionen um:
- Er dient einerseits der Fremderregung des Rotors der Rotorwelle und andererseits der Positionserfassung des fremderregten Rotors. Der Schleifring 12 setzt dabei diese zwei Funktionen in einem Bauteil um. Zum einem wirkt er als Kontaktierungselement mit der Schleifbürste 12 und zum anderen als Geberrad mit dem Signalgeber zusammen.
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Beim Zusammenwirken mit dem Signalgeber werden periodische bzw. Sinus-Cosinus-förmige Spannungssignale erzeugt, aus denen sich in einer Steuereinheit eine absolute Winkellage bzw. Winkelposition des Rotors relativ zu einem Stator der Synchronmaschine ermitteln lässt, so dass die Synchronmaschine effizient kommutiert werden kann. Daher stellt der Rotorwellenabschnitt 2 nach 1 zumindest ein sog. 2-in-1-Modul (→ Umsetzung von zwei Funktionen in einem Modul bzw. im Rotorwellenabschnitt 2) dar.
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Hinzu kommt ein - bereits eingangs beschriebenes - durch die vorgeschlagenen Rippenabschnitte R1, R2, R3, R4 bedingt verbessertes thermisches Verhalten eines solchen Rotorwellenabschnitts 2 in Zusammenschau mit einem Bürstensteller bzw. Bürstenaktuator, welcher mit dem Rotorwellenabschnitt 2 zusammenwirkt.
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Und wenn man dieses verbesserte thermische Verhalten als ein weiteres Merkmal des Rotorwellenabschnitts 2 auffasst, dann lässt sich sogar von einem 3-in-1-Modul (→ Umsetzung von drei Funktionen in einem Modul bzw. im Rotorwellenabschnitt 2) sprechen.
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Der vorgeschlagene Rotorwellenabschnitt 2 ist insbesondere zur Verwendung mit einem nasslaufenden Bürstensteller bzw. Bürstenaktuator vorgesehen. Es wird an dieser Stelle z.B. auf die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2023 110 338.5 hingewiesen, in welcher eine nasslaufende Anordnung eines Rotorwellenabschnitts und eines Bürstenstellers bzw. Bürstenaktuators offenbart ist. Der Steller bzw. Aktuator ermöglicht dabei eine bedarfsgerechte Anpressung bzw. Andrückung der Schleifbürsten gegen die zugeordneten Schleifringe. Die Schleifbürsten können dabei - je nach Bedarf - wahlweise passiv federvorgespannt oder aktiv federvorgespannt gegen die Schleifringe angepresst bzw. angedrückt sein bzw. werden.
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Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere im Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10 2023 110 338.5 [0037]