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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Läufer für eine rotierende elektrische Maschine, der eine Läuferwelle, ein an der Läuferwelle angeordnetes Läuferblechpaket, eine an der Läuferwelle angeordnete Läuferwicklung und zwei voneinander beabstandet angeordnete und voneinander elektrisch isolierte Kontaktelemente zum elektrischen Kontaktieren von jeweiligen Kontaktbürsten aufweist, wobei die Läuferwicklung an die beiden Kontaktelemente angeschlossen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine rotierende elektrische Maschine mit einem Ständer und einem gegenüber dem Ständer drehbar angeordneten und über einen Luftspalt vom Ständer beabstandeten Läufer. Schließlich betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer rotierenden elektrischen Maschine.
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Läufer, rotierende elektrische Maschinen, Kraftfahrzeuge sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es dem Grunde nach eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Gattungsgemäße rotierende elektrische Maschinen werden nicht nur, aber mittlerweile häufig bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen wie beispielsweise Hybridfahrzeugen, Elektrofahrzeugen oder dergleichen eingesetzt.
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Eine rotierende elektrische Maschine ist eine Vorrichtung, die in einem Motorbetrieb elektrische Energie in mechanische Energie, insbesondere in Bewegungsenergie in Form einer Rotation und/oder in einem Generatorbetrieb mechanische Energie in eine elektrische Energie umformt. Bei der Bewegung handelt es sich in der Regel um eine Drehbewegung, die vom Läufer gegenüber dem Ständer ausgeführt wird. Der Ständer ist im Unterschied zum Läufer drehfest angeordnet, das heißt, bei einer Drehbewegung handelt es sich um eine Drehbewegung des Läufers gegenüber dem Ständer.
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Der Ständer und der Läufer sind mittels eines magnetischen Flusses verkettet, wodurch im Motorbetrieb die Kraftwirkung, nämlich das Drehmoment, erzeugt wird, die den Läufer gegenüber dem Ständer drehend antreibt, und im Generatorbetrieb dem Läufer zugeführte mechanische Energie in Form eines Drehmoments in elektrische Energie umwandelt. Zu diesem Zweck weisen der Ständer und der Läufer in der Regel jeweils eine von einem Strom durchflossene Wicklung auf. Im Ständer oder im Läufer kann die Wicklung auch zumindest teilweise durch einen Permanentmagneten gebildet oder ergänzt sein. Rotierende elektrische Maschinen der gattungsgemäßen Art sind beispielsweise Drehfeldmaschinen, die an ein mehrphasiges, insbesondere dreiphasiges, elektrisches Energieversorgungsnetz anschließbar sind, und zwar insbesondere Synchronmaschinen, vorzugsweise fremderregte Synchronmaschinen, Synchronmaschinen mit Dämpferkäfig und/oder dergleichen.
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Die rotierende elektrische Maschine weist in der Regel einen Ständer und einen gegenüber dem Ständer drehbar angeordneten und über den Luftspalt vom Ständer beabstandeten Läufer auf. Die rotierende elektrische Maschine kann sowohl als Innenläufer als auch als Außenläufer ausgebildet sein. Bei einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug dient die rotierende elektrische Maschine häufig zum Antrieb des Kraftfahrzeugs während eines bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs. Daneben kann sie jedoch auch für andere Antriebsfunktionen vorgesehen sein, beispielsweise bei einem Fensterheber, bei einer ÖI- und/oder Wasserpumpe oder dergleichen.
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Bei gattungsgemäßen rotierenden elektrischen Maschinen ist in der Regel vorgesehen, dass der Läufer die Läuferwicklung aufweist, die im bestimmungsgemäßen Betrieb mit elektrischer Energie beaufschlagt werden können soll. Zu diesem Zweck ist bei gattungsgemäßen rotierenden elektrischen Maschinen in der Regel an einer Läuferwelle des Läufers ein oder mehrere Schleifringe mit entsprechenden Kontaktoberflächen vorgesehen, die von entsprechend zugeordneten drehfest angeordneten Kontaktbürsten der rotierenden elektrischen Maschine kontaktiert werden, sodass die Läuferwicklung an eine elektrische Energiequelle angeschlossen werden kann.
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Bei einer fremderregten Synchronmaschine als rotierender elektrischen Maschine wird die Läuferwicklung in der Regel mit einem Gleichstrom beaufschlagt, sodass mittels der Läuferwicklung ein vorgebbares Magnetfeld, vergleichbar wie bei einem Permanentmagneten, bereitgestellt werden kann. Das Anschließen der Ständerwicklung über eine Kombination von an der Läuferwelle angeordneten Schleifringen und drehfest angeordneten Kontaktbürsten ist im Stand der Technik bekannt. Einen derartigen Aufbau zeigt zum Beispiel die
DE 10 2006 058 911 B4 . Diese Lehre befasst sich mit der Frage, Bürstenabrieb der Kontaktbürsten beim bestimmungsgemäßen Betrieb der rotierenden elektrischen Maschine abzuführen. Bei dieser rotierenden elektrischen Maschine ist daher zum Zwecke des Anschließens der Läuferwicklung eine Schleifringanordnung vorgesehen, die drei voneinander axial beabstandet angeordnete Schleifringe aufweist, die gegenüber einander elektrisch isoliert sind und die an einem äußeren Umfang einer Läuferwelle der rotierenden elektrischen Maschine angeordnet sind. Die Schleifringanordnung befindet sich außerhalb eines magnetisch aktiven Bereichs zwischen dem Läufer und dem Ständer. Alternativ schlagen die Lehren der
EP 2 426 793 A1 sowie auch der
DE 10 2016 200 766 A1 hierzu vor, alle Schleifringe stirnseitig an einem einzigen Ende der Läuferwicklung anzuordnen.
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Auch wenn sich der Stand der Technik bewährt hat, so verbleiben dennoch Nachteile. Die Schleifringanordnung benötigt im Stand der Technik einen gewissen Bauraum, der sich abhängig von der Größe der rotierenden elektrischen Maschine beziehungsweise deren Leistung sowie der weiteren erforderlichen konstruktiven Randbedingungen ergibt. Darüber hinaus erweist sich der Verschleiß der Kohlebürsten und der Bürstenstaub weiterhin als nachteilig und erfordern einen entsprechend hohen Wartungsaufwand. Besonders in Bezug auf das Einsatzgebiet der rotierenden elektrischen Maschine als Antriebseinrichtung für das Kraftfahrzeug erweisen sich hohe Drehzahlen als problematisch, da dies im Bereich der Schleifringanordnung nicht nur zu einem hohen Verschleiß, sondern auch zu einer großen thermischen Beanspruchung führen kann.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Läufer, eine gattungsgemäße rotierende elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug dahingehend zu verbessern, dass Bauraum reduziert und die Belastbarkeit sowie auch die Zuverlässigkeit verbessert werden können.
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Als Lösung werden mit der Erfindung ein Läufer, eine rotierende elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgesch lagen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
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In Bezug auf einen gattungsgemäßen Läufer wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Kontaktelemente an gegenüberliegenden stirnseitigen Enden der Läuferwelle angeordnet sind.
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In Bezug auf ein gattungsgemäße rotierende elektrische Maschine wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass deren Läufer gemäß der Erfindung ausgebildet ist, wobei die rotierende elektrische Maschine gegenüber dem Läufer zwei drehfest angeordnete Kontaktbürsten aufweist, die zum elektrischen Kontaktieren von jeweiligen Kontaktelementen des Läufers an gegenüberliegenden stirnseitigen Enden einer Läuferwelle des Läufers angeordnet sind.
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In Bezug auf ein gattungsgemäßes Kraftfahrzeug wird insbesondere vorgeschlagen, dass dieses eine rotierende elektrische Maschine gemäß der Erfindung aufweist.
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Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass durch eine Anordnung der Kontaktelemente an den gegenüberliegenden stirnseitigen Enden der Läuferwelle sowohl der Läufer als auch die rotierende elektrische Maschine hinsichtlich des Bauraums optimiert werden können. Darüber hinaus kann durch diese Anordnung erreicht werden, dass Bürstenabrieb reduziert werden kann, wobei zugleich die Belastbarkeit und die Zuverlässigkeit erhöht werden können. Daher eignet sich die Erfindung besonders für die Anwendung bei fremderregten Synchronmaschinen.
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Darüber hinaus kann erreicht werden, dass sowohl für die Kontaktelemente als auch für die Kontaktbürsten jeweils gleiche Bauelemente eingesetzt werden können, die im bestimmungsgemäßen Betrieb im Wesentlichen auch einer gleichen Belastung ausgesetzt sein können. Dies erlaubt es, Montage-, Konstruktions- und Wartungsaufwand zu reduzieren, sodass sich die Erfindung, insbesondere bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, vorteilhaft einsetzen lässt. Durch die Erfindung kann darüber hinaus erreicht werden, dass die Schleifringanordnung die Anwendung der rotierenden elektrischen Maschine bei großen Drehzahlen nicht mehr so wie im Stand der Technik begrenzt. Vielmehr ermöglicht es die Erfindung, rotierende elektrische Maschinen zu konstruieren, die für besonders große Drehzahlen geeignet sind, beispielsweise für eine Drehzahl von etwa 10000 Umdrehungen pro Minute oder sogar noch mehr.
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Die Kontaktelemente sind in der Regel durch einen elektrisch gut leitfähigen Werkstoff gebildet. Sie können zum Beispiel an den stirnseitigen Enden als Beschichtung dieser stirnseitigen Enden im Bereich der Läuferwelle angeordnet sein. Darüber hinaus können die Kontaktelemente natürlich auch eine elektrische Isolation, insbesondere in Bezug auf die Läuferwelle, aufweisen, um eine elektrische Isolation gegenüber der Läuferwelle, insbesondere wenn die Läuferwelle aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff gebildet ist, bereitstellen zu können. Die Kontaktelemente selbst können beispielsweise aus einem Metall wie beispielsweise Kupfer, Silber, Aluminium, Legierungen hiervon und/oder dergleichen gebildet sein. Ist eine elektrische Isolation zwischen dem Kontaktelement und der Läuferwelle vorgesehen, kann diese aus einem elektrisch schlecht leitfähigen Werkstoff gebildet sein, beispielsweise in Form einer Beschichtung, auf der eine Metallschicht des Kontaktelements aufgebracht ist, wobei die Beschichtung an einer Stirnseite der Läuferwelle angeordnet ist. Die Beschichtung kann zum Beispiel aus einem Kunststoff, einer Keramik, aus einem Verbundwerkstoff und/oder dergleichen gebildet sein. Das Kontaktelement ist vorzugsweise in radialer Richtung mit einem Umfang ausgebildet, der zumindest an einen Umfang der jeweiligen Kontaktbürste angepasst ist. Der Umfang ist vorzugsweise derart gewählt, dass bei einer Drehung der Läuferwelle die Kontaktbürste kontinuierlichen Kontakt zum Kontaktelement herstellen kann.
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Die beiden Kontaktelemente sind also an gegenüberliegenden stirnseitigen Enden der Läuferwelle angeordnet, wodurch zugleich auch deren elektrische Isolation zueinander bereitgestellt werden kann. Durch diese Ausgestaltung können die Kontaktelemente im Wesentlichen gleich ausgebildet sein, weil die Kontaktelemente im Wesentlichen die gleiche elektrische und mechanische Beanspruchung im bestimmungsgemäßen Betrieb der rotierenden elektrischen Maschine erfahren. So kann zum Beispiel eine Dicke der Kontaktelemente abhängig von einer thermischen Beanspruchung und einer Beanspruchung mit elektrischem Strom im bestimmungsgemäßen Betrieb der rotierenden elektrischen Maschine gewählt sein. Zum Anschließen der Kontaktelemente kann vorgesehen sein, dass sie an ihren äußeren Umfängen Anschlusselemente aufweisen, die es erlauben, die Kontaktelemente an die Läuferwicklung anschließen zu können. Diese Anschlusselemente können zum Beispiel durch Anschlussfahnen, Schraubbolzen und/oder dergleichen gebildet sein, die es erlauben, ein jeweiliges Leiterende von einem oder mehreren Leitern der Läuferwicklung mit dem jeweiligen Kontaktelement elektrisch zu koppeln.
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Die Kontaktelemente können darüber hinaus eine Kontaktoberfläche aufweisen, die gegenüber dem restlichen Werkstoff der Kontaktelemente gehärtet ausgebildet ist. Dadurch kann ein Verschleiß der Kontaktelemente im bestimmungsgemäßen Betrieb der rotierenden elektrischen Maschine weitgehend vermieden werden. Dies ist insbesondere deshalb auch von Vorteil, weil in der Regel die Kontaktelemente während der prognostizierten Betriebsdauer beziehungsweise Lebensdauer der rotierenden elektrischen Maschine nicht ausgewechselt werden sollen. Dies erlaubt es, die Kontaktelemente mit den stirnseitigen Enden des Läufers derart zu verbinden, dass eine einstückige Baugruppe erreicht werden kann. Die Kontaktelemente brauchen also nicht lösbar mit dem Ende der Läuferwelle verbunden zu sein. Darüber hinaus können sie als separate Bauteile während der Herstellung der rotierenden elektrischen Maschine, insbesondere des Läufers, gehandhabt werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit verbessert werden, weil separate zusätzliche Befestigungsmittel eingespart werden können.
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Besonders vorteilhaft sind die Kontaktelemente hinsichtlich ihrer geometrischen Abmessungen im Wesentlichen gleich ausgebildet. Dies kann die Herstellung des Läufers und der rotierenden elektrischen Maschine weiter vereinfachen. Die Kontaktelemente können zu diesem Zweck beispielsweise scheibenförmig, insbesondere als Kreisscheibe, ausgebildet sein. Vorzugsweise ist ein Durchmesser des Kontaktelements kleiner als ein Außendurchmesser der Läuferwelle. Dadurch kann insgesamt ein sehr kompakter Aufbau erreicht werden. Die Kontaktelemente können beispielsweise nach Art einer Münze oder dergleichen ausgebildet sein.
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Das Anordnen der Kontaktelemente an den stirnseitigen Enden der Läuferwelle ermöglicht es ferner, die Kühlung der Kontaktelemente zu verbessern. Als vorteilhaft erweist es sich dabei, dass die Kontaktelemente durch die Längserstreckung der Läuferwelle voneinander beabstandet sind, sodass - entgegen der Schleifringanordnung im Stand der Technik - ein Wärmeeintrag in die Läuferwelle an den Enden der Läuferwelle und dann auch lediglich durch ein jeweiliges einzelnes Kontaktelement erfolgt. Dadurch ist die Kontaktierung gegenüber dem Stand der Technik erheblich größer belastbar.
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Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Kontaktelemente koaxial zu einer Drehachse der Läuferwelle angeordnet sind. Dies erlaubt nicht nur eine einfache Positionierbarkeit der Kontaktelemente, sondern es erlaubt darüber hinaus auch, den Abrieb der Kontaktbürsten im bestimmungsgemäßen Betrieb sehr klein zu halten. Dadurch können die Zuverlässigkeit sowie auch ein Wartungsaufwand reduziert werden.
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Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Kontaktelemente kreisförmig ausgebildet sind. Dadurch kann der Materialeinsatz insgesamt klein gehalten werden. Es zeigt sich, dass dadurch der Aufwand für die Kontaktelemente, insbesondere in Bezug auf einzusetzendes Material, gegenüber bekannten Schleifringanordnungen erheblich reduziert werden kann.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, dass sich Kontaktoberflächen der Kontaktelemente quer zur Drehachse des Läufers erstrecken. Die Kontaktelemente sind deshalb an den stirnseitigen Enden der Läuferwelle derart angeordnet, dass sie sich im Wesentlichen ausschließlich radial erstrecken, und zwar im Wesentlichen vorzugsweise senkrecht zur Drehachse der Läuferwelle. Dadurch kann vermieden werden, dass die Kontaktbürsten im bestimmungsgemäßen Betrieb der rotierenden elektrischen Maschine axiale Bewegungen in Bezug auf die Drehachse der Läuferwelle abfangen müssen. Vielmehr ermöglicht es diese Ausgestaltung, dass die Kontaktbürsten während des bestimmungsgemäßen Betriebs der rotierenden elektrischen Maschine im Wesentlichen ihre axiale Position an den jeweiligen Kontaktelemente halten können, ohne selbst eine entsprechende Bewegung ausführen zu müssen.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein stirnseitiges Ende der Läuferwelle in axialer Richtung der Drehachse eine Öffnung aufweist, in der das jeweilige Kontaktelement angeordnet ist. Dadurch kann erreicht werden, dass das Kontaktelement durch die Öffnung geschützt innerhalb der Läuferwelle angeordnet werden kann. Die Öffnung kann beispielsweise eine Sacköffnung oder dergleichen sein. Die Läuferwelle ist zumindest in diesem Bereich dann nach Art einer Hohlwelle ausgebildet. Darüber hinaus kann durch diese Ausgestaltung erreicht werden, dass auch die Kontaktbürste zumindest teilweise in die Läuferwelle, und zwar deren Öffnung, hineinragen kann, sodass eine axiale Erstreckung der rotierenden elektrischen Maschine und des Läufers reduziert werden kann. Diese Ausgestaltung eignet sich daher auch dafür, Bauraum zu reduzieren.
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Das stirnseitige Ende der Läuferwelle meint eine Seite, die ein Betrachter in axialer Richtung der Drehachse der Läuferwelle sieht, wenn er auf das freie axiale Ende der Läuferwelle schaut. Insbesondere ist ein Boden der Öffnung durch das axiale Ende der Stirnseite umfasst.
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In Bezug auf die rotierende elektrische Maschine wird ferner vorgeschlagen, dass die beiden Kontaktbürsten koaxial zur Drehachse der Läuferwelle angeordnet sind. Die Kontaktbürsten sind deshalb vorzugsweise an den gegenüberliegenden Enden der Läuferwelle angeordnet, sodass sie die dort positionierten Kontaktelemente im bestimmungsgemäßen Betrieb zu kontaktieren vermögen. Dadurch lässt sich eine Ausgestaltung schaffen, die hinsichtlich Bürstenabrieb sehr optimiert ist, weil eine Rotationsgeschwindigkeit der Kontaktbürsten gegenüber den Kontaktelemente deutlich reduziert werden kann. Darüber hinaus eignet sich diese Ausgestaltung dann natürlich auch für die Ermöglichung sehr großer Drehzahlen. Die Kontaktbürsten können aus einem hierfür geeigneten Werkstoff, beispielsweise Graphit, Kohle, Verbundwerkstoffe hiermit oder dergleichen gebildet sein. Darüber hinaus können die Kontaktbürsten jeweilige elektrische Anschlüsse aufweisen, die es erlauben, eine elektrische Energiequelle, beispielsweise der rotierenden elektrischen Maschine oder dergleichen, anschließen zu können, um die Kontaktbürsten elektrisch beaufschlagen zu können.
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Vorzugsweise sind die beiden Kontaktbürsten axial bewegbar und mittels jeweiliger Federelemente in Richtung ihrer jeweils zugeordneten Kontaktelemente vorgespannt. Besonders vorteilhaft sind die Kontaktbürsten durch die jeweiligen Federelemente entgegengesetzt zueinander vorgespannt. Das hat den Vorteil, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb auf eine Lagerung des Läufers möglichst wenig axiale Kräfte einwirken, sodass die Lagerung des Läufers beziehungsweise seiner Läuferwelle verbessert werden kann oder zumindest zuverlässiger betrieben werden kann. Insgesamt kann hierdurch die Zuverlässigkeit der rotierenden elektrischen Maschine weiter verbessert werden.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die rotierende elektrische Maschine zwei Halteelemente aufweist, die jeweils eine der beiden Kontaktbürsten und das jeweilige Federelement in einer radialen Position gegenüber dem Läufer anordnen. Vorzugsweise umfasst das Anordnen auch das Halten. Die Halteelemente ermöglichen es somit, die Kontaktbürsten gegenüber den jeweiligen Kontaktelementen zu positionieren, sodass im bestimmungsgemäßen Betrieb eine zuverlässige Kontaktierung zwischen der jeweiligen Kontaktbürste und dem jeweiligen Kontaktelement erreicht werden kann. Die Federelemente brauchen die Kontaktbürsten lediglich mit einer vergleichsweise kleinen Kraft zu beaufschlagen, sodass sie zuverlässig gegen die Kontaktelemente gedrückt werden, um den elektrischen Kontakt herzustellen. Darüber hinaus kann durch die Halteelemente erreicht werden, dass eine Baueinheit geschaffen werden kann, bei der ein jeweiliges Halteelement die jeweilige Kontaktbürste und das jeweilige Federelement umfasst ist. Dies ist besonders für die Herstellung und/oder die Wartung der rotierenden elektrischen Maschine von Vorteil, weil lediglich ein einzelnes Bauelement beziehungsweise eine einzelne Baugruppe gehandhabt zu werden braucht.
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Die für den erfindungsgemäßen Läufer beziehungsweise die erfindungsgemäße rotierende elektrische Maschine angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten natürlich gleichermaßen auch für das mit der erfindungsgemäßen rotierenden elektrischen Maschine ausgerüstete Kraftfahrzeug und umgekehrt.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer fremderregten Synchronmaschine als Innenläufer mit einer koaxialen Kontaktierung einer Läuferwicklung,
- 2 eine schematische Schnittansicht der Synchronmaschine gemäß 1 entlang einer Linie II-II,
- 3 eine schematische Schnittansicht der Synchronmaschine gemäß 1 entlang einer Linie III-III, und
- 4 eine schematische Schnittansicht der Synchronmaschine gemäß 1 in vergrößerter Darstellung eines Bereichs der Läuferwelle.
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1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine fremderregte Synchronmaschine 10 als rotierende elektrische Maschine mit einem Ständer 14 und einem gegenüber dem Ständer 14 drehbar angeordneten und über einen Luftspalt 40 vom Ständer 14 beabstandeten Läufer 12. Die Synchronmaschine 10 ist vorliegend als Innenläufer ausgebildet. Die Synchronmaschine 10 weist ein Gehäuse 34 auf, in welchem ein Ständerblechpaket 36 mit einer Ständerwicklung 38 angeordnet ist. Die Ständerwicklung 38 ist vorliegend für einen dreiphasigen Betrieb ausgelegt, das heißt, sie weist vorliegend drei Wicklungen auf, die mit jeweiligen Wechselspannungen einer dreiphasigen Wechselspannung beaufschlagt werden können. Dies kann bei alternativen Ausgestaltungen jedoch variieren. Der detaillierte Aufbau der Ständerwicklung 38 sowie ihr Anschluss an eine elektrische Energieversorgung ist vorliegend nicht weiter dargestellt. Der Fachmann weiß jedoch, wie eine derartige Wicklung konstruiert ist, sodass von weiteren Erläuterungen hierzu abgesehen wird.
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Der Läufer 12 umfasst eine Läuferwelle 20 sowie ein an der Läuferwelle 20 angeordnetes Läuferblechpaket 16 und eine an der Läuferwelle 20 angeordnete Läuferwicklung 18. Der Aufbau des Läuferblechpakets 16 sowie der Läuferwicklung 18 sind dem Fachmann ebenfalls bekannt, weshalb von weiteren Ausführungen abgesehen wird.
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Im Bereich von Wicklungsköpfen 42 der Läuferwicklung 18 ist ferner ein Haltering 44 für den jeweiligen Wicklungskopf 42 der Läuferwicklung 18 angeordnet. Dadurch soll der Wicklungskopf 42 gerade bei großen Drehzahlen stabilisiert werden. Die Funktion dieses Aufbaus ist dem Fachmann ebenfalls bekannt, weshalb von weiteren Erläuterungen hierzu abgesehen wird.
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Die Synchronmaschine 10 ist als fremderregte Synchronmaschine ausgestaltet. Es ist daher notwendig, die Läuferwicklung 18 im bestimmungsgemäßen Betrieb der Synchronmaschine 10 mit einem Gleichstrom zu beaufschlagen, damit läuferseitig ein entsprechendes Magnetfeld bereitgestellt wird, welches mit einem Magnetfeld des Ständers 14 verkettet werden kann, um die gewünschte elektromotorische Wirkung erreichen zu können. Zu diesem Zweck ist eine Kontaktvorrichtung vorgesehen, wie sie im Folgenden erläutert wird.
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2 zeigt die Synchronmaschine 10 gemäß 1 in einer weiteren schematischen Schnittdarstellung entlang einer Linie II-II in 1. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist der Läufer 12 sechspolig ausgebildet. In alternativen Ausgestaltungen kann die Anzahl der Pole jedoch variieren.
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4 zeigt in einer schematischen Schnittansicht vergrößert einen Bereich der Synchronmaschine 10 gemäß 1 im Bereich der Läuferwelle 20. Aus 4 ist ersichtlich, dass zum Anschließen der Läuferwicklung 18 an axialen Enden der Läuferwelle 20 Kontaktelemente 22 vorgesehen sind, die durch Kontaktbürsten 24 elektrisch und mechanisch kontaktiert sind. Zu diesem Zweck sind die Kontaktbürsten 24 über ein im Folgenden noch erläutertes Halteteil 48 gegenüber dem Läufer 12 beziehungsweise der Läuferwelle 20 in radialer Richtung zu einer Drehachse 26 des Läufers 12 beziehungsweise seiner Läuferwelle 20 positioniert und gehalten.
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Die Läuferwicklung 18 ist an den beiden Kontaktelementen 22 angeschlossen. Zu diesem Zweck sind Anschlussleitungen 46 vorgesehen, die eine entsprechende elektrische Kopplung eines jeweiligen der Kontaktelemente 22 mit einem jeweiligen, nicht dargestellten Leiterende der Läuferwicklung 18 herstellen.
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Die Kontaktelemente 22 sind vorliegend an gegenüberliegenden stirnseitigen Enden der Läuferwelle 20 angeordnet. Zu diesem Zweck umfasst die Läuferwelle 20 an ihren stirnseitigen Enden Sackbohrungen 32 als Öffnungen, an deren axialen Bodenbereichen die beiden Kontaktelemente 22 gegenüberliegend angeordnet sind.
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Die Kontaktelemente 22 sind vorliegend nach Art einer Scheibe im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet, sodass sich Kontaktoberflächen der Kontaktelemente 22 quer zur Drehachse 26 der Läuferwelle 20 erstrecken. Die Kontaktoberflächen der Kontaktelemente 22 sind Oberflächen, die im bestimmungsgemäßen Betrieb der Synchronmaschine 10 durch die Kontaktbürsten 24 elektrisch und mechanisch kontaktiert werden. In der vorliegenden Ausgestaltung sind die Kontaktelemente 22 durch eine geeignete Kupferlegierung gebildet. Die Legierung kann insbesondere Messing, Bronze, Edelstahl, Edelmetalle sowie auch Kohle oder Sintermaterialien umfassen.
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Aus den 1 und 4 ist ferner ersichtlich, dass die Läuferwelle 20 mittels einer Lagerung 50 in radialer Richtung gegenüber dem Ständer 14 festgelegt ist.
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Aus den 1 und 4 geht weiterhin hervor, dass die vorliegend als Kohlebürsten ausgebildeten Kontaktbürsten 24 mittels jeweiliger Spiralfedern 28 als Federelemente axial in Richtung der jeweils zugeordneten Kontaktelemente 22 vorgespannt sind. Die jeweiligen Kontaktbürsten 24 und Federelemente 28 sind mittels eines Halteelements 30 gehalten und bilden auf diese Weise eine einzeln handhabbare Baugruppe. Nicht dargestellt in den Figuren ist ein elektrischer Anschluss der Kohlebürsten 24. Die entsprechenden Anschlüsse sind jedoch durch das Halteelement 30 axial nach außen geführt und können entsprechend an eine elektrische Energiequelle angeschlossen werden, sodass der Läufer 12, insbesondere die Läuferwicklung 18, in vorgegebener Weise mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden kann.
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Aus 1 ist ersichtlich, dass die Halteelemente 30 am Gehäuse 34 der Synchronmaschine 10 abgestützt sind. Zu diesem Zweck ist vorliegend vorgesehen, dass das jeweilige Halteelement 30 mit einem jeweiligen Halteteil, wie dem Halteteil 48, mechanisch verbunden ist. Dadurch werden die Kontaktbürsten 24 in einer vorgegebenen Position gegenüber der Läuferwelle 20 und damit auch gegenüber dem Läufer 12 gehalten.
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Zu erkennen ist ferner, dass an einem Abtriebsbereich 54 der Läuferwelle 20 an deren äußeren Umfang im Bereich des einen Endes der Läuferwelle 20 ein Zahnrad 56 befestigt ist, welches drehfest mit der Läuferwelle 20 verbunden ist. Wie aus 1 ersichtlich ist, übergreift das Halteteil 48 den Abtriebsbereich 54 der Läuferwelle 20 mit dem Zahnrad 56, sodass eine zuverlässige Haltefunktion für das Halteelement 30 erreicht werden kann. Das Zahnrad 56 kämmt mit einem Zahnrad 58, welches seinerseits mit einer Abtriebswelle 60 drehfest verbunden ist (3).
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In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Läuferwelle 20 als Hohlwelle ausgebildet ist und Kunststoffeinsätze 52 aufweist, die die jeweiligen Öffnungen 32 in axialer Richtung in Bezug zur Drehachse 26 begrenzen. Die Kunststoffeinsätze 52 dienen zugleich zur Befestigung der Kontaktelemente 22 sowie zur Aufnahme der elektrischen Anschlussleitungen 46. Sie sind aus einem geeigneten Kunststoff gebildet, der als elektrischer Isolator dient. Dadurch kann für die Kontaktelemente 22 nicht nur eine elektrische Isolation voneinander, sondern auch gegenüber dem Läuferwelle 20 erreicht werden, die vorliegend aus einem Stahl gebildet ist. Zugleich kann dadurch auch erreicht werden, dass die elektrischen Leitungen 46 in geschützter Weise aufgenommen und geführt werden können. Die Kunststoffeinsätze 52 ermöglichen zugleich auch eine zusätzliche elektrische Isolation der Kontaktbürsten 24 gegenüber der Läuferwelle 20.
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Insgesamt zeigt die Synchronmaschine 10, dass die Kontaktelemente 22 und zumindest teilweise auch die Kontaktbürsten 24 koaxial in den Öffnungen 32 angeordnet werden können. Die Kontaktbürsten 24 und die Kontaktelemente 22 können sich dadurch im Wesentlichen innerhalb der Läuferwelle 20 befinden, die als Hohlwelle ausgebildet ist. Dadurch kann Bauraum eingespart werden. Die Kontaktbürsten 24 werden mittels der Federelemente 28 axial mit einer Kraft beaufschlagt und nicht radial, wie im Stand der Technik. Dadurch braucht das Kontaktelement auch nicht mehr ringförmig ausgebildet zu sein, sondern es kann nach Art einer Scheibe beziehungsweise einer Münze ausgebildet sein. Mit der Erfindung lassen sich daher die folgenden Vorteile erreichen:
- - Für Schleifflächen und Kontaktbürsten braucht kein extra separater axialer Platz vorgesehen zu werden. Dadurch kann die rotierende elektrische Maschine, hier die Synchronmaschine 10, kürzer und kompakter ausgebildet sein.
- - Ein Leistungs-Volumen-Verhältnis der rotierenden elektrischen Maschine kann erhöht werden.
- - Bei einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug kann der Bauraum eine wichtige Bedeutung haben. Es kann daher eine rotierende elektrische Maschine mit einer spezifischen Leistung mit wenig Bauraumbedarf konstruiert werden, sodass mehr Platz für andere Bereiche, beispielsweise einen Kofferraum oder dergleichen, zur Verfügung stehen kann.
- - Ist der Bauraum vorgegeben, kann ein größeres Leistungs-Volumen-Verhältnis erreicht werden, wenn der verfügbare Bauraum komplett ausgenutzt werden darf.
- - Da die Kontaktelemente koaxial in der Mitte der Läuferwelle angeordnet sein können, braucht ein Kontaktradius des Schleifkontakts beziehungsweise des Kontaktelements nicht mehr größer als ein Außendurchmesser der Läuferwelle zu sein. Vorzugsweise ist er jedoch kleiner als ein Innenradius der stirnseitigen Öffnung der Läuferwelle.
- - Eine Umfangsgeschwindigkeit der Kontaktbürsten gegenüber den Kontaktelementen kann erheblich reduziert werden.
- - Die maximale Umfangsgeschwindigkeit kann durch einen Rand des Kontaktelements vorgegeben sein, beispielsweise Vmax=VRand*ω.
- - Auf anderen Radien der Kontaktscheibe kann dann vorzugsweise gelten: 0≤V≤VRand.
- - Wird ein Mittelwert der Umfangsgeschwindigkeiten betrachtet, kann unter Berücksichtigung von 0≤Vmittel≤VRand Vmittel kleiner als die Umfangsgeschwindigkeit beim Stand der Technik werden, sodass Vmittel≤VSdT.
- - Die Reibung bezüglich der Kontaktbürsten und der Kontaktelemente kann reduziert werden, insbesondere aufgrund der geringeren Differenzgeschwindigkeit.
- - Geringerer Verschleiß der Kontaktbürsten
- - Größere Lebensdauer der Kontaktbürsten
- - Geringere Wartung der Kontaktbürsten
- - Geringere Wärmebildung an den Kontaktbürsten und den Kontaktelementen. Besonders bei großen Drehzahlen und Hochdrehzahlmotoren kann im Stand der Technik das Problem auftreten, dass die Kohlebürsten eine Tendenz haben, sich zu erwärmen beziehungsweise zu überhitzen. Dadurch kann die maximale Drehzahl des Läufers begrenzt sein oder eine zusätzliche Kühlung der Schleifkontakte erfordern. Durch die Erfindung kann die Wärmebildung deutlich reduziert werden.
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Insgesamt zeigen die Ausführungsbeispiele, wie eine verbesserte rotierende elektrische Maschine bereitgestellt werden kann. Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006058911 B4 [0007]
- EP 2426793 A1 [0007]
- DE 102016200766 A1 [0007]