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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen elektrischen Antrieb für ein Fahrzeug, welcher den Elektromotor aufweist.
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Hintergrund der Erfindung
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Es ist bekannt, dass bei Elektromotoren aufgrund von parasitären Kapazitäten Potenzialunterschiede zwischen dem Rotor und dem Stator auftreten. Teilweise werden die Potenzialunterschiede durch einen Stromfluss über das oder die Rotorlager ausgeglichen. Durch den Stromfluss können die Rotorlager beschädigt werden.
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Die Druckschrift
DE 103 122 54 A1 beschreibt einen Traktionsmotor bei dem das Gehäuse über einen Erdungskondensator geerdet ist. Damit sollen entsprechende Lagerströme vermieden werden.
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Die Druckschrift
DE 10 2016 205 049 A1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, zeigt insbesondere in der
15 eine technische Lösung, bei der ein Kontaktelement in einem Wälzlager integriert ist, wobei das Kontaktelement sowohl den Innenring als auch den Außenring elektrisch kontaktiert, um den Stromfluss an den Wälzkörpern vorbei zu leiten.
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Aufgabe der Erfindung
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Ausgehend vom bekannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Elektromotor sowie einen elektrischen Antrieb für ein Fahrzeug zu konzipieren, welcher eine alternative Ausbildung zur Verhinderung von Lagerschäden aufgrund von Stromfluss aufweist.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch einen elektrischen Antrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Elektromotor, welcher insbesondere für einen elektrischen Antrieb eines Fahrzeugs geeignet und/oder ausgebildet ist.
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Das Fahrzeug ist vorzugsweise als ein Personenkraftwagen, Bus oder Lastkraftwagen ausgebildet. Bei alternativen Ausgestaltungen kann das Fahrzeug auch als ein Fahrrad, Motorrad, E-Scooter und/oder einspurig oder zweispurig und/oder einachsig oder zweiachsig ausgebildet sein. Das Fahrzeug ist als ein Elektrofahrzeug, insbesondere als ein reines Elektrofahrzeug oder als ein Hybridfahrzeug ausgebildet.
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Der elektrische Antrieb dient insbesondere dazu, ein Traktionsmoment, insbesondere ein Haupttraktionsmoment, für das Fahrzeug zu erzeugen und/oder bereitzustellen. Der elektrische Antrieb ist mit einer Energieeinrichtung, insbesondere mit einer Energiespeichereinrichtung, im Speziellen mit einer Batterie oder Akku, koppelbar oder gekoppelt, um Energie zur Erzeugung des Traktionsmoments zu erhalten.
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Bei einer möglichen Weiterbildung umfasst der Elektromotor eine Wechselrichtereinrichtung zur Umwandlung von Gleichstrom in einen Wechselstrom. Dieses geschieht zum Beispiel durch Pulsweitenmodulation, wobei die Gleichspannung zu unterschiedlichen Zeitanteilen jeweils auf die Phasen zugeschaltet wird. So ergibt sich im Mittel ein wechselnder Spannungsverlauf und daraus ein wechselnder Strom. Das Zuschalten der Spannung geschieht über entsprechende Halbleiterelemente, zum Beispiel IGBT. Aufgrund einer hohen Schaltfrequenz kommt es zu steilen Spannungsflanken, die parasitäre Kapazitäten an unterschiedlichen Stellen in dem Elektromotor hervorrufen. Aus diesen parasitären Kapazitäten ergeben sich unterschiedliche parasitäre Ströme in dem Elektromotor.
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Der Elektromotor weist einen Stator und einen Rotor sowie ein Gehäuse auf, wobei der Stator am Gehäuse angeordnet ist und der Rotor relativ zu dem Gehäuse drehbar angeordnet ist. Bevorzugt weist der Elektromotor eine Rotorwelle auf, welche mechanisch und elektrisch mit dem Rotor verbunden ist. Die parasitären Ströme können zwischen dem Gehäuse/Stator einerseits und dem Rotor/Rotorwelle andererseits fließen. Das Gehäuse kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Zu dem Gehäuse können auch zusätzliche Gehäuseabschnitte, Gehäusebereiche oder auch Deckel etc. gezählt werden. Vorzugsweise ist der Rotor in dem Gehäuse, insbesondere über ein Rotorlager, im Speziellen ein Rotorwälzlager, drehbar gelagert. Insbesondere weist das Gehäuse einen Gehäuseabschnitt als ein B-Lagerschild und einen weiteren Gehäuseabschnitt für ein A-Lagerschild für den Rotor auf.
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Der Elektromotor weist eine Kontaktanordnung auf, wobei die Kontaktanordnung eine erste und eine zweite Zwischenkontaktstelle zur elektrischen Kontaktierung aufweist. Die erste Zwischenkontaktstelle bildet einen elektrischen Kontakt zu einer rotierenden Komponente. Die rotierende Komponente ist mit dem Rotor mechanisch und elektrisch verbunden. Die zweite Zwischenkontaktstelle bildet einen elektrischen Kontakt zu einer stationären Komponente. Die stationäre Komponente ist mit dem Stator und/oder mit dem Gehäuse elektrisch verbunden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die erste Zwischenkontaktstelle einen festen Kontakt zu der rotierenden Komponente und die zweite Zwischenkontaktstelle einen berührenden Kontakt zu der stationären Komponente bildet. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die erste Zwischenkontaktstelle einen berührenden Kontakt zu der rotierenden Komponente und die zweite Zwischenkontaktstelle einen festen Kontakt zu der stationären Komponente bildet. Es ist auch möglich, dass die erste Zwischenkontaktstelle einen berührenden Kontakt zu der rotierenden Komponente und die zweite Zwischenkontaktstelle ebenfalls einen berührenden Kontakt zu der stationären Komponente bildet. Der berührende Kontakt kann dabei insbesondere als ein Schleifkontakt ausgebildet sein.
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Die Kontaktanordnung kann an einer beliebigen Position in Bezug auf die Rotorwelle angeordnet sein. So kann die Kontaktanordnung an einem freien und getriebeabgewandten Ende der Rotorwelle, an einem freien und getriebezugewandten Ende oder an einem Zwischenabschnitt angeordnet sein. Insbesondere kann die Kontaktanordnung an einem getriebenahen Rotorlager angeordnet sein.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Elektromotor eine Energieverbrauchsanordnung aufweist, welche über die erste Zwischenkontaktstelle und die zweite Zwischenkontaktstelle angeschlossen ist. Insbesondere sind die erste und zweite Zwischenkontaktstelle über die Energieverbrauchsanordnung elektrisch miteinander verbunden. Auf diese Weise werden die zuvor beschriebenen parasitären Ströme über die Energieverbrauchsanordnung geleitet, so dass die Energieverbrauchsanordnung mit elektrischer Energie versorgt ist.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bislang die parasitären Ströme als unvermeidbare Störquellen möglichst effizient abgeleitet wurden. Dagegen versucht die Erfindung, die Energie aus den parasitären Strömen gezielt in die Energieverbrauchsanordnung zu führen und dort zu nutzen. Zwar könnte argumentiert werden, dass in einem Elektromotor ausreichend elektrischer Strom und damit elektrische Energie vorhanden ist, so dass auf die Nutzung von Strömen, die im Elektromotor durch parasitäre Kapazitäten entstehen, für die Energieverbrauchsanordnung verzichtet werden kann. Allerdings benötigt die Überführung des ohnehin vorhandenen Stroms zu einem Energieverbraucher eine zusätzliche Verkabelung und zudem eine Anpassung der Versorgungsspannung. Dagegen reicht es bei der erfindungsgemäßen Energieverbrauchsanordnung, diese über die Zwischenkontaktstellen anzuschließen. Systematisch betrachtet wird eine derartige Energienutzung als Energy Harvesting (wörtlich übersetzt Energie-Ernten) bezeichnet, wobei kleine Mengen von elektrischer Energie für Verbraucher mit geringer Leistung genutzt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Energieverbrauchsanordnung einen Energiespeicher und/oder einen Energieverbraucher. Der Energiespeicher kann beispielsweise als ein Kondensator ausgebildet sein. Der Energieverbraucher ist bevorzugt als eine Sensoreinrichtung, insbesondere als eine Temperatursensoreinrichtung, Beschleunigungssensoreinrichtung, Drehmomentsensoreinrichtung, Drehzahlsensoreinrichtung und/oder Drehwinkelsensoreinrichtung, ausgebildet und/oder kann diese umfassen. Besonders bevorzugt weist die Energieverbrauchsanordnung eine Kommunikationseinrichtung zur kabellosen Kommunikation von Daten der Sensoreinrichtung, insbesondere der Temperatursensoreinrichtung auf. Optional ergänzend weist der Energieverbraucher eine Verarbeitungseinheit zur Verarbeitung der Sensorsignale der Sensoreinrichtung auf. Diese kann z.B. einen µC und/oder einen A/D Wandler enthalten.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist die Energieverbrauchsanordnung mit der stationären Komponente mittelbar oder unmittelbar fest verbunden. Bei dieser Ausgestaltung ist es bevorzugt vorgesehen, dass die erste Zwischenkontaktstelle einen berührenden Kontakt zu der rotierenden Komponente und/oder die zweite Zwischenkontaktstelle einen festen Kontakt zu der stationären Komponente aufweist.
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Bei einer möglichen alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Energieverbrauchsanordnung mit der rotierenden Komponente mittelbar oder unmittelbar fest und/oder drehfest verbunden. Bei dieser Ausgestaltung ist es bevorzugt vorgesehen, dass die erste Zwischenkontaktstelle einen festen Kontakt zu der rotierenden Komponente und/oder die zweite Zwischenkontaktstelle einen berührenden Kontakt zu der stationären Komponente aufweist.
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Besonders bevorzugt ist die Energieverbrauchsanordnung, insbesondere die Sensoreinrichtung drehfest mit dem Rotor verbunden, so dass die Energieverbrauchsanordnung im Betrieb gemeinsam mit dem Rotor rotiert. In dieser bevorzugten Ausgestaltung ist zum einen eine Lösung zur Verhinderung von parasitären Strömen durch die Lager des Rotors gegeben und auf der anderen Seite ein Zusatznutzen erreicht, da die Energieverbrauchsanordnung, insbesondere die Sensoreinrichtung auf einem rotierenden Abschnitt mit elektrischem Strom/elektrischer Energie versorgt ist. Bei dieser Ausgestaltung ist es bevorzugt, dass die erste Zwischenkontaktstelle einen festen Kontakt zu der rotierenden Komponente und die zweite Zwischenkontaktstelle einen berührenden Kontakt zu der stationären Komponente aufweist.
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Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist die rotierende Komponente als die Rotorwelle oder beispielsweise als ein Lagerring von einer Lagereinrichtung zur Lagerung der Rotorwelle und/oder des Rotors ausgebildet. Es kann sich jedoch auch um eine beliebige andere integrierte oder aufgesetzte Komponente, wie zum Beispiel einen zusätzlichen Ring, eine Wellenschulter etc. handeln.
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Bei abgewandelten Ausführungsformen kann die rotierende Komponente als eine Vorgelegewelle, Zwischenwelle oder drehfest und koaxial mit der Rotorwelle verbundenen Getriebewelle ausgebildet sein. Die elektrische Verbindung zu dem Rotor kann über Zahneingriffe zwischen den Wellen zu dem Rotor umgesetzt werden.
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Die technische Realisierung der ersten oder zweiten Zwischenkontaktstelle kann beliebig erfolgen. Der feste Kontakt kann zum Beispiel durch eine Schraubverbindung oder Klemmverbindung mit der stationären Komponente, insbesondere mit dem Gehäuse und/oder dem Stator, oder mit der rotierenden Komponente, insbesondere der Rotorwelle und/oder dem Lagerring umgesetzt werden. Der berührende Kontakt kann als Schleifelement umgesetzt werden, wobei das Schleifelement an einer beliebigen Position radial oder axial an die rotierende Komponente oder der stationären Komponente angeordnet werden kann, um einen elektrischen Kontakt herzustellen.
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Besonders bevorzugt ist das Schleifelement als ein Metallumformteil ausgebildet. Das Metallumformteil kann beispielsweise als ein Blechumformteil ausgebildet sein. In dieser Ausgestaltung wird das Metallumformteil ausgehend von einem Blechhalbzeug durch Trennen und Umformen gefertigt. Bei dem Umformen kann es sich um ein Zugdruckumformen und/oder Biegeumformen handeln. Insbesondere ist das Blechhalbzeug als ein flaches Blech ausgebildet. Alternativ kann das Metallumformteil als ein Draht ausgebildet sein, welcher zu dem Metallumformteil gebogen ist. Besonders bevorzugt ist das Metallumformteil als ein gebogenes, drahtförmiges Element, als ein gebogener Blechstreifen oder als eine gebogene Scheibe ausgebildet. Alternativ ist das Metallumformteil als eine Scheibe mit einer mittigen Kontaktspitze ausgebildet.
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Das Schleifelement, insbesondere das Metallumformteil, ist in dem Gehäuse stationär angeordnet, ist jedoch von dem Stator und/oder dem Gehäuse elektrisch isoliert. Beispielsweise kann das Metallumformteil in dem Gehäuse unmittelbar festgelegt sein. Es ist möglich, dass das Metallumformteil an dem Deckel oder an einer anderen Komponente des Gehäuses festgelegt ist. Im Speziellen ist das Metallumformteil rotationsfest angeordnet. Es kann auch vorgesehen sein, dass mehrere Metallumformteile verwendet werden.
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Alternativ ist das Schleifelement, insbesondere das Metallumformteil, drehfest mit der rotierenden Komponente verbunden, ist jedoch von der rotierenden Komponente elektrisch isoliert.
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Das Metallumformteil weist mindestens oder genau eine Kontaktstelle als erste Zwischenkontaktstelle zur Kontaktierung der rotierenden Komponente oder als zweite Zwischenkontaktstelle zur Kontaktierung der stationären Komponente auf. Die genau eine Kontaktstelle kann als ein zusammenhängender Bereich ausgebildet sein. Alternativ hierzu kann die Kontaktstelle auch als mehrere Einzelbereiche ausgebildet sein. Vorzugsweise weist die mindestens die Kontaktstelle eine verschleißfeste Oberfläche auf und/oder ist als eine Kontaktspitze ausgebildet. Die mindestens eine Kontaktstelle liegt vorgespannt an der jeweiligen Komponente an, wobei die Vorspannung durch eine Federelastizität des Metallumformteils umgesetzt ist. Besonders bevorzugt ist, dass das Metallumformteil als ein Federteil und/oder aus Federstahl ausgebildet ist. Mit dieser Materialwahl bzw. konstruktiven Ausgestaltung wird erreicht, dass das Metallumformteil funktionssicher und dauerhaft einen elektrischen Kontakt bildet.
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Bei einer möglichen konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung liegt die erste Zwischenkontaktstelle des Metallumformteils in axialer Richtung zu der Hauptachse an rotierenden Komponenten unmittelbar oder mittelbar über mindestens oder genau ein Zwischenelement an. Insbesondere liegt die erste Zwischenkontaktstelle vorgespannt an. Das Zwischenelement kann beispielsweise als eine Kugel ausgebildet sein, wobei die Kugel in einer Bohrung oder Vertiefung in der rotierenden Komponente aufgenommen ist.
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Bei einer ersten Alternative ist die mindestens eine erste Zwischenkontaktstelle konzentrisch und/oder mittig zu der Hauptachse angeordnet. Bei dieser Alternative kann das Metallumformteil einen ersten und einen zweiten Endabschnitt aufweisen, wobei der erste Endabschnitt einen Befestigungsabschnitt bildet und an dem Gehäuse befestigt ist. Der zweite Endabschnitt trägt die erste Zwischenkontaktstelle. Das Metallumformteil kann auch einen ersten und einen zweiten Endabschnitt sowie einen Mittelabschnitt aufweisen, wobei die beiden Endabschnitte als Befestigungsabschnitte an dem Gehäuse festgelegt sind und der Mittelabschnitt die erste Zwischenkontaktstelle trägt.
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Bei einer zweiten Alternative ist die erste Zwischenkontaktstelle exzentrisch und/oder außermittig zu der Hauptachse angeordnet. An der rotierenden Komponente ist mindestens eine Ringfläche vorgesehen, wobei die erste Zwischenkontaktstelle in Umlaufrichtung an der Ringfläche vorgespannt abläuft. Bei dieser Alternative bildet der erste Endabschnitt einen Befestigungsabschnitt zur Befestigung des Metallumformteils an oder relativ zu dem Gehäuse, der zweite Endabschnitt trägt die erste Zwischenkontaktstelle.
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Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung ist das Metallumformteil als eine Federzunge ausgebildet. Der Ausgestaltung als Federzunge erstreckt sich das Metallumformteil ohne Umlenkbereiche und/oder nur in eine Längsrichtung. In dieser Ausgestaltung ist der Befestigungsabschnitt oder die Befestigungsabschnitte bevorzugt außermittig angeordnet. Alternativ hierzu sind die erste Zwischenkontaktstelle und der Befestigungsabschnitt koaxial angeordnet, wobei das Metallumformteil einen Umlenkbereich aufweist. Beispielsweise ist das Metallumformteil im Querschnitt U-förmig ausgebildet.
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Bei einer weiteren möglichen konstruktiven Ausgestaltung liegt die erste Zwischenkontaktstelle des Metallumformteils in radialer Richtung zu der Hauptachse an dem rotierenden Körper an. Die Kontaktfläche des rotierenden Körpers ist als eine Zylinderfläche ausgebildet. Dabei kann das Metallumformteil genau eine Kontaktstelle oder auch zwei oder mehr Kontaktstellen als erste Kontaktstelle aufweisen. Insbesondere ist das Metallumformteil in einem Ringspalt zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse vorgespannt angeordnet.
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Bei einer bevorzugten konstruktiven Umsetzung ist das Metallumformteil im Querschnitt wahlweise S-, V- oder U-förmig ausgebildet. Durch die Krümmung ergibt sich ein formelastisches Metallumformteil, welches funktionssicher eingesetzt werden kann. Bevorzugt weist das Metallumformteil zwei Endabschnitte auf, wobei die zwei Endabschnitte entweder die rotierende Komponente elektrisch kontaktieren oder sich isoliert gegen die stationäre Komponente abstützen.
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Zum einen kann vorgesehen sein, dass das Metallumformteil mit einem Befestigungsabschnitt mit dem Gehäuse fest verbunden ist. Diese Ausgestaltung des besonders vorteilhaft, wenn das Metallumformteil mit einem einzigen Endbereich mit dem Gehäuse verbunden ist. Alternativ hierzu kann das Metallumformteil mit dem Gehäuse formschlüssig und/oder kraftschlüssig verbunden sein. Bei dieser Ausgestaltung kann das Metallumformteil zum Beispiel in dem Gehäuse eingeschnappt sein.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung wird durch einen elektrischen Antrieb für ein Fahrzeug gebildet, wobei der elektrische Antrieb den Elektromotor aufweist, wie dieser zuvor beschrieben wurde. Vorzugsweise weist der elektrische Antrieb einen Getriebeabschnitt auf, welcher zur Übertragung und/oder Übersetzung und/oder Verteilung des Traktionsmoments des Elektromotors dient.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend in mehreren bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebs für ein Fahrzeug mit einer Energieverbrauchsanordnung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine Längsschnittdarstellung des elektrischen Antriebs aus der 1 als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 eine Längsschnittdarstellung des elektrischen Antriebs aus der 1 als ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 eine Längsschnittdarstellung des elektrischen Antriebs aus der 1 als ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 eine Längsschnittdarstellung des elektrischen Antriebs aus der 1 als ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 6 a, b eine axiale Draufsicht und eine Längsschnittdarstellung des elektrischen Antriebs aus der 1 als ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 7a - f eine axiale Draufsicht des elektrischen Antriebs aus der 1 als weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung
- 8a, b eine axiale Draufsicht des elektrischen Antriebs aus der 1 als weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen elektrischen Antrieb 1 für ein Fahrzeug, nicht dargestellt, als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Beispielsweise kann das Fahrzeug als ein ein- oder mehrspuriges und/oder als ein ein- oder mehrachsiges Fahrzeug ausgebildet sein. Beispielsweise ist das Fahrzeug ein reines Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Das Fahrzeug kann beispielsweise als ein Personenkraftwagen, Bus oder Lastkraftwagen ausgebildet sein. Alternativ kann das Fahrzeug jedoch auch beispielsweise als ein Fahrrad (Pedelec), Motorrad (Elektromotorrad) oder E-Scooter ausgebildet sein.
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Die elektrische Antrieb 1 dient zur Erzeugung und/oder Bereitstellung eines Traktionsmoments, insbesondere eines Haupttraktionsmoments, für das Fahrzeug. Hierzu weist der elektrische Antrieb 1 einen Elektromotorabschnitt 2 auf, welcher einen Elektromotor 3 zur Erzeugung des Traktionsmoments und eine Rotorwelle 4 zur Übertragung des Traktionsmoments aufweist. Der Elektromotor 3 kann mit einer Energieeinrichtung, z.B. eine Batterie oder ein Akku, elektrisch verbunden sein, um Energie zur Erzeugung des Traktionsmoments zu erhalten. Der Elektromotor 3 kann beispielsweise als ein Gleichstrom-, Synchron- oder Asynchronmotor oder Permanentsynchronmotor ausgebildet sein.
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Der Elektromotor 3 weist einen Stator 5 und einen Rotor 6 auf. Der Rotor 6 ist mit der Rotorwelle 4 drehfest verbunden. Die Rotorwelle 4 definiert mit ihrer Rotationsachse eine Hauptachse H, wobei der Stator 5 und der Rotor 6 in Bezug auf die Hauptachse H koaxial und/oder konzentrisch zueinander angeordnet sind.
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Ferner weist der elektrische Antrieb 1 einen Getriebeabschnitt 7 auf, welcher zur Übertragung und/oder Übersetzung und/oder Verteilung des Traktionsmoments des Elektromotors 3 dient. Hierzu ist in dem Getriebeabschnitt 7 eine Getriebeeinrichtung 8, nur schematisch angedeutet, angeordnet, wobei die Getriebeeinrichtung 8 eine Kupplungseinrichtung, z.B. eine form- oder reinschlüssige Kupplung, und/oder eine Schalteinrichtung, z.B. ein elektrisch und/oder hydraulisch betätigbarer Schaltzylinder, und/oder eine Übersetzungseinrichtung, z.B. ein Planeten- und/oder Stufenradgetriebe, und/oder eine Differentialeinrichtung umfassen kann. Der Elektromotorabschnitt 2 und der Getriebeabschnitt 7 sind über die Rotorwelle 4 getriebetechnisch miteinander verbunden, wobei die Rotorwelle 4 eine Eingangswelle in die Getriebeeinrichtung 8 bildet. Über eine Ausgangswelle 9 kann das Traktionsmoment beispielsweise an ein oder mehrere Räder des Fahrzeugs weitergegeben werden.
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Des Weiteren weist der elektrische Antrieb 1 optional einen Trennabschnitt 10 auf, welcher einen Motorraum des Elektromotorabschnitts 2 von einem angrenzenden Getrieberaum des Getriebeabschnitts 7 trennt. Der Trennabschnitt 10 ist hierzu in axialer Richtung in Bezug auf die Hauptachse H zwischen dem Elektromotorabschnitt 2 und dem Getriebeabschnitt 7 angeordnet. Beispielsweise kann der Motorraum ein Trockenbereich und der angrenzende Getrieberaum ein weiterer Trockenbereich oder ein Ölbereich sein, wobei der Trennabschnitt 10 eine schmutzdichte und gegebenenfalls eine öldichte Abtrennung zwischen dem Elektromotorabschnitt 2 und dem Getriebeabschnitt 7 bildet. Es ist auch möglich, dass der Motorraum ein Nassraum ist. In diesem Fall ist der Elektromotor 3 als ein nasslaufender Elektromotor ausgebildet.
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Der Elektromotor 3 bzw. der elektrische Antrieb 1 weist ein Gehäuse 11 auf, wobei der Stator 5 und der Rotor 6 in dem Gehäuse 11 angeordnet sind. Optional ergänzend ist die Getriebeeinrichtung 8 bzw. der Getriebeabschnitt 7 ebenfalls in dem Gehäuse 11 angeordnet. Alternativ ist die Getriebeeinrichtung 8 in einem weiteren Gehäuse angeordnet.
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Das Gehäuse 11 ist auf einer getriebeabgewandten Seite mit einem Gehäuseabschnitt 12a abgeschlossen, so dass der Gehäuseabschnitt 12a einen Gehäuseinnenraum des Gehäuses 11 begrenzt. Der Gehäuseabschnitt 12a kann einen Deckel und/oder ein Lagerschild, insbesondere ein B-Lagerschild oder einen B-Lagerschildabschnitt aufweisen.
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Zur drehbaren Lagerung der Rotorwelle 4 weist der Elektromotorabschnitt 2 eine Lagereinrichtung 13 und eine weitere Lagereinrichtung 14 auf, wobei die Rotorwelle 4 über die Lagereinrichtungen 13, 14 in radialer Richtung abgestützt sind. Die Lagereinrichtungen 13, 14 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils als ein Kugellager, insbesondere als ein Rillenkugellager ausgebildet.
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Die Lagereinrichtung 13 ist in dem Gehäuseabschnitt 12a angeordnet, wobei der Gehäuseabschnitt 12a lösbar oder unlösbar an dem Gehäuse 11 befestigt ist oder einstückig mit diesem ausgebildet ist. Insbesondere bildet der Gehäuseabschnitt 12a ein B-Lagerschild für den Elektromotor 3. Die Lagereinrichtung 14 ist auf der Getriebeseite des Elektromotors 3 angeordnet und ist in einem weiteren Gehäuseabschnitt 12b angeordnet. Insbesondere bildet der Gehäuseabschnitt 12b ein B-Lagerschild für den Elektromotor 3.
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In einem Motorbetrieb des Elektromotors 3 können Entladungsströme verursacht werden, welche sich über die Lagereinrichtungen 13, 14 entladen und die Lagereinrichtungen 13, 14 beschädigen können. Zur Ableitung weist der elektrische Antrieb 1 eine Kontaktanordnung 15 auf, welche zur Ableitung einer elektrischen Ladung und/oder elektrischen Spannung ausgehend von dem Rotor 6 über die Rotorwelle 4 als ein erster Ableitpartner zu einem zweiten Ableitpartner dient. Der zweite Ableitpartner bildet gegenüber dem ersten Ableitpartner, also der Rotorwelle 4, einen stationären Ableitpartner. Der zweite Ableitpartner ist beispielsweise durch den Gehäuseabschnitt 12a oder 12b oder allgemein durch das Gehäuse 11 gebildet.
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Die Kontaktanordnung 15 weist eine erste Zwischenkontaktstelle 20a auf, wobei die erste Zwischenkontaktstelle 20a mit einer rotierenden Komponente elektrisch verbunden ist. Die Kontaktanordnung 15 und/oder Zwischenkontaktstelle 20a kann bei einem der Lagereinrichtungen 13, 14 oder an einem freien Ende der Rotorwelle 4 wahlweise auf der Seite des Elektromotors 3 oder auf der Seite des Getriebeabschnitts 7 angeordnet sein. Ferner kann die Kontaktanordnung 15 und/oder die Zwischenkontaktstelle 20a auf einer mit der Rotorwelle 4 koaxial angeordneten und drehfest verbundenen Getriebewelle (nicht gezeigt) angeordnet sein. Die Zwischenkontaktstelle 20a kann auf der Rotorwelle 4 oder an einem der Lagereinrichtungen 13, 14 angeordnet sein. In der 1 sind beispielhaft drei Positionen für die Kontaktanordnung 15 und/oder die erste Zwischenkontaktstelle 20a dargestellt. Ferner weist die Kontaktanordnung 15 eine zweite Zwischenkontaktstelle 20b auf, welche elektrisch mit dem Stator 5 und/ oder mit dem Gehäuse 11 elektrisch verbunden ist. Die zweite Zwischenkontaktstelle 20b kann über eine beliebige stationäre Komponente elektrisch verbunden sein. Beispielhaft ist eine Anbindung an dem Gehäuseabschnitt 12a gezeigt. Die Anbindung kann insbesondere an dem Gehäuseabschnitt 12b umgesetzt sein.
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Insbesondere ist die Kontaktanordnung 15 so angeordnet, dass der Stromweg zwischen der stationären und der rotierenden Komponente an einem beliebigen freien Ende der Rotorwelle 4, an einem beliebigen Rotorwellenabschnitt oder an einer beliebigen Position der drehfest verbunden Getriebewelle verläuft.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Ableitanordnung 15 in axialer Richtung in Bezug auf die Hauptachse H an einem Rotorwellenabschnitt 16 am freien Ende der Rotorwelle 4 angeordnet. Somit ist die Kontaktanordnung 15 in Bezug auf die Lagereinrichtung 13 auf der getriebeabgewandten Seite angeordnet.
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Der elektrische Antrieb 1 weist eine Energieverbrauchsanordnung 23 auf, welche schaltungstechnisch mit der Kontaktanordnung 15 verbunden ist, so dass ein Strompfad S von der ersten Zwischenkontaktstelle 20a, über die Kontaktanordnung 15 in die Energieverbrauchsanordnung 23 und über die Kontaktanordnung 15 zu der zweiten Zwischenkontaktstelle 20b führt. Der Strompfad S kann in eine beliebige Richtung gerichtet sein. Durch den Stromfluss in dem Strompfad S wird die Energieverbrauchsanordnung 23 mit elektrischer Energie versorgt.
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In der Energieverbrauchsanordnung 23 ist ein Energiespeicher 24a und/oder einen Energieverbraucher 24b angeordnet. Der Energiespeicher 24a und der Energieverbraucher 24b sind schaltungstechnisch parallel zueinander angeordnet. Der Energiespeicher 24a kann beispielsweise als ein Kondensator realisiert sein. Damit wird eine Versorgungsspannung für den Energieverbraucher 24b konstant gehalten. Alternativ hierzu wird in der Energieverbrauchsanordnung 23 zunächst der Energiespeicher 24a mit elektrischer Energie gefüllt und nachfolgend ausgehend von dem Energiespeicher 24a in beliebiger schaltungstechnischer Anordnung der Energieverbraucher 24b mit elektrischer Energie versorgt.
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Der Energieverbraucher 24b kann beispielsweise als eine Temperatursensoreinrichtung oder eine andere Sensoreinrichtung ausgebildet sein, wobei über einen Temperaturfühler T die Temperatur des Elektromotors 3 erfasst wird. Der Temperaturfühler T kann in dem Gehäuseabschnitt 12a oder an einer anderen funktionsgerechten Position angeordnet sein. Optional weist der Energieverbraucher 24b eine Kommunikationseinrichtung auf, welche es erlaubt, die erfassten Sensordaten bevorzugt kabellos zu übertragen. Es ist zu unterstreichen, dass der Energieverbraucher mit Temperaturfühler T und gegebenenfalls Kommunikationseinrichtung über die Kontaktanordnung 15 mit elektrischer Energie versorgt wird. Damit erlaubt es die Kontaktanordnung 15 in Verbindung mit der Energieverbrauchsanordnung 23 ohne zusätzliche Verkabelung einen elektrischen Verbraucher, hier den Energieverbraucher 24b, zu betreiben. Genutzt werden hierfür elektrische Ströme, welche aufgrund der parasitären Kapazitäten in dem elektrischen Antrieb 1 im Betrieb entstehen und ohnehin zum Schutz der Lagereinrichtungen 13, 14 abgeleitet werden müssen.
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Die 2 zeigt in einer schematischen Längsschnittdarstellung eine Rotorwellenanordnung 17, ausgebildet als ein Teilbereich des elektrischen Antriebs 1 der vorhergehenden Figur. Die Rotorwellenanordnung 17 umfasst einen Rotorwellenabschnitt 16, den Gehäuseabschnitt 12a sowie die Kontaktanordnung 15 und ist in dem elektrischen Antrieb 1 integriert. Es sind wieder der Elektromotor 3 mit dem Stator 5 und dem Rotor 6 sowie das Gehäuse 11 zu erkennen. Genauer dargestellt ist der Gehäuseabschnitt 12a, welcher als ein Lagerschild ausgebildet ist, welches axial auf dem Gehäuse 11 sitzt. Der Gehäuseabschnitt 12a weist einen Aufnahmeabschnitt zur Aufnahme der Lagereinrichtung 13 auf. Bevorzugt wird die Lagereinrichtung 13 als eine Loslagerung gehalten. Ferner weist der Gehäuseabschnitt 12a einen Verbindungsabschnitt auf, wobei der Verbindungsabschnitt zur leitenden Verbindung mit dem Gehäuse 11 dient.
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Die Kontaktanordnung 15 weist ein Metallumformteil 18 auf, wobei das Metallumformteil 18 stationär relativ zu dem Gehäuseabschnitt 12a festgelegt ist und gegenüber dem Gehäuseabschnitt 12 und/oder gegenüber dem Gehäuse 11 elektrisch isoliert ist.
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Das Metallumformteil 18 ist als ein Metallbiegeteil aus einem Blechhalbzeug gefertigt und ist mit einem freien Endabschnitt 19a einseitig isoliert an dem Gehäuseabschnitt 12 außermittig befestigt. Insbesondere ist das Metallumformteil 18 als eine Federzunge ausgebildet. An dem anderen freien Endabschnitt 19b weist das Metallumformteil 18 die erste Zwischenkontaktstelle 20a auf. Die zweite Zwischenkontaktstelle 20b kann an einer beliebigen Position angeordnet sein.
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Der Strompfad S verläuft von dem Rotor 6, die Rotorwelle 4, den Rotorwellenabschnitt 16, über das Metallumformteil 18 in die erste Zwischenkontaktstelle 20a und damit in die Kontaktanordnung 15, nachfolgend in die Energieverbrauchsanordnung 23 und über die Kontaktanordnung 15 über die zweite Zwischenkontaktstelle 20b in den Gehäuseabschnitt 12a und damit zu dem Gehäuse 11 und/oder dem Stator 5. Eine Kugel 21 bildet ein Zwischenelement und ist koaxial auf dem Rotorwellenabschnitt 16 angeordnet und durch eine axiale Bohrung 22 formschlüssig in radialer Richtung zu der Hauptachse H festgelegt. Die Kugel 21 kann wahlweise der Kontaktanordnung 15 oder dem Rotorwellenabschnitt 16 zugeordnet werden. Die erste Zwischenkontaktstelle 20a ist konzentrisch zu der Hauptachse H angeordnet und kontaktiert die Kugel 21 elektrisch. Statt der Kugel 21 kann auch ein anderes Zwischenelement verwendet werden. Das Metallumformteil 18 ist elastisch und/oder federnd gegen den Rotorwellenabschnitt 16 und damit gegen die Kugel 21 vorgespannt, so dass diese in axialer Richtung kraftschlüssig und/oder formschlüssig fixiert ist.
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Die 3 zeigt in der gleichen Darstellung wie die 2 ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung. Für die übereinstimmenden Merkmale wird auf die Beschreibung der vorhergehenden Figur verwiesen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird auf die Kugel 21 (und damit auch auf die Bohrung 22) verzichtet, wobei das Metallumformteil 18 abweichend ausgebildet ist. Das Metallumformteil 18 ist mit dem freien Endabschnitt 19 a an dem Gehäuseabschnitt 12a einseitig und außermittig befestigt und bildet eine Federzunge. Das Metallumformteil 18 ist elektrisch zu dem Gehäuseabschnitt 12a isoliert. Die erste Zwischenkontaktstelle 20a liegt konzentrisch und/oder koaxial, unmittelbar auf einer axialen Stirnseite des Rotorwellenabschnitts 16 elektrisch und mechanisch kontaktierend an.
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Die 4 zeigt in der gleichen Darstellung wie die 2 und 3 ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung. Für die übereinstimmenden Merkmale wird auf die Beschreibung der vorhergehenden Figuren verwiesen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Metallumformteil 18 als eine Federklammer ausgebildet, welche einseitig über den einen Endabschnitt 19a elektrisch isoliert an dem Gehäuseabschnitt 12a mittig befestigt ist. Der andere Endabschnitt 19 b weist die erste Zwischenkontaktstelle 20a auf, welche unmittelbar auf der axialen Stirnseite des Rotorwellenabschnitts 16 kontaktierend und koaxial und/oder konzentrisch aufliegt.
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In der 5 ist in der gleichen Darstellung wie in den 2 bis 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Für die übereinstimmenden Merkmale wird auf die Beschreibung der vorhergehenden Figuren verwiesen. Das Metallumformteil 18 ist beispielsweise als eine Federzunge ausgebildet und mit beiden freien Endabschnitt 19a, b jeweils außermittig, jedoch elektrisch isoliert an dem Gehäuseabschnitt 12a entweder befestigt oder formschlüssig gehalten. Beispielsweise kann das Metallumformteil 18 in den Gehäuseabschnitt 12a eingeschnappt sein. Die erste Zwischenkontaktstelle 20a befindet sich in einem Mittelabschnitt 19c des Metallumformteils 18 und ist koaxial und/oder konzentrisch zu der Hauptachse H angeordnet. Das Metallumformteil 18 ist wie in den vorhergehenden Figuren elastisch und/oder federnd gegen den Rotorwellenabschnitt 16 vorgespannt.
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Die 6a und 6b zeigen eine axiale Draufsicht bzw. einen schematischen Längsschnitt durch die Rotorwellenanordnung 17 als ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. In der Darstellung ist der Rotorwellenabschnitt 16 gezeigt, auf dem ein Wellenabsatz 25 angeformt ist. Der Gehäuseabschnitt 12a weist einen Ringabschnitt 26 auf, wobei der Wellenabsatz 25 und der Ringabschnitt 26 koaxial und/oder konzentrisch zueinander angeordnet sind, so dass sich zwischen diesen ein Ringspalt 27 ergibt. Auf einer axialen Stirnseite des Ringabschnitts 26 ist das Metallumformteil 18 einseitig mit seinem freien Endabschnitt 19a außermittig, jedoch elektrisch isoliert befestigt. Das Metallumformteil 18 erstreckt sich in radialer Richtung nach innen und liegt mit seinem anderen freien Endabschnitt 19b kontaktierend an dem Wellenabsatz 25 mit der ersten Zwischenkontaktstelle 20 an. Das Metallumformteil 18 ist als eine Federzunge ausgebildet, so dass das Metallumformteil 18, insbesondere die erste Zwischenkontaktstelle 20, mit Federspannung an dem Wellenabsatz 25 anliegt. Die Kontaktierung des Metallumformteils 18 in der Kontaktanordnung 15 kann über zum Beispiel über Kabel erfolgen, wie dies beispielhaft in den vorhergehenden Figuren dargestellt ist.
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Die 7a bis 7f zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei die Rotorwellenanordnung 17 in gleicher Weise dargestellt ist wie in der 6a. Somit wird auf die diesbezügliche Beschreibung verwiesen. In den genannten Figuren ist das Metallumformteil 18 als eine Federklammer ausgebildet, welche in dem Ringspalt 27 angeordnet ist und sich in radialer Richtung zum einen gegen den Ringabschnitt 26 und damit den Gehäuseabschnitt 12a und zum anderen gegen den Wellenabsatz 25 und damit den Rotorwellenabschnitt 16 abstützt. Das Metallumformteil 18 kann an dem Gehäuseabschnitt 12a befestigt sein, oftmals ist es jedoch ausreichend, nur eine formschlüssige Fixierung des Metallumformteils 18 in Umlaufrichtung in dem Gehäuseabschnitt 12a einzubringen. Das Metallumformteil 18 wird als Federklammer in einfacher Weise eingeschnappt. Das Metallumformteil 18 ist gegenüber dem Gehäuseabschnitt 12a elektrisch isoliert, wie dies wie in den Figuren zuvor mit Kreisen visualisiert ist. Die Kontaktierung des Metallumformteils 18 in der Kontaktanordnung 15 kann über z.B. über Kabel erfolgen, wie dies beispielhaft in den vorhergehenden Figuren dargestellt ist.
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In der 7a stützt sich das Metallumformteil 18 mit den beiden freien Endabschnitten 19a, 19b gegen den Rotorwellenabschnitt 16 und/oder den Wellenabsatz 25, so dass zwei erste Zwischenkontaktstellen 20a vorhanden sind. Das Metallumformteil 18 ist in der gezeigten axialen Draufsicht V-förmig ausgebildet. Ein Zwischenwinkel zwischen den zwei ersten Zwischenkontaktstellen 20a beträgt zwischen 20° und 45°. In der 7b ist das gleiche Metallumformteil 18 nochmals gegenüberliegend eingesetzt.
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In der 7c stützt sich das Metallumformteil 18 in gleicher Weise wie in der 7a, 7b ab, jedoch beträgt der Zwischenwinkel 180°. In der 7d sind zwei Metallumformteile 18 wie in der 7c, jedoch um 180° versetzt angeordnet.
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In der 7e liegen die freien Endabschnitte 19a, 19b in radialer Richtung elektrisch isoliert an dem Ringabschnitt 26 an, so dass nur eine erste Zwischenkontaktstelle 20a in dem Mittelabschnitt 19c vorhanden ist, welche an dem Rotorwellenabschnitt 16 kontaktierend anliegt. In der 7f ist das Metallumformteil 18 doppelt eingesetzt und zueinander um 180° versetzt angeordnet.
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Der elektrische Antrieb 1 weist einen Elektromotor 3 als eine E-Maschine auf, welche z.B. über einen Wechselrichter betrieben wird, z.B. eine PSM oder ASM, bestehend aus Stator 5 und Rotor 6. Der Stator 5 ist in ein Gehäuse 11 integriert. Im Gehäuse 11 befinden sich Lager 13, 14, welche die Rotorwelle 4, auf der sich der Rotor 6 befindet, halten.
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In den 2 bis 7f ist die erste Zwischenkontaktstelle 20a mit der rotierenden Komponente als eine berührende Kontaktstelle ausgebildet. Die zweite Zwischenkontaktstelle 20b mit der stationären Komponente ist als eine feste Kontaktstelle ausgebildet. Dies führt dazu, dass die Energieverbrauchsanordnung 23 ebenfalls stationär in dem elektrischen Antrieb 1 und/oder in der Rotorwellenanordnung 17 angeordnet ist. Insbesondere ist das Metallumformteil 18 stets elektrisch isoliert von der stationären Komponente.
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In den 8a und 8b sind Ausführungsformen dargestellt, wobei die erste Zwischenkontaktstelle 20a mit der rotierenden Komponente als eine feste Kontaktstelle und die zweite Zwischenkontaktstelle 20b mit der stationären Komponente als eine berührende Kontaktstelle ausgebildet ist. Beispielhaft sind nur zwei Beispiele für das Metallumformteil 18 gezeigt, es können jedoch alle Metallumformteile 18 der vorhergehenden Figuren oder andere Schleifelemente verwendet werden. Das Metallumformteil 18 liegt mit der zweiten Zwischenkontaktstelle 20b schleifend an dem Ringabschnitt 26 oder einem anderen stationären Bereich an, so dass hier ein elektrischer Kontakt gebildet ist. Das Metallumformteil 18 ist gegenüber der rotierenden Komponente, insbesondere dem Rotorwellenabschnitt 16 elektrisch isoliert. Die erste Zwischenkontaktstelle 20a ist mit der rotierenden Komponente, insbesondere dem Rotorwellenabschnitt 16, fest verbunden. Die Energieverbrauchsanordnung 23 ist drehfest mit dem Rotor 6, der Rotorwelle 4 und/oder dem Rotorwellenabschnitt 16 verbunden. Diese Ausgestaltung hat somit den Vorteil, dass die Energieverbrauchsanordnung 23 und insbesondere der Energieverbraucher 24b mit der rotierenden Komponente mitrotiert.
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Während in der 8a eine Ausführungsform gezeigt, bei der das Metallumformteil 18 auf den Rotorwellenabschnitt 16 aufgeschnappt und/oder nur formschlüssig befestigt ist, zeigt die 8b eine Ausführungsform, bei der das Metallumformteil 18 mit dem Rotorwellenabschnitt 16 fest verbunden ist, jedoch zugleich von diesem elektrisch isoliert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrischer Antrieb
- 2
- Elektromotorabschnitt
- 3
- Elektromotor
- 4
- Rotorwelle
- 5
- Stator
- 6
- Rotor
- 7
- Getriebeabschnitt
- 8
- Getriebeeinrichtung
- 9
- Ausgangswelle
- 10
- Trennabschnitt
- 11
- Gehäuse
- 12a, b
- Gehäuseabschnitt
- 13
- Lagereinrichtung
- 14
- weitere Lagereinrichtung
- 15
- Kontaktanordnung
- 16
- Rotorwellenabschnitt
- 17
- Rotorwellenanordnung
- 18
- Metallumformteil
- 19a, b
- Endabschnitte
- 19c
- Mittelabschnitt
- 20a, b
- Zwischenkontaktstelle
- 21
- Kugel
- 22
- Bohrung
- 23
- Energieverbrauchsanordnung
- 24a
- Energiespeicher
- 24b
- Energieverbraucher
- 25
- Wellenabsatz
- 26
- Ringabschnitt
- 27
- Ringspalt
- H
- Hauptachse
- S
- Strompfad
- T
- Temperaturfühler
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10312254 A1 [0003]
- DE 102016205049 A1 [0004]