DE102021117106A1

DE102021117106A1 - Vorrichtung zur konduktiven Verbindung einer Welle mit einem Gehäuse in fluidgekühlter elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102021117106A1
Application number: DE102021117106.7A
Authority: DE
Inventors: Lucas Braun
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-07-02
Filing date: 2021-07-02
Publication date: 2023-01-05

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) zur konduktiven Verbindung einer Rotorwelle (2) mit einem Gehäuse (3) einer mittels eine Kühlfluid gekühlten elektrischen Maschine offenbart. Die Vorrichtung (1) weist ein erstes Kontaktelement (4), welches eine elektrisch leitfähige Verbindung zu der Rotorwelle (2) ausbildet, und ein zweites Kontaktelement (5) auf, welches eine elektrisch leitfähige Verbindung zu dem Gehäuse (3) ausbildet. Das erste Kontaktelement (4) ist mit dem zweiten Kontaktelement (5) elektrisch leitfähig verbunden. Die Vorrichtung (1) ist zumindest abschnittsweise hohlzylindrisch ausgeführt, ist radial zwischen der Rotorwelle (2) und dem Gehäuse (3) angeordnet und weist ein erstes Dichtelement (6) und ein zweites Dichtelementen (7) auf. Die Dichtelemente (6, 7) sind in axialer Richtung derart angeordnet, dass sich zwischen dem ersten Dichtelement (6) und dem zweiten Dichtelement (7) ein von dem Kühlfluid getrennter Raum (8) ausbildet, in dem das erste Kontaktelement (4) und das zweite Kontaktelement (5) angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur konduktiven bzw. elektrisch leitfähigen Verbindung einer Welle mit einem Gehäuse sowie eine elektrische Maschine mit der Vorrichtung.
Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine. Der Rotor umfasst eine Rotorwelle und einen oder mehrere drehfest auf der Rotorwelle angeordnete Rotorkörper. Die Rotorwelle kann hohl ausgeführt sein, was zum einen eine Gewichtsersparnis zur Folge hat und was zum anderen die Zufuhr von Schmier- oder Kühlmittel zum Rotorkörper erlaubt.
Die elektrische Maschine umfasst weiter ein Gehäuse, in welchem der Stator aufgenommen ist und der Rotor drehbar gelagert ist.
Im Betrieb elektrischer Maschinen werden elektrische Spannungen auf die Motorwelle induziert. Bei Entladung der Spannung, insbesondere über die Lagerung, kann es zu Schäden, wie beispielsweise Schmelzkrater und Riffelungsschäden, kommen, die im schlimmsten Fall zum Versagen der elektrischen Maschine führen.
Gerade bei höheren Leistungsklassen wird zu einer konduktiven Verbindung bzw. Wellenerdung bei elektrischen Maschinen geraten, um die Lagerung oder andere mechanische Bauteile dahinter vor Verschleiß aufgrund von Spannungen zu schützen.
Die US 8,183,727 B2 offenbart eine als Erdungsring ausgeführte konduktive Verbindung, welche an einem axialen Ende einer Rotorwelle angeordnet ist und durch ein Dichtelement zu einem Gehäuseabschnitt hin abgedichtet ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur konduktiven bzw. elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen Rotorwelle und Gehäuse bereitzustellen, die insbesondere wird möglichst kompakte Integration in einen begrenzten Bauraum ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen beschriebenen Maßnahmen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den unabhängigen Ansprüchen aufgeführt.
Gemäß einem Aspekt umfasst eine Vorrichtung zur konduktiven bzw. elektrisch leitfähigen Verbindung einer Rotorwelle mit einem Gehäuse einer mittels eine Kühlfluid gekühlten elektrischen Maschine ein erstes Kontaktelement, welches dazu ausgebildet ist, eine elektrisch leitfähige Verbindung zu der Rotorwelle herzustellen, und ein zweites Kontaktelement welches dazu ausgebildet ist, eine elektrisch leitfähige Verbindung zu dem Gehäuse herzustellen. Das erste Kontaktelement ist dabei mit dem zweiten Kontaktelement elektrisch leitfähig verbunden und die Vorrichtung ist zumindest abschnittsweise hohlzylindrisch ausgeführt.
Die Vorrichtung ist radial zwischen der Rotorwelle und dem Gehäuse angeordnet und weist ein erstes Dichtelement und ein zweites Dichtelementen auf. Die Dichtelemente sind in axialer Richtung derart angeordnet, dass sich zwischen dem ersten Dichtelement und dem zweiten Dichtelement ein von dem Kühlfluid getrennter Raum ausbildet, in dem das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement angeordnet sind.
Somit kann die Vorrichtung vollständig auf der Welle angeordnet sein, was insbesondere bei hochintegrierten Systemen vorteilhaft ist. Ein weiterer Vorteil ist hierbei die Schaffung eines von dem Kühlfluid getrennten Raums, der in radialer Richtung nach innen durch die Rotorwelle und nach radial außen von dem Gehäuse begrenzt wird. Der Raum wird in einer ersten axialen Richtung durch ein erstes der zwei Dichtelemente und in einer zweiten, der ersten axialen Richtung gegenüberliegenden axialen Richtung durch ein zweites der zwei Dichtelemente gebildet.
Gemäß einer Ausgestaltung sind das erste Kontaktelement und das zweite Kontaktelement ringförmig ausgebildet.
Die Kontaktelemente lassen sich durch die Ausgestaltung vorteilhafterweise in einen Bauraum zwischen der Welle und dem Gehäuse integrieren.
Gemäß einer Ausgestaltung sind das erste Dichtelement und das zweite Dichtelemente ringförmig ausgebildet.
Die Dichtelemente lassen sich durch die Ausgestaltung vorteilhafterweise in einen Bauraum zwischen Welle und Gehäuse integrieren.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das erste Dichtelement einen ersten Außendurchmesser auf und weist das zweite Dichtelement einen zweiten Außendurchmesser auf. Der erste Außendurchmesser ist größer als der zweite Außendurchmesser.
Die vorteilhafte Wirkungsweise der Ausgestaltung ergibt sich bei einer Montage der Dichtelemente. Die Dichtelemente sind vorteilhafterweise rotationssicher in dem Gehäuse angebracht, insbesondere durch eine radiale Presspassung bzw. einen Querpressverband an dem Außendurchmesser. Durch unterschiedliche Außendurchmesser wird die Montage vereinfacht und eine Beschädigung der Dichtelemente minimiert.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das zweite Kontaktelement einen dritten Außendurchmesser auf. Der dritte Außendurchmesser ist kleiner als der erste Außendurchmesser und größer als der zweite Außendurchmesser.
Die vorteilhafte Wirkungsweise der Ausgestaltung ergibt sich bei einer Montage des zweite Kontaktelements. Vorteilhafterweise ist das zweite Kontaktelement rotationssicher in dem Gehäuse angebracht, insbesondere durch eine radiale Presspassung bzw. einen Querpressverband an dem Außendurchmesser. Durch unterschiedliche Außendurchmesser wird die Montage vereinfacht und eine Beschädigung minimiert.
Gemäß einer Ausgestaltung weist das erste Dichtelement einen ersten Innendurchmesser auf, weist das zweite Dichtelement einen zweiten Innendurchmesser auf und weist das erste Kontaktelement einen dritten Innendurchmesser auf. Die Innendurchmesser sind zueinander gleich.
Die vorteilhafte Wirkungsweise der Ausgestaltung ergibt sich in einer vereinfachten Fertigung der Rotorwelle im Bereich der Vorrichtung, da nur ein bzw. nur ein einziger durchgängiger Wellenabschnitt auf einem Radius hergestellt werden muss und nicht mehrere unterschiedliche Wellenabschnitte.
Gemäß einer Ausgestaltung weist der von dem Kühlfluid getrennte Raum eine Öffnung auf, welche dazu ausgebildet ist, einen Druckausgleich zu ermöglichen.
Vorteilhafterweise ist die Öffnung derart angeordnet, dass ggf. durch die Dichtelemente eindringendes Kühlfluid entweichen kann oder durch ein Druckgefälle abgeführt wird. Besonders vorteilhaft befindet sich die Öffnung an einem tiefsten Punkt des Raums, so dass ggf. eindringendes Kühlfluid aufgrund der Gravitationswirkung abflie-ßen kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst eine elektrische Maschine einen Rotor, welcher eine Rotorwelle aufweist, ein Gehäuse, welches mittels eines Kühlfluids kühlbar ist, sowie die zuvor beschriebene Vorrichtung oder deren Ausgestaltungen.
Gemäß einer Ausgestaltung sind das erste Dichtelement und das zweite Dichtelement als Radialwellendichtringe ausgeführt.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das zweite Kontaktelement drehfest im Gehäuse angeordnet.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder den Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können.
Begriffe wie „radial“, „axial“ oder ähnlich beziehen sich auf eine Rotationsachse der elektrischen Maschine, es sei denn, es wird explizit eine davon abweichende Referenzierung verwendet. Weiter sind aufgrund der besseren Lesbarkeit der Figuren gegebenenfalls nur einzelne oder wenige identische Elemente mit einem Bezugszeichen versehen.
Es zeigt

1 eine Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform,
2 eine Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.

1 zeigt eine Schnittansicht einer Vorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform. Die Vorrichtung 1 ist dabei koaxial um eine Rotorwelle 2 in einem Gehäuse 3 einer mittels Kühlfluid gekühlten elektrischen Maschine angeordnet. Die Rotorwelle 2 durchdringt die Vorrichtung dabei vollständig und bildet so zusammen mit der Vorrichtung 1 und dem Gehäuse 3 einen von einem Kühlfluid getrennten Raum 8, einen sogenannten Trockenraum, aus. Innerhalb des Raums 8 ist ein erstes Kontaktelement 4, das als eine zweireihige Bürste ausgeführt ist, um die Rotorwelle 2 angeordnet, so dass das Kontaktelement 4 an einem Innendurchmesser des ersten Kontaktelements 4 elektrisch leitfähig mit der Rotorwelle 2 verbunden ist. Das zweite Kontaktelement 5 ist innerhalb des Raums 8 mittels einer Presspassung verdrehsicher in dem Gehäuse 3 angeordnet. In axialer Richtung ist das zweite Kontaktelement 5 einseitig durch einen ersten Anschlag in dem Gehäuse 3 in seiner räumlichen Lage definiert. Die Kontaktelemente 4,5 sind unmittelbar elektrisch leitfähig miteinander verbunden, d.h. diese bilden eine konduktive Verbindung zwischen Rotorwelle 2 und Gehäuse 3 aus. Zu einer ersten axialen Seite hin ist der Raum 8 durch ein erstes Dichtelement 6 in Form eines Radialwellendichtrings begrenzt. Das erste Dichtelement 6 ist dabei mittels einer Presspassung verdrehsicher in dem Gehäuse 3 angeordnet. In axialer Richtung ist das erste Dichtelement 6 einseitig durch einen zweiten Anschlag in dem Gehäuse 3 in seiner räumlichen Lage definiert. Zu einer zweiten axialen Seite hin, welche der ersten axialen Seite gegenüber liegt, ist der Raum 8 durch ein zweites Dichtelement 7 in Form eines Radialwellendichtrings begrenzt. Das zweite Dichtelement 7 ist dabei mittels einer Presspassung verdrehsicher in dem Gehäuse 3 angeordnet. In axialer Richtung ist das zweite Dichtelement 7 einseitig durch einen dritten Anschlag in dem Gehäuse 3 in seiner räumlichen Lage definiert.
2 zeigt eine Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform. Ausgenommen der nachstehend beschriebenen Unterschiede ist die weitere Ausführungsform identisch zu der zuvor in Bezugnahme auf 1 beschriebenen Ausführungsform. Hierbei ist in dem Raum 8 eine Öffnung 9 angeordnet. Über die Öffnung 9 erfolgt insbesondere ein Druckausgleich so dass kein Unterdruck entsteht, der über die Dichtelemente Kühlfluid ansaugen kann. Weiter ist die Öffnung 9 derart angeordnet, dass ggf. eingetretenes Kühlfluid insbesondere aufgrund der Gravitationskraft abfließen bzw. entweichen kann.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Rotorwelle
3: Gehäuse
4: erstes Kontaktelement
5: zweites Kontaktelement
6: erstes Dichtelement
7: zweites Dichtelement
8: Raum
9: Öffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8183727 B2 [0007]

Claims

Vorrichtung (1) zum konduktiven Verbinden einer Rotorwelle (2) mit einem Gehäuse (3) einer mittels eine Kühlfluid gekühlten elektrischen Maschine, wobei die Vorrichtung (1) aufweist: ein erstes Kontaktelement (4), welches eine elektrisch leitfähige Verbindung zu der Rotorwelle (2) ausbildet, und ein zweites Kontaktelement (5), welches eine elektrisch leitfähige Verbindung zu dem Gehäuse (3) ausbildet, wobei das erste Kontaktelement (4) mit dem zweiten Kontaktelement (5) elektrisch leitfähig verbunden ist, und die Vorrichtung (1) zumindest abschnittsweise hohlzylindrisch ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) radial zwischen der Rotorwelle (2) und dem Gehäuse (3) angeordnet ist und die Vorrichtung (1) ein erstes Dichtelement (6) und ein zweites Dichtelementen (7) aufweist, die in axialer Richtung derart angeordnet sind, dass sich zwischen dem ersten Dichtelement (6) und dem zweiten Dichtelement (7) ein von dem Kühlfluid getrennter Raum (8) ausbildet, in dem das erste Kontaktelement (4) und das zweite Kontaktelement (5) angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das erste Kontaktelement (4) und das zweite Kontaktelement (5) ringförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Dichtelement (6) und das zweite Dichtelemente (7) ringförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei das erste Dichtelement (6) einen ersten Außendurchmesser auf, das zweite Dichtelement (7) einen zweiten Außendurchmesser aufweist und der erste Außendurchmesser größer ist als der zweite Außendurchmesser.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei das zweite Kontaktelement (5) einen dritten Außendurchmesser aufweist und der dritte Außendurchmesser kleiner als der erste Außendurchmesser und größer als der zweite Außendurchmesser ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei das erste Dichtelement (6) einen ersten Innendurchmesser aufweist, das zweite Dichtelement (7) einen zweiten Innendurchmesser aufweist und das erste Kontaktelement (4) einen dritten Innendurchmesser aufweist, und der erste Innendurchmesser, der zweite Innendurchmesser und der dritte Innendurchmesser zueinander gleich sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der von dem Kühlfluid getrennte Raum (8) eine druckausgleichende Öffnung (9) aufweist.
Elektrische Maschine, die aufweist: einen Rotor, welcher eine Rotorwelle (2) aufweist, ein Gehäuse (3), welches mittels eines Kühlfluids kühlbar ist, und eine Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
Elektrische Maschine nach Anspruch 8, wobei das erste Dichtelement (6) und das zweite Dichtelement (7) als Radialwellendichtringe ausgeführt sind.
Elektrische Maschine nach Anspruch 8 oder 9, wobei das zweite Kontaktelement (5) drehfest in dem Gehäuse (3) angeordnet ist.