DE102023203876A1

DE102023203876A1 - Grounding insert for grounding a rotor shaft of an electrical machine

Info

Publication number: DE102023203876A1
Application number: DE102023203876.5A
Authority: DE
Inventors: Mario Mohler; Christoph Steinmetz; Patrick Sutter
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2023-04-26
Filing date: 2023-04-26
Publication date: 2024-10-31

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Erdungseinsatz (1) zur Erdung einer Rotorwelle (2) einer elektrischen Maschine (3),
- mit einem hülsenförmigen Kontaktkörper (4) aus Metall,
- mit einer Kontaktstruktur (5) aus Metall, die in dem hülsenförmigen Kontaktkörper (4) angeordnet und mit diesem elektrisch leitend verbunden ist.
Hierdurch kann ein mechanisch äußerst stabiler und zugleich elektrisch gut leitender Erdungseinsatz (1) geschaffen werden.

The present invention relates to a grounding insert (1) for grounding a rotor shaft (2) of an electrical machine (3),
- with a sleeve-shaped contact body (4) made of metal,
- with a contact structure (5) made of metal, which is arranged in the sleeve-shaped contact body (4) and is electrically conductively connected thereto.
This makes it possible to create an earthing insert (1) that is mechanically extremely stable and at the same time has good electrical conductivity.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Erdungseinsatz zur Erdung einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine. Die Erfindung betrifft außerdem eine Rotorwelle mit einem solchen Erdungseinsatz sowie eine elektrische Maschine mit einer solchen Rotorwelle.The present invention relates to a grounding insert for grounding a rotor shaft of an electrical machine. The invention also relates to a rotor shaft with such a grounding insert and to an electrical machine with such a rotor shaft.

Aus der DE 10 2020 110 415 A1 ist eine Anordnung zur Erdung einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine bekannt, umfassend eine als Hohlwelle ausgebildete Rotorwelle mit einem innerhalb der Rotorwelle angeordneten Wellenerdungssitz, der über eine Kontaktfläche in elektrischem Kontakt mit einer Kohlebürste steht. Der Wellenerdungssitz ist dabei aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff ausgebildet, wodurch größere Fertigungstoleranzen akzeptierbar sind und dadurch die Anordnung insgesamt kostengünstiger herstellbar sein soll.From the DE 10 2020 110 415 A1 An arrangement for grounding a rotor shaft of an electrical machine is known, comprising a rotor shaft designed as a hollow shaft with a shaft grounding seat arranged inside the rotor shaft, which is in electrical contact with a carbon brush via a contact surface. The shaft grounding seat is made of an electrically conductive plastic, which means that larger manufacturing tolerances are acceptable and the arrangement can therefore be manufactured more cost-effectively overall.

Nachteilig bei der aus dem Stand der Technik bekannten Rotorwelle ist jedoch, dass ein derartiger elektrisch leitfähiger Kunststoff aufgrund der in einer elektrischen Maschine herrschenden Beanspruchungen, wie beispielsweise axialen Lasten, chemischen Angriffen aus eingesetzten Kühlmedien sowie einem hohen Temperaturbereich, in seiner Einsatzfähigkeit begrenzt ist.However, a disadvantage of the rotor shaft known from the prior art is that such an electrically conductive plastic is limited in its usability due to the stresses prevailing in an electrical machine, such as axial loads, chemical attacks from the cooling media used and a high temperature range.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, einen Erdungseinsatz bereitzustellen, mittels welchem insbesondere die bezüglich einer Erdung einer Rotorwelle aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden können.The present invention therefore addresses the problem of providing a grounding insert by means of which, in particular, the disadvantages known from the prior art with regard to grounding a rotor shaft can be overcome.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved according to the invention by the subject matter of independent claim 1. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, Komponenten eines Erdungseinsatzes zur Erdung einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine hauptsächlich aus Metall, insbesondere aus Stahl, auszubilden, da Metall einerseits eine gute elektrische Leitfähigkeit und andererseits eine hohe Beständigkeit gegenüber äußeren Einflüssen, wie beispielsweise mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen, aufweist. Der erfindungsgemäße Erdungseinsatz besitzt dabei einen hülsenförmigen Kontaktkörper aus Metall sowie eine Kontaktstruktur aus Metall, die in dem hülsenförmigen Kontaktkörper angeordnet und mit diesem elektrisch leitend verbunden ist. Durch die im Vergleich zu dem im Stand der Technik verwendeten elektrisch leitfähigen Kunststoff deutlich verbesserte elektrische Leitfähigkeit von Metall, z.B. einem Stahlwerkstoff, ist es auch möglich, das Risiko einer eingeschränkten elektrischen Kontaktierung mit der Rotorwelle, beispielsweise durch während der Wellenfertigung nicht vollständig entfernte Verschmutzungen, aufgebrachte Korrosionsschutzmittel, Oberflächenungenauigkeiten und während des Betriebs der elektrischen Maschine gegebenenfalls eindringendem Kühlmedium selbst bei geringerer Kontaktierung zu reduzieren. Durch die höhere Festigkeit und Steifigkeit von Metall im Vergleich zu elektrisch leitfähigem Kunststoff können auch eine insgesamt höhere Steifigkeit des Erdungseinsatzes sowie eine höhere erreichbare Kontaktpressung zwischen den einzelnen Komponenten, beispielsweise der Kontaktstruktur, dem hülsenförmigen Kontaktkörper und dem Erdungseinsatz in der (hohlen) Rotorwelle erreicht werden, wodurch die elektrische Leitfähigkeit und damit die Erdung ebenfalls deutlich verbessert werden können.The present invention is based on the general idea of forming components of a grounding insert for grounding a rotor shaft of an electrical machine mainly from metal, in particular from steel, since metal has good electrical conductivity on the one hand and high resistance to external influences, such as mechanical, thermal and chemical stress on the other. The grounding insert according to the invention has a sleeve-shaped contact body made of metal and a contact structure made of metal, which is arranged in the sleeve-shaped contact body and is electrically conductively connected to it. Due to the significantly improved electrical conductivity of metal, e.g. a steel material, compared to the electrically conductive plastic used in the prior art, it is also possible to reduce the risk of limited electrical contact with the rotor shaft, for example due to dirt that has not been completely removed during shaft production, applied anti-corrosive agents, surface inaccuracies and cooling medium that may penetrate during operation of the electrical machine, even with less contact. Due to the higher strength and rigidity of metal compared to electrically conductive plastic, an overall higher rigidity of the grounding insert as well as a higher achievable contact pressure between the individual components, for example the contact structure, the sleeve-shaped contact body and the grounding insert in the (hollow) rotor shaft, can be achieved, whereby the electrical conductivity and thus the grounding can also be significantly improved.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, besitzt der erfindungsgemäße Erdungseinsatz ein in dem hülsenförmigen Kontaktkörper angeordnetes Lager mit einer drehfest mit dem hülsenförmigen Kontaktkörper verbundenen Außenschale und einer drehbar hierzu gelagerten Innenschale, wobei an dieser Innenschale ein elektrisches Kontaktelement angeordnet sein kann, vorzugsweise ist, das gegen die Kontaktstruktur vorgespannt und elektrisch leitend mit dieser verbunden ist. Mit dieser Ausführungsform ist es somit möglich, unabhängig von den im Betrieb einer elektrischen Maschine auftretenden mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen eine zuverlässige elektrische Erdung der Rotorwelle zu erreichen. Das Lager kann prinzipiell aber auch an einer anderen Stelle in der Rotorwelle vor dem Erdungseinsatz positioniert werden, sofern ein zusätzliches Bauteil zur Führung und Positionierung der Kohlebürste eingesetzt wird.In an advantageous development of the invention, the grounding insert according to the invention has a bearing arranged in the sleeve-shaped contact body with an outer shell connected to the sleeve-shaped contact body in a rotationally fixed manner and an inner shell mounted rotatably thereto, wherein an electrical contact element can be arranged on this inner shell, preferably is, which is prestressed against the contact structure and is electrically conductively connected to it. With this embodiment, it is thus possible to achieve reliable electrical grounding of the rotor shaft regardless of the mechanical, thermal and/or chemical loads that occur during operation of an electrical machine. In principle, however, the bearing can also be positioned at another point in the rotor shaft in front of the grounding insert, provided that an additional component is used to guide and position the carbon brush.

Zweckmäßig ist an der Innenschale des Lagers eine Fläche zur Kontaktierung durch ein elektrisches Kontaktelement angeordnet, das gegen die Kontaktstruktur vorgespannt und elektrisch leitend mit dieser verbunden ist.It is expedient to arrange a surface on the inner shell of the bearing for contacting by an electrical contact element, which is prestressed against the contact structure and is electrically conductively connected to it.

Üblicherweise sind das Lager und das elektrische Kontaktelement kein Bestandteil des Lieferumfanges „Erdungseinsatz“, sondern werden nach erfolgtem Einpressen und Bearbeitung desselben in der Rotorwelle erst montiert werden. Unter Umständen kommt das elektrische Kontaktelement erst beim Zusammenbau von Getriebe und E-Maschine (Traktionsmotor) in Kontakt mit dem Erdungseinsatz.The bearing and the electrical contact element are usually not part of the "grounding insert" scope of delivery, but are only installed after it has been pressed in and machined into the rotor shaft. In some cases, the electrical contact element only comes into contact with the grounding insert when the gearbox and electric machine (traction motor) are assembled.

Der Erdungseinsatz kann dabei auch als vorgefertigte Baugruppe ausgebildet sein, wodurch sich der Einbau in die hohle Rotorwelle deutlich vereinfacht, da der Erdungseinsatz in diesem Fall als ein Teil in der hohlen Rotorwelle platziert und fixiert werden kann.The earthing insert can also be designed as a prefabricated assembly, which makes installation in the hollow rotor shaft much easier, since the earthing insert in this case is designed as a part can be placed and fixed in the hollow rotor shaft.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Erdungseinsatzes ist an der Innenschale ein elektrisches Kontaktelement angeordnet, das gegen die Kontaktstruktur vorgespannt, elektrisch leitend mit dieser verbunden ist und eine Kohlebürste aufweist. Kohlebürsten dienen in bekannter Weise zur Stromübertragung an bewegliche Teile, aber auch in umgekehrter Weise von einer Rotorwelle zu einem Erdleiter. Die Kohlebürste stellt dabei einen schleifenden Gleitkontakt her und kann beispielsweise durch metallische Komponenten, wie insbesondere Kupfer, Silber oder Molybdän, angereichert sein. Kohlebürsten bestehen üblicherweise aus Graphit. Kohlebürsten werden darüber hinaus bereits langjährig eingesetzt und sind demzufolge nicht nur äußerst zuverlässig, sondern auch kostengünstig einsetzbar. Die Kohlebürste ist üblicherweise nicht Bestandteil des Erdungseinsatzes, sondern wird als ein den Erdungseinsatz kontaktierendes Bauteil zur Ableitung indizierter Störströme benötigt.In an advantageous development of the grounding insert according to the invention, an electrical contact element is arranged on the inner shell, which is prestressed against the contact structure, is electrically connected to it and has a carbon brush. Carbon brushes are used in a known manner to transmit current to moving parts, but also in the opposite way from a rotor shaft to an earth conductor. The carbon brush creates a sliding contact and can be enriched, for example, with metallic components, such as copper, silver or molybdenum. Carbon brushes are usually made of graphite. Carbon brushes have also been used for many years and are therefore not only extremely reliable, but also cost-effective. The carbon brush is not usually part of the grounding insert, but is required as a component that contacts the grounding insert to divert indicated interference currents.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Erdungseinsatzes ist das Lager als Kugellager, als Gleitlager oder als Nadellager ausgebildet. Besonders die Ausbildung des Lagers als Kugellager oder als Nadellager ermöglicht eine äußerst leichtgängige Lagerung des beim Betrieb der elektrischen Maschine rotierenden hülsenförmigen Kontaktkörpers und dem gleichzeitig stehenden elektrischen Kontaktelement. Rein theoretisch ist selbstverständlich aber auch ein Gleitlager denkbar.In an advantageous further development of the earthing insert according to the invention, the bearing is designed as a ball bearing, a plain bearing or a needle bearing. In particular, the design of the bearing as a ball bearing or a needle bearing enables extremely smooth mounting of the sleeve-shaped contact body that rotates when the electrical machine is in operation and the electrical contact element that is stationary at the same time. In theory, however, a plain bearing is of course also conceivable.

Zweckmäßig weist die Kontaktstruktur zumindest zwei radial von einer Nabe abstehende Arme auf, die an ihren Außenenden mit dem hülsenförmigen Kontaktkörper, konkret mit einer Innenmantelfläche des hülsenförmigen Kontaktkörpers, elektrisch leitend verbunden sind. Über eine derartige Ausbildung der Kontaktstruktur mit Nabe sowie davon abstehenden Armen kann eine besonders gewichtsoptimierte Kontaktstruktur erreicht werden, die insbesondere beim Einsatz in einer als Traktionsmotor ausgebildeten elektrischen Maschine in einem Elektrofahrzeug von großem Vorteil ist.The contact structure expediently has at least two arms that protrude radially from a hub and that are electrically connected at their outer ends to the sleeve-shaped contact body, specifically to an inner surface of the sleeve-shaped contact body. By designing the contact structure in this way with a hub and arms that protrude from it, a particularly weight-optimized contact structure can be achieved, which is of great advantage, particularly when used in an electric machine designed as a traction motor in an electric vehicle.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdungseinsatzes ist das Kontaktelement mittels einer Feder gegen die Nabe der Kontaktstruktur vorgespannt. Mittels einer derartigen Federvorspannung kann eine zuverlässige und insbesondere auch temperaturunabhängige elektrische Kontaktierung zwischen dem elektrischen Kontaktelement einerseits und der Kontaktstruktur andererseits erreicht werden. Eine derartige Feder kann beispielsweise als kostengünstige und fertigungstechnisch einfach herzustellende Schraubenfeder ausgebildet sein.In a particularly preferred embodiment of the grounding insert according to the invention, the contact element is pre-tensioned against the hub of the contact structure by means of a spring. By means of such a spring pre-tension, a reliable and in particular temperature-independent electrical contact can be achieved between the electrical contact element on the one hand and the contact structure on the other. Such a spring can be designed, for example, as a cost-effective and technically simple to manufacture helical spring.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdungseinsatzes sind/ist das Lager und/oder die Kontaktstruktur in den hülsenförmigen Kontaktkörper eingepresst, eingelötet, eingeschweißt oder eingeklebt. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welch mannigfaltige Möglichkeiten der Fixierung des Lagers und/oder der Kontaktstruktur in dem hülsenförmigen Kontaktkörper gegeben sind. Besonders ein Einpressen stellt dabei eine fertigungstechnisch einfache und zudem kostengünstige Möglichkeit der Fixierung dar, wobei bei einem Einpressen zugleich der Vorteil gegeben ist, dass sich beispielsweise die Außenenden der Arme der Kontaktstruktur in die Innenmantelfläche des hülsenförmigen Kontaktkörpers eingraben und dadurch die elektrische Kontaktierung verbessern. Bei einem Einkleben des Lagers und/oder der Kontaktstruktur in den hülsenförmigen Kontaktkörper ist selbstverständlich darauf zu achten, dass eine Stromübertragung gegeben ist.In a further advantageous embodiment of the grounding insert according to the invention, the bearing and/or the contact structure are pressed, soldered, welded or glued into the sleeve-shaped contact body. This non-exhaustive list alone gives an idea of the wide variety of options for fixing the bearing and/or the contact structure in the sleeve-shaped contact body. Pressing in in particular represents a manufacturing-technically simple and also cost-effective way of fixing, whereby pressing in also has the advantage that, for example, the outer ends of the arms of the contact structure dig into the inner surface of the sleeve-shaped contact body and thereby improve the electrical contact. When gluing the bearing and/or the contact structure into the sleeve-shaped contact body, care must of course be taken to ensure that current is transmitted.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind/ist die Kontaktstruktur und/oder der hülsenförmige Kontaktkörper als metallisches Sinterbauteil oder als MIM-Bauteil (Metal Injection Molding) bzw. als Blechumformteil ausgebildet. Mittels MIM-Verfahren (Metallpulver-Spritzgießen) können auch komplexe Geometrien der herzustellenden metallischen Bauteile kostengünstig und zudem äußerst präzise hergestellt werden. Blechumformteile wiederum lassen sich besonders kostengünstig herstellen.In a particularly preferred embodiment, the contact structure and/or the sleeve-shaped contact body are designed as a metallic sintered component or as an MIM component (metal injection molding) or as a sheet metal formed part. Using the MIM process (metal powder injection molding), even complex geometries of the metallic components to be produced can be manufactured cost-effectively and with extreme precision. Sheet metal formed parts, in turn, can be manufactured particularly cost-effectively.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erdungseinsatzes weisen das Lager und die Kontaktstruktur einen unterschiedlichen Außendurchmesser auf, wobei eine Innenmantelfläche des hülsenförmigen Kontaktkörpers einen ersten Kontaktbereich besitzt, dessen Innendurchmesser komplementär zum Außendurchmesser des Lagers ausgebildet ist, sowie einen zweiten Kontaktbereich, dessen Innendurchmesser komplementär zum Außendurchmesser der Kontaktstruktur ausgebildet ist. Hierdurch besitzt die Innenmantelfläche des hülsenförmigen Kontaktkörpers eine gestufte Form, welche nicht nur ein zuverlässiges Einpressen des Lagers und/oder der Kontaktstruktur in den hülsenförmigen Kontaktkörper ermöglicht, sondern zugleich auch einen Axialanschlag bietet, der eine besonders exakte axiale Positionierung des Lagers und/oder der Kontaktstruktur ermöglicht. Dabei ist alternativ auch denkbar, dass eine Aufnahmegeometrie für das Lager erst nach dem Einpressen des Erdungseinsatzes in die Rotorwelle gefertigt wird. Ein Lagersitz (Aufnahmegeometrie) kann auch am noch nicht mit der Rotorwelle verbundenen Erdungseinsatz vorbearbeitet und erst nach Einsetzen, z.B. Einpressen, in die Rotorwelle fertig bearbeitet werden.In a further advantageous embodiment of the grounding insert according to the invention, the bearing and the contact structure have a different outer diameter, wherein an inner surface of the sleeve-shaped contact body has a first contact area, the inner diameter of which is complementary to the outer diameter of the bearing, and a second contact area, the inner diameter of which is complementary to the outer diameter of the contact structure. As a result, the inner surface of the sleeve-shaped contact body has a stepped shape, which not only enables the bearing and/or the contact structure to be pressed reliably into the sleeve-shaped contact body, but also offers an axial stop, which enables particularly precise axial positioning of the bearing and/or the contact structure. Alternatively, it is also conceivable that a receiving geometry for the bearing is only manufactured after the grounding insert has been pressed into the rotor shaft. A bearing seat (receiving geometry) can also be pre-machined on the grounding insert that is not yet connected to the rotor shaft and only after insertion, e.g. pressing, into the rotor shaft.

Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Rotorwelle mit einem in den vorherigen Absätzen beschriebenen Erdungseinsatz auszustatten und dadurch diese sowie einen Rotor einer elektrischen Maschine unabhängig von während des Betriebs der elektrischen Maschine auftretenden äußeren Belastungen, wie beispielsweise mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen, zuverlässig elektrisch zu erden.The present invention is further based on the general idea of equipping a rotor shaft with a grounding insert as described in the previous paragraphs and thereby reliably electrically grounding said rotor and a rotor of an electrical machine independently of external loads occurring during operation of the electrical machine, such as mechanical, thermal and/or chemical loads.

Die vorliegende Erfindung beruht ebenfalls auf dem allgemeinen Gedanken, eine elektrische Maschine mit einer im vorherigen Absatz beschriebenen (hohlen) Rotorwelle mit dem erfindungsgemäßen Erdungseinsatz auszustatten und dadurch eine elektrische Maschine zu schaffen, die unabhängig von beim Betrieb derselben auftretenden Belastungen eine zuverlässige Erdung der Rotorwelle ermöglicht. Dies ist insbesondere dann von großem Vorteil, sofern die elektrische Maschine als Traktionsmotor ausgebildet ist und dadurch hohen mechanischen, thermischen sowie chemischen Belastungen (bei Kühlung) ausgesetzt ist.The present invention is also based on the general idea of equipping an electrical machine with a (hollow) rotor shaft described in the previous paragraph with the grounding insert according to the invention and thereby creating an electrical machine that enables reliable grounding of the rotor shaft regardless of the loads that occur during operation. This is particularly advantageous if the electrical machine is designed as a traction motor and is therefore exposed to high mechanical, thermal and chemical loads (during cooling).

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention emerge from the subclaims, from the drawings and from the associated description of the figures based on the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Vorstehend genannte und nachfolgend noch zu nennende Bestandteile einer übergeordneten Einheit, wie z.B. einer Einrichtung, einer Vorrichtung oder einer Anordnung, die separat bezeichnet sind, können separate Bauteile bzw. Komponenten dieser Einheit bilden oder integrale Bereiche bzw. Abschnitte dieser Einheit sein, auch wenn dies in der Zeichnung anders dargestellt ist.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention. Components mentioned above and to be mentioned below of a higher-level unit, such as a device, an apparatus or an arrangement, which are designated separately, can form separate parts or components of this unit or be integral areas or sections of this unit, even if this is shown differently in the drawing.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description.

Dabei zeigen, jeweils schematisch:

1 eine Längsschnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Rotorwelle für eine erfindungsgemäße elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen Erdungseinsatz nach kompletter Fertigung,
2a eine Schnittdarstellung durch den erfindungsgemäßen Erdungseinsatz mit hülsenförmigem Kontaktkörper und vierarmiger Kontaktstruktur, jedoch ohne Lager und elektrischem Kontaktelement,
2b eine Ansicht auf den Erdungseinsatz entsprechend der 2a,
3 eine Explosionsdarstellung zur Verdeutlichung einer Montage des erfindungsgemäßen Erdungseinsatzes,
4a eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Erdungseinsatz mit hülsenförmigem Kontaktkörper, Lager und vierarmiger Kontaktstruktur bei in der Rotorwelle montiertem Zustand, jedoch ohne die Rotorwelle
4b eine Ansicht auf den Erdungseinsatz entsprechend der 4a,
5a eine Darstellung wie in 2a, jedoch bei dreiarmiger Kontaktstruktur,
5b eine Ansicht auf den Erdungseinsatz entsprechend der 5a,
6a eine Darstellung wie in 5a, jedoch bei anderem hülsenförmigem Kontaktkörper und anderer Montagerichtung für diesen,
6b eine Ansicht auf den Erdungseinsatz entsprechend der 6a.

Shown schematically:

1 a longitudinal sectional view through a rotor shaft according to the invention for an electrical machine according to the invention with a grounding insert according to the invention after complete production,
2a a sectional view through the earthing insert according to the invention with sleeve-shaped contact body and four-arm contact structure, but without bearing and electrical contact element,
2b a view of the earthing insert according to the 2a ,
3 an exploded view to illustrate an assembly of the grounding insert according to the invention,
4a a sectional view through an earthing insert according to the invention with sleeve-shaped contact body, bearing and four-armed contact structure when mounted in the rotor shaft, but without the rotor shaft
4b a view of the earthing insert according to the 4a ,
5a a representation as in 2a , but with a three-arm contact structure,
5b a view of the earthing insert according to the 5a ,
6a a representation as in 5a , but with a different sleeve-shaped contact body and a different mounting direction for this,
6b a view of the earthing insert according to the 6a .

Entsprechend der 1 weist ein erfindungsgemäßer Erdungseinsatz 1 (vergleiche auch die 2 bis 6) zur Erdung einer Rotorwelle 2 einer elektrischen Maschine 3 einen hülsenförmigen metallischen Kontaktkörper 4 sowie eine metallische Kontaktstruktur 5 auf, die in dem hülsenförmigen Kontaktkörper 4 angeordnet und mit diesem elektrisch leitend verbunden ist.According to the 1 An earthing insert 1 according to the invention (see also the 2 to 6 ) for earthing a rotor shaft 2 of an electrical machine 3, has a sleeve-shaped metallic contact body 4 and a metallic contact structure 5 which is arranged in the sleeve-shaped contact body 4 and is electrically conductively connected thereto.

Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Erdungseinsatz 1 ein in dem hülsenförmigen Kontaktkörper 4 angeordnetes Lager 6 (vergleiche auch die 3 und 4a) mit einer in diesem Zustand drehfest mit dem hülsenförmigen Kontaktkörper 4 verbundenen Außenschale 7 und einer drehbar hierzu gelagerten Innenschale 8 aufnehmen. Das Lager 6 kann dabei beispielsweise als Kugellager ausgebildet sein, sodass die zwischen der Außenschale 7 und der Innenschale 8 angeordneten Wälzkörper als Kugeln ausgebildet sind. Alternativ kann das Lager 6 selbstverständlich auch als Gleitlager oder als Nadellager ausgebildet sein. Besonders die Ausbildung als Wälzlager, d. h. beispielsweise als Kugellager oder als Nadellager, bietet dabei den großen Vorteil einer äußerst leichtgängigen und reibungsarmen Lagerung.In addition, the grounding insert 1 according to the invention can have a bearing 6 arranged in the sleeve-shaped contact body 4 (see also the 3 and 4a) with an outer shell 7 that is connected to the sleeve-shaped contact body 4 in a rotationally fixed manner in this state and an inner shell 8 that is rotatably mounted thereon. The bearing 6 can be designed as a ball bearing, for example, so that the rolling elements arranged between the outer shell 7 and the inner shell 8 are designed as balls. Alternatively, the bearing 6 can of course also be designed as a plain bearing or as a needle bearing. In particular, the design as a rolling bearing, ie for example as a ball bearing or as a needle bearing, offers the great advantage of an extremely smooth and low-friction bearing.

An der Innenschale 8 wird darüber hinaus ein elektrisches Kontaktelement 9 angeordnet, das gegen die Kontaktstruktur 5 vorgespannt und elektrisch leitend mit dieser verbunden ist. Das elektrische Kontaktelement 9 ist dabei drehfest an der Innenschale 8 angeordnet. Zur Vorspannung dient hierbei beispielsweise eine Feder 10, die beispielsweise als Schraubenfeder, als Blattfeder oder als andere Feder ausgebildet sein kann. Die Kontaktstruktur 5 und der hülsenförmige Kontaktkörper 4 sind erfindungsgemäß aus Metall, insbesondere aus Stahl bzw. einem Stahlwerkstoff, ausgebildet, was den großen Vorteil bietet, dass dadurch der Erdungseinsatz 1 unabhängig von den im Betriebszustand der elektrischen Maschine 3 auftretenden Belastungen, beispielsweise thermischen, chemischen oder mechanischen Belastungen, zuverlässig eine Erdung der (hohlen) Rotorwelle 2 ermöglicht.In addition, an electrical contact element 9 is arranged on the inner shell 8, which is prestressed against the contact structure 5 and is electrically conductively connected to it. The electrical contact element 9 is arranged on the inner shell 8 in a rotationally fixed manner. A spring 10, for example, which can be designed as a helical spring, a leaf spring or another spring, is used for prestressing. The contact structure 5 and the sleeve-shaped contact body 4 are made of metal according to the invention, in particular of steel or a steel material, which offers the great advantage that the earthing insert 1 enables the (hollow) rotor shaft 2 to be reliably earthed regardless of the loads occurring in the operating state of the electrical machine 3, for example thermal, chemical or mechanical loads.

Das elektrische Kontaktelement 9 kann beispielswiese als Kohlebürste ausgebildet sein und dadurch einen rotierenden Schleifkontakt zur Kontaktstruktur 5, insbesondere zu einer Nabe 11 der Kontaktstruktur 5, besitzen.The electrical contact element 9 can, for example, be designed as a carbon brush and thus have a rotating sliding contact with the contact structure 5, in particular with a hub 11 of the contact structure 5.

Betrachtet man die Kontaktstruktur 5 weiter, so kann man erkennen, dass diese entsprechend den 1 bis 4, insgesamt vier von der Nabe 11 abstehende Arme 12 aufweist, die an ihren Außenenden mit einer Innenmantelfläche 13 des hülsenförmigen Kontaktkörpers 4 verbunden, insbesondere elektrisch leitend verbunden, sind. Prinzipiell besitzt die Kontaktstruktur 5 zumindest zwei radial von der Nabe 11 abstehende Arme 12, wobei gemäß den 5 und 6 jeweils drei Arme 12 vorgesehen sind.If we look further at the contact structure 5, we can see that it corresponds to the 1 to 4 , has a total of four arms 12 protruding from the hub 11, which are connected at their outer ends to an inner surface 13 of the sleeve-shaped contact body 4, in particular electrically conductively connected. In principle, the contact structure 5 has at least two arms 12 protruding radially from the hub 11, wherein according to the 5 and 6 three arms 12 are provided each.

Die Arme 12 können dabei mit ihren Außenenden direkt mit der Innenmantelfläche 13 des hülsenförmigen Kontaktkörpers 4 in Kontakt stehen, wobei zur Aufnahme der Außenenden der Arme 12 an der Innenmantelfläche 13 auch Ausnehmungen 14, insbesondere Nuten, vorgesehen sein können, wie dies entsprechend den 4 und 6 dargestellt ist. Hierdurch kann eine bezüglich eines Drehwinkels äußerst exakte Ausrichtung der Kontaktstruktur 5 relativ zum hülsenförmigen Kontaktkörper 4 erreicht werden. Demgegenüber weist die Innenmantelfläche 13 des hülsenförmigen Kontaktkörpers 4 in den 1 bis 3 und 5 keine derartigen Ausnehmungen 14 auf, wodurch eine Drehwinkel unabhängige Montage der Kontaktstruktur 5 in dem hülsenförmigen Kontaktkörper 4 möglich ist. Durch die Ausnehmungen 14 kann auch eine formschlüssige und drehfeste Fixierung der Kontaktstruktur 5 in dem hülsenförmigen Kontaktkörper 4 erreicht werden.The arms 12 can be in direct contact with the inner surface 13 of the sleeve-shaped contact body 4 with their outer ends, whereby recesses 14, in particular grooves, can also be provided on the inner surface 13 to accommodate the outer ends of the arms 12, as is shown in the 4 and 6 This allows an extremely precise alignment of the contact structure 5 relative to the sleeve-shaped contact body 4 with respect to a rotation angle. In contrast, the inner surface 13 of the sleeve-shaped contact body 4 has 1 to 3 and 5 no such recesses 14, whereby a rotation angle-independent assembly of the contact structure 5 in the sleeve-shaped contact body 4 is possible. The recesses 14 can also achieve a positive and rotationally fixed fixation of the contact structure 5 in the sleeve-shaped contact body 4.

Die Kontaktstruktur 5 und/oder der hülsenförmige Kontaktkörper 4 können dabei auch als metallisches Sinterbauteil oder als MIM-Bauteil ausgebildet sein, wobei insbesondere die Herstellung als Pulverspritzgussteil den großen Vorteil bietet, komplexe Geometrien einfach herstellen zu können. Alternativ ist auch eine Ausbildung als kostengünstiges Blechumformteil denkbar.The contact structure 5 and/or the sleeve-shaped contact body 4 can also be designed as a metallic sintered component or as an MIM component, whereby production as a powder injection molded part in particular offers the great advantage of being able to easily produce complex geometries. Alternatively, design as a cost-effective sheet metal formed part is also conceivable.

Eine Montage des erfindungsgemäßen Erdungseinsatzes 1 erfolgt dabei entsprechend der 3 wie folgt: Zunächst wird der hülsenförmige metallische Kontaktkörper 4 hergestellt und anschließend die metallische Kontaktstruktur 5 in dem hülsenförmigen metallischen Kontaktkörper 4 angeordnet, beispielsweise in diesen eingepresst bzw. mit diesem verlötet, verschweißt oder verklebt. Der so vorgefertigte Erdungseinsatz 1 wird anschließend in der Rotorwelle 2 angeordnet, beispielsweise in diese eingepresst. Anschließend wird das Lager 6 in dem hülsenförmigen metallischen Kontaktkörper 4 angeordnet, beispielsweise in diesen eingepresst bzw. mit diesem verlötet, verschweißt oder verklebt.The earthing insert 1 according to the invention is mounted in accordance with the 3 as follows: First, the sleeve-shaped metallic contact body 4 is produced and then the metallic contact structure 5 is arranged in the sleeve-shaped metallic contact body 4, for example pressed into it or soldered, welded or glued to it. The earthing insert 1 prefabricated in this way is then arranged in the rotor shaft 2, for example pressed into it. The bearing 6 is then arranged in the sleeve-shaped metallic contact body 4, for example pressed into it or soldered, welded or glued to it.

Wie dabei den 1 bis 6 zu entnehmen ist, können das Lager 6 und die Kontaktstruktur 5 im endbearbeiteten Zustand einen unterschiedlichen Außendurchmesser aufweisen, wobei an der Innenmantelfläche 13 des hülsenförmigen Kontaktkörpers 4 ein erster Kontaktbereich 15 vorgesehen ist, dessen Innendurchmesser in der Fertigbearbeitung nach dem Einpressen in die Rotorwelle 2 komplementär zum Außendurchmesser des Lagers 6 ausgebildet sein kann, sowie ein zweiter Kontaktbereich 16, dessen Innendurchmesser komplementär zum Außendurchmesser der Kontaktstruktur 5 ausgebildet ist. Rein theoretisch kann selbstverständlich die Kontaktstruktur 5 auch mit Übermaß in den jeweils zugehörigen Kontaktbereich 15, 16 des hülsenförmigen Kontaktkörpers 4 eingepresst werden.How the 1 to 6 As can be seen, the bearing 6 and the contact structure 5 can have a different outer diameter in the finished state, with a first contact area 15 being provided on the inner surface 13 of the sleeve-shaped contact body 4, the inner diameter of which can be designed to be complementary to the outer diameter of the bearing 6 in the final machining after being pressed into the rotor shaft 2, and a second contact area 16, the inner diameter of which is designed to be complementary to the outer diameter of the contact structure 5. In purely theoretical terms, the contact structure 5 can of course also be pressed into the respective associated contact area 15, 16 of the sleeve-shaped contact body 4 with an oversize.

Durch die Kontaktbereiche 15, 16 mit unterschiedlichen Durchmessern kann auch ein Axialanschlag 17, 18 geschaffen werden, sodass beispielsweise entsprechend der 5a ein von links einzupressendes Lager 6 an einem ersten Anschlag 17 und die von rechts einzupressende Kontaktstruktur 5 an einem zweiten Anschlag 18 anliegen. Durch das Einpressen des Lagers 6 im Einbauzustand an der Rotorwelle 2 und der Kontaktstruktur 5 kann auch ein sich Eingraben dieser Bauteile 6, 5 in die Innenmantelfläche 13 des hülsenförmigen Kontaktkörpers 4 erfolgen, wodurch die elektrische Kontaktierung nochmals verbessert wird.The contact areas 15, 16 with different diameters can also create an axial stop 17, 18, so that, for example, according to the 5a a bearing 6 to be pressed in from the left rests against a first stop 17 and the contact structure 5 to be pressed in from the right rests against a second stop 18. By pressing the bearing 6 in the installed state onto the rotor shaft 2 and the contact structure 5, these components 6, 5 can also dig into the inner surface 13 of the sleeve-shaped contact body 4, whereby the electrical contact is further improved.

Der erfindungsgemäße Erdungseinsatz 1 ist im Vergleich zu bisherigen Erdungseinsätzen aus elektrisch leitfähigem Kunststoff hinsichtlich seiner elektrischen Leitfähigkeit verbessert und im Vergleich zu einem Bauteil mit elektrisch leitenden Kunststoff deutlich stabiler.The grounding insert 1 according to the invention is improved in terms of its electrical conductivity compared to previous grounding inserts made of electrically conductive plastic and is significantly more stable compared to a component with electrically conductive plastic.

Eine Fixierung des Erdungseinsatzes 1 in der Rotorwelle 2 kann dabei ebenfalls mittels Einpressen, Verschweißen, Verlöten oder Verkleben erfolgen. Denkbar ist auch eine Presspassung, d. h. eine Fertigung des Erdungseinsatzes 1 an seinem Außendurchmesser mit leichtem Übermaß im Vergleich zu einem Innendurchmesser der hohlen Rotorwelle 2. Alternativ ist neben einem Verklemmen selbstverständlich auch ein Bördeln, Quetschen oder Crimpen zur Fixierung des Erdungseinsatzes 1 in der Rotorwelle 2 denkbar.The earthing insert 1 can also be fixed in the rotor shaft 2 by pressing, welding, soldering or gluing. A press fit is also conceivable, ie a manufacture of the earthing insert 1 on its outer diameter with a slight oversize in comparison to an inner diameter of the hollow rotor shaft 2. Alternatively, in addition to clamping, flanging, squeezing or crimping to fix the earthing insert 1 in the rotor shaft 2 is of course also conceivable.

Der Erdungseinsatz 1 bietet darüber hinaus die vorteilhafte Möglichkeit, diesen als vorgefertigte Baugruppe herzustellen und als Ganzes in der Rotorwelle 2 zu montieren, wodurch insbesondere ein Fertigungsablauf vereinfacht werden kann.The grounding insert 1 also offers the advantageous possibility of being manufactured as a prefabricated assembly and of being mounted as a whole in the rotor shaft 2, which in particular can simplify the manufacturing process.

Alles in allem kann mit dem erfindungsgemäßen Erdungseinsatz 1, der erfindungsgemäßen Rotorwelle 2 und der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 3 im Vergleich zu bisher aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen der große Vorteil einer zuverlässigen elektrischen Kontaktierung und damit einer äußerst zuverlässigen elektrischen Erdung und einer hohen Beständigkeit auch bei großen mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen erreicht werden.All in all, with the grounding insert 1 according to the invention, the rotor shaft 2 according to the invention and the electrical machine 3 according to the invention, the great advantage of reliable electrical contacting and thus extremely reliable electrical grounding and high resistance even under high mechanical, thermal and chemical loads can be achieved in comparison to solutions previously known from the prior art.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102020110415 A1 [0002]

Claims

Earthing insert (1) for earthing a rotor shaft (2) of an electrical machine (3), - with a sleeve-shaped contact body (4) made of metal, - with a contact structure (5) made of metal, which is arranged in the sleeve-shaped contact body (4) and is electrically conductively connected to it.

Grounding insert according to claim 1 , characterized in that a bearing (6) with an outer shell (7) connected in a rotationally fixed manner to the sleeve-shaped contact body (4) and an inner shell (8) rotatably mounted thereon is arranged in the sleeve-shaped contact body (4).

Grounding insert according to claim 2 , characterized in that a surface for contacting by an electrical contact element (9) is arranged on the inner shell (8).

Grounding insert according to claim 3 , characterized in that an electrical contact element (9) is arranged on the inner shell (8), which is prestressed against the contact structure (5), is electrically conductively connected to it and has a carbon brush.

Grounding insert according to claim 4 , characterized in that the electrical contact element (9) is prestressed against the hub (11) of the contact structure (5) by means of a spring (10).

Grounding insert according to one of the preceding claims, characterized in that the contact structure (5) has at least two arms (12) projecting radially from a hub (11) which are electrically conductively connected at their outer ends to the sleeve-shaped contact body (4).

Grounding insert according to one of the Claims 2 until 6 , characterized in that the bearing (6) is designed as a ball bearing, as a plain bearing or as a needle bearing.

Grounding insert according to one of the Claims 2 until 7 , characterized in that the bearing (6) and/or the contact structure (5) are pressed or glued into the sleeve-shaped contact body (4).

Grounding insert according to claim 8 , characterized in that - the contact structure (5) and/or the sleeve-shaped contact body (4) are/is made of steel or a steel material, and/or - the contact structure (5) and/or the sleeve-shaped contact body (4) are/is designed as a metallic sintered component or as an MIM component.

Grounding insert according to one of the Claims 2 until 9 , characterized in that - a geometry provided for receiving the bearing (6) and the contact structure (5) have a different outer diameter, - an inner circumferential surface (13) of the sleeve-shaped contact body (4) has a first contact region (15) whose inner diameter is complementary to the outer diameter of the bearing (6) and a second contact region (16) whose inner diameter is complementary to the outer diameter of the contact structure (5).

Rotor shaft (2) with a grounding insert (1) according to one of the preceding claims.

rotor shaft after claim 11 , characterized in that the earthing insert (1) is pressed, soldered, welded or glued into the rotor shaft (2).

Electric machine (3) with a rotor shaft (2) according to claim 11 or 12 .

Electric machine according to claim 13 , characterized in that the electric machine (3) is designed as a traction motor.