DE102020122255A1

DE102020122255A1 - Elektrische Maschinenanordnung

Info

Publication number: DE102020122255A1
Application number: DE102020122255.6A
Authority: DE
Inventors: Dirk Reimnitz; Ivo Agner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2020-08-26
Publication date: 2022-03-03
Also published as: EP4205269A1; US20230307988A1; CN116076008A; WO2022042787A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschinenanordnung (1), umfassend eine elektrische Axialflussmaschine (2) mit einem Stator (3) und mit einem Rotor (4), eine den Stator (3) abstützende Komponente (6) sowie ein in drehfestem Kontakt mit dem Rotor (4) stehendes Abtriebselement (100). Der Rotor (4) ist über zumindest eine Lagerstelle (61, 611, 612; 62, 621, 622) drehbar gelagert innerhalb der elektrischen Maschinenanordnung (1) angeordnet. Gemäß der Erfindung ist in einem räumlichen Bereich, in radialer Richtung zwischen Rotorwelle (W) und Stator (3) und in axialer Richtung innerhalb der axialen Erstreckung (X) des Stators (3) ein Wellenerdungselement (11) und/oder ein Rotorlagesensor (12) angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschinenanordnung, umfassend eine elektrische Axialflussmaschine mit einem Stator und mit einem Rotor, eine den Stator abstützende Komponente sowie ein in drehfestem Kontakt mit dem Rotor stehendes Abtriebselement, wobei der Rotor über zumindest eine Lagerstelle drehbar gelagert innerhalb der elektrischen Maschinenanordnung angeordnet ist.
Bei Elektromotoren kommt es sehr auf die Lage, der vom Magnetfeld durchströmten Teile an. Dies betrifft sowohl die mechanische Struktur des Elektromotors, durch die die Teile zueinander positioniert werden, als auch die genaue Kenntnis über die Winkellage der sich drehenden Teile, über die die genaue aktuelle Position des Rotors relativ zum Stator erfasst wird. Eine exakte steife mechanische Struktur ist wichtig, da bereits geringe Positionsabweichungen der Teile untereinander den magnetischen Fluss (beispielsweise durch veränderte Luftspalte) nennenswert beeinflussen können. Darüber hinaus ist auch die genaue Kenntnis über die aktuelle Stellung des Rotors entscheidend, denn die sich beim drehenden Motor ständig ändernde Lage der in dem drehenden Rotor integrierten Magnete (Winkelstellung) muss relativ zum dem in den Stator integrierten Magneten immer exakt bekannt sein, um den Elektromotor richtig ansteuern zu können. Daher ist es wichtig einen Rotorlagesensor so in die mechanische Struktur des Elektromotors zu integrieren, dass der Sensor die relative Lage der magnetisch relevanten Teile exakt, also mit möglichst geringem Toleranzeinfluss, erfassen kann. Gleichzeitig darf der Sensor durch seine Größe und durch seine Einbaubedingungen die mechanische Struktur des Elektromotors aber nicht negativ beeinflussen, so dass eine ausreichend robuste und maßhaltige Gestaltung aller Teile und Baugruppen ebenso möglich ist wie deren exakte Ausrichtung bei der Montage.
Zusätzlich zum Rotorlagesensor müssen in die meisten Elektromotoren auch Elemente zur Erdung des Rotors, bzw. der Rotorwelle und sowie Elemente, die den Rotor relativ zum Stator elektrisch isolieren, integriert werden. Durch diese Erdungs- und/oder Isolierungselemente wird verhindert, dass sich die in die mechanischen Strukturelemente des Elektromotors induzierte elektrische Spannung über die Lager entladen oder auf die Nachbarbauteile des Elektromotors übertragen werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maschinenanordnung mit elektrischer Axialflussmaschine bereitzustellen, bei der ein Wellenerdungselement und/oder ein Rotorlagesensor derart in die Axialflussmaschine integriert sind, dass diese mit Blick auf einen möglichst geringen Bauraum optimiert ist. Mit Vorteil soll bei optimiertem Bauraum zugleich die mechanische Struktur der Axialflussmaschine im Hinblick auf in die Struktur eingeleiteten möglichst nicht negativ beeinflusst werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschinenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Eine erfindungsgemäße elektrische Maschinenanordnung umfasst eine elektrische Axialflussmaschine für den Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit einem Stator und mit einem Rotor, umfassend ferner eine den Stator abstützende Komponente sowie ein in drehfestem Kontakt mit dem Rotor stehendes Abtriebselement. Dabei ist der Rotor über zumindest eine Lagerstelle drehbar gelagert innerhalb der elektrischen Maschinenanordnung angeordnet. Erfindungsgemäß ist in einem räumlichen Bereich, in radialer Richtung zwischen Rotorwelle W und Stator und in axialer Richtung innerhalb der axialen Erstreckung des Stators ein Wellenerdungselement und/oder ein Rotorlagesensor angeordnet. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine Maschinenanordnung mit einer Axialflussmaschine bereitgestellt werden kann, die zusammen mit einem integrierten Rotorlagesensors und/oder mit einem integrierten Wellenerdungselement einen sehr kleinen Bauraum beansprucht. Ferner wird durch die vorgeschlagene Konstruktion die Struktur der Axialflussmaschine mit Blick ihre Stabilität nicht negativ beeinflusst. Die Notwendigkeit, die Struktur des Elektromotors besonders steif zu gestalten und alle Komponenten hochgenau herzustellen und bei der Montage aufwendig auszurichten, steht bei Elektromotoren für Kraftfahrzeuge häufig im Widerspruch zu den im Fahrzeugbau immer bestehenden Anforderungen nach kompakter Bauweise, geringem Gewicht, hoher Leistungsdichte, großserientauglichen Fertigungsabläufen und geringen Kosten.
Im Hinblick auf die Sensoren und die Wellenerdungs- und oder Isolierelemente heißt dies, dass diese so in den Elektromotor integriert werden müssen, dass sie in doppelter Hinsicht einen geringen Toleranzeinfluss aufweisen. Einerseits darf ihre Messgenauigkeit und Funktionssicherheit nicht unzulässig stark durch Toleranzen beeinflusst werden und andererseits dürfen auch die Sensoren und die Wellenerdungs- und/oder Isolierelemente die Toleranzen und Elastizitäten der mechanischen Struktur des Elektromotors nicht unzulässig erhöhen. Die im Rahmen der Erfindung vorgeschlagenen Positionen für ein Wellenerdungselement und/oder einen Rotorlagesensor ermöglichen eine hohe Messgenauigkeit für die Sensoren. Ferner wird dadurch eine hohe Funktionssicherheit für die Sensoren, die Wellenerdungs- und/oder Isolierelemente gewährleistet und kann deren negativer Einfluss auf die Toleranzen, die Steifigkeit und den Bauraumbedarf des Elektromotors minimiert werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz oder nach ihrer Relevanz im Hinblick auf die Erfindung erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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.
Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken.
Das Gehäuse umhaust die elektrische Maschine. Ein Gehäuse kann darüber hinaus auch die Steuer- und Leistungselektronik aufnehmen. Das Gehäuse kann darüber hinaus auch Bestandteil eines Kühlsystems für die elektrische Maschine sein und derart ausgebildet sein, dass Kühlfluid über das Gehäuse der elektrischen Maschine zugeführt werden kann und/oder die Wärme über die Gehäuseflächen nach außen abgeführt werden kann. Darüber hinaus schützt das Gehäuse die elektrische Maschine sowie die ggf. vorhandene Elektronik vor äußeren Einflüssen.
Der Stator einer Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Durch diesen Aufbau werden die durch das Statorfeld verursachten Wirbelströme im Stator geringgehalten. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten oder umfänglich geschlossene Ausnehmungen eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. In Abhängigkeit von der Konstruktion zur Oberfläche hin können die Nuten mit Verschlusselementen, wie Verschlusskeilen oder Deckeln oder dergleichen verschlossen sein, um ein Herauslösen der Statorwicklung zu verhindern.
Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine. Insbesondere wird von einem Rotor gesprochen, wenn es auch einen Stator gibt. Der Rotor umfasst in der Regel eine Rotorwelle und einen oder mehrere drehfest auf der Rotorwelle angeordnete Rotorkörper. Die Rotorwelle kann auch hohl ausgeführt sein, was zum einen eine Gewichtsersparnis zur Folge hat und was zum anderen die Zufuhr von Schmier- oder Kühlmittel zum Rotorkörper erlaubt. Wenn die Rotorwelle hohl ausgeführt ist, können auch Bauteile, beispielsweise Wellen, von benachbarten Aggregaten in den Rotor hinein oder durch den Rotor hindurch ragen, ohne die Funktionsweise der elektrischen Maschine negativ zu beeinflussen.
Als Luftspalt wird der zwischen dem Rotor und dem Stator existierende Spalt bezeichnet. Bei einer Radialflussmaschine ist das ein sich axial erstreckender kreisringförmiger Spalt mit einer radialen Breite, die dem Abstand zwischen Rotorkörper und Statorkörper entspricht. Der magnetische Fluss in einer elektrischen Axialflussmaschine, wie beispielsweise eine als Axialflussmaschine ausgebildete elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, ist im Luftspalt zwischen Stator und Rotor axial, parallel zur Rotationsachse der elektrischen Maschine gerichtet. Der gebildete Luftspalt bei einer Axialflussmaschine ist somit im Wesentlichen ringscheibenförmig ausgebildet.
Der magnetische Fluss in einer elektrischen Axialflussmaschine, wie beispielsweise eine als Axialflussmaschine ausgebildete elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, ist im Luftspalt zwischen Stator und Rotor axial, parallel zur Rotationsachse der elektrischen Maschine gerichtet. Axialflussmaschinen werden unter anderem mit Blick auf Ihren Ausbau unterschieden in Axialflussmaschinen in I-Anordnung und in Axialflussmaschinen in H-Anordnung. Unter einer Axialflussmaschine in I-Anordnung wird eine elektrische Maschine verstanden, bei der eine einzelne Rotorscheibe der elektrischen Maschine zwischen zwei Statorhälften eines Stators der elektrischen Maschine angeordnet und über diese mit einem elektromagnetischen Drehfeld beaufschlagbar ist. Unter einer Axialflussmaschine in H-Anordnung wird eine elektrische Maschine verstanden, bei der zwei Rotorscheiben eines Rotors der elektrischen Maschine in dem axial zwischen sich befindlichen Ringraum einen Stator der elektrischen Maschine aufnehmen, über den die beiden Rotorscheiben mit einem elektromagnetischen Drehfeld beaufschlagbar sind. Die beiden Rotorscheiben einer elektrischen Maschine in H-Anordnung sind mechanisch miteinander verbunden. Dies erfolgt meistens über eine Welle oder ein wellenähnliches Verbindungselement, das radial innen (radial innerhalb der Magnete der elektrischen Maschine) durch den Stator hindurchragt und die beiden Rotorscheiben radial innen miteinander verbindet. Eine Sonderform der H-Anordnung stellen elektrische Maschinen da, deren beide Rotorscheiben radial außen (radial außerhalb der Magnete der elektrischen Maschine) miteinander verbunden sind. Der Stator dieser elektrischen Maschine wird dann radial innen (meisten einseitig) an einer die elektrische Maschine abstützenden Komponente befestigt. Diese Sonderform der H-Anordnung wird auch als J-Anordnung bezeichnet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass zwischen Stator und Rotor eine Lagerung ausgebildet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass eine verbesserte Kippstabilität der Maschinenanordnung bzw. der Komponenten der Maschinenanordnung gegeneinander erreicht wird.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Lagerung (61) eine erste Lagerstelle (611) und eine von der ersten Lagerstelle (611) axial beabstandete zweite Lagerstelle (612) aufweist. Es kann hierdurch erreicht werden, dass neben einer weiteren Verbesserung der Kippstabilität ein zusätzlicher geschützter Bauraum zur Unterbringung eines Wellenerdungselements 11 und/ oder eines Rotorlagesensors bereitgestellt wird.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das Wellenerdungselement und/oder der Rotorlagesensor zwischen der ersten Lagerstelle und der zweiten Lagerstelle angeordnet ist/sind. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass in dem zur Verfügung stehenden axialen Bauraum der elektrischen Maschine die beiden Lagerstellen mit dem größtmöglichen axialen Abstand zueinander angeordnet werden können, wodurch eine robuste und kippstabile Lagerbasis für Lagerung des Rotors und oder die Verbindung von Rotor und Stator geschafften wird. Indem das Wellenerdungselement und/oder der Rotorlagesensor zwischen der ersten und der zweiten Lagerstelleangeordnet wird lässt sich darüber hinaus eine kompakte und funktionssichere Anordnung der Komponenten realisieren.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Rotor über zumindest eine Lagerung mittels zumindest einer ersten Lagerstelle gegenüber der den Stator abstützenden Komponente gelagert ist. Indem der Rotor an einer den Stator abstützenden Komponente abgestützt ist und nicht direkt über eine Lagerstelle mit dem Stator verbunden ist, werden die mechanischen Belastungen reduziert, die auf die Struktur des Stators einwirken. Dies ermöglicht ein kostengünstigeres Design des Stators oder ermöglicht es, das Statordesign noch stärker hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften der elektrischen Maschine zu optimieren und deren Effizienz zu optimieren.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das Wellenerdungselement und der Rotorlagesensor auf axial gegenüberliegenden Seiten des Rotors angeordnet sind. Wenn das Wellenerdungselement und der Rotorlagesensor auf axial gegenüberliegenden Seiten des Rotors angeordnet sind und dort etwa ähnlich viel Bauraum beanspruchen ermöglicht dies eine relativ symmetrischen Aufbau des Rotors, der Rotorwelle und/oder der Rotorlagerung. Dies ist vorteilhaft hinsichtlich der Robustheit, Genauigkeit der Lagerung und der Materialausnutzung der Einzelkomponenten.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das Wellenerdungselement und der Rotorlagesensor axial auf derselben Seite des Rotors angeordnet sind. Hierdurch kann der Aufbau der Axialflussmaschine gut an unsymmetrische Bauraumverhältnisse angepasst werden, wie dies beispielsweise bei einer einseitige Lagerung der Rotorwelle der Fall ist oder wenn unsymmetrisch auf die elektrischen Maschine einwirkenden äußeren Kräfte, unterschiedlich dimensionierte und dadurch unterschiedlich viel Bauraum beanspruchende Lager erfordern. Wenn das Wellenerdungselement und der Rotorlagesensor vor äußeren Einflüssen geschützt werden müssen, beispielsweise vor Kühl- oder Schmiermedien, kann es ebenfalls sinnvoll sein, das Wellenerdungselement und den Rotorlagesensor axial auf derselben Seite des Rotors anzuordnen, um sie in demselben von den äußeren Einflüssen abgeschirmten (bzw. angedichteten) Raum unterbringen zu können.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass das Wellenerdungselement und/oder der Rotorlagesensor außerhalb des zwischen der ersten Lagerstelle und der zweiten Lagerstelle gebildeten axialen Bereichs, benachbart zu der ersten Lagerstelle oder benachbart zu der zweiten Lagerstelle, angeordnet ist/sind. Der Vorteil, der sich hierdurch realisieren lässt, ist, dass das Wellenerdungselement und/oder der Rotorlagesensor nach der Montage der elektrischen Maschine leichter von außen zugänglich ist. Dadurch ist es beispielsweise leichter möglich den Rotorlagesensor nach der Montage der elektrischen Maschine nachzujustieren. Wenn das Wellenerdungselement von außen leicht zugänglich ist, können verschlissene Wellenerdungselement auch auf einfache Weise durch neue ersetzt werden, ohne die elektrische Maschine komplett zerlegen zu müssen.
Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass das Wellenerdungselement und/oder der Rotorlagesensor in eine als Wälzlager ausgebildete Lagerstelle, integriert sind. Wenn das Wellenerdungselement und/oder der Rotorlagesensor in eine als Wälzlager ausgebildete Lagerstelle integriert wird, ist eine besonders kompakte bauraumsparende Anordnung möglich. Das Wellenerdungssystem und das Rotorlageerfassungssystem verfügen immer über Komponenten, die an den beiden mit Relativdrehzahl zueinander drehbaren Einheiten befestigt sind. Die kürzest mögliche Toleranzkette zwischen den beiden drehbaren Einheiten ergibt sich wenn die Komponenten des Wellenerdungssystem und/oder des Rotorlageerfassungssystem direkt an den Lagerringen (beispielsweise Innen- und Außenring) des selben Wälzlagers befestigt sind. Da die Geometrieabweichung, die der Rotorlagesensor oder das Wellenerdungselement dann noch ausgleichen müssen, sehr gering sind, können der Rotorlagesensor und das Wellenerdungselement besonders klein und kompakt ausgeführt werden, wenn sie in einen Lagerstelle integriert werden.
Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass das Wellenerdungselement und/oder der Rotorlagesensor in einem um sie herum gebildeten Trockenraum angeordnet sind. Wenn das Wellenerdungselement und/oder der Rotorlagesensor vor äußeren Einflüssen geschützt werden, beispielsweise durch einen um sie herum angeordneten Trockenraum, lässt sich eine besonders hohe Funktionssicherheit, Genauigkeit und Lebensdauer erzielen. Durch einen um sie herum gebildeten Trockenraum, lassen sich auch auf trockene Umgebung optimierte Wellenerdungselemente für elektrischen Maschinen einsetzen, bei denen eine Kühl- oder Schmierflüssigkeit, zwischen den Rotor und den Stator gelangen kann.
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 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.
Es zeigen:

1 einen Axialflussmotor in I-Anordnung mit Wellenerdungsring und Rotorlagesensor, angeordnet zwischen zwei axial voneinander beabstandeten Lagerstellen einer Lagerung zwischen Rotor und Stator, in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung,
2 einen Detailausschnitt gemäß 1, wobei ein elektrischer Leitungsanschluss zum Rotorlagesensor gezeigt ist,
3 ein weiteres Beispiel einer Axialflussmaschine in I-Anordnung mit einer weiteren Möglichkeit der Anordnung von Wellenerdungsring und Rotorlagesensor, in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung,
4 ein weiteres Beispiel einer Axialflussmaschine in I-Anordnung, wobei im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 2 der Wellenerdungsring durch axial beidseitig angeordnete Dichtungselemente vor ungewollten äußeren Einflüssen geschützt angeordnet ist, ebenfalls in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung,
5 eine Ausführungsform analog zu 4, wobei das Wellenerdungselement in einem Wälzlager integriert mittels axial beidseitig angeordneten Dichtungselementen geschützt angeordnet ist,
6 eine weitere mögliche Anordnung von Wellenerdungsring und Rotorlagesensor, wobei diese nebeneinander an einem axialen Endbereich der Rotorwelle angeordnet sind,
7 eine weitere mögliche Anordnung von Wellenerdungsring und Rotorlagesensor, wobei der Stator der Axialflussmaschine über eine flexible Drehmomentabstützung im Gehäuse abgestützt ist,
8 eine Axialflussmaschine in H-Anordnung, mit Wellenerdungsring und Rotorlagesensor, angeordnet zwischen zwei axial voneinander beabstandeten Lagerstellen einer Lagerung zwischen Rotor und Stator, in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung,
9 ein weiteres Beispiel einer Axialflussmaschine in I-Anordnung mit einer weiteren Möglichkeit der Anordnung von Wellenerdungsring und Rotorlagesensor, in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung, wobei der Stator dreh- und verschiebefest im Gehäuse angeordnet ist und wobei der Rotor über eine einzige Lagerstelle in einer Seitenwand des Gehäuses gelagert ist, und
10 ein Beispiel einer Axialflussmaschine in I-Anordnung analog zur Ausführung gemäß 9, wobei der Stator dreh- und verschiebefest im Gehäuse angeordnet ist und wobei der Rotor über zwei axial beabstandete Lagerstellen in gegenüberliegenden Seitenwänden des Gehäuses gelagert ist.

1 zeigt eine elektrische Maschinenanordnung 1, umfassend eine elektrische Axialflussmaschine 2 in I-Anordnung für den Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, eine den Stator 3 abstützende Komponente 6 in Form eines Gehäuses 7 sowie ein in drehfestem Kontakt mit dem Rotor 4 stehendes als Abtriebswelle ausgebildetes Abtriebselement 100. Die Axialflussmaschine 2 weist einen Stator 3 und einem Rotor 4 auf. Der Rotor 4 ist dabei über zwei axial zueinander beabstandete Lagerstellen 611, 612 drehbar gelagert innerhalb der elektrischen Maschinenanordnung 1 angeordnet. Zusätzlich ist das als Abtriebswelle ausgebildete Abtriebselement 100 über eine weitere Lagerstelle 622 in der Seitenwand eines Gehäuses 7 der Axialflussmaschine 2 gelagert abgestützt. Gut zu erkennen ist, dass in einem räumlichen Bereich in Form eines Ringspaltes in radialer Richtung zwischen der Rotorwelle W und dem Stator 3 und in axialer Richtung innerhalb der axialen Erstreckung X des Stators 3 ein Wellenerdungselement 11 und ein Rotorlagesensor 12 angeordnet sind. Die Rotorwelle W ist über eine Innenverzahnung mit einer Außenverzahnung der Abtriebswelle verbunden, wobei die Abtriebswelle außerhalb des Gehäuses 7 über eine weitere Außenverzahnung mit dem Zahnrad einer Getriebestufe 22 kämmt.
Auf der linken Seite der Axialflussmaschine 2 ist eine als Wälzlager ausgebildete Lagerstelle 611 mit integriertem Rotorlagesensor 12 abgebildet. Der Lagerinnenring und der Lageraußenring weisen beide neben der Laufbahn für die Wälzkörper eine Anschlusskontur auf, an der der Rotorlagesensor 12 befestigt ist. In der 1 ist der Bereich zwischen dem Innenring und dem Außenring, der für den Rotorlagesensor 12 zur Verfügung steht, als gekreuzt schraffierte Querschnittsfläche dargestellt. Teile des Rotorlagesensors 12 sind mit dem Lagerinnenring und andere Teile des Rotorlagesensors 12 mit dem Lageraußenring verbunden. Der Rotorlagesensor 12 erfasst die Winkelstellung der Sensorteile, die über den Lageraußenring drehfest mit den Elektromagneten des Stators 3 verbunden sind, relativ zu den Teilen des Rotorlagesensors 12, die über den Lagerinnenring drehfest mit den Permanentmagneten des Rotors 4 verbunden sind. Über den Rotorlagesensor 12 kann somit ständig die Winkelstellung der Permanentmagnete relativ zu den Elektromagneten erfasst werden. Diese Information ist erforderlich für die korrekte Ansteuerung der Elektromagnete der Axialflussmaschine 2.
2 zeigt eine etwas detailliertere Schnittansicht der Lagerstelle 611 mit integriertem Rotorlagesensor 12. Am Lagerinnenring ist ein Bauteil befestigt, das als Messreferenz eine Zylinderfläche und/oder eine Stirnfläche aufweist, deren Umfangslage durch den am Lageraußenring befestigten Teil des Rotorlagesensors 12 erfasst werden kann. Der am Außenring befestigte aktive Sensorteil ist an einem Kabel angeschlossen. Je nach Ausführung kann dieser Teil radial auf die zylindrische Referenzfläche oder axial auf die orthogonal zur Rotationsachse ausgerichtete Stirnfläche messen. Damit die Umfangslage der Referenzfläche erfasst werden kann, können die Referenzflächen Erhöhungen, Vertiefungen oder Aussparungen aufweisen, oder aus Bereichen mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften bestehen. So können beispielsweise in Umfangsrichtung verschiedenen Werkstoffe hintereinander angeordnet werden oder beispielsweise Bereiche unterschiedlich magnetisiert werden.
Die 1 und 2 zeigen, dass bei diesem Ausführungsbeispiel zwischen dem Lageraußenring und dem Gehäuse des Stators 3 eine Hülse H eingepresst ist. Diese Hülse H kann aus elektrisch nichtleitendem Material hergestellt werden, um zu verhindern, dass die durch die Magnetfelder in den Rotor 4 oder Stator 3 induzierte Spannungen sich über die Lagerstelle 611 entladen können. Strom, der durch die Wälzkontakte der Lagerstelle 611 fliest, kann zur Beschädigung des Lagers führen. Diese Hülse H kann auch genutzt werden, um eine einfache und funktionssichere Kabelführung für den Rotorlagesensor 12 zu ermöglichen. Wie die 2 zeigt, ist diese Hülse H partiell geschlitzt ausgeführt, so dass ein oder mehrere Leitungen L des Rotorlagesensors 12 durch den Schlitz oder durch mehrere Schlitze geführt werden können. Es ist somit möglich den Rotorlagesensor 12 mit dem Lageraußenring zu verbinden, die Leitungen L des Rotorlagesensors 12 über den Lageraußenring zu legen und anschließend die Hülse H so ausgerichtet über den Lageraußenring zu schieben, dass die Leitungen L in den Schlitzen liegen und nicht von der Hülse H beschädigt werden. Lagerstelle 611, Rotorlagesensor 12 und Hülse H bilden dann eine prüfbare Einheit, die anschließend in das Gehäuse des Stators 3 eingepresst werden kann. Die radiale und/oder axiale Kraftübertragung zwischen Lagerstelle 611 und Gehäuse erfolgt dann über die Hülse H. Die Hülse H braucht auf dem Umfang gesehen nur einen Schlitz oder einen anders ausgeformten Rücksprung aufzuweisen, durch den alle Leitungen L des Rotorlagesensors 12 hindurch laufen können. Damit aber die Hülse H den Lagerring auf dem Umfang möglichst gleichmäßig abstützt und auch eine möglichst gleichmäßige Steifigkeit aufweist, ist es meist sinnvoller mehrere Leitungen L auch durch mehrere auf dem Umfang verteilte Schlitze zu verlegen, die nur so groß sind, wie es für die jeweilige Leitung L notwendig ist. Um eine möglichst gleichmäßige Steifigkeit der Hülse H zu erzielen, kann es auch sinnvoll sein in der Hülse H deutlich mehr Schlitze oder anders geformte Rücksprünge vorzusehen als Sensorkabel vorhanden sind und diese gleich geformten Schlitze gleichmäßig auf dem Umfang der Hülse H anzuordnen. Wenn das Wälzlager der Lagerstelle 611 zusammen mit der Hülse H in den Stator 3 eingepresst wurde, kann das Sensorkabel bzw. die Leitung L radial nach außen gelegt werden und an der Außenseite des Statorgehäuses befestigt werden. Besonders platzsparend ist es, wenn die Leitung L in ohnehin vorhandenen Rücksprüngen des Statorgehäuses verlegt werden kann.
Alternativ zur Verwendung einer geschlitzten Hülse H kann auch der Lageraußenring oder der Lagersitz des Statorgehäuses partiell geschlitzt werden, um die Leitung L des Rotorlagesensors 12 in axialer Richtung verlegen zu können.
Auf der rechten Seite des in der 1 gezeigten Axialflussmotors ist ein Wälzlager einer Lagerstelle 612 mit integriertem Wellenerdungselement 11 abgebildet. Dieses Wälzlager weist am Innen- und Außenring je eine Anschlusskontur auf, an der das Wellenerdungselement 11 und das die Kontaktfläche für das Wellenerdungselement 11 bildende Bauteil befestigt werden kann. Das Wellenerdungselement 11 ist bei diesem Ausführungsbeispiel am feststehenden Lageraußenring befestigt und stellt die elektrische Verbindung zwischen dem Lageraußenring und der Kontaktfläche am Lagerinnenring her. Dazu ist das Wellenerdungselement 11 elektrisch leitfähig und berührt immer mit leichter Kontaktkraft die Kontaktfläche. Indem das Wellenerdungselement 11 auf dem Umfang der Referenzfläche gleitet, ist die Drehbewegung zwischen dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring möglich, ohne dass die elektrische Leitfähigkeit unterbrochen wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wir die Kontaktfläche für das Wellenerdungselement 11 nicht direkt vom Lagerinnenring gebildet, sondern von einem separaten Bauteil, damit der Werkstoff und die Oberflächenbehandlung der Kontaktfläche unabhängig von dem Werkstoff, der Wärmebehandlung und der Oberflächenbehandlung des Lagerinnenrings optimiert werden kann. Für Anwendungen, in denen die Oberflächeneigenschaften des Lagerinnenrings für die Wellenerdung ausreichend sind, kann das Wellenerdungselement 11 auch direkt den Lagerinnenring berühren. Alternativ kann das Wellenerdungselement 11 auch auf einem auf der Rotorwelle W befestigten Bauteil oder direkt auf der Rotorwelle W gleiten, wenn deren Eigenschaften dafür geeignet sind.
Beide Rotorlager (Lagerstellen 611, 612) des in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiels sind Schrägkugellager und in O-Anordnung zueinander ausgerichtet. Selbstverständlich können Rotorlagesensoren 12 und Wellenerdungselemente 11 auch in Lager anderer Bauart integriert werden oder an Lagern anderer Bauart befestigt werden. Für die Funktion des Rotorlagesensors 12 und des Erdungselements 11 haben die Form der Wälzkörperlaufbahn und der Wälzkörper, die den Lagertyp bestimmen, nur geringen Einfluss. Wichtig ist jedoch für den Rotorlagesensor 12, dass sich die Lagerringe, an denen der Rotorlagesensor 12 oder das die Referenzfläche bildende Bauteil befestigt sind, nicht relativ zu den Magneten des Elektromotors verdrehen können, denen sie zugeordnet sind. Da auch schon geringe Positionsfehler des Rotorlagesensors 12 zu relevanten Messfehlern und Fehlern bei der Motoransteuerung führen können, muss bei allen Lagern mit integrierten Rotorlagesensor 12 ein ungewolltes Wandern der Lagerringe auf ihrem Lagersitz verhindert werden. Dies lässt sich am besten über einen in Umfangsrichtung wirkenden Formschluss verhindern.
Für das Wellenerdungselement 11 ist es entscheidend, dass die Lagerringe, mit denen das Wellenerdungselement 11 verbunden ist, immer leitend mit ihren Nachbarbauteilen verbunden sind und die Leitfähigkeit zwischen dem Lagerringen und ihrem Lagersitz nicht beeinträchtigt wird.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels sind die Rotorlager (Lagerstellen 611, 612) an den gegenüberliegenden Endbereichen der Rotorwelle W angeordnet und befinden sich dadurch radial innerhalb der axialen Endbereiche der beiden Statorhälften. Diese Anordnung führt innerhalb der axialen Länge der Axialflussmaschine 2 zu dem größtmöglichen Lagerabstand und somit zur einer möglichst großen steifen Lagerbasis. Um die Lagerstellen 611, 612 so weit voneinander entfernt anordnen zu können, wurden der Rotorlagesensor 12 und das Wellenerdungselement 11 axial innerhalb der beiden Wälzkörperlaufbahnen angeordnet. Zu Gunsten der streifen Rotorlagerung wurde bei diesem Ausführungsbeispiel die aufwändige Kabelführung zum Rotorlagesensor 12 in Kauf genommen.
Um die Kabelführung zu vereinfachen kann alternativ das Lager der Lagerstelle 611 mit integriertem Rotorlagesensor 12 auch andersherum angeordnet werden, so dass der Rotorlagesensor 12 vom Rotor 4 abgewandt ist und sich in der Nähe des axialen Endbereichs des Stators 3 befindet. Die Leitung L kann dann relativ einfach außen am Stator 3 entlanggeführt werden. Die Lagerstelle 612 mit dem Wellenerdungselement 11 kann natürlich auch so ausgeführt werden, dass das Wellenerdungselement 11 vom Rotor 4 axial abgewandt ist und sich nahe des axialen Endbereichs des Stators 3 befindet.
3 zeigt ein weiteres Beispiel einer Axialflussmaschine 2 in I-Anordnung mit einer weiteren Möglichkeit der Anordnung von Wellenerdungselement 11 und Rotorlagesensor 12, in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung. Der Rotorlagesensor 12 und das Wellenerdungselement 11 sind bei diesem Ausführungsbeispiel nicht direkt mit den Rotorlagern verbunden bzw. in die Lagerstellen 611, 612 integriert ausgebildet. Vielmehr sind sie als separate Baugruppen in der Nähe der Lager 611, 612 angeordnet. Der Rotorlagesensor 12 ist wieder auf der linken Seite des Rotors 4 der Axialflussmaschine 2 zwischen dem die linke Lagerstelle 611 bildenden linken Rotorlager und dem Rotor 4 angeordnet. Der aktive Teil des Rotorlagesensors 12 ist wieder als eng gekreuzt schraffierter Querschnitt dargestellt, der über ein Befestigungsblech und ein Anbindungselement mit dem Stator 3 mechanisch und elektrisch verbunden ist. Die in der Abbildung nicht dargestellten Leitungen L oder anders ausgeführten elektrischen Leiter, die den Rotorlagesensor 12 mit der nicht gezeigten Motorsteuereinheit verbinden, können durch das Anbindungselement und das Innere des Stators 3 zu der Stelle geführt werden, an denen der Stator 3 elektrisch mit der Motorsteuereinheit verbunden wird. Aus Montagesicht kann es sinnvoll sein, eine Steck- und/oder Steckerverbindung zwischen dem Anbindungselement des Rotorlagesensors 12 und dem Stator 3 vorzusehen. Dadurch können die für den Anschluss des Rotorlagesensors 12 notwendigen elektrischen Leiter L bei der Montage des Stators 3 frühzeitig im Statorinneren montiert oder sogar in die dortigen Kunststoffteile integriert werden (z.B. durch eingießen oder umspritzen) und erst später im Montageprozess der Rotorlagesensor 12 mit diesen Leitern L verbunden werden.
Bei dem in diesem Ausführungsbeispiel gezeigten Rotorlagesensor 12 wird die Referenzfläche, deren Lager von den aktiven Sensorteilen des Rotorlagesensors 12 erfasst wird, direkt von den aus der Rotorwelle W ausgeformten Rotorsockel gebildet. Die Abbildung zeigt eine der auf dem Umfang verteilten und in die Stirnseite des Rotorsockels intergierten Aussparungen. Indem direkt die Kontur eines sowieso erforderlichen Rotorbauteils als Messreferenz genutzt wird, wird kein Bauraum für zusätzliche die Messreferenz bildende Bauteile benötigt und auch die Toleranzkette zwischen den in den Rotor 4 integrierte Dauermagnete und der Messreferenz wird reduziert.
Auf der rechten Seite des Rotors 4 ist das Wellenerdungselement 11 zwischen dem rechten Rotorlager bzw. der rechten Lagerstelle 612 und dem Rotor 4 erkennbar. Das Wellenerdungselement 11 ist direkt am Gehäuse des Stators 3 mechanisch befestigt und elektrisch leitend verbunden. Zusätzlich berührt das Wellenerdungselement 11 die Rotorwelle W und gleitet auf der von der Rotorwelle W ausgebildeten Kontaktfläche beim Drehen des Rotors 4, um eine dauerhaft elektrisch leitende Verbindung zwischen Stator 3 und Rotor 4 zu gewährleisten. Um zusätzlich sicherzustellen, dass kein elektrischer Strom über die Rotorlager fließen kann, können die Lagerringe gegenüber dem Elektromotorbauteilen mit den Sie verbunden sind (z.B. das Statorgehäuse oder die Rotorwelle W) elektrisch isoliert werden. Dies kann beispielsweise durch nichtleitende Beschichtungen der Kontaktflächen erfolgen. Oder es können nichtleitenden Materialen für die ohnehin vorhandenen Lager- oder Nachbarbauteile oder für zusätzliche zwischen den Lagern und ihren Nachbarbauteilen angeordnete Bauteile verwendet werden.
So ist es beispielsweise möglich Lager mit keramischen Bauteilen zu verwenden, um einen Stromfluss über die Lager zu verhindern.
4 zeigt ein weiteres Beispiel einer Axialflussmaschine 2 in I-Anordnung, wobei im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 3 das Wellenerdungselement 11 durch axial beidseitig angeordnete Dichtungselemente 14 vor ungewollten äußeren Einflüssen geschützt angeordnet ist. Die dargestellte Anordnung ist beispielsweise für Axialflussmaschinen 2 sinnvoll, die über ein offenes Kühlkonzept verfügen, bei dem das Kühlmedium (z.B. Öl oder eine Kühlflüssigkeit) nicht nur in abgedichteten Kanälen durch den Stator 3 fließt, sondern auch in den Spalt zwischen Stator 3 und Rotor 4 und/oder in das Gehäuse 7 gelangen kann. Der gleitende Kontakt zwischen dem Wellenerdungselement 11 und seiner Kontaktfläche muss dann vor dem Kühlmedium (oder vor Schmierstoffen und Schmutzpartikeln) geschützt werden, da dieses sonst die Leitfähigkeit zwischen den beiden Bauteilen beeinträchtigen würde. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die axial beidseitig neben dem Erdungselement 11 angeordneten Dichtungselemente 14 exemplarisch als Wellendichtringe ausgeführt. Es können aber auch andere Dichtungstypen verwendet werden. Für schnelldrehende Elektromotoren sind berührungslose Dichtungen wie Spaltdichtungen oder Labyrinthdichtungen besonders gut geeignet. Da bei fast allen Dichtungstypen mit einer geringen Leckage zu rechnen ist, ist in dem Ausführungsbeispiel ein Ablaufkanal K vorgesehen, durch den eingedrungenes Fluid an der tiefsten Stelle wieder aus dem für des Wellenerdungselement 11 vorgesehen Trockenraum 13 abfließen kann. Der Ablaufkanal K dient einerseits dazu Leckagefluid abzuleiten, als auch dazu einen Druckausgleich zwischen dem abgedichteten Trockenraum 13 und seiner unmittelbaren Umgebung zu ermöglichen. Denn Druckunterschiede wie sie beispielsweise durch Wärmeausdehnung oder atmosphärische Luftdruckveränderungen auftreten können, könnte sonst Fluid durch die ansonsten dichten Dichtungselemente 14 drücken. Der Ablaufkanal K muss an einer Stelle enden, an der ausgeschlossen werden kann, dass von dort Fluid unter hohen Druck in den Ablaufkanal K gedrückt wird. Gleichzeitig muss der Kanalquerschnitt groß genug sein, dass kein Fluid durch Kapillarwirkung in dem Ablaufkanal K aufsteigen kann. Das ungewollte Eindringen und aufsteigen von Fluidtropfen oder Fluidnebel in dem Kanal, kann auch durch Filtermembranen oder andere Gewebeeinsetzte im Kanal verhindert werden Bei dem abgebildeten Ausführungsbeispiel ist in dem zylindrischen Bereich des Statorgehäuses, in den das Wellenerdungselement 11 eingepresst wird, an der tiefsten Stelle eine Bohrung vorhanden, durch die das Leckagefluid in einen im inneren des Stators 3 liegenden Kanal gelangen kann. Damit das Leckagefluid, das sich sowohl rechts als auch links des Wellenerdungselementes 11 sammeln kann, in dieselbe Bohrung fließen kann, weist das Wellenerdungselement 11 im Bereich der Bohrung einen Rücksprung seiner Außenkontur auf, durch den das Fluid von beiden Seiten in die Bohrung fließen kann. Durch den Kanal im Stator wird das Leckagefluid zu einer seitlichen Bohrung im Statorgehäuse geleitet, durch die das Leckagefluid in das Gehäuse 7 der Axialflussmaschine 2 abfließen kann.
5 zeigt eine Ausführungsform analog zu 4, wobei das Wellenerdungselement 11 in einem Wälzlager integriert mittels axial beidseitig angeordneten Dichtungselementen 14 geschützt angeordnet ist. Bei dieser Variante ist das Erdungselement 11 in das Rotorlager bzw. die Lagerstelle 612 der Lagerung 61 zwischen Rotor 4 und Stator 3 integriert. Zwischen dem Lageraußenring und dem Lagerinnenring wird ein Trockenraum 13 durch zwei am Lageraußenring befestigte und gegenüber dem Lagerinnenring abdichtende als Dichtscheiben oder Deckscheiben ausgebildete Dichtungselemente 14 gebildet, in dem sich das Wellenerdungselement 11 befindet. Die Abdichtung kann durch berührende Dichtungen oder nichtberührende Dichtungen (z.B. Spaltdichtungen) erfolgen. Um trotzdem eingedrungenes Leckagefluid ableiten zu können, sind im Lageraußenring, an der tiefsten Stelle des Umfangs, rechts und links des Erdungselementes 11, je eine radiale Bohrung (oder anders ausgeführte Aussparungen) vorgesehen, durch die das Leckagefluid in einen Ablaufkanal K in Stator 3 fließen kann. Über den Kanal im Stator 3 wird das Leckagefluid dann abgeführt.
6 zeigt eine weitere mögliche Anordnung von Wellenerdungselement 11 und Rotorlagesensor 12, wobei diese nebeneinander an einem axialen Endbereich der Rotorwelle W angeordnet sind. Gezeigt ist ein Ausführungsbeispiel bei dem Rotorlagesensor 12 und Erdungselement 11 nebeneinander an einem axialen Endbereich der Rotorwelle W angeordnet sind. Der Rotorlagesensor 12 und das Erdungselement 11 sind in einem deckelförmigen Träger T montiert, durch den sie als vormontierte Baueinheit mit dem Stator 3 verbunden werden können. Durch den deckelförmigen Träger T, einen Deckel D in der als Hohlwelle ausgeführten Rotorwelle W und einem als Wellendichtring ausgebildeten Dichtungselement 14 zwischen dem deckelförmigen Träger T und der Rotorwelle W wird ein Trockenraum 13 für das Erdungselement 11 und den Rotorlagesensor 12 geschaffen. Indem der deckelförmigen Träger T und der Deckel D das der Abtriebswelle gegenüberliegende Ende der Axialflussmaschine 2 abdichten, kann der Trockenraum 13 bei diesem Ausführungsbeispiel mit einer einzigen Dichtung, an der Differenzdrehzahl auftritt, abgedichtet werden. Auch bei diesem Trockenraum 13 kann am tiefsten Punkt ein Kanal zum Ableiten von eventuell eingedrungenem Leckagefluid vorgesehen werden.
Der Rotorlagesensor 12 ist bei diesem Ausführungsbeispiel so positioniert, dass er die Stirnseite der Rotorwelle W als Referenzfläche erfassen kann. Die Kabel oder anders ausgeführte elektrische Leiter zum Anschluss des Rotorlagesensors 12 an die Motorsteuereinheit können durch den deckelförmigen Träger T nach außen geführt werden (abgedichtete Durchführung) und dann an der Außenseite des Statorgehäuses, entlang in Richtung der Motorsteuereinheit, verlegt werden. Die Elemente, die an die Durchführungsstelle die Leiter schützen und abdichten, können auch einen in Umfangsrichtung wirksamen Formschluss mit dem Stator 3 bilden und so als Verdrehsicherung für den Rotorlagesensor 12 dienen. Die Darstellung zeigt auch eine alternative Lagerungsvariante für den Rotor 4. Die Rotorwelle W ist auf jeder Seite über eine als Rillenkugellager ausgebildete Lagerstelle 611, 612 an der jeweiligen Statorhälfte abgestützt. Eine Seite ist dabei als Fest- und die andere Seite als Loslagerung ausgeführt.
7 zeigt eine weitere mögliche Anordnung von Wellenerdungselement 11 und Rotorlagesensor 12, wobei der Stator 3 über eine flexible Drehmomentabstützung in Form eines sogenannten Längenausgleichselements 8 im Gehäuse 7 abgestützt ist. 7 soll verdeutlichen, dass die hier vorgestellten Möglichkeiten, den Rotorlagesensor 12 und/oder die Wellenerdungselemente 11 auf engstem Bauraum funktional sinnvoll anzuordnen, mit ganz unterschiedlichen Konzepten für die Rotorlagerung kombiniert werden können. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Rotorwelle W über eine Lagerung 62 mittels zweier Lagerstellen 621, 622 in gegenüberliegenden Seitenwänden eines Gehäuses 7 der Axialflussmaschine 2 gelagert und der Stator 3 der Axialflussmaschine 2 ist wiederum durch eine weitere Lagerung 61 mittels zweier axial beabstandeter Lagerstellen 611, 612 auf der Rotorwelle W abgestützt und zusätzlich über eine Drehmomentabstützung 8 gegen ungewolltes Verdrehen relativ zum Gehäuse 7 gesichert.
8 zeigt eine Axialflussmaschine 2 in H-Anordnung, mit Wellenerdungselement 11 und Rotorlagesensor 12, angeordnet zwischen zwei axial voneinander beabstandeten Lagerstellen 611, 612 einer Lagerung 61 zwischen Rotor 4 und Stator 3. Die 8 zeigt einen Axialflussmotor in H-Anordnung, bei dem die Rotorwelle W über eine Lagerung 62 mittels zweier Lagerstellen 621, 622 in gegenüberliegenden Seitenwänden eines Gehäuses 7 der Axialflussmaschine 2 gelagert ist und bei dem der Stator 3 auf dem Rotor 4 oder der Rotorwelle W gelagert ist. Dies erfolgt über zwei axial zueinander beabstandete und als Wälzlager ausgebildete Lagerstellen 611, 612. In eines der Wälzlager ist der Rotorlagesensor 12 integriert und das Erdungselement 11 ist zwischen den beiden Lagern angeordnet. Die Abbildung soll verdeutlichen, dass die hier vorgestellten Möglichkeiten, den Rotorlagesensor 12 und/oder die Wellenerdungselemente 11 auf engstem Bauraum funktional sinnvoll anzuordnen, mit unterschiedlich aufgebauten Axialflussmaschinen 2 kombinierbar sind. Besonders gut sind die in dieser Erfindungsmeldung vorgestellten Konzepte für Axialflussmotoren in I-Anordnung, H-Anordnung und J-Anordnung geeignet.
9 zeigt ein weiteres Beispiel einer Axialflussmaschine in I-Anordnung mit einer weiteren Möglichkeit der Anordnung von Wellenerdungselement 11 und Rotorlagesensor 12, in einem Axialschnitt in schematischer Darstellung. Dabei ist der Stator 3 dreh- und verschiebefest im Gehäuse 7 angeordnet, während der Rotor 4 über eine einzige Lagerstelle 622 in einer Seitenwand des Gehäuses 7 gelagert ist. Der Rotorlagesensor 12 ist dabei axial auf der einen Seite des Rotors 4 angeordnet und das Wellenerdungselement 11 auf der anderen Seite.
10 zeigt ein Beispiel einer Axialflussmaschine in I-Anordnung analog zur Ausführung gemäß 9, wobei der Stator 3 ebenfalls dreh- und verschiebefest im Gehäuse 7 angeordnet ist und wobei der Rotor 4 über zwei axial beabstandete Lagerstellen 621, 622 in gegenüberliegenden Seitenwänden des Gehäuses 7 gelagert ist.
Wenn im Sinne der Erfindung von einer Lagerung des Rotors 4 am oder gegenüber dem Stator 3 die Rede ist, sind Ausführungsformen gemeint, bei denen der Stator 3 dreh- und verschiebefest im Gehäuse 7 bzw. an der den Stator 3 abstützenden Komponente 6 fixiert angeordnet ist und bei der der Rotor 4 dann über ein oder mehrere Lagerstellen am Stator 3 gelagert ist. Von einer Lagerung des Stators 3 am Rotor 4 wird dann gesprochen, wenn der Stator 3 über eine axialelastisches Längenausgleichselement 8 innerhalb des Gehäuses 7 - also in einem geringen Maße beweglich im Gehäuse 7 - angeordnet ist und sich über eine oder mehrere Lagerstellen am Rotor 4 abstützt (Ausführungsformen der 7 und 8).
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezugszeichenliste

1: Elektrische Maschinenanordnung
2: Axialflussmaschine
3: Stator
31: Widerlager
4: Rotor
41: Widerlager
6: (den Stator) abstützende Komponente
7: Gehäuse
8: Längenausgleichselement
9: Versorgungsleitung
11: Wellenerdungsring
12: Rotorlagesensor
13: Trockenraum
14: Dichtungselement
22: Getriebestufe
61: Lagerung (zwischen Rotor und Stator)
611: erste Lagerstelle
612: zweite Lagerstelle
62: Lagerstelle (zwischen Rotor und Gehäuse)
621: erste Lagerstelle
622: zweite Lagerstelle
100: Abtriebselement
L: elektrische Anschluss-)Leitung
X: axiale Erstreckung (des Stators)
W: Rotorwelle
H: Hülse (zur Leitungsführung)
K: Ablaufkanal (für Flüssigkeit)
T: Träger
D: Deckel

Claims

Elektrische Maschinenanordnung (1), umfassend - eine elektrische Axialflussmaschine (2) für den Antrieb eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, mit einem Stator (3) und mit einem Rotor (4), umfassend ferner - eine den Stator (3) abstützende Komponente (6), sowie - ein in drehfestem Kontakt mit dem Rotor (4) stehendes Abtriebselement (100), wobei der Rotor (4) über zumindest eine Lagerstelle (61, 611, 612; 62, 621, 622) drehbar gelagert innerhalb der elektrischen Maschinenanordnung (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem räumlichen Bereich, in radialer Richtung zwischen Rotorwelle (W) und Stator (3) und in axialer Richtung innerhalb der axialen Erstreckung (X) des Stators (3) ein Wellenerdungselement (11) und/oder ein Rotorlagesensor (12) angeordnet ist bzw. sind.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Stator (3) und Rotor (4) eine Lagerung (61) ausgebildet ist.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung (61) eine erste Lagerstelle (611) und meine von der ersten Lagerstelle (611) axial beabstandete zweite Lagerstelle (612) aufweist.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenerdungselement (11) und/oder der Rotorlagesensor (12) zwischen der ersten Lagerstelle (611) und der zweiten Lagerstelle (612) angeordnet ist/sind.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) über zumindest eine Lagerung (62) mittels zumindest einer ersten Lagerstelle (621) gegenüber der den Stator (3) abstützenden Komponente (6) gelagert ist.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenerdungselement (11) und der Rotorlagesensor (12) auf axial gegenüberliegenden Seiten des Rotors (4) angeordnet sind.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenerdungselement (11) und der Rotorlagesensor (12) axial auf derselben Seite des Rotors (4) angeordnet sind.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenerdungselement (11) und/oder der Rotorlagesensor (12) außerhalb des zwischen der ersten Lagerstelle (611) und der zweiten Lagerstelle (612) gebildeten axialen Bereichs, benachbart zu der ersten Lagerstelle (611) oder benachbart zu der zweiten Lagerstelle (612), angeordnet ist/sind.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenerdungselement (11) und/oder der Rotorlagesensor (12) in eine als Wälzlager ausgebildete Lagerstelle (611, 612) integriert sind.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenerdungselement (11) und/oder der Rotorlagesensor (12) in einem um sie herum gebildeten Trockenraum (13) angeordnet sind.
Elektrische Maschinenanordnung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Trockenraum (13) durch zumindest ein Dichtungselement (14) abgedichtet ausgeführt ist, wobei das zumindest eine Dichtungselement (14) in eine als Wälzlager ausgebildete Lagerstelle (611, 612) integriert ist oder an dieser befestigt ist oder unmittelbar benachbart zu der Lagerstelle (611, 612) beabstandet angeordnet ist.