DE102014223012A1

DE102014223012A1 - Akustische Entkopplung von Stator und Gehäuse einer E-Maschine

Info

Publication number: DE102014223012A1
Application number: DE102014223012.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Schwarzer; Christian Steinle
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-11-12
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2016-05-12

Abstract

Elektromechanischer Energiewandler, insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, mit einem Rotor, der um eine Rotationsachse (5) drehbar gelagert ist, einem Stator (3), der berührungslos, insbesondere magnetisch, mit dem Rotor koppelbar ist, einem Außengehäuse (1), welches zur Lagerung des Rotors eingerichtet ist und einer Entkopplungseinrichtung (4), zur Verbindung des Stators (2) mit dem Außengehäuse (1), wobei das Außengehäuse (1) und der Stator (2), wenigstens abschnittsweise, in radialer Richtung durch einen Zwischenraum (3) voneinander beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungseinrichtung (4) wenigstens ein erstes (4a), insbesondere eine Reihe von ersten (4a), Zwischenelementen aufweist und, dass sich, in einer Schnittebene orthogonal zur Rotationsachse (5), das erste Zwischenelemente (4a) in diesem Zwischenraum (3) vom Stator (2) zum Außengehäuse (1) erstreckt und, dass eine Tangente an den Verlauf (4d) des ersten Zwischenelements (4a) in einem ersten Tangentenpunkt und eine Geraden (6a) durch die Rotationsachse und diesen Tangentenpunkt, einen spitzen Winkel α einschließen und, dass für den Winkel α gilt, α kleiner als 90°, vorzugsweise kleiner als 70°, bevorzugt kleiner als 60° und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 45° und weiter ist α größer als 0°, vorzugsweise größer als 15°, bevorzugt größer als 25° und besonders bevorzugt größer oder gleich 30°.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Energiewandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiger elektromechanischer Energiewandler ist aus der DE 10 2011 076 532 A1 bekannt.
Nachfolgend wird die Erfindung in Zusammenhang mit dem Einsatz eines Elektromotors in einem Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen, beschrieben, dies ist nicht als Beschränkung der Erfindung zu verstehen.
An den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs werden immer höhere Anforderungen bezüglich des Geräusch- und Schwingungsverhaltens gestellt, da dies unteranderem das Noise-Vibration-Harshness (NVH) Verhalten des Fahrzeugs beeinflusst. Diese Anforderung betrifft auch elektromechanische Energiewandler, welche aufgrund ihrer Bauart und auch häufig aufgrund ihrer Ansteuerung über Pulsweitenmodulation, eine Geräuschquelle darstellen.
Dabei gibt das Gehäuse des Energiewandlers die Geräusche in Form von Luftschall ab. Aus dem Stand der Technik ist eine Reihe von Bauarten elektrischer Maschinen bekannt, bei welchen die innerhalb des Gehäuses angeordneten Bauteile, insbesondere aber der Stator, vom Gehäuse schwingungstechnisch entkoppelt wird. Diese Maßnahmen haben zum Ziel, die Schallemissionen zu verringern. Problematisch bei dieser Entkopplung ist einerseits, dass für die Entkopplung des Stators vom Gehäuse eine Anbindung mit geringer Steifigkeit wünschenswert ist (weiche Anbindung), um eine Beweglichkeit des Stators gegenüber dem Gehäuse zu ermöglichen, andererseits ist aber eine Anbindung mit hoher Steifigkeit erforderlich, um die Drehmomentübertragung zwischen dem Gehäuse und dem Stator zu gewährleisten.
Aus dem Stand der Technik ist eine Reihe von Möglichkeiten bekannt, eine derartige Entkopplung zwischen dem Stator und dem Gehäuse zu erreichen. Die DE 10 2011 076 532 A1 befasst sich mit einem elektromechanischen Energiewandler, bei welchem die Abstützung des Stators innerhalb des Gehäuses über einen zusätzlichen Mantel zu einer erheblichen Verringerung der wahrnehmbaren Geräusche führen soll.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen elektromechanischen Energiewandler mit einer, gegenüber herkömmlichen Energiewandlern, verringerten Schallabstrahlung im Betrieb bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektromechanischen Energiewandler gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst, zu bevorzugende Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem elektromechanischen Energiewandler eine Einrichtung zum Umwandeln von elektrischer in mechanischer Energie und umgekehrt zu verstehen. Insbesondere ist unter einem elektromechanischen Energiewandler ein Elektromotor/Generator zu verstehen, vorzugsweise ist dieser im mehr Quadrantenbetrieb und bevorzugt im sogenannten Vierquadrantenbetrieb betreibbar. Dabei ist die Bauart des elektromechanischen Energiewandlers in Bezug auf die Erzeugung des elektromagnetischen Feldes, insbesondere Gleichstrom, Wechselstrom, Drehstrom, von untergeordneter Bedeutung für die vorliegende Erfindung.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Kraftfahrzeug ein bodengebundenes Fahrzeug, vorzugsweise ein Personenkraftwagen zu verstehen.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Rotor eine Einrichtung des elektromechanischen Energiewandlers zur Aufnahme bzw. Abgabe der mechanischen Leistung zu verstehen. Vorzugsweise weist ein Rotor wenigstens eine Rotorwelle auf, weiter vorzugsweise weist die Rotorwelle eine Symmetrielinie auf um welche der Rotor drehbar ist. In Bezug auf einen Elektromotor ist unter dem Rotor insbesondere die Abtriebs- oder Antriebswelle zu verstehen.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Stator eine Einrichtung zu verstehen, welche beim planmäßigen Betrieb des elektromechanischen Energiewandlers, insbesondere in Bezug auf den Rotor, still steht und insbesondere nicht rotiert. Der Stator ist insbesondere mit einem Gehäuse, welches den elektromechanischen Energiewandler, wenigstens abschnittsweise umgibt, drehfest verbunden. Vorzugsweise weist der Stator eine weitere, eigene Gehäuseeinrichtung auf, vorzugswiese einen Statormantel, welcher den Stator vorzugsweise in radialer Richtung wenigstens abschnittsweise umgibt. Eine derartige Gehäuseeinrichtung des Stators ist vorzugsweise als ein rohrartiges Bauteil zu verstehen. Im Inneren des Rohres ist vorzugsweise ein Statormagnet oder bevorzugt ein Statorleiter (Wicklung), insbesondere eine Statorwicklung aufgenommen.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem Außengehäuse eine Einrichtung zu verstehen, welche den elektromechanischen Energiewandler umgibt, vorzugsweise wenigstens abschnittsweise, bevorzugt vollständig. Vorzugsweise ist ein Außengehäuse dazu eingerichtet, Lagerstellen für die drehbare Lagerung des Rotors bereitzustellen und ein Drehmoment vom Stator an ein Fundament/Maschinengestell weiter zu geben. Insbesondere ist unter einem Außengehäuse das Gehäuse eines Elektromotors/Generators zu verstehen.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer Entkopplungseinrichtung eine Einrichtung zu verstehen, welche den Stator mit dem Außengehäuse verbindet. Eine Entkopplungseinrichtung ermöglicht dabei eine vordefinierte Beweglichkeit des Stators gegenüber dem Außengehäuse. Vorzugsweise erstreckt sich eine Entkopplungseinrichtung wenigstens in Radialerrichtung und in Längsrichtung entlang einer Achse, um welche der Rotor drehbar gelagert ist. Weiter vorzugsweise windet sich eine Entkopplungseinrichtung spiralartig um diese Rotationsachse. Insbesondere erstreckt sich die Entkopplungseinrichtung in einem Zwischenraum, welcher sich zwischen dem Außengehäuse und dem Stator angeordnet ist. Das Außengehäuse weist eine, insbesondere wenigstens im Wesentlichen kreisrunde, Ausnehmung auf, welche zur Aufnahme des Stators eingerichtet ist. Weiter vorzugsweise ist die Ausnehmung im Aussengehäuse auf die Aussenkontur des Stator angepasst, vorzugsweise wenigstens abschnittsweise gleichartig (viereckig – viereckig, kreisrund – kreisrund, usw).
Die Entkopplungseinrichtung ist zur Verbindung des Stators mit dem Außengehäuse eingerichtet und weist dazu wenigstens ein erstes, insbesondere eine Reihe von ersten Zwischenelementen auf. Dieses Zwischenelement verläuft vorzugsweise zwischen dem Aussengehäuse und dem Stator.
Im Sinne der Erfindung ist unter dem Verlauf dieses Zwischenelementes eine Symmetrielinie des Zwischenelements in einer Schnittebene, welche orthogonal zur Rotationsachse angeordnet ist, zu verstehen. Weiter vorzugsweise ist der Verlauf des Zwischenelements als die Mittellinie bzw. als die Symmetrielinie des Zwischenelements zu verstehen. Eine Tangente an den Verlauf des Zwischenelements berührt diesen Verlauf wenigstens in einem Tangentenpunkt. Insbesondere schließen die Tangente an diesem Tangentenpunkt und eine Gerade durch die Rotationsachse und durch diesen Tangentenpunkt einen spitzen Winkel α ein.
Dabei ist dieser Winkel α aus einem Bereich gewählt, welcher < 90°, vorzugsweise < 70°, bevorzugt < 60° und besonders bevorzugt ≤ 45° ist. Weiter ist der Winkel α > 0°, vorzugsweise > 15°, bevorzugt > 25° und besonders bevorzugt ≥ 30°. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich insbesondere durch den Winkel α aus dem erfindungsgemäßen Winkelbereich einerseits eine hohe Steifigkeit der Entkopplungseinrichtung in Umfangsrichtung ergibt (Drehmomentübertragung) und andererseits die Ankopplung des Stators gegenüber dem Außengehäuse in radialer Richtung weich genug ist, damit nur ein geringer Anteil des Körperschalls auf das Außengehäuse übertragen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Entkopplungseinrichtung wenigstens ein zweites, insbesondere eine Reihe von zweiten Zwischenelementen auf. Dieses zweite Zwischenelement erstreckt sich, vorzugsweise ebenso wie das erste Zwischenelement, in dem Zwischenraum zwischen dem Stator und dem Außengehäuse vom Stator zum Außengehäuse. Weiter vorzugsweise schließt eine Tangente an den Verlauf des zweiten Zwischenelements an einen zweiten Tangentenpunkt und eine Gerade durch die Rotationsachse und durch diesen Tangentenpunkt einen spitzen Winkel β ein.
Dabei ist der Winkel β aus einem Bereich ausgewählt, welcher < 90°, vorzugsweise < 70°, bevorzugt < 60° und besonders bevorzugt ≤ 45° ist. Weiter ist der Winkel β > 0°, vorzugsweise > 15°, bevorzugt > 25° und besonders bevorzugt ≥ 30°. Insbesondere durch die Wahl des Winkels β aus dem erfindungsgemäßen Winkelbereich ergibt sich eine besonders gute Entkopplung des Stators gegenüber dem Außengehäuse bei gleichzeitig guter Drehmamentübertragbarkeit.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Winkel α und β, wenigstens im Wesentlichen, gleich groß. Weiter vorzugsweise ist der Verlauf des ersten und des zweiten Zwischenelements abschnittsweise symmetrisch, vorzugsweise vollständig, spiegelsymmetrisch.
Insbesondere bezieht sich diese Symmetrie von einem benachbartem ersten und zweiten Zwischenelement auf eine Symmetrielinie zwischen diesem ersten und diesem zweiten Zwischenelement und die Symmetrielinie verläuft in einer orthogonalen Ebene zur Rotationsachse. Weiter vorzugsweise verläuft die Symmetrielinie durch die Rotationsachse. Insbesondere durch diese Ausgestaltung der ersten und zweiten Zwischenelemente ist eine besonders vorteilhafte Drehmomentübertragung zwischen dem Stator und dem Außengehäuse in beide Drehrichtungen ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist wenigstens ein Zwischenelement wenigstens in einer Schnittebene orthogonal zu der Rotationsachse einen geradlinigen Verlauf auf. Weiter vorzugsweise weist wenigstens ein Zwischenelement in dieser Ebene einen spline-artigen, oder bevorzugt wenigstens abschnittsweise gekrümmten Verlauf auf. Das Zwischenelement weist entlang seiner Längserstreckung (Richtung parallel zur Rotationsachse) in dieser Schnittebene eine mittlere Dicke D auf. Vorzugsweise ist die Dicke D des Zwischenelements über den gesamten Verlauf in der Schnittebene, wenigstens im Wesentlichen, konstant. Dabei bedeutet wenigstens im Wesentlichen eine maximale Abweichung von der dicksten zur dünnsten Stelle von vorzugsweise weniger als 0,5 D, bevorzugt weniger als 0,25 D und besonders bevorzugt von weniger als 0,1 D.
Vorzugsweise ist die Dicke D des Zwischenelements, bevorzugt die mittlere Dicke D des Zwischenelements, wenigstens in der Schnittebene (orthogonal zur Rotationsachse) < 5 mm, vorzugsweise ≤ 3 mm, bevorzugt ≤ 2 mm und besonders bevorzugt ≤ 1 mm und weiter ist die Dickenerstreckung D in dieser Ebene > 0,05 mm, vorzugsweise ≥ 0,1 mm, bevorzugt ≥ 0,25 mm und besonders bevorzugt ≥ 0,5 mm. Weiter vorzugsweise sind mehrere dieser Zwischenelemente und bevorzugt sind alle dieser Zwischenelemente, mit einer erfindungsgemäßen Dicke D gestaltet.
Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Zwischenelement nach der dargelegten Gestaltung den Stator vom Außengehäuse besonders gut entkoppelt, bei gleichzeitig guter Übertragbarkeit des Drehmoments zwischen dem Stator und dem Außengehäuse.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen das Außengehäuse und die Entkopplungseinrichtung wenigstens abschnittsweise artunterschiedliche Werkstoffe auf. Vorzugsweise sind sowohl das Außengehäuse wie auch die Entkopplungseinrichtung zu mehr als 50% aus artunterschiedlichen Werkstoffen aufgebaut, bevorzugt zu mehr als 75% und besonders bevorzugt zu mehr als 90%. Insbesondere sind die Arten der verwendeten Werkstoffe an den unterschiedlichen Anforderungen, welche an das Außengehäuse und den Stator gestellt sind, orientiert und durch artunterschiedliche Werkstoffe ist ein verbesserter elektromechanischer Energiewandler erreichbar. Im Sinne der Erfindung sind unter unterschiedlichen Arte von Werkstoffen insbesondere Eisen-/Stahlwerkstoffe, Aluminiumwerkstoffe, Keramikwerkstoffe und Kunststoffe zu verstehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der elektromechanische Energiewandler als einen Bestandteil des Außengehäuses einen Aluminiumwerkstoff, vorzugsweise einen Aluminiumgusswerkstoff und besonders bevorzugt einen Aluminiumdruckgusswerkstoff auf. Insbesondere Aluminiumwerkstoffe finden aufgrund der guten Wärmeleitung und des geringen spezifischen Gewichts bei guter Festigkeit häufig Einsatz als Gehäusewerkstoff.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Entkopplungseinrichtung als einen Bestandteil einen Eisen-/Stahlwerkstoff auf. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform weist die Entkopplungseinrichtung als einen Werkstoff einen Federstahlwerkstoff auf. Insbesondere Eisen-/Stahlwerkstoffe weisen eine gute elastische Verformbarkeit bei hoher Festigkeit auf, und sind somit besonders gut für die Entkopplung des Stators von dem Außengehäuse geeignet, insbesondere dadurch ist ein verbesserter elektromechanischer Energiewandler erreichbar.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Entkopplungseinrichtung als einen Bestandteil einen Kunststoff auf. Vorzugsweise ist dieser Kunststoff als faserverstärkter Kunststoff ausgeführt. Vorzugsweise finden als Verstärkungsfasern Glasfasern, Kunststofffasern oder Stahlfasern Verwendung. Insbesondere faserverstärkte Kunststoffe weisen eine hohe Festigkeit, geringes Gewicht und eine gute innere Dämpfung auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens ein erstes und ein zweites Zwischenelement mittels Verbindungsbereichen miteinander verbunden. Vorzugsweise sind die Zwischenelemente mit den Verbindungsbereichen einstückig miteinander ausgebildet. Weiter vorzugsweise ist die Entkopplungseinrichtung als im Wesentlichen dünnwandiges dreidimensionales Bauteil ausgeführt. Vorzugsweise als Blechbiegeteil. Besonders bevorzugt als ein rohrförmiges Bauteil, welches in einer orthogonal zur Rotationsachse angeordneten Schnittebene einen, wenigstens im Wesentlichen, gewellten Querschnitt aufweist, wobei insbesondere einzelne Abschnitte einen geradlinigen Verlauf aufweisen.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Energiewandlers sind folgende Schritte vorgesehen,

– Bereitstellen der Entkopplungseinrichtung,
– Bereitstellen des Stators,
– Bereitstellen des Außengehäuses,
– Verbinden des Außengehäuses mit dem Stator mittels der Entkopplungseinrichtun.

Zum Verbinden des Stators durch die Entkopplungseinrichtung mit dem Außengehäuse werden vorzugsweise der Stator und die Entkopplungseinrichtung in Richtung der Rotationsachse gegenüber dem Außengehäuse bewegt. Vorzugsweise werden der Stator und die Entkopplungseinrichtung in Richtung der Rotationsachse in das Außengehäuse eingeschoben.
Weiter vorzugsweise weist die Entkopplungseinrichtung eine Vielzahl von Zwischenelementen und Verbindungsbereichen auf und weist so in einer orthogonalen Schnittebene zur Rotationsachse des Rotors einen ringartigen Querschnitt auf. Mit den Zwischenelementen und Verbindungsbereichen weist dieser Querschnitt einen gewellten Verlauf auf. Weiter vorzugsweise ist die Entkopplungseinrichtung als eine gewellte Hülse ausgebildet, welche sich, ausgehend von dem Querschnitt orthogonal zur Rotationsachse des Rotors in Richtung dieser Achse erstreckt. Bevorzugt weist diese gewellte Hülse eine Längsausnehmung (Längsschlitz) auf, welcher sich in Richtung der Rotationsachse erstreckt. Vorzugsweise durchbricht diese Längsausnehmung die Entkopplungseinrichtung wenigstens teilweise oder bevorzugt vollständig. Weiter vorzugsweise ist eine derartige Ausnehmung in einem der Verbindungsbereiche angeordnet. Insbesondere durch diesen Längsschlitz sind eine gute Anpassung der Entkopplungseinrichtung sowie eine gute Drehmomentübertragung zwischen Stator und Gehäuse ermöglicht.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wird die Entkopplungseinrichtung wenigstens mit dem Außengehäuse oder wenigstens mit dem Stator formschlüssig oder vorzugsweise stoffschlüssig verbunden. Insbesondere durch ein erfindungsgemäßes Verfahren ist ein elektromechanischer Energiewandler mit Entkopplungseinrichtung besonders einfach und schnell herstellbar.
Weiter ist es insbesondere durch die Verbindung der Entkopplungseinrichtung mit dem Außengehäuse und/oder dem Stator ermöglicht, eine besonders sichere Drehmomentübertragung zwischen dem Außengehäuse und dem Stator sicher zu stellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind in dem Zwischenraum zwischen dem Stator und dem Gehäuse wenigstens zwei oder mehr, vorzugsweise aber eine Vielzahl, von Entkopplungseinrichtungen angeordnet. Weiter vorzugsweise sind die Entkopplungseinrichtungen, bezogen auf eine Abwicklung der Fläche in welcher diese angeordnet sind, wenigstens im Wesentlichen schachbrettartig angeordnet. Insbesondere aus dieser Schachbrettartigen Anordnung ergibt sich, dass die Länge einer Entkopplungseinrichtung, insbesondere deren Erstreckung in Richtung der Rotationsachse des Rotors im Gehäuse, höchstens 50% der Erstreckung des Stators in der gleichen Richtung entspricht, vorzugsweise aber weniger als 30%, bevorzugt weniger als 20% und besonders bevorzugt weniger als 10%. Insbesondere durch eine derartige Längenstufung der Entkopplungseinrichtung ist eine besonders gute Entkopplung des Stators gegenüber dem Gehäuse erreichbar.
Vorzugsweise sind zwei Entkopplungseinrichtungen in axialer Richtung, also in Richtung der Rotationsachse des Rotors voneinander beabstandet oder unmittelbar benachbart zueinander angeordnet. Insbesondere durch eine Beabstandung wird die Anzahl der eingesetzten Entkopplungseinrichtungen verringert und damit ist der Montagaufwand absenkbar. Insbesondere durch die unmittelbare Benachbarung der Entkopplungseinrichtungen wird deren Anzahl erhöht und damit ist die Torsionssteifigkeit Stator/Gehäuse verbesserbar.
Vorzugsweise sind zwei Entkopplungseinrichtungen in radialer Richtung, also in Richtung um diese Rotationsachse des Rotors herum voneinander beabstandet oder unmittelbar benachbart zueinander angeordnet. Insbesondere durch eine Beabstandung wird die Anzahl der benötigten Entkopplungseinrichtungen verringert und damit ist der Montagaufwand verringerbar. Insbesondere durch die unmittelbare Benachbarung der Entkopplungseinrichtungen wird deren Anzahl erhöht und damit ist die Torsionssteifigkeit Stator/Gehäuse verbesserbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich eine Entkopplungseinrichtung oder mehrere zueinander benachbarte Entkopplungseinrichtungen, wenigstens im Wesentlichen über die gesamte Länge des Stators. Insbesondere ergibt sich durch diese Anordnung eine streifenartige Anordnung der Entkopplungseinrichtungen in Bezug auf den Stator. Die Streifen (Entkopplungseinrichtung) weisen in Längserstreckungsrichtung, also in Richtung der Rotationsachse des Rotors, eine einteilige oder mehrteilige Gestalt auf. Dabei ist in diesem Sinne unter im Wesentlichen der gesamten Länge zu verstehen, dass die Länge eines dieser Streifen von Entkopplungseinrichtungen oder die Länge einer Entkopplungseinrichtung wenigstens 66% der Länge der Erstreckung des Stators in derselben Richtung, vorzugsweise wenigstens 75% und besonders bevorzugt wenigstens 95% ist. Ganz besonders bevorzugt entspricht die Länge der Entkopplungseinrichtung beziehungsweise dieses Streifens in der genannten Richtung der Länge des Stators in derselben Richtung. Weiter vorzugsweise sind wenigstens zwei dieser Entkopplungseinrichtungen oder Streifen, vorzugsweise eine Vielzahl und bevorzugt alle in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet. Insbesondere durch eine derartige Anordnung ist es ermöglicht mit wenigen Entkopplungseinrichtungen eine gute Entkopplung zwischen Stator und Gehäuse zu erreichen. Weiter vorzugsweise sind wenigstens zwei dieser Entkopplungseinrichtungen oder Streifen, vorzugsweise eine Vielzahl und bevorzugt alle in Umfangsrichtung paarweise unmittelbar beabstandet zueinander angeordnet. Insbesondere durch eine derartige Anordnung ist es ermöglicht eine besonders hohe Torsionssteifigkeit zwischen Stator und Gehäuse zu erreichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine, vorzugsweise aber eine Vielzahl und besonders bevorzugt sind alle Entkopplungseinrichtungen einstückig mit dem Stator oder vorzugsweise mit dem Gehäuse ausgebildet. Vorzugsweise sind die Entkopplungseinrichtungen mit dem Gehäuse oder Stator verklebt oder bevorzugt verschweißt oder besonders bevorzugt verlötet und ganz besonders bevorzugt integral mit diesem ausgebildet. Insbesondere durch das einstückige Ausbilden der Entkopplungseinrichtung mit dem Stator oder Gehäuse ist eine besonders gute Drehmomentübertragung zwischen diesen (Torsionssteifigkeit) erreichbar und es ist ein verbesserter elektromechanischer Energiewandler darstellbar.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit den teilweise schematisierten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung des elektromechanischen Energiewandlers,
2 eine perspektivische Darstellung einer bevorzugten Entkopplungseinrichtung,
3 Verlauf des Schalldruckpegels über der Drehzahl für einen elektromechanischen Energiewandler mit/ohne Entkopplungseinrichtung,
4 eine Teilschnittdarstellung der Entkopplungseinrichtung in einer orthogonalen Ebene zur Rotationsachse,
5 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß entkoppelten Stators gegenüber einem Gehäuse,
6 eine Abwicklung der Anordnung der Entkopplungsenrichtungen in die Ebene,
7 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäß entkoppelten Stators,
8 eine Abwicklung der Anordnung der Entkopplungseinrichtungen in die Ebene,
9 eine Teilschnittdarstellung einer Entkopplungseinrichtung.
In 1 ist das Außengehäuse 1 perspektivisch dargestellt. Dabei nimmt das Außengehäuse 1 mittels der Entkopplungseinrichtung 4 den Stator 2 auf. Zwischen dem Stator 2 und dem Außengehäuse 1 bildet sich ein Luftspalt 3 aus (Zwischenraum). Dieser Luftspalt 3 ist derart bemessen, dass darin die Entkopplungseinrichtung 4 so angeordnet werden kann, dass sich eine ausreichende Beweglichkeit des Stators in radialer Richtung gegenüber dem Außengehäuse 1 ergibt. Der Rotor (nicht dargestellt) ist um die Rotationsache 5 drehbar im Außengehäuse 1 gelagert. Die Entkopplungseinrichtung 4 ist als im Wesentlichen wellenförmiges Rohr ausgebildet. Dabei weist die Entkopplungseinrichtung 4 erste Zwischenelemente 4a und zweite Zwischenelemente 4b auf. Die Zwischenelemente 4a/4b sind durch die Verbindungsbereiche 4c.1 und 4c.2 jeweils miteinander verbunden. Durch die symmetrische Ausbildung der Entkopplungseinrichtung 4, insbesondere der Bereich 4c.1 und 4c.2 zueinander ergibt sich das gleiche Drehmomentübertragungsverhalten für Links- bzw. Rechtslauf des Rotors.
In 2 ist eine perspektivische Darstellung der Entkopplungseinrichtung 4 gezeigt. Die Entkopplungseinrichtung 4 verläuft um die Rotationsachse 5. In einer Schnittebene, welche orthogonal zur Rotationsachse 5 angeordnet ist, ergibt sich ein wellenartiger Querschnitt der Entkopplungseinrichtung 4. Dabei weist die Entkopplungseinrichtung 4 erste 4a und zweite 4b Zwischenelemente auf, welche über die Verbindungsbereiche 4c.1 und 4c.2 miteinander verbunden sind. Weiter ist die Entkopplungseinrichtung 4 aus im Wesentlichen dünnwandiges Blechbiegeteil ausgeführt und erstreckt sich in Richtung parallel zur der Rotationsachse 5.
In 3 ist der abgegebene Schalldruckpegel zweier im Wesentlichen baugleicher Elektromotoren dargestellt. Dabei symbolisiert der Kurvenverlauf a den Schalldruckpegel, dargestellt über der Drehzahl für einen Elektromotor ohne Entkopplungseinrichtung. Der Kurvenverlauf b symbolisiert dagegen den Schalldruckpegel über der Drehzahl für einen Elektromotor mit erfindungsgemäßer Entkopplungseinrichtung. Es ist erkennbar, dass durch die Entkopplungseinrichtung der Schalldruckpegel über den gesamten Drehzahlbereich des Elektromotors sinkt. Aus diesem Zusammenhang folgt, dass der abgegebene Körperschall durch die erfindungsgemäße Entkopplungseinrichtung gesenkt wird.
In 4 ist ein Teilschnitt einer der Entkopplungseinrichtungen in einer Schnittebene, welche orthogonal zur Rotationsachse 5 angeordnet ist, dargestellt. Das erste Zwischenelement 4a weist einen Verlauf 4d auf. Dabei fällt die Tangente an diesen Verlauf 4d (geradliniger Verlauf) und dieser Verlauf selbst, zusammen. Die Gerade 6a durch die Rotationsachse 5 und der Verlauf 4d schließen den spitzen Winkel α miteinander ein. Gleiches gilt für das zweite Zwischenelement 4b.
Das zweite Zwischenelement 4b weist einen Verlauf 4e auf. Die Gerade 6b durch die Rotationsachse 5 schließt mit diesem Verlauf 4e einen spitzen Winkel β ein. Die Zwischenelemente 4a/4b sind über das Verbindungselement 4c.1 miteinander verbunden. An das Verbindungselement 4c.2 schließt sich wiederum ein erstes Zwischenelement an.
Die Zwischenelemente 4a und 4b weisen eine mittlere Dickenerstreckung D und orthogonal zu dieser eine Längserstreckung L auf. Bei einer Ausgestaltung der Entkopplungseinrichtung insbesondere als Blechbiegeteil, weisen die Verbindungsbereiche 4c.1 und 4c.2 die im Wesentlichen gleiche Erstreckung D wie diese Zwischenelemente 4a und 4b auf.
5 zeigt eine perspektivische Sicht auf den Stator 2, welcher über Entkopplungseinrichtungen 4 gegenüber dem Gehäuse/Aussengehäuse 1 entkoppelt ist, in teilweise schematisierter Art. Die Entkopplung mittels der Entkopplungseinrichtungen 4 ist dabei unabhängig von der Gestaltung des Stators, insbesondere an dessen Innenseite mit den Nutungen 8, welche zur Aufnahme von Wicklungen oder Leitern (nicht dargestellt) eingerichtet sein können. Ein Rotor (nicht dargestellt) welcher gegenüber dem Stator 2 drehbar ist, ist um die Rotationsachse 5 drehbar. Die Entkopplungseinrichtungen 4 sind in dem Zwischenraum 3, zwischen dem Stator 2 und dem Gehäuse 1 angeordnet. Die Entkopplungseinrichtungen 4 können als separate Bauteile, unabhängig von Stator 2 oder Gehäuse 1 ausgebildet sein oder mit einem dieser beiden Teile (1, 2) einstückig ausgebildet sein.
6 zeigt einen Ausschnitt der Abwicklung der Fläche (Zylindermantelfläche) des Bauteils (Stator 2, Gehäuse 1), auf welchem die Entkopplungseinrichtungen 4 angeordnet sind, in die Ebene um die Anordnung der Entkopplungseinrichtungen 4 besser zu verdeutlichen. Dabei sind die Entkopplungseinrichtungen 4, schachbrettartig angeordnet. Die Entkopplungseinrichtungen 4 sind in Umfangsrichtung 5.u durch Trennelemente 7 von einander beabstandet. Die Trennelemente 7 können, wie auch die Entkopplungseinrichtungen 4 mit dem Stator 2 oder Gehäuse 1 einstückig ausgebildet sein, oder als separates Bauteil. Weiter können die Trennelemente 7 einstückig mit den Entkopplungseinrichtungen ausgebildet sein. In Richtung 5.r der Rotationsachse 5 (nicht dargestellt) sind die Entkopplungseinrichtungen 4 unmittelbar zueinander benachbart angeordnet. In dieser Richtung 5.r weisen die entkopplungseinrichtungen 11 eine Längserstreckung 11 auf, diese ist geringer als die Längserstreckung 10 des Stators 2 in derselben Richtung.
In 7 ist eine Draufsicht auf einen Stator 2, welcher über Entkopplungseinrichtungen 4 gegenüber dem Gehäuse 1 entkoppelt in teilweise schematisierter Art dargestellt. Die Entkopplung mittels der Entkopplungseinrichtungen 4 ist dabei unabhängig von der Gestaltung des Stators 2, insbesondere an dessen Innenseite mit den Nutungen 8, welche zur Aufnahme von Wicklungen oder Leitern (nicht dargestellt) eingeachtet sein können. Ein Rotor (nicht dargestellt), welcher gegenüber dem Stator 2 drehbar ist, ist um die Rotationsachse 5 drehbar. Die Entkopplungseinrichtungen 4 sind in dem Zwischenraum 3, zwischen dem Stator 2 und dem Gehäuse 1 angeordnet. Die Entkopplungseinrichtungen 4 können als separate Bauteile, unabhängig von Stator 2 oder Gehäuse 1 ausgebildet sein oder mit einem dieser beiden Teile (1, 2) einstückig verbunden sein. Weiter ist es ermöglicht, dass die Trennelemente einstückig mit den Entkopplungseinrichtungen 4 ausgebildet sind.
8 zeigt einen Ausschnitt der Abwicklung der Fläche (Zylindermantelfläche) des Bauteils (Stator 2, Gehäuse 1), auf welchem die Entkopplungseinrichtungen 4 angeordnet sind, in die Ebene. Diese Darstellung verdeutlicht die Art der Anordnung der Entkopplungseinrichtungen 4 besser besonders gut. Dabei sind die Entkopplungseinrichtungen 4, streifenartig angeordnet. Die Entkopplungseinrichtungen 4 sind in Umfangsrichtung 5.u durch Trennelemente 7 von einander beabstandet. Weiter können die Entkopplungseinrichtungen 7 einstückig mit den Trennelementen 7 ausgebildet sein. Die Trennelemente 7 können, wie auch die Entkopplungseinrichtungen 4 mit dem Stator 2 oder Gehäuse 1 einstückig ausgebildet sein, oder als separates Bauteil. In Richtung 5.r der Rotationsachse 5 (nicht dargestellt) erstrecken sich die Entkopplungseinrichtungen 4, über die gesamte Breite des Stators, dabei entspricht die Längsersteckung 10 des Stators wenigstens im Wesentlichen der Längserstreckung 11 der Entkopplungseinrichtungen 4 in derselben Richtung 5.r.
In 9 ist eine Schnittdarstellung einer Entkopplungseinrichtung 4, welche einstückig mit dem Stator 2 ausgebildet ist dargestellt. Die dargestellte Entkopplungseinrichtung weist ein erstes 4a und ein zweites 4b Zwischenelement auf. Die Zwischenelemente 4a/b sind mittels des Verbindungsbereichs 4c.1 miteinander verbindbar. Der Verbindungsbereich 4c.2 fällt mit dem Stator 2 zusammen. Die Entkopplungseinrichtungen 4 sind in radialer Richtung von der Rotationsachse 5 beabstandet angeordnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011076532 A1 [0002, 0006]

Claims

Elektromechanischer Energiewandler, insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, mit einem Rotor, der um eine Rotationsachse (5) drehbar gelagert ist, einem Stator (3), der berührungslos, insbesondere magnetisch, mit dem Rotor koppelbar ist, einem Außengehäuse (1), welches zur Lagerung des Rotors eingerichtet ist und einer Entkopplungseinrichtung (4), zur Verbindung des Stators (2) mit dem Außengehäuse (1), wobei das Außengehäuse (1) und der Stator (2), wenigstens abschnittsweise, in radialer Richtung durch einen Zwischenraum (3) voneinander beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungseinrichtung (4) wenigstens ein erstes (4a), insbesondere eine Reihe von ersten (4a), Zwischenelementen aufweist und, dass sich, in einer Schnittebene orthogonal zur Rotationsachse (5), das erste Zwischenelemente (4a) in diesem Zwischenraum (3) vom Stator (2) zum Außengehäuse (1) erstreckt und, dass eine Tangente an den Verlauf (4d) des ersten Zwischenelements (4a) in einem ersten Tangentenpunkt und eine Geraden (6a) durch die Rotationsachse und diesen Tangentenpunkt, einen spitzen Winkel α einschließen und, dass für den Winkel α gilt, α kleiner als 90°, vorzugsweise kleiner als 70°, bevorzugt kleiner als 60° und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 45° und weiter ist α größer als 0°, vorzugsweise größer als 15°, bevorzugt größer als 25° und besonders bevorzugt größer oder gleich 30°.
Elektromechanischer Energiewandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungseinrichtung (4) wenigstens ein zweites, insbesondere eine Reihe von zweiten, Zwischenelementen (4b) aufweist und, dass sich, in einer Schnittebene orthogonal zur Rotationsachse (5), das zweite Zwischenelemente (4b) in diesem Zwischenraum (3) vom Stator (2) zum Gehäuse (1) erstreckt, dass eine Tangente an den Verlauf des zweiten Zwischenelements (4e) in einem zweiten Tangentenpunkt und eine Geraden durch die Rotationsachse (6b) und diesen Tangentenpunkt einen spitzen Winkel β einschließen und, dass für den Winkel β gilt, dass dieser kleiner ist als 90°, vorzugsweise kleiner als 70°, bevorzugt kleiner als 60° und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 45° und weiter ist β größer als 0°, vorzugsweise größer als 15°, bevorzugt größer als 25° und besonders bevorzugt größer oder gleich 30°.
Elektromechanischer Energiewandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel α und β gleich groß sind.
Elektromechanischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Zwischenelement (4a/b), vorzugsweise mehrere und bevorzugt alle, eine, wenigstens im Wesentlichen geradlinige, Längserstreckung L, und entlang von L eine mittlere Dickenerstreckung D aufweist, dass D kleiner ist als 5 mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 3 mm, bevorzugt kleiner oder gleich 2 mm und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1 mm und weiter ist D größer als 0,05 mm, vorzugsweise größer oder gleich 0,1 mm, bevorzugt größer oder gleich 0,25 mm und besonders bevorzugt größer oder gleich 0,5 mm.
Elektromechanischer Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengehäuse (1) und die Entkopplungseinrichtung (4) wenigstens abschnittsweise artunterschiedliche Werkstoffe aufweist, vorzugsweise zu mehr als 50% aus artunterschiedlichen Werkstoffen besteht, bevorzugt zu mehr als 75% und besonders bevorzugt zu mehr als 90%.
Elektromechanischer Energiewandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengehäuse (1) als einen Bestandteil einen Aluminium-, insbesondere einen Aluminiumgusswerkstoff aufweist.
Elektromechanischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungseinrichtung (4) als einen Bestandteil einen Eisen- oder Stahlwerkstoff aufweist, vorzugsweise einen Federstahlwerkstoff.
Elektromechanischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungseinrichtung (4) als einen Bestandteil einen Kunststoff aufweist, vorzugsweise einen faserverstärkten Kunststoff und besonders bevorzugt einen carbonfaserverstärkten Kunststoff.
Elektromechanischer Energiewandler nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Zwischenelemente (4a/b) mittels Verbindungsbereichen (4c.1/2) miteinander verbindbar sind und, dass die Zwischenelementen (4a/b) mit den Verbindungsbereichen (4c.1/2) einstückig miteinander ausgebildet sind.
Elektromechanischer Energiewandler, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei, vorzugsweise eine Vielzahl und besonders bevorzugt alle, Entkopplungseinrichtungen (4) streifenartig angeordnet sind und eine Längserstreckung von mehr als 50%, bezogen auf die Länge (10) des Stators (2), aufweisen.
Elektromechanischer Energiewandler, nach einem der Ansprüche 1 bis, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei, vorzugsweise eine Vielzahl und besonders bevorzugt alle, Entkopplungseinrichtungen (4) ein Längserstreckung (11) von weniger oder gleich 50% aufweisen, bezogen auf die Länge (10) des Stators (2), und vorzugsweise schachbrettartig angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Elektromechanischer Energiewandlers nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit den Schritten Bereitstellen wenigstens einer Entkopplungseinrichtung (4), Bereitstellen des Stators (2), Bereitstellen des Aussengehäuses (1), Verbinden des Aussengehäuses (1) mit dem Stator (2) mittels wenigstens der einen Entkopplungseinrichtung (4), wobei zum Verbinden der Stator (2) und die Entkopplungseinrichtung (4) in der Richtung der Rotaitonsachse (5) gegenüber dem Aussengehäuse (1) bewegt werden.