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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschineneinheit umfassend eine elektrische Maschine mit einer Schleifringanordnung, wobei die Schleifringanordnung zumindest teilweise einem von einem Lüfter erzeugten Luftstrom ausgesetzt ist.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschineneinheiten aufweisend eine elektrische Maschine und eine daran angebaute Leistungselektronik kommen z.B. in Kraftfahrzeugen als Starter oder Generatoren oder kombiniert als Startergeneratoren oder sog. Boost-Rekuperations-Maschinen (BRM) zum Einsatz. Sie können beispielsweise eine fremderregte elektrische Maschine mit Läuferwicklung (Erregerwicklung) und Ständerwicklung und als Leistungselektronik einen der Ständerwicklung nachgeschalteten Stromrichter mit Regler (z.B. Generatorregler bzw. Feldregler) aufweisen, der die von der elektrischen Maschine erzeugte Spannung bzw. das von der elektrischen Maschine erzeugte Drehmoment regelt.
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Elektrische Maschinen bzw. Generatoren in Kraftfahrzeugen verfügen häufig über einen Rotor, dessen Wicklung oftmals über eine Schleifringanordnung elektrisch kontaktiert wird. Die Schleifringanordnung kann dabei ein Kohleschleifringsystem umfassen, bei welchem als Kohlebürsten ausgebildete Schleifkontakte auf mit dem Rotor verbundenen Schleifringen laufen und den Erregerstrom von dem oder auf den sich drehenden Rotor übertragen. Durch einen elektrischen Widerstand an dem Übergang zwischen Schleifring und Schleifkontakt wird elektrische Energie dissipiert, was zu einer Erwärmung der Schleifringanordnung führen kann. Sofern die Schleifringanordnung dabei eine kritische Temperatur erreicht, kann dies zur Folge haben, dass der Verschleiß an den Schleifringen und/oder an den Schleifkontakten, insbesondere an Kohlebürsten, erheblich zunimmt und die Lebensdauer der Schleifringe und/oder der Schleifkontakte erheblich abnimmt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine elektrische Maschineneinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung schlägt eine elektrische Maschineneinheit vor, umfassend eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor und einer Schleifringanordnung und einen von dem Rotor angetriebenen Lüfter, wobei die elektrische Maschineneinheit derart ausgebildet ist, dass die Schleifringanordnung zumindest teilweise in einem Ansaugweg des Lüfters angeordnet ist. Mit anderen Worten befindet sich die Schleifringanordnung auf der Unterdruckseite des Lüfters.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die Schleifringanordnung während des Betriebs des Lüfters von dem angesaugten Luftstrom erfasst wird und somit durch den angesaugten Luftstrom gekühlt wird. Dadurch kann eine unerwünschte Temperaturerhöhung der Schleifringanordnung während des Betriebs der elektrischen Maschine reduziert oder gar ganz vermieden werden. Dies hat den vorteilhaften Effekt, dass ein durch den Betrieb der elektrischen Maschine bei erhöhten Temperaturen auftretender erhöhter Verschleiß der Schleifringanordnung vermindert oder gar ganz vermieden werden kann.
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Insbesondere bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Haltbarkeit bzw. Lebensdauer von besonders verschleißanfälligen Kohlebürsten, welche oftmals als Schleifkontakte verwendet werden, erhöht werden kann, da unerwünschte Temperaturerhöhungen vermindert oder gar vermieden werden können.
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Somit kann gemäß der Erfindung die Langlebigkeit von herkömmlichen Schleifringanordnungen erhöht werden, ohne dass dabei höhere Kosten für Schleifringanordnungen aus teureren Materialien erforderlich sind.
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Zweckmäßigerweise ist der Lüfter auf einer B-Seite, d.h. auf der dem Antrieb abgewandten Seite, angeordnet. Häufig befindet sich bei elektrischen Maschinen auf der B-Seite bereits ein Lüfter zur Kühlung von Rotor und/oder Stator, der gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform nun gleichzeitig zur Kühlung der Schleifringanordnung verwendet wird. Vorzugsweise befinden sich Rotor und Stator auf der Überdruckseite und die Schleifringanordnung auf der Unterdruckseite des Lüfters.
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Bevorzugt ist der Lüfter drehfest mit dem Rotor verbunden. Dabei handelt es sich um eine besonders einfache und robuste Ausführungsform.
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Vorzugsweise umfasst die elektrische Maschine eine Einhausungseinheit, wobei die Einhausungseinheit den Lüfter zumindest teilweise abdeckt und die Schleifringanordnung zumindest teilweise einhaust. Beispielsweise kann die Einhausungseinheit als eine Anschlussplatte ausgebildet sein, welche dazu dienen kann, eine gegebenenfalls vorhandene Leistungselektronik an die elektrische Maschine anzubauen bzw. damit zu verbinden. Beispielsweise kann die Einhausungsplatte einstückig ausgebildet sein, wie etwa aus einem Guss gefertigt sein oder aus einem Stück gefräst und/oder gestanzt sein.
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Alternativ kann die Einhausungseinheit mehrstückig ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Einhausungseinheit eine Anschlussplatte und einen Lagerschild umfassen, welche zusammengesetzt die Einhausungseinheit bilden können.
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Die Einhausungseinheit kann insbesondere aus Kunststoff und/oder Metall bestehen.
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Vorzugsweise weist die Einhausungseinheit an einem dem Lüfter abdeckenden Teil zumindest ein Luftführungselement auf und weist an einem die Schleifringanordnung einhausenden Teil zumindest eine Öffnung auf. Beispielsweise kann das Luftführungselement als Nase und/oder Lamelle ausgebildet sein, welche geeignet ist, den Luftstrom zumindest teilweise in eine gewünschte Richtung abzulenken. Weiter bevorzugt sind das Luftführungselement und die Öffnung derart angeordnet, dass der vom Lüfter angesaugte Luftstrom zumindest teilweise über die Schleifringanordnung strömt. Somit kann die Einhausungseinheit einerseits dazu ausgebildet sein, den Lüfter zumindest teilweise abzudecken und die Schleifringanordnung einzuhausen, und andererseits dazu dienen, einen angesaugten Luftstrom des Lüfters zumindest teilweise umzulenken, so dass dieser dabei zumindest teilweise über die Schleifringanordnung strömt.
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Vorzugsweise bilden das zumindest eine Luftführungselement und/oder die zumindest eine Öffnung zumindest teilweise einen Luftkanal, wobei der Luftkanal dazu ausgelegt ist, den Luftstrom zumindest teilweise zu lenken.
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Vorzugsweise ist die Einhausungseinheit an einer dem Stator abgewandten Seite des Lüfters angeordnet. Beispielsweise kann der Lüfter zur einen Seite an den Rotor angrenzen und auf der anderen Seite durch die Einhausungseinheit abgedeckt sein.
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Vorzugsweise weist die elektrische Maschineneinheit ferner einen Drehwinkelgeber auf, der zumindest teilweise in dem Ansaugweg des Lüfters angeordnet ist. Bei elektrischen Maschinen ist häufig ein Drehwinkelgeber bzw. dessen Permanentmagnet an der Rotorwelle angebracht. Das mit dem Rotor mitdrehende Magnetfeld des Permanentmagneten wird erfasst und dient zur Bestimmung der Winkelposition des Rotors. Die Kühlung des Drehwinkelgebers bzw. insbesondere dessen Permanentmagneten ist vorteilhaft, da der Permanentmagnet bei hohen Temperaturen entmagnetisiert. Insbesondere kann dadurch der technische Nachteil vermieden werden, wonach bei erhöhten bzw. hohen Temperaturen des Permanentmagneten sein Magnetfeld schwächer wird, wodurch die Rotorlagererkennung erschwert bzw. ungenauer werden würde. Eine Rotorlageerkennung und damit ein motorischer Betrieb der elektrischen Maschine wäre bei zu hohen Temperaturen des Permanentmagneten unter Umständen gar nicht mehr möglich. Somit hat die Erfindung den vorteilhaften Effekt, dass eine Erhöhung des Winkelfehlers und dadurch eine Reduktion des Wirkungsgrades der elektrischen Maschine auf effiziente Weise vermieden werden kann.
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Besonders bevorzugt umfasst die elektrische Maschineneinheit ferner eine Leistungselektronik, die zumindest teilweise in dem Ansaugweg des Lüfters angeordnet ist. Insbesondere ist somit die Leistungselektronik zumindest teilweise dem vom Lüfter angesaugten Luftstrom ausgesetzt. Insbesondere kann der Sensor des Drehwinkelgebers Teil dieser Leistungselektronik sein.
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Besonders bevorzugt weist die Leistungselektronik einen Kühlkörper auf, welcher zumindest teilweise dem vom Lüfter erzeugten Luftstrom ausgesetzt ist.
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Bevorzugt ist der Lüfter zwischen dem Stator und der Schleifringbaugruppe angeordnet und sind der Lüfter und die Schleifringbaugruppe zwischen dem Stator und der angebauten Leistungselektronik angeordnet. Dadurch ergibt sich eine besonders kompakte Anordnung mit guter Kühlwirkung.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine elektrische Maschineneinheit gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer Außenansicht.
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2 zeigt die elektrische Maschineneinheit gemäß der bevorzugten Ausführungsform aus 1 in einer Längsschnitt-Darstellung.
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3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des mit der gestrichelten Linie in 2 markierten Bereichs.
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4A zeigt in einer perspektivischen Darstellung von einer ersten Seite eine Anschlussplatte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
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4B zeigt in einer perspektivischen Darstellung von einer zweiten Seite die Anschlussplatte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aus 4A.
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5 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine Einhausungseinheit gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
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6 zeigt in einer schematischen Darstellung den Verlauf eines Luftstroms gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
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7 zeigt in einer schematischen Darstellung den Verlauf eines Luftstroms gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
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8 zeigt in einer schematischen Darstellung den Verlauf eines Luftstroms gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
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9 zeigt in einer schematischen Darstellung den Verlauf eines Luftstroms gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Im Folgenden werden verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Gleiche oder ähnliche Teile bzw. Komponenten werden dabei mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden gleiche oder ähnliche Teile bzw. Komponenten nur einmal erläutert, wenngleich sich die Erläuterungen auch auf die anderen Figuren beziehen, sofern nicht anders angegeben.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine elektrische Maschineneinheit 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer Außenansicht. Die elektrische Maschineneinheit 10, welche beispielsweise in einem Boost-Rekuperations-System verwendet werden kann, umfasst dabei eine elektrische Maschine 12 und eine Einhausungseinheit, die eine Anschlussplatte 14 und eine Schutzkappe 15 aufweist. Ferner umfasst die elektrische Maschineneinheit 10 eine Leistungselektronik 16, welche über die Anschlussplatte 14 an die elektrische Maschine 12 angebaut und von der Schutzkappe 15 abgedeckt ist. Darüber hinaus sind in der gezeigten Darstellung Bürstenhalter 18 der elektrischen Maschine erkennbar.
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2 zeigt die elektrische Maschineneinheit 10 gemäß der bevorzugten Ausführungsform aus 1 in einer Längsschnitt-Darstellung. Die elektrische Maschine 12 umfasst einen Rotor 20 und einen Ständer bzw. Stator 22. Ferner weist die elektrische Maschine 12 am Stator 22 ein Lamellenpakt 24 auf, welches zwischen zwei Lagerschilden 38 fixiert ist. Die Lagerschilde 38 nehmen auch Kugellager 26 auf, in welchen der Rotor 20 mit einer Rotorwelle 20a rotatorisch gelagert ist. Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist der Rotor 20 mit Klauenpolen 20b und einer Rotorwicklung 20c ausgebildet. Die Bestromung der Rotorwicklung 20c erfolgt über eine Schleifringanordnung 30.
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Schleifkontakte bzw. Kohlebürsten des Bürstenhalters 18 sowie eine Schleifringbaugruppe 28 sind dabei als Teil der Schleifringanordnung 30 ausgebildet. Die Schleifkontakte gleiten auf Kupferschleifringen der Schleifringbaugruppe 28, die fest mit dem Rotor 20 verbunden und dazu ausgelegt ist, mit dem Rotor 20 mitzurotieren.
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Beidseitig der Klauenpole 20b ist jeweils ein Lüfter 32 angeordnet und jeweils an dem Rotor 20 befestigt. Die Lüfter 32 sind dabei dazu ausgelegt, mit dem Rotor 20 mitzurotieren und dabei den notwendigen Luftstrom zur Kühlung des Rotors 20 bzw. der Rotorwicklung 20c und des Stators 22 zu erzeugen.
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Ferner ist an der Rotorwelle 20a ein Drehwinkelgeber 34 angebracht, welcher ein Signal bereitstellt, mittels welchem die Lage des Rotors 20 ermittelt werden kann. Der Drehwinkelgeber 34 weist beispielsweise einen an der Rotorwelle 22a angebrachten Permanentmagneten 34b (siehe 3) und eine Sensorik auf, die Teil der Leistungselektronik 16 sein kann. Das mit dem Rotor 20 mitdrehende Magnetfeld des Permanentmagneten 34b kann von der Sensorik erfasst werden und kann somit zur Bestimmung der Winkelposition des Rotors 20 dienen. Je nach gewünschter Betriebsart der elektrischen Maschineneinheit 10, also beispielsweise ob als Generator oder als Elektromotor, wird die Ständerwicklungen 22a des Stators 22 in Abhängigkeit der Winkelposition des Rotors 20 bestromt. Im generatorischen Betrieb wird eine mechanische Leistung in eine elektrische Leistung umgewandelt, um beispielsweise das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs mit elektrischem Strom zu versorgen. Im motorischen Betrieb wird eine elektrische Leistung in eine mechanische Leistung umgewandelt, beispielsweise um ein zusätzliches Drehmoment zur Beschleunigung des Fahrzeuges (Boosten) zur Verfügung zu stellen. Die Übertragung der mechanischen Leistung kann dabei beispielsweise über eine Riemenscheibe 36 erfolgen, die fest mit der Rotorwelle 20a verbunden ist.
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Zwischen der Leistungselektronik 16 und der elektrischen Maschine 12 (d.h. im Anschluss an das Lagerschild 38) befindet sich eine Anschlussplatte 14, welche einen der Lüfter 32 abdeckt und die Phasen des Stators 22 mit der Leistungselektronik 16 verbindet. Weiterhin dient die Anschlussplatte 14 zur Aufnahme eines Teils der Schleifringanordnung 30, insbesondere des Bürstenhalters 18. Die Anschlussplatte 14 umschließt mittels einer Wandung 14a die Schleifringbaugruppe 28 der Schleifringanordnung 30 sowie den Drehwinkelgeber 34 und schützt somit diese Komponenten vor eindringenden Medien und Schmutz.
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3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des mit der gestrichelten Linie 900 in 2 markierten Bereichs. Insbesondere zeigt 3 eine vergrößerte Darstellung des Schleifraumes, d.h. eines Bereichs der Schleifringanordnung 30. Die Schleifringbaugruppe 28 umfasst zwei Schleifringe 28a und eine Kunststoffumspritzung 28b. Die Schleifringe 28a sind jeweils mit Stromschienen 28c elektrisch verbunden, wobei jeweils das andere Ende der Stromschienen 28c mit Kabelenden der Rotorwicklung 20c verbunden ist.
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Ferner umfasst die Schleifringanordnung 28 zwei Schleifkontakte 28d, welche im Bürstenhalter 18 verschiebbar gelagert sind, so dass diese auf den Schleifringen 28a gleiten, wobei die Schleifringe 28a den elektrischen Erregerstrom führen bzw. übertragen.
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Der Drehwinkelgeber 34 umfasst ein elektrisch nicht-leitendes Gehäuse 34a, den Permanentmagneten 34b und einen Haltestift 34c, über den der Drehwinkelgeber 34 fest mit der Rotorwelle 20a verbunden ist, beispielsweise über eine Presspassung.
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Die Wandung 14a der Anschlussplatte 14 bildet einen Teil der Einhausungseinheit, insbesondere einen Schleifringraum 14b, welcher die Schleifringe 28a einhaust bzw. umschließt und auf diese Weise die Schleifringe 28a, die Schleifkontakte 28d und den Drehwinkelgeber 34 vor dem Eindringen von Schmutz und Fluiden schützt.
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4A und 4B zeigen in einer perspektivischen Darstellung von einer ersten Seite bzw. einer zweiten Seite eine Anschlussplatte 14 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Dabei ist erkennbar, dass die Anschlussplatte 14 mittels der Wandung 14a den Schleifringraum 14b aufspannt, welcher dazu ausgelegt ist, die Schleifringanordnung 30 bzw. die Schleifringbaugruppe 28 zumindest teilweise zu umschließen. Ferner umfasst die Anschlussplatte 14 ein Luftführungselement 14c, welches dazu ausgebildet ist, um den von dem in 2 rechten Lüfter 32 (d.h. auf der B-Seite der elektrischen Maschine 12) angesaugten Luftstrom zumindest teilweise durch den Schleifringraum 14b zu lenken.
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5 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die Einhausungseinheit, welcher gemäß der gezeigten Ausführungsform die Anschlussplatte 14 und das Lagerschild 38 aufweist. Das Luftführungselement 14c wirkt dabei mit dem Lagerschild 38 derart zusammen, dass ein Luftkanal 14d entsteht, welcher den Luftstrom auf ganz besonders effiziente Weise zumindest teilweise durch den Schleifringraum 14b zu leiten vermag. Auf diese Weise kann die Schleifringanordnung 30, welche sich gemäß den gezeigten Ausführungsformen auf der Unterdruckseite des Lüfters 32, bzw. im Luftansaugbereich, befindet besonders effizient dem von dem Lüfter 32 angesaugten Luftstrom ausgesetzt werden. Somit kann die Schleifringanordnung 30 zumindest teilweise, insbesondere die besonders hitzegefährdeten Schleifkontakte 28d und/oder Schleifringe 28a, auf einfache Weise effektiv gekühlt werden, ohne dass dafür ein weiterer, separater Lüfter und/oder Kühlkörper vorgesehen werden muss.
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6 zeigt in einer schematischen Darstellung den Verlauf eines Luftstroms gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Die gestrichelte Linie bzw. der gestrichelte Pfeil 910 zeigt dabei den Richtungsverlauf des Luftstroms gemäß einer bevorzugten Ausführungsform an. Da sich die Schleifringanordnung 30 auf der Unterdruckseite bzw. im Ansaugbereich des Lüfters 32 befindet, verläuft der Luftstrom entsprechend durch die Schleifringanordnung 30 in Richtung des Lüfters 32. Die Luft wird dabei seitlich angesaugt und strömt zunächst im Wesentlichen senkrecht zur Rotorwelle 20a nach innen. Dort tritt der Luftstrom durch eine Öffnung zwischen der Wandung 14a und dem Drehwinkelgeber 34 in den Schleifringraum 14b ein und strömt parallel zur Rotorwelle 20a durch den Schleifringraum 14b in Richtung des Lüfters 32 hindurch. Dabei kann der Luftstrom an den Schleifringen 28a und/oder an den Schleifkontakten 28d und/oder an sonstigen Komponenten der Schleifringanordnung 30 entstandene Wärme aufnehmen und abführen. Der Luftstrom 910 wird sodann durch das Luftführungselement 14c bzw. den Luftkanal 14d in Richtung des Lüfters gesogen. Gegebenenfalls ist die elektrische Maschineneinheit 10 derart ausgelegt, dass die Luft auch über die Leistungselektronik 16 und/oder einen davon umfassten Kühlkörper strömt.
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7 zeigt in einer schematischen Darstellung den Verlauf eines Luftstroms gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Der Verlauf des Luftstroms ist dabei durch den Pfeil 920 dargestellt. Abweichend von der in 6 dargestellten Ausführungsform wird dabei der Luftstrom nicht durch eine Öffnung zwischen der Wandung 14a und dem Drehwinkelgeber 34 gesogen. Stattdessen weist in der gezeigten Ausführungsform die elektrische Maschineneinheit ein separates Ansaugelement 40 mit Öffnungen 40a auf, welche von dem Luftstrom durchströmt werden können. Beispielsweise kann das Ansaugelement 40 Löcher als Öffnungen 40a für den Luftstrom aufweisen.
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8 zeigt in einer schematischen Darstellung den Verlauf eines Luftstroms 920 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Dabei wird der Luftstrom über ein Ansaugelement 40 ähnlich zur Ausführungsform aus 7 angesaugt. Gemäß der in 8 gezeigten Ausführungsform ist das Ansaugelement 40 einstückig mit einem Kühlkörper der Leistungselektronik 16 ausgebildet bzw. an diesen angeformt.
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9 zeigt in einer schematischen Darstellung den Verlauf eines Luftstroms 920 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Dabei wird der Luftstrom über ein Ansaugelement 40, welches an den Kühlkörper der Leistungselektronik 16 angeformt ist, ähnlich zur Ausführungsform aus 8 angesaugt. Das Luftführungsbauteil kann dabei am anderen Ende an die Anschlussplatte 14 angeformt sein, wobei eine Fuge zwischen dem Ansaugelement 40 und der Anschlussplatte 14 als Öffnung 40a zum Lufteinlass genutzt werden kann. Die Fuge bzw. Trennfuge kann dabei nach Art eines Labyrinths ausgestaltet sein, um das Eindringen von Schmutz zu erschweren.
