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Die Erfindung betrifft zum einen eine Bürstenvorrichtung zur elektrischen Verbindung eines ersten Elements mit einem relativ dazu drehbaren zweiten Element. Die Erfindung betrifft zum anderen auch eine E-Maschine mit einer solchen Bürstenvorrichtung zum Anschluss einer Rotorwelle an ein elektrisches Bezugspotential. Und die Erfindung betrifft außerdem auch eine Antriebsvorrichtung zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs mit einer solchen E-Maschine.
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Es ist bekannt, dass Wälzlagern durch daran anliegende elektrische Spannungen beschädigt werden können. Es ist daher bekannt, drehbar gelagerte Teile mittels einer Bürstenvorrichtung mit einem elektrischen Bezugspotential zu verbinden, insbesondere zu erden, beispielsweise aus der
US 2010/0001602 A1 (hier als Erdungsring bezeichnet).
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Die
DE 20 2007 008 490 U1 offenbart einen Gewindeaufbau zur Erdung einer Achse eines Elektromotors. Der Elektromotor verfügt über ein Gehäuse, in dem eine rotatorisch drehbare Achse eingebaut ist. Auf einer Umfangsfläche eines Endes der Achse ist hierbei wenigstens ein Dünngewindeaufbau angeordnet. Eine Bürsteneinrichtung ist zur Erdung seitlich an dem Dünngewindeaufbau angebracht. Die Bürsteneinrichtung besteht aus einer Bürste, einem hohlen Positionierungskörper zur Aufnahme der Bürste sowie einer im hohlen Positionierungskörper angeordneten Feder. Dabei wird die Bürste derart von der Feder gedrückt, dass seine vordere Oberfläche fest an dem Dünngewindeaufbau anliegt. Auf diese Weise kann beim Drehen der Achse und des Dünngewindes ein Fördereffekt bewirkt werden, wodurch die Bürstenoberfläche sauber bleibt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik weiterzubilden.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Hautpansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Demnach wird, wie eingangs erläutert, eine Bürstenvorrichtung zur elektrischen Verbindung eines ersten Elements mit einem relativ dazu drehbaren zweiten Element vorgeschlagen. Zudem wird eine E-Maschine mit einer um eine Rotationsachse drehbaren Rotorwelle, und mit einer solchen Bürstenvorrichtung zum Anschluss der Rotorwelle an ein elektrisches Bezugspotential vorgeschlagen. Zudem wird eine Antriebsvorrichtung zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, aufweisend eine solche E-Maschine zur Bereitstellung einer Antriebsleistung der Antriebsvorrichtung. Eine solche E-Maschine wandelt elektrische Energie in eine mechanische Rotationsbewegung um. Bei der E-Maschine handelt es sich insbesondere um eine Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine. Bei der E-Maschine kann es sich um einen elektrischen Generator und/oder Motor handeln.
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Die Bürstenvorrichtung dient zur Herstellung der elektrischen Verbindung des ersten Elements mit dem zweiten Element, wobei das zweite Element um eine Rotationsachse relativ zu dem ersten Element drehbar ausgebildet ist. Bei dem zweiten Element kann es somit insbesondere um eine drehbare Welle handeln. Bei dem ersten Element kann es sich insbesondere um ein Gehäuse handeln, in dem die Welle drehbar gelagert ist, oder um ein mit einem solchen Gehäuse elektrisch verbundenes anderes Bauteil. Die Bürstenvorrichtung verfügt über einen Kontaktbereich. Dieser Kontaktbereich dient zum elektrischen Kontakt mit dem zweiten Element. Der Kontaktbereich stellt also die eigentliche elektrische Verbindung zum zweiten Elemente her und erlaubt gleichzeitig die Drehung des zweiten Elements. Der Kontaktbereich bildet einen Schleifkontakt an dem zweiten Element.
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Der Kontaktbereich der vorgeschlagenen Bürstenvorrichtung weist eine bezüglich der Rotationsachse schraubenförmig verlaufende Struktur auf. Die Struktur bildet also zumindest einen Abschnitt einer Schraube entlang der Rotationsachse des zweiten Elements. Ein anderer Kontaktbereich an der Bürstenvorrichtung kann zur Herstellung der elektrischen Verbindung zum ersten Element dienen.
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Die schraubenförmig verlaufende Struktur erfüllt den Zweck einer Fördereinrichtung für Partikel, die in den Kontaktbereich mit dem zweiten Element gelangen. Bei einer Drehung des zweiten Kontaktelements können die Partikel dann in axialer Richtung, also in eine Richtung entlang der Rotationsachse, aus dem Kontaktbereich gefördert werden. Die Förderwirkung wird demnach durch die Bürstenvorrichtung selbst bewirkt. Die Oberfläche des zweiten Elements kann im Vergleich zur Lehre der
DE 20 2007 008 490 U1 auch glatt ausgeführt sein. Das zweite Element kann somit einfacher ausgebildet und damit kostengünstiger hergestellt sein.
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Bei den Partikeln kann es sich um Abrieb der Bürstenvorrichtung selbst handeln oder um anderweitige Schmutzpartikel. Beispielsweise kann es sich dabei um Schmiermittel handeln, das aus einer in der Nähe der Bürstenvorrichtung angeordneten Dichtung als Leckage austritt. Der Kontaktbereich kann also mit der vorgeschlagenen Bürstenvorrichtung weitgehend frei von solchen Partikeln gehalten werden.
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Wenn das zweite Element eine bevorzugte Drehrichtung aufweist, kann durch den Drehsinn der schraubenförmig verlaufenden Struktur die Richtung festgelegt werden, in welche die Partikel gefördert werden sollen. Somit können die Partikel gezielt in Richtung einer Auswurföffnung für die Partikel gefördert werden.
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Die Bürstenvorrichtung kann zur Bildung der besagten Struktur über eine Vielzahl zum Kontaktbereich ragende und elektrisch leitfähige Filamente verfügen. Diese bilden die eigentliche Bürste der Bürsteneinrichtung. Sie stellen bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Bürstenvorrichtung also die eigentliche elektrische Verbindung zwischen den beiden Elementen her. Diese Filamente sind zur Rotationsachse schraubenförmig angeordnet. Insbesondere bilden die Filamente dazu eine oder mehrere Filament-Reihen, die jeweils zur Rotationsachse schraubenförmig angeordnet sind. Es ist möglich, jedoch nicht zwangsläufig erforderlich, dass die Reihe beziehungsweise die mehreren Reihen um den gesamten Umfang des zweiten Elements herum (schraubenförmig) angeordnet sind.
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Erdungsringe mit elektrisch leitfähigen Filamenten sind an sich bereits bekannt. Bei der vorgeschlagenen Bürstenvorrichtung sind diese nun zumindest in einem Abschnitt schraubenförmig um die Rotationsachse angeordnet, um die oben genannte Förderwirkung für die Partikel zu erreichen. Auf diese Weise kann einfach und kostengünstig mittels an sich bereits bekannter Filamente die zur Rotationsachse schraubenförmig verlaufende Struktur gebildet werden.
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Die Bürstenvorrichtung kann zur Bildung der besagten Struktur über zumindest einen massiven und zum Kontaktbereich ragenden elektrischen Leiter verfügen. Der massive Leiter bildet hierbei die eigentliche Bürste. Er stellt bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Bürstenvorrichtung also die eigentliche elektrische Verbindung zwischen den beiden Elementen her. Der Leiter besteht insbesondere aus Graphit. Der Leiter weist im Kontaktbereich dabei über eine zur Rotationsachse schraubenförmig verlaufende Oberflächenstruktur auf. Insbesondere können dazu eine oder mehrere zur Rotationsachse schraubenförmig verlaufende Rillen in der zum zweiten Element ausgerichteten (Stirn-)Seite des massiven Leiters vorhanden sein. Beispielsweise kann der massive Leiter hierfür einen Gewindeabschnitt aufweisen. Es ist möglich, jedoch nicht zwangsläufig erforderlich, dass die Rille beziehungsweise die mehreren Rillen um den gesamten Umfang des zweiten Elements herum (schraubenförmig) angeordnet sind. Der massive Leiter kann außerdem auch über einen Vorsprung verfügen, der am Kontaktbereich zur Rotationsachse schraubenförmig verläuft.
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Erdungsringe mit einem massiven elektrischen Leiter sind an sich bereits bekannt. Bei der vorgeschlagenen Bürstenvorrichtung ist dieser nun zumindest in einem Abschnitt mit der schraubenförmig um die Rotationsachse verlaufenden Oberflächenstruktur ausgebildet, um die oben genannte Förderwirkung für die Partikel zu erreichen. Auch auf diese Weise kann einfach und kostengünstig mittels eines massiven Leiters die zur Rotationsachse schraubenförmig verlaufende Struktur gebildet werden.
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Die Bürstenvorrichtung kann zur Bildung der besagten Struktur über zumindest einen zum Kontaktbereich ragenden lippenförmigen elektrischen Leiter verfügen, der zur Rotationsachse schraubenförmig angeordnet sind. Der lippenförmige Leiter bildet hierbei die eigentliche Bürste. Er stellt bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Bürstenvorrichtung also die eigentliche elektrische Verbindung zwischen den beiden Elementen her. Er wird insbesondere durch eine flexible Lippe gebildet, die sich an das zweite Element flächig anlegt und damit die elektrische Verbindung bildet und die zumindest in einem Abschnitt zur Rotationsachse schraubenförmig angeordnet ist, um die oben genannte Förderwirkung für die Partikel zu erreichen. Auch auf diese Weise kann einfach und kostengünstig die zur Rotationsachse schraubenförmig verlaufende Struktur gebildet werden.
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Die schraubenförmig verlaufende Struktur kann entweder eingängig ausgebildet sein oder mehrgängig ausgebildet sein. Bei einer eingängigen Struktur ist beispielsweise nur eine einzige Reihe von leitfähigen Filamenten oder nur eine einzige Rille in dem massiven Leiter oder nur eine einzige leitfähige Lippe vorgesehen, die schraubenförmig um die Rotationsachse verläuft. Dies ist vergleichbar mit einem Gewinde mit nur einem Gewindegang. Bei einer mehrgängigen Struktur sind beispielsweise mehrere Reihen von leitfähigen Filamenten oder mehrere Rillen in dem massiven Leiter oder mehrere leitfähige Lippen vorgesehen, die zueinander benachbart schraubenförmig um die Rotationsachse verlaufen. Dies ist vergleichbar mit einem Gewinde mit zwei oder mehr Gewindegängen. Auf diese Weise kann sowohl eine hohe elektrische Leitfähigkeit, als auch eine gute Förderwirkung der Bürstenvorrichtung erreicht werden.
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Die vorgeschlagene E-Maschine verfügt über eine um eine Rotationsachse drehbare Rotorwelle. Die Rotorwelle ist insbesondere mit einem Rotor der E-Maschine verbunden, was auch eine einstückige Ausführung von Rotor und Rotorwelle umfasst. Der Rotor und damit auch die Rotorachse ist insbesondere mittels eines gehäusefesten Stators der E-Maschine drehbar. Die E-Maschine verfügt über eine Bürstenvorrichtung zum Anschluss der Rotorwelle an ein elektrisches Bezugspotential. Bei diesem Bezugspotential handelt es sich insbesondere um eine elektrische Masse oder eine Erdung. Die Bürstenvorrichtung der vorgeschlagenen E-Maschine ist durch die vorgeschlagene Bürstenvorrichtung ausgebildet. Somit kann einfach die Rotorwelle elektrisch geerdet oder mit der Masse verbunden werden. In diesem Fall wird das bei der Bürstenvorrichtung angesprochene zweite Element durch die Rotorwelle gebildet. Das bei der Bürstenvorrichtung angesprochene erste Element wird durch die Erdung oder die Masse oder ein elektrisch damit verbundenes anderes Bauteil gebildet, an dem die Bürstenvorrichtung elektrisch leitfähig montiert ist. Dabei handelt es sich insbesondere um ein Gehäuse der E-Maschine.
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Bevorzugt verfügt die E-Maschine über einen Innenraum, in dem der mit der Rotorwelle verbundener Rotor drehbar angeordnet ist. Die Rotorwelle weist dabei an einer Wellendichtung aus dem Innenraum hinaus. Die Wellendichtung dichtet den Innenraum der E-Maschine also an der Rotorwelle gegen ein Äußeres ab. Die Wellendichtung ist insbesondere als Radialwellendichtring oder als Labyrinthdichtung ausgebildet. Die Bürstenvorrichtung ist benachbart zu der Wellendichtung außerhalb des Innenraums angeordnet. Somit befindet sich die Bürstenvorrichtung außerhalb des abgedichteten Innenraumes der E-Maschine in relativ kurzer Entfernung zur Wellendichtung. Somit kann die Bürstenvorrichtung einfach von einer Außenseite her an die E-Maschine und die Rotorwelle angebracht werden.
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Die vorgeschlagene Antriebsvorrichtung dient zum elektrischen Antrieb eines Kraftfahrzeugs. Dementsprechend weist die Antriebsvorrichtung eine E-Maschine zur Bereitstellung einer Antriebsleistung für das Kraftfahrzeug auf. Die Antriebsvorrichtung kann insbesondere als Antriebsmodul ausgebildet sein und beispielsweise zur Anordnung an eine angetriebene Achse des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Die E-Maschine der vorgeschlagenen Antriebsvorrichtung ist durch die vorgeschlagene E-Maschine gebildet, also umfassend die vorgeschlagene Bürstenvorrichtung.
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Im Folgenden wir die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, aus welchen weitere bevorzugte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung entnehmbar sind. In schematischer Darstellung zeigen hierbei:
- 1 eine räumliche Ansicht einer vorgeschlagenen Bürstenvorrichtung,
- 2 einen Längsschnitt durch eine vorgeschlagene E-Maschine mit einer Bürstenvorrichtung.
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In den Figuren sind gleiche oder zumindest funktionsgleiche Bauteile oder Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Bürstenvorrichtung 1 gemäß 1 dient zur elektrischen Verbindung eines nicht gezeigten ersten Elements, wie eines Gehäuses, mit einem dazu drehbaren zweiten Element, wie einer drehbaren Welle. Eine Rotationsachse L des zweiten Elements verläuft mittig durch die Bürstenvorrichtung 1. Die Bürstenvorrichtung ist beispielsweise zur Anordnung in oder an eine E-Maschine ausgebildet, um eine Rotorwelle der E-Maschine mit einem Gehäuse der E-Maschine elektrisch zu verbinden und damit einer Massenverbindung oder eine Erdung für die Rotorwelle herzustellen. Dies ist in 2 beispielhaft gezeigt.
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Gemäß 1 verfügt die Bürstenvorrichtung 1 in einem radial inneren Kontaktbereich 1A eine zur Rotationsachse schraubenförmig verlaufende Struktur. Diese Struktur ist mit der schraubenförmigen Linien 1B, 1B', 1B" angedeutet. Die Struktur kann, wie gezeigt, über mehrere Gänge verfügen (Linien 1B, 1B', 1B"). Die Struktur kann allerdings auch eingängig ausgebildet sein (nur eine der Linien 1B, 1B', 1B"). Die Struktur kann die Rotationsachse L ein- oder mehrmals vollständig umringen. Die Struktur kann allerdings auch nur durch einen schraubenförmigen Abschnitt gebildet sein.
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Die Struktur 1B, 1B', 1B" dient zur Bildung eines Schleifkontakts mit dem zweiten Element. Wenn die Bürstenvorrichtung 1 auf das zweite Element montiert ist und das erste Element in dem Kontaktbereich 1B in elektrischem Kontakt mit der Struktur 1B, 1B', 1B" gebracht ist, ist die elektrische Verbindung zwischen erstem und zweiten Element hergestellt.
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Die Struktur kann dadurch gebildet werden, dass zumindest in einem Abschnitt entlang der in 1 eingezeichneten Linie 1B, 1B' oder 1B" eine Reihe elektrisch leitfähiger und zu dem Kontaktbereich 1A ragender Filamente als Bürsten vorgesehen sind. Alternativ kann die Struktur dadurch gebildet werden, dass ein oder mehrere zum Kontaktbereich 1A ragende massive elektrische Leiter als Bürsten vorgesehen sind, die zumindest in einem Abschnitt über eine entlang der in 1 eingezeichneten Linie 1B, 1B' oder 1B" verlaufende Oberflächenstruktur verfügen, wie insbesondere eine oder mehrere Rillen. Alternativ kann die Struktur dadurch gebildet werden, dass zumindest in einem Abschnitt entlang der in 1 eingezeichneten Linie 1B, 1B' oder 1B"ein zum Kontaktbereich 1A ragender lippenförmiger elektrischer Leiter als Bürsten vorgesehen ist.
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Das zweite Element liegt mit einer Oberfläche dann an der Struktur an. Diese Oberfläche kann glatt ausgebildet sein. Bei einer Drehung ergibt sich durch die Schraubenform der Struktur eine Förderwirkung, die Partikel im Kontaktbereich 1A von der Bürstenvorrichtung hinweg fördert (siehe Verlauf der Linien 1B, 1B', 1B"). In Abhängigkeit der Drehrichtung des zweiten Elements und des Drehsinns der Struktur werden die Partikel entweder in 1 nach vorne oder nach hinten aus der Bürstenvorrichtung 1 gefördert.
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2 zeigt einen Teil eines Längsschnitts durch eine E-Maschine 2. Sichtbar ist ein Teil eines Gehäuses 2A der E-Maschine 2 sowie ein Teil einer in dem Gehäuse drehbar gelagerten Rotorwelle 2B der E-Maschine. Ebenfalls sichtbar ist eine Wellendichtung 2C, die im Bereich der Rotorwelle 2B ein Inneres der E-Maschine 2 gegen ein Äußeres abdichtet. Die Wellendichtung 2C ist in dem Gehäuse 2A befestigt. Die Rotorwelle 2B ist mit einem Rotor der E-Maschine 2 verbunden und damit drehend antriebbar.
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Benachbart zu der Wellendichtung 2C befindet sich am Äußeren der E-Maschine 2 eine Bürstenvorrichtung 1. Diese verfügt über die in 1 gezeigte schraubenförmig zur Rotationsachse L der Rotorwelle verlaufende Struktur (Bezugszeichen 1B, 1B') als eigentliche Bürsten. Diese Struktur ist in 2 beispielhaft durch zwei elektrisch leitfähige Lippen oder zwei Reihen von elektrisch leitfähigen Filamenten gebildet. Wie aus 2 ersichtlich ist, liegen diese in einem radial äußeren Bereich an einer Halterung 1C der Bürstenvorrichtung 1 an und sind dort fixiert. Ausgehend davon ragen sie nach radial innen zu dem Kontaktbereich 1A der Bürstenvorrichtung 1, wo sie an der Rotorwelle 2B anliegen. Die Halterung 1C der Bürstenvorrichtung 1 ist ebenfalls elektrisch leitfähig. Beispielsweise besteht sie aus Eisenblech. Damit besteht eine elektrische Verbindung zwischen der Rotorwelle 2B und dem Gehäuse 2A, wodurch ein elektrischer Potentialausgleich zwischen diesen hergestellt ist. Entsprechend kann eine Verbindung der Rotorwelle 2B mit einer elektrischen Masse beziehungsweise eine elektrische Erdung gebildet sein.
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Durch schraubenförmig zur Rotationsachse L der Rotorwelle verlaufende Struktur der Bürstenvorrichtung 1 werden Partikel wirkungsvoll bei einer Drehung der Rotorwelle 2B aus dem Kontaktbereich 1A gefördert. Solche Partikel können Abrieb aus dem Kontaktbereich 1A selbst sein, oder Schmiermittel aus einer Leckage bei der benachbarten Wellendichtung 2C.
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Im Bereich axial vor und/oder hinter der Bürstenvorrichtung 1 kann eine Abrisskante auf der Rotorwelle 2B vorgesehen sein. Dies erleichtert das Abführen von Partikeln von der Rotorwelle 2B, nachdem diese aus dem Kontaktbereich 1A gefördert wurden. Ebenso kann im Bereich axial vor und/oder hinter der Bürstenvorrichtung 1 eine Auswurföffnung im Gehäuse 2A vorgesehen sein. Dies erleichtert das vollständige Abführen solcher Partikeln.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bürstenvorrichtung
- 1A
- Kontaktbereich
- 1B
- Linie, Struktur
- 1B'
- Linie, Struktur
- 1B"
- Linie, Struktur
- 1C
- Halterung
- 2
- E-Maschine
- 2A
- Gehäuse
- 2B
- Rotorwelle
- 2C
- Wellendichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0001602 A1 [0002]
- DE 202007008490 U1 [0003, 0009]
