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Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit, umfassend eine elektrische Maschine mit einem Rotor mit einer Rotorwelle und einem Stator, und einem der elektrischen Maschine zugeordneten Gehäuse sowie einer innerhalb der Rotorwelle angeordneten und mit der Rotorwelle elektrisch leitfähig verbundenen Lanze, welche an der Rotorwelle gestützt gelagert und am Gehäuse schwimmend gelagert ist.
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Elektrische Antriebseinheiten weisen zumeist elektrische Maschinen auf, welche aktiv über ein Kühlmittel gekühlt werden müssen, um eine optimale Leistung der elektrischen Maschine zu gewährleisten. Hierfür kann eine Lanze vorgesehen sein, welche die Rotorwelle mit dem Ölkreislauf eines anderen Bauteils, wie beispielsweise eines Getriebes, verbindet, so dass Öl von der Ölpumpe über die Lanze zur Rotorwelle transportiert wird, um die elektrische Maschine zu kühlen. Die Lanze ist hierfür an der Rotorwelle gestützt gelagert und weist zudem eine schwimmende Lagerung am Gehäuse auf. Neben dem Kühlmitteltransport wird die Lanze zudem zur Erdung der Rotorwelle über das Gehäuse verwendet. Aufgrund der Tatsache, dass die Lanze innerhalb der Rotorwelle gestützt gelagert ist, ist eine schwimmende Lagerung am Gehäuse zwingend erforderlich. Durch diese Spielpassung am Gehäuse ist jedoch kein permanenter elektrischer Kontakt zwischen Gehäuse und Lanze in jedem Betriebszustand gegeben. Besteht kein Kontakt zwischen diesen beiden Bauteilen, baut sich eine Potentialdifferenz zwischen dem Gehäuses und der Lanze auf, welche zu elektrischen Durchschlägen in den im Gehäuse verbauten Lagern führen kann. Diese elektrischen Durchschläge können zu einem erhöhten Verschleiß der Lager und somit zu einem frühen Ausfall führen.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte elektrische Antriebseinheit anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer elektrischen Antriebseinheit der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Lanze und das Gehäuse über wenigstens ein radial federndes, elektrisch leitfähiges Verbindungselement elektrisch leitend miteinander gekoppelt sind.
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Erfindungsgemäß sind die Lanze und das Gehäuse über wenigstens ein radial federndes, elektrisch leitfähiges Verbindungselement elektrisch leitend miteinander gekoppelt. Dieses Verbindungselement gewährleistet in jedem Betriebszustand einen elektrisch leitenden Kontakt zwischen der Lanze und dem Gehäuse, so dass sich zwischen diesen beiden Bauteilen keine Potentialdifferenz aufbaut. Das Verbindungselement ist hierfür zwischen dem Außenumfang der Lanze und einer entsprechenden Aufnahme am Gehäuse angeordnet. Die Geometrie des federnden Verbindungselements wird dabei so gewählt, dass es im eingebauten Zustand zwischen der Lanze und dem Gehäuse eingeklemmt wird. Dadurch wird der elektrische Kontakt der Lanze mit dem Gehäuse auch bei Relativbewegungen der Lanze in eine radiale Richtung gewährleistet, da das Verbindungselement diese, aufgrund seiner federnden Ausgestaltung, ausgleichen kann. Somit kann es bei solch einer elektrischen Antriebseinheit nicht mehr zum Aufbau einer Potentialdifferenz zwischen Lanze und Gehäuse kommen, wodurch elektrische Durchschläge an den Lagern verhindert werden. Zudem wird, aufgrund der jederzeit gegebenen Erdung der elektrischen Antriebseinheit, die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert. Das Verbindungselement kann hierbei insbesondere aus einem Metall hergestellt sein, welches eine geeignete elektrische Leitfähigkeit aufweist.
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Das Verbindungselement kann zweckmäßig im Bereich der schwimmenden Lagerung der Lanze am Gehäuse angeordnet sein. Dies kann besonders vorteilhaft sein, da in diesem Bereich der Abstand zwischen Gehäuse und der Lanze aufgrund der Spielpassung sehr gering ist. Somit ist der durch das Verbindungselement zu überbrückende Abstand zwischen den beiden Bauteilen ebenfalls sehr gering, wodurch die Abmaße des Verbindungselements relativ klein gehalten werden können.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verbindungselements kann dieses eine Ringform aufweisen. Durch die Ringform umfasst das Verbindungselement den Außenumfang der Lanze und ermöglicht somit einen vollumfänglichen elektrischen Kontakt zwischen der Lanze und dem Gehäuse. Ebenfalls zur Montage des Verbindungselements ist eine Ringform vorteilhaft, da das Verbindungselement entweder direkt auf die Lanze aufgeschoben werden kann oder in einer dafür vorgesehenen Aufnahme am Gehäuse platziert werden kann. Ein ringförmiges Verbindungselement bietet weiterhin den Vorteil, die Drehbewegungen der Lanze in beide Drehrichtungen problemlos aufnehmen zu können. Ein weiterer Vorteil der Ringform ist die gleichmäßige Verteilung der Federkraft über den Außenumfang der Lanze, wodurch die radiale Position der Lanze nicht negativ von dem Verbindungselement beeinflusst wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann das Verbindungselement mehrere lokale Kontaktflächen, mit denen es elektrischen Kontakt mit der Lanze und/oder dem Gehäuse hat, aufweisen. Dadurch besteht kein vollflächiger Kontakt des Verbindungselements mit der Lanze, sondern mehrere einzelne Kontaktstellen, über die die Lanze über das Verbindungselement mit dem Gehäuse elektrisch leitfähig verbunden ist. Durch die vielen einzelnen Kontaktstellen anstatt einer vollflächigen Anlage des Verbindungselements über den kompletten Umfang der Lanze, kann der Anpressdruck des federnden Verbindungselements auf die Lanze verringert und somit der Reibungswiderstand ebenfalls verringert werden. Alternativ ist jedoch auch ein vollflächig anliegendes Verbindungselement, beispielsweise in Form eines elektrische leitenden Schleifrings, denkbar.
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Eine zweckmäßige Ausbildung eines ringförmigen Verbindungselements kann ein schraubenförmig gewickelter Federring oder ein geschlitzter, gegebenenfalls mehrere Kontaktflächen aufweisender Federring sein. Bei der Verwendung eines schraubenförmig gewickelten Federrings kann eine Schraubenfeder einfach zu einem Ring gebogen werden und die beiden Enden anschließend miteinander verbunden werden. Solch ein Federring weist aufgrund seines gewickelten Aufbaus sehr viele Kontaktstellen zur Lanze und zum Gehäuse auf, wodurch der Übergangswiderstand sehr gering gehalten werden kann. Eine andere mögliche Ausgestaltung eines mehrere Kontaktflächen aufweisenden Federrings kann ein Ring aus einem gewellten Federblech sein, dessen Radius am Innenumfang und/oder am Außenumfang zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert variiert. Auch ein einfacher geschlitzter Federring, der innen- und außenseitig vollflächige Kontaktflächen aufweist, ist denkbar.
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Um eine definierte Anordnung und/oder eine gezielte Führung des Verbindungselements zu gewährleisten, kann es zweckmäßig sein, das Verbindungselement in einer am Gehäuse oder an der Lanze angeordneten Nut anzuordnen. Dadurch ist das Verbindungselement in seiner axialen Position fixiert und es kann nicht zu einem Verrutschen des Verbindungselements auf der Lanze kommen. Zudem bietet die Nut den weiteren Vorteil, dass das federnde Verbindungselement durch die Aufweitung, aufgrund der Anordnung auf der Lanze, zusätzlich in der Nut gepresst und darin fixiert wird und dadurch die elektrisch leitfähige Verbindung zusätzlich sichergestellt wird.
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Hierfür kann es besonders vorteilhaft sein, dass die Nut an einem Gehäusedeckel ausgebildet ist. Dies bildet den Vorteil, dass das Verbindungselement leicht in der dafür vorgesehenen Nut positioniert werden kann, da der Gehäusedeckel in der Regel an einer äußersten Stelle des Gehäuses angeordnet ist und zudem eines der letzten Bauteile ist, welches montiert wird. So kann das Verbindungselement im Gehäusedeckel positioniert werden und anschließend der Gehäusedeckel so auf das Gehäuse aufgesetzt werden, dass die Lanze von dem Verbindungselement zumindest abschnittsweise umfasst wird.
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Eine Alternative zur Verwendung nur eines Verbindungselements sieht die Verwendung mehrerer Verbindungselemente vor, welche an einer axialen Position der Lanze um den Umfang der Lanze verteilt angebracht sind, wobei jedes Verbindungselement nur an einem Teilumfang der Lanze anliegt, sein. So können beispielsweise zwei Verbindungselemente, welche an dem Außenumfang der Lanze einander gegenüberliegend angeordnet sind, vorgesehen sein. Bevorzugt ist jedoch die Verwendung von drei oder mehr äquidistant um den Lanzenumfang verteilter Verbindungselemente, um die radiale Position der Lanze nicht durch die Federkraft zu beeinflussen. Eine mögliche Ausführungsart solcher Verbindungselemente können federgelagerte Schleifkontakte, z.B. Kohlebürsten, sein, welche am Gehäuse federgelagert sind und gegen die Lanze angefedert sind.
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In dem Gehäuse der elektrischen Antriebseinheit kann zudem zweckmäßig ein Getriebe angeordnet sein. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn für die vorgesehene Verwendung der elektrischen Antriebseinheit ohnehin ein Getriebe vorgesehen ist. Durch die Anordnung des Getriebes und der elektrischen Maschine in einem Gehäuse können auf besonders einfache Weise das Getriebe und die elektrische Maschine denselben Ölkreislauf für die Kühlung verwenden. Soll ein Getriebe in einem Gehäuse mit der elektrischen Maschine angeordnet sein, so kann es sich bei der elektrischen Antriebseinheit z. B. um eine elektrische Achse eines Kraftfahrzeugs handeln.
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Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn sich die Lanze durch eine Getriebewelle des Getriebes erstreckt. Die Rotorwelle der elektrischen Maschine ist in der Regel direkt mit der Getriebewelle des Getriebes verbunden, wodurch es notwendig bzw. zweckmäßig ist, wenn sich die Lanze durch die hohle Getriebewelle erstreckt, da die Lanze innerhalb der Rotorwelle angeordnet ist und so das Öl zur Kühlung der elektrischen Maschine von der Getriebeseite zur Rotorwelle transportieren kann.
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Die schwimmende Lagerung der Lanze kann zweckmäßig am Gehäuse oder Gehäusedeckel angeordnet sein. Dies ist besonders vorteilhaft, da die für die schwimmende Lagerung benötigte Spielpassung in einem Gehäusedeckel oder an einem äußeren Rand des Gehäuses ohne großen fertigungstechnischen Aufwand realisierbar ist.
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Besonders zweckmäßig kann es sein, wenn ein die Lanze an der Rotorwelle gestützt lagerndes Stützlager innerhalb der Rotorwelle angeordnet ist. Da die Rotorwelle in der Regel als hohles Bauteil ausgeführt ist, kann das Stützlager problemlos innerhalb der Rotorwelle angeordnet werden, wodurch für das Stützlager innerhalb des Gehäuses kein zusätzlicher Bauraum vorgesehen sein muss. Zudem kann in dem Bereich des Stützlagers die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Rotorwelle und der Lanze realisiert werden. Dies kann beispielsweise über eine an der Lanze angebrachte Kohlebürstenhalterung und einen an der Rotorwelle angebrachten Kohlestift, welcher in elektrischem Kontakt mit der Kohlebürstenhalterung steht, realisiert werden.
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Ferner kann es sich wie beschrieben bei der elektrischen Antriebseinheit auch um eine elektrische Achse, insbesondere eine elektrische Achse eines Kraftfahrzeugs, handeln. Solch eine elektrische Achse umfasst neben einer elektrischen Maschine zudem ein Getriebe und die Leistungselektronik, welche zusammen in einem Gehäuse kombiniert sind.
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Neben der erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das eine erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit umfasst.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:
- 1 eine prinzipielle Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit,
- 2 eine Detailansicht der schwimmenden Lagerung des Verbindungselements, und
- 3 + 4 mögliche Ausgestaltungen des oder der Verbindungselemente.
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1 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit 1 umfassend eine elektrische Maschine 2 mit einem Rotor 3 mit einer Rotorwelle 5 und einem Stator 4. Des Weiteren umfasst die elektrische Antriebseinheit ein Getriebe 6 mit einer Getriebewelle 7 sowie eine Lanze 9, welche innerhalb der Rotorwelle 5 über ein Stützlager 10 gestützt gelagert ist und sich durch die hohle Getriebewelle 7 bis zu einem Gehäusedeckel 12 des Gehäuses 8 der elektrischen Antriebseinheit 1 erstreckt. Die Lanze 9 ist hierbei am Gehäusedeckel 12 über ein schwimmendes Lager 11 gelagert. Die Lanze 9 erfüllt innerhalb der elektrischen Antriebseinheit 1 hauptsächlich zwei Funktionen. Zum einen fördert die Lanze 9 Öl vom Getriebe 6 zur Rotorwelle 5, worüber der Rotor 3 der elektrischen Maschine 2 gekühlt wird. Des Weiteren verbindet die Lanze 9 die Rotorwelle 5 elektrisch leitend mit dem Gehäuse 8 über den Gehäusedeckel 12. Da im Bereich der schwimmenden Lagerung 11 nicht zu jedem Betriebszustand eine elektrische Verbindung gewährleistet werden kann, ist hierfür ein elektrisch leitfähiges Verbindungselement 13 vorgesehen.
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In 2 und 3 ist eine Detailansicht der schwimmenden Lagerung 11 der Lanze 9 am Gehäusedeckel 12, sowie das ringförmige Verbindungselement 13 dargestellt. Hierbei ist im Bereich der schwimmenden Lagerung 11 das elektrisch leitfähige Verbindungselement 13 dargestellt, welches die Lanze 9 elektrisch leitend mit dem Gehäuse 8 bzw. dem Gehäusedeckel 12 verbindet. Das Verbindungselement 13 ist hierfür radial federnd und elektrisch leitfähig ausgebildet. Das Verbindungselement 13 ist in einer Nut 14 des Gehäusedeckels 12 positioniert. Durch die radial federnde Ausgestaltung des Verbindungselements 13 wird dieses von der Lanze 9 in die Nut am Gehäusedeckel 12 gepresst und stellt auf diese Weise in jedem Betriebszustand der elektrischen Antriebseinheit 1 eine elektrische Verbindung zwischen der Lanze 9 und dem Gehäuse 8 sicher. Durch das Anpressen des Verbindungselements in die Nut 14 über die Lanze 9 wird das Verbindungselement 13 zusätzlich in der Nut 14 fixiert. Dadurch führt die Nut 14 das Verbindungselement 13 und verhindert ein axiales Verrutschen des Verbindungselements 13 auf der Lanze 9.
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In 3 dargestellt ist eine Schnittansicht im Bereich der Schnittebene III-III aus 2 des Verbindungselements 13. Die 3 zeigt hierbei eine mögliche Ausgestaltung des Verbindungselements 13 als ringförmig und schraubenförmig gewickelter, metallener Federring, welcher die Lanze 9 mit dem Gehäusedeckel 12 elektrisch leitfähig verbindet. Hierfür kann beispielsweise eine Schraubenfeder verwendet werden, welche zu einem Ring gebogen wird und deren Enden miteinander verbunden werden. Dabei ist der Innendurchmesser des Federrings im nicht montierten Zustand kleiner als der Außendurchmesser der Lanze 9, wodurch das Verbindungselement 13 im eingebauten Zustand von der Lanze 9 gegen den Gehäusedeckel 12, hier in die Nut 14, gepresst wird und somit die elektrisch leitfähige Verbindung sichergestellt wird. Durch den schraubenförmigen Aufbau des Verbindungselements 13 ergeben sich viele Kontaktstellen zwischen der Lanze 9 und dem Gehäusedeckel 12, wodurch der Übergangswiderstand möglichst gering gehalten wird.
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In 2 ist zusätzlich die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Lanze 9 und der Rotorwelle 5 schematisch dargestellt. Hierfür befindet sich an einem axialen Ende der Lanze 9 eine Kohlenbürstenhalterung 15, welche mit einem Kohlestift 16 in Kontakt steht. Der Kohlestift 16 ist hierbei mit der Rotorwelle 5 verbunden. Durch die elektrisch leitfähige Verbindung der Rotorwelle 5 mit der Lanze 9 über die Kohlenbürstenhalterung 15 und den Kohlestift 16 und die elektrisch leitfähige Verbindung der Lanze 9 mit dem Gehäusedeckel 12 bzw. dem Gehäuse 8 über das Verbindungselement 13 ist in jedem Betriebszustand der elektrischen Antriebseinheit 1 die Erdung der Rotorwelle 5 über das Gehäuse 8 sichergestellt.
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4 zeigt eine Alternative zu der in 3 dargestellten Ausführungsform mit einem Verbindungselement. Die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Lanze 9 und dem Gehäusedeckel 12 wird in diesem Ausführungsbeispiel über drei Verbindungselemente 13 ermöglicht. Die Verbindungselemente 13 sind hierfür an einer axialen Position der Lanze 9 und in gleichmäßigen Abständen um den Umfang der Lanze 9 verteilt angebracht. Die Verbindungselemente 13 können in dem gezeigten Ausführungsbeispiel beispielsweise als radial federnd gelagerte Kohlebürsten ausgebildet sein, welche in dafür vorgesehenen Bohrungen 17 im Gehäusedeckel 12 befestigt sind. Durch die Verwendung von drei Verbindungselementen 13 können Abweichungen der axialen Position der Lanze 9 von zumindest einem Verbindungselement 13 aufgenommen werden, wodurch die elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Lanze 9 und dem Gehäusedeckel 12 über zumindest ein Verbindungselement 13 sichergestellt wird.
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Die hier gezeigten Darstellungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und beschränken diese nicht auf die hier gezeigten Ausführungsbeispiele.
