DE102021121912A1

DE102021121912A1 - Elektrische Maschine mit zentraler Abstützbasis für Stator, Rotor und Verbindungswelle

Info

Publication number: DE102021121912A1
Application number: DE102021121912.4A
Authority: DE
Inventors: Ivo Agner; Dirk Reimnitz
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-10-07
Filing date: 2021-08-24
Publication date: 2022-04-07
Also published as: DE112021005302A5; WO2022073561A1; CN116325442A; EP4226484A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1) für einen Kraftfahrzeugantrieb, mit einem Hauptgehäusekörper (2), mit einem in einem Statorgehäuse (3) unmittelbar aufgenommenen Stator (4), wobei eine zumindest abschnittsweise radial verlaufende Stützwand (5) des Statorgehäuses (3) mittels zumindest einem Befestigungselement (6) an dem Hauptgehäusekörper (2) befestigt ist, und mit einem drehfest mit einer Verbindungswelle (7) verbundenen Rotor (8), wobei die Verbindungswelle (7) über ein Hauptwälzlager (9) an einer radialen Innenseite (10) der Stützwand (5) radial sowie axial abgestützt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für einen Kraftfahrzeugantrieb, vorzugsweise eine elektrische Maschine, die einem Getriebe eines Kraftfahrzeugantriebsstranges vorgeschaltet ist. Das Kraftfahrzeug kann als ein rein elektrisch angetriebenes oder hybridisch angetriebenes Kraftfahrzeug realisiert sein.
Bei elektrischen Maschinen besteht im Einsatzbereich von Kraftfahrzeugantriebssträngen prinzipiell die Anforderung, eine Lage eines Rotors relativ zu einem Stator über den Betrieb hinweg möglichst konstant zu halten. Dies wird insbesondere durch die dynamischen Vorgänge im Kraftfahrzeugantrieb erschwert, die die axiale und radiale Lage des Rotors bzw. der mit dem Rotor weiter verbundenen Verbindungswelle direkt beeinflussen. Insbesondere bei hohen Belastungen des Kraftfahrzeugantriebs kann es dadurch zu einem axialen und/oder radialen Verschieben und/oder einem Verkippen des Rotors relativ zum Stator kommen. Die daraus resultierende Änderung der vorhandenen Luftspalte zwischen Rotor und Stator führt wiederum zu Einbußen des Wirkungsgrades der elektrischen Maschine.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, die auch bei hohen dynamischen Beanspruchungen des Kraftfahrzeugantriebs einen möglichst großen Wirkungsgrad aufweist.
Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist eine elektrische Maschine für einen Kraftfahrzeugantrieb beansprucht, die einen Hauptgehäusekörper, einen in einem Statorgehäuse unmittelbar aufgenommenen Stator, wobei eine zumindest abschnittsweise radial verlaufende Stützwand des Statorgehäuses mittels zumindest einem Befestigungselement an dem Hauptgehäusekörper befestigt ist, sowie einen drehfest mit der Verbindungswelle verbundenen Rotor aufweist. Die Verbindungswelle ist ferner über ein Hauptwälzlager an einer radialen Innenseite der Stützwand (direkt) radial sowie axial abgestützt.
Durch die Befestigung des Statorgehäuses an dem Hauptgehäusekörper sowie durch die gleichzeitige Lagerung der Verbindungswelle an diesem Bereich ist die Verbindungswelle mit dem Rotor gegen ein Verschieben sowie gegen ein Verkippen relativ zum Stator deutlich robuster abgestützt. Der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine wird dadurch deutlich erhöht.
Weitergehende vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
Demnach ist es auch von Vorteil, wenn ein direkter Anlagebereich / Kontaktbereich zwischen der Stützwand und dem Hauptgehäusekörper axial versetzt zu dem Stator angeordnet ist. Dadurch kann der Anlagebereich ausreichend groß ausgebildet werden, um eine robuste Befestigung des Statorgehäuses an dem Hauptgehäusekörper zu bewerkstelligen.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn eine versetzt / beabstandet zu dem direkten Anlagebereich zwischen der Stützwand und dem Hauptgehäusekörper vorhandene, zwischen dem Hauptgehäusekörper und dem Statorgehäuse verlaufende Verbindungsstruktur, insbesondere eine elektrische und/oder fluidische Verbindungsstruktur, hinsichtlich ihrer Steifigkeit / Festigkeit schwächer als die über das zumindest eine Befestigungselement erzeugte Verbindung ausgeführt ist. Die Verbindungsstruktur ist insbesondere hinsichtlich ihrer Biegesteifigkeit deutlich weicher / schwächer als die über das zumindest eine Befestigungselement erzeugte Verbindung ausgeführt. Dadurch ist es möglich, dass das Statorgehäuse versetzt zu den Befestigungselementen noch eine gewisse radiale und axiale Relativbewegung vollziehen kann, was wiederum zu einer geringeren Relativbewegung zwischen Rotor und Stator führt.
Für eine möglichst weiche Ausbildung der entsprechenden Verbindungsstruktur ist es besonders vorteilhaft, wenn diese als ein Wellrohr, ein gekrümmt verlegter Schlauch, beidseitig neigbar und axial verschieblich ausgeführte Rohrabschnitte, ein gekrümmt verlegtes Kabel, als eine elastische Stromschiene oder als ein aus vielen dünnen Drähten bestehender elektrischer Leiter ausgebildet ist.
Sind mehrere Befestigungselemente in Umfangsrichtung, vorzugsweise gleichmäßig, verteilt vorgesehen, wird die Verbindung zwischen Statorgehäuse und Hauptgehäusekörper weiter verstärkt.
Das zumindest eine Befestigungselement ist vorzugsweise als eine Schraube umgesetzt. Dadurch ergibt sich eine einfache Montage der elektrischen Maschine.
Ferner ist es zweckmäßig, wenn das zumindest eine Befestigungselement in seiner Längsrichtung (/ mit seiner Längsachse) parallel zu einer Drehachse des Rotors ausgerichtet ist. Dadurch ist das Befestigungselement für ein Montagewerkzeug einfach zugänglich.
Alternativ hierzu ist es auch zweckmäßig, wenn das zumindest eine Befestigungselement in seiner Längsrichtung (/ mit seiner Längsachse) senkrecht zu einer Drehachse des Rotors ausgerichtet ist. Dadurch ist eine axial besonders kompakte Bauweise möglich. Diesbezüglich ist es insbesondere zweckmäßig, wenn in dem Hauptgehäusekörper eine radial (/ senkrecht zu der Drehachse) verlaufende, in Flucht zu dem Befestigungselement angeordnete Durchgangsöffnung vorhanden ist, um eine Zugänglichkeit des Befestigungselementes zu erleichtern.
Für eine möglichst robuste Lagerung der Verbindungswelle an dem Hauptgehäusekörper ist es ferner von Vorteil, wenn das Hauptwälzlager einen sowohl radial als auch axial (vorzugsweise axial beidseitig) an der Stützwand fixierten Außenring aufweist und/oder einen sowohl radial als auch axial (vorzugsweise axial beidseitig) an der Verbindungswelle fixierten Innenring aufweist.
Diesbezüglich hat es sich ferner als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Hauptwälzlager als ein zweireihiges Wälzlager, etwa als ein zweireihiges Kugellager, vorzugsweise als ein zweireihiges Schrägkugellager, oder ein Rollenlager, vorzugsweise ein zweireihiges Schrägrollenlager, ausgebildet ist.
Die Lagerung von Stator und Rotor wird weiter hinsichtlich der Robustheit gesteigert, wenn die Verbindungswelle über ein axial zu dem Hauptwälzlager beabstandetes Zusatzwälzlager an dem Statorgehäuse abgestützt ist.
Die Verbindungswelle mit dem Rotor ist möglichst verkippfest relativ zu dem Stator abgestützt, wenn das Hauptwälzlager zu einer ersten axialen Seite des Rotors hin angeordnet ist und das Zusatzwälzlager zu einer, der ersten axialen Seite abgewandten, zweiten axialen Seite des Rotors hin angeordnet ist.
Das Zusatzwälzlager ist vorzugsweise derart eingebaut, dass es sowohl radiale als auch axiale Kräfte übertragen kann. Alternativ hierzu ist es jedoch auch vorteilhaft, wenn es als ein axial verschiebliches Lager oder ein radial verschiebliches Lager ausgebildet ist. Dadurch können entsprechende Verspannungen der beiden Lager vermieden werden.
Ist die elektrische Maschine als Axialflussmaschine ausgebildet, wirkt sich die erfindungsgemäße robuste Abstützung zwischen Rotor und Stator besonders effektiv auf den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine aus.
Demnach ist es weiterhin von Vorteil, wenn der Stator zwei, jeweils einen Spulenkörper aufweisende, scheibenförmige Statorhälften aufweist, wobei axial zwischen den Statorhälften der scheibenförmige Rotor angeordnet ist.
Mit anderen Worten ausgedrückt, ist somit erfindungsgemäß eine gemeinsame zentrale Abstützbasis für einen Stator, einen Rotor und ein Abtriebselement (Verbindungswelle) eines Elektromotors (elektrische Maschine) ausgeführt. In der elektrischen Maschine, vorzugsweise einer elektrischen Axialflussmaschine, sind sowohl der Stator als auch der Rotor der elektrischen Maschine mit einer gemeinsamen robusten Abstützbasis der elektrischen Maschine verbunden, da verschiedene, an die elektrische Maschine anschließende Komponenten durchaus relativ große Kräfte auf die elektrische Maschine ausüben, insbesondere auf das Gehäuse, die Verbindungswelle oder eine Ausgangswelle. Die gemeinsame robuste Abstützbasis besteht aus zwei Baueinheiten, die rotatorisch durch zumindest ein Lager (Hauptwälzlager) voneinander entkoppelt sind. Eine der Baueinheiten ist mit dem Stator der elektrischen Maschine verbunden und die andere Baueinheit ist mit dem Rotor der elektrischen Maschine verbunden. Die Baueinheiten sind durch das zumindest eine Lager miteinander gekoppelt. Das zumindest eine Lager gestattet eine Verdrehung der beiden Baueinheiten relativ zueinander um eine Drehachse. Translatorische Bewegungen (radial und axial) sowie ein ungewolltes Verkippen oder ungewollte Drehbewegungen der beiden Baueinheiten der gemeinsamen robusten Abstützbasis relativ zueinander werden durch das zumindest eine Lager verhindert oder auf einen relativ geringen Anteil begrenzt. Vorzugsweise ist die gemeinsame Abstützbasis direkt neben den aktiven Teilen (Stator und Rotor) der elektrischen Maschine auf einem kleinstmöglichen Durchmesser um die Verbindungswelle der elektrischen Maschine herum angeordnet. Vorzugsweise werden alle weiteren Verbindungsstrukturen zwischen dem Rotor und einer benachbarten Einheit der elektrischen Maschine sowie zwischen dem Stator und der benachbarten Einheit der elektrischen Maschine (z. B. in Form von Strom- und Kühlfluidverbindungen), die nicht durch die zentrale gemeinsame Abstützbasis verlaufen, weicher als die zentrale gemeinsame Abstützbasis sowie weicher als die Strukturelemente des Rotors und des Stators zwischen der zentralen gemeinsamen robusten Abstützbasis und der zusätzlichen Verbindungsstelle mit einer benachbarten Einheit der elektrischen Maschine ausgeführt.
Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben sind.
Es zeigen:

1 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei ein dargestelltes Befestigungselement zur Verbindung eines Statorgehäuses mit einem Hauptgehäusekörper axial ausgerichtet ist, sowie
2 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei das Befestigungselement radial ausgerichtet ist.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Ferner können die unterschiedlichen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele frei miteinander kombiniert werden.
Der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 ist in 1 besonders gut zu erkennen. Die elektrische Maschine 1 ist in einem bevorzugten Einsatzbereich in einem hybridisch oder rein elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt.
Die elektrische Maschine 1 weist ein Gehäuse 23 auf, das im Betrieb bspw. mit einem Getriebegehäuse eines Getriebes des Kraftfahrzeugantriebs verbunden ist. Das Gehäuse 23 weist einen Hauptgehäusekörper 2 auf. Der Hauptgehäusekörper 2 weist sowohl eine radiale Außenwandung 24 als auch eine von dieser Außenwandung 24 aus radial nach innen abstehende axiale Zwischenwandung 25 auf.
An der Zwischenwandung 25 ist, wie nachfolgend näher erläutert, ein Statorgehäuse 3 befestigt. Das Statorgehäuse 3 nimmt wiederum einen Stator 4, hier aufweisend zwei Spulenkörper 18 auf.
Ein Rotor 8 ist relativ zu dem Stator 4 verdrehbar gelagert. Der Rotor 8 ist an einer radialen Außenseite einer Verbindungswelle 7 befestigt. Verbindungswelle 7 und Rotor 8 sind folglich gemeinsam koaxial zu einer zentralen Drehachse 14 angeordnet. Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass die gegenständlich verwendeten Richtungsangaben axial / axiale Richtung, radial / radiale Richtung und Umfangsrichtung auf diese zentrale Drehachse 14 bezogen sind. Folglich ist unter axial eine Richtung entlang der Drehachse 14, unter radial eine Richtung senkrecht zu der Drehachse 14 und unter Umfangsrichtung eine Richtung entlang einer konzentrisch zu der Drehachse 14 umlaufenden Kreislinie zu verstehen.
Bezüglich der Verbindungswelle 7 ist in 1 weiter zu erkennen, dass diese durch eine zentrale Öffnung der Zwischenwandung 25 hindurchragt und außerhalb des Gehäuses 23 mit weiteren Bestandteilen des Antriebsstranges, vorzugsweise über eine Zahnradverbindung 26, verbunden ist. Jene Bestandteile können Eingangswellen eines Schaltgetriebes oder eines Differentialgetriebes sein.
Hinsichtlich der elektrischen Maschine 1 ist ferner zu erkennen, dass diese in 1 als eine Axialflussmaschine ausgebildet ist. Der Stator 4 und der Rotor 8 sind somit jeweils im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet und in axialer Richtung nebeneinander angeordnet. Der Stator 4 weist zwei scheibenförmige Statorhälften 19a, 19b auf, die jeweils einen Spulenkörper 18 bilden. Die beiden Statorhälften 19a, 19b sind in ihrer Breite im Wesentlichen gleich ausgebildet. Axial zwischen den beiden Spulenkörpern 18 ist der scheibenförmige Rotor 8 angeordnet und befindet sich auf übliche Weise mit den Statorhälften 19a, 19b im Betrieb in Wechselwirkung, zum Antrieb des Rotors 8.
Der Stator 4, sprich die Statorhälften 19a, 19b, sind in einem Statorgehäuse 3 fest aufgenommen. Das Statorgehäuse 3 umgreift die jeweilige Statorhälfte 19a, 19b sowohl radial von außen, als auch radial von innen sowie in axialer Richtung von einer dem Rotor 8 abgewandten Seite. Zudem ist das Statorgehäuse 3 zu einer radialen Außenseite der Statorhälften 19a, 19b / des Stators 4 hin geschlossen.
Jener Bestandteil des Statorgehäuses 3, der der Zwischenwandung 25 des Hauptgehäusekörpers 2 axial zugewandt ist, bildet eine Stützwand 5 aus. Diese Stützwand 5 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu der Zwischenwandung 25 und somit in radialer Richtung von einem Außendurchmesser des Stators 4 hin zu einem Innendurchmesser. Die Stützwand 5 bildet unmittelbar jenen Abschnitt des Statorgehäuses 3, der eine erste Statorhälfte 19a radial von außen, radial von innen sowie zu einer dem Rotor 8 abgewandten axialen Seite umgreift.
Erfindungsgemäß ist die Stützwand 5 an dem Hauptgehäusekörper 2 an einer zentralen Abstützbasis 22 befestigt. Die Stützwand 5 und die Zwischenwandung 25 liegen sowohl in axialer Richtung mit ihren Stirnseiten, als auch über einen Zentrierfortsatz 27 in radialer Richtung aneinander an. Der axial vorstehende Zentrierfortsatz 27 ist in dieser Ausführung an der Stützwand 5 ausgeformt und ist in einer Aufnahme 28 / Aufnahmeschulter des Hauptgehäusekörpers 2 eingeschoben. Mit anderen Worten ausgedrückt ist somit ein direkter Anlagebereich 11 zwischen der Stützwand 5 und dem Hauptgehäusekörper 2 axial versetzt zu dem Stator 4 angeordnet.
Zum Fixieren der Stützwand 5 an dem Hauptgehäusekörper 2 sind mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Befestigungselemente 6 vorhanden, wovon in 1 ein Befestigungselement 6 veranschaulicht ist. Die Befestigungselemente 6 sind als Schrauben ausgeführt. Das jeweilige Befestigungselement 6 durchragt ein Durchgangsloch 31 des Hauptgehäusekörpers 2. Jedes Befestigungselement 6 weist zudem einen Gewindebereich 29 auf, der in eine Innengewindebohrung 30 der Stützwand 5 eingeschraubt ist. Mit einem Kopf 40 ist das Befestigungselement 6 an dem Hauptgehäusekörper 2 abgestützt.
Radial innerhalb der Befestigungselemente 6 bildet die Stützwand 5 zudem einen Lagerzapfen 32 aus. Der Lagerzapfen 32 ragt in axialer Richtung radial von innen in den Stator 4, nämlich die erste Statorhälfte 19a, hinein. An dem Lagerzapfen 32 ist radial von innen ein Hauptwälzlager 9 zur radialen und axialen Abstützung der Verbindungswelle 7 und somit des Rotors 8 aufgenommen. Das Hauptwälzlager 9 dient folglich zur axialen und radialen Lagerung der Verbindungswelle 7 an einer radialen Innenseite 10 der Stützwand 5.
Hinsichtlich des Hauptwälzlagers 9 ist zu erkennen, dass ein (radialer) Außenring 15 des Hauptwälzlagers 9 an dem Lagerzapfen 32 / der Stützwand 5 sowohl in radialer Richtung als auch axial beidseitig fixiert ist. In einer ersten axialen Richtung / zu einer ersten axialen Seite des Außenrings 15 liegt dieser an einer radialen Schulter 33 des Lagerzapfens 32 an, zu einer zweiten axialen Richtung / zweiten axialen Seite des Au-ßenrings 15 liegt dieser an einem Sicherungsring 34, der in dem Lagerzapfen 32 eingeschnappt ist, an.
Ein (radialer) Innenring 16 des Hauptwälzlagers 9 ist sowohl in radialer Richtung als auch axial beidseitig an der Verbindungswelle 7 fixiert. Der Innenring 16 ist in einer ersten axialen Richtung / zu seiner ersten axialen Seite, unter Zwischenlage eines (ersten) Anlageelementes 35a (hier eine Anlagescheibe), an einer radialen Schulter 41 der Verbindungswelle 7 abgestützt und in einer zweiten axialen Richtung / zu seiner zweiten axialen Seite über ein Sicherungselement 36 in Form einer Schraubenmutter fixiert. Ferner ist zu erkennen, dass der Innenring 16 zweigeteilt ist.
Das Hauptwälzlager 9 ist weiterhin als ein zweireihiges Wälzlager umgesetzt ist. Das Hauptwälzlager 9 ist insbesondere als ein zweireihiges Schrägkugellager ausgebildet. In weiteren Ausführungen ist das Hauptwälzlager 9 jedoch auf andere Weise realisierbar, beispielsweise als ein doppelreihiges Schrägrollenlager.
Mit anderen Worten ausgedrückt befindet sich das Hauptwälzlager 9 radial innerhalb der Befestigungselemente 6 sowie axial zumindest teilweise auf gleicher Höhe mit den Befestigungselementen 6. Zugleich ist das Hauptwälzlager 9 radial innerhalb des Stators 4 sowie in axialer Richtung auf gleicher Höhe mit dem Stator, insbesondere der ersten Statorhälfte 19a, angeordnet.
Zur weiteren Abstützung der Verbindungswelle 7 / des Rotors 8 relativ zu dem Stator 4 ist ein Zusatzwälzlager 17 vorgesehen. Das Zusatzwälzlager 17 ist in dieser Ausführung als ein (einreihiges) Kugellager, nämlich als ein Schrägkugellager realisiert, kann in weiteren Ausführungen jedoch wiederum auch auf andere Weise ausgeführt sein.
Während das Hauptwälzlager 9 zu einer ersten axialen Seite 20a des Rotors 8 angeordnet ist, ist das Zusatzwälzlager 17 zu einer der ersten axialen Seite 20a abgewandten zweiten axialen Seite 20b des Rotors 8 angeordnet. Das Zusatzwälzlager 17 ist zum einen unmittelbar auf der Verbindungswelle 7 aufgesetzt und zum anderen an dem Statorgehäuse 3 (auf axialer Höhe mit der zweiten Statorhälfte 19b) abgestützt.
In dieser Ausführung ist das Zusatzwälzlager 17 derart mit dem Statorgehäuse 3 gekoppelt, dass das Statorgehäuse 3 eine radiale Relativbewegung zu einem Außenring 42 des Zusatzwälzlagers 17 vollziehen kann. In weiteren Ausführungen ist jedoch auf übliche Weise ein Zusatzwälzlager 17 ausgebildet, das axiale Relativbewegungen vollführen kann oder weder radiale noch axiale Relativbewegungen. Ein Innenring 43 des Zusatzwälzlagers 17 ist wiederum radialfest an der Verbindungswelle 7 angebracht.
Es ist ferner zu erkennen, dass das Zusatzwälzlager 17 mit seinem Innenring 43 lediglich axial einseitig, unter Zwischenlage eines (zweiten) Anlageelementes 35b, hier einer Anlagescheibe, an der Verbindungswelle 7 abgestützt ist. Der Außenring 42 des Zusatzwälzlagers 17 ist axial entgegengesetzt zu der Abstützung des Innenrings 43 an dem Statorgehäuse 3 abgestützt.
Das an der der gemeinsamen steifen Abstützbasis 22 abgewandten zweiten Statorhälfte 19b / Statorgehäuse 3 angeordnete Zusatzwälzlager 17 ist somit als einreihiges Schrägkugellager ausgeführt und weist zwischen Außenring 42 und Lagersitz der zweiten Statorhälfte 19b eine Spielpassung aufweist. Durch die radiale Luft der Spielpassung zwischen Zusatzwälzlager 17 und zweiter Statorhälfte 19b ist sichergestellt, dass das Zusatzwälzlager 17 eine ausreichend große radiale Verlagerung vollziehen kann, um sich auf die vom zweireihigen Schrägkugellager (Hauptwälzlager 9) festgelegte Drehachse 14 ausrichten zu können. Axial liegt das Zusatzwälzlager 17 am Lagersitz der zweiten Statorhälfte 19b an, der bei diesem Ausführungsbeispiel als separate Hülse 44 ausgeführt ist. Durch die Wahl des Werkstoffes oder der Oberflächenbeschichtung der Hülse 44 lässt sich das Zusatzwälzlager 17 elektrisch vom restlichen Stator 4 isolieren und/oder es lässt sich der Reibwert, der sich an der Kontaktstelle zwischen dem Außenring 42 und der den Lagersitz bildenden Hülse 44 ergibt, in gewünschter Weise beeinflussen. Das einreihige Schrägkugellager liegt axial sowohl am Lagersitz der zweiten Statorhälfte 19b als auch am Lagersitz der Rotorwelle (Verbindungswelle 7) an und kann somit Axialkräfte übertragen. Das zweireihige Schrägkugellager ist sowieso sowohl am Außenring 15 als auch am Innenring 16 axial fixiert mit der ersten Statorhälfte 19a / dem Statorgehäuse 3 und der Rotorwelle verbunden und kann dadurch Axialkräfte sogar in beide Richtungen übertragen. Somit ist es möglich, dass Axialkräfte von der einen auf die andere Statorhälfte 19a, 19b über die Rotorwelle übertragen werden können. Dadurch können die Lager und die Rotorwelle dazu beitragen die beiden Statorhälften radial innen relativ zueinander axial exakt beabstandet auszurichten und damit die beiden Luftspalte zwischen dem Rotor und dem Stator exakt einzustellen und konstant zu halten.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel bildet das einreihige Schrägkugellager zusammen mit einer sich auf der anderen Seite des Rotors 8 befindlichen Kugellaufbahn des zweireihigen Schrägkugellagers (in der 1 ist dies die Kugellaufbahn direkt neben dem Rotor 8) eine X-Anordnung, über die sich die beiden Statorhälften, die sich durch die magnetischen Kräfte aufeinander zubewegen wollen, axial aufeinander abstützen können. Diese Lageranordnung verhindert somit, dass sich alle magnetischen Kräfte, die die Statorhälften aufeinander zu bewegen wollen, über die mechanische Struktur des Stators radial außen um den Rotor herum abgestützt werden müssen. Die X-Anordnung der Lagerlaufbahnen beidseits des Rotors und die Rotorwelle reduzieren somit die mechanische Belastung der Statorstruktur und ermögliche somit einen kleineren, leichteren und kostengünstigeren Motoraufbau. Das zweireihige Schrägkugellager kann auch als ein Kegelrollenlager in O-Anordnung ersetzt werden.
Ferner ist zu erkennen, dass das Statorgehäuse 3 außerhalb der gemeinsamen zentralen Abstützbasis 22 axial und radial beabstandet zu dem Hauptgehäusekörper 2 sowie dem gesamten Gehäuse 23 angeordnet ist. Es sind lediglich einzelne Verbindungsstrukturen 12, 13 in Form von fluidischen Verbindungsstrukturen 12 und elektrischen Verbindungsstrukturen 13 vorhanden, die indirekt Statorgehäuse 3 und Gehäuse 23 miteinander koppeln.
In dem ersten Ausführungsbeispiel sind zwei fluidische Verbindungsstrukturen 12 und eine elektrische Verbindungsstruktur 13 vorhanden. Die fluidischen Verbindungsstrukturen 12, 13 dienen primär zum Einbringen und Abführen von Flüssigkeiten, insbesondere Kühlflüssigkeiten; die elektrischen Verbindungsstrukturen 13 dienen primär zum Übertragen elektrischer Leistung. Die Verbindungsstrukturen 12, 13 sind notwendigerweise zum einen an dem Hauptgehäusekörper 2 angebracht und zum anderen an dem Statorgehäuse 3 / dem Stator 4 angebracht.
Die Verbindungsstrukturen 12, 13 sind gezielt weicher als die Abstützbasis 22 ausgebildet sind. Zu diesem Zwecke ist die elektrische Verbindungsstruktur 13 in dieser Ausführung als ein gekrümmt verlegtes Kabel ausgebildet, was in weiteren Ausführungen jedoch auch auf andere umgesetzt sein kann. Die beiden fluidischen Verbindungsstrukturen 12 sind beispielhaft als gewellte Rohre ausgebildet. Somit sind sowohl die fluidischen Verbindungsstrukturen 12 als auch die elektrische Verbindungsstrukturen 13 in axialer Richtung und radialer Richtung federnd sowie biegbar.
In Verbindung mit 2 ist schließlich ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 veranschaulicht, das im grundlegenden Aufbau dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Der Kürze wegen werden daher nachfolgend lediglich die Unterschiede zwischen diesen beiden Ausführungsbeispielen beschrieben.
Es ist in 2 zu erkennen, dass das Befestigungselement 6 nicht parallel, sondern senkrecht zu der zentralen Drehachse 14 ausgerichtet ist. Das Befestigungselement 6 ist über einen axialen Spalt zwischen der Stützwand 5 und der Zwischenwandung 25 radial außerhalb der Abstützbasis 22 radial von außen zugänglich. Zu diesem Zwecke ist auch je Befestigungselement 6 eine Durchgangsöffnung 21 in der radialen Außenwandung 24 des Hauptgehäusekörpers 2 eingebracht, wobei die Durchgangsöffnung 21 in Flucht zu dem Befestigungselement 6 vorgesehen ist. Nach der Montage wird die Durchgangsöffnung 21 mit einem Deckel 37 verschlossen.
Durch die radiale Ausrichtung der Befestigungselemente 6 ist auch die Zwischenwandung 25 seitens der Abstützbasis 22 angepasst. Die Zwischenwandung 25 weist einen axialen Vorsprung 38 auf, der von dem Befestigungselement 6 radial durchdrungen ist. Jener Vorsprung 38 liegt radial von außen auf dem Zentrierfortsatz 27 der Stützwand 5 auf.
Zudem ist selbsterklärend das Befestigungselement 6 mit seinem Gewindebereich 29 in eine radial verlaufende Innengewindebohrung 30 des Zentrierfortsatzes 27 verschraubt. Es ist zu erkennen, dass die Innengewindebohrung 30 (zumindest abschnittsweise) axial auf Höhe mit dem Hauptwälzlager 9 angeordnet ist. Dadurch befindet sich das Befestigungselement 6 wiederum ebenfalls in axialer Richtung auf gleicher Höhe mit dem Hauptwälzlager 9.
Des Weiteren ist zu erkennen, dass die Verbindungswelle 7 in dem zweiten Ausführungsbeispiel nicht mehr unmittelbar aus dem Gehäuse 23 hinausragt, sondern einen Wellenabschnitt bildet, der radial innerhalb des Hauptwälzlagers 9 (über eine Kerbverzahnung) mit einer weiteren Ausgangswelle 39 verbunden ist, wobei diese Ausgangswelle 39 dann aus dem Gehäuse 23 hinausragt.
Mit anderen Worten ausgedrückt, besteht die Notwendigkeit, die Struktur eines Elektromotors besonders steif zu gestalten, steht in der praktischen Ausgestaltung von Elektromotoren für Kraftfahrzeuge häufig im Widerspruch zu den im Fahrzeugbau immer bestehenden Anforderungen nach kompakter Bauweise, geringem Gewicht, hoher Leistungsdichte und geringen Kosten.
Statt alle tragenden Komponenten besonders steif, robust und groß auszuführen, ist es meist sinnvoller an geeigneten Stellen durch Zusatzmaßnahmen oder zusätzliche Bauteile dafür zu sorgen, dass die Belastung für die benachbarten Teile reduziert wird. Diese Beschreibung stellt daher ein Anordnungs- und Befestigungsprinzip für einen Elektromotor vor, bei dem von außen auf den Elektromotor einwirkende Kräfte und Verschiebungen immer zu gleichgroßen und gleichgerichteten Verlagerungen des Stators und des Rotors führen. Dadurch bleibt die Lage des Rotors relativ zum Stator auch dann gleich, wenn der Elektromotor insgesamt verlagert wird. Ermöglicht wird dies durch eine gemeinsame steife Abstützbasis an der der Stator, der Rotor und das mit dem Rotor verbundenen Abtriebselement abgestützt bzw. gelagert sind. Stator und Rotor sind dabei nur mit der gemeinsamen Abstützbasis steif verbunden oder sind mit der gemeinsamen Abstützbasis und ebenfalls mit der Abstützbasis steif verbunden Elementen verbunden. Indem der Stator und der Rotor nicht steif mit Umgebungsbauteilen verbunden sind, die andere Verlagerungen oder Verformungen erfahren, als die gemeinsame steife Abstützbasis, wirken auf den Stator und den Rotor auch keine äußeren Zwangskräfte oder Zwangsverformungen, die die Struktur des Stators oder Rotors unzulässig stark verformen können und so beispielsweise zu einer unzulässig großen Veränderung des Luftspaltes führen würde.
Damit durch die gemeinsame Abstützbasis die Lager des Rotors relativ zum Stator verbessert wird, darf die gemeinsame Abstützbasis keine relevanten Verformungen zwischen ihrer Verbindungstelle für den Rotor und ihrer Verbindungstelle für den Stator zulassen. Damit die gemeinsame Abstützbasis auch ohne extremen Materialeisatz, der für den Fahrzeugbau zu teuer und zu schwer wird, ausreichend steif ist, ist es sinnvoll, die Befestigungsstellen, die die gemeinsame Abstützbasis für die an ihr befestigten Bauteile oder Baugruppen bereitstellt, möglichst nah zusammen anzuordnen. Für Elektromotoren, insbesondere für Axialflussmotoren, ist es daher sinnvoll, die gemeinsame steife Abstützbasis seitlich neben den Aktivteilen des Motors auf möglichst kleinem Durchmesser um ein Bauteil herum anzuordnen, das den Rotor mit dem vom Motor antreibbaren Aggregat zum Zwecke der Drehmomentübertragung verbindet (z.B. einer Welle).
Die gemeinsame steife Abstützbasis besteht sinnvollerweise aus zwei durch mindestens ein Lager drehentkoppelten Baueinheiten (Bauteile oder Baugruppen). Eine der Baueinheiten ist mit dem Stator des Elektromotors verbunden (rotatorisch stillstehende Baueinheit des gemeinsamen steifen Abstützbasis) und die andere der beiden Baueinheiten ist mit dem Rotor des Elektromotors verbunden (rotierbare Baueinheit des gemeinsamen steifen Abstützbasis). Die beiden Baueinheiten sind durch das mindestens eine Lager aneinander befestigt. Das mindestens eine Lager ermöglicht eine Verdrehung der beiden Baueinheiten relativzueinander um eine Rotationsachse. Translatorische Bewegungen der beiden Baueinheiten der gemeinsamen steife Abstützbasis relativzueinander werden durch das mindestens eine Lager verhindert oder auf ein sehr geringes Maß begrenzt. Dies gilt besonders für radiale oder axiale Verlagerungen der beiden Baueinheiten zueinander. Auch Kipp- oder Rotationsbewegungen der beiden Baueinheiten, die nicht um die Rotationsachse des Lagers herum erfolgen wollen, werden durch das mindestens eine Lager verhindert oder auf ein sehr geringes Maß begrenzt. Die mit dem Stator verbundenen Baueinheit der gemeinsamen steifen Abstützbasis kann beispielsweise aus duch Stator und das E-Motorgehäuse oder durch ein oder mehrere mit dem Stator und/oder dem E-Motorgehäuse verbundenes Bauteilen gebildet werden. Ein Lager, das die beiden Baueinheit der gemeinsamen steifen Abstützbasis miteinander verbindet, kann dabei sowohl an dem dem Stator zugeordneten Bauteil und/oder dem dem Gehäuse zugeordneten Bauteil befestigt sein. Sind mehrere Lager zwischen den beiden Baueinheiten der gemeinsamen steifen Abstützbasis angeordnet, können diese alle an dem dem Stator zugeordneten Bauteil oder dem dem Gehäuse zugeordneten Bauteil befestigt sein. Es kann auch mindestens ein Lager an dem dem Stator zugeordneten Bauteil und mindestens ein Lager an dem dem Gehäuse zugeordneten Bauteil befestigt sein.
Die andere mit dem Rotor verbundenen Baueinheit der gemeinsamen steifen Abstützbasis kann beispielsweise durch den Rotor (z.B. die Rotorwelle) oder ein mit diesem verbundenen Bauteil und durch ein Drehmomentübertragungselement, das den Rotor mit dem vom Motor antreibbaren Aggregat zum Zwecke der Drehmomentübertragung verbindet (z.B. einer Welle) oder durch ein mit diesem verbundenen Bauteilen bestehen. Ein Lager, das die beiden Baueinheit der gemeinsamen steifen Abstützbasis miteinander verbindet, kann dabei sowohl an dem dem Rotor zugeordneten Bauteil und/oder dem dem Drehmomentübertragungselement zugeordneten Bauteil befestigt seine. Sind mehrere Lager zwischen den beiden Baueinheiten der gemeinsamen steifen Abstützbasis angeordnet, können diese alle an dem dem Rotor zugeordneten Bauteil oder dem dem Dreimomentübertragungselement zugeordneten Bauteil befestigt sein. Es kann auch mindestens ein Lager an dem dem Rotor zugeordneten Bauteil und mindestens ein Lager an dem dem Drehmomentübertragungselement zugeordneten Bauteil befestigt sein.
Wichtige Aspekte sind (gemeinsame zentrale Abstützbasis):
An der gemeinsamen zentralen steifen Abstützbasis des Elektromotors sind sowohl der Stator und der Rotor des Elektromotors befestigt als auch die an den Motor angrenzenden Komponenten die nennenswerte Kräfte auf den Motor auswirken (z.B. Gehäuse und Verbindungswelle bzw. Abtriebswelle).
Die gemeinsame steife Abstützbasis besteht aus zwei durch mindestens ein Lager drehentkoppelten Baueinheiten. Eine der Baueinheiten ist mit dem Stator des Elektromotors verbunden und die andere der beiden Baueinheiten ist mit dem Rotor des Elektromotors verbunden. Die beiden Baueinheiten sind durch das mindesten eine Lager aneinander befestigt. Das mindestens eine Lager ermöglicht eine Verdrehung der beiden Baueinheiten relativzueinander um eine Rotationsachse. Translatorische Bewegungen (radial und axial) und ungewollte Kipp- oder Rotationsbewegungen der beiden Baueinheiten der gemeinsamen steife Abstützbasis relativzueinander werden durch das mindestens eine Lager verhindert oder auf ein sehr geringes Maß begrenzt.
Die gemeinsame Abstützbasis wird sinnvoller Weise seitlich neben den Aktivteilen des E-Motors auf möglichst kleinem Durchmesser um die Abtriebswelle des E-Motors herum angeordnet.
Alle zusätzlichen Verbindungen zwischen dem Rotor und einem benachbarten Aggregat des E-Motors sowie dem Stator und einem benachbarten Aggregat des E-Motors (z.B. Strom oder Kühlfluidanschlüsse), die nicht über die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis erfolgen, sollten viel weicher sein, als die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis und die Strukturelemente des Rotors und des Stators zwischen der zentrale gemeinsame steife Abstützbasis und der zusätzlichen Verbindungstelle mit einem benachbarten Aggregat des E-Motors, damit die Verlagerungen die relativ zwischen der zentrale gemeinsame steife Abstützbasis und der zusätzlichen Verbindungsstelle auftritt, nur zu Verformung an den an der zusätzlichen Verbindungstelle verwendeten Verbindungselemente führt und nicht zu Verformungen des Rotors oder des Stators.
Es wird eine E-Motoranordnung, insbesondere für eine E-Achse eines Kraftfahrzeugs beschrieben:

1 zeigt eine E-Motoranordnung, die für E-Achsen von Kraftfahrzeugen sinnvoll ist. Der Elektromotor ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Axialflussmotor ausgeführt. Der Motor besteht aus Rotor und Stator.

Der Stator besteht aus zwei radial außen miteinander verbundenen Statorhälften, die sich radial innen über je eine Lagerstelle mit der Rotorwelle drehentkoppelt verbunden sind. Der Rotor ist an der Rotorwelle befestigt und besteht aus einem scheibenförmigen Abschnitt, der sich zwischen den beiden Statorhälften radial nach außen erstreckt. Zwischen dem beiden Statorhälften und dem Rotor befinden sich die Luftspalte, durch die der axiale magnetische Fluss des Motors verläuft. Die Magnetfeder des Motors verursachen ein Drehmoment, dass auf den Rotor wirkt und von diesem in die Rotorwelle eingeleitet wird. Die Rotorwelle ragt in axialer Richtung aus dem Motor heraus und weist an ihrem Ende eine Verzahnung auf, durch die das Drehmoment des Motors auf ein benachbartes Aggregat übertragen werden kann. Dieses benachbarte Aggregat kann beispielsweise ein Getriebe (In 1 angedeutet durch eine Stirnradstufe), ein Differenzial, eine Welle oder ein Rad des Kraftfahrzeugs sein.
Die dem Getriebe zugewandte Statorhälfte ist radial innen mit dem Gehäuse verbunden, das den Elektromotor umgibt. Dazu weist das Gehäuse eine Seitenwand oder Zwischenwand auf, die mit dieser Statorhälfte verschraubt ist. Sinnvollerweise werden mehrere Schrauben auf dem Umfang verteilt angeordnet. Radial innerhalb dieser Verschraubungsstelle ist ein Lager (bei diesem Ausführungsbeispiel als zweireihiges Schrägkugellager in O-Anordnung ausgeführt) angeordnet, dass die Statorhälfte mit der Rotorwelle drehentkoppelt verbindet. Durch dieses Lager, das die Rotorwelle axial und radial mit der einen Statorhälfte verbindet und auch ein Verkippen der Rotorwelle um eine von der Rotationsachse des Motors abweichenden Achse verhindert, sind Rotor und Stator bereits ausreichen relativ zueinander gelagert, um eine funktionstüchtige Einheit zu bilden. Der in der 1 gezeigte Bereich, der das Lager und die Verschraubung umfasst, bildet eine gemeinsame steife Abstützbasis für alle wichtigen Hauptkomponenten.
Lagerung:
In dem Ausführungsbeispiel ist optional ein weiteres Lager auf der der gemeinsamen steifen Abstützbasis abgewandten Motorseite angeordnet, dass die weitere Statorhälfte mit der Rotorwelle verbindet. Dieses Lager kann so ausgeführt bzw. eingebaut werden, dass es radiale und axiale Kräfte übertragen kann oder als axial verschiebliches Lager (Lager überträgt hauptsächlich Radialkräfte) oder als radial verschiebliches Lager (Lager überträgt hauptsächlich Axialkräfte) ausgeführt werden. Überträgt das Lager Radialkräfte kann die Rotorwelle auf beiden Seiten des Rotors auf je einer Statorhälfte abgestützt werden. Dadurch lässt sich eine sehr steife Lagerung der Rotorwelle erzielen, die beiden Lagerstellen müssen aber sehr exakt konzentrisch ausgerichtet werden, um eine Verspannung der beiden Lager zu verhindern. Kann eine ausreichend exakte Ausrichtung der Lager nicht gewährleistet werden, um eine Verspannung der Lager und die damit einhergehende Lagerüberlastung zu verhindern, ist es sinnvoll das auf der der gemeinsamen steifen Abstützbasis abgewandten Motorseite angeordnet Lager radial verschieblich einzubauen oder einen Lagertyp zu wählen, der ohnehin einen radialen Ausgleich zwischen den beiden Lagerseiten zulässt. Die Rotationsachse der Rotorwelle wird dann nur über das zweireihige Schrägkugellager an der anderen Statorhälfte bestimmt. Bei dem in der 1 abgebildeten Ausführungsbeispiel ist das an der der gemeinsamen steifen Abstützbasis abgewandten Statorhälfte angeordnete Lager als einreihiges Schrägkugellager ausgeführt, dass zwischen Außenring und dem Lagersitz der Statorhälfte eine Spielpassung aufweist.
Durch die radiale Luft der Spielpassung zwischen Lager und Statorhälfte ist sichergestellt, dass das Lager eine ausreichend große radiale Verlagerung vollziehen kann, um sich auf die vom zweireihigen Schrägkugellager festgelegte Drehachse ausrichten zu können. Axial liegt das Lager am Lagersitz der Statorhälfte an, der bei diesem Ausführungsbeispiel als separate Hülse ausgeführt ist. Durch die Wahl des Werkstoffes oder der Oberflächenbeschichtung der Hülse lässt sich das Lager elektrische von restlichen Stator isolieren und/oder es lässt sich der Reibwert, der sich an der Kontaktstelle zwischen dem Lageraußenring und der den Lagersitz bildenden Hülse ergibt, in gewünschter Weise beeinflussen. (Durch eine hohen Reibwert lassen sich radiale Rotorwellenschwingungen besonders effektiv dämpfen und mit einem niedrigen Reibwert richtet sich die Rotorwelle besonders schnell und besonders genau auf die von zweireihigen Schrägkugellager vorgegebenen Drehachse aus.) Das einreihige Schrägkugellager liegt axial sowohl am Lagersitz der Statorhälfte als auch am Lagersitz der Rotorwelle an und kann somit Axialkräfte übertragen. Das zweireihige Schrägkugellager ist sowieso sowohl am Außenring als auch am Innenring axial fixiert mit der Statorhälfte und der Rotorwelle verbunden und kann dadurch Axialkräfte sogar in beide Richtungen übertragen. Somit ist es möglich, dass Axialkräfte von der einen auf die andere Statorhälfte über die Rotorwelle übertragen werden können. Dadurch können die Lager und die Rotorwelle dazu beitragen die beiden Statorhälften radial innen relativ zueinander axial exakt beabstandet auszurichten und damit die beiden Luftspalte zwischen dem Rotor und dem Stator exakt einzustellen und konstant zu halten. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel bildet das einreihige Schrägkugellager zusammen mit einer sich auf der anderen Seite des Rotors befindlichen Kugellaufbahn des zweireihigen Schrägkugellagers (in der 1 ist dies die Kugellaufbahn direkt neben dem Rotor) eine X-Anordnung über die sich die beiden Statorhälften, die sich durch die magnetischen Kräfte aufeinander zubewegen wollen, axial aufeinander abstützen können. Diese Lageranordnung verhindert somit, dass sich alle magnetischen Kräfte, die die Statorhälften aufeinander zu bewegen wollen, über die mechanische Struktur des Stators radial außen um den Rotor herum abgestützt werden müssen. Die X-Anordnung der Lagerlaufbahnen beidseits des Rotors und die Rotorwelle reduzieren somit die mechanische Belastung der Statorstruktur und ermögliche somit einen kleineren, leichteren und kostengünstigeren Motoraufbau.
gemeinsame steife Abstützbasis:
Für die Funktion des Elektromotors ist die exakte Ausrichtung aller von den Magnetfeldern des Motors durchströmter Teile sehr wichtig. Bereits geringe Lageabweichungen der Teile untereinander haben großen Einfluss auf die Leistung und Effizienz des Motors. Einen besonders großen negativen Einfluss haben ungewollte Veränderungen der Luftspaltbreiten zwischen Rotor und Stator auf die Eigenschaften des E-Motors. Ein Elektromotor muss daher so ausgestaltet und mit seinen Nachbaraggregaten verbunden werden, dass im Inneren des Elektromotors auftretende und von außen auf den Elektromotor einwirkende Kräfte nicht zu einer unzulässig hohen Veränderung der Luftspaltbreiten führen. Um die inneren Kräfte des Elektromotors effektiv und kostengünstig abstützen zu können, wird in dieser Beschreibung eine besondere Lageranordnung zwischen dem beiden Statorhälften und der Rotorwelle vorgestellt. Um den Elektromotor unempfindlich zu machen gegenüber von außen auf den Elektromotor einwirkenden Kräfte und Verlagerungen wird in dieser Beschreibung eine zentrale gemeinsame steife Abstützbasis vorgestellt. Von außen auf den Elektromotor einwirkende Kräfte und Verlagerungen können beispielsweise durch in Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs vorkommende elastische Verformungen des E-Achsgehäuses bzw. des E-Motorgehäuses hervorgerufen werden. Eine weitere Ursache für axiale von außen auf den Elektromotor einwirkende Kräfte sind häufig Schrägverzahnungen in den an den E-Motor angrenzenden Aggregaten. Ist der E-Motor beispielsweise mit einem Getriebe verbunden, wie des in der 1 und 2 angedeutet ist. Bei Drehmomentänderungen ändert sich auch die axialen Reaktionskräfte die die schrägverzahnten Zahnräder auf ihre Lager, Wellen und Gehäuse ausüben. Da die Abstützelement des Getriebes (besonders die Stützwände oder Seitenwände) nie absolut steif sind und immer eine gewisse Elastizität aufweisen, führt eine Änderung des im Antriebsstrang zwischen E-Motor und Rad des Kraftfahrzeugs übertragenen Drehmoment durch die Schrägverzahnungen fast unvermeidbar zu einer ungewollten elastischen Verlagerung von Komponenten des Antriebsstrangs wie beispielsweise der Verbindungswelle zwischen E-Motor und Getriebe oder der Stütz- bzw. Seitenwand des Gehäuses.
Die Hauptrisiken die sich durch diese Verlagerungen für den Motor ergeben, bestehen zum einen darin, dass durch sich ständig ändernde von außen auf dem Motor einwirkende Kräfte und Verformungen Dauerfestigkeitsprobleme in der E-Motorstruktur auftreten könnten oder die Struktur von vornherein auf hohe mechanische Belastbarkeit ausgelegt werden müsste, was zu Lasten der Leistungsdichte- und Wirkungsgradoptimierung geht. Zum anderen kann durch Verformung des Rotors und/oder Stators die Form des magnetisch relevanten Luftspaltes zwischen den beiden Komponenten verändert und so die Leistung und den Wirkungsgrad des Motors verschlechtert werden. Außerdem schränkt es die elektrisch und magnetisch optimale Auslegung des Motors stark ein, wenn man eine große Mindestspaltbreite vorsehen muss, damit sich die beiden Komponenten im Betrieb nie berühren, da mit ständigen Luftspaltänderungen im Betrieb zu rechnen ist.
Wenn der Rotor und der Stator des Elektromotors an Komponenten befestigt sind oder mit Komponenten in Wirkverbindung stehen, die unterschiedliche Verlagerungen ausführen oder die Komponenten an denen der Stator oder der Rotor befestigt ist oder mit denen eine Wirkverbindung besteht Kräfte auf den E-Motor ausüben kann die Struktur des E-Motors unzulässig stark belastet und/oder die Luftspaltbreiten unzulässig verändert werden. Damit Verlagerungen des E-Motorgehäuses in dem Bereich an dem der E-Motor am Gehäuse befestigt ist und/oder Verlagerungen der Welle (oder eines anders ausgeführten drehmomentübertragenden Verbindungselementes) zwischen E-Motor und Getriebes (oder eines anders ausgeführten das Drehmoment des E-Motors aufnehmenden Aggregates) nicht zu einer relativen Verlagerung zwischen den Aktivteilen von Rotor und Stator führt (Die Aktivteile des Motors sind alle Bauteile, die der Entstehung der notwendigen Magnetfelder dienen oder von diesen durchströmt werden.) oder von außen auf den Motor einwirkende Kräfte Strukturelemente des Motors belasten, die dafür nicht ausgelegt sind, besitzen die hier in den Ausführungsbeispielen vorgestellte Elektromotoren alle eine zentrale gemeinsame steife Abstützbasis, an der sowohl der Stator und der Rotor des Elektromotors befestigt sind als auch die an den Motor angrenzenden Komponenten die nennenswerte Kräfte auf den Motor auswirken (z.B. Gehäuse und Verbindungswelle bzw. Abtriebswelle). In den 1 und 2 ist der Bereich der zentrale gemeinsame steife Abstützbasis gut zu erkennen. In der 1 besteht die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis aus zwei durch das zweireihige Schrägkugellager zueinander um die Rotorsachse des E-Motorrotors drehbare ansonsten aber fest miteinander verbundenen Baueinheiten. Die eine Baueinheit besteht aus dem radial inneren Teil der Statorhälfte, die mit der ebenfalls einen Teil der Baueinheit bildenden radial inneren Teil der Gehäusestützwand verschraubt ist. Die andere Baueinheit der zentrale gemeinsame steife Abstützbasis besteht aus der Rotorwelle, die auch die Abtriebswelle des E-Motors bildet, indem sie einstückig in die Getriebeeingangswelle übergeht. Indem sich alle Komponenten des Motors an der zentrale gemeinsame steife Abstützbasis abstützen und ansonsten nur noch untereinander abstützen oder über stark elastische Verbindungselemente mit anderen Nachbarkomponenten in Verbindung stehen, wirken sich alle von außen auf den Elektromotor einwirkende Kräfte und Verlagerungen auf die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis aus. Die geneinsame steife Abstützbasis kann dadurch Kräfte die von außen durch die Getriebeeingangswelle (oder ein anders ausgeführtes drehmomentübertragendes Verbindungselement) auf den Motor ausgeübt wird auf die Stützwand es Gehäuses übertagen, ohne dass Strukturelemente des E-Motors, die nicht zu der zentralen gemeinsamen steifen Abstützbasis gehören, durch diese Kräfte unzulässig belastet werden. Durch die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis sind auch die Stützwand des Gehäuses (oder eine anders ausgestaltete Befestigungskontur des den E-Motor tragenden Elementes) und die Getriebeeingangswelle (oder ein anders ausgeführtes drehmomentübertragendes Verbindungselement) so miteinander verbunden, dass ihre räumlichen Verlagerungen miteinander gekoppelt sind. Die Stützwand des Gehäuses (oder eine anders ausgestaltete Befestigungskontur des den E-Motor tragenden Elementes) und die Getriebeeingangswelle (oder ein anders ausgeführtes drehmomentübertragendes Verbindungselement) können daher nur dieselben (zeitgleich dieselbe Bewegungsrichtung und selbe Verlagerungsstrecke) Verlagerungen ausführen. Die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis führt also immer dieselbe Verlagerung aus wie die mit dem Elektromotor fest verbundenen Nachbarkomponenten und nimmt dabei den Rotor und den Stator in gleicher Weise mit. Dadurch können Rotor und Stator nur dieselbe Verlagerung ausführen wodurch keine Nennenswerte relative Verlagerung zwischen Rotor und Stator auftritt, die die Luftspaltbreiten verändern würde. So führt eine axiale Verlagerung der Getriebeeingangswelle, die für konventionell gelagerte Axialflussmotoren besonders problematisch ist, da sie den Rotor axial relativ zum Stator verschieben kann und sich somit unmittelbar auf die Luftspaltbreiten auswirkt, bei diesem Axialflussmotor mit zentrale gemeinsame steife Abstützbasis dazu, dass sich die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis axial verlagert und somit Rotor und Stator gemeinsam verschoben werden, was keinen Einfluss auf die Luftspaltbreite hat.
Damit das Funktionsprinzip der zentrale gemeinsame steife Abstützbasis gut funktioniert, sollte die gemeinsame Abstützbasis ausreichend steif sein, damit sie Kräfte übertragen kann, ohne dass sich die Anschlusskonturen oder Anschlusselemente, die die Abstützbasis für die an ihr befestigten Bauteile oder Baugruppen bereitstellt im relevanten Maße verformen oder relativ zueinander verformen. Daher ist es sinnvoll alle die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis bildenden Bauteile oder Bauteilbereiche möglichst steif auszuführen und kompakt in unmittelbarer Nähe anzuordnen. Je dichter die Anschlusskonturen oder Anschlusselemente, die die Abstützbasis für die an ihr befestigten Bauteile oder Baugruppen bereitstellt, zusammen angeordnet werden können, desto geringe sind auch dazwischen auftretenden Verformungen. Bei den Ausführungsbeispielen ist die gemeinsame Abstützbasis daher seitlich neben den Aktivteilen des E-Motors um die Getriebeeingangswelle herum angeordnet. Um alle wichtigen Komponenten, die die gemeinsame Abstützbasis miteinander verbinden muss, auf möglichst kleinem Raum zusammenzuführen. Dadurch ergibt sich auch eine engnebeneinander liegende Anordnung vom dem steifen Lager zwischen den beiden Baueinheiten der gemeinsamen Abstützbasis und der radial weit innen liegenden Verbindung (Verschraubung) zwischen Stator und Gehäuse. Die Anordnung der Verbindungsstelle zwischen Stator und Gehäuse radial dicht über dem Lager zwischen dem Stator und der Rotorwelle oder zwischen dem Gehäuse und der Statorwelle ist technisch besonders sinnvoll. Dies Verschraubung zwischen dem Gehäuse und dem Stator erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel 1 axial durch die Seitenwand oder Stützwand des Gehäuses. Damit durch diese Verschraubung kein Öl in den E-Motor eindringen kann, ist radial innerhalb und radial außerhalb des Verschraubungsbereichs ein O-Ring zwischen Stator und Gehäuse angeordnet. Zusätzlich sin die Gewindelöcher im Stator abgedichtet.
Damit das Funktionsprinzip der zentrale gemeinsame steife Abstützbasis gut funktioniert, sollten der Rotor und der Stator der Verlagerung, die die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis auf den Rotor und den Stator überträgt, ungehindert folgen können. Alle zusätzlichen Verbindungen zwischen dem Rotor und einem benachbarten Aggregat des E-Motors sowie dem Stator und einem benachbarten Aggregat des E-Motors, die nicht über die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis erfolgen, sollten daher viel weicher sein, als die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis und die Strukturelemente des Rotors und des Stators zwischen der zentrale gemeinsame steife Abstützbasis und der zusätzlichen Verbindungstelle mit einem benachbarten Aggregat des E-Motors, damit die Verlagerungen die relativ zwischen der zentrale gemeinsame steife Abstützbasis und der zusätzlichen Verbindungsstelle auftritt, nur zu Verformung an den an der zusätzlichen Verbindungstelle verwendeten Verbindungselemente führt und nicht zu Verformungen des Rotors oder des Stators. In den Figuren sind daher die angedeuteten Verbindungselemente für das Kühlfluid und dem elektrischen Strom als flexible Verbindungselemente (Wellrohr und gekrümmt verlegtes Kabel) abgebildet. Alternativ können beispielsweise auch Schläuche oder beidseitig neigbar und axial verschieblich ausgeführte Rohrabschnitte verwendet werden, um das Kühlfluid zwischen dem Stator und dem das Kühlfluid bereitstellenden Aggregat zu übertragen. Für die Übertragung des elektrischen Stroms können alternativ auch elastische Stromschienen oder aus vielen dünnen Drähten bestehende elektrische Leiter verwendet werden.
In der 1 ist links neben dem einreihigen Schrägkugellager ein Rotorlagesensor 45 an der dortigen Statorhälfte befestigt, der die Winkelstellung der Rotorwelle erfasst. Dadurch kann die Winkelstellung der in Rotor eingebauten Magnete relativ zu den Magneten des Stators ermittelt werden. Diese Information wird für die Ansteuerung des Motors verwendet.
Zwischen dem Rotor und dem zweireihigen Schrägkugellage ist in der 1 ein Wellenerdungselement angeordnet. Dadurch kann verhindert werden, dass sich zwischen dem Lageraußenring und dem Lagerinnenring eine nennenswerte elektrische Spannung aufbauen kann, die zur Beschädigung des Lagers führen könnte.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Verbindungstelle zwischen der Gehäusewand und dem Stator durch eine radiale Verschraubung realisiert ist. Durch diese radiale Verschraubung ist bei diesem Ausführungsbeispiel, bei dem sich an die als Stützwand für den E-Motor ausgeführte Gehäusewand ein Getriebe anschließt, eine Montage oder Demontage des Elektromotors möglich, ohne mit Werkzeigen in den Gehäusebereich des Getriebes eingreifen zu müssen. (Bei dem Ausführungsbeispiel von 1 ist dies erforderlich, da die dort axial angeordneten Schrauben durch die Stützwand des Gehäuses hindurchregen und von der Getriebeseite aus montiert oder demontiert werden müssen.) Für die Montage des in 2 gargestellten Elektromotors wir dieser axial in das Motorgehäuse eingesetzt und auf den Zentriersitz der Stützwand aufgeschoben, bis die axialwirkende Anschlagfläche des Stators an der korrespondierenden Anschlagfläche der Stützwand anliegt. Die Umfangsorientierung des Stators wird dabei so ausgereichtet, dass die radialen Gewindelöcher im Stator mit den radialen Durchgangslöchern im der Befestigungskontur der Stützwand übereinstimmen und zudem die elektrischen Anschlüsse und die Kühlfluidanschlüsse an der richtigen Stelle liegen. Anschließend werden die Befestigungsschrauben radial von außen durch später mit Deckeln verschließbaren Öffnungen im Motorgehäuse in das Motorgehäuse eingebracht und in den gewindelöchern verschraubt. Die Schrauben sind bei dem Ausführungsbeispiel mit einem besonders hohen Kopf ausgestattet damit die Schrauben gut mit einem Werkzeug gehalten und sicher montiert und demontiert werden können (ohne in das Motorgehäuse zu fallen). An dem zylindrischen Zentriersitz zwischen Stützwand und Stator sollte das radiale Montierspiel durch eine genaue und enge Passung auf das für die Montage unbedingt notwendige Maß begrenzt werden, um eine ungewollte Verspannung der beiden zu verschraubenden Bauteile zu vermeiden. Wenn es der Montageablauf ermöglicht, ist auch ein geringes Übermaß sinnvoll (z.B. eine Übergangs- oder Presspassung).
Bei dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Rotorwelle durch eine Steckverzahnung mit der Getriebeeingangswelle (Alternativ kann es sich auch um ein anders ausgeführtes drehmomentübertragendes Verbindungselement für ein das Drehmoment des Motors aufnehmendes Aggregat des Antriebsstranges handeln.) verbunden. Diese Getriebeeingangswelle kann sich über die Rotorwelle auf der gemeinsamen steifen Abstützbasis in radialer Richtung abstützen. Die Steckverzahnung zwischen der Rotorwelle und der Getriebeeingangswelle kann als quasi starr angenommen werden, sobald hohe Drehmomente in der Verzahnung übertragen werden, da dann die an den Zahnflanken wirkende Kontaktkräfte sehr hoch sind. Um die Getriebeeingangswelle relativ zu der Rotorwelle axial verschieben zu können, müsste dann eine sehr hohe axiale Reibkraft überwunden werden. Somit kann auch bei dem Ausführungsbeispiel der 2 die Getriebeeingangswelle ungewollte Kräfte und Verlagerungen auf den Rotor übertragen. Die zentrale gemeinsame steife Abstützbasis sorgt auch bei diesem Ausführungsbeispiel dafür, dass sich diese Kräfte und Verlagerungen nicht negativ auf die Luftspalte zwischen Rotor und Stator auswirken. Die Verbindungstelle zwischen Rotorwelle und Getriebeeingangswelle ist bei dem Ausführungsbeispiel von 2 funktionell ein Teil der zentralen gemeinsamen steifen Abstützbasis.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 2 ist der Elektromotor durch einen Radialwellendichtring zwischen der Stützwand und der Rotorwelle und durch einen Deckel, der die axiale innere Durchgangsöffnung in der Rotorwelle verschließt, vor dem Getriebeöl geschützt. Dieses Abdichtungskonzept lässt sich auch auf das Ausführungsbeispiel von 1 übertragen.
Hinweise:
Die Verbindungstelle zwischen der Stützwand und dem Rotor des E-Motor ist bei den Ausführungsbeispielen auf einem möglichst kleinen Durchmesser angeordnet worden, um aufzuzeigen wie eine möglichst steife Abstützbasis geschaffen werden kann, in der nur minimale vernachlässigbare elastische Verformungen zwischen den an der Abstützbasis angebundenen Bauteilen bzw. Bauteilbereichen auftreten. Sollte es konstruktiv nicht möglich sein die Stützwand des Motorgehäuses so weit radial nach innen zu ziehen (beispielsweise, weil der dazu benötige Bauraum nicht vorhanden ist oder die Stützwand dadurch zu weich wird), ist es auch möglich die Verbindungsstelle zwischen Stator und Gehäuse (Verschraubung) weiter radial nach außen zu verlegen. Dadurch vergrößert sich der Abstand zwischen der Verbindungsstelle zwischen Stator und Gehäuse (Verschraubung) und dem Lager zwischen den beiden Baueinheiten der Abstützbasis. Dies macht die Abstützbasis etwas elastischer, kann aber im Gesamtkontext einer real ausgestalteten E-Motoranbindung durchaus ein technisch sinnvoller Kompromiss sein. Im Extremfall kann die Verbindungsstelle zwischen Stator und Gehäuse (Verschraubung) radial bis nahe des Stator-Außendurchmessers nach außen verlegt werden.
Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten einreihigen und zweireihigen Schrägkugellager sind immer nur beispielhaft für Lager mit diesen Eigenschaften dargestellt. Es können bei allen Ausführungsbeispielen immer auch andres ausgeführte Lager eingesetzt werden, die die an dieser Lagerstelle zu übertragen Radialkräfte, Axialkräfte und/oder Kippmomente übertragen können. Um die für die gemeinsame steife Abstützbasis notwendige Lagersteifigkeit zu ermöglichen, kann das zweireihige Schrägkugellager auch zweckmäßiger Weise durch zwei bauartbedingt noch steifere Kegelrollenlager in O-Anordnung ersetzt werden.
Die hier vorgestellte gemeinsame steife Abstützbasis und Lageranordnung für die Rotorwelle sind für Axialflussmotoren besonders sinnvoll, da diese E-Motoren durch ihre schlanke scheibenförmige Bauweise besondere empfindlich sind gegen axial auf sie einwirkende Kräfte. Die gemeinsame steife Abstützbasis und Lageranordnung für die Rotorwelle sind aber auch für alle anderen E-Motoren sinnvoll, um die axiale Kraftbelastung auf die Struktur der E-Motoren zu reduzieren.
In dieser Beschreibung werden unter „Antriebsstrang“ alle Komponenten eines Kraftfahrzeugs verstanden, die Leistung für den Antrieb des Kraftfahrzeuges generieren und über die Fahrzeugräder bis auf die Straße übertragen.
Obgleich die vorliegende Erfindung vorhergehend anhand von Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich, dass verschiedene Ausgestaltungen und Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.
Bezüglich weiterer Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird ausdrücklich auf die Offenbarung der Zeichnung verwiesen.
Bezugszeichenliste

1: elektrische Maschine
2: Hauptgehäusekörper
3: Statorgehäuse
4: Stator
5: Stützwand
6: Befestigungselement
7: Verbindungswelle
8: Rotor
9: Hauptwälzlager
10: Innenseite
11: Anlagebereich
12: fluidische Verbindungsstruktur
13: elektrische Verbindungsstruktur
14: Drehachse
15: Außenring des Hauptwälzlagers
16: Innenring des Hauptwälzlagers
17: Zusatzwälzlager
18: Spulenkörper
19a: erste Statorhälfte
19b: zweite Statorhälfte
20a: erste axiale Seite
20b: zweite axiale Seite
21: Durchgangsöffnung
22: Abstützbasis
23: Gehäuse
24: Außenwandung
25: Zwischenwandung
26: Zahnradverbindung
27: Zentrierfortsatz
28: Aufnahme
29: Gewindebereich
30: Innengewindebohrung
31: Durchgangsloch
32: Lagerzapfen
33: Schulter des Lagerzapfens
34: Sicherungsring
35a: erstes Anlageelement
35b: zweites Anlageelement
36: Sicherungselement
37: Deckel
38: Vorsprung
39: Ausgangswelle
40: Kopf
41: Schulter der Verbindungswelle
42: Außenring des Zusatzwälzlagers
43: Innenring des Zusatzwälzlagers
44: Hülse
45: Rotorlagesensor

Claims

Elektrische Maschine (1) für einen Kraftfahrzeugantrieb, mit einem Hauptgehäusekörper (2), mit einem in einem Statorgehäuse (3) unmittelbar aufgenommenen Stator (4), wobei eine zumindest abschnittsweise radial verlaufende Stützwand (5) des Statorgehäuses (3) mittels zumindest einem Befestigungselement (6) an dem Hauptgehäusekörper (2) befestigt ist, und mit einem drehfest mit einer Verbindungswelle (7) verbundenen Rotor (8), wobei die Verbindungswelle (7) über ein Hauptwälzlager (9) an einer radialen Innenseite (10) der Stützwand (5) radial sowie axial abgestützt ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein direkter Anlagebereich (12) zwischen der Stützwand (5) und dem Hauptgehäusekörper (2) axial versetzt zu dem Stator (4) angeordnet ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine versetzt zu einem direkten Anlagebereich (12) zwischen der Stützwand (5) und dem Hauptgehäusekörper (2) vorhandene, zwischen dem Hauptgehäusekörper (2) und dem Statorgehäuse (3) verlaufende Verbindungsstruktur (12, 13) hinsichtlich ihrer Steifigkeit schwächer als die über das zumindest eine Befestigungselement (6) erzeugte Verbindung ausgeführt ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Befestigungselemente (6) in Umfangsrichtung verteilt vorgesehen sind.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Befestigungselement (6) in seiner Längsrichtung parallel oder senkrecht zu einer Drehachse (14) des Rotors (8) ausgerichtet ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptwälzlager (9) einen sowohl radial als auch axial an der Stützwand (5) fixierten Außenring (15) aufweist und/oder einen sowohl radial als auch axial an der Verbindungswelle (7) fixierten Innenring (16) aufweist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungswelle (7) über ein axial zu dem Hauptwälzlager (9) beabstandetes Zusatzwälzlager (17) an dem Statorgehäuse (3) abgestützt ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptwälzlager (9) zu einer ersten axialen Seite (20a) des Rotors (8) hin angeordnet ist und das Zusatzwälzlager (17) zu einer, der ersten axialen Seite (20a) abgewandten, zweiten axialen Seite (20b) des Rotors (8) hin angeordnet ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1) als Axialflussmaschine ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (4) zwei, jeweils einen Spulenkörper (18) aufweisende, scheibenförmige Statorhälften (19a, 19b) aufweist, wobei axial zwischen den Statorhälften (19a, 19b) der scheibenförmige Rotor (8) angeordnet ist.