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Stand der Technik
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Es ist bekannt, dass Elektromotoren dazu tendieren, während des Betriebs hochfrequente Störungen abzugeben, die sich sowohl drahtlos als auch entlang von elektrischen Zuführungen zum Elektromotor ausbreiten und eine Funktion anderer Geräte beeinträchtigen können. Beispielsweise kann in einem Kraftfahrzeug ein Lüftermotor im Betrieb hochfrequente Störungen abgeben, die über einen Lautsprecher eines Radios des Kraftfahrzeugs hörbar oder auf einer Anzeige eines Videogeräts des Kraftfahrzeugs sichtbar sind.
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Die abgegebenen Störsignale sind üblicherweise breitbandig und ihre Unterdrückung erfordert Filter, die vorzugsweise nahe am Elektromotor angeordnet sind. Unterschiedliche Filter zur Entstörung von Elektromotoren sind im Stand der Technik bekannt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Elektromotor mit Entstörfilter zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug anzugeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Elektromotor zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug eine elektrische Zuleitung und einen Durchführungskondensator, der im Bereich einer Durchführung eines Gehäuses des Elektromotors aufgenommen ist und der wenigstens zwei elektrisch parallel miteinander und mit der elektrischen Zuleitung und dem Gehäuse verbundene Kondensatoren zur Filterung von Störsignalen unterschiedlicher Frequenzen umfasst.
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Jeder der Kondensatoren kann Störsignale, die auf der elektrischen Zuleitung des Elektromotors auftreten, in einer vorbestimmten Frequenz in einer vorbestimmten Bandbreite ausfiltern. Durch entsprechende Dimensionierung der elektrisch parallelen Kondensatoren können die begrenzten Filterwirkungen der einzelnen Kondensatoren zu einer breitbandigen Filterwirkung des gesamten Durchführungskondensators vereint werden. Zudem können die Filterwirkungen der einzelnen Kondensatoren in Abhängigkeit bekannter Spektren von Störsignalen des Elektromotors dimensioniert werden, beispielsweise bei einem Lüftermotor mit mehreren wählbaren, fest eingestellten Drehzahlen Frequenzen, die diesen Drehzahlen bzw. deren Oberwellen entsprechen. Dadurch wird ein Entstörfilter geschaffen, das für die Anwendung an einem Elektromotor in einem Kraftfahrzeug handhabbar ist.
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Die Durchführung kann derart gestaltet sein, dass sich drahtlos fortpflanzende Störsignale im Gehäuse zurückgehalten werden, so dass keine Störsignale an den Kondensatoren vorbei passiert. Die Durchführung kann hierfür beispielsweise rohrförmig ausgeführt sein.
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Die Kondensatoren können entlang der elektrische Zuleitung hintereinander in der Durchführung angeordnet sein und wenigstens einer der Kondensatoren kann die Zuleitung in radialer Richtung umschließen. Auf diese Weise entsteht ein Durchführungskondensator mit mehreren, mechanisch seriell und elektrisch parallel miteinander verbundenen Kondensatoren. Ein solcher Durchführungskondensator ist leicht zu montieren und kann gut auf eine Aufnahmeleistung des Elektromotors abgestimmt werden.
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In einer Ausführungsform sind mehrere der Kondensatoren in einem gemeinsamen Kondensatorengehäuse aufgenommen. Das Kondensatorengehäuse ist dabei in der Durchführung aufgenommen. Dadurch müssen die Kondensatoren bei der Montage des Elektromotors nicht einzeln in die Durchführung eingeführt werden, sondern können als integriertes Bauteil eingesetzt werden, wodurch Produktionskosten eingespart werden können.
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Das Gehäuse des Elektromotors kann im Bereich der Durchführung ein elektrisch mit dem Gehäuse verbundenes Halteelement aufweisen, in dem die Kondensatoren elektrisch leitfähig aufgenommen sind. Auf diese Weise können Kondensatoren verwendet werden, die nicht als Durchführungskondensatoren ausgebildet und daher kostengünstig sind.
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Das Halteelement kann ein Rohr oder eine Feder umfassen und vorzugsweise an einem axialen Ende des Elektromotors angeordnet sein.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 eine schematische Darstellung eines Elektromotors;
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2 ein elektrisches Schaltbild des Durchführungskondensators aus 1;
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3 Dämpfungsverläufe der Kondensatoren aus 2;
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4 einen mechanischen Aufbau des Durchführungskondensators aus 1 und 2;
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5 eine weitere Ausführungsform eines mechanischen Aufbaus des Durchführungskondensators aus 1 und 2; und
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6 Ausführungsformen eines mechanischen Aufbaus von Durchführungskondensatoren an Durchführungen des Elektromotors von 1
darstellt.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Elektromotors 110 in einem Kraftfahrzeug 105, wobei der Elektromotor 100 ein Gehäuse 120, eine elektrische Zuleitung 130 und einen in einer Durchführung 150 durch das Gehäuse 120 aufgenommenen Durchführungskondensator 140 umfasst. Der Elektromotor 110 ist ein Gleichstrommotor mit Bürsten. Ein erster Anschluss des Elektromotors 110 ist elektrisch mit dem Gehäuse 120 verbunden. Ein zweiter Anschluss des Elektromotors 110 ist innerhalb des Gehäuses 120 mittels der elektrischen Zuleitung 130 mit dem Durchführungskondensator 140 verbunden. Auf der Außenseite des Gehäuses 120 ist die elektrische Zuleitung 130 vom Durchführungskondensator 140 aus weiter fortgesetzt.
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In alternativen Ausführungsformen können auch mehrpolige und/oder bürstenlose Elektromotoren 110 verwendet werden. Es ist auch nicht erforderlich, dass eine der Bürsten bzw. Anschlüsse des Elektromotors 110 mit dem Gehäuse 120 verbunden ist. In anderen Ausführungsformen werden mehrere bzw. alle Anschlüsse des Elektromotors 110 mit oder ohne dedizierte Durchführungskondensatoren 140 auf eine Außenseite des Gehäuses 120 geführt. In einer Ausführungsform ist das Gehäuse 120 mit einer Fahrzeugmasse des Kraftfahrzeugs 105 und/oder einem elektrischen Minuspol einer Versorgungsspannung verbunden. Die Durchführung 150 umfasst eine Aussparung durch das Gehäuse 120 und vorzugsweise Mittel, um den Durchführungskondensator 140 hochfrequenzdicht mit dem Gehäuse 120 zu verbinden, beispielsweise ein elektrisch leitfähiges Rohr.
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Das elektrisch leitfähige Gehäuse 120 des Elektromotors 110 wirkt als Faradayscher Käfig und dient unter anderem einer elektromagnetischen Kapselung des Elektromotors 110 im Sinne einer elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Der Durchführungskondensator 140 hat bezüglich der elektrischen Zuleitung 130 typischerweise einen Ohmschen Widerstand von oder nahe Null. Ferner stellt der Durchführungskondensator 140 eine vorbestimmte Kapazität zwischen der elektrischen Zuleitung 130 und dem Gehäuse 120 bereit.
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2 zeigt ein elektrisches Schaltbild des Durchführungskondensators 140 aus 1. Ein erster Kondensator 210, ein zweiter Kondensator 220 und ein dritter Kondensator 230 sind innerhalb eines Kondensatorgehäuses 240 aufgenommen. Horizontal durch das Kondensatorgehäuse 240 und die Kondensatoren 210 bis 230 verläuft die elektrische Zuleitung 130. Das dargestellte elektrische Schaltbild des Durchführungskondensators 140 macht deutlich, dass leistungsrelevante Ströme, die mittels der elektrischen Zuleitung 130 übertragen werden, den Durchführungskondensator 140 entlang der durchgehenden elektrischen Zuleitung 130 ungehindert passieren können. Die Kapazitäten der Kondensatoren 210 bis 230 stellen sich jeweils zwischen Abschnitten der elektrischen Zuleitung 130 und Gegenelektroden, die mit dem Kondensatorgehäuse 240 elektrisch verbunden sind, ein. Hochfrequente Spannungen zwischen der elektrischen Zuleitung 130 und dem Kondensatorgehäuse 240, die Störungen an anderen Geräten hervorrufen können, werden über die Kondensatoren 210 bis 230 abgeleitet, wobei jeweils eine Kapazität eines der Kondensatoren 210 bis 230 einem relativ schmalbandigen bedämpften Frequenzbereich der Spannungen zugeordnet ist.
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3 zeigt ein Diagramm von Dämpfungskurven der Kondensatoren 210 bis 230 aus 2. In horizontaler Richtung ist eine Frequenz angetragen, in vertikaler Richtung eine Dämpfung, wobei ein hoher Dämpfungswert einer starken Abschwächung bzw. Unterdrückung einer Spannung mit entsprechender Frequenz entspricht. Dämpfungskurven 310, 320 und 330 sind den Kondensatoren 210, 220 bzw. 230 aus 2 zugeordnet. Jede der Dämpfungskurven 310 bis 330 ist relativ schmalbandig, das bedeutet, dass jeder der Kondensatoren 210 bis 230 nur Signale innerhalb eines relativ schmalen Frequenzbereichs zu dämpfen vermag. Durch entsprechende Dimensionierung der Kondensatoren 210 bis 230 lassen sich die relativen Lagen der Dämpfungskurven 310 bis 330 in horizontaler Richtung beeinflussen. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Kondensatoren 210 bis 230 derart dimensioniert, dass die Dämpfungskurven 310 bis 330 in ihrer Summe eine einzige, relativ breitbandige Dämpfungskurve ergeben, die für den gesamten Durchführungskondensator 140 gilt.
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4 zeigt einen mechanischen Aufbau des Durchführungskondensators 140 aus den 1 und 2. Die Kondensatoren 210, 220 und 230 sind jeweils im Wesentlichen zylindrisch geformt und koaxial zur elektrischen Zuleitung 130 angeordnet. Die elektrische Zuleitung kann im Inneren jedes der Kondensatoren 210 bis 230 fortgesetzt oder jeweils mit einem Leiterstück des Kondensators 210 bis 230 verbunden sein. Jeder der Kondensatoren 210 kann eine elektrisch leitfähige Hülse umfassen, die mittels eines Isolators koaxial um die elektrische Zuleitung bzw. das Leiterstück angeordnet ist. Ein Abstand zwischen einer solchen Hülse und der elektrischen Zuleitung 130, eine Größe einer Oberfläche der Hülse bzw. der elektrischen Zuleitung 130 im Bereich der Hülse, sowie eine Dielektrizitätskonstante des Isolators bestimmen die Kapazität des Kondensators. Vorzugsweise liegt ein äußerer Durchmesser des Durchführungskondensators 140 in einem Bereich von ca. 4 bis 15 mm, weiter bevorzugt zwischen 6 und 10 mm. Übliche Kapazitäten für die Kondensatoren 210 bis 230 liegen im Bereich von 5 bis 1200 nF.
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Die Kondensatoren 210 bis 230 und die elektrische Zuleitung 130 sind aus Gründen der Anschaulichkeit separat von einem Rohr 410 dargestellt, das die Kondensatoren 210 bis 230 aufnimmt, wie durch den Pfeil angedeutet ist. Im montierten Zustand sind Außenflächen der Kondensatoren 210 bis 230 leitfähig mit dem Rohr 410 verbunden. Dadurch entsteht insgesamt der fertige Durchführungskondensator 140 aus den 1 und 2. In einer weiteren Ausführungsform kann anstelle des Rohrs 410 eine andere Halterung verwendet werden, beispielsweise eine flache Blechfeder, eine Spiralfeder oder ein Hohlgeflecht aus elektrischen Leitern.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines mechanischen Aufbaus des Durchführungskondensators 140 aus den 1 und 2. In dieser Ausführungsform sind die Kondensatoren 210 bis 230 im Kondensatorgehäuse 240 angeordnet. Entsprechend der Ausführungsform in 4, und wie auch in 2 dargestellt, bestehen die Kapazitäten der Kondensatoren 210 bis 230 jeweils zwischen der elektrischen Zuleitung 230 und dem Kondensatorgehäuse 240. Es können Kondensatoren beliebiger Bauweise und Bauform verwendet werden, beispielsweise Folienkondensatoren, Metallpapierkondensatoren, Kunststoffkondensatoren, Elektrolytkondensatoren oder andere. Dadurch muss ein axialer Aufbau der einzelnen Kondensatoren 210 bis 230 nicht eingehalten werden und die Kondensatoren 210 bis 230 können auf eine beliebige Weise innerhalb des Kondensatorgehäuses 240 angeordnet werden. Der in 5 dargestellte mechanische Aufbau des Durchführungskondensators 140 entspricht funktionell einer Miniaturisierung und Kapselung des in 4 dargestellten Aufbaus und kann beispielsweise mit Abmessungen hergestellt werden, die von Durchführungskondensatoren mit nur einem intern verwendeten Kapazitätswert her bekannt sind.
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Äußerlich kann ein Kragen 510 am Kondensatorgehäuse 240 vorgesehen sein, um eine axiale Bewegung des Durchführungskondensators 140 in einer Aussparung, etwa der Durchführung 150 aus 1, zu begrenzen. Es können auch andere Befestigungselemente am Kondensatorgehäuse 240 des Durchführungskondensators 140 aus 5 vorgesehen sein, beispielsweise ein Flansch, eine Klemme, eine Bohrung, ein Bördelrand, ein Lötrand, eine Clip-Aufnahme, ein Nietkopf und weitere.
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6 zeigt Ausführungsformen eines mechanischen Aufbaus von Durchführungskondensatoren 140 an Durchführungen 150 des Elektromotors 105 von 1. Ein axialer Abschnitt des Gehäuses 120 des Elektromotors 110 aus 1 erstreckt sich in vertikaler Richtung. An einer oberen Stirnfläche des Gehäuses 120 ist in axialer Richtung ein erster Durchführungskondensator 140 nach der in 5 dargestellten Bauform eingelassen. Die Durchführung 150 besteht hier aus einer zum Kondensatorgehäuse 240 passenden Aussparung im Gehäuse 120. Wie oben mit Bezug auf 5 ausgeführt, kann der erste Durchführungskondensator 140 mittels einer beliebigen bekannten Technik mit dem Gehäuse 120 verbunden sein. Vorzugsweise wird dabei auf einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Durchführungskondensator 140 und dem Gehäuse 120 geachtet; außerdem lässt die Verbindung vorzugsweise keine Durchlässe für elektromagnetische Strahlung. Eine bevorzugte Verbindungsart umfasst Löten.
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Ein zweiter Durchführungskondensator 140 nach der in 4 gezeigten Bauform erstreckt sich parallel zur axialen Erstreckung des Gehäuses 120 an dessen Außenseite. Die Durchführung 150 umfasst hier neben einer passenden Aussparung auch das Rohr 410 des in 4 gezeigten Durchführungskondensators 140, wobei das Rohr 410 das an seinem unteren Ende eine Biegung im Winkel von etwa 90° aufweist, an deren Ende das Rohr 410 mit dem Gehäuse 420 verbunden ist, beispielsweise durch Löten oder Schweißen. In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform kann der zweite Durchführungskondensator 140 auch auf einer Innenseite des Gehäuses 120 verlaufen. Die Biegung des Rohrs 410 ist nicht unbedingt erforderlich und dient hauptsächlich einer Einsparung von Bauraum.
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Ein dritter Durchführungskondensator 140 erstreckt sich in einer radialen Richtung bezüglich des Gehäuses 120. Die dazu korrespondierende Durchführung 150 umfasst neben einer Aussparung im Gehäuse 120 eine Klemmfeder 610. Im Wesentlichen zylindrische Kondensatoren 210, 220 werden von der Klemmfeder 610 aufgenommen, die auf eine beliebige Weise mit dem Gehäuse 120 verbunden ist, beispielsweise durch Löten oder Schweißen.
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Alle in 6 gezeigten Varianten des Durchführungskondensators 140 verlaufen zwischen einer Innen- und einer Außenseite des Gehäuses 120 und sind elektrisch mit dem Gehäuse 120 verbunden. Um eine gute Filterungsqualität zu erreichen, ist es von Bedeutung, die elektrische Verbindung zwischen dem Durchführungskondensator 140 und dem Gehäuse möglichst im gesamten Verbindungsbereich vorzusehen. Verbleibt eine Öffnung des Gehäuses 120, beispielsweise im Bereich einer Durchführung 150 eines der Durchführungskondensatoren 140, so kann durch diese Öffnung elektromagnetische Störstrahlung aus dem Gehäuse 120 entkommen und somit eine Filterung der Durchführungskondensatoren 140 umgehen.
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Die Erfindung ermöglicht es, eine einfache und miniaturisierbare Entstörung eines Elektromotors in einem Kraftfahrzeug vorzunehmen, wobei durch geeignete Dimensionierung mehrerer Kondensatoren 210 bis 230 ein gegebenes Spektrum an Störfrequenzen des Elektromotors 110 gezielt bekämpft werden kann.
