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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schirmen von elektromagnetischer Störstrahlung eines mittels eines getakteten Signals angesteuerten Elektromotors. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Schirmen von elektromagnetischer Störstrahlung eines mittels eines getakteten Signals angesteuerten Elektromotors.
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Stand der Technik
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Herkömmliche bürstenlose, elektronisch kommutierte elektrische Motoren mit pulsweitenmodulierter Taktung (PWM-Taktung) haben in der Regel das Problem, dass Motorwicklungen der genannten Motoren Oberwellen der PWM-Taktung in die Umgebung abstrahlen, wodurch mehrere EMV (elektromagnetische Verträglichkeit)-Emissionsgrenzwerte im Bereich bis ungefähr 10 MHz verletzt werden. Ein Schweregrad der genannten Verletzungen und das Emissionsspektrum sind dabei weitgehend unabhängig von einer Leistung bzw. Stromaufnahme des Motors. Beispielsweise weisen sowohl 10 Watt-Pumpen als auch 720 Watt-Kühlgebläse vergleichbare Emissionsspektren auf. Aufgrund der Tatsache, dass die Emission über die Motorwicklungen, also intern des Elektromotors, erfolgt und die PWM-Taktflanken gleichzeitig ein Nutzsignal für den Elektromotor darstellen, kann dieses nicht oder nur sehr beschränkt leitungsgebunden gedämpft werden. Zudem ist es schwierig, eine geschlossene Abschirmung für einen Außenläufermotor zu konstruieren, da der Rotor stets einen gewissen Abstand zum Stator benötigt, um frei rotieren zu können.
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Herkömmliche Maßnahmen zur Emissionsreduktion bei Innenläufermotoren erfordern entweder ein vollständig geschlossenes Metallgehäuse, was im allgemeinen nachteilig erhöhte Kosten bedeutet. Bei leitungsgebundenen Entstörungsmaßnahmen müssen nachteilig Kompromisse, z.B. bezüglich Thermik und Wirkungsgrad der Motoren in Kauf genommen werden, da die PWM-Taktflanken zu diesem Zweck angepasst werden müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Abschirmen von elektromagnetischer Störstrahlung eines Elektromotors bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung zum Schirmen von elektromagnetischer Störstrahlung eines Elektromotors, wobei der Elektromotor mittels eines getakteten Signals ansteuerbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mittels einer Ableitungseinrichtung eine Motorwicklung des Elektromotors wenigstens teilweise geschirmt ist, wobei mittels der Ableitungseinrichtung wenigstens ein Teil der Störstrahlung ableitbar ist. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass es mittels der Ableitungseinrichtung möglich ist, einen Emissionsgrad der unerwünschten elektromagnetischen Störstrahlung bedeutend zu verringern.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor als ein Außenläufer ausgebildet ist, wobei die Ableitungseinrichtung einen Rotor des Elektromotors umfasst, wobei der Rotor elektrisch leitend mit einem Gehäuse des Elektromotors verbunden ist. Vorteilhaft macht sich diese Maßnahme eine Schirmungswirkung des Rotors des Außenläufers zunutze, wobei durch die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Rotor und dem Gehäuse des Elektromotors ein definiertes Ableiten der Störstrahlung möglich ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein mit dem Rotor und einer Welle des Elektromotors kontaktierendes, elektrisch leitendes Verbindungselement aufweist, wobei das Gehäuse elektrisch leitend mit der Welle verbunden ist. Vorteilhaft wird auf diese Weise eine galvanisch leitende Verbindung zur Ableitung der aufgefangenen Störstrahlung bereitgestellt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Anbindung der Ableitungseinrichtung an Massepotential direkt oder mittels einer Kapazität ausgebildet ist. Dadurch kann vorteilhaft die Ableitungsmaßnahme an Gegebenheiten des zu schirmenden Elektromotors angepasst werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindung an das Massepotential vor oder nach einem mit Massepotential verbundenen Entstörelement ausgebildet ist. Vorteilhaft kann dadurch die Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Entstörwirkung eines bereits vorhandenen Entstörelements des Elektromotors kombiniert werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Spalt zwischen dem Rotor und dem Gehäuse wenigstens teilweise mittels wenigstens eines metallischen Stabelements geschlossen ist, wobei das Stabelement elektrisch leitend mit dem Gehäuse verbunden ist. Auf diese Art und Weise wird eine zusätzliche Entstörungsmaßnahme getroffen, die durch eine physikalische Gitterwirkung die Emission von elektromagnetischen Störstrahlungen vorteilhaft noch weiter verringern kann.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Stabelement innerhalb von Ankernuten eines Ankerpakets des Elektromotors angeordnet ist. Vorteilhaft ergibt sich dadurch ein Gestaltungsspielraum für das Platzieren des metallischen Stabelements innerhalb des Motorgehäuses, wodurch eine Reduzierung der Störstrahlung je nach den Gegebenheiten dimensioniert werden kann.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Stabelement als eine Schraube ausgebildet ist. Dadurch wird ein einfaches, kostengünstiges Standardelement zur Verringerung der elektromagnetischen Störstrahlung eingesetzt.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand einer einzelnen Figur detailliert beschrieben. Alle beschriebenen oder in den Figuren dargestellten Merkmale bilden für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. der Figur.
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1 zeigt eine prinzipielle Querschnittsansicht eines Elektromotors mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die Figur zeigt einen als Außenläufermotor ausgebildeten Elektromotor 10. Der Elektromotor 10 weist ein Gehäuse 40 auf, an dem an einer Unterseite eine elektronische Leiterplatte mit Steuerungselektronik (nicht dargestellt) angeordnet ist. Elektrisch leitend mit dem Gehäuse 40 verbunden ist eine nicht-drehbare Welle 50 angeordnet, die einen Rotationsmittelpunkt für den drehbaren Rotor 30 darstellt. Zwischen dem Rotor 30 und der Welle 50 ist ein elektrisch leitendes Verbindungselement 60 angeordnet, welches eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem metallisch ausgebildeten Rotor 30 und der Welle 50 bereitstellt. Beispielsweise kann das Verbindungselement 60 als ein Schleifkontakt, der während einer Drehung des Rotors 30 auf einer Oberfläche des Rotors 30 schleift, ausgebildet sein. Vom Rotor 30 umschlossen und von der Welle 50 gehalten ist ein Ankerpaket 90 angeordnet, welches eine stromdurchflossene Motorwicklung 20 aufweist.
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Der Elektromotor 10 kann beispielsweise als ein bürstenloser elektronisch kommutierter (brushless-DC) Elektromotor ausgebildet sein, der mittels eines getakteten Ansteuersignals, beispielsweise in Form eines pulsweitenmodulierten Signals (PWM-Signal) angesteuert wird. Die elektrische Versorgung des Elektromotors 10 erfolgt über elektrische Anschlüsse des Elektromotors 10, die in der 1 schematisch mit „+“ und „–“ dargestellt sind. Der „+“-Anschluss kann dabei als Klemme 30 (Batterie-Pluspol), der „–“-Anschluss als Klemme 31 (Batterie-Minuspol oder Fahrzeugmasse) eines Kraftfahrzeugs ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass wenigstens ein Teil der elektromagnetischen Störstrahlung vom Rotor 30 aufgefangen bzw. empfangen und nachfolgend über das Verbindungselement 60, die Welle 50 und das Gehäuse 40 an Massepotential abgeleitet wird. Die Anbindung des Gehäuses 40 an Massepotential ist im Falle des Elektromotors 10 der 1 als ein Batterieminuspol ausgebildet. Alternativ kann das Massepotential auch ein Metallblock (beispielsweise ein Motorblock im Kraftfahrzeug), eine Karosserie des Kraftfahrzeugs oder eine sonstige Erdungsmaßnahme des Elektromotors 10 sein. In der Figur ist die Anbindung des Gehäuses 40 an das Massepotential der Batterieminusklemme zudem mittels einer Kapazität 70 dargestellt. Eine Dimensionierung der Kapazität 70 (z.B. ein elektrischer Kondensator) sollte ein gewisses Minimum aufweisen, um den gewünschte Abschirm- bzw. Ableitungseffekt der Erfindung bereitzustellen. Dieses Minimum kann je nach Elektromotor 10 variieren und wird weiter unten näher erläutert.
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Alternativ kann die Anbindung des Gehäuses 40 an das Massepotential auch direkt, d.h. ohne Zwischenelement ausgebildet sein. Mit verminderter Emissionsreduktion kann die Anbindung an Massepotential alternativ auch mittels einer masseseitig angebundenen Entstördrossel (nicht dargestellt) des Elektromotors 10 ausgebildet sein, solange deren Impedanz im zu schirmenden Frequenzbereich noch niedrig genug ist.
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Mittels des Rotors 30, des Verbindungselements 60, der Welle 50 und des an Massepotential angeschlossenen Gehäuses 40 wird eine weitgehend stabile und hochfrequenztaugliche, d.h. niederimpedante Ableitungseinrichtung bereitgestellt. Auf diese Art und Weise kann ein Großteil der unerwünschten magnetischen Störstrahlungsemissionen aufgefangen und abgeleitet werden.
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Als ergänzende Zusatzmaßnahme ist vorgesehen, dass ein Schlitz bzw. Spalt zwischen dem Rotor 30 und dem Gehäuse 40 mittels wenigstens eines metallischen Stabelements 80 wenigstens teilweise geschlossen bzw. unterbrochen ist, wobei das metallische Stabelement 80 elektrisch leitend mit dem Gehäuse 40 verbunden ist. Dabei macht sich das metallische Stabelement 80 die Tatsache zunutze, dass eine Schirmung immer nur solange effektiv ist, als Unterbrechungen („Löcher“) in ihrer größten Ausbreitung immer noch kleiner sind als Wellenlängen der Emissionen. Dieses physikalische Prinzip gilt näherungsweise auch im Nahfeldbereich. Bei der Störstrahlungsemission im vorliegenden Fall handelt es sich um Wellenlängen in einem Bereich von ungefähr einigen hundert Metern bis ungefähr einige Kilometer, wobei der zwischen dem Rotor 30 und dem Gehäuse 40 ausgebildete, umlaufende Schlitz selbst bei Erdung des Rotors 30 noch als Schlitz von theoretisch unendlicher Breite existiert. Mittels des wenigstens einen metallischen Stabelements 80 wird dieser Schlitz unterbrochen bzw. der metallische Schirm aus Rotor 30 und Gehäuse 40 wenigstens teilweise geschlossen, was vorteilhaft eine zusätzliche Reduktion der elektromagnetischen Störstrahlungsemission zur Folge hat.
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Vorteilhaft sind möglichst viele metallische Stabelemente 80 auf dem Gehäuse 40 zum Schließen des umlaufenden Schlitzes zwischen dem Rotor 30 und dem Gehäuse 40 angeordnet, wobei die Anzahl der metallischen Stabelemente 80 für die Störstrahlungsreduktionswirkung nicht entscheidend ist. Besonders vorteilhaft wird, wie in 1 dargestellt, das wenigstens eine metallische Stabelement 80 innerhalb von Statornuten, also innerhalb von Ausnehmungen des Ankerpakets 90 angeordnet. Dies kann eine Effizienz der Störstrahlungsreduzierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung noch weiter erhöhen. Alternativ können die metallischen Stabelemente 80 in der Nähe der Wandung des Rotors 30 angeordnet sein, um auf diese Weise den Schlitz zwischen Rotor 30 und Gehäuse 40 vorteilhaft noch weiter zu verkleinern und dadurch die Schirmungswirkung noch weiter zu erhöhen.
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Das metallische Stabelement 80 kann beispielsweise als eine Metallschraube ausgebildet sein, die in eine passende, zuvor auf dem Gehäuse 40 befestigte (z.B. festgelötete) Schraubenmutter (nicht dargestellt) eingeschraubt wird. Auf diese Art und Weise wird der Schlitz zwischen dem Rotor 30 und dem Stator gewissermaßen „segmentiert“, indem die metallischen Schrauben oder Stäbe innerhalb der Ankernuten auf dem Motorgehäuse 40 elektrisch leitend befestigt werden.
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Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt anhand von relativen Messwerten eine Reduktion der Störstrahlungsemissionen im Langwellen- und Mittelwellenbereich mittels der vorgehend beschriebenen, einzelnen bzw. miteinander kombinierten Maßnahmen im Vergleich zu einem ungeschirmten Elektromotor.
| Messung | Maßnahmen | TV | Bewertung | LW | MW |
| 1 | Ohne (Referenz) | 55% | Pk | 0 | 0 |
| Av | 0 | 0 |
| 2 | 1 + 2 | 55% | Pk | –4 | –1 |
| Av | –3 | 0 |
| 3 | 1 + 4 | 55% | Pk | –5 | –9 |
| Av | –6 | –12 |
| 4 | 1 + 2 + 3 | 55% | Pk | –13 | –17 |
| Av | –22 | –26 |
| 5 | 1 + 2 + 4 (C = 1μF) | 55% | Pk | –13 | –17 |
| Av | –22 | –26 |
| 6 | 1 + 2 + 4 (C = 150 nF) | 55% | Pk | –10 | –11 |
| Av | –14 | –14 |
| 7 | 3 | 55% | Pk | –6 | –9 |
| Av | –7 | –12 |
Tabelle 1
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Abkürzungen:
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- TV
- PWM-Tastverhältnis
- Pk
- Maximalwert der Störstrahlungsemission (Änderung gegenüber Messung 1)
- Av
- Mittelwert der Störstrahlungsemission (Änderung gegenüber Messung 1)
- LW
- Frequenzbereich Langwelle
- MW
- Frequenzbereich Mittelwelle
- Maßnahme 1:
- metallisches Stabelement 80
- Maßnahme 2:
- Verbindungselement 60 zwischen Rotor 30 und Welle 50
- Maßnahme 3:
- direkte Anbindung des Gehäuses 40 an Massepotential
- Maßnahme 4:
- Anbindung des Gehäuses 40 an Massepotential über eine Kapazität 70
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Die unter LW und MW angegebenen Zahlenwerte sind in dBμV (dB-Mikrovolt) angegebene Überschreitungen von vordefinierten Grenzwerten für elektromagnetische Störstrahlungsemissionen in Bezug auf Messung 1 (Referenzmessung).
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Messung 1 betrifft eine Messung, die ohne die erfindungsgemäße Schirmungsvorrichtung durchgeführt wurde und somit als eine Referenz für die übrigen Messungen angesehen werden kann.
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Aus der Tabelle ist erkennbar, dass der störstrahlungsmindernde Effekt der einzelnen Maßnahmen (Messungen 2 bis 7) unterschiedlich hoch ist. Mittels der Anbindung des Gehäuses 40 an Massepotential in Kombination mit dem wenigstens einen metallischen Stabelement 80 (Messungen 4, 5 und 6) kann vorteilhaft ein Maximaleffekt erzielt werden, wodurch die elektromagnetische Störstrahlungsemission der Motorwicklung 20 in diesem Fall bestmöglich abgeschirmt werden kann. Dies kann gegenüber der ungeschirmten Vorrichtung in einer Reduktion von ungefähr bis zu 26 dBμV resultieren (vgl. Mittelwerte der Messungen 4 bzw. 5 mit Mittelwert der Messung 1).
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Bei der größenmäßigen Auslegung der Kapazität 70 muss auf eine ausreichende Dimensionierung geachtet werden: Bei der Messung 5 wurde eine Anbindung an das Massepotential mittels einer ungefähr 1 μF großen Kapazität 70 durchgeführt, wohingegen bei Messung 6 eine Anbindung an das Massepotential mittels einer ungefähr 150 nF großen Kapazität 70 durchgeführt wurde. Man erkennt durch Vergleich der entsprechenden Emissionsmittelwerte, dass der Größenwert 150 nF der Kapazität 70 zu gering ist, um eine ausreichende Reduktion der Störstrahlungsemission zu bewirken.
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Zusammenfassend wird mittels der Erfindung eine Abschirmungsvorrichtung vorgeschlagen, welche im Wesentlichen dafür sorgt, dass ein Störungsemissionen abstrahlendes Element des Elektromotors in Form der Motorwicklung wenigstens teilweise von einem geerdeten metallischen Schirm abgeschirmt ist. Mittels eines Spalt-schließenden bzw. -unterbrechenden metallischen Stabelements können die Störstrahlungsemission vorteilhaft noch weiter reduziert werden.
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Es versteht sich von selbst, dass die vorangehend beschriebene Vorrichtung prinzipiell für jeden Typ eines getaktet angesteuerten Elektromotors verwendbar ist. Der beschriebene Motor im KFZ-Bereich ist daher lediglich als beispielhaft anzusehen. Ebenso ist das beschriebene PWM-Ansteuersignal lediglich als ein Beispiel für eine getaktete Ansteuerung eines Elektromotors zu verstehen.
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Der Fachmann wird die beschriebenen Merkmale der Erfindung daher in geeigneter Weise abwandeln und/oder miteinander kombinieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
