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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit abstehenden Leiterstäben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen, die beispielsweise als Antriebsmotoren in Fahrzeugen eingesetzt werden, können als mehrphasige Wechselstrommaschinen mit einem Stator und einem Rotor ausgebildet sein. Über ein Elektronikmodul, welches beispielsweise als Umrichter Wechselstrom in mehreren Phasen erzeugt, werden die Statorwicklungen bestromt. Zu diesem Zweck kann an einer Stirnseite der in einem eigenen Gehäuse integrierte Umrichter montiert sein. Über seitlich am Gehäuse des Umrichters und am Gehäuse der elektrischen Maschine abragende flache oder runde Leiterstäbe, die miteinander verschweißt werden, kann eine elektrische Verbindung vom Umrichter zu den Statorwicklungen hergestellt werden. Damit die Leiterstäbe mit entsprechenden Schweißwerkzeugen möglichst problemlos miteinander verschweißt werden können, besitzen diese Leiterstäbe eine entsprechende Länge und einen ausreichenden Abstand zum angrenzenden Gehäuse.
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Zwischen dem Umrichter und dem Gehäuse der elektrischen Maschine kann eine Adapterplatte eingesetzt sein, von der die mit den Leiterstäben des Umrichters zu verbindenden Leiterstäbe abragen. Mit einer solchen Adapterplatte können beispielsweise stirnseitig am Gehäuse der elektrischen Maschine abstehende Leitungsanschlüsse mit den seitlich an der Adapterplatte abstehenden Leiterstäben elektrisch verbunden werden.
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Beim Betrieb der elektrischen Maschine treten in Abhängigkeit von der Drehzahl unterschiedlich starke Vibrationen und mechanische Schwingungen in unterschiedlichen Frequenzbereichen auf. Zusätzlich werden Schwingungen über die Anbaustelle, bspw. den Verbrennungsmotor, eingeleitet. Diese Schwingungen können auf die seitlich abragenden und miteinander verschweißten Leiterstäbe einwirken und diese im ungünstigsten Fall zu starken Eigenschwingungen anregen. Um Materialermüdungen oder gar einen Materialbruch im Bereich der verschweißten Leiterstäbe zu vermeiden, sollten Schwingungseinflüsse aufgrund von auftretenden Vibrationen möglichst vermieden werden.
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Aus der
DE 103 23 482 A1 ist eine elektrische Maschine mit einer Stromrichterbaueinheit bekannt, bei der Leiterelemente Teil einer Verschaltungsplatte sind, die Kontaktstellen besitzt, welche durch einen Deckel gegen das Eindringen von korrosiven Stoffen geschützt sind. Innerhalb des Deckels kann auch eine Dichtmasse eingebracht sein, die die Kontaktstelle vollständig bedeckt, wodurch das Eindringen von korrosiven Stoffen weitgehend verhindert wird. Die hier getroffenen Schutzmaßnahmen betreffen den Schutz vor Korrosion an Kontaktstellen, an denen keine besondere Vibrationsproblematik auftritt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die vorzugsweise seitlich am Gehäuse abstehenden Leiterstäbe mittels einer Abdeckvorrichtung insbesondere an ihren freien Enden in Bezug auf das Gehäuse zumindest teilweise fixiert oder gedämpft sind und somit durch auftretende Vibrationen, insbesondere beim Betrieb der elektrischen Maschine, nicht zu Eigenschwingungen angeregt werden können. Damit wird insbesondere auch verhindert, dass im Bereich der Leiterstäbe ein durch Schwingungen hervorgerufener Ermüdungsbruch oder eine sonstige Materialbeeinträchtigung auftritt. Wenn die Leiterstäbe am Gehäuse mit einer Länge von circa drei bis vier Zentimeter von diesem frei abragen, können ohne die erfindungsgemäße Fixiermaßnahme starke Materialbeanspruchungen an den Biegeradien, welche sich vorzugsweise an den Fußpunkten der Leiterstäben befinden und an den Enden, wo sich die jeweilige Schweißverbindung der Leiterstäbe befindet, auftreten.
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In einer weiteren Ausgestaltung werden die Leiterstäbe durch die Abdeckvorrichtung nicht fixiert, sondern mit einem Spiel von 0 mm bis 2 mm im Schwingungsverhalten begrenzt. Hierdurch wird die lineare Eigenfrequenz nicht verschoben, jedoch der Schwingweg beim Auftreten einer Resonanz begrenzt. Gleichzeitig kann die Begrenzung auch dämpfend wirken und den Schwingweg damit zusätzlich reduzieren. Außerdem kann die Schwingungsbegrenzung nichtlinear auf das Schwingungsverhalten einwirken, so dass durch den Kontakt die Resonanz gestört und der Schwingweg ebenfalls reduziert werden kann. Durch den kleineren Schwingweg wird die Belastung an den Fußpunkten und Enden der Leiterstäbe reduziert.
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Besonders vorteilhaft ist es, die Leiterstäbe im seitlichen Abstand und parallel zur Rotationsachse des Rotors der elektrischen Maschine am Gehäuse abstehen zu lassen. Damit ergibt sich ein geringeres radiales Einbaumaß für die elektrische Maschine gegenüber einer Anordnung mit radial abstehenden Leiterstäben. Außerdem ergibt sich dadurch der Vorteil, dass eine Abdeckvorrichtung in Form eines das Gehäuse umgebenden Rings in Axialrichtung des Gehäuses der elektrischen Maschine auf die Leiterstäbe aufgeschoben werden kann, wodurch sich ein insgesamt kompakter Aufbau ergibt. Die vorzugsweise als ringförmiges Teil ausgebildete Abdeckvorrichtung besitzt an den Positionen, an denen sich abstehende Leiterstäbe befinden, jeweils eine Abdeckkappe, die die Leiterstäbe fixierend übergreift. Der Innenraum der Abdeckkappe, in den die Leiterstäbe ragen, ist dabei an die Abmessungen der Leiterstäbe so angepasst, dass diese von den Seitenwänden der Abdeckkappe gehalten und damit gegen mögliche Schwingungseinflüsse geschützt sind.
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Die Abdeckkappen können als separate Kunststoffteile ausgeführt sein, die an der Abdeckvorrichtung in Aufnahmekappen eingesetzt sind. Dies hat den Vorteil, dass die Abdeckkappe aus einem speziell an die Fixierungseigenschaft und die Dämpfungseigenschaft angepassten Material hergestellt sein kann, während die übrige Abdeckvorrichtung aus einem mechanisch stabileren Material hergestellt sein kann.
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Die bevorzugte Ausführungsform sieht jedoch vor, dass die Abdeckvorrichtung zusammen mit Abdeckkappen als einstückiges Teil aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff hergestellt ist. Ein solches Kunststoffteil lässt sich sehr kostengünstig herstellen und erfordert auch bei der Lagerung und Montage einen geringeren Aufwand als eine mehrteilige Abdeckvorrichtung. Mit einer einstückigen Abdeckvorrichtung können mehrere, an unterschiedlichen Gehäusepositionen abstehende und miteinander verschweißte Leiterstäbe isolierend und fixierend abgedeckt werden. Die Abdeckvorrichtung hat somit nicht nur eine Schutzfunktion gegen Vibrationseinflüsse auf die Leiterstäbe, sondern dient gleichzeitig als elektrisch isolierende Schutzvorrichtung.
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Die miteinander verbundenen Leiterstäbe ragen mit ihren Enden jeweils in eine sich vorzugsweise konisch verjüngende Kavität der Abdeckvorrichtung, an deren Seitenwänden die Endbereiche der Leiterstäbe anliegen und dadurch fixiert sind. Die Leiterstäbe können dadurch seitlich nicht mehr ausgelenkt und somit auch nicht mehr zu Schwingungen angeregt werden. Die konische Verjüngung der Kavitäten, in die die Leiterstäbe ragen, hat den weiteren Vorteil, dass beim Aufschieben der Abdeckvorrichtung und deren Abdeckkappen eine sehr feste, selbstklemmende Fixierung der Endbereiche der Leiterstäbe erreicht werden kann.
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Die Abdeckvorrichtung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass diese das Gehäuse der elektrischen Maschine oder das Gehäuse des Umrichters wenigstens teilweise formschlüssig umgreift. Das formschlüssige Umgreifen kann dadurch erreicht werden, dass wenigstens Teile der Abdeckvorrichtung, die dem Gehäuse zugewandt sind, in ihrer Form der Gehäuseform angepasst sind. Dabei können auch Vorsprünge oder Einbuchtungen so an der Abdeckvorrichtung angebracht sein, dass die Abdeckvorrichtung in ihrer Montageendposition, in der sie die Endbereiche der Leiterstäbe fixierend umgreift, am zugehörigen Gehäuse der elektrischen Maschine einrastet. Durch diese Maßnahmen werden eine sehr einfache Montage und eine sichere Positionierung am jeweiligen Gehäuse für die Abdeckvorrichtung erreicht.
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Damit die Abdeckvorrichtung federelastisch am Gehäuse einrasten kann, ist die Abdeckvorrichtung vorzugsweise als im Umfang elastisch aufweitbares Ringelement ausgebildet.
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Die vorzugsweise als Flachstäbe ausgebildeten Leiterstäbe gehören vorzugsweise einerseits zu einem Adapter und andererseits zu einem Umrichter, um zwischen diesen beiden Baugruppen eine elektrische Verbindung herzustellen. Der Adapter sitzt stirnseitig auf dem Gehäuse der elektrischen Maschine und stellt die elektrische Verbindung zu den Statorwicklungen des Stators der elektrischen Maschine her. Die in Längsrichtung des Gehäuses abragenden Endbereiche der Leiterstäbe können mittels Schweißzangen oder in anderer Weise elektrisch miteinander verschweißt werden, um eine geeignete elektrische Verbindung zu erhalten.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine elektrische Maschine ohne Abdeckvorrichtung,
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2 die elektrische Maschine von 1 mit einer ringförmigen Abdeckvorrichtung,
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3 eine Teilansicht der elektrischen Maschine von 2 im Bereich einer Abdeckkappe, in der Leiterstäbe einliegen, und
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4 den Querschnitt einer Abdeckkappe mit darin fixierten Leiterstäben.
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Die in 1 dargestellte elektrische Maschine 1 besitzt ein Statorgehäuse 2, eine Adapterplatte 3 und einen Umrichter 4, der oben von einem Gehäusedeckel 5 abgeschlossen ist. Im Statorgehäuse 2 liegen der Stator und der Rotor der elektrischen Maschine 1 ein. An der Unterseite ist die Welle 6 der elektrischen Maschine 1 ersichtlich, die koaxial aus dem Statorgehäuse 2 herausgeführt ist.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Maschine 1 beispielsweise als mehrphasige Wechselstrommaschine für ein Fahrzeug ausgebildet, bei der der Umrichter 4 eine Versorgungsgleichspannung zur Ansteuerung der Statorwicklungen im Statorgehäuse 2 umrichtet. Die elektrische Verbindung zwischen dem Umrichter 4 und den Anschlüssen der Statorwicklungen führt über seitlich am Gehäuse 7 der elektrischen Maschine 1 achsparallel beziehungsweise in Längsrichtung abstehende Leiterstäbe 8 bis 17. Jeweils zwei Leiterstäbe 8, 9; 10, 11; 12, 13; 14, 15; 16, 17 bilden ein miteinander verschweißtes Leiterpaar, von denen ein Leiterstab, beispielsweise der Leiterstab 8, über die Adapterplatte 3 mit einer Statorwicklung elektrisch verbunden ist, während der andere Leiterstab, beispielsweise der Leiterstab 9, zum Umrichter 4 führt. Der Umrichter 4 kann über die einzelnen Leiterpaare nacheinander die Statorwicklungen ansteuern, sodass im Stator ein umlaufendes Drehfeld erzeugt wird, welches den Rotor und damit auch die Welle 6 der elektrischen Maschine 1 in Drehung versetzt.
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Mit der identischen Maschine ist auch ein generatorischer Betrieb möglich. In diesem entsteht durch die Drehung des Rotors und damit des elektromagnetischen Rotorfeldes ein mehrphasiger Wechselstrom in der Statorwicklung. Dieser Strom kann im Umrichter zu einem Gleichstrom gewandelt werden, welcher beispielsweise zur Versorgung des Bordnetzes eines Fahrzeugs dient.
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Bei der Darstellung von 1 sind die seitlich abragenden Leiterstäbe 9 bis 17 weder elektrisch isoliert noch mechanisch in irgendeiner Weise geschützt. Um einen entsprechenden Schutz für die abragenden Leiterstäbe 9 bis 17 zu erhalten, wird gemäß der Darstellung von 2 eine in etwa ringförmige Abdeckvorrichtung 18 in Pfeilrichtung 19 auf das Gehäuse 20 des Umrichters 4 aufgesetzt. Das Gehäuse 20 des Umrichters 4 ist ebenso wie das Statorgehäuse 2 Teil des Gehäuses 7 der elektrischen Maschine 1.
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In 2 sind die vom Umrichter 4 abragenden Leiterstäbe 8, 10, 12, 14, 16 und die mit ihnen elektrisch leitend zu verbindenden Leiterstäbe 9, 11, 13, 15, 17 der Adapterplatte 3 besser ersichtlich als in 1, da die Baugruppen der elektrischen Maschine 1 in 2 in einer um etwa 120° gegen den Uhrzeigersinn gedrehten Position dargestellt sind.
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2 zeigt auch deutlich, dass die seitlich am Gehäuse mit Abstand und in Längsrichtung des Gehäuses abragenden Leiterstäbe 8 bis 17 eine verhältnismäßig große Länge haben, damit deren Endbereiche 21, 22 mit einem geeigneten Schweißwerkzeug, z. B. mit einer Schweißzange, problemlos verschweißt werden können, nachdem die einzelnen Baugruppen zusammengesetzt sind, wie dies in 1 ersichtlich ist. Die verhältnismäßig große Länge der Leiterstäbe 8 bis 17 erleichtert zwar das paarweise Verschweißen in Endbereichen 21, 22, aber es bedeutet auch, dass beim Betrieb der elektrischen Maschine Vibrationen zu starken Schwingungen an den Leiterstäben 8 bis 17 führen können, wenn diese nicht zusätzlich fixiert werden. Die Abdeckvorrichtung 18 besitzt hierfür Aufnahmekappen 23 bis 25, in denen Halteelemente zur Fixierung der Leiterstäbe 8 bis 17 vorgesehen sind. Als ein solches Halteelement kann jeweils eine Abdeckkappe 26, wie sie im Querschnitt in 4 dargestellt ist, in den Aufnahmekappen 23 bis 25 angeordnet sein. Die Aufnahmekappen 23 bis 25 können aber auch selbst direkt als Abdeckkappen 26 ausgebildet sein und einen Querschnitt haben, wie er in 4 dargestellt ist.
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In der vergrößerten Teilansicht von 3 ist die mit einer Abdeckvorrichtung 18 versehene elektrische Maschine 1 im Bereich der Aufnahmekappe 25 von 2 dargestellt. In der Aufnahmekappe 25 ist als Halteelement eine separate Abdeckkappe 26 eingesetzt, deren Querschnitt im Bereich der Leiterstäbe 14, 15 in 4 dargestellt ist.
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Die Schnittansicht von 4 zeigt insbesondere, dass die Leiterstäbe 14, 15 mit ihren Endbereichen 21, 22 an Seitenwänden 27, 28 einer Kavität 29 anliegen und dadurch in der Kavität 29 beziehungsweise in der Abdeckkappe 26 fixiert sind.
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Die Abdeckkappe 26 wurde bei der Anbringung der Abdeckvorrichtung 18 in Pfeilrichtung 30 über die Leiterstäbe 14, 15 aufgesetzt. Durch die konisch verlaufenden Seitenwände 27, 28 kann eine selbstklemmende Verbindung zwischen der Abdeckkappe 26 und den Seitenwänden 27, 28 hergestellt werden. Dadurch ergibt sich eine besonders sichere Fixierung der Leiterstäbe 14, 15 in der Abdeckkappe 26.
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Die beiden Leiterstäbe 14, 15 sind an ihren Endbereichen 21, 22 miteinander verschweißt. Der Schweißbereich 31 ist gepunktet dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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