DE102014225216A1

DE102014225216A1 - Elektrische Maschine mit einer Potentialausgleichsvorrichtung

Info

Publication number: DE102014225216A1
Application number: DE102014225216.4A
Authority: DE
Inventors: Istvan Deak; Bernd Schroeder; Martin Henger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2016-06-09
Anticipated expiration: 2034-12-10
Also published as: FR3029705A1; CN105703549A; CN105703549B; DE102014225216B4; FR3029705B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1) mit einem Stator (6) und einem Rotor (7), dessen Rotorwicklungen (14) über in einem Bürstenhalter (5) verschieblich gelagerte Bürsten (16, 17) bestromt werden, sowie mit einer zwischen Rotorwelle (8) und Maschinenmasse wirksamen Potentialausgleichsvorrichtung mit wenigstens einem Schleifkontaktelement (19), das einerseits mit einer Kontaktfläche (22) an einem mit der Rotorwelle (8) verbundenen Kontaktkörper anliegt, und andererseits mit der Maschinenmasse elektrisch leitend verbunden ist, wobei das Schleifkontaktelement (19) der Potentialausgleichsvorrichtung im Bürstenhalter (5) integriert ist und mit seiner Kontaktfläche (22) an einer elektrisch leitenden und mit dem elektrischen Potential der Rotorwelle (8) verbundenen Gleitfläche (35) eines an der Rotorwelle (8) angebrachten und sich mit der Rotorwelle (8) drehenden Drehwinkelgebers (23) anliegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Potentialausgleichsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen werden in unterschiedlichen Anwendungsbereichen als Antriebe und als Generatoren eingesetzt. In Kraftfahrzeugen kommen elektrische Maschinen vermehrt in so genannten Rekuperationssystemen zum Einsatz, wobei die elektrischen Maschinen sowohl eine Antriebsfunktion als auch eine Energierückgewinnungsfunktion übernehmen.
Elektrische Maschinen mit einem Stator und einem Rotor, der fremd- oder eigenerregt sein kann, können jeweils mit einem fest mit dem Rotor verbundenen Drehwinkelgeber ausgerüstet sein, der die Aufgabe hat, die Winkelposition des Rotors an eine Steuerung der elektrischen Maschine zu übertragen.
Es ist bekannt, dass sich im Betrieb bei elektrischen Maschinen auf der Rotorwelle Wellenspannungen ausbilden können, die eine Spannungsdifferenz zur Maschinenmasse darstellen und unterschiedliche Ursachen haben können. Eine Ursache hierfür kann zum Beispiel die getaktete Ansteuerung der Stator- oder der Rotorwicklung mittels eines pulsweitenmodulierten Signals sein. Bei dieser Ursache treten umso höhere Wellenspannungen auf, je höher die Versorgungsspannung des Bordnetzes und damit die Betriebsspannung der elektrischen Maschine ist.
Eine weitere mögliche Ursache ist aber auch, dass elektrostatische Aufladungen zu hohen Wellenspannungen führen. Beispielsweise kann eine als Generator betriebene elektrische Maschine über einen Riemen angetrieben werden, sodass eine elektrische Aufladung des Rotors über den Riemen erfolgen kann.
Entladen sich die auftretenden Wellenspannungen impulsartig über ein Lager, vorzugsweise über das antriebsseitige Kugellager, so hat dies einen impulsförmigen Stromfluss durch das Lager zur Folge. Dabei kann eine Funkenerosion im Bereich der Lagerflächen auftreten, was zu einer Schädigung des Lagers führen kann. Derartige spontane Entladungen über ein Lager des Rotors können insbesondere bei einem Versagen der Isolationswirkung des Lagerfetts in Form eines impulsförmigen Stromflusses auftreten, wodurch eine dauerhafte Belastung des Lagers dieses schädigt und die Lebensdauer des Lagers erheblich reduziert.
Weiterhin führt das impulsartige Entladen der auf der Rotorwelle befindlichen Ladungsträger zur Entstehung elektromagnetischer Wellen, welche die elektromagnetische Verträglichkeit des Produktes negativ beeinflussen. Insbesondere kann dies die störungsfreie Funktion sich in der Nähe befindender elektrischer Geräte behindern.
Aus der DE 35 11 755 A1 ist eine Anordnung zum Ableiten von Wellenspannungen für elektrische Maschinen bekannt, bei der Ladungsträger von der Rotorwelle über einen Schleifkontaktelement abgeleitet werden. Hierzu wird eine zwischen Rotorwelle und Maschinenmasse wirksame Kapazität vorgesehen, der eine Induktivität in Serie zugeschaltet sein kann. Die Anordnung zum Ableiten von Wellenspannungen kann auch als Potentialausgleichsvorrichtung bezeichnet werden, da mit dieser zwischen Masse und Rotorwelle ein Potentialausgleich erzielt wird.
Aus der DE 101 18 004 A1 ist ein Wechselstromgenerator mit Mitteln zur Unterdrückung der an seinem Läufer gespeicherten statischen Elektrizität bekannt, bei dem die Erregerwicklung des Läufers über einen ohmschen Widerstand mit der Welle des Läufers verbunden sein kann.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die Anordnung des zur Ableitung von Wellenspannungen vorgesehenen Schleifkontaktelements im ohnehin vorhandenen Bürstenhalter der elektrischen Maschine eine starke Montagevereinfachung bei der Anbringung des Schleifkontaktelements erreicht wird. In Verbindung mit dem als Kontaktkörper dienenden Drehwinkelgeber, der eine Gleitfläche besitzt, an welchem das Schleifkontaktelement anliegt, ergibt sich auch eine insgesamt sehr raumsparende Anordnung für die Potentialausgleichsvorrichtung. Außerdem ist zur Anbringung des Kontaktkörpers kein zusätzlicher Montageaufwand erforderlich, da der Drehwinkelgeber ohnehin an der Rotorwelle angebracht ist und somit auch auf dem Spannungspotential der Rotorwelle liegt.
Der Drehwinkelgeber besitzt vorzugsweise einen rotationssymmetrischen Körper aus Metall oder wenigstens aus einer metallisierten Oberfläche, sodass die Umgangsfläche des Drehwinkelgebers als Gleitfläche für das Schleifkontaktelement geeignet ist.
Besonders vorteilhaft ist es, den Schleifkontaktelement der Potentialausgleichsvorrichtung als eine zusätzliche verschieblich gelagerte Bürste im Bürstenhalter unterzubringen. Das Schleifkontaktelement kann damit gleichermaßen wie die anderen Bürsten im Bürstenhalter ausgebildet und gelagert sein, sodass zur Realisierung des Schleifkontaktelementes keine besonders speziell ausgebildeten Bauteile erforderlich sind.
Eine besonders kompakte Bauform für den Bürstenhalter mit einliegendem Schleifkontaktelement ergibt sich durch in einer Reihe angeordnete Bürsten.
Die elektrisch leitende Gleitfläche für das Schleifkontaktelement der Potentialausgleichsvorrichtung kann im einfachsten Fall eine zylindrische Umfangsfläche des Gehäuses des Drehwinkelgebers sein.
Ist der Drehwinkelgeber über eine Verbindungsachse koaxial mit der Rotorwelle verbunden, kann auch die Umfangsfläche der Verbindungsachse direkt als elektrisch leitende Gleitfläche für den Schleifkontaktelement der Potentialausgleichsvorrichtung dienen. Dies erfordert zwar einen geringen frei zugänglichen Kontaktbereich an der Verbindungsachse, damit der Schleifkontaktelement an der Umfangsfläche der Verbindungsachse aufgesetzt werden kann.
Die Verbindungsachse hat einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser, sodass deren Umfangsfläche und damit die entsprechende Gleitfläche eine entsprechend geringe Umfangsgeschwindigkeit bei Rotation der Rotorwelle hat. Der Verschleiß am Schleifkontaktelement und auch an der Gleitfläche wird dadurch entsprechend gering gehalten.
Je nach Bauform des verwendeten Drehwinkelgebers kann die Gleitfläche am Drehwinkelgeber auch gegenüber der Axialrichtung der Rotorwelle abgewinkelt ausgerichtet sein. Das Schleifkontaktelement hat dann eine entsprechend ausgerichtete Kontaktfläche. Dabei kann die Bürste, die das Schleifkontaktelement bildet, senkrecht von der Gleitfläche abstehen, um eine optimale Kontaktierung zwischen Gleitfläche und Bürste zu erhalten.
Die Gleitfläche kann von einer Beschichtung gebildet sein, die in Bezug auf die an ihr anliegende Kontaktfläche einer Bürste einen geringen Reibungskoeffizient hat. Dadurch wird der Verschleiß an der jeweiligen Bürste und an der Gleitfläche erheblich verringert.
Die Gleitfläche am Drehwinkelgeber kann auch von einem Schleifring gebildet werden, der am Drehwinkelgeber, beispielsweise an dessen Gehäuse oder dessen Verbindungsachse, angebracht ist. Damit ist es möglich, eine Gleitfläche mit optimalen Kontakt- und Gleiteigenschaften zu schaffen, und zwar auch dann, wenn das Gehäusematerial des Drehwinkelgebers keine optimalen Kontakteigenschaften besitzt.
Die für das Schleifkontaktelement vorgesehene Gleitfläche kann sehr vorteilhaft aus einer Kupferlegierung bestehen. In Verbindung mit einer herkömmlichen Bürste als Schleifkontaktelement besitzt eine Kupferlegierung sehr gute Kontakt- und Gleiteigenschaften.
Die Anordnung des Schleifkontaktelements als Bürste in einem ohnehin zur Bestromung der Rotorwicklung erforderlichen Bürstenhalters ergibt nicht nur eine äußerst raumsparende Potentialausgleichsvorrichtung, sondern ermöglicht auch eine direkte elektrische Verbindung zum Massepotential der elektrischen Maschine über ein am Bürstenhalter abstehendes Kontaktelement. Damit sind zur Herstellung der Masseverbindung zwischen Rotorwelle und Masse keine Verdrahtungsmaßnahmen erforderlich, sodass für die Kontaktierung der Potentialausgleichsvorrichtung kein zusätzlicher Montageaufwand erforderlich ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungsfiguren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Gesamtansicht einer elektrischen Maschine,
2 einen Längsschnitt der elektrischen Maschine von 1,
3 einen vergrößerten Ausschnitt aus 2 im Bereich eines Bürstenhalters mit zusätzlichem Schleifkontaktelement,
4 eine perspektivische Ansicht eines Bürstenhalters, der in 2 und in 3 im Schnitt dargestellt ist,
5 eine Schnittansicht des Bürstenhalters mit einer Ausführungsvariante des zusätzlich im Bürstenhalter integrierten Schleifkontaktelements und
6 eine weitere Ausführungsvariante mit einem Schleifring, an dem das zusätzlich im Bürstenhalter integrierte Schleifkontaktelement anliegt.
In 1 ist die Ansicht einer elektrischen Maschine 1 dargestellt, deren Maschinenteil 2 einen Stator und einen im Stator einliegenden Rotor umfasst. Antriebsseitig ist eine Riemenscheibe 3 auf der Rotorwelle montiert, über die mittels eines hier nicht dargestellten Antriebsriemens eine Drehmomentübertragung erfolgen kann. An der der Riemenscheibe 3 gegenüberliegenden Seite der elektrischen Maschine 1 befinden sich in einem Gehäuseteil 4 elektrische Einrichtungen zur Steuerung der elektrischen Maschine 1. Außerdem ist in 1 die Position eines Bürstenhalters 5 ersichtlich.
Im Längsschnitt von 2 ist der Aufbau der elektrischen Maschine 1 detaillierter ersichtlich. Das Maschinenteil 2 besteht im Wesentlichen aus dem Stator 6 und dem Rotor 7, dessen Rotorwelle 8 mittels eines antriebsseitigen Kugellagers 9 und eines gegenüberliegend angeordneten Kugellagers 10 drehbar gelagert ist. Lagerschilde 11, 12, die Teil des Maschinengehäuses sind, dienen als Aufnahme für die Kugellager 9, 10.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Rotor 7 Klauenpole 13. Eine Rotorwicklung 14 wird über den Bürstenhalter 5 zur Erzeugung eines magnetischen Feldes bestromt. Im Gehäuse 15 des Bürstenhalters 5 sind gegen eine Federspannung verschieblich gelagerte Bürsten 16 bis 18 angeordnet, wobei die Bürsten 16 und 17 zur Bestromung der Rotorwicklung 14 vorgesehen sind. Die Bürste 18 kann allgemein als Schleifkontaktelement 19 bezeichnet werden und dient zur Ableitung von an der Rotorwelle 8 auftretenden Wellenspannungen. Die Bürsten 16, 17 gleiten auf Kupferschleifringen 20, 21, die mit der Rotorwicklung 14 elektrisch verbunden sind. Dagegen gleitet die Bürste 18 mit ihrer Kontaktfläche 22 an einer Gleitfläche eines mit der Rotorwelle 8 verbundenen Drehwinkelgebers 23.
Der Drehwinkelgeber 23 rotiert mit dem Rotor 7 und dient zur Bestimmung der Winkelposition des Rotors 7 während des Betriebs. Der Drehwinkelgeber 23 beinhaltet beispielsweise einen Permanentmagneten, dessen Magnetfeld von hier nicht näher dargestellten elektronischen Einrichtungen erfasst und zur Lagebestimmung des Rotors ausgewertet wird. Je nach gewünschter Betriebsart der elektrischen Maschine wird die Statorwicklung 24 des Stators 6 in Abhängigkeit von der Winkelposition des Rotors 7 bestromt. Im motorischen Betrieb wird eine elektrische Leistung in eine mechanische Leistung umgewandelt, zum Beispiel um ein Drehmoment zur Beschleunigung eines Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen, während im generatorischen Betrieb eine mechanische Leistung in eine elektrische Leistung umgewandelt wird, um beispielsweise das Bordnetz eines Fahrzeugs zu versorgen. Dabei erfolgt die Übertragung mechanischer Leistung über die Riemenscheibe 3, die fest mit der Rotorwelle 8 verbunden ist.
In 2 ist mit strichpunktierter Linie 25 ein Ausschnitt markiert, der in 3 vergrößert dargestellt ist.
In 3 ist ersichtlich, dass die Bürsten 16 bis 18 im Gehäuse 15 des Bürstenhalters 5 in Axialrichtung der Rotorachse 8 in Reihe angeordnet sind. Die Bürste 16 bildet im Beispiel den Minuskontakt, während die Bürste 17 den Pluskontakt zur Rotorwicklung 14 bildet. Entsprechend können die Schleifringe 20, 21 auch als Minusschleifring 20 und Plusschleifring 21 bezeichnet werden, die über Stromschienen 26, 27 und Anschlusskabel 28, 29 mit der Rotorwicklung 14 verbunden sind.
Der Drehwinkelgeber 23 besitzt einen in einem Gehäuse 30 einliegenden Permanentmagneten 31, der als Geberelement für den Drehwinkelgeber 23 dient. Der Drehwinkelgeber 23 ist über eine an ihm abstehende Verbindungsachse 32 koaxial stirnseitig am Ende der Rotationsachse 8 befestigt. Die als Schleifkontaktelement 19 dienende Bürste 18 liegt mittels einer Druckfeder 33 vorgespannt in einem Führungskanal 34 des Bürstenhalters 5 ein. Die Druckfeder 33 drückt die Bürste 18 mit ihrer Kontaktfläche 22 gegen eine Gleitfläche 35 am zylindrischen Gehäuse 30 des Drehwinkelgebers 23. Die Bürste 18 ist über eine Kupferlitze 36 mit einem Kontaktelement 37 elektrisch verbunden, wobei das Kontaktelement 37 mit einem masseführenden Bauteil 38 elektrisch leitend verbunden ist, welches Teil der Leistungselektronik oder Teil der Maschinenmasse beziehungsweise des Maschinengehäuses sein kann.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 30 des Drehwinkelgebers 23 aus einem elektrisch leitenden Material oder besitzt zumindest eine elektrisch leitende Oberfläche, sodass die Gleitfläche 35 über die Verbindungsachse 32 elektrisch leitend mit der vorzugsweise aus Stahl hergestellten Rotorwelle 8 verbunden ist. Damit können an der Rotorwelle 8 auftretende Wellenspannungen über eine Potentialausgleichsvorrichtung, welche aus dem Drehwinkelgeber 23, dem Bürstenhalter 5 und dem Kontaktelement 37 besteht, abgebaut werden. Über die Potentialausgleichsvorrichtung liegt die Rotorwelle 8 ständig auf Massepotential, sodass keine hohen Spannungsspitzen, die zu Lagerschäden führen könnten, an der Rotorwelle 8 entstehen können.
Der in 4 dargestellte Bürstenhalter 5 enthält in seinem Gehäuse 15 in Reihe angeordnete Bürsten 16 bis 18, die hier nur im Bereich ihrer Kontaktflächen 40, 41 und 22 sichtbar sind. Die Kontaktfläche 22 der als Schleifkontaktelement 19 dienenden Bürste 18 zur Ableitung von Wellenspannungen an der Rotorwelle ist gegenüber den anderen Kontaktflächen 40, 41 zurückgesetzt, wodurch für die Bürste 18 ein geringerer Materialaufwand erforderlich ist als für die Bürsten 16, 17.
Am Gehäuse 15 ist an der Schmalseite eine Öffnung 42 vorgesehen, die zur Aufnahme des in 3 ersichtlichen Kontaktelements 37 vorgesehen ist. Über Kontaktringe 43, 44 kann eine elektrische Verbindung zu den Bürsten 16, 17 hergestellt werden.
Bei der in 5 dargestellten Ausführungsvariante der Erfindung ist der Drehwinkelgeber 23 so ausgeführt, dass seine Verbindungsachse 32 zur Herstellung eines Kontakts mit der Bürste 18 frei zugänglich ist. Die Verbindungsachse 32 ist hier als Steckachse ausgebildet, deren Umfangsfläche die Gleitfläche 35 für die Kontaktfläche 22 der Bürste 18 bildet. Der Verschleiß im Bereich der Gleitfläche 35 und der Kontaktfläche 22 ist bei dieser Ausführung geringer als bei der Ausführung von 2 und 3, da hier geringere Umlaufgeschwindigkeiten an der Gleitfläche 35 auftreten.
Die weitere in 6 dargestellte Ausführungsvariante ist gegenüber der von 5 dahingehend weitergebildet, dass hier auf der Verbindungsachse 32 ein Schleifring 45 angebracht ist, der durch eine geeignete Wahl des Schleifringwerkstoffs den Verschleiß im Bereich des Schleifkontakts weiter verringern kann. Der Schleifring 45 kann aus einer Kupferlegierung bestehen und kann mittels einer Pressverbindung auf der Verbindungsachse 32 fixiert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3511755 A1 [0008]
DE 10118004 A1 [0009]

Claims

Elektrische Maschine mit einem Stator (6) und einem Rotor (7), dessen Rotorwicklungen (14) über in einem Bürstenhalter (5) verschieblich gelagerte Bürsten (16, 17) bestromt werden, sowie mit einer zwischen Rotorwelle (8) und dem Massepotential der elektrischen Maschine (1) wirksamen Potentialausgleichsvorrichtung mit wenigstens einem Schleifkontaktelement (19), das einerseits mit einer Kontaktfläche (22) an einem mit der Rotorwelle (8) verbundenen Kontaktkörper anliegt, und andererseits mit dem Massepotential der elektrischen Maschine (1) elektrisch leitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifkontaktelement (19) der Potentialausgleichsvorrichtung im Bürstenhalter (5) integriert ist und mit seiner Kontaktfläche (22) an einer elektrisch leitenden und mit dem elektrischen Potential der Rotorwelle (8) verbundenen Gleitfläche (35) eines an der Rotorwelle (8) angebrachten und sich mit der Rotorwelle (8) drehenden Drehwinkelgebers (23) anliegt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifkontaktelement (19) als eine zusätzliche verschieblich gelagerte Bürste (18) im Bürstenhalter (5) untergebracht ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bürstenhalter (5) entlang der Rotorwelle (8) sämtliche Bürsten (16–18) axial versetzt in einer Reihe angeordnet sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitfläche (35) für das Schleifkontaktelement (19) eine zylindrische Umfangsfläche des Gehäuses (30) des Drehwinkelgebers (23) ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitfläche (35) für das Schleifkontaktelement (19) die Umfangsfläche einer den Drehwinkelgeber (23) mit der Rotorwelle (8) koaxial verbindenden Verbindungsachse (32) ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitfläche (35) und die an ihr anliegende Kontaktfläche (22) des Schleifkontaktelements (19) gegenüber der Axialrichtung der Rotorwelle (8) abgewinkelt ausgerichtet sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Gleitfläche (35) anliegende Bürste (18) senkrecht von der Gleitfläche (35) absteht.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung, die in Bezug auf die an ihr anliegenden Kontaktfläche (22) der Bürste (18) einen geringen Reibungskoeffizienten hat, die Gleitfläche (35) bildet.
Elektrische Maschine nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass am Drehwinkelgeber (23) oder einer mit ihm verbundenen Verbindungsachse (32) ein Schleifring (45) angebracht ist, der die Gleitfläche (35) bildet.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitfläche (35) aus einer Kupferlegierung besteht.