DE102014225225B4 - Electrical machine with an equipotential bonding device - Google Patents
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Abstract
Elektrische Maschine mit einem Stator (6) und einem in einem antriebsseitigen Kugellager (9) drehbar gelagerten Rotor (7), sowie mit einer Potentialausgleichsvorrichtung zum Abbau von an der Rotorwelle (8) auftretenden Wellenspannungen, die ein Schleifkontaktelement (28) hat, über das die Rotorwelle (8) elektrisch leitend mit dem Massepotential der elektrischen Maschine (1) verbunden ist, wobei das Schleifkontaktelement (28) an einem auf Massepotential liegenden Lagerschild (11), das das antriebsseitige Kugellager (9) aufnimmt, angebracht ist und das Schleifkontaktelement (28) an einer Gleitfläche (30) eines antriebsseitig mit der Rotorwelle (8) elektrisch leitend verbundenen Kontaktkörpers (34) mit einer Schleifkontaktfläche (31) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der antriebsseitige Kontaktkörper (34) eine angrenzend an das antriebsseitige Kugellager (9) angeordnete Schleuderscheibe (24) ist, und dass das Schleifkontaktelement (28) eine Bürste (27) ist, die in einer Bohrung (25) am Lagerschild (11) längsverschiebbar einliegt und die eine Druckfeder (29) gegen die Gleitfläche (30) an der Schleuderscheibe (24) drückt.Electrical machine with a stator (6) and a rotor (7) rotatably mounted in a ball bearing (9) on the drive side, and with an equipotential bonding device for reducing shaft voltages occurring on the rotor shaft (8), which has a sliding contact element (28) via the the rotor shaft (8) is electrically conductively connected to the ground potential of the electrical machine (1), the sliding contact element (28) being attached to a bearing plate (11) which is at ground potential and which accommodates the ball bearing (9) on the drive side, and the sliding contact element ( 28) rests against a sliding surface (30) of a contact body (34) which is electrically conductively connected to the rotor shaft (8) on the drive side, with a sliding contact surface (31), characterized in that the contact body (34) on the drive side has a ball bearing (9) adjacent to the drive side arranged centrifugal disc (24), and that the sliding contact element (28) is a brush (27) in a bore (25) a m bearing plate (11) lies in place so that it can be displaced longitudinally and which presses a compression spring (29) against the sliding surface (30) on the centrifugal disc (24).
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Potentialausgleichsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an electrical machine with an equipotential bonding device according to the preamble of claim 1.
Stand der TechnikState of the art
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.Electrical machines are used in different areas of application as drives and as generators. In motor vehicles, electrical machines are increasingly being used in so-called recuperation systems, with the electrical machines taking on both a drive function and an energy recovery function.
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.Electrical machines with a stator and a rotor, which can be externally excited or self-excited, can each be equipped with a rotary encoder that is permanently connected to the rotor and has the task of transmitting the angular position of the rotor to a controller for the electrical machine.
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.It is known that during operation of electrical machines, shaft voltages can form on the rotor shaft, which represent a voltage difference to the machine ground and can have different causes. One reason for this can be, for example, the clocked control of the stator or rotor winding using a pulse width modulated signal. With this cause, the higher the wave voltages, the higher the supply voltage of the vehicle electrical system and thus the operating voltage of the electrical machine.
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.Another possible cause is that electrostatic charges lead to high shaft voltages. For example, an electric machine operated as a generator can be driven via a belt, so that the rotor can be electrically charged via the belt.
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.If the shaft voltages that occur are discharged in pulses via a bearing, preferably via the ball bearing on the drive side, this results in a pulse-shaped current flow through the bearing. Spark erosion can occur in the area of the bearing surfaces, which can lead to damage to the bearing. Such spontaneous discharges via a bearing of the rotor can occur in the form of a pulsed current flow, particularly if the insulating effect of the bearing grease fails, as a result of which permanent loading of the bearing damages it and considerably reduces the service life of the bearing.
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.Furthermore, the pulsed discharge of the charge carriers on the rotor shaft leads to the formation of electromagnetic waves, which have a negative impact on the electromagnetic compatibility of the product. In particular, this can impede the trouble-free functioning of nearby electrical devices.
Aus der
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Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass das Schleifkontaktelement direkt an einem auf Massepotential liegenden Lagerschild, welches das antriebsseitige Wellenlager der Rotorwelle aufnimmt, angeordnet ist und direkt an einem antriebsseitig mit der Rotorwelle elektrisch leitend verbundenen Kontaktkörper mit einer Schleifkontaktfläche anliegt. Dadurch ist es möglich zwischen dem äußeren Lagerring und dem inneren Lagerring des antriebsseitigen Wellenlagers auf sehr kurzem elektrischem Weg einen Potentialausgleich herzustellen. Dadurch wird sichergestellt, dass im Bereich des antriebsseitigen Wellenlagers keine spontanen Entladungen über die Kugeln beziehungsweise über das Kugellagerfett erfolgen. Die Potentialausgleichsvorrichtung besteht im Wesentlichen aus dem Schleifkontaktelement, dem Lagerschild und dem Kontaktkörper, wobei als Kontaktkörper vorzugsweise ein ohnehin an der Rotorwelle befestigtes Bauteil verwendet wird. Da auch das Lagerschild zur Aufnahme des Wellenlagers ohnehin vorhanden ist, erfordert die Potentialausgleichsvorrichtung lediglich die Anbringung eines zusätzlichen Schleifkontaktelements, was einen verhältnismäßig geringen Material- und Montageaufwand darstellt.The electrical machine according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that the sliding contact element is arranged directly on a bearing plate which is at ground potential and which accommodates the drive-side shaft bearing of the rotor shaft, and directly on a contact body which is electrically conductively connected to the rotor shaft on the drive side and has a sliding contact surface applied. This makes it possible to establish potential equalization between the outer bearing ring and the inner bearing ring of the shaft bearing on the drive side over a very short electrical distance. This ensures that there are no spontaneous discharges via the balls or via the ball bearing grease in the area of the shaft bearing on the drive side. The equipotential bonding device consists essentially of the sliding contact element, the bearing plate and the contact body, with a component that is already attached to the rotor shaft preferably being used as the contact body. Since the bearing plate for accommodating the shaft bearing is also present in any case, the equipotential bonding device only requires the attachment of an additional sliding contact element, which represents a relatively low outlay in terms of material and assembly.
Als Kontaktkörper wird vorzugsweise die antriebsseitig an der Rotorwelle befestigte Riemenscheibe der elektrischen Maschine oder eine angrenzend an das antriebsseitige Wellenlager angeordnete Schleuderscheibe verwendet. Sowohl die Riemenscheibe als auch die Schleuderscheibe, die das Wellenlager vor Verschmutzungen schützt, besitzen geeignete Gleitflächen, an denen das Schleifkontaktelement mit seiner Schleifkontaktfläche anliegen kann. Das Schleifkontaktelement kann aber auch an anderen Rotorbauteilen mit geeigneten Gleitflächen mit seiner Schleifkontaktfläche anliegen, beispielsweise am Innenring des Wellenlagers, am Klauenpol des Rotors, an einem Lüfter der Rotorwelle oder auch direkt an der Rotorwelle. Dabei kann das Schleifkontaktelement parallel zur Rotorachse oder auch in Radialrichtung zur Rotorachse ausgerichtet sein. Je nach Lage der Gleitfläche, an der das Schleifkontaktelement zur Anlage kommen soll, kann auch eine gegenüber der Rotorwelle geneigte Ausrichtung des Schleifkontaktelements vorgesehen werden. Grundsätzlich ist es dabei auch möglich, dass das Schleifkontaktelement nicht direkt am Lagerschild des antriebsseitigen Wellenlagers angebracht ist, sondern an einer mit dem Massepotential der elektrischen Maschine verbundenen Halterung, die mit dem Lagerschild verbunden sein kann.The belt pulley of the electric machine fastened to the rotor shaft on the drive side or a centrifugal disc arranged adjacent to the shaft bearing on the drive side is preferably used as the contact body. Both the belt pulley and the centrifugal disc, which protects the shaft bearing from dirt, have suitable sliding surfaces against which the sliding contact element can bear with its sliding contact surface. However, the sliding contact element can also bear against other rotor components with suitable sliding surfaces with its sliding contact surface, for example on the inner ring of the shaft bearing, on the claw pole of the rotor, on a fan of the rotor shaft or directly on the rotor shaft. The sliding contact element can be aligned parallel to the rotor axis or also in the radial direction to the rotor axis. Depending on the position of the sliding surface on which the sliding contact element is to come into contact, the sliding contact element can also be oriented at an angle relative to the rotor shaft. Basically it is there It is also possible for the sliding contact element not to be attached directly to the bearing plate of the drive-side shaft bearing, but to a holder which is connected to the ground potential of the electrical machine and which can be connected to the bearing plate.
Der Kontaktkörper kann aus einer Kupferlegierung hergestellt sein, sodass keinerlei zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind, um eine für das Schleifkontaktelement geeignete Gleitfläche zu schaffen, an der das Schleifkontaktelement mit seinem Schleifkontakt anliegen kann und dabei eine gute elektrische Verbindung zwischen dem Massepotential der elektrischen Maschine und der Rotorwelle herstellt.The contact body can be made of a copper alloy, so that no additional measures are required to create a sliding surface suitable for the sliding contact element, on which the sliding contact element can rest with its sliding contact and a good electrical connection between the ground potential of the electrical machine and the rotor shaft manufactures.
Der Kontaktkörper muss aber nicht zwingend aus einer zur Bildung eines Schleifkontakts geeigneten Kupferlegierung hergestellt sein, sondern es besteht auch die Möglichkeit, dass ein am Kontaktkörper angebrachter Schleifring die Gleitfläche für das Schleifkontaktelement bildet. Dieser Schleifring kann aus einer in Bezug auf das Schleifkontaktelement geeigneten Materialzusammensetzung bestehen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, dass zum Potentialausgleich zwischen Maschinenmasse und Rotorwelle auch Kontaktkörper verwendet werden können, die keine optimalen Gleitflächen für einen Schleifkontakt besitzen. Ein am Kontaktkörper angebrachter Schleifring kann kostengünstig aus einer Kupferlegierung hergestellt sein, der somit gute Gleiteigenschaften und auch gute elektrische Kontakteigenschaften besitzt.However, the contact body does not necessarily have to be made of a copper alloy suitable for forming a sliding contact, but there is also the possibility that a slip ring attached to the contact body forms the sliding surface for the sliding contact element. This slip ring can consist of a material composition that is suitable in relation to the sliding contact element. This results in the possibility that contact bodies that do not have optimal sliding surfaces for a sliding contact can also be used for potential equalization between the machine mass and the rotor shaft. A slip ring attached to the contact body can be manufactured inexpensively from a copper alloy, which therefore has good sliding properties and also good electrical contact properties.
Das Schleifkontaktelement kann sehr kompakt als eine in einer metallischen Hülse eingesetzte Bürste ausgeführt sein, wobei die Bürste mittels einer Druckfeder gegen die Gleitfläche des Kontaktkörpers gedrückt wird. Das derart ausgeführte Schleifkontaktelement lässt sich besonders einfach mittels einer Presspassung in eine entsprechende Bohrung am Lagerschild einsetzen, wodurch die elektrische Verbindung zwischen der Bürste und dem Lagerschild sichergestellt ist. Zusätzliche Kontaktierungsmaßnahmen zwischen Bürste und Lagerschild sind in diesem Fall nicht erforderlich.The sliding contact element can be designed very compactly as a brush inserted in a metallic sleeve, the brush being pressed against the sliding surface of the contact body by means of a compression spring. The sliding contact element designed in this way can be used in a particularly simple manner by means of a press fit in a corresponding bore on the bearing plate, as a result of which the electrical connection between the brush and the bearing plate is ensured. Additional contacting measures between the brush and the end shield are not required in this case.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann die Bürste über eine Leitungslitze elektrisch leitend mit der Hülse verbunden sein. Damit wird einerseits eine optimale elektrische Verbindung zwischen Bürste und Hülse hergestellt und es wird außerdem sichergestellt, dass die Bürste vor und während der Montage nicht unbeabsichtigt aus der Hülse herausfällt, da die Leitungslitze die Längsverschiebbarkeit der Bürste innerhalb der Hülse begrenzt.According to a preferred development of the invention, the brush can be electrically conductively connected to the sleeve via a litz wire. On the one hand, this creates an optimal electrical connection between the brush and the sleeve and it also ensures that the brush does not fall out of the sleeve before and during assembly, since the cable strand limits the longitudinal displacement of the brush within the sleeve.
Das Schleifkontaktelement kann auch als Kontaktfeder ausgebildet sein, die mittels einer Befestigungsschraube an dem Lagerschild des antriebsseitigen Wellenlagers befestigt ist. Eine derartige Kontaktfeder ist besonders kostengünstig herstellbar und auch einfach zu montieren, weshalb diese Ausführung für bestimmte Anwendungen sinnvoll sein kann. Bei Kontaktverbindungen mit höheren Ansprüchen an die Gleiteigenschaften und an die elektrischen Eigenschaften wird jedoch die Ausführung des Schleifkontaktelements als Bürste bevorzugt.The sliding contact element can also be in the form of a contact spring which is fastened to the bearing plate of the shaft bearing on the drive side by means of a fastening screw. Such a contact spring can be produced particularly inexpensively and is also easy to assemble, which is why this design can be useful for certain applications. In the case of contact connections with higher demands on the sliding properties and on the electrical properties, however, the design of the sliding contact element as a brush is preferred.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungsfiguren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments illustrated in the drawing figures.
Es zeigen:
-
1 eine Gesamtansicht einer elektrischen Maschine, -
2 einen Längsschnitt der elektrischen Maschine von1 , -
3 einen vergrößerten Ausschnitt aus2 im Bereich eines antriebsseitigen Wellenlagers mit einem am Lagerschild angebrachten Schleifkontaktelement, -
4 einen vergrößerten Ausschnitt wie bei3 jedoch mit einem in einer Hülse einliegenden Schleifkontaktelement, -
5 und6 perspektivische Darstellungen des Schleifkontaktelements von4 , -
7 einen vergrößerten Ausschnitt im Bereich des antriebsseitigen Wellenlagers mit einem radial zur Rotorwelle ausgerichteten Schleifkontaktelement, -
8 eine Ausführung wie in7 dargestellt, jedoch mit einem Schleifring, der die Kontaktfläche für das Schleifkontaktelement bildet, -
9 eine weitere Ausführung eines Schleifkontaktelements im Bereich des antriebsseitigen Wellenlagers und -
10 eine Ausführung wie in9 dargestellt, jedoch mit einem an der Riemenscheibe der Rotorwelle angebrachten Schleifring.
-
1 an overall view of an electrical machine, -
2 a longitudinal section of the electrical machine from1 , -
3 an enlarged section2 in the area of a shaft bearing on the drive side with a sliding contact element attached to the end shield, -
4 an enlarged detail as in3 but with a sliding contact element in a sleeve, -
5 and6 perspective views of the sliding contact element from4 , -
7 an enlarged section in the area of the drive-side shaft bearing with a sliding contact element aligned radially to the rotor shaft, -
8th an execution as in7 shown, but with a slip ring that forms the contact surface for the sliding contact element, -
9 a further embodiment of a sliding contact element in the area of the drive-side shaft bearing and -
10 an execution as in9 shown but with a slip ring fitted to the rotor shaft pulley.
Im Längsschnitt von
Im dargestellten erläuternden Beispiel 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, 17 angeordnet. Die Bürsten 16, 17 gleiten auf Kupferschleifringen 18, 19, die mit der Rotorwicklung 14 elektrisch verbunden sind. Ein Drehwinkelgeber 20 dient zur Bestimmung der Winkelposition des Rotors 7 während des Betriebs.In the illustrative example shown, the rotor 7 has
Der Drehwinkelgeber 20 ist mit der Rotorwelle 8 fest verbunden und besitzt als Geber einen Permanentmagneten, dessen Magnetfeld von im Gehäuseteil 4 befindlichen elektrischen Einrichtungen erfasst und zur Lagebestimmung des Rotors 7 ausgewertet wird. Je nach gewünschter Betriebsart der elektrischen Maschine 1 wird die Statorwicklung 21, die in einem Lamellenpaket 22 des Stators 6 einliegt, in Abhängigkeit von der Wickelposition 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 fest mit der Rotorwelle 8 verbundene Riemenscheibe 3.The
In
Im Lagerschild 11 ist eine Bohrung 25 vorgesehen, die parallel zur Achse 26 der Rotorwelle 8 ausgerichtet ist. In der Bohrung 25 liegt ein Schleifkontaktelement 28 längsverschiebbar ein, welches hier als Bürste 27 ausgeführt ist. Die Bürste 27 kann aus einer Kupferlegierung oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material mit guten Gleiteigenschaften bestehen. Mittels einer Druckfeder 29 wird die Bürste 27 gegen eine Stirnseite der Riemenscheibe 3 gedrückt. Die der Bürste 27 zugewandte Stirnfläche der Riemenscheibe 3 bildet somit für die Bürste 27 eine Gleitfläche 30, an der die Bürste 27 mit ihrer Schleifkontaktfläche 31 anliegt.A bore 25 is provided in the
Die Riemenscheibe 3 kann aus einer Kupferlegierung bestehen, die gute Gleiteigenschaften in Bezug auf die Schleifkontaktfläche 31 der Bürste 27 hat. In diesem Fall würde dann die Gleitfläche 30 ein Teil der Stirnfläche 32 der Riemenscheibe 3 sein. Die Gleitfläche 30 kann aber auch von einer auf der Stirnfläche 32 aufgebrachten Beschichtung 33 gebildet werden, die auf den Grundkörper der Riemenscheibe 3 als Folie oder Beschichtung aufgebracht ist.The
Die Riemenscheibe 3 bildet unmittelbar oder durch Aufbringen einer Beschichtung oder eines Kontaktrings einen Kontaktkörper 34, über den eine elektrische Verbindung zwischen der Rotorwelle 8 und dem auf Massepotential liegenden Lagerschild 11 hergestellt wird. Das Lagerschild 11 steht über das am Kontaktkörper 34 anliegende Schleifkontaktelement 28 in elektrisch leitender Verbindung. Damit können an der Rotorwelle 8 auftretende Wellenspannungen über eine Potentialausgleichsvorrichtung, welche aus dem Kontaktkörper 34 und dem Schleifkontaktelement 28 besteht, abgebaut werden. Es erfolgt somit zwischen der Rotorwelle 8 und dem Lagerschild 11 ein Potentialausgleich, indem an der Rotorwelle 8 aufgebaute Wellenspannungen über die als Kontaktkörper 34 dienende Riemenscheibe 3 und über das Schleifkontaktelement 28, welches auf Massepotential liegt, abgebaut werden. Dadurch wird vermieden, dass Spontanentladungen von Wellenspannungen über die Kugeln 35 auftreten, die bekanntlich zu Schädigungen an den Lagerflächen des Kugellagers 9 führen können.The
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