DE102014225228A1

DE102014225228A1 - Elektrische Maschine mit einer Potentialausgleichsvorrichtung

Info

Publication number: DE102014225228A1
Application number: DE102014225228.8A
Authority: DE
Inventors: Bernd Schroeder
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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrische Maschine mit einem Stator (6) und einem Rotor (7), an dessen Rotorwelle (8) ein Drehwinkelgeber (20) angebracht ist, sowie mit einer zwischen Rotor (7) und Massepotential wirksamen Potentialausgleichsvorrichtung. Als Potentialausgleichsvorrichtung sind am Drehwinkelgeber (20) eine erste und eine zweite Kontaktfläche (32, 33) und ein zwischen den Kontaktflächen (32, 33) wirksamer elektrischer Widerstand (29) angebracht, wobei der elektrische Widerstand (29) einerseits über die erste Kontaktfläche (32) mit der Rotorwelle (8) und andererseits über die zweite Kontaktfläche (33) mit dem Erregerkreis der Rotorwicklung (14) elektrisch leitend verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Potentialausgleichsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
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.
Aus der DE 103 24 619 A1 ist eine elektrische Maschine für Kraftfahrzeuge bekannt, bei der die Rotorwelle und ein Schleifkontaktelement zur Stromversorgung der Rotorwicklung über einen elektrischen Widerstand leitfähig miteinander verbunden sind. Der elektrische Widerstand liegt dabei in einem kunststoffhaltigen Spritzgussteil ein, welches eine mit der Rotorwicklung elektrisch verbundene Leiterschiene umgibt.
Offenbarung der Erfindung
Die elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass bei der Montage eines ohnehin erforderlichen Drehwinkelgebers an der elektrischen Maschine kein zusätzlicher Montageaufwand erforderlich ist, um dabei gleichzeitig die Potenzialausgleichsvorrichtung an der elektrischen Maschine anzubringen. Eine Hochvoltprüfung am fertigen Rotor kann wie üblich durchgeführt werden, da am Rotor selbst keine elektrischen Verbindungen zwischen der Rotormasse, z. B. der Motorwelle, und dem Erregerkreis vorhanden sind. Erst beim Anbringen des Drehwinkelgebers wird eine elektrisch leitende Verbindung über einen Widerstand zwischen der Rotorwelle und dem Erregerkreis hergestellt.
Der Widerstand liegt vorzugsweise im Gehäuse des Drehwinkelgebers ein, so dass dieser gegenüber äußeren Einflüssen geschützt ist.
Bei der bevorzugten Ausführungsform hat der elektrische Widerstand über eine Kontaktfläche Kontakt zu einem Schleifring einer zur Bestromung der Erregerwicklung vorgesehenen Schleifringgruppe. Die Kontaktierung mit einem Schleifring ist einfach realisierbar, in dem beispielsweise an einem Schleifring ein abstehendes Kontaktelement in Form einer Kontaktfahne vorgesehen ist. Vorzugsweise wird dieses Kontaktelement an den Schleifring vorgesehen, welcher sich an dem Ende der Rotorwelle befindet, an welchem der Drehwinkelgeber axial aufgesteckt wird. Das am Schleifring abstehende Kontaktelement kann somit entsprechend kurz ausgeführt werden, da sich der Drehwinkelgeber mit seinen Kontaktflächen in unmittelbarer Nähe der Schleifringgruppe befindet.
Eine erste Kontaktfläche des Drehwinkelgebers kann an der Umfangsfläche eines von der Rotorwelle abstehenden Stifts anliegen, an dem der Drehwinkelgeber drehfest befestigt ist. Über diese erste Kontaktfläche und den aus einem elektrisch leitenden Material bestehenden Stift kann der elektrische Widerstand mit der Rotorwelle elektrisch leitend verbunden werden. Andererseits steht der elektrische Widerstand über eine zweite Kontaktfläche bevorzugt mit einem Schleifring der Schleifringgruppe elektrisch leitend in Kontakt, so dass ein Potentialausgleich beispielsweise zwischen einem Minus-Schleifring der Schleifringgruppe und der Rotorwelle über den im Drehwinkelgeber befindlichen elektrischen Widerstand erfolgen kann. Eine derart ausgeführte Potentialausgleichsvorrichtung nimmt wenig Bauraum in Anspruch und es besteht ein sehr kurzer elektrischer Verbindungsweg zwischen einem Schleifring und der Rotorwelle. Beide Kontaktflächen am Drehwinkelgeber können an einem ringförmigen Gehäuseteil des Drehwinkelgebers einerseits radial nach innen und andererseits radial nach außen abstehend ausgerichtet sein, wodurch eine direkte Kontaktierung mit einem von der Rotorwelle abstehenden Stift und einem beispielsweise am Minus-Schleifring abstehenden Kontaktelement möglich ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Drehwinkelgeber ein Gehäuse aus einem nicht-leitenden Material hat. Sämtliche im Drehwinkelgeber einliegenden elektrischen Elemente, wie der jeweils verwendete Widerstand und dessen Anschlussdrähte sowie die Kontaktflächen müssen dann nicht mittels zusätzlicher Isoliermaßnahmen gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert werden.
Je nach Anwendungsfall kann der verwendete Widerstand als ohmscher Widerstand, als nicht linearer Widerstand, als Halbleiterelement oder als Schichtwiderstand ausgebildet sein. Durch Verwendung einer geeigneten Widerstandsart bzw. eines geeigneten Widerstandselements kann die Potentialausgleichsvorrichtung in ihrer Funktion auf einfache Weise an die jeweiligen Anforderungen bzgl. ihrer Funktion angepasst werden.
Weiterhin können Maßnahmen vorgesehen sein, die den elektrischen Widerstand gegenüber einem im Drehwinkelgeber angeordneten Permanentmagneten oder gegenüber einem sonstigen elektrischen Geberelement ferritisch abschirmen. Dadurch können Störeinflüsse aufgrund elektrischer Strahlung, die bei der Ableitung von Ladungen über den Widerstand impulsförmig auftreten können, abgeschirmt und dadurch Störeinflüsse auf die Geberfunktion des Drehwinkelgebers vermieden werden. Damit kann sichergestellt werden, dass die Funktion des Drehwinkelgebers zur fortlaufenden Drehwinkelbestimmung von der Potentialausgleichsvorrichtung nicht gestört wird.
Eine sichere Positionierung des Drehwinkelgebers und somit auch der für den Potentialausgleich zwischen einem Schleifring der Schleifringgruppe und der Rotorwelle vorgesehenen Potentialausgleichsvorrichtung kann dadurch erreicht werden, dass der Drehwinkelgeber axial auf die Rotorwelle bzw. einen mit der Rotorwelle verbundenen Stift aufgesteckt und mittels Presspassung drehfest mit der Rotorwelle verbunden wird. Die Verbindung zwischen Drehwinkelgeber und Rotorwelle mittels Presspassung erfordert einen geringen Montageaufwand und stellt eine sichere drehfeste Verbindung zwischen Rotorwelle und den Drehwinkelgeber mit den an ihn befestigten Einrichtungen der Potentialausgleichsvorrichtung her. Es besteht aber auch die Möglichkeit, anstelle einer Verbindung mittels Presspassung, eine Klebeverbindung oder Schraubverbindung oder Schweißverbindung vorzusehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels 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 einer auf der Rotorwelle angeordneten Schleifringbaugruppe,
4 eine Darstellung des Rotors mit einem axial an der Rotorwelle aufzusteckendem Drehwinkelgeber,
5 und 6 zwei Ansichten des in 4 dargestellten Drehwinkelgebers.
In 1 ist eine elektrische Maschine 1 dargestellt, deren Maschinenteil 2 einen Stator und einem 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 gegenüber liegenden 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.
Der Längsschnitt von 2 zeigt den Stator 6 und den Rotor 7 des Maschinenteils 2. Der Rotor 7 hat eine Rotorwelle 8, die mittels eines antriebsseitigen Kugellagers 9 und eines gegenüberliegend angeordneten Kugellagers 10 drehbar im Maschinenteil 2 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 Bürstenhalter 5 sind Bürsten 15, 16 längsverschieblich gelagert und gleiten auf Schleifringen 17, 18 einer Schleifringbaugruppe 19. Die Schleifringe 17, 18 sind elektrisch leitend verbunden mit der Rotorwicklung 14.
Angrenzend an die Schleifringbaugruppe 19 ist am Ende der Rotorwelle 8 ein Drehwinkelgeber 20 drehfest mit der Rotorwelle 8 verbunden, der somit mit dem Rotor 7 rotiert und zur Bestimmung der Winkelposition des Rotors 7 während des Betriebs der elektrischen Maschine 1 dient. Der Drehwinkelgeber 20 beinhaltet beispielsweise einen Permanentmagneten 21, dessen Magnetfeld von hier nicht näher dargestellten elektronischen Einrichtungen erfasst und zur Winkelbestimmung des Rotors 7 ausgewertet wird. Je nach gewünschter Betriebsart der elektrischen Maschine 1 wird die Statorwicklung 22 des Stators 6 in Abhängigkeit von der Winkelposition des Rotors 7 bestromt. Im motorischen Betrieb wird eine elektrische Leistung in eine mechanische Leistung umgewandelt, z. B. 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 mit elektrischer Energie zu versorgen.
In 2 ist mit strichpunktierter Linie 23 ein Ausschnitt markiert, der in 3 vergrößert dargestellt ist.
In der vergrößerten Darstellung von 3 ist ersichtlich, dass die Schleifringgruppe 19 aus den beiden Schleifringen 17, 18 und einer Kunststoffumspritzung 24 besteht. Die Schleifringe 17, 18 sind jeweils mit Stromschienen 25, 26 elektrisch verbunden, über die eine elektrische Verbindung zur Rotorwicklung 14 (2) besteht. Über die Bürsten 15, 16, die im Bürstenhalter verschieblich gelagert sind und auf den Schleifringen 17, 18 gleitend anliegen, erfolgt die Übertragung des elektrischen Erregerstroms zur Rotorwicklung der elektrischen Maschine. Dabei bildet die Bürste 15 den Pluspol und die Bürste 16 den Minuspol zur Bestromung der Rotorwicklung, so dass der Schleifring 17 entsprechend als Plus-Schleifring und der Schleifring 18 als Minus-Schleifring bezeichnet werden können.
Der Drehwinkelgeber 20 ist mittels eines elektrisch leitenden Stifts 27 an der Rotorwelle 8 drehfest angebracht, so dass der Drehwinkelgeber 20 gemeinsam mit der Rotorwelle 8 rotiert. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Stift 27 sowohl an der Rotorwelle 8 als auch am Gehäuse 28 des Drehwinkelgebers 20 mittels Presspassung drehfest befestigt. Im Gehäuse 28 des Drehwinkelgebers 20 befindet sich als Geberelement der Permanentmagnet 21.
Das Gehäuse 28 des Drehwinkelgebers 20 besteht aus einem elektrisch nicht leitenden Material, beispielsweise aus Kunststoff, und beinhaltet einen elektrischen Widerstand 29 mit beidseitigen Kontaktelementen 30, 31. Das zum Stift 27 weisende Kontaktelement 30 kontaktiert den Stift 27 und stellt somit eine elektrische Verbindung zwischen dem Widerstand 29 und der metallischen Rotorwelle 8 her. Das vom Widerstand 29 entgegengesetzt abragende Kontaktelement 31 steht in elektrischer Verbindung zum Schleifring 18, so dass der Widerstand 29 zwischen dem Minuspol und der Rotorwelle 8 als elektrisches Widerstandselement wirksam ist.
Das Kontaktelement 30 bildet eine erste Kontaktfläche 32, über die eine elektrische Verbindung zur Rotorwelle 8 hergestellt wird, und das Kontaktelement 31 bildet eine zweite Kontaktfläche 33, über die eine elektrische Verbindung zum Erregerkreis der Rotorwicklung hergestellt wird. Die zweite Kontaktfläche 33 liegt an einem vom Schleifring 18 seitlich abstehenden Kontaktteil 34 an. Das Kontaktteil 34 ist als ringförmige seitliche Verlängerung des Schleifrings 18 ausgebildet und übergreift einen im Durchmesser reduzierten Teil des Gehäuses 28 des Drehwinkelgebers 20, in welchem der Widerstand 29 mit seinen Kontaktelementen 30, 31 einliegt.
Der elektrische Widerstand 29 stellt eine elektrische Verbindung zwischen der Rotorwelle 8 bzw. der Rotormasse und dem Erregerkreis der Rotorwicklung her, so dass an der Rotorwelle 8 auftretende elektrische Wellenspannungen über den Widerstand 29 abgebaut werden können. Dadurch werden unerwünschte Spannungsspitzen an der Rotorwelle 8 und daraus resultierende Entladungen über die Kugellager 9, 10 sicher vermieden.
Der Drehwinkelgeber 20 besitzt im Ausführungsbeispiel zusätzlich ein im Gehäuse 28 angeordnete ferritische Abschirmung 35, die als metallischer Abschirmtopf ausgebildet ist und den Permanentmagneten 21 übergreift. Damit werden elektrische Störungseinflüsse auf die zur Drehwinkelbestimmung vorhandenen elektrischen Einrichtungen vermieden.
In 4 ist die Montage des Drehwinkelgebers 20 an der Rotorwelle 8 des Rotors 7 veranschaulicht. Der Drehwinkelgeber 20 wird in Pfeilrichtung 36 axial auf die Rotorwelle 8 aufgesteckt und dabei mittels Presspassung an dieser drehfest befestigt.
In 4 ist die ringförmige Ausbildung des am Schleifring 18 abstehenden Kontaktteils 34 ersichtlich, welches nach dem Aufstecken des Drehwinkelgebers 20 mit der Kontaktfläche 33 in elektrischem Kontakt steht.
Die 5 und 6 zeigen unterschiedliche Ansichten des Drehwinkelgebers 20, in dessen Gehäuse 28 der Permanentmagnet 21 einliegt. Die Kontaktfläche 33 ist Teil des Kontaktelements 31 des in Gehäuse 28 integrierten Widerstandes 29, der in 3 ersichtlich ist und elektrisch leitend mit dem Stift 27 verbunden ist.
Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel stellt eine mögliche Anordnung des elektrischen Widerstandes 29 im Drehwinkelgeber 20 dar. Der elektrische Widerstand 29 kann auch elektrisch leitend direkt mit der Rotorwelle 8 verbunden sein, wenn beispielsweise der Stift 27 als Fortsatz an der Rotorwelle 8 absteht. Auch in diesem Fall könnte durch ein axiales Aufsetzen des Drehwinkelgebers 20 eine Kontaktierung zwischen Rotorwelle 8 und dem Widerstand 29 hergestellt werden. Der zur Ableitung von Wellenspannungen verwendete Widerstand 29 kann als ohmscher Widerstand, als nichtlinearer Widerstand oder als Halbleiterelement ausgeführt sein. Der Widerstand 29 kann grundsätzlich auch in einem metallischen Gehäuse des Drehwinkelgebers 20 angeordnet werden, wenn entsprechende Isoliermaßnahmen im Bereich des Widerstandes 29 und dessen Kontaktelementen 30, 31 vorgesehen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3511755 A1 [0007]
DE 10118004 A1 [0008]
DE 10324619 A1 [0009]

Claims

Elektrische Maschine mit einem Stator (6) und einem Rotor (7), an dessen Rotorwelle (8) ein Drehwinkelgeber (20) angebracht ist, sowie mit einer zwischen Rotor (7) und Massepotential wirksamen Potentialausgleichsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass als Potentialausgleichsvorrichtung am Drehwinkelgeber (20) eine erste und eine zweite Kontaktfläche (32, 33) und ein zwischen den Kontaktflächen (32, 33) wirksamer elektrischer Widerstand (29) angebracht sind, und dass der elektrische Widerstand (29) einerseits über die erste Kontaktfläche (32) mit der Rotorwelle (8) und andererseits über die zweite Kontaktfläche (33) mit dem Erregerkreis der Rotorwicklung (14) elektrisch leitend verbunden ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand (29) im Gehäuse (28) des Drehwinkelgebers (20) integriert ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand (29) über die zweite Kontaktfläche (33) Kontakt zu einem Schleifring (18) einer zur Bestromung der Rotorwicklung (14) vorgesehenen Schleifringgruppe (19) hat.
Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite mit dem elektrischen Widerstand (29) leitend verbundene Kontaktfläche (33) an einem von einem Schleifring (18) abstehenden Kontaktteil (34) anliegt.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktfläche (32) an einem axial von der Rotorwelle (8) abstehenden Stift (27) anliegt, und das der Drehwinkelgeber (20) an dem Stift (27) drehfest befestigt ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktfläche (32) am Drehwinkelgeber (20) radial zur Mittelachse der Rotorwelle (8) ausgerichtet ist, und dass die zweite Kontaktfläche (33) am Drehwinkelgeber (20) radial entgegengesetzt zur ersten Kontaktfläche (32) ausgerichtet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkelgeber (20) ein Gehäuse (28) aus einem nicht leitenden Material hat.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand (29) als ein diskretes Bauelement ausgeführt ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Drehwinkelgeber (20) zwischen dem elektrischen Widerstand (29) und einem im Drehwinkelgeber (20) angeordneten Permanentmagneten (21) eine ferretische Abschirmung (35) integriert ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkelgeber (20) an der Rotorwelle (8) axial aufgesteckt und mittels Presspassung drehfest mit der Rotorwelle (8) verbunden ist.