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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reduzieren von Wellenströmen bei einer elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine mit einer solchen Vorrichtung ausgestattete elektrische Maschine gemäß dem Anspruch 6 sowie ein mit einer entsprechenden elektrischen Maschine versehenes Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10.
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Bei elektrischen Maschinen entstehen in der Rotorwelle sogenannte Wellenströme durch elektromagnetische Strahlung, die vom Rotor und/oder Stator eingestreut wird. Ursache der Wellenströme sind genauer gesagt Phasenspannungen auf dem Stator, die kapazitiv auf den Rotor koppeln. Es ist bekannt, derartige Wellenströmen mit Vorrichtungen abzuleiten, die häufig als Wellenerdungsringe bezeichnet werden.
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Ein solcher Wellenerdungsring bildet einen Rückpfad für den Wellenstrom, der vom Rotor über die Rotorwelle aus der elektrischen Maschine fließt. Weil der Rotor, der Stator und das Motorgehäuse einen Serienresonanzkreis im mittleren MHz-Bereich (im allgemeinen 20-50 MHz, insbesondere 30/32 MHz) bilden, besteht der Nachteil, dass der Störstrom des Serienresonanzkreises über die Rotorwelle bzw. das Getriebe an den Abtriebswellen abgestrahlt wird. Dies kann dazu führen, dass wegen dieser Störstrahlung die Zulassung des entsprechenden Kraftfahrzeugs gefährdet wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dass vorgenannte Problem zu lösen und unerwünschte Abstrahlung von HF-Energie bei elektrischen Maschinen zu vermeiden bzw. so stark zu reduzieren, dass ein sicherer und energieeffizienter Betrieb einer elektrischen Maschine gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung zum Reduzieren von Wellenströmen bei einer elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1, einer mit einer solchen Vorrichtung ausgerüsteten elektrischen Maschine gemäß Anspruch 6 sowie einem Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10, das eine solche entsprechende elektrische Maschine aufweist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung zum Reduzieren von Wellenströmen bei einer elektrischen Maschine - die einen mit einer Rotorwelle verbundenen und mittels eines Lagers gelagerten Rotor enthält und in einem mit dem Lager verbundenen Gehäuse angeordnet ist, wobei das Gehäuse zusammen mit der Rotorwelle, dem Rotor, einem zugehörigen Stator und dem Lager eine Induktivität bildet und ein Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator eine Kapazität bildet, wobei die Induktivität und die Kapazität einen Resonanzkreis bilden - einen Dämpferkörper, der bezüglich der Axialrichtung der Rotorwelle zwischen dem Rotor und dem Lager befestigt werden kann und darüber hinaus so beschaffen ist, dass er einen ohmschen Widerstand gegen in ihm induzierte Ströme bildet, der so groß ist, dass durch die resultierende Bedämpfung des Resonanzkreises bzw. des Verstimmens des Resonanzkreises die Güte des Resonanzkreises um mindestens den Faktor 2 reduziert wird. Hierdurch wird somit die Anregung von parasitären Resonanzen - beispielsweise in einem Kraftfahrzeug - verhindert.
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Es versteht sich, dass die Bemessung bzw. Optimierung der Ausgestaltung des Dämpferkörpers ausgehend von der Güte des Resonanzkreises und abhängig davon vorgenommen werden kann, wie viel Strom am Wellenerdungsring bzw. am Lager zulässig ist. In anderen Worten wird die Optimierung vorzugsweise ausgehend vom zulässigen bzw. gewünschten Strom am Wellenausgang vorgenommen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit ihrem Dämpferkörper reduziert somit den Wellenstrom und die resultierende abgestrahlte HF-Energie erheblich. Dadurch kann beispielsweise darauf verzichtet werden, einen Wellenerdungsring vorzusehen. In anderen Worten werden erfindungsgemäß vagabundierende HF-Ströme an der Quelle - nämlich der elektrischen Maschine - zuverlässig vermieden, weshalb nur wenig (oder überhaupt keine) HF-Energie von der elektrischen Maschine abgestrahlt wird.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann der Dämpferkörper unmittelbar auf der Rotorwelle angebracht werden. Dadurch wirken sich die bei der rotierenden Rotorwelle auftretenden Fliehkräfte nicht mehr als nötig aus. Alternativ (oder zusätzlich) kann der Dämpferkörper auch am Gehäuse - und damit nicht mitdrehend - befestigt werden, weil die induktive Wirkung auch dann gegeben ist, wenn sich die Rotorwelle im Dämpferkörper dreht und der Dämpferkörper orts- und drehfest am Gehäuse befestigt ist, beispielsweise als Ring mit kleinem Abstand von der Rotorwelle.
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Des Weiteren kann es von Vorteil sein, den Dämpferkörper in Form eines Zylinderrings so auszugestalten, dass die Achse des Zylinderrings und die Achse der Rotorwelle zusammenfallen. Eine derartige Vorrichtung ist einfach zu montieren und auf der Rotorwelle zu befestigen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Dämpferkörper aus einem Ferrit und/oder aus einem nanokristallinen Material (auch als Nanoferrit bezeichnet) gebildet. Ferrite sind für den Einsatz bei Magneten und Motoren bekannt, da sie magnetisierbar sind und insbesondere leicht ummagnetisiert werden können. Hinsichtlich der Verwendung von Nanoferrit ist bekannt, dass ein beispielsweise 30-35 µm dickes Band aus nanokristallinem Material aufgewickelt und anschließend thermisch behandelt wird. Hinsichtlich der Einsetzbarkeit bei der vorliegenden Erfindung ist entscheidend, dass solche magnetisch leitenden Materialien bei der gewünschten Frequenz wie beispielsweise 30 MHz einen großen ohmschen Widerstand aufweisen.
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Es ist weiter vorteilhaft, wenn der Dämpferkörper so beschaffen ist, dass die Güte des Resonanzkreises um mindestens den Faktor 5, vorzugsweise um mindestens den Faktor 10, reduziert wird.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine gelöst, die eine vorgenannte Vorrichtung mit Dämpferkörper enthält. Die vorstehend erläuterten Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelten auch bei einer entsprechenden elektrischen Maschine und werden daher nicht erneut erörtert.
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Es kann von Vorteil sein, wenn die Vorrichtung - bezogen auf die Axialrichtung der Rotorwelle - auf der Kraftabtriebsseite des Rotors angeordnet ist, da hierdurch die Ableitung der Wellenströme effizienter erfolgen kann, als wenn die Vorrichtung auf der entgegengesetzten Seite des Rotors angeordnet wäre.
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Die Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Dämpfung des Resonanzkreises wird noch weiter gesteigert, wenn in der Nähe des Lagers, bei dem sich die Vorrichtung befindet, ein Wellenerdungsring vorgesehen ist, der die Rotorwelle und das Gehäuse elektrisch miteinander verbindet.
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Eine besonders wichtige Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt bei einer elektrischen Maschine vor, deren Rotor über Schleifringe mit Gleichstrom, vorzugsweise mit pulsweitenmoduliertem Erregerstrom, versorgt ist und sie als eine stromerregte oder mittels eines Permanentmagneten erregte, Synchronmaschine oder Asynchronmaschine ausgestaltet ist. So liegen beispielsweise bei einer stromerregten Synchronmaschine zwei Anregungsquellen vor: zum einen die eingangs genannte Einstreuung vom Stator, und zum anderen eine Anregung aufgrund von pulsweitenmoduliertem Erregerstrom auf dem Rotor. Bei der stromerregten Synchronmaschine wird ein Gleichstrom über zwei Schleifringe auf eine einfache Erregerwicklung eingeprägt - erzeugt und veränderbar durch Pulsweitenmodulation. Es ist auch möglich, mit einer B6-Brücke auf einen dreiphasig gewickelten Drehstrommotor mit drei Schleifringen Drehstrom einzuprägen. Die Asynchronmaschine weist einen Kurzschlusskäfig auf und braucht somit keine Schleifringe; ebenso die Permanentmagnetmaschine. Auch hier wird über die Rotorwicklung durch die hohe Spannungsänderung von der Pulsweitenmodulation des Erregerstromstellers kapazitiv Strom in die Rotorwelle gekoppelt, was zu der bereits beschriebenen Anregung des Resonanzkreises führt. In diesem Fall ist es ratsam, zusätzlich den Wellenerdungsring vorzusehen, weil die Kopplungskapazität Rotorwicklung-Rotor erheblich stärker ist als die Kopplung Stator-Rotor. Diese Methode ist zwar etwas aufwendiger, als nur gemäß der vorliegenden Erfindung den Dämpferkörper vorzusehen, aber die definierte Schließung des Resonanzkreises an der elektrischen Maschine bietet die Vorteile, dass der Resonanzstrom einen definierten Pfad erhält und durch die kombinierte Wirkung des Dämpferkörpers mit dem Wellenerdungsring die Resonanz so stark gedämpft werden kann, dass sie praktisch nicht mehr auftritt.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Kraftfahrzeug gemäß dem Anspruch 10. Dementsprechend ergeben sich auch gleiche oder ähnliche Vorteile wie die in Verbindung mit dem vorstehend Beschriebenen, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und der elektrischen Maschine verwiesen wird.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einen Halbquerschnitt durch eine typische elektrische Maschine in einem Kraftfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung; und
- 2 ein Ersatzschaltbild des gemäß der vorliegenden Erfindung gedämpften Resonanzkreises.
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In 1 ist eine Ausführungsform einer elektrischen Maschine 12 in einem nur schematisch bezeichneten Kraftfahrzeug 10 dargestellt. Die elektrische Maschine 12 ist typischerweise ein Elektromotor oder ein Generator. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird nachstehend davon ausgegangen, dass die elektrische Maschine 12 ein Elektromotor für ein Kraftfahrzeug 10 ist.
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Die elektrische Maschine 12 umfasst einen Rotor 15, der auf einer Rotorwelle 14 fest angeordnet ist und über nur schematisch angegebene Schleifringe 19 elektrisch versorgt wird. Alternativ kann die Versorgung auch drahtlos erfolgen. Die elektrische Maschine 12 umfasst des Weiteren einen Stator 16, der mittels Wickelköpfen 17 elektrisch versorgt wird, wobei schematisch die drei Anschlüsse U, V, W eines typischen Drehstrommotors gezeigt sind. Die Rotorwelle 14 ist von einem (ersten) Lager 32 sowie einem (zweiten) Lager 34 gelagert, wobei nachstehend in allgemeiner Form meist von „dem“ Lager 32 gesprochen wird. Die elektrische Maschine 12 ist in einem Gehäuse 30 untergebracht, welches an den Lagern 32, 34 befestigt ist. An der Außenseite des Gehäuses 30 ist ein Wellenerdungsring 38 vorgesehen, der das Gehäuse 30 mit der Rotorwelle 14 elektrisch verbindet, um gegebenenfalls durch eingestreute Störspannungen verursachte Ströme abfließen lassen zu können.
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Bei Betrachtung der elektrischen Verhältnisse ist ersichtlich, dass sich zwischen dem Rotor 15 und dem Stator 16 ein Spalt (Luftspalt) 18 befindet, der eine dort symbolisch angegebene elektrische Kapazität CRS zwischen dem Rotor (bzw. dessen Außenfläche) und dem Stator (bzw. dessen Innenfläche) aufweist. Ferner bildet sich aufgrund der Geometrie der Anordnung die folgende Induktivität L: Stator 16 - Gehäuse 30 - Wellenerdungsring 38 - Rotorwelle 14 (Wellenstück vom Wellenerdungsring 38 bis zum Rotor 15) - Rotor 15. Die Kapazität CRS und die Induktivität L bilden einen Schwingkreis bzw. Resonanzkreis mit relativ hoher Güte. Dies hat zur Folge, dass der auftretende Strom sich selbst ohne Wellenerdungsring einen Weg bzw. einen Rückweg - notfalls durch das hier nicht dargestellte Getriebe - sucht. Diese Situation des Resonanzkreises ist in dem Ersatzschaltbild von 2 dargestellt. Die Anregung dieses Resonanzkreises erfolgt durch das beim Betrieb - sei es nun bei einer elektrischen Maschine oder in einem Generator - unvermeidbar hohe dU/dt (also die Spannungsänderung), das bzw. die an den Anschlüssen U, V, W anliegt und somit in den Wicklungen auftritt und durch die Nuten die Kapazität CRS und somit den Resonanzkreis mit Energie versorgt.
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Um den Resonanzkreis erfindungsgemäß stark zu bekämpfen, ist eine Vorrichtung 20 vorgesehen, um die Wellenströme zu reduzieren. Die Vorrichtung 20 umfasst einen (oder mehrere) Dämpferkörper 22, der bzw. die, in Axialrichtung der Rotorwelle 14 gesehen, zwischen dem Rotor 15 und dem Lager 32 direkt auf der Rotorwelle 14 angebracht ist (bzw. sind). Nachstehend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit von einem einzigen Dämpferkörper 22 ausgegangen, der beispielsweise als fest mit der Rotorwelle 14 verbundener Zylinderring ausgestaltet ist. Der Dämpferkörper 22 ist aus einem Ferrit oder einem nanokristallinen Material gebildet. Der Dämpferkörper 22 ist so ausgestaltet, dass er bei den im Betrieb der elektrischen Maschine 12 auftretenden Frequenzen von beispielsweise 30 MHz einen hohen ohmschen Widerstand erzeugt, wodurch aufgrund der dadurch bewirkten Verluste die Güte des Resonanzkreises schwindet. Hierdurch wird der Resonanzkreis bedämpft und kann nicht mehr so viel bzw. fast gar keine Hochfrequenz-Energie mehr aufnehmen bzw. abstrahlen. Dieser Effekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 mit ihrem Dämpferkörper 22 ist durch ein entsprechendes Widerstandssymbol im Ersatzschaltbild von 2 dargestellt.
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Bei der obigen Ausführungsform wurde davon ausgegangen, dass sich der Rotor radial innen und der Stator radial außen befindet. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung auch bei radial innen befindlichem Stator und radial außen befindlichem Rotor einsetzbar ist.
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Bei der obigen Ausführungsform wurde ferner davon ausgegangen, dass sowohl die erfindungsgemäße Vorrichtung 20 mit Dämpferkörper 22 als auch ein Wellenerdungsring 38 vorgesehen sind. Bei einer entsprechend optimierten Abstimmung zwischen diesen beiden Komponenten ergibt sich ein Kosteneinsparungspotenzial insofern, als ein kostengünstiger Wellenerdungsring verwendet werden kann, der keine hochwertigen und damit kostenträchtigen Eigenschaften hinsichtlich des Stromtransports aufweisen muss. Außerdem bietet dies den Vorteil einer großen Wahlfreiheit bei der Beschaffung bzw. Verwendung entsprechender Wellenerdungsringe.
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Es sei aber auch betont, dass gegebenenfalls auf einen Wellenerdungsring verzichtet werden kann, da durch die erfindungsgemäße erfolgte Bedämpfung des Resonanzkreises gar keine oder keine besonders gute Ableitung von Wellenströmen erforderlich ist, da diese nicht in störendem Ausmaß auftreten.
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Es ist festzuhalten, dass die unter Bezug auf einzelne Ausführungsformen bzw. Varianten beschriebenen Merkmale der Erfindung, wie beispielsweise Art und Ausgestaltung des Dämpferkörpers und weiterer Komponenten sowie deren räumliche Anordnung, auch bei anderen Ausführungsformen vorhanden sein können, außer wenn es anders angegeben ist oder sich aus technischen Gründen von selbst verbietet. Von derartigen, in Kombination beschriebenen, Merkmalen einzelner Ausführungsformen müssen außerdem nicht notwendigerweise immer alle Merkmale in einer betreffenden Ausführungsform realisiert sein.
