DE102019134671B4

DE102019134671B4 - Filter für eine elektrische maschine

Info

Publication number: DE102019134671B4
Application number: DE102019134671.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Humbert; Baao Ngoc An
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2023-02-23
Anticipated expiration: 2039-12-18
Also published as: DE102019134671A1; CN114766075A; WO2021121469A1; US20230011426A1

Abstract

Filterelement (30) für eine elektrische Maschine (1), das mindestens einen Filter (3) umfasst, der eine Induktivität (5), die eine Spule (10) ist, und eine Kapazität (6) umfasst, wobei
die Spule (10) mehrere Wicklungen (12₁, 12₂, ,12_N) aufweist,
Windungen (9) der Wicklungen (12₁, 12₂, ,12_N) zumindest einen Leiter (20) umfassen,
eine Fläche (F) eines Leiters (20) gegenüber der Fläche (F) eines benachbarten Leiters (20) angeordnet ist,
der zumindest eine Leiter (20) flächig ausgebildet ist,
die Spule (10) selbst die Kapazität (6) des Filters (3) ausbildet, und
der Filter (3) an einem Statorring (32) derart angebracht ist, dass der Filter (3) mit dem Kern (11) mit dem Statorring (32) verbunden ist, so dass der Filter (3) zu einem Innenraum (34) des Statorrings (32) hin ausgerichtet ist oder dass der Filter (3) in den Statorring (32) eingesetzt ist und in Richtung einer Achse (A) des Statorrings (32) ausgerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Filterelement für eine elektrische Maschine.
Die Leistungselektronik, welche für den Betrieb bzw. die Ansteuerung einer elektrischen Maschine erforderlich ist, produziert Schaltverluste, die folglich Wärme entstehen lässt. Um diese Schaltverluste reduzieren zu können und höhere Spannungen zu ermöglichen, geht bei elektrischen Maschine nach dem Stand der Technik der Trend zum Einsatz von Siliziumkarbid Bauelementen (SiC).
Durch die geringen Schaltverluste bei steilen Schaltflanken entstehen Reflexionen im Kabel zwischen der Maschine und der Leistungselektronik, so dass Spannungsüberschwingungen an den Wicklungen der elektrischen Maschine entstehen, die sich negativ auf die Isolation der Wicklung auswirken und die Lebensdauer der Maschine reduzieren. Weiterhin ist die Ansteuerung des Motors mit der direkten Pulsweitenmodulation (PWM) aufgrund von Wirkungsgrad-Defiziten nicht optimal.
Zur Reduzierung der Lebensdauerrisiken des Motors kann die Leistungselektronik um eine Filterstufe ergänzt werden. Diese Ergänzung sieht mindestens eine Induktivität sowie eine Kapazität vor, die als separate Bauteile zusätzlich Bauraum benötigen und entsprechende Kosten verursachen. Zusätzlich entstehen Verluste in der Filterstufe, so dass diese Wärme im Filter abgeführt werden muss. Wird beispielsweise ein Sinusfilter eingesetzt, kann der harmonische Anteil in der Ausgangsspannung des Inverters minimiert werden und die Ausgangsspannung in ein nahezu sinusförmiges Signal umgewandelt werden, sodass die Verluste in der Maschine reduziert werden können.
Aus der DE 10 2014 009 175 B4 ist ein Filter für eine elektrische Maschine bekannt. Der Filter umfasst eine Induktivität, die eine Spule ist, und eine Kapazität. Die Spule weist mehrere Wicklungen auf. Windungen der Wicklungen umfassen zumindest einen Leiter. Eine Fläche eines Leiters ist gegenüber der Fläche eines benachbarten Leiters angeordnet.
Aus der DE 10 2013 114 352 A1 ist ein Filter bekannt. Der Filter umfasst eine Induktivität, die eine Spule ist, und eine Kapazität. Die Spule weist mehrere Wicklungen auf. Windungen der Wicklungen umfassen zumindest einen Leiter. Eine Fläche eines Leiters ist gegenüber der Fläche eines benachbarten Leiters angeordnet. Der zumindest eine Leiter ist flächig ausgebildet ist. Die Spule selbst bildet die Kapazität des Filters aus.
Bezüglich weiteren Standes der Technik wird auf die DE 196 28 897 C2 und die DE 198 42 523 A1 verwiesen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Filterelement für eine elektrische Maschine zu schaffen, das die notwendigen Induktivitäten und Kapazitäten umfasst und dabei die Kosten, die Kühlung, den Bauraum und die Lebensdauer der Isolation einer elektrischen Maschine optimiert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Filterelement für eine elektrische Maschine gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche enthalten jeweils vorteilhafte Weiterbildungen.
Das erfindungsgemäße Filterelement für eine elektrische Maschine ein Filter, das eine Induktivität, die eine Spule ist, und eine Kapazität umfasst. Die Spule weist mehrere Wicklungen auf, wobei jede Windung der Wicklungen der Spule zumindest einen Leiter umfasst, der flächig ausgebildet ist. Die Spule bildet dabei selbst die Kapazität des Filters aus, wobei hierzu eine Fläche eines Leiters gegenüber der Fläche eines benachbarten Leiters angeordnet ist. Der Leiter kann z.B. als Kupferblech oder als Draht mit rechteckigem Querschnitt aufgebaut sein. Die einzelnen Leitern sind durch Isolationsmaterial voneinander elektrisch isoliert. Als Insolationsmaterial können z.B. Isolationsfolien, Lachschichten, Keramiken, etc. verwendet werden. Ebenso ist es vorstellbar, dass Windungen der Wicklungen aus mehreren einzelnen Stücken der Leiter zusammengesetzt sind. Der Leiter unterscheidet sich in der Geometrie (Querschnitt) durch sein Verhältnis zwischen Breite und Höhe. Durch parallele und sich gegenüberliegende Flächen der Leiter werden die für den Filter ausreichend hohen Kapazitäten erzeugt.
Das erfindungsgemäße Filterelement umfasst mindestens den Filter, der wie oben beschrieben aufgebaut ist. Der Filter ist derart an einem Statorring angebracht, dass der Filter über den Kern mit dem Statorring verbunden ist. Der Filter ist zu einem Innenraum des Statorrings hin ausgerichtet oder der Filter ist in den Statorring eingesetzt und in Richtung einer Achse des Statorrings ausgerichtet.
Wenn z.B. mindestens drei Filter am Statorring vorgesehen sind, spricht man von einer drei-phasigen Realisierungsvariante. Der Stator einer elektrischen Maschine kann aus einem Blechstapel aus mehreren Statorringen aufgebaut werden. Der Statorring mit den Filtern kann direkt auf die Geometrie des Stators der elektrischen Maschine aufgebracht werden. Der Magnetkreis wird zur Sicherstellung des notwendigen Streuflusses offen dargestellt.
Entsprechend kann die Geometrie auch mehrphasig oder mit geschlossenem Magnetkreis realisiert werden. Je nach Geometrie der elektrischen Maschine und Anwendungsfall können mehrere dieser Filterelemente auch parallel zu einer Phase verschaltet werden. Durch die direkte Anbindung des Filterelements an das Eisen des Stators der elektrischen Maschine, werden die Filterelemente direkt durch die bestehende Kühlung der elektrischen Maschine gekühlt.
Der Innenraum bietet sich durch die bereits vorhandenen Enden der Wicklungen zur Integration der Leistungselektronik an. Dadurch entsteht ein kompakter Ring, der direkt am Motor befestigt werden kann.
Der Vorteil der Erfindung ist, dass durch die Integration der Filterelemente (zumindest von Filter und Spule) in oder an die elektrische Maschine, das System aus elektrischer Maschine und Filterelemente kompakter und kosteneffizienter, als die Lösungen des Standes der Technik ist.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Spule eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung. Die Windung der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung besteht aus einem einzigen Leiter.
Für den Fall, dass die Spule mit der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung um den Kern und einer definierten Rotationsachse herumgewickelt ist, werden beide Wicklungen von einer Isolationsschicht bzw. Isolationsmaterial voneinander isoliert. Beide Wicklungen werden um 180° phasenverschoben bestromt, um den magnetischen Fluss im Kern aus Eisen zu kompensieren, und um Sättigungseffekte im Kernmaterial zu vermeiden. Dies hat zur Folge, dass ein kompaktes Kernmaterial eingesetzt werden kann.
Der Filter kann neben einer rotationsymmetrischen Geometrie beliebige Anordnungen haben. Ebenso kann die Windungszahl variiert und auch mehrlagig ausgeführt werden.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung kann die Windung der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung mehrere separate Leiter umfassen. Die mehreren separaten Leiter bilden zusammen in jeder Windung die Fläche, welche zusammen mit anderen Flächen der Windungen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung die für den Filter erforderliche Kapazität ausbildet.
Neben der Ausführung mit zwei Wicklungen können auch mehrere Wicklungen verwendet werden. Dabei wird dann jeweils die Hälfte der Wicklungen parallel oder in Reihe verschaltet. Dadurch können Effekte, wie Proximity- und Skineffekt, reduziert werden. Zur weiteren Erhöhung der Kapazität können diese Wicklungen auch mehrlagig und versetzt angeordnet werden.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung kann die Spule aus einer ersten Wicklung, einer zweiten Wicklung, einer dritten Wicklung und einer vierten Wicklung bestehen. Jede Wicklung umfasst mehrere separate Leiter, die zusammen in jeder Windung die Fläche bilden, welche letztendlich die Kapazität des Filters bildet.
Die Windungen sämtlicher Wicklungen für die Spule des Filters sind um einen Kern gewickelt. Der Leiter einer jeden Wicklung ist durch ein Isolationsmaterial von den anderen Leitern isoliert, die die Leiter elektrisch voneinander zu isoliert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Leistungselektronik in einem von dem Statorring definierten Innenraum eingebaut werden. Der Statorring kann zusammen mit dem mindestens einen Filter am Stator der elektrischen Maschine montiert werden. Ebenso kann der Statorring zusammen mit dem Filter und der eingebauten Leistungselektronik am Stator der elektrischen Maschine montiert werden.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform kann die Spule aus Leitern bestehen, die flach und breit ausgeführt sind. Diese Leiter sind auf einer Stirnseite eines Stators der elektrischen Maschine in mehreren Lagen positioniert. Gemäß einer anderen Ausführungsform können die flachen und breiten Leiter auf eine Mantelfläche des Stators der elektrischen Maschine in mehreren Lagen gewickelt sein. Gemäß diesen Ausführungsformen stellen der mindestens eine Filter und der Stator der elektrischen Maschine das Filterelement dar.
Für eine mehrphasige elektrische Maschine müssen die Spulen aus den flachen und breiten Leitern mehrfach aufeinander platziert werden. Diese beiden Realisierungsmöglichkeiten erlauben es, ein großflächiges und kompaktes Spulen-Element mit einer vergleichsweise großen Kapazität zu realisieren. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Spulen bzw. Filter thermisch sehr gut an die elektrische Maschine angebunden sind.
Bevorzugt bestehen die flachen und breiten Leiter aus Kupfer.
Anhand der beigefügten Zeichnungen werden nun die Erfindung und ihre Vorteile durch Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dadurch die Erfindung auf das gezeigte Ausführungsbeispiel zu beschränken. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind.

1 zeigt eine schematische Anordnung des Standes der Technik von Leistungselektronik, Filter und elektrischer Maschine.
2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Anordnung von Leistungselektronik, Filter und elektrischer Maschine.
3 zeigt einen Querschnitt einer Spule (Induktivität), die beim erfindungsgemäßen Filter Einsatz findet.
4 zeigt eine Schnittansicht der Spule entlang der in 3 dargestellten Schnittlinie A-A.
5 zeigt schematisch den Querschnitt eines Leiters, mit dem die Spule des Filters gewickelt ist.
6 zeigt eine drei-phasige Realisierungsvariante des erfindungsgemäßen Filters, der direkt am Stator der elektrischen Maschine angebracht ist.
7 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsvariante des Filterelements;
8 zeigt zusätzlich eine mögliche Variante des Filterelements für eine elektrische Maschine.
9 zeigt die Draufsicht in axialer Richtung auf eine mögliche Ausführungsform für die Wicklung der Spule des Filters des Filterelements.
10 zeigt eine Seitenansicht auf die in 9 dargestellte Ausführungsform im Teilschnitt.
11 zeigt die Draufsicht in axialer Richtung auf eine weitere mögliche Ausführungsform für die Wicklung der Spule des Filters des Filterelements.
12 zeigt eine Seitenansicht auf die in 11 dargestellte Ausführungsform im Teilschnitt.
13 zeigt die Ausführungsform einer mehrlagigen Wicklung für die Ausbildung der Spule des Filters.
14 zeigt die Ausführungsform einer mehrlagigen Wicklung für die Ausbildung der Spule des Filters, wobei mehrere Wicklungen parallel geschaltet sind.
15 zeigt die weitere Ausführungsform einer mehrlagigen Wicklung für die Ausbildung der Spule des Filters, wobei mehrere Wicklungen parallel geschaltet, aber versetzt gewickelt sind.

Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die Figuren stellen lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, ohne jedoch die Erfindung auf die dargestellten Ausführungsbeispiele zu beschränken. Die dargestellten Figuren beanspruchen nicht die Vollständigkeit des Aufbaus einer elektrischen Maschine (E-Motor).
1 zeigt eine schematische Anordnung des Standes der Technik von Leistungselektronik 2 und elektrischer Maschine 1. Die Leistungselektronik 2 ist über ein Kabel 4 mit der elektrischen Maschine 1 verbunden. Zwischen der elektrischen Maschine 1 und der Leistungselektronik 2 kann ein Filter (hier nicht dargestellt) zwischengeschaltet sein. Der Filter 3 (siehe 2) umfasst mindestens eine Induktivität 5 sowie eine Kapazität 6, die als separate Bauteile zusätzlich Bauraum benötigen und entsprechende Kosten verursachen.
2 zeigt eine schematische Anordnung einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung von Leistungselektronik 2, Filter 3 und elektrischer Maschine 1. Die Leistungselektronik 2 ist über ein Kabel 4 mit der elektrischen Maschine 1 verbunden. Erfindungsgemäß ist der elektrischen Maschine 1 der Filter 3 zugeordnet. Der Filter 3 ist derart gestaltet, dass er eine Induktivität 5 sowie eine Kapazität 6 ausbildet. Die erfindungsgemäße Anordnung des erfindungsgemäßen Filters 3 an der elektrischen Maschine 1 hat den Vorteil, dass kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird.
3 zeigt einen Querschnitt durch eine Spule 10 (Induktivität), wie sie bei dem erfindungsgemäßen Filter 3 Einsatz findet. Die Spule 10 besitzt einen Kern 11, um den eine erste Wicklung 12₁ und einer zweite Wicklung 12₂ (siehe 4) gewickelt ist.
Wie bei der in 4 (Schnittansicht der Spule 10 entlang der in 3 dargestellten Schnittlinie A-A) gezeigten Ausführungsform zu erkennen ist, ist die Spule 10 aus einer ersten Wicklung 12₁ und einer zweiten Wicklung 12₂ aufgebaut, die sich entlang des Kerns 11 abwechseln. Eine Isolationsschicht 13 umgibt den Leiter 20 der Windungen 9 der ersten Wicklung 12₁ und der zweiten Wicklung 12₂ und isoliert diese somit voneinander. Die Isolationsmaterial 13 ist bei dieser Ausführungsform eine Lackschicht, die den Leiter 20 umgibt. Beide Wicklungen 12₁ und 12₂ werden um 180° phasenverschobenen bestromt, um den magnetischen Fluss im Kern 11 (Eisenkern) zu kompensieren, und um Sättigungseffekte im Material des Kerns 11 zu vermeiden. Dies bedeutet, dass ein kompaktes Material in den Kern 11 eingesetzt werden kann.
5 zeigt schematisch den Querschnitt eines Leiters 20 mit dem die Spule 10 des Filters 3 gewickelt ist. Der Leiter 20 ist bei dieser Ausführungsform analog wie der Lackdraht einer elektrischen Maschine aufgebaut und von einer Isolationsmaterial 13, das z.B. eine Lackschicht ist, umgeben. Es ist ebenfalls vorstellbar, dass das Isolationsmaterial 13 nicht zwangsweise um den Leiter 20 herum geschlossen ist. Die in 5 gezeigte Darstellung des Leiters 20 mit der Isolationsschicht soll nicht als Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden. Der Leiter 20 für den Filter 3 ist flächig ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Leiter 20 ein Verhältnis zwischen Breite B und Höhe H aufweist, dass die Breite B größer ist als die Höhe H des Leiters 20. Durch das Verhältnis zwischen der Breite B und der Höhe H resultieren gegenüberliegende, parallele Flächen F, die sich entlang der Länge (nicht dargestellt) des Leiters 20 erstrecken. Wie in 4 dargestellt, sind in der gewickelten Spule 10 die Flächen F jeweils zweier in der Spule 10 aufeinanderfolgender Leiter 20 gegenüberliegend. Dadurch bildet sich innerhalb der Spule 10 eine Kapazität aus. In der Spule 10 ist somit die Induktivität 5 und Kapazität 6 vereint.
6 zeigt eine drei-phasige Realisierungsvariante des erfindungsgemäßen Filters 3, der direkt am Stator (nicht dargestellt) der elektrischen Maschine 1 angebracht ist. Die Darstellung der 6 ist eine Seitenansicht des Aufbaus bestehend aus elektrischen Maschine 1 (nicht dargestellt) und Statorring 32.
Der Filter 3 kann neben der gezeigten rotationsymmetrischen Geometrie beliebige Anordnungen haben. Ebenso kann die Windungszahl variiert und auch mehrlagig (siehe hierzu 13 - 15) ausgeführt werden. Durch den bereits in 5 beschriebenen Aufbau des Filters 3 ergeben sich Vorteile bezüglich der Integration in die elektrische Maschine 1 (nicht dargestellt). Ähnlich wie die elektrische Maschine 1 (nicht dargestellt) kann ein mehrphasiges Filterelement 30 ähnlich wie der Stator 102 (siehe 9 bzw. 11) der elektrischen Maschine 1 (nicht dargestellt) aufgebaut sein.
Das Filterelement 30 ist bei der hier dargestellten Ausführungsform drei-phasig. Folglich sind drei Filter 3 an einem Statorring 32, der einen Innenraum 34 ausgebildet, derart angebracht, dass die Filter 3 in den Innenraum 34 hineinragen. Über den Kern 11 der Spule 10 ist somit jeder Filter 3 mit dem Statorring 32 verbunden. Der Statorring 32 ist direkt auf die Geometrie des Stators (nicht dargestellt) der elektrischen Maschine 1 aufgebracht. Der Statorring 32 ist in 6 zur Sicherstellung des notwendigen Streuflusses als offener Magnetkreis dargestellt. Der Statorring 32 kann auch mehrphasig oder mit geschlossenem Magnetkreis realisiert werden. Je nach Geometrie der elektrischen Maschine 1 und je nach Anwendungsfall, können mehrere dieser Filterelemente 30 auch parallel zu einer Phase verschaltet werden. Durch die direkte Anbindung an das Eisen des Stators werden die Filterelemente 30 direkt durch die bestehende Kühlung (nicht dargestellt) der elektrischen Maschine 1 gekühlt.
7 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsvariante des Filterelements 30. Hier ist der bei der Ausgestaltung des Filterelements 30 vorgesehene Innenraum 34 mit der Leistungselektronik 2 versehen. Der Innenraum 34 bietet sich für den Einbau der Leistungselektronik 2 an, da die bereits vorhandenen Enden 10E der Spule 10 auf den Innenraum 34 hinweisen. Die Enden 10E der Spule 10 können somit einfach mit der Leistungselektronik 2 verbunden werden. Durch den Einbau der Leistungselektronik 2 in den Innenraum 34 entsteht ein kompakter Ring, der ebenfalls direkt am Stator der elektrischen, Maschine 1 befestigt werden kann. Eine Integration der Leistungselektronik 2 ist nur dann sinnvoll, wenn die Magnetkreise geschlossen sind, um das EMV Problem zu vermeiden.
8 zeigt eine zusätzlich mögliche Variante des Filterelements 30 für eine elektrische Maschine 1. Durch die in 5 gezeigte Geometrie des Leiters 20 kann durch die flache Wicklung des Leiters 20 ein in Richtung der Achse A des Statorrings 32 bzw. der elektrischen Maschine 1, kurzer Filter 3 realisiert werden. Der Länge der Filter 3 entsprechen in etwa der Dicke des Statorrings 32 und können somit auch parallel zur Achse A, d.h. senkrecht zum Eisen des Stators 102 der elektrischen Maschine 1 angeordnet werden. Dabei zeigt 8 eine mögliche Geometrie für eine drei-phasige Radialflussmaschine mit jeweils zwei parallelen Filtern 3 (durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet). Der Innenraum 34 bietet wiederum den Bauraum für die Leistungselektronik (hier nicht dargestellt). Durch die direkte Anbindung des Filterelements 30 an den Stator der elektrischen Maschine 1, können Stromschienen, die die elektrische Maschine 1 mit der Leistungselektronik 2 verbinden, ersetzt werden.
Neben der in 8 beschriebenen Realisierung für eine Radialflussmaschine kann diese Erfindung auch für beliebige Varianten, wie z.B. Axialfluss- Transversalflussmaschinen oder Kombinationen mit beliebigen Verschaltungen, wie z.B. Stern/Dreieck, angewandt werden. Neben der Anwendung zur Integration von Filterelementen 30 sind die beschriebenen Ausführungsformen auch zur Integration für die Induktivitäten eines DC/DC-Wandlers denkbar.
9 zeigt eine mögliche Ausführungsform für die Wicklung der Spule 10 des Filters 3 des Filterelements 20 für die elektrische Maschine 1. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Rotor 101 und einen Stator 102. Im Stator 102 sind die Wickelköpfe 103 ausgebildet. Für die Wicklung der Spule 10 des Filters 3 der Ausführungsformen der 9 und 11 werden flache und breite Leiter 20, bevorzugt aus Kupfer, verwendet. Bei der in 9 gezeigten Ausführungsform sind diese direkt auf eine Stirnseite 104 des Stators 102 angebracht und um den Stator 102 gewickelt. Für eine mehrphasige elektrische Maschine 1 müssen diese Filter 3 mehrfach aufeinander platziert werden.
10 zeigt eine Seitenansicht auf die in 9 dargestellte Ausführungsform im Teilschnitt. Es ist zu erkennen, dass auf den Stator 102 mehrere Lagen 8₁, 8₂, ,8_N der Leiter 20 aufeinander platziert werden Diese beiden Realisierungsmöglichkeiten erlauben es, ein großflächiges und kompaktes Spulen-Element mit einer vergleichsweise größeren Kapazität zu realisieren.
11 zeigt eine Draufsicht in axialer Richtung auf eine weitere, mögliche Ausführungsform für die Wicklung der Spule 10 des Filters 3 des Filterelements 20.
12 zeigt eine Seitenansicht auf die in 11 dargestellte Ausführungsform im Teilschnitt. Für die Wicklung der Spule 10 des Filters 3 werden, wie bereits in der Beschreibung zu 9 erwähnt, flache und breite Leiter 20 (leitende Streifen, die auch aus mehreren Abschnitten bestehen können), bevorzugt aus Kupfer, verwendet. Bei der in 11 gezeigten Ausführungsform sind diese um die Mantelfläche 106 des Stators 102 der elektrischen Maschine 1 in mehreren Lagen 8₁, 8₂, ,8_N gewickelt. Für eine mehrphasige elektrische Maschine 1 müssen diese Filter 3 ebenfalls mehrfach aufeinander platziert werden. 11 zeigt eine Seitenansicht auf die in 12 dargestellte Ausführungsform im Teilschnitt. Es ist zu erkennen, dass auf die Mantelfläche 106 des Stators 102 der elektrischen Maschine 1 mehrere Lagen 8₁, 8₂, ,8_N der Leiter 20 gewickelt sind.
Diese beiden, in den 9 12 dargestellten, Realisierungsmöglichkeiten erlauben Filter 3 die eine großflächige und kompakte Spule 10 für den Filter 3 bzw. das Filterelement 30 umfassen. Hinzu kommt, dass der Filter 3 bzw. das Filterelement 30 mit einer größeren Kapazität realisiert werden kann, als dies bei den Filtern 3 bzw. Filterelementen 30 der Ausführungsformen der 5 und 13 15 der Fall ist. Ein weiterer Vorteil der Ausführungsformen der 9 und 11 besteht darin, dass die Filterelemente 30 thermisch sehr gut an die elektrische Maschine 1 angebunden sind.
13 zeigt die Ausführungsform einer mehrlagigen Wicklung, die aus mehreren Wicklungen 12₁, 12₂, ,12_N aufgebaut ist. Hier besteht die Spule 3 aus einer ersten Wicklung 12₁ und einer zweiten Wicklung 12₂.
14 zeigt die Ausführungsform einer mehrlagigen Wicklung, die gemäß der hier beschriebenen Ausführungsform aus einer ersten Wicklung 12₁, einer zweiten Wicklung 12₂, einer dritten Wicklung 12₃ und einer vierten Wicklung 12₄ besteht. Für die Ausbildung der Spule 10 des Filters 3 werden die erste Wicklung 12₁ und die zweite Wicklung 12₂ parallel geschaltet. Ebenso werden die dritte Wicklung 12₃ und die vierte Wicklung 12₄ parallel geschaltet. Die in 14 beschriebene Ausführungsform mit der ersten Wicklung 12₁, der zweiten Wicklung 12₂, der dritten Wicklung 12₃ und der vierten Wicklung 12₄ dient lediglich zur Beschreibung. Es sind auch mehr als vier Wicklungen 12₁, 12₂, ,12_N möglich. Die Wicklungen 12₁, 12₂, ,12_N können entweder parallel geschaltet werden, dies erfordert ein geradzahliges vielfaches, oder gleichmäßig phasenverschoben angesteuert werden, wie z.B. 5 phasig dann um 72 Grad phasenverschoben oder 12 phasig, dann 30 Grad phasenverschoben etc.
15 zeigt eine weitere Ausführungsform einer mehrlagigen Wicklung, die gemäß der hier beschriebenen Ausführungsform aus einer ersten Wicklung 12₁, einer zweiten Wicklung 12₂, einer dritten Wicklung 12₃ und einer vierten Wicklung 12₄ besteht. Für die Ausbildung der Spule 10 des Filters 3 werden die erste Wicklung 12₁ und die dritte Wicklung 12₃ parallel geschaltet. Ebenso werden die zweite Wicklung 12₂ und die vierte Wicklung 12₄ parallel geschaltet. Gemäß dieser Ausführungsform werden die erste Wicklung 12₁ und die dritte Wicklung 12₃ (Halbbrücke) sowie die zweite Wicklung 12₂ und die vierte Wicklung 12₄ (Halbbrücke) parallel geschaltet und um 180° phasenverschoben bestromt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden vier Phasen um jeweils 90° phasenverschoben bestromt (jeweils über eine Halbbrücke) und die erste Wicklung 12₁ und die dritte Wicklung 12₃ sind um 180° zueinander verschoben.
Wie aus den 13 15 zu erkennen ist, sind für die Ausbildung der Spule 10 des Filters 3 in einer der mehreren Wicklungen 12₁, 12₂, ,12_N der Spule 10 mehrere großflächige, dünne und breite Leiter 20 vorgesehen, die entsprechend der oben erwähnten Ausführungsformen verschaltet werden können. Wie bereits in 5 beschrieben, ist das Verhältnis zwischen der Breite B und Höhe H des D Leiters 20, dass die Breite B größer ist als die Höhe H (Dicke) des Leiters 20. Folglich werden für die Wicklung der Spule 10 flächige Leiter 20 verwendet. Erfindungsgemäß ist die dadurch ausgebildete Kapazität für die Funktion des Filters 3 bzw. Filterelements 30 relevant.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die in der voranstehenden Beschreibung erwähnte Anzahl der Wicklungen 12₁, 12₂, ,12_N lediglich zum Zwecke der Beschreibung dient und nicht als Beschränkung der Erfindung aufgefasst werden soll.
Es wird angenommen, dass die vorliegende Offenbarung und viele der darin erwähnten Vorteile durch die vorhergehende Beschreibung verständlich werden. Es ist offensichtlich, dass verschiedene Änderungen in Form, Konstruktion und Anordnung der Bauteile durchgeführt werden können, ohne von dem offenbarten Gegenstand abzuweichen. Die beschriebene Form ist lediglich erklärend, und es ist die Absicht der beigefügten Ansprüche, solche Änderungen zu umfassen und einzuschließen. Dementsprechend sollte der Umfang der Erfindung nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt sein.
Bezugszeichenliste

1: elektrische Maschine
2: Leistungselektronik
3: Filter
4: Kabel
5: Induktivität
6: Kapazität
81, 82, 8N: Lage
9: Windung
10: Spule
10E: Ende
11: Kern
121, 122, 12N: Wicklung
13: Isolationsmaterial
20: Leiter
30: Filterelement
32: Statorring
34: Innenraum
101: Rotor
102: Stator
103: Wickelköpfe
104: Stirnseite
106: Mantelfläche
A: Achse
A-A: Schnittlinie
B: Breite
F: Fläche
H: Höhe

Claims

Filterelement (30) für eine elektrische Maschine (1), das mindestens einen Filter (3) umfasst, der eine Induktivität (5), die eine Spule (10) ist, und eine Kapazität (6) umfasst, wobei die Spule (10) mehrere Wicklungen (12₁, 12₂, ,12_N) aufweist, Windungen (9) der Wicklungen (12₁, 12₂, ,12_N) zumindest einen Leiter (20) umfassen, eine Fläche (F) eines Leiters (20) gegenüber der Fläche (F) eines benachbarten Leiters (20) angeordnet ist, der zumindest eine Leiter (20) flächig ausgebildet ist, die Spule (10) selbst die Kapazität (6) des Filters (3) ausbildet, und der Filter (3) an einem Statorring (32) derart angebracht ist, dass der Filter (3) mit dem Kern (11) mit dem Statorring (32) verbunden ist, so dass der Filter (3) zu einem Innenraum (34) des Statorrings (32) hin ausgerichtet ist oder dass der Filter (3) in den Statorring (32) eingesetzt ist und in Richtung einer Achse (A) des Statorrings (32) ausgerichtet ist.
Filter (3) nach Anspruch 1, wobei die Spule (10) eine erste Wicklung (12₁) und eine zweite Wicklung (12₂) umfasst und die Windungen (9) der ersten Wicklung (12₁) und der zweiten Wicklung (12₂) aus einem einzigen Leiter (20) besteht.
Filter (3) nach Anspruch 2, wobei die Windung (9) der ersten Wicklung (12₁) und der zweiten Wicklung (12₂) aus mehreren separaten Leitern (20) besteht, die zusammen in jeder Windung (9) die Fläche (F) bilden.
Filter (3) nach Anspruch 1, wobei die Spule (10) eine erste Wicklung (12₁), eine zweite Wicklung (12₂), eine dritte Wicklung (12₃), und eine vierte Wicklung (12₄) umfasst, die jeweils aus mehreren separaten Leitern (20) bestehen, die zusammen in jeder Windung (9) die Fläche (F) bilden.
Filter (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Windungen (9) der Wicklungen (12₁, 12₂, ,12_N) für die Spule (10) des Filters (3) um einen Kern (11) gewickelt sind und der Leiter (20) einer jeden Wicklung (12₁, 12₂, ,12_N) mittels einem Isolationmaterial (13) von den anderen Leitern (20) getrennt ist.
Filterelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Statorring (32) einen Innenraum (34) definiert, in dem eine Leistungselektronik (2) eingebaut ist.
Filterelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Statorring (32) zusammen mit dem mindestens einen Filter (3) am Stator (102) der elektrischen Maschine (1) montiert ist.
Filterelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Spule (3) aus flachen und breiten Leitern (20) besteht, die auf einer Stirnseite (104) eines Stators (102) der elektrischen Maschine (1) in mehreren Lagen (8₁, 8₂, 8_N) positioniert sind oder aus flachen und breiten Leitern (20) besteht, die auf eine Mantelfläche (106) des Stators (102) der elektrischen Maschine (1) in mehreren Lagen (8₁, 8₂, 8_N) positioniert gewickelt sind.
Filterelement (30) nach Anspruch 8, wobei der mindestens eine Filter (3) und der Stator (102) der elektrischen Maschine (1) das Filterelement (30) bilden.