DE102021208058B3

DE102021208058B3 - Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102021208058B3
Application number: DE102021208058.8A
Authority: DE
Inventors: Michel Wetterau
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2022-11-17
Anticipated expiration: 2041-07-28
Also published as: US20240223050A1; WO2023006342A1; CN117642970A

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, welche einen in einer Führungshülse (1) axial verschiebbar angeordneten elektrisch leitenden Kontaktstift (2) umfasst, der durch die Kraft einer in der Führungshülse (1) vorgesehenen elektrisch leitenden Federanordnung auf die Rotorwelle gedrückt wird, wobei die Führungshülse (1) eine Kontaktfläche zur elektrischen Verbindung mit dem Stator der elektrischen Maschine aufweist und wobei die Federanordnung als Parallelschaltung zweier gegensinnig gewickelter elektrisch leitender Schraubenfedern (4, 5) ausgeführt ist und eine Kontraspule bildet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei elektrifizierten Antriebssträngen entsteht durch die Elektromaschine ein ungewünschter, parasitärer Stromfluss über die Rotorwelle. Dieser parasitäre Strom kann in einen hochfrequenten Anteil (kapazitiver Verschiebungsstrom) mit wenigen mA und einen niederfrequenten Anteil (zirkularer Maschinenstrom) mit mehreren Ampere unterteilt werden. Sowohl der hochfrequente als auch der niederfrequente Anteil haben einen negativen Einfluss auf die Qualität der Produkte, da der hochfrequente Anteil u.a. andere elektronische Komponenten, beispielsweise Radios stören kann, wobei der niederfrequente Anteil Lager und mechanische Komponenten schädigen und die Laufleistung des Antriebs stark reduzieren kann
Da der parasitäre Stromfluss nicht vermieden werden kann, sind aus dem Stand der Technik Möglichkeiten bekannt, um den Stromfluss gezielt zu leiten bzw. auf kürzestem Weg zurück zur Störquelle zu führen, um dadurch die schädigenden und störenden Effekte zu minimieren. Beispielsweise sind Lager bekannt, welche gezielt dem Stromfluss ausgesetzt werden und verschleißen, um andere Komponenten zu schützen. Ferner ist bekannt, Wellendichtringe aus leitfähigem Vlies, Wellenerdungsringe sowie Wellenerdungsstifte zu verwenden, um den parasitären Stromfluss gezielt zu leiten.
Aus der DE 10 2016 213 653 A1 , welche die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 offenbart, ist eine Ableiteinrichtung zur Ableitung elektrischer Störungen, insbesondere Ströme, von einem insbesondere als Welle ausgebildeten Rotorteil einer Maschine in einen Statorteil der Maschine bekannt, mit einer Kontakteinrichtung, umfassend ein in einer Führungseinrichtung axial verschiebbar aufgenommenes Kontaktelement, welches mittels einer Kontaktkrafteinrichtung zur Ausbildung einer Wellenkontaktkraft für einen elektrischen Kontakt zwischen einer Wellenkontaktfläche des Kontaktelements und einer Rotorkontaktfläche der Welle beaufschlagt wird. Hierbei ist vorgesehen, dass die Führungseinrichtung eine Statorkontaktfläche zur elektrischen Verbindung mit dem Statorteil aufweist und dass die Ableiteinrichtung eine Führungskontaktkrafteinrichtung zur Erzeugung einer Führungskontaktkraft zwischen einer Führungskontaktfläche des Kontaktelements und der elektrisch mit dem Statorteil verbundenen Statorkontaktfläche aufweist. Durch diese Konzeption wird das als Stift ausgeführte Kontaktelement durch die als Schraubenfeder ausgeführte Kontaktkrafteinrichtung auf die Rotorwelle gedrückt und bietet auf diese Weise dem parasitären Strom einen Ableitpfad.
Die Impedanz des Ableitpfades wird durch die Impedanz des Stiftes aus leitfähigem Material und die Impedanz der Schraubenfeder bestimmt. Bei hohen Frequenzen kommt der induktive Anteil der Schraubenfeder zum Tragen und bestimmt maßgeblich die Gesamtimpedanz; somit wirkt die Ableiteinrichtung vorrangig im unteren Frequenzbereich.
Ferner geht aus der EP 2 140 526 A1 eine Abgreifeinrichtung zum Abgreifen einer elektrischen Spannung von einer Welle einer elektrischen Maschine, wobei die Abgreifeinrichtung einen Bürstenhalter aufweist, der aus elektrisch leitendem Material besteht und mit einem Grundkörper der elektrischen Maschine verbindbar ist. Die bekannte Abgreifeinrichtung weist eine Bürste auf, welche aus elektrisch leitendem Material besteht, wobei der Bürstenhalter eine Bürstenführung aufweist, in der die Bürste verschieblieh geführt ist, so dass die Bürste über eine Federkraft an die Welle andrückbar ist. Hierbei ist die Bürste mit dem Bürstenhalter elektrisch leitend verbunden, wobei zwischen der Bürste und der Bürstenführung ein elektrisch isolierendes Zwischenelement angeordnet ist, so dass kein unmittelbarer elektrischer Kontakt zwischen der Bürste und der Bürstenführung besteht.
Die DE 10 2007 050 803 A1 beschreibt eine Bürstenvorrichtung für eine Elektromaschine mit einer Bürstenfassung, mit einer darin untergebrachten Bürste sowie mit einer ersten und einer zweiten Feder. Die beiden Federn spannen die Bürste gegen einen Kommutator vor.
Die DE 26 32 013 C2 beschreibt einen langsam laufenden kollektorlosen Gleichstrommotor mit einem Scheibenrotor. Koaxial zur Welle des Scheibenrotors ist ein Tachogenerator angeordnet, der eine zur Welle koaxiale Messspule aufweist, in welcher durch mit ihr verkettete drehzahlabhängige Magnetflussänderungen einer Spannung induzierbar ist. Parallel zur Messspule ist eine koaxiale Kompensationsspule vorgesehen, welche im Wesentlichen mit denselben Streuflüssen verkettet ist wie die Messspule.
Die DE 72 35 772 U beschreibt eine Einrichtung zur induktiven Übertragung von Daten zwischen einem feststehenden und einem rotierenden Teil von schleifringlosen, mit umlaufenden Thyristoren regelbaren Synchrongeneratoren. Zur wechselseitigen und gleichzeitigen Datenübertragung sind zweckmäßig jeweils zwei Sende- und Empfangsspulenanordnungen vorgesehen, von denen die eine Spulenanordnung Steuersignale von einer ortsfesten Steuerstelle zum Läufer und die andere Spulenanordnung Messdaten vom Läufer zu einer ortsfesten Überwachungsstelle überträgt. Die Sendespulen und die Empfangsspulen sind gegensinnig hintereinandergeschaltet, um etwaige Störspannungen eines von außen einwirkenden Störfeldes eliminieren zu können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Demnach wird eine Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, welche einen in einer Führungshülse axial verschiebbar angeordneten elektrisch leitenden Kontaktstift aufweist, der durch die Kraft einer in der Führungshülse vorgesehenen elektrisch leitenden Federanordnung auf die Rotorwelle gedrückt wird, wobei die Führungshülse eine Kontaktfläche zur elektrischen Verbindung mit dem Stator der elektrischen Maschine aufweist, wobei die Federanordnung als Parallelschaltung zweier gegensinnig gewickelter elektrisch leitender Schraubenfedern ausgeführt ist und eine so genannte Kontraspule bildet.
Durch die erfindungsgemäße Konzeption wird der Vorteil erzielt, dass die Induktivität der Federanordnung nur ein Viertel der Induktivität der aus dem Stand der Technik bekannten Federanordnung umfassend eine Schraubenfeder gleicher Induktivität wie die Induktivität der einzelnen Spulen der erfindungsgemäßen Federanordnung beträgt, was dazu führt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine aufgrund der geringen Impedanz nicht nur im unteren Frequenzbereich sondern auch über einen deutlich höheren Frequenzbereich wirkt.
Vorzugsweise weisen die gegensinnig gewickelten Schraubenfedern die gleiche Induktivität auf.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert, wobei lediglich die Merkmale detailliert beschrieben werden, die für die vorliegende Erfindung von Bedeutung sind und für gleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Es zeigen:

1: Eine schematische Schnittansicht einer nach dem Stand der Technik ausgeführten Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine und das korrespondierende elektrische Ersatzschaltbild; und
2: Eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäß ausgeführten Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine und das korrespondierende elektrische Ersatzschaltbild.

In 1 ist eine nach dem Stand der Technik ausgeführte Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine dargestellt. Sie umfasst einen in einer Führungshülse 1 axial verschiebbar angeordneten elektrisch leitenden Kontaktstift 2, welcher durch die Kraft einer in der Führungshülse 1 vorgesehenen elektrisch leitenden Schraubenfeder 3 auf die nicht dargestellte Rotorwelle gedrückt wird; die Führungshülse 1 weist eine Kontaktfläche zur elektrischen Verbindung mit dem Stator der elektrischen Maschine auf. Im unteren Teil der 1 ist das elektrische Ersatzschaltbild dieser Anordnung dargestellt; es entspricht einer Reihenschaltung eines ohmschen Widerstands R und einer Spule mit der Induktivität L.
Gemäß der Erfindung und bezugnehmend auf 2 wird eine Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, welche einen in einer Führungshülse 1 axial verschiebbar angeordneten elektrisch leitenden Kontaktstift 2 aufweist, der durch die Kraft einer in der Führungshülse 1 vorgesehenen elektrisch leitenden Federanordnung auf die Rotorwelle gedrückt wird. Der Kontaktstift 2 kann beispielweise aus Graphit hergestellt sein.
Die Führungshülse 1 weist eine Kontaktfläche zur elektrischen Verbindung mit dem Stator der elektrischen Maschine auf, wobei gemäß der Erfindung die Federanordnung als Parallelschaltung zweier gegensinnig gewickelter, elektrisch leitender Schraubenfedern 4, 5 mit den Induktivitäten L1 bzw. L2 ausgeführt ist und eine Kontraspule bildet.
Bezugnehmend auf den unteren Teil der 2, welcher das elektrische Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung darstellt, ist ersichtlich, dass die Induktivität der Federanordnung aufgrund der Parallelschaltung der zwei gegensinnig gewickelten Schraubenfedern 4, 5 nur ein Viertel der Induktivität der aus dem Stand der Technik bekannten Federanordnung gemäß 1 mit einer Schraubenfeder 3 gleicher Induktivität wie die Induktivität L1, L2 der einzelnen Spulen der erfindungsgemäßen Federanordnung beträgt.
Dies resultiert in dem Vorteil, dass mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine auch Ströme mit einem hochfrequenten Anteil abgeleitet werden können.
Bezugszeichenliste

1: Führungshülse
2: Kontaktstift
3: Schraubenfeder
4: Schraubenfeder
5: Schraubenfeder
R: Ohmscher Widerstand
L: Induktivität
L1: Induktivität
L2: Induktivität

Claims

Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine, umfassend einen in einer Führungshülse (1) axial verschiebbar angeordneten elektrisch leitenden Kontaktstift (2), welcher durch die Kraft einer in der Führungshülse (1) vorgesehenen elektrisch leitenden Federanordnung auf die Rotorwelle gedrückt wird, wobei die Führungshülse (1) eine Kontaktfläche zur elektrischen Verbindung mit dem Stator der elektrischen Maschine aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung als Parallelschaltung zweier gegensinnig gewickelter elektrisch leitender Schraubenfedern (4, 5) ausgeführt ist und eine Kontraspule bildet.
Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden gegensinnig gewickelten Schraubenfedern (4, 5) die gleiche Induktivität aufweisen.
Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktstift (2) aus Graphit hergestellt ist.