EP4699210A1

EP4699210A1 - E-maschine mit einer abschirmstruktur zur reduktion einer kapazitiven kopplung in dieser sowie eine axialflussmaschine mit der abschirmstruktur

Info

Publication number: EP4699210A1
Application number: EP24723461.0A
Authority: EP
Inventors: Holger Witt; Dominik Stretz
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2023-04-19
Filing date: 2024-04-19
Publication date: 2026-02-25
Also published as: DE102023109815A1; CN120958702A; WO2024217635A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine E-Maschine mit einer Abschirmstruktur (1) zur Reduktion einer kapazitiven Kopplung in einer elektrischen Maschine (2), insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, wobei die elektrische Maschine einen Rotor (3) und einen Stator (4) aufweist, wobei der Stator (4) und der Rotor (3) durch einen zwischen einer dem Rotor (3) nächstgelegenen Außenkontur des Stators (4) und einer dem Stator (4) nächstgelegenen Außenkontur des Rotors (3) definierten Luftspalt (5) voneinander beabstandet angeordnet sind und der Stator (4) Wickelköpfe (6) aufweist, wobei die Abschirmstruktur (1) an einem Gehäuse (7) der elektrischen Maschine (2) oder mit der Masse der elektrischen Maschine (2) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmstruktur (1) im Luftspalt (5) liegt und/oder die Abschirmstruktur (1) die Wickelköpfe (6) des Stators (4) umfasst.

Description

E-Maschine mit einer Abschirmstruktur zur Reduktion einer kapazitiven Kopplung in dieser sowie eine Axialflussmaschine mit der Abschirmstruktur

Die Erfindung betrifft eine E-Maschine mir einer Abschirmstruktur zur Reduktion einer kapazitiven Kopplung in einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, wobei die elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator aufweist, wobei der Stator und der Rotor durch einen zwischen einer dem Rotor nächstgelegenen Außenkontur des Stators und einer dem Stator nächstgelegenen Außenkontur des Rotors definierten Luftspalt voneinander beabstandet angeordnet sind und der Stator Wickelköpfe aufweist, wobei die Abschirmstruktur an einem Gehäuse der elektrischen Maschine oder mit der Masse der elektrischen Maschine gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Axialflussmaschine mit erfindungsgemäßer Abschirmstruktur.

Die Entwicklung elektrischer Antriebe konzentriert sich mehr und mehr auf die Effizienz, wobei das größte Potenzial in der Verbesserung der Wechselrichtertechnologie liegt. Die Verbesserung der Leistungsmodultechnologie geht derweil mit großen technischen Herausforderungen einher. Erhöhte parasitäre Ströme im System sind eines dieser Herausforderungen, die nicht nur für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) problematisch sind. Diese parasitären Ströme verursachen auch verschiedenen Arten von Lagerströmen, die zu einer reduzierten Lebensdauer der Lager und schließlich zu einem vorzeitigen Ausfall des Systems führen können.

Dabei werden drei Arten von Lagerströmen unterschieden, die in umrichtergespeisten elektrischen Antriebssträngen auftreten können, welche in die Funkenerosionsströme (EDM), kreisförmige Ströme und Rotor-Erd-Ströme gegliedert werden. Der Grund für all diese Ströme ist der Wechselrichter, der keine kontinuierlichen Spannungspegel für den Antrieb des Motors bereitstellt. Die Schalter im Leistungsmodul des Wechselrichters springen nur zwischen den Spannungspegeln (+ und -) der Batterie, um sinusförmige Ströme zu erzeugen. Durch diese Schaltmethode entsteht eine Gleichtaktspannung, die für die Lagerströme verantwortlich ist. Diese Wellenspannung verursacht ein elektrisches Feld zwischen dem Rotor und dem Stator bzw. der Masse. Aufgrund dieser kapazitiven Kopplungen zwischen den Wicklungen des Stators und der Rotorwelle entstehen bei elektrischen Maschinen Spannungspotentiale an der Welle. Diese Spannungspotentiale führen zu Funkenentladungen in den Lagern und zu Ableitströmen über die Lager, welche die Lager zerstören können.

Es sind bereits Maßnahmen gegen Funkenentladungen und Lagerströme bekannt wie beispielsweise die Erdung der Rotorwelle über spezielle Kontaktierungsbürsten, Isolierungen der Lager z.B. über Keramik-Kugeln, oder der Isolierung der Innenoder Außenringe der Lager.

Eine weitere Maßnahme ist in Form einer Integration einer elektrischen Abschirmung aus der DE 10 2017 208634 A1 bekannt. Bei einer Radial-Fluss- Maschine (RFM) wird die bestimmende Kapazität zwischen Wicklung und Rotorwelle durch die Kupfer-Leiter in den Wickelnuten gebildet. Daher beschreibt DE 10 2017 208634 A1 einen Nutverschluss in Form eines Deckschiebers mit integrierter elektrostatischer Abschirmung zwischen den Kupfer-Leitern in den Wickelnuten und dem Rotor um die Wellen-Spannungen zu reduzieren.

Bei einer Axialflussmaschine (AFM), speziell bei einer Ausführung mir Rotoren mit Kunststoff-Trägern, welche die Magnete elektrisch von der Rotorwelle isoliert, sind die Kapazitäten deutlich anders verteilt als bei einer Radial-Fluss-Maschine. Die maßgebende Kapazität zwischen Wicklungen und Rotorwelle wird durch die radial innen liegenden Wickelköpfe bestimmt.

Durch den Kunststoff-Träger des Rotors, welche die Magnete von der Rotorwelle elektrisch isoliert, wird eine zusätzliche Kapazität in Reihe zur Wicklungs-Rotor- Kapazität gebildet. Da die Rotor-Welle-Kapazität aufgrund der Geometrie meistens sehr klein ist, ist aufgrund der Reihenschaltung die effektive Kapazität zwischen Wicklung und Rotor ebenfalls sehr klein. Die Wicklungsleiter in den Wickelnuten haben somit nur einen sehr kleinen Einfluss auf die Wellenspannung. Aufgrund der räumlichen Nähe der radial innen liegenden Wickelköpfen zur Rotorwelle, bilden diese eine Kapazität, welche deutlich größer ist als die oben beschriebene Kapazität zwischen Leiter in der Wickelnut zur Rotorwelle. Diese ist für die Wellenspannungen somit maßgebend und muss bezüglich Lagerströme, etc. berücksichtigt werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Reduzierung der kapazitiven Kopplungen bereitzustellen, um die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung eine Axialflussmaschine mit der verbesserten Reduzierung der kapazitiven Kopplung bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine E-Maschine mit einer Abschirmstruktur zur Reduktion einer kapazitiven Kopplung in einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, wobei die Abschirmstruktur im Luftspalt der elektrischen Maschine liegt und/oder die Abschirmstruktur die Wickelköpfe des Stators umfasst. Ferner wird die Aufgabe durch eine Axialflussmaschine mit erfindungsgemäßer Abschirmstruktur gelöst.

Die Erfindung betrifft eine E-Maschine mit einer Abschirmstruktur zur Reduktion einer kapazitiven Kopplung in einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, wobei die elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator aufweist. Der der Stator und der Rotor sind durch einen zwischen einer dem Rotor nächstgelegenen Außenkontur des Stators und einer dem Stator nächstgelegenen Außenkontur des Rotors definierten Luftspalt voneinander beabstandet angeordnet. Der Stator weist Wickelköpfe auf, wobei die Abschirmstruktur an einem Gehäuse der elektrischen Maschine oder mit der Masse der elektrischen Maschine gekoppelt ist. Erfindungsgemäß liegt die Abschirmstruktur im Luftspalt und/oder die Abschirmstruktur umfasst die Wickelköpfe des Stators.

Mit anderen Worten wird durch eine zusätzlich eingebrachte Abschirmung in die elektrische Maschine der Vorteil erzielt, dass die kapazitive Kopplung zwischen Windung und Rotor und somit das Übertragungsverhältnis BVR (bearing voltage ratio) reduziert wird. Dazu wird eine elektrisch leitende Struktur genutzt, welche durch ihr Design die Bildung von Wirbelströmen in dieser Abschirmstruktur minimiert. Die Vorzugsrichtung dieser Struktur ist bei einer Radial-Fluss-Maschine axial und bei einer Axialflussmaschine radial. Durch die Abschirmung wird die Kapazität zwischen Wickelkopf und Welle in zwei Einzelkapazitäten aufgeteilt (Kapazität Wickelkopf-Abschirmung und Kapazität Abschirmung-Welle). Falls die Abschirmung ohne weitere Änderungen der Geometrien von Wickelkopf und Welle eingeführt wird, sind diese neuen Kapazitäten jeweils größer als die ursprüngliche Kapazität. Jedoch aufgrund der Erdung der Abschirmung entsteht eine Reduzierung der kapazitiven Kopplungen.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.

Vorteilhafter Weise umgibt die Abschirmstruktur die Wickelköpfe des Stators V- oder L-Förmig. Mit anderen Worten umgibt die Abschirmstruktur die Wickelköpfe an zwei miteinander verbundenen Seiten. Diese geometrische Anordnung birgt den Vorteil, dass eine Abschirmung der Wickelköpfe effektiver gestaltet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abschirmstruktur im Luftspalt angeordnet und deckt den Stator gesamtflächig ab. Daraus ergibt sich eine großflächige Abschirmung des Stators vom Rotor und daraus eine Reduzierung der Einflüsse kapazitiver Kopplungen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abschirmstruktur in Nuten des Stators angeordnet.

Bevorzugt ist die Abschirmstruktur nach Art einer Schiene oder Kamm ausgebildet. Der Kamm besitzt einen Erdungsring als Grundkörpersatz, von dem eine Vielzahl von Zinken abstehen. Besonders bevorzugt bildet die Abschirmstruktur eine Gitterstruktur.

Vorteilhafter Weise besitzen die Zinken einen Axialabschnitt, der nach einer Umbiegung in einen Radialabschnitt übergeht. Somit ergibt sich eine L-Förmige Struktur und das L-Förmige umgeben der Abschirmstruktur der Wickelköpfe.

Bevorzugt besitzen die Zinken in Umfangsrichtung abwechselnd lange und kurze Radialabschnitte. Die Radialabschnitte sind entweder gleich lang wie die Axialabschnitte oder doppelt so lang oder 3-mal so lang wie ein Axialabschnitt ausgebildet. Alternativ können die Radialabschnitte um ein vielfaches länger ausgebildet sein als die Axialabschnitte.

Vorzugsweise ist die Abschirmstruktur flach oder segmentiert ausgebildet. Ist die Abschirmstruktur flach ausgebildet, so ist sie vorwiegend zylinderförmig bei einer RFM bzw. wie eine Ringscheibe bei einer AFM gestaltet. Ist die Abschirmstruktur jedoch segmentiert ausgebildet, so können nur die Nuten und ggf. die Bereiche der Wickelköpfe abgedeckt sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abschirmstruktur aus einem elektrisch leitfähigem aber nicht ferromagnetischem Material ausgebildet, insbesondere aus Aluminium. Dadurch wird die Magnetik in der elektrischen Maschine nicht oder nur sehr wenig beeinflusst. Alternativ ist die Abschirmstruktur aus einem elektrisch leitfähigem und ferromagnetischem Material ausgebildet, wie beispielsweise Eisen. Dadurch kann neben der elektrostatischen auch eine magnetische Abschirmung realisiert werden. Vorzugsweise kommt der Einsatz einer Abschirmstruktur aus Eisen in einem RFM zum Einsatz.

Die Abschirmstruktur kann als eigenständiges Element/Bauteil oder als Beschichtung, ähnlich einer Leiterplattenbeschichtung, auf eine Abdeckung/Abschirmung aufgebracht sein, welche in einem Luftspalt zwischen Rotor und Stator angeordnet ist.

Mit anderen Worten hat die E-Maschine eine Abdichtung zwischen dem Raum mit den Wicklungen/Wickelköpfen und der Rotorwelle/dem Rotor bzw. Luftspalt. Diese Abdichtung verläuft auch radial innerhalb der Wickelköpfe in axiale Richtung zum Joch, wo die Abdichtung zum Statorgehäuse erfolgt. Diese Abdichtung wird als Träger für die Abschirmung verwendet, so dass kein weiteres Bauteil benötigt wird, sondern es muss lediglich eine Beschichtung aufgebracht werden (z.B. ähnlich wie bei der Herstellung von Leiterplatten). Im Bereich der mechanischen Fixierung der Abdichtung zum Gehäuse erfolgt die Erdungskontaktierung der Abschirmung zum Gehäuse. Diese z.B. kann wie dargestellt angeordnet sein. Vorteilhafterweise wirkt die axiale Spannkraft auf die Abdichtung auch gleich auf den Erdungskontakt. Die AFM hat eine Abdichtung zwischen Stator und Luftspalt, so dass das Kühlmittel in den Wickelnuten Zirkulieren kann ohne den Luftspalt zu kontaminieren. Diese Abdichtung verläuft auch radial innerhalb der Wickelköpfe in axiale Richtung zum Joch, wo die Abdichtung zum Statorgehäuse erfolgt. Die Abschirmung/Abschirmstruktur besteht aus kammförmigen Leitern, dessen Zinkenförmige Leiter sich weitgehend in Richtung der Drehachse der Rotorwelle erstrecken. Diese Kamm / Zinkenform dient der Reduzierung Vermeidung von Wirbelströmen in der Abschirmung.

Weiterhin offenbart die Erfindung eine Axialflussmaschine mit erfindungsgemäßer Abschirmstruktur, wobei die Abschirmstruktur die oben beschriebenen Merkmale aufweist.

Bevorzugt ist die Abschirmstruktur radial außen im Luftspalt der Axialflussmaschine angeordnet und ist mit einem sich in Radialrichtung erstreckendem Teil versehen.

Die Erfindung wird nachfolgend auch mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abschirmstruktur in einer elektrischen Maschine,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abschirmstruktur in einer elektrischen Maschine,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer dritten erfindungsgemäßen Abschirmstruktur in einer elektrischen Maschine.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

Während die Figuren eher auf eine linienartige Struktur ausgerichtet sind, ist auch eine geflächtartige Struktur sinnvoll und soll mit abgedeckt sein. Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abschirmstruktur 1 in einer elektrischen Maschine 2. Die elektrischen Maschine 2, insbesondere einer Axialflussmaschine, weist einen Stator 4 und einen Rotor 3 (nicht gezeigt) auf. Die Axialflussmaschine weist in der dargestellten Ausführungsform eine I-Anordnung auf, wobei die nachfolgend beschriebene Abschirmstruktur auch analog auf eine H-Anordnung der Axialflussmaschine angewandt werden kann.

Der Stator 4 umfasst axial innen angeordnete Wickelköpfe 6 auf, wobei der Stator 4 und der Rotor 3 durch einen zwischen einer dem Rotor 3 nächstgelegenen Außenkontur des Stators 4 und einer dem Stator 4 nächstgelegenen Außenkontur des Rotors 3 definierten Luftspalt 5 voneinander beabstandet angeordnet sind. In dem Luftspalt und die Wickelköpfe 6 des Stators 4 L-Förmig umgebend ist eine Abdichtung 15 angeordnet. Die Abdichtung 15 weist ferner eine Abschirmstruktur 1 auf, welche in der dargestellten Ausführungsform als Beschichtung, ähnlich einer Leiterplattenbeschichtung, ausgeführt ist. Alternativ kann die Abschirmstruktur 1 als eigenständiges Bauelement ausgeführt und auf oder in der Abdichtung 15 angeordnet sein.

Die Abschirmstruktur 1 ist nach einer Art Schiene oder Kamm 9 ausgebildet, wobei der Kamm einen Erdungsring 10 als Grundkörper besitzt. Ausgehend vom Erdungsring 10 erstrecken sich eine Vielzahl von Zinken 11 . Die Zinken besitzen einen Axialabschnitt 12, der nach einer Umbiegung 13 in einen Radialabschnitt 14 übergeht. Somit ergibt sich die L-Förmige Abschirmstruktur 1 , welche die Wickelköpfe 6 des Stators 4 umgeben. Die Abdichtung 15 mit dem Erdungsring 10 der Abschirmstruktur 1 sind an einem Gehäuse 7, welches als Masse fungiert, gekoppelt, sodass eine kapazitive Kopplung reduziert wird.

Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abschirmstruktur 1 in einer elektrischen Maschine 2. Die Anordnung der Abschirmstruktur 1 entspricht der Anordnung in der ersten Ausführungsform in Fig. 1 . Es verbleibt der Unterschied, dass der Radialabschnitt 14 der Abschirmstruktur 1 sich in Nuten 8, des Stators 4 bzw. der Abdichtung 15 erstreck. In dieser segmentierten Darstellung der Abschirmstruktur 1 sind einige Zinken 11 im Radialabschnitt 14 um ein Vielfaches, etwa ein dreifaches länger als des Axialabschnitts 12.

Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abschirmstruktur 1 in einer elektrischen Maschine 2. Die Anordnung der Abschirmstruktur 1 entspricht der Anordnung in der ersten bzw. zweiten Ausführungsform in Fig. 1 und Fig. 2. Es verbleibt der Unterschied, dass der Radialabschnitt 14 der Abschirmstruktur 1 sich über den gesamten Stator 4 bzw. sich flächig über die gesamte Abdichtung 15 erstreck.

Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung 'erste' und 'zweite' Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Bezuqszeichenliste

1 Abschirmstruktur

2 elektrische Maschine 3 Rotor

4 Stator

5 Luftspalt

6 Wickelköpfe

7 Gehäuse 8 Nut

9 Kamm

10 Erdungsring

11 Zinken

12 Axialabschnitt 13 Umbiegung

14 Radialabschnitt

15 Abdichtung

Claims

Ansprüche

1 . E-Maschine mit einer Abschirmstruktur (1 ) zur Reduktion einer kapazitiven Kopplung in einer elektrischen Maschine (2), insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, wobei die elektrische Maschine einen Rotor (3) und einen Stator (4) aufweist, wobei der Stator (4) und der Rotor (3) durch einen zwischen einer dem Rotor (3) nächstgelegenen Außenkontur des Stators (4) und einer dem Stator (4) nächstgelegenen Außenkontur des Rotors (3) definierten Luftspalt (5) voneinander beabstandet angeordnet sind und der Stator (4) Wicklungen und Wickelköpfe (6) aufweist, wobei die Abschirmstruktur (1 ) an einem Gehäuse (7) der elektrischen Maschine (2) oder mit der Masse der elektrischen Maschine (2) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmstruktur (1 ) im Luftspalt (5) liegt und/oder die Abschirmstruktur (1 ) die Wickelköpfe (6) des Stators (4) umfasst.

2. E-Maschine mit einer Abschirmstruktur (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmstruktur (1 ) die Wicklungen und Wickelköpfe (6) des Stators (4) V- oder L-Förmig umgibt.

3. E-Maschine mit einer Abschirmstruktur (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmstruktur (1 ) im Luftspalt (5) angeordnet den gesamten Stator (4) flächig abdeckt.

4. E-Maschine mit einer Abschirmstruktur (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmstruktur (1 ) in Nuten (8) des Stators (4) angeordnet ist.

5. E-Maschine mit einer Abschirmstruktur (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmstruktur (1 ) nach Art einer Schiene oder Kamm (9) ausgebildet ist, wobei der Kamm (9) einen Erdungsring (10) als Grundkörper besitz, von dem eine Vielzahl von Zinken (11 ) abstehen.

6. E-Maschine mit einer Abschirmstruktur (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmstruktur (1 ) eine Gitterstruktur bildet.

7. E-Maschine mit einer Abschirmstruktur (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis

6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinken (11 ) einen Axialabschnitt (12) besitzen, der nach einer Umbiegung (13) in einen Radialabschnitt (14) übergeht.

8. E-Maschine mit einer Abschirmstruktur (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinken (11 ) in Umfangrichtung abwechselnd lange und kurze Radialabschnitte (14) besitzen und die Radialabschnitte (14) gleich lang wie die Axialabschnitte (12) oder doppelt so lang oder 3-mal so lang wie ein Axialabschnitt (12) ausgebildet sind.

9. E-Maschine mit einer Abschirmstruktur (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis

8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmstruktur (1 ) flach oder segmentiert ausgebildet ist.

10. E-Maschine mit einer Abschirmstruktur (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis

9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmstruktur (1 ) aus einem elektrisch leitfähigem aber nicht ferromagnetischen Material oder aus einem elektrisch leitfähigem und ferromagnetischem Material ausgebildet ist.

11 .Axialflussmaschine mit einer Abschirmstruktur (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

12. Axialflussmaschine nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass Abschirmstruktur (1 ) radial außen im Luftspalt angeordnet und sich mit einem sich in Radialrichtung erstreckendem Teil versehen ist.