EP4699211A1

EP4699211A1 - E-maschine mit einer abschirmstruktur zur reduktion einer kapazitiven kopplung in dieser sowie eine radialflussmaschine mit der abschirmstruktur

Info

Publication number: EP4699211A1
Application number: EP24723462.8A
Authority: EP
Inventors: Dominik Stretz; Johannes Kolb; Holger Witt
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: WO2024217636A1; DE102023109814A1; CN120836134A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abschirmstruktur (1) zur Reduktion einer kapazitiven Kopplung in einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, wobei die elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator (2) aufweist, wobei die Abschirmstruktur (1) an einem Gehäuse (3) der elektrischen Maschine oder mit der Masse der elektrischen Maschine gekoppelt ist, wobei die Abschirmstruktur (1) durch eine Polschuhstruktur (4) gebildet ist.

Description

E-Maschine mit einer Abschirmstruktur zur Reduktion einer kapazitiven Kopplung in dieser sowie eine Radialflussmaschine 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 die Abschirmstruktur an einem Gehäuse der elektrischen Maschine oder mit der Masse der elektrischen Maschine gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Radialflussmaschine 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 102017 208 634 A1 bekannt. Bei einer Radialflussmaschine (RFM) wird die bestimmende Kapazität zwischen Wicklung und Rotorwelle durch die Kupfer-Leiter in den Wickelnuten gebildet. Daher beschreibt DE 10 2017 208 634 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 Radialflussmaschine. 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 die radial außenliegenden Wickelköpfe 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 Radialflussmaschine 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, die Abschirmstruktur durch eine Polschuhstruktur gebildet ist. Ferner wird die Aufgabe durch eine Radialschlussmaschine 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 ist die Abschirmstruktur durch eine Polschuhstruktur ausgebildet.

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

Vorteilhafter Weise ist die Polschuhstruktur in einer Nut zwischen Statorzähnen angeordnet. Somit kann in einer Radialflussmaschine die kapazitive Kopplung effektiv reduziert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abschirmstruktur flach ausgebildet, sodass sie vorwiegend zylinderförmig bei einer RFM gestaltet ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Polschuhstruktur an einer Stelle quer zur Polschuhrichtung verlaufenden elektrischen Leiter verbunden. Besonders bevorzugt ist der elektrische Leiter mit der elektrischen Masse der elektrischen Maschine gekoppelt. Somit wird eine flächige elektrostatische Abschirmung erreicht, bei gleichzeitiger magnetischer Funktion der Polschuhstruktur. Durch die Polschuhstruktur und die einseitige Verbindung zur elektrischen Masse sind zudem geringere Wirbelströme zu erwarten.

In einer bevorzugten Ausführungsform 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. Diese Maßnahme erzielt eine vergleichbare Wirkung wie ein magnetischer Deckenschieber bzw. Nutverschlusskeil. Hier werden insbesondere hochfrequente Anteile in den magnetischen Flüssen vom Rotor abgeschirmt bzw. zwischen zwei Statorzähnen kurzgeschlossen, so dass eine negative Auswirkung im Rotor, zum Beispiel eine verlustbehaftete Erzeugung von Wirbelströmen in den Permanentmagneten, vermieden bzw. zumindest reduziert werden. Vorzugsweise kommt der Einsatz einer Abschirmstruktur aus Eisen in einem RFM zum Einsatz.

Vorteilhafterweise ist die Polschuhstruktur als Gitterstruktur ausgebildet.

Weiterhin offenbart die Erfindung eine Radialflussmaschine mit erfindungsgemäßer Abschirmstruktur, wobei die Abschirmstruktur die oben beschriebenen Merkmale aufweist. Bevorzugt ist die Abschirmstruktur auf der radial inneren Seite eines Luftspalts, welcher sich zwischen Rotor und Stator der elektrischen Maschine befindet, angeordnet.

Bevorzugt grenzt die Abschirmstruktur Wickelköpfe, welche innerhalb der Statorzähne angeordnet sind, vom Luftspalt ab.

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

Es zeigen:

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

Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Ausführungsform einer 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.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abschirmstruktur 1 in einer elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine, insbesondere eine Radialflussmaschine, weist einen Stator 2 und einen Rotor (nicht gezeigt) auf. Der Stator 2 umfasst eine Vielzahl an Statorzähnen 6, welche durch eine Nut 5 voneinander beabstandet angeordnet sind. Innerhalb zwei Statorzähnen 6 sind Wickelköpfe 9 (in Fig. 2 gezeigt) angeordnet. Stator 2 und Rotor sind durch einen zwischen einer dem Rotor nächstgelegenen Außenkontur des Stators 2 und einer dem Stator 2 nächstgelegenen Außenkontur des Rotors definierten Luftspalt 8 (in Fig. 2 gezeigt) voneinander beabstandet angeordnet.

Die Abschirmstruktur 1 ist als Polschuhstruktur 4 ausgebildet, welche innerhalb einer Nut 4 der Statorzähne 6 angeordnet ist. Die Polschuhstruktur 4 grenzt somit die Wickelköpfe 9 vom Luftspalt 8 ab. Die Polschuhstruktur 4 ist an einer Stelle mit einem quer zur Polschuhrichtung verlaufendem elektrischen Leiter 7 verbunden. Der elektrische Leiter 7 ist mit der elektrischen Masse der elektrischen Maschine gekoppelt. Die elektrische Masse ist dabei am Gehäuse 3 der elektrischen Maschine angeordnet.

Fig. 2 zeigt eine Schnittdarstellung der Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abschirmstruktur 1 in einer elektrischen Maschine. Die Anordnung der Abschirmstruktur 1 entspricht der Anordnung in Fig. 1. In Fig. 2 ist die geometrische Ausgestaltung der Polschustruktur 4 mit einem dreieckförmigen Querschnitt gezeigt. Ebenfalls ist die Anordnung der Polschuhstruktur 4, welche zwischen Wickelköpfen 9 und Luftspalt 8 angeordnet ist, deutlich zu erkennen.

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 Stator 3 Gehäuse

4 Polschuhstruktur

5 Nut

6 Statorzähne

7 elektrischer Leiter 8 Luftspalt

9 Wickelköpfe

Claims

Ansprüche

1 . E-Maschine mit einer Abschirmstruktur (1 ) zur Reduktion einer kapazitiven Kopplung in der elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Synchronmaschine, wobei die elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator (2) aufweist, wobei die Abschirmstruktur (1 ) an einem Gehäuse (3) der elektrischen Maschine oder mit der Masse der elektrischen Maschine gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmstruktur (1 ) durch eine Polschuhstruktur (4) gebildet ist.

2. E-Maschine mit einer Abschirmstruktur (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhstruktur (4) in einer Nut (5) zwischen Statorzähnen (6) angeordnet ist.

3. E-Maschine mit einer Abschirmstruktur (1 ) nach einem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmstruktur (1 ) flach ausgebildet ist.

4. E-Maschine mit einer Abschirmstruktur (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhstruktur (4) an einer Stelle mit einem quer zur Polschuhrichtung verlaufenden elektrischen Leiter (7) verbunden ist.

5. E-Maschine mit einer Abschirmstruktur (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (7) mit der elektrischen Masse der elektrischen Maschine gekoppelt ist.

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

5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmstruktur (1 ) aus einem elektrisch leitfähigem und ferromagnetischem Material ausgebildet ist.

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

6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhstruktur (4) eine Gitterstruktur bildet.

8. Radialflussmaschine mit einer Abschirmstruktur (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

9. Radialflussmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmstruktur (1 ) auf der radial inneren Seite eines Luftspalts (8), welcher sich zwischen Rotor und Stator (2) der elektrischen Maschine befindet, angeordnet ist.

10. Radialflussmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmstruktur (1 ) Wickelköpfe (9), welche innerhalb der

Statorzähne (6) angeordnet sind, vom Luftspalt (8) abgrenzt.