WO2012110134A1 - Elektrische maschine und system zur zwangsabschaltung der energieversorgung einer solchen elektrischen maschine - Google Patents

Elektrische maschine und system zur zwangsabschaltung der energieversorgung einer solchen elektrischen maschine Download PDF

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WO2012110134A1
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housing
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sensor
electrical machine
electric machine
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PCT/EP2011/072083
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Raphael Fischer
Tobias Vogler
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/20—Interlocking, locking, or latching mechanisms
    • H01H9/22—Interlocking, locking, or latching mechanisms for interlocking between casing, cover, or protective shutter and mechanism for operating contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/25—Devices for sensing temperature, or actuated thereby
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K7/00—Disposition of motor in, or adjacent to, traction wheel
    • B60K7/0007—Disposition of motor in, or adjacent to, traction wheel the motor being electric
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/22—Auxiliary parts of casings not covered by groups H02K5/06-H02K5/20, e.g. shaped to form connection boxes or terminal boxes
    • H02K5/225—Terminal boxes or connection arrangements

Definitions

  • the invention relates to an electric machine, in particular a 10-wheeled electric motor, with a rotor, a stator and a housing at least partially housing the rotor and the stator, wherein the rotor and / or the stator has circumferentially arranged pole teeth and intermediate slots.
  • Such an electric machine is known, for example, as an electric wheel motor from the patent EP 0751 026 B1.
  • This electric motor has a rotor and a rotor circumferentially surrounding the stator with a yoke core and a plurality of pole teeth having magnetic pole core. Between each two adjacent pole teeth results in a slot.
  • Some electrical machines such as electric machines for electric or hybrid powertrains of motor vehicles, are loaded with voltages.
  • interlock system a system for forced shutdown
  • at least one sensor checks whether the system or the device is in a suitable operating condition for the operation and the system or the device disconnects from its power supply, if this is not the case.
  • the electric machine can be designed as a generator and / or electric motor.
  • a particular embodiment of the electric motor is the electric wheel hub motor.
  • a wheel hub motor is an electric motor that is directly installed in a wheel of a vehicle and at the same time carries the wheel hub, so that a part of the engine rotates with the wheel.
  • When designed as an internal rotor electric wheel hub motor often results in a very tight radial dimensioned space within the housing.
  • the invention has for its object to provide an electrical machine, which ensures reliable transmission of a forced shutdown causing signal even in a small space within its housing.
  • the electric machine further comprises at least one sensor with sensor element and signal lines for a system for forced shutdown (interlock system), wherein the signal lines of the sensor are guided in one of the slots. If several sensors are provided, the corresponding signal lines of the individual sensors are preferably guided in separate slots. The slots accommodate the windings of the rotor or stator, but are generally not completely filled with them. Therefore, there is usually enough space to lay the signal lines.
  • the electric machine can have one or more sensors. The sensor or the sensors monitor whether the electric machine is in a suitable state for the operation thereof.
  • a control device for controlling the power supply of the electrical machine of the system for forced shutdown disconnects the electric machine from its power supply.
  • the sensor signal can alternatively or additionally be used for other measures, such as a signaling of the state.
  • the electric machine is an electric motor and / or a generator.
  • a particular embodiment of the electric motor is a wheel hub motor; the corresponding embodiment of the generator is a hub dynamo.
  • the electric machine is in particular an electric machine for driving a motor vehicle. Such electrical machines are operated with voltages of more than 100 volts.
  • the corresponding drive types are an electric drive or a hybrid drive, in which the electric machine is usually used together with an internal combustion engine as drive machines.
  • the sensor element or the sensor elements is arranged in the interior of the housing / are.
  • the housing is formed as an apparent housing.
  • at least one sensor monitors whether the housing of the electrical machine is in the "housing open” or “housing closed” state. When the housing is closed, the electrical machine is in a proper operating state, with the housing open in an improper operating state.
  • the housing part is for example a cover, a lid, a flap, etc.
  • the sensor element is designed as a switch.
  • This switch is preferably a push button switch. It is advantageously provided that the switch is designed as a switch closing in its depressed state.
  • the switch is depressed by the housing part when the housing is closed. For example, as long as the switch is depressed, a forced shutdown circuit is closed, signaling the proper operating condition. If the housing part is displaced, the switch is no longer depressed, the circuit is opened and the system for forced shutdown disconnects the electrical machine from its power supply.
  • an end facing away from the sensor element the signal lines is led out of the housing. This end can be used for electrical connection to the remaining components of the system for forced shutdown.
  • the signal lines of the sensor are twisted together. Twisted signal lines are less prone to the electromagnetic interference caused by the electromagnetically interacting parts of the electric machine and introduce the corresponding interference signals in the signal lines.
  • the signal lines have a common shielding.
  • a shield surrounds the signal lines of the sensor and shields them against external influences such as the aforementioned electromagnetic interference.
  • the signal lines are surrounded at its end facing away from the sensor element with a ferrite core or connected to a frequency filter.
  • the frequency filter is in particular an active or passive low-pass filter. All these measures are used to filter out faults.
  • the senor further comprises an antenna extending parallel to the signal lines, the signal of which is fed to the frequency filter designed as an active filter.
  • an antenna is particularly susceptible to the aforementioned external influences, including the electromagnetic interference.
  • the sensor element is detachably fastened to at least one pole tooth or is releasably secured.
  • the sensor element is preferably clamped / clamped to the pole tooth.
  • the invention further relates to a system for forced shutdown, with an electrical machine and a control device for controlling the power supply of the electrical machine in response to a sensor signal.
  • the electric machine is designed as an electrical machine mentioned above, wherein the signal lines of the sensor for the transmission of the sensor signal are signal-technologically connected to the control device.
  • the control device is, for example, a control unit of the electric machine, in the case of an electric motor that is an engine control unit.
  • the electric machine is preferably a wheel hub motor.
  • FIG. 1 a sectional view of the upper part of an electric wheel hub motor designed as an electric machine with stator, rotor and housing according to a first embodiment of the invention, a detailed representation of the pole teeth with intermediate slots on the inside of the stator shown in Fig. 1, a sectional view of the in Fig. 2 of the stator, a detailed view corresponding to FIG. 2, wherein anchoring structures for fastening the sensor element of the sensor to the stator are shown, FIG.
  • Fig. 5 is a sectional view corresponding to FIG. 2, wherein the attached
  • Fig. 6 to 10 detailed representations of the wiring of the sensor on the stator with various measures for the suppression of interference signals.
  • FIG. 1 shows a sectional view of one half of an electric wheel hub motor 10 designed as electrical machine 12.
  • the electric machine 12 has a rotor 14 (also called rotor), a stator 16 (also called stator) and a rotor 14 and the stator 16 housing housing 18 on.
  • Rotor 14 and stator 16 are arranged coaxially with respect to a motor axis 20.
  • the rotor 14 is rotatably mounted on a shaft 22 running along the motor axis 20.
  • a plurality of bearings 24 are arranged between the rotor 14 and the shaft 22. These are formed in the illustrated electric machine 12 as a ball bearing.
  • the rotor 14 has at its Outer periphery 26 magnets 28, of which in Fig. 1, only one is visible.
  • the magnets 28 are designed as permanent magnets.
  • the stator 16 surrounds the rotor 14 circumferentially and, on its inner periphery 30 facing the magnets 28, has a multiplicity of pole teeth 32 with slots 34 (ie, spaces between the teeth 32) between them. Described differently around these slots 34 can be in the form of grooves on the inner circumference of the stator 16, a plurality of pole teeth 32 arise. Between the highest elevations of these pole teeth 32 and the outer surface of the magnets 28, the so-called air gap of the electric machine 12 is formed.
  • the stator 16 further has a winding arrangement 36, the individual windings 38 are inserted into the slots 34. At their respective axial end areas 40, 42, corresponding winding heads 44, 46 are formed.
  • Rotor 14 and stator 16 are surrounded in their outer area by an outer housing part 48 of housing 18, while in their inner area at least on one side by a housing inner part 50 having the shaft 22 be covered.
  • another housing part 52 is releasably secured to the housing outer part 48, wherein this housing part 52 at least partially covers the rotor 14 and the stator 16 in a housing-like manner.
  • the housing 18 is thus designed as an apparent housing 54.
  • the electric machine 12 also has a sensor 56 with a sensor element 58 and associated signal lines 60 for a system for forced shutdown, an interlock system, the electric machine 12, this system is not shown in its entirety.
  • the sensor element 58 of the sensor 56 is designed as a switch 62, more precisely as a pushbutton switch.
  • This key switch serves as a break contact of the interlock system or an interlock circuit.
  • the sensor element 58 designed as a switch 62 is fastened to the one end region 40 such that the switch 62 is pressed down by the housing part 52 when the housing 18, 54 is closed. If the housing part 52 is removed or removed, the switch 62 opens and the corresponding interlock circuit is opened.
  • the signal lines 60 of the sensor 56 are guided by the sensor element 58 or the switch 62 through or along the one winding head 44 at one end portion 40 radially outward and then axially through one of the slots 34 to the other end portion 42. There, an end 64 of the signal lines 60 is guided through a corresponding opening 66 in the housing 18, 54 to the outside.
  • This guidance of the signal lines 60 contributes to the particular installation space situation in compact electrical machines 12, such as wheel hub motors 10. But it is equally applicable to all tasks in which similar geometric situations occur.
  • the signal lines are therefore guided through the stationary part of the electric machine 12.
  • This standing part is formed by the lamination of the stator 16, the winding assembly 36, a cooling jacket, not shown here, and the housing 18, 54.
  • the space situation is in the optimized case so close that at first viewing no way for the signal lines 60 remains.
  • Figs. 2 and 3 show this situation in detail. They each show a portion of the stator 16 with three pole teeth 32 and intermediate slots 34. The pole teeth 32 are wound with turns 38 of the winding assembly 36 of the stator 16. In one of the slots 34 are the signal lines 60 (one outgoing and one return line) of the sensor 56 a.
  • FIG. 4 essentially corresponds to that of FIG. 2 and shows additional anchoring arms 68 of the sensor element 58, by means of which the sensor element 58 can be fastened to the stator 16.
  • the type of attachment is particularly clear in Fig. 5.
  • FIG. 5 shows a sectional view corresponding to FIG. 3, wherein the detachable attachment of the sensor element 58 to the stator 16 is shown.
  • the sensor element 58 has the two anchoring arms 68, by means of which it is fastened to a pole tooth 32 and the corresponding turns 38 wound around this pole tooth 32 in the area of the one winding head 44 (for example by casting in / on this winding head 44) ,
  • the sensor signal on the signal lines 60 usually consists of a predetermined current of e.g. 10 mA.
  • a voltage drop in the interlock system or interlock circuit is evaluated for the forced shutdown. If the voltage drop too high, the shutdown of the power supply of the electric machine 12 is caused by the system for forced shutdown.
  • FIG. 6 shows detailed representations of the wiring of the sensor 56 on the stator 16 with various measures for the suppression of interference signals.
  • Fig. 6 shows the return line of the signal lines 60, which are laid close to each other, here even twisted together. Due to the close spatial guidance of the forward and return lines, induced disturbances at least partially cancel each other out.
  • FIG. 7 shows a shielding 70 of the signal lines 60.
  • a shield 70 of the signal lines 60 further attenuates the influence of interference.
  • damping in the signal lines 60 can be achieved by the use of ferrite cores 72 (FIG. 8).
  • the leads 60 are for this purpose led close to the terminals or the end 64 through the ferrite core 72.
  • Fig. 9 shows a corresponding arrangement in which the signal lines 60 at its the sensor element 58 facing away from the end 64 are connected to a frequency filter 74.
  • the interfering pulses in the winding arrangement can be detected by an antenna 76, which is guided parallel to the signal lines 60, and fed to a frequency filter 74, which is designed as an active filter.
  • the senor element 58 itself. Since, as shown in the exemplary embodiment, it can be arranged such that it is in the way when the rotor 14 is dismantled, it must itself also be removable. At the same time its attachment (so for example, the two anchoring arms 68) to be designed so that it disappears in the bobbin of the machine 12.
  • the mechanical orientation of the sensor element 58 is combined with the electrical contact.
  • the easiest way is to connect by screws.
  • the contact is first positioned against rotation by means of a suitable contour and then secured with one or more screws.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (12), insbesondere einen Elektro-Radnabenmotor (10), mit einem Rotor (14), einem Stator (16) und einem den Rotor (14) und den Stator (16) zumindest teilweise einhausenden Gehäuse (18), wobei der Rotor (14) und/oder der Stator (16) umfänglich angeordnete Polzähne (32) und dazwischenliegende Schlitze (34) aufweist. Es ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine (12) weiterhin mindestens einen Sensor (56) mit Sensorelement (58) und Signalleitungen (60) für ein System zur Zwangsabschaltung aufweist, wobei die Signalleitungen (60) des Sensors (56) in einem der Schlitze (34) geführt sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes System zur Zwangsabschaltung.

Description

Bezeichnung der Erfindung
ELEKTRISCHE MASCHINE UND SYSTEM ZUR ZWANGSABSCHALTUNG DER ENERGIEVERSORGUNG EINER SOLCHEN ELEKTRISCHEN MASCHINE
5 Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine, insbesondere einem 10 Elektro-Radnabenmotor, mit einem Rotor, einem Stator und einem den Rotor und den Stator zumindest teilweise einhausenden Gehäuse, wobei der Rotor und/oder der Stator umfänglich angeordnete Polzähne und dazwischenliegende Schlitze aufweist.
15 Eine derartige elektrische Maschine ist zum Beispiel als Elektro-Radmotor aus der Patentschrift EP 0751 026 B1 bekannt. Dieser Elektromotor weist einen Rotor und einen den Rotor umfänglich umgebenden Stator mit einem Jochkern und einem eine Vielzahl von Polzähnen aufweisenden Magnetpolkern auf. Zwischen je zwei benachbarten Polzähnen ergibt sich ein Schlitz. Rotor und Stator
20 sind von einem Gehäuse der elektrischen Maschine zumindest teilweise eingehaust.
Einige elektrische Maschinen, wie zum Beispiel elektrische Maschinen für E- lektro- oder Hybridantriebe von Kraftfahrzeugen, werden mit Spannungen be-
25 trieben, die zumeist im Bereich von mehr als 100 Volt liegen. Derartige Spannungen sind für den menschlichen Organismus gefährlich, sodass diese elektrischen Maschinen nur von entsprechend geschultem Personal gewartet und repariert werden dürfen. Kommt es zu einer Störung innerhalb der elektrischen Maschine oder wird diese geöffnet, so muss sichergestellt sein, dass von dieser
30 elektrischen Maschine keine Gefahr ausgeht.
Bei elektrischen Anlagen und Geräten wird dies zumeist durch ein sogenanntes Interlock-System (ein System zur Zwangsabschaltung) gewährleistet, bei dem mindestens ein Sensor überprüft, ob sich die Anlage beziehungsweise das Gerät in einem für den Betrieb geeigneten Betriebszustand befindet und die Anlage beziehungsweise das Gerät von ihrer Spannungsversorgung trennt, wenn dies nicht der Fall ist.
Generell kann die elektrische Maschine als Generator und/oder Elektromotor ausgebildet sein. Eine besondere Ausführungsform des Elektromotors ist dabei der Elektro-Radnabenmotor. Ein Radnabenmotor ist ein Elektromotor, der direkt in ein Rad eines Fahrzeuges eingebaut ist und gleichzeitig die Radnabe trägt, so dass ein Teil des Motors mit dem Rad umläuft. Bei einem als Innenläufer ausgebildeten Elektro-Radnabenmotor ergibt sich häufig ein äußerst knapp bemessener radialer Bauraum innerhalb des Gehäuses.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine an- zugeben, die auch bei geringem Bauraum innerhalb ihres Gehäuses eine zuverlässige Übertragung eines eine Zwangsabschaltung hervorrufenden Signals gewährleistet.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des An- spruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine weiterhin mindestens einen Sensor mit Sensorelement und Signalleitungen für ein System zur Zwangsabschaltung (Interlock-System) aufweist, wobei die Signalleitungen des Sensors in einem der Schlitze geführt sind. Sind mehrere Sensoren vorgesehen, so werden die entsprechenden Signalleitungen der einzelnen Sensoren bevorzugt in separaten Schlitzen geführt. Die Schlitze beherbergen die Windungen des Rotors beziehungsweise Stators, sind jedoch im Allgemeinen nicht vollständig mit diesen gefüllt. Daher ist in der Regel hinreichend Platz zum Verlegen der Signalleitungen. Die elektrische Maschine kann dabei einen oder mehrere Sensoren aufweisen. Der Sensor beziehungsweise die Sensoren überwachen, ob sich die elektrische Maschine in einem für den Betrieb selbiger geeigneten Zustand befindet. Detektiert er einen vom ordnungsgemäßen Betriebszustand abweichenden Zustand, so trennt eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Energieversorgung der elektrischen Maschine des Systems zur Zwangsabschaltung die elektrische Maschine von ihrer Energieversorgung. Selbstverständlich kann das Sensorsignal alternativ oder zusätzlich auch für andere Maßnahmen genutzt werden, wie zum Beispiel einer Signalisierung des Zustands.
Die elektrische Maschine ist ein Elektromotor und/oder ein Generator. Eine besondere Ausführungsform des Elektromotors ist ein Radnabenmotor; die entsprechende Ausführungsform des Generators ist ein Nabendynamo.
Die elektrische Maschine ist insbesondere eine elektrische Maschine für einen Antrieb eines Kraftfahrzeugs. Derartige elektrische Maschinen werden mit Spannungen von mehr als 100 Volt betrieben. Die entsprechenden Antriebsarten sind ein Elektroantrieb oder ein Hybridantrieb, bei dem die elektrische Maschine zumeist zusammen mit einer Brennkraftmaschine als Antriebsmaschinen verwendet wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Sensorelement oder die Sensorelemente im Inneren des Gehäuses angeordnet ist/sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse als offenbares Gehäuse ausgebildet ist. Bei einem offenbaren Gehäuse überwacht zumindest ein Sensor, ob sich das Gehäuse der elektrischen Maschine im Zustand „Gehäuse offen" oder„Gehäuse geschlossen" befindet. Bei geschlossenem Gehäuse befindet sich die elektrische Maschine in einem ordnungsgemäßen Betriebszustand, bei geöffnetem Gehäuse in einem nicht ordnungsgemäßen Betriebszustand.
Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass das Öffnen des offenbaren Gehäuses durch Abnahme und/oder durch Verschwenken und/oder Verschieben mindes- tens eines Gehäuseteils erfolgt. Das Gehäuseteil ist beispielsweise eine Abdeckung, ein Deckel, eine Klappe, etc.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese- hen, dass das Sensorelement als Schalter ausgebildet ist. Dieser Schalter ist bevorzugt ein Tastschalter. Mit Vorteil ist vorgesehen, dass der Schalter als ein in seinem niedergedrückten Zustand schließender Schalter ausgebildet ist.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der Schalter bei geschlossenem Gehäuse durch das Gehäuseteil niedergedrückt wird. Solange der Schalter niedergedrückt ist, ist zum Beispiel ein Zwangsabschaltungs-Schaltkreis geschlossen und signalisiert damit den ordnungsgemäßen Betriebszustand. Wird das Gehäuseteil verlagert, so ist der Schalter nicht mehr niedergedrückt, der Schaltkreis wird geöffnet und das System zur Zwangsabschaltung trennt die elektri- sehe Maschine von ihrer Energieversorgung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein dem Sensorelement abgewandtes Ende die Signalleitungen aus dem Gehäuse herausgeführt ist. Dieses Ende ist zum elektrischen Anschluss an die restlichen Komponenten des Systems zur Zwangsabschaltung nutzbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Signalleitungen des Sensors miteinander verdrillt sind. Verdrillte Signalleitungen sind weniger anfällig für die elektromagnetischen Störungen, die von den miteinander elektromagnetisch wechselwirkenden Teilen der elektrischen Maschine hervorgerufen werden und die entsprechende Störsignale in die Signalleitungen einbringen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Signalleitungen eine gemeinsame Schirmung aufweisen. Eine derartige Schirmung umgibt die Signalleitungen des Sensors und schirmt sie gegen äußere Einflüsse wie die zuvor genannten e- lektromagnetischen Störungen ab. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Signalleitungen an ihrem dem Sensorelement abgewandten Ende mit einem Ferritkern umgeben oder an einen Frequenzfilter angeschlossen sind. Der Frequenzfilter ist insbesondere ein aktiver oder passiver Tiefpassfilter. All diese Maßnahmen dienen dem Herausfiltern von Störungen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der Sensor weiterhin eine parallel zu den Signalleitungen verlaufende Antenne aufweist, deren Signal dem als aktivem Filter ausgebildeten Frequenzfilter zugeführt wird. Eine derartige Antenne ist für die zuvor genannten äußeren Einflüsse, also auch die elektromagnetischen Störungen, besonders empfänglich. Durch Vergleich des Signals von der Antenne mit dem Signal der Signalleitungen können die von den äußeren Einflüssen hervorgerufenen Störsignale besonders effektiv vom eigentlichen Sensorsignal aktiv getrennt werden.
Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Sensorelement an zumindest einem Polzahn lösbar befestigbar ist beziehungsweise lösbar befestigt ist. Dazu ist das Sensorelement an dem Polzahn bevorzugt anklemmbar/angeklemmt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein System zur Zwangsabschaltung, mit einer elektrischen Maschine und einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Energieversorgung der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von einem Sensor- Signal. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine als vorstehend genannte elektrische Maschine ausgebildet ist, wobei die Signallei- tungen des Sensors zur Übertragung des Sensorsignals signaltechnisch an die Steuereinrichtung angeschlossen sind. Die Steuereinrichtung ist zum Beispiel ein Steuergerät der elektrischen Maschine, bei einem Elektromotor also ein Motor-Steuergerät. Die elektrische Maschine ist bevorzugt ein Radnabenmotor. Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. eine Schnittdarstellung des oberen Teils einer als Elektro- Radnabenmotor ausgebildeten elektrischen Maschine mit Stator, Rotor und Gehäuse gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, eine Detaildarstellung der Polzähne mit dazwischenliegenden Schlitzen auf der Innenseite des in Fig. 1 gezeigten Stators, eine Schnittdarstellung des in Fig. 2 gezeigten Abschnitts des Stators, eine Detaildarstellung entsprechend Fig. 2, wobei Verankerungsstrukturen zum Befestigen des Sensorelements des Sensors am Stator gezeigt sind,
Fig. 5 eine Schnittdarstellung entsprechend Fig. 2, wobei das befestigte
Sensorelement gezeigt ist,
Fig. 6 bis 10 Detaildarstellungen der Leitungsführung des Sensors am Stator mit diversen Maßnahmen zur Unterdrückung von Störsignalen.
Die Fig. 1 zeigt in Schnittdarstellung eine Hälfte einer als Elektro- Radnabenmotor 10 ausgebildeten elektrischen Maschine 12. Die elektrische Maschine 12 weist einen Rotor 14 (auch Läufer genannt), einen Stator 16 (auch Ständer genannt) und ein den Rotor 14 und den Stator 16 einhausendes Gehäuse 18 auf. Rotor 14 und Stator 16 sind bezüglich einer Motorachse 20 koaxial angeordnet. Der Rotor 14 ist auf einer entlang der Motorachse 20 ver- laufenden Welle 22 verdrehbar gelagert. Dazu sind zwischen dem Rotor 14 und der Welle 22 mehrere Lager 24 angeordnet. Diese sind bei der gezeigten elektrischen Maschine 12 als Kugellager ausgebildet. Der Rotor 14 weist an seinem Außenumfang 26 Magnete 28 auf, von denen in Fig. 1 nur einer sichtbar ist. Die Magnete 28 sind als Permanentmagnete ausgebildet.
Der Stator 16 umgibt den Rotor 14 umfänglich und weist auf seinem den Mag- neten 28 zugewandten Innenumfang 30 eine Vielzahl von Polzähnen 32 mit dazwischenliegenden Schlitzen 34 (also Zwischenräume zwischen den Zähnen 32) auf. Anders herum beschrieben lassen diese Schlitze 34 in Form von Nuten am Innenumfang des Stators 16 eine Vielzahl von Polzähnen 32 entstehen. Zwischen den höchsten Erhebungen dieser Polzähne 32 und der Außenfläche der Magnete 28 entsteht der sogenannte Luftspalt der elektrischen Maschine 12.
Der Stator 16 weist weiterhin eine Wicklungsanordnung 36 auf, deren einzelne Windungen 38 in die Schlitze 34 eingelegt sind. An den jeweiligen axialen End- bereichen 40, 42 entstehen entsprechende Wickelköpfe 44, 46. Rotor 14 und Stator 16 werden in ihrem Außenbereich von einem Gehäuseaußenteil 48 des Gehäuses 18 umgeben, während sie in ihrem Innenbereich zumindest einseitig von einem die Welle 22 aufweisenden Gehäuseinnenteil 50 abgedeckt werden. Auf der dieser Seite gegenüberliegenden Seite ist ein weiteres Gehäuseteil 52 am Gehäuseaußenteil 48 lösbar befestigt, wobei dieses Gehäuseteil 52 den Rotor 14 und den Stator 16 zumindest teilweise gehäuseartig abdeckt. Das Gehäuse 18 ist somit als offenbares Gehäuse 54 ausgebildet.
Die Elektrische Maschine 12 weist weiterhin einen Sensor 56 mit einem Sen- sorelement 58 und dazugehörigen Signalleitungen 60 für ein System zur Zwangsabschaltung, ein Interlock-System, der elektrischen Maschine 12 auf, wobei dieses System in Gänze nicht dargestellt ist.
In der dargestellten Ausführungsform ist das Sensorelement 58 des Sensors 56 als Schalter 62, genauer gesagt als Tastschalter, ausgebildet. Dieser Tastschalter dient als Unterbrecherkontakt des Interlock-Systems beziehungsweise eines Interlock-Kreises. Das als Schalter 62 ausgebildete Sensorelement 58 ist an dem einen Endbereich 40 derart befestigt, dass der Schalter 62 bei geschlossenem Gehäuse 18, 54 durch das Gehäuseteil 52 niedergedrückt wird. Wird das Gehäuseteil 52 abgenommen beziehungsweise entfernt, so öffnet der Schalter 62 und der ent- sprechende Interlock-Kreis ist geöffnet.
Die Signalleitungen 60 des Sensors 56 werden vom Sensorelement 58 beziehungsweise dem Schalter 62 kommend durch oder entlang des einen Wickelkopfes 44 am einen Endbereich 40 radial nach außen und anschließend durch einen der Schlitze 34 axial bis zum anderen Endbereich 42 geführt. Dort wird ein Ende 64 der Signalleitungen 60 durch einen entsprechenden Durchbruch 66 im Gehäuse 18, 54 nach außen geführt. Diese Führung der Signalleitungen 60 trägt der besonderen Bauraumsituation in kompakten elektrischen Maschinen 12, wie zum Beispiel Radnabenmotoren 10, Rechnung. Sie ist aber ebenso bei allen Aufgabenstellungen anwendbar, bei denen ähnliche geometrische Situationen auftreten.
Es ergibt sich folgende Situation: Da das darstellbare Drehmoment bei elektrischen Maschinen 12 quadratisch mit dem Durchmesser des Luftspaltes wächst, zählt die Maximierung dieses Durchmessers bei der Auslegung der elektrischen Maschine 12 zu den wichtigsten Aufgaben. Gleichzeitig bestehen von Seiten des gegebenen Bauraums Begrenzungen, die z.B. bei radintegrierten Antrieben durch die Felge gegeben sind. Bei Betrachtung eines Innenläufers fällt auf, dass das Gehäuseaußenteil 48, das unter anderem die Aufgabe der Kapselung des Hochvoltkreises zur Spannungsversorgung der elektrischen Maschine 12 übernimmt, zwar von einem Sensorelement 58 überwacht werden kann, die Signalleitungen 60 jedoch weder außerhalb des Radnabenmotors 10 (hier besteht nur ein Minimalspalt zur Felge) noch durch den drehenden Innenteil (also den Rotor 14) geführt werden kann. Die Signalleitungen werden daher durch den stehenden Teil der elektrischen Maschine 12 geführt. Dieser stehende Teil wird von der Blechung des Stators 16, der Wicklungsanordnung 36, einem hier nicht gezeigten Kühlmantel und dem Gehäuse 18, 54 gebildet. Die Bauraumsituation ist im optimierten Falle so eng, dass bei erster Betrachtung kein Weg für die Signalleitungen 60 bleibt.
Da die Schlitze beziehungsweise Nuten jedoch nicht zu 100% durch die Windungen 38 der Wicklungsanordnung 36 gefüllt werden, bleibt in der Regel auch bei bisherigen elektrischen Maschinen 12 immer ein kleiner Durchgang pro Schlitz 34, der genutzt werden kann. Die Signalleitungen 60 werden demnach zusammen mit den Windungen 38 durch die Schlitze/Nuten 34 der elektrischen Maschine 12 gelegt. Die Fig. 2 und 3 zeigen diese Situation im Detail. Sie zeigen jeweils einen Abschnitt des Stators 16 mit drei Polzähnen 32 und dazwischenliegenden Schlitzen 34. Die Polzähne 32 sind mit Windungen 38 der Wicklungsanordnung 36 des Stators 16 umwickelt. In einem der Schlitze 34 liegen die Signalleitungen 60 (je eine Hin- und eine Rückleitung) des Sensors 56 ein.
Die Darstellung der Fig. 4 entspricht im Wesentlichen der der Fig. 2 und zeigt zusätzliche Verankerungsarme 68 des Sensorelements 58, mittels derer das Sensorelement 58 am Stator 16 befestigt werden kann. Die Art der Befestigung ist in Fig. 5 besonders klar erkennbar.
Die Fig. 5 zeigt eine Schnittdarstellung entsprechend der Fig. 3, wobei die lös- bare Befestigung des Sensorelements 58 am Stator 16 gezeigt ist. Dazu weist das Sensorelement 58 die zwei Verankerungsarme 68 auf, mittels derer es an einem Polzahn 32 und den entsprechenden um diesen Polzahn 32 gewickelten Windungen 38 im Bereich des einen Wickelkopfes 44 (zum Beispiel durch Ver- guss in/an diesem Wickelkopf 44) befestigt wird.
Da die Wicklungsanordnung 36 der elektrischen Maschine 12 von hohen gepulsten Wechselströmen durchflössen wird, ist die Beeinflussung der Signale auf den Signalleitungen 60 durch die entstehenden Magnetfelder zu berücksichtigen.
Das Sensorsignal auf den Signalleitungen 60 besteht üblicherweise aus einem vorgegebenen Strom von z.B. 10 mA. Zur Zwangsabschaltung ausgewertet wird ein Spannungsabfall im Interlock-System beziehungsweise Interlock-Kreis. Wird der Spannungsabfall zu hoch, wird die Abschaltung der Spannungsversorgung der elektrischen Maschine 12 vom System zur Zwangsabschaltung veranlasst.
Die in den Sensor 56, insbesondere dessen Signalleitungen 60, induzierten Störungen sind auf einem Niveau zu halten, das ein fälschliches Ansprechen des Systems zur Abschaltung (der Interlock-Überwachung) ausschließt. Die billigste und wirksamste Maßnahme ist eine geeignete Leitungsführung. Die Figuren 6 bis 10 zeigen Detaildarstellungen der Leitungsführung des Sensors 56 am Stator 16 mit diversen Maßnahmen zur Unterdrückung von Störsignalen. Fig. 6 zeigt Hin- und Rückleitung der Signalleitungen 60, die eng beieinander verlegt, hier sogar miteinander verdrillt sind. Durch die enge räumliche Führung von Hin- und Rückleitung heben sich induzierte Störungen zumindest teilweise auf.
Fig. 7 zeigt als weitere Maßnahme eine Schirmung 70 der Signalleitungen 60. Eine Abschirmung 70 der Signalleitungen 60 schwächt den Einfluss von Stö- rungen weiter ab.
Weiterhin kann durch den Einsatz von Ferritkernen 72 (Fig. 8) eine Bedämp- fung in den Signalleitungen 60 erzielt werden. Die Leitungen 60 werden dazu nahe an den Anschlüssen beziehungsweise dem Ende 64 durch den Ferritkern 72 geführt.
Die teuerste Maßnahme ist die Filterung, insbesondere aktive Filterung. Fig. 9 zeigt eine entsprechende Anordnung, bei der die Signalleitungen 60 an ihrem dem Sensorelement 58 abgewandten Ende 64 an einen Frequenzfilter 74 angeschlossen sind. Die störenden Impulse in der Wicklungsanordnung können durch eine parallel zu den Signalleitungen 60 geführte Antenne 76 detektiert werden und einem Frequenzfilter 74 zugeführt werden, der als aktiver Filter ausgebildet ist.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft - wie bereits erwähnt- das Sensorelement 58 selbst. Da es - wie im Ausführungsbeispiel dargestellt - so angeordnet sein kann, dass es bei der Demontage des Rotors 14 im Weg ist, muss es selbst auch demontierbar sein. Gleichzeitig ist seine Befestigung (also zum Beispiel die zwei Verankerungsarme 68) so zu gestalten, dass diese im Spulenkörper der Maschine 12 verschwindet.
Zu diesem Zweck wird die mechanische Ausrichtung des Sensorelementes 58 mit der elektrischen Kontaktierung zusammengefasst.
Die einfachste Möglichkeit besteht in der Verbindung durch Schrauben. Der Kontakt wird zunächst mittels einer geeigneten Kontur verdrehsicher positioniert und dann mit einer oder mehreren Schrauben gesichert.
Ein eleganter Weg, den Kontakt zu positionieren und gleichzeitig zu sichern bildet eine formschlüssige Verbindung nach dem Prinzip der Schwalbenschwanzführung mittels der zwei Verankerungsarme 68. Der Clou dabei ist die Einschubrichtung: Das Sensorelement 58 wird bei abgenommenem Gehäuse- teil 52 in die Führung geschoben und hält sich dort in 5 Freiheitsgraden durch Formschluss und in dem letzten Freiheitsgrad durch Reibschluss. Die Sicherung in dieser Richtung erfolgt durch Aufsetzen des abnehmbaren Gehäuseteils 52. Bezugszeichenliste
Elektro-Radnabenmotor
Elektrische Maschine
Rotor
Stator
Gehäuse
Motorachse
Welle
Lager
Außenumfang
Magnet
Innenumfang
Polzahn
Schlitz
Wicklungsanordnung
Windung
Endbereich
Endbereich
Wickelkopf
Wickelkopf
Gehäuseaußenteil
Gehäuseinnenteil
Gehäuseteil
Offenbares Gehäuse
Sensor
Sensorelement
Signalleitung
Schalter
Ende
Durchbruch
Verankerungsarme
Schirmung Ferritkern
Frequenzfilter
Antenne

Claims

Patentansprüche
1 . Elektrische Maschine (12), insbesondere Elektro-Radnabenmotor (10), mit einem Rotor (14), einem Stator (16) und einem den Rotor (14) und den Sta- tor (16) zumindest teilweise einhausenden Gehäuse (18), wobei der Rotor (14) und/oder der Stator (16) umfänglich angeordnete Polzähne (32) und dazwischenliegende Schlitze (34) aufweist,
gekennzeichnet durch mindestens einen Sensor (56) mit Sensorelement (58) und Signalleitungen (60) für ein System zur Zwangsabschaltung, wobei die Signalleitungen (60) des Sensors (56) in einem der Schlitze (34) geführt sind.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (18) als offenbares Gehäuse (54) ausgebildet ist.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen des offenbaren Gehäuses (54) durch Abnahme und/oder durch Verschwenken und/oder Verschieben mindestens eines Gehäuseteils (52) erfolgt.
4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (58) als Schalter (62), insbesondere als Tastschalter, ausgebildet ist.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (62) bei geschlossenem Gehäuse (18, 54) durch das Gehäuseteil
(52) niedergedrückt wird.
6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Sensorelement (58) abgewandtes Ende (66) die Signalleitungen (60) aus dem Gehäuse (18, 54) herausgeführt ist.
7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalleitungen (60) miteinander verdrillt sind.
8. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalleitungen (60) eine gemeinsame Schirmung (70) aufweisen.
9. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Signalleitungen (60) an ihrem dem Sensorelement (58) abgewandten Ende (64) mit einem Ferritkern (72) umgeben oder an einen Frequenzfilter (74) angeschlossen sind.
10. System zur Zwangsabschaltung, mit einer elektrischen Maschine (12) und einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Energieversorgung der elektrischen Maschine (12) in Abhängigkeit von einem Sensorsignal, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (12) nach einem der vorherigen Ansprüche ausgebildet ist, wobei die Signalleitungen (60) des Sensors (56) zur Übertragung des Sensorsignals signaltechnisch an die Steuereinrichtung ange- schlössen sind.
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