WO2021121469A1 - Filter für eine elektrische maschine - Google Patents

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electrical machine
stator
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Andreas HUMBERT
Baao Ngoc AN
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H03H2001/0092—Inductor filters, i.e. inductors whose parasitic capacitance is of relevance to consider it as filter

Definitions

  • the invention relates to a filter for an electrical machine.
  • the power electronics which are required for the operation or control of an electrical machine, produce switching losses, which consequently give rise to heat.
  • the trend in electrical machines according to the state of the art is towards the use of silicon carbide components (SiC).
  • the power electronics can be supplemented with a filter stage.
  • This addition provides at least one inductance as well as a capacitance, which as separate components also require installation space and cause ent speaking costs.
  • the object of the invention is therefore to create a filter for an electrical machine that includes the necessary inductances and capacitances and thereby optimizes the costs, cooling, installation space and service life of the insulation of an electrical machine.
  • the filter for an electric machine includes an inductance, which is a coil, and a capacitance.
  • the coil has several windings, each turn of the windings of the coil comprising at least one conductor which is flat.
  • the coil itself forms the capacitance of the filter, with one surface of one conductor being arranged opposite the surface of an adjacent conductor for this purpose.
  • the conductor can, for example, be built as a sheet of copper or as a wire with a rectangular cross-section.
  • the individual conductors are electrically isolated from one another by insulating material. For example, insulation foils, laughing layers, ceramics, etc. can be used as insulation material.
  • turns of the windings are composed of several individual pieces of the conductor.
  • the conductor differs in its geometry (cross-section) in its ratio between width and height.
  • the capacitances which are high enough for the filter are generated by parallel and opposite surfaces of the conductors.
  • the advantage of the invention is that through the integration of the filter elements (at least the filter and coil) in or on the electrical machine, the system of the electrical machine and filter elements is more compact and cost-efficient than the solutions of the prior art.
  • the coil comprises a first winding and a second winding.
  • the turn of the first winding and the second winding consists of a single conductor.
  • both windings are insulated from one another by an insulation layer or insulation material. Both windings are energized with a phase shift of 180 ° in order to compensate for the magnetic flux in the iron core and to avoid saturation effects in the core material. As a result, a compact core material can be used.
  • the filter can have any arrangement.
  • the number of turns can also be varied and also implemented in multiple layers.
  • the turn of the first winding and the second winding can comprise several separate conductors. The several separate conductors together form the surface in each turn which, together with other surfaces of the turns of the first winding and the second winding, forms the capacitance required for the filter.
  • windings can also be used. Half of the windings are then connected in parallel or in series. This allows effects such as proximity and skin effects to be reduced. To further increase the capacity, these windings can also be arranged in multiple layers and offset.
  • the coil can consist of a first winding, a second winding, a third winding and a fourth winding.
  • Each winding comprises several separate conductors which together in each winding form the surface which ultimately forms the capacitance of the filter.
  • the turns of all windings for the coil of the filter are wound around a core.
  • the conductor of each winding is insulated from the other conductors by an insulating material, which electrically isolates the conductors from one another.
  • a filter system comprises at least one filter which, as described above, can be constructed in accordance with the various embodiments.
  • the filter is attached to a stator ring in such a way that the filter is connected to the stator ring via the core.
  • the filter can be oriented towards an interior of the stator ring.
  • the filter can be inserted into the stator ring and aligned in the direction of an axis of the stator ring. If, for example, at least three filters are provided on the stator ring, one speaks of a three-phase implementation variant.
  • the stator of an electrical machine can be built up from a stack of sheets of several stator rings.
  • the stator ring with the filters can be applied directly to the geometry of the stator of the electrical machine become.
  • the magnetic circuit is shown open to ensure the necessary leakage flux.
  • the geometry can also be implemented in multiple phases or with a closed magnetic circuit.
  • several of these filter elements can also be connected in parallel to form a phase. Due to the direct connection of the filter element to the iron of the stator of the electrical machine, the filter elements are cooled directly by the existing cooling of the electrical machine.
  • the interior is ideal for integrating the power electronics due to the existing ends of the windings. This creates a compact ring that can be attached directly to the engine.
  • power electronics can be installed in an interior space defined by the stator ring.
  • the stator ring can be mounted together with the at least one filter on the stator of the electrical machine.
  • the stator ring can also be mounted on the stator of the electrical machine together with the filter and the built-in power electronics.
  • the coil can consist of conductors that are flat and wide. These conductors are positioned in several layers on one end face of a Sta tor of the electrical machine. According to another embodiment, the flat and wide conductors can be wound on a lateral surface of the Sta tor of the electrical machine in several layers. According to these embodiments, the at least one filter and the stator of the electrical machine represent the filter element.
  • the coils from the flat and wide conductors must be placed on top of one another several times. These two realization possibilities make it possible to realize a large and compact coil element with a comparatively large capacity. Another advantage is that the coils or filters are thermally very well connected to the electrical machine.
  • the flat and wide conductors are preferably made of copper.
  • Figure 1 shows a schematic arrangement of the prior art of power electronics, filter and electrical machine.
  • FIG. 2 schematically shows an exemplary embodiment according to the invention of the arrangement of power electronics, filter and electrical machine.
  • FIG. 3 shows a cross section of a coil (inductance) which is used in the filter according to the invention.
  • FIG. 4 shows a sectional view of the coil along the section line A-A shown in FIG.
  • FIG. 5 shows schematically the cross section of a conductor with which the coil of the filter is wound.
  • Figure 6 shows a three-phase implementation variant of the Fil ters according to the invention, which is attached directly to the stator of the electrical machine.
  • FIG. 7 shows a further possible embodiment variant of the filter element
  • Figure 8 also shows a possible variant of the filter element for an electrical cal machine.
  • FIG. 9 shows the plan view in the axial direction of a possible embodiment for the winding of the coil of the filter of the filter element.
  • FIG. 10 shows a side view of the embodiment shown in FIG. 9 in partial section.
  • FIG. 11 shows the plan view in the axial direction of a further possible embodiment for the winding of the coil of the filter of the filter element.
  • FIG. 12 shows a side view of the embodiment shown in FIG. 11 in partial section.
  • FIG. 13 shows the embodiment of a multilayer winding for forming the coil of the filter.
  • FIG. 14 shows the embodiment of a multi-layer winding for forming the coil of the filter, several windings being connected in parallel.
  • FIG. 15 shows the further embodiment of a multilayer winding for the formation of the coil of the filter, with several windings connected in parallel but wound offset.
  • FIG. 1 shows a schematic arrangement of the prior art of power electronics 2 and electrical machine 1.
  • Power electronics 2 are connected to electrical machine 1 via a cable 4.
  • a filter (not shown here) can be interposed between the electrical machine 1 and the power electronics 2.
  • the filter 3 (see FIG. 2) comprises at least one inductor 5 and one capacitance 6, which as separate components require additional installation space and cause corresponding costs.
  • FIG. 2 shows a schematic arrangement of a possible embodiment of the inventive arrangement of power electronics 2, filter 3 and electrical machine 1.
  • the power electronics 2 is connected to the electrical machine 1 via a cable 4 connected.
  • the electric machine 1 is assigned the filter 3.
  • the filter 3 is designed in such a way that it forms an inductance 5 and a capacitance 6.
  • the inventive arrangement of the filter 3 according to the invention on the electrical machine 1 has the advantage that no additional installation space is required.
  • FIG. 3 shows a cross section through a coil 10 (inductance) as it is used in the filter 3 according to the invention.
  • the coil 10 has a core 11 around which a first winding 12i and a second winding 122 (see FIG. 4) are wound.
  • the coil 10 is composed of a first winding 12i and a second winding 122, which alternate along the core 11.
  • An insulation layer 13 surrounds the conductor 20 of the turns 9 of the first winding 12i and the second winding 122 and thus insulates them from one another.
  • the insulation material 13 is a lacquer layer which surrounds the conductor 20. Both windings 12i and 122 are energized by 180 ° phase-shifted in order to compensate for the magnetic flux in the core 11 (iron core) and to avoid saturation effects in the material of the core 11. This means that a compact material can be inserted into the core 11.
  • FIG. 5 schematically shows the cross section of a conductor 20 with which the coil 10 of the filter 3 is wound.
  • the conductor 20 is constructed analogously to the lacquer wire of an electrical machine and is surrounded by an insulation material 13, which is, for example, a lacquer layer. It is also conceivable that the insulation material 13 is not necessarily closed around the conductor 20.
  • the representation of the conductor 20 with the insulation layer shown in FIG. 5 should not be interpreted as a limitation of the invention.
  • the conductor 20 for the filter 3 is flat. This means that the conductor 20 has a ratio between width B and height H, that the width B is greater than the height H of the conductor 20.
  • the ratio between the width B and the height H results in opposite, parallel surfaces F, extending along the length (not shown) of conductor 20.
  • the surfaces F of two conductors 20 following one another in the coil 10 are opposite one another. This forms within the Coil 10 from a capacitance.
  • the inductance 5 and capacitance 6 are thus combined in the coil 10.
  • FIG. 6 shows a three-phase implementation variant of the filter 3 according to the invention, which is attached directly to the stator (not shown) of the electrical machine 1.
  • the illustration in FIG. 6 is a side view of the structure consisting of electrical machine 1 (not shown) and stator ring 32.
  • the filter 3 can have any arrangements in addition to the rotationally symmetrical geometry shown. The number of turns can also be varied and can also be implemented in multiple layers (see FIGS. 13-15).
  • the structure of the filter 3 already described in FIG. 5 results in advantages with regard to the integration into the electrical machine 1 (not shown). Similar to the electrical machine 1 (not shown), a polyphase filter element 30 can be constructed similarly to the stator 102 (see FIGS. 9 or 11) of the electrical machine 1 (not shown).
  • the filter element 30 is three-phase in the embodiment shown here. Consequently, three filters 3 are attached to a stator ring 32, which forms an interior space 34, in such a way that the filters 3 protrude into the interior space 34. Each filter 3 is thus connected to the stator ring 32 via the core 11 of the coil 10.
  • the stator ring 32 is brought directly onto the geometry of the stator (not shown) of the electrical machine 1.
  • the stator ring 32 is shown in FIG. 6 as an open magnetic circuit to ensure the necessary leakage flux.
  • the stator ring 32 can also be implemented in multiple phases or with a closed magnetic circuit.
  • several of these filter elements 30 can also be connected in parallel to form a phase. As a result of the direct connection to the iron of the stator, the filter elements 30 are cooled directly by the existing cooling system (not shown) of the electrical machine 1.
  • FIG. 7 shows a further possible embodiment variant of the filter element 30.
  • the interior space 34 provided in the configuration of the filter element 30 is provided with the power electronics 2.
  • the interior 34 lends itself to the installation of the power electronics 2, since the already existing ends 10E of the coil 10 on the in- indicate interior room 34. The ends 10E of the coil 10 can thus be easily connected to the power electronics 2.
  • the installation of the power electronics 2 in the interior 34 creates a compact ring that can also be attached directly to the stator of the electrical machine 1's. An integration of the power electronics 2 only makes sense when the magnetic circuits are closed in order to avoid the EMC problem.
  • FIG. 8 shows an additional possible variant of the filter element 30 for an electrical machine 1.
  • a filter 3 short in the direction of the axis A of the stator ring 32 or of the electrical machine 1 can be realized through the flat winding of the conductor 20.
  • the length of the filter 3 corresponds approximately to the thickness of the stator ring 32 and can therefore also be arranged parallel to the axis A, i.e. perpendicular to the iron of the stator 102 of the electrical machine 1.
  • FIG. 8 shows a possible geometry for a three-phase radial flow machine with two parallel filters 3 each (indicated by a dashed line).
  • the interior 34 offers the installation space for the power electronics (not shown here).
  • the direct connection of the filter element 30 to the stator of the electrical machine 1 enables busbars that connect the electrical machine 1 to the power electronics 2 to be replaced.
  • this invention can also be used for any variants, such as axial flow transversal flow machines or combinations with any interconnections, such as star / delta.
  • this invention can also be used for integrating filter elements 30, the described embodiments are also conceivable for integrating the inductances of a DC / DC converter.
  • FIG. 9 shows a possible embodiment for the winding of the coil 10 of the filter 3 of the filter element 20 for the electrical machine 1.
  • the electrical machine 1 comprises a rotor 101 and a stator 102.
  • the winding heads 103 are formed in the stator 102.
  • Flat and wide conductors 20, preferably made of copper, are used for winding the coil 10 of the filter 3 of the embodiments of FIGS. 9 and 11. In the embodiment shown in FIG. 9, these are directly on an end face 104 of the stator 102 and wound around the stator 102.
  • these filters 3 must be placed on top of one another several times.
  • FIG. 10 shows a side view of the embodiment shown in FIG. 9 in partial section. It can be seen that a plurality of layers 81, 82, 8N of the conductors 20 are placed on top of one another on the stator 102. These two implementation options allow a large-area and compact coil element to be implemented with a comparatively greater capacity.
  • FIG. 11 shows a plan view in the axial direction of a further possible embodiment for the winding of the coil 10 of the filter 3 of the filter element 20.
  • FIG. 12 shows a side view of the embodiment shown in FIG. 11 in partial section.
  • flat and wide conductors 20 conductive strips which can also consist of several sections
  • preferably made of copper are used for winding the coil 10 of the filter 3.
  • these are wound around the lateral surface 106 of the stator 102 of the electrical machine 1 in several layers 81, 82, 8N.
  • FIG. 11 shows a side view of the embodiment shown in FIG. 12 in partial section. It can be seen that a plurality of layers 81, 82, 8N of the conductors 20 are wound onto the jacket surface 106 of the stator 102 of the electrical machine 1.
  • Filter 3 comprising a large and compact coil 10 for the filter 3 or the filter element 30.
  • the filter 3 or the filter element 30 can be realized with a greater capacity than is the case with the filters 3 or filter elements 30 of the embodiments of FIGS.
  • Another advantage of the embodiments of FIGS. 9 and 11 is that the filter elements 30 are thermally very well connected to the electrical machine 1.
  • FIG. 13 shows the embodiment of a multi-layer winding which is made up of several windings 12i, 122, 12N.
  • the coil 3 consists of a first winding 12i and a second winding 122.
  • FIG. 14 shows the embodiment of a multilayer winding which, according to the embodiment described here, consists of a first winding 12i, a second winding 122, a third winding 123 and a fourth winding 124.
  • the first winding 12i and the second winding 122 are connected in parallel.
  • the third winding 123 and the fourth winding 124 are connected in parallel.
  • the embodiment described in FIG. 14 with the first winding 12i, the second winding 122, the third winding 123 and the fourth winding 124 is only used for description. More than four windings 12i, 122, 12N are also possible.
  • the windings 12i, 122,, 12N can either be connected in parallel, this requires an even multiple, or evenly phase-shifted, e.g. 5-phase then 72 degrees out of phase or 12-phase, then 30 degrees out of phase, etc.
  • FIG. 15 shows a further embodiment of a multilayer winding which, according to the embodiment described here, consists of a first winding 12i, a second winding 122, a third winding 123 and a fourth winding 124.
  • the first winding 12i and the third winding 123 are connected in parallel.
  • the second winding 122 and the fourth winding 124 are likewise connected in parallel.
  • the first winding 12i and the third winding 123 (half bridge) and the second winding 122 and the fourth winding 124 (half bridge) are connected in parallel and energized with a phase shift of 180 °.
  • four phases are energized with a phase shift of 90 ° each (each via a half bridge) and the first winding 12i and the third winding 123 are shifted by 180 ° to one another.
  • Filters 3 in one of the several windings 12i, 122, 12N of the coil 10 several large flat, thin and wide conductors 20 are provided, which can be connected in accordance with the above-mentioned embodiments.
  • the ratio between the width B and the height H of the D conductor 20 is that the width B is greater than the height H (thickness) of the conductor 20. Consequently, flat conductors 20 are used for the winding of the coil 10 used.
  • the capacitance thus formed is relevant for the function of the filter 3 or filter element 30.

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Abstract

Es ist ein Filter für eine elektrische Maschine offenbart. Der Filter umfasst eine Induktivität, die eine Spule ist, und eine Kapazität. Die Spule weist mehrere Wicklungen auf. Jede Windung der Wicklungen umfasst zumindest einen Leiter, der flächig ausgebildet ist. Durch den flächigen Leiter der Spule ist somit in der Spule selbst die Kapazität des Filters ausgebildet. Dabei ist eine Fläche eines Leiters gegenüber der Fläche eines benachbarten Leiters angeordnet.

Description

FILTER FÜR EINE ELEKTRISCHE MASCHINE
Die Erfindung betrifft einen Filter 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 ermögli chen, geht bei elektrischen Maschine nach dem Stand der Technik der Trend zum Ein satz von Siliziumkarbid Bauelementen (SiC).
Durch die geringen Schaltverluste bei steilen Schaltflanken entstehen Reflexionen im Kabel zwischen der Maschine und der Leistungselektronik, so dass Spannungsüber- Schwingungen an den Wicklungen der elektrischen Maschine entstehen, die sich nega tiv auf die Isolation der Wicklung auswirken und die Lebensdauer der Maschine reduzie ren. 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 so wie eine Kapazität vor, die als separate Bauteile zusätzlich Bauraum benötigen und ent sprechende Kosten verursachen. Zusätzlich entstehen Verluste in der Filterstufe, so dass diese Wärme im Filter abgeführt werden muss. Wrd beispielsweise ein Sinusfilter eingesetzt, kann der harmonische Anteil in der Ausgangsspannung des Inverters mini- miert werden und die Ausgangsspannung in ein nahezu sinusförmiges Signal umge wandelt werden, sodass die Verluste in der Maschine reduziert werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Filter für eine elektrische Maschine zu schaf fen, der die notwendigen Induktivitäten und Kapazitäten umfasst und dabei die Kosten, die Kühlung, den Bauraum und die Lebensdauer der Isolation einer elektrischen Ma- schine optimiert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Filter für eine elektrische Maschine gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche enthalten jeweils vorteilhafte Weiter bildungen. Der erfindungsgemäße Filter für eine elektrische Maschine umfasst eine Induktivität, die eine Spule ist, und eine Kapazität. Die Spule weist mehrere Wicklungen auf, wobei jede Windung der Wicklungen der Spule zumindest einen Leiter umfasst, der flächig ausge bildet 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 auf gebaut 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.
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 herum gewickelt ist, werden beide Wicklun gen von einer Isolationsschicht bzw. Isolationsmaterial voneinander isoliert. Beide Wick lungen werden um 180° phasenverschoben bestromt, um den magnetischen Fluss im Kern aus Eisen zu kompensieren, und um Sättigungseffekte im Kernmaterial zu vermei den. 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 Wcklung mehrere separate Leiter umfassen. Die meh reren separaten Leiter bilden zusammen in jeder Windung die Fläche, welche zusam men mit anderen Flächen der Windungen der ersten Wicklung und der zweiten Wick- lung die für den Filter erforderliche Kapazität ausbildet.
Neben der Ausführung mit zwei Wicklungen können auch mehrere Wicklungen verwen det werden. Dabei wird dann jeweils die Hälfte der Wcklungen 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 einerweiteren 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 ge wickelt. Der Leiter einer jeden Wicklung ist durch ein Isolationsmaterial von den anderen Leitern isoliert, die die Leiter elektrisch voneinander zu isoliert.
Ein erfindungsgemäßes Filtersystem umfasst mindestens einen Filter, der wie oben be schrieben, gemäß den verschiedenen Ausführungsformen aufgebaut sein kann. Der Filter ist derart an einem Statorring angebracht, dass der Filter über den Kern mit dem Statorring verbunden ist. Gemäß einer möglichen Ausführungsform kann der Filter zu einem Innenraum des Statorrings hin ausgerichtet sein. Gemäß einer anderen Ausfüh rungsform kann der Filter in den Statorring eingesetzt und in Richtung einer Achse des Statorrings ausgerichtet sein. 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 Magnet kreis realisiert werden. Je nach Geometrie der elektrischen Maschine und Anwendungs- fall können mehrere dieser Filterelemente auch parallel zu einer Phase verschaltet wer den. 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.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Leistungselektronik in einem von dem Statorring definierten Innenraum eingebaut werden. Der Statorring kann zusam men 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 beste hen, die flach und breit ausgeführt sind. Diese Leiter sind auf einer Stirnseite eines Sta tors der elektrischen Maschine in mehreren Lagen positioniert. Gemäß einer anderen Ausführungsform können die flachen und breiten Leiter auf eine Mantelfläche des Sta tors der elektrischen Maschine in mehreren Lagen gewickelt sein. Gemäß diesen Aus führungsformen stellen der mindestens eine Filter und der Stator der elektrischen Ma schine das Filterelement dar.
Für eine mehrphasige elektrische Maschine müssen die Spulen aus den flachen und breiten Leitern mehrfach aufeinander platziert werden. Diese beiden Realisierungsmög lichkeiten erlauben es, ein großflächiges und kompaktes Spulen-Element mit einer ver gleichsweise 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 Aus führungsbeispiel 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 Elemen ten dargestellt sind.
Figur 1 zeigt eine schematische Anordnung des Standes der Technik von Leis tungselektronik, Filter und elektrischer Maschine.
Figur 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Anord- nung von Leistungselektronik, Filter und elektrischer Maschine.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt einer Spule (Induktivität), die beim erfindungsgemä ßen Filter Einsatz findet.
Figur 4 zeigt eine Schnittansicht der Spule entlang der in Fig. 3 dargestellten Schnittlinie A-A. Figur 5 zeigt schematisch den Querschnitt eines Leiters, mit dem die Spule des Fil ters gewickelt ist.
Figur 6 zeigt eine drei-phasige Realisierungsvariante des erfindungsgemäßen Fil ters, der direkt am Stator der elektrischen Maschine angebracht ist.
Figur 7 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsvariante des Filterelements; Figur 8 zeigt zusätzlich eine mögliche Variante des Filterelements für eine elektri sche Maschine.
Figur 9 zeigt die Draufsicht in axialer Richtung auf eine mögliche Ausführungsform für die Wicklung der Spule des Filters des Filterelements.
Figur 10 zeigt eine Seitenansicht auf die in Figur 9 dargestellte Ausführungsform im Teilschnitt. Figur 11 zeigt die Draufsicht in axialer Richtung auf eine weitere mögliche Ausfüh rungsform für die Wicklung der Spule des Filters des Filterelements.
Figur 12 zeigt eine Seitenansicht auf die in Figur 11 dargestellte Ausführungsform im Teilschnitt. Figur 13 zeigt die Ausführungsform einer mehrlagigen Wicklung für die Ausbildung der Spule des Filters.
Figur 14 zeigt die Ausführungsform einer mehrlagigen Wicklung für die Ausbildung der Spule des Filters, wobei mehrere Wicklungen parallel geschaltet sind.
Figur 15 zeigt die weitere Ausführungsform einer mehrlagigen Wicklung für die Aus bildung der Spule des Filters, wobei mehrere Wicklungen parallel geschaltet aber versetzt gewickelt sind.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszei chen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzel nen 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 Maschi ne (E-Motor).
Figur 1 zeigt eine schematische Anordnung des Standes der Technik von Leistungs- elektronik 2und 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 Fig. 2) umfasst mindestens eine Induktivität 5 sowie eine Kapa zität 6, die als separate Bauteile zusätzlich Bauraum benötigen und entsprechende Kos- ten verursachen.
Figur 2 zeigt eine schematische Anordnung einer möglichen Ausführungsform der er findungsgemäßen Anordnung von Leistungselektronik 2, Filter 3 und elektrischer Ma schine 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 ausbil det. Die erfindungsgemäße Anordnung des erfindungsgemäßen Filters 3 an der elektri schen Maschine 1 hat den Vorteil, dass kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Spule 10 (Induktivität), wie sie bei dem erfin dungsgemäßen Filter 3 Einsatz findet. Die Spule 10 besitzt einen Kern 11 , um den eine erste Wicklung 12i und einer zweite Wicklung 122 (siehe Figur 4) gewickelt ist.
Wie bei der in Figur 4 (Schnittansicht der Spule 10 entlang der in Figur 3 dargestellten Schnittlinie A-A) gezeigten Ausführungsform zu erkennen ist, ist die Spule 10 aus einer ersten Wicklung 12i 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 12i und der zweiten Wicklung 122 und isoliert diese somit vonei nander. Die Isolationsmaterial 13 ist bei dieser Ausführungsform eine Lackschicht, die den Leiter 20 umgibt. Beide Wicklungen 12i und 122 werden um 180° phasenverscho benen 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.
Figur 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 Lack draht einer elektrischen Maschine aufgebaut und von einer Isolationsmaterial 13, das z.B. eine Lackschicht ist, umgeben. Es ist ebenfalls vorstellbar, dass das Isolationsma terial 13 nicht zwangsweise um den Leiter 20 herum geschlossen ist. Die in Figur 5 ge zeigte 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 zwi schen 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 Figur 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.
Figur 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 Figur 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 An ordnungen haben. Ebenso kann die Windungszahl variiert und auch mehrlagig (siehe hierzu Fig. 13 - 15) ausgeführt werden. Durch den bereits in Fig. 5 beschriebenen Auf- bau des Filters 3 ergeben sich Vorteile bezüglich der Integration in die elektrische Ma schine 1 (nicht dargestellt). Ähnlich wie die elektrische Maschine 1 (nicht dargestellt) kann ein mehrphasiges Filterelement 30 ähnlich wie der Stator 102 (siehe Fig. 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 auf gebracht. Der Statorring 32 ist in Figur 6 zur Sicherstellung des notwendigen Streuflus- ses 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.
Figur 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 Leis tungselektronik 2 an, da die bereits vorhandenen Enden 10E der Spule 10 auf den In- nenraum 34 hinweisen. Die Enden 10E der Spule 10 können somit einfach mit der Leis tungselektronik 2 verbunden werden. Durch den Einbau der Leistungselektronik 2 in den Innenraum 34 entsteht ein kompakter Ring, der ebenfalls direkt am Stator der elektri schen, 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.
Figur 8 zeigt eine zusätzlich mögliche Variante des Filterelements 30 für eine elektri sche Maschine 1 . Durch die in Fig. 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 ent sprechen in etwa der Dicke des Statorrings 32 und können somit auch parallel zur Ach se A, d.h. senkrecht zum Eisen des Stators 102 der elektrischen Maschine 1 angeordnet werden. Dabei zeigt Figur 8 eine mögliche Geometrie für eine drei-phasige Radialfluss maschine mit jeweils zwei parallelen Filtern 3 (durch eine gestrichelte Linie gekenn zeichnet). 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 Figur 8 beschriebenen Realisierung für eine Radialflussmaschine kann diese Erfindung auch für beliebige Varianten, wie z.B. Axialfluss- Transversalflussma schinen oder Kombinationen mit beliebigen Verschaltungen, wie z.B. Stern/Dreieck, an gewandt werden. Neben der Anwendung zur Integration von Filterelementen 30 sind die beschriebenen Ausführungsformen auch zur Integration für die Induktivitäten eines DC/DC-Wandlers denkbar.
Figur 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 um fasst 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 Figuren 9 und 11 werden flache und breite Leiter 20, bevorzugt aus Kupfer, verwendet. Bei der in Figur 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.
Figur 10 zeigt eine Seitenansicht auf die in Figur 9 dargestellte Ausführungsform im Teilschnitt. Es ist zu erkennen, dass auf den Stator 102 mehrere Lagen 81, 82, ,8N der Leiter 20 aufeinander platziert werden Diese beiden Realisierungsmöglichkeiten erlau ben es, ein großflächiges und kompaktes Spulen-Element mit einer vergleichsweise größeren Kapazität zu realisieren.
Figur 11 zeigt eine Draufsicht in axialer Richtung auf eine weitere, mögliche Ausfüh rungsform für die Wicklung der Spule 10 des Filters 3 des Filterelements 20. Figur 12 zeigt eine Seitenansicht auf die in Figur 11 dargestellte Ausführungsform im Teilschnitt. Für die Wicklung der Spule 10 des Filters 3 werden, wie bereits in der Be schreibung zu Figur 9 erwähnt, flache und breite Leiter 20 (leitende Streifen, die auch aus mehreren Abschnitten bestehen können), bevorzugt aus Kupfer, verwendet. Bei der in Figur 11 gezeigten Ausführungsform sind diese um die Mantelfläche 106 des Stators 102 der elektrischen Maschine 1 in mehreren Lagen 81, 82, ,8N gewickelt. Für eine mehrphasige elektrische Maschine 1 müssen diese Filter 3 ebenfalls mehrfach aufei nander platziert werden. Figur 11 zeigt eine Seitenansicht auf die in Figur 12 dargestell te Ausführungsform im Teilschnitt. Es ist zu erkennen, dass auf die Mantelfläche 106 des Stators 102 der elektrischen Maschine 1 mehrere Lagen 81, 82, ,8N der Leiter 20 gewickelt sind.
Diese beiden, in den Figuren 9 12 dargestellten, Realisierungsmöglichkeiten erlauben
Filter 3 die eine großflächige und kompakte Spule 10 für den Filter 3 bzw. das Filterele ment 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. Filterelemen- ten 30 der Ausführungsformen der Figuren 5 und 13 15 der Fall ist. Ein weiterer Vorteil der Ausführungsformen der Figuren 9 und 11 besteht darin, dass die Filterelemente 30 thermisch sehr gut an die elektrische Maschine 1 angebunden sind. Figur 13 zeigt die Ausführungsform einer mehrlagigen Wicklung, die aus mehreren Wicklungen 12i, 122, ,12N aufgebaut ist. Hier besteht die Spule 3 aus einer ersten Wicklung 12i und einer zweiten Wicklung 122.
Figur 14 zeigt die Ausführungsform einer mehrlagigen Wicklung, die gemäß der hier beschriebenen Ausführungsform aus einer ersten Wicklung 12i, einer zweiten Wicklung 122, einer dritten Wicklung 123 und einer vierten Wicklung 124 besteht. Für die Ausbil dung der Spule 10 des Filters 3 werden die erste Wicklung 12i und die zweite Wicklung 122 parallel geschaltet. Ebenso werden die dritte Wicklung 123 und die vierte Wicklung 124 parallel geschaltet. Die in Figur 14 beschriebene Ausführungsform mit der ersten Wicklung 12i, der zweiten Wicklung 122, der dritten Wicklung 123 und der vierten Wck- lung 124 dient lediglich zur Beschreibung. Es sind auch mehr als vier Wicklungen 12i, 122, ,12N möglich. Die Wicklungen 12i, 122, , 12N können entweder parallel geschaltet werden, dies erfordert ein geradzahliges vielfaches, oder gleichmäßig phasenverscho ben angesteuert werden, wie z.B. 5 phasig dann um 72 Grad phasenverschoben oder 12 phasig, dann 30 Grad phasenverschoben etc.
Figur 15 zeigt eine weitere Ausführungsform einer mehrlagigen Wicklung, die gemäß der hier beschriebenen Ausführungsform aus einer ersten Wicklung 12i, 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 12i 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 12i und die dritte Wicklung 123 (Halbbrücke) sowie die zweite Wicklung 122 und die vierte Wicklung 124 (Halbbrücke) parallel geschaltet und um 180° phasenver schoben bestromt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden vier Phasen um jeweils 90° phasenver schoben bestromt (jeweils über eine Halbbrücke) und die erste Wicklung 12i und die dritte Wicklung 123 sind um 180° zueinander verschoben.
Wie aus den Figuren 13 15 zu erkennen ist, sind für die Ausbildung der Spule 10 des
Filters 3 in einer der mehreren Wicklungen 12i , 122, , 12N der Spule 10 mehrere groß- flächige, dünne und breite Leiter 20 vorgesehen, die entsprechend der oben erwähnten Ausführungsformen verschaltet werden können. Wie bereits in Figur 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 12i, 122, ,12N 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 offensicht lich, 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 An Sprüche, 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 8i, 82, 8N Lage 9 Windung
10 Spule
10E Ende
11 Kern
12i, 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

Patentansprüche
1 . Filter (3) für eine elektrische Maschine (1), wobei der Filter (3) eine Induktivität (5), die eine Spule (10) ist, und eine Kapazität (6) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (10) mehrere Wicklungen (12i, 122, ,12N) aufweist und Windungen (9) der Wicklungen (12i, 122, ,12N) zumindest einen Leiter (20) umfassen, der flä chig ausgebildet ist, und die Spule (10) selbst die Kapazität (6) des Filters (3) ausbildet, wobei eine Fläche (F) eines Leiters (20) gegenüber der Fläche (F) ei- nes benachbarten Leiters (20) angeordnet ist.
2. Filter (3) nach Anspruch 1 , wobei die Spule (10) eine erste Wicklung (12i) und eine zweite Wicklung (122) umfasst und die Windungen (9) der ersten Wicklung (12i) und der zweiten Wcklung (122) aus einem einzigen Leiter (20) besteht.
3. Filter (3) nach Anspruch 2, wobei die Windung (9) der ersten Wicklung (12i) und der zweiten Wicklung (122) aus mehreren separaten Leitern (20) besteht, die zu sammen in jeder Windung (9) die Fläche (F) bilden.
4. Filter (3) nach Anspruch 1 , wobei die Spule (10) eine erste Wicklung (12i), eine zweite Wicklung (122), eine dritte Wicklung (123), und eine vierte Wicklung (124) umfasst, die jeweils aus mehreren separaten Leitern (20) bestehen, die zusam- men in jeder Windung (9) die Fläche (F) bilden.
5. Filter (3) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Windungen (9) der Wicklungen (12i, 122, , 12N) für die Spule (10) des Filters (3) um einen Kern (11) gewickelt sind und der Leiter (20) einer jeden Wicklung (12i, 122, ,12N) mittels einem Isolationmaterial (13) von den anderen Leitern (20) getrennt ist.
6. Filterelement (30) für eine elektrische Maschine (1), das mindestens einen Filter
(3) gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 umfasst, wobei der Filter (3) an einem Stator ring (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.
7. Filterelement (30) nach Anspruch 6, wobei der Statorring (32) einen Innenraum (34) definiert, in dem eine Leistungselektronik (2) eingebaut ist.
8. Filterelement (30) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei der Statorring (32) zusammen mit dem mindestens einen Filter (3) am Stator (102) der elektrischen Maschine (1) montiert ist.
9. Filter (3) nach einem der vorangehenden 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, 8N) posi tioniert sind oder aus flachen und breiten Leitern (20) besteht, die auf eine Man telfläche (106) des Stators (102) der elektrischen Maschine (1) in mehreren La gen (81, 82, 8N) positioniert gewickelt sind.
10. Filterelement (30) für eine elektrische Maschine (1), das mindestens einen Filter
(3) gemäß Anspruch 9 umfasst, wobei der mindestens eine Filter (3) und der Sta tor (102) der elektrischen Maschine (1) das Filterelement (30) bilden.
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