WO2023006342A1 - Vorrichtung zum erden elektrischer ströme einer rotorwelle einer elektrischen maschine - Google Patents

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WO2023006342A1
WO2023006342A1 PCT/EP2022/068388 EP2022068388W WO2023006342A1 WO 2023006342 A1 WO2023006342 A1 WO 2023006342A1 EP 2022068388 W EP2022068388 W EP 2022068388W WO 2023006342 A1 WO2023006342 A1 WO 2023006342A1
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rotor shaft
electrical
electrically conductive
guide sleeve
electric machine
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PCT/EP2022/068388
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Michel WETTERAU
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Zf Friedrichshafen Ag
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    • 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
    • H02K11/40—Structural association with grounding devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/38—Brush holders
    • H01R39/381—Brush holders characterised by the application of pressure to brush

Definitions

  • the present invention relates to a device for deriving electrical currents from a rotor shaft of an electrical machine according to the preamble of patent claim 1.
  • the electric machine causes an undesirable, parasitic current flow through the rotor shaft.
  • This parasitic current can be divided into a high-frequency component (capacitive displacement current) with a few mA and a low-frequency component (circular machine current) with several amperes.
  • Both the high-frequency and the low-frequency component have a negative impact on the quality of the products, since the high-frequency component can interfere with other electronic components, such as radios, while the low-frequency component damages bearings and mechanical components and greatly reduces the mileage of the drive can reduce
  • DE 102016213653 A1 discloses a discharge device for dissipating electrical interference, in particular currents, from a rotor part of a machine, designed in particular as a shaft, into a stator part of the machine, with a contact device comprising a contact element which is accommodated in a guide device and can be displaced axially, which by means of a contact force device for forming a shaft contact force for electrical contact between a shaft contact surface of the contact element and a rotor contact surface of the shaft is applied.
  • the guide device has a stator contact surface for electrical connection to the stator part and that the diverting device has a guide contact force device for generating a guide contact force between a guide contact surface of the contact element and the stator contact surface electrically connected to the stator part.
  • This design means that the contact element designed as a pin is pressed onto the rotor shaft by the contact force device designed as a screw spring and in this way offers the parasitic current a discharge path.
  • the impedance of the leakage path is determined by the impedance of the conductive material pin and the impedance of the coil spring. At high frequencies, the inductive component of the helical spring comes into play and determines the overall impedance to a large extent; the discharge device therefore acts primarily in the lower frequency range.
  • a pick-up device for picking up an electrical voltage from a shaft of an electrical machine, the pick-up device having a brush holder which consists of electrically conductive material and can be connected to a base body of the electrical machine.
  • the well-known pick-up device has a brush which consists of electrically conductive material, the brush holder having a brush guide in which the brush is guided displaceably, so that the brush can be pressed against the shaft by a spring force.
  • the brush is electrically conductively connected to the brush holder, with an electrically insulating intermediate element being arranged between the brush and the brush guide, so that there is no direct electrical contact between the brush and the brush guide.
  • the object of the present invention is to specify a device for deriving electrical currents from a rotor shaft of an electrical machine. This object is solved by the features of claim 1. Further configurations and advantages according to the invention are set forth in the subclaims.
  • a device for diverting electrical currents from a rotor shaft of an electrical machine which has an electrically conductive contact pin which is arranged in a guide sleeve so that it can be displaced axially and which is pressed onto the rotor shaft by the force of an electrically conductive spring arrangement provided in the guide sleeve.
  • the guide sleeve has a contact surface for electrical connection to the stator of the electrical machine, wherein the spring arrangement is designed as a parallel connection of two oppositely wound electrically conductive helical springs and forms a so-called contra coil.
  • the concept according to the invention has the advantage that the inductance of the spring arrangement is only a quarter of the inductance of the spring arrangement known from the prior art comprising a helical spring with the same inductance as the inductance of the individual coils of the spring arrangement according to the invention, which means that the inventive device for deriving electrical shear currents from a rotor shaft of an electrical machine due to the clotting conditions impedance acts not only in the lower frequency range but also over a significant Lich higher frequency range.
  • the coil springs wound in opposite directions have the same productivity.
  • FIG. 1 A schematic sectional view of a device designed according to the prior art for diverting electrical currents from a rotor shaft of an electrical machine and the corresponding electrical equivalent circuit diagram;
  • FIG. 2 A schematic sectional view of a device designed according to the invention for diverting electrical currents from a rotor shaft of an electrical machine and the corresponding electrical equivalent circuit diagram.
  • FIG. 1 shows a prior art device for diverting electrical currents from a rotor shaft of an electrical machine. It comprises an axially displaceable in a guide sleeve 1 electrically conductive contact pin 2, which is pressed by the force of a pre-in the guide sleeve 1 provided electrically conductive coil spring 3 on the rotor shaft, not shown; the guide sleeve 1 has a contact surface for electrical connec tion with the stator of the electrical machine.
  • the electrical equivalent circuit diagram of this arrangement is shown in the lower part of FIG. 1; it corresponds to a series connection of an ohmic resistor R and a coil with inductance L.
  • a device for conducting electrical currents from a rotor shaft of an electrical machine which has an electrically conductive contact pin 2 which is arranged in a guide sleeve 1 in an axially displaceable manner and which, by the force of a sleeve 1 in the guide sleeve 1 provided electrically conductive spring assembly on the rotor shaft ge is pressed.
  • the contact pin 2 can be made of graphite, for example.
  • the guide sleeve 1 has a contact surface for the electrical connection to the stator of the electric machine, according to the invention the spring arrangement as a parallel connection of two oppositely wound, electrically conductive coil springs 4, 5 with the inductances L1 and L2 is designed and forms a control coil .
  • Figure 2 which represents the electrical equivalent circuit diagram of the arrangement according to the invention, it can be seen that the inductance of the spring arrangement due to the parallel connection of the two helical springs 4, 5 wound in opposite directions is only a quarter of the inductance of the prior art Art known spring arrangement according to Figure 1 with a helical spring 3 same inductance as the inductance L1, L2 of the individual coils of the inventive Shen spring arrangement is.

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Abstract

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

Description

VORRICHTUNG ZUM ERDEN ELEKTRISCHER STRÖME EINER ROTORWELLE EINER ELEKTRISCHEN
MASCHINE
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei elektrifizierten Antriebssträngen entsteht durch die Elektromaschine ein unge wünschter, parasitärer Stromfluss über die Rotorwelle. Dieser parasitäre Strom kann in einen hochfrequenten Anteil (kapazitiver Verschiebungsstrom) mit wenigen mA und einen niederfrequenten Anteil (zirkularer Maschinenstrom) mit mehreren Ampere unterteilt werden. Sowohl der hochfrequente als auch der niederfrequente Anteil ha ben einen negativen Einfluss auf die Qualität der Produkte, da der hochfrequente An teil u.a. andere elektronische Komponenten, beispielsweise Radios stören kann, wo bei der niederfrequente Anteil Lager und mechanische Komponenten schädigen und die Laufleistung des Antriebs stark reduzieren kann
Da der parasitäre Stromfluss nicht vermieden werden kann, sind aus dem Stand der Technik Möglichkeiten bekannt, um den Stromfluss gezielt zu leiten bzw. auf kürzes tem Weg zurück zur Störquelle zu führen, um dadurch die schädigenden und stören den Effekte zu minimieren. Beispielsweise sind Lager bekannt, welche gezielt dem Stromfluss ausgesetzt werden und verschleißen, um andere Komponenten zu schüt zen. Ferner ist bekannt, Wellendichtringe aus leitfähigem Vlies, Wellenerdungsringe sowie Wellenerdungsstifte zu verwenden, um den parasitären Stromfluss gezielt zu leiten.
Aus der DE 102016213653 A1 ist eine Ableiteinrichtung zur Ableitung elektrischer Störungen, insbesondere Ströme, von einem insbesondere als Welle ausgebildeten Rotorteil einer Maschine in einen Statorteil der Maschine bekannt, mit einer Kon takteinrichtung, umfassend ein in einer Führungseinrichtung axial verschiebbar auf genommenes Kontaktelement, welches mittels einer Kontaktkrafteinrichtung zur Aus bildung einer Wellenkontaktkraft für einen elektrischen Kontakt zwischen einer Wel lenkontaktfläche des Kontaktelements und einer Rotorkontaktfläche der Welle beaufschlagt wird. Hierbei ist vorgesehen, dass die Führungseinrichtung eine Stator kontaktfläche zur elektrischen Verbindung mit dem Statorteil aufweist und dass die Ableiteinrichtung eine Führungskontaktkrafteinrichtung zur Erzeugung einer Füh rungskontaktkraft zwischen einer Führungskontaktfläche des Kontaktelements und der elektrisch mit dem Statorteil verbundenen Statorkontaktfläche aufweist. Durch diese Konzeption wird das als Stift ausgeführte Kontaktelement durch die als Schrau benfeder ausgeführte Kontaktkrafteinrichtung auf die Rotorwelle gedrückt und bietet auf diese Weise dem parasitären Strom einen Ableitpfad.
Die Impedanz des Ableitpfades wird durch die Impedanz des Stiftes aus leitfähigem Material und die Impedanz der Schraubenfeder bestimmt. Bei hohen Frequenzen kommt der induktive Anteil der Schraubenfeder zum Tragen und bestimmt maßgeb lich die Gesamtimpedanz; somit wirkt die Ableiteinrichtung vorrangig im unteren Fre quenzbereich.
Ferner geht aus der EP 2 140526 A1 eine Abgreifeinrichtung zum Abgreifen einer elektrischen Spannung von einer Welle einer elektrischen Maschine, wobei die Ab greifeinrichtung einen Bürstenhalter aufweist, der aus elektrisch leitendem Material besteht und mit einem Grundkörper der elektrischen Maschine verbindbar ist. Die be kannte Abgreifeinrichtung weist eine Bürste auf, welche aus elektrisch leitendem Ma terial besteht, wobei der Bürstenhalter eine Bürstenführung aufweist, in der die Bürste verschieblieh geführt ist, so dass die Bürste über eine Federkraft an die Welle andrückbar ist. Hierbei ist die Bürste mit dem Bürstenhalter elektrisch leitend verbun den, wobei zwischen der Bürste und der Bürstenführung ein elektrisch isolierendes Zwischenelement angeordnet ist, so dass kein unmittelbarer elektrischer Kontakt zwi schen der Bürste und der Bürstenführung besteht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Ablei ten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine anzuge ben. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfin dungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen her vor.
Demnach wird eine Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotor welle einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, welche einen in einer Führungs hülse axial verschiebbar angeordneten elektrisch leitenden Kontaktstift aufweist, der durch die Kraft einer in der Führungshülse vorgesehenen elektrisch leitenden Feder anordnung auf die Rotorwelle gedrückt wird, wobei die Führungshülse eine Kontakt fläche zur elektrischen Verbindung mit dem Stator der elektrischen Maschine auf weist, wobei die Federanordnung als Parallelschaltung zweier gegensinnig gewickel ter elektrisch leitender Schraubenfedern ausgeführt ist und eine so genannte Kontra spule bildet.
Durch die erfindungsgemäße Konzeption wird der Vorteil erzielt, dass die Induktivität der Federanordnung nur ein Viertel der Induktivität der aus dem Stand der Technik bekannten Federanordnung umfassend eine Schraubenfeder gleicher Induktivität wie die Induktivität der einzelnen Spulen der erfindungsgemäßen Federanordnung be trägt, was dazu führt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ableiten elektri scher Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine aufgrund der gerin gen Impedanz nicht nur im unteren Frequenzbereich sondern auch über einen deut lich höheren Frequenzbereich wirkt.
Vorzugsweise weisen die gegensinnig gewickelten Schraubenfedern die gleiche In duktivität auf.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert, wobei lediglich die Merkmale detailliert beschrieben werden, die für die vor liegende Erfindung von Bedeutung sind und für gleiche Bauteile dieselben Bezugs zeichen verwendet werden. Es zeigen: Figur 1 : Eine schematische Schnittansicht einer nach dem Stand der Technik ausge führten Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine und das korrespondierende elektrische Ersatzschaltbild; und
Figur 2: Eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäß ausgeführten Vor richtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine und das korrespondierende elektrische Ersatzschaltbild.
In Figur 1 ist eine nach dem Stand der Technik ausgeführte Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine dargestellt. Sie umfasst einen in einer Führungshülse 1 axial verschiebbar angeordneten elektrisch leitenden Kontaktstift 2, welcher durch die Kraft einer in der Führungshülse 1 vorge sehenen elektrisch leitenden Schraubenfeder 3 auf die nicht dargestellte Rotorwelle gedrückt wird; die Führungshülse 1 weist eine Kontaktfläche zur elektrischen Verbin dung mit dem Stator der elektrischen Maschine auf. Im unteren Teil der Figur 1 ist das elektrische Ersatzschaltbild dieser Anordnung dargestellt; es entspricht einer Reihenschaltung eines ohmschen Widerstands R und einer Spule mit der Induktivität L.
Gemäß der Erfindung und bezugnehmend auf Figur 2 wird eine Vorrichtung zum Ab leiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine vorge schlagen, welche einen in einer Führungshülse 1 axial verschiebbar angeordneten elektrisch leitenden Kontaktstift 2 aufweist, der durch die Kraft einer in der Führungs hülse 1 vorgesehenen elektrisch leitenden Federanordnung auf die Rotorwelle ge drückt wird. Der Kontaktstift 2 kann beispielweise aus Graphit hergestellt sein.
Die Führungshülse 1 weist eine Kontaktfläche zur elektrischen Verbindung mit dem Stator der elektrischen Maschine auf, wobei gemäß der Erfindung die Federanord nung als Parallelschaltung zweier gegensinnig gewickelter, elektrisch leitender Schraubenfedern 4, 5 mit den Induktivitäten L1 bzw. L2 ausgeführt ist und eine Kont raspule bildet. Bezugnehmend auf den unteren Teil der Figur 2, welcher das elektrische Ersatz schaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung darstellt, ist ersichtlich, dass die Induk tivität der Federanordnung aufgrund der Parallelschaltung der zwei gegensinnig ge wickelten Schraubenfedern 4, 5 nur ein Viertel der Induktivität der aus dem Stand der Technik bekannten Federanordnung gemäß Figur 1 mit einer Schraubenfeder 3 glei cher Induktivität wie die Induktivität L1 , L2 der einzelnen Spulen der erfindungsgemä ßen Federanordnung beträgt.
Dies resultiert in dem Vorteil, dass mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektrischen Maschine auch Ströme mit einem hochfrequenten Anteil abgeleitet werden können.
Bezuqszeichen
1 Führungshülse
2 Kontaktstift
3 Schraubenfeder
4 Schraubenfeder
5 Schraubenfeder
R OhmscherWiderstand
L Induktivität
L1 Induktivität
L2 Induktivität

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektri schen Maschine, umfassend einen in einer Führungshülse (1 ) axial verschiebbar an geordneten elektrisch leitenden Kontaktstift (2), welcher durch die Kraft einer in der Führungshülse (1 ) vorgesehenen elektrisch leitenden Federanordnung auf die Rotor welle gedrückt wird, wobei die Führungshülse (1 ) eine Kontaktfläche zur elektrischen Verbindung mit dem Stator der elektrischen Maschine aufweist, dadurch gekenn zeichnet, dass die Federanordnung als Parallelschaltung zweier gegensinnig gewi ckelter elektrisch leitender Schraubenfedern (4, 5) ausgeführt ist und eine Kontra spule bildet.
2. Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektri schen Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die beiden gegen sinnig gewickelten Schraubenfedern (4, 5) die gleiche Induktivität aufweisen.
3. Vorrichtung zum Ableiten elektrischer Ströme von einer Rotorwelle einer elektri schen Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kon taktstift (2) aus Graphit hergestellt ist.
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