WO2023020734A1 - Elektrische maschine umfassend einen ionisator - Google Patents

Elektrische maschine umfassend einen ionisator Download PDF

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WO2023020734A1
WO2023020734A1 PCT/EP2022/067646 EP2022067646W WO2023020734A1 WO 2023020734 A1 WO2023020734 A1 WO 2023020734A1 EP 2022067646 W EP2022067646 W EP 2022067646W WO 2023020734 A1 WO2023020734 A1 WO 2023020734A1
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housing
rotor
ionizer
stator
bearings
Prior art date
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PCT/EP2022/067646
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English (en)
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Inventor
Thomas Schnabel
Original Assignee
Magna powertrain gmbh & co kg
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Classifications

    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an electrical machine comprising a housing and a stator, which is arranged at least partially in an interior area of the housing, and a rotor which is arranged rotatably in the stator and is partially arranged in the inner area of the housing and has a rotor shaft and a rotor core which is arranged fixedly on the rotor shaft, wherein the rotor shaft is mounted on the housing side via bearings and is guided out of the housing via openings in the housing, with at least one ionizer being arranged in the housing, on the housing and/or in the area of the housing, via which the air in the interior area of the housing and /or is at least partially ionizable outside of the housing.
  • electrical currents can occur in bearings and other components, such as gears that are drivingly connected to a rotor shaft, which significantly reduce the service life of these bearings and components.
  • bearing currents are caused by electrical voltages that arise as a result of electrical or magnetic stray fields within the electrical machine or as a result of external currents that flow through the electrical machine from outside.
  • Bearing currents in particular are electrical currents that occur in roller and plain bearings in electrical machines. These bearing currents in electrical machines, particularly when the electrical machine is operated with power electronics, can reduce the service life of the motor bearings to a fraction.
  • the electric machine comprises a housing and a stator arranged at least partially in an interior area of the housing and a rotor arranged rotatably in the stator and partially arranged in the interior area of the housing with a rotor shaft and a rotor core arranged fixedly on the rotor shaft.
  • the rotor shaft is mounted on the housing side via bearings and is guided out of the housing via openings in the housing.
  • At least one ionizer is arranged in the housing, on the housing and/or in the area of the housing, via which the air in the interior area of the housing and/or outside the housing can be at least partially ionized.
  • the bearings can be designed as plain bearings or roller bearings.
  • an axially running air gap is formed between the stator and the rotor, which connects a first air space in the interior of the housing with a second air space in the interior of the housing.
  • the directional specification "axial" describes a direction along or parallel to a central axis of rotation of the rotor.
  • the electrical machine according to the invention enables bearings and other components of the electrical machine to be protected against discharge and damage.
  • the discharge can take place via the ionized air.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an electrical machine and the course of parasitic electrical currents without an ionizer.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an electrical machine and the course of parasitic electrical currents with an ionizer. Detailed description of the invention
  • FIGS. 1 and 2 An exemplary electrical machine 1 is shown schematically in FIGS. 1 and 2 .
  • the electric machine 1 shown in FIG. 2 differs from the electric machine 1 shown in FIG. 1 only in the presence of three ionizers 10a, 10b, 10c.
  • the two figures serve in particular to show the course of parasitic electric currents achieved by the solution according to the invention, which are shown schematically by directional arrows 19 in the respective figure.
  • the electrical machine 1 comprises a housing 2, a stator 4, a rotor 5 and several other components, such as bearings 8 and a pair of gears comprising two gears 14.
  • the stator 4 has an essentially hollow-cylindrical stator core 15 which is partially arranged around the rotor 5 and whose cylinder axis coincides with the longitudinal axis of the rotor 5 , ie a central axis of rotation 16 of the rotor 5 .
  • the rotor 5 is rotatably arranged in the stator 4 and has a rotor shaft 6 and a rotor core 7 arranged fixedly, i.e. stationary and non-rotatably, on the rotor shaft 6 .
  • the stator core 15 of the stator 4 is arranged around the rotor core 7 of the rotor 5 .
  • the housing 2 encloses an inner region 3 and has an opening 9 on opposite sides, through which a shaft end of the rotor shaft 6 is guided. Bearings 8 for supporting the rotor shaft 6 are accommodated in each opening 9 .
  • the stator 4 more precisely the stator core 15 , is fixed, ie stationary and non-rotatable, in the housing 2 , ie in the interior 3 of the housing 2 .
  • the rotor core 7 and a large part of the rotor shaft 6 are also arranged in the interior 3 of the housing 2 .
  • an axially running air gap 11 is formed between the rotor 5 and the stator 4, more precisely, the rotor core 7 and the stator core 15, an axially running air gap 11 is formed.
  • This air gap 11 connects a first air space 12 of the interior 3 of the housing 2 in the region of a first face 17 of the rotor 5, more precisely the rotor core 7, with a second air space 13 of the interior 3 of the housing 2 in the region of a second face 18 of the rotor 5, more precisely of the rotor core 7.
  • the second end face 18 is an end face of the rotor 5 which is axially opposite to the first end face 17.
  • direction "axial” describes a direction along or parallel to the central axis of rotation 16 of the rotor 5.
  • a first ionizer 10a is arranged on the housing 2, facing the first air space 12. If necessary, the air in the first air space 12 and thus also in the air gap 11 and in the second air space 13 can be ionized via the first ionizer 10a. In this way, the discharge can take place via the air ionized in the air spaces 12, 13, and the bearings 8 and the gearwheel 14 are protected against discharge of the parasitic currents and, as a result, irreversible damage.
  • a second ionizer 10b can be arranged in the area of the first end face 17 of the rotor 5 on the outside of the housing 2 .
  • a third ionizer 10c can be arranged in the area of the second end face 18 of the rotor 5 in the area of the housing 2, outside the housing 2. In the area of the second end face 18 of the rotor 5, on the shaft end of the rotor shaft 6 assigned to this second end face 18 the gear 14 arranged.
  • the air in the area outside the housing 2 can be ionized via the second ionizer 10b and the third ionizer 10c - by means of the third ionizer, for example in the area of the gear wheels 14.
  • the discharge can take place via the ionized air and the bearings 8 and the gear wheel 14 are protected against the discharge of parasitic currents and subsequent irreversible damage.

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Abstract

Elektrische Maschine (1) umfassend ein Gehäuse (2) und einen zumindest teilweise in einem Innenbereich (3) des Gehäuses (2) angeordneten Stator (4) sowie einen in dem Stator (4) drehbar angeordneten, teilweise in dem Innenbereich (3) des Gehäuses (2) angeordneten Rotor (5) mit einer Rotorwelle (6) und einem fest auf der Rotorwelle (6) angeordneten Rotorkern (7), wobei die Rotorwelle (6) über Lager (8) gehäuseseitig gelagert ist und über Öffnungen (9) in dem Gehäuse (2) aus dem Gehäuse (2) geführt ist, wobei auf zumindest einer einer Stirnseite (17, 18) des Rotorkerns (7) zugewandten Seite in oder an dem Gehäuse (2) zumindest ein Ionisator (10a, 10b, 10c) angeordnet ist, über den die Luft in dem Innenbereich (3) oder dem Außenbereich des Gehäuses (2) zumindest teilweise ionisierbar ist.

Description

Elektrische Maschine umfassend einen Ionisator
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine umfassend ein Gehäuse und einen zumindest teilweise in einem Innenbereich des Gehäuses angeordneten Stator sowie einen in dem Stator drehbar angeordneten, teilweise in dem Innenbereich des Gehäuses angeordneten Rotor mit einer Rotorwelle und einem fest auf der Rotorwelle angeordneten Rotorkern, wobei die Rotorwelle über Lager gehäuseseitig gelagert ist und über Öffnungen in dem Gehäuse aus dem Gehäuse geführt ist, wobei in dem Gehäuse, an dem Gehäuse und/oder im Bereich des Gehäuses zumindest ein Ionisator angeordnet ist, über den die Luft in dem Innenbereich des Gehäuses und/oder außerhalb des Gehäuses zumindest teilweise ionisierbar ist.
Stand der Technik
In elektrischen Maschinen, wie beispielsweise einem Generator oder einem Elektromotor, können elektrische Ströme in Lagern und anderen Komponenten, wie beispielsweise antriebswirksam mit einer Rotorwelle verbundenen Zahnrädern, auftreten, die die Lebensdauer dieser Lager und Komponenten erheblich reduzieren.
Diese elektrischen Ströme werden durch elektrische Spannungen hervorgerufen, die aufgrund von elektrischen oder magnetischen Streufeldern innerhalb der elektrischen Maschine oder durch Fremdströme, die von außen kommend über die elektrische Maschine fließen, entstehen. Lagerströme im Speziellen sind elektrische Ströme, die in Wälz- und Gleitlagern elektrischer Maschinen auftreten. Diese Lagerströme an elektrischen Maschinen, insbesondere bei einem Betrieb der elektrischen Maschine mit einer Leistungselektronik, können die Lebensdauer der Motorlager auf einen Bruchteil reduzieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine anzugeben in der parasitäre elektrische Ströme, insbesondere Lagerströme, an Komponenten der elektrischen Maschine, insbesondere Lagern der elektrischen Maschine, reduziert werden.
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst ein Gehäuse und einen zumindest teilweise in einem Innenbereich des Gehäuses angeordneten Stator sowie einen in dem Stator drehbar angeordneten, teilweise in dem Innenbereich des Gehäuses angeordneten Rotor mit einer Rotorwelle und einem fest auf der Rotorwelle angeordneten Rotorkern.
Die Rotorwelle ist erfindungsgemäß gehäuseseitig über Lager gelagert und über Öffnungen in dem Gehäuse aus dem Gehäuse geführt.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist in dem Gehäuse, an dem Gehäuse und/oder im Bereich des Gehäuses zumindest ein Ionisator angeordnet, über den die Luft in dem Innenbereich des Gehäuses und/oder außerhalb des Gehäuses zumindest teilweise ionisierbar ist. Die Lager können als Lager Gleit- oder Wälzlager ausgeführt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem Stator und dem Rotor ein axial verlaufender Luftspalt ausgebildet, der einen ersten Luftraum im Innenbereich des Gehäuses mit einem zweiten Luftraum im Innenbereich des Gehäuses verbindet.
Die Richtungsangabe „axial“ beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu einer zentralen Rotationsachse des Rotors.
Durch die erfindungsgemäße elektrische Maschine ermöglicht einen Schutz von Lagern und anderen Komponenten der elektrischen Maschine vor Entladung und Schädigung. Die Entladung kann über die ionisierte Luft stattfinden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine und den Verlauf von parasitären elektrischen Strömen ohne Ionisator.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine und den Verlauf von parasitären elektrischen Strömen mit Ionisator. Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In Fig. 1 und Fig. 2 ist eine beispielhafte elektrische Maschine 1 schematisch dargestellt. Die in Fig. 2 dargestellte elektrische Maschine 1 unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten elektrischen Maschine 1 lediglich durch das Vorhandensein dreier Ionisatoren 10a, 10b, 10c. Die beiden Figuren dienen insbesondere der Darstellung des durch die erfindungsgemäße Lösung erreichten Verlaufs von parasitären elektrischen Strömen, die durch Richtungspfeile 19 in der jeweiligen Figur schematisch dargestellt sind.
Die elektrische Maschine 1 umfasst ein Gehäuse 2, einen Stator 4, einen Rotor 5 sowie mehrere weitere Komponenten, wie Lager 8 und ein Zahnradpaar umfassend zwei Zahnräder 14.
Der Stator 4 weist einen im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Statorkern 15 auf, der teilweise um den Rotor 5 herum angeordnet ist und dessen Zylinderachse mit der Längsachse des Rotors 5, also einer zentralen Rotationsachse 16 des Rotors 5, zusammenfällt.
Der Rotor 5 ist drehbar in dem Stator 4 angeordnet und weist eine Rotorwelle 6 und einen fest, d.h. ortsfest sowie drehfest, auf der Rotorwelle 6 angeordneten Rotorkern 7 auf. Der Statorkern 15 des Stators 4 ist um den Rotorkern 7 des Rotors 5 herum angeordnet.
Das Gehäuse 2 umschließt einen Innenbereich 3 und weist an sich gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Öffnung 9 auf, durch die jeweils ein Wellenende der Rotorwelle 6 geführt ist. In jeder Öffnung 9 sind Lager 8 zur Lagerung der Rotorwelle 6 aufgenommen. Der Stator 4, genauer der Statorkern 15, ist fest, d.h. ortsfest und drehfest, in dem Gehäuse 2, also im Innenbereich 3 des Gehäuses 2, angeordnet. Der Rotorkern 7 sowie ein Großteil der Rotorwelle 6 sind ebenso in dem Innenbereich 3 des Gehäuses 2 angeordnet.
Zwischen dem Rotor 5 und dem Stator 4, genauer, dem Rotorkern 7 und dem Statorkern 15 ist ein axial verlaufender Luftspalt 11 ausgebildet. Dieser Luftspalt 11 verbindet einen ersten Luftraum 12 des Innenbereichs 3 des Gehäuses 2 im Bereich einer ersten Stirnseite 17 des Rotors 5, genauer des Rotorkerns 7, mit einem zweiten Luftraum 13 des Innenbereichs 3 des Gehäuses 2 im Bereich einer zweiten Stirnseite 18 des Rotors 5, genauer des Rotorkerns 7. Bei der zweiten Stirnseite 18 handelt es sich um eine der ersten Stirnseite 17 axial gegenüberliegende Stirnseite des Rotors 5.
Die Richtungsangabe „axial“ beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu der zentralen Rotationsachse 16 des Rotors 5.
Im Bereich der ersten Stirnseite 17 des Rotors 5 ist an dem Gehäuse 2, dem ersten Luftraum 12 zugewandt, ein erster Ionisator 10a angeordnet. Über den ersten Ionisator 10a kann bedarfsweise die Luft in dem ersten Luftraum 12 und somit auch in dem Luftspalt 11 sowie in dem zweiten Luftraum 13 ionisiert werden. Derart kann die Entladung über die in den Lufträumen 12, 13 ionisierte Luft stattfinden und die Lager 8 sowie das Zahnrad 14 sind vor Entladung der parasitären Ströme und in weiterer Folge einer irreversiblen Schädigung geschützt.
Alternativ oder zusätzlich kann ein zweiter Ionisator 10b im Bereich der ersten Stirnseite 17 des Rotors 5 an der Außenseite des Gehäuses 2, angeordnet werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein dritter Ionisator 10c im Bereich der zweiten Stirnseite 18 des Rotors 5 im Bereich des Gehäuses 2, außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet werden Im Bereich der zweiten Stirnseite 18 des Rotors 5 ist an dem dieser zweiten Stirnseite 18 zugeordneten Wellenende der Rotorwelle 6 das Zahnrad 14 angeordnet.
Über den zweiten Ionisator 10b und den dritten Ionisator 10c kann die Luft im Bereich außerhalb des Gehäuses 2 ionisiert werden - mittels des dritten Ionisators beispielsweise im Bereich der Zahnräder 14. Derart kann die Entladung über die ionisierte Luft stattfinden und die Lager 8 sowie das Zahnrad 14 sind vor Entladung der parasitären Ströme und in weiterer Folge einer irreversiblen Schädigung geschützt.
Bezuqszeichenliste
1 Elektrische Maschine
2 Gehäuse
3 Innenbereich
4 Stator
5 Rotor
6 Rotorwelle
7 Rotorkern
8 Lager
9 Öffnung
10a Erster Ionisator
10b Zweiter Ionisator
10c Dritter Ionisator
11 Luftspalt
12 Erster Luftraum
13 Zweiter Luftraum
14 Zahnrad
15 Statorkern
16 Zentrale Rotationsachse
17 Erste Stirnseite
18 Zweite Stirnseite
19 Richtungspfeil (parasitäre elektrische Ströme)

Claims

-8-
Patentansprüche Elektrische Maschine (1) umfassend ein Gehäuse (2) und einen zumindest teilweise in einem Innenbereich (3) des Gehäuses (2) angeordneten Stator (4) sowie einen in dem Stator (4) drehbar angeordneten, teilweise in dem Innenbereich (3) des Gehäuses (2) angeordneten Rotor (5) mit einer Rotorwelle (6) und einem fest auf der Rotorwelle (6) angeordneten Rotorkern (7), wobei die Rotorwelle (6) über Lager (8) gehäuseseitig gelagert ist und über Öffnungen (9) in dem Gehäuse (2) aus dem Gehäuse (2) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (2), an dem Gehäuse (2) und/oder im Bereich des Gehäuses (2) zumindest ein Ionisator (10a, 10b, 10c) angeordnet ist, über den die Luft in dem Innenbereich (3) und/oder außerhalb des Gehäuses (2) zumindest teilweise ionisierbar ist. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Lager (8) Gleit- oder Wälzlager vorgesehen sind. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen dem Stator (4) und dem Rotor (5) ein axial verlaufender Luftspalt (11) ausgebildet ist, der einen ersten Luftraum (12) im Innenbereich (3) des Gehäuses (2) mit einem zweiten Luftraum (13) im Innenbereich (3) des Gehäuses (2) verbindet.
PCT/EP2022/067646 2021-08-17 2022-06-28 Elektrische maschine umfassend einen ionisator WO2023020734A1 (de)

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