WO2025008026A1 - Erdung und abschirmung eines stators einer axialflussmaschine - Google Patents

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WO2025008026A1
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Christoph Stuckmann
Friedrich Schuler
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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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
    • H02K11/01—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for shielding from electromagnetic fields, i.e. structural association with shields
    • H02K11/014—Shields associated with stationary parts, e.g. stator cores
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/24—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets axially facing the armatures, e.g. hub-type cycle dynamos

Definitions

  • the invention relates to an electric machine with a shielding structure for reducing capacitive coupling and/or grounding, in particular an electric synchronous machine, wherein the electric machine has a rotor and a stator, wherein the stator has a plurality of stator teeth, on the outer circumference of which windings are arranged, wherein the shielding structure is formed by a pole shoe structure arranged on the stator or on the rotor and is coupled to a housing of the electric machine or to the ground of the electric machine.
  • Variable speed drives are operated using frequency converters.
  • the function of the frequency converter is to generate a three-phase alternating supply voltage from the DC voltage.
  • an arrangement of B6 bridges with 6 semiconductor switches is used. These semiconductor switches convert the voltage into a three-phase alternating voltage using a pulse pattern and pulse width modulation. Since the smoothing of this generated voltage via the motor inductances is only partially achieved, a common mode voltage is generated at the machine star point. The common mode voltage is therefore a result of the pulse width modulation of the converter.
  • Due to the capacitive coupling in the motor high-frequency voltages are formed in the rotor shaft, primarily via the capacitive coupling paths to the rotor shaft. These high-frequency voltages induce bearing currents, since these voltages are dissipated via the ball bearing. Currents in the ampere range cause the process of electrical erosion between the balls and the bearing shell.
  • stator The influence of the grounding of the stator is essential to eliminate the capacitive currents between the stator and the housing.
  • the path between the stator and the housing has a dominant influence in the voltage divider. To achieve this, the stator and all its components must be connected to the general motor ground reference point with as low an impedance as possible.
  • grounding is usually provided via a low-resistance connection without any additional measures.
  • This low-resistance connection is provided by the fact that in a classic stator design, the stator teeth and the stator yoke are usually manufactured as one piece.
  • the motor stator is usually integrated into an electrically conductive housing in such a way that a low-resistance connection is possible between the stator yoke and the housing. This assumes that the air gap represents a low-resistance connection between the stator and the housing and that good grounding of the stator can be achieved through this.
  • a design of an axial flux motor with a construction form in which two rotor disks are designed on the outside and the stator disk is placed in the middle is shown in WO 2020/229 399 A1.
  • the configuration is shown in which the stator teeth are guided via a plastic holder.
  • the stator teeth are applied to a stator core and positioned via a plastic structure.
  • pole shoes made of SMC material (Soft Magnetic Composite) on the laminated stator teeth.
  • the pole shoe structure and/or the stator tooth is coupled to a grounding wire to form the grounding with the mass of the electrical machine, in particular the electrical axial flux machine.
  • the pole shoe structure and the stator tooth are each connected to the mass of the electric machine/electric motor via a (separate) grounding wire.
  • the grounding solution is implemented by the presence of only one grounding wire to connect the stator tooth to the mass of the electric machine.
  • the axial flux electric machine is an electric machine having at least one stator and at least one rotor.
  • the at least one rotor and the at least one stator are arranged opposite one another in an axial direction, i.e. in a direction of a rotation axis of the axial flux electric machine, such that an axial air gap is formed between the at least one rotor and the at least one stator in the axial direction.
  • a shielding structure can be achieved on the tooth head or on the pole shoe using a pole shoe structure, which can also be contacted in a space-saving manner. Both the space-saving contact to the stator tooth and the contact to the shielding structure must be contacted with the general reference ground of the system.
  • the invention relates to a suitable and space-saving contact (e.g. a wire contact) and grounding of the main components of the stator to a general reference ground.
  • the general reference ground refers to the ground point that forms the overall ground point of the system and to which the ground connection of the frequency converter and thus the general ground to which all other motor components are also related.
  • the contact to the general motor ground can be made by a separate ground line at the motor connections, a ground strap or by a conductive connection to the screwing points of the stator on the outer housing, which in turn is conductively connected to the general reference ground.
  • the advantage of the invention is that the shielding provided by the clever solution in the stator tooth reduces the capacitive coupling paths between the winding and the rotor and thus reduces the voltage transmitted to the rotor shaft.
  • stator tooth is designed as a laminated stator tooth or a sheet metal stator tooth, so that iron losses are reduced.
  • the pole shoe structure preferably has conductive tracks/conductor tracks on its surface and preferably an insulating layer.
  • the insulating layer is arranged on the inside of the pole shoe structure, i.e. the side facing the stator.
  • the ground wire of the pole shoe structure is arranged in a groove on the pole shoe surface.
  • contact is thus made via a wire that is located in a small groove on the pole shoe surface. Shielding is achieved through the design of the conductor tracks and the grounding of the pole shoe structure. This reduces the capacitive coupling between the winding and the rotor. This results in a reduction in the voltage coupled to the rotor shaft.
  • the windings of the stator preferably have insulation and preferably a ground wire, which is arranged in a groove inside the pole shoe structure.
  • the preferably laminated stator tooth is guided under the winding or the winding insulation via a suitable contact along the laminated design in a stator groove, which is connected to the reference ground point.
  • a suitable winding chamber or groove is necessary. This groove is designed as a small recess in the inner part of the pole shoe structure.
  • the electrical machine preferably has a rotor-stator-rotor arrangement or a stator-rotor-stator arrangement.
  • pole shoe structures are usually fixed to the laminated stator teeth on both sides.
  • the pole shoe structures have the function of conducting the stator flux.
  • pole shoe structures in the form of stator shoes are usually only located on one side.
  • the electrical machine in the stator-rotor-stator arrangement has an additional stator yoke on which a large number of stator teeth are arranged.
  • the preferably laminated stator teeth are connected directly to the stator yoke on the side opposite the stator shoes. Consequently, the laminated stator teeth are wound separately and subsequently applied to the stator yoke depending on the configuration.
  • the stator yoke preferably has an additional grounding wire which is connected to the central ground of the electrical machine. This provides suitable contact for the stator yoke along the laminated design, e.g. in a stator slot, which is connected to the reference ground point.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an electrical machine according to the invention with a shielding structure according to a first embodiment
  • Fig. 2 is a detailed view of a shielding structure of an electrical machine of the first embodiment
  • Fig. 3 is an exploded view of the detailed view of a shielding structure of an electric machine of the first embodiment
  • Fig. 4 is a schematic representation of an electrical machine according to the invention with a shielding structure according to a second embodiment
  • Fig. 5 is a detailed view of a shielding structure of an electrical machine of the second embodiment.
  • Fig. 6 is an exploded view of the detailed view of a shielding structure of an electrical machine of the second embodiment.
  • Fig.1 shows a schematic representation of an electrical
  • An electrical machine 2 is shown in a stator-rotor-stator arrangement.
  • the electrical machine 2 has a rotor 3 arranged on the inside of a rotation axis 16 with a rotor disk 19 and rotor magnets 8 arranged on the rotor disk 19.
  • the stator 4 is arranged on both sides of the rotor 3.
  • the stator 4 and the rotor 3 are arranged spaced from one another by an air gap defined between an outer contour of the stator 4 closest to the rotor 3 and an outer contour of the rotor 3 closest to the stator 4.
  • the stator 4 has a stator yoke 14 on its axially outer side, which is arranged on a motor shaft 17.
  • Stator teeth 5 which can be designed as sheet metal or laminated stator teeth, are arranged on the axially inner side of the stator yoke 14. Windings 6 are arranged on the outer circumference of the stator teeth 5, which in turn can have winding insulation.
  • a pole shoe structure 7 is arranged on the axially inner side of the stator 3, i.e. the side of the stator 4 facing the air gap. The pole shoe structure 7 forms the one shielding structure 1 and thus a shield of the stator 4 to the air gap and thus reduces capacitive coupling of the electrical machine 2.
  • a groove 12 shown in Figs.
  • stator yoke 14 is also assigned a grounding wire 15, which is also arranged with the effective ground of the electrical machine 2.
  • the shielding structure 1 and the clever solution approach in the stator tooth 5 reduce the capacitive coupling paths between the winding 6 and the rotor 3 and thus the voltage transmitted to the rotor shaft is reduced.
  • Fig. 2 shows a detailed view of a shielding structure 1 of an electrical machine 2 of the first embodiment.
  • the stator pole shoe structure arrangement shown in Fig. 1 is shown.
  • the same components are provided with the same reference numbers.
  • the stacked or laminated stator tooth 5 can be seen from Fig. 2, on which the windings 6 are arranged.
  • the pole shoe structure 7 has a groove/pole shoe structure groove 13, in which a Grounding wire 9 of the pole shoe structure is guided.
  • the grounding wire 9 is also connected to the effective ground or the housing of the electrical machine 2 and thus the pole shoe structure 7 is grounded.
  • the pole shoe structure 7 has conductor tracks 10 on its surface facing the air gap and thus the rotor 3. Shielding is achieved by the design of the conductor tracks 10 and the grounding of the pole shoe structure 7. This reduces the capacitive coupling between the winding 6 and the rotor 3. This results in a reduction in the voltage coupled to the rotor shaft.
  • An insulation 11 of the pole shoe structure 7 is arranged between the pole shoe structure 7 and the stator 4.
  • Fig. 4 shows a schematic representation of an electrical machine 2 according to the invention with a shielding structure 1 according to a second embodiment.
  • An electrical machine 2 in a rotor-stator-rotor arrangement is shown.
  • the electrical machine 2 has two rotors 3 arranged on the outside on a rotation axis 16, each with a rotor disk 19 and rotor magnets 18 arranged on the respective rotor disk 19.
  • the stator 4 is arranged inside the rotors 3.
  • the stator 4 and the rotor 3 are arranged spaced apart from one another by an air gap defined between an outer contour of the stator 4 closest to the rotor 3 and an outer contour of the rotor 3 closest to the stator 4.
  • the motor shaft 17 is arranged on the axially outer surface of the rotor disk 19.
  • the second embodiment shown in Fig. 4 differs in that the stator 4 does not require a stator yoke 14.
  • the embodiments also differ in that pole shoe structures 7 are arranged on both sides of the stator tooth 5, each of which is designed as a shielding structure 1. This again shields the stator in the air gap towards the rotor 3, so that the capacitive couplings are reduced.
  • the detailed design of the pole shoe structures 7 and the stator 4 corresponds to the design according to Figures 1 to 3.
  • the only difference is that the stator tooth 5 has pole shoe structures 7 on both sides according to Figs. 5 and 6. are arranged. Insulations 11 are introduced between the pole shoe structures 7 and the stator teeth 5.

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Abstract

Diese Erfindung betrifft eine E-Maschine mit einer Abschirmstruktur (1) zur Reduktion einer kapazitiven Kopplung und/oder einer Erdung, insbesondere eine elektrische Synchronmaschine, wobei die elektrische Maschine einen Rotor (3) und einen Stator (4) aufweist, wobei der Stator (4) Statorzähne (5), an dessen äußeren Umfang Wicklungen (6) angeordnet sind, aufweist, wobei die Abschirmstruktur (1) durch eine Polschuhstruktur (7) angeordnet an dem Stator (4) oder an dem Rotor (3) ausgebildet ist und an einem Gehäuse der elektrischen Maschine (2) oder mit der Masse der elektrischen Maschine (2) gekoppelt ist, wobei die Polschuhstruktur (7) und/oder der Statorzahn (5) mit einem Erdungsdraht (8, 9) zum Ausbilden der Erdung mit der Masse der elektrischen Maschine gekoppelt ist.

Description

Erdung und Abschirmung eines Stators einer Axialflussmaschine
Die Erfindung betrifft eine E-Maschine / elektrische Maschine mit einer Abschirmstruktur zur Reduktion einer kapazitiven Kopplung und/oder einer Erdung, insbesondere eine elektrische Synchronmaschine, wobei die elektrische Maschine einen Rotor und einen Stator aufweist, wobei der Stator eine Vielzahl an Statorzähne besitzt, an dessen äußeren Umfang Wicklungen angeordnet sind, wobei die Abschirmstruktur durch eine Polschuhstruktur angeordnet an dem Stator oder an dem Rotor ausgebildet ist und an einem Gehäuse der elektrischen Maschine oder mit der Masse der elektrischen Maschine gekoppelt ist.
Drehzahlvariable Antriebe werden mittels Frequenzumrichtern betrieben. Der Frequenzumrichter hat die Funktion aus der DC- Gleichspannung eine dreiphasige Wechselspeisespannung zu generieren. Um diese Dreiphasenwechselspannung zu generieren, wird über eine Anordnung von B6-Brücke mit 6 Halbleiterschaltern verwendet. Diese Halbleiterschaltern wandeln über ein Pulsmuster mittels Pulsweitenmodulation die Spannung in eine Dreiphasenwechselspannung um. Da die Glättung dieser generierten Spannung über die Motor- Induktivitäten nur bedingt erreicht wird, wird am Maschinensternpunkt eine Common-Mode-Spannung generiert. Die Common-Mode-Spannung ist damit eine Folge der Pulsweitenmodulation des Umrichters. Durch die kapazitiven Kopplungen im Motor werden vor allem über die kapazitiven Kopplungspfade zur Rotorwelle hochfrequente Spannungen in dieser ausgebildet. Diese hochfrequenten Spannungen induzieren Lagerströme, da diese Spannungen über das Kugellager abgeführt werden. Durch Ströme in der Größenordnung im Ampere-Bereich wird der Prozess der Elektroerosionen zwischen den Kugeln und Lagerschale hervorgerufen.
Dieser Prozess führt zu einer Lagerschädigung mit einer deutlichen Beeinträchtigung der Lebensdauer. Zudem werden ebenso leitfähige Komponenten, die mit der Welle elektrisch niederohmig verbunden sind, wie die die Getriebezahnräder geschädigt. Der Effekt der kapazitiven Verschiebungsströme führt neben dem Effekt der Induktion von Wellenströme zur erhöhten EMV- Abstrahlung im Motor. Um die Ausbildung der kapazitiven Verschiebungsströme zu unterbinden, sind möglichst die kapazitiven Pfade im Motor zu unterbinden. Um das zu erreichen, sind neben Erdungs- auch Schirmungsmaßnahmen erforderlich.
Der Einfluss der Erdung des Stators ist essenziell, um die kapazitiven Ströme zwischen dem Stator und dem Gehäuse zu eliminieren. Der Pfad zwischen Stator und Gehäuse hat dabei einen dominanten Einfluss im Spannungsteiler. Dazu ist der Stator mit all seinen Komponenten möglichst niederohmig mit dem allgemeinen Motormassen- Bezugspunkt zu verbinden.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass bei Radialfluss- Motoren die Erdung über eine niederohmige Verbindung in der Regel ohne zusätzliche Maßnahmen vorhanden ist. Diese niederohmige Verbindung ist dadurch gegeben, dass bei einem klassischen Stator-Aufbau die Statorzähne und das Statorjoch in der Regel zusammenhängend aus einem Stück gefertigt werden. Zudem wird beim Radialflussmotor der Motor-Stator in der Regel so in ein elektrisch leitfähiges Gehäuse integriert, dass eine niederohmige Verbindung zwischen Statorjoch und Gehäuse ermöglicht wird. Hierbei wird vorausgesetzt, dass der Luftspalt eine niederohmige Verbindung des Stators zum Gehäuse darstellt und das darüber eine gute Erdung des Stators zu erreichen ist.
Beim Axialflussmotor sind besondere Maßnahmen zu treffen, um eine Erdung des Stators mit all seinen Komponenten umsetzen zu können. Das hängt mit dem Aufbau des Axialflussmotors zusammen. Für den Axialflussmotor sind prinzipiell zwei verschiedene Aufbauweisen in der Literatur zu finden. In der einen Aufbauform sind die zwei Rotorscheiben jeweils außen konzipiert und in der Mitte ist die Statorscheibe platziert. Dem hingegen ist in einer weiteren Aufbauform die Rotorscheibe innenliegend und die zwei Statorscheiben sind außen angeordnet.
Ein Aufbau eines Axialflussmotors mit der Aufbauform, in der zwei Rotorscheiben jeweils außen konzipiert und in der Mitte ist die Statorscheibe platziert ist, wird in der WO 2020/229 399 A1 dargestellt. Dort ist die Konfiguration gezeigt, bei der die Statorzähne über eine Kunststoffhalterung geführt werden. Die Statorzähne werden auf einen Statorkern aufgebracht und über eine Kunststoffstruktur positioniert. An beiden Enden sind Polschuhe aus SMC-Material (Soft Magnetic Composite) auf den geblechten Statorzähne vorhanden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine platzsparende Kontaktierung und Erdung des Stators bei Axialflussmaschinen sowie eine Abschirmstruktur als Schirmung der Axialflussmaschine zur Reduzierung der kapazitiven Kopplungen zur Verfügung zu stellen.
Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Polschuhstruktur und/oder der Statorzahn mit einem Erdungsdraht zum Ausbilden der Erdung mit der Masse der elektrischen Maschine, insbesondere der elektrischen Axialflussmaschine, gekoppelt ist. In einer besonderen Ausführungsform sind die Polschuhstruktur und der Statorzahn über jeweils einen (eigenen) Erdungsdraht mit der Masse der E-Maschine / dem E-Motor verbunden. Natürlich wird die Erdungslösung bei Fehlen einer Polschuhstruktur durch das Vorhandenseins nur eines Erdungsdrahtes zum Verbinden des Statorzahns mit der Masse der E-Maschine umgesetzt.
Es ist anzumerken, dass die elektrische Axialflussmaschine eine elektrische Maschine mit mindestens einem Stator und mindestens einem Rotor ist. Der mindestens eine Rotor und der mindestens eine Stator sind in einer Axialrichtung, d.h. in einer Richtung einer Drehachse der elektrischen Axialflussmaschine derart einander gegenüberliegend angeordnet, dass ein axialer Luftspalt zwischen dem mindestens einen Rotor und dem mindestens einem Stator in der Axialrichtung ausgebildet ist.
Dadurch wird die kapazitive Kopplung der Statorwicklung gegen das Gehäuse maßgeblich durch die direkte und sehr platzsparenden Kontaktierung mit der Statorzahn- Blechkontur minimiert. Zudem kann dadurch eine Abschirmstruktur am Zahnkopf oder auf dem Polschuh durch eine Polschuhstruktur erreicht werden, die ebenso platzsparend zu kontaktieren ist. Sowohl die platzsparende Kontaktierung zum Statorzahn, als auch die Kontaktierung zur Abschirmstruktur, ist mit der allgemeinen Bezugsmasse des Systems zu kontaktieren. Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine geeignete und möglichst platzsparende Kontaktierung (z.B. einer Drahtkontaktierung) und Erdung der Hauptkompetenten des Stators auf eine allgemeine Bezugsmasse. Mit der allgemeinen Bezugsmasse wird der Massepunkt bezeichnet, der den Gesamtmassepunkt des Systems bildet und auf den auch die Masseanbindung des Frequenzumrichters und somit die allgemeine Masse, auf die auch alle weiteren Motorkomponenten bezogen werden. Die Kontaktierung hin zur allgemeinen Motormasse kann durch eine separate Masseleitung an den Motoranschlüssen, einem Masseband oder durch eine leitende Verbindung zu den Anschraubpunkten des Stators an das Außengehäuse erfolgen, das wiederum leitend mit der allgemeinen Bezugsmasse verbunden ist.
Vorteil der Erfindung ist, dass durch die Schirmung durch den verschlagenen Lösungsansatz im Statorzahn die kapazitiven Kopplungspfade zwischen Wicklung und Rotor reduziert und somit die auf die Rotorwelle übertragene Spannung verkleinert wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
Vorteilhafterweise ist der Statorzahn als geblechter Statorzahn oder laminierter Statorzahn ausgebildet, sodass Eisenverluste reduziert werden.
Bevorzugt weist die Polschuhstruktur an seiner Oberfläche leitfähige Bahnen/Leiterbahnen sowie bevorzugt eine Isolationsschicht auf. Die Isolationsschicht ist dabei an der Innenseite, also dem Stator zugewandten Seite, der Polschuhstruktur angeordnet.
Bevorzugt ist der Erdungsdraht der Polschuhstruktur in einer Nut an der Polschuhoberfläche angeordnet. Für die Kontaktierung zum Bezugsmassepunkt wird somit eine Kontaktierung über einen Draht, der in einer kleinen Nut an der Polschuhoberfläche liegt, realisiert. Durch die Ausgestaltung der Leiterbahnen sowie die Erdung der Polschuhstruktur, wird eine Abschirmung erreicht. Damit wird die kapazitive Kopplung zwischen Wicklung und Rotor reduziert. Daraus ergibt sich eine Absenkung der auf die Rotorwelle überkoppelten Spannung.
Bevorzugt weisen die Wicklungen des Stators eine Isolation und vorzugsweise einen Erdungsdraht auf, welcher in einer Nut im Inneren der Polschuhstruktur angeordnet ist. Mit anderen Worten ist der vorzugsweise geblechte Statorzahn ist unter der Wicklung bzw. der Wicklungsisolation über eine geeignete Kontaktierung entlang der geblechten Ausführung in einer Statornut geführt, die mit dem Bezugsmassepunkt verbunden ist. Um die Kontaktierung herausführen zu können, ist eine geeignete Wickelkammer oder Nut notwendig. Diese Nut wird als kleine Aussparung in dem Polschuhstruktur-Innenteil ausgeführt.
Somit ist eine ideale Anbindung der Stator-Komponenten an die allgemeine Bezugsmassepunkt realisiert, sodass parasitäre Kapazitäten zwischen Statorzahn und Gehäuse kurzgeschlossen werden. Daraus folgt eine Absenkung der auf die Rotorwelle überkoppelten Spannung.
Bevorzugt weist die elektrische Maschine eine Rotor-Stator-Rotor-Anordnung oder eine Stator-Rotor-Stator-Anordnung auf. Bei der zuerst beschriebenen Anordnung werden auf den geblechten Statorzähnen in der Regel auf beiden Seiten Polschuhstrukturen fixiert. Die Polschuhstrukturen haben die Funktion, den Statorfluss zu leiten. In der zweiten Anordnungsform befindet sich in der Regel nur an einer Seite Polschuhstrukturen in Form von Statorschuhen.
Vorteilhafterweise weist die elektrische Maschine in der Stator-Rotor-Stator- Anordnung ein zusätzliches Statorjoch auf, an welchem eine Vielzahl an Statorzähnen angeordnet sind. Die vorzugsweise geblechten Statorzähne werden an der den Statorschuhen gegenüberliegenden Seite direkt mit dem Statorjoch verbunden. Folglich werden die geblechten Statorzähne separat bewickelt und nachfolgend je nach Konfiguration auf das Statorjoch aufgebracht. Bevorzugt weist das Statorjoch einen zusätzlichen Erdungsdraht auf, welcher mit der zentralen Masse der elektrischen Maschine verbunden ist. Somit ist für das Statorjoch eine geeignete Kontaktierung entlang der geblechten Ausführung z.B. in einer Statornut realisiert, die mit dem Bezugsmassepunkt verbunden ist.
Die zuvor beschriebenen Merkmale zur Erdung der Statorzähne kann äquivalent auch ohne Polschuhe verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend auch mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einer Abschirmstruktur nach einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 eine Detailansicht einer Abschirmstruktur einer elektrischen Maschine der ersten Ausführungsform;
Fig. 3 eine Explosionszeichnung der Detailansicht einer Abschirmstruktur einer elektrischen Maschine der ersten Ausführungsform;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einer Abschirmstruktur nach einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 5 eine Detailansicht einer Abschirmstruktur einer elektrischen Maschine der zweiten Ausführungsform; und
Fig. 6 eine Explosionszeichnung der Detailansicht einer Abschirmstruktur einer elektrischen Maschine der zweiten Ausführungsform.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig.1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine 2 mit einer Abschirmstruktur 1 nach einer ersten Ausführungsform. Dargestellt ist eine elektrische Maschine 2 in einer Stator-Rotor-Stator-Anordnung. Dies bedeutet, dass die elektrische Maschine 2 einen auf einer Rotationsachse 16 innenliegend angeordneten Rotor 3 mit einer Rotorscheibe 19 und an der Rotorscheibe 19 angeordnete Rotormagnetenl 8 aufweist. Beidseitig des Rotors 3 ist der Stator 4 angeordnet. Der Stator 4 und der Rotor 3 sind durch einen zwischen einer dem Rotor 3 nächstgelegenen Außenkontur des Stators 4 und einer dem Stator 4 nächstgelegenen Außenkontur des Rotors 3 definierten Luftspalt voneinander beabstandet angeordnet. Der Stator 4 weist auf seiner axial außenliegenden Seite ein Statorjoch 14 auf, welches an einer Motorwelle 17 angeordnet ist. An der axial innenliegenden Seite des Statorjochs 14 sind Statorzähne 5 angeordnet, welche als geblechter oder laminierter Statorzahn ausgebildet sein können. Am äußeren Umfang der Statorzähne 5 sind Wicklungen 6 angeordnet, welche wiederum eine Wicklungsisolation aufweisen können. Auf der axial innenliegenden Seite des Stators 3, also dem Luftspalt zugewandten Seite des Stators 4, ist eine Polschuhstruktur 7 angeordnet. Die Polschuhstruktur 7 bildet dabei die eine Abschirmstruktur 1 und somit eine Abschirmung des Stators 4 zum Luftspalt und bewirkt somit eine Reduzierung von kapazitiven Kopplungen der elektrischen Maschine 2. In einer Nut 12 (gezeigt in Fig. 2 und 3), welche als Statornut 12 ausgebildet ist, befindet sich zur Erdung des Stators 4 ein Erdungsdraht 8, welcher mit der effektiven Masse oder dem Gehäuse der elektrischen Maschine 2 gekoppelt ist. Weiterhin ist dem Statorjoch 14 ebenfalls ein Erdungsdraht 15 zugeordnet, welcher ebenfalls mit der effektiven Masse der elektrischen Maschine 2 angeordnet ist.
Durch diese Anordnung ist durch die Abschirmstruktur 1 und durch den verschlagenen Lösungsansatz im Statorzahn 5 die kapazitiven Kopplungspfade zwischen Wicklung 6 und Rotor 3 reduziert und somit wird die auf die Rotorwelle übertragene Spannung verkleinert.
Fig. 2 eine Detailansicht einer Abschirmstruktur 1 einer elektrischen Maschine 2 der ersten Ausführungsform. Gezeigt ist die aus der Fig. 1 dargestellte Stator- Polschuhstruktur-Anordnung. Die gleichen Bauteile sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Aus der Fig. 2 ist insbesondere der gestapelte oder laminierte Statorzahn 5 zu erkennen, auf welchen die Wicklungen 6 angeordnet sind. Die Polschuhstruktur 7 weist eine Nut /Polschuhstrukturnut 13 auf, in welche ein Erdungsdraht 9 der Polschuhstruktur geführt ist. Der Erdungsdraht 9 ist ebenfalls mit der effektiven Masse oder dem Gehäuse der elektrischen Maschine 2 verbunden und somit die Polschuhstruktur 7 geerdet.
Aus der Explosionszeichnung der Detailansicht einer Abschirmstruktur 1 einer elektrischen Maschine 2 der ersten Ausführungsform der Fig. 3 ist gut zu erkennen, dass die Polschuhstruktur 7 auf dessen dem Luftspalt und somit dem Rotor 3 zugewandten Oberfläche Leiterbahnen 10 aufweist. Durch die Ausgestaltung der Leiterbahnen 10 sowie die Erdung der Polschuhstruktur 7, wird eine Abschirmung erreicht. Damit wird die kapazitive Kopplung zwischen Wicklung 6 und Rotor 3 reduziert. Daraus ergibt sich eine Absenkung der auf die Rotorwelle überkoppelten Spannung. Zwischen der Polschuhstruktur 7 und dem Stator 4 ist eine Isolation 11 der Polschuhstruktur 7 angeordnet
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 2 mit einer Abschirmstruktur 1 nach einer zweiten Ausführungsform. Dargestellt ist eine elektrische Maschine 2 in einer Rotor-Stator-Rotor-Anordnung. Dies bedeutet, dass die elektrische Maschine 2 zwei auf einer Rotationsachse 16 außenliegend angeordnete Rotoren 3 mit jeweils einer Rotorscheibe 19 und an der jeweiligen Rotorscheibe 19 angeordnete Rotormagneten 18 aufweist. Innerhalb der Rotoren 3 ist der Stator 4 angeordnet. Der Stator 4 und der Rotor 3 sind durch einen zwischen einer dem Rotor 3 nächstgelegenen Außenkontur des Stators 4 und einer dem Stator 4 nächstgelegenen Außenkontur des Rotors 3 definierten Luftspalt voneinander beabstandet angeordnet. An der axial außenliegenden Außenfläche der Rotorscheibe 19 ist die Motorwelle 17 angeordnet. Im Gegensatz zur in Fig.1 dargestellten ersten Ausführungsform unterscheidet sich die in Fig. 4 dargestellte zweite Ausführungsform dadurch, dass der Stator 4 keinen Statorjoch 14 bedarf. Weiterhin unterschieden sich die Ausführungsformen, dass dem Statorzahn 5 beidseitig Polschuhstrukturen 7 angeordnet sind, welche jeweils als Abschirmstruktur 1 ausgebildet sind. Dadurch erfolgt wieder die Abschirmung des Stators im Luftspalt zum Rotor 3 hin, sodass die kapazitiven Kupplungen reduziert werden. Die Detaillierte Ausgestaltung der Polschuhstrukturen 7 sowie des Stators 4 entspricht der Ausgestaltung gemäß den Figuren 1 bis 3. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass dem Statorzahn 5 beidseitig Polschuhstrukturen 7 gemäß Fig. 5 und 6 angeordnet sind. Zwischen den Polschuhstrukturen 7 und den Statorzähnen 5 sind Isolationen 11 eingebracht.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung 'erste' und 'zweite' Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier (bspw.) gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezuqszeichenliste
1 Abschirmstruktur
2 elektrische Maschine
3 Rotor
4 Stator
5 Statorzahn
6 Wicklungen
7 Polschuhstruktur
8 Erdungsdraht Stator
9 Erdungsdraht Polschuhstruktur
10 leitfähige Bahnen
11 Isolation
12 Nut/Statornut
13 Nut/Polschuhstrukturnut
14 Statorjoch
15 Erdungsdraht Statorjoch
16 Rotationsachse
17 Motorwelle
18 Rotormagnete
19 Rotorscheibe

Claims

Ansprüche
1 . E-Maschine mit einer Abschirmstruktur (1 ) zur Reduktion einer kapazitiven Kopplung und/oder einer Erdung, insbesondere eine elektrische Synchronmaschine, wobei die elektrische Maschine einen Rotor (3) und einen Stator (4) aufweist, wobei der Stator (4) Statorzähne (5), an dessen äußeren Umfang Wicklungen (6) angeordnet sind, aufweist, wobei die Abschirmstruktur (1 ) durch eine Polschuhstruktur (7) angeordnet an dem Stator (4) oder an dem Rotor (3) ausgebildet ist und an einem Gehäuse der elektrischen Maschine (2) oder mit der Masse der elektrischen Maschine (2) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhstruktur (7) und/oder der Statorzahn (5) mit einem Erdungsdraht (8, 9) zum Ausbilden der Erdung mit der Masse der elektrischen Maschine gekoppelt ist.
2. E-Maschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Statorzahn (5) als geblechter Statorzahn oder laminierter Statorzahn ausgebildet ist.
3. E-Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhstruktur (7) an seiner Oberfläche leitfähige Bahnen (10) aufweist.
4. E-Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhstruktur (7) eine Isolation (11 ) aufweist.
5. E-Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Erdungsdraht (9) der Polschuhstruktur (7) in einer Nut (13) an der Polschuhoberfläche angeordnet ist.
6. E-Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (6) des Stators (4) mit einer Isolation versehen sind.
7. E-Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Erdungsdraht (8) des Stators (4) in einer Nut (12) im Inneren der Polschuhstruktur (7) angeordnet ist.
8. E-Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (2) eine Rotor-Stator-Rotor- Anordnung oder eine Stator-Rotor-Stator-Anordnung aufweist.
9. E-Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (4) in der Stator-Rotor-Stator-Anordnung der elektrischen Maschine (2) ein zusätzliches Statorjoch (14) aufweist, an welchem eine Vielzahl von Statorzähnen (5) angeordnet sind.
10. E-Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Statorjoch (14) einen zusätzlichen Erdungsdraht (15) aufweist, welcher mit der zentralen Masse der elektrischen Maschine (2) verbunden ist.
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DE102019131198A1 (de) * 2019-11-19 2020-12-03 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Modularer Axialflussmotor und fahrerloses Transportfahrzeug mit diesem

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