DE102014210538A1 - Electric machine with turntable condenser for the discharge of HF interference currents - Google Patents

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine beschrieben, bei der hochfrequente Störströme, wie sie beispielsweise bei Ansteuerung mithilfe eines Pulswechselrichters auftreten können, vorteilhaft abgeleitet werden. Die elektrische Maschine (1) weist einen Stator (3), einen Rotor (5), eine Rotorwelle (7) sowie ein Gehäuse (9) auf. An der Rotorwelle (7) ist in einem über den Rotor (5) abragenden Bereich (19) eine Scheibe (21) aus einem elektrisch leitfähigen Material angeordnet. Diese Scheibe ist derart dimensioniert und derart nahe zu einer gegenüber liegenden Fläche (23) des Gehäuses (9) angeordnet, dass über einen Spalt (25) zwischen der Scheibe (21) und dem Gehäuse (9) hochfrequente elektrische Störströme ähnlich wie bei einem Drehscheibenkondensator übertragen werden können. Störströme in einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 30 MHz können auf diese Weise reibungs- und somit verschleißfrei abgeleitet werden.An electric machine is described in which high-frequency interference currents, which can occur, for example, when controlled by means of a pulse-controlled inverter, are advantageously dissipated. The electric machine (1) has a stator (3), a rotor (5), a rotor shaft (7) and a housing (9). On the rotor shaft (7), a disc (21) made of an electrically conductive material is arranged in a region (19) projecting beyond the rotor (5). This disc is dimensioned and arranged so close to an opposite surface (23) of the housing (9) that a high frequency interference electric currents through a gap (25) between the disc (21) and the housing (9) similar to a rotary disc condenser can be transmitted. Interference currents in a frequency range of 10 kHz to 30 MHz can be derived frictionless and thus wear-free in this way.

Description

Gebiet der Erfindung Field of the invention

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine beispielsweise pulswechselrichterbetriebene elektrische Maschine, bei der in einem Rotor hochfrequente (HF) Störströme auftreten. The present invention relates to an electrical machine, in particular an example, pulse inverter-driven electric machine in which high-frequency (RF) interference currents occur in a rotor.

Stand der Technik State of the art

Elektrische Maschinen werden als Motoren oder Generatoren für vielfältige Zwecke eingesetzt. Beispielsweise werden elektrische Maschinen bei Elektro- oder Hybridkraftfahrzeugen als Motor zum Antrieb oder als Generator zum Rekuperieren von kinetischer Energie eingesetzt. Elektrische Maschinen werden aber auch für andere, insbesondere industrielle Zwecke eingesetzt. Electric machines are used as motors or generators for a variety of purposes. For example, electric machines are used in electric or hybrid vehicles as a motor for driving or as a generator for Rekuperieren kinetic energy. Electric machines are also used for other, especially industrial purposes.

Elektrische Maschinen werden meist mithilfe eines Wechselrichters betrieben. Insbesondere beim Einsatz von Pulswechselrichtern können steile Spannungsflanken (Nanosekunden-Bereich) auftreten und innerhalb eines Rotors der elektrischen Maschine hochfrequente Störströme induzieren. Die Störströme können dabei typischerweise in einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 20 MHz auftreten. Solche Störströme werden außerhalb der elektrische Maschine fließen und können eventuell benachbarte elektrische oder elektronische Systeme stören. Diese Störströme (Gleichtakt) sollten daher von dem Rotor beispielsweise an das als elektrische Masse dienende Gehäuse der elektrischen Maschine abgeleitet werden. Electrical machines are usually powered by an inverter. In particular, when using pulse-controlled inverters steep voltage edges (nanosecond range) can occur and induce high-frequency interference currents within a rotor of the electrical machine. The interference currents can typically occur in a frequency range of 10 kHz to 20 MHz. Such interference currents will flow outside the electrical machine and may interfere with adjacent electrical or electronic systems. These interference currents (common mode) should therefore be derived from the rotor, for example, to the electric machine housing serving as the electrical ground.

Um Störströme innerhalb einer elektrischen Maschine von dem Rotor an das Gehäuse abzuleiten, werden herkömmlich beispielsweise hoch leitfähige Kugellager oder mehrfache Kohlebürsten oder Kohlefasern eingesetzt. To dissipate interference currents within an electrical machine from the rotor to the housing, conventionally, for example, highly conductive ball bearings or multiple carbon brushes or carbon fibers are used.

Allerdings können insbesondere bei elektrischen Maschinen, die im Automotivebereich eingesetzt werden sollen und die daher innerhalb eines weiten Temperaturbereichs von beispielsweise –40 °C bis +120 °C betrieben werden sollen, Probleme dahingehend auftreten, dass ein Schmiereffekt des in dem hoch leitfähigen Kugellager verwendeten Fettes nachlassen kann und es beispielsweise zu Lagerschäden kommen kann. Bei einer Verwendung mehrfacher Kohlebürsten können bei einem unvermeidbaren Verschleiß und einem dadurch notwendigen Austausch der Kohlebürsten erhebliche Kosten entstehen. Bei einer Verwendung von Kohlefasern zur Ableitung der HF-Störströme wurde beobachtet, dass ein Entstöreffekt bei hohen Frequenzen oberhalb von 500 kHz nachlassen kann. However, especially in electric machines which are to be used in the automotive field and which are therefore to be operated within a wide temperature range of, for example, -40 ° C to +120 ° C, problems may arise in that a lubricating effect of the grease used in the highly conductive ball bearing can subside and, for example, it can lead to bearing damage. When using multiple carbon brushes can result in an unavoidable wear and thus necessary replacement of the carbon brushes considerable costs. When using carbon fibers to dissipate the RF interference currents, it has been observed that a parasitic effect can decrease at high frequencies above 500 kHz.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Maschine vorgeschlagen, bei der in vorteilhafter Weise hochfrequente Störströme, die innerhalb des Rotors auftreten können, an das umgebende Gehäuse abgeleitet werden können. Die Störströme können dabei vorteilhafterweise derart abgeleitet werden, dass die elektrische Maschine innerhalb eines weiten Temperaturbereichs betrieben werden kann, eine Lagerung des Rotors im Wesentlichen nicht beeinträchtigt wird, eine Ableitung der Störströme im Wesentlichen berührungsfrei und somit verschleißfrei erfolgen kann und / oder Störströme innerhalb eines großen Frequenzbereichs bis hin zu beispielsweise 30 MHz abgeleitet werden können. With embodiments of the present invention, an electric machine is proposed, in which advantageously high-frequency interference currents, which may occur within the rotor, can be dissipated to the surrounding housing. The interference currents can be advantageously derived in such a way that the electric machine can be operated within a wide temperature range, a bearing of the rotor is not substantially impaired, a diversion of the interference currents can be substantially free of contact and thus wear-free and / or interference currents within a large Frequency range can be derived up to, for example, 30 MHz.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine vorgeschlagen, welche einen Stator, einen Rotor, eine Rotorwelle und ein Gehäuse aufweist. Das Gehäuse umgibt den Stator und den Rotor. Der Rotor ist relativ zu dem Stator drehbar. Im Zentrum des Rotors befindet sich die Rotorwelle, um die herum sich der Rotor gelagert drehen kann. Die elektrische Maschine zeichnet sich dadurch aus, dass an der Rotorwelle in einem über den Rotor abragenden Bereich eine Scheibe aus einem elektrisch leitfähigen Material angeordnet ist. Die Scheibe ist dabei derart dimensioniert und derart nahe zu einer gegenüber liegenden Fläche des Gehäuses angeordnet, dass über einen Spalt zwischen der Scheibe und dem Gehäuse hochfrequente elektrische Störströme, die innerhalb des Rotors auftreten, kapazitiv übertragen werden können. According to one aspect of the invention, an electric machine is proposed, which has a stator, a rotor, a rotor shaft and a housing. The housing surrounds the stator and the rotor. The rotor is rotatable relative to the stator. In the center of the rotor is the rotor shaft, around which the rotor can rotate. The electrical machine is characterized in that a disc made of an electrically conductive material is arranged on the rotor shaft in a region projecting beyond the rotor. The disk is dimensioned in this case and arranged so close to an opposite surface of the housing that can be transmitted capacitively via a gap between the disk and the housing high-frequency electrical interference currents that occur within the rotor.

Ideen zu Ausführungsformen der vorgeschlagenen elektrischen Maschine können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden:
Es wurde erkannt, dass die einleitend beschriebenen herkömmlichen Maßnahmen zum Ableiten von hochfrequenten Störströmen in einer elektrischen Maschine mit unterschiedlichen Nachteilen verbunden sein können. Diesen herkömmlichen Ansätzen ist gemein, dass eine elektrische Ableitung der Störströme über einen mechanischen Kontakt zwischen Teilen des Rotors und Teilen des umgebenden Gehäuses erreicht wird. Ein solcher mechanischer Kontakt kann jedoch beispielsweise aufgrund unvermeidbar auftretender Reibung zu Verschleiß und/oder zu Nachteilen bei der Lagerung des Rotors führen. Ideas for embodiments of the proposed electric machine may be considered, inter alia, as being based on the thoughts and findings described below:
It has been recognized that the initially described conventional measures for deriving high-frequency interference currents in an electrical machine can be associated with different disadvantages. These conventional approaches have in common that an electrical discharge of the interference currents is achieved via a mechanical contact between parts of the rotor and parts of the surrounding housing. However, such a mechanical contact can lead to wear and / or disadvantages in the storage of the rotor, for example due to unavoidable friction occurring.

Es wurde daher nach einer Möglichkeit gesucht, Störströme aus dem Rotor reibungsarm oder vorzugsweise berührungslos an das umgebende Gehäuse abzuleiten. It was therefore sought after a way to derive interference currents from the rotor friction or preferably without contact to the surrounding housing.

Da die Störströme bei elektrischen Maschinen typischerweise hohe Frequenzen oberhalb von 10 kHz aufweisen, können sie insbesondere auch kapazitiv übertragen werden. Um eine ausreichende kapazitive Ableitung der Störströme aus dem Rotor zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, an der Rotorwelle in einem über den Rotor überstehenden Bereich eine zusätzliche Scheibe vorzusehen. Die Rotorscheibe ist dabei an der Rotorwelle gehalten bzw. mit dieser gekoppelt, sodass sie sich im Betrieb der elektrischen Maschinemit deren Rotor mitdrehen kann. Diese Scheibe kann einen Teil eines Kondensators bilden, mithilfe dessen die an dem Rotor über die Rotorwelle an die Scheibe übertragenen elektrischen Ströme kapazitiv an das angrenzende Gehäuse übertragen werden können. Die Scheibe und die dieser gegenüber liegende Fläche des Gehäuses können dabei ähnlich wie ein Plattenkondensator wirken. Die in dem Rotor auftretenden Störströme können zu einer temporären Verlagerung von elektrischen Ladungen hin zu der Scheibe beziehungsweise aus der Scheibe heraus führen, wobei in der Scheibe akkumulierte Ladungen aufgrund des geringen Abstandes zwischen der Scheibe und der gegenüber liegenden Fläche des Gehäuses in dem Gehäuse wiederum zu einer Ladungsverschiebung führen können, so dass es effektiv über den zwischen der Scheibe und dem Gehäuse liegenden Spalt hinweg zum Fließen eines hochfrequenten elektrischen Stromes kommen kann. Da die an der Rotorwelle angeordnete Scheibe zusammen mit dem Rotor während des Betriebes der elektrischen Maschine rotieren kann, wird in diesem Zusammenhang auch von einem Drehscheibenkondensator gesprochen. Since the parasitic currents in electrical machines typically high frequencies above 10 kHz, they can in particular also be transmitted capacitively. In order to enable a sufficient capacitive derivative of the interference currents from the rotor, it is proposed to provide an additional disk on the rotor shaft in a region projecting beyond the rotor. The rotor disk is held on the rotor shaft or coupled therewith, so that it can rotate with the rotor during operation of the electric machine. This disk can form part of a capacitor, by means of which the electrical currents transmitted to the rotor via the rotor shaft can be capacitively transmitted to the adjacent housing. The disc and the opposite surface of the housing can act much like a plate capacitor. The parasitic currents that occur in the rotor may result in a temporary shift of electrical charges to and from the disk, with charges accumulated in the disk again due to the small distance between the disk and the opposing surface of the housing in the housing can lead to a charge shift, so that it can effectively over the lying between the disc and the housing gap across a high-frequency electric current flow. Since the disc arranged on the rotor shaft can rotate together with the rotor during the operation of the electric machine, in this context it is also referred to as a rotary disc capacitor.

Um Störströme von dem Rotor ausreichend ableiten zu können, kann es insbesondere vorteilhalft sein, die Scheibe derart zu dimensionieren und derart nahe an einer gegenüber liegenden Fläche des Gehäuses anzuordnen sowie ein Medium innerhalb des Spaltes zwischen der Scheibe und der gegenüberliegenden Gehäusefläche derart zu wählen, dass mit der Scheibe und der gegenüber liegenden Fläche des Gehäuses ein Kondensator mit einer Kapazität von wenigstens 1 nF, vorzugsweise wenigstens 5 nF, gebildet wird. In order to be able to sufficiently dissipate interference currents from the rotor, it can be particularly advantageous to dimension the disk in such a way and to arrange it close to an opposite surface of the housing and to select a medium within the gap between the disk and the opposite housing surface such that with the disc and the opposite surface of the housing, a capacitor with a capacity of at least 1 nF, preferably at least 5 nF, is formed.

Mit anderen Worten können Parameter, die die Kapazität des zwischen der Scheibe und dem Gehäuse gebildeten Drehkondensators beeinflussen, geeignet gewählt werden, so dass der Drehkondensator eine Kapazität von wenigstens 1 nF, vorzugsweise wenigstens 5 nF aufweist. In other words, parameters that affect the capacitance of the variable capacitor formed between the disc and the housing may be suitably selected so that the variable capacitor has a capacitance of at least 1 nF, preferably at least 5 nF.

Zu diesen Parametern gehört unter anderem die Größe der Oberfläche der Scheibe, welche einer entsprechenden Fläche des Gehäuses mit nur einem kleinen dazwischen liegenden Spalt gegenüber liegt. Wie bei einem Plattenkondensator nimmt die Kapazität des derart gebildeten Drehscheibenkondensators mit der Oberfläche der Scheibe zu. Es kann zum Beispiel vorteilhalft sein, die Scheibe derart zu wählen, dass ihre Querschnittsfläche größer ist als die Querschnittsfläche der Rotorwelle. Wenn von einer kreisförmigen Scheibe und einer zylindrischen Rotorwelle ausgegangen wird, bedeutet dies, dass der Durchmesser der Scheibe größer sein kann als der Durchmesser der Rotorwelle. Insbesondere kann der Durchmesser der Scheibe größer sein als die Hälfte des Durchmessers des Rotors. These parameters include, but are not limited to, the size of the surface of the disk facing a corresponding surface of the housing with only a small gap therebetween. As with a plate capacitor, the capacity of the thus-formed rotary disc capacitor increases with the surface of the disc. It may, for example, be advantageous for the disk to be selected such that its cross-sectional area is greater than the cross-sectional area of the rotor shaft. When starting from a circular disk and a cylindrical rotor shaft, this means that the diameter of the disk can be larger than the diameter of the rotor shaft. In particular, the diameter of the disc may be greater than half the diameter of the rotor.

In einer speziellen Ausgestaltung kann die Scheibe mit zwei oder mehr Teilscheiben ausgestaltet sein, die zusammen eine Gesamtscheibe bilden, um höhere Kapazitätswerte zu erreichen. Anders ausgedrückt können anstatt einer einzelnen großen Scheibe zwei oder mehrere kleine Scheiben für die Ausbildung des Drehscheibenkondensators eingesetzt werden. In a specific embodiment, the disk can be designed with two or more partial disks, which together form a total disk in order to achieve higher capacitance values. In other words, instead of a single large disk, two or more small disks may be used to form the turntable condenser.

Als weiterer, die Kapazität des Drehkondensators beeinflussender Parameter kann die Breite des zwischen der Scheibe und der gegenüber liegenden Fläche des Gehäuses ausgebildeten Spaltes geeignet gewählt werden. Im Allgemeinen gilt, dass mit kleiner werdender Breite des Spaltes die Kapazität des Drehkondensators zunimmt. Geeignet hohe Kapazitäten zur ausreichenden Ableitung von Störströmen können erhalten werden, wenn die Breite des Spaltes kleiner als 4 mm, vorzugsweise kleiner als 2 mm und stärker bevorzugt kleiner als 1 mm ist. Um z.B. jedoch nicht sehr genaue Toleranzen einhalten zu müssen oder Risiko zu laufen, dass die Scheibe während der Betriebs der elektrischen Maschine beispielsweise bei Auftreten von Vibrationen oder Rütteln an der gegenüberliegenden Oberfläche des Gehäuse schleift, sollte der Spalt möglichst nicht kleiner als 0,1 mm, vorzugsweise nicht kleiner als 0,3 mm, sein. As a further, the capacity of the variable capacitor influencing parameters, the width of the gap formed between the disc and the opposite surface of the housing can be suitably selected. In general, as the width of the gap becomes smaller, the capacity of the variable capacitor increases. Suitable high capacities for sufficient dissipation of interference currents can be obtained if the width of the gap is less than 4 mm, preferably less than 2 mm, and more preferably less than 1 mm. For example, but not to have to comply with very accurate tolerances or run the risk that the disc during operation of the electric machine, for example, when vibrations or shaking on the opposite surface of the housing grind, the gap should not be less than 0.1 mm, preferably not smaller than 0.3 mm.

Ferner wird die Kapazität des Drehkondensators auch beeinflusst durch das Medium, das heißt das Material, welches sich innerhalb des Spaltes zwischen der Scheibe und der gegenüber liegenden Gehäuseoberfläche befindet. Im Gegensatz zu den Materialien der Scheibe und des Gehäuses, welche elektrisch leitfähig sein und beispielsweise aus Metall bestehen sollen, muss innerhalb des Spaltes ein elektrisch isolierendes Material angeordnet sein. Furthermore, the capacity of the variable capacitor is also influenced by the medium, that is, the material which is located within the gap between the disc and the opposite housing surface. In contrast to the materials of the disc and the housing, which are to be electrically conductive and to be made of metal, for example, an electrically insulating material must be arranged within the gap.

Beispielsweise kann innerhalb des Spaltes eine Schicht aus einem dielektrischen Material angeordnet sein. Das dielektrische Material kann dabei ein festes Material sein. Insbesondere kann das dielektrische Material eine Permittivität haben, die wesentlich größer ist als die Permittivität von Gasen, insbesondere von Luft. For example, a layer of a dielectric material may be arranged within the gap. The dielectric material may be a solid material. In particular, the dielectric material may have a permittivity that is substantially greater than the permittivity of gases, especially air.

Alternativ kann innerhalb des Spaltes ein flüssiges dielektrisches Material angeordnet sein. Beispielsweise kann ein wasserbasiertes Dielektrikum eingesetzt werden. Durch eine Verwendung eines flüssigen dielektrischen Materials kann einerseits der Spalt vorzugsweise vollständig mit dielektrischem Material gefüllt werden und somit eine Kapazität des Drehkondensators maximiert werden, andererseits können Reibungsverluste zwischen der rotierenden Scheibe und der stationären Gehäusewand minimiert werden. Bei einem solchen flüssigen dielektrischen Material kann es sich beispielsweise um ein wasserbasiertes Kühlmedium der elektrischen Maschine oder alternativ auch z.B. um Scheibenwischwasser in einem Kraftfahrzeug handeln. Ein wasserbasiertes Dielektrikum kann typischerweise eine sehr hohe relative Dielektrizitätszahl von zwischen 50 und 100 haben. Alternatively, a liquid dielectric material may be disposed within the gap. For example, a water-based dielectric can be used. By using a liquid dielectric material on the one hand, the gap may be filled preferably completely with dielectric material and thus maximizes a capacity of the variable capacitor, on the other hand, friction losses between the rotating disc and the stationary housing wall can be minimized. Such a liquid dielectric material may be, for example, a water-based cooling medium of the electric machine or, alternatively, also, for example, windscreen wiper water in a motor vehicle. A water-based dielectric typically can have a very high relative dielectric constant of between 50 and 100.

Um flüssiges dielektrisches Material in der elektrischen Maschine und somit innerhalb des Spaltes zikulieren zu können, beispielsweise um eine ausreichende Kühlung desselben bewirken zu können, kann in dem Gehäuse der elektrischen Maschine ein Einlass und ein Auslass zum Zu- und Abführen des flüssigen dielektrischen Materials vorgesehen sein. Ferner können zwischen der Welle und dem Gehäuse geeignete Dichtungen vorgesehen sein. In order to be able to cube liquid dielectric material in the electrical machine and thus within the gap, for example in order to effect a sufficient cooling thereof, an inlet and an outlet for supplying and removing the liquid dielectric material can be provided in the housing of the electrical machine , Further, suitable seals may be provided between the shaft and the housing.

Ausreichend hohe Kapazitätswerte für den Drehscheibenkondensator lassen sich beispielsweise mit dielektrischen Materialien erreichen, die eine Permittivitätszahl, welche teilweise auch als relative Permittivität oder Dielektrizitätszahl bezeichnet wird, von mehr als 5, vorzugsweise mehr als 25, aufweisen. Sufficiently high capacitance values for the rotary disc capacitor can be achieved, for example, with dielectric materials having a permittivity number, which is sometimes referred to as relative permittivity or dielectric constant, of more than 5, preferably more than 25.

Beispielsweise kann das dielektrische Material ein Keramikmaterial oder ein Polymermaterial sein, welche typischerweise Permittivitätszahlen im Bereich 5 bis 10 aufweisen. Das dielektrische Material kann auch Diamant, Rubin, Germanium oder ähnliches sein, welche typischerweise Permittivitätszahlen im Bereich von 10 bis 20 aufweisen. Vorteilhalfterweise kann das dielektrische Material auch als mit Glyzerin (z.B., Strukturformel C₃H₈O₃) getränktes Papier bereitgestellt werden, welches typischerweise eine Permittivitätszahl von etwa 30 aufweist und den Vorteil niedriger Kosten mit sich bringen kann. Alternativ kann das dielektrische Material auch als oxidiertes Metall bereitgestellt werden, welches typischerweise Permittivitätszahlen im Bereich von 30 bis 60 aufweisen kann. For example, the dielectric material may be a ceramic material or a polymeric material, which typically has permittivity numbers in the range 5 to 10. The dielectric material may also be diamond, ruby, germanium, or the like, which typically have permittivity numbers in the range of 10 to 20. Advantageously, the dielectric material may also be provided as paper impregnated with glycerol (eg, structural formula C ₃ H ₈ O ₃ ), which typically has a permittivity number of about 30 and may have the advantage of low cost. Alternatively, the dielectric material may also be provided as oxidized metal, which may typically have permittivity numbers in the range of 30 to 60.

Die Schicht aus dielektrischem Material kann den Spalt zwischen der Scheibe und der gegenüber liegenden Fläche des Gehäuses weitgehend, das heißt beispielsweise zu mehr als 50% oder mehr als 80%, vorzugsweise aber nicht vollständig, d.h. weniger als 99% oder weniger als 95%, ausfüllen. Mit anderen Worten kann ein überwiegender Anteil des Spaltes mit der dielektrischen Schicht ausgefüllt sein, es soll aber vorzugsweise weiterhin ein lediglich mit Gas, insbesondere Luft, gefüllter Restspalt zwischen der rotierfähigen Scheibe und der stationären Fläche des Gehäuses verbleiben, so dass die Scheibe sich beim Betrieb der elektrischen Maschine weitestgehend reibungsfrei drehen kann. The layer of dielectric material can substantially, for example, more than 50% or more than 80%, but preferably not completely, the gap between the disc and the opposite face of the housing. less than 99% or less than 95%. In other words, a predominant portion of the gap may be filled with the dielectric layer, but it should preferably continue to remain a filled only with gas, especially air, residual gap between the rotatable disc and the stationary surface of the housing, so that the disc during operation the electric machine can rotate largely frictionless.

Die beschriebenen Ausführungsformen einer elektrischen Maschine, zwischen deren Rotorwelle und deren Gehäuse ein Drehscheibenkondensator ausgebildet ist, können insbesondere für elektrische Maschinen vorteilhaft sein, die dazu ausgelegt sind, mittels eines Pulswechselrichters betrieben zu werden. Solche elektrischen Maschinen werden häufig z.B. als Synchronmaschinen für einen Einsatz in Elektro- oder Hybridfahrzeugen konzipiert. Dabei wird die elektrische Maschine über den modernen Pulswechselrichter mit einer Hochspannung von beispielsweise 200 bis 600 V bei einer Taktfrequenz von 10 bis 30 kHz und einer Flankensteilheit von 100 bis 200 ns betrieben. Die hoch getaktete Hochspannung kann auf die Rotorwelle koppeln und hochfrequente Störströme erzeugen, welche Frequenzen im Bereich von 10 kHz bis 30 MHz aufweisen können. Solche Störströme können, sofern sie nicht kurz (niederohmig) gegen das Maschinengehäuse (Masse) abgeleitet werden, eine Fahrzeugelektronik wie beispielsweise eine Elektronik in einem Steuergerät oder einem Radio erheblich stören. The described embodiments of an electrical machine, between whose rotor shaft and its housing a rotary disk condenser is formed, may be particularly advantageous for electrical machines which are designed to be operated by means of a pulse-controlled inverter. Such electrical machines are often used e.g. designed as synchronous machines for use in electric or hybrid vehicles. In this case, the electric machine is operated via the modern pulse-controlled inverter with a high voltage of, for example, 200 to 600 V at a clock frequency of 10 to 30 kHz and a slope of 100 to 200 ns. The high clocked high voltage can couple to the rotor shaft and generate high frequency noise currents, which can have frequencies in the range of 10 kHz to 30 MHz. Such interference currents can, if they are not short (low resistance) are derived against the engine housing (mass), a vehicle electronics such as electronics in a controller or a radio significantly disturb.

Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Merkmale und Vorteile von erfindungsgemäßen elektrischen Maschinen hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert beziehungsweise ersetzt werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen. It should be noted that possible features and advantages of electrical machines according to the invention are described herein with reference to different embodiments of the invention. A person skilled in the art will recognize that the features can be suitably combined or replaced in order to arrive at further embodiments of the invention.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Beschreibung noch die Zeichnungen als die Erfindung einschränkend auszulegen sind. Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings, wherein neither the description nor the drawings are to be construed as limiting the invention.

1 zeigt im Querschnitt eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 shows in cross section an electric machine according to an embodiment of the present invention.

2 zeigt ein Frequenzverhalten von Störströmen innerhalb einer elektrischen Maschine (drehende Rotor). 2 shows a frequency behavior of interference currents within an electric machine (rotating rotor).

3 zeigt Details einer elektrischen Maschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit flüssigem Dielektrikum. 3 shows details of an electric machine according to another embodiment of the present invention with liquid dielectric.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. The figures are only schematic and not to scale.

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

1 zeigt eine elektrische Maschine 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die elektrische Maschine 1 weist einen Stator 3, einen Rotor 5, eine Rotorwelle 7 und ein Gehäuse 9 auf. Der Stator 3 ist fest mit dem Gehäuse 9 verbunden, wobei das Gehäuse 9 sowohl den Stator 3 als auch den Rotor 5 umschließt. Das Gehäuse 9 ist im gezeigten Beispiel zweiteilig ausgebildet mit einem Gehäusetopf 13 und einem Deckel 15, welcher an einer Stirnseite der elektrischen Maschine 1 an den Gehäusetopf 13 angeschraubt werden kann. Das Gehäuse 9, insbesondere dessen Deckel 15, bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise aus Metall. 1 shows an electric machine 1 according to an embodiment of the invention. The electric machine 1 has a stator 3 , a rotor 5 , a rotor shaft 7 and a housing 9 on. The stator 3 is fixed to the case 9 connected, the housing 9 both the stator 3 as well as the rotor 5 encloses. The housing 9 is in the example shown in two parts with a housing pot 13 and a lid 15 , which on an end face of the electric machine 1 to the housing pot 13 can be screwed. The housing 9 , in particular its lid 15 , consist of an electrically conductive material, preferably of metal.

Der Rotor 5 ist aus einem Blechpaket 11 und Magneten 32 aufgebaut, in deren Zentrum eine Ausnehmung vorgesehen ist, in die die Rotorwelle 7 eingreift, welche in einem Kugellager 30 gelagert ist. An einem überstehenden Bereich der Rotorwelle 7 ist ein Drehzahlsensor 17 angeordnet. Mit Hilfe dieses Drehzahlsensors kann eine Drehzahl oder eine aktuelle Winkelorientierung des Rotors 5 ermittelt und beispielsweise zum Steuern der elektrischen Maschine 1 verwendet werden. The rotor 5 is from a laminated core 11 and magnets 32 constructed in the center of a recess is provided, into which the rotor shaft 7 engages in a ball bearing 30 is stored. At a projecting area of the rotor shaft 7 is a speed sensor 17 arranged. With the help of this speed sensor, a speed or a current angular orientation of the rotor 5 determined and, for example, to control the electric machine 1 be used.

An einem Ende der Rotorwelle 7 ist eine Scheibe 21 aus einem elektrisch leitfähigen Material angeordnet. Die Scheibe 21 ist beispielsweise als metallene, dünne Kreisscheibe ausgebildet und wird elektrisch galvanisch mit der Rotorwelle verbunden, zum Beispiel verschraubt. Die Scheibe 21 weist typischerweise einen Durchmesser auf, der wesentlich größer ist, als der Durchmesser der Rotorwelle 7. Wenn beispielsweise der gesamte Rotor 5 einen Durchmesser von mehreren Zentimetern aufweist, zum Beispiel etwa 10 cm, so kann der Durchmesser der Scheibe 21 ähnlich groß gewählt sein, beispielsweise in einem Bereich von 5 bis 15 cm liegen. Die Scheibe 21 kann nur weniger Millimeter, beispielsweise zwischen 1 mm und 20 mm, dick sein. At one end of the rotor shaft 7 is a slice 21 arranged of an electrically conductive material. The disc 21 For example, is formed as a metal, thin circular disk and is electrically connected to the rotor shaft, screwed, for example. The disc 21 typically has a diameter that is substantially larger than the diameter of the rotor shaft 7 , For example, if the entire rotor 5 has a diameter of several centimeters, for example about 10 cm, so can the diameter of the disc 21 be chosen to be similar, for example, in a range of 5 to 15 cm. The disc 21 can be only a few millimeters, for example between 1 mm and 20 mm, thick.

Die Scheibe 21 ist derart ausgebildet und an der Rotorwelle 7 angeordnet, dass zwischen dieser Scheibe 21 und einer gegenüber liegenden Fläche 23 des Deckels 15 des Gehäuses 9 lediglich ein schmaler Spalt 25 verbleibt. Dieser Spalt kann eine Breite von weniger als 4 mm, vorzugsweise sogar weniger als 1 mm aufweisen. Durch die geringe Beabstandung der Scheibe 21 zu der gegenüber liegenden Fläche 23 des Gehäuses 9 kommt es zu einer signifikanten kapazitiven Kopplung zwischen diesen beiden elektrisch leitfähigen Komponenten. Die Anordnung aus Scheibe 21 und gegenüber liegender Fläche 23 des Gehäuses 9 kann somit wie ein Drehscheibenkondensator wirken und die mit der Scheibe 21 in elektrischer Verbindung stehende Rotorwelle 7 kapazitiv mit dem Gehäuse 9 koppeln, welches seinerseits über eine Erdung 29 auf Masse liegt. The disc 21 is formed and on the rotor shaft 7 arranged that between this disc 21 and an opposite surface 23 of the lid 15 of the housing 9 only a narrow gap 25 remains. This gap may have a width of less than 4 mm, preferably even less than 1 mm. Due to the small spacing of the disc 21 to the opposite surface 23 of the housing 9 There is a significant capacitive coupling between these two electrically conductive components. The arrangement of disc 21 and opposite surface 23 of the housing 9 can thus act like a turntable condenser and those with the disc 21 electrically connected rotor shaft 7 capacitive with the housing 9 couple, which in turn has a grounding 29 lies on earth.

Um die Kapazität des Drehscheibenkondensators weiter zu steigern, kann innerhalb des Spaltes 25 eine Schicht 27 aus einem dielektrischen Material vorgesehen sein. Diese Schicht kann beispielsweise mit einer geringen Dicke von 0,5 bis 1 mm beispielsweise an der Innenseite des Deckels 15 des Gehäuses 9, das heißt auf der der Scheibe 21 gegenüber liegenden Fläche des Gehäuses 9, aufgebracht sein. Alternativ oder ergänzend kann eine dielektrische Schicht auch an einer zu der Gehäuseinnenseite gerichteten Oberfläche der Scheibe 21 ausgebildet sein. Die Schicht 27 kann zum Beispiel aus Keramik oder aus einem mit Glyzerinöl getränkten Papier bestehen. To further increase the capacity of the rotary disc condenser, within the gap 25 a layer 27 be provided of a dielectric material. This layer can, for example, with a small thickness of 0.5 to 1 mm, for example, on the inside of the lid 15 of the housing 9 that is on the disc 21 opposite surface of the housing 9 be applied. Alternatively or additionally, a dielectric layer may also be provided on a surface of the pane facing the inside of the housing 21 be educated. The layer 27 For example, it can be made of ceramic or of a paper impregnated with glycerin oil.

Alternativ oder ergänzend kann in dem Gehäuse 9 und insbesondere im Bereich des Spaltes 25 ein flüssiges dielektrisches Material vorgesehen sein, um die Kapazität des von der Scheibe 21 und der gegenüberliegenden Gehäuseoberfläche gebildeten Drehkondensators zu steigern. Das flüssige dielektrische Material kann über Ein- und Auslässe (nicht dargestellt) zu und abgeführt werden und während des Betriebs kontinuierlich ausgetauscht bzw. umgewälzt werden, um z.B. lokale Überhitzungen vermeiden zu können. Alternatively or additionally, in the housing 9 and in particular in the region of the gap 25 a liquid dielectric material may be provided to increase the capacitance of the disk 21 and to increase the rotary capacitor formed on the opposite housing surface. The liquid dielectric material can be fed in and out via inlets and outlets (not shown) and can be continuously exchanged or circulated during operation in order, for example, to avoid local overheating.

Um die Kapazität des Drehscheibenkondensators weiter zu erhöhen, können an dem Gehäuse 9, insbesondere an dem Deckel 15 in einem Bereich radial angrenzend an die Scheibe 21 nach innen abragende Vorsprünge 31 vorgesehen sein. Diese Vorsprünge 31 können als Kreisring ausgebildet sein und die Scheibe 21 ringförmig radial außerhalb umschließen, so dass auch hier lediglich ein schmaler Spalt verbleibt. Auch dieser schmale Spalt kann zumindest teilweise mit einem dielektrischen Material ausgefüllt sein. In order to further increase the capacity of the rotary disc condenser, may be attached to the housing 9 , in particular on the lid 15 in a region radially adjacent to the disk 21 inwardly projecting protrusions 31 be provided. These projections 31 may be formed as a circular ring and the disc 21 enclose radially outside radially, so that also here only a narrow gap remains. Also, this narrow gap may be at least partially filled with a dielectric material.

Je nachdem, wie groß die Scheibe 21 ist, das heißt, wie groß die Fläche ist, mit der die Scheibe 21 an die gegenüber liegende Fläche 23 des Gehäuses 9 angrenzt, wie breit der Spalt 25 ist und welche Permittivität ein eventuell in dem Spalt 25 vorgesehenes dielektrisches Material aufweist, kann der hierdurch gebildete Drehscheibenkondensator Kapazitätswerte von deutlich mehr als 1 nF, vorzugsweise im Bereich von ca. 10 nF, aufweisen. Depending on how big the disc 21 is, that is, how big is the area with which the disc 21 to the opposite surface 23 of the housing 9 adjoins how wide the gap 25 is and what permittivity a possibly in the gap 25 has provided dielectric material, the turntable capacitor formed thereby capacitance values of significantly more than 1 nF, preferably in the range of about 10 nF, have.

Über den Drehscheibenkondensator derart ausreichender Kapazität kann die Rotorwelle 7 kapazitiv an das geerdete Gehäuse 9 angekoppelt werden. Hochfrequente Störströme, die während des Betriebes der elektrischen Maschine 1 in dem Rotor 5 erzeugt werden und auf die Rotorwelle 7 übertragen werden, können somit an das Gehäuse 9 abgeleitet werden. About the turntable capacitor such sufficient capacity, the rotor shaft 7 Capacitive to the grounded housing 9 be coupled. High-frequency interference currents during operation of the electric machine 1 in the rotor 5 be generated and on the rotor shaft 7 can be transferred, thus to the housing 9 be derived.

Dies ist in dem Graphen aus 2 veranschaulicht. Der Graph gibt ein Spannungsrauschen UR (englisch: noise voltage) in Abhängigkeit von der Frequenz ν erzeugter hochfrequenter Störströme an. This is in the graph 2 illustrated. The graph indicates a voltage noise UR (English: noise voltage) as a function of the frequency ν of generated high-frequency interference currents.

Wie aus 2 zu erkennen, ist bei fehlender kapazitiver Ankopplung des Rotors 5 an das Gehäuse 9, das heißt bei einer Kapazität des Drehscheibenkondensators von 0 nF, ein Spannungsrauschen U_R im gesamten Frequenzbereich von 10 kHz bis 30 MHz deutlich höher als bei einem Fall, bei dem eine signifikante Ankopplung des Rotors 5 über einen Drehscheibenkondensator an das Gehäuse 9 stattfindet und beispielsweise eine Kapazität dieses Drehscheibenkondensators größer als 1 nF, vorzugsweise sogar größer als 5 nF ist. Bei Kapazitäten von mehr als 5 nF ist ein verbleibendes Spannungsrauschen lediglich geringfügig höher als ein Hintergrundrauschniveau U_R0. Die elektrische Maschine erscheint somit über den gesamten Frequenzbereich ausreichend entstört. How out 2 to recognize is in the absence of capacitive coupling of the rotor 5 to the housing 9 , that is, at a capacity of the rotary disc capacitor of 0 nF, a voltage noise U _R in the entire frequency range of 10 kHz to 30 MHz significantly higher than in a case in which a significant coupling of the rotor 5 via a turntable capacitor to the housing 9 takes place and, for example, a capacity of this turntable capacitor is greater than 1 nF, preferably even greater than 5 nF. At capacities greater than 5 nF, residual voltage noise is only slightly higher than background noise level U _R0 . The electrical machine appears thus sufficiently suppressed over the entire frequency range.

3 zeigt Details einer elektrischen Maschine 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist an der Rotorwelle 7 eine Scheibe 21 vorgesehen. Die Scheibe 21 ist in diesem Fall zweiteilig ausgestaltet, d.h. besteht aus zwei Teilscheiben 20, 22, welche mittels Schraubverbindungen 37 zusammengehalten sind. Zwischen den Teilscheiben 20, 22 befindet sich ein Lufteinschluss 24. Um die Scheibe 21 herum ist eine Elektrode 33 vorgesehen, welche über das Gehäuse 9 der Maschine 1 elektrisch auf Masse 39 liegt. Die Elektrode 33 umgibt die Scheibe 21 derart, dass zwischen ihr und der Scheibe 21 ein Spalt 25 gebildet wird. In der beschriebenen Ausführungsform ist in diesen Spalt 25 ein Dielektrikum aus flüssigem Material 26 eingefüllt, beispielsweise ein wasserbasiertes Dielektrikum. Gegenüber der Rotorwelle 7 ist die Elektrode mittels Dichtungen 35 abgedichtet, um ein Austreten des flüssigen Dielektrikums zu vermeiden. 3 shows details of an electric machine 1 according to a further embodiment. As in the embodiment described above, there is a rotor shaft 7 a disk 21 intended. The disc 21 is in this case designed in two parts, ie consists of two part discs 20 . 22 , which by means of screw connections 37 are held together. Between the part discs 20 . 22 there is an air pocket 24 , To the disc 21 there is an electrode around 33 provided, which over the housing 9 the machine 1 electrically on earth 39 lies. The electrode 33 surround the disc 21 such that between her and the disc 21 A gap 25 is formed. In the described embodiment is in this gap 25 a dielectric of liquid material 26 filled, for example, a water-based dielectric. Opposite the rotor shaft 7 is the electrode by means of seals 35 sealed to prevent leakage of the liquid dielectric.

Claims (15)

Elektrische Maschine (1), aufweisend: einen Stator (3), einen Rotor (5), eine Rotorwelle (7), ein Gehäuse (9), welches den Stator (3) und den Rotor (5) umgibt; dadurch gekennzeichnet, dass an der Rotorwelle (7) in einem über den Rotor (5) abragenden Bereich (19) eine Scheibe (21) aus einem elektrisch leitfähigen Material angeordnet ist, wobei die Scheibe (21) derart dimensioniert ist und derart nahe zu einer gegenüberliegenden Fläche (23) des Gehäuses (9) angeordnet ist, dass über einen Spalt (25) zwischen der Scheibe (21) und dem Gehäuse (9) hochfrequente elektrische Störströme, die innerhalb des Rotors (5) auftreten, kapazitiv übertragen werden können. Electric machine ( 1 ), comprising: a stator ( 3 ), a rotor ( 5 ), a rotor shaft ( 7 ), a housing ( 9 ), which the stator ( 3 ) and the rotor ( 5 ) surrounds; characterized in that on the rotor shaft ( 7 ) in one over the rotor ( 5 ) projecting area ( 19 ) a disk ( 21 ) is arranged from an electrically conductive material, wherein the disc ( 21 ) is dimensioned in such a way and so close to an opposite surface ( 23 ) of the housing ( 9 ) is arranged that over a gap ( 25 ) between the disc ( 21 ) and the housing ( 9 ) high-frequency electrical interference currents that occur within the rotor ( 5 ), can be transmitted capacitively. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei die Scheibe (21) derart dimensioniert ist und derart nahe zu einer gegenüberliegenden Fläche (23) des Gehäuses (9) angeordnet ist und ein Medium innerhalb des Spaltes (25) derart gewählt ist, dass mit der Scheibe (21) und der gegenüberliegenden Fläche (23) des Gehäuses (9) ein Drehscheibenkondensator mit einer Kapazität von wenigstens 1 nF, vorzugsweise wenigstens 5 nF, gebildet wird. Electric machine according to claim 1, wherein the disc ( 21 ) is dimensioned in such a way and so close to an opposite surface ( 23 ) of the housing ( 9 ) is arranged and a medium within the gap ( 25 ) is selected such that with the disc ( 21 ) and the opposite surface ( 23 ) of the housing ( 9 ) a turntable condenser having a capacity of at least 1 nF, preferably at least 5 nF, is formed. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei in dem Spalt (25) eine Schicht (27) aus einem dielektrischen Material angeordnet ist. Electric machine according to claim 1 or 2, wherein in the gap ( 25 ) a layer ( 27 ) is disposed of a dielectric material. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei in dem Spalt (25) flüssiges dielektrisches Material (26) angeordnet ist. Electric machine according to claim 1 or 2, wherein in the gap ( 25 ) liquid dielectric material ( 26 ) is arranged. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, wobei das flüssige dielektrische Material (26) ein wasserbasiertes Dielektrikum ist. Electric machine according to claim 4, wherein the liquid dielectric material ( 26 ) is a water-based dielectric. Elektrische Maschine nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Spalt (25) mittels Dichtungen (35) gegen die Rotorwelle (7) abgedichtet ist. Electric machine according to claim 4 or 5, wherein the gap ( 25 ) by means of seals ( 35 ) against the rotor shaft ( 7 ) is sealed. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei in dem Gehäuse ein Einlass und ein Auslass zum Zu- und Abführen des flüssigen dielektrischen Materials (26) vorgesehen ist. Electric machine according to claim 4, 5 or 6, wherein in the housing an inlet and an outlet for feeding and discharging the liquid dielectric material ( 26 ) is provided. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das dielektrische Material eine Permittivitätszahl von mehr als 5, vorzugsweise mehr als 25, aufweist.  Electric machine according to one of claims 3 to 7, wherein the dielectric material has a Permittivitätszahl of more than 5, preferably more than 25 ,. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Spalt (25) kleiner als 4mm, vorzugsweise kleiner als 2mm, ist. Electric machine according to one of claims 1 to 8, wherein the gap ( 25 ) is less than 4mm, preferably less than 2mm. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Scheibe (21) einen größeren Durchmesser aufweist als die Rotorwelle (7). Electric machine according to one of claims 1 to 9, wherein the disc ( 21 ) has a larger diameter than the rotor shaft ( 7 ). Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Scheibe (21) einen Durchmesser größer als der halbe Durchmesser des Rotors (5) aufweist. Electric machine according to one of claims 1 to 10, wherein the disc ( 21 ) has a diameter greater than half the diameter of the rotor ( 5 ) having. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Scheibe (21) aus mehreren Teilscheiben zusammengesetzt ist. Electric machine according to one of claims 1 to 11, wherein the disc ( 21 ) is composed of several part discs. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Scheibe (21) und/oder das Gehäuse (9) aus Metall besteht. Electric machine according to one of claims 1 to 12, wherein the disc ( 21 ) and / or the housing ( 9 ) consists of metal. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Störströme bei Gleichtakt Frequenzen im Bereich von 10 kHz bis 30 MHz aufweisen.  Electric machine according to one of claims 1 to 13, wherein the interference currents at common mode frequencies in the range of 10 kHz to 30 MHz. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die elektrische Maschine (1) dazu ausgelegt ist, mittels eines Pulswechselrichters betrieben zu werden. Electric machine according to one of claims 1 to 14, wherein the electric machine ( 1 ) is designed to be operated by means of a pulse inverter.

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