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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine. Insbesondere betrifft die Erfindung die Isolation eines spannungsführenden Bauteils der elektrischen Maschine.
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Eine elektrische Maschine, beispielsweise zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, umfasst einen Stator und einen Rotor, die um eine gemeinsame Drehachse gegeneinander drehbar gelagert sind. An einer beispielhaften permanenterregten Synchronmaschine (PSM) sind am Rotor Permanentmagneten angebracht, und der Stator weist einen Wickelkern und eine Wicklung auf, die aus einem Kupferdraht auf den Wickelkern aufgebracht ist. Während des Betriebs der Maschine fließt ein elektrischer Strom durch die Wicklung.
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Zur Sicherstellung einer Betriebssicherheit sowie zur Vorbeugung von Gefahren gegenüber einer externen Einrichtung oder einer Person muss ein Bauteil, das eine elektrische Spannung führt, gegenüber einem anderen Bauteil elektrisch isoliert sein. Der Kupferdraht der Wicklung kann beispielsweise mit einem Isolationslack überzogen sein. Zwischen der Wicklung und dem Wickelkern kann Papier als Isolator vorgesehen sein. Die Wicklung kann außerdem mit einem Harz getränkt werden, das anschließend ausgehärtet werden kann.
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Zur Sicherstellung einer ausreichenden Spannungsfestigkeit kann es bei Verwendung bekannter Isolatoren trotzdem erforderlich sein, die geometrische Auslegung des spannungsführenden Bauteils oder eines anderen leitfähigen Bauteils in dessen Bereich so zu wählen, dass gewisse relative Abstände eingehalten sind. Eine Leistungsfähigkeit oder ein Wirkungsgrad der elektrischen Maschinen kann dadurch reduziert sein.
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Eine der vorliegenden Erfindung zu Grund liegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer verbesserten Technik zur Isolation einer elektrischen Maschine. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Eine elektrische Maschine umfasst ein erstes und ein zweites Element, die um eine Drehachse drehbar gegeneinander gelagert sind, sowie einen Leiter zur Führung eines elektrischen Stroms. Dabei ist im Bereich des Leiters eine Oxidschicht zur elektrischen Isolation des Leiters vorgesehen.
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Die Oxidschicht kann eine bessere elektrische Isolation erbringen als ein klassischer Isolator wie Papier, Lack oder Harz. Insbesondere kann die Oxidschicht unmittelbar an einem Element aufgebracht sein, das davor geschützt werden soll, einen elektrischen Strom von einem Bauteil der elektrischen Maschine zu übernehme beziehungsweise an ein solches abzugeben. Die Oxidschicht kann etwa anodisch auf das Bauteil aufgebracht werden.
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In Abhängigkeit eines Materials des Bauteils und einer Behandlungsweise kann die Oxidschicht gegenüber Spannungen bis zu ca. 1000 V und mehr spannungsfest sein. Spannungen diese Größenordnung können an einer elektrischen Maschine auftreten, die zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Die Oxidschicht kann vor oder nach dem Verbau des Bauteils an der elektrischen Maschine aufgebracht werden.
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Die Oxidschicht kann sehr dünn sein, sodass Bauraum an der elektrischen Maschine eingespart werden kann. Ferner kann die Oxidschicht das Bauteil vor weiterer Oxidation schützen. Optional kann die Oxidschicht farbig ausgeführt werden, beispielsweise um einen Hinweis auf eine Gefahrenstelle, eine Beschriftung oder einen Herstellerhinweis auszubilden.
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In einer Variante ist die Oxidschicht an dem Leiter ausgebildet. Fließt während des Betriebs der elektrischen Maschine ein Strom durch den Leiter, so kann zwischen dem Leiter und einem anderen Element auch eine elektrische Spannung anliegen. Durch das Aufbringen der Oxidschicht auf den Leiter kann ein Stromfluss vom Leiter sowohl durch eine Person (Personenschutz) als auch durch ein anderes Bauteil verhindert sein.
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Der Leiter kann von einer Wicklung umfasst sein. Die Wicklung umfasst üblicherweise einen Kupferdraht, der auf einen Wicklungskörper aufgebracht ist, der einen Stapel von gegeneinander elektrisch isolierten Magnetblechen umfassen kann.
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In einer anderen Ausführungsform ist der Leiter von einem Käfig eines Kurzschlussläufers umfasst. Dabei kann sich der Leiter in axialer Richtung erstrecken oder an einem axialen Ende des Rotors vorgesehen sein. Übliche Materialien für den Käfig umfassen Kupfer oder ein Leichtmetall wie Aluminium. Eine auf der Oberfläche eines Leichtmetalls aufgebrachte Oxidschicht kann auch Eloxalschicht genannt werden.
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In einer anderen Variante, die mit der erstgenannten Variante kombiniert werden kann, ist die Oxidschicht an einem anderen leitfähigen Bauteil im Bereich des Leiters ausgebildet. Beispielsweise kann das Bauteil ein Magnetblech der elektrischen Maschine umfassen. So kann verhindert werden, dass eine elektrische Eigenschaft des Leiters durch einen Fluss elektrischen Stroms durch das leitfähige Bauteil beeinflusst ist.
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Zur Isolation einer Wicklung gegenüber einem anderen leitfähigen Bauteil können Oxidschichten an einem oder beiden Elementen vorgesehen sein. In einer Ausführungsform liegt die Wicklung am ersten und das leitfähige Bauteil am zweiten Element. Somit kann eine Isolation zwischen einem Stator und einem Rotor der elektrischen Maschine geschaffen sein.
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Die elektrische Maschine kann insbesondere eine Asynchronmaschine umfassen. Bei diesem Maschinentyp können die Vorteile einer elektrischen Isolation mittels der Oxidschicht besonders vorteilhaft ausgenutzt werden. Insbesondere kann die Asynchronmaschine geometrisch kompakter ausgelegt sein, beispielsweise im Bereich eines Wickelkopfs, woraus sich Vorteile bezüglich eines Wirkungsgrads oder einer Leistungsfähigkeit ergeben können.
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Die elektrische Maschine kann einen Kurzschlussläufer umfassen. Diese Bauform einer Asynchronmaschine kommt ohne Kommutator aus und wird häufig eingesetzt, wenn mittlere oder größere elektrische Leistungen umgesetzt werden sollen.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die elektrische Maschine zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs eingerichtet ist. Zusätzlich kann ein weiterer Antriebsmotor vorgesehen sein, insbesondere eine Brennkraftmaschine, um das Kraftfahrzeug anzutreiben.
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Ein Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug umfasst eine hierin beschriebene elektrische Maschine. Der Achsantrieb kann zusätzlich ein Getriebe umfassen. Ein weiterer Antriebsmotor kann optional mittels einer dafür vorgesehenen Antriebswelle angekoppelt werden.
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Ein Kraftfahrzeug umfasst eine hierin beschriebene elektrische Maschine oder einen hierin beschriebenen Achsantrieb. Das Kraftfahrzeug kann insbesondere ein Kraftrad, einen Personenkraftwagen, einen Lastkraftwagen oder einen Omnibus umfassen.
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Ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine umfasst Schritte des Bereitstellens eines Leiters für die elektrische Maschine; des anodischen Aufbringens einer Oxidationsschicht auf den Leiter; und des Anbringens des Leiters an der elektrischen Maschine.
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Es ist zu beachten, dass der Leiter Teil einer Wicklung oder zum Führen von Strömen in einem Kurzschlussläufer sein kann. Fließt ein Strom durch den Leiter, so stellt sich ein magnetisches Feld ein, das zwischen dem ersten und dem zweiten Element der elektrischen Maschine wirkt und eine Drehbewegung der beiden Teile zueinander um die Drehachse bewirkt. Ein Bauteil, das von elektrischem Strom durchflossen werden kann, ohne dass ein dabei entstehendes magnetisches Feld zur Drehbewegung beiträgt beziehungsweise dafür vorgesehen ist, wird hierin nicht als Leiter, sondern als elektrisch leitfähiges Bauteil bezeichnet.
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Ein weiteres Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine umfasst Schritte des Bereitstellens eines leitfähigen Bauteils für die elektrische Maschine; des anodischen Aufbringens einer Oxidationsschicht auf das Bauteil; und des Anbringens des Bauteils an der elektrischen Maschine. Insbesondere kann hierbei auch das Einspritzen eines Leiters in das leitfähige Bauteil beispielsweise mittels Druckguss erfolgen.
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Die beiden Verfahren können miteinander integriert werden, sodass mehrere Oxidationsschichten an der elektrischen Maschine vorgesehen sind. Insbesondere kann zwischen dem Leiter und dem anderen elektrisch leitfähigen Bauteil mehr als eine Oxidationsschicht liegen.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
- 1 eine beispielhafte elektrische Maschine; und
- 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer elektrischen Maschine
darstellt.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrischen Maschine 100. Die dargestellte Maschine 100 ist als Asynchronmaschine, speziell als Kurzschlussläufer ausgeführt. Um eine Drehachse 105 sind ein Stator 110 und ein Rotor 115 drehbar gegeneinander gelagert. Dabei liegt der Rotor 115 radial innerhalb des Stators 110, sodass die Maschine 100 beispielhaft als Innenläufer konzipiert ist.
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Der Stator 110 umfasst einen Statorkern 120, der mehrere Wicklungen 125 trägt. Der Statorkern 120 kann daher auch Wickelkern genannt werden. Er ist üblicherweise aus einer Vielzahl dünner und leicht magnetisierbarer Bleche gebildet, die in axialer Richtung gestapelt sind. Die Wicklung 125 ist aus einem Wicklungsdraht 130 gebildet, der üblicherweise aus Kupfer herstellbar ist. In einer Variante kann der Stator 110 in Hairpin-Technologie gebildet sein, wobei die Wicklung 125 eine Anzahl U-förmiger Wicklungsdrähte 130 umfasst, deren Enden axial in korrespondierenden Nuten des Statorkerns 120 eingeführt, ausgerichtet und untereinander verbunden sein können.
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Der Rotor 115 umfasst einen Rotorkern 135 und eine Anzahl axialer Rotorstäbe 140, die an axialen Enden des Rotors 115 jeweils auf einem Umfang um die Drehachse 105 miteinander verbunden sind. Der Rotorkern ist üblicherweise ähnlich wie der Statorkern 120 aufgebaut und kann einen Stapel dünner und leicht magnetisierbarer Bleche umfassen. Mehrere Rotorstäbe 140 sind auf einem Umfang um die Drehachse 105 gleichmäßig verteilt, wobei Enden der Rotorstäbe 140 um einen vorbestimmten, geringen Winkel um die Drehachse 105 verwunden sein können. Durch die Verwindung kann ein Anlaufen der elektrischen Maschine 100 erleichtert sein. Außerdem kann eine Erzeugung von Geräuschen während des Betriebs der elektrischen Maschine 100 unterdrückt sein.
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Es wird vorgeschlagen, eine Oxidschicht 145 an der elektrischen Maschine 100 zu verwenden, um eine elektrische Isolation zwischen unterschiedlichen Bauteilen zu bewirken. Die Oxidschicht 145 kann an unterschiedlichen Stellen angebracht werden, um Bauteile gegeneinander oder gegenüber einem anderen Objekt elektrisch zu isolieren. Rein exemplarisch sind unterschiedliche Abschnitte von Oxidschichten 145 an der elektrischen Maschine 100 grafisch angedeutet.
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Eine exemplarische erste Oxidschicht 150 ist zur Isolation des Stators 110 gegenüber einem externen Objekt vorgesehen. Dazu kann die erste Oxidschicht 150 auf einer radialen Außenseite des Statorkerns 120 angebracht sein. So kann beispielsweise ein effektiver Berührschutz realisiert sein.
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Eine zweite beispielhafte Oxidschicht 155 ist dazu eingerichtet, zwischen dem Statorkern 120 und der Wicklung 125 zu isolieren. Dabei ist die zweite Oxidschicht 155 wie die erste Oxidschicht 150 an einer Oberfläche des Statorkerns 120 angebracht. In unterschiedlichen Varianten kann die zweite Oxidschicht 155 in Umfangsrichtung, in axialer Richtung oder in radialer Richtung innen oder außen wirksam sein.
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Eine dritte beispielhafte Oxidschicht 160 ist dazu eingerichtet, den Statorkern 120 gegenüber dem Rotor 115 zu isolieren. Dazu kann die dritte Oxidschicht 160 im Bereich einer radialen Innenseite des Statorkerns 120 vorgesehen sein.
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Eine vierte Oxidschicht 165 ist dazu eingerichtet, eine elektrische Isolation zwischen einer Wicklung 125 und dem Statorkern 120 zu bewirken. Dabei ist die vierte Oxidschicht 165 am Wicklungsdraht 130 der Wicklung 125 ausgebildet. In einer Ausführungsform ist der gesamte Wicklungsdraht 130 mit der vierten Oxidschicht 165 überzogen, in einer anderen Ausführungsform können nur außenliegende Abschnitte mit der vierten Oxidschicht 165 überzogen sein.
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Eine beispielhafte fünfte Oxidschicht 170 ist wie die dritte Oxidschicht 160 dazu eingerichtet, eine elektrische Isolation zwischen dem Stator 110 und dem Rotor 115 zu bewirken. Die fünfte Oxidschicht 170 liegt jedoch am Rotor 115 und insbesondere am Rotorkern 135. Die fünfte Oxidschicht 170 ist bevorzugt an einer radial äußeren Oberfläche des Rotorkerns 135 ausgebildet.
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Eine beispielhafte sechste Oxidschicht 175 ist dazu eingerichtet, einen Rotorstab 140 gegenüber dem Rotorkern 135 zu isolieren. Dabei kann die sechste Oxidschicht 175 alternativ am Rotorkern 135 oder dem Rotorstab 140 ausgebildet sein.
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Andere Oxidschichten 145 können ebenfalls an der elektrischen Maschine 100 ausgebildet sein. Es ist zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Oxidschichten 150 bis 175 an einer elektrischen Maschine 100 einer anderen als der dargestellten Bauform anders geformt beziehungsweise orientiert sein können.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Herstellen einer elektrischen Maschine 100. In einem Schritt 205 kann ein Leiter bereitgestellt werden. Mit Bezug auf die elektrische Maschine 100 von 1 kann der Leiter insbesondere einen Wicklungsdraht 130 oder einen Rotorstab 140 umfassen.
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In einem Schritt 210 kann ein weiteres Bauteil der elektrischen Maschine 100 bereitgestellt werden. Das weitere Bauteil ist bevorzugt elektrisch leitfähig und kann insbesondere den Statorkern 120 oder den Rotorkern 135 umfassen. Das Bauteil kann bereits fertig montiert sein oder erst später zusammengesetzt werden. Insbesondere können einzelne Bleche als Bauteile gelten, aus denen später der Statorkern 120 oder der Rotorkern 135 zusammengesetzt wird.
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In einem Schritt 215 kann eine Oxidschicht auf den Leiter 130, 140 aufgebracht werden. Das Aufbringen erfolgt bevorzugt mittels anodischer Oxidation. Dazu kann der Leiter 130, 140 in ein flüssiges Elektrolyt getaucht und einem Stromfluss durch das Elektrolyt ausgesetzt werden. In Abhängigkeit eines Materials des Leiters 130, 140 kann sich auf der Oberfläche eine Oxidschicht ablegen, deren Dicke von der Dauer der Behandlung und der Stärke des fließenden Stroms abhängig sein kann. Durch Wahl eines geeigneten Elektrolyts kann die Oxidschicht 145 eine vorbestimmte Farbe annehmen.
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In einem Schritt 220 kann in entsprechender Weise eine Oxidschicht 145 auf das andere Bauteil 120, 135 aufgebracht werden. Falls erforderlich, können mehrere Bauteile dann zusammengefügt werden, beispielsweise mehrere Bleche zum Statorkern 120 oder zum Rotorkern 135.
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In einem Schritt 225 kann die elektrische Maschine 100 montiert werden. Dazu kann ein Leiter 130, 140 und/oder ein Bauteil 120, 135 eingesetzt werden, die in einem vorangehenden Schritt 215 beziehungsweise 220 mit einer Oxidschicht 145 versehen wurden. Die Montage kann auch eines oder mehrere weitere Bauteile umfassen, die nicht mit einer Oxidschicht 145 versehen sind. Es ist zu beachten, dass in einer anderen Ausführungsform eine Oxidschicht 145 auch auf einen Leiter 130, 140 oder ein Bauteil 120, 135 aufgebracht werden kann, wenn die elektrische Maschine 100 bereits teilweise oder vollständig montiert ist.
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Bezugszeichen
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- 100
- elektrische Maschine
- 105
- Drehachse
- 110
- Stator
- 115
- Rotor
- 120
- Statorkern
- 125
- Wicklung
- 130
- Wicklungsdraht
- 135
- Rotorkern
- 140
- Rotorstab
- 145
- Oxidschicht
- 150
- erste Oxidschicht
- 155
- zweite Oxidschicht
- 160
- dritte Oxidschicht
- 165
- vierte Oxidschicht
- 170
- fünfte Oxidschicht
- 175
- sechste Oxidschicht
- 200
- Verfahren
- 205
- Leiter bereitstellen
- 210
- Bauteil bereitstellen
- 215
- Oxidschicht auf Leiter aufbringen
- 220
- Oxidschicht auf Bauteil aufbringen
- 225
- elektrische Maschine montieren