Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit Einrichtungen zur Vermeidung von elektromagnetischen Störungen bei Vorliegen eines elektrischen Motors, einer

Frequenzumrichteinrichtung zum Umrichten von Gleichspannungsfrequenzen, einer Spannungsversorgungseinrichtung und Verbindungsleitungen zwischen der Spannungsversor- gungseinrichtung und einem für den elektrischen Motor und die Frequenzumrichteinrichtung gemeinsamen Gehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Der elektrische Motor weist einen Rotor und einen diesen umgebenden Stator mit einer Vielzahl von um eine Motorachse verteilten Magnetpolen und in Hohlräumen aufgenommenen Wicklungen sowie in den Hohlräumen angeordnete von einem Kühlmedium durchströmbare Kühlkanäle auf.

Bekannte elektrische Motoren, wie ein Synchronmotor, ein Assynchronmotor oder ein Gleichstrommotor, umfassen einen die Wicklung aufweisenden Stator und einen von dem Stator umschlossenen Rotor. Zur Erhöhung der Leistung des elektrischen Motors ist es bereits bekannt, dass an der dem Rotor zugewandten Innenflächen des den Rotor umschließenden Stators bzw. an der Innenfläche des Stator- Blechpaketes ein sogenanntes Spaltrohr vorgesehen ist, d. h. einen kreiszylinderförmigen Wandabschnitt anzuordnen, der die im Blechpaket ausgebildeten und zum Rotor hin offenen Nuten für die Aufnahme der Abschnitte oder Leiter der Statorwicklung zum Maschinenspalt hin zwischen dem Stator und dem Rotor abdichtet. Ein von den elektrischen Leitern der Wicklung nicht eingenommener Teil jeder Nut kann, wie in DE 10 2004 013 721.8 gezeigt, als Kanal eines Kühlkanalsystems verwendet werden, welches von einem geeigneten, elektrisch nicht leitenden Kühlmedium durchströmt wird.

Der die Wicklung aufweisende und Magnetpole bildende Rotor kann aus Kunststoff gefertigt sein, welcher einen hohen Anteil an einem elektrisch nicht leitenden, allerdings magnetisch leitenden Füller enthält.

Derartige elektrische Motoren erfordern häufig eine Frequenzumrichteinrichtung bzw. eine Frequenzkonvertereinrichtung zwischen einer Strom- und Spannungsversorgungseinrichtung und dem elektrischen Motor.

Eine Spannungs- und Stromversorgungseinrichtung wird häufig über Spannungs- und Stromversorgungsleitungen, gegebenenfalls zusammen mit Kühlablauf- und -Zuleitungen zum Kühlen des elektrischen Motors, und verschiedenen Bauelementen, wie beispielsweise einer Spule, mit einem Frequenzumrichter- bzw. Frequenzkonvertergehäuse eines Frequenzumrichters bzw. eines Frequenzkonverters verbunden. Der Frequenzumrichter ist häufig in einem anderen Gehäuse als der elektrische Motor untergebracht. Bei einem derartigen Aufbau mindestens eines Frequenzumrichters, eines elektrischen Motors, Verbindungsleitungen bzw. Spannungs- und Stromversorgungsleitungen und einer Spannungs- und Strom- Versorgungsquelle treten in der Regel parasitäre Kapazitäten auf. Diese parasitären Kapazitäten und auch Induktivitäten erzeugen bei Schaltvorgängen des Frequenzumrichters mit hohen Spannungs-Zeit-Veränderungen dU/dt sogenannte Ableitströme bzw. Common-Mode- Ströme. Ein gemeinsames Gehäuse für den Frequenzumrichter und den elektrischen Motor kann zwar die Störanfälligkeit für elektromagnetische Wellen für das Antriebssystem vermindern, jedoch wird spätestens bei der Anbindung der Strom- und Spannungsversorgungsleitungen für die notwendige Spannungsquelle deutlich, dass bei derartigen aus dem Gehäuse austretenden Leitungen Mantelströme und eine galvanische Verbindung zwischen den Leitungen und dem Gehäuse existieren. Insbesondere bei Verwendung von Hochspannungs- und Hochstromleitungen wird dies deutlich.

Deshalb werden herkömmlicherweise vor allem bei Hochspannungs- und Hochstromleitungen Ummantelungen der Leitungen mittels einer Schirm- und Mantelfläche verwendet. Der- artige Schirm- und Mantelfläche werden lediglich einseitig, d. h. an vorzugsweise einem Ende der zylinderartigen Flächen geerdet. Dies führt unerwünscht zur Verminderung der Abschirmung elektromagnetischer Störungen und zur Beeinträchtigung der elektromagnetischen Leistungsfähigkeit der Schirm- und Mantelflächen.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Antriebssystem mit Einrichtungen zur Vermeidung von elektromagnetischen Störungen zur Verfügung zu stellen, welches, wenn ein- und austretende Spannungs- und Stromleitungen mit einem gemeinsamen Gehäuse für einen Frequenzumrichter und einen elektrischen Motor verbunden sind, eine Vermeidung von elektromagnetischen Störungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patenanspruches 1 gelöst.

Kerngedanke der Erfindung ist es, dass bei einem Antriebssystem mit Einrichtungen zur Vermeidung von elektromagnetischen Störungen, welches

mindestens einen elektrischen Motor,

mindestens eine Frequenzumrichteinrichtung zum Umrichten von Gleichspannungsfrequenzen,

mindestens eine Spannungsversorgungseinrichtung,

- Verbindungsleitungen zwischen der Spannungsversorgungseinrichtung und einem für den elektrischen Motor und die Frequenzumrichteinrichtung gemeinsamen Gehäuse, umfasst, die Einrichtungen jeweils mindestens ein an eine Schirm- und Mantelfläche jeder stromführenden Verbindungsleitung endseitig angeordnetes kapazitiv wirkendes

Kondensatorelement umfassen, welches mit dem Gehäuse verbunden ist. Diese Verbindung kann direkt, also von der Schirm- und Mantelfläche zu dem Gehäuse direkt, oder indirekt, beispielsweise über eine gemeinsame Masseleitung erfolgen.

Ein derart kapazitiv mit dem Gehäuse verbundene Verbindungsleitung zur Führung von Strom ermöglicht eine Erhöhung des Abschirmeffektes der Schirm- und Mantelflächen, der nachweislich für einen erhöhten Frequenzbereich anwendbar ist.

Vorzugsweise umfasst das kapazitiv wirkende Kondensatorelement jeweils eine jede Schirm- und Mantelfläche, die jeweils mindestens eine stromführende Verbindungsleitung zylinderartig umgibt, endseitig umgebendes elektrisch leitfähiges Zylindermantelstück, das mit dem Gehäuse verbunden ist. Dass heißt, das Zylindermantelstück wäre direkt mit dem Gehäuse oder gegebenenfalls mit einer Masseleitung verbunden, wohingegen die Schirm- und Mantelfläche den Verbindungsleiter zylinderartig umgibt nicht dem Gehäuse oder der Masse verbunden ist. Zwischen dem Zylindermantelstück und der Schirm- und Mantelfläche ist ein durchgehender zylindermantelförmiger Zwischenraum ohne eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen der Schirm- und Mantelfläche und dem Zylindermantelstück angeordnet. Somit ist ein kapazitiv wirkendes Kondensatorelement geschaffen, wovon der eine Teil das Zylindermantelstück und der andere Teil ein Endstück der Schirm- und Mantelfläche bildet. Dazwischen ist - wie bereits erwähnt - ein Zwischenraum mit elektrischem Isoliermaterial angeordnet.

In seiner bevorzugten Ausführungsform weist das Zylindermantelstück in Längsrichtung der zylinderartigen Schirm- und Mantelfläche betrachtet einen ersten ein Endstück der Schirm- und Mantelfläche umgebenden Abschnitt und eine schirm- und mantelflächenfreien zweiten Abschnitt auf. Dies bedeutet, dass das Zylindermantelstück in Längsrichtung betrachtet über das Endstück der Schirm- und Mantelfläche hinaus sich erstreckt und somit an beispielsweise das Gehäuse auch elektrisch sowie mechanisch angeschlossen werden kann, ohne dass Teile der Schirm- und Mantelfläche das Gehäuse berühren. Alternativ oder zusätzlich kann das kapazitiv wirkende Kondensatorelement jeweils mindestens eine an der Stirnseite der zylinderartigen Schirm- und Mantelfläche angeordnete erste Platte, die aus elektrisch leitfähigem Material besteht, und deren Grundfläche sich senkrecht zu der Längsrichtung der zylinderartigen Schirm- und Mantelfläche erstreckt, und eine von der ersten Platte beabstandete parallel dazu ausgerichtete zweite Platte, die mit dem Ge- häuse verbunden ist, aufweisen. Derartige Konstruktion aus einer ersten und zweiten Platte, die vorzugsweise aus die selbe Grundfläche aufweisen, jedoch auch unterschiedliche Grundflächen aufweisen können, führt ebenso zur Bildung eines Kondensators, wobei ein Zwischenraum zwischen den beiden Platten wiederum verbindungsfrei hinsichtlich elektrischer und magnetischer Leitfähigkeit gestaltet sein sollte. Dies führt wieder zu eine kapazitiven Ankopplung der Schirm- und Mantelfläche an das Gehäuse oder direkt an eine Leitung oder ein Element, welches mit der Masse verbunden ist, ohne dass die Schirm- und Mantelfläche direkt mit dem Gehäuse oder der Masse verbunden ist. Vorteilhaft kann hierdurch ebenso wie bei der Verwendung eines Zylindermantelstückes erreicht werden, dass keine parasitäre Kapazitäten auftreten, wie sie bei der Verwendung eines diskreten Kondensatorbauelements Verbindungsstück zwischen der Schirm- und Mantelfläche und dem Gehäuse auftreten würden. Vielmehr liegt eine großflächige kapazitiv wirkende Kondensatoranordnung vor.

Die erste und die zweite Platte können eine kreisförmige oder eine viereckige oder eine an- dere mehreckige Grundfläche aufweisen.

Mit einer derartigen kapazitiven Anbindung der Schirm- und Mantelflächen an eines oder mehrer Gehäuse, welches vorzugsweise metallisch ist und elektrisch sowie magnetisch leitfähig ist, kann eine galvanische Trennung zwischen den Schirm- und Mantelflächen sowie dem Gehäuse herbeiführen, ohne die Leistungsfähigkeit der Schirmeigenschaften der

Schirm- und Mantelflächen hinsichtlich der elektromagnetischen Störungen zu beeinträchtigen.

Mit zusätzlichen Filterelementen, wie diskreten Kondensatoren und Induktivitäten, können elektromagnetischen Eigenschaften des gesamten Antriebssystems an die jeweilige geforderte Verwendung des Antriebsystems angepasst werden. Insbesondere, wenn elektromagnetische Störungen beim Transport von Strömen in den Verbindungsleitungen mit tieferen Frequenzen abgeschirmt werden sollen, erweisen sich zusätzlich angeordnete diskrete Kondensatoren um die flächig ausgebildeten kapazitiv wirkenden Kondensatorelemente herum als vorteilhaft. Eine derartige kapazitive Erweiterung mit diskreten Kondensatoren ist nicht nur auf Kondensatoren beschränkt. Vielmehr kann zur Erstellung eines Filteranschlusses gegenüber dem Gehäuse jedes beliebige Bauteil für eine Filteranwendung verwendet werden. Zumindest ein Teil des kapazitiv wirkenden Kondensatorelementes ist mit einer Masseleitung verbunden, um einen kontrollierten Common-Mode-Stromfluss sicherzustellen und somit elektromagnetische Störungen zu vermeiden.

Das kapazitiv wirkende Kondensatorelement ist zumindest teilweise aus elektrisch oder magnetisch leitfähigem Material aufgebaut.

Die Schirm- und Mantelfläche besteht zumindest teilweise aus elektrisch und magnetisch leitfähigem Material. Die Schirm- und Mantelfläche kann als Hydraulikschlauch mit zwischen der Schirm- und Mantelfläche und der elektrischen Verbindungsleitung sowie gegebenenfalls mindestens einer ein Kühlmittel enthaltenden Kühlleitung angeordnetem Öl ausgebildet.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich gemäß den Unteransprüchen.

Vorteile und Zweckmäßigkeiten sind der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung zu entnehmen. Hierbei zeigen:

Fig. 1 In einer ersten schematischen Darstellung das Antriebssystem gemäß der

Erfindung;

Fig. 2 In einer schematischen Darstellung das Grundprinzip der Erfindung;

Fig. 3a In einer schematischen Darstellung eine Verbindungsleitung in einem Antriebssystem gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3b In einer schematischen Schaltungsdarstellung, die Verbindungsleitung in dem

Antriebssystem gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 In einer einfachen schematischen Darstellung ein weiteres Grundprinzip der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5a - 5c Verschiedene Realisierungsformen gemäß weiterer Ausführungsformen der

Erfindung; und

Fig. 6 In einem Diagramm die Auswirkung der vorliegenden Erfindung auf die

Schirmwirkung.

In Fig. 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Antriebssystem gemäß der vorliegenden Erfindung wiedergegeben. Dieses Antriebssystem 1 weist einen elektrischen Motor 2 und eine Frequenzumrichteinrichtung 3 sowie eine Spannungsversorgungseinrichtung 4 auf. Zwischen der Spannungsversorgungseinrichtung 4 und einem gemeinsamen Gehäuse 6, welches für die Frequenzumrichteinrichtung 3 und dem elektrischen Motor 2 sowie gegebe- nenfalls weiteren Bauelementen, wie einem Kühlkörper vorgesehen ist, sind Verbindungsleitungen 5 angeordnet.

Die Verbindungsleitungen 5 können ebenso Kühlleitungen aufweisen, welche eine Versor- gung des Kühlkörpers mit Kühlmittel zur Aufgabe haben.

Die Verbindungsleitungen sind mittels eines Hydraulikschlauches metallischer zumindest teilweise elektrisch leitfähiger Oberfläche ummantelt. Die Verbindungsleitungen 5 sind - wie in Fig. 2 wiedergegeben, als eine innenliegender stromführender Leiter 1 1 , der sich in Längsrichtung 1 1a der Verbindungsleitung erstreckt, und eine zylinderartig darum angeordnete Schirm- und Mantelfläche 10 ausgebildet.

Die Schirm- und Mantelfläche 10 ist mittels eines Masseleiters 12 mit der Masse verbunden. Ebenso ist mittels einer Verbindungsleitung 14 erfindungsgemäß die Schirm- und Mantelfläche endseitig mit einer hier stilistisch dargestellten kapazitiven Anbindung 13 mit der Masse verbunden.

In Fig. 3a wir eine mögliche Realisierung des kapazitiv wirkenden Kondensatorelementes gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Schirm- und Mantelfläche 10, welche den elektrischen Leiter 11 umgibt, ist endseitig mit einem Endstück 15 bzw. einer Stirnfläche 15 in einem Zylindermantelstück 16 angeordnet, welches gegenüber der Schirm- und Mantelfläche 10 mittels eines Zwischenraumes 16a beabstandet ist. Auf diese Weise wird eine kondensatorartige Wirkung zwischen dem Zylindermantelteilstück 16 und dem Endbereich 15 der Schirm- und Mantelfläche 10 erhalten.

Verdeutlicht wird dies nochmals in Fig. 3b, in der schematisch mit Schaltelementen der kapazitive Effekt dargestellt wird. Dieser Darstellung ist zu entnehmen, dass die Schirm- und Mantelfläche 10 mittels Kondensatoren 16a und 16b, die stellvertretend für das Zylinderman- telstück 16 und den Zwischenraum 16a sowie das Endstück 15 dargestellt sind, mit einer Masse 17 verbunden sind. Diese Masse 17 kann ebenso mit dem Gehäuse 6 des Antriebsystems leitfähig verbunden sein. In Fig. 4 wird in einer weiteren vereinfachten Schaltung ein weiteres Grundprinzip ergänzend zu dem in Fig. 2 gezeigten Grundprinzip wiedergegeben.

Der in Fig. 4 wiedergegebenen Darstellung ist deutlich zu entnehmen, dass die Schirm- und Mantelfläche 10 neben einer auf der einen Seite endseitig angeordneten Verbindung mit einer Masse 12 und einer auf der anderen Seite endseitig angeordneten Verbindung mit der Masse 17 über eine kapazitiv wirkendes Kondensatorelement 13 noch zusätzlich ein diskreter Kondensator 19 in der Leitung 18 angeordnet ist, der parallel zu dem kapazitiv wirkenden Kondensatorelement 13 vorliegt und ebenso mit einer Masse 20 verbunden ist. Dieser Kon- densator 19 kann in vielfacher Weise angeordnet sein. Das heißt, dass jedes Bauteil oder eine Mehrzahl an Bauteilen, die eine kondensatorartige Filterwirkung aufweisen, hierfür verwendet werden können.

In Fig. 5a, 5b und 5c sind weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Antriebssys- tems mit darin vorhandenen Verbindungsleitungen dargestellt. Die endseitig wiedergegebenen Schirm- und Mantelflächen 10 weisen in Fig. 5a stirnseitig an dem Endbereich 15 eine erste Platte 21 auf, die parallel zu einer zweiten Platte 22 mit identischer oder anderer Grundfläche, in diesem Fall kreisförmig, parallel beabstandet zueinander angeordnet sind. Alternativ können die Grundflächen des kapazitiv wirkenden Kondensatorelements gemäß Fig. 5b als erste Platte 23 und zweite Platte 24 viereckig, vorzugsweise quadratisch, sein.

In Fig. 5c ist nochmals die in Fig. 3a wiedergegebenen Ausführungsform dargestellt. Hier ist deutlich zu entnehmen, dass die Schirm- und Mantelfläche 10 in einem ersten Abschnitt 25 endstückartig innerhalb des Zylindermantelstückes 16 liegt und in einem zweiten Abschnitt 26 nicht angeordnet ist. Hierdurch kann eine Anbindung des Zylindermantelstückes 16 an das Gehäuse oder die Masse erfolgen, ohne dass die Schirm- und Mantelfläche 10 in direktem Kontakt hiermit tritt, somit wird einen kapazitive Anbindung der Schirm- und Mantelfläche an das Gehäuse bzw. die Masse erhalten.

In Fig. 6 ist in einem Diagramm die Schirmwirkung in ihrer Veränderung gegenüber dem Frequenzbereich der Frequenzen der in den Verbindungsleitungen geführten Ströme dargestellt. Wie dieser Darstellung zu entnehmen ist, ist hier die schlechtere und bessere Schirmwirkung der Schirm- und Mantelfläche in Abhängigkeit von einer über die Abszisse 28 aufgetragene Frequenz des geführten Stromes innerhalb der Verbindungsleitung wiedergegeben. Dieser Darstellung ist deutlich zu entnehmen, dass gemäß Bezugzeichen 29 bei einer Verbindung des Endstückes 1 einer Verbindungsleitung und einer Schirm- und Mantelfläche mit dem Gehäuse bzw. der Masse alleinig durch diskrete Kondensatoren elektromagnetische Störungen von Strömen mit hohen Frequenzen abgeschirmt werden können. Es findet somit ein Abfall der Schirmwirkung erst bei hohen Frequenzen auf das Niveau 32 statt.

Gemäß dem Bezugszeichen 30 ist eine Verschiebung gemäß Fläche 33 der Kurbel in Richtung der niederen Frequenzen bei der Verwendung von kapazitiv wirkenden

Kondensatorelementen mit flächenhafter Ausbildung, wie es in den Fig. 5a, 5b und 5c gezeigt wird, wiedergegeben.

Eine weitere Verschiebung der Kurbel wird gemäß Bezugszeichen 31 bei einer Anbindung der Schirm- und Mantelfläche mit den kapazitiv wirkenden Kondensatorelementen in flächenhafter Ausbildung gemäß Fig. 5a, 5b und 5c zusammen mit der Anordnung von diskreten Kondensatoren erhalten. Hierdurch tritt zusammengefasst ein Gewinn bzw. eine Verbes- serung der Schirmwirkung, wie es durch die farblich gekennzeichnete Fläche zwischen den Kurven wiedergegeben wird, auf.

Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Bezugszeichenliste

1 Antriebssystem

2 Elektrischer Motor

3 Frequenzumrichteinnchtung

4 Spannungsversorgungseinrichtung

5 Verbindungsleitungen

6 Gehäuse

10 Schirm- und Mantelfläche

1 1 Elektrischer Leiter

12 Masseleiter

13 Kapazitive Anbindung

14 Verbindungsleitung

15 Endstück

16 Zylindermantelstück

16a Zwischenraum

17 Masse

18 Leitung

19 Kondensator

20 Masse

21 Erste Platte

22 Zweite Platte

23 Erste Platte

24 Zweite Platte

25 Erster Abschnitt

26 Zweiter Abschnitt

28 Abszisse

29 Kurve

30 Kurve

31 Kurve

32 Niveau

33 Fläche