DE102005051462A1

DE102005051462A1 - Vorrichtung zur induktiven Leistungsüberwachung, Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung, Drehübertrager

Info

Publication number: DE102005051462A1
Application number: DE102005051462A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Hill
Original assignee: LuK Lamellen und Kupplungsbau Beteiligungs KG; LuK Lamellen und Kupplungsbau GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-11-20
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2006-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen induktiven Leistungsübertrager, insbesondere einen Drehübertrager, mit einem Primärteil sowie einem Sekundärteil, welche zur induktiven Leistungsübertragung einander zugeordnet sind. Das Primärteil weist eine Primärspule und ein Primärkernteil bzw. einen Primärkern auf; das Sekundärteil weist eine Sekundärspule und ein Sekundärkernteil bzw. einen Sekundärkern auf. Zumindest der Primärkern oder der Sekundärkern weist erfindungsgemäß ein Segment mit wenigstens zwei, zumindest teilweise übereinander angeordneten, magnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Schichten, insbesondere einen Ringbandkern, auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Leistungsübertragung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung sowie einen Drehübertrager.

Vorrichtungen zur induktiven Leistungsübertragung sind im Stand der Technik bekannt. 4 zeigt eine konventionelle Ausführung einer solchen Vorrichtung, einen (induktiven) Drehübertrager 400.

Dieser im Stand der Technik bekannte Drehübertrager 400 weist zwei ringförmig ausgebildete Hälfen 410 und 420, einen Primärteil 410 und einen Sekundärteil 420, auf, welche um eine gemeinsame Achse 401 relativ zueinander verdrehbar und bezüglich dieser gemeinsamen Achse 401 koaxial zueinander angeordnet sind. Die beiden Hälften 410 und 420 sind weiter so angeordnet, dass zwischen ihnen ein Luftspalt 402 ausgebildet ist.

Die eine ringförmig ausgebildete Hälfte 410, das Primärteil 410, weist eine ebenfalls ringförmige, von einem einstückigen Primär- bzw. Schalenkern 411 teilweise umgebene Primärspule 412 auf. Auch die zweite ringförmig ausgebildete Hälfte 420, das Sekundärteil 420, weist eine ringförmige, von einem einstückigen Sekundär- bzw. Schalenkern 421 teilweise umgebene Sekundärspule 422 auf.

Zur Aufnahme der Primär- 412 bzw. der Sekundärspule 422 weisen die Schalenkerne 411 und 421 jeweils eine ringförmig umlaufende Nut 413 bzw. 423 auf, wobei anschaulich ein U-förmiger Querschnitt bei den Schalenkernen 411 und 421 ausgebildet und von welchen ringförmig umlaufenden Nuten 413 und 423 die jeweilige Spule 412 und 422 aufgenommen wird. Die beiden Drehübertragerhälften 410 und 420 bzw. die beiden Schalenkerne 411 und 421 sind so zueinander ausgerichtet, dass die offenen Seiten der U-Form gegenüberliegen.

Die beiden einstückigen Schalenkerne 411 und 421 sind aus einem Ferritwerkstoff durch Pressen und Sintern hergestellt.

Für einen hohen Wirkungsgrad des Übertragers 400 ist es erforderlich, die relativ zueinander beweglichen Ferrithälften 410 und 420 sehr genau zu lagern und zu positionieren, da bei einer Abweichung der Ferrithälften 410 und 420 zueinander eine magnetische Kopplung zwischen den Ferrithälften 410 und 420 und damit die Energie- bzw. Leistungsübertragung von einer Übertragerseite (Primärteil) auf die andere Übertragerseite (Sekundärteil) negativ beeinflusst wird.

Der Drehübertrager 400 ist in üblicher Verwendung, wie im Stand der Technik weiter bekannt ist, in einem nicht näher dargestellten Stromkreis angeordnet, durch welchen ein elektrischer Verbraucher, beispielsweise ein Stellantrieb, mit Strom versorgt wird.

Dazu ist das Primärteil 410 des Drehübertragers 400 in einem Primärkreis des Stromkreises angeordnet, welcher eine Wechselstromspannungsquelle aufweist; das Sekundärteil 420 des Drehübertragers 400 ist in einem Sekundärkreis des Stromkreises angeordnet, welcher den elektrischen Verbraucher aufweist. Der Drehübertrager 400 mit dem Primärteil 410 und dem Sekundärteil 420 stellt die Verbindung zwischen der Wechselspannungsquelle und dem elektrischen Verbraucher her derart, dass die Übertrager- bzw. Schalenkerne 411 und 421 eine induktive Kopplung der Spulen 412 und 422 gewährleisten, wobei ein Magnetkreis über die Schalenkerne 411 und 421 und den Luftspalt 402 zwischen den Schalenkernen 411 und 421 geschlossen wird. Dieser Stromkreis arbeitet beispielsweise mit einer Frequenz von 2 kHz.

Eine weitere Vorrichtung zur induktiven Leistungsübertragung, welche ähnlich dem Drehübertrager 400 nach 4 ausgestaltet ist, ist aus der DE 28 45 438 A1 bekannt. Der dort beschriebene Übertrager besteht aus zwei ebenen Schalenkernen, auch in diesem Fall zwei einstückige Ferrithälften, die um eine gemeinsame Achse relativ zueinander verdrehbar sind. Die Ferrithälften sind so angeordnet, dass zwischen ihnen ein Luftspalt entsteht. In jeweils einer ringförmigen Ausnehmung sind einander zugewandt jeweils eine Wicklung des Übertragers angeordnet.

Eine weitere solche Vorrichtung zur induktiven Leistungsübertragung ist aus der EP 0 183 580 A1 bekannt. Bei dieser Vorrichtung zur berührungslosen Übertragung von Informationen von stationär angeordneten Fahrzeugbaugruppen auf an einem Lenkrad angeordneten Baugruppen ist fahrzeugseitig stationär eine ringförmige, von einem einstückigen Schalenkern umhüllte Primärspule und auf der Lenkradseite eine mit dem Lenkrad drehbare ringförmige, von ei nem ebenfalls einstückigen Schalenkern umhüllte Sekundärspule koaxial zur Längsachse angeordnet. Zwischen den Schalenkernen besteht auch hier ein Luftspalt.

Weitere Vorrichtung zur induktiven Leistungsübertragung, welche ähnlich den obigen Vorrichtungen, aber unter anderem wegen der Ausbildung von mehreren Stromkreisen nebeneinander komplexer als obige ausgebildet sind, sind aus der DE 41 20 650 A1 , DE 195 38 528 C2 , DE 44 07 277 C2 und der EP 0 313 139 A1 bekannt.

Nachteilig bei diesen bekannten Vorrichtungen zur induktiven Leistungsübertragung ist, dass deren aus Ferrit bestehende Kerne einstückig durch Pressen und Sintern hergestellt werden bzw. sind. Derartige Kerne bzw. deren Herstellung, insbesondere solche mit U-förmigem Querschnitt, erfordern aufwendige Presswerkzeuge, aufwendige und lang andauernde Wärmeverfahren und Ofenzeiten, um beim Sintern einen unerwünschten Verzug der gesinterten Bauteile klein zu halten, und Nachbehandlungen, beispielsweise durch Schleifen der Bauteile. Damit verbunden sind hohe Herstellungskosten bei diesen Vorrichtungen.

Weiter ist von Nachteil, dass Ferritkerne zwar verlustarm sind, aber eine sehr niedrige Sättigungsdichte aufweisen. Deshalb bauen bekannte Ferritkerne relativ groß.

Weiter ist bekannt, Kerne aus Eisenpulver herzustellen. Eisenpulverkerne weisen zwar eine hohe Sättigungsflussdichte auf, erhöhen aber wegen ihrer geringen Permeabilität den magnetischen Widerstand und damit die Verluste.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu verbessern, insbesondere einen kostengünstig und einfach zu fertigenden, verlustarmen induktiven Leistungsübertrager zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur induktiven Leistungsübertragung, durch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung sowie durch einen Drehübertrager mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Anspruchs gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Gegenstände der Unteransprüche beziehen sich sowohl auf die erfindungsgemäße Vor richtung zur induktiven Leistungsübertragung, auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung sowie auf den erfindungsgemäßen Drehübertrager.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur induktiven Leistungsübertragung weist einen Primärteil sowie einen Sekundärteil auf, welche zur induktiven Leistungsübertragung einander zugeordnet angeordnet sind. Das Primärteil weist eine Primärspule und ein Primärkernteil, kurz Primärkern, auf; das Sekundärteil weist eine Sekundärspule und ein Sekundärkernteil, kurz Sekundärkern, auf.

Erfindungsgemäß weist zumindest der Primärkern oder der Sekundärkern ein Segment mit wenigstens zwei, zumindest teilweise übereinander angeordneten, magnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Schichten auf.

Der Primärkern oder der Sekundärkern kann dieses Segment mit wenigstens zwei, zumindest teilweise übereinander angeordneten, magnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Schichten alleine oder in Verbindung mit einem oder mehreren anderen, insbesondere einstückigen, Segmenten aufweisen.

Dank guter magnetischer Eigenschaften magnetischer Schichten wird bei der Erfindung das geschichtete Segment vorteilhaft mit einer höheren Flussdichte ausgenutzt. Abmessungen, wie Durchmesser, der beiden Spulen, d.h. der Primär- und der Sekundärspule, sinken bzw. können geringer gewählt werden. Mit sinkenden Abmessungen bzw. Durchmessern sinken auch die Widerstände. Bei gleicher Querschnittsfläche (Bauvolumen) ermöglicht die Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen induktiven Leistungsübertragern steigende Übertragungswirkungsgrade.

Weiter nutzt die Erfindung in vorteilhafter Weise, dass weichmagnetische Schichten, beispielsweise gebildet durch dünne Bänder, wie bei Ringbandkernen, leistungsfähiger und preisgünstiger als Pulverteile mit entsprechenden Leistungsvermögen sind. Weiterhin bauen sie kompakter oder ermöglichen größere Spulenquerschnitte, wodurch wiederum Verluste sinken.

Weiter erweist sich bei der Erfindung von Vorteil, dass das geschichtete Segment, insbesondere gebildet durch ein dünnes Band, wie bei Ringbandkernen, im Gegensatz zu einstückigen Sinterteilen auch mit geringer radialer Wandstärke einfach herstellbar ist.

Damit kann durch die Erfindung eine hohe Leistungsdichte, insbesondere bei kleinen radialen Abmessungen, und niedrige Verluste im induktiven Leistungsübertrager erreicht werden.

Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass beide Kernteil bzw. Kerne, d.h. der Primärkern und der Sekundärkern, jeweils ein solches Segment mit wenigstens zwei, in der Regel mit mehreren, zumindest teilweise übereinander angeordneten, magnetischen, insbesondere weichmagnetischen Schichten aufweisen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Segment im Wesentlichen ringförmig ausgebildet, wodurch es anschaulich einen geschichteten Ringkern ausbildet. Insbesondere kann hier vorgesehen werden, dass die wenigstens zwei Schichten des im Wesentlichen ringförmig ausgebildeten Segments durch einen im Wesentlichen bandförmigen Körper gebildet werden. In diesem Fall bildet das Segment einen so genannten Ringbandkern aus.

Besonders bevorzugt kann der im wesentlichen bandförmige Körper ein dünnes Band mit vorgebbarer Breite, welche auch variabel sein kann, sein, welches durch radiale Wicklung das geschichtete, im wesentlichen ringförmig ausgebildete Segment, insbesondere den Ringbandkern, ausbildet.

Die Schichten des Segments können derart angeordnet sein, dass sie einerseits vollständig übereinander liegen, wobei in diesem Fall das Segment im Querschnitt eine im Wesentlichen rechteckige und quadratische (Querschnitts-)Form bzw. blockförmige Form aufweist.

Anderseits können die Schichten auch nur teilweise übereinander und/oder versetzt angeordnet sein, wobei sich in diesem Fall im Wesentlichen rautenförmige oder trapezförmige Querschnitte des Segments ausbilden können. Auch Kombinationsquerschnitte des Segments sind bei entsprechender Schichtung vorsehbar.

Sind genannte Schichtungsquerschnitte bei im Wesentlichen ringförmigen Segmenten ausgebildet, so bildet das Segment Körper ähnlich einem Toroid, einer Ronde und/oder einem Rohrabschnitt aus.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die wenigstens zwei Schichten aus einem kristallinen, nanokristallinen oder amorphen Werkstoff, insbesondere einer Eisenlegierung, wie einer Nickel-Eisen-Legierung, hergestellt.

Auch kann bevorzugt vorgesehen werden, dass der Primärkern, insbesondere ausgebildet als Ringkern, die Primärspule, insbesondere ausgebildet als Ringspule, zumindest teilweise umgibt und/oder der Sekundärkern, insbesondere ausgebildet als Ringkern, die Sekundärspule, insbesondere ausgebildet als Ringspule, zumindest teilweise umgibt. Beispielsweise können Ringkerne durch Zusammenfügen mehrerer Segmente umlaufende Nuten ausbilden, in welchen die Ringspulen einlegbar sind.

Besonders bevorzugt weist der Primärkern und/oder der Sekundärkern jeweils mindestens ein bzw. mindestens ein weiteres Segment, insbesondere einstückiges Segment, auf, welches aus einem magnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Werkstoff, insbesondere aus einem Eisenpulver- oder Ferritwerkstoff, besteht und insbesondere meist einstückig hergestellt ist, insbesondere unter Verwendung von einem gesinterten oder kunststoffgebundenen, weichmagnetischen Pulver, wie zum Beispiel Eisenpulverpressteile oder kunststoffgebundene Eisenpulverteile.

Anschaulich gesehen wird hier ein Primär- bzw. Sekundärkern ausgebildet, bei welchem zumindest ein Teil als geschichteter Kern, insbesondere als Ringbandkern, ausgebildet ist, welcher bevorzugt einen Magnetfluss in axialer Richtung führt. Der Primär- bzw. Sekundärkern ist weiter im Übrigen als einstückiges Sinter- und/oder Pressteil ausgebildet, welcher den Magnetfluss in radialer Richtung führt.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung sind der Primärteil und der Sekundärteil relativ zueinander beweglich, insbesondere drehbeweglich, angeordnet, Insbesondere sind hier der Primärteil und der Sekundärteil Bestandteile von Hälfen eines induktiven Kopplers, im speziellen eines Drehübertragers.

Weiter können der Primärteil und der Sekundärteil zueinander koaxial bezüglich einer gemeinsamen Längsachse oder auch bezüglich zweier parallel zueinander verlaufenden Längsachsen sein.

Weiter kann auch bevorzugt vorgesehen sein, dass sich der Primärteil und der Sekundärteil axial und/oder radial überlappen. Damit wird eine induktive Ein- oder Abstrahlung verhindert bzw. vermindert.

Die Anordnung von Primärteil und Sekundärteil kann bevorzugt derart ausgestaltet sein, dass der Primärteil und der Sekundärteil im wesentlichen keine formschlüssige Verbindung aufweisen und/oder derart zueinander angeordnet sind, dass zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil ein Zwischenraum ausgebildet ist, welcher insbesondere im wesentlichen mit Luft gefüllt ist.

Hier erweist sich bei der Erfindung von besonderem Vorteil, dass durch entsprechende Schichtung des Segments, beispielsweise durch entsprechende Wicklung von dünnen Bändern, wie bei Ringbandkernen mit beispielsweise Rondenförmigen Querschnitt, größere Zwischenraumweite, insbesondere Luftspaltweite, zwischen dem Primär- und dem Sekundärteil realisiert werden können und damit der Einfluss von Toleranzen vermindert werden kann.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Primärteil stationär (Stator) und der Sekundärteil beweglich, insbesondere drehbeweglich, (Rotor) angeordnet, wobei insbesondere der bewegliche Sekundärteil mit einem elektrischen Verbraucher, insbesondere einem Stellantrieb, verbunden ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind der Primärteil und der Sekundärteil jeweils Teil eines induktiven Stromkreises, wobei insbesondere das Primärteil Teil eines Primärkreises des induktiven Stromkreises und das Sekundärteil Teil eines Sekundärkreises des induktiven Stromkreises sind. Unter Verwendung des Primärteils und des Sekundärteils wird hier dann eine (induktive) Verbindung zwischen dem Primärkreis und dem Sekundärkreis hergestellt.

Im Allgemeinen kann über eine solche Verbindung induktiv Leistung, insbesondere elektrische Energie, Daten, Nachrichten oder andere elektrische Impulse oder Signale, übertragen werden.

In bevorzugter Anwendung kann hier weiter vorgesehen sein, dass in dem Primärkreis eine Wechselspannungsquelle bzw. ein Steuergerät und/oder in dem Sekundärkreis ein elektrischer Verbraucher bzw. ein zu steuerndes Gerät angeordnet ist, wobei dann der elektrische Verbraucher, beispielsweise ein Stellantrieb, bzw. das zu steuernde Gerät unter Verwendung des Primär- und des Sekundärteils mit elektrischer Energie bzw. Steuersignalen versorgt wird.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung bilden der Primärteil und der Sekundärteil jeweils eine Hälfte eines induktiven Übertragers, insbesondere eines Drehübertragers, aus, wobei insbesondere das geschichtete Segment, beispielsweise ein Ringbandkern, an einer radial inneren Mantelfläche des, insbesondere ringförmig ausgebildeten, induktiven Übertragers angeordnet ist.

Das geschichtete Segment bildet zusammen mit dem einstückigen Segment dabei zumindest zum Teil des Kerns einer Übertragerhälfte aus.

Für dieses einstückige Segment, beispielsweise einen Ringkern, können weitere weichmagnetische Werkstoffe, vorzugsweise gesinterte oder kunststoffgebundene weichmagnetische Pulver, wie bei Eisenpulverpressteilen oder kunststoffgebundenen Eisenpulverteilen, eingesetzt werden.

Bevorzugt kann das geschichtete Segment bzw. der Ringbandkern einen Magnetfluss in axialer Richtung führen; die Magnetflussführung in radialer Richtung erfolgt vorzugsweise durch das einstückige Segment.

Besonders bei radial flachen Querschnitten von Übertragerhälften, in denen radiale Wegstrecken des Magnetflusses überwiegen, sind pulvergefüllte Spritzgussteile trotz relativ niedriger magnetischer Leitwerte einsetzbar.

Vorteilhaft werden hier die geschichteten Segmente bzw. die Ringbandkerne bereits in eine Spritzgussform eingelegt und der gefüllte Kunststoff angespritzt. So können beispielsweise ringförmige Übertragerhälften mit zwei- oder mehrteiligen Kernen mit L-förmigen Querschnitten ausgebildet werden.

Zur Stabilisierung des hochgefüllten Kunststoffes kann zusätzlich eine Schale, vorzugsweise ein umgeformtes Edelstahl- oder Aluminiumblech, mit in die Vergussform eingelegt werden. Nachdem die zugehörige Primär- bzw. Sekundärspule montiert wurde, wird die gesamte Übertragerhälfte, beispielsweise Drehübertragerhälfte, mit einem Harz, welches zusätzlich eine mechanische Festigkeit der Baugruppe erhöht, imprägniert.

Ausgestaltungsgemäß ist damit in einem magnetischen Kreis des Drehübertragers mindestens ein geschichtetes Segment, insbesondere ein Ringbandkern, angeordnet, wobei die Schichten insbesondere aus einem oder mehreren dünnen, weichmagnetischen Bändern aus kristallinen, nanokristallinen oder amorphen weichmagnetischen Werkstoffen, vorzugsweise Eisenlegierungen, gebildet werden.

Der erfindungsgemäße Drehübertrager, insbesondere angeordnet in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Drehübertrager ein erstes und ein zweites Kopplerelement sowie eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur induktiven Leistungsübertragung oder eine Weiterbildung davon aufweist, wobei der Primärteil mit dem ersten Kopplerelement verbunden und das Sekundärteil mit dem zweiten Kopplerelement verbunden ist, wobei das erste und das zweite Kopplerelement relativ zueinander beweglich sind.

Bevorzugt ist der Drehübertrager in einem Stromkreis mit einer Stromversorgung bzw. einem Steuergerät und einem elektrischen Verbraucher bzw. einem zu steuernden Gerät angeordnet. Der elektrische Verbraucher oder das zu steuernde Gerät wird dabei bevorzugt unter Verwendung des Drehübertragers von der Stromversorgung mit elektrischer Energie oder von dem Steuergerät mit Steuersignalen versorgt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur induktiven Leistungsübertragung weist die Vorrichtung ein Primärteil mit einer Primärspule und einem Primärkernteil, kurz Primärkern, sowie ein Sekundärteil mit einer Sekundärspule und einem Sekundärkernteil, kurz Sekundärkern, auf.

Der Primärkern oder der Sekundärkern weist zumindest ein Segment mit wenigstens zwei, zumindest teilweise übereinander angeordneten, magnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Schichten auf.

Der Primärkern oder der Sekundärkern kann dieses Segment mit wenigstens zwei, zumindest teilweise übereinander angeordneten, magnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Schichten alleine oder in Verbindung mit einem oder mehreren anderen Segmenten ausweisen.

Der Primärkern und die Primärspule werden zu dem Primärteil zusammengesetzt; der Sekundärkern und die Sekundärspule werden zu dem Sekundärteil zusammengesetzt. Das Primärteil und das Sekundärteil werden zur induktiven Leistungsübertragung einander zugeordnet angeordnet.

Bevorzugt wird nach dem Zusammensetzen des Primär- und/oder des Sekundärteils dieses mit einer Schicht überzogen, insbesondere imprägniert, beispielsweise mit einem Harz, wodurch zusätzlich eine mechanische Festigkeit des Teils erhöht wird.

Besonders bevorzugt kann vorgesehen werden, dass das eine Segment mit den wenigstens zwei, insbesondere mehreren, zumindest teilweise übereinander angeordneten, magnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Schichten mit dem mindestens einem anderen, insbesondere einstückigen, Segment, insbesondere einem Ferritkern, einem Eisenpulverpressteil oder einem kunststoffgebundenen Eisenpulverteil, verbunden wird.

Bevorzugt wird das eine Segment mit den wenigstens zwei, insbesondere mehreren, zumindest teilweise übereinander angeordneten, magnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Schichten mit mehreren, fertigungstechnisch optimierten und/oder leistungsoptimierten Segmente verbunden. Dadurch kann die Herstellbarkeit der Kerne, insbesondere bei Wärmeprozessen, weiter verbessert und damit Kosten gesenkt werden.

Die Verbindung des einen Segments mit den wenigstens zwei, insbesondere mehreren, zumindest teilweise übereinander angeordneten, magnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Schichten mit dem mindestens einen einstückigen Segment kann durch einen Fü geprozess, insbesondere durch Reibschweißen mit einem Pulverring, welcher das mindestens eine einstückige Segment ausbildet, erfolgen.

Auch kann die Verbindung des einen Segments mit den wenigstens zwei, insbesondere mehreren, zumindest teilweise übereinander angeordneten, magnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Schichten mit dem mindestens einen einstückigen Segment durch Spritzgießen, bei welchem insbesondere ein gefüllter Kunststoff, welcher das mindestens eine einstückige Segment ausbildet, an das eine Segment angespritzt wird, erfolgen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das eine Segment mit den wenigstens zwei, insbesondere mehreren, zumindest teilweise übereinander angeordneten, magnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Schichten durch Wicklung eines Bandes ausgebildet.

Die Wicklung kann schräg ausgeführt werden, wobei sich im Wesentlichen ein Rondenförmiger Segmentquerschnitt ausbildet; auch kann die Wicklung gerade erfolgen, wobei sich im Wesentlichen blockförmige oder trapezförmige Segmentquerschnitte ausbilden.

Im Folgenden werden beispielhafte Gestaltungen der Erfindung anhand der Fig. erläutert, wodurch die Erfindung nicht beschränkt werden soll. Es zeigt:
1 eine erste, beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen induktiven Leistungsübertragers, eines Drehübertragers 100, mit L-förmigen Kernen mit blockförmig gewickelten Ringbandkernen;
2 eine zweite, beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen induktiven Leistungsübertragers, eines Drehübertragers 200, mit im Wesentlichen L-förmigen Kernen mit schräg gewickelten Ringbandkernen;
3 eine dritte, beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen induktiven Leistungsübertragers, eines Drehübertragers 300, mit segmentiertem, annähernd U-förmigen Primärkern und mit einem Sekundärringbandkern mit im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt.
4 einen konventionellen induktiven Leistungsübertrager, einen Drehübertrager 400.
1 zeigt eine erste, beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen induktiven Leistungsübertragers, eines Drehübertragers 100, mit im Querschnitt L-förmigen Kernen 111, 121 mit blockförmig gewickelten Ringbandkernen 116, 126.
Dieser erste, beispielhafte Drehübertrager 100 weist zwei ringförmig ausgebildete Hälfen 110 und 120, einen Primärteil 110 und einen Sekundärteil 120, auf, welche um eine gemeinsame Achse 101 relativ zueinander verdrehbar und bezüglich dieser gemeinsamen Achse 101 koaxial zueinander angeordnet sind.
Die beiden Hälften 110 und 120 sind weiter so angeordnet, dass zwischen ihnen ein Luftspalt 102 ausgebildet ist.
Die eine ringförmig ausgebildete Hälfte 110, das Primärteil 110, weist einen im wesentlichen ebenfalls ringförmigen, im Querschnitt L-förmigen Primärkernteil 111, kurz Primärkern 111, auf.
Dieser setzt sich wie 1 zeigt zusammen aus einem blockförmigen primären Ringbandkern 116, welcher den Magnetfluss im wesentlichen in axialer Richtung führt, und einem blockförmigen primären Ringkern bzw. gepressten Eisenpulverring 115, welcher den Magnetfluss im wesentlichen in radialer Richtung führt.
Dieser im magnetischen Kreis des Drehübertragers 100 angeordnete primäre Ringbandkern 116 besteht aus einem dünnen weichmagnetischen, blockförmig gewickeltem Band 117 aus einem kristallinen, nanokristallinen oder amorphen weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere einer Eisenlegierung, welches – wie 1 zeigt dünne Schichten 118 ausbildet.
Der blockförmige primäre Ringkern 115 besteht aus einem gepressten Eisenpulver und bildet nach einem Sinterprozess einen einstückigen Ring 115 aus. Dadurch kann die höhere Sättigungsflussdichte des Ringbandkerns 116 genutzt werden.
In den im Querschnitt L-förmigen Primärkern 111 ist eine Spule 112, eine Primärspule 112 den im Querschnitt L-förmigen Primärkern 111 an zwei Flächen berührend eingesetzt.
Die zweite ringförmig ausgebildete Hälfte 120, das Sekundärteil 120, ist als entsprechendes Gegenstück zum Primärteil 110, welcher das Sekundärteil 120 radial und axial überlappt, entsprechend ausgebildet. Das Sekundärteil 120 weist auch einen im Wesentlichen ringförmigen, im Querschnitt L-förmigen Sekundärkernteil 121, kurz Sekundärkern 121, auf. Dieser setzt sich zusammen aus einem blockförmigen bzw. blockförmig gewickelten (127, 128) sekundären Ringbandkern 126 und einem blockförmigen sekundären Ringkern 125 mit jeweils entsprechenden Werkstoffen. Auch hier ist in den Sekundärkern 121 eine Spule 122, eine Sekundärspule 122, entsprechend 1 eingesetzt.
Die beiden Drehübertragerhälften 110 und 120 bzw. die beiden Kerne 111 und 121 sind so zueinander ausgerichtet, dass die Spulen 112 und 122 radial gegenüberliegen und sich die Drehübertragerhälften 110 und 120 radial und axial überlappen.
Durch die Ausbildung des Primärkerns 110 bzw. des Sekundärkerns 120 durch den Ringbandkern 116 bzw. 126 verbunden mit dem blockförmigen Eisenpulverring 115 bzw. 125 bzw. Ringkern 115 bzw. 125 vereinfacht sich bei der Herstellung des ausführungsgemäßen Drehübertragers 100 das Presswerkzeug und auch die Wärmebehandlung.
Werden, wie gemäß vorliegender Ausführung, die Ringbandkerne 116 bzw. 126 durch einen Fügeprozess, beispielsweise durch Reibschweißen, mit dem Pulverring, welcher nach einer Wärmebehandlung den Ringkern 115 bzw. 125 ausbildet, verbunden, so entfällt der Schleifprozess.
Alternativ können anstelle von den gepressten Eisenpulverringen 115 und 125 gemäß erster beispielhafter Ausführung kunststoffgebundene Eisenpulverteile 115, 125 zur Führung des magnetischen Flusses in radialer Richtung eingesetzt werden.
Besonders bei radial flachen Querschnitten, in denen axiale Wegstrecken des Magnetflusses überwiegen, sind pulvergefüllte Spritzgussteile trotz der relativ niedrigen magnetischen Leitwerten einsetzbar.
Die Ringbandkerne 116, 126 werden dann bereits in die Spritzgussform eingelegt und der gefüllte Kunststoff angespritzt. Es entstehen so die Hälften 110 bzw. 120 (primär/sekundär) mit L-förmigem Querschnitt.
Zur Stabilisierung des hochgefüllten Kunststoffes wird zusätzlich eine Schale (nicht dargestellt), vorzugsweise ein umgeformtes Edelstahl- oder Aluminiumblech, mit in die Vergussform eingelegt.
Nachdem die zugehörige Spule 112, 122 (primär/sekundär) eingesetzt bzw. montiert wurde, wird die gesamte Drehübertragerhälfte 110, 120 mit einem Harz imprägniert, das zusätzlich die mechanische Festigkeit der Baugruppe erhöht.
2 zeigt eine zweite, beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen induktiven Leistungsübertragers, eines Drehübertragers 200, mit im Wesentlichen L-förmigen Kernen 211, 221 mit schräg gewickelten Ringbandkernen 216, 226.
Dieser zweite beispielhafte Drehübertrager 200 entspricht in seinen Bauteilen und deren Anordnung im Wesentlichen dem obig beschriebenen ersten, beispielhaften Drehübertrager 100, was durch die letzten beiden Ziffern der jeweiligen Bezugszeichen verdeutlicht ist. Allerdings sind bei diesem Drehübertrager die Ringkerne 215, 225 aus Ferritwerkstoff gefertigt.
Wie 2 weiter deutlich zeigt, sind im Unterschied zum ersten, beispielhaften Drehübertrager 100 bei dem zweiten, beispielhaftem Drehübertrager 200 die Ringbandkerne 216, 226 schräg aufgewickelt (217, 218 und 227, 228). Sie erhalten somit einen Rondenförmigen Querschnitt, wodurch in den radialen Flussleitbereichen durch eine Querschnittsvergrößerung die Flussdichte gegenüber der Flussdichte in den Ringbandkernen 216, 226 vermindert ist.
Auch die Querschnittsfläche des Luftspalts 202 ist hierdurch deutlich vergrößert. Bei gleichem magnetischem Widerstand kann eine größere Luftspaltweite realisiert und damit der Einfluss von Toleranzen vermindert werden.
3 zeigt eine dritte, beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen induktiven Leistungsübertragers, eines Drehübertragers 300 (Primärteil 310, Sekundärteil 320), mit segmentiertem, annähernd U-förmigem Primärkern 311 bzw. 315 und mit einem Sekundärringbandkern 322, 326 mit im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt.
Auch dieser dritte beispielhafte Drehübertrager 300 entspricht in mehreren seinen Bauteilen, deren Anordnung und deren Werkstoffe sowie dessen Herstellung im Wesentlichen dem obig beschriebenen ersten, beispielhaften Drehübertrager 100, was durch die letzten beiden Ziffern der jeweiligen Bezugszeichen verdeutlicht ist.
Um die Herstellbarkeit der Kerne, insbesondere bei Wärmeprozessen, weiter zu verbessern und damit Kosten zu senken, ist hier der Primärteil 310 des Kerns bzw. der Primärkern 311, 315, vorzugsweise durch mehrere fertigungstechnisch optimierte und leistungsoptimierte Segmente 317a bis f zusammengesetzt.
Die Sekundärspule 322 bzw. die sekundäre Ringspule 322 ist auf dem Sekundärkern 321, einem Ringbandkern 326, befestigt. Dieser hält sie stabil und durch diesen kann sie die Verlustwärme ableiten.
Ausführungsgemäß wird hier, wie 3 zeigt, der Ringbandkern 326 mit trapezförmigem Querschnitt eingesetzt. Hierbei wird die Bandbreite beim Aufwickeln (327, 328) kontinuierlich vermindert, beispielsweise durch einen Schneidlaser.
Der höhere Aufwand bei der Herstellung des Ringbandkernes 326 wird durch eine größere Luftspalttoleranz und niedrigeren Verlusten in den stationären Kernteilen gerechtfertigt.
Mit diesen ausführungsgemäßen Bauformvarianten von erfindungsgemäßen Drehübertragern 100, 200 und 300 sind nur einige vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung in nicht beschränkender Weise dargestellt, bei welchen erfindungsgemäßen, dargestellten Ausführungsformen in vorteilhafter Weise Ringbandkerne mit weichmagnetischen Körpern auf Basis von Pulvertechnologien eingesetzt bzw. kombiniert sind bzw. werden.
Die verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungsformen zusammenfassend ist – gemäß diesen Ausführungsformen – im magnetischen Kreis des Drehübertragers mindestens ein Ringbandkern angeordnet. Dieser Ringbandkern besteht aus dünnen weichmagnetischen Bändern aus kristallinen, nanokristallinen oder amorphen weichmagnetischen Werkstoffen, insbesondere Eisenlegierungen. Der Ringbangkern, welcher vorzugsweise an der radial inneren Mantelfläche des ringförmigen Drehübertragers eingesetzt ist, führt den Magnetfluss vorwiegend in axialer Richtung. Für die Flussführung in radialer Richtung werden weitere weichmagnetische Werkstoffe, vorzugsweise gesinterte oder kunststoffgebundene weichmagnetische Pulver, vorzugsweise auch in Form von – nicht geschichteten – Ringkernen, eingesetzt.
Dank der guten magnetischen Eigenschaften dünner Bänder wird der Ringbandkern vorteilhaft mit einer höheren Flussdichte ausgenutzt. Der Durchmesser der beiden Übertragerspulen (primär/sekundär) sinkt und mit dem Umfang auch der Widerstand. Höhere Wirkungsgrade sind dadurch realisierbar.
Erfindungsgemäß verwendete weichmagnetische Bänder sind leistungsfähiger und preisgünstiger als Pulverteile mit entsprechendem Leistungsvermögen. Weiterhin bauen sie kompakter oder ermöglichen größere Spulenquerschnitte, wodurch wiederum die Verluste sinken. Ringbandkerne lassen sich im Gegensatz zu Sinterteilen auch mit geringerer radialer Wandstärke einfach herstellen. Erfindungsgemäß wird somit eine kostengünstige Realisierung von ringförmig ausgebildeten induktiven Übertragern, welche trotz größerer Abmessungen verlustarm sind, möglich.

100: Drehübertrager
101: gemeinsame Drehachse
102: Luftspalt
110: primäre Drehübertragerhälfte, Primärteil
111: Primärkern (L-förmig)
112: Primärspule
115: Ringkern
116: Ringbandkern (blockförmig gewickelt)
117: Band für Ringbandkern
118: Schichten des gewickelten Bandes
120: sekundäre Drehübertragerhälfte, Sekundärteil
121: Sekundärkern (L-förmig)
122: Sekundärspule
125: Ringkern
126: Ringbandkern (blockförmig gewickelt)
127: Band für Ringbandkern
128: Schichten des gewickelten Bandes
200: Drehübertrager
201: gemeinsame Drehachse
202: Luftspalt
210: primäre Drehübertragerhälfte, Primärteil
211: Primärkern (L-förmig)
212: Primärspule
215: Ringkern
216: Ringbandkern (schräg gewickelt)
217: Band für Ringbandkern
218: Schichten des gewickelten Bandes
220: sekundäre Drehübertragerhälfte, Sekundärteil
221: Sekundärkern (L-förmig)
222: Sekundärspule
225: Ringkern
226: Ringbandkern (schräg gewickelt)
227: Band für Ringbandkern
228: Schichten des gewickelten Bandes
300: Drehübertrager
301: gemeinsame Drehachse
302: Luftspalt
310: primäre Drehübertragerhälfte, Primärteil
311: segmentierter Primärkern
312: Primärspule
315: segmentierter Ringkern
317a bis f: Segmente des segmentierten Primär-/Ringkerns
320: sekundäre Drehübertragerhälfte, Sekundärteil
321: Sekundärkern
322: Sekundärspule
326: Ringbandkern (trapezförmig gewickelt)
327: Band für Ringbandkern
328: Schichten des gewickelten Bandes
400: konventioneller Drehübertrager
401: gemeinsame Drehachse
402: Luftspalt
410: primäre Drehübertragerhälfte, Primärteil
411: Primärkern (U-förmig)
412: Primärspule
413: umlaufende Nut zur Aufnahme der Primärspule
420: sekundäre Drehübertragerhälfte, Sekundärteil
421: Sekundärkern (U-förmig)
422: Sekundärspule
423: umlaufende Nut zur Aufnahme der Sekundärspule

Claims

Vorrichtung zur induktiven Leistungsübertragung, insbesondere für einen Drehübertrager, wobei die Vorrichtung aufweist: – einen Primärteil und einen Sekundärteil, welche zur induktiven Leistungsübertragung einander zugeordnet angeordnet sind; – wobei das Primärteil eine Primärspule und einen Primärkern aufweist sowie das Sekundärteil eine Sekundärspule und einen Sekundärkern aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Primärkern oder der Sekundärkern ein Segment mit wenigstens zwei, zumindest teilweise übereinander angeordneten, magnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Schichten aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkern und der Sekundärkern jeweils ein Segment mit wenigstens zwei, zumindest teilweise übereinander angeordneten, magnetischen, insbesondere weichmagnetischen Schichten aufweisen.
Vorrichtung nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Segment im wesentlichen ringförmig ausgebildet ist, wobei insbesondere die wenigstens zwei Schichten des im wesentlichen ringförmig ausgebildeten Segments durch einen im wesentlichen bandförmigen Körper, insbesondere ein gewickeltes Band, gebildet werden und/oder die wenigstens zwei Schichten des im wesentlichen ringförmig ausgebildeten Segments radial geschichtet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im Wesentlichen ringförmige Segment einen Ringbandkern ausbildet.
Vorrichtung nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im Wesentlichen ringförmige Segment ähnlich einem Toroid, einer Ronde und/oder einem Rohrabschnitt ausgebildet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Schichten aus einem kristallinen, nanokristallinen oder amorphen Werkstoff, insbesondere einer Eisenlegierung, wie einer Nickel-Eisen-Legierung, hergestellt sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkern, insbesondere ausgebildet als Ringkern, die Primärspule, insbesondere ausgebildet als Ringspule, zumindest teilweise umgibt und/oder der Sekundärkern, insbesondere ausgebildet als Ringkern, die Sekundärspule, insbesondere ausgebildet als Ringspule, zumindest teilweise umgibt.
Vorrichtung nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkern und/oder der Sekundärkern jeweils mindestens ein bzw. mindestens ein weiteres Segment, insbesondere einstückiges Segment, aufweist, welches aus einem magnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Wersstoff, insbesondere aus einem Ferritwerkstoff, hergestellt ist, insbesondere unter Verwendung von einem gesinterten oder kunststoffgebundenen, weichmagnetischen Pulver.
Vorrichtung nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärteil und der Sekundärteil relativ zueinander beweglich, insbesondere drehbeweglich, angeordnet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärteil und der Sekundärteil zueinander koaxial bezüglich einer gemeinsamen Längsachse angeordnet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Primärteil und der Sekundärteil axial und/oder radial überlappen.
Vorrichtung nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärteil und der Sekundärteil derart zueinander angeordnet sind, dass zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil ein Zwischenraum ausgebildet ist, welcher insbesondere im wesentlichen mit Luft gefüllt ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärteil stationär und der Sekundärteil beweglich, insbesondere drehbeweglich, angeordnet ist, wobei insbesondere der bewegliche Sekundärteil mit einem elektrischen Verbraucher, insbesondere einem Stellantrieb, verbunden ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärteil und der Sekundärteil jeweils ein Teil eines induktiven Stromkreises sind, wobei insbesondere das Primärteil Teil eines Primärkreises des induktiven Stromkreises und das Sekundärteil Teil eines Sekundärkreises des induktiven Stromkreises sind und/oder wobei insbesondere unter Verwendung des Primärteils und des Sekundärteils eine Verbindung zwischen dem Primärkreis und dem Sekundärkreis hergestellt wird und/oder wobei insbesondere in dem Primärkreis eine Wechselspannungsquelle und/oder in dem Sekundärkreis ein elektrischer Verbraucher angeordnet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärteil und der Sekundärteil jeweils eine Hälfte eines induktiven Übertragers, insbesondere eines Drehübertragers, mitausbilden, wobei insbesondere das Segment an einer radial inneren Mantelfläche des, insbesondere ringförmig ausgebildeten, induktiven Übertragers angeordnet ist.
Drehübertrager, insbesondere angeordnet in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehübertrager ein erstes und ein zweites Kopplerelement sowie eine Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Vorrichtungsansprüche aufweist, wobei der Primärteil mit dem ersten Kopplerelement verbunden und das Sekundärteil mit dem zweiten Kopplerelement verbunden ist, wobei das erste und das zweite Kopplerelement relativ zueinander beweglich sind.
Drehübertrager nach dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehübertrager in einem Stromkreis mit einer Stromversorgung oder einem Steuergerät und einem elektrischen Verbraucher oder einem zu steuernden Gerät angeordnet ist, und der elektrische Verbraucher oder das zu steuernde Gerät unter Verwendung des Drehübertragers von der Stromversorgung mit elektrischer Energie oder von dem Steuergerät mit Steuersignalen versorgt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur induktiven Leistungsübertragung nach mindestens einem der voranstehenden Vorrichtungsansprüche, welche Vorrichtung ein Primärteil mit einer Primärspule und einem Primärkern sowie ein Sekundärteil mit einer Sekundärspule und einem Sekundärkern aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass: – der Primärkern oder der Sekundärkern zumindest ein Segment mit wenigstens zwei, zumindest teilweise übereinander angeordneten, magnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Schichten aufweist, – der Primärkern und die Primärspule zu dem Primärteil zusammengesetzt wird, – der Sekundärkern und die Sekundärspule zu dem Sekundärteil zusammengesetzt wird, – das Primärteil und das Sekundärteil zur induktiven Leistungsübertragung einander zugeordnet angeordnet werden.
Verfahren nach dem voranstehenden Verfahrensanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Segment mit den wenigstens zwei, insbesondere mehreren, zumindest teilweise übereinander angeordneten, magnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Schichten mit mindestens einem weiteren, insbesondere einstückigen, Segment, insbesondere einem Ferritkern, einem Eisenpulverpressteil oder einem kunststoffgebundenen Eisenpulverteil, verbunden wird.
Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des einen Segments mit den wenigstens zwei, insbesondere mehreren, zumindest teilweise übereinander angeordneten, magnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Schichten mit dem mindestens einen weiteren, insbesondere einstückigen, Segment durch einen Fügeprozess, insbesondere durch Reibschweißen mit einem Pulverring, welcher das mindestens eine weitere, insbesondere einstückige, Segment ausbildet, erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des einen Segments mit den wenigstens zwei, insbesondere mehreren, zumindest teilweise übereinander angeordneten, magnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Schichten mit dem mindestens einen weiteren, insbesondere einstückigen, Segment durch Spritzgießen, bei welchem insbesonde re ein gefüllter Kunststoff, welcher das mindestens eine weitere, insbesondere einstückige, Segment ausbildet, an das eine Segment angespritzt wird, erfolgt.
Verfahren nach dem voranstehenden Verfahrensanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Segment mit den wenigstens zwei, insbesondere mehreren, zumindest teilweise übereinander angeordneten, magnetischen, insbesondere weichmagnetischen, Schichten durch Wicklung eines, insbesondere dünnen, Bandes ausgebildet wird.