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Die Erfindung betrifft einen Drehübertrager zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie.
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Es ist allgemein bekannt, dass mittels eines Transformators, umfassend eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung, eine kontaktlose Übertragung elektrischer Energie ausführbar ist.
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Unter Drehübertrager wird eine Anordnung verstanden, die zwei relativ zueinander drehbar angeordnete Drehübertragerteile aufweist, wobei von einem ersten zu dem anderen der Drehübertragerteile Energie mittels induktiver Kopplung, also nach Art eines Transformators, übertragen wird. Eines der Drehübertragerteile darf dabei auch stationär, also nicht drehend relativ zur Umgebung hin, angeordnet sein. Der Drehübertrager dient also zur rotativen Übertagung elektrischer Energie.
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Aus der
JP H06 - 163 274 A ist ein zylindrischer Drehübertrager bekannt, der keine elektronischen Bauelemente aufweist.
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Aus der
DE 694 16 473 T2 ist eine Vorrichtung zur Übertragung von elektrischen Leistungssignalen zu einem rotierenden System bekannt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Drehübertrager zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie weiterzubilden, wobei eine mechanisch stabile und kompakte Ausführung erreicht werden soll.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Drehübertrager zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Drehübertrager zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie sind, dass der Drehübertrager ein erstes Drehübertragerteil aufweist und ein zweites Drehübertragerteil, welches relativ zum ersten Drehübertragerteil drehbar angeordnet ist,
wobei der erste Drehübertragerteil eine Primärwicklung aufweist und der zweite Drehübertragerteil eine Spule, umfassend Sekundärwicklungen und Spulenkern, insbesondere Ferritkern,
wobei jede Sekundärwicklung als Ringwicklung ausgeführt ist, wobei jede Sekundärwicklung induktiv an die Primärwicklung gekoppelt ist,
wobei der zweite Drehübertragerteil ein mechanisches Stützteil aufweist, das als Ringsteg ausgeführt ist, das auf größerem Radialabstand angeordnet ist als die Spule,
wobei die Spule jeweils derart radial innerhalb des mechanischen Stützteils angeordnet ist, dass an der Spule einwirkende Fliehkraft an das mechanische Stützteil abgeleitet wird,
indem an den Sekundärwicklungen einwirkende Fliehkraft über den Spulenkern an das mechanische Stützteil abgeleitet wird,
wobei radial außerhalb des mechanischen Stützteils eine elektronische Schaltung angeordnet ist.
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Von Vorteil ist dabei, dass ein mechanisch stabiler Betrieb des Drehübertragers erreichbar ist, da Unwucht vermeidbar und Massenverteilung gleichförmig ausführbar ist. Der Spulenkern der Spule ist als ringförmiger Ferritkern ausführbar, wobei dieser Ferritkern einen U-förmigen Querschnitt aufweist, wenn der Querschnitt an einer Umfangswinkelposition angeordnet ist. Durch die mehreren voneinander unabhängig betriebenen Sekundärwicklungen ist eine Parallelschaltung der in ihnen induzierten und dann gleichgerichteten Spannungen ermöglicht.
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Von Vorteil ist dabei, dass die Fliehkräfte abgeleitet werden von den Sekundärwicklungen an das Aufnahmeteil, insbesondere den als mechanisches Stützteil ausgeführten Ringsteg. Somit sind die weiter außen angeordneten elektronischen Bauelemente geschützt vor der mechanischen Belastung, welche von den Sekundärwicklungen ausgehen würde, wenn diese die Bauelemente berühren würden. Außerdem ist eine elektromagnetische Abschirmwirkung mittels des Ringstegs erzielbar, so dass die Bauelemente vom Magnetfeld abgeschirmt sind und die elektronische Schaltung ungestört arbeitet. Das spezifische Gewicht der elektronischen Bauelemente ist deutlich geringer als das spezifische Gewicht der Sekundärwicklungen, da diese aus im Wesentlichen Kupfer bestehen. Somit ist auch das Trägheitsmoment möglichst klein haltbar. Die Bauelemente sind darüber hinaus entwärmbar mittels eines radial außen anordenbaren Kühlkörpers.
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Erfindungsgemäß ist jede der Sekundärwicklungen mittels einer jeweiligen Anschlussleitung mit der elektronischen Schaltung verbunden,
insbesondere wobei die Anschlussleitungen, insbesondere die jeweils ersten Anschlussleitungen, der Sekundärwicklungen in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet sind,
insbesondere wobei die Sekundärwicklungen, insbesondere samt ihrer Anschlussleitungen, einen derartigen Versatz in Umfangsrichtung zueinander aufweisen, dass die Anordnung der Sekundärwicklungen, insbesondere samt ihrer Anschlussleitungen, eine rotationssymmetrische Anordnung bilden, insbesondere eine diskret rotationssymmetrische Anordnung. Von Vorteil ist dabei, dass die Anschlussleitungen in Umfangsrichtung gleichverteilt anordenbar sind und somit keine Unwucht erzeugt wird. Insbesondere ist die Massenverteilung mit möglichst wenig Anteilen hoher Momente der Verteilung ausführbar. Vorzugsweise ist eine diskret rotationssymmetrische Verteilung ausführbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das mechanische Stützteil als Abschnitt eines Aufnahmeteils ausgeführt,
insbesondere wobei das Aufnahmeteil einen Grundkörper aufweist, an dem der Abschnitt axial hervorragt,
insbesondere wobei Aufnahmeteil und Abschnitt einteilig und/oder einstückig ausgeführt sind, insbesondere aus Aluminium. Von Vorteil ist dabei, dass die Fliehkräfte direkt einleitbar sind von der Spule, insbesondere von den Sekundärwicklungen über den Spulenkern, ins Aufnahmeteil. Dieses ist aus einem stabilen scheibenartigen Grundkörper herstellbar, wobei die Scheibenachse der Drehachse entspricht. Axial hervorragend ist der Ringsteg ausprägbar so dass die Aufnahme der Fliehkräfte von den Sekundärwicklungen in einfacher Weise ermöglicht ist.
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Erfindungsgemäß weist die elektronische Schaltung ein Verschaltungsteil auf, welches mit elektronischen Bauelementen von Gleichrichtern bestückt ist, und Kondensatoren. Von Vorteil ist dabei, dass die Verschaltung radial zwischen dem Kühlkörper und dem Ringsteg anordenbar ist.
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Erfindungsgemäß ist der Kondensator als ringförmiges Bauteil ausgeführt und aus mehreren Kondensatoren zusammengesetzt, wobei die Kondensatoren in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sind auf demselben Radialabstand und in Umfangsrichtung regelmäßig voneinander beabstandet. Von Vorteil ist dabei, dass die Kondensatoren ringsegmentförmig ausführbar sind und somit in einem ringförmigen Aufnahmebereich anordenbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Gleichrichter in Umfangsrichtung hintereinander, insbesondere als jeweilige Segmente, angeordnet, insbesondere auf demselben Radialabstand, insbesondere in Umfangsrichtung regelmäßig voneinander beabstandet. Von Vorteil ist dabei, dass die elektronischen Baugruppen, welche die Gleichrichter umfassen als ringabschnittförmige Segmente ausführbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Bauelemente auf der von den Sekundärwicklungen radial abgewandten und/oder auf der radial äußeren Seite des Verschaltungsteils angeordnet und berühren einen die elektronische Schaltung radial außen umgebenden Kühlkörper und/oder drücken auf ihn infolge Fliehkrafteinwirkung. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache und effektive Entwärmung ausführbar ist und die Bauteile im Betrieb in ihrer Lage stabilisiert werden
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kondensatoren und Gleichrichter oder Bauelemente ringsegmentförmig ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass eine kompakte Anordnung ausführbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kühlkörper als ringförmiger Abschnitt, insbesondere Ringsteg, am Aufnahmeteil ausgebildet,
wobei Bauelemente den Kühlkörper zur Wärmeableitung berühren und/oder auf die Bauelemente wirkende Fliehkraft abgeleitet wird in den Kühlkörper. Von Vorteil ist dabei, dass der Kühlkörper als Ringsteg am Aufnahmeteil ausführbar ist und somit von den Bauelementen eingeleitete einerseits Wärme und andererseits Kräfte ableitet.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die an einer jeweiligen Sekundärwicklung induzierte Spannung einem der Gleichrichter zugeführt, wobei der Gleichrichter Überspannungsschutzmittel aufweist, insbesondere Überspannungsschutzdioden,
wobei die gleichgerichtete ausgangsseitige Spannung, also die ausgangsseitige Spannung des Gleichrichters, einem der Kondensatoren zugeführt wird. Parallel zum Kondensator ist eine ringförmige Kette von Überspannungsschutzdioden angeordnet, welche die Gleichrichterdioden vor Überspannungen schützt. Von Vorteil ist dabei, dass eine überspannungsgeschützte Gleichrichtung ausgeführt ist auf dem drehenden Teil. Statt der Dioden sind auch Varistoren verwendbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Verschaltungsteil ringsegmentförmige Leiterbahnen auf, mit welcher Bauelemente und/oder ein Kondensator und/oder eine der Sekundärwicklungen elektrisch verbunden, insbesondere lötverbunden, ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein einfacher und kostengünstiger Aufbau des Verschaltungsteils ausführbar ist.
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Erfindungsgemäß ist das zweite Drehübertragerteil drehbar gelagert relativ zum ersten Drehübertragerteil. Von Vorteil ist dabei, dass eine Übertragung ans drehende Teil ermöglicht ist, ohne dass Schleifkontakte oder andere verschleißbehaftete Mittel verwendet werden müssen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Primärwicklung als Ringwicklung ausgeführt und ist in einer ringförmigen Vertiefung eines Aufnahmeteils des ersten Drehübertragerteils aufgenommen, wobei der von der Primärwicklung überdeckte Radialabstandsbereich und der von den Sekundärwicklungen überdeckte Radialabstandsbereich zumindest überlappt, insbesondere oder eine nicht leere Schnittmenge aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Sekundärwicklungen jeweils als Ringwicklung ausgeführt und sind in einer ringförmigen Vertiefung des Aufnahmeteils des zweiten Drehübertragerteils aufgenommen. Von Vorteil ist dabei, dass wiederum eine einfache Herstellung ausführbar ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
- In der 1 ist eine Anordnung zur berührungslosen, insbesondere induktiven, Übertragung elektrischer Leistung von einem stationären Teil der Anordnung zu einem gegenüber dem stationären relativ drehbaren Teil der Anordnung gezeigt. Hierbei ist die Darstellung nach Art eines elektrischen Schaltplans gezeigt.
- In der 2 ist ein Ausschnitt des drehbar gelagerten Teils, also Drehübertragerteils, in Schrägansicht gezeigt.
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Die Primärwicklung 2 wird mit einem Wechselstrom beaufschlagt, insbesondere mit einem mittelfrequenten Wechselstrom, insbesondere der eine Frequenz zwischen 10 kHz und 1000 kHz aufweist.
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Als Spulenkern ist ein Ferrit als primärseitiger magnetischer Körper 1 bei der Primärwicklung 2 vorgesehen.
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Zur stationär angeordneten Primärwicklung 2 sind relativ drehbar mehrere Sekundärwicklungen 4 angeordnet, die als konzentrische Ringwicklungen ausgeführt sind und in einem mehrteiligen Spulenkern aus Ferrit aufgenommen sind. Dieser weist eine Ringnut auf, in welcher die Sekundärwicklungen 4 aufgenommen sind.
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Der Spulenkern ist aus in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Spulenkernteilen, also sekundärseitigen magnetischen Körpern 3, gebildet.
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Die in der jeweiligen Sekundärwicklung 4 induzierte Spannung wird über einen Brückengleichrichter aus zwei Halbbrücken gleichgerichtet, wobei jede Halbbrücke eine Reihenschaltung von zwei Dioden aufweist und die Halbbrücken parallelgeschaltet sind. Der Gleichrichter 6 umfasst Dioden, die als Überspannungsschutzdioden ausgebildet sind. Beispielsweise sind hierzu Suppressordioden und/oder Zenerdioden verwendbar.
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Die gleichgerichteten Ausgangsspannungen werden zusammengeführt, insbesondere parallelgeschaltet, im Bereich des Verschaltungsteils und speisen einen Kondensator 7.
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Somit ist die gleichgerichtete Spannung geglättet bereit stellbar - beispielsweise zur Speisung einer Feldspule einer fremderregten Synchronmaschine und/oder zur Speisung einer elektronischen Schaltung, welche auf einem drehenden Teil, beispielsweise einer Elektromaschine oder Synchronmaschine, angeordnet ist.
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Das Verschaltungsteil 8 umfasst vorzugsweise zwei ringförmige Leiterbahnen aus Kupfer, wobei die erste Anschlussleitung der jeweiligen Sekundärwicklung 4 mit der ersten Leiterbahn und die zweite Anschlussleitung der jeweiligen Sekundärwicklung 4 mit der zweiten Leiterbahn verbunden ist. Das Verschaltungsteil 8 ist im Wesentlichen ebenfalls ringförmig ausgeführt und konzentrisch zu den Sekundärwicklungen 8 und dem Ferrit 3 angeordnet.
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Der Kondensator 7 ist ebenfalls ringförmig ausgeführt und konzentrisch zu den anderen ringförmigen Teilen ausgeführt.
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Wie in 2 gezeigt, ist der sekundärseitig magnetische Körper 3, also Spulenkern, als mehrteiliger ringförmiger Spulenkern ausgeführt, in dessen ringförmige Vertiefung die als Ringwicklungen ausgeführten Sekundärwicklungen 4 eingelegt und aufgenommen sind.
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Der Spulenkern ist in einem Drehübertragerteil aufgenommen, welches aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium, gefertigt ist. Dieses Drehübertragerteil ist im Wesentlichen ein Rotationskörper und weist mehrere in axialer Richtung gerichtete Vertiefungen auf, die ebenfalls ringförmig ausgeführt sind. Diese Vertiefungen sind mittels Ringstegen getrennt.
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In der radial am wenigsten sich erstreckenden Vertiefung ist der sekundärseitig magnetische Körper 3 samt Sekundärwicklungen 4 aufgenommen. Somit liegt dieser Körper 3 am radial benachbarten, auf größerem Radialabstand angeordneten Ringsteg an, der somit als mechanisches Stützteil 5 wirkt.
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In einer radial weiter außenliegenden Vertiefung ist ein Kondensator 7 aufgenommen, der ebenfalls ringförmig ausgeführt ist. Die Anschlüsse des Kondensators 7 sind zu Leiterbahnen des Verschaltungsteils 8 geführt, das auch mit den Halbleitern, insbesondere also den Dioden, insbesondere den Überspannungsschutz-Dioden, bestückt ist. Die Halbleiter sind hierbei auf der nach radial außen gerichteten Seite der Leiterplatte angeordnet und sind mit einem die Halbleiter radial außen umgebenden Kühlkörper 9 ausgeführt.
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Die Anschlussleitungen 10 der Sekundärwicklungen 4 sind ebenfalls zum Verschaltungsteil 8 geführt und auf der radial innen liegenden Seite des Verschaltungsteils 8 elektrisch verbunden.
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Das Drehübertragerteil samt seinen Ringstegen ist mehrteilig oder einteilig ausführbar.
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Die Primärwicklung 2 ist ebenfalls als Ringwicklung ausgeführt und ist auch in einer ringförmigen Vertiefung eines baugleichen oder ähnlichen, weiteren Drehübertragerteils anordenbar, so dass sich Primärwicklung 2 und Sekundärwicklungen 4 axial gegenüberstehen, insbesondere im selben Radialabstandsbereich. Als Spulenkern für die Primärwicklung ist dann auch ein zum sekundärseitigen magnetischen Körper 3 baugleicher Körper verwendbar, so dass die Magnetflüsse ohne großen Luftspalt von der Primärseite zur Sekundärseite, also zum drehenden Teil, überleitbar sind.
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Der den primärseitigen Spulenkern 1 aufnehmende weitere Drehübertragerteil nimmt die Wärme des Spulenkerns auf und ist auch aus Aluminium ausführbar. Dieser primärseitige Spulenkern 1 ist stoffschlüssig verbunden mit dem weiteren Drehübertragerteil, insbesondere klebeverbunden oder vergossen. Vorzugsweise weist auch das weitere Drehübertragerteil eine Ringnut zur Aufnahme des Spulenkerns auf.
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Sekundärseitig, also am Drehübertragerteil, ist der Körper 3, also Spulenkern, auf kleinerem Radialabstand angeordnet als der Kondensator 7 und/oder als das Verschaltungsteil 8. Somit ist die Fliehkraftwirkung auf den Körper 1 möglichst gering. Die mehrteilige Ausführung, also segmentierte Ausführung, ermöglicht eine kostengünstige Fertigung. Die Segmente des Körpers 1 sind am radial benachbart aber weiter außen, also auf größerem Radialabstand, angeordneten Ringsteg als mechanisches Stützteil 5 abgestützt, insbesondere werden also die Fliehkräfte an diesen Ringsteg übertragen. Vorzugsweise ist der Ringsteg aus Aluminium gefertigt, so dass einerseits hohe Kräfte und andererseits Wärme an den Ringsteg ableitbar sind.
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Die Sekundärwicklungen 4 sind jeweils als Ringwicklung ausgeführt, die einen Versatz in Umfangsrichtung zueinander aufweisen. Hierbei ist der Versatz gleichverteilt, also bei n Sekundärwicklungen ein Versatzwinkel von 360° / n vorgesehen. Da im Ausführungsbeispiel nach 1 vier Sekundärwicklungen 4 vorgesehen sind, beträgt der Versatzwinkel hier also 90°.
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Die Anschlussleitungen 10 jeder Sekundärwicklung werden mit entsprechendem Versatz radial zum Verschaltungsteil 8 herausgeführt. Somit sind die Herausführungen der Anschlussleitungen 10 in Umfangsrichtung voneinander regelmäßig beabstandet. Somit ist eine möglichst rotationssymmetrische Massenverteilung erreicht, also auch das Trägheitsmoment klein und die höheren Momente der Massenverteilung möglichst klein. Außerdem ist die Stromverteilung in Umfangsrichtung möglichst gleichverteilt.
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Die Fliehkräfte, welche auf den Körper 3 wirken, werden als Druckbelastung auf den Ringsteg als mechanisches Stützteil 5 geleitet und somit fern gehalten von dem radial weiter außenliegenden Kondensator 7.
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Durch die ringförmige Massenverteilung des Kondensators 7 und des Verschaltungsteils 8 wird ebenfalls eine möglichst symmetrische Massenverteilung erreicht.
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Im Verschaltungsteil 8 sind die Halbleiter, insbesondere die Dioden, mechanisch aufgenommen.
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Die Diodenhalbbrücken 6 sind als jeweilige Segmente in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander und auf dem gleichen Radialabstand zur Drehachse des Drehübertragers angeordnet. Es sind 2n solcher Segmente vorhanden, wobei in jedem Segment eine einzige Diodenhalbbrücke angeordnet ist, welche jeweils mittels Suppressordioden überspannungsgeschützt ist.
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Durch die gleichmäßige Verteilung der Segmente in Umfangsrichtung ist auch der Wärmeeintrag in den Kühlkörper 9 gleichmäßig.
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Der Kühlkörper 9 ist vorzugsweise als Ringsteil, insbesondere aus Aluminium gefertigt. Dadurch, dass die Fliehkräfte das jeweilige Segment gegen den weiter radial außenliegenden Kühlkörper 9 drücken, ist ein guter Wärmeübergang erreichbar. Dabei wird die Fliehkraft jeweils vom Kondensator 7 über das Verschaltungsteil 8 an die Segmente geleitet.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist der ringförmige Spulenkern als Komplettring ausgeführt, also einteilig und einstückig.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist der primärseitige und/oder sekundärseitige Spulenkern nicht mehrteilig, sondern einteilig, also einstückig, ausgeführt.
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Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist das Verschaltungsteil 8 und der Kondensator 7 als mechanische Einheit ausgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- primärseitiger magnetischer Körper
- 2
- Primärwicklung
- 3
- sekundärseitiger magnetischer Körper
- 4
- Sekundärwicklung
- 5
- mechanisches Stützteil
- 6
- Diodenhalbbrücken
- 7
- Kondensator
- 8
- Verschaltungsteil
- 9
- Kühlkörper, insbesondere zur Bildung einer Abstützung
- 10
- Anschlussleitung
