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Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven Drehübertrager für eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug, vorzugsweise für einen eine elektrische Maschine ausbildenden Elektromotor für ein Fahrzeug wie ein Kraft- oder Nutzfahrzeug.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem elektrischen Motor bzw. Elektromotor, welcher einen solchen induktiven Drehübertrager aufweist.
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Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein entsprechendes Kopplerteil für einen induktiven Drehübertrager für eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug.
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Ein induktiver Drehübertrager ist eine spezielle Form eines induktiven Kopplers.
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Allgemein ist bei dem induktiven Drehübertrager ein Kopplerteil auf einer (Dreh-)Achse drehbar gelagert, während ein anderes Kopplerteil ruht bzw. feststehend gelagert ist. Die Kopplerteile umfassen beispielsweise jeweils ein oder mehrere Kernteile, welche mit entsprechenden Spulen bzw. Leiterwicklungen versehen sind.
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Prinzipiell sind induktive Koppler – wie induktive Drehübertrager – Transformatoren, bei denen der Transformatorkern aus zwei (oder auch mehreren) voneinander getrennten Kernteilen besteht und eine Primärwicklung bzw. -spule vorzugsweise auf einem Kernteil und eine Sekundärwicklung bzw. -spule vorzugsweise auf dem anderen Kernteil vorgesehen ist. Die Funktionsweise des induktiven Kopplers entspricht dem üblichen „Transformatorprinzip“, wobei ein von der Primärspule erzeugtes magnetisches Wechselfeld aufgrund des Aufbaus des so gebildeten Transformatorkerns neben den Kernteilen zusätzlich einen oder mehrere Luftspalte zwischen den jeweiligen Kernteilen durchsetzen muss, um schließlich eine elektromagnetische Induktion bei der Sekundärspule zu bewirken.
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Induktive Leistungsübertragung anhand von induktiven Kopplern im Bereich der Nachrichtentechnik sowie im Zusammenhang mit elektrischen Maschinen ist weitläufig bekannt.
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Beispielsweise ist ein induktiver Drehübertrager aus dem dem Stand der Technik angehörenden Dokument
EP 0 680 060 A1 bekannt. Der darin beschriebene induktive Drehübertrager wird vor allem im Zusammenhang mit einer Fahrzeuglenksäulenanwendung zur Signalübertragung eingesetzt; ein Anwendungsfall des induktiven Drehübertragers ist die Übertragung von durch Betätigung von am Lenkrad vorgesehenen Steuerknöpfen erzeugten Signalen über eine Lenksäulen/Wellenschnittstelle hinaus, an der relativ zueinander verdrehbare Bauteile mechanisch zusammenwirken. Der aus diesem Stand der Technik bekannte Drehübertrager umfasst einen Transformatorkern bildende Kernteile, die derart ausgebildet sind, dass der Transformatorkern bezogen auf eine Dreh- bzw. Mittelachse des induktiven Drehübertragers sowohl axial als auch radial und in Drehrichtung verlaufende Spalte, insbesondere Luftspalte, aufweist. Dadurch ergibt sich bei entsprechender Energieversorgung einer in dem induktiven Drehübertrager vorgesehenen Primärspule durch die jeweilige Ausbildung der Kernteile unter anderem ein entsprechender radial und axial verlaufender magnetischer Fluss, so dass letztlich bei einer Sekundärspule eine elektromagnetische Induktion bewirkt wird.
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Im Zusammenhang mit elektrischen Maschinen wie beispielsweise Synchron- und Asynchronmaschinen ist der aus dem Dokument
EP 0 680 060 A1 bekannte induktive Drehübertrager jedoch aufgrund unterschiedlicher im Zusammenhang mit elektrischen Maschinen auftretender Belastungen, beispielsweise aufgrund höherer Drehzahlen und der damit einhergehenden erhöhten mechanischen Beanspruchung, ungeeignet.
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Herkömmliche für den Einsatz in elektrischen Maschinen ausgelegte induktive Drehübertrager umfassen üblicherweise einen aus zumindest zwei Kernteilen gebildeten Transformatorkern mit zwei Luftspalten, wobei der magnetische Fluss in dem Transformatorkern samt Luftspalte vorwiegend axial, insbesondere axial in den Luftspalten, in Bezug auf eine Drehachse des induktiven Drehübertragers geführt wird.
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Als ein Material bzw. Werkstoff zur magnetischen Flussführung wird bevorzugt Ferrit eingesetzt. In den Luftspalten wird der magnetische Fluss in einer aus dem Stand der Technik bekannten Ausgestaltung des Transformatorkerns axial zwischen zwei gegenüberliegenden U-förmigen Ferritschenkeln geführt. Dabei besteht eine Primär- und Sekundärspule des Drehübertragers vorzugsweise aus einer herkömmlicherweise hierfür verwendeten Kupferwicklung, die in den Ferrit-U-Profilen eingelegt ist, so dass der induktive Drehübertrager nach dem bekannten Transformatorprinzip betrieben werden kann.
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Aufgrund der vorwiegend axialen induktiven Leistungsübertragung in sowohl den Kernteilen als auch den Luftspalten benötigt ein solcher herkömmlicher induktiver Drehübertrager allerdings einen entsprechend höheren axialen Bauraum. Dies läuft allerdings gerade dem Bestreben zuwider, axialen Bauraum einzusparen, wie dies beispielsweise bei der Entwicklung von stromerregten Synchronmaschinen zur Verwendung als Traktionselektromotoren bzw. Antriebselektromotoren (Fahrmotoren) gefordert wird.
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Zwar sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise der
DE 10 2006 057 150 A1 , Ansätze bekannt, einen induktiven Drehübertrager mit radialer Magnetflussführung zu realisieren, wodurch zumindest die axiale Länge eines solchen Drehübertragers verringert werden kann. Allerdings ist auch dieser Drehübertrager nicht für die im Zusammenhang mit elektrischen Maschinen auftretenden Belastungen geeignet.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten induktiven Drehübertrager derart weiterzubilden, dass die Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwunden werden können.
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Bevorzugt ist es Aufgabe der Erfindung, einen induktiven Drehübertrager zu realisieren, bei dem eine Verformung des drehenden Kopplerteils, insbesondere des drehenden Kernteils, auch bei hohen Drehzahlen, zumindest verringert werden kann.
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Vorzugsweise ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen induktiven Drehübertrager zu realisieren, der im Vergleich zum Stand der Technik einen geringeren axialen Bauraum erfordert und dabei eine ausreichende mechanische Belastbarkeit aufweist, um auch bei hohen Drehzahlen nahezu ohne Verformung des drehenden Kernteils betrieben werden zu können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Der erfindungsgemäße induktive Drehübertrager ist für eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug oder Nutzfahrzeug, vorgesehen und weist ein erstes, vorzugweise feststehendes, Kopplerteil und ein in Bezug auf das erste, vorzugsweise feststehende, Kopplerteil drehbares zweites Kopplerteil auf und ist eingerichtet, eine Energieübertragung zwischen dem ersten Kopplerteil und dem zweiten Kopplerteil nach dem Transformatorprinzip auszuführen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das zweite Kopplerteil ein Trägerelement und ein an dem Trägerelement innerhalb eines vorgegebenen Spiels bewegbar gelagertes Kernteil aufweist, wobei das Trägerelement zumindest zwei das vorgebebene Spiel begrenzende Auflagerabschnitte aufweist, die derart ausgebildet sind, dass die Auflagerabschnitte bei drehendem zweiten Kopplerteil jeweilige Auflagerkräfte auf das Kernteil aufbringen, die in Verbindung mit der durch das drehende zweite Kopplerteil hervorgerufenen auf das Kernteil wirkenden Zentrifugalkraft zumindest abschnittsweise zu einer Druckspannung in dem Kernteil führen.
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Aufgrund der Anforderungen bezüglich geringen axialen Bauraums des induktiven Drehübertragers und einer energieeffizienten Energieübertragung, insbesondere Leistungs- oder Stromübertragung, ist es erforderlich, den magnetischen Widerstand im Transformator bzw. im Transformatorkern möglichst gering zu halten. Dementsprechend gilt es die den Luftspalt begrenzenden Kernteilflächen (Ferritflächen) der jeweiligen Kernteile möglichst groß zu gestalten. Erfindungsgemäß werden zur Reduzierung des axialen Bauraums die jeweiligen den Transformatorkern bildenden Kernteile als zwei sich überlappende C-Profilform-Teile ausgebildet. Allerdings können sich die Schenkel des drehenden C-Profil-Teils unter hohen Drehzahlen verformen, was schließlich zu einem Bauteilversagen im Zusammenhang mit dem drehenden Kernteil führen kann. Erfindungsgemäß ist das vorgenannte Trägerelement daher entsprechend ausgestaltet, um einer solchen Bauteilverformung entgegenzuwirken und damit ein Bauteilversagen zu verhindern. Im Betrieb wird das drehende, insbesondere aus ferritischem Werkstoff gebildete, C-profilförmige Kernteil durch eine Fliehkraft bzw. Zentrifugalkraft belastet. Dabei bieten die vorzugsweise in Keilform vorgesehenen vorsprungartigen Auflagerabschnitte eine Abstützung für das drehende Kernteil und dienen damit zur Vermeidung der C-Profil-Schenkel-Verformung des drehenden Kernteils, bewirken anstatt Zugspannungen in dem Kernteil Druckspannungen und entlasten das Kernteil dadurch, dass die Fliehkräfte zumindest teilweise grossflächig in die keilförmigen Auflagerabschnitte eingeleitet werden. Diese Druckspannungen können das 5- bis 10-fache der Zugspannungen betragen, ohne zu einem Bauteilversagen zu führen. Diese Gegebenheit beruht vorwiegend auf der dem Fachmann bekannten und hier nicht näher erläuterten Gefügeinhomogenität des Ferrits unter Druckbelastung. Durch die keilförmige Ausgestaltung der Auflagerabschnitte kann das drehende Kernteil somit armierungslos ausgeführt werden, wodurch die Anforderungen sowohl an einen geringen Bauraum als auch an eine hohe Energieeffizienz erfüllt werden können. Dadurch, dass keine Armierung bzw. kein verstärkender zusätzlicher Metallring zur Aufnahme der auf das drehende Kernteil wirkenden Fliehkräfte erforderlich ist, können ungünstige Auswirkungen der Armierung bzw. des Metallrings auf die magnetische Flussführung zwischen den Kernteilen vermieden werden. Weiterhin kann der erfindungsgemäße Drehübertrager äußerst kostengünstig im Hinblick auf einfache Serienfertigung der Rotorferrite bzw. der drehenden ferritischen Kernteile hergestellt werden.
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Weiterhin kann der induktive Drehübertrager so weitergebildet werden, dass das Trägerelement durch eine Kreisscheibe und die Auflagerabschnitte durch in Umfangsrichtung voneinander beabstandete an der Kreisscheibe hervorstehende Vorsprünge ausgebildet werden, wobei die Vorsprünge jeweilige Auflagerflächen aufweisen, über die bei drehendem Kopplerteil die jeweiligen Auflagerkräfte auf das zwischen den jeweiligen Auflagerflächen gelagerte und als zumindest ein Kreissegment ausgebildete Kernteil aufgebracht werden können. Vorzugsweise wird das Kernteil jedoch durch eine Vielzahl von einzelnen, voneinander separierten bzw. beabstandeten Kreissegmenten ausgebildet, welche mit den jeweiligen Auflagerflächen zweier benachbarter Vorsprünge bei drehendem Kopplerteil in Berührung gelangen können.
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Darüber hinaus kann der induktive Drehübertrager derart verwirklicht werden, dass die in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten keilförmigen Vorsprünge derart an dem als Kreisscheibe ausgebildeten Trägerelement ausgebildet sind, dass die jeweiligen Vorsprünge mit ihren Keilspitzen in radialer Richtung nach innen weisend ausgerichtet sind und/oder als die jeweiligen Auflagerflächen fungierende Keilflächen benachbarter Vorsprünge in einem spitzen Winkel zueinander stehen.
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Ferner kann der induktive Drehübertrager so umgesetzt werden, dass das als zumindest ein Kreissegment ausgebildete Kernteil korrespondierende Druckflächen aufweist, die derart ausgerichtet sind, dass die Druckflächen des als Kreissegment ausgebildeten Kernteils in Anlage mit den jeweiligen Auflagerflächen zweier benachbarter Vorsprünge gelangen können.
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Der erfindungsgemäße induktive Drehübertrager kann in vorteilhafter Weise derart weitergebildet werden, dass das erste, vorzugweise, feststehende, Kopplerteil ein erstes Kernteil mit einem daran vorgesehenen ersten induktiven Element aufweist und das zweite, vorzugsweise drehbare, Kopplerteil das um eine Achse relativ zu dem ersten Kernteil verdrehbare Kernteil als zweites Kernteil mit einem daran vorgesehenen zweiten induktiven Element aufweist, wobei die Kernteile zumindest abschnittsweise einen Transformatorkern mit zumindest einem radial und in Drehrichtung in Bezug auf die Achse verlaufenden Spalt zur Führung eines radial verlaufenden magnetischen Flusses ausbilden, wodurch eine Energieübertragung zwischen dem ersten induktiven Element und dem zweiten induktiven Element ermöglicht wird, indem ein von einem der induktiven Elemente erzeugtes Magnetfeld den Transformatorkern sowie den Spalt durchsetzt und dabei eine elektromagnetische Induktion bei dem jeweils anderen der induktiven Elemente bewirkt, wobei die Kernteile derart ausgebildet sind, dass das eine der Kernteile von dem anderen der Kernteile zur Ausbildung des Transformatorkerns so umgeben wird, dass zwei radial und in Drehrichtung in Bezug auf die Achse verlaufende Spalte zur Führung eines radial verlaufenden magnetischen Flusses ausgebildet werden. Vorzugsweise sind die Kernteile derart ausgebildet, dass ein Transformatorkern mit ausschließlich radial und in Drehrichtung in Bezug auf die Achse verlaufenden Spalten zur nahezu ausschließlichen Führung eines radial verlaufenden magnetischen Flusses ausgebildet wird.
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Als radialer Spalt im Sinne dieser Offenbarung ist ein Spalt zu verstehen, der eine Spaltbreite in radialer Richtung in Bezug auf die Achse (Abstand zwischen den jeweiligen Kernteilen in radialer Richtung) aufweist und darüber hinaus eine Erstreckung in Drehrichtung bzw. Umfangsrichtung (wodurch sich beispielsweise ein kreisringförmiger Spalt ergeben kann) sowie in axialer Richtung (Spalttiefe) in Bezug auf die Achse aufweisen kann.
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Durch diese Ausbildung sowie Anordnung der den Transformatorkern ausbildenden Kernteile, insbesondere aufgrund der „Verschachtelung“ von insbesondere stationärem Kernteil und rotatorischem Kernteil, ist es möglich, die axiale Länge des Drehübertragers zu reduzieren. Der magnetische Fluss wird dabei vorzugsweise von als Ferritkreisringsegmenten ausgebildeten Kernteilen geführt. Durch diese Anordnung ist es möglich, den magnetischen Fluss (Leistungsübertragung) unter anderem radial zu übertragen, so dass anhand dieser Anordnung eine effiziente Lösung für den Kompromiss zwischen Wirkungsgrad, d.h. effizienter Leistungsübertragung, und geringem Bauraum geschaffen wird. Die mechanische Festigkeit wird insbesondere dadurch verbessert, dass auf der rotatorischen Seite des Drehübertragers, insbesondere des drehbaren Kopplerteils, statt einer Kupferwicklung eine Platine bzw. Leiterplatte installiert ist, die eine selbsttragende Funktion hat, so dass die radiale Belastung des als Ferrit-U-Profils ausgebildeten drehbaren Kernteils, in dem diese Leiterplatte eingebettet ist, zumindest teilweise durch die Leiterplatte aufgenommen wird. Dadurch wird eine Belastung verringert, die üblicherweise von der in Ferrit eingebetteten Wicklung bei Drehung des drehbaren Kernteils herrührt. Weiterhin wird das als Ferrit-U-Profil ausgebildete drehbare Kernteil erfindungsgemäß in Kreisringsegmente unterteilt, anstatt als vollständiger Kreisring befestigt zu sein. Neben den bereits vorstehend erläuterten Vorteilen erleichtert dies die Befestigung des als Ferrit-U-Profil ausgebildeten drehbaren Kernteils in der Trägerkonstruktion, beispielsweise aus Aluminium oder vorzugsweise aus Cr-Ni-Stahl aufgrund der problemhafteten Wärmeausdehnung von Aluminium, des Drehübertragers.
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Somit kann durch die vorwiegend radiale Leistungsübertragung bzw. vorwiegend radiale Flussführung die axiale Bauraumlänge des Drehübertragers zumindest verringert werden. Anhand dieser Anordnung kann eine Materialersparnis unter Aufrechterhaltung der erforderlichen Festigkeit des Drehübertragers erzielt werden. Insbesondere kann bei dieser Ausbildung des induktiven Drehübertragers eine ausreichende mechanische Festigkeit im Bereich hoher Drehzahlen, vorzugsweise von 10.000 Umdrehungen pro Minute bis 15.000 Umdrehungen pro Minute, ohne größeren Aufwand konstruktiv erzielt werden. Somit kann eine möglichst geringe axiale Maschinenlänge unter Beibehaltung einer möglichst einfachen und robusten Konstruktion erreicht werden.
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Der erfindungsgemäße induktive Drehübertrager kann in vorteilhafter Weise derart weitergebildet werden, dass das erste induktive Element und/oder das zweite induktive Element derart an dem jeweiligen Kernteil angeordnet ist, dass dessen Abmessung in radialer Richtung in Bezug auf die Achse größer als dessen Abmessung in axialer Richtung in Bezug auf die Achse ist, und/oder die induktiven Elemente einander zugewandt, axial voneinander beabstandet angeordnet sind.
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Weiterhin kann der erfindungsgemäße induktive Drehübertrager so ausgestaltet werden, dass die Kernteile derart ausgebildet sind, dass ein von einem der induktiven Elemente erzeugtes Magnetfeld den Transformatorkern sowie den Spalt derart durchsetzt, dass ein magnetischer Kreis ausgebildet wird, der in Bezug auf die Achse zumindest abschnittsweise abwechselnd radial und axial verläuft.
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Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße induktive Drehübertrager derart verwirklicht werden, dass die Kernteile jeweils als in Drehrichtung in Bezug auf die Achse angeordnete Kreisringsegmente, vorzugsweise in Drehrichtung in Bezug auf die Achse voneinander beabstandete Kreisringsegmente, ausgebildet sind, die im Querschnitt in axialer Richtung im Wesentlichen C-profilförmig ausgebildet sind. Vorzugsweise sind die jeweiligen Schenkel der C-profilförmig ausgebildeten Kreisringsegmente des ersten Kernteils und des zweiten Kernteils einander zugewandt.
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Ferner kann der erfindungsgemäße induktive Drehübertrager so umgesetzt werden, dass die induktiven Elemente jeweils als Kreisring ausgebildet sind, der eine oder mehrere zumindest abschnittsweise in Drehrichtung in Bezug auf die Achse verlaufende Wicklungen aufweist. Vorzugsweise sind die als Kreisringe ausgebildeten induktiven Elemente in die jeweiligen Kernteile eingebettet.
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Des Weiteren kann der erfindungsgemäße induktive Drehübertrager derart ausgebildet werden, dass die induktiven Elemente jeweils als Kreisring ausgebildet sind, der eine oder mehrere in Umfangsrichtung in Bezug auf die Achse verlaufende Wicklungen aufweist, die im Wesentlichen parallel zu einer radial und in Umfangsrichtung verlaufenden Stirnfläche des jeweiligen Kernteils verlaufen.
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Weiterhin kann der erfindungsgemäße induktive Drehübertrager so realisiert werden, dass das erste und/oder das zweite induktive Element als eine kreisringförmige Leiterplatte bzw. Platine ausgebildet ist. Dadurch, dass das als kreisringförmige Leiterplatte bzw. Platine ausgebildete induktive Element bei Drehung des drehenden Kernteils entstehende Fliehkräfte quasi selbst aufnehmen kann, kann die Belastung des drehbaren Kernteils erheblich verringert werden.
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Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße induktive Drehübertrager derart weitergebildet werden, dass die als Kreissegmente 16 ausgebildeten Kernteile an einem jeweiligen Trägerelement zwischen dem jeweiligen Trägerelement und dem jeweiligen induktiven Element liegend befestigt sind.
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Ferner kann der erfindungsgemäße induktive Drehübertrager so verwirklicht werden, dass das erste Kernteil ein feststehendes Teil in Bezug auf eine elektrische Maschine ist und das zweite Kernteil zur Drehung an einem Rotor der elektrischen Maschine vorgesehen ist und/oder der Drehübertrager eingerichtet ist, die Energieübertragung von dem zumindest teilweise als Primärwicklung ausgebildeten ersten induktiven Element auf das zumindest teilweise als Sekundärwicklung ausgebildete zweite induktive Element zur Energieversorgung eines Rotors der elektrischen Maschine, insbesondere zur Energieversorgung von mindestens einer Rotorwicklung, zu ermöglichen. Erfindungsgemäß wird somit eine rotorseitige Wicklung (Leiterplatte) an dem drehbaren Kernteil vorgesehen, wobei die als Kreisring ausgebildete Leiterplatte bzw. Platine während der Drehung entstehende Fliehkräfte quasi selbst aufnehmen kann, was zur Entlastung des drehbaren Kernteils, insbesondere der jeweiligen Kreissegmente des drehbaren Kernteils führt. Weiterhin wird aufgrund der Ausgestaltung des durch die Kernteile gebildeten Transformatorkerns ein axialer Toleranzausgleich ohne weiteres aufgrund der radialen Spalte zur radialen Flussführung ermöglicht. Da rotorseitig aufgrund der Entlastung durch die als Kreisring ausgebildete Leiterplatte eine geringe Ferritmasse für das drehbare Kernteil notwendig wird, kann ebenso eine entsprechende Armierung oder sonstige Maßnahmen zur Erhöhung der Fliehkraftbestädigkeit weggelassen werden, so dass ein geringer magnetischer Widerstand durch große Flächen in den radialen Luftspalten erzielt wird.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, ist mit einem eine elektrische Maschine ausbildenden Elektromotor, vorzugsweise einem Synchron- oder Asynchronmotor, ausgestattet, wobei der Elektromotor den erfindungsgemäßen induktiven Drehübertrager aufweist. Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen induktiven Drehübertrager erläuterten Eigenschaften und Vorteile auf gleiche oder ähnliche Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen induktiven Drehübertrager verwiesen wird.
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Beispielsweise handelt es sich bei dem Synchronmotor um einen fremderregten Synchronmotor. Aufgrund des Einsatzes des Drehübertragers im Synchronmotor sind ein rotierendes Transformatorkernteil und eine Gleichrichterelektronik auf dem rotierenden Teil bzw. dem Rotor zu befestigen. Dadurch ergibt sich eine erhöhte Beanspruchung durch Fliehkräfte, welchen widerstanden werden muss. Im Hinblick auf die Ferrite des Rotors wird bevorzugt, Zugbelastungen zu minimieren oder gar zu eliminieren, was beispielsweise durch Geometrieanpassungen von kritischen stark beanspruchten Stellen stattfinden kann. Alternativ hierzu kann die Druckbelastbarkeit des Ferrits ausgenutzt werden, da diese um etwa den Faktor 8 größer ist als die Zugbelastbarkeit, so dass beispielsweise die Belastbarkeit des Ferrits durch Vorspannen des Ferrits vorgenommen wird, um Zugbelastungen in den Druckbereich zu verschieben. Aufgrund der hohen Belastung wegen hoher Drehzahlen werden vorzugsweise sämtliche Lötstellen der Gleichrichterelektronik umso näher an dem Drehzentrum angeordnet, wobei ebenso bevorzugt wird, kleine Bauteile zu verwenden. Das Transformatorkonzept basiert darauf, dass die Sekundärspule über eine Leiterplatte realisiert wird. Der geschlossene Kreisring der Leiterplatte ermöglicht dabei die Tauglichkeit, im Zusammenhang mit hohen Drehzahlen eingesetzt zu werden, erfordert jedoch eine geeignete Leiterplattendimensionierung.
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Das erfindungsgemäße Kopplerteil ist für einen Drehübertrager für eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug oder Nutzfahrzeug, vorgesehen, wobei das Kopplerteil eingerichtet ist, in Bezug auf ein weiteres Kopplerteil verdreht zu werden und eine Energieübertragung zwischen dem Kopplerteil und dem weiteren Kopplerteil nach dem Transformatorprinzip auszuführen, wobei das Kopplerteil ein Trägerelement und ein an dem Trägerelement innerhalb eines vorgegebenen Spiels bewegbar gelagertes Kernteil aufweist, wobei das Trägerelement zumindest zwei das vorgebebene Spiel begrenzende Auflagerabschnitte aufweist, die derart ausgebildet sind, dass die Auflagerabschnitte bei drehendem Kopplerteil jeweilige Auflagerkräfte auf das Kernteil aufbringen, die in Verbindung mit der durch das drehende Kopplerteil hervorgerufenen auf das Kernteil wirkenden Zentrifugalkraft zumindest abschnittsweise zu einer Druckspannung in dem Kernteil führen. Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen induktiven Drehübertrager erläuterten Eigenschaften und Vorteile auf gleiche oder ähnliche Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen induktiven Drehübertrager verwiesen wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines erfindungsgemäßen induktiven Drehübertragers im Querschnitt;
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2a–c schematische Darstellungen eines drehbaren Kopplerteils des erfindungsgemäßen induktiven Drehübertragers von 1;
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3 eine schematische Darstellung des drehbaren Kopplerteils von 2 in einer Explosionsansicht;
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4 eine schematische Darstellung des drehbaren Kopplerteils von 2 in einer perspektivischen Teilschnittansicht;
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5 eine schematische Darstellung eines vergrößerten Abschnitts des drehbaren Kopplerteils von 2 in einer zu 4 veränderten Ausgestaltung;
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6 eine schematische Darstellung des drehbaren Kopplerteils von 2 in einer Frontansicht;
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7 einen Ausschnitt der schematischen Darstellung des drehbaren Kopplerteils von 6;
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8 eine Darstellung des Ausschnitts des drehbaren Kopplerteils von 7 in einer Schnittansicht;
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9 eine Darstellung eines Kernteils eines drehbaren Kopplerteils unter Rotationsbeanspruchung;
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10a–c schematische Darstellungen eines feststehenden Kopplerteils des erfindungsgemäßen induktiven Drehübertragers von 1;
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11 eine schematische vergrößerte Darstellung eines Abschnitts eines feststehenden Kopplerteils in einer zu 10 alternativen Ausführungsform;
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12 eine schematische vergrößerte Darstellung eines Abschnitts des erfindungsgemäßen induktiven Drehübertragers von 1; und
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13 eine schematische Darstellung eines vergrößerten Abschnitts von 12.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines erfindungsgemäßen induktiven Drehübertragers 10 im Querschnitt.
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In diesem Fall ist der erfindungsgemäße induktive Drehübertrager für eine nicht näher dargestellte elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug vorgesehen. Die elektrische Maschine des Kraftfahrzeugs wird in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Elektromotor gebildet, beispielsweise in Form eines fremderregten Synchron- oder Asynchronmotors, in dem der induktive Drehübertrager 10 vorgesehen ist.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, weist der Drehübertrager 10 ein erstes, feststehendes Kopplerteil 12, 14, 32 und ein in Bezug auf das erste, feststehende Kopplerteil 12, 14, 32 um eine Achse relativ verdrehbares zweites Kopplerteil 160, 18, 34 auf.
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Das erste, feststehende Kopplerteil 12, 14, 32 umfasst ein erstes Kernteil 12 mit einem daran vorgesehenen ersten induktiven Element 14 sowie ein erstes Trägerelement (Trägerscheibe) 32. Dabei ist das erste Kernteil 12 an dem ersten Trägerelement 32 zwischen dem ersten Trägerelement 32 und dem ersten induktiven Element 14 liegend befestigt.
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Das drehbare bzw. verdrehbare zweite Kopplerteil 160, 18, 34 umfasst ein um die Achse relativ zu dem ersten, feststehenden Kopplerteil 12, 14, 32, insbesondere zu dem ersten Kernteil 12, verdrehbares zweites Kernteil 160 mit einem daran vorgesehenen zweiten induktiven Element 18 sowie ein zweites Trägerelement 34 (Trägerscheibe), welches vorzugsweise als Teil des Rotorpaketes ausgeführt sein kann. Dabei ist das zweite Kernteil 160 an dem zweiten Trägerelement 34 zwischen dem zweiten Trägerelement 34 und dem zweiten induktiven Element 18 liegend befestigt.
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Die 2a–c zeigen schematische Darstellungen des drehbaren Kopplerteils 160, 18, 34 des erfindungsgemäßen induktiven Drehübertragers 10 von 1.
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Hingegen zeigen die 10a–c schematische Darstellungen des feststehenden Kopplerteils 12, 14, 32 des erfindungsgemäßen induktiven Drehübertragers 10 von 1, wobei 11 eine schematische Darstellung eines vergrößerte Abschnitts eines feststehenden Kopplerteils in einer zu 10 alternativen Ausführungsform zeigt.
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Wie aus den 2a–c ersichtlich ist, ist das drehbare Kopplerteil 160, 18, 34 grundsätzlich derart aufgebaut, dass das zweite Kernteil 160 als in Drehrichtung bzw. Umfangsrichtung in Bezug auf die Achse angeordnete Kreisringsegmente (Rotorferrite) 16, vorzugsweise in Drehrichtung in Bezug auf die Achse voneinander beabstandete Kreisringsegmente 16, ausgebildet ist, die im Querschnitt in axialer Richtung im Wesentlichen C-profilförmig ausgebildet sind und von dem zweiten Trägerelement 34 schwimmend gehaltert sind. Dabei ist das zweite induktive Element 18 als Kreisring ausgebildet, der in diesem Fall mehrere zumindest abschnittsweise in Drehrichtung in Bezug auf die Achse verlaufende nicht dargestellte Wicklungen aufweist. Insbesondere ist das zweite induktive Element 18 in diesem Fall als eine Kreisringleiterplatte bzw. Kreisringplatine ausgebildet, die mehrere in Umfangsrichtung in Bezug auf die Achse verlaufende Wicklungen bzw. Leiter aufweist, die im Wesentlichen parallel zu einer radial und in Umfangsrichtung verlaufenden Stirnfläche des zweiten Kernteils 160 bzw. zu Stirnflächen der jeweiligen Kreisringsegmente 16 des zweiten Kernteils 160 verlaufen.
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Noch detaillierter ist der Aufbau des drehbaren Kopplerteils 160, 18, 34 insbesondere aus den 3, 4 und 5 ersichtlich. 3 zeigt dabei eine schematische Darstellung des drehbaren Kopplerteils 160, 18, 34 von 2 in einer Explosionsansicht und 4 zeigt eine schematische Darstellung des drehbaren Kopplerteils 160, 18, 34 von 2 in einer perspektivischen Teilschnittansicht. Weiterhin zeigt 5 eine schematische Darstellung eines vergrößerte Abschnitts des drehbaren Kopplerteils 160, 18, 34 in einer – wie ersichtlich – zu 4 veränderten Ausgestaltung.
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Wie in den 3 bis 5 veranschaulicht ist, ist das zweite Trägerelement 34 im Wesentlichen als Kreisscheibe ausgebildet, in deren Umfangsabschnitt in Axialrichtung abstehende keilförmige Vorsprünge 50 – als deren Auflagerabschnitte fungierend – angeordnet sind, die in gleichmäßigen Abständen in Umfangsrichtung der Kreisscheibe voneinander beabstandet sind. Die keilförmigen Vorsprünge 50 sind jeweils mit zwei Keilflächen bzw. Auflagerflächen 54 vorgesehen, die mit nachstehend noch näher erläuterten korrespondierenden Druckflächen 52 zweier benachbarter bzw. angrenzender Kreisringsegmente 16 des Kernteils 160 in Berührung gebracht werden können.
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Wie weiterhin in den 3 bis 5 veranschaulicht ist, sind die jeweiligen Kreisringsegmente 16 des Kernteils 160 schwimmend jeweils zwischen zwei Vorsprüngen 50 derart gelagert, dass die jeweiligen Druckflächen 52 eines Kreissegments 16 des Kernteils 160 mit den jeweiligen Auflagerflächen 54 benachbarter keilförmiger Vorsprünge 50 in Berührung gelangen.
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Wie bereits vorstehend erwähnt ist, wird das als Kreisring ausgeführte zweite induktive Element 18 zwischen die Schenkel des C-förmigen zweiten Kernteils 160 bzw. der jeweiligen Kreissegmente 16 eingeführt und aufgelegt und in diesem Ausführungsbeispiel mittels einer Schraubverbindung über eine Vielzahl von unmagnetischen Schrauben 60, die in entsprechende in den Vorsprüngen 50 vorgesehene Gewindebohrungen eingeschraubt werden können, befestigt. Dementsprechend sind die jeweiligen Kreissegmente 16 des zweiten Kernteils 160 schwimmend zwischen dem zweiten Trägerelement 34 und dem zweiten induktiven Element 18 gelagert, d.h. innerhalb eines Spiels zumindest in radialer Richtung in Bezug auf das zweite Trägerelement 34 bewegbar gelagert. Mit anderen Worten weist das Trägerelement 34 die das vorgebebene zumindest radiale Spiel begrenzenden als Auflagerabschnitte fungierenden Vorsprünge 50 auf, die derart ausgebildet sind, dass die Vorsprünge 50 bei drehendem zweiten Kopplerteil 160, 18, 34 jeweilige Auflagerkräfte auf die jeweiligen Kreissegmente 16 des Kernteil 160 aufbringen können, die in Verbindung mit der durch das drehende zweite Kopplerteil 160, 18, 34 hervorgerufenen auf die jeweiligen Kreissegmente 16 des Kernteils 160 wirkenden Zentrifugalkräfte zumindest abschnittsweise zu einer Druckspannung in den jeweiligen Kreissegmenten 16 des Kernteils 160 führen.
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Die Wirkungsweise der schwimmenden Lagerung der jeweiligen Kreissegmente 16 des zweiten Kernteils 160 bei Drehung des drehbaren Kopplerteil 160, 18, 34 wird nachfolgend anhand der 6 bis 9 schemenhaft erläutert.
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6 zeigt eine schematische Darstellung des drehbaren Kopplerteils 160, 18, 34 von 2 in einer Frontansicht, wobei 7 einen Ausschnitt der schematischen Darstellung des drehbaren Kopplerteils 160, 18, 34 von 6 und 8 eine Darstellung des Ausschnitts des drehbaren Kopplerteils 160, 18, 34 von 7 in einer Schnittansicht zeigen.
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Wie insbesondere aus den 6 bis 8 ersichtlich ist, werden die jeweiligen Kreissegmente 16 des zweiten Kernteils 160 bei Drehung des drehbaren Kopplerteils 160, 18, 34 aufgrund der auf die jeweiligen Kreissegmente 16 wirkenden Zentrifugalkraft und wegen der schwimmenden Lagerung, welche zumindest eine gewisse Bewegung der jeweiligen Kreissegmente 16 des zweiten Kernteils 160 in radialer Richtung innerhalb eines vorbestimmten Spiels zulässt, gegen die jeweiligen Auflagerflächen 54 zweier benachbarter keilförmiger Vorsprünge 50 gedrückt. Insbesondere sind die jeweiligen Auflagerflächen 54 der zwei benachbarten keilförmigen Vorsprünge 50 derart zueinander angeordnet, dass sie in einem spitzen Winkel zueinander stehen. Dadurch, dass die jeweiligen Kreissegmente 16 des zweiten Kernteils 160 in radialer Richtung gegen die jeweiligen Auflagerflächen 54 zweier benachbarter keilförmiger Vorsprünge 50 gedrückt werden, entstehen Auflagerkräfte (Reaktionskräfte), welche auf die Druckflächen 52 eines jeweiligen Kreissegments 16 des zweiten Kernteils 160 derart wirken, dass bei entsprechender Drehzahl des drehbaren Kopplerteils 160, 18, 34 die jeweiligen Kreissegmente 16 des zweiten Kernteils 160 auf Druck beansprucht werden, so dass innerhalb der jeweiligen Kreissegmente 16 des zweiten Kernteils 160 zumindest abschnittsweise Druckspannungen vorliegen. Dabei hängt die Höhe bzw. das Ausmaß der Druckbeanspruchung bzw. der Druckspannungen innerhalb der jeweiligen Kreissegmente 16 des zweiten Kernteils 160 von der Höhe der Drehzahl ab.
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Im Betrieb des Drehübertragers 10 bzw. bei Drehung des drehbaren Kopplerteils 160, 18, 34 werden somit die durch Ferrite gebildeten Kreissegmente 16 des zweiten Kernteils 160 mit einer Fliehkraft bzw. Zentrifugalkraft belastet, so dass die in Keilform vorgesehenen Vorsprünge 50 bei Berührung mit den jeweiligen Kreissegmenten 16 des zweiten Kernteils 160 als abstützende Auflager, insbesondere im Hinblick auf die Verformung des Schenkels des C-Profil-förmigen Kreissegments 16, wirken und anstelle von in den Kreissegmenten 16 vorliegenden Zugspannungen vorwiegend Druckspanngen in den durch Ferrite gebildeten Kreissegmenten 16 des zweiten Kernteils 160 bewirken. Dabei sind die keilförmigen Vorsprünge 50 vorzugsweise so dimensioniert, dass die Fliehkräfte grossflächig in die keilförmig ausgebildeten Vorsprünge 50 eingeleitet werden können. Die Druckspannungen innerhalb der durch Ferrite gebildeten Kreissegmente 16 können bei geeignet hoher Drehzahl durchaus das 5- bis 10-fache von entsprechenden Zugspannungen betragen, ohne zu einem Bauteilversagen zu führen. Diese Tatsache beruht vorwiegend auf der dem Fachmann bekannten und hier nicht näher ausgeführten Gefügeinhomogenität des Ferrits unter Druckbelastung.
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Durch die vorstehende Ausgestaltung des drehbaren Kopplerteils 160, 18, 34 kann eine Armierung der Kreissegmente 16 des zweiten Kernteils somit weggelassen werden, wodurch den Anforderungen an einen geringen Bauraum sowie an eine hohe Energieeffizienz ausreichend Rechnung getragen werden kann. Aufgrund der schwimmenden Lagerung der jeweiligen Kreissegmente 16 des zweiten Kernteils 160 in Zusammenwirkung mit den jeweiligen keilförmigen Vorsprüngen 50 können somit Zugspannungen in den jeweiligen Kreissegmenten 16 minimiert oder gar verhindert werden.
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9 zeigt eine Darstellung eines Kreissegments 16 eines Kernteils 160 eines drehbaren Kopplerteils unter Rotationsbeanspruchung. Wie aus 9 ersichtlich ist, verformt sich der Schenkel des C-Profil-förmigen Kreissegments 16 bei entsprechend hoher Drehzahl, wenn die als Auflager dienenden Vorsprünge 50 fehlen. Dies hat zu Folge, dass zumindest lokal Zugspannungen und Biegespannungen in den Kreissegmenten 13 auftreten, was insbesondere im Hinblick auf den Einsatz von Ferritkernteilen problembehaftet ist. Auch wenn der Rotorferrit als geschlossener Ring ausgeführt wäre, würden in diesem Fall Zugspannungen im ferritischen Kernteil herrschen. Aufgrund der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung des drehbaren Kopplerteils 160, 18, 34 kann ein derartiger Spannungszustand in dem zweiten Kernteil 160 bzw. in den Kreissegmenten aufgrund der Vorsprünge 50 jedoch zumidnest teilweise oder nahezu vollständig unterbunden werden.
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In den 10a–c und 11 ist das feststehende Kopplerteil 12, 14, 32 in unterschiedlichen Ausführungsformen dargestellt. Das feststehende Kopplerteil 12, 14, 32 ist grundsätzlich derart aufgebaut, dass das erste Kernteil 12 als in Drehrichtung bzw. Umfangsrichtung in Bezug auf die Achse angeordneter Kreisring im Falle von den 10a–c oder als in Drehrichtung bzw. Umfangsrichtung in Bezug auf die Achse angeordnete Kreisringsegmente, vorzugsweise in Drehrichtung in Bezug auf die Achse voneinander beabstandete Kreisringsegmente, im Falle von 11 ausgebildet ist, wobei der Kreisring bzw. die Kreisringsegmente im Querschnitt in axialer Richtung im Wesentlichen C-profilförmig ausgebildet ist bzw. sind und von dem ersten Trägerelement 32 gehaltert ist bzw. sind. Dabei ist das erste induktive Element 14 als Kreisring ausgebildet, der in diesem Fall mehrere zumindest abschnittsweise in Drehrichtung in Bezug auf die Achse verlaufende nicht dargestellte Wicklungen aufweist. Insbesondere ist das erste induktive Element 14 als eine Kreisringleiterplatte bzw. Kreisringplatine ausgebildet, die mehrere in Umfangsrichtung in Bezug auf die Achse verlaufende Wicklungen bzw. Leiter aufweist, die im Wesentlichen parallel zu einer radial und in Umfangsrichtung verlaufenden Stirnfläche des ersten Kernteils 12 bzw. zu den jeweiligen Stirnflächen der jeweiligen Kreisringsegmente des ersten Kernteils 12 verlaufen.
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Wie aus den 2 bis 11 ersichtlich ist, sind das erste und das zweite induktive Element 14 und 18 in diesem Fall als plane kreisringförmige Leiterplatten bzw. Platinen ausgebildet. Insbesondere sind das erste induktive Element 14 und das zweite induktive Element 18 derart an dem jeweiligen ersten und zweiten Kernteil 12 und 16 angeordnet, dass deren Abmessung in radialer Richtung in Bezug auf die Achse größer als deren Abmessung in axialer Richtung in Bezug auf die Achse ist, wie insbesondere in 1 zu erkennen ist. Mit anderen Worten ist die Dicke (Erstreckung in die axiale Richtung) der jeweiligen Leiterplatten geringer als die radiale Erstreckung eines Kreisringabschnitts der Leiterplatte.
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Weiterhin zeigen 12 eine schematische Darstellung eines vergrößerten Abschnitts des erfindungsgemäßen induktiven Drehübertragers 10 von 1 und 13 eine schematische Darstellung eines vergrößerten Abschnitts von 12.
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Wie aus der 1 und insbesondere aus den 12 und 13 ersichtlich ist, bilden das erste und zweite Kernteil 12 und 16 , deren C-Schenkel einander zugewandt sind, einen Transformatorkern mit zwei radial und in Drehrichtung in Bezug auf die Achse verlaufenden Luftspalten 30 zur Führung eines radialen magnetischen Flusses aus, wodurch eine Energieübertragung zwischen dem ersten induktiven Element 14 und dem zweiten induktiven Element 18 ermöglicht wird, indem ein von dem ersten induktiven Element 14 erzeugtes Magnetfeld den Transformatorkern sowie die zwei Spalte 30 durchsetzt und dabei eine elektromagnetische Induktion bei dem zweiten induktiven Element 18 bewirkt.
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Wie insbesondere in den 12 und 13 zu erkennen ist, sind das erste und zweite Kernteil 12 und 16 derart ausgebildet, dass ein von dem ersten induktiven Element 14 erzeugtes Magnetfeld den Transformatorkern sowie die zwei Spalte 30 derart durchsetzt, dass ein magnetischer Kreis ausgebildet wird, der in Bezug auf die Achse zumindest abwechselnd radial und axial verläuft. Dabei werden die radialen Spalte 30 insbesondere von einem radial verlaufenden magnetischen Fluss durchsetzt.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist das erste Kernteil 12 als Teil des feststehenden Kopplerteils ebenso ein feststehendes Teil in Bezug auf den Elektromotor und das zweite Kernteil 160 als Teil des drehbaren Kopplerteils ein Teil eines Rotors des Elektromotors, so dass ermöglicht wird, die Energieübertragung von dem als Primärwicklung ausgebildeten ersten induktiven Element 14 auf das als Sekundärwicklung ausgebildete zweite induktive Element 18 zur Energieversorgung des Rotors des Elektromotors, insbesondere zur Energieversorgung von Rotorwicklungen, zu bewerkstelligen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind das erste und zweite Kernteil 12 und 160 derart ausgebildet, dass das zweite Kernteil 160 von dem ersten Kernteil 12 zur Ausbildung des Transformatorkerns so umgeben wird, dass die zwei radial und in Drehrichtung in Bezug auf die Achse verlaufende Spalte 30 zur radialen magnetischen Flussführung ausgebildet werden, so dass schließlich ein Transformatorkern mit nahezu ausschließlich radial und in Drehrichtung in Bezug auf die Achse verlaufenden Spalten 30 ausgebildet wird, die von einem radial verlaufenden Magnetfeld durchsetzt werden. Dabei sind das erste und zweite induktive Element 14 und 18 einander axial zugewandt und nur geringfügig axial voneinander beabstandet. Insbesondere umgeben die Schenkel des C-förmigen ersten Kernteils 12 die Schenkel des C-förmigen dem ersten Kernteil 12 zugewandten zweiten Kernteils 160 zur Ausbildung der zwei radialen Spalte 30.
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Somit kann der induktive Drehübertrager 10 insbesondere mit im Vergleich zum Stand der Technik äußerst geringer axialer Bauteillänge ausgebildet werden.
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Im Betrieb des induktiven Drehübertragers 10 wird das erste induktive Element 14 mit einer Wechselspannung beaufschlagt, was nach dem Transformatorprinzip zu einer elektromagnetischen Induktion bei dem zweiten induktiven Element 18 führt, wodurch eine entsprechende Wechselspannung zur Stromversorgung der Wicklungen des Rotors des Elektromotors bei dem zweiten induktiven Element 18 induziert wird. Selbstverständlich kann die Energieübertragung bei drehendem Rotor des Elektromotors aufgrund des mitdrehenden zweiten Kopplerteils 160, 18, 34 fortgeführt werden.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0680060 A1 [0008]
- EP 680060 A1 [0009]
- DE 102006057150 A1 [0013]
