DE102015221443A1

DE102015221443A1 - Rotor for synchronous machine or for asynchronous machine

Info

Publication number: DE102015221443A1
Application number: DE102015221443.5A
Authority: DE
Inventors: Holger Witt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-11-03
Filing date: 2015-11-03
Publication date: 2017-05-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (1) für eine Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) zur kontaktlosen Energieübertragung zusätzliche Wicklungen (4) aufweist, um einen mit dem Rotor (1) mitdrehenden Verbraucher anzusteuern.The invention relates to a rotor (1) for a synchronous machine or an asynchronous machine, characterized in that the rotor (1) for contactless energy transmission has additional windings (4) in order to drive a consumer rotating with the rotor (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Synchronmaschine oder für eine Asynchronmaschine.The invention relates to a rotor for a synchronous machine or for an asynchronous machine.

Rotoren für Synchronmaschinen oder für Asynchronmaschinen, die einen mitdrehenden Verbraucher ansteuern, sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt.Rotors for synchronous machines or for asynchronous machines, which drive a rotating consumer, are already known from the prior art.

Trockene Kupplungen werden im Allgemeinen über einen stehenden Kupplungsaktor betätigt, wobei die Übertragung vom stehenden Kupplungsaktor zur rotierenden Kupplung mittels eines Ausrücklagers erfolgt. Nasse Kupplungen werden im Allgemeinen von einem mitdrehenden hydraulischen Kolben betätigt, wobei die Druckversorgung mittels einer Pumpe und/oder anderen hydraulischen erfolgt, welche sich stehend im Motorraum angeordnet sind, wobei das Hydraulische Medium mittels einer Drehdurchführung zur rotierenden Kupplung gelangt.Dry clutches are generally operated by a stationary clutch actuator, with transmission from the stationary clutch actuator to the rotary clutch via a release bearing. Wet clutches are generally actuated by a co-rotating hydraulic piston, wherein the pressure supply is effected by means of a pump and / or other hydraulic, which are arranged standing in the engine compartment, wherein the hydraulic medium passes through a rotary feedthrough to the rotating clutch.

Ein mitdrehender elektrischer Kupplungsaktor scheitert an der Energieversorgung des Aktors, welcher kurzzeitig über 100 Watt benötigt. Lösungen für die Energieversorgung mittels Schleifkontakten scheitern am Verschleiß und mittels eines kontaktlosen Übertragers scheitern bei dieser Leistung an der Baugröße und den zusätzlichen Kosten. A co-rotating electrical clutch actuator fails due to the power supply of the actuator, which briefly requires over 100 watts. Solutions for the power supply by means of sliding contacts fail because of wear and by means of a contactless transformer fail in this performance on the size and the additional cost.

Es besteht somit die technische Aufgabe, einen Rotor für eine Synchronmaschine oder für eine Asynchronmaschine zur Überwindung der Nachteile aus dem Stand der Technik bereitzustellen.It is therefore the technical task to provide a rotor for a synchronous machine or for an asynchronous machine to overcome the disadvantages of the prior art.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß insbesondere gelöst durch einen Rotor für eine Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine, wobei der Rotor zusätzliche Wicklungen aufweist, um einen mit dem Rotor mitdrehenden Verbraucher anzusteuern.The object is achieved in particular by a rotor for a synchronous machine or an asynchronous machine, wherein the rotor has additional windings to drive a co-rotating with the rotor consumer.

Weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.Further embodiments according to the invention can be found in the dependent claims.

Durch das Vorsehen des Rotors für eine E-Maschine lassen sich elektrische Verbraucher, die auf dem Rotor oder mit dem Rotor mitdrehend angeordnet sind, auf einfache Weise versorgen. Diese zusätzlichen Wicklungen sind so auf dem Rotor angeordnet, dass in diesen Wicklungen aufgrund der magnetischen Koppelung zum Magnetfeld bzw. Drehfeld des Stators eine nutzbare Spannung induziert wird. Ein Teil der elektrischen Leistung welche den Stator versorgt steht somit auf dem Rotor als nutzbare elektrische Leistung zur Verfügung.By providing the rotor for an electric machine, electrical consumers arranged on the rotor or rotating with the rotor can be supplied in a simple manner. These additional windings are arranged on the rotor such that a usable voltage is induced in these windings due to the magnetic coupling to the magnetic field or rotating field of the stator. A part of the electrical power which supplies the stator is thus available on the rotor as usable electric power.

Vorzugsweise ist der Verbraucher ein Sensor oder in Aktor, insbesondere ein Kupplungsaktor. Bevorzugt erfolgt bei der Energieübertragung eine Informationsübertragung zur Ansteuerung des mitdrehenden Verbrauchers. Preferably, the consumer is a sensor or actor, in particular a clutch actuator. In the energy transmission, an information transmission for controlling the co-rotating consumer preferably takes place.

Bevorzugt ist eine Kupplung von einem sich mitdrehenden Verbraucher ansteuerbar. Besonders bevorzugt sind weitere Kupplungen mittels des mitdrehenden Kupplungsaktors ansteuerbar ist. Im Fall von Synchron-E-Maschinen mit permanentmagneten kann die Energieübertragung zur optimierten Ansteuerung der Statorwicklungen zur Reduzierung von Verlusten verwendet werden.Preferably, a clutch can be controlled by a co-rotating consumer. Particularly preferred further couplings can be controlled by means of the co-rotating clutch actuator. In the case of synchronous E machines with permanent magnets, the energy transfer can be used to optimize the control of the stator windings to reduce losses.

Vorzugsweise ist unter einer Wicklung eine Spule zu verstehen. Bevorzugt werden bei Synchronmaschinen mit Permanentmagneten auf dem Rotor zusätzliche Wicklungen angeordnet, wobei diese Wicklungen so angeordnet sind, dass ein schwankender magnetischer Fluss durch die einzelnen Dauermagneten verursacht durch die Überlagerung der Magnetfelder der Dauermagneten und des elektrisch erzeugten Magnetfeldes des Stators zu einer induzierten Spannung in den Spulen führt. Unter idealen Voraussetzungen ist der magnetische Fluss durch die einzelnen Permanentmagnete konstant und induziert demnach keine nutzbaren Spannungen. Jedoch aufgrund verschiedener Effekte wie z.B. Art der Ansteuerung der Statorwindungen, getaktete Stromversorgung der Statorspulen, diskontinuierliche Stator- und Rotorgeometrie in Umfangsrichtung (Übergänge von einem Polschuh zum nächsten), schwankendes Luftspaltmaß zwischen Rotor und Stator, Fertigungstoleranzen, etc. treten Schwankungen des magnetischen Flusses je einzelnen Permanentmagnet auf, welche hier genutzt werden. Preferably, a winding is to be understood as meaning a coil. In synchronous machines with permanent magnets, additional windings are preferably arranged on the rotor, wherein these windings are arranged such that a fluctuating magnetic flux through the individual permanent magnets caused by the superposition of the magnetic fields of the permanent magnets and the electrically generated magnetic field of the stator to an induced voltage in the Coils leads. Under ideal conditions, the magnetic flux through the individual permanent magnets is constant and thus induces no usable voltages. However, due to various effects, e.g. Type of control of the stator windings, clocked power supply of the stator coils, discontinuous stator and rotor geometry in the circumferential direction (transitions from one pole piece to the next), fluctuating air gap between rotor and stator, manufacturing tolerances, etc. occur fluctuations in the magnetic flux per individual permanent magnet, which here be used.

Bevorzugt umlaufen bei den Synchronmaschinen einzelne Spulen des Rotors einzelne Dauermagnete so, dass durch den jeweiligen Magneten und die zugehörige Spule ein gemeinsamer magentischer Fluss fließt. Für die Anordnung der Wicklungen wird der technisch notwendige Spalt zwischen den Permanentmagneten genutzt und die Wicklungen in diesen Nuten verlegt, so dass nur an den Stirnflächen des Rotors Platz für die Wicklungen benötigt wird.In the case of synchronous machines, individual coils of the rotor preferably rotate around individual permanent magnets in such a way that a common magnetic flux flows through the respective magnet and the associated coil. For the arrangement of the windings, the technically necessary gap between the permanent magnets is used and the windings are laid in these grooves, so that space is required for the windings only at the end faces of the rotor.

Alternativ verlaufen einzelne Spulen mäanderförmig um verschiedene Magnete, so dass sich der Fluss verschiedener Stator-Polschuhe mit gemeinsamen Phasen aufaddieren.Alternatively, individual coils meander around different magnets, so that the flux of different stator pole pieces with common phases add up.

Vorzugsweise sind bei den Asynchronmaschinen mitdrehende Energiespeicher direkt anzapfbar, um weitere elektrische Verbraucher auf dem Rotor zu versorgen. In the case of the asynchronous machines, preferably co-rotating energy stores can be tapped directly in order to supply further electrical consumers on the rotor.

Alternativ sind ergänzend zum Kurschlusskäfig eine Spule oder mehrere weitere Spulen auf dem Rotor angeordnet, wobei diese weiteren Spulen so angeordnet sind, dass in diesen Spulen aufgrund des Schlupfes zwischen Rotordrehung und Statordrehfeld direkt eine Spannung induziert wird, oder alternativ diese Spulen magnetisch mit Teilen der Leiter des Kurschlusskäfigs magnetisch gekoppelt sind und aufgrund des Transformatoreffektes zwischen dem Leiterteil des Kurschlusskäfig und den Spulen eine Spannung in den Spulen induziert wird, oder eine Kombination der beiden Induktionseffekten ausgenutzt wird.Alternatively, a coil or a plurality of further coils are arranged on the rotor in addition to the short circuit cage, wherein these other coils are arranged so that in these coils due to the Slippage between rotor rotation and stator rotary field directly a voltage is induced, or alternatively, these coils are magnetically magnetically coupled with parts of the conductors of the short circuit cage and due to the transformer effect between the conductor part of the short-circuit cage and the coils, a voltage in the coil is induced, or a combination of the two Induction effects is exploited.

Vorzugsweise erfolgt ein Erhöhen der verfügbaren induzierten elektrischen Leistung mittels Variation der Ansteuerung der Statorwindungen, so dass die Schwankungen der magnetischen Flüsse durch einzelne oder mehrere Spulen gezielt erhöht werden. z.B. Variieren des Stromes einer Statorphase, wenn diese gerade aufgrund der Winkellage des Rotors kein oder nur ein geringes Drehmoment am Rotor erzeugt.Preferably, the available induced electrical power is increased by varying the driving of the stator windings, so that the fluctuations of the magnetic fluxes are selectively increased by one or more coils. e.g. Varying the current of a stator when it generates just because of the angular position of the rotor no or only a small torque on the rotor.

Bevorzugt werden bei Synchronmaschinen die Rotorverluste minimiert, indem mittels Optimierung der Ansteuerung des Stators die induzierte Spannung in den rotorseitigen zusätzlichen Wicklungen minimiert wird.In synchronous machines, the rotor losses are preferably minimized by minimizing the induced voltage in the rotor-side additional windings by optimizing the driving of the stator.

Vorzugsweise erfolgt ein Realisieren einer Datenübertragung zwischen Stator und Rotor, indem der Ansteuerung der Statorwicklungen ein Datensignal aufmoduliert wird (z.B. Frequenzmodulation und / oder Phasenmodulation) und dieses aufmodulierte Signal in den rotorseitigen zusätzlichen Wicklungen empfangen wird und in einer Auswertelektronik die Daten rausgefiltert werden. Preferably, a data transmission between stator and rotor is implemented by modulating the control of the stator windings on a data signal (for example frequency modulation and / or phase modulation) and receiving this modulated signal in the rotor-side additional windings and filtering out the data in an electronic evaluation system.

Vorzugsweise erfolgt eine Realisieren einer Datenübertragung zwischen Rotor und Stator, indem die rotorseitigen zusätzlichen Wicklungen gezielt angesteuert werden, so dass diese Spannungen in den Statorwicklungen induzieren, welche mittels einer Auswerteelektronik auf der Statorseite ausgewertet werden können.Preferably, a data transmission between the rotor and the stator is realized by selectively controlling the rotor-side additional windings, so that these induce voltages in the stator windings, which can be evaluated by means of evaluation electronics on the stator side.

Mögliche Verwendungszwecke der Datenübertagung sind bevorzugt Befehle an Aktoren auf der Rotorseite (z.B. betätigen der Kupplung), Rückübertragung von Quittiersignalen, Betriebszustände (z.B. Kupplung geschlossen) und Messwerten (z.B. Rotortemperatur).Possible uses of the data transfer are preferably commands to actuators on the rotor side (e.g., actuating the clutch), retransmission of acknowledgment signals, operating conditions (e.g., clutch closed), and measurements (e.g., rotor temperature).

Die Erfindung wird nun beispielhaft durch Figuren veranschaulicht. Es zeigen:The invention will now be exemplified by figures. Show it:

1 eine Ansicht auf den Rotor einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, 1 a view of the rotor of a permanent magnet synchronous machine,

2 einen schematischen Schnitt durch den Rotor und Stator zur Steigerung der verfügbaren Leistung auf den Rotor, 2 a schematic section through the rotor and stator to increase the available power to the rotor,

3 ein Schaubild zur Reduzierung von Rotorverlusten, 3 a graph for reducing rotor losses,

4 ein Diagramm zur Datenübertragung vom Stator auf den Rotor, 4 a diagram for data transmission from the stator to the rotor,

5 ein Schaubild zur Energie- und Datenübertragung einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, 5 a diagram for the energy and data transmission of a permanent magnet synchronous machine,

6 eine Ansicht auf den Rotor einer Asynchronmaschine und 6 a view on the rotor of an asynchronous machine and

7 eine Ansicht auf den alternativen Rotor einer Asynchronmaschine. 7 a view of the alternative rotor of an asynchronous machine.

1 zeigt eine Ansicht auf den Rotor einer permanentmagneterregten Synchronmaschine mit einem Träger 2 mit Permanentmagneten 3 und zusätzlichen Wicklungen 4 für die kontaktlose Energie- und Datenübertragung. 1 shows a view of the rotor of a permanent magnet synchronous machine with a carrier 2 with permanent magnets 3 and additional windings 4 for contactless energy and data transmission.

Die Permanentmagnete 3 sind durch Nuten 6, voneinander getrennt. Die Nuten 6 verlaufen in einer axialen Längsrichtung A des Rotors 1. Die zusätzlichen Wicklungen 4 weisen einen geschlossenen Querschnitt auf. Die zusätzlichen Wicklungen 4 sind um die Permanentmagnete 3 in den Nuten 6 eingesetzt bzw. angeordnet. Wickelköpfe 5 der zusätzlichen Wicklungen 4 ragen über eine Breite des Rotors 1 in axialer Längsrichtung A hinausragen. Da der Stator breiter als ein Rotor 1 baut, ist dieses Volumen verfügbar. The permanent magnets 3 are through grooves 6 , separated from each other. The grooves 6 extend in an axial longitudinal direction A of the rotor 1 , The additional windings 4 have a closed cross-section. The additional windings 4 are around the permanent magnets 3 in the grooves 6 used or arranged. winding heads 5 the additional windings 4 project over a width of the rotor 1 protrude in the axial longitudinal direction A. Because the stator is wider than a rotor 1 builds, this volume is available.

In 2 ist eine Möglichkeit gezeigt einzelne Statorwicklungen speziell anzusteuern, um die verfügbare elektrische Leistung auf dem Rotor 1 zu erhöhen ohne die mechanische Leistung der E-Maschine zu erhöhen.In 2 One way of showing individual stator windings is to control the available electrical power on the rotor 1 increase without increasing the mechanical power of the electric motor.

Mittels spezieller Ansteuerung des Stators 15 kann die verfügbare elektrische Leistung auf dem Rotor 1 gezielt erhöht werden. Dies kann bspw. mittels Pulsen einer Wicklung, welche aktuell nur minimales Drehmoment erzeugt oder mittels Erregen der Spulen mit einer zur Rotordrehung nicht synchronen Frequenz erfolgen. So kann auf dem Rotor auch elektrische Energie erzeugt werden, wenn die E-Maschine z.B. steht oder nur geringe mechanische Leistung abgibt.By means of special control of the stator 15 can the available electrical power on the rotor 1 be increased specifically. This can be done, for example, by means of pulses of a winding which currently produces only minimal torque or by means of energizing the coils with a frequency that is not synchronous to the rotor rotation. For example, electrical energy can also be generated on the rotor when the electric motor is stopped, for example, or when it emits only little mechanical power.

Um die Rotorverluste mittels der zusätzlichen Wicklungen auf dem Rotor zu reduzieren, ist ein logischer Aufbau als Schaubild in 3 gezeigt.In order to reduce the rotor losses by means of the additional windings on the rotor, a logical construction is shown in graph 3 shown.

Die für die Stromversorung auf dem Rotor ausgenutzten Schmutzeffekte des magnetischen Flusses sind für einen Teil der Verluste der E-Maschine verantwortlich (z.B. Wirbelstromverluste im Rotor). Demnach existiert eine Korrelation zwischen der induzierten Spannung bzw. des induzierten Stroms in den rotorseitigen Wicklungen und den Verlusten im Rotor. Bei 10 KW Leistung der E-Maschine reichen ca. 1% bis 2% Schmutzeffekte für 100 Watt elektrische Leistung im Rotor.The dirty effects of the magnetic flux used for the power supply on the rotor are responsible for some of the losses of the electric motor (eg eddy current losses in the rotor). Thus, there is a correlation between the induced voltage or the induced current in the rotor-side windings and the losses in the rotor. At 10 kW power of the e-machine, about 1% to 2% of the dirt effects for 100 watts of electrical power in the rotor are sufficient.

Die Rotorverluste werden minimiert, indem die Ansteuerung der Statorwicklungen so erfolgt, dass die in den Rotorwicklungen induzierte Spannung bzw. Strom minimal wird. Diese Abstimmung kann z.B. vor der Auslieferung Werksseitig erfolgen oder mittels eines Suchalgorithmus oder selbstlernender bzw. adaptivem Algorithmus im laufenden Betrieb erfolgen. Die Optimierung im Betrieb stellt auch sicher, dass zusätzlich zu den Fertigungstoleranzen auch Effekte aufgrund des Betriebspunktes oder aufgrund der Alterung der Komponenten kompensiert bzw. berücksichtigt werden.The rotor losses are minimized by driving the stator windings so that the voltage or current induced in the rotor windings becomes minimal. This tuning may e.g. before delivery Delivered by the factory or by means of a search algorithm or self-learning or adaptive algorithm during operation. Optimization during operation also ensures that, in addition to the manufacturing tolerances, effects due to the operating point or due to the aging of the components are also compensated or taken into account.

Bei Bedarf können zusätzlich zu den Verlusten weitere Messwerte aus den Spannungs- bzw. Stromsignalen ausgewertet werden und somit andere Sensoren ergänzt oder ersetzt werden.If required, in addition to the losses, further measured values from the voltage or current signals can be evaluated and thus other sensors can be supplemented or replaced.

4 zeigt den Signalverlauf der PWM-Ansteuerung der einzelnen Statorwicklungen mit einer möglichen Phasen-Modulation der zu übertragenen Daten. 4 shows the waveform of the PWM control of the individual stator windings with a possible phase modulation of the data to be transmitted.

Ergänzend zur Energieübertragung zum Rotor können die Statorspulen zusammen mit den Rotorspulen und einer geeigneten Elektronik auch zur Datenübertragung verwendet werden. Hierfür werden mittels verschiedener Modulationsmöglichkeiten der elektrischen Erregung der Statorspulen (im folgenden Leistungsphasen genannt) Daten aufmoduliert. Die statorseitig eingespeisten Daten erzeugen mittels Induktion ein entsprechendes Spannungs- bzw. Stromsignal in den rotorseitigen Spulen. Diese Spannungs- bzw. Stromsignale werden mittels einer Auswerteelektronik rotorseitig gefiltert und interpretiert.In addition to the energy transfer to the rotor, the stator coils can be used together with the rotor coils and a suitable electronics for data transmission. For this purpose, data are modulated by means of various modulation options of the electrical excitation of the stator coils (hereinafter called power phases). The stator-fed data generate by induction a corresponding voltage or current signal in the rotor-side coils. These voltage or current signals are filtered and interpreted on the rotor side by means of evaluation electronics.

Als Modulationsmöglichkeiten bieten sich besonders die Frequenz- und/oder die Phasenmodulation der Schaltfrequenz und oder der Stromimpulse des PWM-Umrichters an. As modulation options are particularly the frequency and / or the phase modulation of the switching frequency and or the current pulses of the PWM inverter on.

Hierfür kann besonders ausgenutzt werden, dass die Erzeugung des Drehfeldes im Stators meistens mittels drei oder mehr Leistungs-/Ansteuerphasen erfolgt. So kann z.B. als Modulationssignal eine Phasenverschiebung oder Frequenzvariation auf nur einigen der Leistungsphasen erfolgen, während andere Leistungsphasen als Referenz dienen oder z.B. entgegengesetzt moduliert werden. Hierdurch kann die Fehlerwahrscheinlichkeit der Datenübertragung reduziert werden.For this purpose, it can be particularly utilized that the generation of the rotating field in the stator usually takes place by means of three or more power / drive phases. Thus, e.g. as a modulation signal, a phase shift or frequency variation occurs on only some of the power phases while other power phases serve as a reference, or e.g. be modulated opposite. As a result, the error probability of the data transmission can be reduced.

Wobei zwei Phasen als Referenz dienen und das PWM-Signal der dritten Leistungsphase entsprechend der Daten zeitlich verschoben wird. Im diesem Beispiel bedeutet eine zeitlich verspätete steigende Flanke eine logische 1 und eine mit den weiteren Leistungsphasen synchrone steigende Flanke eine logische "0".Where two phases are used as a reference and the PWM signal of the third power phase is shifted in time according to the data. In this example, a time-delayed rising edge means a logic 1 and a rising edge synchronous with the other power phases means a logic "0".

Durch die Verwendung von zwei Leistungsphasen als Referenz (die Referenzen haben synchron steigende Flanken) und nur einer Leistungsphase für die Daten kann je Flanke einfach erkannt werden welche Leistungsphase die Daten enthält und welche als Referenzen dienen. Dies ist vorteilhaft, wenn nicht immer die gleiche Leistungsphase die Daten enthält. Zeiten ohne Datenübertragung können z.B. gekennzeichnet werden, indem die steigenden Flanken aller Phasen zueinander zeitlich versetzt sind (in der Figur nicht dargestellt). By using two power phases as reference (the references have synchronously rising edges) and only one power phase for the data, it is easy to identify for each edge which power phase the data contains and which serve as references. This is advantageous if the same power phase does not always contain the data. Times without data transmission can e.g. be characterized by the rising edges of all phases are mutually offset in time (not shown in the figure).

Eine Datenübertragung vom Rotor zum Stator kann z.B. während der Zeiten wo eine der Leistungsphasen gerade spannungs- und / oder stromlos ist erfolgen. Während dieser Zeiten wird / werden die Rotor-Wicklungen, welche gerade eine günstige magnetisch Kopplung mit den strom- bzw. spannungslosen Statorwicklungen aufweisen, angesteuert um Daten zur Statorwicklung zu übertragen. Die angesteuerten Rotorwicklungen induzieren in den Statorwicklungen ein Spannungs- und oder Stromsignal, welches mittels einer Auswertelektronik statorseitig aufbereitet werden. Data transmission from the rotor to the stator may e.g. during the periods where one of the power phases is currently voltage and / or de-energized done. During these times, the rotor windings, which currently have a favorable magnetic coupling with the current or voltageless stator windings, are / are driven to transmit data to the stator winding. The driven rotor windings induce a voltage and / or current signal in the stator windings, which are processed by an evaluation electronics on the stator side.

Alternativ kann eine Datenübertragung vom Rotor zum Stator mittels einer Feldschwächung und oder Feldstärkung einzelner Magnete umgesetzt werden. Die relativ zum Stator sich bewegende Permanentmagnete induzieren in den Statorwicklungen eine Spannung welche gemessen bzw. ausgewertet werden kann. Beziehungsweise wird durch diese induzierte Spannung die resultierende Stromstärke in der Statorwicklung beeinflusst (aufgrund der Überlagerung der induzierten Spannung und der Ansteuerung der Statorwicklung).Alternatively, a data transmission from the rotor to the stator can be implemented by means of a field weakening and / or field strengthening of individual magnets. The moving relative to the stator permanent magnets induce in the stator windings a voltage which can be measured or evaluated. Respectively, the induced current in the stator winding is influenced by this induced voltage (due to the superposition of the induced voltage and the driving of the stator winding).

Die Feldschwächung bzw. Feldstärkung einzelner oder mehrerer Permanentmagnete erfolgt mittels aktiver Ansteuerung der entsprechenden Wicklungen auf dem Rotor. Die benötigte Energie für die Ansteuerung der zusätzlichen Wicklungen auf dem Rotor wird bezogen aus einem Energiespeicher, welcher bereits zeitlich vorher unter Verwendung der Energieübertragung zum Rotor aufgeladen wurde. Die Statorwicklungen und die Rotorwicklungen werden sowohl für die Energieübertragung als auch für die Datenübertragung verwendet.The field weakening or field strengthening of one or more permanent magnets takes place by means of active control of the corresponding windings on the rotor. The energy required to drive the additional windings on the rotor is taken from an energy store which has already been charged in advance using the energy transfer to the rotor. The stator windings and the rotor windings are used both for power transmission and for data transmission.

Alternativ kann eine Datenübertragung vom Rotor zum Stator mittels eines gezielten Kurzschließens einzelner Rotor-Wicklungen umgesetzt werden. Dies bewirkt, dass sich die Impedanz der aktuell mit der Rotorwicklung magnetisch gekoppelten Statorwicklung verändert. Diese Veränderung kann wiederrum gemessen, ausgewertet und interpretiert werden. Vorteil bei dieser Variante, ist, dass weniger Energie für die Ansteuerung der Rotor-Wicklungen benötigt wird.Alternatively, a data transmission from the rotor to the stator can be implemented by means of a targeted short-circuiting of individual rotor windings. This causes the impedance of the stator winding magnetically coupled to the rotor winding to change. This change can in turn be measured, evaluated and interpreted. The advantage of this variant is that less energy is needed to drive the rotor windings.

Die Datenübertragung vom Rotor zum Stator dient für die Übertragung von Quittiersignalen, allgemeinen Statusmeldungen, Messwerten, etc. So kann z.B. mittels eines Temperatursensors auf dem Rotor direkt die Rotor-Temperatur gemessen werden und somit E-Maschine mit höherer Leistung und geringeren Sicherheitsfaktoren betrieben werden.The data transmission from the rotor to the stator is used for the transmission of acknowledgment signals, general status messages, measured values, etc. Thus, e.g. By means of a temperature sensor on the rotor directly the rotor temperature can be measured and thus E-machine can be operated with higher performance and lower safety factors.

In 5 ist schematisch eine mögliche Kombination von Funktionsbausteinen um für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine eine Energie- und Datenübertragung zum Rotor aufzubauen gezeigt. In 5 schematically is a possible combination of functional modules to build up a power and data transmission to the rotor for a permanent magnet synchronous machine.

Eine übergeordnete Steuerung übergibt Sollwerte für Drehmoment und Drehzahl für die permanentmagneterregte Synchronmaschine an die Stator-Steuerelektronik. Zusätzlich werden Befehle für die Rotor-Steuerelektronik als Daten übergeben. Die Stator-Steuerelektronik erzeugt die Steuersignale für die Leistungselektronik welche Frequenz- und / oder Phasenmoduliert auch die Daten an die Stator-Steuerelektronik enthalten. Die Leistungselektronik wird z.B. von der KFZ-Batterie versorgt und bestromt die Stator-Wicklungen gemäß den Steuersignalen der Stator-Steuerelektronik.A higher-level controller transfers setpoint values for torque and speed for the permanent-magnet-excited synchronous machine to the stator control electronics. In addition, commands for the rotor control electronics are transferred as data. The stator control electronics generates the control signals for the power electronics which frequency and / or phase modulated also contain the data to the stator control electronics. The power electronics are e.g. supplied by the car battery and energized the stator windings according to the control signals of the stator control electronics.

Das Magnetfeld der Stator-Wicklungen wirkt auf die Rotormagnete und auf die Rotor-Wicklungen. In den Rotor-Wicklungen wird eine Spannung induziert welche über den Gleichrichter Kondensator auflädt. Sobald der Kondensator ausreichend aufgeladen ist, beginnt der Spannungsregler die Rotor-Steuerelektronik zu versorgen und die Rotor-Steuerelektronik beginnt zu arbeiten. Anhand der Spannungs- und Strommessungen wertet die Rotor-Steuerelektronik die auf modulierten Daten aus und führt diese Befehle aus. Zusätzlich wertet die Rotorsteuerelektronik die eventuellen weiteren rotorseitigen Sensoren aus. Bei Bedarf sendet die Rotor-Steuerelektronik Daten (z.B. Betriebszustand, Quittiersignale, Messwerte, etc.) zurück an die Stator-Steuerelektronik. Hierfür gibt die Rotor-Steuerelektronik Steuersignale an den Steuerbaren Gleichrichter, so dass dieser gezielt Rotor- Wicklungen ansteuert (z.B. kurzschließen und / oder bestromen einzelner oder mehrere Wicklungen).The magnetic field of the stator windings acts on the rotor magnets and on the rotor windings. In the rotor windings, a voltage is induced which charges via the rectifier capacitor. Once the capacitor is sufficiently charged, the voltage regulator begins to power the rotor control electronics and the rotor control electronics begin to operate. Based on the voltage and current measurements, the rotor control electronics evaluates the modulated data and executes these commands. In addition, the rotor control electronics evaluates any further rotor-side sensors. When required, the rotor control electronics sends data (e.g., operating status, acknowledgment signals, readings, etc.) back to the stator control electronics. For this purpose, the rotor control electronics are control signals to the controllable rectifier, so that this targeted rotor windings controls (for example, short circuit and / or energize single or multiple windings).

Aufgrund der magnetischen Koppelung induzieren die Rotor-Wicklungen eine Spannung in den Stator-Wicklungen. Mittels der statorseitigen Spannungs- und Strommessung kann die Stator-Steuerelektronik die Daten rekonstruieren und bei Bedarf an die übergeordnete Steuerung weiterleiten.Due to the magnetic coupling, the rotor windings induce a voltage in the stator windings. By means of the stator-side voltage and current measurement, the stator control electronics can reconstruct the data and, if necessary, forward it to the higher-level control.

6 zeigt eine Ansicht auf den Rotor 1 einer Asynchronmaschine mit den zusätzlichen Wicklungen 4 für die Energieübertragung zum Rotor 1, wobei die zusätzlichen Wicklungen 4 direkt mit Stator-Wicklungen gekoppelt sind. Die Wicklungen 4 weisen einen geschlossenen Querschnitt auf. Der Rotor 1 ist als ein Kurzschlusskäfig ausgebildet. Der Rotor 1 weist zwei Ringleiter 7, 8 und die Ringleiter 7, 8 verbindende Längsleiter 9 auf. Die zusätzlichen Wicklungen 4 sind in Aussparungen 12 an Stirnseiten 11 des Ringleiters 7 in einer axialen Längsrichtung A des Rotors 1 eingesetzt. Wickelköpfe 5 der zusätzlichen Wicklungen 4 ragen über die Ringleiter 7, 8 in der axialen Längsrichtung A hinaus. 6 shows a view of the rotor 1 an asynchronous machine with the additional windings 4 for the energy transfer to the rotor 1 where the additional windings 4 directly coupled to stator windings. The windings 4 have a closed cross-section. The rotor 1 is designed as a short-circuit cage. The rotor 1 has two ring conductors 7 . 8th and the ring conductors 7 . 8th connecting longitudinal conductors 9 on. The additional windings 4 are in recesses 12 at front ends 11 of the ring conductor 7 in an axial longitudinal direction A of the rotor 1 used. winding heads 5 the additional windings 4 protrude over the ring conductors 7 . 8th in the axial longitudinal direction A addition.

Jeweils Teile der zusätzlichen Wicklungen 4 verlaufen parallel zu den Längsleitern 9 des Kurzschlusskäfigs. Vorzugsweise umschließt eine zusätzliche Wicklung 4 einen Winkelbereich der in der Größenordnung der Polteilung des Stators entspricht. In each case parts of the additional windings 4 run parallel to the longitudinal conductors 9 of the short-circuit cage. Preferably, an additional winding encloses 4 an angular range corresponding to the order of the pole pitch of the stator.

Die Wicklungen 4 sind dabei in eigenen Nuten 12 im Eisenkern oder zusammen mit einzelnen Längsleitern 9 des Kurzschlusskäfigs angeordnet.The windings 4 are in their own grooves 12 in the iron core or together with individual longitudinal conductors 9 arranged the shorting cage.

In 7 ist eine Ansicht auf den alternativen Rotor einer Asynchronmaschine mit den zusätzlichen Wicklungen 4 für die Energieübertragung zum Rotor 1 gezeigt. Der Rotor 1 ist als ein Kurzschlusskäfig ausgebildet. Die zusätzlichen Wicklungen 4 sind nur indirekt über Leiter des Kurzschlusskäfigs mit den Stator-Wicklungen gekoppelt. Diese Variante eignet sich vorzugsweise für kleine zu übertragene Leistungen. Die Wicklungen 4 weisen einen geschlossenen Querschnitt auf. Der Rotor 1 ist als ein Kurzschlusskäfig ausgebildet. Der Rotor 1 weist zwei Ringleiter 7, 8 und die Ringleiter 7, 8 verbindende Längsleiter 9 auf. Die zusätzlichen Wicklungen 4 des Rotors 1 sind an einer Seitenfläche 10 des ersten Ringleiters 7 ringförmig nebeneinander angeordnet. Sie ragen in radialer Richtung R in einen Bereich zwischen dem Ringkörper 7 und der Rotationsachse 15 des Rotors 1 ragen. Ferner sind ferromagnetische Bauteile 13 zur Fixierung der Wicklungen 4 an den Seitenflächen 10 der Ringleiter 7, 8 vorgesehen. Das ferromagnetische Bauteil ist ein Ferritkern oder ein andere ferromagnetisches Material mit einer geringen magnetischen Remanenz bestehend.In 7 is a view of the alternative rotor of an asynchronous machine with the additional windings 4 for the energy transfer to the rotor 1 shown. The rotor 1 is designed as a short-circuit cage. The additional windings 4 are only indirectly coupled via conductors of the short-circuit cage with the stator windings. This variant is preferably suitable for small services to be transmitted. The windings 4 have a closed cross-section. The rotor 1 is designed as a short-circuit cage. The rotor 1 has two ring conductors 7 . 8th and the ring conductors 7 . 8th connecting longitudinal conductors 9 on. The additional windings 4 of the rotor 1 are on a side surface 10 of the first ring conductor 7 arranged in a ring next to each other. They protrude in the radial direction R in a region between the annular body 7 and the rotation axis 15 of the rotor 1 protrude. Furthermore, ferromagnetic components 13 for fixing the windings 4 on the side surfaces 10 the ring conductor 7 . 8th intended. The ferromagnetic component is a ferrite core or other ferromagnetic material having a low magnetic remanence.

Die zusätzlichen Wicklungen 4 sind so angeordnet sind, dass jeweils ein Teil einer Wicklungen 4 parallel zu einem Teil eines der Kurzschlussringe 7, 8 des Kurzschlusskäfigs verläuft. Vorzugsweise wird die magnetische Koppelung so ausgelegt, dass ab einem gewissen magnetischem Fluss, das magnetische Material in seine magnetische Sättigung geht und somit die Koppelung zwischen Kurzschlussläufer und den Windungen begrenzt wird.The additional windings 4 are arranged so that each part of a windings 4 parallel to a part of one of the shorting rings 7 . 8th of the short-circuiting cage runs. Preferably, the magnetic coupling is designed so that from a certain magnetic flux, the magnetic material is in its magnetic saturation and thus the coupling between squirrel cage and the turns is limited.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Rotor rotor
22: Träger carrier
33: Permanentmagnete permanent magnets
44: Wicklung (Spule) Winding (coil)
55: Wickelkopf winding
66: Nut groove
77: Ringleiter ring conductor
88th: Ringleiter ring conductor
99: Längsleiter longitudinal conductor
1010: Seitenfläche side surface
1111: Stirnseite front
1212: Aussparung recess
1313: ferromagnetisches Bauteil ferromagnetic component
1414: Stator stator
1515: Rotationsachse axis of rotation
AA: axiale Richtung axial direction
RR: radiale Richtung radial direction

Claims

Rotor ( 1 ) for a synchronous machine or an asynchronous machine, characterized in that the rotor ( 1 ) for contactless energy transfer additional windings ( 4 ) to one with the rotor ( 1 ) to drive with rotating consumers.

Rotor ( 1 ) for a synchronous machine according to claim 1, wherein the rotor ( 1 ) one with permanent magnets ( 3 ) ( 2 ), wherein the permanent magnets ( 3 ) by grooves ( 6 ), which in an axial longitudinal direction (A) of the rotor ( 1 ) are spaced apart from each other, the additional windings ( 4 ) have a closed cross section, wherein the additional windings ( 4 ) around the permanent magnets ( 3 ) in the grooves ( 6 ) are used and wherein winding heads ( 5 ) of the additional windings ( 4 ) over a width of the rotor ( 1 ) in the axial longitudinal direction (A) protrude.

Rotor ( 1 ) for an asynchronous machine according to claim 1, wherein the rotor ( 1 ) is designed as a short-circuit cage, comprising one with a first ring conductor ( 7 ) and a second ring conductor ( 8th ) and one between the first ring conductor ( 7 ) and the second ring conductor ( 8th ) arranged a plurality of longitudinal conductors ( 9 ), both ring conductors ( 7 . 8th ), the windings ( 4 ) have a closed cross section and at least partially at least one of the ring conductors ( 7 . 8th ) are arranged.

Rotor ( 1 ) according to claim 3, wherein - the additional windings ( 4 ) in recesses ( 12 ) on end faces ( 11 ) the ring conductor ( 7 . 8th ) in an axial longitudinal direction (A) of the rotor ( 1 ) are inserted and winding heads ( 5 ) of the additional windings ( 4 ) over the ring conductors ( 7 . 8th ) protrude in the axial longitudinal direction (A) or - the additional windings ( 4 ) of the rotor ( 1 ) on a side surface ( 10 ) at least one ring conductor ( 7 . 8th ) are arranged annularly next to each other and in the radial direction (R) in a region between annular body ( 7 . 8th ) and rotation axis ( 15 ) of the rotor ( 1 ), wherein ferromagnetic components ( 13 ) for fixing the windings ( 4 ) on the side surfaces ( 10 ) the ring conductor ( 7 . 8th ) are provided.