DE102017006127A1 - Avionics or automotive powertrain with electric machine - Google Patents

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    • HELECTRICITY
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02P2207/00Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/05Synchronous machines, e.g. with permanent magnets or DC excitation

Abstract

Ein Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang hat eine elektrische Maschine, die einen Ständer und einen relativ zum Ständer drehbaren Läufer aufweist, wobei der Ständer eine oder mehrere Ständerwicklungen aufweist und der Läufer eine oder mehrere Läuferwicklungen aufweist, und dem Ständer eine erste, mit dem Ständer feststehende Transformatorwicklung zugeordnet ist, die mit einer zweiten, mit dem Läufer drehbaren Transformatorwicklung magnetisch gekoppelt ist, wobei die erste Transformatorwicklung und die zweite Transformatorwicklung zur Energieübertragung von der ersten zur zweiten Transformatorwicklung über einen zwischen ihnen befindlichen Spalt eingerichtet sind, und wobei die zweite Transformatorwicklung mit der Eingangsseite einer der Transformatorwicklung nachgeschalteten Gleichrichterstufe elektrisch verbunden ist, deren Ausgangsseite mit einer oder mehreren der Läuferwicklungen elektrisch verbunden ist, um diese mit einem sekundären Erregerstrom zu speisen.

Figure DE102017006127A1_0000
An avionics or automotive powertrain has an electric machine having a stator and a rotor rotatable relative to the stator, the stator having one or more stator windings and the rotor having one or more rotor windings, and the stator a first, with the stator associated with fixed transformer winding, which is magnetically coupled to a second, rotatable with the rotor transformer winding, wherein the first transformer winding and the second transformer winding for transmitting energy from the first to the second transformer winding via a gap therebetween are arranged, and wherein the second transformer winding with the input side of a rectifier stage connected downstream of the transformer winding is electrically connected, whose output side is electrically connected to one or more of the rotor windings in order to supply them with a secondary exciter current.
Figure DE102017006127A1_0000

Description

Einleitungintroduction

Hier wird ein Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang mit elektrischer Maschine beschrieben, sowie eine solche elektrische Maschine. Details hierzu sind in den Ansprüchen definiert; auch die Beschreibung und die Zeichnung enthalten relevante Angaben zum Antriebsstrang und zur Funktionsweise sowie der elektrischen Maschine und zu deren Varianten.Here is an avionics or automotive powertrain with electric machine described, and such an electric machine. Details are defined in the claims; The description and the drawing also contain relevant information on the powertrain and how it works as well as the electrical machine and its variants.

Technischer HintergrundTechnical background

Unter einer elektrischen Maschine wird hierbei eine elektrische Maschine in Form einer Innen- oder Außenläufermaschine verstanden. Eine elektrische Maschine kann hierbei sowohl ein elektrischer Motor als auch ein elektrischer Generator sein. Derzeit werden in Avionik- oder Automotive-Anwendungen im Antriebsstrang bis zu mehreren hundert Kilowatt vielfach permanenterregte elektrische Maschinen eingesetzt. Allerdings sind diese aufgrund der darin verbauten Selten-Erden-Permanentmagnete (NdFeB, SmCo, etc) relativ teuer. Als Vorteile der Permanentmagneterregung gegenüber der elektrischen Erregung gelten: kleinerer Außendurchmesser bei gleicher Nennleistung, geringeres Volumen und Gewicht bei gleicher Nennleistung, einfacherer Aufbau, höherer Wirkungsgrad, da keine Erregerverluste, kostengünstigere Fertigung, bessere Dynamik da kein Erreger-Feldaufbau.An electric machine is understood to be an electric machine in the form of an internal or external rotor machine. An electric machine can be both an electric motor and an electric generator. Currently, up to several hundred kilowatts of permanent-magnet electric machines are often used in avionics or automotive applications in the powertrain. However, these are relatively expensive due to the rare earth permanent magnets (NdFeB, SmCo, etc) installed therein. As advantages of the permanent magnet excitation against the electrical excitation apply: smaller outer diameter at the same nominal power, lower volume and weight at the same nominal power, simpler structure, higher efficiency, since no pathogen losses, less expensive production, better dynamics because no pathogen field structure.

Allerdings ist die Verfügbarkeit von Selten-Erden-Permanentmagnetmaterial eingeschränkt und schränkt insofern einen Einsatz im großen Stil bei Avionik- oder Automotive-Anwendungen ein. Andere Ansätze in Avionik- oder Automotive-Anwendungen setzen auf Asynchronmaschinen, bei denen die Erregungsenergie in den Läufer mittels Bürsten-Schleifring-Anordnungen eingespeist wird.However, the availability of rare-earth permanent magnet material is limited and thus limits its use on a large scale in avionics or automotive applications. Other approaches in avionics or automotive applications rely on asynchronous machines in which the excitation energy is fed into the rotor by means of brush-slip ring assemblies.

Derzeit kommen zum Beispiel in Automotive-Anwendungen abhängig von dem Zweck des Fahrzeuges unterschiedliche Elektromotoren zum Einsatz. Dabei spielen die Systemkosten, der verfügbare Bauraum, geforderte Funktionen sowie der Wirkungsgrad eine Rolle. Bisher werden in in Automotive-Anwendungen hauptsächlich Asynchronmaschinen und permanenterregte Synchronmaschinen verwendet. Asynchronmaschinen sind sehr robust und kostengünstig. Permanenterregte Synchronmaschinen eignen sich durch ihre vergleichsweise geringe Baulänge vorzugsweise für die direkte Integration in die Getriebeglocke des Antriebsstrangs. Dazu bieten sie einen hohen Wirkungsgrad und werden häufig bei Mild- und Vollhybrid-Modellen eingesetzt. So ist in neueren Modellen des Toyota Prius als Elektromotor / Generator eine 60 kW-Synchronmaschine eingesetzt, und die ZF AG bietet unter der Bezeichnung SG 325 L 32 eine permanenterregte Synchronmaschine für einen Parallel-HybridAntrieb mit 12 KW Leistung an.Currently, for example, different electric motors are used in automotive applications depending on the purpose of the vehicle. The system costs, the available space, required functions and the efficiency play a role. So far, in automotive applications mainly asynchronous and permanent magnet synchronous machines are used. Asynchronous machines are very robust and cost-effective. Permanently excited synchronous machines are by their comparatively short length preferably for direct integration into the transmission bell of the drive train. They offer high efficiency and are often used in mild and full hybrid models. For example, a 60 kW synchronous machine is used as the electric motor / generator in newer models of the Toyota Prius, and the ZF AG offers under the designation SG 325 L 32 a permanent-magnet synchronous machine for a 12 kW parallel hybrid drive.

Zugrundeliegendes ProblemUnderlying problem

Für Elektromobilitätsanwendungen im Avionik- oder Automotive-Bereich soll ein kostengünstiger und zuverlässiger Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine vorgeschlagen werden.For electromobility applications in the avionics or automotive sector, a cost-effective and reliable powertrain with an electric machine is to be proposed.

Vorgeschlagene LösungSuggested solution

Zur Lösung wird ein Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, die einen Ständer und einen relativ zum Ständer drehbaren Läufer aufweist, wobei der Ständer eine oder mehrere Ständerwicklungen aufweist und der Läufer eine oder mehrere Läuferwicklungen aufweist, und dem Ständer eine erste, mit dem Ständer feststehende Transformatorwicklung zugeordnet ist, die mit einer zweiten, mit dem Läufer drehbaren Transformatorwicklung magnetisch gekoppelt ist, wobei die erste Transformatorwicklung und die zweite Transformatorwicklung zur Energieübertragung von der ersten zur zweiten Transformatorwicklung über einen zwischen ihnen befindlichen Spalt eingerichtet sind, und wobei die zweite Transformatorwicklung mit der Eingangsseite einer der Transformatorwicklung nachgeschalteten Gleichrichterstufe elektrisch verbunden ist, deren Ausgangsseite mit einer oder mehreren der Läuferwicklungen elektrisch verbunden ist, um diese mit einem sekundären Erregerstrom zu speisen.To solve the problem, an avionics or automotive powertrain having an electric machine is proposed which comprises a stator and a rotor rotatable relative to the stator, the stator having one or more stator windings and the rotor having one or more rotor windings, and a first stator , associated with the stator fixed transformer winding, which is magnetically coupled to a second, rotatable with the rotor transformer winding, wherein the first transformer winding and the second transformer winding are arranged for transmitting energy from the first to the second transformer winding via a gap between them, and wherein the second transformer winding is electrically connected to the input side of a rectifier stage connected downstream of the transformer winding, the output side of which is electrically connected to one or more of the rotor windings in order to connect them to a secondary winding n excitation current to feed.

Bei einer Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang mit einer derartigen fremderregten elektrischen Maschine wird einerseits dem Ständer Antriebsenergie zugeführt und andererseits dem Läufer elektrische Erregungsenergie zugeführt. Bei einer fremderregten (Gleichstrom-)Maschine werden Ständer- und (Läufer-)Erregerwicklung aus unterschiedlichen Spannungsquellen gespeist.In an avionics or automotive powertrain having such a separately excited electrical machine, on the one hand power is supplied to the stator and, on the other hand, the rotor is supplied with electrical excitation energy. In a separately excited (DC) machine stator and (rotor) excitation winding are fed from different voltage sources.

Dies ist im Unterschied zu sehen etwa zu einer permanenterregten elektrischen Maschine, bei der der Läufer mit Permanentmagneten bestückt ist, deren magnetisches Feld - im Motorbetriebsfall - in Wechselwirkung tritt mit dem durch die Ständerbestromung hervorgerufenen magnetischen Feld, um so eine Rotation des Läufers zu bewirken; im Generatorbetriebsfall ruft eine Rotation des Läufers eine an den Anschlüssen der Ständerwicklung abgreifbare elektrische Leistung hervor.This is in contrast to see about to a permanent-magnet electric machine in which the rotor is equipped with permanent magnets whose magnetic field - in the engine operation case - interacts with the caused by the stator current magnetic field, so as to cause a rotation of the rotor; In the generator operating case, a rotation of the rotor causes a tappable at the terminals of the stator winding electrical power.

Die hier vorgestellte Anordnung bietet einen Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang für den Massenmarkt der Elektromobilität. Dieser Antriebsstrang kommt ohne teure und schwer verfügbaren Selten-Erden-Permanentmagnete in der elektrischen Maschine aus; dieser Antriebsstrang ist auch verschleißarm, dauerfest und effizient zu betreiben. Insbesondere auch beim reinen Elektroantrieb ist ein hoher Wirkungsgrad über einen weiten Bereich von Drehmoment und Drehzahl erzielbar, was eine effiziente Nutzung der Batterie erlaubt.The arrangement presented here offers an avionics or automotive powertrain for the mass market of electromobility. This powertrain comes without expensive and hard to get Rare-earth permanent magnets in the electric machine off; This powertrain is also low-wear, durable and efficient to operate. In particular, in pure electric drive high efficiency over a wide range of torque and speed can be achieved, which allows efficient use of the battery.

Aus dem Kraftwerksbau sind zwar fremderregte Maschinen bekannt, bei denen auf der Generatorwelle ein Erregergenerator bürstenlos mit elektrischer Erregungsenergie gespeist wird. So werden etwa dreiphasige Synchrongeneratoren zur Erzeugung elektrischer Energie und in Großkraftwerken eingesetzt. Hier sind die Ständerwicklungen entweder als konzentrierte oder als verteilte Wicklung ausgeführt. Drei räumlich um 120° am Umfang versetzte Wicklungen dienen zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfelds. Die Ständerwicklungen werden dazu von drei um 120° phasenverschobenen, sinusförmigen Strömen durchflossen. Auf dem Läufer ist ein Elektromagnet aufgebracht. Die Energieversorgung des Elektromagneten erfolgt in der Regel über Schleifringe oder bürstenlos über den Erregergenerator. Sofern der Läufer und das Ständerfeld keine Relativgeschwindigkeit zueinander aufweisen, also synchron sind, kann ein Drehmoment mit einem Mittelwert ungleich null gebildet werden. Der Winkel zwischen Läufer und Ständerfeld ist ausschlaggebend für die Höhe des Drehmoments. Die fremderregte Synchronmaschine ist zwar ein robuster Maschinentyp mit einem guten Wirkungsgrad und einer guten Leistungsdichte. Allerdings sind diese Großkraftwerks-Anordnungen nicht als Antriebe einen Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang für den Massenmarkt der Elektromobilität übertragbar. Konventionelle Gleichstrommaschinen erzeugen auch an ihren Bürsten ein sog. Bürstenfeuer, welches die Hauptursache für hochfrequente Störungen ist. Dieses Bürstenfeuer begrenzt auch die maximale Drehzahl, da die Bürsten bei hohen Drehzahlen heiß werden und besonders schnell verschleißen. Weiterhin bewirken hohe Drehzahlen auch höhere Induktionsspannungen, die bis hin zum umlaufenden Bürstenfeuer führen können.From the power plant construction, although foreign-excited machines are known in which on the generator shaft, an exciter generator brushless is fed with electrical excitation energy. For example, three-phase synchronous generators are used to generate electrical energy and in large power plants. Here, the stator windings are designed either as a concentrated or distributed winding. Three windings offset by 120 ° around the circumference serve to generate a rotating magnetic field. The stator windings are traversed by three sinusoidal currents phase-shifted by 120 °. On the runner an electromagnet is applied. The power supply of the electromagnet is usually via slip rings or brushless on the exciter generator. If the rotor and the stator field have no relative speed to one another, ie are synchronous, a torque with a mean value not equal to zero can be formed. The angle between rotor and stator field is decisive for the amount of torque. Although the externally excited synchronous machine is a robust machine type with a good efficiency and a good power density. However, these large power station assemblies are not transferable as drives to an avionics or automotive powertrain for the mass market of electric mobility. Conventional DC machines also generate a so-called brush fire on their brushes, which is the main cause of high-frequency interference. This brush fire also limits the maximum speed since the brushes get hot at high speeds and wear very quickly. Furthermore, high speeds cause higher induction voltages, which can lead to the surrounding brush fire.

Der Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang der hier offenbarte Art vermeidet die Nachteile eines Schleifringübertragers und verwendet eine berührungslose Übertragung für die Erregungsenergie der (Läufer-)Erregerwicklung. Diese berührungslose Übertragung ist wesentlich einfacher gestaltet ist als die bekannten Erregungsgeneratoren. Diese Übertragung wird durch einen ringförmigen Übertrager oder Transformator realisiert, dessen eine Seite rotierend ausgestaltet ist. Die feststehende Primärseite des Transformators kann durch einer pulsweitenmodulierten Halb- oder Vollbrückenschaltung gespeist sein. Die rotierende Sekundärseite des Transformators kann über eine Gleichrichterschaltung die Erregerwicklung speist. Durch eine entsprechend hoch gewählte Übertragungsfrequenz kann die Übertragung sehr kompakt gestaltet sein. Bei Verwendung von Ferritmaterial in den Übertragungskernen des Übertragers kann eine Übertragungsfrequenz größer 100kHz gewählt werden. So werden einerseits die mit Verschleiß und drehzahlabhängigem Kontaktwiderstand behafteten Schleifringe vermieden und andererseits die komplexen und sehr viel Bauraum benötigenden Erregergeneratoren vermieden. Bei einem Innenläufer kann der Übertrager axial neben dem Ständer und radial unter dem Wickelkopf des Ständers angeordnet sein. Auf der Läuferseite wird der Erregerstrom mittels Dioden gleichgerichtet.The avionics or automotive powertrain of the type disclosed herein avoids the disadvantages of a slip ring transmitter and uses non-contact transmission for the excitation energy of the (rotor) field winding. This non-contact transmission is designed much simpler than the known excitation generators. This transmission is realized by an annular transformer or transformer, one side of which is designed to rotate. The fixed primary side of the transformer can be fed by a pulse width modulated half or full bridge circuit. The rotating secondary side of the transformer can feed the exciter winding via a rectifier circuit. By a correspondingly high selected transmission frequency, the transmission can be made very compact. When using ferrite material in the transmission cores of the transformer, a transmission frequency greater than 100kHz can be selected. Thus, on the one hand avoided the wear and speed-dependent contact resistance afflicted slip rings and on the other hand, the complex and very much space-consuming excitation generators needed. In an internal rotor, the transformer can be arranged axially next to the stator and radially below the winding head of the stator. On the rotor side of the exciter current is rectified by means of diodes.

In einer Variante des hier vorgestellten Antriebsstrangs sind die erste und die zweite Transformatorwicklung einem jeweiligen ersten und zweiten weichmagnetischen Übertragungskern zugeordnet.In a variant of the drive train presented here, the first and second transformer windings are assigned to a respective first and second soft-magnetic transmission core.

In einer weiteren Variante des Antriebsstrangs sind die ersten und zweiten weichmagnetischen Übertragungskerne magnetisch gekoppelt und enthalten ferrithaltiges Material.In a further variant of the drive train, the first and second soft-magnetic transmission cores are magnetically coupled and contain ferrite-containing material.

In einer weiteren Variante des Antriebsstrangs bilden der der erste und zweite weichmagnetische Übertragungskern zusammen mit der ersten und der zweiten Transformatorwicklung einen Übertrager mit einer stehenden und eine rotierenden Seite, bei dem die beiden Seiten durch den zwischen ihnen befindlichen (kreis(ring)förmigen oder zylindermantelförmigen) Spalt getrennt sind.In a further variant of the drive train, the first and second soft-magnetic transmission cores together with the first and second transformer windings form a transformer with a stationary and a rotating side, in which the two sides are located between them (circular ring-shaped or cylinder-shell-shaped ) Gap are separated.

In einer weiteren Variante des Antriebsstrangs sind einander zugewandte Mantel- oder Stirnflächen der beiden Seiten des Übertragers jeweils mit einem korrespondierenden Relief zum Beispiel in Form von abwechselnden Stegen und Nuten strukturiert. Dies ruft eine sich wiederholende Änderung der Reluktanz hervor, abhängig davon, in welchem Maß die Stege und Nuten zu einander fluchten. Diese sich wiederholende Reluktanzänderung führt zu einer in gleichem Maß schwankenden Stromaufnahme der ersten und der zweiten Transformatorwicklung. Diese schwankende Stromaufnahme kann zur Positionsbestimmung des Läufers mittels einer nicht weiter veranschaulichten Auswerteelektronik ausgewertet werden.In a further variant of the drive train mutually facing mantle or end faces of the two sides of the transformer are each structured with a corresponding relief, for example in the form of alternating webs and grooves. This causes a repetitive change in reluctance, depending on the degree to which the lands and grooves are aligned. This repetitive reluctance change results in a similar amount of current consumption of the first and second transformer windings. This fluctuating current consumption can be evaluated for determining the position of the rotor by means of a not further illustrated evaluation.

In einer weiteren Variante des Antriebsstrangs ist die erste Transformatorwicklung mit einer Erregerschaltung elektrisch verbunden, welche dazu eingerichtet ist, die erste Transformatorwicklung mit einem primären Erregerstrom zu speisen.In a further variant of the drive train, the first transformer winding is electrically connected to an exciter circuit, which is set up to feed the first transformer winding with a primary exciter current.

In einer weiteren Variante des Antriebsstrangs ist die Erregerschaltung dazu eingerichtet, die erste Transformatorwicklung mit einem primären Erregerstrom mit einer Frequenz zwischen etwa 50 kHz und etwa 5 MHz zu speisen und die Pulsweite des primären Erregerstroms zu variieren. Die Läufertemperatur wird in einer anderen, hier nicht weiter veranschaulichten Variante über den temperaturabhängigen Widerstand der Erregerwicklung ermittelt werden, da ein höherer Widerstand zu einem höheren Spannungsbedarf in der Primärwicklung führt. Dieser höhere Spannungsbedarf kann über das Einschaltverhältnis in der Pulsweitenmodulation durch die Erregerschaltung 60 ermittelt werden. Auch die Übertragung von sonstigen Signalen ist durch Modulation oder Überlagerung der Sekundärspannung möglich.In a further variant of the drive train, the excitation circuit is configured to supply the first transformer winding with a primary exciter current having a frequency between approximately 50 5 kHz and to vary the pulse width of the primary excitation current. The rotor temperature is determined in another, not further illustrated variant on the temperature-dependent resistance of the field winding, since a higher resistance leads to a higher voltage requirement in the primary winding. This higher voltage requirement can be achieved via the duty cycle in the pulse width modulation by the excitation circuit 60 be determined. The transmission of other signals is possible by modulation or superposition of the secondary voltage.

Figurenlistelist of figures

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen alle beschriebenen und / oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den hier offenbarten Gegenstand, auch unabhängig von ihrer Gruppierung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen. Die Abmessungen und Proportionen der in den Fig. gezeigten Komponenten sind hierbei nicht unbedingt maßstäblich; sie können bei zu implementierenden Ausführungsformen vom hier Veranschaulichten abweichen.Other objects, features, advantages and applications will be apparent from the following description of non-limiting embodiments to be understood with reference to the accompanying drawings. All the described and / or illustrated features alone or in any combination show the subject matter disclosed herein, also irrespective of their grouping in the claims or their relationships. The dimensions and proportions of the components shown in the figures are not necessarily to scale; they may differ from what is illustrated here in embodiments to be implemented.

Dabei zeigen

  • 1 eine schematische Darstellung einer Variante eines Automotive-Antriebsstrangs mit einer elektrischen Maschine,
  • 2 eine erste schematische perspektivische Darstellung eines Übertragers,
Show
  • 1 a schematic representation of a variant of an automotive powertrain with an electric machine,
  • 2 a first schematic perspective view of a transformer,

Detaillierte Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing

Ein in 1 veranschaulichter Automotive-Antriebsstrang AAS hat eine elektrische Maschine 10 der unten im Detail erläuterten Bauart. Diese elektrische Maschine 10 in Innenläuferausführung treibt über ihre Welle 10a ein nicht weiter im Detail erläutertes Differentialgetriebe Get an, dessen zwei Ausgangswellen jeweils ein Rad R1, R2 in Rotation versetzen.An in 1 illustrated automotive powertrain AAS has an electric machine 10 the type explained in detail below. This electric machine 10 in internal rotor execution drives over its shaft 10a a not further explained in detail differential gear Get an, whose two output shafts each have a wheel R1 . R2 set in rotation.

Die elektrische Maschine 10 hat einen Ständer 12 und einen relativ zum Ständer 12 drehbaren Läufer 14, wobei der drehbare Läufer 14, wobei auf der Welle 10a der elektrischen Maschine 10 drehfest sitzt. Der Ständer 12 hat an seinem Umfang verteilt in nicht weiter veranschaulichten koaxial orientierten Nuten mehrere Ständerwicklungen 22, die über Anschlüsse r, s, t mit elektrischer Nennleistung gespeist werden. Der Läufer 14 hat ebenfalls an seinem Umfang verteilt in nicht weiter veranschaulichten koaxial orientierten Nuten mehrere Läuferwicklungen 24. Die elektrische Maschine 10 hat ein Gehäuse 10b, in dem die Welle 10a an deren beiden Enden gelagert aufgenommen ist. In dem Gehäuse 10b ist, eine erste, mit dem Ständer 12 feststehende Transformatorwicklung 32 angeordnet. Diese feststehende Transformatorwicklung 32 ist mit einer zweiten Transformatorwicklung 34 magnetisch gekoppelt, die mit dem Läufer 14 auf der Welle 10a angeordnet ist und damit relativ zu der feststehenden Transformatorwicklung 32 drehbar ist.The electric machine 10 has a stand 12 and one relative to the stand 12 revolving runner 14 , where the rotatable runner 14 , being on the shaft 10a the electric machine 10 rotatably seated. The stand 12 has at its periphery distributed in not further illustrated coaxially oriented grooves a plurality of stator windings 22 that have connections r . s . t be fed with electrical rated power. The runner 14 has also distributed on its circumference in not further illustrated coaxially oriented grooves a plurality of rotor windings 24 , The electric machine 10 has a housing 10b, in which the wave 10a is stored stored at the two ends. In the case 10b is, a first, with the stand 12 fixed transformer winding 32 arranged. This fixed transformer winding 32 is with a second transformer winding 34 magnetically coupled with the runner 14 on the wave 10a is arranged and thus relative to the fixed transformer winding 32 is rotatable.

In der hier gezeigten Variante ist zur Speisung einer Erregerspannung UF an die Läuferwicklungen 24 eine die erste Transformatorwicklung 32 mit einer Erregerschaltung 60 elektrisch verbunden, welche dazu eingerichtet ist, die erste Transformatorwicklung 32 mit einem primären Erregerstrom zu speisen. Dazu liefert die Erregerschaltung 60 vier Taktsignale a ... d, welche jeweils einen (Halbleiter-)Schalter S1 ... S4 einer Vollbrückenschaltung VBS ansteuern. In der Mitte der Vollbrückenschaltung VBS liegt der Brückenzweig, der hier mit der ersten, mit dem Ständer 12 feststehenden Transformatorwicklung 32 belegt ist. Die Anordnung ermöglicht einen Polaritätswechsel der an der Transformatorwicklung 32 anliegenden Spannung.In the variant shown here is to supply a field voltage UF to the rotor windings 24 one the first transformer winding 32 with a field circuit 60 electrically connected, which is adapted to the first transformer winding 32 to feed with a primary excitation current. This is provided by the exciter circuit 60 four clock signals a ... d, each one (semiconductor) switch S1 ... S4 a full bridge circuit VBS drive. In the middle of the full bridge circuit VBS is the bridge branch, here with the first, with the stand 12 fixed transformer winding 32 is occupied. The arrangement allows a polarity change of the transformer winding 32 applied voltage.

Die Erregerschaltung 60 liefert ein variables Taktmuster als Taktsignale a ... d um die erste Transformatorwicklung 32 mit einem primären Erregerstrom mit einer Frequenz zwischen etwa 50 kHz und etwa 5 MHz zu speisen und die Pulsweite des primären Erregerstroms zu variieren. So dienen die erste Transformatorwicklung 32 und die zweite Transformatorwicklung 34 dienen zur Energieübertragung von Erregungsenergie, um die elektrische Maschine 10 als fremderregte Maschine betreiben zu können. Dabei wird die Erregungsenergie von der ersten zur zweiten Transformatorwicklung 32, 34 über einen zwischen ihnen befindlichen Luft-Spalt 36 übertragen. In der in 1 veranschaulichen Variante sind die erste Transformatorwicklung 32 und die zweite Transformatorwicklung 34 als Ringspulen ausgebildet und jeweils in einem jeweiligen, ringzylindrischen ersten und zweiten weichmagnetischen Übertragungskern 52, 54 aufgenommen. Die ersten und zweiten weichmagnetischen Übertragungskerne 52, 54 bilden hier zusammen mit der ersten und die zweiten Transformatorwicklung 32, 34 einen Übertrager 50 mit einer stehenden und eine rotierenden Seite, bei dem die beiden Seiten durch den zwischen ihnen befindlichen Spalt 36 getrennt sind. Die ringzylindrischen ersten und zweiten weichmagnetischen Übertragungskerne 52, 54 des Übertragers 50 sind in dieser Variante koaxial entlang der Welle 10a so angeordnet, dass der Spalt 36 zwischen ihnen jeweils eine Deckfläche des jeweiligen ringzylindrischen Übertragungskerns 52, 54 ist. Siehe hierzu auch 3. In einer anderen, in 4 veranschaulichten Variante sind die ringzylindrischen Übertragungskerne 52, 54 konzentrisch angeordnet, so dass der feststehende ringzylindrische Übertragungskern 52 außen liegt und den mit der Welle 10a und dem Läufer 14 rotierende ringzylindrische Übertragungskern 54 von diesem umschlossen ist. In diesem Fall hat der Spalt 36 des Übertragers 50 die Gestalt der Mantelfläche eines Kreiszylinders.The exciter circuit 60 provides a variable clock pattern as clock signals a ... d around the first transformer winding 32 with a primary excitation current having a frequency between about 50 kHz and about 5 MHz and to vary the pulse width of the primary excitation current. So serve the first transformer winding 32 and the second transformer winding 34 are used to transfer energy from excitation energy to the electric machine 10 to operate as a foreign-excited machine. The excitation energy from the first to the second transformer winding 32 . 34 over an air gap between them 36 transfer. In the in 1 illustrate variant are the first transformer winding 32 and the second transformer winding 34 designed as toroidal coils and in each case in a respective annular cylindrical first and second soft magnetic transmission core 52 . 54 added. The first and second soft magnetic transmission cores 52 . 54 form here together with the first and the second transformer winding 32 . 34 a transformer 50 with a standing and a rotating side, in which the two sides are separated by the gap between them 36 are separated. The annular cylindrical first and second soft magnetic transmission cores 52 . 54 of the transformer 50 are in this variant coaxial along the shaft 10a arranged so that the gap 36 between each of them a top surface of the respective annular cylindrical transmission core 52 . 54 is. See also 3 , In another, in 4 illustrated variant are the annular cylindrical transmission cores 52 . 54 arranged concentrically, so that the fixed annular cylindrical transmission core 52 lies outside and with the shaft 10a and the runner 14 rotating annular cylindrical transmission core 54 is enclosed by this. In this case, the gap has 36 of the transformer 50 the shape of the lateral surface of a circular cylinder.

Die zweite Transformatorwicklung 34 des Übertragers 50 ist mit einer Eingangsseite m, n einer der zweiten Transformatorwicklung 34 nachgeschalteten Gleichrichterstufe 40 elektrisch verbunden. Diese Gleichrichterstufe 40 hat eine Ausgangsseite p, q, die mit den Läuferwicklungen 24 elektrisch verbunden ist, um diese mit einem gleichgerichteten sekundären Erregerstrom zu speisen. Die Gleichrichterstufe 40 ist hier als Brückengleichrichterschaltung mit vier Einzeldioden D1 ... D4 gleichen Typs realisiert. In einer nicht weiter veranschaulichten Variante ist die zweite Transformatorwicklung 34 des Übertragers 50 mit einer mit einem Mittelabgriff ausgestaltet; damit ist unter Verwendung von zwei Einzeldioden eine Zweipulsmittelpunktschaltung - M2 mit demselben Wirkungsgrad wie eine Brückengleichrichterschaltung zu realisieren.The second transformer winding 34 of the transformer 50 is with an input side m, n one of the second transformer winding 34 downstream rectifier stage 40 electrically connected. This rectifier stage 40 has an exit side p . q that with the rotor windings 24 is electrically connected to feed them with a rectified secondary excitation current. The rectifier stage 40 is here as a bridge rectifier circuit with four single diodes D1 ... D4 realized the same type. In a variant not further illustrated, the second transformer winding 34 of the transformer 50 configured with one with a center tap; thus, using two single diodes, a two-pulse center point circuit is provided. M2 to realize with the same efficiency as a bridge rectifier circuit.

Der Übertrager 50 kann in den hier gezeigten Varianten sehr einfach und so klein bauen, so dass die fremderregte elektrische Maschine 10 entweder keinen oder nur wenig zusätzlichen Bauraum benötigt. Der Übertrager 50 hat keinen mechanischen Verschleiß, da die Übertragung berührungslos erfolgt. Dadurch wird auch bei sehr hohen Drehzahlen der Erregerstrom sicher übertragen und die Zuverlässigkeit der Maschine gesteigert. Der Materialeinsatz für den Übertrager ist sehr gering und begünstigt eine wirtschaftliche Serienfertigung. Im Gegensatz zu einem Erregungsgenerator kann die Erregungsleistung drehzahlunabhängig auf einfache und effektive Weise geregelt werden. Weiterhin kann über das Übersetzungsverhältnis des Übertragers 50 die Ausgangsspannung der zweiten Transformatorwicklung 34 optimal für dien Läufer 14 festgelegt werden. Somit kann ein optimaler Drahtquerschnitt gewählt werden, der einen guten Füllfaktor bei guter Wickelbarkeit gewährleistet.The transformer 50 can build very simple and so small in the variants shown here, so that the foreign-excited electric machine 10 either no or little extra space needed. The transformer 50 has no mechanical wear, as the transfer takes place without contact. As a result, the exciting current is transmitted safely and increased reliability of the machine even at very high speeds. The material used for the transformer is very low and favors economical mass production. In contrast to an excitation generator, the excitation power can be controlled in a simple and effective manner regardless of the rotational speed. Furthermore, on the transmission ratio of the transformer 50 the output voltage of the second transformer winding 34 ideal for the runner 14 be determined. Thus, an optimal wire cross-section can be chosen, which ensures a good filling factor with good windability.

Die vorangehend beschriebenen Varianten sowie deren Aufbau- und Betriebsaspekte dienen lediglich dem besseren Verständnis der Struktur, der Funktionsweise und der Eigenschaften; sie schränken die Offenbarung nicht etwa auf die Ausführungsbeispiele ein. Die Fig. sind teilweise schematisch, wobei wesentliche Eigenschaften und Effekte zum Teil deutlich vergrößert dargestellt sind, um die Funktionen, Wirkprinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmale zu verdeutlichen. Dabei kann jede Funktionsweise, jedes Prinzip, jede technische Ausgestaltung und jedes Merkmal, welches/welche in den Fig. oder im Text offenbart ist / sind, mit allen Ansprüchen, jedem Merkmal im Text und in den anderen Fig., anderen Funktionsweisen, Prinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmalen, die in dieser Offenbarung enthalten sind oder sich daraus ergeben, frei und beliebig kombiniert werden, so dass alle denkbaren Kombinationen der beschriebenen Varianten zuzuordnen sind. Dabei sind auch Kombinationen zwischen allen einzelnen Ausführungen im Text, das heißt in jedem Abschnitt der Beschreibung, in den Ansprüchen und auch Kombinationen zwischen verschiedenen Varianten im Text, in den Ansprüchen und in den Fig. umfasst. Auch die Ansprüche limitieren nicht die Offenbarung und damit die Kombinationsmöglichkeiten aller aufgezeigten Merkmale untereinander. Alle offenbarten Merkmale sind explizit auch einzeln und in Kombination mit allen anderen Merkmalen hier offenbart.The variants described above, as well as their construction and operating aspects serve merely to better understand the structure, the mode of operation and the properties; they do not restrict the revelation to the exemplary embodiments. The figures are partially schematic, wherein essential properties and effects are shown partially enlarged significantly to illustrate the functions, principles of operation, technical features and features. In this case, every mode of operation, every principle, every technical embodiment and every feature which is / are disclosed in the figures or in the text, with all claims, every feature in the text and in the other figures, other modes of operation, principles, technical embodiments and features contained in this disclosure or resulting from it, are freely and arbitrarily combined, so that all conceivable combinations of the variants described are assigned. In this case, combinations between all individual versions in the text, that is to say in every section of the description, in the claims and also combinations between different variants in the text, in the claims and in the figures. Also, the claims do not limit the disclosure and thus the combination options of all identified features with each other. All disclosed features are also explicitly disclosed individually and in combination with all other features herein.

Claims (7)

Ein Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang (AAS) mit einer elektrischen Maschine (10), die - einen Ständer (12) und - einen relativ zum Ständer (12) drehbaren Läufer (14) aufweist, wobei - der Ständer (12) eine oder mehrere Ständerwicklungen (22) aufweist, und - der Läufer (14) eine oder mehrere Läuferwicklungen (24) aufweist, und - dem Ständer (12) eine erste, mit dem Ständer (12) feststehende Transformatorwicklung (32) zugeordnet ist, die mit - einer zweiten, mit dem Läufer (14) drehbaren Transformatorwicklung (34) magnetisch gekoppelt ist, wobei - die erste Transformatorwicklung (32) und die zweite Transformatorwicklung (34) zur Energieübertragung von der ersten zur zweiten Transformatorwicklung (32, 34) über einen zwischen ihnen befindlichen Spalt (36) eingerichtet sind, und wobei - die zweite Transformatorwicklung (34) mit einer Eingangsseite (m, n) einer der zweiten Transformatorwicklung (34) nachgeschalteten Gleichrichterstufe (40) elektrisch verbunden ist, und - die Gleichrichterstufe (40) eine Ausgangsseite (p, q) aufweist, die mit einer oder mehreren der Läuferwicklungen (24) elektrisch verbunden ist, um diese mit einem sekundären Erregerstrom zu speisen.An avionics or automotive powertrain (AAS) with an electric machine (10) - a stand (12) and - A relative to the stator (12) rotatable rotor (14), wherein - The stator (12) has one or more stator windings (22), and - The rotor (14) has one or more rotor windings (24), and - The stator (12) is associated with a first, with the stator (12) fixed transformer winding (32) with - A second, with the rotor (14) rotatable transformer winding (34) is magnetically coupled, wherein - The first transformer winding (32) and the second transformer winding (34) for transmitting energy from the first to the second transformer winding (32, 34) via a gap between them (36) are arranged, and wherein - The second transformer winding (34) with an input side (m, n) of the second transformer winding (34) downstream rectifier stage (40) is electrically connected, and - The rectifier stage (40) has an output side (p, q) which is electrically connected to one or more of the rotor windings (24) in order to feed them with a secondary excitation current. Der Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang (AAS) mit einer elektrischen Maschine (10), nach Anspruch 1, bei der die erste und die zweite Transformatorwicklung (32, 34) einem jeweiligen ersten und zweiten weichmagnetischen Übertragungskern (52, 54) zugeordnet sind.The avionics or automotive powertrain (AAS) with an electric machine (10), after Claim 1 wherein the first and second transformer windings (32, 34) are associated with respective first and second soft magnetic transmission cores (52, 54). Der Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine (10), nach Anspruch 2, bei der die ersten und zweiten weichmagnetischen Übertragungskerne (52, 54) magnetisch gekoppelt sind und ferrithaltiges Material enthalten.The avionics or automotive powertrain with an electric machine (10), after Claim 2 in which the first and second soft magnetic Transmission cores (52, 54) are magnetically coupled and contain ferrite-containing material. Der Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine (10), nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der erste und zweite weichmagnetische Übertragungskern (52, 54) zusammen mit der ersten und die zweiten Transformatorwicklung (32, 34) einen Übertrager (50) mit einer stehenden und eine rotierenden Seite bilden, bei dem die beiden Seiten durch den zwischen ihnen befindlichen Spalt (36) getrennt sind.The avionics or automotive powertrain with an electric machine (10), after one of Claims 1 to 3 wherein the first and second soft magnetic transmission cores (52, 54) together with the first and second transformer windings (32, 34) form a transmitter (50) having a standing and a rotating side, in which the two sides intersect located gap (36) are separated. Der Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine (10), nach Anspruch 4, bei der einander zugewandte, den Spalt (36) begrenzende Flächen (56, 58) der beiden Seiten des Übertragers (50) jeweils mit einem korrespondierenden Relief (56a, 58a) strukturiert sind.The avionics or automotive powertrain with an electric machine (10), after Claim 4 in which mutually facing, the gap (36) delimiting surfaces (56, 58) of the two sides of the transformer (50) in each case with a corresponding relief (56a, 58a) are structured. Der Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine (10), bei der die erste Transformatorwicklung (32) mit einer Erregerschaltung (60) elektrisch verbunden ist, welche dazu eingerichtet ist, die erste Transformatorwicklung (32) mit einem primären Erregerstrom zu speisen.The avionics or automotive powertrain having an electrical machine (10), wherein the first transformer winding (32) is electrically connected to an exciter circuit (60) configured to feed the first transformer winding (32) with a primary energizing current , Der Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine (10), nach Anspruch 6, bei der die Erregerschaltung (60) dazu eingerichtet ist, die erste Transformatorwicklung (32) mit einem primären Erregerstrom mit einer Frequenz zwischen etwa 50 kHz und etwa 5 MHz zu speisen und die Pulsweite des primären Erregerstroms zu variieren.The avionics or automotive powertrain with an electric machine (10), after Claim 6 in that the energizing circuit (60) is arranged to feed the first transformer winding (32) with a primary exciting current having a frequency between about 50 kHz and about 5 MHz and to vary the pulse width of the primary exciting current.
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