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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Leistungsübertragungssystem zum Erzeugen eines Stroms in einer Erregerwicklung eines Rotors der elektrischen Maschine. Das Leistungsübertragungssystem weist einen Drehübertrager auf, also einen induktiven Koppler. Mittels des Leistungsübertragungssystems kann berührungslos eine elektrische Gleichspannung zum Treiben des Stroms in der Erregerwicklung des Rotors der elektrischen Maschine erzeugt werden. Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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Ein Drehübertrager der genannten Art ist beispielsweise aus der
DE 10 2014 202 719 A1 bekannt. Demnach weist ein Leistungsübertragungssystem für eine elektrische Maschine eine primärseitige Wicklung eines Drehübertragers zum raumfesten Anordnen in der elektrischen Maschine und zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds auf. Des Weiteren weist das Leistungsübertragungssystem eine sekundärseitige Wicklung des Drehübertragers zum Anordnen an einer Stirnseite des Rotors der elektrischen Maschine sowie zum Wandeln des sich zeitlichen ändernden magnetischen Flusses in eine Wechselspannung und eine Gleichrichterplatine mit einer Gleichrichterschaltung zum Gleichrichten der Wechselspannung auf. Der Drehübertrager ist ein rotationssymmetrischer Transformator mit Luftspalt, wobei die sekundärseitige Wicklung bezüglich der primärseitigen Wicklung drehbar gelagert ist. Der Rotor der elektrischen Maschine kann sich mit der sekundärseitigen Wicklung also in dem magnetischen Wechselfeld der primärseitigen Wicklung drehen. Eine an die sekundärseitige Wicklung angeschlossene Gleichrichterplatine des Gleichrichters ist dazu eingerichtet, aus der von der sekundärseitigen Wicklung erzeugten Wechselspannung eine Gleichspannung zu erzeugen und diese an Anschlusskontakten für die Erregerwicklung bereitzustellen. Der Strom in der Erregerwicklung fließt also immer dann, wenn eine Gleichspannung an den beiden Anschlusskontakten erzeugt wird. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die sekundärseitige Wicklung auf der Grundlage von Leiterbahnen einer Leiterplatte ausgebildet sein kann. Eine solche Leiterplatte mit Leiterbahnen für eine Wicklung ist im Folgenden als Windungsplatine bezeichnet. Mit „Wicklung“ ist hier also kein gewickelter Draht gemeint, sondern es ist vielmehr die Funktion einer elektrischen Wicklung gemeint, d.h. eine Anordnung mit einer elektrischen Spule.
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Das beschriebene kontaktlose Übertragungssystem unter Verwendung eines rotationssymmetrischen Transformators oder Drehübertragers zur Versorgung der Erregerwicklung mit Gleichspannung kann in einer fremderregten Synchronmaschine Schleifring-Kohlebürste-Systeme ersetzen. Die Verwendung einer Windungsplatine weist im Vergleich zur Verwendung einer sekundärseitigen Wicklung auf der Grundlage von Litzendraht oder Runddraht den Vorteil auf, dass die sekundärseitige Wicklung flacher ausgestaltet sein kann.
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Allerdings ergibt sich bei der Verwendung von Windungsplatine mit Leiterbahnen für die benötigten Windungen der sekundärseitigen Wicklung auch ein Konflikt. Um genügend Strom tragen zu können, müssen die Leiterbahnen entsprechend breit ausgelegt sein. Dies führt aber zu dem Nachteil, dass innerhalb der Leiterbahnen im magnetischen Wechselfeld Wirbelströme induziert werden, die wiederum die Leistungsfähigkeit des Drehübertragers beeinträchtigen, also die am Ausgang bereitstellbare elektrische Leistung reduzieren.
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Aus der
US 6 664 883 B2 ist das Prinzip bekannt, eine Spiralspule über mehrere Lagen einer mehrlagigen Windungsplatine hinweg zu verteilen. In der Windungsplatine sind abwechselnd Windungen einer Primärspule und einer Sekundärspule eines Transformators realisiert. Die Primärspule und die Sekundärspule sind somit nicht gegeneinander beweglich und eignen sich nicht als Drehübertrager.
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Aus der
DE 20 2012 002 027 U1 ist ein Rotor für eine elektrische Maschine bekannt, bei dem an einer Stirnseite eine Wickelkopfabdeckung zum Abdecken der Wickelköpfe des Rotor angeordnet ist. Auf der Wickelkopfabdeckung ist eine Sensorspur eines Drehlagegebers angeordnet.
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Aus der
DE 20 2012 002 024 U1 ist ein Rotor mit Wickelkopfabdeckung bekannt, in der ein Wuchtring zum Ausgleichen einer Unwucht des Rotors angeordnet ist.
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Die
DE 10 2013 209 216 A1 beschreibt eine Übertragungsschaltung zum Übertragen elektrischer Leistung von einer Primärseite zu einer Sekundärseite sowie auf einen zugehörigen Übertrager, insbesondere einen Rotationsübertrager. Die Übertragungsschaltung umfasst einen Übertrager mit mindestens einer ersten primärseitigen Wicklung und mindestens einer ersten sekundärseitigen Wicklung, die induktiv mit der ersten primärseitigen Wicklung gekoppelt ist. Eine primärseitige Ansteuerschaltung versorgt die erste primärseitige Wicklung mit einer ersten Eingangswechselspannung und erzeugt eine in Antwort auf die erste Eingangswechselspannung induzierte erste Ausgangswechselspannung. Eine zweite primärseitigen Wicklung wird mit einer zweiten Eingangswechselspannung versorgt und ist mit mindestens einer zweiten sekundärseitigen Wicklung induktiv gekoppelt, um in Antwort auf die zweite Eingangswechselspannung eine zweite Ausgangswechselspannung zu induzieren. Die Übertragungsschaltung weist mindestens einen ersten und einen zweiten Lastanschluss auf, mit denen eine Last so verbindbar ist, dass über der Last die Differenz der ersten und zweiten Ausgangswechselspannung anliegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine mit einem Leistungsübertragungssystem für die kontaktlose Übertragung von elektrischer Leistung zum Betreiben der Erregerwicklung bereitzustellen, wobei das Leistungsübertragungssystem eine erhöhte Stromtragfähigkeit und eine erhöhte Robustheit gegenüber äußeren Einflüssen, wie vorzugsweise Verschmutzung, aufweisen kann.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine, die als fremderregte Synchronmaschine ausgestaltet ist, mit dem eingangs beschriebenen kontaktlosen Leistungsübertragungssystem mit primärseitiger Wicklung, sekundärseitiger Wicklung und Gleichrichterplatine mit einer Gleichrichterschaltung.
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Die Erfindung nutzt auch eine Windungsplatine zum Bereitstellen der sekundärseitigen Wicklung in Form von Leiterbahnen. Insgesamt muss die Windungsplatine die Form eines Ringes aufweisen, der auf eine Welle des Rotors aufgebracht oder um eine Welle des Rotors angeordnet sein kann. Erfindungsgemäß weist nun die sekundärseitige Wicklung mehrere, parallel geschaltete Spiralspulen auf, wobei jede der Spiralspulen aus mehreren Spiralsegmenten oder Spiralelementen gebildet ist. Mit Spiralspule ist hierbei nicht unbedingt eine runde Spule gemeint. Die Spiralspule kann eine runde oder andere, um einem Winkelversatz rotationssymmetrisch oder drehsymmetrisch anordenbare Geometrie aufweisen. Die Spiralspule stellt allgemein einen Einzelleiterzug oder eine Einzelwicklung dar. Zum Bilden der Spiralspulen ist die Windungsplatine mehrlagig ausgestaltet. Es handelt sich also um eine sogenannte Mehrlagen-Schaltungsplatine (Multilayer-PCB, PCB - Printed Circuit Board). Jede Lage (Englisch: Layer) der Windungsplatine kann in bekannter Weise mehrere Leiterbahnen aufweisen. In jeder Lage der Windungsplatine sind mehrere der Spiralelemente der Spiralspulen angeordnet und zwar vor jeder Spiralspule ein Spiralelement. Die Spiralelemente jeder Lage sind bevorzugt konzentrisch und gegeneinander um jeweils einen Winkelversatz versetzt angeordnet. Die konzentrische Anordnung ergibt sich bezüglich der Drehachse des Rotors. Die Spiralelemente können also als ein Kranz oder ringförmig um die Rotationsachse des Rotors angeordnet sein. Zum jeweils benachbarten Spiralelement ist jedes Spiralelement um einen vorbestimmten Winkelversatz versetzt.
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Jede Spiralspule weist also jeweils pro Lage der Windungsplatine nur ein Spiralelement auf. Für jede Spiralspule sind deren jeweilige Spiralelemente aller Lagen der Windungsplatine mittels Durchkontaktierungen der Windungsplatine in Reihe geschaltet. Spiralelemente benachbarter Lagen sind dabei direkt elektrisch gekoppelt. Ausgehend von einer obersten Lage der Windungsplatine ergibt sich also eine Spiralspule, indem das Spiralelement dieser Lage elektrisch mit einem Spiralelement der darunter befindlichen Lage verbunden ist und dieses Spiralelement wiederum elektrisch mit dem Spiralelement der darunterliegenden Lage verbunden ist und dies so weitergeht, bis das letzte Spiralelement der untersten Lage erreicht ist. Die Enden jeder Spiralspule sind dann mit der Gleichrichterplatine verbunden. Durch die beschriebene Anordnung sind die Spiralspulen dabei über mehrere Lagen der Windungsplatine verteilt angeordnet und ineinander verschränkt oder verflochten. Sie weisen also nicht die sonst übliche ebene oder platte Form auf.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die Stromtragfähigkeit der Parallelschaltung aus Spiralspulen größer ist als diejenige jeder einzelnen Spiralspule. Dennoch kann es aufgrund der elektrischen Trennung der einzelnen Spiralelemente auf jeder Lage der Windungsplatine nicht zu Wirbelströmen zwischen den Spiralspulen kommen. Somit kann also die Anzahl der parallelgeschalteten Spiralspulen gegenüber der Breite jeder Leiterbahn der einzelnen Spiralspulen abgeglichen werden, um eine maximale Stromtragfähigkeit der Gesamtanordnung (Parallelschaltung) zu erreichen, ohne zu große Gesamtverluste zu erhalten, welche thermische Grenzen setzen würden. Je schmaler die Leiterbahnen sind, desto kleiner sind die Wirbelstromverluste innerhalb jeder einzelnen Leiterbahn, wobei aber auch die Stromtragfähigkeit jeder einzelnen Leiterbahn abnimmt. Je mehr Spiralspulen parallel geschaltet sind, desto größer ist die Stromtragfähigkeit der Gesamtanordnung. Im Folgenden ist die Gleichrichterplatine der kürze halber auch einfach als Gleichrichter bezeichnet.
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Das erfindungsgemäße Leistungsübertragungssystem macht die elektrische Maschine robust gegen Einflüsse durch Verschmutzung, wie z.B. Öl oder Staub, und es gibt keinen Abrieb wie bei Schleifringen.
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Zu der Erfindung gehören auch vorteilhafte Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Eine weitere Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit (Ausgangsleistung) kann sich durch Erhitzen der Leiterbahnen und des Gleichrichters ergeben. Eine Weiterbildung sieht vor, dass für eine Entwärmung des Leistungsübertragungssystems die Gleichrichterplatine direkt mit einem Kühlkörper verbunden ist und ein sekundärseitiger Ferritkern des Leistungsübertragungssystems mit dem Kühlkörper in Berührung steht und der Kühlkörper dazu eingerichtet ist, Wärme aus der Gleichrichterplatine und dem Ferritkern hin zu einer Koppelfläche des Kühlkörpers, über welche der Kühlkörper an einem Trägerbauteil des Rotors befestigbar ist, zu leiten. Ein solches Trägerbauteil kann beispielsweise die eingangs erwähnte Wickelkopfabdeckung der Erregerwicklung des Rotors sein. Eine solche Wickelkopfabdeckung ist ein metallisches, ringförmiges Abdeckteil, welches über die Wickelköpfe der Erregerwicklung gestülpt werden kann. Ein geeignetes Material für die Wickelkopfabdeckung ist eine Legierung, wie sie in den eingangs genannten Druckschriften
DE 20 2012 002 024 U1 und
DE 20 2012 002 027 U1 angegeben sind, deren Inhalt hier im Zusammenhang mit der Legierung und der Ausgestaltung der Wickelkopfabdeckung als Bestandteil dieser Erfindung anzusehen sind.
Wichtig ist die Auslegung der Wärmepfade. Insbesondere kann Wärme aus der Gleichrichterplatine über den Kühlkörper einerseits sowie aus dem Ferritkern über den Kühlkörper andererseits jeweils zu dessen Koppelfläche abgeführt werden, wo sie in ein Trägerbauteil des Rotors, insbesondere eine Wickelkopfabdeckung, übertreten. Es ist also bei dem Leistungsübertragungssystem insbesondere eine rein passive, also keine aktive Kühlung vorgesehen. Mit passiver Kühlung ist eine auf Wärmeleitung basierende Kühlung gemeint. Das erfindungsgemäße Leistungsübertragungssystem kann als separates Bauteil zum Einbau in eine elektrische Maschine ausgestaltet oder in eine Wickelkopfabdeckung integriert sein.
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Eine weitere wichtige Eigenschaft eines Leistungsübertragungssystems ist die Drehzahlfestigkeit. Eine Weiterbildung sieht vor, dass für eine Drehzahlfestigkeit von mehr als 15000 Umdrehungen pro Minute und/oder für eine Wärmeleitung die Gleichrichterplatine, der Kühlkörper, die Windungsplatine und der Ferritkern mit einem Kunstharz vergossen oder mit einem Kunststoff umspritzt sind. Der Verguss kann mit einem Epoxidharz oder Kleber erfolgen. Der Verguss und die Umspritzung bietet jeweils eine Stabilisierung und mechanische Fixierung für Drehzahlen bis über 15.000 Umdrehungen pro Minute. Ansonsten würden beispielsweise Lötverbindungen in der Gleichrichterplatine auf Dauer brechen. Durch den Verguss und/oder das Umspritzen mit Kunststoff mittels eines Spritzgussverfahrens ist das Leistungsübertragungssystem drehzahlfest für eine Drehzahl größer als 15.000 Umdrehungen pro Minute.
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Der Verguss und die Umspritzung bieten jeweils auch den Vorteil, dass eine bessere Wärmeleitfähigkeit erreicht werden kann als mit Luft. Durch die Wahl des Kunstharzes oder Kunststoffes kann eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 1 bis 2 W/mK erreicht werden. Auch mit herkömmlichem Epoxidharz ist eine Wärmeleitfähigkeit von 0, 3 W/mK möglich. Die Entwärmung umfasst also insbesondere einen Wärmepfad, der die Gleichrichterplatine über den Kühlkörper und das Vergussmaterial/die Kunststoffumspritzung mit einem Trägerbauteil verbindet, und einen Wärmepfad, welcher den Ferritkern über den Kühlkörper und das Vergussmaterial/die Kunststoffumspritzung mit dem Trägerbauteil verbindet. Auch von der Wicklung kann Wärme durch das Vergussmaterial/die Kunststoffumspritzung hindurch abgeführt werden.
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Hauptwärmequellen sind Dioden des Gleichrichters, die Wicklung und der Ferritkern der Sekundärseite. Weniger Verlustwärme entsteht durch Kondensatoren und die Leiterbahnen der Gleichrichterplatine. Mittels des Vergusses / der Umspritzung kann erreicht werden, dass ein zusätzlicher Wärmetransportweg zum Abtransport von Wärme aus den Wärmequellen bereitgestellt wird. Über den Verguss/die Umspritzung und über den Kühlkörper kann dann Wärme in das Trägerbauteil, insbesondere die Wickelkopfabdeckung geleitet werden.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Gleichrichterplatine einen Metallkern zur Wärmeleitung aufweist und der Kühlkörper direkt mit dem Metallkern in Berührung steht. Hierdurch kann die Wärme von einzelnen elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen des Gleichrichters abgeführt und über den Metallkern zu dem Kühlkörper geleitet werden. Der Metallkern kann Kupfer und/oder eine Kupferlegierung und/oder Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung aufweisen. Kupfer weist hierbei die größere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Aluminium auf. Um mit dem Kühlkörper den Metallkern in der Gleichrichterplatine zu erreichen, kann eine Deckschicht der Gleichrichterplatine z.B. durch Fräsen entfernt werden. Der Kern wird freigefräst, der Kühlkörper ist dann direkt in Kontakt mit dem Kern.
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Um eine zuverlässige Wärmeübertragung von der Gleichrichterplatine in den Kühlkörper zu gewährleisten, kann die Gleichrichterplatine mit dem Kühlkörper verschraubt sein. Die Schrauben sind bevorzugt aus Metall, wodurch sie zusätzlich zur Wärmeübertragung beitragen. Der Kühlkörper kann beispielsweise auf einer freigefrästen Oberfläche des Kerns der Gleichrichterplatine aufliegen.
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Eine weitere Möglichkeit, um das Erhitzen von Bauelementen zu reduzieren, ist gegeben, indem auf der Gleichrichterplatine eine Schaltung des Gleichrichters mehrere gleichartige, in parallel geschalteten Schaltungszweigen angeordnete elektronische Einzelbauelemente, insbesondere Dioden, aufweist. Die Verlustleistung, die sich beim Gleichrichten der Wechselspannung ergibt, wird also nicht in einem einzelnen Bauelement umgesetzt, sondern verteilt auf mehrere, parallelgeschaltete Einzelbauelemente, insbesondere parallel geschaltete Dioden, verteilt. Somit ist also die Entstehung der Verlustwärme örtlich verteilt, nämlich auf mehrere Einzelbauelemente. Mit Einzelbauelemente ist ein einzelnes elektronisches Bauteil gemeint, das beispielsweise mit Anschlusskontakten oder Pins auf der Gleichrichterplatine aufgelötet sein kann.
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Um eine gleichmäßige Belastung der Einzelbauelemente mit Strom zu gewährleisten, kann zumindest einigen der Einzelbauelemente jeweils ein elektrisches Widerstandsbauelement zum Einstellen einer Stromaufteilung vorgeschaltet sein. Die elektrischen Widerstandselemente sind also jeweils in den besagten Schaltungszweigen in Serie mit einem der Einzelbauelemente geschaltet. Hierdurch kann eine Vergleichmäßigung der Stromaufteilung zwischen den parallel geschalteten Einzelbauelementen erreicht werden. Insbesondere weist jeder Schaltungszweig nur das Einzelbauelement und das zugehörige Widerstandselement und die zugehörigen Leiterbahnen und Lötstellen auf. Die Verwendung von Widerstandselementen ist insbesondere bei negativen Temperaturkoeffizienten der Dioden von Vorteil.
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Wie bereits ausgeführt, sind die Spiralspulen im Bereich der Windungsplatine gegeneinander elektrisch isoliert, um hierdurch einen Wirbelstrom zwischen den Leiterbahnen der unterschiedlichen Spiralspulen zu unterdrücken. Bevorzugt findet die Parallelschaltungen der Spiralspulen außerhalb der Wicklungsplatine, nämlich insbesondere auf der Gleichrichterplatine, statt. Hierdurch ist der Einfluss eines magnetischen Wechselfelds auf die Entwicklung von Wirbelströmen minimiert.
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Um die Leiterbahnen der Spiralspulen wirkungsvoll elektrisch gegeneinander zu isolieren, wird insbesondere sichergestellt, dass bei jeder Lage der Windungsplatine ein elektrisches Potenzial der Spiralelemente der jeweiligen Lage angeglichen ist. Ein Spulenanfang, z.B. an einer ersten äußeren Lage, wird mit dem Potenzial des ersten Eingangs der Gleichrichterschaltung und ein Spulenende, das der ersten äußeren Lage an der Windungsplatine gegenüber liegen kann, ist mit dem Potenzial des zweiten Eingangs der Gleichrichterschaltung verbunden. Somit weisen auch Abschnitte der Spiralelemente mit gleichem radialem Abstand in jeder dazwischen liegenden Lage der Windungsplatine jeweils einen derart geringen Potenzialunterschied auf, dass ein Überschlag verhindert ist. Durch das angeglichene Potenzial sind Spannungsüberschläge zwischen den Spiralelementen verhindert. Innerhalb jeder Lage ist das Potential natürlich nicht konstant.
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In Bezug auf die Form der einzelnen Spiralelemente jeder Spiralspule kann diese ermittelt werden, indem folgende Berechnung angestellt wird. Jede der Spiralspulen kann U Umrundungen oder Spiralbindungen aufweisen. Die Windungsplatine kann N Lagen bereitstellen. Jedes Spiralelement weist dann U/N Umrundungen auf. Bei einer Windungsplatine mit 4 Lagen und Spiralspulen mit U = 5 Umrundungen ist also jedes Spiralelement ein Spiralstück mit 1,25 Umrundungen des Spiralzentrums. Sollen der Anfangs- und Endpunkt jeder Spiralspule der Windungsplatine mit durchgehenden Stiften an die Gleichrichterplatine angeschossen werden, ist es vorteilhaft, die Anzahl an Umrundungen pro Spiralelement so zu erhöhen/erniedrigen (z.B. von 1,25 auf 1,3), das sich ein Winkelversatz zwischen dem Start- und Endpunkt ergibt und somit die Anschlusspunkte der Spiralspule nicht exakt übereinander liegen. Es ergibt sich dann eine Anzahl U der Umrundungen, die keine Ganzzahl ist (in dem Beispiel also U = 1, 3 x 4 = 5,2). Durch die Reihenschaltung der Spiralelemente einer einzelnen Spiralspule über die mehreren Lagen hinweg fließt durch die Spiralelemente ein gemeinsamer Strom, der abwechselnd in einem Spiralelement spiral-einwärts und im nächsten Spiralelement spiral-auswärts fließt.
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Die Spiralelemente der sekundärseitigen Wicklung sind bevorzugt auf der Windungsplatine um den jeweiligen Winkelversatz drehsymmetrisch angeordnet. Die Anordnung der Spiralelemente auf jeder Lage ist also ein rotationssymmetrisches Gebilde, wobei sich die Rotationssymmetrie immer bei einer Drehung um den Winkelversatz, um welchen die benachbarten Spiralelemente jeweils versetzt sind, ergibt. Hierdurch wird der verfügbare Bauraum genutzt.
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Um das Leistungsübertragungssystem besonders kostengünstig herstellen zu können, sind die Durchkontaktierungen als einfache Durchkontaktierungen ausgestaltet, also vollständig durch alle Lagen der Windungsplatine geführt. Solche vollständigen Durchkontaktierungen oder VIAs (Vertical interconnect access) lassen sich in einem einzigen, an sich bekannten Durchkontaktierungsvorgang herstellen.
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Ein weiterer Aspekt betrifft das elektrische Verbinden der Erregerwicklung des Rotors mit den Anschlusskontakten der Gleichrichterplatine. Jeder Anschlusskontakt ist bevorzugt jeweils als ein Haken ausgestaltet, an welchen jeweils ein Draht der Erregerwicklung kontaktiert werden kann. Jeder der Haken ist dabei direkt mit der Gleichrichterplatine elektrisch und mechanisch verbunden. Jeder Draht der Erregerwicklung wird mit einem der Haken elektrisch und mechanisch verbunden.
Auch die primärseitige Wicklung kann ebenfalls eine Windungsplatine der genannten Art aufweisen. Hierdurch ist eine Bauform des Leistungsübertragungssystems flacher ist im Vergleich zu einer primärseitigen Wicklung, die auf der Basis von Wicklungen aus gängigem Draht gebildet ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine ist als ein Traktionsantrieb für das Kraftfahrzeug ausgestaltet und mit einem Wechselrichter verschaltet, der für eine Drehzahl der elektrischen Maschine von mehr als 15.000 Umdrehungen pro Minute eingerichtet ist. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Leistungsübertragungssystems, das leistungsfähig und hochdrehzahlfest ist, ergibt sich eine elektrische Maschine, die unempfindlich gegen Umwelteinflüsse ist.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Flurförderzeug sein.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines fremderregten Rotors mit bürstenloser Leistungsübertragung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer Sekundärseite eines Leistungsübertragungssystems des Rotors von 2;
- 3 eine schematische Darstellung von Lagen einer Windungsplatine der Sekundärseite des Leistungsübertragungssystems von 2, wobei jeweils nur ein einzelnes von mehreren Spiralelementen dargestellt ist;
- 4 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die Windungsplatine der Sekundärseite des Leistungsübertragungssystems;
- 5 einen schematisierten Schaltplan des Leistungsübertragungssystems;
- 6 einen schematisierten Schaltplan eines alternativen Prinzips des Leistungsübertragungssystems;
- 7 einen schematisierten Schaltplan eines weiteren alternativen Prinzips des Leistungsübertragungssystems;
- 8 eine Skizze zur Veranschaulichung einer Wärmespreizung für Dioden der Gleichrichterschaltung des Leistungsübertragungssystems; und
- 9 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Als Überblick wird zunächst auf 9 verwiesen. 9 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich insbesondere um einen Kraftwagen, wie z.B. einen Personenkraftwagen, handeln kann. Das Kraftfahrzeug 10 kann einen elektrischen Traktionsantrieb 11 aufweisen, der auf der Grundlage einer elektrischen Maschine 12 gebildet sein kann. Zusätzlich sind ein Wechselrichter 13 und eine Traktionsbatterie 14 dargestellt. Die Traktionsbatterie 14 kann beispielsweise eine Hochvoltbatterie sein, die eine elektrische Spannung größer als 60 V, insbesondere größer als 100 V, bereitstellen kann. Der Wechselrichter 13 kann aus der Gleichspannung der Traktionsbatterie 14 Phasenströme für eine Statorwicklung 15 eines Stators 16 der elektrischen Maschine 12 in an sich bekannter Weise erzeugen. Durch die Phasenströme des Wechselrichters 13 kann in einem Inneren des Stators 16 mittels der Statorwicklung 15 ein magnetisches Drehfeld erzeugt werden.
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In dem Inneren des Stators 16 kann ein Rotor 17 drehbar gelagert sein. Die elektrische Maschine 12 kann eine fremderregte Synchronmaschine sein. Hierzu ist im Rotor 17 eine Erregerwicklung 18 bereitgestellt, die mit einem Gleichstrom durchflossen werden kann. Dann erzeugt der Rotor 17 an seinem Außenumfang magnetische Pole, mit dem magnetischen Drehfeld des Stators 16 wechselwirken, wodurch sich eine Drehbewegung des Rotors 17 ergibt. Der Rotor rotiert dann um eine Rotationsachse 19 und dreht dabei eine Welle 20, über welche ein Antriebsmoment auf Räder des Kraftfahrzeugs 10 übertragen werden kann.
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Um den Strom in der Erregerwicklung 18 zu erzeugen, kann die elektrische Maschine 12 ein Leistungsübertragungssystem 21 aufweisen. Mittels des Leistungsübertragungssystems 21 kann elektrische Energie von einer stationären Primärseite PRIM auf eine drehende Sekundärseite SEC berührungslos, auf Basis einer induktiven Übertragung übertragen werden. Hierzu kann das Leistungsübertragungssystem 21 einen Drehübertrager mit einer primärseitigen Wicklung 22 an einem Motorgehäuse oder einem Lagerschild und mit einer sekundärseitigen Wicklung 23 am Rotor 17 aufweisen.
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1 veranschaulicht ein Leistungsübertragungssystem 21 in einem Längsschnitt. 1 ist bezüglich der Rotationsachse 19 spiegelsymmetrisch, sodass die Bezugszeichen jeweils nur auf einer Seite der Rotationsachse 19 angegeben sind. Sie gelten auch spiegelsymmetrisch für die gegenüberliegende Seite.
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Das Leistungsübertragungssystem 21 weist die folgenden vorteilhaften Eigenschaften auf:
- Es handelt sich um ein kostengünstig herstellbares kontaktloses Leistungsübertragungssystem für einen Traktionsantrieb:
- 1) anstelle von Wicklungen aus Rund- oder Flachdraht wird für die rotierende Seite des Drehübertrages eine mehrlagige Leiterplatte („Windungsplatine“, „Multilayer-PCB“) mit spezieller Strukturierung zur Vermeidung des Stromverdrängungseffektes verwendet, auf deren Lagen die Kupferschichten so strukturiert sind, dass sie eine Wicklung ergeben;
- 2) die stillstehende Seite des Drehübertragers kann wahlweise ebenfalls mit einer mehrlagigen Windungsplatine zur Vermeidung des Stromverdrängungseffektes oder mit einer Wicklung aus Rund-, Flach- oder HF-Litzendraht in konventioneller Bauart realisiert werden;
- 3) eine spezielle Entwärmung des Drehtransformators für die primäre- und sekundäre Seite ist vorgesehen;
- 4) zur Optimierung der Entwärmung des Gleichrichters ist dessen Schaltung aus mehreren gleichartigen Einzelelementen zusammengesetzt, z.B. in der in 8) dargestellten Weise;
- 5) hohe Drehzahlfestigkeit (über 15.000 min-1);
- 6) durch die Verwendung des speziellen Aufbaus des Drehübertragers können sowohl radial (größer oder gleich 0, 7 mm im Radius) als auch axial (größer oder gleich 2 mm) größere Luftspalte verwendet werden;
- 7) eine einfachste Ausführung der Durchkontaktierungen für Leiterplattenwicklung kann verwendet werden;
- 8) eine symmetrische Anordnung der Leiterbahnen der Windungsplatine (hier auch als „Strands“ bezeichnet) erreicht eine hohe Packungsdichte.
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Um die Drehzahlfestigkeit des rotierenden Teils des Drehübertragers (Sekundärseite des Drehübertragers sowie Gleichrichter und Glättungskondensatoren) zu gewährleisten, wird dieser vollständig mit Vergussmaterial (z.B. Epoxidharz oder Kunststoff) vergossen oder umspritzt.
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Der Wechselstrom soll in einer Gleichrichterplatine der sekundären Seite gleichgerichtet und geglättet werden. Beispielsweise wird die Gleichrichterplatine als ein rundes Teil mit beispielsweise 25 Kondensatoren und 36 Dioden dargestellt. Alternativ können anstatt der Dioden auch aktiv gleichrichtende Komponenten eingesetzt werden. Beispielsweise gesteuerte MOSFETs.
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Das kontaktlose Leistungsübertagungssystem auf Basis des Drehübertragers kann einen Gleichrichter aufweisen, der aus der Verschaltung mehrerer (vorzugsweise gleichartiger) Einzelbauteile aufgebaut ist. Diese Einzelbauteile (vorzugsweise bestehend aus Dioden mit positivem Temperaturkoeffizienten, z.B. Schottkydioden auf Basis von Siliziumkarbid) werden in parallel geschalteten Zweigen verschaltet.
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Zu besserer Wärmeabfuhr von den elektronischen Komponenten der Gleichrichterplatine wird vorgeschlagen, die Gleichrichterplatine mit einem Kühlkörper direkt zu verbinden.
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Zu besserer Wärmeabfuhr von allen Komponenten des Übertrages wird ein spezielles Epoxidharz mit höherer Wärmeleitfähigkeit verwendet.
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Leiterplattenwicklung (Windungsplatine) weist parallelgeschaltete Spiralspulen aus Einzelleiterzügen (Strands) auf, die zur Realisierung hoher Stromtragfähigkeiten der Wicklungsplatine dienen. Die Parallelschaltung mehrerer Leiterzüge führt nur zu einer minimalen Erhöhung der Wirbelstromverluste hervorgerufen durch das einfallende magnetischen Wechselfeld im Wicklungsfenster des Drehübertragers.
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Durch die spezielle Geometrie der Einzelteile des Übertragers lässt sich dieser kostengünstig herstellen und erfüllt dennoch die Funktion.
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1 zeigt im Einzelnen eine Loslagerseite (Nicht-Antriebsseite) der elektrischen Maschine 12. Es sind ein Lagerschild oder Motorgehäuse 24 und ein Federelement 25 dargestellt. Die Anordnung kann alternativ auch an einer Festlagerseite vorgesehen sein.
Die Welle 20 des Rotors 17 ist über ein Lager 26 an dem Lagerschild oder Motorgehäuse 24 rotierbar gelagert. Sicherungsringe 27 können beispielsweise das Lager 26 in axialer Richtung 28 entlang der Rotationsachse 19 gegen verrutschen fixieren. Von dem Rotor 17 sind des Weiteren ein Blechpaket 29, Wickelköpfe 30 der Erregerwicklung 18, eine Abdeckung 31 der Wickelköpfe 30 mit einer darin angeordneten Vergussmasse 32 und Drähte 33 der Erregerwicklung 18 dargestellt. Die Drähte 33 können an das Leistungsübertragungssystem 21 elektrisch und mechanisch angebunden sein.
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Das Leistungsübertragungssystem weist eine Festseite oder Primärseite PRIM und eine am Rotor befestigte Sekundärseite SEC auf. Die Primärseite PRIM und die Sekundärseite SEC sind jeweils als Ringe ausgebildet, die um die Welle 20 angeordnet sind. Die Sekundärseite SEC kann an einer Stirnseite des Rotors 17 angeordnet sein.
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Von dem Leistungsübertragungssystem 21 sind auf einer Primärseite PRIM die primärseitige Wicklung 22, ein Kühlkörper 34, eine Anschlussplatine 35 zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung (hinführende elektrische Leitungen sind nicht dargestellt), Metallstifte 36 zum Durchkontaktieren der Anschlussplatine 35 hin zu einer Windungsplatine 37 der primärseitigen Wicklung 22 und ein primärseitiger Ferritkern 38 dargestellt.
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Der Ferritkern 38 der Primärseite PRIM ergänzt sich zusammen mit einem Ferritkern 39 der Sekundärseite SEC zu einem magnetischen Kreis. In dem magnetischen Kreis ergibt sich ein radialer Luftspalt 40, über den ein von der primären Wicklung 22 erzeugtes magnetisches Wechselfeld in den Ferritkern 39 der Sekundärseite SEC überwechseln kann. Da es sich um einen radialen Luftspalt 40 handelt, ändert sich deren Spaltmaß bei einer axialen Bewegung der Welle 20 in axialer Richtung 28 nicht. Mit der axialen Bewegung ändert sich ein axialer Luftspalt 40'. Die Ferritkerne 38, 39 weisen jeweils ein L-Profil auf. Hierdurch können axiale Toleranzen kompensiert werden. Je größer das Spaltmaß des radialen Luftspalts ist, desto weniger Leistung lässt sich übertragen. Natürlich kann auch ein anderes Profil, z.B. ein E-Profil verwendet werden.
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Von der Sekundärseite SEC sind des Weiteren dargestellt: eine Windungsplatine 41 der sekundärseitigen Wicklung 23, ein Kühlkörper 42, eine Gleichrichterplatine 43 mit einer Gleichrichterschaltung, die Kondensatoren 44 und Dioden 45 umfasst, Metallstifte 46, über welche die Windungsplatine 41 mit der Gleichrichterplatine 43 elektrisch verbunden ist, sowie Haken 47, an welchen die Drähte 33 der Erregerwicklung 18 angebracht sind. Die Haken 47 werden auch als Wickelhaken bezeichnet. Sie stellen jeweils einen Anschlusskontakt der Gleichrichterschaltung dar. Die Gleichrichterplatine 43 kann mittels Metallschrauben 48 direkt an dem Kühlkörper 42 gehalten sein. Der Kühlkörper 42 liegt mit einer Koppelfläche 42' an der Abdeckung 31 an. Es kann sich um einen Presssitz handeln. Die Abdeckung kann aus einem speziellen Metall oder einer speziellen Metalllegierung gefertigt sein. Beispiele für ein geeignetes Material der Abdeckung können aus den genannten Druckschriften
DE 20 2012 002 027 U1 und
DE 20 2012 002 024 U1 entnommen werden.
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2 zeigt in Vergrößerung den oberen Ausschnitt der Sekundärseite SEC, wie sie in 1 gezeigt ist. Gezeigt ist, wie Zwischenräume mit einer Vergussmasse aus einem Epoxidharz oder mittels einer Umspritzung durch Kunststoff aufgefüllt oder ausgefüllt sind. Dieser Verguss oder diese Umspritzung 32' verbessert die Stabilität der Sekundärseite SEC für eine hohe Drehzahl. Das Leistungsübertragungssystem 21 ist hierdurch drehzahlfest für Drehungszahlen größer 15.000 Umdrehungen pro Minute. Des Weiteren bietet der Verguss oder die Umspritzung 32' eine festkörper-basierte Wärmeübertragung von der Gleichrichterplatine 43 hin zum Kühlkörper 42. Aus dem Kühlkörper 42 kann die Wärme dann in die Abdeckung 31 übergehen.
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3 veranschaulicht eine Bauweise der Windungsplatinen 41 und optional auch der Windungsplatine 37. Jede der Windungsplatinen 37, 41, aber insbesondere die Windungsplatine 41 der Sekundärseite SEC, kann mehrlagig aufgebaut sein. In dem veranschaulichten Beispiel weisen die Windungsplatinen jeweils N = 4 Lagen L1, L2, L3, L4 auf, die in 3 nebeneinander dargestellt sind. Gezeigt sind Leiterbahnen 49 einer einzelnen Spiralspule A1. Jede Leiterbahn 49 jeder Lage L1, L2, L3, L4 weist die Form eines Spiralelements 50 auf. Die Spiralspule A1 weist insgesamt U = 5 Umrundungen auf, die auf die N = 4 Lagen L1, L2, L3, L4 verteilt sind. Damit weist jedes Spiralelement 50 effektiv U/N Umrundungen auf, also in dem gezeigten Fall 1,25 Umrundungen.
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4 veranschaulicht, wie für mehrere Spiralspulen A1, A2, A3, A4, A5 auf einer einzelnen Lage, hier beispielsweise die äußere Lage L1, jeweils Leiterbahnen 49 von Spiralelementen 50 mehrere Spiralspulen A1, A2, A3, A4, A5 konzentrisch um die Rotationsachse 19 und jeweils um einen Winkelversatz 51 gegen das benachbarte Spiralelement 50 versetzt angeordnet sein können. Der Winkelversatz 51 ergibt sich aus der Anzahl der Spiralspulen A1, A2, A3, A4, A5 zu: 360° / Anzahl der Spiralspulen. Des Weiteren sind Durchkontaktierungen 52 dargestellt, mittels welchen die Spiralelemente 50 jede der Spule in eine Reihenschaltung verschaltet werden können.
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5 zeigt einen möglichen Schaltplan für das Leistungsübertragungssystem 21. Auf der Primärseite PRIM kann aus einer Versorgungsspannung eine Wechselspannung für die primärseitige Wicklung 22 mittels eines Vierquadrantenstellers 53 erzeugt werden. Eine Steuerlogik für den Vierquadrantensteller 53 ist in 5 nicht dargestellt. Mittels einer Kapazität 53' kann ein Resonanzverhalten der Wicklung 22 kombiniert mit der Kapazität 53' eingestellt werden. Die Kapazität 53' ist optional.
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Auf der Sekundärseite SEC ergibt sich an der sekundärseitigen Wicklung 23 eine Wechselspannung U`. Auf der Sekundärseite SEC kann eine Gleichrichtung der Wechselspannung U` mittels Dioden 45 einer Gleichrichterschaltung REC erfolgen. Die Dioden 45 und der Kondensator 44 sind hier als einfache Bauteile dargestellt. Sie können jeweils auch aus mehreren, parallel geschalteten gleichartigen Elementen gebildet sind, was noch im Zusammenhang mit 8 erläutert wird. Bei einer Diode 45 können also mehrere parallel geschaltete Einzeldioden und bei dem Kondensator 44 mehrere, parallelgeschaltete Einzelkondensatoren vorgesehen sein. Über die Haken 47 ist die erzeugte Gleichspannung U in die Drähte 33 der Erregerwicklung 18 übertragbar.
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6 veranschaulicht einen alternativen Schaltplan für das Leistungsübertragungssystem 21. Auf der Primärseite PRIM sind nur zwei Transistoren anstelle der vier Transistoren eines Vierquadrantenstellers nötig. Stattdessen ist eine Brückenschaltung aus zwei Transistoren und zwei Freilaufdioden 53'' vorgesehen. Auch auf der Sekundärseite SEC kann dadurch die Gleichrichterschaltung mit im Vergleich zum Schaltplan gemäß 5 weniger Dioden 45 realisiert werden.
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7 veranschaulicht einen alternativen Schaltplan für das Leistungsübertragungssystem 21, wobei auf der Primärseite PRIM wieder ein Vierquadrantensteller 53 mit einer Kapazität 53' vorgesehen ist. Auf der Sekundärseite SEC ist ein Mittelabgriff 54 an der Wicklung 23 bereitgestellt, was es im Vergleich zum Schaltplan gemäß 5 ermöglicht, die Gleichrichterschaltung REC mit weniger Dioden 45 bereitzustellen. Die Kapazität 53' ist optional.
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8 veranschaulicht einen Schaltplan, durch den veranschaulicht ist, wie eine einzelne Diode 45 aus mehreren Einzelbauelementen 45b gebildet werden kann. Die Einzelbauelemente 45b sind in einer aus Schaltungszweigen 45a gebildeten Parallelschaltung angeordnet, wobei zum Vergleichmäßigen einer Stromaufteilung jedem Einzelbauelemente 45b in den Schaltungszweigen 45a ein Widerstandselement 45c in Serie geschaltet sein kann. Insgesamt ergeben sich somit parallele Schaltungszweige 45a deren Parallelschaltung insgesamt die Funktion einer einzelnen Diode 45 ergibt.
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Kontaktlose Leistungsübertragungssysteme können wahlweise an der Fest- oder Loslagerseite des Rotors montiert werden. Im weiterem wird ausschließlich die Unterbringung auf der Loslagerseite (keine Antriebsseite) beschrieben, weil dies für Traktionsmaschinen vorteilhaft ist. Bei dem hier beschriebenen Leistungsübertragungssystem anstelle konventioneller Wicklungen speziell strukturierte, mehrlagige Leiterplatten (hier als „Windungsplatinen“ bezeichnet) einsetzt. Die Kupferlagen der einzelnen Lagen einer Windungsplatine sind so strukturiert, dass sie, eingesetzt in ein Leistungsübertragungssystem, eine Wicklung aus Rund-, Flach- oder HF-Litzendraht (HF - Hochfrequenz) ersetzen können. Bei dem beschriebenen System wird mindestens die Sekundärseite des Leistungsübertragungssystems mit einer Windungsplatine anstelle einer konventionellen Wicklung aus Rund-, Flach- oder HF-Litzendraht aufgebaut. Die Primärseite kann wahlweise ebenfalls mit einer Windungsplatine oder einer konventionellen Wicklung aus Rund-, Flach- oder HF-Litzendraht aufgebaut werden. Soll eine besonders flache Bauform erreicht werden, ist die Verwendung einer Windungsplatine auch in der Primärseite vorteilhaft. Windungsplatinen eigenen sich für Drehübertager mit Eisenblech, Ferrit oder Eisenpulver-Kompositmaterial als magnetisch wirksames Material (38, 39) in gleicher Weise.
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Zum Erreichen einer hohen Übertragungsleistung ist die Entwärmung der Wicklungsplatinen erforderlich. Dies kann idealerweise durch die Verklebung der Wicklungsplatinen mit dem zugehörigen magnetisch wirksamen Material erfolgen (siehe 1). Dies führt zusätzlich zu einer Erhöhung der mechanischen Stabilität des Leistungsübertragungssystems. Dabei ist die Windungsplatine vorzugsweise durch eine dünne Lage aus z.B. Polyimidfolie (sogenannte „Capton“-Folie (R)) oder Isolationslack, elektrisch gegenüber den Kernhälften oder Ferritkernen isoliert. Die Windungsplatine (mit der optionalen Isolationsschicht) kann in einem konventionellen Großserien-Produktionsprozess für Leiterplatten gefertigt werden.
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Die Windungsplatine kann aus beliebigem, marktüblichem Leiterplattenbasismaterial (z.B. FR4 oder Hochtemperaturvarianten hiervon) gefertigt werden. Marktübliches Leiterplattenbasismaterial besitzt eine hohe mechanische Festigkeit, wodurch es für den Einsatz in Leistungsübertragungssystemen ideal geeignet ist. Aufgrund der Möglichkeit, Windungsplatinen in einem Großserienprozess kostengünstig herstellen zu können, sowie der hohen mechanischen und thermischen Stabilität von marktüblichem Standard- Leiterplattenbasismaterial, können die Anforderungen hochfeste Spulen für Drehtransformatoren für kontaktlose Leistungsübertrager bei gleichzeitig kostengünstiger Herstellung in idealerweise verbunden werden.
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In Systemen bekannter Bauart sind die Dioden der Gleichrichter (siehe 5), entweder als einzelne Bauteile (z.B. Dioden, jede Diode besitzt ihr eigenes Gehäuse) oder als zusammengefasste (integrierte) Bauteile (alle vier Dioden des Gleichrichters befinden sich in einem Gehäuse) oder als Mischform (z.B. jeweils zwei Dioden befinden sich in einem Gehäuse) ausgeführt. Beide Varianten (insbesondere die integrierten Bauformen) führen zu einer hohen lokalen Erwärmung der Dioden. Hierdurch wird häufig bei hohen Umgebungstemperaturen die Leistungsfähigkeit der Gesamtanordnung begrenzt. In der hier beschriebenen Bauart werden die als Einzeldioden gezeichneten Dioden des Gleichrichter REC (siehe 5 bis 8) aus mehreren einzelnen Dioden (und ggf. Widerständen) kleiner Leistung zusammengesetzt. Dieses Prinzip ist in 8 dargestellt. Um eine gleichmäßige Stromverteilung auf die Schaltungszweige (8, Schaltungszweige 45a) zu erreichen, können diese entweder nur aus einer Diode 45b mit einer Leistung kleiner als die benötigte Gesamtleistung bestehen oder aus der der Reihenschaltung einer Diode 45b und eines Widerstandes 45c. Wird als Bauteil für 45b eine Diode mit negativem Temperaturkoeffizienten (die Leitspannung der Diode sinkt mit steigender Temperatur) gewählt, ist 45c erforderlich, um bei ungleichmäßiger Erwärmung der Einzelzweige zu verhindern, dass eine der Dioden 45b überlastet wird. Wird hingegen für 45b eine Diode mit positivem Temperaturkoeffizienten (die Leitspannung der Diode steigt mit steigender Temperatur) eingesetzt (z.B. Siliziumkarbid-Schottkydioden), so kann auf 45c verzichtet werden. Das in 8 für den Brückengleichrichter REC gezeigte Prinzip kann in gleicher Weise auch in (6 und 7) angewandt werden. Die Erhöhung der Stromtragfähigkeit von Wicklungen wird durch Parallelschaltung von Leiterzügen oder Leiterbahnen gelöst. Eine wesentliche Verbesserung zum Stand der Technik wird durch einen spezieller Aufbau erreicht, der es erlaubt, mehrere Leiterzüge parallel zu schalten, um eine hohe Stromtragfähigkeit zu erreichen, bei gleichzeitiger Unempfindlichkeit gegenüber dem Stromverdrängungseffekt, hervorgerufen durch senkrecht (d.h. axiale Richtung 28 in 1) in die Leiteroberfläche einfallende magnetische Wechselfelder. Hierin liegt der wesentliche Unterschied zu den im Stand der Technik bekannten Transformatoren; die dort vorgeschlagene Verbreiterung der Leiterbahnen und/oder die Parallelschaltung ganzer Windungslagen erhöht die Stromtragfähigkeit des Transformators nur begrenzt. Der Grund hierfür ist, dass die Verbreiterung der Leiterbahnen (die die Windungen bilden) zu einer Erhöhung der Wirbelstromverluste, hervorgerufen durch das die Leiterbahnen senkrecht durchdringende (d.h. axiale Richtung 28 in 1) magnetische Wechselfeld, führen. Eine Parallelschaltung mehrerer Lagen erhöht hingegen die Wirbelstromverluste hervorgerufen durch das die Leiterbahnen waagerecht (d.h. radiale Richtung in 1) durchdringende magnetische Wechselfeld. Um beiden Effekten entgegenzuwirken, wurde eine Anordnung entwickelt, die die einzelnen Leiterzüge so auf den Lagen der Leiterplatte verteilt, dass die Leiterzüge
- 1. Durch radiale und axial symmetrische Verteilung dem Stromverdrängungseffekt bei Parallelschaltung entgegenwirken,
- 2. Rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 19 angeordnet werden können, um eine hohe Flächenausnutzung zu erreichen.
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Hierdurch wird erreicht, dass die Leiterzüge (vorzugsweise außerhalb der Windungsplatine des Drehübertragers des Leistungsübertragungssystems, d.h. auf der Gleichrichter-Gleichrichterplatine 43 in 1) parallelgeschaltet werden können, ohne dass es zu zusätzlichen Wirbelstromverlusten, hervorgerufen durch das radial einfallende magnetische Wechselfeld, kommt, wie dies z.B. bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren der Fall ist. Die Bauweise des Drehübertragers erlaubt es, die Breite der Leiterbahnen so zu wählen, dass axial einfallende magnetische Wechselfelder nur geringe Wirbelstromverluste erzeugen und die Stromtragfähigkeit der Wicklung auf einen beliebigen Wert zu steigern, indem eine beliebige Anzahl an Leiterzügen (vorzugsweise außerhalb, z.B. auf der Gleichrichterplatine in 1) der Windungsplatine parallelgeschaltet werden können, ohne dass sich die Wirbelstromverluste durch radial einfallende magnetische Wechselfelder erhöhen. Der Aufbau kommt mit Durchkontaktierung in einfachster Ausführung (nur ein Durchlauf des Durchkontaktierungsprozesses; verdeckte („Blind- Vias“) und vergrabene („Buried-Vias“) Durchkontaktierungen sind nicht erforderlich) aus und verringert damit Produktionszeit und Kosten erheblich. Durch Ansteuerung der Primärseite PRIM des Leistungsübertragungssystems mittels eines Wechselrichters (5 bis 7) wird in der Sekundärseite SEC des Leistungsübertragungssystems eine Spannung U` induziert. Diese wird durch den Gleichrichter REC gleichgerichtet und mittels einer Kapazität 44 geglättet (5 bis 7). Die Bestromung der Wicklung ist auch ohne die Kapazität 44 möglich.
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Die Erregerwicklung 18 ist die daraus zu speisende Last. Leiterplattenwindungen für hohe Strombelastungen lassen sich folgendermaßen realisieren: Auf jeder Kupferlage einer mehrlagigen Leiterplatte werden einzelne Spiralelemente 50 realisiert, die durch Durchkontaktierungen (sog. „Vias“) mit anderen, gleichartigen Spiralelementen 50 auf anderen Lagen verbunden sind. Die durch Vias in Reihe geschalteten Spiralelemente bilden Einzelleiterzüge (sog. „Strands“), die für sich genommen schon eine einfache Wicklung oder Spiralspule darstellen, aber nur eine begrenzte Stromtragfähigkeit aufweisen. Werden die Spiralelemente in geeigneter Weise angeordnet, können auf jeder Kupferlage viele (miteinander nicht verbundene) Spiralelemente 50 angeordnet werden (4) . Die Spiralelemente laufen auf den verschiedenen Lagen abwechselnd von innen nach außen; verläuft ein Spiralsegment beispielsweise auf Lage L1 von außen nach innen, muss es auf Lage L2 von innen nach außen verlaufen. Die Spiralelemente, die sich auf der gleichen Lage befinden, haben die gleiche Verlaufsrichtung. Zur Verringerung des Stromverdrängungseffektes (durch axial einfallende magnetische Wechselfelder) ist es erforderlich, dass auf den einzelnen Lagen der Windungsplatine keine elektrische Verbindung zwischen den Spiralelementen besteht; die elektrische Verschaltung der Strands oder Spiralspulen zu einer Wicklung mit hoher Stromtragfähigkeit darf erst am Anfang und/oder am Ende eines Strands (vorzugsweise außerhalb der Windungsplatine) erfolgen. Der Aufbau der Wicklung ist in einem Beispiel erläutert worden: Auf einer runden Windungsplatine mit vier Kupferlagen wird ein Wicklung mit fünf Umrundungen (des Mittelschenkels oder des Spulenzentrums oder der Rotationsachse) bestehend aus fünf Strands oder Spiralspulen realisiert. Die Strands sind identisch aufgebaut und lediglich um die z-Achse (axiale Richtung entspricht Papierebene in 3 und 4) winkelversetzt angeordnet. Um fünf Umrundungen auf vier Lagen zu realisieren, muss ein Spiralelement auf einer Lage 5/4 = 1,25 Umrundungen umfassen. 3 zeigt ein einzelnes (erstes) Spiralelement auf der obersten Lage L1 der Wicklungsplatine (das 1,25 Umrundungen umfasst), daneben dargestellt ist das identisch geformte , winkelversetzte (zweite) Spiralelement auf der ersten Innenlage L2 der Windungsplatine, daneben dargestellt ist das dritte (identisch geformte, winkelversetzte) Spiralelement auf der zweiten Innenlage L3 der Windungsplatine, daneben dargestellt ist das vierte (identisch geformte , winkelversetzte) Spiralelement auf der untersten Lage L4 der Windungsplatine. Es ist vorteilhaft, jedes Spiralsegment mit einem Steg der Länge P1/P2 beginnen/enden zu lassen, wenn die Durchkontaktierung zur nächsten Lage mit einem Durchmesser (z.B. um eine ausreichende Stromtragfähigkeit der Durchkontaktierung zu erreichen) realisiert werden muss, der breiter ist als die Leiterbahn des Spiralsegmentes. Punkt A (3) wird als Anfang, Punkt H ( 3) als das Ende des Strands festgelegt. Werden nun im Durchkontaktierungsprozess jeweils die Punkte B & C, D & E sowie F & G elektrisch mit einander verbunden, ist der Strand / Leiterzug elektrisch vollständig. Die Punkte A und H müssen extern mit einem Gleichrichter REC verbunden werden. Ein einzelner Strand besitzt eine begrenzte Stromtragfähigkeit. Um eine vorgegebene Stromtragfähigkeit einzustellen, werden nun mehrere Strand winkelversetzt um die z-Achse oder Rotationsachse (Papierebene in 4) angeordnet, dies zeigt 4 für die oberste Lage L1 der Windungsplatine. Die Punkte A1 bis A5 sind die Anfangspunkte der Strands A1 bis A5. Die Enden der Strands A1 bis A5 befinden sich (analog wie in 4) auf der untersten Lage L4 der Wicklungsplatine. Alle Anfangs- und alle Endpunkte der Strands werden (vorzugsweise) am Gleichrichter jeweils miteinander verbunden. Hierdurch ergibt sich die zur Erhöhung der Strombelastbarkeit der Wicklung notwendige Parallelschaltung mehrerer (beliebig vieler) Strands. Sollen Anfangs- und Endpunkte der Windungsplatine mit durchgehenden Stiften (z.B. wie in 1, Stifte 46) an den Gleichrichter angeschossen werden, ist es vorteilhaft, die Anzahl an Umrundungen pro Spiralsegment so zu erhöhen/erniedrigen (z.B. von 1,25 auf 1,3), das sich ein Winkelversatz zwischen dem Start- und Endpunkt ergibt und die Punkte A und H (3) in der Papierebene somit nicht exakt übereinander liegen. Bei der Auslegung der Windungsplatine ist die Breite Q der Spiralsegmente so zu wählen (4), dass sich eine möglichst hohe Stromtragfähigkeit bei vertretbaren Wirbelstromverlusten (hervorgerufen vom axial einfallenden magnetischen Wechselfeld) ergibt. Die Breite Q kann durch analytische Berechnung mit aus der Fachliteratur bekannten Methoden oder durch FEM-Simulation (FEM - Finite Elemente Methode) bestimmt werden.
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Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Start- und Endpunkte ergeben sich zwischen den Spiralsegmenten einer Lage häufig nur minimale Spannungsunterschiede, daher reicht für den (Isolations- )Abstand M zwischen den Strands häufig der im Leiterplattenherstellungsprozess minimal realisierbare Wert aus ( 4), um z.B. die zugrundeliegende DIN-Norm zu Luft- und Kriechstrecken zu erfüllen. Andernfalls muss der in der Norm festgelegt Wert für M verwendet werden. Die Längen der Stege P1 & P2 sind so zu wählen, dass die Isolationsabstände O1 & O2 zwischen den Spiralsegmenten und den Durchkontaktierungen der zugrunde liegenden Norm (z.B. Norm zu Luft- und Kriechstrecken) entsprechen. Hierbei ist zu beachten, dass der Spannungsunterschied zwischen der Durchkontaktierung und dem Strand wesentliche höher ausfallen kann, als bei den Strandsegmenten die sich in der gleichen Ebene der Leiterplatte befinden. Die Verwendung von Stegen (P1 bzw. P2) ermöglicht es, die Windungsplatine mit nur einem einzigen Durchkontaktierungsprozess zu fertigen. Hierdurch reduzieren sich die Kosten erheblich.
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Um die Drehzahlfestigkeit der rotierenden Teile des Leistungsübertragungssystems (Sekundärseitige Wicklung des Drehübertragers sowie Gleichrichter und Glättungskondensatoren) zu gewährleisten, wird diese vollständig mit Vergussmaterial (z.B. Epoxidharz) vergossen oder mit Kunststoff umspritzt. Der Wechselstrom kann in einer Gleichrichterplatine der Sekundärseite gleichgerichtet und geglättet werden. Beispielsweise wird die Gleichrichterplatine als ein rundes Teil mit beispielsweise 25 Kondensatoren und 36 Dioden dargestellt. Alternative können anstatt der Dioden auch aktiv gleichrichtende Komponenten eingesetzt werden. Beispielsweise gesteuerte MOSFETs. Funktionen benötigter elektronischer Bauelemente können aus der Verschaltung mehrerer (vorzugsweise gleichartiger) Einzelbaulemente aufgebaut sein. Als Einzelbauteile sind die in 8 gezeichneten Elemente 45a und 45c in den Zweigen 45a (vorzugsweise bestehend aus Dioden mit positivem Temperaturkoeffizienten, z.B. Schottkydioden auf Basis von Siliziumkarbid) zu dem Diodenelement 45 zusammengesetzt.
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Zur besseren Wärmeabfuhr von den elektronischen Komponenten der Gleichrichterplatine wird vorgeschlagen, die Gleichrichterplatine mit einem Kühlkörper direkt zu verbinden. Leiterplattenwicklung bestehend aus parallel geschalteten Einzelleiterzügen oder Spiralspulen zur Realisierung hoher Stromtragfähigkeiten der Wicklungsplatine sind dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelschaltung mehrerer Leiterzüge nur zu einer minimalen Erhöhung der Wirbelstromverluste hervorgerufen durch das radial einfallende magnetischen Wechselfeld im Wicklungsfenster des Drehübertragers führt.
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Im Betrieb werden alle Bestandteile, insbesondere elektronische Komponenten der sekundären Seite, des Leistungsübertragungssystems aufgrund der fließenden elektrischen Ströme thermisch sehr hoch beansprucht. Die Entwärmung der elektrischen Komponenten ist oft ein Problem bei geschlossenen (vergossenen) Systemen, wie sie in 1 und 2 dargestellt ist. Vorgeschlagen wird eine spezielle Entwärmung der Bauteile über folgenden „Wärmeweg“: von den Bauteilen über Kühlkörper des Leistungsübertragungssystems und speziellen hochwärmeleitenden Epoxidharz oder speziellen hochwärmeleitenden Kunststoff dann auf die Abdeckung des Wickelkopfes und anschließend in den Motorraum der elektrischen Maschine, in welchem der Rotor mit dem Leistungsübertragungssystem sich dreht. Wie in 1 dargestellt ist, ist die sekundäre Seite des Leistungsübertragungssystems mit einem Kühlkörper versehen, der an der Koppelfläche 42' in direktem Kontakt zu der aus nicht magnetisierbaren Stahl hergestellten Abdeckung der Wickelkopfes steht und die Wärme von elektronischen Komponenten an die Abdeckung überträgt. Bei der Primärseite verläuft der Wärmeweg von der Windungsplatine über den Ferritkern und den Kühlkörper in das Motorgehäuse oder das Lagerschild.
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Die elektronischen Teile einer Gleichrichterplatine der sekundären Seite des Leistungsübertragungssystems sind am meisten thermisch beansprucht. Vorzugsweise wird die Gleichrichterplatine 43 mit einem Aluminium- oder Kupferkern zur Kühlung der elektronischen Teile bereitgestellt, der besonders effizient thermisch mit der Abdeckung des Wickelkopfes verbunden ist.
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Wie in 1 und 2 abgebildet ist, wird die Wärme von der Gleichrichterplatine auf den Kühlkörper über den direkten Kontakt übertragen. Wie in 1 und 2 dargestellt ist, können beispielsweise mehrere Metallschrauben zum Verschrauben der Gleichrichterplatine und Kühlkörper eingesetzt werden. Durch beispielsweise eine Einfräsung am Rand der Gleichrichterplatine wird ein direkt wärmeleitender Kontakt der Gleichrichterplatine zu dem Kühlkörper erstellt. In der Regel haben solche Leiterplatten einen Kern aus Aluminium oder Kupfer und doppelseitige Beschichtung für die Kupferbahnen, worauf die elektronischen Teile gelötet werden.
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Zwischen Kupferkern und die doppelseitige Beschichtung für die Kupferbahnen befindet sich eine Isolationsschicht. Für den direkten Kontakt zwischen Kühlkörper des Leistungsübertragungssystems und Aluminium- oder Kupferkern der Gleichrichterplatine werden die Isolationsschicht und die Kupfer-Beschichtung für die Kupferbahnen z.B. durch den Fräsvorgang freigefräst. Es können andere Verbindungstechniken angewandt werden (beispielsweise Verstemmen oder Nieten). Selbstverständlich können Kupfer oder Aluminiumkern der Gleichrichterplatine aus einem anderen gut wärmeleitenden Werkstoff hergestellt werden. Sollte die Gleichrichterplatine nicht thermisch hoch beansprucht werden und bedarf keines Kupfer- oder Aluminiumkerns, kann in diesem Fall ein Platinenstandardprozess verwendet werden. Beispielsweise wird eine Gleichrichterplatine aus einem Standard- FR4- Material verwendet.
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Der Kühlkörper des Leistungsübertragungssystems wird beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer zu besserer Wärmeabfuhr hergestellt. Es können auch andere gut wärmeleitende Werkstoffe für die Herstellung des Kühlkörpers des Leistungsübertragungssystems verwendet werden. Um alle Teile des Leistungsübertragungssystems mechanisch verbinden zu können, wird vorgeschlagen, ein Epoxidharz oder Kunststoff mit hohem Wärmeleitfähigkeitswert für den Verguß- oder Umspritzprozess einzusetzen.
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Durch den Einsatz vom speziellen Kühlkörper des Leistungsübertragungssystems und spezielles Epoxidharz oder Kunststoff entsteht ein spezielles Entwärmungssystem der Sekundärseite SEC des Leistungsübertragungssystems, das die Wärme aus dem Leistungsübertragungssystem sicher abtransportieren kann. Sollte das Leistungsübertragungssystem als separates Bauteil ausgeführt werden, wird es vorgeschlagen das Leistungsübertragungssystem ohne den Rotor mit einem speziellen Epoxidharz oder Kunststoff mit einem hohen Wärmeleitfähigkeitswert zu vergießen oder zu umspritzen. Wie in 1 und 3 dargestellt, werden alle Hohlräume des Leistungsübertragungssystems gefüllt. Der Verguss oder die Umspritzung mittels Spritzguss geben dem Leistungsübertragungssystems nicht nur die notwendige Drehzahlfestigkeit, sondern sorgen auch für sichere Wärmeabfuhr aus den elektronischen Komponenten des Leistungsübertragungssystems über den Kühlkörper auf der Abdeckung des Wickelkopfes. Der Verguss mit Epoxidharz oder die Umspritzung mit einem Kunststoff stabilisiert den Rotor mit dem Leistungsübertragungssystem mechanisch, um die notwendige Drehzahlfestigkeit zu erreichen
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Die in der Regel festinstallierte in das Lagerschild oder in das Gehäuseteil der Primärseite PRIM des Leistungsübertragungssystems wird im Betrieb nicht mit hohen Kräften beansprucht. Im Gegensatz dazu müssen alle elektronischen Komponenten der Sekundärseite SEC des Leistungsübertragungssystems beispielsweise gegen hohe Fliehkräfte gesichert werden. Um die Drehzahlfestigkeit gewährleisten zu können, werden in der Regel alle Rotor-Komponenten bei einer fremderregten Synchronmaschine mit einem Epoxidharz oder einem Kunststoff vergossen. Das Design, das in 1 dargestellt ist, ermöglicht das Vergießen mit einem Epoxidharz oder das Umspritzen mit einem Kunststoff alle Rotor-Komponenten und gleichzeitig alle Komponenten des Leistungsübertragungssystems in einem Verguss- oder Spritzprozess.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine berührungslose Stromübertragung für fremderregte Synchronmaschinen für Traktionsantriebe mit hoher Motordrehzahl bereitgestellt werden kann.
