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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Energiekoppelvorrichtung zum drahtlosen Übertragen von Energie zwischen wenigstens zwei gegenüber einander drehbaren und über einen Luftspalt voneinander beabstandeten Einheiten der Energiekoppelvorrichtung, mit einer an einer ersten der wenigstens zwei Einheiten angeordneten ersten elektrischen Wicklung und einer an einer zweiten der wenigstens zwei Einheiten angeordneten zweiten elektrischen Wicklung, wobei die erste und die zweite Einheit derart ausgebildet sind, dass ein magnetischer Fluss der ersten Wicklung und ein magnetischer Fluss der zweiten Wicklung im bestimmungsgemäßen Betrieb zumindest über den Luftspalt miteinander verkettet sind, um das Übertragen der Energie zwischen den Einheiten zu bewirken. Bei der elektrischen Maschine mit einem Ständer und einem in einer Öffnung des Ständers drehbar angeordneten Läufer weist der Läufer eine Läuferwicklung und der Ständer eine Ständerwicklung auf. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebseinrichtung, die wenigstens eine elektrische Maschine aufweist.
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Energiekoppelvorrichtungen, elektrische Maschinen mit solchen Vorrichtungen sowie auch Kraftfahrzeuge mit elektrischen Maschinen sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür dem Grunde nach nicht bedarf. Energiekoppelvorrichtungen werden häufig eingesetzt, um eine elektrische Energieversorgung zwischen zwei gegenüber einander drehbar angeordneten Einheiten beziehungsweise Bauteilen zu realisieren. Bei elektrischen Maschinen betrifft dies im Stand der Technik häufig den Ständer und den gegenüber dem Ständer drehbar angeordneten Läufer. Insbesondere wenn der Läufer - wie bei einer fremderregten elektrischen Maschine - mit elektrischer Energie versorgt werden soll, ist eine entsprechende Energiekoppelvorrichtung vorgesehen, die zum Beispiel durch Schleifringe, Kommutatoren oder dergleichen gebildet sein kann. Elektrische Maschinen, bei denen der Läufer mit elektrischer Energie versorgt werden soll, sind zum Beispiel fremderregte Synchronmaschinen, Gleichstrommaschinen, doppeltgespeiste Asynchronmaschinen oder dergleichen.
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Derartige kontaktbehaftete elektrische Kopplungen zum Zwecke der Energiekopplung erweisen sich insofern als nachteilig, als dass sie einem Verschleiß unterliegen und unter Umständen im bestimmungsgemäßen Betrieb nicht unerheblich zur Geräuschentwicklung beitragen. Um derartige Probleme zu reduzieren beziehungsweise zu vermeiden, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, eine drahtlose elektrische Energiekopplung auf Basis der Nutzung eines magnetischen Wechselfelds vorzusehen, so wie dies zum Beispiel durch die
WO 2010/102987 A1 offenbart ist. Die
WO 2010/102987 A1 offenbart einen rotierenden Transformator zur Versorgung einer Feldwicklung einer dynamoelektrischen Maschine, hier eine Bezeichnung, die eine Synchronmaschine meint. Zu diesem Zweck sind gemäß dieser Lehre ständerseitig und läuferseitig axial gegenüberliegend umlaufende Spulen beziehungsweise Wicklungen angeordnet, wobei die ständerseitige Wicklung mit einer Wechselspannung einer Energiequelle beziehungsweise Spannungsquelle beaufschlagt wird. Dadurch wird läuferseitig an der entsprechend gegenüberliegenden Wicklung eine Wechselspannung bereitgestellt, die gleichgerichtet und zur Energieversorgung des Läufers, zum Beispiel einer Erregerwicklung einer permanenterregten Synchronmaschine, genutzt wird. Durch diese Konstruktion braucht zwischen dem Läufer und dem Ständer- abgesehen von einer etwaigen Lagerung - keine mechanische Verbindung mehr vorgesehen zu sein, um die elektrische Kopplung beziehungsweise die energietechnische Kopplung zu realisieren.
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Auch wenn sich diese Art der Energieversorgung des Läufers bewährt hat, verbleiben dennoch Nachteile. Als ein Nachteil erweist sich der Luftspalt in Bezug auf die magnetische Kopplung, weil durch den Luftspalt ein hoher magnetischer Widerstand bereitgestellt wird, der den magnetischen Fluss im Luftspalt ungünstig beeinflussen, insbesondere reduzieren kann. Der Luftspalt ist jedoch bei gegenüber einander drehbar angeordneten Einheiten, wie dem Läufer und dem Ständer der elektrischen Maschine, nicht vermeidbar. Daher erweist sich die Lehre der
WO 2010/102987 A1 gegenüber einer kontaktbasierten Energieversorgung beziehungsweise Energiekopplung in Bezug auf den Wirkungsgrad der Energiekopplung als nachteilig.
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Um in Bezug auf einen magnetischen Kreis Streuflüsse zu reduzieren, ist es beispielsweise aus der
DE 10 2007 054 917 A1 bekannt, in dort genannten parasitären Bereichen ein Ferrofluid, eine magnetoreologische Flüssigkeit oder eine magnetisch leitfähige Paste anzuordnen. Damit der gewählte Stoff an der gewünschten Position verbleibt, schlägt die
DE 10 2007 054 917 A1 vor, dass der Stoff seinen Aggregatszustand von zunächst fließfähig zu fest ändern soll. Für stationäre Anwendungen ohne bewegliche Teile kann dies realisierbar sein. Für gegenüber einander bewegliche Teile erweist sich dies jedoch als nicht ausführbar, weil der feste Aggregatszustand im bestimmungsgemäßen Betrieb bei beweglichen Teilen zu einer Beschädigung oder auch zur Entfernung des Stoffs und/oder zur Beschädigung anderer Teile führen kann. Ferner offenbart die
DE 33 04 719 A1 eine elektrische Kraftübertragungsanlage.
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In diesem Zusammenhang offenbart die
EP 2 208 210 B1 zum Beispiel einen Verbinder mit induktivem Koppler für Unterwasseranwendungen. Das dort genutzte Ferrofluid soll als Fett oder als Paste beziehungsweise als plastisches Wachs zum Einsatz kommen. Mit diesem Stoff werden verbleibende Hohlräume ausgefüllt, wodurch das Führen des magnetischen Flusses verbessert werden können soll. Aber auch diese Lehre eignet sich nicht für den Einsatz bei im bestimmungsgemäßen Betrieb gegenüber einander beweglichen Teilen. Darüber hinaus offenbart die
GB 2 167 615 A einen Unterwassersteckverbinder mit einer Füllung aus einem ferromagnetischen Fluid.
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Insbesondere eignen sich die vorgenannten Lehren nicht für die Anwendung bei elektrischen Maschinen. Daher kommt für die vorgesehene Anwendung, die dieser Erfindung zugrundeliegt, ein Ferrofluid basierend auf einer Paste beziehungsweise einem Wachs keine Bedeutung zu, weil sich dies für den bestimmungsgemäßen Betrieb als ungeeignet erweist. Darüber hinaus ist zu bedenken, dass ein Ferrofluid in flüssiger Form bei Nutzung in einem magnetischen Wechselfeld sowie auch außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs nicht fixiert ist, sodass der Einsatz sich als unzweckmäßig erweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die magnetische Kopplung bei einer elektrischen Maschine mit einer Energiekoppelvorrichtung sowie bei einem Kraftfahrzeug zu verbessern.
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Als Lösung werden mit der Erfindung eine elektrische Maschine mit einer Energiekoppelvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
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In Bezug auf eine Energiekoppelvorrichtung wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass im Luftspalt ein Ferrofluid angeordnet ist und der Luftspalt mit einem Permanentmagnetfeld beaufschlagt ist, dessen Betrag der magnetischen Flussdichte größer als der Betrag der im bestimmungsgemä-ßen Betrieb beim Übertragen der Energie auftretenden Flussdichte des verketteten magnetischen Flusses ist.
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In Bezug auf eine elektrische Maschine wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Energiekoppelvorrichtung gemäß der Erfindung ausgebildet ist, wobei deren erste Einheit ständerseitig und deren zweite Einheit axial gegenüberliegend läuferseitig angeordnet ist.
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Bezüglich eines Kraftfahrzeugs wird insbesondere vorgeschlagen, dass die elektrische Maschine gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
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Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass es möglich ist, das Ferrofluid mittels eines permanenten Magnetfeldes im Luftspalt im Wesentlichen zu fixieren. Dadurch kann erreicht werden, dass das Ferrofluid, obwohl es in einem teilweise sehr fluiden beziehungsweise niedrigviskosen Zustand sein kann, an seiner Position gehalten werden kann, auch wenn die Energiekoppelvorrichtung außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs ist. Das Permanentmagnetfeld ist vorzugsweise ein Magnetfeld, welches eine im Wesentlichen, vorzugsweise zeitlich, konstante magnetische Flussdichte bereitstellt.
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Ein Ferrofluid im Sinne der vorliegenden Beschreibung ist insbesondere eine Flüssigkeit, die auf ein magnetisches Feld reagiert, ohne einen festen Aggregatszustand einzunehmen. Vorzugsweise weist das Ferrofluid magnetische Partikel auf, deren mittlerer Durchmesser lediglich wenige Nanometer beträgt und die in einer Trägerflüssigkeit kolloidal suspendiert sind. Die magnetischen Partikel können darüber hinaus mit einer polymeren Oberflächenbeschichtung stabilisiert sein. Dabei wird unter einem echten Ferrofluid insbesondere eine im Wesentlichen stabile Dispersion verstanden, bei der sich die magnetischen Partikel nicht mit der Zeit absetzen und selbst bei sehr großen magnetischen Flussdichten auch nicht aneinander anlagern oder sich von der Flüssigkeit als eine andere Phase abscheiden. Ferrofluide sind darüber hinaus in der Regel superparamagnetisch und besitzen üblicherweise eine sehr geringe Hysterese. Die Trägerflüssigkeit kann beispielsweise durch ein Öl, durch Wasser oder dergleichen gebildet sein. Darüber hinaus können Tenside zugesetzt sein, um die Suspension zu stabilisieren.
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Die Erfindung nutzt unter anderem auch die Erkenntnis, dass durch das Permanentmagnetfeld und das magnetische Wechselfeld zur bestimmungsgemä-ßen energietechnischen Kopplung ein überlagertes Magnetfeld bereitgestellt werden kann, und zwar insbesondere im Bereich des Luftspalts, der mit Ferrofluid gefüllt ist, sodass die magnetische Flussdichte vorzugsweise immer größer als null ist oder zumindest einen vorgebbaren Wert der magnetischen Flussdichte nicht unterschreitet. Der vorgebbare Wert kann zum Beispiel empirisch in einem geeigneten Versuchsaufbau ermittelt werden.
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Dadurch kann erreicht werden, dass das Ferrofluid auch außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs an der gewünschten Position im Luftspalt gehalten werden kann. Das Gleiche gilt natürlich auch, wenn im bestimmungsgemäßen Betrieb der verkettete magnetische Fluss Nullstellen aufweisen würde oder dergleichen. Dadurch, dass der Betrag des Permanentmagnetfeldes größer ist als der Betrag der im bestimmungsgemäßen Betrieb beim Übertragen der Energie auftretende Flussdichte des verketteten magnetischen Flusses ist folglich vorzugsweise im Luftspalt immer eine gewisse von null abweichende Flussdichte vorhanden, sodass erreicht werden kann, dass das Ferrofluid aufgrund der magnetischen Flussdichte in seiner Position gehalten werden kann. Dadurch, dass das Ferrofluid als Flüssigkeit zum Einsatz kommt, eignet es sich besonders für den bestimmungsgemäßen Einsatz im Luftspalt zwischen den drehbar gegenüber einander angeordneten Teilen beziehungsweise Einheiten. Anders als im Stand der Technik gewünscht, ist bei der Erfindung also keine Fixierung des Ferrofluids aufgrund einer großen Viskosität oder dergleichen erforderlich und auch nicht gewünscht, sondern es ist - entgegen dem Stand der Technik - ein möglichst flüssiger Zustand mit einer kleinen Viskosität gewünscht. Die Lehre gemäß der Erfindung ist daher entgegengesetzt zur Lehre der
DE 10 2007 054 917 A1 sowie auch der
EP 2 208 210 B1 .
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Durch den mit dem Ferrofluid im Sinne der Erfindung gefüllten Luftspalt kann der magnetische Widerstand reduziert werden, sodass der magnetische Widerstand reduziert und infolgedessen der Wirkungsgrad der energietechnischen Kopplung deutlich verbessert werden kann. Dadurch ist die Energiekoppelvorrichtung der Erfindung insbesondere für elektrische Maschinen geeignet, bei denen der Läufer im bestimmungsgemäßen Betrieb mit Energie, insbesondere elektrischer Energie, versorgt werden können soll. Durch das Permanentmagnetfeld kann das Ferrofluid an der richtigen Stelle gehalten werden und ein Verlaufen vermieden werden, und zwar nicht nur während des bestimmungsgemäßen Betriebs sondern auch außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs. Insbesondere liegt das Permanentmagnetfeld daher auch außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs der Energiekoppelvorrichtung beziehungsweise der elektrischen Maschine beziehungsweise des Kraftfahrzeugs vor.
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Die wenigstens zwei voneinander beabstandeten Einheiten sind Einheiten einer elektrischen Maschine. Darüber hinaus können die Einheiten natürlich auch Einheiten einer beliebigen anderen Vorrichtung sein, beispielsweise einer Bahnschranke, einem Kran, der drehbar gegenüber einem Fundament angeordnet ist, aber auch jeglicher anderer Vorrichtung, bei der ein Element beziehungsweise ein Bauteil gegenüber einem anderen Element beziehungsweise Bauteil drehbar ist.
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Die erste Einheit weist eine erste elektrische Wicklung und die zweite Einheit weist eine zweite elektrische Wicklung auf. Die erste und die zweite Einheit sind derart ausgebildet, dass die magnetischen Flüsse der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung im bestimmungsgemäßen Betrieb zumindest über den Luftspalt miteinander verkettet sind. Zu diesem Zweck ist eine magnetische Kopplung der ersten und der zweiten Wicklung über den Luftspalt vorgesehen. Dadurch kann zwischen der ersten und der zweiten Einheit die Energie übertragen werden. Die Energieübertragung kann unter anderem dadurch erfolgen, dass der ersten Wicklung eine elektrische Leistung zugeführt wird, die an der zweiten Wicklung entsprechend bereitgestellt wird oder umgekehrt. Natürlich kann auch vorgesehen sein, dass der Leistungsfluss bedarfsweise umkehrt ist, insbesondere sich periodisch ändert. Die Energiekoppelvorrichtung der Erfindung ermöglicht es also, die beiden Einheiten unter Nutzung eines magnetischen Wechselfeldes energietechnisch miteinander zu koppeln. Zu diesem Zweck kann eine der Wicklungen mit einer Wechselspannung beziehungsweise einem Wechselstrom beaufschlagt werden, wobei die jeweilige andere Wicklung eine entsprechende Wechselspannung bereitstellt.
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Eine erste Wicklung der ersten Einheit ist vorzugsweise koaxial zu einer zweiten Wicklung der zweiten Einheit angeordnet. Vorzugsweise sind die erste und die zweite Wicklung konzentrisch zueinander angeordnet. Die zweite Wicklung kann beispielsweise innerhalb der ersten Wicklung oder auch umgekehrt angeordnet sein. Dadurch kann ein günstiger magnetischer Kreis mit einer guten magnetischen Kopplung erreicht werden.
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Radial außen umlaufend um die erste Wicklung ist ein erster Permanentmagnet angeordnet, dessen magnetische Pole axial ausgerichtet sind. Dadurch kann erreicht werden, dass der magnetische Fluss des Permanentmagneten auf einfache Weise zum magnetischen Fluss der ersten Wicklung überlagert werden kann. Der Permanentmagnet kann vorzugsweise als zylindrisches Bauteil vorgesehen sein, welches eine axiale Durchgangsöffnung aufweist, innerhalb welcher die erste Wicklung angeordnet ist.
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Innerhalb der zweiten Wicklung ist ein zweiter Permanentmagnet angeordnet, dessen magnetische Pole axial ausgerichtet sind. Der zweite Permanentmagnet kann zum Beispiel als zylindrischer Stabmagnet ausgebildet sein. Er kann jedoch auch als hohlzylindrischer Magnet ausgebildet sein, so wie der erste Permanentmagnet.
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Vorzugsweise weist wenigstens die erste Einheit oder wenigstens die zweite Einheit einen magnetischen Polschuh zum Führen des magnetischen Flusses der jeweiligen Wicklung auf. Der magnetische Polschuh kann zum Beispiel durch ein Blechpaket, durch einen Ferritwerkstoff und/oder dergleichen gebildet sein, die vorzugsweise innerhalb der jeweiligen Einheit das Führen des magnetischen Feldes ermöglichen. Dadurch kann der Wirkungsgrad weiter verbessert werden. Der magnetische Polschuh kann auch ein Joch, einen Anker oder dergleichen aufweisen.
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Demnach weisen eine erste und eine zweite Einheit der wenigstens zwei Einheiten einen Permanentmagneten zum Bereitstellen des Permanentmagnetfelds auf. Vorzugsweise ist das Permanentmagnetfeld ein zeitlich und/oder räumlich konstantes Permanentmagnetfeld. In diesem Fall kann der Permanentmagnet beispielsweise als Dauermagnet ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Permanentmagnet aus einem hartmagnetischen Werkstoff gebildet, beispielsweise aus einer Legierung aus Eisen, Kobalt, Nickel oder bestimmten Ferriten. Der Permanentmagnet weist zumindest einen Nordpol und einen Südpol auf. Der Permanentmagnet kann als Stabmagnet ausgebildet sein, dessen magnetische Pole an den Enden des Stabes ausgebildet sind, oder er kann auch als Hohlzylinder ausgebildet sein, dessen Magnetpole an den jeweiligen Zylinderenden ausgebildet sind. Natürlich kann der Permanentmagnet auch mehrteilig aus mehreren, voneinander separierbaren Permanentmagneten gebildet sein. Dem Grund nach kann der Permanentmagnet aber auch einen Elektromagneten aufweisen, der entsprechend elektrisch beaufschlagt ist.
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Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die erste und die zweite Wicklung entlang einer Drehachse der wenigstens einen drehbaren Einheit der Energiekoppelvorrichtung ausgebildet ist. Vorzugsweise sind die erste und zweite Wicklung als Zylinderwicklung ausgebildet. Sie können beispielsweise konzentrisch und/oder koxial zur Drehachse angeordnet sein. Dadurch kann erreicht werden, dass die Richtung des magnetischen Flusses innerhalb der Wicklungen im Wesentlichen parallel zur Drehachse ausgerichtet ist. Gerade bei einer derartigen Konstruktion können dann ergänzend endseitig an den jeweiligen Wicklungen umlaufende Polschuhe vorgesehen sein, die den magnetischen Fluss in Richtung des Luftspalts umlenken. Dadurch kann eine besonders günstige Konstruktion der Energiekoppelvorrichtung insgesamt erreicht werden.
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Weiterhin ist die Ausrichtung der magnetischen Pole des ersten Permanentmagneten erfindungsgemäß entgegengesetzt zur Ausrichtung der magnetischen Pole des zweiten Permanentmagneten ist. Dadurch kann ein sich verstärkender Fluss durch die beiden Permanentmagnete erreicht werden, sodass jeder der beiden Permanentmagneten zum Permanentmagnetfeld positiv beitragen kann. Die Pole des ersten und des zweiten Permanentmagneten sind daher vorzugsweise axial entgegengesetzt zueinander ausgerichtet. Daraus folgt, dass bei dieser Weiterbildung ein Südpol des ersten Permanentmagneten einem Nordpol des zweiten Permanentmagneten radial gegenüberliegt, wohingegen ein Nordpol des ersten Permanentmagneten einem Südpol des zweiten Permanentmagneten radial gegenüberliegt. Diese beiden gegenüberliegenden Positionen sind durch die Erstreckung der Permanentmagneten in axialer Richtung voneinander beabstandet.
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Die für die Energiekoppelvorrichtung angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten natürlich gleichermaßen auch für die mit der Energiekoppelvorrichtung ausgerüstete erfindungsgemäßen elektrischen Maschine beziehungsweise das mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ausgerüstete Kraftfahrzeug und umgekehrt.
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Zu der Erfindung gehört auch eine Steuervorrichtung für das Kraftfahrzeug. Die Steuervorrichtung weist eine Prozessoreinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller und/oder zumindest einen FPGA (Field Programmable Gate Array) und/oder zumindest einen DSP (Digital Signal Processor) aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein. Die Steuervorrichtung kann ausgebildet sein, die Energiekopplung der Energiekoppelvorrichtung zu steuern.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung für eine Energiekoppelvorrichtung, die an einer fremderregten Synchronmaschine angeordnet ist, um einen Läufer der Synchronmaschine mit elektrischer Energie zu versorgen,
- 2 in einer schematischen Seitenansicht ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebseinrichtung, die eine Synchronmaschine umfasst, die eine Energiekoppelvorrichtung gemäß 3 umfasst,
- 3 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer weiteren Energiekoppelvorrichtung, die an der fremderregten Synchronmaschine angeordnet ist, um deren Läufer mit elektrischer Energie zu versorgen,
- 4 eine schematische Schnittdarstellung der fremderregten Synchronmaschine für das Kraftfahrzeug gemäß 2 mit einer Energiekoppelvorrichtung gemäß 3,
- 5 eine schematische Diagrammdarstellung zur Darstellung eines zeitlichen Verlaufs der magnetischen Flussdichte im Luftspalt bei der Energiekoppelvorrichtung gemäß 1 in einem bestimmungsgemäßen Betrieb,
- 6 eine schematische Darstellung wie 5 außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs;
- 7 eine schematische Diagrammdarstellung wie 5 für die Energiekoppelvorrichtung gemäß 3 im bestimmungsgemäßen Betrieb,
- 8 eine schematische Diagrammdarstellung wie 7 außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine Energiekoppelvorrichtung 10, wie sie für eine fremderregte Synchronmaschine 30 (4) genutzt werden kann, um einen Läufer 34 der Synchronmaschine 30 mit elektrischer Energie zu versorgen, damit dieser ein entsprechendes Magnetfeld im bestimmungsgemäßen Betrieb bereitzustellen vermag. Die Synchronmaschine 30 ist vorliegend als dreiphasige Synchronmaschine ausgebildet. Dem Grunde nach kann die Synchronmaschine 30 natürlich auch mehr als drei Phasen aufweisen. Darüber hinaus ist die Anwendung der Erfindung nicht auf Wechselspannungsmaschinen beschränkt und kann gleichermaßen auch bei den Gleichspannungsmaschinen eingesetzt werden.
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Die Energiekoppelvorrichtung 10 gemäß 1 umfasst eine erste Einheit 14, die mit einem Ständer 32 der Synchronmaschine 30 fest verbunden ist ( 4). Darüber hinaus umfasst die Energiekoppelvorrichtung 10 eine zweite Einheit 16, die mit einer Läuferwelle 52 des Läufers 34 der Synchronmaschine 30 drehfest verbunden ist (4). Dadurch ist die zweite Einheit 16 gegenüber der ersten Einheit 14 drehbar angeordnet, und zwar um eine Drehachse 28 der Läuferwelle 52.
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Die Energiekoppelvorrichtung 10 dient zum drahtlosen Übertragen von Energie zwischen den Einheiten 14, 16 mittels eines magnetischen Wechselfeldes über einen Luftspalt 12, über den die beiden Einheiten 14, 16 voneinander beabstandet angeordnet sind. Aus 1 ist ersichtlich, dass die erste Einheit 14 eine erste Wicklung 18 und die zweite Einheit 16 eine zweite Wicklung 20 aufweist. Die erste Wicklung 18 ist - nicht weiter dargestellt - an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen, die die erste Wicklung 18 mit einer geeigneten Wechselspannung beaufschlagt. Die zweite Wicklung 20 ist hingegen an einen nicht dargestellten Brückengleichrichter angeschlossen, an den seinerseits eine Läuferwicklung (nicht dargestellt) des Läufers 34 angeschlossen ist. Die Läuferwicklung wird folglich mit einem Gleichstrom beaufschlagt, sodass läuferseitig ein entsprechendes Magnetfeld bereitgestellt wird.
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1 zeigt ferner, dass die zweite Einheit 16 um die Drehachse 28 gegenüber der ersten Einheit 14 drehbar ist. Dadurch liegen sich bei dieser Ausgestaltung die Wicklungen und magnetischen Kreise gegenüber, weil diese rotationssymmetrisch zur Drehachse 28 ausgebildet sind. Die Einheiten 14, 16 umfassen ferner magnetische Rückschlüsse 42, 44, die zur besseren Führung des magnetischen Flusses dienen. In 1 ist mit dem Bezugszeichen 50 der verkettete magnetische Fluss im bestimmungsgemäßen Betrieb der Energiekoppelvorrichtung 10 dargestellt.
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Die Energiekoppelvorrichtung 10 gemäß 1 eignet sich insbesondere für eine endseitige Anordnung an einem axialen Ende der Synchronmaschine 30. Dem Grunde nach kann die Läuferwelle 52 jedoch auch die Einheit 14 durchragen, wobei dann eine entsprechende Drehentkopplung vorzusehen ist. Als nachteilig bei der Energiekoppelvorrichtung 10 erweist es sich, dass der Wirkungsgrad der Energiekopplung gering ist.
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3 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung einen Ausschnitt einer weiteren Energiekoppelvorrichtung 60. Die Energiekoppelvorrichtung 60 weist eine erste Einheit 14 auf, die drehtechnisch mit dem Ständer 32 der Synchronmaschine 30 verbunden ist. Ferner umfasst die Energiekoppelvorrichtung 60 eine zweite Einheit 16, die mit der Läuferwelle 52 drehtechnisch verbunden ist. Die beiden Einheiten 14, 16 der Energiekoppelvorrichtung 60 sind über einen Luftspalt voneinander beabstandet angeordnet. Darüber hinaus sind die beiden Einheiten 14, 16 axial gegenüberliegend zueinander angeordnet, sodass sie konzentrisch und koaxial zueinander angeordnet sind. Die zweite Einheit 16 ist somit radial von der ersten Einheit 14 umgeben.
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Die erste Einheit 14 umfasst ferner eine erste Wicklung 18, die vorliegend als Zylinderspule ausgebildet ist und die sich im Wesentlichen parallel zur Drehachse 28 erstreckt. Die erste Wicklung 18 ist umlaufend um die Drehachse 28 ausgebildet. Die erste Einheit 14 umfasst ferner einen ersten Permanentmagneten 24, dessen magnetische Pole axial zur Drehachse 28 ausgerichtet sind. Der erste Permanentmagnet 24 ist radial außen umlaufend um die erste Wicklung 18 herum angeordnet. Der erste Permanentmagnet 24 ist somit als Hohlzylinder ausgebildet, der die erste Wicklung 18 radial umgibt. Durch diese Anordnung können sich der vom ersten Permanentmagneten 24 und der von der ersten Wicklung 18 bereitgestellte magnetische Fluss überlagern. Endseitig sind an den axialen Enden der ersten Wicklung 18 sowie des ersten Permanentmagneten 24 jeweilige umlaufende Polschuhe 42, 56 aus einem magnetisierbaren Material, zum Beispiel Ferrit, angeordnet. Durch die Polschuhe 42, 56 kann der magnetische Fluss in Richtung der zweiten Einheit 16 über den Luftspalt 12 umgelenkt werden.
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Die zweite Einheit 16 umfasst eine zweite Wicklung 20, die radial luftspaltseitig im Bereich der Oberfläche zum Luftspalt ausgebildet ist. Die zweite Wicklung 20 ist in der vorliegenden Ausgestaltung ebenfalls als Zylinderspule ausgebildet. Die zweite Wicklung 20 ist ebenfalls koaxial entlang der Drehachse 28 ausgebildet.
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Innerhalb der zweiten Wicklung 20 ist ein zweiter Permanentmagnet 26 angeordnet, dessen magnetische Pole axial zur Drehachse 28 ausgerichtet sind. Der zweite Permanentmagnet 26 ist in der vorliegenden Ausgestaltung ebenfalls als Hohlzylinder ausgebildet und stellt eine Durchgangsöffnung bereit, in der ein Trägerelement 62 aus einem nicht magnetisierbaren Werkstoff angeordnet ist, welches die zweite Einheit 16 mit der Läuferwelle 52 drehfest verbindet. Damit kann auch die zweite Wicklung 20 mit der Läuferwicklung des Läufers 34 auf einfache Weise elektrisch gekoppelt werden, was in den Fig. jedoch nicht dargestellt ist.
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Die Ausrichtung der magnetischen Pole des ersten Permanentmagneten 24 ist entgegengesetzt zur Ausrichtung der magnetischen Pole des zweiten Permanentmagneten 26. Dadurch können sich die durch die Permanentmagneten 24, 26 erzeugten magnetischen Flüsse addieren. Ebenso wie bei der ersten Einheit 14 sind auch bei der zweiten Einheit 16 umlaufende Polschuhe 44, 58 vorgesehen, die radial gegenüberliegend zu den Polschuhen 42, 56 der ersten Einheit 14 angeordnet sind. Dadurch kann mittels der Polschuhe eine gute Führung des magnetischen Flusses zwischen den beiden Einheiten 14, 16 erreicht werden.
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Im Luftspalt 12 ist bei dieser Ausgestaltung ferner ein Ferrofluid 22 angeordnet, welches als Flüssigkeit ausgebildet ist. Als Flüssigkeit wird vorliegend ein Öl eingesetzt. In dem Öl sind magnetisierbare Nanopartikel dispergiert. Dadurch kann der magnetische Widerstand des Luftspalts 12 erheblich reduziert werden, sodass infolgedessen insgesamt die energietechnische Kopplung zwischen den Einheiten 14, 16 deutlich verbessert werden kann.
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Damit das Ferrofluid 22 in seiner Position im Luftspalt 12 und hier insbesondere im Bereich der gegenüberliegenden Polschuhe 42, 44 sowie 56, 58 auch außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs der Synchronmaschine 30 verbleibt, wird mit den Permanentmagneten 24, 26 ein entsprechender magnetischer Fluss im Luftspalt 12 und hier insbesondere in den Bereichen der gegenüberliegenden Polschuhe 42, 44 sowie 56, 58 bereitgestellt. Dadurch kann erreicht werden, dass sich das Ferrofluid 22 außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs der Synchronmaschine 30 nicht aus dem Luftspalt 12 entfernt, beispielsweise aufgrund von Gravitationswirkungen oder dergleichen fortströmt oder dergleichen. Die Permanentmagneten 24, 26 stellen hierfür eine entsprechend geeignete magnetische Flussdichte bereit. Der magnetische Fluss, der durch die Permanentmagnete 24, 26 bereitgestellt wird, sorgt dafür, dass der Luftspalt 12 mit einem Permanentmagnetfeld beaufschlagt ist, dessen Betrag der magnetischen Flussdichte größer als der Betrag der im bestimmungsgemäßen Betrieb beim Übertragen der Energie auftretenden Flussdichte des verketteten magnetischen Flusses ist. Dadurch kann erreicht werden, dass die Flussdichte, insbesondere im Luftspalt zwischen den gegenüberliegenden Polschuhen 42, 44, 56, 58, nicht zu null wird, sodass vermieden werden kann, dass die fixierende Wirkung des Magnetfeldes für das Ferrofluid verloren gehen könnte. Im Luftspalt 12 ist somit immer ein magnetisches Feld vorhanden, welches geeignet ist, das Ferrofluid 22 im Wesentlichen zu fixieren.
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Zugleich ermöglicht es das Ferrofluid 22, dass die erste und die zweite Einheit 14, 16 nahezu widerstandslos gegenüber einander rotiert werden können. Das Ferrofluid 22 ist daher vorzugsweise eine Flüssigkeit.
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Mit den Permanentmagneten 24, 26 wird eine geeignete magnetische Flussdichte beziehungsweise ein geeigneter magnetischer Fluss bereitgestellt. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Permanentmagneten 24, 26 eine Flussdichte in einem Bereich von etwa 0,9 bis etwa 1,5 T bereitstellen. In alternativen Ausgestaltungen kann dies natürlich auch abweichend gewählt sein. Die folgenden Diagrammdarstellungen geben eine Auslegungshilfe für die Bestimmung der erforderlichen Parameter.
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5 zeigt in einer schematischen Diagrammdarstellung mit einem Graphen 54 die magnetische Flussdichte im Luftspalt 12 für die Energiekoppelvorrichtung 10 gemäß 1. Die Abszisse ist der Zeit und die Ordinate der magnetischen Flussdichte zugeordnet. Zu erkennen ist, dass - entsprechend der Beaufschlagung mit Wechselspannung der ersten Wicklung 18 - eine entsprechende magnetische Flussdichte im Luftspalt 12 vorliegt. Vorliegend ist ein sinusförmiger zeitlicher Verlauf der magnetischen Flussdichte dargestellt. Die magnetische Flussdichte weist periodisch eine maximale magnetische Flussdichte Bmax sowie eine minimale magnetische Flussdichte Bmin auf, deren Betrag dem Betrag der magnetischen Flussdichte Bmax entspricht. Die Werte der maximalen magnetischen Flussdichte Bmax sowie der minimalen magnetischen Flussdichte Bmin sind symmetrisch zur magnetischen Flussdichte null.
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6 zeigt in einer schematischen Diagrammdarstellung wie 5 den Betriebsfall im ausgeschalteten Zustand der Synchronmaschine 30. Zu erkennen ist, dass die magnetische Flussdichte null ist. Für die Nutzung eines Ferrofluids ist dies ungeeignet.
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7 zeigt nun in einer schematischen Diagrammdarstellung wie 5 den Verlauf der magnetischen Flussdichte im Luftspalt 12 der Energiekoppelvorrichtung 60 gemäß 3. Zu erkennen ist, dass der magnetische Fluss und die magnetische Flussdichte zu keinem Zeitpunkt kleiner als null ist. Die magnetische Flussdichte hat hier auch wieder einen im Wesentlichen zeitlich sinusförmigen Verlauf, jedoch ist der minimale Wert der magnetischen Flussdichte Bmin immer größer als null. Dies wird durch das Permanentmagnetfeld erreicht, welches durch die Permanentmagneten 24, 26 bereitgestellt wird. Durch Überlagerung des durch die Permanentmagneten 24, 26 bereitgestellten magnetischen Flusses zu dem durch die Wicklungen 18, 20 bereitgestellten verketteten magnetischen Fluss kann somit erreicht werden, dass die Flussdichte im Luftspalt zu keinem Zeitpunkt kleiner als Bmin ist. Dadurch kann erreicht werden, dass das Ferrofluid 22 als Flüssigkeit mit einer geeigneten Flussdichte beaufschlagt wird, die dazu führt, dass das Ferrofluid 22 zu jedem Zeitpunkt an seiner Position im Luftspalt 12 gehalten wird, und zwar sowohl während des bestimmungsgemäßen Betriebs als auch außerhalb bestimmungsgemäßen Betriebs.
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8 zeigt in einer schematischen Diagrammdarstellung wie 7 den entsprechenden ausgeschalteten Zustand der Synchronmaschine 30. Zu erkennen ist, dass im Luftspalt 12 eine Vormagnetisierung mit der Flussdichte Bvor vorliegt, die größer als null ist. Somit kann auch außerhalb des bestimmungsgemäßen Betriebs der Synchronmaschine 30 erreicht werden, dass das Ferrofluid 22 im Luftspalt 12 bestimmungsgemäß positioniert bleibt. Die Wahl der magnetischen Flussdichte Bmin und Bvor erfolgt vorzugsweise derart, dass das flüssige Ferrofluid 22 sowohl im bestimmungsgemäßen Betrieb der Synchronmaschine 30 als auch in ihrem ausgeschalteten Zustand im Luftspalt 12 verbleibt.
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2 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Kraftfahrzeug 40 mit einer elektrischen Antriebseinrichtung 36, die die Synchronmaschine 30 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 40 umfasst. Die Antriebseinrichtung 36 ist ferner an eine Hochvoltbatterie 38 angeschlossen, die der elektrischen Energieversorgung der Antriebseinrichtung 36 dient.
