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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Rotor für eine fremderregte elektrische Maschine, einen Stator für eine fremderregte elektrische Maschine, und eine fremderregte elektrische Maschine aufweisend den Rotor sowie den Stator.
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Stand der Technik
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Beim Betrieb von elektrischen Maschinen werden für den Status der elektrischen Maschine relevante Größen meist anhand von Modellen geschätzt. Beispielsweise erfolgt eine Bestimmung einer Rotortemperatur einer elektrischen Maschine mittels einer auf einem Model basierenden Berechnung. Bei einer elektrischen Maschine ist jedoch die Rotortemperatur ein wichtiger Parameter für eine Regelung und Zuverlässigkeit der Maschine und spiegelt den Zustand der Maschine wieder. Allerdings ist die Berechnung wesentlich ungenauer als eine Messung der Rotortemperatur.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rotor für eine fremderregte elektrische Maschine, einen Stator für eine fremderregte elektrische Maschine, und eine fremderregte elektrische Maschine aufweisend den Rotor sowie den Stator bereitzustellen, die jeweils ausgestaltet sind, um die oben beschriebenen Nachteile des Stands der Technik zu überwinden.
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Gelöst wird die Aufgabe durch einen Rotor für eine fremderregte elektrische Maschine, wobei der Rotor zur induktiven Kopplung mit einem Stator ausgestaltet ist, um kontaktlos mit Erregerleistung zur Bestromung einer Erregerwicklung versorgt zu werden. Der Rotor ist ferner ausgestaltet, um mittels der induktiven Kopplung eine Information zum Stator zu senden. Die elektrische Maschine ist dabei ein Energiewandler, der ausgestaltet ist, um elektrische Energie in Rotationsenergie oder umgekehrt umzuwandeln. Hier ist die elektrische Maschine eine fremderregte elektrische Maschine, bevorzugt eine fremderregte Synchronmaschine. Je nach Richtung eines Leistungsflusses kann die elektrische Maschine ein Motor oder ein Generator sein.
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Der Rotor ist relativ zum Stator drehbar. Genauer gesagt ist die Erregerwicklung des Rotors vorgesehen, um in der elektrischen Maschine ein statisches, elektromagnetisches Feld für die Energiewandlung zu erzeugen. Dadurch kann sich der Rotor im Betrieb der elektrischen Maschine relativ zu dem Stator der elektrischen Maschine drehen. Das von der Erregerwicklung erzeugte elektromagnetische Feld ist relativ zum Rotor statisch.
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Vorliegend ist der Rotor ausgestaltet, um induktiv bzw. kontaktlos vom Stator mit Erregerleistung zur Bestromung einer Erregerwicklung versorgt zu werden. Unter Induktion wird eine elektromagnetische Induktion verstanden.
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Bevorzugt wird die Information durch digitale fehlererkennende Signalübertragung gesendet, wobei die fehlererkennende Signalübertragung beispielsweise auf einer zyklischen Redundanzprüfung (CRC) basiert. Die zyklische Redundanzprüfung ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Prüfwerts für Daten, um Fehler bei der Übertragung oder Speicherung erkennen zu können. Bevorzugt kann das Verfahren die empfangenen Daten bzw. Information korrigieren, um eine erneute Übertragung der Daten bzw. Information zu vermeiden.
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Der Rotor kann zur induktiven Kopplung eine Sekundärwicklung aufweisen. Bevorzugt ist die Sekundärwicklung Teil einer Spule, die wiederum mehrere Wicklungen aufweist. Die Sekundärwicklung ist geeignet, um Veränderungen in einem von außen an sie angelegten elektromagnetischen Wechselfeld erfassbar zu machen.
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Der Rotor kann ferner einen Gleichrichter aufweisen, der ausgestaltet ist, um eine in der Sekundärwicklung durch ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugte Wechselspannung in eine Gleichspannung zu wandeln und zu der Erregerwicklung auszugeben. Genauer gesagt wird durch das elektromagnetische Wechselfeld, das den Rotor induktiv mit Energie zur Bestromung der Erregerwicklung versorgt, in der Sekundärwicklung eine Wechselspannung erzeugt. Diese Wechselspannung wird zu einer Eingangsseite des Gleichrichters ausgegeben und von diesem in Gleichspannung gewandelt. Die Gleichspannung wird dann vom Gleichrichter zur Erregerwicklung ausgegeben. Damit wird in der Erregerwicklung ein relativ zum Rotor statisches elektromagnetisches Feld erzeugt, so dass der Rotor durch ein weiteres elektromagnetisches Wechselfeld des Stators, welches auch als Antriebswechselfeld bezeichnet werden kann, relativ zum Stator rotatorisch angetrieben werden kann. Ein vergleichsweise geringer Teil bezogen auf die gesamte vom Stator auf den Rotor übertragene Energie kann zur Versorgung einer am Rotor angeordneten Sensor- und Kommunikationseinheit abgezweigt werden. Der Gleichrichter kann eine Spannungsregelung aufweisen.
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Der Rotor kann ferner eine mit der Sekundärwicklung verbundene Sendeeinheit aufweisen, die ausgestaltet ist, um die Information auf das auf die Sekundärwicklung wirkende elektromagnetische Wechselfeld aufzumodulieren. Der Rotor kann also ferner ausgestaltet sein, um mittels Modulation eines auf die Sekundärwicklung einwirkenden, Fremderregungsenergie übertragenden, elektromagnetischen Wechselfelds eine Information senden. Bei der Modulation verändert bzw. moduliert ein zu übertragendes Nutzsignal bzw. eine zu übertragende Information das elektromagnetische Wechselfeld.
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Der Rotor kann ferner ausgestaltet sein, um mittels der induktiven Kopplung eine Information vom Stator zu empfangen. Dieses Empfangen erfolgt dabei bevorzugt durch eine inverse Durchführung des Sendevorgangs, d.h. der Rotor ist dann zur Durchführung bidirektionaler Kommunikation mit dem Stator geeignet.
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Der Rotor kann ferner eine mit der Sekundärwicklung verbundene Empfangseinheit aufweisen. Die Empfangseinheit kann ausgestaltet sein, um basierend auf dem auf die Sekundärwicklung wirkenden elektromagnetischen Wechselfeld die Information vom Stator zu empfangen. Die oben beschriebene Sendeeinheit und die Empfangseinheit können in einer Einheit, einem sog. Transceiver, zusammengefasst sein.
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Der Rotor kann ferner einen Sensor aufweisen und ausgestaltet sein, um eine vom Sensor erfasste Information als die zu sendende Information an den Stator zu senden. Der Sensor weist bevorzugt einen Temperatursensor auf. Der Sensor kann einen Drehzahlsensor aufweisen. Der Sensor kann einen Magnetfeldsensor aufweisen. Bevorzugt ist der Sensor mit dem Transceiver des Rotors verbunden und gibt die von ihm erfassten Größen als Signale zum Transceiver ein. Der Transceiver kann die vom Sensor erhaltene Information auf das elektromagnetische Wechselfeld aufmodulieren, um sie zum Stator auszugeben.
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Gelöst wird die oben beschriebene Aufgabe auch durch einen Stator für eine fremderregte elektrische Maschine, wobei der Stator zur induktiven Kopplung mit einem Rotor ausgestaltet ist, um den Rotor kontaktlos mit Erregerleistung zur Bestromung einer Erregerwicklung des Rotors zu versorgen. Der Stator ist ausgestaltet ist, um mittels der induktiven Kopplung eine Information vom Rotor zu empfangen. Die obigen Ausführungen zum Senden und Empfangen von Informationen mittels des Rotors treffen gleichermaßen auch auf den Stator zu. Die oben mit Bezug zum Rotor beschriebenen Definitionen sowie Ausgestaltungsmöglichkeiten bestimmter Bauteile treffen auch auf den Stator zu und können in diesem entsprechend verwirklicht sein.
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Der Stator kann zur induktiven Kopplung eine Primärwicklung aufweisen. Der Stator kann ferner einen Wechselrichter aufweisen, der ausgestaltet ist, um eine Gleichspannung in eine Wechselspannung zu wandeln und zu der Primärwicklung auszugeben. Die Primärwicklung kann ausgestaltet sein, um basierend auf der Wechselspannung ein elektromagnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Der Wechselrichter ist somit ausgestaltet, um eine eingangsseitig an ihn angelegte Gleichspannung in eine Wechselspannung zu wandeln und zu der Primärwicklung auszugeben. Der Wechselrichter führt damit invers die oben beschriebene Funktion des Gleichrichters aus. Das von dem Stator mittels der Primärwicklung erzeugte elektromagnetische Wechselfeld ist veränderlich bzw. verändert sich mit der an sie angelegten Wechselspannung. So kann durch das in der Primärwicklung erzeugte elektromagnetische Wechselfeld die rotorseitige Wechselspannung in der Sekundärwicklung des Rotors erzeugt werden. Diese Wechselspannung kann dann, wie oben beschrieben, von der Sekundärwicklung zu einer Eingangsseite des Gleichrichters des Rotors ausgegeben und von diesem in Gleichspannung gewandelt werden.
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Der Stator kann ferner eine mit der Primärwicklung verbundene Empfangseinheit aufweisen, die ausgestaltet ist, um die auf das von der Primärwicklung erzeugte elektromagnetisches Wechselfeld aufmodulierte Information vom Rotor zu empfangen.
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Der Stator kann ferner eine Steuereinheit aufweisen, die ausgestaltet ist, um basierend auf mittels der induktiven Kopplung vom Rotor empfangenen Information Steuersignale zur Steuerung der fremderregten elektrischen Maschine auszugeben. Die Steuereinheit weist dabei bevorzugt einen Regelkreis auf, der die vom Rotor empfangene Information als Rückführgröße bzw. Ist-Größe verwendet. So kann die elektrische Maschine durch die Steuereinheit in einem bevorzugten Drehzahl- und/oder Temperaturbereich betrieben werden. Ferner kann die Steuereinheit ausgestaltet sein, um die Luftspalt- bzw. Rotormagnetfeldstärke zu steuern.
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Der Stator kann ferner ausgestaltet sein, um mittels der induktiven Kopplung eine Information zum Rotor zu senden. Bevorzugt weist der Stator eine mit der Primärwicklung verbundene Sendeeinheit auf. Die Sendeeinheit kann ausgestaltet sein, um die zu sendende Information auf das in der Primärwicklung erzeugte elektromagnetische Wechselfeld aufzumodulieren. Auch hier können die Sendeeinheit und die Empfangseinheit in einer Einheit, dem sog. Transceiver, zusammengefasst sein.
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Gelöst wird die oben beschriebene Aufgabe auch durch eine fremderregte elektrische Maschine aufweisend einen oben beschriebenen Rotor und einen oben beschriebenen Stator. Der Rotor ist induktiv mit dem Stator gekoppelt, um kontaktlos mit Erregerleistung zur Bestromung einer Erregerwicklung versorgt zu werden. Ferner ist der Rotor ausgestaltet, um mittels der induktiven Kopplung eine Information zum Stator zu senden. Die elektrische Maschine ist bevorzugt so ausgestaltet, dass sich der Rotor angetrieben durch ein vom Stator erzeugtes weiteres elektromagnetisches Wechselfeld, welches auch als Antriebswechselfeld bezeichnet werden kann, relativ zum Stator dreht, um den Rotor anzutreiben.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform.
- 2 ist eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine gemäß einer weiteren Ausführungsform.
- 3 ist eine schematische Darstellung einer Schaltung.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist eine fremderregte elektrische Maschine 1 gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator 2, 4 und einen Rotor 3. Bei der ersten Ausführungsform ist der Stator 2, 4 zweistückig ausgeführt. Zum einen ist ein erster Teil 4 des Stators 2, 4 in Längsrichtung X der elektrischen Maschine 1, das heißt axial neben und beabstandet von dem Rotor 3, angeordnet. Zum anderen ist ein zweiter Teil 2 des Stators 2, 4 so angeordnet, dass der zweite Teil 2 des Stators 2, 4 den Rotor 3 teilweise in Längsrichtung aufnimmt. Der erste Teil 4 des Stators 2, 4 dient zur Bestromung des Rotors 3. Der zweite Teil 2 des Stators 2, 4 erzeugt im Betrieb der Maschine 1 ein elektromagnetisches Wechselfeld so, dass sich der Rotor 3 relativ zum Stator 2, 4 dreht.
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In 2 ist eine fremderregte elektrische Maschine 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Die in 2 gezeigte elektrische Maschine 1 unterscheidet sich lediglich darin von der in 1 gezeigten elektrischen Maschine 1, dass der erste Teil 4 des Stators 2, 4 nicht in der Längsrichtung X versetzt von dem Rotor 3 angeordnet ist, sondern den Rotor 3 radial umschließt.
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In beiden Fällen, das heißt bei der Ausführungsform aus 1 und der Ausführungsform aus 2, rotiert der Rotor 3 im Betrieb der elektrischen Maschine 1 relativ zum Stator 2, 4. Mit anderen Worten, der Rotor 3 dreht sich im Betrieb der elektrischen Maschine 1 um eine zu der Längsrichtung X parallele Achse.
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Der Rotor 3 ist relativ zum ersten Teil 4 des Stators 2, 4 so angeordnet, dass der erste Teil 4 des Stators 2, 4 den Rotor 3 mittels eines elektromagnetischen Wechselfelds im Betrieb der elektrischen Maschine 1 induktiv mit Erregerleistung versorgt. Der Rotor 3 erzeugt durch eine Erregerwicklung mittels der Erregerleistung ein relativ zum Rotor 3 statisches elektromagnetisches Feld. Der zweite Teil 2 des Stators 2, 4 erzeugt ein weiteres elektromagnetisches Wechselfeld. Durch Interaktion des relativ zum Rotor 3 statischen elektromagnetischen Felds und des vom zweiten Teil 2 des Stators 2, 4 erzeugten elektromagnetischen Wechselfelds rotiert der Rotor 3 relativ zum Stator 2, 4. Durch ein Steuern des vom zweiten Teil 2 des Stators 2, 4 erzeugten elektromagnetischen Wechselfelds wird die Drehzahl des Rotors 3 eingestellt. Dies wird nun genauer mit Bezug zu 3 beschrieben werden.
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3 zeigt schematisch eine Schaltung, die sowohl auf die Ausführungsform in 1 als auch auf die Ausführungsform in 2 zutrifft.
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Wie in 3 dargestellt, umfasst der Rotor eine Sekundärwicklung 31 und die Erregerwicklung 32. Zwischen der Sekundärwicklung 31 und der Erregerwicklung 32 ist ein Gleichrichter 33 vorgesehen. Der Gleichrichter 33 ist sowohl mit der Sekundärwicklung 31 als auch mit der Erregerwicklung 32 elektrisch leitend verbunden. Der Gleichrichter 33 ist ausgestaltet, um eine von der Sekundärwicklung 31 eingehende Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln. Diese Gleichspannung wird zur Erregerwicklung 32 ausgegeben. Die Wechselspannung wird, wie oben beschrieben, durch ein von dem ersten Teil 4 des Stators 2, 4 erzeugtes elektromagnetisches Wechselfeld mittels Induktion in der Sekundärwicklung 31 des Rotors 3 erzeugt.
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Ferner umfasst der Rotor 3 einen Sekundärtransceiver 34, welcher elektrisch leitend mit der Sekundärwicklung 31 verbunden ist. Der Sekundärtransceiver 34 weist einen weiteren, nicht dargestellten Gleichrichter auf, um die Wechselspannung von der Sekundärwicklung 31 in eine Gleichspannung umzuwandeln. Der Sekundärtransceiver wird also auch durch das vom ersten Teil 4 des Stators 2, 4 erzeugte elektromagnetische Wechselfeld mit Energie versorgt. Der Sekundärtransceiver 34 ist ausgestaltet, um eine Information an den ersten Teil 4 des Stators 2 mittels Modulation des von dem ersten Teil 4 des Stators 2, 4 erzeugten elektromagnetischen Wechselfelds zu senden. Hierfür weist der Sekundärtransceiver 34 eine Sendeeinheit 341 auf. Der Sekundärtransceiver 34 ist ferner ausgestaltet, um eine Information, die auf das von dem ersten Teil 4 des Stators 2, 4 erzeugte elektromagnetische Wechselfeld aufmoduliert ist, zu empfangen. Hierfür weist der Sekundärtransceiver 34 eine Empfangseinheit 342 auf. Der Sekundärtransceiver 34 ist elektrisch leitend mit einer Ausgangsseite eines Sensors 35 des Rotors 3 verbunden. Der Sensor 35 ist ein Temperatur-, Magnetfeld- und Drehzahlsensor, der ausgestaltet ist, um sowohl die Temperatur, die Magnetfeldstärke und die Drehzahl des Rotors 3 zu erfassen. Die vom Sensor 35 erfasste Temperatur, Magnetfeldstärke und Drehzahl wird vom Sensor 35 zum Sekundärtransceiver 34 eingegeben. Der Sekundärtransceiver 34 ist ausgestaltet, um die vom Sensor 35 empfangene Information auf das elektromagnetische Wechselfeld so aufzumodulieren, dass diese Information von dem ersten Teil 4 des Stators 2, 4 empfangen wird.
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Der erste Teil 4 des Stators 2, 4 weist eine Primärwicklung 41, einen Wechselrichter 42 und einen Primärtransceiver 43 auf, der mit einer Steuerung 44 verbunden ist. Der Primärtransceiver 43 ist auch elektrisch leitend mit der Primärwicklung 41 verbunden. Ferner ist der Wechselrichter 42 elektrisch leitend mit einer Energiequelle 45 verbunden. Die Energiequelle 45 ist eine Gleichspannungsquelle. Die von der Energiequelle 45 beim Wechselrichter 42 eingangsseitig angelegte Gleichspannung wird vom Wechselrichter 42 in eine Wechselspannung gewandelt. Die Wechselspannung wird vom Wechselrichter 42 zu der Primärwicklung 41 ausgegeben. Durch die an die Primärwicklung 41 angelegte Wechselspannung wird von der Primärwicklung 41 das elektromagnetische Wechselfeld erzeugt.
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Das elektromagnetische Wechselfeld wirkt auf die Sekundärwicklung 31. So wird mittels Induktion eine Wechselspannung in der Sekundärwicklung 31 induziert. Ferner wird die vom Sekundärtransceiver 34 des Rotors 3 aufmodulierte Information, die zur Temperatur, Magnetfeldstärke und Drehzahl des Rotors 3 korrespondiert, über die Primärwicklung 41 und den Primärtransceiver 43 empfangen. Der Primärtransceiver 43 ist demnach ausgestaltet, um die Information, die von dem Rotor 3 auf das durch die Primärwicklung 41 erzeugte elektromagnetische Wechselfeld aufmoduliert wird, zu empfangen. Hierfür weist der Primärtransceiver 43 eine Empfangseinheit 431 auf. Der Primärtransceiver 43 ist ferner ausgestaltet, um eine Information mittels Modulation des von der Primärwicklung 41 erzeugten elektromagnetischen Wechselfelds an den Rotor 3 zu senden. Hierfür weist der Primärtransceiver 43 eine Sendeeinheit 432 auf. Der Primärtransceiver 43 weist zudem einen weiteren Gleichrichter auf, um die an der Primärwicklung 41 anliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln. So wird der Primärtransceiver 43 mit Energie versorgt.
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Ferner ist der Primärtransceiver 43 elektrisch leitend mit der Steuerung 44 verbunden. Die Steuerung 44 ist ausgestaltet, um basierend auf der vom Primärtransceiver 43 übermittelten Information die elektrische Maschine 1 zu steuern.
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Nachfolgend wird ein modifiziertes Ausführungsbeispiel zu den obigen Ausführungsformen beschrieben. Die Beschreibung der obigen Ausführungsformen gilt, abgesehen von dem unten beschriebenen Unterschied, auch für das modifizierte Ausführungsbeispiel.
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Gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen weist der Primärtransceiver 43 einen Gleichrichter auf, um die an der Primärwicklung 41 anliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln. Beim vorliegenden modifizierten Ausführungsbeispiel ist kein solcher Gleichrichter vorgesehen. Der Primärtransceiver 43 wird hingegen von einer externen Gleichspannungsquelle 46, die mit einer gestrichelten Linie in 3 dargestellt ist, mit Energie versorgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- fremderregte elektrische Maschine
- 2
- zweiter Teil des Stators
- 3
- Rotor
- 31
- Sekundärwicklung
- 32
- Erregerwicklung
- 33
- Gleichrichter
- 34
- Sekundärtransceiver
- 341
- Sendeeinheit des Sekundärtransceivers
- 342
- Empfangseinheit des Sekundärtransceivers
- 35
- Temperatursensor
- 4
- erster Teil des Stators
- 41
- Primärwicklung
- 42
- Wechselrichter
- 43
- Primärtransceiver
- 431
- Empfangseinheit des Primärtransceivers
- 432
- Sendeeinheit des Primärtransceiver
- 44
- Steuerung
- 45
- Energiequelle (Gleichspannungsquelle)
- 46
- externe Gleichspannungsquelle
