DE102021211474A1

DE102021211474A1 - Elektrischer Drehtransformator

Info

Publication number: DE102021211474A1
Application number: DE102021211474.1A
Authority: DE
Inventors: Florian Osdoba; Penyo Topalov; Philipp Zimmerschied
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2021-10-12
Filing date: 2021-10-12
Publication date: 2023-04-13
Also published as: WO2023061992A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Drehtransformator (1) zur induktiven Energieübertragung, welcher einen Drehtransformator-Stator (2) mit einer Transformator-Primärspule (3) sowie einen Drehtransformator-Rotor (4) mit einer Transformator-Sekundärspule (5) aufweist. Die Transformator-Primärspule (3) und die Transformator-Sekundärspule (5) wirken im Betrieb zum Induzieren einer Transformatorspannung in der Transformator-Sekundärspule (5) zusammen.Eine erhöhte Effizienz des Drehtransformators (1) wird dadurch erreicht, dass zumindest eine der Spulen (3, 5) einen elektrischen Leiter (20) aufweist, durch welche ein Strömungspfad (21) eines Fluids zum Kühlen des Drehtransformators (1) führt.Die Erfindung betrifft zudem eine fremderregte elektrische Synchronmaschine (100) mit einem solchen Drehtransformator (1) sowie ein Kraftfahrzeug (200) mit einer solchen fremderregten elektrischen Synchronmaschine (100). Ferne betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Synchronmaschine (100) als Traktionsmotor (120).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Drehtransformator zur induktiven Energieübertragung, insbesondere in einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine. Die Erfindung betrifft zudem eine fremderregte elektrische Synchronmaschine mit einem solchen Drehtransformator. Zudem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Synchronmaschine sowie die Verwendung einer solchen Synchronmaschine als Traktionsmotor.
Ein elektrischer Drehtransformator kommt zur induktiven Energieübertragung zum Einsatz. Zu diesem Zweck weist der Drehtransformator eine Primärspule sowie eine Sekundärspule auf. Die Primärspule ist üblicherweise ortsfest, wogegen die Sekundärspule relativ zur Primärspule beweglich, insbesondere rotierbar ist. Zu diesem Zweck weist ein solcher Drehtransformator üblicherweise einen ortsfesten Stator sowie einen relativ zum Stator um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor auf. Der Stator des Drehtransformators, nachfolgend auch als Drehtransformator-Stator bezeichnet, weist gewöhnlich die Primärspule auf, welche nachfolgend auch als Transformator-Primärspule bezeichnet wird. Der Rotor des Drehtransformators, nachfolgend auch als Drehtransformator-Rotor bezeichnet, weist gewöhnlich die Sekundärspule auf, welche nachfolgend auch als Transformator-Sekundärspule bezeichnet wird. Im Betrieb des Drehtransformators induziert die Transformator-Primärspule in der Transformator-Sekundärspule eine Spannung. Im Betrieb kann dabei Wärme anfallen.
Ein solcher Drehtransformator kommt insbesondere in einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine zum Einsatz. Die fremderregte elektrische Synchronmaschine weist einen ortsfesten Stator sowie einen im Betrieb relativ zum Stator um eine Rotationsachse rotierenden Rotor auf, welche nachfolgend auch als Maschinen-Stator und Maschinen-Rotor bezeichnet werden. Dabei wirken ein magnetisches Rotorfeld des Maschinen-Rotors und ein magnetisches Statorfeld des Maschinen-Stators zusammen. In der fremderregten elektrischen Synchronmaschine wird das benötigte Rotorfeld des Maschinen-Rotors fremderregt. Zu diesem Zweck weist der Maschinen-Rotor in der Regel eine Rotorspule auf, welche mit einer Gleichspannung zum Erzeugen des magnetischen Felds versorgt wird. Die Versorgung der Rotorspule kann mittels des Drehtransformators erfolgen.
Ein derartiger Synchronmotor mit einem Drehtransformator ist beispielsweise aus der EP 2 869 316 B1 bekannt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, für einen Drehtransformator der eingangs genannten Art sowie für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine mit einem solchen Drehtransformator und für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Synchronmaschine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsformen anzugeben, welche Nachteile aus dem Stand der Technik bekannter Lösungen beseitigen. Insbesondere beschäftigt sich die vorliegende Erfindung mit der Aufgabe, für den Drehtransformator sowie für die fremderregte elektrische Synchronmaschine und für das Kraftfahrzeug Ausführungsformen anzugeben, welche sich durch eine erhöhte Effizienz auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht demnach auf dem allgemeinen Gedanken, zumindest eine Spule eines elektrischen Drehtransformators zur induktiven Energieübertragung mit einem elektrischen Leiter zu versehen, durch welchen ein Strömungspfad eines Fluids zum Kühlen der Spule und somit des Drehtransformators führt. Somit kommt es zu einem Abführen der im Betrieb des Drehtransformators entstehenden Wärme. In der Folge sind durch die Wärme bedingte Beeinträchtigungen und Beschädigungen des Drehtransformators verhindert oder zumindest reduziert. Darüber hinaus kommt es auf diese Weise zu einer erhöhten Effizienz des Drehtransformators. Durch das Kühlen der Spule und somit des Drehtransformators mittels der Leiters ist ferner eine kompakte Ausbildung des Drehtransformators und eine erhöhte Effizienz der Kühlung gegeben.
Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist der elektrische Drehtransformator zur induktiven Energieübertragung eine Primärspule und eine Sekundärspule auf, welche nachfolgend auch als Transformator-Primärspule und Transformator-Sekundärspule bezeichnet werden. Zudem weist der Drehtransformator einen ortsfesten Stator, nachfolgend auch als Drehtransformator-Stator bezeichnet, sowie einen Rotor, nachfolgend auch als Drehtransformator-Rotor bezeichnet, auf. Der Drehtransformator-Stator weist die Transformator-Primärspule auf. Der Drehtransformator-Rotor weist die Transformator-Sekundärspule auf. Der Drehtransformator-Rotor ist relativ zum Drehtransformator-Stator um eine axial verlaufende Rotationsachse rotierbar. Im Betrieb rotiert somit der Drehtransformator-Rotor relativ zum Drehtransformator-Stator um die Rotationsachse. Zur induktiven Energieübertragung und somit im Betrieb wirken die Transformator-Primärspule und die Transformator-Sekundärspule zum Erzeugen einer elektrischen Spannung in der Transformator Sekundärspule induktiv zusammen, wobei die Spannung nachfolgend auch als Transformatorspannung bezeichnet wird. Zumindest eine der Spulen, also die Transformator-Primärspule und/oder die Transformator Sekundärspule, weist wenigstens einen elektrischen Leiter auf, durch welchen ein Strömungspfad eines Fluids führt. Im Betrieb strömt dabei das Fluid entlang des Strömungspfads und kühlt somit die Spule und folglich den Drehtransformator.
Die vorliegend angegebenen Richtungen beziehen sind auf die axial verlaufende Rotationsachse. Dementsprechend verläuft „axial“ parallel, insbesondere koaxial, zur Rotationsachse. Zudem verläuft „radial“ quer zur Rotationsachse.
Vorteilhaft sind die Transformator-Sekundärspule und die Transformator-Primärspule axial gegenüberliegend angeordnet. Somit kommt es zu einer effizienteren Induktion der Transformatorspannung in der Transformator-Sekundärspule.
Zumindest einer der wenigstens einen elektrischen Leiter kann hohl, also als ein Hohlleiter ausgebildet sein, also einen durchströmbaren Hohlraum umschließen, durch welchen der Strömungspfad führt.
Zumindest einer der wenigstens einen elektrischen Leiter elektrischen Leiter kann als eine Litze ausgebildet sein, durch welche der Strömungspfad führt. Die Litze weist zur elektrischen Leitung mehrere elektrisch leitende Drähte, also Einzeldrähte, auf.
Die Litze weist vorteilhaft eine Außenhülle auf, in welcher die Einzeldrähte angeordnet sind und durch welche hindurch der Strömungspfad führt. Die Außenhülle ist zweckmäßig elektrisch isolierend, beispielsweise ein elektrisch isolierender Kunststoff.
Die Litze weist vorteilhaft einen Hohlraum auf, durch welchen der Strömungspfad führt. Der Hohlraum verläuft bevorzugt innerhalb der Außenhülle der Litze.
Bevorzugt ist der Hohlraum zentral in der Litze ausgebildet. Dies führt zu einer gleichmäßigen und verbesserten Kühlung der Litze und somit des Drehtransformators.
Bei dem Fluid kann es sich prinzipiell um ein beliebiges Fluid handeln, sofern mittels des Fluids eine Kühlung der zugehörigen Spule erfolgt. Bei dem Fluid kann es sich um ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln.
Bevorzugt ist der Strömungspfad elektrisch gegenüber den Einzeldrähten abgedichtet.
Prinzipiell ist es vorstellbar, sowohl die Transformator-Primärspule als auch die Transformator-Sekundärspule mit zumindest einem solchen elektrischen Leiter, durch welchen ein Strömungspfad führt, zu versehen.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen weist die Transformator-Primärspule zumindest einen solchen elektrischen Leiter auf und ist bevorzugt als eine Flachspule ausgebildet. Somit ist der zumindest eine elektrische Leiter im Drehtransformator ortsfest. In der Folge kommt es zu einer vereinfachten Ausbildung und verbesserten Kühlung des Drehtransformators.
Bevorzugt bildet zumindest ein solcher Leiter die Transformator-Primärspule.
Weist die Transformator-Sekundärspule einen solchen Leiter auf, ist es bevorzugt, wenn der zumindest eine Leiter in einem Träger, vorzugsweise aus Kunststoff, eingebettet und/oder aufgenommen ist. Dies führt zu einer erhöhten mechanischen Stabilität der Transformator-Sekundärspule bei Rotationen um die Rotationsachse und erlaubt erhöhte Rotationsgeschwindigkeiten.
Vorteilhaft weist der Drehtransformator-Rotor eine Leiterplatte auf, welche mit der Transformator-Sekundärspule versehen ist. Somit kommt es zu einer einfachen Ausbildung des Drehtransformator-Rotors sowie einer einfachen und präzisen Montage und Anordnung der Transformator-Sekundärspule.
Bevorzugt sind Ausführungsformen bei denen die Transformator-Sekundärspule zumindest eine Leiterbahn der Leiterplatte aufweist, welche nachfolgend auch als Transformator-Leiterbahn bezeichnet wird. Dies führt zu einer vereinfachten Ausbildung und Herstellung des Drehtransformators. Ferner ist die Transformator-Sekundärspule auf diese Weise vereinfacht ausgebildet und/oder mittels der Leiterplatte mechanisch stabilisiert.
Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Transformator-Sekundärspule durch zumindest eine Transformator-Leiterbahn der Leiterplatte gebildet ist, also aus zumindest einer Transformator-Leiterbahn der Leiterplatte besteht.
Die Leiterplatte ist vorteilhaft axial flach ausgebildet. Somit eignet sich die Leiterplatte auch für erhöhte Rotationsgeschwindigkeiten um die Rotationsachse.
Besonders bevorzugt ist die Leiterplatte in axialer Draufsicht rund, beispielsweise als eine Scheibe oder als ein Ring ausgebildet. Auf diese Weise wird insbesondere eine durch die Leiterplatte verursachte Unwucht verhindert oder zumindest reduziert.
Die jeweilige zumindest eine Transformator-Leiterbahn kann auf der Leiterplatte angeordnet und somit optisch von außen wahrnehmbar oder innerhalb der Leiterplatte umschlossen und somit optisch von außen nicht wahrnehmbar sein. Selbstverständlich sind Ausführungsformen möglich, bei denen sowohl zumindest eine Leiterbahn auf der Leiterplatte und zumindest eine Leiterbahn innerhalb der Leiterplatte angeordnet sind. Die Leiterplatte kann also insbesondere als eine dem Fachmann als „Multilagenplatine“ bekannte Leiterplatte ausgebildet sein.
Die Transformator-Sekundärspule kann zumindest zwei axial zueinander beabstandete Transformator-Leiterbahnen aufweisen. Bevorzugt verlaufen dabei die Transformator-Leiterbahnen zueinander parallel.
Zweckmäßig verläuft die Transformator-Sekundärspule die Rotationsachse umgebend, insbesondere spiralförmig. Insbesondere ist die Transformator-Sekundärspule als eine Planarwicklung ausgebildet.
Als vorteilhaft gelten Ausführungsformen, bei denen die Transformatorspulen in einem zum Drehtransformator-Stator festen Magnetkern angeordnet sind. Somit kommt es zu einer verbesserten induktiven Zusammenwirkung der Transformatorspulen miteinander. Der Magnetkern, nachfolgend auch als Transformator-Magnetkern bezeichnet, kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein. Insbesondere handelt es sich beim Magnetkern um einen Ferritkörper.
Der Transformator-Magnetkern weist vorteilhaft eine axial offene Ausnehmung für die Transformator-Primärspule auf.
Vorteilhaft ist der Transformator-Magnetkern radial offen, sodass die Transformator-Sekundärspule, insbesondere die Leiterplatte, radial in den Transformator-Magnetkern eindringt und im Transformator-Magnetkern rotierbar ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist zumindest einer der wenigstens einen Leiter im Magnetkern angeordnet. Somit lässt sich der Drehtransformator vereinfacht herstellen und zugleich der Magnetkern mittels des zumindest einen Leiters Kühlen. Zudem kommt es auf diese Weise zu einer vorteilhaften wärmeübertragenden Verbindung des zumindest einen Leiters mit dem Magnetkern. In der Folge wird der Drehtransformator besser und/oder effektiver gekühlt.
Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Transformator-Primärspule zumindest einen solchen Leiter, insbesondere zumindest eine solche Litze, aufweist und der zumindest eine Leiter im Magnetkern angeordnet, insbesondere aufgenommen, ist.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen ist im Hohlraum ein Kanalkörper aufgenommen, welcher den Strömungspfad begrenzt. Somit wird insbesondere eine fluidische Trennung zwischen dem Fluid und den Einzeldrähten der Litze bzw. dem Fluid und dem Hohlleiter erreicht.
Der Kanalkörper kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein.
Bevorzugt ist der Kanalkörper elektrisch isolierend. Somit kommt es mittels des Kanalkörpers ferner zu einer elektrischen Trennung des Fluids von den Einzeldrähten der Litze bzw. vom Hohlleiter. Insbesondere ist der Kanalkörper aus Kunststoff hergestellt.
Als vorteilhaft gelten Ausführungsformen, bei denen der Kanalkörper als ein Schlauch ausgebildet ist. Somit lässt sich die Litze bzw. der Hohlleiter insgesamt leicht verformen. Folglich lässt sich auf diese Weise die zugehörige Spule vereinfacht und präzise herstellen.
Prinzipiell können die Einzeldrähte der Litze innerhalb der Litze miteinander elektrisch kontaktiert sein, insbesondere aneinander anliegen. Bevorzugt wird in diesem Fall die zugehörige Spule mit niedrigen Frequenzen betrieben.
Vorteilhaft ist zumindest ein Teil der Einzeldrähte der Litze in einer elektrisch isolierenden Hülle aufgenommen. Weist die Litze eine Außenhülle auf, so sind die Hüllen in der Außenhülle angeordnet. Bevorzugt ist der jeweilige Einzeldraht in einer zugehörigen solchen, elektrisch isolierenden Hülle aufgenommen. Die Litze kommt dabei mit steigenden Betriebsfrequenzen der zugehörigen Spule zum Einsatz. Insbesondere handelt es sich bei der Litze um eine solche in der Art einer sogenannten „Hochfrequenzlitze“. Somit werden elektrische Wechselwirkungen der Einzeldrähte innerhalb der Litze vermieden oder zumindest reduziert. In der Folge kommt es zu einer effizienteren Induktion der Transformatorspannung.
Die jeweilige Hülle kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein, sofern sie elektrisch isolierend ist.
Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen zumindest eine der Hüllen, vorteilhaft die jeweilige Hülle, eine am zugehörigen, zumindest einen Einzeldraht angebrachte Lackschicht ist. Somit lässt sich die Litze einfach herstellen und die Einzeldrähte zuverlässig gegeneinander elektrisch isolierend.
Der Drehtransformator weist vorteilhaft fluidische Anschlüsse zum Versorgen des Drehtransformators mit dem Fluid auf. Der Drehtransformator weist also vorteilhaft einen Einlass zum Einlassen des Fluids in den Drehtransformator sowie einen Auslass zum Auslassen des Fluids aus dem Drehtransformator auf. Die Anschlüsse sind mit dem zumindest einen elektrischen Leiter fluidisch derart verbunden, dass das Fluid entlang des Strömungspfads durch den zumindest einen elektrischen Leiter strömt.
Alternativ oder zusätzlich ist es vorstellbar, dass zumindest einer der wenigstens einen elektrischen Leiter aus dem Drehtransformator ragt und somit mit dem Fluid versorgt wird.
Der Drehtransformator kann eine der Transformator-Sekundärspule nachgeschaltete Gleichrichterschaltung aufweisen. Somit kann die in der Transformator Sekundärspule als Wechselspannung induzierte Transformatorspannung in eine Gleichspannung umgewandelt und einer zugehörigen Anwendung zur Verfügung gestellt werden.
Der Drehtransformator kann eine der Transformator-Primärspule vorgeschaltete Wechselrichterschaltung aufweisen. Somit kann die im Betrieb benötigte Wechselspannung für die Transformator-Primärspule aus einer elektrischen Energiequelle stammen, welche eine Gleichspannung bereitstellt.
Bevorzugt kommt der Drehtransformator zur induktiven Energieübertragung in einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine, insbesondere in einem fremderregten elektrischen Synchronmotor, zum Einsatz.
Die Synchronmaschine weist einen Rotor mit einer Rotorwelle auf, wobei der Rotor nachfolgend auch als Maschinen-Rotor bezeichnet wird. Der Maschinen-Rotor weist eine an der Rotorwelle drehfest versehene Spule auf, welche nachfolgend auch als Maschinen-Rotorspule bezeichnet wird. Die Maschinen-Rotorspule erzeugt im Betrieb bei Versorgung mit einer Gleichspannung ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Rotorfeld bezeichnet wird. Die Synchronmaschine weist ferner einen ortsfesten Stator auf, welcher nachfolgend auch als Maschinen-Stator bezeichnet wird. Der Maschinen-Stator weist eine Spule auf, welche nachfolgend auch als Maschinen-Statorspule bezeichnet wird. Die Maschinen-Statorspule erzeugt im Betrieb ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Statorfeld bezeichnet wird. Im Betrieb der Synchronmaschine wirkt das Statorfeld mit dem Rotorfeld derart zusammen, dass der Maschinen-Rotor um die axiale Rotationsachse rotiert. Dabei ist der Drehtransformator-Stator zum Maschinen-Stator fest. Zudem ist der Drehtransformator-Rotor drehfest am Maschinen-Rotor angebracht. Insbesondere ist der Drehtransformator-Rotor drehfest mit der Rotorwelle verbunden. Die Maschinen-Rotorspule ist mit der Transformator-Sekundärspule verbunden, derart, dass die Maschinen-Rotorspule im Betrieb mit einer Gleichspannung zum Erzeugen des Rotorfelds versorgt ist. Zu diesem Zweck ist vorteilhaft zwischen der Transformator-Sekundärspule und der Maschinen-Rotorspule eine Gleichrichterschaltung geschaltet, welche, wie vorstehend erwähnt, Bestandteil des Drehtransformators, insbesondere des Drehtransformator-Rotors, sein kann.
Bevorzugt ist der Drehtransformator, insbesondere der Drehtransformator-Rotor, axial stirnseitig des Maschinen-Rotors angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Drehtransformator zur Maschinen-Rotorspule und/oder zur Maschinen-Statorspule beabstandet. Somit kommt es zu einer Verhinderung oder zumindest Reduzierung von unerwünschten Wechselwirkungen zwischen dem Drehtransformator und dem Rotorfeld und/oder dem Statorfeld.
Die Synchronmaschine kann prinzipiell in beliebigen Anwendungen zum Einsatz kommen.
Insbesondere kann die Synchronmaschine als ein Traktionsmotor zum Einsatz kommen.
Auch kann die Synchronmaschine als ein Stellmotor zum Verstellen eines Verstellelements, beispielsweise eines Ventils und dergleichen, zum Einsatz kommen.
Die Synchronmaschine kommt insbesondere in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz, welches als Energiequelle eine Batterie umfassen kann. Dabei dient die Synchronmaschine insbesondere dem Antrieb des Kraftfahrzeugs, ist also ein Traktionsmotor des Kraftfahrzeugs.
Die Synchronmaschine, insbesondere der Drehtransformator, ist vorteilhaft in einem Kühlkreis eingebunden, durch welchen das Fluid im Betrieb zirkuliert. Das heißt, dass der Strömungspfad durch den Drehtransformator und durch den Kühlkreis führt, derart, dass die der Drehtransformator mittels des Fluids gekühlt wird.
Der Kühlkreis ist insbesondere Bestandteil der zugehörigen Anwendung, beispielsweise des Kraftfahrzeugs. In der zugehörigen Anwendung kann der Kühlkreis zum Kühlen weiterer Komponenten zum Einsatz kommen.
Der Kühlkreis weist zweckmäßig eine Fördereinrichtung zum Fördern des Fluids durch den Kühlkreis sowie einen Kühler zum Kühlen des Fluids auf.
Es versteht sich, dass neben dem Drehtransformator auch die fremderregte elektrische Synchronmaschine sowie das Kraftfahrzeug und die Verwendung der Synchronmaschine als Traktionsmoor jeweils ebenfalls zum Umgang der vorliegenden Erfindung gehören.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,

1 einen Schnitt durch eine fremderregte elektrische Synchronmaschine mit einen elektrischen Drehtransformator mit einem elektrischen Leiter sowie eine vergrößerte Ansicht des Leiters,
2 einen Schnitt durch den Leiter bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
3 einen stark vereinfachten Schaltplan einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine mit dem Drehtransformator in einem Kraftfahrzeug,
4 eine isometrische, teilweise geschnittene Ansicht eines Maschinen-Rotors der fremderregten elektrischen Synchronmaschine mit dem Drehtransformator,
5 einen stark vereinfachten Schnitt durch die fremderregte elektrische Synchronmaschine.

Ein elektrischer Drehtransformator 1, wie er beispielsweise in den 1 sowie 3 und 4 gezeigt ist, kommt als induktiver Energieübertrager zum Einsatz. Der Drehtransformator 1 kann in einer in den 1 sowie 3 bis 5 gezeigten fremderregten elektrischen Synchronmaschine 100 zum Einsatz kommen. Der Drehtransformator 1 und/oder die Synchronmaschine 100 können in einem Kraftfahrzeig 200, wie es in 3 stark vereinfacht gezeigt ist, zum Einsatz kommen. Die fremderregte elektrische Synchronmaschine 100 kann als ein Synchronmotor 110, insbesondere zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 200, zum Einsatz kommen. Die Synchronmaschine 100 ist also insbesondere ein Traktionsmotor 120.
Wie den 1 sowie 3 und 4 entnommen werden kann, weist der Drehtransformator 1 einen Stator 2 und einen Rotor 4 auf. Der Stator 2 wird nachfolgend als Drehtransformator-Stator 2 bezeichnet. Der Rotor 3 wird nachfolgend als Drehtransformator-Rotor 4 bezeichnet. Der Drehtransformator-Rotor 4 ist relativ zum Drehtransformator-Stator 2 um eine axial verlaufende Rotationsachse 90 rotierbar. Im Betrieb rotiert also der Drehtransformator-Rotor 4 relativ zum Drehtransformator-Stator 2 um die Rotationsachse 90. Zur induktiven Energieübertragung weist der Drehtransformator-Stator 2 eine Primärspule 3 und der Drehtransformator-Rotor 4 eine Sekundärspule 5 auf. Die Primärspule 3 und die Sekundärspule 5 sind, wie den 1 und 4 entnommen werden kann, in den gezeigten Ausführungsbeispielen axial gegenüberliegend angeordnet. Im Betrieb induziert die Primärspule 3, welche nachfolgend auch als Transformator-Primärspule 3 bezeichnet wird, in der Sekundärspule 5, welche nachfolgend als Transformator-Sekundärspule 5 bezeichnet wird, eine Wechselspannung, welche nachfolgend auch als Transformatorspannung bezeichnet wird.
Die vorliegend angegebenen Richtungen beziehen sind auf die Rotationsachse 90. Dementsprechend verläuft „axial“ parallel zur Rotationsachse. Zudem verläuft „radial“ quer zur Rotationsachse 90.
Wie insbesondere den 1 und 2 entnommen werden kann, weist zumindest eine der Spulen 3, 5 wenigstens einen elektrischen Leiter 20 auf, durch welchen ein Strömungspfad 21 eines Fluids führt. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist jeweils ein solcher elektrischer Leiter 20 vorgesehen. Dabei strömt im Betrieb ein Fluid entlang des Strömungspfads 21 und kühlt somit die zugehörige Spule 3, 5 und folglich den Drehtransformator 1. Der 20 ist in 1 auch vergrößert dargestellt. Zudem ist der Leiter 20 in 2 separat gezeigt.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen weist die Transformator-Primärspule 3 einen solchen Leiter 20 auf. Zudem ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen die Transformator-Primärspule 3 als eine Flachspule 11 ausgebildet ist. Insbesondere ist die Transformator-Primärspule 3 aus dem Leiter 20 gebildet.
Wie 1 entnommen werden kann, weist der Drehtransformator-Rotor 4 in den gezeigten Ausführungsbeispielen eine Leiterplatte 8 auf, welche mit der Transformator-Sekundärspule 5 versehen ist. Die Leiterplatte 8 ist scheibenförmig ausgebildet und weist eine runde Form, auf, ist also in der Art einer runden Scheibe bzw. eines Rings ausgebildet. Die Transformator-Sekundärspule 5 weist in den gezeigten Ausführungsbeispielen zumindest eine Leiterbahn 9 der Leiterplatte 8 auf, welche nachfolgend auch als Transformator-Leiterbahn 9 bezeichnet wird. In den gezeigten Ausführungsbeispielen besteht die Transformator-Sekundärspule 5 aus der zumindest einen Transformator-Leiterbahn 9 und ist als eine Planarwicklung 10 ausgebildet. Dabei kann die Leiterplatte 8, wie 1 entnommen werden kann, zwei zueinander axial beabstandete Transformator-Leiterbahnen 9 auf, welche die Rotationsachse 90 spiralförmig umgeben. Zudem ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen die zumindest eine Transformator-Leiterbahn 9 gänzlich in der Leiterplatte 8 angeordnet.
Wie den 1 und 4 entnommen werden kann, sind die Transformator-Primärspule 3 und die Transformator-Sekundärspule 5 in den gezeigten Ausführungsbeispielen in einem zum Drehtransformator-Stator 2 festen Magnetkern 12, insbesondere in einem Ferritkern 13 angeordnet. Der Magnetkern 12 wird nachfolgend auch als Transformator-Magnetkern 12 bezeichnet. Der Transformator-Magnetkern 12 ist radial offen, sodass die Leiterplatte 8 mit der Transformator-Sekundärspule 5 in den Transformator-Magnetkern 12 eindringt und darin rotierbar angeordnet ist. Zudem weist der Transformator-Magnetkern 12 eine axial offene Ausnehmung 15 auf, in welcher die Transformator-Primärspule 3 und somit der Leiter 20 angeordnet ist.
Beim in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Leiter 20 hohl und somit als ein Hohlleiter 32 ausgebildet. Der Hohlleiter 32 weist einen zentralen Hohlraum 22 auf, durch welchen der Strömungspfad 21 führt.
Im in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Leiter 20 als eine Litze 28 ausgebildet. Die Litze 20 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel einen zentralen Hohlraum 22 auf, durch welchen der Strömungspfad 21 führt.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist im Hohlraum 22 ein elektrisch und fluidisch isolierender Kanalkörper 23, vorzugsweise aus Kunststoff, aufgenommen. Der Kanalkörper 23 begrenzt dabei den Strömungspad 21 im Leiter 20 und somit im Hohlleiter 32 bzw. in der Litze 28. Der Kanalkörper 23 ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen als ein Schlauch 24 ausgebildet.
Die Litze 28 weist zur elektrischen Leitung Einzeldrähte 25 auf, welche in 2 lediglich teilweise gezeigt sind. Die Einzeldrähte 25 umgeben dabei den Hohlraum 22 und den Kanalkörper 23. Die Einzeldrähte 25 sind also auf der vom Kanalkörper 23 abgewandten Seite des Strömungspfads 21 angeordnet. Wie den 1 und 2 entnommen werden kann, weist der Leiter 20 in den gezeigten Ausführungsbeispielen eine elektrisch isolierende Außenhülle 31 auf. Dabei sind beim als Litze 28 ausgebildeten Leiter 20 die Einzeldrähte 25 in der Außenhülle aufgenommen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Einzeldrähte 25 also zwischen dem Kanalkörper 23 und der Außenhülle 31 angeordnet.
Entsprechend 2 kann die Litze 28 für zumindest einen Teil der Einzeldrähte 25 eine zugehörige elektrisch isolierende Hülle 26 aufweisen, in welcher der zumindest eine zugehörige Einzeldraht 25 aufgenommen ist. Die Litze 28 ist somit in der Art Hochfrequenzlitze 33 ausgebildet. Die derart ausgebildete Litze 28 eignet sich dabei für den Betrieb der zugehörigen Spule 3, 5 mit erhöhten Frequenzen. Im Ausführungsbeispiel der 2 weist die Litze 28 für den jeweiligen Einzeldraht 25 eine Hülle 26 auf, in welcher der zugehörige Einzeldraht 25 aufgenommen ist. Bei der jeweiligen Hülle 26 handelt es sich dabei im eine Lackschicht 27.
Wie in 3 angedeutet, weist der Drehtransformator 1 in den gezeigten Ausführungsbeispielen einen Einlass 29 zum Einlassen des Fluids in die Litze 28 und einen Auslass 30 zum Auslassen des Fluids aus der zumindest einen Litze 28 aufweist.
Die fremderregte elektrischen Synchronmaschine 100, nachfolgend auch kurz als Synchronmaschine 100 bezeichnet, weist, wie insbesondere 4 entnommen werden kann, einen Rotor 101 auf. Der Rotor 101 wird nachfolgend auch als Maschinen-Rotor 101 bezeichnet. Der Maschinen-Rotor 101 weist eine Rotorwelle 102 und eine an der Rotorwelle 102 drehfest versehene Spule 103 (siehe 3 bis 5) auf. Die Spule 103 wird nachfolgend auch als Maschinen-Rotorspule 103 bezeichnet. Die Maschinen-Rotorspule 103 ist in 3 als eine Induktivität und ein ohmscher Widerstand symbolisiert. Im Betrieb erzeugt die Maschinen-Rotorspule 103 ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Rotorfeld bezeichnet wird. Die Synchronmaschine 100 weist ferner einen in 5 gezeigten Stator 104 auf, der nachfolgend auch als Maschinen-Stator 104 bezeichnet wird. Zudem weist die Synchronmaschine 100 eine zum Maschinen-Stator 104 feste Spule 105 auf (siehe 5), welche nachfolgend auch als Maschinen-Statorspule 105 bezeichnet wird. Im Betrieb erzeugt die Maschinen-Statorspule 105 ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Statorfeld bezeichnet wird. Dabei wirken Statorfeld und Rotorfeld derart zusammen, dass der Maschinen-Rotor 101 im Betrieb um die Rotationsachse 90 rotiert. Zum Erzeugen des Rotorfelds benötigt der Maschinen-Rotor 101, insbesondere die Maschinen-Rotorspule 103, eine Gleichspannung und somit einen Gleichstrom. In den gezeigten Ausführungsbeispielen wird diese Gleichspannung der Maschinen-Rotorspule 103 mittels der Transformator-Sekundärspule 5 und somit mittels des Drehtransformators 1 zugeführt. Zu diesem Zweck ist, wie 3 entnommen werden kann, zwischen der Transformator-Sekundärspule 5 und der Maschinen-Rotorspule 103 eine Gleichrichterschaltung 6 geschaltet, welche die Transformatorspannung in die Gleichspannung umwandet. Zudem ist zu diesem Zweck, wie den 1 und 4 entnommen werden kann, der Drehtransformator-Rotor 4 drehfest an der Rotorwelle 102 und somit am Maschinen-Rotor 101 angebracht. Somit rotiert der Drehtransformator-Rotor 4 im Betrieb mit der Rotorwelle 102 und folglich mit dem Maschinen-Rotor 101 um die Rotationsachse 90. Zudem ist der Drehtransformator-Stator 2 zum Maschinen-Stator 104 fest und somit ortsfest.
Wie insbesondere 4 ferner entnommen werden kann, ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen der Drehtransformator 1 an einer axialen Stirnseite der Maschinen-Rotors 101 und zur Maschinen-Rotorspule 103 sowie zur Maschinen-Statorspule 105 beabstandet angeordnet. Selbstverständlich kann die Synchronmaschine 100 auch zwei oder mehr Maschinen-Rotorspulen 103 und/oder zwei oder mehr Maschinen-Statorspulen 105 aufweisen.
Die Transformator-Primärspule 3 benötigt zum Induzieren der Transformatorspannung in der Transformator-Sekundärspule 5 eine Wechselspannung oder eine getaktete Gleichspannung, nachfolgend auch allgemein als Wechselspannung bezeichnet. Wie 3 entnommen werden kann, wird die Transformator-Primärspule 3 in den gezeigten Ausführungsbeispielen über eine elektrische Energiequelle 201 versorgt, welche eine Gleichspannung bereitstellt. Bei der Energiequelle 201 handelt es sich in den gezeigten Ausführungsbeispielen um eine Batterie 202 des Kraftfahrzeugs 200. Zum Versorgen der Transformator-Primärspule 3 mit der Wechselspannung ist zwischen der Energiequelle 201 und der Transformator-Primärspule 3 eine Wechselrichterschaltung 7 vorgesehen. Die Wechselrichterschaltung 7 wandelt die Gleichspannung der Energiequelle 201 in die Wechselspannung für die Transformator-Primärspule 3 um. Vorstellbar ist es dabei, dass die Wechselrichterschaltung 7 einen Umrichter umfasst.
Die drehfeste Verbindung der Rotorwelle 102 mit dem Drehtransformator-Rotor 4 ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen, wie den 1 und 4 entnommen werden kann, über eine in der Leiterplatte 8 zentrale Öffnung 14 realisiert, durch welche die Rotorwelle 102 greift.
In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Gleichrichterschaltung 6 rein beispielhaft als ein Brückengleichrichter 16 mit vier Dioden Da-d ausgebildet. Zudem ist die Wechselrichterschaltung 7 rein beispielhaft als ein Vollbrückenwechselrichter 17 ausgebildet, der vier Transistoren Ta-d und zwei Treiberschalter Sa-b für die Transistoren Ta-d aufweist.
Wie 3 entnommen werden kann, ist die Synchronmaschine 100 in einem in 3 angedeuteten Kühlkreis 203 eingebunden, sodass im Betrieb das Fluid entlang des Strömungspfads 21 im Kühlkreis 203 zirkuliert. Wie in 3 gezeigt, weist der Kühlkreis 203 weitere Bestandteile, wie beispielsweise eine Fördereinrichtung 204 zum Fördern des Fluids durch den Kühlkreis 203 und einen Kühler 205 zum Kühlen des Fluids, auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2869316 B1 [0004]

Claims

Elektrischer Drehtransformator (1) zur induktiven Energieübertragung, - mit einem Drehtransformator-Stator (2), welcher eine Transformator-Primärspule (3) aufweist, - mit einem im Betrieb relativ zum Drehtransformator-Stator (2) um eine axial verlaufende Rotationsachse (90) rotierenden Drehtransformator-Rotor (4), der eine Transformator-Sekundärspule (5) aufweist, - wobei die Transformator-Sekundärspule (5) und die Transformator-Primärspule (3) im Betrieb zum Erzeugen einer Transformatorspannung in der Transformator-Sekundärspule (5) induktiv zusammenwirken, - wobei zumindest eine der Spulen (3, 5) zumindest einen elektrischen Leiter(20) aufweist, durch welche ein Strömungspfad (21) eines Fluids führt, - wobei im Betrieb ein Fluid entlang des Strömungspfads (21) strömt und den Drehtransformator (1) kühlt.
Drehtransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformator-Primärspule (3) als eine Flachspule (11) ausgebildet ist und zumindest einen solchen Leiter (20) aufweist.
Drehtransformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, - dass der Drehtransformator (1) einen Magnetkern (12) aufweist in welchem die Transformator-Primärspule (3) und die Transformator-Sekundärspule (5) angeordnet sind, - dass zumindest einer der wenigstens einen Leiter (20) im Magnetkern (12) angeordnet ist.
Drehtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der wenigstens einen Leiter (20) einen zentralen Hohlraum (22) aufweist, durch welchen der Strömungspfad (21) führt.
Drehtransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Hohlraum (22) aufgenommener Kanalkörper (23) den Strömungspad (21) begrenzt.
Drehtransformator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalkörper (23) als ein Schlauch (24) ausgebildet ist.
Drehtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der wenigstens einen Leiter (20) als eine Litze (28) ausgebildet ist.
Drehtransformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Litze (20) Einzeldrähte (25) aufweist, wobei zumindest ein Teil der Einzeldrähte (20) in einer elektrisch isolierenden Hülle (26), insbesondere in einer Lackschicht (27), aufgenommen ist.
Drehtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der wenigstens einen Leiter (20) als ein Hohlleiter (32) ausgebildet ist.
Drehtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehtransformator (1) einen Einlass (29) zum Einlassen des Fluids in die Litze (20) und einen Auslass (30) zum Auslassen des Fluids aus der zumindest einen Litze (20) aufweist.
Fremderregte elektrische Synchronmaschine (100), - mit einem Maschinen-Rotor (101), der einer Rotorwelle (102) und eine an der Rotorwelle (102) drehfest versehene Maschinen-Rotorspule (103) aufweist, welche im Betrieb ein magnetisches Rotorfeld erzeugt - mit einem Maschinen-Stator (104), der eine zum Maschinen-Stator (104) feste Maschinen-Statorspule (105) aufweist, welche im Betrieb ein magnetisches Statorfeld erzeugt, welches mit dem Rotorfeld derart zusammenwirkt, dass der Maschinen-Rotor (101) im Betrieb um eine axiale Rotationsachse (90) rotiert, - mit einem Drehtransformator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, - wobei der Drehtransformator-Stator (2) zum Maschinen-Stator (104) fest ist, - wobei der Drehtransformator-Rotor (4) drehfest am Maschinen-Rotor (101) angebracht ist, - wobei die Maschinen-Rotorspule (103) mit der Transformator-Sekundärspule (5) verbunden ist, derart, dass die Maschinen-Rotorspule (103) im Betrieb mit einer Gleichspannung zum Erzeugen des Rotorfeld versorgt ist.
Kraftfahrzeug (200) mit einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine (100) nach Anspruch 11 und mit einem Kühlkreis (203), in welchem die Synchronmaschine (100) eingebunden ist, sodass das Fluid entlang des Strömungspfads (21) zirkuliert.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine (100) als Traktionsmotor (120) das Kraftfahrzeug (200) im Betrieb antreibt.
Verwendung einer fremderregte elektrische Synchronmaschine (100) nach Anspruch 11 als Traktionsmotor (120).