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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine fremderregte Synchronmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine fremderregte Synchronmaschine mit einem solchen Rotor.
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In einer induktiv elektrisch erregten Synchronmaschine wird die Energie für eine Rotorwicklung mittels eines induktiven Übertragers (Drehtransformator) von einem Stator auf einen Rotor übertragen. Für die induktive Übertragung nach dem transformatorischen Prinzip wird eine Wechselspannung benötigt, die anschließend in einem Gleichrichter gleichgerichtet werden muss, damit am Rotor eine Gleichspannung anliegt, wozu elektronische Komponenten, wie beispielsweise eine Leiterplatte, bestückt mit unterschiedlichen elektronischen Bauteilen auf dem sich drehenden Teil der Maschine (Rotor) angeordnet werden, was auch als rotierender Gleichrichter bezeichnet wird. Dieser rotierende Gleichrichter kann als separates Bauteil auf der Rotorwelle angebracht sein.
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Während des Betriebs treten im Rotor unterschiedliche Verluste (u.a. Kupfer- und Eisenverluste) auf, wodurch sich der Rotor aufheizt. Die Temperatur wird dabei in der Regel durch eine Temperaturobergrenze der Isolationswerkstoffe (z.B. Isolationspapier, Kupferlackdraht, etc.) begrenzt, welche im Bereich von 140 - 180°C liegt. Durch die Positionierung des Gleichrichters nahe der Rotorwicklung wird die Umgebungstemperatur des Gleichrichters also maßgeblich durch die Temperaturobergrenze des Rotors bestimmt. Zusätzlich muss die im Gleichrichter anfallende Verlustleistung abgeführt werden. Da die Temperaturobergrenze üblicher elektronischer Bauteile und Leiterplatten-Werkstoffe unter der Temperaturgrenze des Rotors liegt, muss also die Temperaturobergrenze des Rotors auf die Temperaturobergrenze der elektronischen Bauteile herabgesetzt werden, wodurch die Dauer- und Spitzenleistung des Motors reduziert werden muss und/oder es müssen teure elektronische Bauteile und Leiterplatten-Materialen eingesetzt werden, welche eine entsprechend hohe Temperaturgrenze besitzen.
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Zusätzlich erfahren die auf der Leiterplatte des Gleichrichters angeordneten elektronischen Bauteile durch die Rotation große Fliehkräfte, welche mit zunehmender Drehzahl des Rotors und einer Anordnung auf einem größeren Durchmesser stark zunehmen, was dazu führen kann, dass die elektronischen Bauteile oder deren Lötstellen während des Betriebs durch die angreifenden Fliehkräfte beschädigt werden, was zu einem Fehler im Betrieb oder dem Ausfall der Synchronmaschine führen kann. Durch ein Gehäuse und die Anordnung des Gleichrichters auf der Rotorwelle ist der Durchmesser auf dem die elektronischen Bauteile angeordnet werden können, jedoch nach unten hin begrenzt. So können in einem Ziel-Design, mit einer entsprechend hohen Maximal-Drehzahl, bestimmte elektronische Bauteile auf Grund ihrer Eigenschaften (Gehäusetyp, Gewicht, Fläche und Art der Lötverbindung) nicht mehr für den Aufbau des Gleichrichters verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Rotor der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die eine verbesserte Kühlung und insbesondere eine geringere Belastung der elektronischen Bauteile ermöglicht.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Gleichrichter eines Rotors für eine fremderregte Synchronmaschine mit zumindest zwei elektrisch miteinander verbundenen Leiterplatten und darauf angeordneten elektronischen Bauteilen so auszubilden bzw. in einer Rotorwelle des Rotors anzuordnen, dass die elektronischen Bauteile im Betrieb des Rotors, das heißt bei dessen Rotation, besser gekühlt werden können und insbesondere auftretende Fliehkräfte kein Lösen von zwischen den elektronischen Bauteilen und der zugehörigen Leiterplatte angeordneten Lötverbindungen bewirken. Der erfindungsgemäße Rotor besitzt dabei auf einer Rotorwelle angeordnete Rotorwicklungen, die elektrisch mit dem Gleichrichter verbunden sind. Erfindungsgemäß weist der Gleichrichter zumindest zwei elektrisch miteinander verbundene Leiterplatten mit darauf angeordneten elektronischen Bauteilen auf. Die Rotorwelle besitzt zumindest einen Hohlraum, in dem der Gleichrichter zumindest bereichsweise angeordnet ist. Zudem sind die elektronischen Bauteile derart angeordnet, dass sie bei einer Rotation des Rotors und einer Belastung durch Fliehkräfte gegen eine Innenwand des Hohlraums gedrückt werden. Durch das erfindungsgemäße Anordnen der elektronischen Bauteile können eine direkte thermische Anbindung an die Rotorwelle und damit eine verbesserte Kühlung erreicht werden. Hierdurch kann auch eine Dauer- und Spitzenleistung der mit diesem Rotor ausgestatteten Synchronmaschine gesteigert werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die elektronischen Bauteile und die Leiterplatten derart angeordnet, dass die jeweilige Leiterplatte bei einer Rotation des Rotors und einer Belastung durch Fliehkräfte gegen die zugehörigen elektronischen Bauteile gedrückt wird. In Bezug auf einen Radius sind demzufolge die elektronischen Bauteile außerhalb der jeweiligen Leiterplatte angeordnet. Eine Unterseite der jeweiligen Leiterplatte zeigt dabei nach innen, während die auf der Leiterplatte angeordneten elektronischen Bauteile nach außen weisen. Durch diese Anordnung ist es möglich, eine die elektronischen Bauteile mit der zugehörigen Leiterplatte verbindende Lötverbindung zu entlasten, da im Vergleich zu auf einer Stirnseite einer radial ausgerichteten Leiterplatte angeordneten elektronischen Bauteile die bei der Rotation des Rotors auftretenden Fliehkräfte keine lösenden Kräfte mehr auf die Lötverbindungen bzw. Lötstellen ausüben. Zugleich kann durch die Positionierung der elektronischen Bauteile auf den zugehörigen Leiterplatten des Gleichrichters eine stabile Positionierung und Fixierung der einzelnen elektronischen Bauteile auf der Leiterplatte erreicht werden. Durch das Anordnen der elektronischen Bauteile radial außerhalb der zugehörigen Leiterplatte können auch die direkte thermische Anbindung an die Rotorwelle und eine verbesserte Kühlung erreicht werden.
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Durch die zumindest bereichsweise Anordnung des Gleichrichters in dem Hohlraum der Rotorwelle kann eine kompakte Bauweise erreicht werden. Da der Gleichrichter relativ dicht zu einer Drehachse des Rotors angeordnet ist, können die im Betrieb, das heißt bei einem Drehen des Rotors, auftretenden Fliehkräfte reduziert werden, wobei zugleich eine Verbesserung der mechanischen Stabilität durch Anordnung des Gleichrichters auf einem sehr kleinen Durchmesser erreicht werden kann. Darüber hinaus ist es mit einer derartigen Bauweise möglich, einen bislang innerhalb der hohlen Rotorwelle ungenutzten Bauraum/Hohlraum zu nutzen, wodurch die fremderregte Synchronmaschine insgesamt kompakter gebaut werden kann. Auch kann durch diese Anordnung eine einfache Montage des Gleichrichters in der Rotorwelle durch beispielsweise ein einfaches Einschieben des Gleichrichters in den Hohlraum erfolgen. Dabei kann der Hohlraum, in welchem sich der Gleichrichter zumindest teilweise befindet, gänzlich innerhalb der Rotorwelle angeordnet sein, oder nur teilweise, so dass ein weiterer Teil des Hohlraums beispielsweise auch in einem Wellenstumpf angeordnet sein kann.
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Rein theoretisch ist auch denkbar, dass die jeweiligen elektronischen Bauteile radial innerhalb der zugehörigen Leiterplatte liegen und im Betrieb, das heißt bei einer Rotation des Rotors gegen die Leiterplatte gedrückt werden. In diesem Fall kann der Gleichrichter in einem Hohlraum der Rotorwelle angeordnet werden. Die Leiterplatten liegen an einer Innenwand des Hohlraums an und werden durch diese abgestützt und gekühlt.
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Wird beispielsweise der Gleichrichter zumindest bereichsweise in einem Hohlraum eines hohlen Wellenstumpfes angeordnet und dieser hohle Wellenstumpf wiederum im Hohlraum der Rotorwelle, so ist es möglich, den im Hohlraum des Wellenstumpfes angeordneten Gleichrichter in einem separaten Montageprozess vorzufertigen und zusammen mit dem Wellenstumpf als vorgefertigte Baugruppe an der hohlen Rotorwelle zu fixieren. Dabei ist selbstverständlich denkbar, dass an dem Wellenstumpf zusätzlich noch ein Lager zur Lagerung der Rotorwelle bzw. des Rotors angeordnet ist. Eine Verbindung zwischen dem Wellenstumpf und der hohlen Rotorwelle kann dabei durch ein einfaches Einpressen des hohlen Wellenstumpfes in die hohle Rotorwelle, das heißt in dessen Hohlraum, erfolgen, wobei die hohle Rotorwelle radiale Öffnungen aufweisen kann, die mit ebenfalls radialen Öffnungen des Wellenstumpfes im Einbauzustand fluchten und worüber eine elektrische Verbindung zwischen dem Gleichrichter und den Rotorwicklungen geschaffen werden kann. Alternativ zu einem Einpressen kann der Wellenstumpf rein theoretisch auch durch ein Verkleben, Verschweißen oder Verlöten in dem Hohlraum der Rotorwelle fixiert werden.
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Wiederum alternativ ist es selbstverständlich auch denkbar, den Gleichrichter in einer Hülse anzuordnen und diese Hülse wiederum zumindest teilweise im Hohlraum der Rotorwelle anzuordnen, insbesondere in diesen einzupressen. Auch eine derartige Ausführung, bei welcher der Gleichrichter in der Hülse angeordnet ist, ermöglicht eine Vorfertigung der Hülse mit dem darin eingebauten Gleichrichter und dadurch das Herstellen einer vorgefertigten Baugruppe, welche anschließend in der Rotorwelle montiert werden kann. Hierdurch lässt sich insbesondere eine kürzere Montagezeit des Rotors erreichen.
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Zweckmäßig weist der Hohlraum innerhalb der Rotorwelle bzw. innerhalb des Wellenstumpfes einen rechteckförmigen, insbesondere quadratischen, Innenquerschnitt auf, wobei der Gleichrichter vier Leiterplatten besitzt, die rechteckförmig angeordnet sind, wobei die elektronischen Bauteile auf einer zugehörigen Innenwand des Innenquerschnitts aufliegen und durch diese abgestützt werden. Der rechteckförmige Innenquerschnitt ist dabei vorzugsweise quadratisch ausgebildet, so dass die jeweiligen Innenwände gleiche Abmessungen aufweisen. Beim Einschieben des Gleichrichters in den Hohlraum des Wellenstumpfes bzw. der hohlen Rotorwelle liegen die elektronischen Bauteile an den jeweils zugehörigen Innenwänden des Hohlraums an, so dass die zugehörigen Leiterplatten nach innen ragen. Dies bietet den besonderen Vorteil, dass die elektronischen Bauteile nicht nur auf einem vergleichsweise kleinen Durchmesser angeordnet werden können und dadurch geringere Fliehkräfte erfahren, sondern dass auch die auftretenden Fliehkräfte die jeweiligen Leiterplatten auf die zugehörigen elektronischen Bauteile pressen, ohne dabei die Lötverbindungen zwischen den elektronischen Bauteilen und den Leiterplatten zu belasten. Von besonderem Vorteil hierbei ist, dass durch ein direktes Anliegen der elektronischen Bauteile an der Innenwand des Hohlraums eine verbesserte Kühlung der elektronischen Bauteile ermöglicht wird, insbesondere durch innerhalb der Rotorwelle verlaufende Kühlkanäle.
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Die elektronischen Bauteile können dabei als Dioden, aber auch als aktive Halbleiter sowie weitere Hilfsbauteile ausgebildet sein.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors weist der Gleichrichter längsendseitig, das heißt in Axialrichtung längsendseitig, angeordnete elektrische Kontakte zur Kontaktierung mit einem Kontaktierungsgegenstück auf. Derartige an einer axialen Stirnseite angeordneten elektrischen Kontakte ermöglichen eine elektrische Kontaktierung beim Einschieben in die Rotorwelle, wodurch keine weiteren Arbeitsschritte zur Kontaktierung erforderlich sind.
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Die elektrischen Kontakte können beispielsweise als Kontaktpins, als Steckkontakte oder als Federkontakte ausgebildet sein. Über Kontaktpins sowie Steckkontakte lässt sich eine vergleichsweise einfache durch ein Einschieben erreichbare elektrische Kontaktierung verwirklichen. Federkontakte bieten darüber hinaus den großen Vorteil, dass sie gewisse Maßtoleranzen ausgleichen können.
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Zusätzlich oder alternativ können der Gleichrichter und das Kontaktierungsgegenstück auch über eine Verriegelungsmechanik aneinander fixiert sein, wozu beispielsweise an dem Gleichrichter Rastelemente und an dem Kontaktierungsgegenstück gegen Rastelemente vorgesehen sein können. Hierdurch kann eine zuverlässige Axialfixierung des Gleichrichters in der Hülse bzw. dem Wellenstumpf oder der Rotorwelle erreicht werden, wodurch ein unerwünschtes Lösen und Aufgehen der elektrischen Kontakte zuverlässig ausgeschlossen werden kann. Derartige Rastelemente bzw. Gegenrastelemente können als einfache Rasthaken aus Kunststoff ausgebildet sein, die insbesondere an dem Kontaktierungsgegenstück einstückig angeordnet und dadurch zusammen mit diesem, beispielsweise in einem Kunststoffspritzgießprozess, hergestellt werden können. Die damit zusammenwirkenden Gegenrastelemente bzw. Rastelemente können als einfache Hinterschnittkonturen ausgebildet sein, wobei es sich im vorliegenden Fall anbietet, derartige Hinterschnittkonturen an den Leiterplatten und die zugehörigen Rastnasen an dem Kontaktierungsgegenstück auszuführen.
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Zweckmäßig ist ein Endstück oder ein Deckel vorgesehen, das/der den Gleichrichter fixiert. Ein derartiges Endstück bzw. ein solcher Deckel kann somit an einem axial gegenüberliegenden Längsende des Kontaktierungsgegenstücks mit der Einschubplatine des Gleichrichters zusammenwirken und dadurch den Gleichrichter in Axialrichtung zwischen dem Deckel bzw. dem Endstück einerseits und dem Kontaktierungsgegenstück andererseits fixieren. Ein derartiges Endstück kann selbstverständlich auch als einfacher Steg ausgebildet sein, der die Hülse, den Innenraum oder den Hohlraum quert.
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Zweckmäßig weist der Gleichrichter zumindest zwei Starrflex-Leiterplatten auf. Derartige Starrflex-Leiterplatten besitzen starre Leiterplattenabschnitte und diese verbindende, flexible Abschnitte, wodurch eine deutlich flexiblere Formgebung und Anordnung des Gleichrichters ermöglicht wird. Hierdurch ist beispielsweise ein Anordnen eines vier Leiterplatten aufweisenden Gleichrichters in einem rechteckförmigen Hohlraum der hohlen Rotorwelle möglich, bei welchem die flexiblen Abschnitte zwischen zwei Leiterplatten jeweils über Eck geführt sind.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors ist der Gleichrichter rotationssymmetrisch ausgebildet. Eine derartige rotationssymmetrische Ausbildung des Gleichrichters verringert eine möglicherweise auftretende Unwucht des Rotors und erhöht dadurch dessen Laufruhe. Zugleich kann durch eine rotationssymmetrische Ausbildung des Gleichrichters eine Belastung desselben, insbesondere eine Belastung von die elektronischen Bauteile auf den zugehörigen Leiterplatten fixierenden Lötverbindungen reduziert werden, wodurch die Lebensdauer des Gleichrichters erhöht werden kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors ist zwischen dem Gleichrichter und der Rotorwelle ein thermisch leitfähiges und elektrisch isolierendes Material angeordnet. Durch die vergleichsweise nahe einer Drehachse vorgesehene Anordnung der elektronischen Bauteile des Gleichrichters kann bereits über die zwischen diesen Bauteilen und einer Innenwand der Hülse bzw. des Hohlraums liegende Luft eine erforderliche elektrische Isolierung erreicht werden. Luft ist zwar ein guter elektrischer Isolator, jedoch auch ein schlechter Wärmeleiter, weshalb es sich im vorliegenden Fall anbietet, zusätzlich ein thermisch leitfähiges Material vorzusehen, um die beim Betrieb des Gleichrichters auftretende Wärme schnell an die Rotorwelle abzugeben und dadurch den Gleichrichter bzw. dessen elektronische Bauteile zu kühlen. Hierdurch ist es möglich, den Gleichrichter bzw. dessen elektronische Bauteile in einem für den Betrieb optimalen Temperaturfenster zu halten.
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Zweckmäßig sind in der Rotorwelle oder einem Wellenstumpf Kühlkanäle für ein Kühlmittel vorgesehen. Um eine Kühlung des Gleichrichters bzw. dessen elektronischer Bauteile zusätzlich zu unterstützen, kann die Rotorwelle zusätzlich gekühlt werden, wobei alternativ selbstverständlich auch eine direkte Beaufschlagung des Gleichrichters mit einem dielektrischen Kühlmittel denkbar ist, was eine nochmals deutlich verbesserte Kühlung ermöglicht. Tritt der Gleichrichter bzw. dessen elektronische Bauteile direkt mit dem Kühlmittel in Kontakt, so muss dieses dielektrisch sein, während bei einer indirekten Kühlung über ein in der Rotorwelle oder dem Wellenstumpf in entsprechenden Kühlkanälen verlaufendes Kühlmittel auch Wasser, Wasser-Glykol oder Öl denkbar ist. Zur Kühlung ist insbesondere auch vorstellbar, dass die Leiterplatten und darüber der Gleichrichter in eine Rotorkühlung eingebunden sind, über welche der Rotor gekühlt wird. Dies erfolgt üblicherweise durch ein Durchströmen einer hohlen Rotorwelle mit Kühlmittel, wobei in diesem Fall der Gleichrichter in der hohlen Rotorwelle angeordnet und direkt mit dem dielektrischen Kühlmittel beaufschlagt werden kann. Hierbei ist lediglich zu beachten, dass die Leiterplatten des Gleichrichters sowie deren elektronische Bauteile beständig gegenüber dem Kühlmittel sein müssen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in einer Innenwand des Hohlraums Ausnehmungen vorgesehen sind, die zusammen mit einem zugehörigen elektronischen Bauteil Kühlkanäle bilden. Hierdurch ist eine besonders effektive Kühlung der elektronischen Bauteile und damit eine Verlängerung deren Lebensdauer möglich. Als Kühlmittel kann generell ein Gas, beispielsweise Luft, aber auch ein flüssiges, dielektrisches Kühlmittel eingesetzt werden.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine fremderregte Synchronmaschine mit einem elektrisch bestrombaren Rotor entsprechend den vorherigen Absätzen auszustatten, wobei an dem Rotor zugleich ein Drehtransformator-Rotor eines Drehtransformators mit einer Sekundärspule angeordnet ist, während an der fremderregten Synchronmaschine, insbesondere an deren Gehäuse, ein zugehöriger Drehtransformator-Stator angeordnet ist. Der Drehtransformator-Rotor kann dabei außen auf der Rotorwelle angeordnet werden. Rein theoretisch ist auch denkbar, sowohl den Drehtransformator-Rotor als auch den Drehtransformator-Stator innerhalb der zumindest teilweise hohlen Rotorwelle anzuordnen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
- 1 eine Längsschnittdarstellung durch einen Rotor entsprechend dem Stand der Technik,
- 2 eine Querschnittdarstellung durch einen Rotor mit einem innerhalb einer Rotorwelle angeordneten Gleichrichter,
- 3 eine Längsschnittdarstellung entsprechend der Schnittebene A-A aus 4,
- 4 eine Querschnittdarstellung durch einen Rotor mit in der Rotorwelle angeordnetem Gleichrichter mit radial außerhalb einer Leiterplatte angeordneten elektronischen Bauteilen.
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Entsprechend der 1, weist ein Rotor 1' für eine fremderregte Synchronmaschine 2' Rotorwicklungen 3' auf, die auf einer Rotorwelle 4' angeordnet sind. Ebenfalls weist der Rotor 1' einen Auswuchtring 5' sowie einen Gleichrichter 6' auf, wobei über den Auswuchtring 5' eine gegebenenfalls auftretende Unwucht kompensierbar ist. Der Gleichrichter 6' wiederum richtet den von einem Drehtransformator 8' auf eine mit der Rotorwelle 4' drehfest verbundene Sekundärspule 7' übertragenen elektrischen Strom. Dieser wird vom Gleichrichter 6' in Gleichstrom umgewandelt und an die Rotorwicklungen 3' weitergeleitet, wo dort ein elektrisches Magnetfeld erzeugt werden kann. Die Sekundärspule 7' ist dabei Bestandteil eines Drehtransformator-Rotors 9', der zusammen mit einem stationären Drehtransformator-Stator 10' den Drehtransformator 8' bildet. Der Drehtransformator-Stator 10' besitzt einen Transformatorkern 11' sowie eine Primärspule 12'. Der Transformatorkern 11' ist dabei aus einem magnetischen Kernmaterial, beispielsweise einem Ferrit, ausgebildet. Gelagert ist der Rotor 1' über Lager 13'. Jeweils stirnseitig der Rotorwicklungen 3' sind dabei Endwicklungen 14' vorgesehen, über welche eine elektrische Kontaktierung mit dem Gleichrichter 6' erfolgt.
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Nachteilig bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Rotor 1' entsprechend der 1 ist, dass die elektronischen Bauteile 16' nahe der Rotorwicklung 3' positioniert sind, wodurch die Umgebungstemperatur des Gleichrichters 6' maßgeblich durch die Temperaturobergrenze des Rotors 1' bestimmt wird. Während des Betriebs treten im Rotor 1' unterschiedliche Verluste (u.a. Kupfer- und Eisenverluste) auf, wodurch sich der Rotor 1' erhitzt. Die Temperatur wird dabei durch eine Temperaturobergrenze der Isolationswerkstoffe (z.B. Isolationspapier, Kupferlackdraht, etc.) begrenzt, welche im Bereich von 140 - 180°C liegt. Da die Temperaturobergrenze des Gleichrichters 6' unter der Temperaturgrenze des Rotors 1' liegt, muss also die Temperaturobergrenze des Rotors 1' auf die Temperaturobergrenze der elektronischen Bauteile 16' herabgesetzt werden, wodurch die Dauer- und Spitzenleistung der Synchronmaschine 2' reduziert werden muss und/oder es müssen teure elektronischen Bauteile 16' und Leiterplatten-Materialen eingesetzt werden, welche eine entsprechend hohe Temperaturgrenze besitzen.
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Auch sind die elektronischen Bauteile 16', beispielsweise Dioden, in Axialrichtung 15' neben einer Leiterplatte 17' angeordnet, wodurch die im Betrieb auftretenden Fliehkräfte hohe Belastungen für Lötverbindungen zwischen den Bauteilen 16' und den zugehörigen Leiterplatten 17' darstellen. Dabei weist der Gleichrichter 6' einen vergleichsweise großen Durchmesser außerhalb der Rotorwelle 4' auf, wodurch einerseits ein vergrößerter Bauraumbedarf entsteht und andererseits vergleichsweise hohe im Betrieb auf den Gleichrichter 6' einwirkende Kräfte in Form von Fliehkräften auftreten.
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Im Folgenden soll nun der erfindungsgemäße Rotor 1 entsprechend den 2 bis 4 näher beschrieben werden. Dabei sei angemerkt, dass die bezüglich der 2, 3 und auch 4 verwendeten Bezugszeichen analog zur 1, jedoch ohne Apostroph verwendet werden.
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Um die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile bezüglich der im Betrieb auftretenden Temperaturbelastung und insbesondere auch der bei der Rotation des Rotors 1 auf den Gleichrichter 6 und dessen Lötverbindungen einwirkenden Fliehkräfte zumindest zu reduzieren, ist bei dem erfindungsgemäßen Rotor 1 vorgesehen, dass der Gleichrichter 6 zumindest zwei elektrisch miteinander verbundene Leiterplatten 17 mit darauf angeordneten elektronischen Bauteilen 16 aufweist, wobei die elektronischen Bauteile 16 derart angeordnet sind, dass sie bei einer Rotation des Rotors 1 und einer Belastung durch Fliehkräfte gegen eine Innenwand 21 eines Hohlraums 20 gedrückt und wärmeübertragend mit dieser verbunden werden. Hierdurch ist eine deutlich verbesserte Kühlung möglich. Die Rotorwelle 4 weist zumindest einen solchen Hohlraum 20 auf, in dem der Gleichrichter 6 zumindest bereichsweise angeordnet ist. Bei einer Rotation des Rotors 1 und einer Belastung durch Fliehkräfte werden zudem Leiterplatten 17 gegen die zugehörigen elektronischen Bauteile 16 gedrückt werden.
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Betrachtet man beispielsweise die 3 und 4, so kann man erkennen, dass der dort gezeigte Gleichrichter 6 insgesamt vier als Starrflex-Leiterplatten 17a ausgebildete Leiterplatten 17 aufweist, die über flexible Eckverbinder 18 miteinander verbunden sind. Alternativ sind auch Eckverbinder in Form von Lötverbindungen oder gelöteten oder gesteckten Kontaktelementen/-bauteilen denkbar. Die jeweiligen Leiterplatten 17, 17a sind dabei auf einer Innenseite der jeweiligen elektronischen Bauteile 16 angeordnet und werden deshalb bei einer Rotation um eine Rotationsachse 19 aufgrund der dann auftretenden Fliehkräfte nach außen, das heißt gegen die jeweils zugehörigen elektronischen Bauteile 16 gedrückt. Hierdurch können die auf die elektronischen Bauteile 16 bzw. auf Lötverbindungen zwischen den elektronischen Bauteilen 16 und den jeweils zugehörigen Leiterplatten 17, 17a einwirkende Fliehkräfte minimiert werden. Zudem werden die Leiterplatten 17, 17a bei einer Rotation des Rotors 1 nach außen gegen die elektronischen Bauteile 16, beispielsweise Dioden, gedrückt und wodurch letztere stabil in ihrer Position gehalten.
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Die Anordnung des Gleichrichters 6 in dem Hohlraum 20 schafft auch eine bauraumoptimierte Lösung, wobei zugleich eine derartig nahe Anordnung des Gleichrichters 6 relativ zur Rotationsachse 19 zusätzlich die im Betrieb der fremderregten Synchronmaschine 2 auf den Gleichrichter 6 einwirkenden Fliehkräfte reduziert. Betrachtet man dabei den Hohlraum 20, so kann man erkennen, dass dieser einen rechteckförmigen, insbesondere sogar einen quadratischen, Innenquerschnitt aufweist, wobei der Gleichrichter 6 insgesamt vier Leiterplatten 17, 17a besitzt, die rechteckförmig angeordnet sind, wobei die darauf angeordneten elektronischen Bauteile 16 auf einer zugehörigen Innenwand 21 des Innenquerschnitts, insbesondere flächig, aufliegen. Hierdurch ist eine flächige, belastungsoptimierte und zugleich wärmeübertragende und damit die thermische Belastung reduzierende Abstützung der jeweiligen elektronischen Bauteile 16 des Gleichrichters 6 möglich.
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Die Synchronmaschine 2 kann dabei als Traktionsmaschine in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
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Selbstverständlich ist auch denkbar, dass die jeweiligen elektronischen Bauteile 16 nur linear oder punktförmig auf einer Innenwand 21 der Rotorwelle 4 aufliegen, wodurch eine Hinterlüftung bzw. Hinterströmung der jeweiligen elektronischen Bauteile 16 mit beispielsweise einem Kühlmittel möglich ist. In 4 ist eine derartige lineare Abstützung des linken elektronischen Bauteils 16 des Gleichrichters 6 gezeigt, wobei das elektronische Bauteil 16 zusammen mit Ausnehmungen 22 in der Rotorwelle 4 Kühlkanäle 23 bildet, durch welche Kühlmittel strömen und dadurch das elektronische Bauteil 16 und damit den gesamten Gleichrichter 6 kühlen kann. Die Ausnehmungen 22 sind dabei entsprechend den 2 und 4 der Übersichtlichkeit halber lediglich auf der linken Seite der Rotorwelle 4 eingezeichnet, wobei diese selbstverständlich üblicherweise rotationssymmetrisch verteilt sind, um eine Unwucht im Betrieb des Rotors 1 zu vermeiden. Zusätzlich oder alternativ können auch weitere Kühlkanäle 23 in der Rotorwelle 4 vorgesehen sein, die gemäß den 2 und 4 entweder einen rechteckförmigen oder einen runden Querschnitt, jedoch auch andere davon abweichende Querschnittsformen aufweisen können. Durch eine Beaufschlagung der Kühlkanäle 23 mit einem entsprechenden Kühlmittel (gasförmig oder flüssig) lässt sich der Gleichrichter 6 bzw. dessen elektronische Bauteile 16 besonders effektiv kühlen.
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Rein theoretisch ist selbstverständlich auch denkbar, dass keine derartigen Kühlkanäle 23 in der Rotorwelle 4 vorgesehen sind, sondern der Hohlraum 20 mit Kühlmittel durchströmt wird, wodurch eine direkte Kühlung der elektronischen Bauteile 16 möglich ist. In diesem Fall ist jedoch ein dielektrisches Kühlmittel zu verwenden.
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Für eine Montage des Gleichrichters 6 in der Rotorwelle 4 kann der Gleichrichter 6 in Axialrichtung 15 bzw. Längsrichtung 15, die sich gemäß den 2 und 4 orthogonal zur Blattebene erstreckt, in die Rotorwelle 4 bzw. deren Hohlraum 20 eingeschoben werden. Für eine elektrische Kontaktierung des Gleichrichters 6 weist dieser längsendseitig angeordnete elektrische Kontakte 24 (vgl. 3) auf, die in entsprechende Buchsen eines Kontaktierungsgegenstücks 25 eingesteckt werden. Die elektrischen Kontakte 24 können dabei als Kontaktpins, als Steckkontakte oder als Federkontakte ausgebildet sein, wobei es alle genannten Ausführungsformen erlauben, gewisse Maßtoleranzen auszugleichen, wodurch eine Montage deutlich vereinfacht wird.
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Um darüber hinaus eine zuverlässige und langandauernde elektrische Kontaktierung des Gleichrichters 6 mit dem Kontaktierungsgegenstück 25 und darüber sowohl mit dem Drehtransformator 8 als auch mit den Rotorwicklungen 3 gewährleisten zu können, können an dem Gleichrichter 6 bzw. an dessen Leiterplatten 17, 17a Rastelemente 26 und an dem Kontaktierungsgegenstück 25 Gegenrastelemente 27 zur Verriegelung vorgesehen sein (vgl. 3). Die Rastelemente 26 können dabei als Rasthaken oder als Hinterschnittkonturen ausgebildet sein, während die Gegenrastelemente 27 als komplementär dazu ausgebildete Hinterschnittkonturen bzw. Rasthaken ausgebildet sein können. Im vorliegenden Fall sind die Rastelemente 26 an der Leiterplatte 17, 17a des Gleichrichters 6 als Hinterschnittkonturen und die zugehörigen Gegenrastelemente 27 an dem Kontaktierungsgegenstück 25 als Rasthaken ausgebildet, wie dies gemäß der 3 dargestellt ist.
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Darüber hinaus vorgesehen sein kann noch ein Endstück oder ein Deckel 28 (vgl. 3), der dem Kontaktierungsgegenstück 25 vorzugsweise gegenüberliegend angeordnet ist und den Gleichrichter 6 zwischen sich und dem Kontaktierungsgegenstück 25 einklemmt und dadurch zugleich eine elektrische Kontaktierung zwischen dem Gleichrichter 6 und dem Kontaktierungsgegenstück 25 fixiert. Das Endstück bzw. der Deckel 28 kann dabei beispielsweise in den Innenraum 20 (vgl. 3) oder sofern vorgesehen, in eine Hülse eingepresst werden, die wiederum in den Hohlraum 20 der Rotorwelle 4 eingepresst ist.
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In den gezeigten Fällen ist der Hohlraum 20 als in der Rotorwelle 4 liegend beschrieben, wobei ein derartiger Hohlraum 20 rein theoretisch auch in einem Wellenstumpf vorgesehen sein kann, der in den Hohlraum 20 der Rotorwelle 4 eingeschoben bzw. eingepresst ist. In diesem Fall ist eine einfachere und separate Montage des Gleichrichters 6 in dem Wellenstumpf zu einer vorfertigbaren Baugruppe möglich, die anschließend vorgefertigt in die Rotorwelle 4 eingepresst werden kann.
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Um darüber hinaus eine möglichst geringe Unwucht während des Betriebs der Synchronmaschine 2 zu erreichen, ist der Gleichrichter 6 vorzugsweise rotationssymmetrisch in Bezug auf die Rotationsachse 19 ausgebildet.
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Zwischen dem Gleichrichter 6 (das heißt gemäß der 2 der Leiterplatte 17, 17a und gemäß der 4 dem elektronischen Bauteil 16) und der Innenwand 21 der Rotorwelle 4 kann darüber hinaus ein thermisch leitfähiges und isolierendes Material 29 angeordnet sein, welches neben einem verbesserten Wärmeübertrag gegebenenfalls auch noch eine Fixierung ermöglicht.
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Auch der gemäß der 2 gezeigte Rotor 1 kann die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile insbesondere bezüglich der bei der Rotation des Rotors 1 auf den Gleichrichter 6 einwirkenden Fliehkräfte sowie der starken Erwärmung desselben zumindest reduzieren. Bei diesem ist vorgesehen, dass der Gleichrichter 6 zumindest zwei elektrisch miteinander verbundene Leiterplatten 17 mit darauf angeordneten elektronischen Bauteilen 16 aufweist, wobei die elektronischen Bauteile 16 radial innerhalb der Leiterplatten 17, 17a angeordnet sind, so dass die elektronischen Bauteile 16 bei einer Rotation des Rotors 1 und einer Belastung durch Fliehkräfte gegen die Leiterplatten 17, 17a gedrückt werden, wodurch auch hier die Lötverbindungen weniger stark belastet werden. Da die Leiterplatten 17, 17a an der Innenwand 21 des Hohlraums 20 anliegen, können diese deutlich besser gekühlt werden.
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Betrachtet man die 4, so kann man erkennen, dass der dort gezeigte Gleichrichter 6 insgesamt vier als Starrflex-Leiterplatten 17a ausgebildete Leiterplatten 17 aufweist, die über flexible Eckverbinder 18 miteinander verbunden sind. Alternativ sind auch Eckverbinder in Form von Lötverbindungen oder gelöteten oder gesteckten Kontaktelementen/-bauteilen denkbar. Die jeweiligen elektronischen Bauteile 16 sind dabei auf einer Außenseite der jeweiligen Leiterplatte 17, 17a angeordnet und werden deshalb bei einer Rotation um eine Rotationsachse 19 aufgrund der dann auftretenden Fliehkräfte nach außen, das heißt gegen die Innenwand 21 des Hohlraums 20 gedrückt und durch diese abgestützt. Hierdurch können die auf die elektronischen Bauteile 16 bzw. auf Lötverbindungen zwischen den elektronischen Bauteilen 16 und den jeweils zugehörigen Leiterplatten 17, 17a einwirkende Fliehkräfte minimiert, vor allem aber eine Kühlung der elektronischen Bauteile 16 verbessert werden.
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Zusätzlich oder alternativ können auch weitere Kühlkanäle 23 in der Rotorwelle 4 vorgesehen sein, die gemäß der 4 entweder einen rechteckförmigen oder einen runden Querschnitt, jedoch auch andere davon abweichende Querschnittsformen aufweisen können.
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Durch eine Beaufschlagung der Kühlkanäle 23 mit einem entsprechenden Kühlmittel (gasförmig oder flüssig) lässt sich der Gleichrichter 6 und insbesondere deren elektronische Bauteile 16 einfach kühlen. Auch bei dieser Ausführungsform ist selbstverständlich denkbar, dass keine derartigen Kühlkanäle 23 in der Rotorwelle 4 vorgesehen sind, sondern der Hohlraum 20 mit Kühlmittel durchströmt wird, wodurch eine direkte Kühlung der elektronischen Bauteile 16 möglich ist. In diesem Fall ist jedoch ein dielektrisches Kühlmittel zu verwenden.
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Für eine Montage des in 2 dargestellten Gleichrichters 6 in der Rotorwelle 4 gilt das zuvor geschriebene.
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Alles in allem können mit dem erfindungsgemäßen Rotor 1 und der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 2 als auch mit dem Rotor 1 gemäß der 2 folgende Vorteile erzielt werden:
- - Eine verbesserte Kühlmöglichkeit des Gleichrichters 6 verbunden mit einer hohen Leistungsfähigkeit der Synchronmaschine 2.
- - Eine Verbesserung der mechanischen Stabilität, da der Gleichrichter 6 einen vergleichsweise kleinen Außendurchmesser aufweist und dadurch deutlich geringeren Fliehkräften ausgesetzt ist, als ein bislang aus dem Stand der Technik außerhalb der Rotorwelle 4 angeordneter Gleichrichter 6'.
- - Auf die elektronischen Bauteile 16 einwirkende Fliehkräfte führen nur zu einem Anpressen der Bauteile 16 auf die zugehörige Leiterplatte 17 und belasten eine Lötverbindung nicht oder nur marginal. Bei 4 führen die auf die elektronischen Bauteile 16 einwirkende Fliehkräfte nur zu einem Anpressen der elektronischen Bauteile 16 auf die Innenwand 21 des Hohlraums 20 und belasten eine Lötverbindung ebenfalls nicht oder nur marginal.
- - Eine optimale Ausnutzung eines bislang nicht genutzten Hohlraums 20 innerhalb der Rotorwelle 4 und dadurch die Möglichkeit, die Synchronmaschine 2 insgesamt kompakter bauen zu können.
- - Eine einfache Montage des Gleichrichters 6 durch ein Einschieben in den Hohlraum 20.
