DE102021211992A1

DE102021211992A1 - Rotor für eine fremderregte Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102021211992A1
Application number: DE102021211992.1A
Authority: DE
Inventors: Florian Osdoba; Penyo Topalov; Philipp Zimmerschied
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2021-10-25
Filing date: 2021-10-25
Publication date: 2023-04-27
Anticipated expiration: 2041-10-26
Also published as: DE102021211992B4; WO2023072462A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (1) für eine fremderregte Synchronmaschine (2) mit auf einer zumindest einen Hohlraum (15) aufweisenden Rotorwelle (4) angeordneten Rotorwicklungen (3) und einem Gleichrichter (6).Um eine Belastung eines Gleichrichters (6) reduzieren zu können, ist der Gleichrichter (6) zumindest bereichsweise in dem Hohlraum (15) der Rotorwelle (4) angeordnet.

Description

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.
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. Diese Wechselspannung muss anschließend in einem Gleichrichter gleichgerichtet werden, 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. Neben dem Gleichrichter können auch noch weitere Schaltungen und Bauteile (z.B. Schutzschaltungen) mit auf der Leiterplatte angeordnet sein. Dieser rotierende Gleichrichter kann als separates Bauteil auf der Rotorwelle angebracht sein.
Die auf der Leiterplatte des Gleichrichters angeordneten elektronischen Bauteile erfahren während dem Betrieb große Fliehkräfte, welche mit zunehmender Drehzahl des Rotors und einer Anordnung auf einem größeren Durchmesser der Leiterplatte 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.
Zusätzlich treten während des Betriebs 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 werden die Umgebungstemperaturen des Gleichrichters also maßgeblich durch die Temperaturobergrenze des Rotors bestimmt. Zusätzlich muss die im Gleichrichter anfallenden 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 elektronischen Bauteile und Leiterplatten-Materialen eingesetzt werden, welche eine entsprechend hohe Temperaturgrenze besitzen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Rotor der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, auf einen Gleichrichter eines Rotors für eine elektrisch fremderregte Synchronmaschine einwirkende Fliehkräfte dadurch zu reduzieren, dass der Gleichrichter innerhalb einer Rotorwelle des Rotors angeordnet wird. Durch diese kompakte Bauweise radial relativ dicht zu einer Drehachse des Rotors können die im Betrieb, das heißt bei einem Drehen des Rotors, auftretenden Fliehkräfte reduziert werden. Der erfindungsgemäße Rotor für die fremderregte Synchronmaschine besitzt dabei die zuvor genannte zumindest einen Hohlraum aufweisende Rotorwelle, auf deren Außenmantelfläche Rotorwicklungen angeordnet sind. Ebenfalls vorgesehen ist ein mit den Rotorwicklungen elektrisch verbundener Gleichrichter. Erfindungsgemäß ist nun der Gleichrichter innerhalb der hohlen Rotorwelle bzw. eines Hohlraums der Rotorwelle angeordnet. Hierdurch ist eine Verbesserung der mechanischen Stabilität durch Anordnung des Gleichrichters auf sehr kleinen Durchmessern erreichbar. Darüber hinaus ist es möglich, einen bislang innerhalb der hohlen Rotorwelle ungenutzten Bauraum zu nutzen, wodurch die Synchronmaschine insgesamt kompakter gebaut werden kann. Auch kann durch diese Anordnung eine einfache Montage durch ein einfaches Einschieben des Gleichrichters in den Hohlraum erreicht werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors ist ein zumindest bereichsweise hohler Wellenstumpf mit einem Innenraum vorgesehen, wobei in diesem Fall der Gleichrichter im Innenraum des Wellenstumpfs und der Wellenstumpf wiederum im Hohlraum der Rotorwelle angeordnet, insbesondere in diesen eingepresst, sind. Diese Ausführungsform ermöglicht es, den Wellenstumpf mit dem darin in dem Innenraum angeordneten Gleichrichter in einem separaten Montageprozess vorzufertigen und als vorgefertigte Baugruppe an der hohlen Rotorwelle zu fixieren. Dabei ist selbstverständlich auch denkbar, dass an dem Wellenstumpf zusätzlich noch ein Lager zur Lagerung der Rotorwelle bzw. des Rotors angeordnet wird. Eine Verbindung zwischen dem Wellenstumpf und der hohlen Rotorwelle kann dabei durch ein einfaches Einpressen des hohlen Wellenstumpfes in die hohle Rotorwelle erfolgen, wobei die hohle Rotorwelle radiale Öffnungen aufweist, 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.
Wird ein derartiger Wellenstumpf nicht vorgesehen, so kann der Gleichrichter direkt im Hohlraum der Rotorwelle angeordnet werden, wobei in diesem Fall eine Lagerung der Rotorwelle und damit des Rotors über beispielsweise ein auf der Rotorwelle angeordnetes Lager erfolgt.
Alternativ kann auch eine Hülse vorgesehen sein, wobei der Gleichrichter in der Hülse und die Hülse wiederum zumindest teilweise im Hohlraum der Rotorwelle angeordnet, insbesondere in diesen eingepresst, sind. Auch eine derartige Ausführungsform, 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.
Zweckmäßig ist der Gleichrichter als Einschubplatine mit einseitig oder beidseitig angeordneten Dioden ausgebildet. Insbesondere durch eine beidseitige Anordnung der für die Gleichrichterschaltung erforderlichen Dioden bzw. weiterer elektronischer Bauteile ist es möglich, eine die Fliehkraft ausgleichende Anordnung der elektronischen Bauteile auf der Einschubplatine zu erreichen, sofern eine Drehachse der Rotorwelle identisch mit einer in der Einschubplatine liegenden Drehachse ist. Durch insbesondere die beidseitige Anordnung der elektrischen Bauteile auf der Einschubplatine gleichen sich diese hinsichtlich ihrer bei der Rotation auftretenden Fliehkräfte vorzugsweise aus.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors sind in einer Wandung des Hohlraums der Rotorwelle oder sofern vorhanden in einer Wandung des Innenraums des hohlen Wellenstumpfes, oder sofern vorhanden in einer Wandung der Hülse in Axialrichtung verlaufende Längsschlitze vorgesehen, in welche die Einschubplatine, das heißt der Gleichrichter, eingeschoben und darin fixiert werden kann. Dies ermöglicht eine vergleichsweise einfache Montage des Gleichrichters in der Hülse, dem Wellenstumpf oder der Rotorwelle durch ein einfaches Einschieben. Die Längsschlitze können dabei derart ausgebildet sein, dass die Einschubplatine darin eingepresst und deshalb über einen Presssitz darin gehalten ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Einschubplatine des Gleichrichters selbstverständlich auch über einen Klebstoff in den jeweiligen Längsschlitzen bzw. Längsnuten gehalten werden. Alternativ ist auch vorstellbar, dass in einer Wandung des Hohlraums der Rotorwelle oder in einer Wandung des Innenraums des Wellenstumpfes in Axialrichtung verlaufende und mit Kunststoff ausgespritzte Längsöffnungen vorgesehen sind, wobei in dem Kunststoff in Axialrichtung verlaufende Längsschlitze vorgesehen sind, in welche die Einschubplatine des Gleichrichters eingeschoben und fixiert ist. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, die Längsöffnungen bzw. Längsnuten größer auszubilden und die anschließend in die Kunststofffüllung eingebrachten Längsschlitze an entsprechende Maße des jeweils verwendeten Gleichrichters bzw. dessen Einschubplatine anzupassen. Hierbei kann auch ein elastischer Kunststoff verwendet werden, so dass die Einschubplatine mit Übermaß zum Längsschlitz ausgebildet und in diesen eingepresst werden kann, woraufhin dann die elastische Federkraft des Kunststoffs die Einschubplatine und darüber den Gleichrichter hält. Allen beschriebenen Ausführungsformen ist dabei gemein, dass über die Längsschlitze eine vergleichsweise einfache und schnelle Montage des Gleichrichters in der Hülse, den Innenraum oder dem Hohlraum möglich ist.
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.
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.
Zusätzlich oder alternativ kann der Gleichrichter und das Kontaktierungsgegenstück auch über eine Verriegelungsmechanik aneinander fixiert sein, wozu beispielsweise an den 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 ein 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 der Einschubplatine und die zugehörigen Rastnasen an dem Kontaktierungsgegenstück auszuführen.
Zweckmäßig ist ein Endstück oder ein Deckel vorgesehen, der den Gleichrichter fixiert. Ein derartiges Endstück bzw. ein 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.
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 Wandung der Hülse bzw. des Innenraums oder 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, ein thermisch leitfähiges Material zusätzlich 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.
Zweckmäßig sind in der Rotorwelle oder dem 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 darf dieses elektrisch nicht leitend sein, während bei einer indirekten Kühlung über in der Rotorwelle oder dem Wellenstumpf in entsprechenden Kühlkanälen verlaufenden Kühlmittel auch Wasser, Wasser-Glykol oder Öl denkbar ist. Zur Kühlung ist insbesondere auch vorstellbar, dass die Einschubplatine bzw. generell die Leiterplatine 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 Leiterplatte bzw. die Einschubplatine des Gleichrichters sowie deren elektronische Bauteile beständig gegenüber dem Kühlmittel sein müssen.
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.
Durch die Anordnung zumindest des Gleichrichters innerhalb der Rotorwelle kann eine deutliche Verbesserung der mechanischen Stabilität erreicht werden, da dieser auf einem sehr kleinen Teilkreisdurchmesser platziert werden kann und dadurch im Betrieb geringe Fliehkräfte erfährt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der fremderregten Synchronmaschine weist der Drehtransformator-Stator eine Primärspule und einen Transformationskern aus einem magnetischen Kernmaterial, insbesondere aus einem Ferrit, auf. Der Drehtransformator-Stator besitzt dabei die mit der Sekundärspule des Drehtransformator-Rotors zusammenwirkende Primärspule.
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.
Dabei zeigen, jeweils schematisch:

1 eine Längsschnittdarstellung durch einen Rotor entsprechend dem Stand der Technik,
2 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Rotor mit einem innerhalb einer Rotorwelle angeordneten Gleichrichter,
3 eine Schnittdarstellung wie in 2, jedoch in einer anderen Schnittebene,
4 einen Gleichrichter mit einem Kontaktierungsgegenstück in einer Schrägansicht,
5 eine Darstellung wie in 4, jedoch in einer Seitenansicht,
6 eine Darstellung wie in 4, jedoch in einer Draufsicht,
7 eine Frontalansicht auf einen Wellenstumpf mit einem in Längsschlitze des Wellenstumpfes eingeschobenen Gleichrichter,
8 eine Darstellung wie in 7, jedoch mit in Axialrichtung verlaufenden und mit Kunststoff ausgespritzte Längsöffnungen, in die Längsschlitze eingebracht sind, in die wiederum eine Einschubplatine des Gleichrichters eingeschoben und darin fixiert ist,
9 eine Darstellung wie in 7, jedoch mit einer Hülse, wobei der Gleichrichter in der Hülse angeordnet ist,
10 in schaltplanartiger Darstellung eine elektrische Verdrahtung eines elektrischen Drehtransformators.

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' gegebenenfalls auftretende Unwuchten kompensierbar sind. 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.
Nachteilig bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Rotor 1' entsprechend der 1 ist, dass der Gleichrichter 6' einen vergleichsweise großen Durchmesser außerhalb der Rotorwelle 4' aufweist, wodurch einerseits ein vergrößerter Bauraumbedarf entsteht und andererseits vergleichsweise hohe im Betrieb auf den Gleichrichter 6' einwirkende Kräfte in Form von Fliehkräften auftreten. Darüber hinaus treten während des Betriebs 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. Durch die Positionierung des Gleichrichters 6' nahe der Rotorwicklung 3' werden die Umgebungstemperaturen des Gleichrichters 6' maßgeblich durch die Temperaturobergrenze des Rotors 1' bestimmt. 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 herabgesetzt werden, wodurch die Dauer- und Spitzenleistung der Synchronmaschine 2' reduziert werden muss und/oder es müssen teure elektronischen Bauteile und Leiterplatten-Materialen eingesetzt werden, welche eine entsprechend hohe Temperaturgrenze besitzen.
Im Folgenden soll nun der erfindungsgemäße Rotor 1 entsprechend den 2, 3 und 7 bis 9 näher beschrieben werden. Dabei sei angemerkt, dass die bezüglich der 2 bis 10 verwendeten Bezugszeichen analog zur 1, jedoch ohne Apostroph verwendet werden.
Um nun die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile bezüglich der bei der Rotation des Rotors 1 auf den Gleichrichter 6 wirkenden Fliehkräfte sowie eine starke Erwärmung desselben zumindest zu reduzieren, ist bei dem erfindungsgemäßen Rotor 1 entsprechend den 2, 3 sowie 7 bis 9 der Gleichrichter 6 in einem Hohlraum 15 der Rotorwelle 4 angeordnet. Hierdurch ist es möglich, einzelne Bauteile 16 des Gleichrichters 6, wie beispielsweise Dioden, sowie den gesamten Gleichrichter 6 nahe einer Rotationsachse 17 des Rotors 1 anzuordnen, wodurch die einzelnen Bauteile 16 und der gesamte Gleichrichter 6 im Vergleich zu der gemäß der 1 gezeigten Anordnung deutlich weniger mechanische Kräfte, insbesondere Fliehkräfte, aufnehmen müssen. Zudem kann durch eine Anordnung des Gleichrichters 6 im Hohlraum 15 der Rotorwelle 4 eine deutlich verbesserte Kühlung und damit Entwärmung des Gleichrichters 6 erfolgen, wodurch eine erhöhte Dauer- und Spitzenleistung der Synchronmaschine 2 ermöglicht wird. Durch die verbesserte Kühlung der elektronischen Bauteile 16 bzw. generell des Gleichrichters 6 können auch kostengünstigere elektronische Bauteile 16 und Leiterplatten-Materialien für eine Einschubplatine 18 des Gleichrichters 6 verwendet werden.
Bei den Darstellungen des erfindungsgemäßen Rotors 1 entsprechend den 2, 3 sowie 7 bis 9, ist ein zumindest bereichsweise hohler Wellenstumpf 19 mit einem Innenraum 20 vorgesehen, wobei in diesen Fällen der Gleichrichter 6 im Innenraum 20 des Wellenstumpfes 19 und der Wellenstumpf 19 wiederum im Hohlraum 15 der Rotorwelle 4 angeordnet, beispielsweise in diesen eingepresst ist. Dabei ist den 2 und 3 zu entnehmen, dass der Gleichrichter 6 in Axialrichtung 21 nur bereichsweise innerhalb des Hohlraums 15 der Rotorwelle 4 angeordnet ist, wobei jedoch entsprechend der vorliegenden Anmeldung auch eine lediglich bereichsweise Anordnung des Gleichrichters 6 im Hohlraum 15 der Rotorwelle 4 als durch die Erfindung mit umfasst geltenden soll.
Der Wellenstumpf 19 besitzt eine Radialstufe 22, in der Art eines Kragens, welche einen Axialanschlag beim Einpressen des Wellenstumpfes 19 in die Rotorwelle 4 bildet. Gleichzeitig bildet die Radialstufe 22 einen Axialanschlag für ein Lager 13, beispielsweise ein Kugellager, welches auf einer Außenmantelfläche des Wellenstumpfes 19 aufgebracht, beispielsweise aufgepresst, ist.
Der gemäß den 2 bis 9 dargestellte Gleichrichter 6 besitzt dabei die zuvor erwähnte Einschubplatine 18, auf der in vorliegendem Fall beidseitig die elektronischen Bauteile 16, das heißt im vorliegenden Fall die Dioden, angeordnet sind. Rein theoretisch ist selbstverständlich auch eine einseitige Anordnung denkbar, wobei eine zweiseitige Anordnung bezüglich einer bei der Rotation entstehenden Unwucht günstig ist.
Zusätzlich oder alternativ zu dem Wellenstumpf 19 kann auch eine Hülse 23 (vgl. 9) vorgesehen sein, wobei der Gleichrichter 6 in der Hülse 23 und die Hülse 23 wiederum im Hohlraum 15 der Rotorwelle 4 oder im Innenraum 20 des Wellenstumpfs 19 angeordnet sind.
Um eine möglichst einfache Montage und zugleich eine zuverlässige Fixierung des Gleichrichters 6 in dem Hohlraum 15 bzw. dem Innenraum 20 oder der Hülse 23 zu ermöglichen, sind in einer Wandung des Hohlraums 15, des Innenraums 20 oder der Hülse 23 in Axialrichtung 21 verlaufende Längsschlitze 24 vorgesehen, in welche die Einschubplatine 18 einschiebbar und darin fixierbar, beispielweise verklemmbar, verklebbar oder verpressbar ist (vgl. die 2, 3, 7 und 9). Alternativ ist auch denkbar, dass in einer Wandung des Hohlraums 15 oder des Innenraums 20 in Axialrichtung 21 verlaufende und mit Kunststoff 25 ausgespritzte Längsbohrungen bzw. generell Längsöffnungen 26 vorgesehen sind (vgl. 8), wobei in dem Kunststoff 25 in Axialrichtung 21 verlaufende Längsschlitze 24 vorgesehen sind, in welche die Einschubplatine 18 eingeschoben und darin fixiert ist. Insbesondere bei den Längsschlitzen 24 im Kunststoff 25 können die Längsschlitze 24 mit Untermaß im Vergleich zur Einschubplatine 18 hergestellt sein, wodurch ein elastisches Verpressen der Einschubplatine 18 beim Einschieben in die Längsschlitze 24 des Kunststoffs 25 und dadurch eine zuverlässige Fixierung erfolgt.
Durch die Anordnung des Gleichrichters 6 bzw. dessen elektronischer Bauteile 16 nahe der Rotationsachse 17 verbleibt zwischen den elektronischen Bauteilen 16 und der Rotorwelle 4 bzw. dem Wellenstumpf 19 oder der Hülse 23 ein genügend großer Freiraum, der beispielsweise mit Luft gefüllt sein kann und dadurch eine elektrische Isolierung gewährleistet. Auch können hierdurch die auf den Gleichrichter 6 einwirkenden Fliehkräfte reduziert werden. Alternativ kann zwischen dem Gleichrichter 6 und der Hülse 23 oder dem Gleichrichter 6 und dem Wellenstumpf 19 oder zwischen dem Gleichrichter 6 und der Rotorwelle 4 ein thermisch leitfähiges und isolierendes Material angeordnet sein, welches eine Kühlung der elektronischen Bauteile 16 des Gleichrichters 6 ermöglicht und diesen dadurch in einem für den Betrieb optimalen Temperaturfenster hält.
Um die Kühlung des Gleichrichters 6 weiter verbessern zu können, können in der Rotorwelle 4 und/oder dem Wellenstumpf 19 Kühlkanäle 27 (vgl. insbesondere 3) vorgesehen sein. Durch diese Kühlkanäle 27 kann ein Kühlfluid, beispielsweise Wasser, Öl oder ein Wasser-Glykolgemisch geleitet werden und dadurch eine indirekte Kühlung des Gleichrichters 6 durch eine direkte Kühlung der Rotorwelle 4 bzw. des Wellenstumpfes 19 erreichen.
Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass der Gleichrichter 6 und insbesondere dessen elektronische Bauteile 16 direkt mit einem Kühlmittel beaufschlagt sind, wobei dieses in diesem Fall dielektrisch, das heißt elektrisch nichtleitend ausgeführt werden muss, um Kurzschlüsse auszuschließen. Eine derartige direkte Kühlung ist äußerst effektiv und kann beispielsweise in eine ohnehin bestehende Rotorkühlung mit eingebunden werden. In diesem Fall ist somit der Hohlraum 15 der Rotorwelle 4 bzw. der Innenraum 20 des Wellenstumpfes 19 oder ein Raum innerhalb der Hülse 23 direkt von Kühlmittel durchströmt.
Um eine elektrische Kontaktierung des Gleichrichters 6 mit einerseits den Rotorwicklungen 3 und andererseits dem Drehtransformator 8 zu erreichen, kann der Gleichrichter 6 längsendseitig angeordnete elektrische Kontakte 28 zur elektrischen Kontaktierung mit einem Kontaktierungsgegenstück 29 besitzen. Die in Axialrichtung 21 stirnendseitig angeordneten elektrischen Kontakte 28 ermöglichen dabei eine vergleichsweise einfache Montage bzw. elektrische Kontaktierung mit dem Kontaktierungsgegenstück 29 durch ein einfaches Einstecken bzw. Einschieben.
Die elektrischen Kontakte 28 können dabei beispielsweise als Kontaktpins, als Steckkontakte oder als Federkontakte ausgebildet sein, wobei es alle genannten Ausführungsformen erlauben, gewisse Maßtoleranzen auszugleichen, wodurch eine Montage deutlich vereinfacht wird.
Um eine zuverlässige und langandauernde elektrische Kontaktierung des Gleichrichters 6 mit dem Kontaktierungsgegenstück 29 und darüber sowohl mit dem Drehtransformator 8 als auch mit den Rotorwicklungen 3 gewährleisten zu können, können an dem Gleichrichter 6 bzw. an dessen Einschubplatine 18 Rastelemente 30 und an dem Kontaktierungsgegenstück 29 Gegenrastelemente 31 zur Verriegelung vorgesehen sein. Die Rastelemente 30 können dabei als Rasthaken oder als Hinterschnittkonturen ausgebildet sein, während die Gegenrastelemente 31 als komplementär dazu ausgebildete Hinterschnittkonturen bzw. Rasthaken ausgebildet sein können. Im vorliegenden Fall sind die Rastelemente 30 an der Einschubplatine 18 des Gleichrichters 6 als Hinterschnittkonturen und die Gegenrastelemente 31 an dem Kontaktierungsgegenstück 29 als Rasthaken ausgebildet, wie dies gemäß den 4 bis 6 dargestellt ist.
Darüber hinaus vorgesehen sein kann noch ein Endstück oder ein Deckel 32 (vgl. 3), der dem Kontaktierungsgegenstück 29 vorzugsweise gegenüberliegend angeordnet ist und den Gleichrichter 6 zwischen sich und dem Kontaktierungsgegenstück 29 einklemmt und dadurch zugleich auch eine elektrische Kontaktierung zwischen dem Gleichrichter 6 und dem Kontaktierungsgegenstück 29 fixiert. Das Endstück bzw. der Deckel 32 kann beispielsweise in den Innenraum 20 (vgl. 3) oder gegebenenfalls in die Hülse 23 bzw. den Hohlraum 15 der Rotorwelle 4 eingepresst werden. Eine mittels des erfindungsgemäßen Rotors 1 ausgestattete erfindungsgemäße und fremderregte Synchronmaschine 2 ermöglicht dabei eine hohe Leistung bei gleichzeitig kostengünstiger Konstruktion, wobei durch die Anordnung des Gleichrichters 6 zumindest bereichsweise innerhalb des Hohlraums 15 der Rotorwelle 4 neben Bauraumvorteilen auch eine Reduzierung der mechanischen Belastung und eine verbesserte Kühlung des Gleichrichters 6 bzw. dessen elektronischer Bauteile 16 und damit eine Leistungssteigerung der Synchronmaschine 2 erreicht werden können.
Die erfindungsgemäße Synchronmaschine 2 mit dem erfindungsgemäßen Rotor 1 kann als Traktionsmotor in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
Im Folgenden soll nun noch anhand der 10 eine schaltplanartige Darstellung einer möglichen elektronischen Verdrahtung eines in der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 2 eingesetzten elektrischen Drehtransformators 8 erläutert werden.
Der Drehtransformator 8 umfasst primärseitig einen Drehtransformator-Stator 10 mit einer Primärspule 12. Ferner umfasst der Drehtransformator 8 sekundärseitig einen relativ zum Drehtransformator-Stator 10 um die Rotationsachse 17 drehbar ausgebildeten und die Sekundärspule 7 aufweisenden Drehtransformator-Rotor 9. Die Sekundärspule 7 ist induktiv mit der Primärspule 12 gekoppelt. Für die elektrische Energieübertragung von der Primärspule 12 auf die Sekundärspule 7 ist es erforderlich, in der Primärspule 12 einen elektrischen Wechselstrom zu erzeugen.
Die hierzu benötigte elektrische Wechselspannung wird mit einer primärseitig angeordneten und elektrisch mit der Primärspule 12 verbundenen Transistorschaltung 34 erzeugt. Die Transistorschaltung 34 kann vier Leistungstransistoren 35a, 35b, 35c, 35d umfassen, welche über eine Steuerungseinrichtung 36 mit zwei integrierten Schaltkreisen 37a, 37b angesteuert werden. Bei elektrischer Bestromung der Primärspule 33 mit einer elektrischen Wechselspannung wird auch in der Sekundärspule 7 ein elektrischer Wechselstrom induziert. Die Sekundärspule 7 ist elektrisch mit einer elektrischen Gleichrichterschaltung 38 des Gleichrichters 6 verbunden, die im Beispiel vier als Gleichrichterelemente 39a, 39b, 39c, 39d ausgebildete elektronische Bauteile 16 umfasst und mittels welcher die induzierte elektrische Wechselspannung in eine elektrische Gleichspannung umgewandelt werden kann. Die vier Gleichrichterelemente 39a-39d können jeweils durch eine Gleichrichterdiode gebildet sein. Der auf diese Weise erzeugte elektrische Gleichstrom dient zur elektrischen Bestromung des Rotors 1 der elektrischen Synchronmaschine 2, der in 1 schematisch durch eine mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnete Induktivität und einen mit dem Bezugszeichen 33 bezeichneten ohmschen Widerstand angedeutet ist.
Alles in allem können mit dem erfindungsgemäßen Rotor 1 und der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 2 folgende Vorteile erzielt werden:

- 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'.
- Eine optimale Ausnutzung eines bislang nicht genutzten Bauraums 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 die Längsschlitze 24.
- Eine verbesserte Kühlmöglichkeit des Gleichrichters 6 verbunden mit einer hohen Leistungsfähigkeit der Synchronmaschine 2.

Claims

Rotor (1) für eine fremderregte Synchronmaschine (2), - mit auf einer zumindest einen Hohlraum (15) aufweisenden Rotorwelle (4) angeordneten Rotorwicklungen (3), - mit einem mit den Rotorwicklungen (3) elektrisch verbundenen Gleichrichter (6), dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (6) zumindest bereichsweise in dem Hohlraum (15) der Rotorwelle (4) angeordnet ist.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - ein zumindest bereichsweise hohler Wellenstumpf (19) mit einem Innenraum (20) vorgesehen ist, wobei der Gleichrichter (6) im Innenraum (20) des Wellenstumpfes (19) und der Wellenstumpf (19) zumindest teilweise im Hohlraum (15) der Rotorwelle (4) angeordnet, insbesondere in diesen eingepresst, sind, oder - eine Hülse (23) vorgesehen ist, wobei der Gleichrichter (6) in der Hülse (23) und die Hülse (23) zumindest teilweise im Hohlraum (15) der Rotorwelle (4) angeordnet, insbesondere in diesen eingepresst, sind.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (6) als Einschubplatine (18) mit einseitig oder beidseitig angeordneten Dioden ausgebildet ist.
Rotor nach Anspruch 1, 2 und 3 oder nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass - in einer Wandung des Hohlraums (15), des Innenraums (20) oder der Hülse (23) in Axialrichtung (21) verlaufende Längsschlitze (24) vorgesehen sind, in welche die Einschubplatine (18) eingeschoben und fixiert ist, oder - in einer Wandung des Hohlraums (15) oder des Innenraums (20) in Axialrichtung (21) verlaufende und mit Kunststoff (25) ausgespritzte Längsöffnungen (26) vorgesehen sind, wobei in dem Kunststoff (25) in Axialrichtung (21) verlaufende Längsschlitze (24) vorgesehen sind, in welche die Einschubplatine (18) eingeschoben und fixiert ist.
Rotor nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (6) längsendseitig angeordnete elektrische Kontakte (28) zur Kontaktierung mit einem Kontaktierungsgegenstück (29) aufweist.
Rotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass - die elektrischen Kontakte (28) als Kontaktpins, als Steckkontakte oder als Federkontakte ausgebildet sind, und/oder - an dem Gleichrichter (6) Rastelemente (30) und an dem Kontaktierungsgegenstück (29) Gegenrastelemente (31) zur Verriegelung vorgesehen sind, oder umgekehrt.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Endstück oder ein Deckel (32) vorgesehen ist, der den Gleichrichter (6) fixiert.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gleichrichter (6) und der Rotorwelle (4) ein thermisch leitfähiges und elektrisch isolierendes Material angeordnet ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rotorwelle (4) oder dem Wellenstumpf (19) Kühlkanäle (27) für ein Kühlmittel vorgesehen sind.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (6) direkt mit einem Fluid als Kühlmittel, insbesondere einemdielektrischen Kühlmittel, beaufschlagt ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (6) benachbart zu einer Rotationsachse (17) der Rotorwelle (4) angeordnet ist.
Fremderregte Synchronmaschine (2), mit einem elektrisch bestrombaren Rotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit einem Drehtransformator-Rotor (9) eines Drehtransformators (8) mit einer Sekundärspule (7) und einem Drehtransformator-Stator (10).
Fremderregte Synchronmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehtransformator-Stator (10) eine Primärspule (12) und einen Transformatorkern aus einem magnetischen Kernmaterial, vorzugsweise aus einem Ferrit, aufweist.
Verwendung einer Synchronmaschine (2) nach Anspruch 12 oder 13 als Traktionsmotor in einem Kraftfahrzeug.