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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Drehtransformator zur induktiven Energieübertragung sowie eine fremderregte elektrische Synchronmaschine mit einem solchen Drehtransformator.
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Sogenannte fremderregte elektrische Synchronmaschinen benötigen in ihrem Drehtransformator-Rotor eine elektrische Gleichspannung zur Erzeugung des magnetischen Rotorfeldes. Dieser Vorgang wird als „Rotorerregung“ bezeichnet. Die elektrische Energieübertragung auf den sich drehenden Drehtransformator-Rotor erfolgt induktiv, also drahtlos. Ein solcher Aufbau wird als Teil einer fremderregten Synchronmaschine auch als „Drehtransformator“ oder „rotierender Planartransformator“ bezeichnet.
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Das Funktionsprinzip besagter induktiver Energieübertragung basiert auf einem elektrischen Transformator, wobei die Primärwicklung bzw. Primärspule des Transformators am Drehtransformator-Stator des Drehtransformators bzw. der Synchronmaschine angeordnet ist und die Sekundärwicklung bzw. Sekundärspule am sich drehenden Drehtransformator-Rotor. Die Sekundärspule kann dabei auf einer Leiterplatte des drehbaren Drehtransformator-Rotors angeordnet sein.
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Als problematisch erweist sich oftmals eine nicht unerhebliche Wärmeentwicklung durch die auf der Leiterplatte angeordnete Sekundärspule sowie die Abführung dieser Wärme aus dem Drehtransformator.
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Vor diesem Hintergrund behandelt die
DE 10 2014 202 719 A1 einen Drehtransformator mit einem Stator und mit einem Rotor sowie mit einer Leiterplatte als Teil des Rotors. Am Außenumfang der Leiterplatte sind Vertiefungen zur Aufnahme von Gewindeschrauben vorgesehen, die eine Oberflächenstruktur zum Erzeugen einer Luftströmung bilden, mittels welcher die Leiterplatte gekühlt werden kann.
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In ähnlicher Weise aufgebaute Drehtransformatoren sind in der
JP H05 - 326 280 A und in der
US 4,517,615 A beschrieben.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für einen Drehtransformator zu schaffen, in welcher dieses Problem adressiert ist. Insbesondere soll sich die verbesserte Ausführungsform durch eine verbesserte Abführung von Abwärme auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, am Außenumfang einer drehbaren Leiterplatte des Drehtransformator-Rotors eine Oberflächenstruktur, etwa in Form einer Perforation, vorzusehen. Eine solche Oberflächenstruktur erzeugt bei sich drehender Leiterplatte einen Luftstrom. Die diesen Luftstrom bildende Luft kann als Kühlmedium bzw. Kühlluft fungieren, welches/welche Abwärme, die von den auf der Leiterplatte angeordneten elektrischen Komponenten, insbesondere von der auf der Leiterplatte angeordneten Sekundärwicklung, im Betrieb erzeugt wird, aufnimmt und von der Leiterplatte weg befördert. Auf diese Weise wird eine verbesserte Kühlung der Leiterplatte erreicht.
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Anstelle von Luft kann auch ein anderes Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, verwendet werden, welche vorteilhaft dielektrisch ist. Insbesondere kann es sich bei einer solchen dielektrischen Flüssigkeit um ein dielektrisches Öl handeln.
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Ein erfindungsgemäßer elektrischer Drehtransformator dient zur induktiven Energieübertragung, insbesondere für einen Traktionsmotor eines Fahrzeugs. Hierzu umfasst der Drehtransformator einen Drehtransformator-Stator, der wiederum eine Primärspule aufweist. Ferner umfasst der Drehtransformator eine relativ zum Drehtransformator-Stator um eine Drehachse drehbar ausgebildeten Drehtransformator-Rotor. Der Drehtransformator-Rotor weist eine Sekundärspule auf, welche induktiv mit der Primärspule koppelbar oder gekoppelt ist. Zur Ausbildung der Sekundärspule umfasst der Drehtransformator-Rotor eine Leiterplatte, auf welcher die Sekundärspule, vorzugsweise in Form wenigstens einer Leiterbahn, ausgebildet ist. Mit „auf der Leiterplatte angeordnet“ ist im gesamten Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung gemeint, dass die die Sekundärspule bildende wenigstens eine Leiterbahn - insbesondere sichtbar - auf der Oberfläche der Leiterplatte angeordnet ist oder - insbesondere unsichtbar - vom Material der Leiterplatte umgeben ist. Auch eine Kombination beider Varianten, wie sie insbesondere bei mehrlagigen Leiterplatten eingesetzt werden kann, ist durch voranstehende Formulierung umfasst.
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Erfindungsgemäß weist eine Außenumfangsseite der Leiterplatte, bevorzugt in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse oder/und in einer Draufsicht auf die Leiterplatte entlang der axialen Richtung, eine wenigstens Oberflächenstruktur zum Erzeugen einer Luftströmung bei sich drehender Leiterplatte auf. Es können aber auch zwei oder mehr solche Oberflächenstrukturen vorgesehen sein, die bevorzugt entlang der Umfangsrichtung der Leiterplatte im Abstand zueinander auf der Außenumfangsseite der Leiterplatte angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß ist am Drehtransformator-Stator ein Transformatorkern aus einem Kernmaterial, vorzugsweise aus Ferrit, angeordnet. Bei dieser Ausbildung umgibt der Transformatorkern einen Spulen-Aufnahmeraum, in welchem die Primärspule und die Leiterplatte mit der Sekundärspule angeordnet sind. Im Transformatorkern ist wenigstens ein Durchbruch ausgebildet, welcher den Spulen-Aufnahmeraum mit einer äußeren Umgebung des Transformatorkerns verbindet. Somit kann der mittels der Perforation erzeugte Luftstrom durch besagten Durchbruch zumindest teilweise unmittelbar in die äußere Umgebung des Transformatorkerns und somit aus dem Drehtransformator abgeführt werden. Dadurch wird eine deutlich verbesserte Kühleffizienz erreicht.
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Besonders bevorzugt kann die wenigstens eine Oberflächenstruktur durch eine Mehrzahl von radialen Erhebungen oder/und Vertiefungen gebildet sein, die sich bevorzugt entlang der Umfangsrichtung abwechseln. Mit „Mehrzahl von Erhebungen oder/und Vertiefungen“ sind vorliegend wenigstens zwei Erhebungen bzw. Vertiefungen gemeint. Eine derart ausgebildete Oberflächenstruktur ist technisch besonders einfach herzustellen und somit auch kostengünstig in der Herstellung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform läuft die Oberflächenstruktur entlang einer Umfangsrichtung der Leiterplatte zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig, um die Drehachse um. Auf diese Weise wird eine vorteilsbehaftete gleichmäßige Luftstrom-Erzeugung bei rotierender Leiterplatte erreicht.
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Besonders zweckmäßig kann die wenigstens eine Oberflächenstruktur durch eine Perforation gebildet sein. Auch eine derart ausgebildete Oberflächenstruktur ist technisch besonders einfach herzustellen und somit auch kostengünstig in der Herstellung.
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Besonders bevorzugt kann die Oberflächenstruktur drehsymmetrisch um die Drehachse ausgebildet sein. Auf diese Weise werden unerwünschte Unwuchten in der Leiterplatte verhindert.
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Zweckmäßig kann der Transformatorkern im Querschnitt senkrecht zur Drehachse ringförmig ausgebildet und koaxial zur Drehachse angeordnet sein und außerdem am Innenumfang eine Durchführung aufweisen, durch welche die Leiterplatte in den Spulen-Aufnahmeraum durchgeführt ist. Auf diese Weise werden sowohl die Primärspule als auch die Leiterplatte mit der Sekundärspule auf vorteilhafte Weise nahezu vollständig vom Transformatorkern umgeben.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der wenigstens eine Durchbruch in einem Außenumfangs-Kernabschnitt des Transformatorkerns angeordnet. Dieser Außenumfangs-Kernschnitt des Transformatorkerns erstreckt sich entlang einer Umfangsrichtung des Drehtransformators und begrenzt den Spulen-Aufnahmeraum radial außen. Somit wird sichergestellt, dass die Wärme aufnehmende Luftströmung nach außen, vom Drehtransformator weg abgeführt wird.
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Zweckmäßig kann wenigstens eine Durchbruch, vorzugsweise in dem Außenumfangs-Kernabschnitt, axial auf Höhe der Leiterplatte angeordnet sein. Auf diese Weise kann der von der Perforation erzeugte Luftstrom in unmittelbarer Nähe von der Perforation in den Durchbruch eintreten.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der wenigstens eine Durchbruch schlitzartig ausgebildet und erstreckt sich besonders bevorzugt in radialer Richtung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können wenigstens zwei, vorzugsweise mehrere, solche Durchbrüche vorhanden sein, die entlang der Umfangsrichtung oder/und in axialer Richtung im Abstand zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Abführung des Luftstroms in die äußere Umgebung gegenüber einer Ausführungsform mit nur einem solchen Durchbruch stark erhöht werden. Besonders bevorzugt kann wenigstens ein Durchbruch in einer virtuellen radialen Verlängerung der Leiterplatte angeordnet sein. Bevorzugt kann dies für zwei oder mehrere oder sogar für alle Durchbrüche gelten.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Leiterplatte in einer Draufsicht entlang der Drehachse eine ringförmige Geometrie auf. Alternativ oder zusätzlich weist die wenigstens eine auf der Leiterplatte angeordnete Leiterbahn zur Ausbildung der Sekundärspule in der Draufsicht entlang der Drehachse eine spiralförmige Geometrie auf. Diese beiden Varianten benötigen - für sich genommen oder in Kombination axialer Richtung besonders wenig Bauraum. Somit sind vorteilhafte Ausführungsformen realisierbar, bei welchen auch bei geringem axialem Bauraumbedarf eine wirksame Abführung von Abwärme von der Leiterplatte erreicht wird.
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Die Erfindung betrifft ferner eine fremderregte elektrische Synchronmaschine, insbesondere einen Traktionsmotor für ein Fahrzeug. Die Synchronmaschine umfasst einen elektrisch bestrombaren Synchronmaschinen-Stator zum Erzeugen eines magnetischen Stator-Feldes. Diese Maschine umfasst ferner einen elektrisch bestrombaren und gegenüber dem Synchronmaschinen-Stator drehbaren Synchronmaschinen-Rotor zum Erzeugen eines magnetischen Rotors-Feldes, der eine Synchronmaschinen-Rotorwelle aufweist. Die Synchronmaschine umfasst außerdem einen voranstehend vorgestellten, erfindungsgemäßen Drehtransformator, welcher drehfest mit der Synchronmaschinen-Rotorwelle verbunden ist. Die voranstehend vorgestellten Vorteile des erfindungsgemäßen Drehtransformators übertragen sich daher auch auf die erfindungsgemäße fremderregte elektrische Synchronmaschine.
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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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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.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Drehtransformators 1 in einem Längsschnitt entlang der Drehachse des drehbaren Drehtransformator-Rotors,
- 2 eine Draufsicht in einer (Blick-)Richtung entlang der Drehachse auf die einen Teil des Drehtransformator-Rotors bildende Leiterplatte.
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1 illustriert ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Drehtransformators 1 in einem Längsschnitt. Der Drehtransformator 1 dient zur induktiven Energieübertragung, insbesondere in einem Traktionsmotor eines Fahrzeugs. Der Drehtransformator 1 umfasst einen Drehtransformator-Stator 20 mit einer Primärspule 21. Der Drehtransformator 1 umfasst ferner einen relativ zum Drehtransformator-Stator 20 um eine Drehachse D drehbar ausgebildeten und eine Sekundärspule 4 aufweisenden Drehtransformator-Rotor 2. Dabei ist die Sekundärspule 4 induktiv mit der Primärspule 21 koppelbar oder gekoppelt.
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1 zeigt einen Längsschnitt entlang der Drehachse D. Der Drehtransformator-Rotor 2 umfasst eine drehbare Rotorwelle 10, deren Mittellängsachse M sich entlang der Drehachse D erstreckt. Eine axiale Richtung A erstreckt sich ebenfalls entlang der Drehachse D. Eine radiale Richtung R erstreckt sich senkrecht zur axialen Richtung A von der Mittellängsachse M bzw. Drehachse D weg. Eine Umfangsrichtung U läuft senkrecht sowohl zur axialen Richtung A als auch zur radialen Richtung R um die Mittellängsachse M bzw. um die Drehachse D um.
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Wie 1 veranschaulicht, umfasst der Drehtransformator-Rotor 2 eine Leiterplatte 3, die drehfest mit der Rotorwelle 10 verbunden ist. Auf einer der Primärspule 21 zugewandten Unterseite 11 der Leiterplatte 3 ist die Sekundärspule 4 in Form einer Leiterbahn 9 ausgebildet. Mit „auf der Leiterplatte“ ist im gesamten Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung gemeint, dass die die Sekundärspule bildende Leiterbahn - insbesondere sichtbar - auf der Oberfläche der Leiterplatte angeordnet ist oder - insbesondere unsichtbar - vom Material der Leiterplatte umgeben ist. Auch eine Kombination beider Varianten, wie sie insbesondere bei mehrlagigen Leiterplatten eingesetzt werden kann, ist durch voranstehende Formulierung umfasst.
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Am Drehtransformator-Stator 20 ist gemäß 1 ein Transformatorkern 22 aus einem Kernmaterial, beispielsweise aus Ferrit, vorgesehen. Der Transformatorkern 22 umgibt einen Spulen-Aufnahmeraum 23, in welchem die Primärspule 21 und die Leiterplatte 3 mit der Sekundärspule 4 angeordnet sind.
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In einer in der 2 gezeigten Draufsicht auf die Leiterplatte 3 in einer Blickrichtung entlang der Drehachse D kann die Leiterplatte 3 eine ringförmige Geometrie aufweisen und eine Durchgangsöffnung 12 einfassen, welche die Rotorwelle 10 durchgreift (in 2 nicht gezeigt, vgl. 1). Die auf der Leiterplatte 3 angeordnete Leiterbahn 9 besitzt in dieser Draufsicht eine spiralförmige Geometrie. Dabei läuft die Leiterbahn 9 spiralförmig um die Durchgangsöffnung 12 um.
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In der gezeigten Draufsicht auf die Leiterplatte 3 weist eine Außenumfangsseite 8 der Leiterplatte 3 eine durch eine Perforation 5 gebildete Oberflächenstruktur auf. Die Perforation 5 dient dazu, bei rotierender Leiterplatte 3 im Spulen-Aufnahmeraum 23 (vgl. 1), insbesondere in den Zwischenräumen zwischen dem Transformatorkern 22 und der Leiterplatte 3, eine Luftströmung L mit Luftwirbeln zu erzeugen, mittels welcher die Leiterplatte 3 und somit der Drehtransformator 1 gekühlt werden kann. Zum Erzeugen einer solchen Luftströmung L läuft die Perforation 5 entlang der Umfangsrichtung U vollständig um die Drehachse D um.
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Anstelle von Luft kann auch ein anderes Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit verwendet werden, welche vorteilhaft dielektrisch ist. Insbesondere handelt es sich bei einer solchen dielektrischen Flüssigkeit um ein dielektrisches Öl. In diesem Fall wird also eine Fluidströmung, insbesondere eine Flüssigkeitsströmung, erzeugt.
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Die Perforation 5 kann drehsymmetrisch bzgl. einer Drehung um die Drehachse D ausgebildet sein. Die Perforation 5 ist durch eine Mehrzahl von radialen Erhebungen 6 und Vertiefungen 7 gebildet, die sich entlang der Umfangsrichtung U abwechseln.
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Im Folgenden wird wieder auf die 1 Bezug genommen. Der Transformatorkern 22 kann im Querschnitt senkrecht zur Drehachse D ringförmig ausgebildet und koaxial zur Drehachse D angeordnet sein. Außerdem kann der Transformatorkern 22 an seinem Innenumfang 26 eine Durchführung 27 aufweisen, durch welchen die Leiterplatte 3 in den Spulen-Aufnahmeraum 23 hinein durchgeführt ist. Derjenige radial äußere Bereich 13 der Leiterplatte 3, auf welchem die Sekundärspule 4 vorgesehen ist, ist vollständig in dem Spulen-Aufnahmeraum 23 angeordnet. Die zwischen der Leiterplatte 3 und dem Transformatorkern 22 gebildeten Zwischenräume 30 bilden einen Luftpfad 31 zum Durchströmen mit Luft aus.
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In 1 sind zwei jeweils im Transformatorkern 22 ausgebildete Durchbrüche 24 erkennbar. Jeder Durchbruch 24 verbindet den Spulen-Aufnahmeraum 23 mit einer äußeren Umgebung 25 des Transformatorkerns 22. Über den jeweiligen Durchbruch 24 kann die mittels der Perforation 5 erzeugte Luftströmung L aus dem Luftpfad 31 teilweise in die äußere Umgebung 25 ausgeleitet werden.
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Im Beispiel der 1 sind die Durchbrüche 24 in einem Außenumfangs-Kernabschnitt 28 des Transformatorkerns 22 angeordnet. Dieser Außenumfangs-Kernabschnitt 28 erstreckt sich entlang der Umfangsrichtung U und begrenzt den Spulen-Aufnahmeraum 23 radial außen. Der Außenumfangs-Kernabschnitt 28 kann in dem gezeigten Längsschnitt axial zwischen zwei sich jeweils in radialer Richtung R erstreckenden und axial gegenüberliegenden axialen Kern-Endabschnitten 29a, 29b des Transformatorkerns 22 angeordnet sein. In dem in 1 gezeigten Längsschnitt sind die Durchbrüche 24 bezüglich der axialen Richtung A auf Höhe der Leiterplatte 3 in dem Außenumfangs-Kernabschnitt 28 angeordnet. Besonders bevorzugt können die Durchbrüche 24 in einer virtuellen radialen Verlängerung der Leiterplatte 3 in dem Außenumfangs-Kernabschnitt 28 angeordnet sein. Die Durchbrüche 24 können jeweils schlitzartig ausgebildet sein und sich in radialer Richtung R erstrecken. Im Transformatorkern 22 können mehrere solche Durchbrüche 24 (in der Schnittdarstellung der 1 nicht erkennbar) vorhanden sein, die entlang der Umfangsrichtung U und auch axial im Abstand zueinander angeordnet sind.
