DE102021212003A1

DE102021212003A1 - Machine rotor for a separately excited electrical synchronous machine

Info

Publication number: DE102021212003A1
Application number: DE102021212003.2A
Authority: DE
Inventors: Gustavo Esteves Albieri; Thorsten Grelle; Michael Rehermann; Christoph Schmülling
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

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Maschinen-Rotor (101) für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine (100), welcher einen Träger (18) und eine Maschinen-Rotorspule (103) aufweist.
Eine verbesserte Effizienz und eine erhöhte mechanische Stabilität des Maschinen-Rotors (101) werden dadurch erreicht, dass der Träger (18) zumindest eine axial offene Aufnahme (19) aufweist, in welche ein zugehöriges Spulensegment (20) der Maschinen-Rotorspule (103) axial gesteckt ist, wobei das Spulensegment (20) eine Wicklung (21) aufweist und die Aufnahme (19) füllt.
Die Erfindung betrifft zudem eine fremderregte elektrische Synchronmaschine (100) mit einem solchen Maschinen-Rotor (101) sowie ein Kraftfahrzeug (200) mit einer solchen fremderregten elektrischen Synchronmaschine (100).

The present invention relates to a machine rotor (101) for a separately excited electrical synchronous machine (100), which has a carrier (18) and a machine rotor coil (103).
Improved efficiency and increased mechanical stability of the machine rotor (101) are achieved in that the carrier (18) has at least one axially open receptacle (19) into which an associated coil segment (20) of the machine rotor coil (103) is inserted axially, the coil segment (20) having a winding (21) and filling the receptacle (19).
The invention also relates to an externally excited electrical synchronous machine (100) with such a machine rotor (101) and a motor vehicle (200) with such an externally excited electrical synchronous machine (100).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Maschinen-Rotor für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine. Die Erfindung betrifft zudem eine fremderregte elektrische Synchronmaschine mit einem solchen Maschinen-Rotor und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen fremderregten elektrischen Synchronmaschine.The present invention relates to a machine rotor for a separately excited electrical synchronous machine. The invention also relates to an externally excited electrical synchronous machine with such a machine rotor and a motor vehicle with such an externally excited electrical synchronous machine.

Eine fremderregte elektrische Synchronmaschine weist einen ortsfesten Stator sowie einen im Betrieb relativ zum Stator um eine Rotationsachse rotierenden Rotor auf, welche nachfolgend auch als Maschinen-Stator und Maschinen-Rotor bezeichnet werden. Dabei wirken ein magnetisches Rotorfeld des Maschinen-Rotors und ein magnetisches Statorfeld des Maschinen-Stators zusammen. Das benötigte Rotorfeld des Maschinen-Rotors wird mit einer Spule des Maschinen-Rotors erzeugt, welche nachfolgend auch als Maschinen-Rotorspule bezeichnet wird.A separately excited electrical synchronous machine has a stationary stator and a rotor which rotates about an axis of rotation relative to the stator during operation and which are also referred to below as machine stator and machine rotor. A magnetic rotor field of the machine rotor and a magnetic stator field of the machine stator interact. The required rotor field of the machine rotor is generated with a coil of the machine rotor, which is also referred to below as the machine rotor coil.

Eine derartige fremderregte elektrische Synchronmaschine ist beispielsweise aus der EP 2 869 316 B1 bekannt.Such a separately excited electrical synchronous machine is, for example, from EP 2 869 316 B1 known.

Der Maschinen-Rotor weist üblicherweise einen Träger auf, welcher mit der Maschinen-Rotorspule versehen ist. Die Maschinen-Rotorspule ist gewöhnlich als eine Nadelwicklung, auch als „Needle winding“ bekannt, am Träger angebracht. Der Träger weist zu diesem Zweck in der Regel axial offene Aufnahmen auf, in denen mithilfe einer zugehörigen Maschine zur Nadelwicklung Wicklungen zum Ausbilden der Maschinen-Rotorspule gewickelt werden. Daraus resultiert, dass die Aufnahmen zumindest teilweise frei bleiben, um der Maschine einen Zugang in die Aufnahmen zu erlauben.The machine rotor usually has a carrier which is provided with the machine rotor coil. The machine rotor coil is usually attached to the support as a needle winding, also known as a needle winding. For this purpose, the carrier generally has axially open receptacles, in which windings for forming the machine rotor coil are wound with the aid of an associated needle winding machine. As a result, the recordings remain at least partially free to allow the machine access to the recordings.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, für einen Maschinen-Rotor der eingangs genannten Art, für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine mit einem solchen Maschinen-Rotor sowie der eingangs genannten Art sowie für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Synchronmaschine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform anzugeben. Insbesondere beschäftigt sich die vorliegende Erfindung mit der Aufgabe, für den Maschinen-Rotor, für die fremderregte elektrische Synchronmaschine und für das Kraftfahrzeug Ausführungsformen anzugeben, welche sich durch eine verbesserte Effizienz und/oder erhöhte mechanische Stabilität auszeichnen.The present invention is concerned with the task of specifying an improved or at least different embodiment for a machine rotor of the type mentioned at the outset, for an externally excited electrical synchronous machine with such a machine rotor and for a motor vehicle with such a synchronous machine. In particular, the present invention is concerned with the task of specifying embodiments for the machine rotor, for the separately excited electrical synchronous machine and for the motor vehicle which are characterized by improved efficiency and/or increased mechanical stability.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.According to the invention, this object is achieved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht demnach auf dem allgemeinen Gedanken, eine Rotorspule eines Maschinen-Rotors für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine segmentiert auszubilden und die Segmente jeweils mit einer Wicklung auszubilden und axial in einer zugehörigen Aufnahme eines Trägers des Maschinen-Rotors zu stecken. Das jeweilige Segment, nachfolgend auch als Spulensegmente bezeichnet, wird also mit der Wicklung vorgefertigt und anschließend axial in die zugehörige Aufnahme des Trägers gesteckt. Dabei füllt das jeweilige Spulensegment die zugehörige Aufnahme. Auf diese Weise kommt es neben einer vereinfachten Herstellung des Maschinen-Rotors zu einem erhöhten Füllgrad des Trägers mit den Wicklungen. Der erhöhte Füllgrad führt zu einer erhöhten Effizienz der Rotorspule und folglich der zugehörigen Synchronmaschine. Darüber hinaus entfallen somit leere Räume in den Aufnahmen, insbesondere in Umfangsrichtung und/oder radial. Daraus resultiert eine erhöhte mechanische Stabilität des Maschinen-Rotors.The present invention is therefore based on the general idea of designing a rotor coil of a machine rotor for a separately excited electrical synchronous machine in segments and designing the segments each with a winding and plugging them axially into an associated receptacle of a carrier of the machine rotor. The respective segment, also referred to below as coil segments, is therefore prefabricated with the winding and then inserted axially into the associated receptacle of the carrier. The respective coil segment fills the associated receptacle. In this way, in addition to simplified production of the machine rotor, there is an increased degree of filling of the carrier with the windings. The increased degree of filling leads to increased efficiency of the rotor coil and consequently of the associated synchronous machine. Furthermore, there are no empty spaces in the receptacles, particularly in the circumferential direction and/or radially. This results in increased mechanical stability of the machine rotor.

Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist der Maschinen-Rotor den Träger und die Rotorspule auf. Die Rotorspule wird nachfolgend auch als Maschinen-Rotorspule bezeichnet. Der Träger erstreckt sich axial und rotiert im Betrieb um eine axiale Rotationsachse. Der Träger weist zumindest eine axial offene Aufnahme auf. Die Maschinen-Rotorspule weist für die jeweilige Aufnahme ein zugehöriges Spulensegment mit einer Wicklung auf, welches axial in die zugehörige Aufnahme gesteckt ist und die zugehörige Aufnahme radial und in Umfangsrichtung füllt.According to the idea of the invention, the machine rotor has the carrier and the rotor coil. The rotor coil is also referred to below as the machine rotor coil. The carrier extends axially and, in use, rotates about an axial axis of rotation. The carrier has at least one axially open receptacle. For the respective receptacle, the machine rotor coil has an associated coil segment with a winding, which is inserted axially into the associated receptacle and fills the associated receptacle radially and in the circumferential direction.

Die vorliegend angegebenen Richtungen beziehen sind auf die Rotationsachse. Dementsprechend verläuft „axial“ parallel zur Rotationsachse. Zudem verläuft „radial“ quer zur Rotationsachse. Ferner verläuft die Umfangsrichtung die Rotationsachse umgebend.The directions given here relate to the axis of rotation. Accordingly, "axial" runs parallel to the axis of rotation. In addition, "radial" runs transversely to the axis of rotation. Furthermore, the circumferential direction runs around the axis of rotation.

Zweckmäßig ist das jeweilige Spulensegment mit der Wicklung vorgefertigt und anschließend axial in die zugehörige Aufnahme gesteckt.The respective coil segment is expediently prefabricated with the winding and then inserted axially into the associated receptacle.

Die jeweilige Wicklung kann eine Wicklung beliebiger Art sein. Insbesondere kann zumindest eine der wenigstens einen Wicklungen eine einlagige Wicklung sein.The respective winding can be a winding of any type. In particular, at least one of the at least one winding can be a single-layer winding.

Die jeweilige, Wicklung kann aus einem beliebigen Material/Werkstoff hergestellt sein.The respective winding can be made of any desired material/material.

Vorteilhaft ist die jeweilige Wicklung aus Kupfer hergestellt. Mit der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich somit ein erhöhter Füllgrad des Trägers und somit des Maschinen-Rotors mit Kupfer.The respective winding is advantageously made of copper. The solution according to the invention thus results in an increased degree of filling of the carrier and thus of the machine rotor with copper.

Prinzipiell kann wenigstens eine der Aufnahmen des Trägers radial wenigstens einseitig offen sein.In principle, at least one of the receptacles of the carrier can be open radially at least on one side.

Bei bevorzugten Ausführungsformen ist zumindest eine der wenigstens einen Aufnahmen, bevorzugt die jeweilige Aufnahme, radial beidseitig geschlossen. In preferred embodiments, at least one of the at least one receptacle, preferably the respective receptacle, is closed radially on both sides.

Bevorzugt begrenzt also der Träger die Aufnahme radial beidseitig. Somit kommt es zu einer erhöhten mechanischen Stabilität des Maschinen-Rotors.The carrier therefore preferably delimits the receptacle radially on both sides. This results in increased mechanical stability of the machine rotor.

Grundsätzlich kann zumindest eine der wenigstens einen Aufnahmen in Umfangsrichtung zumindest einseitig offen sein.In principle, at least one of the at least one receptacles can be open on at least one side in the circumferential direction.

Bei vorteilhaften Ausführungsformen ist zumindest eine der wenigstens einen Aufnahmen, bevorzugt die jeweilige Aufnahme, in Umfangsrichtung beidseitig geschlossen. Der Träger begrenzt also die Aufnahme in Umfangsrichtung beidseitig. Dies führt zu einer erhöhten mechanischen Stabilität des Maschinen-Rotors.In advantageous embodiments, at least one of the at least one receptacle, preferably the respective receptacle, is closed on both sides in the circumferential direction. The carrier thus limits the recording in the circumferential direction on both sides. This leads to increased mechanical stability of the machine rotor.

Der Träger weist vorteilhaft zumindest zwei solche, in Umfangsrichtung zueinander äquidistant beabstandete Aufnahmen auf. Dabei ist in der jeweiligen Aufnahme bevorzugt ein zugehöriges solches Spulensegment axial gesteckt.The carrier advantageously has at least two such receptacles which are equidistant from one another in the circumferential direction. In this case, an associated coil segment of this type is preferably inserted axially in the respective receptacle.

Bei bevorzugten Ausführungsformen bildet das jeweilige Spulensegment zwei Pole der Maschinen-Rotorspule. Dies führt zu einer vereinfachten Herstellung des Maschinen-Rotors.In preferred embodiments, the respective coil segment forms two poles of the machine rotor coil. This leads to a simplified manufacture of the machine rotor.

Zumindest eines der wenigstens einen Spulensegmente kann prinzipiell aus der Wicklung bestehen.In principle, at least one of the at least one coil segments can consist of the winding.

Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen zumindest eines der wenigstens einen Spulensegmente, vorteilhaft das jeweilige Spulensegment, einen Kern aufweist, um welchen die Wicklung gewickelt ist. Bei dem Kern handelt es sich vorteilhaft um ein ferromagnetisches Material, bevorzugt um einen Eisenkern. Somit wird die Effizienz des jeweiligen Spulensegments gesteigert. Embodiments are preferred in which at least one of the at least one coil segments, advantageously the respective coil segment, has a core around which the winding is wound. The core is advantageously a ferromagnetic material, preferably an iron core. This increases the efficiency of the respective coil segment.

Insbesondere besteht zumindest eines der wenigstens einen Spulensegmente, vorteilhaft das jeweilige Spulensegment, aus dem Kern und der Wicklung.In particular, at least one of the at least one coil segments, advantageously the respective coil segment, consists of the core and the winding.

Der Träger kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein, sofern er im Betrieb die Spulensegmente trägt.In principle, the carrier can have any desired configuration, provided that it carries the coil segments during operation.

Bevorzugt ist der Träger als ein Blechpaket ausgebildet. Somit wird im Betrieb der Maschinen-Rotorspule die Entstehung von Wirbelströmen vermieden oder zumindest reduziert. Daraus resultiert eine erhöhte Effizienz der Maschinen-Rotorspule.The carrier is preferably designed as a laminated core. The formation of eddy currents is thus avoided or at least reduced during operation of the machine rotor coil. This results in increased efficiency of the machine rotor coil.

Prinzipiell kann der Träger einer Rotorwelle des Maschinen-Rotors entsprechen oder die Rotorwelle zumindest abschnittsweise bilden.In principle, the carrier can correspond to a rotor shaft of the machine rotor or form the rotor shaft at least in sections.

Der Träger weist vorteilhaft eine zentrale und axial verlaufende Öffnung auf, welche nachfolgend auch als Durchgang bezeichnet wird. Dabei ist die Rotorwelle des Maschinen-Rotors durch den Durchgang geführt und drehfest mit dem Träger verbunden. Die Spulensegmente sind somit auf der radial äußeren Seite des Maschinen-Rotors angeordnet.The carrier advantageously has a central and axially running opening, which is also referred to below as a passage. The rotor shaft of the machine rotor is guided through the passage and connected to the carrier in a torque-proof manner. The coil segments are thus arranged on the radially outer side of the machine rotor.

Der Maschinen-Rotor kommt zweckmäßig in einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine zum Einsatz.The machine rotor is used in an externally excited electrical synchronous machine.

Die fremderregte elektrische Synchronmaschine, nachfolgend auch kurz als Synchronmaschine bezeichnet, weist den Maschinen-Rotor sowie einen Stator auf, welcher nachfolgend auch als Maschinen-Stator bezeichnet wird. Der Maschinen-Rotor ist dabei um die Rotationsachse relativ zum Maschinen-Stator rotierbar. Der Maschinen-Stator weist eine zum Maschinen-Stator feste Spule auf, welche nachfolgend auch als Maschinen-Statorspule bezeichnet wird. Die Maschinen-Rotorspule erzeugt im Betrieb bei Versorgung mit einer Gleichspannung ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Rotorfeld bezeichnet wird. Die Maschinen-Statorspule erzeugt im Betrieb ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Statorfeld bezeichnet wird. Im Betrieb der Synchronmaschine wirkt das Statorfeld mit dem Rotorfeld derart zusammen, dass der Maschinen-Rotor um die axiale Rotationsachse rotiert.The externally excited electrical synchronous machine, also referred to below as synchronous machine for short, has the machine rotor and a stator, which is also referred to below as machine stator. The machine rotor can be rotated about the axis of rotation relative to the machine stator. The machine stator has a coil fixed to the machine stator, which is also referred to below as the machine stator coil. During operation, the machine rotor coil generates a magnetic field when supplied with a DC voltage, which is also referred to below as the rotor field. During operation, the machine stator coil generates a magnetic field, which is also referred to below as the stator field. During operation of the synchronous machine, the stator field interacts with the rotor field in such a way that the machine rotor rotates about the axial axis of rotation.

Die elektrische Versorgung der Maschinen-Rotorspule kann auf beliebige Weise erfolgen.The machine rotor coil can be supplied with electricity in any way.

Zum elektrischen Versorgen der Maschinen-Rotorspule kann die Synchronmaschine einen Schleifring und dergleichen aufweisen.The synchronous machine can have a slip ring and the like for the electrical supply of the machine rotor coil.

Voreilhaft weist die Synchronmaschine zum Versorgen der Maschinen-Rotorspule einen elektrischen Drehtransformator zur induktiven Energieübertragung auf.Advantageously, the synchronous machine has an electrical rotary transformer for inductive energy transmission to supply the machine rotor coil.

Der elektrische Drehtransformator weist zur induktiven Energieübertragung eine Primärspule und eine Sekundärspule auf, welche nachfolgend auch als Transformator-Primärspule und Transformator-Sekundärspule bezeichnet werden. Zudem weist der Drehtransformator einen ortsfesten Stator, nachfolgend auch als Drehtransformator-Stator bezeichnet, sowie einen Rotor, nachfolgend auch als Drehtransformator-Rotor bezeichnet, auf. Der Drehtransformator-Stator weist die Transformator-Primärspule auf. Der Drehtransformator-Rotor weist die Transformator-Sekundärspule auf. Der Drehtransformator-Rotor ist relativ zum Drehtransformator-Stator um die Rotationsachse rotierbar. Dabei ist der Drehtransformator-Rotor drehfest mit dem Maschinen-Rotor und der Drehtransformator-Stator zum Maschinen-Stator fest. Im Betrieb rotiert somit der Drehtransformator-Rotor relativ zum Drehtransformator-Stator um die Rotationsachse. Zur induktiven Energieübertragung und somit im Betrieb wirken die Transformator-Primärspule und die Transformator-Sekundärspule zum Erzeugen einer elektrischen Spannung in der Transformator Sekundärspule induktiv zusammen, wobei die Spannung nachfolgend auch als Transformatorspannung bezeichnet wird. Die Maschinen-Rotorspule ist dabei mit der Transformator-Sekundärspule verbunden ist, derart, dass die Maschinen-Rotorspule mit einer Gleichspannung zum Erzeugen des Rotorfelds versorgt ist. Zu diesem Zweck kann zwischen der Transformator-Sekundärspule und der Maschinen-Rotorspule eine Gleichrichterschaltung geschaltet sein.For the purpose of inductive energy transmission, the electrical rotary transformer has a primary coil and a secondary coil, which are also referred to below as the transformer primary coil and transformer secondary coil. In addition, the rotary transformer has a stationary stator, hereinafter also referred to as rotary transformer stator, and a rotor, hereinafter also referred to as rotary transformer rotor. The rotary transformer stator includes the transformer primary. The rotary transformer rotor includes the transformer secondary coil. The rotary transformer rotor is rotatable about the axis of rotation relative to the rotary transformer stator. The rotary transformer rotor is non-rotatable with the machine rotor and the rotary transformer stator is fixed to the machine stator. In operation, the rotary transformer rotor thus rotates relative to the rotary transformer stator about the axis of rotation. For the inductive transmission of energy and thus during operation, the transformer primary coil and the transformer secondary coil work together inductively to generate an electrical voltage in the transformer secondary coil, the voltage also being referred to below as transformer voltage. The machine rotor coil is connected to the transformer secondary coil in such a way that the machine rotor coil is supplied with a DC voltage for generating the rotor field. For this purpose, a rectifier circuit can be connected between the transformer secondary coil and the machine rotor coil.

Die Synchronmaschine kann prinzipiell in beliebigen Anwendungen zum Einsatz kommen.In principle, the synchronous machine can be used in any application.

Die Synchronmaschine kommt insbesondere in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz, welches als elektrische Energiequelle eine Batterie umfassen kann. Dabei dient die Synchronmaschine insbesondere dem Antrieb des Kraftfahrzeugs, ist also als ein Traktionsmotor, insbesondere als ein fremderregter elektrischer Synchronmotor, ausgebildet.The synchronous machine is used in particular in a motor vehicle, which can include a battery as the electrical energy source. In this case, the synchronous machine is used in particular to drive the motor vehicle, ie it is designed as a traction motor, in particular as an externally excited synchronous electric motor.

Ebenso kann die Synchronmaschine im Kraftfahrzeug als Stellmotor im Betrieb ein Verstellelement im Kraftfahrzeug verstellen.Likewise, the synchronous machine in the motor vehicle as a servomotor can adjust an adjustment element in the motor vehicle during operation.

Es versteht sich, dass neben dem Maschinen-Rotor auch die fremderregte elektrische Synchronmaschine sowie das Kraftfahrzeug jeweils ebenfalls zum Umgang der vorliegenden Erfindung gehören.It goes without saying that, in addition to the machine rotor, the externally excited electrical synchronous machine and the motor vehicle also belong to the present invention.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention result from the dependent claims, from the drawings and from the associated description of the figures with reference to the drawings.

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.It goes without saying that the features mentioned above and those still to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

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.Preferred exemplary embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description, with the same reference symbols referring to identical or similar or functionally identical components.

Es zeigen, jeweils schematisch,

1 einen Schnitt durch einen Maschinen-Rotor mit einem Träger und Spulensegmenten,
2 eine Draufsicht auf den Träger,
3 einen stark vereinfachten Schaltplan einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine mit dem Maschinen-Rotor in einem Kraftfahrzeug,
4 eine isometrische, teilweise geschnittene Ansicht der fremderregten elektrischen Synchronmaschine mit dem Maschinen-Rotor,
5 einen stark vereinfachten Schnitt durch die fremderregte elektrische Synchronmaschine.

They show, each schematically,

1 a section through a machine rotor with a carrier and coil segments,
2 a top view of the carrier,
3 a highly simplified circuit diagram of a separately excited electrical synchronous machine with the machine rotor in a motor vehicle,
4 an isometric, partially sectioned view of the separately excited electrical synchronous machine with the machine rotor,
5 a greatly simplified section through the separately excited electrical synchronous machine.

Ein Rotor 101 wie er in den 1 sowie 3 , 4 und 5 beispielhaft gezeigt ist, kommt in einer fremderregte elektrische Synchronmaschine 100, wie sie beispielhaft in den 3 bis 5 gezeigt ist, zum Einsatz. Die fremderregte elektrischen Synchronmaschine 100, nachfolgend auch kurz als Synchronmaschine 100 bezeichnet, kann entsprechend 3 in einem Kraftfahrzeig 200 zum Einsatz kommen. Die fremderregte elektrische Synchronmaschine 100 kann dabei als ein Synchronmotor 110, insbesondere zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 200, zum Einsatz kommen. Auch ist es vorstellbar, den Synchronmotor 110 zum Verstellen eines nicht gezeigten Verstellelements des Kraftfahrzeugs 200 einzusetzen.A rotor 101 as in the 1 as well as 3, 4 and 5 is shown by way of example, comes in a separately excited electrical synchronous machine 100, as is shown by way of example in FIG 3 until 5 is shown for use. The externally excited electrical synchronous machine 100, also referred to below as synchronous machine 100, can accordingly 3 in a motor vehicle 200 are used. The externally excited electrical synchronous machine 100 can be used as a synchronous motor 110, in particular for driving the motor vehicle 200. It is also conceivable to use the synchronous motor 110 to adjust an adjustment element (not shown) of the motor vehicle 200 .

Die Synchronmaschine 100 weist, wie insbesondere 4 entnommen werden kann, den Rotor 101 auf. Der Rotor 101 wird nachfolgend auch als Maschinen-Rotor 101 bezeichnet. Der Maschinen-Rotor 101 weist eine Rotorwelle 102 und eine an der Rotorwelle 102 drehfest versehene Spule 103 (siehe 1 und 3) auf. Die Spule 103 wird nachfolgend auch als Maschinen-Rotorspule 103 bezeichnet. Die Maschinen-Rotorspule 103 ist in 3 als eine Induktivität und ein ohmscher Widerstand symbolisiert. Im Betrieb erzeugt die Maschinen-Rotorspule 103 ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Rotorfeld bezeichnet wird. Die Synchronmaschine 100 weist, wie 5 entnommen werden kann, ferner einen Stator 104 auf, der nachfolgend auch als Maschinen-Stator 104 bezeichnet wird. Zudem weist die Synchronmaschine 100 eine zum Maschinen-Stator 104 feste Spule 105 auf (siehe 5), welche nachfolgend auch als Maschinen-Statorspule 105 bezeichnet wird. Der Maschinen-Stator 104 mit der Maschinen-Statorspule 105 sind lediglich in 5 gezeigt. Im Betrieb erzeugt die Maschinen-Statorspule 105 ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Statorfeld bezeichnet wird. Dabei wirken Statorfeld und Rotorfeld derart zusammen, dass der Maschinen-Rotor 101 im Betrieb um eine Rotationsachse 90 rotiert.The synchronous machine 100 has, in particular 4 can be removed, the rotor 101 on. The rotor 101 is also referred to below as the machine rotor 101 . The machine rotor 101 has a rotor shaft 102 and a coil 103 non-rotatably provided on the rotor shaft 102 (see FIG 1 and 3 ) on. The coil 103 is also referred to below as the machine rotor coil 103 . The machine rotor coil 103 is in 3 symbolized as an inductance and an ohmic resistance. During operation, the machine rotor coil 103 generates a magnetic field, which is also referred to below as the rotor field. The synchronous machine 100 has how 5 can be removed, also a stator 104, which is also referred to as machine stator 104 below. In addition, the synchronous machine 100 has a coil 105 fixed to the machine stator 104 (see FIG 5 ), which is also referred to below as the machine stator coil 105. The machine stator 104 with the machine stator coil 105 are only in 5 shown. During operation, the machine stator coil 105 generates a magnetic field, which is also referred to below as the stator field. The stator field and rotor field interact in such a way that the machine rotor 101 rotates about an axis of rotation 90 during operation.

Die vorliegend angegebenen Richtungen beziehen sich auf die Rotationsachse 90. Dementsprechend verläuft „axial“ parallel zur Rotationsachse. Zudem verläuft „radial“ quer zur Rotationsachse 90. Ferner verläuft die Umfangsrichtung 91 die Rotationsachse 90 umgebend.The directions given here relate to the axis of rotation 90. Accordingly, “axial” runs parallel to the axis of rotation. In addition, it runs “radially” transversely to the axis of rotation 90. Furthermore, the circumferential direction 91 runs around the axis of rotation 90.

Entsprechend 1, die einen Schnitt durch dem Maschinen-Rotor 101 zeigt, weist der Maschinen-Rotor 101 einen Träger 18 auf, welcher in 2 in einer axialen Draufsicht separat dargestellt ist. Der Träger 18 erstreckt sich axial und rotiert im Betrieb um die Rotationsachse 90. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Träger 18 als ein Blechpaket 24 ausgebildet. Wie den 1 und 2 entnommen werden kann, weist der Träger 18 zumindest eine axial offene Aufnahme 19 auf. Die jeweilige Aufnahme 19 dient dem Aufnahmen eines Segments 20 der Maschinen-Rotorspule 103. Die Maschinen-Rotorspule 103 ist also segmentiert. Die Segmente 20 werden nachfolgend auch als Spulensegmente 20 bezeichnet. Die Maschinen-Rotorspule 103 weist dabei für die jeweilige Aufnahme 19 ein zugehöriges Spulensegment 20 auf. Das jeweilige Spulensegment 20 weist eine Wicklung 21 auf und ist axial in die zugehörige Aufnahme 19 gesteckt. Bei der jeweiligen Wicklung 21 kann es sich um eine einlagige Wicklung 21, auch als „single-layer“ Wicklung 21 bekannt, handeln. Das jeweilige Spulensegment 20 ist dabei vorgefertigt und axial in die zugehörige Aufnahme 19 gesteckt. Dabei füllt das jeweilige Spulensegment 20, wie 1 entnommen werden kann, die zugehörige Aufnahme 19 radial und in Umfangsrichtung 91. Das Resultat ist ein erhöhter Füllfaktor des Maschinen-Rotors 101, insbesondere des Trägers 18, mit dem Werkstoff und/oder Material der Wicklungen 21. Beim dem Werkstoff und/oder Material handelt es sich insbesondere um Kupfer, sodass der Maschinen-Rotor 101 einen erhöhten Füllfaktor mit Kupfer aufweist.Accordingly 1 , which shows a section through the machine rotor 101, the machine rotor 101 has a carrier 18, which in 2 is shown separately in an axial plan view. The carrier 18 extends axially and rotates about the axis of rotation 90 during operation. In the exemplary embodiments shown, the carrier 18 is designed as a laminated core 24 . Like the 1 and 2 can be removed, the carrier 18 has at least one axially open receptacle 19 . The respective receptacle 19 serves to receive a segment 20 of the machine rotor coil 103. The machine rotor coil 103 is therefore segmented. The segments 20 are also referred to below as coil segments 20 . The machine rotor coil 103 has an associated coil segment 20 for the respective receptacle 19 . The respective coil segment 20 has a winding 21 and is inserted axially into the associated receptacle 19 . The respective winding 21 can be a single-layer winding 21 , also known as a “single-layer” winding 21 . The respective coil segment 20 is prefabricated and inserted axially into the associated receptacle 19 . In this case, the respective coil segment 20 fills as 1 can be removed, the associated receptacle 19 radially and in the circumferential direction 91. The result is an increased filling factor of the machine rotor 101, in particular of the carrier 18, with the material and/or material of the windings 21. The material and/or material is it is in particular copper, so that the machine rotor 101 has an increased fill factor with copper.

Wie den 1 und 2 entnommen werden kann, ist im gezeigten Ausführungsbeispiel die jeweilige Aufnahme 19 radial beidseitig geschlossen. Das heißt, dass der Träger 18 die jeweilige Aufnahme 19 radial beidseitig begrenzt. In der Folge ist die mechanische Stabilität des Maschinen-Rotors 101 verbessert. Wie den 1 und 2 ferner entnommen werden kann ist im gezeigten Ausführungsbeispiel die jeweilige Aufnahme 19 in Umfangsrichtung 91 beidseitig geschlossen. Das heißt, dass der Träger 18 die jeweilige Aufnahme 19 in Umfangsrichtung 91 beidseitig begrenzt. Auch dies führt zu einer verbesserten mechanischen Stabilität des Maschinen-Rotors 101.Like the 1 and 2 can be removed, the respective receptacle 19 is radially closed on both sides in the embodiment shown. This means that the carrier 18 delimits the respective receptacle 19 radially on both sides. As a result, the mechanical stability of the engine rotor 101 is improved. Like the 1 and 2 can also be seen in the embodiment shown, the respective receptacle 19 is closed on both sides in the circumferential direction 91 . This means that the carrier 18 delimits the respective receptacle 19 on both sides in the circumferential direction 91 . This also leads to improved mechanical stability of the machine rotor 101.

Im in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Träger 18 vier Aufnahmen 19 auf. Die Aufnahmen 19 sind in Umfangsrichtung 91 zueinander äquidistant beabstandet. Dabei ist in der jeweiligen Aufnahme 19 ein zugehöriges solches Spulensegment 20 axial gesteckt. Die Maschinen-Rotorspule 103 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel also vier Spulensegmente 20 auf.Im in the 1 and 2 The exemplary embodiment shown has the carrier 18 on four receptacles 19 . The receptacles 19 are spaced equidistantly from one another in the circumferential direction 91 . In this case, an associated coil segment 20 of this type is inserted axially into the respective receptacle 19 . The machine rotor coil 103 therefore has four coil segments 20 in the exemplary embodiment shown.

Wie 1 entnommen werden kann, weist im gezeigten Ausführungsbeispiel das jeweilige Spulensegment 20 einen Kern 22 auf, um welchen die Wicklung 21 gewickelt ist. Bei dem Kern 22 handelt es sich um ein Blechpaket, im gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Eisenkern 23. Ferner bildet im gezeigten Ausführungsbeispiel das jeweilige Spulensegment 20 zwei Pole der Maschinen-Rotorspule 103. Die Maschinen-Rotorspule 103 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel also insgesamt acht Pole auf.How 1 can be removed, in the exemplary embodiment shown, the respective coil segment 20 has a core 22 around which the winding 21 is wound. The core 22 is a laminated core, in the exemplary embodiment shown an iron core 23. Furthermore, in the exemplary embodiment shown, the respective coil segment 20 forms two poles of the machine rotor coil 103. In the exemplary embodiment shown, the machine rotor coil 103 therefore has a total of eight poles .

Wie den 1 und 2 entnommen werden kann, weist der Träger 18 in den gezeigten Ausführungsbeispielen einen zentralen und axial verlaufenden Durchgang 25 auf. Der Durchgang 25 dient dem drehfesten Verbinden des Trägeres 18 mit der Rotorwelle 102 (siehe 4) des Maschinen-Rotors 101. Dabei ist die Rotorwelle 102 axial durch den Durchgang 25 geführt und drehfest mit dem Träger 18 verbunden. Somit ist die Maschinen-Rotorspule 103 radial außen an der Rotorwelle 102 angeordnet.Like the 1 and 2 can be removed, the carrier 18 has a central and axially extending passage 25 in the exemplary embodiments shown. The passage 25 is used to non-rotatably connect the carrier 18 to the rotor shaft 102 (see FIG 4 ) of the machine rotor 101. The rotor shaft 102 is guided axially through the passage 25 and is connected to the carrier 18 in a torque-proof manner. The machine rotor coil 103 is thus arranged radially on the outside of the rotor shaft 102 .

Wie den 3 und 4 entnommen werden kann, weist die Synchronmaschine 100 in den gezeigten Ausführungsbeispielen einen elektrischen Drehtransformator 1 auf. Dabei wird die Maschinen-Rotorspule 103 im Betrieb mittels des Drehtransformators 1 mit einer Gleichspannung versorgt.Like the 3 and 4 can be removed, the synchronous machine 100 has an electrical rotary transformer 1 in the exemplary embodiments shown. During operation, the machine rotor coil 103 is supplied with a DC voltage by means of the rotary transformer 1 .

Wie den 3 und 4 entnommen werden kann, weist der Drehtransformator 1 einen Stator 2 und einen Rotor 4 auf. Der Stator 2 wird nachfolgend als Drehtransformator-Stator 2 bezeichnet. Der Rotor 3 wird nachfolgend als Drehtransformator-Rotor 4 bezeichnet. Der Drehtransformator-Rotor 4 ist relativ zum Drehtransformator-Stator 2 um die Rotationsachse 90 rotierbar. Der Drehtransformator-Rotor 4 ist drehfest an der Rotorwelle 102 und somit am Maschinen-Rotor 101 angebracht. Somit rotiert der Drehtransformator-Rotor 4 im Betrieb mit der Rotorwelle 102 und folglich mit dem Maschinen-Rotor 101 um die Rotationsachse 90. Zudem ist der Drehtransformator-Stator 2 zum Maschinen-Stator 104 fest und somit ortsfest. Zur induktiven Energieübertragung weist der Drehtransformator-Stator 2 eine Primärspule 3 und der Drehtransformator-Rotor 4 eine Sekundärspule 5 auf. Die Primärspule 3 und die Sekundärspule 5 sind, wie den 4 entnommen werden kann, in den gezeigten Ausführungsbeispielen axial gegenüberliegend angeordnet. Im Betrieb induziert die Primärspule 3, welche nachfolgend auch als Transformator-Primärspule 3 bezeichnet wird, in der Sekundärspule 5, welche nachfolgend als Transformator-Sekundärspule 5 bezeichnet wird, eine Wechselspannung, welche nachfolgend auch als Transformatorspannung bezeichnet wird. Die Transformatorspannung wird mittels einer zwischen der Transformator-Sekundärspule 5 und der Maschinen-Rotorspule 103 geschalteten Gleichrichterschaltung 6 (siehe 3) in die Gleichspannung für die Maschinen-Rotorspule 103 umwandet.Like the 3 and 4 can be removed, the rotary transformer 1 has a stator 2 and a rotor 4 . The stator 2 is referred to as rotary transformer stator 2 below. The rotor 3 is referred to as rotary transformer rotor 4 below. The rotary transformer rotor 4 can be rotated about the axis of rotation 90 relative to the rotary transformer stator 2 . The rotary transformer rotor 4 is non-rotatably attached to the rotor shaft 102 and thus to the machine rotor 101 . Thus, the rotary transformer rotor 4 rotates during operation with the rotor shaft 102 and consequently with the machine rotor 101 about the axis of rotation 90. In addition, the rotary transformer stator 2 is fixed to the machine stator 104 and is therefore stationary. The rotary transformer stator 2 has a primary coil 3 and the rotary transformer rotor 4 has a secondary coil 5 for inductive energy transmission. The primary coil 3 and the secondary coil 5 are like that 4 can be removed, arranged axially opposite in the illustrated embodiments. During operation, the primary coil 3, which is also referred to below as transformer primary coil 3, induces an AC voltage, which is also referred to below as transformer voltage, in the secondary coil 5, which is referred to below as transformer secondary coil 5. The transformer voltage is rectified by means of a rectifier circuit 6 (see Fig 3 ) into the DC voltage for the machine rotor coil 103.

Wie insbesondere 4 ferner entnommen werden kann, ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen der Drehtransformator 1 an einer axialen Stirnseite der Maschinen-Rotors 101 und zur Maschinen-Rotorspule 103 sowie zur Maschinen-Statorspule 105 beabstandet angeordnet.How in particular 4 can also be seen, in the exemplary embodiments shown, the rotary transformer 1 is arranged at an axial end face of the machine rotor 101 and at a distance from the machine rotor coil 103 and from the machine stator coil 105 .

Die Transformator-Primärspule 3 benötigt zum Induzieren der Transformatorspannung in der Transformator-Sekundärspule 5 eine Wechselspannung. Wie 3 entnommen werden kann, wird die Transformator-Primärspule 3 in den gezeigten Ausführungsbeispielen über eine elektrische Energiequelle 201 versorgt, welche eine Gleichspannung bereitstellt. Bei der Energiequelle 201 handelt es sich in den gezeigten Ausführungsbeispielen um eine Batterie 202 des Kraftfahrzeugs 200. Zum Versorgen der Transformator-Primärspule 3 mit der Wechselspannung ist zwischen der Energiequelle 201 und der Transformator-Primärspule 3 eine Wechselrichterschaltung 7 vorgesehen. Die Wechselrichterschaltung 7 wandelt die Gleichspannung der Energiequelle 201 in die Wechselspannung für die Transformator-Primärspule 3 um. Vorstellbar ist es dabei, dass die Wechselrichterschaltung 7 einen Umrichter umfasst.The transformer primary coil 3 requires an AC voltage to induce the transformer voltage in the transformer secondary coil 5 . How 3 can be removed, the transformer primary coil 3 is supplied in the illustrated embodiments via an electrical energy source 201, which provides a DC voltage. In the exemplary embodiments shown, the energy source 201 is a battery 202 of the motor vehicle 200. An inverter circuit 7 is provided between the energy source 201 and the transformer primary coil 3 to supply the transformer primary coil 3 with the AC voltage. The inverter circuit 7 converts the DC voltage of the power source 201 into the AC voltage for the transformer primary coil 3 . It is conceivable that the inverter circuit 7 includes a converter.

Wie 4 entnommen werden kann, weist der Drehtransformator-Rotor 4 im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Leiterplatte 8 auf, welche mit der Transformator-Sekundärspule 5 versehen ist. Die Leiterplatte 8 ist scheibenförmig ausgebildet und weist eine runde Form, auf, ist also in der Art einer runden Scheibe bzw. eines Rings ausgebildet. Die Transformator-Sekundärspule 5 weist in den gezeigten Ausführungsbeispielen zumindest eine Leiterbahn 9 der Leiterplatte 8 auf, welche nachfolgend auch als Transformator-Leiterbahn 9 bezeichnet wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Transformator-Sekundärspule 5 aus der zumindest einen Transformator-Leiterbahn 9 und ist als eine Planarwicklung 10 ausgebildet.How 4 can be removed, the rotary transformer rotor 4 in the embodiment shown has a printed circuit board 8 which is provided with the transformer secondary coil 5 . The circuit board 8 is disk-shaped and has a round shape, ie it is designed in the manner of a round disk or a ring. In the exemplary embodiments shown, the transformer secondary coil 5 has at least one conductor track 9 of the printed circuit board 8, which is also referred to below as the transformer conductor track 9. In the exemplary embodiment shown, the transformer secondary coil 5 consists of at least one transformer conductor track 9 and is designed as a planar winding 10 .

Die drehfeste Verbindung der Rotorwelle 102 mit dem Drehtransformator-Rotor 4 ist wie 4 entnommen werden kann, über eine in der Leiterplatte 8 zentrale Öffnung 14 realisiert, durch welche die Rotorwelle 102 greift.The non-rotatable connection of the rotor shaft 102 with the rotary transformer rotor 4 is like 4 can be removed, realized via a central opening 14 in the circuit board 8, through which the rotor shaft 102 engages.

Wie 4 entnommen werden kann, kann die Transformator-Primärspule 3 als eine Flachspule 11 ausgebildet sein. Wie 4 ferner entnommen werden kann, sind die Transformator-Primärspule 3 und die Transformator-Sekundärspule 5 in den gezeigten Ausführungsbeispielen in einem zum Drehtransformator-Stator 2 festen Magnetkern 12, insbesondere in einem Ferritkern 13, angeordnet. Der Magnetkern 12 wird nachfolgend auch als Transformator-Magnetkern 12 bezeichnet. Der Transformator-Magnetkern 12 ist radial offen, sodass die Leiterplatte 9 mit der Transformator-Sekundärspule 5 in den Transformator-Magnetkern 12 eindringt und darin rotierbar angeordnet ist. Zudem weist der Transformator-Magnetkern 12 eine axial offene Ausnehmung 15 auf, in welcher die Transformator-Primärspule 3 angeordnet ist.How 4 As can be seen, the transformer primary coil 3 can be formed as a flat coil 11 . How 4 can also be seen, the transformer primary coil 3 and the transformer secondary coil 5 are in the illustrated embodiments in a fixed to the rotary transformer stator 2 magnetic core 12, in particular in a ferrite core 13, arranged. The magnetic core 12 is also referred to below as the transformer magnetic core 12 . The transformer magnetic core 12 is radially open, so that the printed circuit board 9 with the transformer secondary coil 5 penetrates into the transformer magnetic core 12 and is rotatably arranged therein. In addition, the transformer magnetic core 12 has an axially open recess 15 in which the transformer primary coil 3 is arranged.

In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Gleichrichterschaltung 6 rein beispielhaft als ein Brückengleichrichter 16 mit vier Dioden Da-d ausgebildet. Zudem ist die Wechselrichterschaltung 7 rein beispielhaft als ein Vollbrückenwechselrichter 17 ausgebildet, der vier Transistoren Ta-d und zwei Treiberschaltungen Sa-b für die Transistoren Ta-d aufweist.in the in 3 In the exemplary embodiment shown, the rectifier circuit 6 is designed, purely by way of example, as a bridge rectifier 16 with four diodes Da-d. In addition, the inverter circuit 7 is designed, purely by way of example, as a full-bridge inverter 17 which has four transistors Ta-d and two driver circuits Sa-b for the transistors Ta-d.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

EP 2869316 B1 [0003]

Claims

Machine rotor (101) for a separately excited electrical synchronous machine (100), - with a machine rotor coil (103), - having a carrier (18) which extends axially and rotates about an axial axis of rotation (90) during operation, - wherein the carrier (18) has at least one axially open receptacle (19), - Wherein the machine rotor coil (103) for the respective receptacle (19) has an associated coil segment (20) with a winding (21), which is inserted axially into the receptacle (19) and the receptacle (19) radially and in the circumferential direction (91) fills.

machine rotor after claim 1 , characterized in that at least one of the at least one receptacle (19) is closed radially on both sides.

machine rotor after claim 1 or 2 , characterized in that at least one of the at least one receptacle (19) is closed on both sides in the circumferential direction (91).

Machine rotor after one of Claims 1 until 3 , characterized in that - the carrier (18) has at least two, in particular four, such receptacles (19) spaced equidistantly from one another in the circumferential direction (91), - an associated such coil segment (20) is inserted axially in the respective receptacle (19). is.

Machine rotor after one of Claims 1 until 4 , characterized in that at least one of the coil segments (20) has a core (22) around which the winding (21) is wound.

Machine rotor after one of Claims 1 until 5 , characterized in that at least one of the coil segments (20) forms two poles of the machine rotor coil (103).

Machine rotor after one of Claims 1 until 6 , characterized in that the carrier (18) is designed as a laminated core (24).

Machine rotor after one of Claims 1 until 7 , characterized in that the carrier (18) has a central and axially extending passage (25) through which a rotor shaft (102) of the machine rotor (101) is guided and non-rotatably connected to the carrier (18).

Machine rotor after one of Claims 1 until 8th , characterized in that at least one of the at least one winding (21) is a single-layer winding (21).

Separately excited electrical synchronous machine (100), - with a machine rotor (101), according to one of Claims 1 until 9 , wherein the machine rotor coil (103) generates a magnetic rotor field during operation, - with a machine stator (104) which has a machine stator coil (105) which is fixed to the machine stator (104) and which generates a magnetic stator field during operation generated, which interacts with the rotor field in such a way that the machine rotor (101) rotates about an axial axis of rotation (90) during operation.

synchronous machine claim 10 , characterized in that - the synchronous machine has an electrical rotary transformer (1) with a rotary transformer stator (2) and a rotary transformer rotor (4), - that the rotary transformer stator (2) is fixed to the machine stator (104). , - that the rotary transformer rotor (4) is attached to the machine rotor (101) in a torque-proof manner, - that the rotary transformer stator (2) has a transformer primary coil (3) and the rotary transformer rotor (4) has a transformer secondary coil ( 5) has, - that the transformer secondary coil (5) and the transformer primary coil (3) interact inductively during operation to generate a transformer voltage in the transformer secondary coil (5), - that the machine rotor coil (103) with the transformer - the secondary coil (5) is connected in such a way that the machine rotor coil (103) is supplied with a DC voltage for generating the rotor field.

Motor vehicle (200) with a synchronous machine (100). claim 10 or 11 and an electric power source (201), said power source (201) being connected to said transformer primary coil (3) via an inverter circuit (7).

motor vehicle after claim 12 , characterized in that the synchronous machine (100) as a synchronous motor (110) drives the motor vehicle (200) during operation or adjusts an adjusting element.