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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem elektrischen Drehtransformator zur induktiven Energieübertragung, insbesondere in einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine. Die Erfindung betrifft zudem eine fremderregte elektrische Synchronmaschine mit einer solchen Anordnung. Zudem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen fremderregten elektrischen Synchronmaschine.
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Ein elektrischer Drehtransformator kommt zur induktiven Energieübertragung zum Einsatz. Zu diesem Zweck weist der Drehtransformator eine Primärspule sowie eine Sekundärspule auf. Die Primärspule ist üblicherweise ortsfest, wogegen die Sekundärspule relativ zur Primärspule beweglich, insbesondere rotierbar ist. Zu diesem Zweck weist ein solcher Drehtransformator üblicherweise einen ortsfesten Stator sowie einen relativ zum Stator um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor auf. Der Stator des Drehtransformators, nachfolgend auch als Drehtransformator-Stator bezeichnet, weist gewöhnlich die Primärspule auf, welche nachfolgend auch als Transformator-Primärspule bezeichnet wird. Der Rotor des Drehtransformators, nachfolgend auch als Drehtransformator-Rotor bezeichnet, weist gewöhnlich die Sekundärspule auf, welche nachfolgend auch als Transformator-Sekundärspule bezeichnet wird.
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Ein solcher Drehtransformator kommt insbesondere in einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine zum Einsatz. Die fremderregte elektrische Synchronmaschine weist einen ortsfesten Stator sowie einen im Betrieb relativ zum Stator um eine Rotationsachse rotierenden Rotor auf, welche nachfolgend auch als Maschinen-Stator und Maschinen-Rotor bezeichnet werden. Dabei wirken ein magnetisches Rotorfeld des Maschinen-Rotors und ein magnetisches Statorfeld des Maschinen-Stators zusammen. In der fremderregten elektrischen Synchronmaschine wird das benötigte Rotorfeld des Maschinen-Rotors fremderregt. Zu diesem Zweck weist der Maschinen-Rotor in der Regel eine Rotorwicklung auf, welche mit einem Gleichstrom zum Erzeugen des magnetischen Felds versorgt wird. Die Versorgung der Rotorwicklung kann mittels des Drehtransformators erfolgen.
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Ein derartiger Synchronmotor mit einem Drehtransformator ist beispielsweise aus der
EP 2 869 316 B1 bekannt. Im Betrieb induziert die Transformator-Primärspule in der Transformator-Sekundärspule eine Spannung.
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Gewöhnlich sind Drehtransformator-Stator und Drehtransformator-Rotor derart aufeinander abgestimmt, dass in der Transformtor-Sekundärspule eine gewünschte Spannung induziert wird. Änderungen in der Abstimmung können somit zu Abweichungen der induzierten Spannung führen. Auch können gewünschte oder notwendige Änderungen der induzierten Spannung, insbesondere des durch die Rotorwicklung fließenden Stroms, somit nicht oder schwer umgesetzt werden.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe für eine einen Drehtransformator der eingangs genannten Art aufweisende Anordnung sowie für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine mit einer solchen Anordnung und für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Synchronmaschine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsformen anzugeben, welche Nachteile aus dem Stand der Technik bekannter Lösungen beseitigen. Insbesondere beschäftigt sich die vorliegende Erfindung mit der Aufgabe, für die Anordnung sowie für die fremderregte elektrische Synchronmaschine und für das Kraftfahrzeug Ausführungsformen anzugeben, welche sich durch eine erhöhte Betriebsstabilität auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht somit auf dem allgemeinen Gedanken, an einem elektrischen Drehtransformator eine drahtlose Signalübertragung vorzusehen, mit welcher mit einem Rotor des Drehtransformators Betriebssignale des Drehtransformators und/oder einer zugehörigen Anwendung, beispielsweise einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine, ausgetauscht werden können. Folglich ist es auf einfache und effektive Art möglich, am Drehtransformator, insbesondere im Rotor des Drehtransformators, Betriebssignale und somit Betriebszustände bereitzustellen bzw. diese vom Rotor zu übertragen. Insbesondere kann somit auf eine drahtgebundene Signalübertragung zwischen dem im Betrieb relativ zum Stator rotierenden Rotor verzichtet werden. In der Folge kann der Betrieb des Drehtransformators sowie der zugehörigen Anwendung auf einfache Weise abhängig von besagten Betriebszuständen angepasst werden und/oder Störungen im Betrieb vereinfacht erkannt werden. Das Resultat ist eine verbesserte Betriebsstabilität des Drehtransformators und/oder der zugehörigen Anwendung.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist eine Anordnung den elektrischen Drehtransformator sowie eine Einrichtung zur drahtlosen Signalübertragung auf, welche nachfolgend auch als Signalübertragungseinrichtung bezeichnet wird. Der 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 eine axial verlaufende Rotationsachse rotierbar. Im Betrieb rotiert somit der Drehtransformator-Rotor relativ zum Drehtransformator-Stator um die Rotationsachse. Zur induktiven Energieübertragung und somit im Betrieb wirken die Transformator-Primärspule und die Transformator-Sekundärspule zum Erzeugen einer elektrischen Spannung in der Transformator Sekundärspule induktiv zusammen, wobei die Spannung nachfolgend auch als Transformatorspannung bezeichnet wird. Die Signalübertragungseinrichtung dient dem drahtlosen Austausch von Betriebssignalen zwischen Drehtransformator-Stator und dem Drehtransformator-Rotor und weist eine am Drehtransformator-Rotor drehfeste Einheit auf, welche im Betrieb drahtlos Betriebssignale austauscht. Die Einheit wird nachfolgend auch als Rotor-Signaleinheit bezeichnet.
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Vorteilhaft erfolgt der drahtlose Austausch der Betriebssignale über Funk. Auf diese Weise wird eine Wechselwirkung der Funksignale mit den zum Induzieren der Transformatorspannung benötigten Feldern verhindert oder zumindest reduziert.
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Bevorzugt erfolgt der drahtlose Austausch der Betriebssignale über Bluetooth0, besonders bevorzugt über Bluetooth mit reduziertem Energieverbrauch, insbesondere über „Bluetooth Low Energy“, dem Fachmann auch unter „BLE“ bekannt. Somit können zum Austausch der Betriebssignale marktübliche, bereits vorhandene Module bzw. Chips zum Einsatz kommen. Dies führt zu einer einfachen Herstellung und Umsetzung der Anordnung sowie zu reduzierten Herstellungskosten. Zudem lässt sich die Anordnung auf diese Weise vereinfacht in einer zugehörigen Anwendung integrieren. Folglich weist die Rotor-Signaleinheit bevorzugt einen Bluetooth-Chip, besonders bevorzugt einen BLE-Chip, auf oder ist als ein solcher Chip ausgebildet.
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Der Austausch der Betriebssignale erfolgt bevorzugt mit dem Drehtransformator-Stator oder mit dem Stator einer zugehörigen Anwendung, beispielsweise mit dem Stator einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine. Dabei weist die Signalübertragungseinrichtung eine Einheit zum drahtlosen Austausch von Betriebssignalen mit der Rotor-Signaleinheit auf, welche nachfolgend auch als Stator-Signaleinheit bezeichnet wird. Die Stator-Signaleinheit ist zum Drehtransformator-Stator bzw. dem Stator der fremderregten elektrischen Synchronmaschine fest. Die Stator-Signaleinheit weist analog zur Rotor-Signaleinheit bevorzugt einen Bluetooth-Chip, besonders bevorzugt einen BLE-Chip, auf oder ist als ein solcher Chip ausgebildet.
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Die vorliegend angegebenen Richtungen beziehen sind auf die axial verlaufende Rotationsachse. Dementsprechend verläuft „axial“ parallel, insbesondere koaxial, zur Rotationsachse. Zudem verläuft „radial“ quer zur Rotationsachse.
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Die Transformator-Sekundärspule und die Transformator-Primärspule sind vorteilhaft axial gegenüberliegend angeordnet. Vorstellbar ist es auch, die Transformator-Sekundärspule und die Transformator-Primärspule radial benachbart anzuordnen.
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Unter Austausch von Betriebssignalen ist vorliegend das Senden und/oder Empfangen von Betriebssignalen zu verstehen. Dementsprechend ist es bevorzugt, wenn die jeweilige Signaleinheit zum Empfangen und Senden von Betriebssignalen ausgestaltet ist.
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Die Transformator-Sekundärspule kann prinzipiell beliebig verlaufen.
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Vorteilhaft verläuft die Transformator-Sekundärspule die Rotationsachse umgebend, insbesondere spiralförmig. Insbesondere ist die Transformator-Sekundärspule als eine Planarwicklung ausgebildet.
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Die Transformator-Primärspule kann prinzipiell beliebig verlaufen.
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Vorteilhaft verläuft die Transformator-Primärspule die Rotationsachse umgebend. Insbesondere ist die Transformator-Primärspule als eine Flachspule ausgebildet.
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Vorteilhaft weist die Anordnung eine Einrichtung zum Versorgen der Rotor-Signaleinheit mit einer Betriebsspannung auf. Die Einrichtung wird nachfolgend auch als Versorgungseinrichtung bezeichnet.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen bei denen die Versorgungseinrichtung die Rotor-Signaleinheit über den Drehtransformator mit der Betriebsspannung versorgt. Dies führt zu einer einfachen und kompakten Ausbildung der Anordnung.
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Bei vorteilhaften Ausführungsformen weist die Versorgungseinrichtung eine mit dem Drehtransformator-Rotor drehfeste Spule auf, welche mit der Transformator-Primärspule induktiv zusammenwirkt und nachfolgend auch als Versorgungsspule bezeichnet wird. Das induktive Zusammenwirken ist derart, dass die Transformator-Primärspule im Betrieb in der Versorgungsspule eine Spannung zur Versorgung der Rotor-Signaleinheit mit der Betriebsspannung induziert. Somit kommt es zu einer einfachen Umsetzung der Versorgungseinrichtung.
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Vorteilhaft unterscheidet sich die in der Versorgungsspule induzierte Spannung von der Transformatorspannung.
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Die Versorgungspule verläuft vorteilhaft die Rotationsachse umgebend und axial flach, beispielsweise kreisförmig.
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Zweckmäßig ist die Versorgungsspule elektrisch von der Transformator-Sekundärspule getrennt. Somit werden Wechselwirkungen der Versorgungsspule mit der Transformator-Sekundärspule verhindert oder zumindest reduziert. In der Folge ergibt sich ein verbesserter Betrieb der Anordnung und der zugehörigen Anwendung.
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Vorstellbar ist es auch, die Rotor-Signaleinheit von der Transformator-Sekundärspule und/oder von der Transformator-Primärspule separat induktiv elektrisch zu versorgen. Die Versorgungseinrichtung ist dabei bevorzugt elektrisch und magnetisch vom Drehtransformator getrennt. Vorteilhaft weist die Versorgungseinrichtung zu diesem Zweck eine rotorseitige Sekundärspule, nachfolgend auch als Versorgungs-Sekundärspule bezeichnet, und eine statorseitige Primärspule, nachfolgend auch als Versorgungs-Primärspule bezeichnet, auf. Dabei induziert die Versorgungs-Primärspule im Betrieb zum Versorgen der Rotor-Signaleinheit eine Spannung in der Versorgungs-Sekundärspule, welche nachfolgend auch als Versorgungsspannung bezeichnet wird. Der Versorgungs-Primärspule kann ein Spannungswandler vorgeschaltet sein.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Transformator-Sekundärspule die Rotationachse umgebend und axial flach ausgebildet ist. Somit wird insbesondere eine bauraumsparende Ausführung der Transformator-Sekundärspule erreicht und/oder eine durch die Transformator-Sekundärspule bei Rotationen um die Rotationachse verursachte Unwucht vermieden oder zumindest reduziert.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen bei denen der Drehtransformator-Rotor eine Leiterplatte aufweist, welche mit der Transformator-Sekundärspule versehen ist. Die Transformator-Sekundärspule kann also auf der Leiterplatte, vorteilhaft als eine Planarwicklung, ausgeführt sein. Somit kommt es zu einer einfachen Ausbildung des Drehtransformator-Rotors sowie einer einfachen Montage und einer präzisen Position der Transformator-Sekundärspule.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Transformator-Sekundärspule zumindest eine Leiterbahn der Leiterplatte aufweist, welche nachfolgend auch als Transformator-Leiterbahn bezeichnet wird. Dies führt zu einer vereinfachten Ausbildung und Herstellung des Drehtransformators. Ferner ist die Transformator-Sekundärspule auf diese Weise vereinfacht ausgebildet und/oder mechanisch stabilisiert.
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Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Transformator-Sekundärspule durch zumindest eine Transformator-Leiterbahn der Leiterplatte gebildet ist, also aus zumindest einer Transformator-Leiterbahn der Leiterplatte besteht.
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Die Leiterplatte ist vorteilhaft axial flach ausgebildet. Somit ist die Leiterplatte bauraumsparend und gewichtsreduziert..
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Besonders bevorzugt ist die Leiterplatte in axialer Draufsicht rund, beispielsweise als eine Scheibe oder als ein Ring ausgebildet.
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Als vorteilhaft gelten Ausführungsformen bei denen die Leiterplatte mit der Versorgungsspule versehen ist. Somit kommt es zu einer einfachen Ausbildung der Anordnung. Zudem ist die Versorgungsspule auf diese Weise in der Anordnung präzise positioniert. Daraus resultiert eine verbesserte induktive Zusammenwirkung mit der Transformator-Primärspule und folglich zu einer effizienteren Versorgung der Rotor-Signaleinheit mit der Betriebsspannung.
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Vorteilhaft weist die Versorgungsspule zumindest eine Leiterbahn der Leiterplatte auf, welche nachfolgend auch als Versorgungs-Leiterbahn bezeichnet wird. Dies führt zu einer weiteren Vereinfachung der Herstellung der Anordnung. Zudem ist die Versorgungsspule somit präzise positionier und/oder mechanisch stabilisiert.
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Bevorzugt ist die Versorgungsspule durch die zumindest eine Versorgungs-Leiterbahn gebildet. Insbesondere kann die Versorgungsspule durch eine einzige solche Versorgungs-Leiterbahn gebildet sein.
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Die zumindest eine Versorgungs-Leiterbahn ist zweckmäßig elektrisch von der Transformator-Sekundärspule und somit insbesondere von der zumindest einen Transformator-Leiterbahn getrennt.
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Die jeweilige zumindest eine Transformator-Leiterbahn und/oder Versorgungs-Leiterbahn kann auf der Leiterplatte angeordnet und somit optisch von außen wahrnehmbar oder innerhalb der Leiterplatte umschlossen und somit optisch von außen nicht wahrnehmbar sein. Selbstverständlich sind Ausführungsformen möglich, bei denen sowohl zumindest eine Leiterbahn auf der Leiterplatte und zumindest eine Leiterbahn innerhalb der Leiterplatte angeordnet sind. Die Leiterplatte kann also insbesondere als eine dem Fachmann als „Multilayerleiterplatte“ bekannte Leiterplatte ausgebildet sein
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Die Transformator-Sekundärspule kann zumindest zwei axial zueinander beabstandete Transformator-Leiterbahnen aufweisen. Bevorzugt verlaufen dabei die Transformator-Leiterbahnen zueinander parallel.
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Vorstellbar sind Ausführungsformen, bei denen zumindest eine Transformator-Leiterbahn auf der Leiterplatte und zumindest eine Transformator Leiterbahn innerhalb der Leiterplatte angeordnet sind.
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Die Anordnung kann eine der Transformator-Sekundärspule nachgeschaltete Gleichrichterschaltung aufweisen. Somit kann die in der Transformator-Sekundärspule als Wechselspannung induzierte Transformatorspannung in eine Gleichspannung umgewandelt und einer zugehörigen Anwendung zur Verfügung gestellt werden.
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Die Anordnung kann eine der Transformator-Primärspule vorgeschaltete Wechselrichterschaltung aufweisen. Somit kann die im Betrieb benötigte Wechselspannung für die Transformator-Primärspule aus einer elektrischen Energiequelle stammen, welche eine Gleichspannung bereitstellt.
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Bei vorteilhaften Ausführungsformen greift die Versorgungseinrichtung die von der Gleichrichterschaltung bereitgestellte Gleichspannung zur Versorgung der Rotor-Signaleinheit mit der Betriebsspannung ab. Somit kann die Rotor-Signaleinheit auf einfache Weise mit der Betriebsspannung versorgt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Versorgungseinrichtung die Transformatorspannung an der Transformator-Sekundärspule zum Versorgen der Rotor-Signaleinheit mit der Betriebsspannung abgreifen. Auf diese Weise erfolgt eine einfache und zuverlässige Versorgung der Rotor-Signaleinheit mit der Betriebsspannung, wobei die Versorgung einer nachgeschalteten Anwendung nicht oder zumindest in reduziertem Umfang beeinflusst wird.
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Die Versorgungseinrichtung weist vorteilhaft einen Spannungswandler auf, welcher der Rotor-Signaleinheit vorgeschaltet ist. Der Spannungswandler wandelt dabei die induzierte und/oder abgegriffene Spannung in die benötigte Betriebsspannung um. Somit kommt es zu einer zuverlässigen Versorgung der Rotor-Signaleinheit mit der benötigten Betriebsspannung. Der Spannungswandler ist also derart ausgestaltet, dass er die in der Versorgungsspule induzierte Spannung und/oder die abgegriffene Transformatorspannung und/oder die abgegriffene Gleichspannung und/oder die in der Versorgungs-Sekundärspule induzierte Versorgungspannung in die Betriebsspannung umwandelt, insbesondere auch gleichrichtet, welche der Rotor-Signaleinheit zugeführt wird.
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Die Signalübertragungseinrichtung weist vorteilhaft eine zum Drehtransformator-Rotor drehfeste Einrichtung zum Verarbeiten von mittels der Rotor-Signaleinheit empfangenen Betriebssignalen auf, welche nachfolgend auch als Rotor-Auswerteeinrichtung bezeichnet wird.
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Die Signalübertragungseinrichtung weist vorteilhaft eine Einrichtung zum Verarbeiten von mittels der Stator-Signaleinheit empfangenen Betriebssignalen auf, welche nachfolgend auch als Stator-Auswerteeinrichtung bezeichnet wird. Die Stator-Auswerteeinrichtung ist zum Drehtransformator-Stator fest und somit ortsfest.
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Vorteilhaft ist zumindest eine der Auswerteeinrichtungen, bevorzugt die jeweilige Auswerteeinrichtung, auch zum Erzeugen eines Betriebssignals und/oder oder eines zumindest einen Betriebszustand enthaltenden Signals ausgebildet. Das heißt, dass vorteilhaft zumindest eine der Auswerteeinrichtungen, bevorzugt die jeweilige Auswerteeinrichtung, auch zum Senden eines Betriebssignals mittels der zugehörigen Signaleinheit ausgestaltet ist.
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Die Anordnung kann prinzipiell in beliebigen Anwendungen zur induktiven Energieübertragung zum Einsatz kommen.
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Bevorzugt kommt die Anordnung zur induktiven Energieübertragung in einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine, insbesondere in einem fremderregten elektrischen Synchronmotor, zum Einsatz.
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Die Synchronmaschine weist einen Rotor mit einer Rotorwelle auf, wobei der Rotor nachfolgend auch als Maschinen-Rotor bezeichnet wird. Der Maschinen-Rotor weist eine an der Rotorwelle drehfest versehene Wicklung auf, welche nachfolgend auch als Maschinen-Rotorwicklung bezeichnet wird. Die Maschinen-Rotorwicklung erzeugt im Betrieb bei Versorgung mit einer Gleichspannung bzw. einem Gleichstrom ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Rotorfeld bezeichnet wird. Die Synchronmaschine weist ferner einen ortsfesten Stator auf, welcher nachfolgend auch als Maschinen-Stator bezeichnet wird. Der Maschinen-Stator weist eine Wicklung auf, welche nachfolgend auch als Maschinen-Statorwicklung bezeichnet wird. Die Maschinen-Statorwicklung erzeugt im Betrieb ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Statorfeld bezeichnet wird. Im Betrieb der Synchronmaschine wirkt das Statorfeld mit dem Rotorfeld derart zusammen, dass der Maschinen-Rotor um die axiale Rotationsachse rotiert. Dabei ist der Drehtransformator-Stator zum Maschinen-Stator fest. Zudem ist der Drehtransformator-Rotor drehfest am Maschinen-Rotor angebracht. Insbesondere ist der Drehtransformator-Rotor drehfest mit der Rotorwelle verbunden. Die Maschinen-Rotorwicklung ist mit der Transformator-Sekundärspule verbunden, derart, dass die Maschinen-Rotorwicklung im Betrieb mit einer Gleichspannung bzw. einem Gleichstrom zum Erzeugen des Rotorfelds versorgt ist. Zu diesem Zweck ist vorteilhaft zwischen der Transformator-Sekundärspule und der Maschinen-Rotorwicklung eine Gleichrichterschaltung geschaltet, welche, wie vorstehend erwähnt, Bestandteil der Anordnung sein kann.
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Bevorzugt ist die Anordnung, insbesondere der Drehtransformator-Rotor, axial stirnseitig des Maschinen-Rotors angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Drehtransformator zur Maschinen-Rotorwicklung und/oder zur Maschinen-Statorwicklung beabstandet. Somit kommt es zu einer Verhinderung oder zumindest Reduzierung von unerwünschten Wechselwirkungen zwischen dem Drehtransformator und dem Rotorfeld und/oder dem Statorfeld.
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Das Betriebssignal enthält zweckmäßig Informationen über einen Betriebszustand des Drehtransformators und/oder der zugehörigen Anwendung, insbesondere über die Synchronmaschine. Bei dem jeweiligen Betriebszustand kann es sich beispielsweise um eine an der Maschinen-Rotorwicklung anliegende Spannung und/oder um einen durch die Maschinen-Rotorwicklung fließenden elektrischen Strom handeln. Das Betriebssignal kann ebenso ein Triggersignal für Schutzschaltungen am Drehtransformator-Rotor und/oder am Maschinen-Rotor sein. Ebenso kann es sich bei dem Betriebszustand um eine Temperatur, beispielsweise der Rotorwicklung, handeln. Selbstverständlich ist es mit dem Betriebssignal auch möglich, zwei oder mehr Betriebszustände zu übertragen.
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Die im Betrieb für die Transformator-Primärspule benötigte Wechselspannung oder getaktete Gleichspannung kann von einer beliebigen elektrischen Energiequelle stammen.
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Vorstellbar ist es insbesondere, dass die Energiequelle eine Gleichspannung bereitstellt. Insbesondere kann es sich bei der Energiequelle um eine Batterie handeln. Dabei ist bevorzugt zwischen der Energiequelle und der Transformator-Primärspule eine Wechselrichterschaltung vorgesehen, welche die Gleichspannung in die benötigte Wechselspannung umwandelt. Die Wechselrichterschaltung kann, wie vorstehend erwähnt, Bestand der Anordnung sein. Die Wechselrichterschaltung kann insbesondere einen Umrichter umfassen.
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Die Synchronmaschine kann prinzipiell in beliebigen Anwendungen zum Einsatz kommen.
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Die Synchronmaschine kommt insbesondere in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz, welches als Energiequelle eine Batterie umfassen kann. Dabei dient die Synchronmaschine insbesondere dem Antrieb des Kraftfahrzeugs, ist also als ein Traktionsmotor, insbesondere als ein fremderregter elektrischer Synchronmotor, ausgebildet. Bevorzugt besitzt der erfindungsgemäße Traktionsmotor eine Ausgangs- bzw. Antriebsleistung zwischen 100 kW und 240 kW, insbesondere 140kW.
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Ebenso kann die Synchronmaschine im Kraftfahrzeug als Stellmotor im Betrieb ein Verstellelement im Kraftfahrzeug verstellen.
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Es versteht sich, dass neben der Anordnung auch die fremderregte elektrische Synchronmaschine sowie das Kraftfahrzeug jeweils ebenfalls zum Umgang der vorliegenden Erfindung gehören.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 einen stark vereinfachten Schaltplan einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine mit einer Anordnung, welche einen Drehtransformator umfasst, in einem Kraftfahrzeug,
- 2 den Schaltplan aus 1 bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
- 3 den Schaltplan aus 1 bei einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- 4 einen Schnitt durch den Drehtransformator,
- 5 eine isometrische, teilweise geschnittene Ansicht eines Maschinen-Rotors der fremderregten elektrischen Synchronmaschine mit dem Drehtransformator,
- 6 einen stark vereinfachten Schnitt durch die fremderregte elektrische Synchronmaschine,
- 7 den Schaltplan aus 1 bei einem anderen Ausführungsbeispiel.
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Eine Anordnung 0, wie sie beispielsweise in den 1 bis 5 sowie 7 gezeigt ist, weist einen elektrischen Drehtransformator 1 als induktiven Energieübertrager auf. Der Drehtransformator 1 kann in einer in den 1 bis 7 gezeigten fremderregten elektrischen Synchronmaschine 100 zum Einsatz kommen. Die Anordnung 0 und/oder die Synchronmaschine 100 können in einem Kraftfahrzeig 200, wie es in den 1 bis 5 und 7 teilweise und stark vereinfacht gezeigt ist, zum Einsatz kommen. Die fremderregte elektrische Synchronmaschine 100 kann als ein Synchronmotor 110 insbesondere zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 200, zum Einsatz kommen. Auch ist es vorstellbar, den Synchronmotor 110 zum Verstellen eines nicht gezeigten Verstellelements des Kraftfahrzeugs 200 einzusetzen.
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Wie den 1 bis 5 und 7 entnommen werden kann, weist der Drehtransformator 1 einen Stator 2 und einen Rotor 4 auf. Der Stator 2 wird nachfolgend als Drehtransformator-Stator 2 bezeichnet. Der Rotor 3 wird nachfolgend als Drehtransformator-Rotor 4 bezeichnet. Der Drehtransformator-Rotor 4 ist relativ zum Drehtransformator-Stator 2 um eine axial verlaufende Rotationsachse 90 rotierbar (siehe 4 und 5). Im Betrieb rotiert also der Drehtransformator-Rotor 4 relativ zum Drehtransformator-Stator 2 um die Rotationsachse 90. Zur induktiven Energieübertragung weist der Drehtransformator-Stator 2 eine Primärspule 3 und der Drehtransformator-Rotor 4 eine Sekundärspule 5 auf. Die Primärspule 3 und die Sekundärspule 5 sind, wie den 4 und 5 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.
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Die vorliegend angegebenen Richtungen beziehen sind auf die Rotationsachse 90. Dementsprechend verläuft „axial“ parallel zur Rotationsachse. Zudem verläuft „radial“ quer zur Rotationsachse 90.
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Die fremderregte elektrische Synchronmaschine 100, nachfolgend auch kurz als Synchronmaschine 100 bezeichnet, weist, wie den 5 und 6 entnommen werden kann, einen Rotor 101 auf. Der Rotor 101 wird nachfolgend auch als Maschinen-Rotor 101 bezeichnet. Der Maschinen-Rotor 101 weist eine Rotorwelle 102 und eine an der Rotorwelle 102 drehfest versehene Wicklung 103 auf. Die Wicklung103 wird nachfolgend auch als Maschinen-Rotorwicklung 103 bezeichnet. Die Maschinen-Rotorwicklung 103 ist in den 1 bis 3 sowie 7 als eine Induktivität und ein ohmscher Widerstand symbolisiert. Im Betrieb erzeugt die Maschinen-Rotorwicklung 103 ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Rotorfeld bezeichnet wird. Die Synchronmaschine 100 weist, wie 6 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 6), welche nachfolgend auch als Maschinen-Statorwicklung 105 bezeichnet wird. Der Maschinen-Stator 104 mit der Maschinen-Statorwicklung 105 sind lediglich in 6 gezeigt. Im Betrieb erzeugt die Maschinen-Statorwicklung 105 ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Statorfeld bezeichnet wird. Dabei wirken Statorfeld und Rotorfeld derart zusammen, dass der Maschinen-Rotor 101 im Betrieb um die Rotationsachse 90 rotiert. Zum Erzeugen des Rotorfelds benötigt der Maschinen-Rotor 101, insbesondere die Maschinen-Rotorwicklung 103, eine Gleichspannung bzw. einen Gleichstrom. In den gezeigten Ausführungsbeispielen wird diese Gleichspannung der Maschinen-Rotorwicklung 103 mittels der Transformator-Sekundärspule 5 und somit mittels des Drehtransformators 1 zugeführt. Zu diesem Zweck ist, wie beispielweise 1 entnommen werden kann, zwischen der Transformator-Sekundärspule 5 und der Maschinen-Rotorwicklung 103 eine Gleichrichterschaltung 6 geschaltet, welche die Transformatorspannung in die Gleichspannung umwandelt. Zudem ist zu diesem Zweck, wie den 4 und 5 entnommen werden kann, der Drehtransformator-Rotor 4 drehfest an der Rotorwelle 102 und somit am Maschinen-Rotor 101 angebracht. Somit rotiert der Drehtransformator-Rotor 4 im Betrieb mit der Rotorwelle 102 und folglich mit dem Maschinen-Rotor 101 um die Rotationsachse 90. Zudem ist der Drehtransformator-Stator 2 zum Maschinen-Stator 104 fest und somit ortsfest. Die Gleichrichterschaltung 6 kann Bestandteils des Drehtransformators 1, insbesondere des Drehtransformator-Rotors 4, sein.
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Wie insbesondere 5 ferner entnommen werden kann, ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen der Drehtransformator 1 an einer axialen Stirnseite des Maschinen-Rotors 101 und zur Maschinen-Rotorwicklung 103 sowie zur Maschinen-Statorwicklung 105 beabstandet angeordnet.
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Die Transformator-Primärspule 3 benötigt zum Induzieren der Transformatorspannung in der Transformator-Sekundärspule 5 eine Wechselspannung oder eine getaktete Gleichspannung. Wie den 1 bis 3 sowie 7 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.
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Wie den 4 und 5 entnommen werden kann, weist der Drehtransformator-Rotor 4 in den gezeigten Ausführungsbeispielen eine Leiterplatte 8 auf, welche mit der Transformator-Sekundärspule 5 versehen ist. Die Leiterplatte 8 ist scheibenförmig ausgebildet und weist eine runde Form auf, ist also in der Art einer runden Scheibe bzw. eines Rings ausgebildet. Die Transformator-Sekundärspule 5 weist in den gezeigten Ausführungsbeispielen zumindest eine Leiterbahn 9 der Leiterplatte 8 auf, welche nachfolgend auch als Transformator-Leiterbahn 9 bezeichnet wird. In den gezeigten Ausführungsbeispielen besteht die Transformator-Sekundärspule 5 aus der zumindest einen Transformator-Leiterbahn 9 und ist als eine Planarwicklung 10 ausgebildet. Dabei weist die Leiterplatte 8 im Ausführungsbeispiel der 4 zwei zueinander axial beabstandete Transformator-Leiterbahnen 9 auf, welche die Rotationsachse 90 spiralförmig umgeben. Zudem ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen die zumindest eine Transformator-Leiterbahn 9 gänzlich in der Leiterplatte 8 angeordnet.
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Die drehfeste Verbindung der Rotorwelle 102 mit dem Drehtransformator-Rotor 4 ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen, wie den 4 und 5 entnommen werden kann, über eine in der Leiterplatte 8 zentrale Öffnung 14 realisiert, durch welche die Rotorwelle 102 greift.
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Wie den 4 und 5 entnommen werden kann, ist die Transformator-Primärspule 3 in den gezeigten Ausführungsbeispielen als eine Flachspule 11 ausgebildet. Wie den 4 und 5 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 innen 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.
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In den in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Gleichrichterschaltung 6 rein beispielhaft als ein Brückengleichrichter 16 mit vier Dioden Da, Db, Dc, Dd ausgebildet. Zudem ist die Wechselrichterschaltung 7 rein beispielhaft als ein Vollbrückenwechselrichter 17 ausgebildet, der vier Transistoren Ta, Tb, Tc, Td und zwei Treiberschaltungen Sa, Sb für die Transistoren Ta, Tb, Tc, Td aufweist.
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Die Anordnung 0 weist, wie den 1 bis 3 und 7 entnommen werden kann, eine Signalübertragungseinrichtung 20 zum Übertragen von Betriebssignalen mit dem Drehtransformator-Rotor 4 auf. Zu diesem Zweck weist die Signalübertragungseinrichtung 20 eine am Drehtransformator-Rotor 4 drehfeste Einheit 21 auf, welche im Betrieb drahtlos, insbesondere über Funk, Betriebssignale austauscht. Die Einheit 21 wird nachfolgend auch als Rotor-Signaleinheit 21 bezeichnet. In den gezeigten Ausführungsbeispielen tauscht die Rotor-Signaleinheit 21 Betriebssignale mit dem Drehtransformator-Stator 2 aus. Zu diesem Zweck weist die Signalübertragungseinrichtung 20 eine am Drehtransformator-Stator 2 feste Einheit 22 zum drahtlosen Übertragen von Betriebssignalen mit der Rotor-Signaleinheit 21, insbesondere über Funk, auf. Die am Drehtransformator-Stator 2 feste Einheit 22 wird nachfolgend auch als Stator-Signaleinheit 22 bezeichnet. Die Einheiten 21, 22 tauschen dabei Betriebssignale aus. Das heißt, dass die Einheiten 21, 22 Betriebssignale senden und/oder empfangen.
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Mit dem Betriebssignal ist es insbesondere möglich, den Drehtransformator 1 an den Erfordernissen des Synchronmotors 100 anzupassen. Insbesondere kann somit das Rotorfeld genauer geändert und/oder angepasst werden. Beim jeweiligen Betriebssignal kann es sich insbesondere um die an der Maschinen-Rotorwicklung 103 anliegenden Spannung und/oder um einen durch die Maschinen-Rotorwicklung 103 fließenden elektrischen Strom handeln. Das Betriebssignal kann ebenso ein Triggersignal für nicht gezeigte Schutzschaltungen am Drehtransformator-Rotor 4 und oder am Maschinen-Rotor 101 sein.
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Die elektrische Versorgung der Rotor-Signaleinheit 21 erfolgt in den gezeigten Ausführungsbeispielen mit einer Versorgungseinrichtung 23 der Anordnung 0. Die Versorgungseinrichtung 23 versorgt die Rotor-Signaleinheit 21 in den in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispielen über den Drehtransformator 1 mit einer Betriebsspannung. Dementsprechend ist die Versorgungseinrichtung 23 zum Drehtransformator-Rotor 4 und folglich zur Rotor-Signaleinheit 21 drehfest.
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Im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Versorgungseinrichtung 23 eine mit dem Drehtransformator-Rotor 4 drehfeste Spule 24 auf, die mit der Transformator-Primärspule 3 induktiv zusammenwirkt, sodass die Transformator-Primärspule 3 im Betrieb in der Spule 24 eine Spannung zur Versorgung der Rotor-Signaleinheit 21 mit der Betriebsspannung induziert. Die Spule 24 ist elektrisch von der Transformator-Sekundärspule 5 getrennt und wird nachfolgend auch als Versorgungsspule 24 bezeichnet. Dabei kann die Leiterplatte 8 mit der Versorgungsspule 24 versehen sein (nicht gezeigt). Dabei kann die Versorgungsspule 24 zumindest eine Leiterbahn 25 der Leiterplatte 8 aufweisen, welche nachfolgend auch als Versorgungs-Leiterbahn 25 bezeichnet wird. Insbesondere kann die Versorgungsspule 24 durch die zumindest eine Versorgungs-Leiterbahn 25 gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann, wie in 1 angedeutet, die Versorgungsspule 24 im Transformator-Magnetkern 12 aufgenommen sein.
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Beim in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel greift die Versorgungseinrichtung 23 die mittels der Gleichrichterschaltung 6 umgewandelte Gleichspannung zur Versorgung der Rotor-Signaleinheit 21 mit der Betriebsspannung ab. Im gezeigten Ausführungsbeispiel greift die Versorgungseinrichtung 23 die Gleichspannung zwischen der Gleichrichterschaltung 6 und der Maschinen-Rotorwicklung 103 ab.
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Beim in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel greift die Versorgungseinrichtung 23 an der Transformator-Sekundärspule 5 die Transformatorspannung zum Versorgen der Rotor-Signaleinheit 21 mit der Betriebsspannung ab.
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Beim in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Versorgungseinrichtung 23 elektrisch und magnetisch vom Drehtransformator 1 und somit von der Transformator-Primärspule 3 und der Transformator-Sekundärspule 5 getrennt. Die elektrische Versorgung der Rotor-Signaleinheit 21 erfolgt dabei induktiv. Zu diesem Zweck weist die Versorgungseinrichtung 23 eine ortsfeste und somit statorseitige Primärspule 29 sowie eine mit der Rotor-Signaleinheit 21 drehfeste und somit rotorseitige Sekundärspule 30 auf. Die Primärspule 29 wird nachfolgend auch als Versorgungs-Primärspule 29 und die Sekundärspule 30 als Versorgungs-Sekundärspule 30 bezeichnet. Im Betrieb induziert die Versorgungs-Primärspule 29 zum elektrischen Versorgen der Rotor-Signaleinheit 21 in der Versorgungs-Sekundärspule 30 eine Spannung, welche nachfolgend auch als Versorgungsspannung bezeichnet wird.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen weist die Versorgungseinrichtung 23 der Rotor-Signaleinheit 21 vorgeschaltet einen Spannungswandler 25 auf, welcher die induzierte und/oder abgegriffene Spannung und/oder die Versorgungsspannung in die Betriebsspannung umwandelt. Im Ausführungsbeispiel der 1 wandelt der Spannungswandler 25 die in der Versorgungsspule 24 induzierte Spannung in die Betriebsspannung um. Im Ausführungsbeispiel der 2 wandelt der Spannungswandler 25 die abgegriffene Gleichspannung in die Betriebsspannung um. Im Ausführungsbeispiel der 3 wandelt der Spannungswandler 25 die abgegriffene Transformatorspannung in die Betriebsspannung um. Im Ausführungsbeispiel der 7 wandelt der Spannungswandler 25 die Versorgungsspannung in die Betriebsspannung um. In den Ausführungsbeispielen der 3 und 7 umfasst die Umwandlung auch ein Gleichrichten der abgegriffenen Transformatorspannung bzw. der Versorgungsspannung.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen tauschen die Signaleinheiten 21, 22 die Betriebssignale über Bluetooth® aus. Dementsprechend weist die jeweilige Signaleinheit 21, 22 einen Bluetooth-Chip 27 auf oder ist als ein solcher ausgebildet.
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Wie den 1 bis 3 und 7 entnommen werden kann, weist die Signalübertragungseinrichtung 20 vorteilhaft eine Einrichtung 28 zum Auswerten eines mittels der Rotor-Signaleinheit 21 empfangenen Betriebssignals und/oder zum Erzeugen eines Betriebssignals zur Ausgabe mittels der Rotor-Signaleinheit 21 auf. Die Einrichtung 28, wird nachfolgend auch als Rotor-Auswerteeinrichtung 28 bezeichnet. Die Rotor-Auswerteeinrichtung 28 ist der Rotor-Signaleinheit 21 in Empfangsrichtung nachgeschaltet. Dabei kann die Rotor-Auswerteeinrichtung 28 zum Drehtransformator-Rotor 4 drehfest sein. Vorteilhaft weist die Signalübertragungseinrichtung 20 auch für die Stator-Signaleinheit 22 eine solche, nicht gezeigte Einrichtung auf.
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Wie 7 entnommen werden kann, ist im gezeigten Ausführungsbeispiel der Versorgungs-Primärspule 29 ein Spannungswandler 26 vorgeschaltet, um die für die Versorgungs-Primärspule 29 benötigte Wechselspannung und getaktete Gleichspannung bereitzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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