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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drehtransformatorsystem für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine, welches einen elektrischen Drehtransformator zur induktiven Energieübertragung aufweist. Die Erfindung betrifft zudem eine fremderregte elektrische Synchronmaschine mit einem solchen Drehtransformatorsystem. Zudem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Synchronmaschine sowie die Verwendung einer solchen Synchronmaschine als Traktionsmotor.
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Ein elektrischer Drehtransformator kommt zur induktiven Energieübertragung zum Einsatz. Zu diesem Zweck weist der Drehtransformator eine Primärwicklung sowie eine Sekundärwicklung auf. Die Primärwicklung ist üblicherweise ortsfest, wogegen die Sekundärwicklung relativ zur Primärwicklung 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 Primärwicklung auf, welche nachfolgend auch als Transformator-Primärwicklung bezeichnet wird. Der Rotor des Drehtransformators, nachfolgend auch als Drehtransformator-Rotor bezeichnet, weist gewöhnlich die Sekundärwicklung auf, welche nachfolgend auch als Transformator-Sekundärwicklung 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 einer Gleichspannung zum Erzeugen des magnetischen Felds versorgt wird. Die Versorgung der Rotorwicklung erfolgt mittels des Drehtransformators.
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Eine derartige Synchronmaschine mit einem Drehtransformator ist beispielsweise aus der
EP 2 869 316 B1 bekannt. Im Betrieb induziert die Transformator-Primärwicklung in der Transformator-Sekundärwicklung eine Spannung.
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Für den Betrieb einer solchen Synchronmaschine ist die relative Lage des Maschinen-Rotors zum Maschinen-Stator in Umfangsrichtung, nachfolgend auch als relative Drehposition bezeichnet, von Bedeutung. Zum Ermitteln der relativen Drehposition weisen Synchronmaschinen üblicherweise eine separate Einrichtung, beispielsweise einen Resolver, auf. Dies führt insbesondere zu einem erhöhten Montageaufwand sowie erhöhten Herstellungskosten und einen erhöhten Bauraumbedarf.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe für einen Drehtransformatorsystem mit einem Drehtransformator der eingangs genannten Art sowie für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine mit einem solchen Drehtransformator 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 das Drehtransformatorsystem sowie für die fremderregte elektrische Synchronmaschine und für das Kraftfahrzeug Ausführungsformen anzugeben, welche sich durch eine einfache Montage und/oder reduzierte Herstellungskosten und/oder einen reduzierten Bauraumbedarf 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, zur Ermittlung einer relativen Drehposition zwischen einem Stator und einem Rotor eine Sekundärwicklung eines der induktiven Energieübertragung dienenden Drehtransformators bezüglich im Betrieb erfolgten Rotationen der Sekundärwicklung um eine Rotationsachse asymmetrisch, also nicht rotationssymmetrisch, auszuführen und zumindest einen ortsfesten Sensor vorzusehen, welcher zur Sekundärwicklung parallel zur Rotationsachse beabstandet ist und mit der Sekundärwicklung elektromagnetisch zusammenwirkt, sodass der Sensor ein von der elektromagnetischen Zusammenwirkung abhängiges Signal ausgibt. Die Asymmetrie der Sekundärwicklung führt zu einer von der relativen Drehposition der Sekundärwicklung zum zumindest einen Sensor abhängigen Zusammenwirkung des zumindest einen Sensors mit der Sekundärwicklung. In der Folge ist das Signal des jeweiligen zumindest einen Sensors, nachfolgend auch als Sensorsignal bezeichnet, abhängig von der relativen Drehposition. Somit lässt sich die relative Drehposition vereinfacht und zuverlässig ermitteln. Beim Einsatz des Drehtransformators in einer zugehörigen, fremderregten elektrischen Synchronmaschine ist die Sekundärwicklung des Drehtransformators mit einem Rotor des Synchronmaschine drehfest und der zumindest eine Sensor zu einem Stator der Synchronmaschine fest, sodass die relative Drehposition des Rotors der Synchronmaschine zum Stator der Synchronmaschine zuverlässig ermittelt werden kann. Das Ermitteln der relativen Drehposition ist dabei jeweils zumindest teilweise im Drehtransformator integriert. Hierdurch können separate Einrichtungen zum Ermitteln der relativen Winkellage, wie beispielsweise ein Resolver, entfallen. In der Folge ist insbesondere eine vereinfachte Montage bei zugleich reduzierten Herstellungskosten und/oder reduziertem Bauraumbedarf realisiert.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist ein den elektrischen Drehtransformator umfassendes Drehtransformatorsystem zusätzlich zum Drehtransformator zumindest einen Sensor auf. Der Drehtransformator weist zur induktiven Energieübertragung eine Primärwicklung und die Sekundärwicklung auf, welche nachfolgend auch als Transformator-Primärwicklung und Transformator-Sekundärwicklung 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-Primärwicklung auf. Der Drehtransformator-Rotor weist die Transformator-Sekundärwicklung auf. Der Drehtransformator-Rotor ist relativ zum Drehtransformator-Stator um eine axial verlaufende Rotationsachse rotierbar. Im Betrieb rotiert somit der Drehtransformator-Rotor und folglich auch die Transformator-Sekundärwicklung relativ zum Drehtransformator-Stator um die Rotationsachse. Zur induktiven Energieübertragung und somit im Betrieb wirken die Transformator-Primärwicklung und die Transformator-Sekundärwicklung zum Erzeugen einer elektrischen Spannung in der Transformator Sekundärwicklung induktiv zusammen, wobei die Spannung nachfolgend auch als Transformatorspannung bezeichnet wird. Der zumindest eine Sensor ist zum Drehtransformator-Stator fest, sodass die Transformator-Sekundärwicklung im Betrieb relativ zum zumindest einen Sensor um die Rotationsachse rotiert. Der zumindest eine Sensor ist der Transformator-Sekundärwicklung axial benachbart angeordnet und derart ausgestaltet, dass er im Betrieb mit einem axial benachbarten Raum elektromagnetisch zusammenwirkt und ein der Zusammenwirkung entsprechendes Sensorsignal ausgibt. Die Transformator-Sekundärwicklung ist bezüglich Rotationen um die Rotationsachse asymmetrisch ausgebildet, sodass ein Füllgrad des jeweiligen zumindest einen Raums mit der Transformator-Sekundärwicklung bei unterschiedlichen relativen Drehpositionen des Drehtransformator-Rotors zum Drehtransformator-Stator variiert. In der Folge ist das Sensorsignal des jeweiligen zumindest einen Sensors abhängig von der relativen Drehpositionen des Drehtransformator-Rotors zum Drehtransformator-Stator.
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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. Ferner verläuft die Umfangsrichtung die Rotationsachse umgebend.
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Die Asymmetrie der Transformator-Sekundärwicklung ist bevorzugt bezüglich der Füllgrads im Raum des jeweiligen Sensors gegeben.
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Die Änderung des zumindest eines Sensorsignals abhängig von der relativen Drehposition kann zum Ermitteln der relativen Drehpositionen eingesetzt werden.
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Bevorzugt koppelt bei der elektromagnetischen Zusammenwirkung des jeweiligen Sensors mit der Transformator-Sekundärwicklung der Sensor mit der Transformator-Sekundärwicklung im dem Sensor zugehörigen Raum und gibt das zugehörige Sensorsignal aus. Die Asymmetrie der Transformator-Sekundärwicklung bezüglich Rotationen um die Rotationsachse führt dabei dazu, dass sich der Füllgrad des dem Sensor zugehörigen Raums bei der Rotation der Transformator-Sekundärwicklung um die Rotationsachse ändert. Dies führt zu einer entsprechenden Änderung der elektromagnetischen Kopplung des Sensors mit der Transformator-Sekundärwicklung und folglich zu einer Änderung des Sensorsignals.
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Vorteilhaft verläuft das im Betrieb von der Transformator-Sekundärwicklung erzeugte elektromagnetisch Feld senkrecht zum zumindest einen Sensor, das heißt parallel zur Rotationsachse. Somit kommt es im Betrieb zu einer von der relativen Drehposition abhängigen Änderung der Intensität des Sensorsignals.
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Folglich kann die relative Drehposition aus der Änderung der Intensität des zumindest einen Sensorsignals und folglich vereinfacht ermittelt werden .
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Der jeweilige zumindest eine Sensor kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen weist zumindest einer der wenigstens einen Sensoren eine Sensorspule auf. Somit ist der zumindest eine Sensor einfach und bauraumsparend umgesetzt. Zugleich liefert der Sensor auf diese Weise im Betrieb ein zuverlässiges und/oder einfach zu verarbeitende Sensorsignal.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen zumindest einer der Sensoren, vorteilhaft der jeweilige Sensor, als eine Sensorspule ausgebildet ist.
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Als vorteilhaft gelten Ausführungsformen, bei denen zumindest einer der wenigstens einen Sensorspulen, bevorzugt die jeweilige Sensorspule, in axialer Draufsicht elliptisch geformt ist. Somit kommt es zu einem größeren Unterschied zwischen den Sensorsignalen. Mit anderen Worten, es kommt somit zu einer verbesserten Auflösung der Sensorsignale. In der Folge lässt sich die relative Drehposition vereinfacht und verbessert ermitteln.
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Vorstellbar ist es auch, dass zumindest einer der wenigstens einen Sensoren einen Hallsensor aufweist oder als ein Hallsensor ausgebildet ist.
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Vorteilhaft verläuft die Transformator-Sekundärwicklung die Rotationsachse umgebend. Somit kann ein senkrecht zum Sensor bzw. parallel zur Rotationsachse verlaufendes elektromagnetisch Feld der Transformator-Sekundärwicklung auf einfache Weise erreicht werden. Insbesondere ist die Transformator-Sekundärwicklung dabei eine Planarwicklung.
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Vorteilhaft verläuft die Transformator-Primärwicklung die Rotationsachse umgebend. Somit kann insbesondere ein senkrecht zum Sensor bzw. parallel zur Rotationsachse verlaufendes elektromagnetisch Feld der Transformator-Primärwicklung erzeugt werden. Insbesondere ist die Transformator-Primärwicklung dabei eine Flachwicklung, beispielsweise eine Flachspule.
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Die Transformator-Primärwicklung und die Transformator-Sekundärwicklung können relativ zueinander beliebig angeordnet sind.
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Insbesondere sind Transformator-Primärwicklung und die Transformator-Sekundärwicklung axial gegenüberliegend angeordnet.
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Prinzipiell kann das Drehtransformatorsystem, nachfolgend auch kurz als System bezeichnet, lediglich einen einzigen Sensor aufweisen.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen weist das Drehtransformatorsystem zumindest zwei Sensoren auf, welche in einer Umfangsrichtung zueinander beabstandet und vorzugsweise zur Rotationsachse äquidistant sind. Somit lässt sich die relative Drehposition durch einen Vergleich der Sensorsignale und folglich einfacher und zuverlässiger ermitteln.
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Bevorzugten sind Ausführungsformen, bei denen zumindest zwei der wenigstens zwei Sensoren in Umfangsrichtung zueinander mit einem Winkel von 90° beabstandet sind. In der Folge lässt sich die relative Drehposition in Quadranten einfach und mit erhöhter Zuverlässigkeit ermitteln. Das System kann somit lediglich zwei Sensoren aufweisen, welche in Umfangsrichtung zueinander mit einem Winkel von 90° beabstandet sind.
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Vorteilhaft ist es, zumindest einen der wenigstens zwei Sensoren zum in Umfangsrichtung nächstbenachbarten Sensor mit einem vom ganzen Vielfachen von 90° abweichenden Abstand anzuordnen. Dies erlaubt es insbesondere, die relative Drehposition auch innerhalb der Quadranten genauer zu ermitteln.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen das System zumindest drei Sensoren aufweist, wobei wenigstens zwei der Sensoren in Umfangsrichtung zueinander mit einem Winkel von 90° beabstandet sind, und wobei zumindest einer der Sensoren zu den in Umfangsrichtung nächstbenachbarten Sensoren mit einem vom ganzen Vielfachen von 90° abweichenden Abstand beabstandet ist. Insbesondere kann das System drei Sensoren aufweisen. Somit lässt sich sowohl die relative Drehposition in Quadranten als auch die relative Drehposition innerhalb der Quadranten einfach und mit erhöhter Zuverlässigkeit ermitteln.
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Das System weist vorteilhaft eine Einrichtung zum Ermitteln der relativen Drehposition auf. Die Einrichtung, nachfolgend auch als Auswerteinrichtung bezeichnet, ist mit dem zumindest einen Sensor verbunden und derart ausgestaltet, dass sie aus dem zumindest einen Sensorsignal die relative Drehposition des Drehtransformator-Rotors zum Drehtransformator-Stator ermittelt.
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Vorteilhaft ist die Auswerteinrichtung zur Signalaufbereitung und zur Ermittlung der relativen Drehposition ausgestaltet. Zu diesem Zweck kann die Auswerteinrichtung einen Mikrokontroller aufweisen.
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Die Ermittlung der relativen Drehposition kann prinzipiell auf beliebige Weise erfolgen.
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Als vorteilhaft gelten Ausführungsformen, bei denen das System zumindest zwei Sensoren aufweist, wobei die Auswerteinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie die relative Drehposition durch einen Vergleich der Sensorsignale ermittelt.
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Bei vorteilhaften Ausführungsformen ist in der Auswerteinrichtung für relative Drehpositionen zugehörige Signale des zumindest einen Sensors hinterlegt, wobei die Auswerteinrichtung die relative Drehposition durch einen Vergleich des hinterlegten Signals, nachfolgend auch als Referenzsignal bezeichnet, mit dem vom zumindest einen Sensor ausgegebenen Sensorsignals ermittelt. In der Auswerteinrichtung sind also für relative Drehpositionen des Drehtransformator-Rotors zum Drehtransformator-Stator zugehörige Referenzsignale hinterlegt. Die Auswerteinrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass sie die relative Drehposition durch einen Vergleich des zumindest einen ausgegebenen Sensorsignals mit den Referenzsignalen ermittelt. Das Resultat ist eine einfache Ausgestaltung der Auswerteinrichtung bei zugleich zuverlässiger Ermittlung der relativen Drehposition.
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Die Asymmetrie der Transformator-Sekundärwicklung bezüglich Rotationen um die Rotationsachse kann auf beliebige Weise realisiert sein.
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Bei vorteilhaften Ausführungsformen ist die Transformator-Sekundärwicklung in axialer Draufsicht bezüglich Rotationen um die Rotationsachse B-fach symmetrisch, wobei B eine natürliche Zahl gleich oder größer 1 ist.
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Vorstellbar ist es, eine an sich rotationssymmetrische Transformator-Sekundärwicklung radial zur Rotationsachse versetzt anzuordnen und somit eine zur Rotationsachse asymmetrische Ausführung der Transformator-Sekundärwicklung zu erreichen. In diesem Fall ist die Transformator-Sekundärwicklung also bezüglich Rotationen um die Rotationsachse einfach symmetrisch, sodass gilt: B = 1.
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Denkbar ist es, dass die Transformator-Sekundärwicklung in axialer Draufsicht bezüglich Rotationen um die Rotationsachse zweifach symmetrisch ist, sodass gilt: B = 2. Bevorzugt ist die Transformator-Sekundärwicklung dabei in axialer Draufsicht elliptisch.
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Die Transformator-Sekundärwicklung weist vorteilhaft zumindest einen radialen Vorsprung auf. Das heißt, dass Die Transformator-Sekundärwicklung eine Anzahl M von radialen Vorsprüngen aufweist, wobei M eine natürliche Zahl gleich oder größer 1 ist. Bevorzugt führt der jeweilige zumindest eine Vorsprung zu einer Asymmetrie der Transformator-Sekundärwicklung. Weist die Transformator-Sekundärwicklung zwei oder mehr Vorsprünge auf, sind diese in Umfangsrichtung zueinander, bevorzugt äquidistant, beabstandet. Somit kann die asymmetrische Ausführung der Transformator-Sekundärwicklung auf einfache Weise mit den Vorsprüngen umgesetzt werden. Zudem erfolgt mit dem zumindest einen Vorsprung eine Verstärkung des vom relativen Drehwinkel abhängigen Füllgrads im jeweiligen Raum. Somit erfolgt eine verstärkte, von der relativen Drehposition abhängige Änderung des jeweiligen Sensorsignals. In der Folge lässt sich der relativen Drehwinkel vereinfacht und/oder zuverlässiger ermitteln.
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Der jeweilige zumindest eine radiale Vorsprung kann dabei sowohl radial nach außen als auch radial nach innen abstehen.
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Die Anzahl M der Vorsprünge entspricht bevorzugt der B-fach symmetrischen Ausbildung der Transformator-Sekundärwicklung, sodass gilt: M = B. Somit lässt sich die asymmetrische Ausführung der Transformator-Sekundärwicklung lediglich durch den zumindest einen Vorsprung umsetzen. Dies führt zu einer vereinfachten Ausbildung und Herstellung des Systems und einer verbesserten und vereinfachten Ermittlung der relativen Drehposition.
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Vorstellbar ist es dabei, für den jeweiligen Vorsprung einen zugehörigen Sensor vorzusehen. Alternativ oder zusätzlich ist es vorstellbar, eine Anzahl Ader Sensoren an der B-Fach symmetrischen Ausführung der Transformator-Sekundärwicklung anzupassen. Dabei kann die Anzahl A der Sensoren zumindest B betragen. Bevorzugt beträgt die Anzahl A der Sensoren zumindest zwei, insbesondere drei oder zumindest drei.
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Der Drehtransformator-Rotor kann eine Leiterplatte aufweisen, welche mit der Transformator-Sekundärwicklung versehen ist. Vorstellbar ist es auch, die Transformator-Sekundärwicklung mit einer Kunststoffmasse zu vergießen.
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Bevorzugt sind Ausführungsformen bei denen die Transformatorwicklungen in einem zum Drehtransformator-Stator festen Magnetkern angeordnet sind. Somit kommt es zu einer verbesserten induktiven Zusammenwirkung der Transformatorspulen miteinander. Der Magnetkern, nachfolgend auch als Transformator-Magnetkern bezeichnet, kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein. Insbesondere handelt es sich beim Magnetkern um einen Ferritkörper.
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Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen zumindest einer der wenigstens einen Sensoren, bevorzugt der jeweilige Sensor, im Transformator-Magnetkern angeordnet ist. Somit kommt es zu einer verbesserten/verstärkten Kopplung des Sensors mit dem Feld der Transformator-Sekundärwicklung und folglich insbesondere zu einer verbesserten Ausgabe des Sensorsignals.
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Das Drehtransformatorsystem kommt bevorzugt in einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine, insbesondere in einem fremderregten elektrischen Synchronmotor, zum Einsatz.
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Die fremderregte elektrische 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 mit einer Polpaarzahl P auf, welche im Betrieb ein magnetisches Rotorfeld erzeugt. Die Wicklung des Maschinen-Rotors wird nachfolgend auch als Maschinen-Rotorwicklung bezeichnet. Die Synchronmaschine weist ferner einen Stator auf, welcher nachfolgend auch als Maschinen-Stator bezeichnet wird. Der Maschinen-Stator weist eine zum Maschinen-Stator feste Wicklung auf, welche nachfolgend auch als Maschinen-Statorwicklung bezeichnet wird. Die Maschinen-Statorwicklung erzeugt im Betrieb ein magnetisches Statorfeld, welches mit dem Rotorfeld derart zusammenwirkt, dass der Maschinen-Rotor im Betrieb um die axiale Rotationsachse rotiert. Dabei ist der Drehtransformator-Stator zum Maschinen-Stator fest ist. Ferner ist der Drehtransformator-Rotor drehfest am Maschinen-Rotor angebracht. Somit ist die Transformator-Sekundärwicklung drehfest am Maschinen-Rotor und rotiert im Betrieb mit dem Maschinen-Rotor um die Rotationsachse.
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Die Maschinen-Rotorwicklung benötigt im Betrieb zum Erzeugen des Rotorfelds eine Gleichspannung bzw. einen Gleichstrom. Die Maschinen-Rotorwicklung ist mit der Transformator-Sekundärwicklung verbunden, derart, dass die Maschinen-Rotorwicklung mit der Gleichspannung bzw. mit dem Gleichstrom zum Erzeugen des Rotorfelds versorgt ist. Zu diesem Zweck ist vorteilhaft zwischen der Transformator-Sekundärwicklung und der Maschinen-Rotorwicklung eine Gleichrichterschaltung geschaltet.
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Die Maschinen-Rotorwicklung und die Maschinen-Statorwicklung können jeweils zumindest eine Spule aufweisen.
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Da die Transformator-Sekundärwicklung drehfest mit dem Maschinen-Rotor verbunden ist, entspricht die ermittelte relative Drehposition einer relativen Drehposition des Maschinen-Rotors zum Maschinen-Stator.
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Von Interesse ist dabei insbesondere die relative Drehposition der Polpaare, insbesondere der Pole, der Maschinen-Rotorwicklung.
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Bevorzugt sind dementsprechend Ausführungsformen, bei denen die Asymmetrie der Transformator-Sekundärwicklung an die Polpaarzahl P angepasst ist. Die Anpassung ist vorteilhaft derart, dass für zumindest einen Pol des jeweiligen Polpaars eine relative Drehposition ermittelt werden kann. Dies ist insbesondere dadurch erreicht, dass eine relative Ausrichtung der Asymmetrie der Transformator-Sekundärwicklung zu den Polen vorgegeben ist. Insbesondere entspricht die Asymmetrie dabei der Polpaarzahl P.
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Die Anpassung der Asymmetrie an die Polpaarzahl P ist bevorzugt derart, dass die Symmetriezahl B bei geraden Polpaarzahlen P gerade ist. Somit lässt sich insbesondere für das jeweilige Polpaar die relative Drehposition vereinfacht und zuverlässig bestimmen.
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Dabei kann die Symmetriezahl B bei geraden Polpaarzahlen P 2 entsprechen. Das heißt, dass die Transformator-Sekundärwicklung bei geraden Polpaarzahlen zweifach symmetrisch ist. Da die Polpaare zueinander in Umfangsrichtung mit einem vorgegebenen bekannten Abstand angeordnet sind, ist es möglich, mit der zweifach symmetrischen Ausführung der Transformator-Sekundärwicklung auch für gerade Polpaarzahlen größer als 2 für die Pole aller Polpaare die relative Drehposition zu ermitteln.
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Alternativ kann die Symmetriezahl B bei geraden Polpaarzahlen P der Polpaarzahl P entsprechen, sodass stets gilt B = P.
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Die Anpassung der Asymmetrie der Transformator-Sekundärwicklung an die Polpaarzahl P ist bei ungeraden Polpaarzahlen P vorteilhaft derart, dass die Symmetriezahl B ungerade ist.
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Bevorzugt entspricht die Symmetriezahl B bei einer Polpaarzahl P von 1 der Polpaarzahl. Das heißt, dass die Transformator-Sekundärwicklung bei einer Polpaarzahl von 1 einfach symmetrisch ist. Somit lässt sich die relative Drehposition der Pole einfach und zuverlässig ermitteln.
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Die Symmetriezahl B der Transformator-Sekundärwicklung kann bei ungeraden Polpaarzahlen P, welche größer als 1 sind, 3 entsprechen. Das heißt, dass die Transformator-Sekundärwicklung bei ungeraden Polpaarzahlen, die gleich oder größer 3 sind, dreifach symmetrisch sein kann. Da die Polpaare zueinander in Umfangsrichtung mit einem vorgegebenen bekannten Abstand angeordnet sind, ist es somit möglich, auch für ungerade Polpaarzahlen größer als 3 für die Pole aller Polpaare die relative Drehposition zu ermitteln.
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Bei vorteilhaften Ausführungsformen fluchtet zumindest einer der wenigstens einen Vorsprünge mit einem zugehörigen Pol der Maschinen-Rotorwicklung axial. Das heißt, dass die relative Drehposition des Vorsprungs der relativen Drehposition des zugehörigen Pols entspricht. Somit lässt sich die relative Drehposition des Pols auf einfache und zuverlässige Weise sowie präziser ermitteln. Besonders bevorzugt ist es, wenn der jeweilige zumindest eine Vorsprung mit einem zugehörigen Pol der Maschinen-Rotorwicklung axial fluchtet.
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Die Synchronmaschine kann prinzipiell in beliebigen Anwendungen zum Einsatz kommen.
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Insbesondere kann die Synchronmaschine als ein Traktionsmotor zum Einsatz kommen.
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Auch kann die Synchronmaschine als ein Stellmotor zum Verstellen eines Verstellelements, beispielsweise eines Ventils und dergleichen, 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 ein Traktionsmotor des Kraftfahrzeugs.
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Der Traktionsmotor kann insbesondere Leitungen zwichen 100 kW und 240 kW, insbesondere 140 kW, liefern.
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Es versteht sich, dass neben dem Drehtransformatorsystem auch die fremderregte elektrische Synchronmaschine sowie das Kraftfahrzeug und die Verwendung der Synchronmaschine als Traktionsmotor 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 einem Drehtransformatorsystem in einem Kraftfahrzeug,
- 2 einen stark vereinfachten Schnitt durch die fremderregte elektrische Synchronmaschine,
- 3 eine isometrische, teilweise geschnittene Ansicht eines Maschinen-Rotors der fremderregten elektrischen Synchronmaschine mit dem Drehtransformatorsystem,
- 4 eine isometrische, teilweise geschnittene Ansicht des Drehtransformatorsystems,
- 5 eine Draufsicht auf einen Teil eines Drehtransformators des Drehtransformatorsystems,
- 6 bis 8 eine Draufsicht auf einen Teil eines Drehtransformators bei unterschiedlichen Drehpositionen,
- 9 Diagramme von Signalen des Drehtransformatorsystems,
- 10 eine Draufsicht auf einen Teil des Drehtransformatorsystems bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
- 11 eine isometrische Ansicht des in 10 gezeigten Aufbaus,
- 12 Diagramme von Signalen des Drehtransformatorsystems der 10 und 11,
- 13 eine Draufsicht auf einen Teil eines Drehtransformatorsystems bei einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- 14 die Ansicht aus 13 bei einem anderen Ausführungsbeispiel.
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Ein Drehtransformatorsystem 0, wie es beispielsweise in den 1 bis 8 sowie 10, 11, 13 und 14 gezeigt ist, weist einen elektrischen Drehtransformator 1 als induktiven Energieübertrager auf. Das Drehtransformatorsystem 0, oder kurz System 0, kann in einer in den 1 bis 4 gezeigten fremderregten elektrischen Synchronmaschine 100 zum Einsatz kommen. Das System 0 und/oder die Synchronmaschine 100 können in einem Kraftfahrzeig 200, wie es in 1 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. Die fremderregte elektrische Synchronmaschine 100 kann also insbesondere als Traktionsmotor 120 eingesetzt werden.
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Wie beispielsweise den 1 sowie 3 bis 6 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 4 wird nachfolgend als Drehtransformator-Rotor 4 bezeichnet. Der Drehtransformator-Rotor 4 ist relativ zum Drehtransformator-Stator 2 um eine axial verlaufende Rotationsachse 90 rotierbar. 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 Primärwicklung 3 und der Drehtransformator-Rotor 4 eine Sekundärwicklung 5 auf. Die Primärwicklung 3 und die Sekundärwicklung 5 sind, wie beispielweise den 3 bis 5 entnommen werden kann, in den gezeigten Ausführungsbeispielen axial gegenüberliegend angeordnet. Im Betrieb induziert die Primärwicklung 3, welche nachfolgend auch als Transformator-Primärwicklung 3 bezeichnet wird, in der Sekundärwicklung 5, welche nachfolgend auch als Transformator-Sekundärwicklung 5 bezeichnet wird, eine Wechselspannung oder eine getaktete Gleichspannung, 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, insbesondere koaxial, zur Rotationsachse 90. Zudem verläuft „radial“ quer zur Rotationsachse 90. Ferner verläuft die Umfangsrichtung 91 die Rotationsachse 90 umgeben.
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Die fremderregte elektrische Synchronmaschine 100, nachfolgend auch kurz als Synchronmaschine 100 bezeichnet, weist, wie insbesondere 2 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 Wicklung 103 wird nachfolgend auch als Maschinen-Rotorwicklung 103 bezeichnet. Die Maschinen-Rotorspule 103 ist in 1 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 Maschinen-Rotorwicklung 103 weist dabei eine Polpaarzahl P auf (siehe 5 sowie 13 und 14). Das heißt, dass die Maschinen-Rotorwicklung 103 im Betrieb das Rotorfeld mit der Polpaarzahl P erzeugt. Die Synchronmaschine 100 weist 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 Wicklung 105 auf (siehe 2), welche nachfolgend auch als Maschinen-Statorwicklung 105 bezeichnet wird. Im Betrieb erzeugt die Maschinen-Statorwicklung 105 ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Statorfeld bezeichnet wird. Die jeweilige Wicklung 103, 105 kann zumindest eine Spule aufweisen oder bilden. 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 und somit einen Gleichstrom. Diese Gleichspannung wird der Maschinen-Rotorwicklung 103 mittels der Transformator-Sekundärwicklung 5 und somit mittels des Drehtransformators 1 zugeführt. Zu diesem Zweck ist, wie 1 entnommen werden kann, zwischen der Transformator-Sekundärwicklung 5 und der Maschinen-Rotorwicklung 103 eine Gleichrichterschaltung 6 geschaltet, welche die Transformatorspannung in die Gleichspannung umwandet. Zudem ist zu diesem Zweck, wie beispielsweise den 3 und 4 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 Systems 0 sein.
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Wie insbesondere 3 ferner entnommen werden kann, ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen das System 0 mit dem Drehtransformator 1 an einer axialen Stirnseite der Maschinen-Rotors 101 und zur Maschinen-Rotorwicklung 103 sowie zur Maschinen-Statorwicklung 105 beabstandet angeordnet.
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Die Transformator-Primärwicklung 3 benötigt zum Induzieren der Transformatorspannung in der Transformator-Sekundärwicklung 5 eine Wechselspannung oder eine getaktete Gleichspannung. Wie 1 entnommen werden kann, wird die Transformator-Primärwicklung 3 in den gezeigten Ausführungsbeispielen über eine elektrische Energiequelle 201 versorgt, welche eine Gleichspannung bereitstellt. Bei der Energiequelle 201 handelt es beispielweise um eine Batterie 202 des Kraftfahrzeugs 200. Zum Versorgen der Transformator-Primärwicklung 3 mit der Wechselspannung oder der getakteten Gleichspannung ist zwischen der Energiequelle 201 und der Transformator-Primärwicklung 3 eine Wechselrichterschaltung 7 vorgesehen. Die Wechselrichterschaltung 7 wandelt die Gleichspannung der Energiequelle 201 in die Wechselspannung bzw. in die getaktete Gleichspannung für die Transformator-Primärwicklung 3 um.
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Wie den 3 und 4 entnommen werden kann, weist der Drehtransformator-Rotor 4 in den gezeigten Ausführungsbeispielen eine Leiterplatte 8 auf, welche mit der Transformator-Sekundärwicklung 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-Sekundärwicklung 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-Sekundärwicklung 5 aus der zumindest einen Transformator-Leiterbahn 9 und ist als eine Planarwicklung 10 ausgeführt. Die drehfeste Verbindung der Rotorwelle 102 mit dem Drehtransformator-Rotor 4 ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen, wie beispielsweise 3 entnommen werden kann, über eine in der Leiterplatte 8 zentrale Öffnung 14 realisiert, durch welche die Rotorwelle 102 greift. Dabei ist die Rotorwelle 102 mit der Leierplatte 8 verschraubt.
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Die 5 sowie 10 und 11 zeigt lediglich die Transformator-Primärwicklung 3 und die Transformator-Sekundärwicklung 5 des Drehtransformators 1. Die 6 bis 8 zeigen lediglich die Transformator-Sekundärwicklung 5 des Drehtransformators 1 in Umrissen.
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Wie beispielsweise 3 entnommen werden kann, kann die Transformator-Primärwicklung 3 als eine Flachspule 11 ausgebildet sein. Wie den 3 und 4 entnommen werden kann, sind die Transformator-Primärwicklung 3 und die Transformator-Sekundärwicklung 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-Sekundärwicklung 5 in den Transformator-Magnetkern 12 eindringt und darin rotierbar angeordnet ist. Zudem kann der Transformator-Magnetkern 12, wie beispielsweise 3 entnommen werden kann eine axial offene Ausnehmung 15 aufweisen, in welcher die Transformator-Primärwicklung 3 angeordnet ist.
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In dem in 1 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 Treiberschalter Sa-b für die Transistoren Ta-d aufweist.
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Wie den 4 sowie 10 und 11 entnommen werden kann, weist das System 0 zumindest einen Sensor 20 auf, der lediglich in diesen 4 sowie 10 und 11 gezeigt ist. In 4 ist der zumindest einen Sensor 20 zum besseren Verständnis vergrößerte dargestellt.
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Der zumindest eine Sensor 20 ist zum Drehtransformator-Stator 2 fest und der Transformator-Sekundärwicklung 5 axial benachbart angeordnet. Die Transformator-Sekundärwicklung 5 rotiert also im Betrieb relativ zum zumindest einen Sensor 20 um die Rotationsachse 90. Zudem ist der zumindest eine Sensor 20 derart ausgestaltet ist, dass er im Betrieb mit einem zugehörigen axial benachbarten Raum magnetisch zusammenwirkt und ein der Zusammenwirkung entsprechendes Sensorsignal 21 (siehe 9 und 12) ausgibt. Der Raum ist auf der axial der Transformator-Sekundärwicklung 5 zugewandten Seite des jeweiligen Sensors 20 angeordnet. Beim jeweiligen Sensorsignal 21 handelt es sich in den gezeigten Ausführungsbeispielen um eine mittels des elektromagnetischen Felds der Transformator-Sekundärwicklung 5 im zugehörigen Sensor 20 induzierte Spannung. Dabei ist der jeweilige zumindest eine Sensor 20 bevorzugt eine Sensorspule 22.
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Wie beispielsweise den 5 bis 8, den 10 und 11 sowie den 13 und 14 entnommen werden kann, ist die Transformator-Sekundärwicklung 5 bezüglich Rotationen um die Rotationsachse 90 asymmetrisch ausgebildet, sodass ein Füllgrad des jeweiligen zumindest einen Raums mit der Transformator-Sekundärwicklung 5 bei unterschiedlichen relativen Drehpositionen 18 des Drehtransformator-Rotors 4 zum Drehtransformator-Stator 2 variiert, und sodass das Sensorsignal 21 des jeweiligen zumindest einen Sensors 20 abhängig von der relativen Drehpositionen 18 des Drehtransformator-Rotors 4 zum Drehtransformator-Stator 2 ist. In dem in den 4 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das System 0 zwei Sensoren 20, nämlich einen ersten Sensor 20a und einen zweiten Sensor 20b auf. Der zweite Sensor 20b ist dabei zum ersten Sensor 20a in Umfangsrichtung 91 mit einem Abstand von 90° beabstandet.
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Der Füllgrad des jeweiligen Raums mit der Transformator-Sekundärwicklung 5 ist in den 6 bis 8 erläutert. Dabei sind die Positionen der Sensoren 20 mit Kreisen K angedeutet. Die Position des ersten Sensors 20a und somit des zugehörigen Raums ist mit Ka und die Position des zweiten Sensors 20b mit Kb bezeichnet. Dabei zeigen die 6 bis 8 jeweils eine zugehörige relative Drehposition 18, sodass insgesamt drei relative Drehpositionen 18a-c der Transformator-Sekundärwicklung 5 zum Drehtransformator-Stator 2 und folglich zu den beiden Sensoren 20 und den zugehörigen Positionen K und folglich Räumen. Aus den 6 bis 8 geht hervor, dass der Füllgrad des jeweiligen angedeuteten Kreises K mit der Transformator-Sekundärwicklung 5 abhängig von der relativen Drehposition 18 ist.
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Im Betrieb koppelt der jeweilige Sensor 20 elektromagnetisch mit der Transformator-Sekundärwicklung 5 im zugehörigen Raum und gibt ein zugehöriges Sensorsignal 21 aus. Die Änderung des Füllgrads führt somit zu einer Änderung der elektromagnetischen Kopplung des jeweiligen Sensors 20 und somit einer Änderung des Sensorsignals 21 der jeweiligen Sensors 20. Somit kann aus der Änderung der Sensorsignale 21 die Drehposition 18 ermittelt werden.
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Die „Asymmetrie“ der Transformator-Sekundärwicklung 5 ist dabei bezüglich des Füllgrad des jeweiligen Raums des zumindest einen Sensors 20 mit der Transformator-Sekundärwicklung 5 zu verstehen. Mit anderen Worten, der Füllgrad und somit die elektromagnetische Zusammenwirkung des jeweiligen zumindest einen Sensors 20 ändert sich abhängig von der Drehposition 18. Die Transformator-Sekundärwicklung 5 ist also diesbezüglich nicht rotationssym metrisch.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen und bevorzugt steht dabei das magnetische Feld der Transformator-Sekundärwicklung 5 senkrecht zum zumindest einen Sensor 20. In der Folge kommt es durch die relative Drehung der Transformator-Sekundärwicklung 5 zum jeweiligen Sensor 20 um die Rotationsachse 90 zu einer Änderung der Intensität des Sensorsignals 21 abhängig vom Füllgrad und folglich abhängig von der relativen Drehposition 18.
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Wie den 4 bis 8 sowie 10 und 11 entnommen werden kann, weist das System 0 in diesen Ausführungsbeispielen zumindest zwei Sensoren 20 auf. Die Sensoren 20 sind dabei in Umfangsrichtung 91 zueinander beabstandet. Zudem sind die Sensoren 20 in den gezeigten Ausführungsbeispielen zur Rotationsachse 90 äquidistant. Der Einsatz von zumindest zwei Sensoren 20 erlaubt es, die relative Drehposition 18 durch einen Vergleich der Sensorsignale 21 und somit genauer zu ermitteln. Dies ist in 9 erläutert.
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Dabei zeigt 9 drei Diagramme, welche mit a), b) und c) bezeichnet sind. Das oberste, mit a) bezeichnete Diagramm zeigt die im Betrieb in der Transformator-Sekundärwicklung 5 induzierte Transformatorspannung. Das mittlere, mit b) bezeichnete Diagramm zeigt die im Betrieb im ersten Sensor 20a induzierte Spannung und somit das Sensorsignal 21 des ersten Sensors 20a, welches nachfolgend auch als erstes Sensorsignal 21a bezeichnet wird. Das untere, mit c) bezeichnete Diagramm zeigt die im Betrieb im zweiten Sensor 20b induzierte Spannung und somit das Sensorsignal 21 des zweiten Sensors 20b, welches nachfolgend auch als zweites Sensorsignal 21 b bezeichnet wird. In den Diagrammen b) und c) ist ferner eine das jeweilige Sensorsignale 21 einhüllende Kurve 24 gezeigt. Dabei ist erkennbar, dass sowohl die das erste Sensorsignal 21a einhüllende Kurve 24a als auch die das zweite Sensorsignal 21b einhüllende Kurve 24b eine periodische und zueinander phasenversetzte Form zeigen. In 9 weisen die Kurven 24 jeweils eine Sinusform auf. Aus den periodischen und zueinander phasenversetzten Kurven 24 lässt sich somit die relative Drehposition 18 der Transformator-Sekundärwicklung 5 und somit des Drehtransformator-Rotors 4 zum Drehtransformator-Stator 2 und folglich die relative Drehposition 18 des Maschinen-Rotors 101 zum Maschinen-Stator 104 ermitteln.
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Die Auswertung der Sensorsignale 21 und die Ermittlung der relativen Drehposition 18 erfolgt durch eine in 1 angedeutete Auswerteinrichtung 23, welche mit den Sensoren 20 verbunden und entsprechend ausgestaltet ist. Die Auswerteinrichtung 23 kann dabei Bestandteil des Systems 0 oder der Synchronmaschine 100 sein. Dabei erfolgt in der Auswerteinrichtung 23 bevorzugt auch eine Signalaufbereitung des zumindest einen Sensorsignals 21. Zu diesem Zweck kann die Auswerteinrichtung 23 beispielsweise einen nicht gezeigten Mikrokontroller umfassen.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Asymmetrie der Transformator-Sekundärwicklung 5 an die Polpaarzahl P der Maschinen-Rotorwicklung 102 angepasst, wie in den 5 sowie 13 und 14 angedeutet. In den 5 sowie 13 und 14 sind die Pole mit „N“ und „S“ bezeichnet.
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Wie insbesondere den 5 sowie 13 und 14 entnommen werden kann, ist die Transformator-Sekundärwicklung 5 in den gezeigten Ausführungsbeispielen in axialer Draufsicht bezüglich Rotationen um die Rotationsachse 90 B-fach symmetrisch, wobei B eine natürliche Zahl gleich oder größer eins ist.
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In den 4 bis 8 sowie 10 und 11 beträgt B zwei, sodass die Transformator-Sekundärwicklung 5 zweifach symmetrisch ist. Dabei weist die Transformator-Sekundärwicklung 5 eine Anzahl M von radialen Vorsprüngen 19 auf, welche in Umfangsrichtung 91 zueinander äquidistant beabstandet sind, wobei M eine natürliche Zahl gleich oder größer 1 ist. In diesen Ausführungsbeispielen beträgt M zwei. Die Transformator-Sekundärwicklung 5 ist somit in axialer Draufsicht elliptisch geformt. Somit beträgt die Anzahl M der Vorsprünge 19 der B-fach symmetrischen Ausbildung der Transformator-Sekundärwicklung 5, sodass gilt: M = B. Somit die die B-fach Symmetrie der Transformator-Sekundärwicklung 5 durch die Vorsprünge 19 realisiert.
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Wie 5 entnommen werden kann, weist die Maschinen-Rotorwicklung 103 im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Polpaare auf, die Polpaarzahl P beträgt somit zwei. Die Polpaarzahl P entspricht also der B-fach Symmetrie bzw. der Anzahl der Vorsprünge 19 der Transformator-Sekundärwicklung 5, es gilt also B = P. Zudem entspricht die Anzahl A der Sensoren 20 im gezeigten Ausführungsbeispiel ebenfalls zwei und somit der Polpaarzahl P. Wie 5 ferner entnommen werden kann, ist die Anpassung der Asymmetrie der Transformator-Sekundärwicklung 5 an die Polpaarzahl P derart, dass der jeweilige Vorsprung 19 axial mit einem zugehörigen Pol, vorliegend mit einem zugehörigen „N“-Pol fluchtet. Somit entspricht die relative Drehposition 18 des jeweiligen Vorsprungs 19 der relativen Drehposition 18 des zugehörigen Pols. In der Folge wird mit den beiden Sensoren 20 auch die relative Drehposition 18 der Pole der Maschinen-Rotorwicklung 103 zum Maschinen-Stator 104 und folglich zur Maschinen-Statorwicklung 105 ermittelt. Dabei erlauben es die beiden Sensoren 20 des Ausführungsbeispiels der 3 bis 8, die relative Drehposition 18 des jeweiligen Pols in einem Quadranten zuverlässig zu ermitteln.
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Das in den 10 und 11 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom in den 4 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass das System 0 einen weiteren Sensor 20 und somit auch einen dritten Sensor 20c aufweist. Der dritte Sensor 20c ist zu den anderen Sensoren 20a, 20b in Umfangsrichtung 91 um einen Winkel beabstandet, der von einem ganzen Vielfachen von 90° abweicht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der dritte Sensor 21c zum zweiten Sensor 21b in Umfangsrichtung 91 mit einem Winkel von 135° beabstandet. Mit dem dritten Sensor 20c ist eine genauere Ermittlung der relativen Drehposition 18 auch innerhalb der Quadranten möglich. Mit Bezug auf die Pole kann somit nicht nur Ihre Position in Quadranten zuverlässig ermittelt werden, sondern auch die relative Drehposition 18 innerhalb des jeweiligen Quadranten besser ermittelt werden.
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12 zeigt die Sensorsignale 21 der drei Sensoren 20 des in den 10 und 11 gezeigten Systems 0 in drei Diagrammen. Das oberste, mit a) bezeichnete Diagramm zeigt die im Betrieb im ersten Sensor 20a induzierte Spannung und somit das Sensorsignal 21a des ersten Sensors 20a, also das erste Sensorsignal 21a. Das mittlere, mit b) bezeichnete Diagramm zeigt die im Betrieb im zweiten Sensor 20b induzierte Spannung und somit das Sensorsignal 21b des zweiten Sensors 20b und folglich das zweite Sensorsignal 21b. Das untere, mit c) bezeichnete Diagramm zeigt die im Betrieb im dritten Sensor 20c induzierte Spannung und somit das Sensorsignal 21 des dritten Sensors 20c, welches nachfolgend auch als drittes Sensorsignal 21c bezeichnet wird. Wie den Diagrammen entnommen werden kann, zeigen die Sensorsignale 21 einen periodischen Verlauf und sind jeweils zueinander phasenversetzt.
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Wie den 13 und 14 entnommen werden kann, ist eine analoge Umsetzung für andere Polpaarzahlen P sowie andere Asymmetrien der Transformator-Sekundärwicklung 5 möglich.
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Im Ausführungsbeispiel der 13 ist die Asymmetrie der Transformator-Sekundärwicklung 5 bezüglich Rotationen und die Rotationsachse 90 durch eine radial zur Rotationsachse 90 versetzte Anordnung der Transformator-Sekundärwicklung 5 realisiert. Dabei ist die Transformator-Sekundärwicklung 5 im gezeigten Ausführungsbeispiel in axialer Draufsicht im Wesentlichen rund. Somit beträgt B eins, sodass die Transformator-Sekundärwicklung 5 bezüglich Rotationen um die Rotationsachse 90 einfach symmetrisch ist. Beim Ausführungsbeispiel der 13 beträgt die Polpaarzahl P eins. Dabei ist die Transformator-Sekundärwicklung 5 radial zur Rotationsachse 90 hin zu einem der Pole, im gezeigten Ausführungsbeispiel hin zum „N“-Pol, versetzt.
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Im in 14 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Transformator-Sekundärwicklung 5 dreifach symmetrisch, sodass B drei beträgt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Transformator-Sekundärwicklung 5 drei Vorsprünge 19 auf, welche in Umfangsrichtung 91 zueinander äquidistant beabstandet sind. Die dreifach symmetrische Ausbildung der Transformator-Sekundärwicklung 5 ist dabei durch die drei Vorsprünge 19 gegeben. Im in 14 gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Polpaarzahl P drei.
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In den Ausführungsbeispielen der 2 bis 8 sowie 10, 11 sowie 13 und 14 ist die Transformator-Sekundärwicklung 5 in axialer Draufsicht bezüglich Rotationen um die Rotationsachse 90 B-fach symmetrisch, wobei B eine natürliche Zahl gleich oder größer eins ist. Dabei ist die Symmetriezahl B bei geraden Polpaarzahlen P gerade, insbesondere zwei. Zudem ist die Symmetriezahl B bei ungeraden Polpaarzahlen P ungerade. Dabei ist Symmetriezahl B bei ungeraden Polpaarzahlen P gleich oder größer drei zumindest drei, bevorzugt drei.
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Bei den Ausführungsbeispielen der 2 bis 8 sowie 10, 11 sowie 14 weist die Transformator-Sekundärwicklung 5 M Vorsprünge 19 auf. Dabei entspricht die Anzahl M der Vorsprünge 19 der B-fach symmetrischen Ausbildung der Transformator-Sekundärwicklung 5, sodass gilt B = M. Ferner fluchtet bei diesen Ausführungsbeispielen der jeweilige Vorsprung 19 mit einem zugehörigen Pol der Maschinen-Rotorwicklung 103 axial. In den gezeigten Ausführungsbeispielen fluchtet der jeweilige Vorsprung 19 rein beispielhaft mit einem „N“-Pol. Vorstellbar ist es auch, dass der jeweilige Vorsprung 19 mit einem „S“-Pol axial fluchtet (nicht gezeigt). In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Asymmetrie der Transformator-Sekundärwicklung 5 somit an die Polpaarzahl P der Maschinen-Rotorwicklung 102 angepasst, wie in den 5 sowie 13 und 14 angedeutet.
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In gezeigten Ausführungsbeispielen entspricht die Anzahl A der Sensoren 20 zumindest zwei. Dabei sind zumindest zwei der mindestens zwei Sensoren 20 in Umfangsrichtung 91 mit einem Abstand 90° zueinander beabstandet. Somit lässt sie die Drehposition 18 der Pole in Quadranten zuverlässig ermittelt.
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Voreilhaft beträgt die Anzahl A der Sensoren zumindest drei. Dabei sind zumindest zwei der mindestens zwei Sensoren 20 in Umfangsrichtung 91 mit einem Abstand 90° zueinander beabstandet. Ferner ist zumindest einer der übrigen zumindest einen Sensoren 20 zu den nächstbenachbarten Sensoren 20 in Umfangsrichtung 91 mit einem von einem ganzen Vielfachen von 90° abweichenden Abstand beabstandet. Somit lässt sich die Drehposition 18 der Pole auch innerhalb der Quadranten zuverlässig ermitteln.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Auswerteinrichtung 23 derart ausgestaltet, dass sie die relative Drehposition 18 durch einen Vergleich der Sensorsignale 21 ermittelt. Bevorzugt sind zu diesem Zweck in der Auswerteinrichtung 23 für relative Drehpositionen 18 des Drehtransformator-Rotors 4 zum Drehtransformator-Stator 2 und somit des Maschinen-Rotors 101 zum Maschinen-Stator 104 zugehörige Signale des zumindest einen Sensors 20 hinterlegt, wobei die hinterlegten Signale nachfolgend auch als Referenzsignale bezeichnet werden. Die Auswerteinrichtung 23 ermittelt dabei die relative Drehposition 18 durch einen Vergleich des zumindest einen ausgegebenen Sensorsignals 21 mit dem zumindest einen hinterlegten Referenzsignal.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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