DE102021213052A1

DE102021213052A1 - Process for manufacturing a rotary transformer, separately excited synchronous machine, their use and drive system

Info

Publication number: DE102021213052A1
Application number: DE102021213052.6A
Authority: DE
Inventors: Christoph Schmülling
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2021-11-19
Filing date: 2021-11-19
Publication date: 2023-05-25

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Drehtransformators (1) für eine fremderregte Synchronmaschine zur induktiven Energieübertragung, wobei der Drehtransformator (1) bereitgestellt wird mit einem Stator mit einer zumindest abschnittsweise von einem Transformatorkern umgebenen Primärwicklung (2) aus einem in Primärwindungen (3) gewickelten elektrischen Leiter sowie einem relativ zum Stator um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor mit einer induktiv mit der Primärwicklung (2) gekoppelten oder koppelbaren Sekundärwicklung (4) aus einem in Sekundärwindungen (5) gewickelten, weiteren elektrischen Leiter. Wesentlich ist, dass die Anzahl von Primärwindungen (3) und die Anzahl von Sekundärwindungen (5) gemäß einem vorgegebenen oder vorgebbaren Windungsverhältnis eingestellt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine fremderregte Synchronmaschine mit mindestens einem Drehtransformator (1), die Verwendung einer solchen Synchronmaschine sowie ein Antriebssystem mit mindestens einer solchen Synchronmaschine.The present invention relates to a method for producing a rotary transformer (1) for a separately excited synchronous machine for inductive energy transmission, the rotary transformer (1) being provided with a stator having a primary winding (2) surrounded at least in sections by a transformer core and made of a primary winding (3rd ) wound electrical conductor and a rotor which can be rotated about an axis of rotation relative to the stator and has a secondary winding (4) which is inductively coupled or can be coupled to the primary winding (2) and consists of a further electrical conductor wound in secondary turns (5). It is essential that the number of primary windings (3) and the number of secondary windings (5) are set according to a predetermined or specifiable winding ratio. The invention also relates to an externally excited synchronous machine with at least one rotary transformer (1), the use of such a synchronous machine and a drive system with at least one such synchronous machine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Drehtransformators gemäß Anspruch 1. Die Erfindung betrifft insbesondere eine fremderregte Synchronmaschine, deren Verwendung und ein Antriebssystem.The invention relates to a method for producing a rotary transformer according to claim 1. The invention relates in particular to a separately excited synchronous machine, its use and a drive system.

Bei bekannten Drehtransformatoren wird an einer statorseitigen Sekundärwicklung eine Spannung bereitgestellt, die mittels Pulsweitenmodulation (PWM) aus einer höheren Eingangsspannung erzeugt wird. Dadurch ergibt sich an der statorseitigen Sekundärwicklung eine im Vergleich zur Eingangsspannung geringere Effektivspannung, die statorseitigen Sekundärwicklung sind jedoch mit einer Impulsspannung beaufschlagt, die ihrer Höhe nach der Eingangsspannung entspricht. Die statorseitigen Sekundärwicklung muss daher konstruktiv nach der Höhe der Eingangsspannung dimensioniert werden, so dass die bekannten Drehtransformatoren relativ großbauend und kostenintensiv in der Fertigung sind.In known rotary transformers, a voltage is provided at a stator-side secondary winding, which is generated from a higher input voltage by means of pulse width modulation (PWM). This results in an effective voltage on the stator-side secondary winding that is lower than the input voltage, but the stator-side secondary winding is subjected to a pulse voltage that corresponds in magnitude to the input voltage. The stator-side secondary winding must therefore be dimensioned structurally according to the level of the input voltage, so that the known rotary transformers are relatively large and expensive to manufacture.

Die Aufgabe der Erfindung liegt demgemäß darin, ein Verfahren anzugeben, mittels welchem ein verbesserter oder zumindest eine andere Ausführungsform eines Drehtransformators bereitgestellt werden kann. Insbesondere soll auch eine fremderregte Synchronmaschine mit mindestens einem solchen Drehtransformator, deren Verwendung und ein Antriebssystem angegeben werden.The object of the invention is accordingly to specify a method by means of which an improved or at least another embodiment of a rotary transformer can be provided. In particular, an externally excited synchronous machine with at least one such rotary transformer, its use and a drive system should also be specified.

Bei der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe insbesondere durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der Beschreibung.In the present invention, this object is achieved in particular by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and the description.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, ein Verfahren anzugeben, in dessen Rahmen der Drehtransformator mit einer Primärwicklung und einer mit der Primärwicklung induktiv gekoppelten oder koppelbaren Sekundärwicklung bereitgestellt wird, wobei die Anzahl von Primärwindungen der Primärwicklung bzw. die Anzahl von Sekundärwindungen der Sekundärwicklung nach einem vorgegebenen oder vorgebbaren Windungsverhältnis realisiert sind. Aufgrund der elektromagnetischen Induktion sind die Spannungen an der Primärwicklung und der Sekundärwicklung proportional zur Anzahl von Primär- und Sekundärwindungen. Demgemäß kann durch geschicktes Vorgeben des Windungsverhältnisses eine Eingangsspannung an der Primärwicklung in eine höhere oder niedrigere Spannung an der Sekundärwicklung übersetzt werden. Diesem Gedanken folgend ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Drehtransformators für eine fremderregte Synchronmaschine zur induktiven Energieübertragung vorgesehen, dass ein Stator mit einer zumindest abschnittsweise von einem Transformatorkern umgebenen Primärwicklung aus einem in Primärwindungen gewickelten elektrischen Leiter sowie ein relativ zum Stator um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor mit einer induktiv mit der Primärwicklung gekoppelten oder koppelbaren Sekundärwicklung aus einem in Sekundärwindungen gewickelten, weiteren elektrischen Leiter bereitgestellt werden. Wesentlich ist, dass die Anzahl von Primärwindungen der Primärwicklung und die Anzahl von Sekundärwindungen der Sekundärwicklung gemäß einem vorgegebenen oder vorgebbaren Windungsverhältnis eingestellt werden. Dadurch kann die Anzahl von Windungen der Primärwicklung und die Anzahl von Windungen der Sekundärwicklung beliebig vorgegeben werden. Zweckmäßigerweise kann das Windungsverhältnis so gewählt werden, dass die Anzahl von Primärwindungen größer ist als die Anzahl von Sekundärwindungen, oder umgekehrt. Das hat den Vorteil, dass sich im Betrieb des Drehtransformators eine an der Primärwicklung bereitgestellte Eingangsspannung gemäß dem gewählten Windungsverhältnis in eine bevorzugte Spannung an der Sekundärwicklung einstellen lässt. The basic idea of the invention is to provide a method in the context of which the rotary transformer is provided with a primary winding and a secondary winding which is inductively coupled or can be coupled to the primary winding, the number of primary turns of the primary winding or the number of secondary turns of the secondary winding being determined according to a predetermined or specifiable turns ratio are realized. Due to electromagnetic induction, the voltages across the primary and secondary windings are proportional to the number of primary and secondary turns. Accordingly, by skillfully setting the turns ratio, an input voltage across the primary winding can be translated into a higher or lower voltage across the secondary winding. Following this idea, the method according to the invention for producing a rotary transformer for a separately excited synchronous machine for inductive energy transmission provides that a stator with a primary winding surrounded at least in sections by a transformer core consists of an electrical conductor wound in primary turns and a rotor that can rotate about an axis of rotation relative to the stator Rotor can be provided with a secondary winding which is inductively coupled or can be coupled to the primary winding and consists of a further electrical conductor which is wound in secondary windings. It is essential that the number of primary turns of the primary winding and the number of secondary turns of the secondary winding are set according to a predetermined or specifiable turns ratio. As a result, the number of turns of the primary winding and the number of turns of the secondary winding can be specified as desired. Conveniently, the turns ratio can be chosen such that the number of primary turns is greater than the number of secondary turns, or vice versa. This has the advantage that, during operation of the rotary transformer, an input voltage provided at the primary winding can be adjusted to a preferred voltage at the secondary winding in accordance with the selected turns ratio.

Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass das Windungsverhältnis so gewählt wird, dass eine an der Sekundärwicklung bereitgestellte Spannung niedriger ist als eine an der Primärwicklung bereitgestellte Eingangsspannung. Zweckmäßigerweise wird die Eingangsspannung an der Primärwicklung von einer 400-Volt-Batterie oder einer 800-Volt-Batterie bereitgestellt, so dass die Eingangsspannung wahlweise 400 Volt oder 800 Volt beträgt. Es versteht sich von selbst, dass die vorliegende Erfindung auch nach oben oder unten hin abweichende Spannungsniveaus umfasst. Mittels dem hier vorgeschlagenen Windungsverhältnis wird die Eingangsspannung sozusagen heruntertransformiert, so dass vorteilhafterweise auf eine Spannungsanpassung mittels Pulsweitenmodulation (PWM) verzichtet werden kann. Daraus resultiert ein vergleichsweise einfacher konstruktiver Aufbau des Drehtransformators.It can expediently be provided that the turns ratio is selected such that a voltage provided at the secondary winding is lower than an input voltage provided at the primary winding. The input voltage at the primary winding is expediently provided by a 400 volt battery or an 800 volt battery, so that the input voltage is either 400 volts or 800 volts. It goes without saying that the present invention also encompasses voltage levels that deviate upwards or downwards. The input voltage is stepped down, so to speak, by means of the turns ratio proposed here, so that voltage adjustment by means of pulse width modulation (PWM) can advantageously be dispensed with. This results in a comparatively simple construction of the rotary transformer.

Weiter zweckmäßig ist, wenn das Windungsverhältnis so gewählt wird, dass an der Sekundärwicklung eine Spannung im Bereich zwischen 150 bis 300 Volt realisiert ist. Auch hierbei kann an der Primärwicklung eine Eingangsspannung von 400-Volt oder 800-Volt bereitgestellt werden. Dadurch ist an der Sekundärwicklung ein bevorzugter Spannungsbereich eingestellt. Dieser bietet den Vorteil, dass die Sekundärwicklung eine vergleichsweise niedrige Spannung sieht, so dass sie mit einfachen Mitteln elektrisch isolierbar ist. Wegen der vergleichsweise niedrigen Spannung an der Sekundärwicklung sind auch die dortigen Luft- und Kriechstrecken relativ klein. Ein Drehtransformator kann daher zumindest auf Seiten der Sekundärwicklung relativ kompakt und kostengünstig gestaltet werden. Ein denkbares Windungsverhältnis kann bei einer Eingangsspannung von 400 Volt beispielsweise durch 2 zu 1 (Anzahl von Primärwindungen zu Anzahl von Sekundärwindungen) realisiert werden.It is also expedient if the turns ratio is selected in such a way that a voltage in the range between 150 and 300 volts is realized at the secondary winding. Here, too, an input voltage of 400 volts or 800 volts can be provided at the primary winding. As a result, a preferred voltage range is set at the secondary winding. This offers the advantage that the secondary winding sees a comparatively low voltage, so that it can be electrically isolated with simple means. Due to the comparatively low voltage at the secondary winding, the air and creepage distances there are also relatively small. A rotary transformer can therefore be made relatively compact and inexpensive, at least on the part of the secondary winding. A conceivable turns ratio can be implemented with an input voltage of 400 volts, for example, by 2 to 1 (number of primary turns to number of secondary turns).

Zweckmäßigerweise wird zur Spannungsversorgung des Drehtransformators, d.h. zur Bereitstellung der Eingangsspannung, eine 400-Volt-Batterie oder eine 800-Volt-Batterie bereitgestellt und verwendet.A 400 volt battery or an 800 volt battery is expediently provided and used to supply the voltage to the rotary transformer, i.e. to provide the input voltage.

Zweckmäßig ist ferner, wenn mittels dem vorgegebenen oder vorgebbaren Windungsverhältnis die Dynamik des Rotorstroms beeinflusst und/oder eingestellt wird. Der Rotorstrom verhält sich bei einem Spannungssprung nach der Zeitkonstante, die sich aus Rotorwiderstand und Rotorinduktivität ergibt. Mit der Höhe der Spannung kann daher die Dynamik angepasst werden.It is also expedient if the dynamics of the rotor current are influenced and/or adjusted by means of the predetermined or predeterminable turns ratio. In the event of a voltage jump, the rotor current behaves according to the time constant that results from the rotor resistance and rotor inductance. The dynamics can therefore be adjusted with the level of voltage.

Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung liegt darin eine fremderregte Synchronmaschine mit mindestens einem gemäß dem vorstehend diskutierten Verfahren hergestellten Drehtransformator auszustatten. Dadurch ist eine kostengünstig zu fertigende Synchronmaschine angegeben. Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung sieht die Verwendung einer solchen fremderregten Synchronmaschine als Traktionsmotor vor. Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung schlägt ein Antriebssystem mit mindestens einer solchen fremderregten Synchronmaschine sowie mit mindestens einer 400-Volt-Batterie oder 800-Volt-Batterie zur Spannungsversorgung der mindestens einen fremderregten Synchronmaschine vor.A further basic idea of the invention lies in equipping a separately excited synchronous machine with at least one rotary transformer produced according to the method discussed above. This specifies a synchronous machine that can be produced inexpensively. A further basic idea of the invention provides for the use of such a separately excited synchronous machine as a traction motor. A further basic idea of the invention proposes a drive system with at least one such separately excited synchronous machine and with at least one 400 volt battery or 800 volt battery for the power supply of the at least one separately excited synchronous machine.

Zusammenfassend bleibt festzuhalten: Die vorliegende Erfindung betrifft vorzugsweise ein Verfahren zur Herstellung eines Drehtransformators für eine fremderregte Synchronmaschine zur induktiven Energieübertragung, wobei der Drehtransformator bereitgestellt wird mit einem Stator mit einer zumindest abschnittsweise von einem Transformatorkern umgebenen Primärwicklung aus einem in Primärwindungen gewickelten elektrischen Leiter sowie einem relativ zum Stator um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor mit einer induktiv mit der Primärwicklung gekoppelten oder koppelbaren Sekundärwicklung aus einem in Sekundärwindungen gewickelten, weiteren elektrischen Leiter. Wesentlich ist, dass die Anzahl von Primärwindungen und die Anzahl von Sekundärwindungen gemäß einem vorgegebenen oder vorgebbaren Windungsverhältnis eingestellt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin vorzugsweise eine fremderregte Synchronmaschine mit mindestens einem Drehtransformator, weiter vorzugsweise die Verwendung einer solchen Synchronmaschine sowie weiter vorzugsweise ein Antriebssystem mit mindestens einer solchen Synchronmaschine.In summary, the following can be stated: The present invention preferably relates to a method for producing a rotary transformer for a separately excited synchronous machine for inductive energy transmission, the rotary transformer being provided with a stator with a primary winding surrounded at least in sections by a transformer core and made of an electrical conductor wound in primary turns and a relatively A rotor which can be rotated relative to the stator about an axis of rotation and has a secondary winding which is inductively coupled or can be coupled to the primary winding and consists of a further electrical conductor wound in secondary windings. It is essential that the number of primary windings and the number of secondary windings are set according to a predetermined or specifiable winding ratio. The invention also preferably relates to an externally excited synchronous machine with at least one rotary transformer, more preferably the use of such a synchronous machine and more preferably a drive system with at least one such synchronous machine.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.Further important features and advantages of the invention result from the dependent claims, from the drawing and from the associated description of the figures based on the drawing.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those still to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.A preferred embodiment of the invention is shown in the drawing and is explained in more detail in the following description.

Es zeigt schematisch

1 einen stark vereinfachten, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Drehtransformator.

It shows schematically

1 a highly simplified rotary transformer made according to the method of the invention.

Die 1 zeigt einen gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Drehtransformator, welcher im Gesamten mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet ist. Der Drehtransformator 1 weist einen nur symbolisch angedeuteten Stator mit einer zumindest abschnittsweise von einem Transformatorkern (nicht illustriert) umgebenen Primärwicklung 2 auf. Die Primärwicklung 2 ist aus einem elektrischen Leiter hergestellt, der in eine vorgegebene Anzahl von Primärwindungen 3 gewickelt ist. Der Drehtransformator 1 weist ferner einen nur symbolisch angedeuteten, relativ zum Stator um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor auf, an dem eine Sekundärwicklung 4 vorgesehen ist. Diese ist aus einem weiteren elektrischen Leiter hergestellt, der in eine vorgegebene Anzahl von Sekundärwindungen 5 gewickelt ist. Die Primärwicklung 2 und die Sekundärwicklung 4 sind via elektromagnetischer Induktion miteinander zur Energieübertragung gekoppelt, dies ist vorliegend durch einen einfachen Doppelpfeil angedeutet. In 1 ist ersichtlich, dass die Anzahl von Primärwindungen 3 und die Anzahl von Sekundärwindungen 5 gemäß einem vorgegebenen oder vorgebbaren Windungsverhältnis eingestellt sind, exemplarisch ein Windungsverhältnis von 2 zu 1 (Anzahl von Primärwindungen zu Anzahl von Sekundärwindungen). Das hat den Vorteil, dass sich im Betrieb des Drehtransformators 1 an der Sekundärwicklung 4 eine gegenüber der an der Primärwicklung 2 anliegenden Eingangsspannung (400 Volt oder 800 Volt) halbierte Spannung einstellt.The 1 Figure 12 shows a rotary transformer made according to a method according to the invention, which is denoted by the reference number 1 as a whole. The rotary transformer 1 has a stator, indicated only symbolically, with a primary winding 2 surrounded at least in sections by a transformer core (not illustrated). The primary winding 2 is made of an electrical conductor wound into a predetermined number of primary turns 3 . The rotary transformer 1 also has a rotor, indicated only symbolically, which can be rotated about an axis of rotation relative to the stator and on which a secondary winding 4 is provided. This is made up of a further electrical conductor which is wound into a predetermined number of secondary windings 5 . The primary winding 2 and the secondary winding 4 are coupled to one another via electromagnetic induction for energy transmission, this is indicated here by a single double arrow. In 1 it can be seen that the number of primary windings 3 and the number of secondary windings 5 are set according to a predetermined or specifiable winding ratio, for example a winding ratio of 2 to 1 (number of primary windings to number of secondary windings). This has the advantage that when the rotary transformer 1 is in operation, the voltage at the secondary winding 4 is half that of the input voltage present at the primary winding 2 (400 volts or 800 volts).

Claims

Process for producing a rotary transformer (1) for a separately excited synchronous machine for inductive energy transmission, the rotary transformer (1) being provided with - a stator with a primary winding (2) surrounded at least in sections by a transformer core and consisting of an electrical conductor wound in primary windings (3), and - a rotor which can be rotated about an axis of rotation relative to the stator a secondary winding (4) which is or can be inductively coupled to the primary winding (2) and consists of a further electrical conductor wound in secondary windings (5), - the number of primary windings (3) and the number of secondary windings (5) according to a predetermined or predeterminable turns ratio can be set.

Method for manufacturing a rotary transformer (1). claim 1 , characterized in that - the turns ratio is selected in such a way that a voltage provided at the secondary winding (4) is lower than an input voltage provided at the primary winding (2).

Method for manufacturing a rotary transformer (1). claim 1 or 2 , characterized in that - the turns ratio is selected such that a voltage in the range between 150 and 300 volts is realized at the secondary winding (4).

Method for producing a rotary transformer (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the dynamics of the rotor current are influenced and/or adjusted by means of the predetermined or predeterminable turns ratio.

Separately excited synchronous machine, with at least one rotary transformer (1) produced according to one of the preceding claims.

Use of a separately excited synchronous machine claim 5 as a traction motor, in particular in a motor vehicle.

Drive system with at least one separately excited synchronous machine claim 5 and at least one 400-volt battery or one 800-volt battery for the power supply of the at least one externally excited synchronous machine.