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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Drehtransformator zur induktiven Energieübertragung.
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Sogenannte fremderregte elektrische Synchronmaschinen benötigen in ihrem Rotor einen elektrischen Gleichstrom zur Erzeugung des magnetischen Rotorfeldes. Dieser Vorgang wird als „Rotorerregung“ bezeichnet. Bei herkömmlichen Synchronmaschinen wird der elektrische Rotorstrom als elektrische Gleichspannung mithilfe sogenannter Kohlebürste-Schleifring-Kontakte auf den sich drehenden Rotor übertragen. Als nachteilig daran erweist sich, dass sich die Kohlebürsten gerade bei hohen Drehzahlen verschleißbedingt abschleifen und dabei unerwünschten elektrisch leitenden Kohlestaub erzeugen.
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Alternativ zu einer solchen Übertragung des elektrischen Gleichstroms mit Hilfe von Schleifringen ist es bekannt, die elektrische Stromübertragung auf den sich drehenden Rotor induktiv, also drahtlos, zu realisieren. Ein solcher Aufbau wird als Teil einer fremderregten Synchronmaschine auch als „Drehtransformator“ bezeichnet.
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Das Funktionsprinzip besagter induktiver Spannungs- bzw. Energieübertragung basiert auf einem elektrischen Transformator, wobei die Primärwicklung bzw. Primärspule des Transformators stationär angeordnet ist und die Sekundärwicklung bzw. Sekundärspule am sich drehenden Rotor. Da bei der induktiven Energieübertragung in der Sekundärspule zunächst immer eine elektrische Wechselspannung erzeugt wird, ist es erforderlich, die erzeugte elektrische Wechselspannung in eine gleichgerichtete elektrische Spannung umzuwandeln.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Drehtransformatoren neue Wege aufzuzeigen. Insbesondere soll eine verbesserte Ausführungsform für einen solchen Drehtransformator geschaffen werden, der sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet und dennoch eine Drehung des Drehtransformator-Rotors mit hoher Drehzahl - diese Eigenschaft ist dem einschlägigen Fachmann auch unter der Bezeichnung „hohe Drehzahlfestigkeit“ geläufig - erlaubt.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, sowohl eine Stator-seitige Primärspule als auch eine gegenüber der Primärspule um eine Drehachse drehbare und somit rotor-seitige Sekundärspule eines Drehtransformators jeweils mit einer Spulenwicklung aus einer elektrisch leitenden Litze oder aus einem elektrisch leitenden Wicklungsdraht auszustatten. Solche Spulenwicklungen können hohe elektrische Ströme tragen und erlauben daher die Übertragung hoher Leistungen vom Stator auf den gegenüber dem Stator um die Drehachse rotierenden Rotor. Die Ausbildung sowohl der Primärspule als auch der Sekundärspule jeweils als Spulenwicklung erlaubt es darüber hinaus, die beiden Spulen entweder axial in Richtung der Drehachse oder radial - also in Richtung senkrecht zur Drehachse - unmittelbar benachbart zueinander anzuordnen. Dadurch wird eine besonders gute magnetische und somit induktive Kopplung der beiden Spulen erreicht, was sich vorteilhaft auf die Effizienz der Leistungsübertragung auswirkt. Die magnetische Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspule wird erfindungsgemäß zudem durch einen ortsfest zur Primärspule angeordneten Transformatorkern geführt, welcher ortsfest zur Primärspule angeordnet ist und sowohl die Primärspule als auch die Sekundärspule zumindest teilweise umgibt.
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Im Einzelnen umfasst ein erfindungsgemäßer elektrischer Drehtransformator einen eine Primärspule aufweisenden Drehtransformator-Stator. Ferner umfasst der Drehtransformator einen eine Sekundärspule aufweisenden Drehtransformator-Rotor, der gegenüber dem Drehtransformator-Stator um eine sich entlang einer axialen Richtung erstreckende Drehachse drehbar ausgebildet ist. Die Sekundärspule ist zur Energieübertragung von der Primärspule auf die Sekundärspule induktiv mit der Primärspule koppelbar bzw. gekoppelt. Die Primärspule umfasst eine elektrisch bestrombare Primärspulenwicklung. Die Sekundärspule umfasst eine elektrisch bestrombare Sekundärspulenwicklung. Die Sekundärspule ist induktiv mit der Primärspule koppelbar oder gekoppelt. Dies bedeutet, dass bei elektrischer Bestromung der Primärspule mit einem Wechselstrom in der Sekundärspule eine elektrische Wechselspannung induziert wird. Die Primärspulenwicklung und die Sekundärspulenwicklung sind beim erfindungsgemäßen Drehtransformator entlang der axialen Richtung nebeneinander angeordnet oder senkrecht zur axialen Richtung nebeneinander angeordnet. Bei der zweitgenannten Alternativen ist - relativ zur Drehachse - die Sekundärspule bevorzugt radial innen und die Primärspule folglich radial außen angeordnet. Dies erleichtert die drehfeste Befestigung der Sekundärspule an einer um die Drehachse drehbaren Drehtransformator-Rotorwelle. Die Primärspulenwicklung und die Sekundärspulenwicklung weisen beim erfindungsgemäßen Drehtransformator jeweils eine elektrisch leitende Litze auf oder umfassen jeweils einen elektrisch leitenden Wicklungsdraht. Insbesondere kann Primär- bzw. Sekundärspulenwicklung durch einen Lackdraht, Litzendraht und dergleichen gebildet sein. Schließlich umfasst der Drehtransformator einen Transformatorkern aus einem magnetischen Material, welcher ortsfest zur Primärspule angeordnet ist und die Primärspule sowie die Sekundärspule zumindest teilweise umgibt. Bevorzugt ist der Transformatorkern koaxial zur Drehachse angeordnet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehtransformators laufen die Primärspulenwicklung und die Sekundärspulenwicklung jeweils, vorzugsweise mehrfach, um die Drehachse um.
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Zweckmäßig kann das Material des Transformatorkerns ein Ferrit sein. Ein solches weichmagnetisches Material erweist sich als besonders geeignet zur Beeinflussung des zwischen den beiden Spulen im Betrieb des Drehtransformators entstehenden magnetischen Feldes. Da der Transformatorkern ortsfest zur Primärspule angeordnet ist, also nicht der Drehbewegung der Sekundärspule folgt, besteht auch nicht die Gefahr einer Beschädigung des mechanisch spröden Ferrits aufgrund der bei der Drehbewegung wirkenden Fliehkräfte.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Primärspulenwicklung oder/und die Sekundärspulenwicklung auf einem um die Drehachse umlaufenden ringförmigen Primärspulen- bzw. Sekundärspulen-Wicklungsträger angeordnet. Besonders bevorzugt weist auch der Transformatorkern eine ringförmige Geometrie auf und besitzt eine Mittellängsachse, die sich koaxial zur Drehachse erstreckt. Insbesondere kann der Primärspulen- bzw. Sekundärspulen-Wicklungsträger als ringförmige Trägerplatte angeordnet sein oder eine solche umfassen, die bevorzugt konzentrisch zur Drehachse angeordnet ist. Durch Verwendung einer ringförmigen Geometrie wird unerwünschten Unwuchten bei der Drehbewegung des Drehtransformator-Rotors mit der Sekundärspule entgegengewirkt. Alternativ kann die Primärspulenwicklung oder/und die Sekundärspulenwicklung auch auf einem hohlzylindrischen oder zylindrischen, sich also in axialer Richtung erstreckenden und in Umfangsrichtung um die Drehachse umlaufenden Primärspulen-Wicklungsträger bzw. Sekundärspulen-Wicklungsträger angeordnet sein. Diese Alternative erleichtert den Zusammenbau.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Drehtransformator weist der Transformatorkern in einem Längsschnitt entlang der axialen Richtung zwei einander axial gegenüberliegende Kernelemente sowie ein radial inneres und ein radial äußeres Kernelement auf, welche zusammen einen Kerninnenraum zumindest teilweise umgeben.
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Besonders bevorzugt liegen sich in dem Kerninnenraum die Primärspule und die Sekundärspule entweder axial oder radial gegenüber. Beide Varianten stellen eine effektive magnetische Kopplung der beiden Spulen, also Primärspule und Sekundärspule, sicher. Dadurch erhöht sich die Effizienz der elektrischen Energieübertragung von der Primärspule auf die Sekundärspule. Darüber hinaus benötigt die erste Variante radial besonders wenig Bauraum, wohingegen für die zweite Variante axial besonders wenig Bauraum benötigt wird. Somit kann die hinsichtlich des zur Verfügung stehende Bauraum optimale Variante ausgewählt werden, ohne dass damit Einbußen bei der magnetischen Kopplung zwischen den beiden Spulen einhergingen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist im radial inneren Kernelement des Transformatorkerns ein Durchbruch ausgebildet, welchen ein Befestigungsabschnitt der Sekundärspule, insbesondere des Spulenkörpers, zum Befestigen der Sekundärspule an einer Synchronmaschinen-Rotorwelle radial nach innen zur Drehachse hin durchgreift. Bei dieser Weiterbildung kann die Sekundärspule auf einfache Weise drehfest an der außerhalb des Transformatorkerns angeordneten, drehbare Rotorwelle befestigt werden, ohne dass damit Einbußen bei der Wirkung des Transformatorkerns auf das von den Spulen erzeugte magnetische Feld einherginge.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann der Drehtransformator-Rotor, insbesondere die Sekundärspule, ohne Transformatorkern, insbesondere ferritfrei, ausgebildet sein. Auf diese Weise kann der Drehtransformator auch bei hohen Drehzahlen seines Drehtransformator-Rotors betrieben werden, ohne dass eine Gefahr der Beschädigung des mit rotierenden Transformatorkerns besteht. Darüber hinaus haben experimentelle Untersuchungen gezeigt, dass durch den Verzicht auf einen als Wärmespeicher wirkenden Transformatorkern am Drehtransformator-Rotor im Betrieb erzeugte Abwärme besser vom Drehtransformator-Rotor abgeführt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Drehtransformator eine koaxial zur Drehachse angeordnete, gegenüber dem Transformatorkern und der Primärspule drehbare Drehtransformator-Rotorwelle auf, welche drehfest mit der Sekundärspule verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich der Drehtransformator auf einfache Weise in einer elektrischen Synchronmaschine montieren, insbesondere indem die Drehtransformator-Rotorwelle drehfest mit der Rotorwelle der Synchronmaschine verbunden wird. Besonders bevorzugt kann als Drehtransformator-Rotorwelle auch die Rotorwelle der Synchronmaschine verwendet werden.
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Gemäß einer anderen weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Sekundärspule elektrisch mit einer auf einer Leiterplatte angeordneten elektrischen Gleichrichter-Schaltung des Drehtransformator-Rotors verbunden, die mit wenigstens ein Gleichrichterelement, vorzugsweise zwei oder vier Gleichrichterelemente, zum Gleichrichten einer in der Sekundärspule elektrisch induzierten Wechselspannung umfasst. Diese Maßnahme unterstützt die elektrische Gleichrichtung der in der Sekundärspule induzierten elektrischen Wechselspannung, sodass diese als gleichgerichtete elektrische Spannung zur Erzeugung eines magnetischen Rotorfeldes geeignet ist, wie es im Drehtransformator-Rotor einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine benötigt wird. Als Gleichrichterelemente können Gleichrichter-Dioden oder Gleichrichter-Transistoren, insbesondere MOSFETs, verwendet werden. Die Leiterplatte kann drehfest mit der Drehtransformator-Rotorwelle des Drehtransformator verbunden sein. Außerdem kann die Leiterplatte axial benachbart zur Sekundärspule bzw. deren Wicklungsträger angeordnet sein.
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Bevorzugt ist die Gleichrichter-Schaltung radial innen auf der Leiterplatte angeordnet. Dies kann auch für weitere elektrische/elektronische Bauelemente einer der Gleichrichter-Schaltung nachgeschaltete Rotorelektronik gelten. Auf diese Weise wird das von den Gleichrichterelementen bzw. der Rotorelektronik bei Drehung der Drehtransformator-Rotorwelle und somit der Leiterplatte erzeugte Trägheitsmoment klein gehalten, wodurch die Drehzahlfestigkeit des Drehtransformators weiter verbessert wird. Die Bezeichnung „radial innen“ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Gleichrichterelemente bzw. die Rotorelektronik in einer axialen Draufsicht auf die Leiterplatte jeweils zumindest näher an einer Innenumfangsseite der Leiterplatte angeordnet sind als an einer Außenumfangsseite der Leiterplatte. Zweckmäßig können alle oder ein Teil der elektronischen Bauelemente, insbesondere jene der Rotorelektronik, auch in der Drehtransformator-Rotorwelle angeordnet oder, alternativ dazu, auf eine zusätzliche, separate Rotor-Leiterplatte ausgelagert sein.
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Zweckmäßig ist wenigstens ein Gleichrichterelement auf einer Oberseite oder/und einer der Oberseite gegenüberliegende Unterseite der Leiterplatte angeordnet. Besonders zweckmäßig gilt dies für alle vorhandenen Gleichrichterelemente. Diese Maßnahme erleichtert den Zusammenbau des Drehtransformator-Rotors.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Leiterplatte auf einer an einer Drehtransformator-Rotorwelle anbringbaren Stützstruktur angeordnet. Besonders bevorzugt kann die Stützstruktur als Stützplatte ausgebildet sein. Eine solche Stützstruktur ermöglicht die stabile drehfeste Anbringung der Leiterplatte an der Drehtransformator-Rotorwelle und erleichtert bei geeigneter Konstruktion gleichzeitig den Zusammenbau von Drehtransformator-Rotorwelle und Leiterplatte zum Drehtransformator-Rotor des Drehtransformators.
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Die Erfindung betrifft auch eine fremderregte elektrische Synchronmaschine, insbesondere einen Traktionsmotor für ein Fahrzeug. Die erfindungsgemäße Synchronmaschine umfasst einen elektrisch bestrombaren Synchronmaschinen-Stator zum Erzeugen eines magnetischen Stator-Feldes. Ferner umfasst der Drehtransformator einen elektrisch bestrombaren und gegenüber dem Synchronmaschinen-Stator drehbaren Synchronmaschinen-Rotor zum Erzeugen eines magnetischen Rotors-Feldes, der eine Synchronmaschinen-Rotorwelle aufweist. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Synchronmaschine einen mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Drehtransformator, welcher drehfest mit der Synchronmaschinen-Rotorwelle verbunden ist. Die voranstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Drehtransformator übertragen sich daher auf die erfindungsgemäße Synchronmaschine.
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Die erfindungsgemäße Synchronmaschine kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen, welches als Energiequelle eine Batterie umfassen kann. Dabei dient die Synchronmaschine insbesondere dem Antrieb des Kraftfahrzeugs, ist also insbesondere als ein Traktionsmotor ausgebildet. Bevorzugt besitzt der erfindungsgemäße Traktionsmotor eine Ausgangs- bzw. Antriebsleistung von wenigstens 3kW, bevorzugt von wenigstens 30kW. Besonders bevorzugt besitzt der erfindungsgemäße Traktionsmotor eine Ausgangs- bzw. Antriebsleistung zwischen 30kW und 500kW, höchst bevorzugt zwischen 100kW und 300kW. Beim erfindungsgemäßen Traktionsmotor kann über den im Drehtransformator-Stator vorhandenen Transformatorkern Abwärme, die beim erfindungsgemäßen Traktionsmotor in weit höherem Maße anfällt als bei Elektromotoren mit geringerer Ausgangsleistung, besonders wirksam abgeführt werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend 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 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Drehtransformators, bei welcher die Primärspule und die Sekundärspule des Drehtransformator-Transformators axial nebeneinander angeordnet sind,
- 2 eine Variante des Beispiels der 1, bei welcher bei welcher die Primärspule und die Sekundärspule radial nebeneinander angeordnet sind,
- 3 eine Variante des Beispiels der 1, bei welcher der Primärspulen-Wicklungsträger bzw. Sekundärspulen-Wicklungsträger eine hohlzylindrische Geometrie aufweist,
- 4 eine Variante des Beispiels der 2, bei welcher der Primärspulen-Wicklungsträger bzw. Sekundärspulen-Wicklungsträger eine hohlzylindrische Geometrie aufweist.
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Die 1 zeigt in einem Längsschnitt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Drehtransformators 1. Der Drehtransformator 1 umfasst einen Drehtransformator-Stator 3, der eine Primärspule 2 aufweist. Ferner umfasst der Drehtransformator 1 einen eine Sekundärspule 5 aufweisenden Drehtransformator-Rotor 6, der gegenüber dem Drehtransformator-Stator 3 um eine sich entlang einer axialen Richtung A erstreckende Drehachse D drehbar ausgebildet ist.
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Die Drehachse D erstreckt sich dabei entlang einer axialen Richtung A. Eine radiale Richtung R erstreckt sich senkrecht zur axialen Richtung A von der Drehachse D weg. In der 1 ist ein Längsschnitt des Drehtransformators 1 entlang der axialen Richtung A gezeigt. Eine Umfangsrichtung U läuft senkrecht sowohl zur axialen Richtung A als auch zur radialen Richtung R um die Drehachse D um.
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Die Sekundärspule 5 ist zur Energieübertragung von der Primärspule 2 auf die Sekundärspule 5 induktiv mit der Primärspule 2 koppelbar bzw. gekoppelt. Die Primärspule 2 umfasst eine elektrisch bestrombare Primärspulenwicklung 7. Die Sekundärspule 5 umfasst eine elektrisch bestrombare Sekundärspulenwicklung 8. Die Primärspulenwicklung 7 und die Sekundärspulenwicklung 8 sind entlang der axialen Richtung A nebeneinander angeordnet. Die Primärspulenwicklung 7 und die Sekundärspulenwicklung 8 sind jeweils durch eine elektrisch leitende Litze 9, 10 gebildet. Alternativ zur jeweiligen Litze 9, 10 kann auch ein elektrisch leitender Wicklungsdraht vorgesehen sein.
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Ferner umfasst der Drehtransformator 1 einen Transformatorkern 4 aus einem magnetischen Material, welcher die Primärspule 2 und die Sekundärspule 5 zumindest teilweise umgibt. Das Material des Transformatorkerns 4 kann ein Ferrit sein. Die Primärspulenwicklung 7 ist auf einem in Umfangsrichtung U um die Drehachse D umlaufenden ringförmigen Primärspulen-Wicklungsträger 20 angeordnet. Entsprechend ist die Sekundärspulenwicklung 8 auf einem in Umfangsrichtung U um die Drehachse D umlaufenden ringförmigen Sekundärspulen-Wicklungsträger 17 angeordnet. Auch der Transformatorkern 4 besitzt im Beispielszenario 4 eine ringförmige Geometrie und weist ein Mittellängsachse M auf, die koaxial zur Drehachse D angeordnet ist. Der Primärspulen-Wicklungsträger 20 bzw. der Sekundärspulen-Wicklungsträger 17 kann als ringförmige Trägerplatte ausgebildet sein, die konzentrisch zur Drehachse angeordnet ist.
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Der Drehtransformator 1 weist wie in 1 dargestellt auch eine koaxial zur Drehachse D angeordnete gegenüber dem Transformatorkern 4 und der Primärspule 2 drehbare Drehtransformator-Rotorwelle 18 auf, welche drehfest mit der Sekundärspule 5 verbunden ist. Der Transformatorkern 4 weist in dem gezeigten Längsschnitt entlang der axialen Richtung A zwei einander axial gegenüberliegende Kernelemente 12a, 12b sowie ein radial inneres und ein radial äußeres Kernelement 13a, 13b auf, welche zusammen einen Kerninnenraum 14 zumindest teilweise umgeben.
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Wie 1 erkennen lässt, liegen sich in dem Kerninnenraum 14 die Primärspule 2 und die Sekundärspule 5 axial gegenüber. Im radial inneren Kernelement 13a des Transformatorkerns 4 ist ein Durchbruch 15 ausgebildet, welchen ein Befestigungsabschnitt 16 des Sekundärspulen-Wicklungsträgers 17 der Sekundärspule 5 zum drehfesten Befestigen der Sekundärspule an einer Synchronmaschinen-Rotorwelle radial nach innen zur Drehachse D hin durchgreift.
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Die Sekundärspule 5 kann elektrisch mit einer auf einer Leiterplatte 11 (in 1 schematisch angedeutet) angeordneten elektrischen Gleichrichter-Schaltung 19 (in 1 ebenfalls nur grobschematisch angedeutet) verbunden sein, welche mehrere Gleichrichterelemente (nicht gezeigt) zum Gleichrichten der in der Sekundärspule 5 elektrisch induzierten Wechselspannung umfasst. Die hierfür erforderliche elektrische Verbindung zwischen Gleichrichter-Schaltung 19 und Sekundärspule 5 ist in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen).
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Die Leiterplatte 11 kann wie in 1 gezeigt axial benachbart zur Sekundärspule 5 bzw. deren Sekundärspulen-Wicklungsträger 17 angeordnet sein. Die Leiterplatte 11 ist drehfest mit der Drehtransformator-Rotorwelle 18 des Drehtransformator verbunden bzw. an dieser befestigt.
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Die 2 zeigt eine Variante des Beispiels der 1. Der Drehtransformator 1 gemäß 2 unterscheidet sich von jenem der 2 darin, dass sich beim Drehtransformator 1 der 2 die Primärspule 2 und die Sekundärspule 5 radial - also nicht axial wie im Beispiel der 1 - in dem Kerninnenraum 14 gegenüberliegen. Sowohl im Beispiel der 1 als auch im Beispiel der 2 ist die Sekundärspule 5 des Drehtransformator-Rotors 6 ohne Transformatorkern, also ohne magnetisches Material und somit insbesondere ferritfrei ausgebildet.
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Die 3 und 4 sind mit den 1 und 2 korrespondierende Darstellungen. Gegensätzlich zum Beispiel der 3 erstreckt sich der Primärspulen-Wicklungsträger (20 bzw. Sekundärspulen-Wicklungsträger 17 hier nicht in radialer Richtung, so dass er wie im Beispiel der 1 und 2 insbesondere eine ringförmige Trägerplatte bilden kann, sondern erstreckt sich sowohl entlang der Umfangsrichtung U als auch in axialer Richtung A. Der Primärspulen-Wicklungsträger 20 bzw. Sekundärspulen-Wicklungsträger 17 besitzt also im Beispiel der 3 und 4 zumindest abschnittsweise die Geometrie eines Hohlzylinders oder Zylinders. Der im Transformatorkern 4 ausgebildete Durchbruch 15 erstreckt sich ebenso wie der den Durchbruch 15 durchgreifende Befestigungsabschnitt 16 des Sekundärspulen-Wicklungsträgers 17 entlang der axialen Richtung A.
