DE102022207340B3 - Rotor arrangement for a separately excited synchronous machine - Google Patents
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Abstract
Eine Rotoranordnung (1) für eine fremderregte Synchronmaschine. Die Rotoranordnung umfasst eine als Hohlwelle ausgebildete Rotorwelle (2) für wenigstens eine Erregerwicklung, einen innerhalb der Rotorwelle (2) angeordneten Transformator (5) zur berührungslosen Übertragung eines für eine Rotorfelderzeugung benötigten Stroms auf die Erregerwicklung, wobei der Transformator (5) eine statorfeste Primärseite und eine mit der Rotorwelle drehfest gekoppelte Sekundärseite aufweist, und einen innerhalb der Rotorwelle (2) angeordneten und elektrisch zwischen die Sekundärseite des Transformators (5) und die Erregerwicklung gekoppelten Gleichrichter (14). Die Sekundärseite des Transformators (5) und der Gleichrichter (4) sind über eine axiale elektrisch leitfähige Pressfit-Verbindung (22) miteinander gekoppelt. A rotor arrangement (1) for a separately excited synchronous machine. The rotor arrangement comprises a rotor shaft (2) designed as a hollow shaft for at least one field winding, a transformer (5) arranged within the rotor shaft (2) for the contactless transmission of a current required for rotor field generation to the field winding, the transformer (5) having a stator-fixed primary side and has a secondary side non-rotatably coupled to the rotor shaft, and a rectifier (14) arranged within the rotor shaft (2) and electrically coupled between the secondary side of the transformer (5) and the field winding. The secondary side of the transformer (5) and the rectifier (4) are coupled to one another via an axial, electrically conductive press-fit connection (22).
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrische Maschinen und insbesondere auf Rotoranordnungen für fremderregte Synchronmaschinen.The present invention relates generally to electrical machines and in particular to rotor arrangements for separately excited synchronous machines.
Fremderregte Synchronmaschinen als Antriebe für Fahrzeuge, wie zum Beispiel PKWs, verwenden zur Übertragung eines für eine Rotorfelderzeugung notwendigen Stroms vom stehenden auf ein drehendes System konduktive Übertragungseinrichtungen. Diese können beispielsweise als Kohlebürsten- oder Schleifringanordnungen ausgeführt sein. Darüber hinaus sind auch berührungslose Übertragungseinrichtungen bekannt, die insbesondere auf induktiver Übertragung basieren. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Transformatoren, deren Primär- und Sekundärseite durch einen Luftspalt voneinander getrennt und gegeneinander drehbar ausgeführt sind. Auf der Sekundärseite befindet sich ferner eine Gleichrichterschaltung, um den für die Übertragung notwendigen Wechselstrom in einen für eine Magnetfelderzeugung notwendigen Gleichstrom zu wandeln.Externally excited synchronous machines as drives for vehicles, such as cars, use conductive transmission devices to transfer the current required to generate a rotor field from a stationary to a rotating system. These can be designed, for example, as carbon brush or slip ring arrangements. In addition, non-contact transmission devices are also known, which are based in particular on inductive transmission. These are essentially transformers whose primary and secondary sides are separated from each other by an air gap and designed to rotate against each other. There is also a rectifier circuit on the secondary side to convert the alternating current necessary for transmission into a direct current necessary for generating a magnetic field.
Im Vergleich zu einer permanenterregten Synchronmaschine benötigt eine fremderregte Synchronmaschine statt Permanentmagnete im Rotor zusätzlich unter anderem eine Erregerwicklung am Rotor sowie eine Übertragungseinrichtung für den Strom vom stehenden System auf den Rotor. Eine Herausforderung besteht darin, insbesondere die Übertragungseinrichtung möglichst so auszugestalten und anzuordnen, dass keine - bzw. möglichst wenig zusätzliche Baulänge der elektrischen Maschine (E-Maschine) resultiert. Eine weitere Herausforderung liegt darin, dass bei bisher bekannten Lösungen üblicherweise der Bauraum unterhalb der Wickelköpfe der Statorwicklung für die Anordnung des Übertragers oder der Gleichrichter-Elektronik genutzt wird und hier einerseits ausgehend von den Wickelköpfen hohe Temperaturen herrschen und andererseits eine Kühlung erschwert ist. Zusätzliche Dichtungen und Kapselungen sind aus Effizienz- und Kostengründen ebenfalls zu vermeiden.In comparison to a permanently excited synchronous machine, a separately excited synchronous machine requires, among other things, an excitation winding on the rotor and a transmission device for the current from the stationary system to the rotor instead of permanent magnets in the rotor. One challenge is to design and arrange the transmission device in particular in such a way that no or as little as possible additional length of the electrical machine (e-machine) results. Another challenge is that in previously known solutions, the installation space below the winding heads of the stator winding is usually used for the arrangement of the transformer or the rectifier electronics and, on the one hand, there are high temperatures starting from the winding heads and, on the other hand, cooling is difficult. Additional seals and encapsulations should also be avoided for efficiency and cost reasons.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise aus
Somit besteht ein Bedarf an berührungslosen Übertragungssystemen für fremderregte Synchronmaschinen mit geringer Baulänge und guter Kühlmöglichkeiten.There is therefore a need for non-contact transmission systems for separately excited synchronous machines with a short overall length and good cooling options.
Diesem Bedarf wird durch Rotoranordnungen und fremderregte Synchronmaschinen gemäß der unabhängigen Ansprüche Rechnung getragen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This need is taken into account by rotor arrangements and externally excited synchronous machines according to the independent claims. Advantageous further training is the subject of the dependent claims.
Vorgeschlagen wird eine Rotoranordnung für eine fremderregte Synchronmaschine. Die Rotoranordnung umfasst eine als Hohlwelle ausgebildete Rotorwelle für wenigstens eine Erregerwicklung. Innerhalb der Rotorwelle ist ein Transformator zur berührungslosen Übertragung eines für eine Rotorfelderzeugung benötigten Stroms auf die Erregerwicklung angeordnet. Der Transformator weist eine statorfeste Primärseite und eine mit der Rotorwelle drehfest gekoppelte Sekundärseite auf. Innerhalb der Rotorwelle ist ferner angeordnet ein elektrisch zwischen die Sekundärseite des Transformators und die Erregerwicklung gekoppelter Gleichrichter. Die Sekundärseite des Transformators und der Gleichrichter sind über eine axiale elektrisch leitfähige Pressfit-Verbindung miteinander gekoppelt. Die vorgeschlagene Lösung sieht also vor, eine induktive Energie-Übertragungseinrichtung (Transformator) innerhalb der Hohlwelle der E-Maschine anzuordnen. Transformator und Gleichrichter können mechanisch und elektrisch vorteilhaft durch eine wieder lösbare Pressfit-Verbindung miteinander verbunden werden. Hierdurch kann eine deutliche Bauraumeinsparung und ein erleichterter Ein- und Ausbau erreicht werden.A rotor arrangement for a separately excited synchronous machine is proposed. The rotor arrangement comprises a rotor shaft designed as a hollow shaft for at least one field winding. A transformer is arranged within the rotor shaft for the contactless transmission of a current required for rotor field generation to the field winding. The transformer has a primary side that is fixed to the stator and a secondary side that is coupled in a rotationally fixed manner to the rotor shaft. A rectifier electrically coupled between the secondary side of the transformer and the field winding is also arranged within the rotor shaft. The secondary side of the transformer and the rectifier are coupled to one another via an axial electrically conductive press-fit connection. The proposed solution therefore envisages arranging an inductive energy transmission device (transformer) within the hollow shaft of the electric machine. Transformer and rectifier can be connected to one another mechanically and electrically using a releasable press-fit connection. This makes it possible to achieve significant savings in installation space and facilitate installation and removal.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weist der Gleichrichter einen Träger für Gleichrichterdioden auf. Der Träger (Substrat) kann rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Wenigstens ein axialer elektrisch leitfähiger Kontaktstift der Pressfit-Verbindung koppelt eine sekundärseitige Wicklung des Transformators elektrisch mit einer metallisierten Durchkontaktierung des Trägers. Somit kann der Transformator mittels eines axialen Kontaktstifts mit dem Gleichrichter verbunden werden.According to some embodiments of the present invention, the rectifier has a carrier for rectifier diodes. The carrier (substrate) can be designed to be rotationally symmetrical. At least one axial electrically conductive contact pin of the press-fit connection electrically couples a secondary-side winding of the transformer to a metallized plated-through hole on the carrier. The transformer can therefore be connected to the rectifier using an axial contact pin.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weist der Träger ein elektrisch leitfähiges gestanztes Verbindungselement (Stanzgitter) zur elektrischen Verbindung der Sekundärseite des Transformators mit den Gleichrichterdioden auf. Das Stanzgitter kann beispielsweise alternativ oder ergänzend zu einer Leiterplatte eingesetzt werden.According to some exemplary embodiments of the present invention, the carrier has an electrically conductive stamped connecting element (stamped grid) for electrically connecting the secondary side of the transformer to the rectifier diodes. The lead frame can, for example, be used as an alternative or in addition to a circuit board.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weist der Träger der Gleichrichterdioden eine Leiterplatte als Substrat für die Gleichrichterdioden auf. Die Leiterplatte kann rotationssymmetrisch (z.B. kreis- oder ringförmig) ausgebildet sein.According to some embodiments of the present invention, the carrier of the rectifier diodes has a circuit board as a substrate for the rectifier diodes. The circuit board can be designed to be rotationally symmetrical (e.g. circular or ring-shaped).
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist die Leiterplatte als IMS-Leiterplatte (Insulated Metal Substrate) ausgebildet und/oder weist Vias (Durchkontaktierungen) auf, um Wärme vom Gleichrichter abzutransportieren. IMS-Leiterplatten werden auch als Metallkernleiterplatten bezeichnet. Ein Metallkern oder metallische Vias bieten jeweils eine gute Wärmeleitfähigkeit.According to some embodiments of the present invention, the circuit board is designed as an IMS Circuit board (Insulated Metal Substrate) is formed and / or has vias (through-contacts) to transport heat away from the rectifier. IMS PCBs are also called metal core PCBs. A metal core or metallic vias each offer good thermal conductivity.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind die Gleichrichterdioden des Gleichrichters als SMD-Bauteile (SMD = Surface Mounted Device) ausgeführt. Alternativ können die Gleichrichterdioden auch als THT-Bauteile ausgeführt sein (THT = through-hole technology).According to some embodiments of the present invention, the rectifier diodes of the rectifier are designed as SMD components (SMD = Surface Mounted Device). Alternatively, the rectifier diodes can also be designed as THT components (THT = through-hole technology).
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind der Träger und die Gleichrichterdioden mit einer Vergussmasse vergossen ausgebildet. Dadurch kann insbesondere bei Rotation der Rotoranordnung eine hohe mechanische Stabilität des Gleichrichters erreicht werden.According to some exemplary embodiments of the present invention, the carrier and the rectifier diodes are designed to be cast with a casting compound. As a result, a high mechanical stability of the rectifier can be achieved, particularly when the rotor arrangement rotates.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weist die Vergussmasse eine thermische Leitfähigkeit höher als 2 W/mK auf, vorzugsweise höher als 10 W/mK. Somit kann über die Vergussmasse auch Wärme aus dem Gleichrichter abtransportiert werden.According to some exemplary embodiments of the present invention, the casting compound has a thermal conductivity higher than 2 W/mK, preferably higher than 10 W/mK. This means that heat can also be removed from the rectifier via the casting compound.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weist der Gleichrichter wenigstens eine Klemmbuchse auf, um den Gleichrichter ausgangsseitig elektrisch mit der Erreger- bzw. Rotorwicklung über wenigstens eine radiale Anschlussleitung zu koppeln. Über eine derartige Klemmbuchse kann ein- bzw. Ausbau des Transformators und Gleichrichters in die bzw. aus der Rotorwelle vereinfacht werden.According to some exemplary embodiments of the present invention, the rectifier has at least one clamping socket in order to electrically couple the rectifier on the output side to the exciter or rotor winding via at least one radial connection line. Such a clamping socket can be used to simplify the installation or removal of the transformer and rectifier into or out of the rotor shaft.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weist der Gleichrichter einen Kühlkörper auf, der an einem axialen Ende des Gleichrichters ausgebildet ist oder Gleichrichterdioden des Gleichrichters radial umgibt. Über diesen Kühlkörper kann dann Wärme vom Gleichrichter abgeleitet werden.According to some embodiments of the present invention, the rectifier includes a heat sink formed at an axial end of the rectifier or radially surrounding rectifier diodes of the rectifier. Heat can then be dissipated from the rectifier via this heat sink.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind eine primärseitige und eine sekundärseitige Wicklung des Transformators jeweils als Flachbandwicklung ausgebildet. Dadurch kann der Transformator radial kompakt bauen.According to some exemplary embodiments of the present invention, a primary-side and a secondary-side winding of the transformer are each designed as a flat strip winding. This allows the transformer to be radially compact.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann der Transformator innerhalb der Rotorwelle eine statorfeste Primärseite und eine demgegenüber um eine Drehachse verdrehbare und mit der Rotorwelle drehfest gekoppelte Sekundärseite aufweisen. Die Primärseite des innerhalb der Rotorwelle angeordneten Transformators kann also an das stehende System der fremderregten Synchronmaschine gekoppelt sein, während die Sekundärseite des Transformators an die rotierbare Rotorwelle gekoppelt ist.According to some exemplary embodiments of the present invention, the transformer within the rotor shaft can have a primary side that is fixed to the stator and a secondary side that can be rotated about an axis of rotation and is coupled in a rotationally fixed manner to the rotor shaft. The primary side of the transformer arranged within the rotor shaft can therefore be coupled to the stationary system of the externally excited synchronous machine, while the secondary side of the transformer is coupled to the rotatable rotor shaft.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann die Rotoranordnung ferner einen axial in einen Hohlraum der Rotorwelle hineinragenden, statorfesten Träger aufweisen, der mechanisch mit der Primärseite des Transformators gekoppelt ist. Der Träger für die Primärseite des Transformators kann beispielsweise lanzenförmig ausgebildet sein und an dessen Außenumfang die Primärseite des Transformators tragen bzw. abstützen.According to some exemplary embodiments of the present invention, the rotor arrangement can further have a stator-fixed support which projects axially into a cavity of the rotor shaft and is mechanically coupled to the primary side of the transformer. The carrier for the primary side of the transformer can, for example, be lance-shaped and carry or support the primary side of the transformer on its outer circumference.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann der Transformator einen statorfesten, primärseitigen Ferritkern umfassen, in welchen eine primärseitige Wicklung des Transformators eingelegt ist. Der Transformator kann außerdem einen relativ zum primärseitigen Ferritkern verdrehbaren mit der Rotorwelle drehfest gekoppelten sekundärseitigen Ferritkern umfassen, in welchen eine sekundärseitige Wicklung des Transformators eingelegt ist. Neben Ferrit sind selbstverständlich auch andere die Induktivität erhöhende weichmagnetische Materialen für Spulenkerne vorstellbar.According to some exemplary embodiments of the present invention, the transformer can comprise a stator-fixed, primary-side ferrite core, in which a primary-side winding of the transformer is inserted. The transformer can also include a secondary-side ferrite core that is rotatable relative to the primary-side ferrite core and is coupled to the rotor shaft in a rotationally fixed manner, in which a secondary-side winding of the transformer is inserted. In addition to ferrite, other soft magnetic materials that increase inductance are of course also conceivable for coil cores.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann sich die Erregerwicklung (Rotorwicklung) axial von einem Anfangsbereich bis zu einem Endbereich entlang der Rotorwelle erstrecken. Der Transformator (und gegebenenfalls auch der Gleichrichter) kann axial zwischen dem Anfangsbereich und dem Endbereich der Erregerwicklung innerhalb der Rotorwelle angeordnet sein. Somit kann vorteilhaft axialer Bauraum eingespart werden.According to some embodiments of the present invention, the field winding (rotor winding) may extend axially from an initial region to an end region along the rotor shaft. The transformer (and possibly also the rectifier) can be arranged axially between the initial region and the end region of the field winding within the rotor shaft. This means that axial installation space can be advantageously saved.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind ein Außendurchmesser eines Gehäuses des Transformators und ein Außendurchmesser eines Gehäuses des Gleichrichters an einen Innendurchmesser der Rotorwelle angepasst. Somit kann ein Presssitz des Transformators und des Gleichrichters innerhalb der Rotorwelle erreicht werden.According to some embodiments of the present invention, an outer diameter of a housing of the transformer and an outer diameter of a housing of the rectifier are adapted to an inner diameter of the rotor shaft. A press fit of the transformer and the rectifier within the rotor shaft can thus be achieved.
Es wird weiterhin eine fremderregte Synchronmaschine vorgeschlagen, die eine Rotoranordnung nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele umfasst.A separately excited synchronous machine is also proposed, which includes a rotor arrangement according to one of the previous exemplary embodiments.
Im Folgenden werden einzelne Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine Rotoranordnung für eine fremderregte Synchronmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
2 eine Ausführung einer Klemmverbindung eines inneren Ferritkerns; -
3 ein Ausführungsbeispiel einer Baugruppe aus Übertragereinrichtung und Gleichrichteranordnung im montierten Zustand; -
4 die Anordnung der3 in Explosionsdarstellung; -
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Gleichrichteranordnung im montierten Zustand; -
6 dieAnordnung der 5 in Explosionsdarstellung; -
7 ,8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Baugruppe aus Übertragereinrichtung und Gleichrichteranordnung; und -
9 ,10 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Baugruppe aus Übertragereinrichtung und Gleichrichteranordnung.
-
1 a rotor arrangement for a separately excited synchronous machine according to an exemplary embodiment; -
2 an embodiment of a clamp connection of an inner ferrite core; -
3 an exemplary embodiment of an assembly consisting of a transformer device and a rectifier arrangement in the assembled state; -
4 the arrangement of the3 in exploded view; -
5 a further exemplary embodiment of a rectifier arrangement in the assembled state; -
6 the arrangement of the5 in exploded view; -
7 ,8th a further exemplary embodiment of an assembly consisting of a transformer device and a rectifier arrangement; and -
9 ,10 a further exemplary embodiment of an assembly consisting of a transformer device and a rectifier arrangement.
Eine Synchronmaschine ist eine rotierende elektrische Maschine, in welcher der Rotor (auch Läufer genannt) synchron mit einem Drehfeld des Stators (auch Ständer genannt) läuft. Synchronmaschinen werden häufig als Drehstrommaschinen, also als Drehstrom-Synchronmaschinen ausgeführt. Die Synchronmaschine trägt ihren Namen wegen der Betriebseigenschaft, dass ihr Rotor exakt mit dem durch eine Netzfrequenz vorgegebenen Drehfeld synchron umläuft.A synchronous machine is a rotating electrical machine in which the rotor (also called rotor) runs synchronously with a rotating field of the stator (also called stator). Synchronous machines are often designed as three-phase machines, i.e. as three-phase synchronous machines. The synchronous machine gets its name because of the operating characteristic that its rotor rotates exactly synchronously with the rotating field specified by a mains frequency.
Im Rotor wird ein konstantes Magnetfeld erzeugt. Dies geschieht entweder durch einen Permanentmagnet (permanenterregt) oder durch eine elektromagnetische Fremderregung (fremderregt). Je nach Bauart der Synchronmaschine kann der Rotor als Schenkelpolläufer oder Vollpolläufer ausgeführt sein. Im Gegensatz dazu wird im Stator ein magnetisches Drehfeld erzeugt, beispielsweise durch eine Erzeugung dieses Drehfelds durch Dreiphasenwechselstrom. Dafür können im Stator drei um 120° versetzt angeordnete Induktivitäten verbaut sein. Es versteht sich, dass auch mehr oder weniger Phasen zum Einsatz kommen können.A constant magnetic field is generated in the rotor. This happens either through a permanent magnet (permanently excited) or through external electromagnetic excitation (externally excited). Depending on the design of the synchronous machine, the rotor can be designed as a salient pole rotor or a solid pole rotor. In contrast, a rotating magnetic field is generated in the stator, for example by generating this rotating field using three-phase alternating current. For this purpose, three inductors offset by 120° can be installed in the stator. It goes without saying that more or fewer phases can also be used.
Vom Prinzip her kann jede Synchronmaschine als elektrischer Motor und elektrischer Generator betrieben werden. Beim Betrieb der Synchronmaschine als Generator wird der Rotor extern mechanisch angetrieben. Handelt es sich um einen fremderregten Rotor, so muss dieser entsprechend erregt werden. Das Magnetfeld des Rotors induziert in die Statorwicklungen periodisch eine Spannung. Diese Spannung wird als Polradspannung bezeichnet. Beim Motorbetrieb wird an die Synchronmaschine von außen zum Beispiel eine Dreiphasenwechselspannung angelegt. Das dadurch erzeugte magnetische Drehfeld des Stators setzt den Rotor in Bewegung. Die Maschine kann dadurch eine externe mechanische Last, wie zum Beispiel ein Kraftfahrzeug, antreiben.In principle, every synchronous machine can be operated as an electric motor and electric generator. When the synchronous machine is operated as a generator, the rotor is driven externally mechanically. If it is a separately excited rotor, it must be excited accordingly. The rotor's magnetic field periodically induces a voltage in the stator windings. This voltage is called the pole wheel voltage. When the motor is operating, a three-phase alternating voltage, for example, is applied to the synchronous machine from outside. The resulting magnetic rotating field of the stator sets the rotor in motion. The machine can thereby drive an external mechanical load, such as a motor vehicle.
Die vorliegende Erfindung betrifft Rotoranordnungen für fremderregte Synchronmaschinen, welche beispielsweise in (teil-)elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen können.The present invention relates to rotor arrangements for externally excited synchronous machines, which can be used, for example, in (partially) electrically operated motor vehicles.
Die beispielhafte Rotoranordnung 1 umfasst eine als Hohlwelle ausgebildete Rotorwelle 2. Die Rotorwelle 2 kann an ihrem Außenumfang mittels eines Rotorblechpakets 3 wenigstens eine Erregerwicklung bzw. Rotorwicklung (nicht dargestellt) tragen. Innerhalb der hohlen Rotorwelle 2 ist eine induktive Übertragungseinrichtung 5 (Transformator) zur berührungslosen (induktiven) Übertragung eines für eine Rotorfelderzeugung benötigten Stroms auf die wenigstens eine Erregerwicklung angeordnet. Durch die Anordnung der induktiven Übertragungseinrichtung 5 innerhalb der Rotorwelle 2 kann vorteilhaft Bauraum eingespart werden.The exemplary rotor arrangement 1 comprises a
Die in
Das am Außenumfang der Rotorwelle 2 angeordnete Rotorblechpaket 3 erstreckt sich axial von einem Anfangsbereich (links) bis zu einem Endbereich (rechts) entlang der Rotorwelle 2. Im Anfangsbereich (links) des Rotorblechpakets 3 kann am Außenumfang der Rotorwelle 2 ein Wellenabsatz als axialer Anschlag für das Rotorblechpaket 3 vorgesehen sein. Der Transformator 5 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel axial zwischen dem Anfangsbereich und dem Endbereich des Rotorblechpakets 3 innerhalb der Rotorwelle 2 angeordnet. Dadurch wird kein zusätzlicher axialer Bauraum für den Transformator 5 benötigt. Es versteht sich allerdings, dass der Transformator 5 grundsätzlich auch an anderen axialen Positionen innerhalb der Rotorwelle 2 angeordnet sein könnte, wie z.B. axial (links oder rechts) außerhalb des Rotorblechpakets 3 oder axial nur teilweise überlappend mit dem Rotorblechpaket 3.The rotor laminated core 3 arranged on the outer circumference of the
Im Inneren der Rotorwelle 2 befindet sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine statorfeste Öllanze 4, die von einem ersten axialen Ende (links) der Rotorwelle 2 aus in axialer Richtung (nach rechts) in den Hohlraum der Rotorwelle 2 hineinragt und welche beispielsweise Kühlöl in die Rotorwelle 2 hineinleiten kann. Andere Kühlmittel als Öl (wie zum Beispiel Luft, Wasser, oder eine andere Kühlflüssigkeit) sind ebenfalls vorstellbar. Öl hat den Vorteil, dass es gleichzeitig auch noch als Schmiermittel wirken kann. Zum ersten axialen Ende (links) der Rotorwelle 2 hin ist vorliegend ein erster (Innen-) Durchmesser der Öllanze 4 größer ausgebildet als ein zweiter (Innen-) Durchmesser der Öllanze 4 zu einem gegenüberliegenden zweiten axialen Ende (rechts) der Rotorwelle 2 hin. Durch eine Verengung von dem ersten (Innen-) Durchmesser zu dem zweiten (Innen-) Durchmesser der Öllanze 4 kann ein Druck des in die Rotorwelle 2 einströmenden Kühlöls erhöht werden. Dies kann sich vorteilhaft auf eine Strömungsgeschwindigkeit des Öls und damit dessen Kühlwirkung auswirken.In the exemplary embodiment shown, inside the
Ferner dient die Öllanze 4 im dargestellten Ausführungsbeispiel auch als Träger für eine statorfeste Primärseite des Transformators 5. Der im Innern der Rotorwelle 2 befindliche Transformator 5 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen statorfesten, primärseitigen Ferritkern 6 auf, in welchen eine primärseitige Wicklung 10 des Transformators 5 eingelegt ist. Diese kann beispielsweise als Flachband- oder HF-Litzen-Wicklung (HF = Hochfrequenz) ausgeführt sein und kann von einem primärseitigen Wicklungsträger 11 umgeben sein. Der primärseitige Wicklungsträger 11 kann die Aufgabe haben, die primärseitige Wicklung 10 bei der Montage in Form zu halten sowie aus Sicherheitsgründen eine erhöhte elektrische Isolation des Wicklungspakets gegenüber dem primärseitigen Ferritkern 6 und damit dem Stator (nicht gezeigt) darzustellen. Der primärseitige Ferritkern 6 ist mit der Öllanze 4 mechanisch fest verbunden und damit statorfest. Der primärseitige Ferritkern 6 ist rotationssymmetrisch und an einem Außenumfang der Öllanze 4 angebracht. Ferner kann der primärseitige Ferritkern 6 einen axialen Abschnitt und einen radial nach außen weisenden Abschnitt umfassen. In dem in
Der zweite Teil des Transformators 5 umfasst einen relativ zum primärseitigen Ferritkern 6 verdrehbaren mit der Rotorwelle 2 an deren Innenumfang drehfest gekoppelten sekundärseitigen Ferritkern 7, in welchen eine sekundärseitige Wicklung 12 des Transformators 5 eingelegt ist. Diese kann ebenfalls als Flachband- oder HF-Litzen-Wicklung ausgeführt sein und kann von einem sekundärseitigen Wicklungsträger 13 umgeben sein. Der sekundärseitige Wicklungsträger 13 kann die Aufgabe haben, die sekundärseitige Wicklung 12 bei der Montage in Form zu halten sowie aus Sicherheitsgründen eine erhöhte elektrische Isolation des Wicklungspakets gegenüber dem sekundärseitigen Ferritkern 7 und damit dem Rotor darzustellen. Der sekundärseitige Ferritkern 7 ist mit der Rotorwelle 2 mechanisch verbunden und damit rotorfest. Der sekundärseitige Ferritkern 7 ist rotationssymmetrisch und an einem Innenumfang der Rotorwelle 2 angebracht. Ferner kann der sekundärseitige Ferritkern 7 einen axialen Abschnitt und einen radial nach innen weisenden Abschnitt umfassen. In dem in
Da Ferrit spröde ist, sollten bei einer Montage der Rotoranordnung 1 möglichst keine Zugspannungen eingeleitet werden. Der in die Rotorwelle 2 eingesetzte sekundärseitige Ferritkern 7 kann beispielsweise in die Rotorwelle 2 eingepresst werden, da hierbei Druckspannungen im Material auftreten. Auf diese Weise kann er auch unter Fliehkrafteinwirkung nach außen durch die Rotorwelle 2 optimal abgestützt werden. Der primärseitige Ferritkern 6 sollte jedoch nicht auf die Öllanze 4 gepresst (geschrumpft) werden, da er in Folge von Zugspannungen zerbrechen könnte. Hier kann entweder eine Klebeverbindung vorteilhaft sein, oder eine mechanische Verbindung, bei der der primärseitige Ferritkern 6 axial geklemmt oder über einen Formschluss gehalten wird.Since ferrite is brittle, as far as possible no tensile stresses should be introduced when assembling the rotor arrangement 1. The secondary-
Die Primärseite bzw. primärseitige Wicklung 10 des Transformators 5 kann mit einem elektrischen Wechselrichter (nicht dargestellt) elektrisch verbunden werden, welcher den zur Funktion des Transformators 5 notwendigen Wechselstrom bereitstellt. Die Sekundärseite bzw. sekundärseitige Wicklung 12 kann mit einer Gleichrichteranordnung 14 elektrisch verbunden werden. Diese ist notwendig, um den Wechselstrom in einen Gleichstrom zu wandeln, welcher zum Aufbau des Rotor-Erregerfelds benötigt wird.The primary side or primary-side winding 10 of the
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zwischen Sekundärseite des Transformators 5 und Erregerwicklung gekoppelte Gleichrichteranordnung 14 ebenfalls im Innern der hohlen Rotorwelle 2 angeordnet. Die Gleichrichteranordnung 14 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls axial zwischen dem Anfangsbereich und dem Endbereich des Rotorblechpakets 3 innerhalb der Rotorwelle 2 angeordnet. Dadurch wird kein zusätzlicher axialer Bauraum für die Gleichrichteranordnung 14 benötigt. Es versteht sich allerdings, dass die Gleichrichteranordnung 14 grundsätzlich auch an anderen axialen Positionen innerhalb der Rotorwelle 2 angeordnet sein könnte, wie z.B. axial (links oder rechts) außerhalb des Rotorblechpakets 3 oder axial nur teilweise überlappend mit dem Rotorblechpaket 3.In the exemplary embodiment shown, the
Die Gleichrichteranordnung 14 umfasst hier im Wesentlichen ein Gleichrichtergehäuse 15, welches in die Rotorwelle 2 eingeschoben und mit dieser mechanisch (drehfest) verbunden werden kann, sowie elektronischen Bauelementen, wie zum Beispiel Gleichrichterdioden 16. Die die Sekundärseite (sekundärseitige Wicklung) 12 des Transformators 5 und die Gleichrichteranordnung 14 können über eine axiale elektrisch leitfähige Pressfit- oder Einpress-Verbindung miteinander gekoppelt sein, um eine elektrische Verbindung zwischen Gleichrichteranordnung 14 und Transformator 5 herzustellen. Als Einpresstechnik bezeichnet man eine lötfreie Verbindungstechnik, bei der ein oder mehrere Kontaktstifte in ein metallisiertes Loch (Durchkontaktierung) z.B. einer Leiterplatte der Gleichrichteranordnung 14 gedrückt werden. Die Kontaktstifte können vorliegend in entsprechende axiale Öffnungen des Gleichrichtergehäuses 15 gesteckt werden.The
Ein Außenumfang des Gleichrichtergehäuses 15 ist an den Innenumfang der Rotorwelle 2 angepasst. Ein Innenumfang des Gleichrichtergehäuses 15 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mehreckig (hier: oktogonal) ausgebildet, so dass die Gleichrichterdioden 16 auf tangentialen Flächen im Inneren des Gleichrichtergehäuses 15 angeordnet werden können. Die Gleichrichterdioden 16 können über Isolierpads 17 elektrisch isolierend aber thermisch möglichst gut leitend mit dem Gleichrichtergehäuse 15 verbunden sein. Das Gleichrichtergehäuse 15 kann zur guten Ableitung der entstehenden Abwärme der Gleichrichterdioden 16 vorzugsweise aus Aluminium gefertigt sein. Durch die Anordnung der Gleichrichterdioden 16 auf tangentialen Flächen im Inneren des Gleichrichtergehäuses 15 können die Bauelemente gegenüber Fliehkraftwirkung optimal abgestützt werden. Die Gleichrichterschaltung ist sekundärseitig elektrisch mit der Erregerwicklung des Rotors verbunden, dies ist jedoch nicht dargestellt.An outer circumference of the
Die Primärseite des Transformators 5 wird durch den primärseitigen Ferritkern 6 mit dem primärseitigen Wicklungsträger 11 und der primärseitigen Wicklung 10 gebildet. Die Wicklung 10 ist vorzugsweise als Flachbandwicklung ausgeführt. An beiden Enden des Flachbands ist jeweils ein primärseitiger axialer Kontaktierungspin 18 befestigt, beispielsweise durch Schweißen oder Löten. Der primärseitige Kontaktierungspin 18 kann mit einem elektrischen Wechselrichter (nicht dargestellt) elektrisch verbunden werden, welcher den zur Funktion des Transformators 5 notwendigen Wechselstrom bereitstellt. Montagetechnisch ist es günstig, die primärseitige Wicklung 10 auf dem primärseitigen Wicklungsträger 11 vorzumontieren. Durch einen primärseitigen Wicklungsverguss 19 kann die primärseitige Wicklung 10 mechanisch gehalten, elektrisch isoliert und vor Kontamination geschützt werden.The primary side of the
Die Sekundärseite des Transformators 5 ist analog aufgebaut mit dem sekundärseitigen Ferritkern 7 und der darin aufgenommenen sekundärseitigen Wicklung 12, die ebenfalls als Flachbandwicklung ausgeführt sein kann. Durch einen sekundärseitigen Wicklungsverguss 20 kann die sekundärseitige Wicklung 12 mechanisch gehalten, elektrisch isoliert und vor Kontamination geschützt werden Der sekundärseitige Ferritkern 7 kann an Teilen seiner Außenkontur mit einer Isolierung 21 versehen sein, die ihn thermisch und elektrisch von der Rotorwelle 2 entkoppelt.The secondary side of the
Primär- und sekundärseitiger Ferritkern 6, 7 können axial ineinandergesteckt werden, sind jedoch durch Luftspalte axial and radial voneinander getrennt, so dass sie im Betrieb der Rotoranordnung berührungslos gegeneinander verdreht werden können. Der primärseitige Ferritkern 6 ist statorfest, der sekundärseitige Ferritkern 7 rotorfest angebunden.The primary and secondary-
Augenmerk ist in der
Die Gleichrichteranordnung 14 kann eine Brückenschaltung von beispielsweise vier Gleichrichterdioden 16 umfassen. Diese können vorteilhaft als SMD Bauteile ausgeführt und auf der Leiterplatte 23 angeordnet sein. Wie in
Zur Kontaktierung der Gleichrichterschaltung 14 mit der Rotorwicklung der fremderregten Synchronmaschine (nicht dargestellt) können auf der Leiterplatte 23 Anschlussbuchsen 24 angeordnet sein. In diese können bei der Montage von radial außen durch entsprechende radiale Durchbrüche in der Rotorwelle 2 Leiter eingeführt und geklemmt werden.To contact the
Auf einer dem Transformator 5 abgewandten Rückseite der Leiterplatte 23 kann ein Kühlkörper 25 angeordnet und beispielsweise mittels Schrauben 26 mit der Leiterplatte verbunden werden. Wie in
Zum Schutz der Dioden 16 vor Kontakt mit umgebendem Kühlöl und möglicher Verunreinigungen kann die Leiterplatte 23 nach Montage der Dioden 16 mit einer elektrisch isolierenden Vergussmasse 28 vergossen bzw. umspritzt werden. Hierdurch können die Dioden 16 auch mechanisch zusätzlich gehalten und gegenüber Vibrationen und Fliehkrafteinwirkung geschützt werden.To protect the
Bei dem in
Eine alternative Ausführung der Gleichrichteranordnung 14 ist in
Die Gleichrichteranordnung 14 der
Die Leiterplatte 23 als Träger der Gleichrichterdioden 16 kann also mit einem duroplastischen Kunststoff mit einer erhöhten thermischen Leitfähigkeit vergossen werden. Der Verguss 29, 30 kombiniert elektrische Isolation, chemischen Schutz, mechanischen Schutz und Wärmeabfuhr in einem. Besonders interessant ist dies in Kombination mit einer beidseitig bestückten Leiterplatte.The
Eine weitere Ausführung zeigen
Der Verguss 31 ist hier so ausgeführt, dass er radial und axial um die Leiterplatte 23 außen herum ragt und zudem einen Kühlkörper 32 für die Gleichrichterdioden 16 an dessen Außenkontur fasst. Der Kühlkörper 32 umgibt die THT-Gleichrichterdioden 16 radial und weist auf seiner Innenseite Anlageflächen für die Gleichrichterdioden 16 auf. Die Gleichrichterdioden 16 können so vom Kühlkörper 32 nach radial außen hin gegenüber der Fliehkraft abgestützt werden. Die Gleichrichterdioden 16 können beispielsweise über radiale Stifte 33 mit dem Kühlkörper 32 verbunden sein. Zwischen den Dioden 16 und dem Kühlkörper 32 können zudem Isolierelemente 34 zur elektrischen Isolation vorgesehen sein. Auf der Außenseite des Kühlkörpers 32 kann sich, wie in
Eine weitere Ausführung zeigen
Die hier beschriebenen Bauteile sind wirtschaftlich herstellbar und können hohe mechanische Belastungen in Folge von Fliehkraft und Vibrationen sowie thermische Belastungen durch Eigen- als auch Fremderwärmung ertragen. Ebenso ist ein Schutz gegenüber chemischer Reaktion mit umgebendem Kühlöl gegeben.The components described here can be manufactured economically and can withstand high mechanical loads as a result of centrifugal force and vibrations as well as thermal loads due to internal and external heating. There is also protection against chemical reactions with the surrounding cooling oil.
Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Während jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hier explizit vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.Furthermore, the following claims are hereby incorporated into the detailed description, whereby each claim may stand on its own as a separate example. While each claim can stand on its own as a separate example, it should be noted that - although a dependent claim may refer to a particular combination with one or more other claims in the claims - other examples also include a combination of the dependent claim with the subject matter of each may include other dependent or independent claims. Such combinations are explicitly suggested here, unless it is stated that a particular combination is not intended. Furthermore, features of a claim should also be included for any other independent claim, even if that claim is not made directly dependent on the independent claim.
BezugszeichenReference symbols
- 11
- RotoranordnungRotor arrangement
- 22
- Hohlwellehollow shaft
- 33
- RotorblechpaketRotor lamination package
- 44
- Statorfeste ÖllanzeStator-proof oil lance
- 55
- induktive Übertragereinrichtunginductive transmitter device
- 66
- Primärseitiger FerritkernPrimary side ferrite core
- 77
- Sekundärseitiger FerritkernSecondary side ferrite core
- 88th
- Äußerer LuftspaltExternal air gap
- 99
- Innerer LuftspaltInternal air gap
- 1010
- Primärseitige WicklungPrimary side winding
- 1111
- Primärseitiger WicklungsträgerPrimary side winding carrier
- 1212
- Sekundärseitige WicklungSecondary side winding
- 1313
- Sekundärseitiger WicklungsträgerSecondary winding carrier
- 1414
- GleichrichteranordnungRectifier arrangement
- 1515
- GleichrichtergehäuseRectifier housing
- 1616
- Gleichrichterdioderectifier diode
- 1717
- IsolierpadInsulation pad
- 1818
- Kontaktierungspincontact pin
- 1919
- Primärseitiger WicklungsvergussPrimary-side winding potting
- 2020
- Sekundärseitiger WicklungsvergussSecondary winding potting
- 2121
- Isolierunginsulation
- 2222
- KontaktstiftContact pin
- 2323
- LeiterplatteCircuit board
- 2424
- AnschlussbuchseConnection socket
- 2525
- KühlkörperHeat sink
- 2626
- Schraubenscrews
- 2727
- ViaVia
- 2828
- VergussmassePotting compound
- 2929
- axial vorderer Thermo-Leit-Vergussaxial front thermal conductive potting
- 3030
- axial hinterer Thermo-Leit-Vergussaxially rear thermal conductive potting
- 3131
- Leiterplatten-VergussPCB potting
- 3232
- KühlkörperHeat sink
- 3333
- StiftPen
- 3434
- IsolierelementInsulating element
- 3535
- KomponententrägerComponent carrier
- 3636
- GrundkörperBasic body
- 3737
- Stanzgitterpunched grid
- 3838
- axiale Nasenaxial noses
Claims (15)
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-
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- 2022-07-19 DE DE102022207340.1A patent/DE102022207340B3/en active Active
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2023
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