WO2010105764A1 - Drehübertrager und fremderregte synchronmaschine - Google Patents

Drehübertrager und fremderregte synchronmaschine Download PDF

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transformer according
ferrite
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Josef Schmidt
Thomas Leichter
Klaus Schwesinger
Leobald Podbielski
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Sew-Eurodrive Gmbh & Co. Kg
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/18—Rotary transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures

Definitions

  • the invention relates to a rotary transformer and a separately excited synchronous machine.
  • Transformers usually have a primary winding and a secondary winding, wherein such shaped ferrite cores are provided, that the losses are reduced and thus a high efficiency in the transmission can be achieved.
  • the invention is therefore based on the object to achieve a low-loss transmission in a rotary transformer.
  • the object is achieved in the rotary transformer according to the features specified in claim 1 and in the externally-excited synchronous machine.
  • the rotary transformer in particular a transformer rotary transformer, having a primary winding and a inductively coupled thereto, relative to the primary winding rotatably arranged secondary winding,
  • windings extend over the same axial area or at least over a same axial partial area
  • the primary winding is assigned a first and the secondary winding a second ferrite core
  • first and second ferrite cores extend over at least a same axial portion and extend over at least a same radial portion.
  • the advantage here is that an air gap can be realized, which extends at least partially in the axial direction and is thus limited by large surfaces on the ferrite cores.
  • BESTATIGUNGSKOPIE In this way, a low magnetic resistance is achievable for the transformer. Therefore, since the magnetizing current component is low durable, therefore, the feeding power source or voltage source is relieved. Because the arrangement allows a higher magnetizing inductance at the same number of turns compared to the prior art. In addition, the sensitivity to air gap tolerances is reduced.
  • the ferrite cores of the respective winding are attached to a respective associated holding part.
  • the advantage here is that a simple and inexpensive mechanical attachment can be achieved, in particular by gluing or the like.
  • the holding parts are made of aluminum.
  • the advantage here is that losses can be reduced, in particular eddy current losses.
  • the windings each have a capacitor connected in series and / or in parallel so that the associated resonant frequency substantially corresponds to the frequency of the current fed into the primary winding.
  • the ferrite cores are each axially open.
  • the advantage here is that the ferrite cores are not the same and thus at least partially axially inserted into one another can be arranged.
  • the essential part of the magnetic flux penetrates from the first to the second ferrite core, the air gap between the first and second ferrite core in the radial direction.
  • the advantage here is that a large surface of the ferrite cores is available to limit the air gap and thus a low magnetic resistance for the field flow can be achieved.
  • each ferrite core has a shape such that it substantially corresponds to a solid cylinder having a central bore and into which a centrally arranged pineapple disc-shaped or toroidal recess is introduced, which has a smaller axial extent than the solid cylinder,
  • the ferrite core is composed of ferrite plates such that this shape is at least approximately achieved.
  • the two ferrite cores are axially inserted into one another or nested.
  • the advantage here is that a compact arrangement can be achieved with a few types of bearing parts.
  • the shaft protrudes through the central bore of the second ferrite core.
  • the synchronous machine has a rotatably mounted rotor on which a field winding is arranged
  • the rotary transformer is arranged in a different axial region than the excitation winding, in particular wherein the windings of the rotary transformer axially, in particular in Rotorachs therapies, are spaced from the field winding of the synchronous machine, wherein the field winding is disposed on the rotor.
  • the advantage here is the compact execution possibility.
  • a rotary transformer comprising two relatively rotatably arranged windings.
  • the first winding is referred to as a stator winding and the second winding as a rotor winding for the sake of simplicity. Because the first
  • Winding is fixed relative to the environment, ie stationary, providable and the second winding is rotatably storable, for example via ball bearings, on the shaft 4th
  • a preferably made of aluminum holding part receives the ferrite core 2 of the stator winding of the stator winding or is connected to this, for example, materially bonded.
  • the ferrite core 2 is shaped so as to receive and substantially enclose the stator winding 7, with an opening being provided in the axial direction.
  • a space region is filled radially over the stator winding with the rotor winding 6, so that the rotor winding 6 and the stator winding 7 at least partially cover a common axial portion. So they are facing each other directly radially.
  • the stator winding 7 is surrounded radially by the rotor winding 6.
  • the ferrite core 3 of the rotor winding 6 is shaped so as to receive and substantially enclose the rotor winding 7, with an opening being provided in the axial direction.
  • the ferrite cores 2 and 3 are arranged interleaved so that the legs shown in FIG. 1 run parallel in wide axial areas.
  • the air gap between the ferrite cores 2 and 3 has an L-shaped course in FIG.
  • the entire space region of the air gap is thus composed, as it were, of an axially oriented hollow cylinder and a radially oriented hollow cylinder, which adjoin one another.
  • the ferrite cores 2 and 3 extend axially over at least a same portion. Likewise, both extend over at least a same radial portion. In this way, in both ferrite cores 2 and 3 each have a very large surface area the air gap between the two cores 2 and 3. Although the cores 2 and 3 have an opening only in the axial direction, the major part of the flow penetrates the air gap in the radial direction.
  • holding parts 1 and 5 are made of aluminum, mechanical holding functions with low transmission losses can be achieved.
  • the arrangement is operated such that the primary current, for example, the current fed into the stator winding has a frequency which is between 10 and 500 kHz, in particular between 15 and 30 kHz.
  • windings 6 and 7 are also providable as part of a resonant circuit, so that the associated resonant frequency substantially the frequency of the fed
  • Primary current corresponds. In this way, a high efficiency can be achieved.
  • data can also be transmitted, for which purpose higher-frequency current components are additionally modulated and demodulated on the secondary side. This data transmission is also bidirectional executable.

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Abstract

Drehübertrager, insbesondere transformatorischer Drehübertrager, mit einer Primärwicklung (7) und eine an diese induktiv gekoppelte, relativ zur Primärwicklung drehbar angeordnete Sekundärwicklung (6), wobei die Wicklungen sich über denselben axialen Bereich oder zumindest über einen gleichen axialen Teilbereich erstrecken, der Primärwicklung ein erster (2) und der Sekundärwicklung ein zweiter (3) Ferritkern zugeordnet ist, wobei der erste und der zweite Ferritkern sich über zumindest einen gleichen axialen Teilbereich erstrecken und sich zumindest über einen gleichen radialen Teilbereich erstrecken.

Description

Drehübertrager und Fremderregte Synchronmaschine
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft einen Drehübertrager und eine fremderregte Synchronmaschine.
Transformatoren weisen zumeist eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung auf, wobei derartig geformte Ferritkerne vorgesehen sind, dass die Verluste reduziert sind und somit ein hoher Wirkungsgrad bei der Übertragung erreichbar ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verlustarme Übertragung bei einem Drehübertrager zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Drehübertrager nach den in Anspruch 1 und bei der fremderregten Synchronmaschine angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Drehübertrager sind, dass der Drehübertrager, insbesondere ein transformatorischer Drehübertrager, mit einer Primärwicklung und eine an diese induktiv gekoppelte, relativ zur Primärwicklung drehbar angeordnete Sekundärwicklung,
wobei die Wicklungen sich über denselben axialen Bereich oder zumindest über einen gleichen axialen Teilbereich erstrecken,
der Primärwicklung ein erster und der Sekundärwicklung ein zweiter Ferritkern zugeordnet ist,
wobei der erste und der zweite Ferritkern sich über zumindest einen gleichen axialen Teilbereich erstrecken und sich zumindest über einen gleichen radialen Teilbereich erstrecken.
Von Vorteil ist dabei, dass ein Luftspalt realisierbar ist, der sich zumindest teilweise in axialer Richtung erstreckt und somit durch große Oberflächen an den Ferritkernen begrenzt wird.
BESTATIGUNGSKOPIE Auf diese Weise ist ein geringer magnetischer Widerstand erreichbar für den Transformator. Weil somit der Magnetisierungsstromanteil gering haltbar ist, ist daher auch die einspeisende Stromquelle oder Spannungsquelle entlastbar. Denn die Anordnung ermöglicht eine höhere Magnetisierungsinduktivität bei gleicher Windungszahl im Vergleich zum Stand der Technik. Außerdem ist die Empfindlichkeit gegenüber Luftspalttoleranzen reduziert.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Ferritkerne der jeweiligen Wicklung an einem jeweiligen zugeordneten Halteteil befestigt. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache und kostengünstige mechanische Befestigung erreichbar ist, insbesondere durch Kleben oder dergleichen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Halteteile auf Aluminium gefertigt. Von Vorteil ist dabei, dass Verluste reduzierbar sind, insbesondere Wirbelstrombedingte Verluste.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind den Wicklungen jeweils eine Kapazität derart in Reihe und/oder parallel zugeschaltet, dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Frequenz des in die Primärwicklung eingespeisten Stromes entspricht. Von Vorteil ist dabei, dass die Empfindlichkeit gegen Luftspalttoleranzen oder -änderungen noch weiter reduzierbar ist und ein hoher Wirkungsgrad erreichbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Ferritkerne jeweils axial geöffnet ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass die Ferritkerne nicht gleich ausgeführt sind und somit zumindest teilweise axial ineinander einschiebbar anordenbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung durchdringt der wesentliche Teil des Magnetflusses vom ersten zum zweiten Ferritkern den Luftspalt zwischen erstem und zweitem Ferritkern in radialer Richtung. Von Vorteil ist dabei, dass eine große Oberfläche der Ferritkerne zur Begrenzung des Luftspaltes bereit stellbar ist und somit ein geringer magnetischer Widerstand für den Feldfluss erreichbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Halteteil des zweiten Ferritkerns auf einer Welle angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass die Lagerung des Ferritkerns über die Lagerung der Welle realisierbar ist. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist jeder Ferritkern eine derartige Form auf, dass er im Wesentlichen einem Vollzylinder entspricht, der eine Zentralbohrung aufweist und in den eine mittig angeordnete ananasscheibenförmige oder torusförmige Ausnehmung eingebracht ist, die eine geringere axiale Ausdehnung hat als der Vollzylinder,
insbesondere wobei der Ferritkern aus Ferritplatten derart zusammengesetzt ist, dass diese Form zumindest näherungsweise erreicht wird. Von Vorteil ist dabei, dass auch geringe Stückzahlen kostengünstig fertigbar sind, insbesondere müssen im Lager nur geringe Mengen gelagert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die beiden Ferritkerne axial ineinander eingeschoben oder verschachtelt vorgesehen. Von Vorteil ist dabei, dass eine kompakte Anordnung erreichbar ist mit wenigen Sorten an Lagerteilen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ragt die Welle durch die Zentralbohrung des zweiten Ferritkerns hindurch. Von Vorteil ist dabei, dass dieser direkt oder mittels eines Halteteils auf der Welle befestigbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ragt der durch die Ausnehmung und die Zentralbohrung ausgeprägte hohle Mittelzapfen des zweiten Ferritkerns in die Zentralbohrung des ersten Ferritkerns hinein. Von Vorteil ist dabei, dass eine verschachtelte Anordnung der beiden Ferritkerne ermöglicht ist.
Wichtige Merkmale bei der fremderregten Synchronmaschine mit dem Drehübertrager sind, dass die Synchronmaschine einen-drehbar gelagerten Rotor aufweist, auf dem eine Erregerwicklung angeordnet ist,
wobei der Drehübertrager in einem anderen axialen Bereich als die Erregerwicklung angeordnet ist, insbesondere wobei die Wicklungen des Drehübertragers axial, insbesondere in Rotorachsrichtung, beabstandet sind von der Erregerwicklung der Synchronmaschine, wobei die Erregerwicklung auf dem Rotor angeordnet ist. Vorteilig ist hierbei die kompakte Ausführmöglichkeit.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Bezugszeichenliste
Halteteil Ferritkern der Statorwicklung Ferritkern der Rotorwicklung Welle Halteteil Rotorwicklung Statorwicklung
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In Figur 1 ist ein Drehübertrager gezeigt, der zwei relativ zueinander drehbar angeordnete Wicklungen umfasst. Im Folgenden wird der Einfachheit halber die erste Wicklung als Statorwicklung und die zweite Wicklung als Rotorwicklung bezeichnet. Denn die erste
Wicklung ist relativ zur Umgebung fest, also stationär, vorsehbar und die zweite Wicklung ist drehbar lagerbar, beispielsweise über Kugellager, an der Welle 4.
Ein vorzugsweise aus Aluminium gefertigtes Halteteil nimmt den Ferritkern 2 der Statorwicklung der Statorwicklung auf oder ist mit diesem verbunden, beispielsweise stoffschlüssig.
Der Ferritkern 2 ist derart geformt, dass er die Statorwicklung 7 aufnimmt und im Wesentlichen umfasst, wobei in axialer Richtung eine Öffnung vorgesehen ist. Dabei ist ein Raumbereich radial über der Statorwicklung ausgefüllt mit der Rotorwicklung 6, so dass die Rotorwicklung 6 und die Statorwicklung 7 zumindest teilweise einen gemeinsamen axialen Teilbereich überdecken. Sie stehen sich also radial direkt gegenüber. Die Statorwicklung 7 ist von der Rotorwicklung 6 radial umgeben.
Der Ferritkern 3 der Rotorwicklung 6 ist derart geformt, dass er die Rotorwicklung 7 aufnimmt und im Wesentlichen umfasst, wobei in axialer Richtung eine Öffnung vorgesehen ist.
Die Ferritkerne 2 und 3 sind ineinander verschachtelt angeordnet, so dass die in Figur 1 gezeigten Schenkel in weiten axialen Bereichen parallel verlaufen.
Der Luftspalt zwischen den Ferritkernen 2 und 3 hat in Figur 1 einen L-förmigen Verlauf. Der gesamte Raumbereich des Luftspaltes ist also sozusagen aus einem axial orientierten Hohlzylinder und einem radial orientierten Hohlzylinder zusammengesetzt, die aneinander angrenzen.
Wichtig ist auch, dass die Ferritkerne 2 und 3 sich axial über zumindest einen gleichen Teilbereich erstrecken. Ebenso erstrecken sich beide über zumindest einen gleichen radialen Teilbereich. Auf diese Weise begrenzt bei beiden Ferritkernen 2 und 3 jeweils eine sehr große Oberfläche den Luftspalt zwischen den beiden Kernen 2 und 3. Obwohl die Kerne 2 und 3 nur in axialer Richtung eine Öffnung aufweisen, durchdringt der größte Teil des Flusses den Luftspalt in radialer Richtung.
Da der magnetische Widerstand des Drehübertragers sehr gering ist wegen der großen den Luftspalt begrenzenden Oberflächen ist primärseitig ein kleiner Magnetisierungsstromanteil erreichbar und somit die primärseitige Spannungsquelle oder Stromquelle gering belastet.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine hohe Magnetisierungsinduktivität erreichbar, insbesondere eine höhere wie im Stand der Technik bei gleicher Windungszahl.
Dadurch dass die Halteteile 1 und 5 aus Aluminium ausgeführt sind, sind mechanische Haltefunktionen bei geringen Übertragungs-Verlusten erreichbar.
Vorzugsweise wird die Anordnung derart betrieben, dass der Primärstrom, beispielsweise der in die Statorwicklung eingespeiste Strom eine Frequenz aufweist, die zwischen 10 und 500 kHz liegt, insbesondere zwischen 15 und 30 kHz.
Die Wicklungen 6 und 7 sind auch als Teil einer Resonanzschaltung vorsehbar, so dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Frequenz des eingespeisten
Primärstroms entspricht. Auf diese Weise ist ein hoher Wirkungsgrad erreichbar. Darüber hinaus sind auch Daten übertragbar, wobei hierzu Stromanteile höherer Frequenz zusätzlich aufmoduliert werden und sekundärseitig wieder demoduliert werden. Dieses Datenübertragung ist auch bidirektional ausführbar.

Claims

Patentansprüche:
1. Drehübertrager, insbesondere transformatorischer Drehübertrager zur Versorgung einer Erregerwicklung einer fremderregten Synchronmaschine, mit einer Primärwicklung und eine an diese induktiv gekoppelte, relativ zur Primärwicklung drehbar angeordnete Sekundärwicklung,
wobei die Wicklungen sich über denselben axialen Bereich oder zumindest über einen gleichen axialen Teilbereich erstrecken,
der Primärwicklung ein erster und der Sekundärwicklung ein zweiter Ferritkern zugeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste und der zweite Ferritkern sich über zumindest einen gleichen axialen Teilbereich erstrecken und sich zumindest über einen gleichen radialen Teilbereich erstrecken.
2. Drehübertrager nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ferritkerne der jeweiligen Wicklung an einem jeweiligen zugeordneten Halteteil befestigt sind.
3. Drehübertrager nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteteile auf Aluminium gefertigt sind.
4. Drehübertrager nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Wicklungen jeweils eine Kapazität derart in Reihe und/oder parallel zugeschaltet sind, dass die zugehörige Resonanzfrequenz im Wesentlichen der Frequenz des in die Primärwicklung eingespeisten Stromes entspricht.
5. Drehübertrager nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ferritkerne jeweils axial geöffnet ausgeführt sind.
6. Drehübertrager nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wesentliche Teil des Magnetflusses vom ersten zum zweiten Ferritkern den Luftspalt zwischen erstem_und zweitem Ferritkern in radialer Richtung_durchdringL
7. Drehübertrager nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteteil des zweiten Ferritkerns auf einer Welle angeordnet ist.
8. Drehübertrager nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Ferritkern eine derartige Form aufweist, dass er im Wesentlichen einem Vollzylinder 5 entspricht, der eine Zentralbohrung aufweist und in den eine mittig angeordnete ananasscheibenförmige oder torusförmige Ausnehmung eingebracht ist, die eine geringere axiale Ausdehnung hat als der Vollzylinder,
insbesondere wobei der Ferritkern aus Ferritplatten derart zusammengesetzt ist, dass diese 10 Form zumindest näherungsweise erreicht wird.
9. Drehübertrager nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ferritkerne axial ineinander eingeschoben oder verschachtelt vorgesehen sind. 15
10. Drehübertrager nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle durch die Zentralbohrung des zweiten Ferritkerns hindurchragt.
20 11. Drehübertrager nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Ausnehmung und die Zentralbohrung ausgeprägt hohle Mittelzapfen des zweiten Ferritkerns in die Zentralbohrung des ersten Ferritkerns hineinragt.
12. Fremderregte Synchronmaschine mit einem Drehübertrager nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
wobei die Synchronmaschine einen drehbar gelagerten Rotor aufweist, auf dem eine Erregerwicklung angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Drehübertrager in einem anderen axialen Bereich als die Erregerwicklung angeordnet ist, insbesondere wobei die Wicklungen des Drehübertragers axial, insbesondere in Rotorachsrichtung, beabstandet sind von der Erregerwicklung der Synchronmaschine,
wobei die Erregerwicklung auf dem Rotor angeordnet ist.
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