WO2019038080A1 - Power transmission system for generating a current in a field winding of a rotor of an electric machine and electric machine and motor vehicle - Google Patents

Power transmission system for generating a current in a field winding of a rotor of an electric machine and electric machine and motor vehicle Download PDF

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WO2019038080A1
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winding
power transmission
transmission system
spiral
rectifier
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PCT/EP2018/071414
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Michael Bulatow
Wilhelm Hackmann
Henrik Krupp
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Continental Automotive Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a power transmission system for generating a current in a field winding of a rotor of an electric machine.
  • the power transmission system has a rotary transformer, that is an inductive coupler.
  • a direct electrical voltage for driving the current in the field winding of the rotor of the electric machine can be generated without contact.
  • the invention also includes an electric machine with the power transmission system and a motor vehicle with the electric machine according to the invention.
  • a rotary transformer of the type mentioned is known for example from DE 10 2014 202 719 AI. Accordingly, a power transmission system for an electric machine has a primary-side winding of a rotary transformer for spatially fixed An ⁇ arrange in the electrical machine and for generating an alternating magnetic field. Furthermore, the Leis ⁇ tung transmission system on a secondary side winding of the rotary transformer for positioning on one end face of the rotor of the electric machine as well as for converting the located time changing magnetic flux into an AC voltage and a rectifier circuit board having a rectifier circuit for rectifying the AC voltage.
  • the rotary transformer is a rotationally symmetrical transformer with an air gap, wherein the secondary-side winding is rotatably mounted with respect to the primary-side winding.
  • the rotor of the electric machine can thus rotate with the secondary-side winding in the alternating magnetic field of the primary-side winding.
  • a load connected to the secondary-side winding DC ⁇ judge circuit board of the rectifier is adapted to generate, from the generated from the secondary side winding AC voltage a DC voltage and this to connection contacts for to provide the exciter winding.
  • the current in the field winding thus always flows when a DC voltage is generated at the two terminal contacts.
  • the secondary-side winding can be formed on the basis of printed conductors of a printed circuit board.
  • Such a printed circuit board with conductor tracks for a winding is referred to below as Windungsplatine.
  • Winding therefore, no wound wire is meant here, but rather the function of an electrical winding is meant, ie an arrangement with an electrical coil.
  • DC voltage can be used in a separately excited synchronous machine
  • the use of a winding board has the advantage over the secondary winding on the basis of stranded wire or round wire that the secondary winding can be flattened compared to the use of a winding board.
  • the invention has for its object to provide for an electrical machine, a power transmission system for the contactless transmission of electrical power to operate the field winding.
  • the invention relates to the contactless power transmission system described above with primary-side winding, secondary-side winding and rectifier board with a rectifier circuit.
  • the invention also uses a winding board for providing the secondary-side winding in the form of printed conductors.
  • the winding circuit board must have the form of a ring which can be applied to a shaft of the rotor or arranged around a shaft of the rotor.
  • each of said spiral coil is formed of multiple helical segments or spiral elements. With spiral coil this is not necessarily meant a round coil.
  • the spiral coil can have a round or other geometry which can be arranged rotationally symmetrically or rotationally symmetrically about an angular offset.
  • the spiral coil generally represents a Einzellei ⁇ terzug or a single winding represents.
  • the Windungsplatine is designed multi-layered. It is therefore a so-called multi-layer circuit board (multilayer PCB, printed circuit board PCB).
  • Each layer (English: Layer) of the Windungsplatine can have a plurality of interconnects in a known manner.
  • the spiral elements of each layer are preferably arranged concentrically and offset from each other by an angular offset.
  • the concentric arrangement results with respect to the axis of rotation of the rotor.
  • the spiral elements can therefore be arranged as a ring or annularly about the axis of rotation of the rotor. For each adjacent spiral element each spiral element is offset by a predetermined angular offset.
  • Each spiral coil thus has only one spiral element per layer of the winding plate.
  • their respective spiral elements of all layers of the winding circuit board are connected in series by means of through-connections of the winding circuit board. Spiral elements of adjacent layers are directly electrically coupled. Starting from an uppermost layer of the winding plate thus results in a spiral coil, by the spiral element of this layer is electrically connected to a spiral element of the underlying befind ⁇ position and this spiral element is in turn electrically connected to the spiral element of the underlying layer and this goes on until the last spiral ⁇ element of the lowest layer is reached. The ends of each spiral coil are then connected to the rectifier board.
  • the spiral coils are distributed over several layers of the winding circuit board and interlocked or intertwined. So they do not have the usual flat or flat shape.
  • the invention provides the advantage that the current carrying capacity of the parallel circuit of spiral coils is greater than that of each individual spiral coil. Nevertheless, due to the electrical separation of the individual spiral elements on each layer of the winding plate, it can not cause eddy currents come between the spiral coils. Thus, the number of spiral coils connected in parallel with respect to the width of each conductor track of the individual spiral coils can thus be adjusted in order to achieve a maximum current carrying capacity of the overall arrangement (parallel circuit), without obtaining too great overall losses, which would set thermal limits.
  • the narrower the printed conductors the smaller the eddy current losses within each individual printed conductor, but also the current carrying capacity of each individual printed conductor decreases. The more spiral coils are connected in parallel, the greater the current carrying capacity of the overall arrangement.
  • the rectifier board is simply as below
  • Rectifier designated.
  • the invention also includes advantageous developments, the characteristics of which provide additional advantages.
  • a further deterioration of the performance may result from heating of the conductor paths and of the rectifier.
  • the DC ⁇ judge circuit board is connected directly to a heat sink and a secondary-side ferrite core of the power transmission system is in contact with the heat sink and the cooling body is adapted to heat from the rectifier plate and the ferrite core towards a Coupling surface of the heat sink, via which the heat sink can be fastened to a support member of the rotor to guide.
  • a carrier component can be, for example, the winding head cover mentioned at the beginning of the field winding of the rotor.
  • Such a winding cover is a metal ⁇ metallic, annular cover, which can be slipped over the winding heads of the field winding.
  • a suitable material for the end winding cover is an alloy, as indicated in the aforementioned publications DE 20 2012 002 024 Ul and DE 20 2012 002 027 Ul, the content here in connection with the alloy and the design of the winding overhang as part of this invention to be considered.
  • heat can be dissipated from the rectifier board via the heat sink on the one hand and from the ferrite core via the heat sink on the other hand in each case to its coupling surface, where they in a Trä- gerbauteil the rotor, in particular a winding head cover, transgress. It is therefore provided in the power transmission system in particular a purely passive, so no active cooling. By passive cooling is meant a heat conduction based cooling.
  • the power transmission system according to the invention may be configured as a separate component for installation in an electric machine or integrated into a Wickelkopfab ⁇ cover.
  • the rectifier plate, the heat sink, the winding plate and the ferrite core are potted with a synthetic resin or encapsulated with a plastic.
  • the potting can be done with an epoxy resin or adhesive.
  • the encapsulation and encapsulation each provide stabilization and mechanical fixation for speeds up to more than 15,000 revolutions per minute. Otherwise, for example, solder joints in the rectifier board would break permanently.
  • the power transmission system is speed-proof for a speed greater than 15,000 revolutions per minute.
  • the encapsulation and encapsulation also each have the advantage that a better thermal conductivity can be achieved than with air.
  • a thermal conductivity of up to 1 to 2 W / mK can be achieved. Even with conventional epoxy resin, a thermal conductivity of 0, 3 W / mK is possible.
  • the heat dissipation thus in particular includes a heat path connecting the rectifier circuit board via the heat sink and the molding material / plastic sheathing with a Trä ⁇ gerbauteil, and a thermal path which the FER ritkern on the heat sink and the potting material /
  • Plastic extrusion connects with the carrier component. Also from the winding heat can be dissipated through the potting / art ⁇ stoffumspritzung.
  • Main heat sources are diodes of the rectifier, the winding and the ferrite core of the secondary side. Less heat loss results from capacitors and the tracks of the
  • Rectifier board By means of the encapsulation / encapsulation can be achieved that an additional heat transport path for the removal of heat from the heat sources is provided. Heat particular the Wi ⁇ ckelkopfabdeckung can be routed through the potting / encapsulation and the heat sink then in the carrier component.
  • the rectifier board has a metal core for heat conduction and the heat sink is in direct contact with the metal core.
  • the metal core may comprise copper and / or a copper alloy and / or aluminum and / or an aluminum alloy. Copper has the greater thermal conductivity compared to aluminum.
  • a cover layer of the rectifier board can be removed, for example, by milling. The core is milled free, the heat sink is then directly in contact with the core. To ensure reliable heat transfer from the rectifier board into the heat sink, the rectifier board can be bolted to the heat sink.
  • Screws are preferably made of metal, which additionally contribute to heat transfer.
  • the heat sink can rest for example on a free-milled surface of the core of the rectifier board.
  • Another way to reduce the heating of components is given by a rectifier circuit on the rectifier circuit a plurality of similar, arranged in parallel circuit branches electronic individual components, in particular diodes having.
  • the Ver ⁇ loss performance that results in rectifying the AC voltage is thus not implemented in a single component, but distributed to several, parallel-connected Einzelbau ⁇ elements, in particular parallel-connected diodes distributed.
  • the formation of heat loss is distributed locally, namely on several individual components.
  • individual components a single electronic component is meant, which may be soldered, for example, with connection contacts or pins on the rectifier board.
  • each circuit branch has only the individual component and the associated resistance element and the associated conductor tracks and solder joints.
  • resistive elements is particularly advantageous for negative temperature coefficients of the diodes.
  • the spiral coils are electrically insulated from one another in the area of the winding plate, in order thereby to suppress an eddy current between the conductor tracks of the different spiral coils.
  • the parallel circuits of the spiral coil is outside the interturn circuit board, namely in particular the Gleichrichterpla ⁇ tine instead.
  • a coil start eg at a first outer layer, is connected to the potential of the first input of the rectifier circuit and a coil end which may face the first outer layer on the winding board is connected to the potential of the second input of the rectifier circuit.
  • sections of the spiral elements with the same radial spacing in each intermediate layer of the winding plate each have such a small potential difference that a flashover is prevented.
  • the adjusted potential prevents flashovers between the spiral elements.
  • the potential is not constant within each location.
  • each spiral coil can have U curves or spiral bindings.
  • the winding board can provide N layers.
  • Each spiral element then has U / N orbits.
  • each spiral element is a spiral element with 1.25 orbits of the spiral center. If the start and end point of each spiral coil of the winding circuit board with continuous pins to the rectifier board ⁇ shot, it is advantageous to increase the number of orbits per spiral element / decrease (eg from 1.25 to 1.3), which is An angular offset between the start and end point results and thus the connection points of the spiral coil are not exactly on top of each other.
  • the spiral elements of the secondary-side winding are preferably arranged rotationally symmetrically on the winding plate about the respective angular offset.
  • the arrangement of the spiral elements on each layer is thus a rotationally symmetrical structure, wherein the rotational symmetry always results in a rotation about the angular offset by which the adjacent spiral elements are offset, respectively.
  • the plated-through holes are configured as simple plated-through holes, that is to say completely guided through all the layers of the winding plate.
  • Through-holes or VIAs (Vertical Interconnect Access) can be produced in a single, known per se contacting process.
  • connection contact is preferably designed in each case as a hook, to each of which a wire of the exciter winding can be contacted.
  • Each of the hooks is electrically and me ⁇ mechanically connected directly to the rectifier board.
  • Each wire of the field winding is electrically and mechanically connected to one of the hooks.
  • the primary-side winding can also have a win ⁇ tion board of the type mentioned.
  • a design of the power transmission system is flatter Ver ⁇ equal to a primary-side winding, which is formed on the basis of windings of common wire.
  • the invention also provides for the provision of an electrical machine which is designed as a separately excited synchronous machine and has an embodiment of the power transmission system according to the invention.
  • Power transmission system makes the electric machine robust against pollution, such as oil or dust, and there is no abrasion as with slip rings.
  • the invention also relates to a motor vehicle having an embodiment of the electric machine according to the invention.
  • the electric machine is configured as a traction drive for the motor vehicle and is connected to an inverter which is set up for a rotational speed of the electric machine of more than 15,000 revolutions per minute.
  • the use of the power transmission system according to the invention which is powerful and high-speed resistant, results in an electrical machine which is insensitive to environmental influences.
  • the motor vehicle according to the invention can be, for example, a passenger car or a truck or an industrial truck.
  • Figure 1 is a schematic representation of a longitudinal section of a third-rotor with brushless power transmission.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a longitudinal section of a secondary side of a power transmission system of the rotor of FIG. 2;
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of layers of a winding circuit board of the secondary side of the power transmission system of FIG. 2, wherein in each case only a single one of a plurality of spiral elements is shown;
  • Fig. 4 is a schematic representation of a plan view of the
  • Winding board of the secondary side of the power transmission system
  • FIG. 5 shows a schematic circuit diagram of the power transmission system
  • Fig. 6 is a schematic circuit diagram of an alternative principle of the power transmission system
  • Fig. 7 is a schematic circuit diagram of another alternative principle of the power transmission system.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a heat spread for diodes of the rectifier circuit of the power transmission system.
  • Fig. 9 is a schematic representation of an embodiment of the motor vehicle according to the invention.
  • the embodiment is a preferred embodiment of the invention.
  • the described components of the embodiment each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another, which also each independently further develop the invention and thus also individually or in a different combination than the one shown as part of the invention.
  • the described embodiment can also be supplemented by further features of the invention already described.
  • FIG. 9 shows a motor vehicle 10, which may in particular be a motor vehicle, such as a passenger car.
  • the motor vehicle 10 may have an electric traction drive 11, which may be formed on the basis of an electric machine 12.
  • an inverter 13 and a traction battery 14 are shown.
  • the traction battery 14 may for example be a high-voltage battery, which can provide an electrical voltage greater than 60 V, in particular greater than 100 V.
  • the inverter 13 can from the DC voltage of the traction battery 14 phase currents for a Stator winding 15 of a stator 16 of the electric machine 12 generate in a conventional manner. By the phase currents of the inverter 13, a magnetic rotating field can be generated in an interior of the stator 16 by means of the stator winding 15.
  • a rotor 17 may be rotatably supported.
  • the electric machine 12 may be a separately excited synchronous machine.
  • an excitation ⁇ winding 18 is provided in the rotor 17, which can be flowed throughput with a direct current.
  • the rotor 17 generates on its outer circumference magnetic poles, interact with the magnetic rotating field of the stator 16, whereby a rotational movement of the rotor 17 results.
  • the rotor then rotates about a rotation axis 19 and thereby rotates a shaft 20, via which a drive torque can be transmitted to wheels of the motor vehicle 10.
  • the electric machine 12 may include a power transmission system 21.
  • the power transmission system 21 electrical energy can be transmitted from a stationary primary side PRIM to a rotating secondary side SEC without contact, on the basis of an inductive transmission.
  • the power transmission system 21 may have a rotary transformer with a primary-side winding 22 on a motor housing or a bearing plate and with a secondary-side winding 23 on the rotor 17.
  • FIG. 1 illustrates a power transmission system 21 in a longitudinal section.
  • FIG. 1 is mirror-symmetrical with respect to the axis of rotation 19, so that the reference numerals are only indicated on one side of the axis of rotation 19. They are also mirror-symmetric for the opposite side.
  • the power transmission system 21 has the following advantageous characteristics:
  • the stationary side of the Drehübertragers can optionally also be realized with a multi-layer Windungsplatine to avoid the current displacement effect or with a winding of round, flat or HF stranded wire in conventional design;
  • this is completely encapsulated or encapsulated with potting material (eg epoxy resin or plastic).
  • the rectifier board is as a round part with For example, 25 capacitors and 36 diodes shown.
  • actively rectifying components can be used instead of the diodes.
  • controlled MOSFETs for example, controlled MOSFETs.
  • the contactless power transmission system based on the rotary transformer can have a rectifier, which is constructed from the interconnection of several (preferably similar) individual components. These individual components (preferably consisting of positive temperature coefficient diodes, for example silicon carbide Schottky diodes) are connected in parallel-connected branches.
  • PCB winding (Windungsplatine) has parallel only ⁇ switched spiral coils made of individual conductor strips (strands), which serve for realization of high current carrying capacities of the winding board.
  • the parallel connection of several conductor tracks leads only to a minimal increase of the eddy current losses caused by the incident alternating magnetic field in the winding window of the rotary transformer. Due to the special geometry of the individual parts of the transformer this can be produced inexpensively and still fulfills the function.
  • Fig. 1 shows in detail a non-locating bearing side
  • Non-drive side of the electric machine 12.
  • the arrangement may alternatively be provided on a fixed bearing side.
  • the shaft 20 of the rotor 17 is mounted rotatably via a bearing 26 on the bearing plate or motor housing 24.
  • Circlips 27, for example, the bearing 26 fix in the axial direction 28 along the rotation axis 19 against slipping.
  • a laminated core 29, winding heads 30 of the exciter winding 18, a cover 31 of the winding heads 30 with a potting compound 32 arranged therein and wires 33 of the field winding 18 are illustrated by the rotor 17.
  • the wires 33 may be electrically and mechanically bonded to the power transmission system 21.
  • the power transmission system has a fixed side or primary side PRIM and a rotor-mounted secondary side SEC.
  • the primary side PRIM and the secondary side SEC are each formed as rings, which are arranged around the shaft 20.
  • the secondary side SEC may be ⁇ arranged on an end face of the rotor 17 at.
  • the primary-side winding 22 a heat sink 34, a connection board 35 for providing a supply voltage (leading electrical lines are not shown) on a primary side PRIM, metal pins 36 for füritchieren the An ⁇ circuit board 35 toward a Windungsplatine 37th the primary-side winding 22 and a primary-side ferrite core 38 are shown.
  • the ferrite core 38 of the primary side PRIM complements with a ferrite core 39 of the secondary side SEC to a magnetic circuit.
  • In the magnetic circuit results in a radial
  • Air gap 40 through which a generated by the primary winding 22 alternating magnetic field in the ferrite core 39 of the secondary side SEC can change over. Since it is a radial air gap 40, the gap does not change in an axial movement of the shaft 20 in the axial direction 28.
  • Movement changes an axial air gap 40 ⁇ .
  • the ferrite cores 38, 39 each have an L-profile. As a result, axial tolerances can be compensated. The larger the gap of the radial air gap, the less power can be transmitted. Of course, another profile, such as an E-profile can be used. From the secondary side SEC are further shown: a winding circuit board 41 of the secondary-side winding 23, a heat sink 42, a rectifier board 43 with a
  • Rectifier circuit comprising capacitors 44 and diodes 45, metal pins 46, via which the winding board 41 is electrically connected to the rectifier board 43, and hooks 47, to which the wires 33 of the field winding 18 are attached.
  • the hooks 47 are also referred to as wrap hooks. They each represent a terminal contact of the rectifier circuit.
  • the rectifier board 43 can be held directly on the heat sink 42 by means of metal screws 48.
  • the heat sink 42 is located with a mating surface on the cover 42 ⁇ at the 31st It can be a press fit.
  • the cover may be made of a special metal or a special metal alloy. Examples of a suitable material of the cover can be taken from the cited references DE 20 2012 002 027 Ul and DE 20 2012 002 024 Ul.
  • Fig. 2 shows in enlargement the upper section of the secondary side SEC, as shown in Fig. 1. It is shown how gaps are filled or filled with a potting compound of an epoxy resin or by means of an encapsulation by plastic.
  • This encapsulation or encapsulation 32 ⁇ improves the stability of the secondary side SEC for a high speed. As a result, the power transmission system 21 is speed-proof for rotation numbers greater than 15,000 revolutions per minute.
  • the encapsulation or encapsulation 32 ⁇ provides solid-body-based heat transfer from the rectifier board 43 to the heat sink 42. The heat can then pass into the cover 31 from the heat sink 42.
  • each of the winding boards 37, 41, but in particular the winding board 41 of the second därseite SEC, can be multi-layered.
  • Each conductor 49 of each layer LI, L2, L3, L4 has the shape of a spiral element 50.
  • each spiral element 50 effectively has U / N orbits, that is, 1.25 orbits in the case shown.
  • Fig. 4 illustrates, as for a plurality of spiral coils AI, A2, A3, A4, A5 on a single layer, here, for example, the outer layer LI, each conductor tracks 49 of spiral elements 50 a plurality of spiral coils AI, A2, A3, A4, A5 concentrically around the Rotation axis 19 and each offset by an angular offset 51 against the adjacent scroll member 50 may be arranged.
  • the angular offset 51 results from the number of spiral coils AI, A2, A3, A4, A5 to: 360 ° / number of spiral coils.
  • plated-through holes 52 are shown, by means of which the spiral elements 50 of each of the coils can be connected in a series connection.
  • FIG. 5 shows a possible circuit diagram for the power transmission system 21.
  • an AC voltage for the primary-side winding 22 can be generated from a supply voltage by means of a four-quadrant controller 53.
  • a control logic for the four-quadrant actuator 53 is not shown in Fig. 5.
  • a capacitance 53 ⁇ By means of a capacitance 53 ⁇ , a resonance behavior of the winding 22 combined with the capacitance 53 ⁇ can be set.
  • the capacity 53 ⁇ is optional.
  • Fig. 6 illustrates an alternative circuit diagram for the power transmission system 21.
  • the primary side PRIM only two transistors are needed instead of the four transistors of a four quadrant controller. Instead, a bridge ⁇ circuit of two transistors and two freewheeling diodes 53 ⁇ ⁇ is provided.
  • the rectifier circuit can be realized with fewer diodes 45 compared to the circuit diagram according to FIG. 5.
  • Fig. 7 illustrates an alternative circuit diagram for the power transmission system 21, wherein on the primary side PRIM again a four-quadrant 53 is provided with a capacity 53 ⁇ .
  • a center tap 54 is provided on the winding 23, which makes it possible to provide the rectifier circuit REC with fewer diodes 45 as compared to the circuit diagram of FIG.
  • the capacity 53 ⁇ is optional.
  • Fig. 8 illustrates a circuit diagram is illustrated by such as a single diode 45 may be formed from a plurality of A ⁇ zelbaumaschinen 45b.
  • the individual components 45b are arranged in a circuit formed from branches 45a parallel circuit, for equalizing a current sharing each individual components 45b in the scarf ⁇ processing branch 45a, a resistor element may be connected in series 45c. Overall, therefore, provide parallel processing scarf ⁇ branches 45a whose parallel overall function of a single diode 45 is obtained.
  • Contactless power transmission systems can be mounted either on the fixed or floating side of the rotor.
  • specially structured, multi-layer printed circuit boards (referred to herein as "winding boards") are used.
  • at least the secondary side of the power transmission system is constructed with a winding board instead of a conventional winding of round, flat or HF stranded wire If a particularly flat design is to be achieved, the use of a winding circuit board is also advantageous in the primary side the iron powder composite material as magnetically active material (38, 39) in the same way.
  • the heating of the winding boards is required. This can ideally be done by bonding the winding boards with the associated magnetically active material (see Fig. 1). This additionally leads to an increase in the mechanical stability of the power transmission system.
  • the winding circuit board is preferably insulated electrically from the core halves or ferrite cores by a thin layer of, for example, polyimide film (so-called "Capton" film (R)) or insulation varnish.
  • the Windungsplatine (with the optional Isolati ⁇ ons slaughter) can be manufactured in a conventional large-scale production process for printed circuit boards.
  • the winding circuit board can be manufactured from any market-standard circuit board base material (eg FR4 or high-temperature variants thereof).
  • Common printed circuit board base material has a high mechanical strength, making it suitable for Ideally suited for use in power transmission systems.
  • the ability to inexpensively manufacture coiled circuit boards in a large-scale process, as well as the high mechanical and thermal stability of commercially available standard circuit board base material, can ideally meet the requirements of high-strength coils for rotary transformers for contactless power transformers while maintaining cost-effective production.
  • the diodes are the rectifiers (see FIG. 5), either as individual components (eg, diodes, each diode has its own housing) or as integrated (integrated) components (all four diodes of the rectifier are housed in a housing). or as a mixed form (eg two diodes each are in a housing) executed.
  • the diodes of the rectifier REC (see FIGS. 5 to 8) drawn as individual diodes are composed of a plurality of individual diodes (and, if appropriate, resistors) of low power. This principle is shown in FIG. 8.
  • circuit branches 45a In order to achieve a uniform current distribution to the circuit branches (FIG. 8, circuit branches 45a), these can either consist only of a diode 45b with a power smaller than the total power required or of the series connection of a diode 45b and a resistor 45c.
  • a diode with a negative temperature coefficient (the conduction voltage of the diode decreases with increasing temperature) is selected as the component for 45b, 45c is required in order to prevent one of the diodes 45b from being overloaded when the individual branches are heated unevenly.
  • a diode 45b for positive Tempe ⁇ raturkostoryen (the control voltage of the diode increases with increasing temperature) used (eg Siliziumkar- bid Schottky diodes) used (eg Siliziumkar- bid Schottky diodes), it can be dispensed 45c.
  • the principle shown in Fig. 8 for the bridge rectifier REC can be applied in the same way also in (Fig. 6 and Fig. 7). The increase in the current carrying capacity of windings is achieved by parallel connection of conductor tracks or printed conductors.
  • a substantial improvement to the prior art is achieved by a special structure which allows to connect a plurality of conductor lines parallel to reach a high current carrying capacity to he ⁇ , while insensitivity to current crowding caused by vertical (ie axial direction 28 in FIG 1) in the conductor surface incident alternating magnetic fields.
  • This is the essential difference to the transformers known in the prior art; the broadening of the interconnects proposed there and / or the parallel connection of entire winding layers increases the current carrying capacity of the transformer only limited. The reason for this is that the widening of the conductor tracks (which form the windings) lead to an increase of the eddy current losses, caused by the magnetic alternating field perpendicularly penetrating the conductor tracks (ie axial direction 28 in FIG. 1).
  • Rotationally symmetrical about the axis of rotation 19 can be arranged in order to achieve a high surface utilization.
  • the conductor lines (preferably outside the Windungsplatine of the rotary transformer of the performance-transmission system, ie on the rectifying ⁇ ter rectifier board 43 in Fig. 1) can be connected in parallel without the magnetic additional eddy current losses caused by the radially incident Wech ⁇ selfeld comes, as is the case for example in the known from the prior art method.
  • the design of the revolving Tragers allows to choose the width of the conductor tracks such that axially incident alternating magnetic fields generate only small We ⁇ belstromwalle and to increase the current carrying capacity of the coil to an arbitrary value by an arbitrary number of conductor lines (preferably outside, for example on the rectifier board in Fig.
  • the exciter winding 18 is the load to be fed therefrom.
  • Printed circuit board coils for high current loads can be as follows realize: ply on each copper layer of a multi-circuit board, individual scroll members 50 rea ⁇ larra, by vias with other, similar spiral elements 50 are connected to other layers (so-called “vias”.).
  • the spiral elements connected in series by vias form single-wire trains (so-called "strands"), which in themselves already represent a simple winding or spiral coil, but have only a limited current-carrying capacity. If the spiral elements are arranged in a suitable manner, many (non-connected) spiral elements 50 can be arranged on each copper layer (FIG. 4).
  • the spiral elements run on the different layers alternately from the inside to the outside; For example, if a spiral segment extends from outside to inside on layer LI, it must extend to the inside of layer L2.
  • the spiral elements which are in the same position have the same direction.
  • To reduce the current displacement effect by axially incident mag ⁇ genetic alternating fields, it is necessary that there is no electrical connection between the spiral elements on the individual layers of the winding circuit board; the electrical connection of the strands or spiral coils to a winding with high current carrying capacity may only take place at the beginning and / or at the end of a strand (preferably outside the winding circuit board).
  • a winding with five orbits (the center leg or the winding center or the rotation axis) consisting of five strands or spiral coils is realized.
  • the strands are constructed identically, and only about the z-axis (axial direction corresponds speaks paper plane in Fig. 3 and Fig. 4) angularly offset of ⁇ sorted.
  • FIG. 3 shows a single (first) spiral element on the uppermost layer LI of the winding board (which comprises 1.25 circles), next to it is shown the identically shaped, angularly offset (second) spiral element on the first inner layer L2 of the winding board; third (identically shaped, angularly offset) spiral element on the second inner layer L3 of the Windungsplatine, next to it is the fourth (identically shaped, angularly offset) Spi ⁇ ralelement on the lowermost layer L4 of the Windungsplatine.
  • FIG. 4 For the top layer LI of the winding circuit board.
  • the points AI to A5 are the starting points of the strands AI to A5.
  • the ends of the strands AI to A5 are located (analogous to FIG. 4) on the lowest layer L4 of the winding circuit board. All start and end points of the strands are (preferably) connected to each other at the rectifier. This results in the parallel connection of several (as many as desired) strands necessary for increasing the current carrying capacity of the winding.
  • the width Q is to choose the coil segments so (Fig. 4), (caused by the axially incident alternating magnetic field) a very high current carrying capacity at a reasonable We ⁇ belstrommpleen that results.
  • the width Q can be determined by ana ⁇ lytic calculation using methods known from the literature or by FEM simulation (FEM - finite element method).
  • the lengths of the webs PI & P2 are to be selected so that the insulation distances Ol & 02 between the spiral segments and the vias correspond to the underlying standard (eg standard for clearances and creepage distances). It should be noted that the voltage Difference between the via and the beach can be significantly higher than the beach segments located in the same plane of the circuit board.
  • the use of webs (PI or P2) makes it possible to manufacture the blanking board with a single through-hole process. This reduces the costs considerably.
  • the rectifier board is shown as a round part with ⁇ example 25 capacitors and 36 diodes.
  • Al ⁇ ternative, instead of the diodes also actively rectifying components are used.
  • controlled MOSFETs Functions required electronic components can be constructed from the interconnection of several (preferably similar) individual building elements.
  • the drawn in Fig. 8 elements 45a in the branches preferably diodes with a positive Tempe ⁇ raturkostoryen, including Schottky diodes based on silicon umkarbid consisting
  • Printed circuit board winding consisting of parallel ⁇ single conductor trains or spiral coils for implementing high current carrying capacity of the winding circuit board are characterized in that the parallel connection of several conductor leads only to a minimal increase in eddy current losses caused by the radially incident magnetic alternating field in the winding window of the rotary transformer.
  • all components, in particular electronic components of the secondary side of the power transmission ⁇ system due to the flowing electrical currents thermally very high stress.
  • the cooling of the electrical components is often a problem with closed (potted) systems, as shown in Fig. 1 and Fig. 2.
  • heat path from the components on the heat sink of the power transmission system and special highly thermally conductive epoxy resin or special highly thermally conductive plastic then on the cover of the winding head and then in the engine compartment of the electric machine, in which the rotor with the power transmission system
  • the secondary side of the power transmission system is provided with a heat sink, which is in direct contact with the cover of the winding head made of non-magnetizable steel at the coupling surface 42 ⁇ and the heat from On the primary side, the heat path from the winding board passes through the ferrite core and heat sink into the motor housing or end shield.
  • the electronic parts of a rectifier board of the se ⁇ secondary side of the power transmission system are subjected to the most thermal.
  • the rectifier ⁇ board 43 is provided with an aluminum or copper core for cooling the electronic parts, which is particularly efficient thermally connected to the cover of the winding head.
  • the heat is transferred from the rectifier board to the heat sink via direct contact.
  • a plurality of metal screws for screwing the rectifier board and heat sink can be used.
  • a milled recess on the edge of the rectifier board a direct heat-conducting contact of the rectifier board is created to the heat sink.
  • Lei ⁇ terplatten have a core of aluminum or copper and double-sided Coating for the copper tracks, whereupon the electronic parts are soldered.
  • the insulation layer and the copper coating for the copper tracks are milled free, for example by the milling process.
  • Other joining techniques may be used (for example caulking or riveting).
  • copper or aluminum core of the rectifier board can be made of another good heat conducting material. If the rectifier board is not subject to high thermal stress and does not require a copper or aluminum core, a board standard process can be used in this case. For example, a rectifier board made of a standard FR4 material is used.
  • the heat sink of the power transmission system is produced at ⁇ example of aluminum or copper for better heat dissipation.
  • Power transmission system can safely transport away. If the power transmission system is designed as a separate component, it is proposed to the power transmission system without the rotor with a special epoxy resin or plastic with a high thermal conductivity value spill or overmold. As shown in FIGS. 1 and 3, all the cavities of the power transmission system are filled.
  • the encapsulation or encapsulation by means of injection molding not only give the power transmission system the necessary speed stability, but also ensure reliable heat dissipation from the electronic components of the power transmission system via the heat sink on the cover of the winding overhang. Casting with epoxy resin or overmoulding with a plastic mechanically stabilizes the rotor with the power transmission system in order to achieve the necessary speed stability

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Abstract

The invention relates to a power transmission system (21) for generating a current in a field winding (18) of a rotor (17) of an electric machine (12), wherein a secondary-side winding (23) for arrangement on the rotor (17) and a rectifier circuit (REC) connected to the secondary-side winding (23) are provided to supply a DC voltage (U) generated between two connection contacts (47) for the field winding (18). According to the invention, a winding board (41) of the secondary-side winding (23) provides a plurality of parallel-connected spiral coils (A1, A2, A3, A4, A5) and each of the spiral coils (A1, A2, A3, A4, A5) is formed from a plurality of spiral elements (50) and for this purpose the winding board (41) is designed in a multilayer manner and a plurality of the spiral elements (50) are arranged in a manner offset from one another by a respective angular offset (51) in each layer (L1, L2, L3, L4) of the winding board (41) and, for each of the spiral coils (A1, A2, A3, A4, A5), the respective spiral elements (50) thereof are connected in series with all the layers (L1, L2, L3, L4) by means of vias (52) of the winding board (41).

Description

Beschreibung description
Leistungsübertragungssystem zum Erzeugen eines Stroms in einer Erregerwicklung eines Rotors einer elektrischen Maschine sowie elektrische Maschine und Kraftfahrzeug Power transmission system for generating a current in a field winding of a rotor of an electric machine and electric machine and motor vehicle
Die Erfindung betrifft ein Leistungsübertragungssystem zum Erzeugen eines Stroms in einer Erregerwicklung eines Rotors einer elektrischen Maschine. Das Leistungsübertragungssystem weist einen Drehübertrager auf, also einen induktiven Koppler. Mittels des Leistungsübertragungssystems kann berührungslos eine elektrische Gleichspannung zum Treiben des Stroms in der Erregerwicklung des Rotors der elektrischen Maschine erzeugt werden. Zu der Erfindung gehören auch eine elektrische Maschine mit dem Leistungsübertragungssystem sowie ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. The invention relates to a power transmission system for generating a current in a field winding of a rotor of an electric machine. The power transmission system has a rotary transformer, that is an inductive coupler. By means of the power transmission system, a direct electrical voltage for driving the current in the field winding of the rotor of the electric machine can be generated without contact. The invention also includes an electric machine with the power transmission system and a motor vehicle with the electric machine according to the invention.
Ein Drehübertrager der genannten Art ist beispielsweise aus der DE 10 2014 202 719 AI bekannt. Demnach weist ein Leistungs- Übertragungssystem für eine elektrische Maschine eine pri- märseitige Wicklung eines Drehübertragers zum raumfesten An¬ ordnen in der elektrischen Maschine und zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds auf. Des Weiteren weist das Leis¬ tungsübertragungssystem eine sekundärseitige Wicklung des Drehübertragers zum Anordnen an einer Stirnseite des Rotors der elektrischen Maschine sowie zum Wandeln des sich zeitlichen ändernden magnetischen Flusses in eine Wechselspannung und eine Gleichrichterplatine mit einer Gleichrichterschaltung zum Gleichrichten der Wechselspannung auf. Der Drehübertrager ist ein rotationssymmetrischer Transformator mit Luftspalt, wobei die sekundärseitige Wicklung bezüglich der primärseitigen Wicklung drehbar gelagert ist. Der Rotor der elektrischen Maschine kann sich mit der sekundärseitigen Wicklung also in dem magnetischen Wechselfeld der primärseitigen Wicklung drehen. Eine an die sekundärseitige Wicklung angeschlossene Gleich¬ richterplatine des Gleichrichters ist dazu eingerichtet, aus der von der sekundärseitigen Wicklung erzeugten Wechselspannung eine Gleichspannung zu erzeugen und diese an Anschlusskontakten für die Erregerwicklung bereitzustellen. Der Strom in der Erregerwicklung fließt also immer dann, wenn eine Gleichspannung an den beiden Anschlusskontakten erzeugt wird. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die sekundärseitige Wicklung auf der Grundlage von Leiterbahnen einer Leiterplatte ausgebildet sein kann. Eine solche Leiterplatte mit Leiterbahnen für eine Wicklung ist im Folgenden als Windungsplatine bezeichnet. Mit „Wicklung" ist hier also kein gewickelter Draht gemeint, sondern es ist vielmehr die Funktion einer elektrischen Wicklung gemeint, d.h. eine Anordnung mit einer elektrischen Spule. A rotary transformer of the type mentioned is known for example from DE 10 2014 202 719 AI. Accordingly, a power transmission system for an electric machine has a primary-side winding of a rotary transformer for spatially fixed An ¬ arrange in the electrical machine and for generating an alternating magnetic field. Furthermore, the Leis ¬ tung transmission system on a secondary side winding of the rotary transformer for positioning on one end face of the rotor of the electric machine as well as for converting the located time changing magnetic flux into an AC voltage and a rectifier circuit board having a rectifier circuit for rectifying the AC voltage. The rotary transformer is a rotationally symmetrical transformer with an air gap, wherein the secondary-side winding is rotatably mounted with respect to the primary-side winding. The rotor of the electric machine can thus rotate with the secondary-side winding in the alternating magnetic field of the primary-side winding. A load connected to the secondary-side winding DC ¬ judge circuit board of the rectifier is adapted to generate, from the generated from the secondary side winding AC voltage a DC voltage and this to connection contacts for to provide the exciter winding. The current in the field winding thus always flows when a DC voltage is generated at the two terminal contacts. It is known from the prior art that the secondary-side winding can be formed on the basis of printed conductors of a printed circuit board. Such a printed circuit board with conductor tracks for a winding is referred to below as Windungsplatine. By "winding", therefore, no wound wire is meant here, but rather the function of an electrical winding is meant, ie an arrangement with an electrical coil.
Das beschriebene kontaktlose Übertragungssystem unter Verwendung eines rotationssymmetrischen Transformators oder Drehübertragers zur Versorgung der Erregerwicklung mit The described contactless transmission system using a rotationally symmetrical transformer or Drehübertragers to supply the excitation winding with
Gleichspannung kann in einer fremderregten SynchronmaschineDC voltage can be used in a separately excited synchronous machine
Schleifring-Kohlebürste-Systeme ersetzen. Die Verwendung einer Windungsplatine weist im Vergleich zur Verwendung einer sekundärseitigen Wicklung auf der Grundlage von Litzendraht oder Runddraht den Vorteil auf, dass die sekundärseitige Wicklung flacher ausgestaltet sein kann. Replace Slip Ring Carbon Brush Systems. The use of a winding board has the advantage over the secondary winding on the basis of stranded wire or round wire that the secondary winding can be flattened compared to the use of a winding board.
Allerdings ergibt sich bei der Verwendung von Windungsplatine mit Leiterbahnen für die benötigten Windungen der sekundärseitigen Wicklung auch ein Konflikt. Um genügend Strom tragen zu können, müssen die Leiterbahnen entsprechend breit ausgelegt sein. Dies führt aber zu dem Nachteil, dass innerhalb der Leiterbahnen im magnetischen Wechselfeld Wirbelströme induziert werden, die wiederum die Leistungsfähigkeit des Drehübertragers beein¬ trächtigen, also die am Ausgang bereitstellbare elektrische Leistung reduzieren. However, there is also a conflict when using the winding circuit board with interconnects for the required turns of the secondary-side winding. In order to be able to carry enough electricity, the conductor tracks must be designed to be correspondingly wide. However, this leads to the disadvantage that are induced within the conductor tracks in the alternating magnetic field, eddy currents, in turn, the performance of the rotary transformer impressive ¬ pregnant, that reduce the provisioned at the output electric power.
Aus der US 6 664 883 B2 ist das Prinzip bekannt, eine Spiralspule über mehrere Lagen einer mehrlagigen Windungsplatine hinweg zu verteilen. In der Windungsplatine sind abwechselnd Windungen einer Primärspule und einer Sekundärspule eines Transformators realisiert. Die Primärspule und die Sekundärspule sind somit nicht gegeneinander beweglich und eignen sich nicht als From US Pat. No. 6,664,883 B2, the principle is known of distributing a spiral coil over several layers of a multilayer winding circuit board. Windings of a primary coil and a secondary coil of a transformer are alternately realized in the winding circuit board. The primary coil and the secondary coil are thus not mutually movable and are not suitable as
Drehübertrager . Aus der DE 20 2012 002 027 Ul ist ein Rotor für eine elektrische Maschine bekannt, bei dem an einer Stirnseite eine Wickel¬ kopfabdeckung zum Abdecken der Wickelköpfe des Rotor angeordnet ist. Auf der Wickelkopfabdeckung ist eine Sensorspur eines Drehlagegebers angeordnet. Rotary transmission. From DE 20 2012 002 027 Ul a rotor for an electric machine is known in which a winding ¬ head cover for covering the winding heads of the rotor is arranged on one end face. On the winding head cover a sensor track of a rotary encoder is arranged.
Aus der DE 20 2012 002 024 Ul ist ein Rotor mit Wickelkopf¬ abdeckung bekannt, in der ein Wuchtring zum Ausgleichen einer Unwucht des Rotors angeordnet ist. From DE 20 2012 002 024 Ul a rotor with winding head ¬ cover is known in which a balancing ring is arranged to compensate for an imbalance of the rotor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine elektrische Maschine ein Leistungsübertragungssystem für die kontaktlose Übertragung von elektrischer Leistung zum Betreiben der Erregerwicklung bereitzustellen. The invention has for its object to provide for an electrical machine, a power transmission system for the contactless transmission of electrical power to operate the field winding.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Pa¬ tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Er¬ findung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben. The problem is solved by the subject matters of the independent Pa ¬ tentansprüche. Advantageous further developments of the invention are ¬ described by the dependent claims, the following description and the figures.
Die Erfindung geht aus von dem eingangs beschriebenen kontaktlosen Leistungsübertragungssystem mit primärseitiger Wicklung, sekundärseitiger Wicklung und Gleichrichterplatine mit einer Gleichrichterschaltung. The invention relates to the contactless power transmission system described above with primary-side winding, secondary-side winding and rectifier board with a rectifier circuit.
Die Erfindung nutzt auch eine Windungsplatine zum Bereitstellen der sekundärseitigen Wicklung in Form von Leiterbahnen. Insgesamt muss die Windungsplatine die Form eines Ringes aufweisen, der auf eine Welle des Rotors aufgebracht oder um eine Welle des Rotors angeordnet sein kann. Erfindungsgemäß weist nun die sekundärseitige Wicklung mehrere, parallel geschaltete Spi¬ ralspulen auf, wobei jede der Spiralspulen aus mehreren Spiralsegmenten oder Spiralelementen gebildet ist. Mit Spiralspule ist hierbei nicht unbedingt eine runde Spule gemeint. Die Spiralspule kann eine runde oder andere, um einem Winkelversatz rotationssymmetrisch oder drehsymmetrisch anordenbare Geometrie aufweisen. Die Spiralspule stellt allgemein einen Einzellei¬ terzug oder eine Einzelwicklung dar. Zum Bilden der Spiralspulen ist die Windungsplatine mehrlagig ausgestaltet. Es handelt sich also um eine sogenannte Mehrlagen-Schaltungsplatine (Mul- tilayer-PCB, PCB - Printed Circuit Board) . Jede Lage (Englisch: Layer) der Windungsplatine kann in bekannter Weise mehrere Leiterbahnen aufweisen. In jeder Lage der Windungsplatine sind mehrere der Spiralelemente der Spiralspulen angeordnet und zwar vor jeder Spiralspule ein Spiralelement. Die Spiralelemente jeder Lage sind bevorzugt konzentrisch und gegeneinander um jeweils einen Winkelversatz versetzt angeordnet. Die kon- zentrische Anordnung ergibt sich bezüglich der Drehachse des Rotors. Die Spiralelemente können also als ein Kranz oder ringförmig um die Rotationsachse des Rotors angeordnet sein. Zum jeweils benachbarten Spiralelement ist jedes Spiralelement um einen vorbestimmten Winkelversatz versetzt. The invention also uses a winding board for providing the secondary-side winding in the form of printed conductors. Overall, the winding circuit board must have the form of a ring which can be applied to a shaft of the rotor or arranged around a shaft of the rotor. According to the invention now has the secondary-side winding on a plurality of parallel-connected Spi ¬ ralspulen, each of said spiral coil is formed of multiple helical segments or spiral elements. With spiral coil this is not necessarily meant a round coil. The spiral coil can have a round or other geometry which can be arranged rotationally symmetrically or rotationally symmetrically about an angular offset. The spiral coil generally represents a Einzellei ¬ terzug or a single winding represents. To form the spiral coils the Windungsplatine is designed multi-layered. It is therefore a so-called multi-layer circuit board (multilayer PCB, printed circuit board PCB). Each layer (English: Layer) of the Windungsplatine can have a plurality of interconnects in a known manner. In each position of the Windungsplatine more of the spiral elements of the spiral coils are arranged before each spiral coil, a spiral element. The spiral elements of each layer are preferably arranged concentrically and offset from each other by an angular offset. The concentric arrangement results with respect to the axis of rotation of the rotor. The spiral elements can therefore be arranged as a ring or annularly about the axis of rotation of the rotor. For each adjacent spiral element each spiral element is offset by a predetermined angular offset.
Jede Spiralspule weist also jeweils pro Lage der Windungsplatine nur ein Spiralelement auf. Für jede Spiralspule sind deren jeweilige Spiralelemente aller Lagen der Windungsplatine mittels Durchkontaktierungen der Windungsplatine in Reihe geschaltet. Spiralelemente benachbarter Lagen sind dabei direkt elektrisch gekoppelt. Ausgehend von einer obersten Lage der Windungsplatine ergibt sich also eine Spiralspule, indem das Spiralelement dieser Lage elektrisch mit einem Spiralelement der darunter befind¬ lichen Lage verbunden ist und dieses Spiralelement wiederum elektrisch mit dem Spiralelement der darunterliegenden Lage verbunden ist und dies so weitergeht, bis das letzte Spiral¬ element der untersten Lage erreicht ist. Die Enden jeder Spiralspule sind dann mit der Gleichrichterplatine verbunden. Durch die beschriebene Anordnung sind die Spiralspulen dabei über mehrere Lagen der Windungsplatine verteilt angeordnet und ineinander verschränkt oder verflochten. Sie weisen also nicht die sonst übliche ebene oder platte Form auf. Each spiral coil thus has only one spiral element per layer of the winding plate. For each spiral coil their respective spiral elements of all layers of the winding circuit board are connected in series by means of through-connections of the winding circuit board. Spiral elements of adjacent layers are directly electrically coupled. Starting from an uppermost layer of the winding plate thus results in a spiral coil, by the spiral element of this layer is electrically connected to a spiral element of the underlying befind ¬ position and this spiral element is in turn electrically connected to the spiral element of the underlying layer and this goes on until the last spiral ¬ element of the lowest layer is reached. The ends of each spiral coil are then connected to the rectifier board. By the described arrangement, the spiral coils are distributed over several layers of the winding circuit board and interlocked or intertwined. So they do not have the usual flat or flat shape.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die Strom- tragfähigkeit der Parallelschaltung aus Spiralspulen größer ist als diejenige jeder einzelnen Spiralspule. Dennoch kann es aufgrund der elektrischen Trennung der einzelnen Spiralelemente auf jeder Lage der Windungsplatine nicht zu Wirbelströmen zwischen den Spiralspulen kommen. Somit kann also die Anzahl der parallelgeschalteten Spiralspulen gegenüber der Breite jeder Leiterbahn der einzelnen Spiralspulen abgeglichen werden, um eine maximale Stromtragfähigkeit der Gesamtanordnung (Paral- lelschaltung) zu erreichen, ohne zu große Gesamtverluste zu erhalten, welche thermische Grenzen setzen würden. Je schmaler die Leiterbahnen sind, desto kleiner sind die Wirbelstromverluste innerhalb jeder einzelnen Leiterbahn, wobei aber auch die Stromtragfähigkeit jeder einzelnen Leiterbahn abnimmt. Je mehr Spiralspulen parallel geschaltet sind, desto größer ist die Stromtragfähigkeit der Gesamtanordnung. Im Folgenden ist die Gleichrichterplatine der kürze halber auch einfach als The invention provides the advantage that the current carrying capacity of the parallel circuit of spiral coils is greater than that of each individual spiral coil. Nevertheless, due to the electrical separation of the individual spiral elements on each layer of the winding plate, it can not cause eddy currents come between the spiral coils. Thus, the number of spiral coils connected in parallel with respect to the width of each conductor track of the individual spiral coils can thus be adjusted in order to achieve a maximum current carrying capacity of the overall arrangement (parallel circuit), without obtaining too great overall losses, which would set thermal limits. The narrower the printed conductors, the smaller the eddy current losses within each individual printed conductor, but also the current carrying capacity of each individual printed conductor decreases. The more spiral coils are connected in parallel, the greater the current carrying capacity of the overall arrangement. For the sake of brevity, the rectifier board is simply as below
Gleichrichter bezeichnet. Zu der Erfindung gehören auch vorteilhafte Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben. Rectifier designated. The invention also includes advantageous developments, the characteristics of which provide additional advantages.
Eine weitere Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit (Aus¬ gangsleistung) kann sich durch Erhitzen der Leiterbahnen und des Gleichrichters ergeben. Eine Weiterbildung sieht vor, dass für eine Entwärmung des Leistungsübertragungssystems die Gleich¬ richterplatine direkt mit einem Kühlkörper verbunden ist und ein sekundärseitiger Ferritkern des Leistungsübertragungssystems mit dem Kühlkörper in Berührung steht und der Kühlkörper dazu eingerichtet ist, Wärme aus der Gleichrichterplatine und dem Ferritkern hin zu einer Koppelfläche des Kühlkörpers, über welche der Kühlkörper an einem Trägerbauteil des Rotors befestigbar ist, zu leiten. Ein solches Trägerbauteil kann beispielsweise die eingangs erwähnte Wickelkopfabdeckung der Erregerwicklung des Rotors sein. Eine solche Wickelkopfabdeckung ist ein metal¬ lisches, ringförmiges Abdeckteil, welches über die Wickelköpfe der Erregerwicklung gestülpt werden kann. Ein geeignetes Material für die Wickelkopfabdeckung ist eine Legierung, wie sie in den eingangs genannten Druckschriften DE 20 2012 002 024 Ul und DE 20 2012 002 027 Ul angegeben sind, deren Inhalt hier im Zusammenhang mit der Legierung und der Ausgestaltung der Wickelkopfabdeckung als Bestandteil dieser Erfindung anzusehen sind . r A further deterioration of the performance (output power from ¬) may result from heating of the conductor paths and of the rectifier. A further development provides that for a cooling of the power transmission system, the DC ¬ judge circuit board is connected directly to a heat sink and a secondary-side ferrite core of the power transmission system is in contact with the heat sink and the cooling body is adapted to heat from the rectifier plate and the ferrite core towards a Coupling surface of the heat sink, via which the heat sink can be fastened to a support member of the rotor to guide. Such a carrier component can be, for example, the winding head cover mentioned at the beginning of the field winding of the rotor. Such a winding cover is a metal ¬ metallic, annular cover, which can be slipped over the winding heads of the field winding. A suitable material for the end winding cover is an alloy, as indicated in the aforementioned publications DE 20 2012 002 024 Ul and DE 20 2012 002 027 Ul, the content here in connection with the alloy and the design of the winding overhang as part of this invention to be considered. r
Wichtig ist die Auslegung der Wärmepfade. Insbesondere kann Wärme aus der Gleichrichterplatine über den Kühlkörper einerseits sowie aus dem Ferritkern über den Kühlkörper andererseits jeweils zu dessen Koppelfläche abgeführt werden, wo sie in ein Trä- gerbauteil des Rotors, insbesondere eine Wickelkopfabdeckung, übertreten. Es ist also bei dem Leistungsübertragungssystem insbesondere eine rein passive, also keine aktive Kühlung vorgesehen. Mit passiver Kühlung ist eine auf Wärmeleitung basierende Kühlung gemeint. Das erfindungsgemäße Leistungs- Übertragungssystem kann als separates Bauteil zum Einbau in eine elektrische Maschine ausgestaltet oder in eine Wickelkopfab¬ deckung integriert sein. Important is the design of the heat paths. In particular, heat can be dissipated from the rectifier board via the heat sink on the one hand and from the ferrite core via the heat sink on the other hand in each case to its coupling surface, where they in a Trä- gerbauteil the rotor, in particular a winding head cover, transgress. It is therefore provided in the power transmission system in particular a purely passive, so no active cooling. By passive cooling is meant a heat conduction based cooling. The power transmission system according to the invention may be configured as a separate component for installation in an electric machine or integrated into a Wickelkopfab ¬ cover.
Eine weitere wichtige Eigenschaft eines Leistungsübertra- gungssystems ist die Drehzahlfestigkeit. Eine Weiterbildung sieht vor, dass für eine Drehzahlfestigkeit von mehr als 15000 Umdrehungen pro Minute und/oder für eine Wärmeleitung die Gleichrichterplatine, der Kühlkörper, die Windungsplatine und der Ferritkern mit einem Kunstharz vergossen oder mit einem Kunststoff umspritzt sind. Der Verguss kann mit einem Epoxidharz oder Kleber erfolgen. Der Verguss und die Umspritzung bietet jeweils eine Stabilisierung und mechanische Fixierung für Drehzahlen bis über 15.000 Umdrehungen pro Minute. Ansonsten würden beispielsweise Lötverbindungen in der Gleichrichterplatine auf Dauer brechen. Durch den Verguss und/oder das Umspritzen mit Kunststoff mittels eines Spritzgussverfahrens ist das Leistungsübertragungssystem drehzahlfest für eine Drehzahl größer als 15.000 Umdrehungen pro Minute. Der Verguss und die Umspritzung bieten jeweils auch den Vorteil, dass eine bessere Wärmeleitfähigkeit erreicht werden kann als mit Luft. Durch die Wahl des Kunstharzes oder Kunststoffes kann eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 1 bis 2 W/mK erreicht werden. Auch mit herkömmlichem Epoxidharz ist eine Wärmeleitfähigkeit von 0, 3 W/mK möglich. Die Entwärmung umfasst also insbesondere einen Wärmepfad, der die Gleichrichterplatine über den Kühlkörper und das Vergussmaterial/die Kunststoffumspritzung mit einem Trä¬ gerbauteil verbindet, und einen Wärmepfad, welcher den Fer- ritkern über den Kühlkörper und das Vergussmaterial/die Another important characteristic of a power transmission system is the speed stability. A further development provides that for a rotational speed of more than 15,000 revolutions per minute and / or for heat conduction, the rectifier plate, the heat sink, the winding plate and the ferrite core are potted with a synthetic resin or encapsulated with a plastic. The potting can be done with an epoxy resin or adhesive. The encapsulation and encapsulation each provide stabilization and mechanical fixation for speeds up to more than 15,000 revolutions per minute. Otherwise, for example, solder joints in the rectifier board would break permanently. By encapsulating and / or overmolding with plastic by means of an injection molding process, the power transmission system is speed-proof for a speed greater than 15,000 revolutions per minute. The encapsulation and encapsulation also each have the advantage that a better thermal conductivity can be achieved than with air. By choosing the synthetic resin or plastic, a thermal conductivity of up to 1 to 2 W / mK can be achieved. Even with conventional epoxy resin, a thermal conductivity of 0, 3 W / mK is possible. The heat dissipation thus in particular includes a heat path connecting the rectifier circuit board via the heat sink and the molding material / plastic sheathing with a Trä ¬ gerbauteil, and a thermal path which the FER ritkern on the heat sink and the potting material /
Kunststoffumspritzung mit dem Trägerbauteil verbindet. Auch von der Wicklung kann Wärme durch das Vergussmaterial/die Kunst¬ stoffumspritzung hindurch abgeführt werden. Plastic extrusion connects with the carrier component. Also from the winding heat can be dissipated through the potting / art ¬ stoffumspritzung.
Hauptwärmequellen sind Dioden des Gleichrichters, die Wicklung und der Ferritkern der Sekundärseite. Weniger Verlustwärme entsteht durch Kondensatoren und die Leiterbahnen der Main heat sources are diodes of the rectifier, the winding and the ferrite core of the secondary side. Less heat loss results from capacitors and the tracks of the
Gleichrichterplatine. Mittels des Vergusses / der Umspritzung kann erreicht werden, dass ein zusätzlicher Wärmetransportweg zum Abtransport von Wärme aus den Wärmequellen bereitgestellt wird. Über den Verguss/die Umspritzung und über den Kühlkörper kann dann Wärme in das Trägerbauteil, insbesondere die Wi¬ ckelkopfabdeckung geleitet werden. Rectifier board. By means of the encapsulation / encapsulation can be achieved that an additional heat transport path for the removal of heat from the heat sources is provided. Heat particular the Wi ¬ ckelkopfabdeckung can be routed through the potting / encapsulation and the heat sink then in the carrier component.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Gleichrichterplatine einen Metallkern zur Wärmeleitung aufweist und der Kühlkörper direkt mit dem Metallkern in Berührung steht. Hierdurch kann die Wärme von einzelnen elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen des Gleichrichters abgeführt und über den Me¬ tallkern zu dem Kühlkörper geleitet werden. Der Metallkern kann Kupfer und/oder eine Kupferlegierung und/oder Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung aufweisen. Kupfer weist hierbei die größere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Aluminium auf. Um mit dem Kühlkörper den Metallkern in der Gleichrichterplatine zu erreichen, kann eine Deckschicht der Gleichrichterplatine z.B. durch Fräsen entfernt werden. Der Kern wird freigefräst, der Kühlkörper ist dann direkt in Kontakt mit dem Kern. Um eine zuverlässige Wärmeübertragung von der Gleichrichterplatine in den Kühlkörper zu gewährleisten, kann die Gleichrichterplatine mit dem Kühlkörper verschraubt sein. Die A further development provides that the rectifier board has a metal core for heat conduction and the heat sink is in direct contact with the metal core. Thereby, the heat can be removed from the individual electrical and / or electronic components of the rectifier and passed over the Me ¬ tallkern to the heat sink. The metal core may comprise copper and / or a copper alloy and / or aluminum and / or an aluminum alloy. Copper has the greater thermal conductivity compared to aluminum. In order to achieve the metal core in the rectifier board with the heat sink, a cover layer of the rectifier board can be removed, for example, by milling. The core is milled free, the heat sink is then directly in contact with the core. To ensure reliable heat transfer from the rectifier board into the heat sink, the rectifier board can be bolted to the heat sink. The
Schrauben sind bevorzugt aus Metall, wodurch sie zusätzlich zur Wärmeübertragung beitragen. Der Kühlkörper kann beispielsweise auf einer freigefrästen Oberfläche des Kerns der Gleichrichterplatine aufliegen. Eine weitere Möglichkeit, um das Erhitzen von Bauelementen zu reduzieren, ist gegeben, indem auf der Gleichrichterplatine eine Schaltung des Gleichrichters mehrere gleichartige, in parallel geschalteten Schaltungszweigen angeordnete elektronische Einzelbauelemente, insbesondere Dioden, aufweist. Die Ver¬ lustleistung, die sich beim Gleichrichten der Wechselspannung ergibt, wird also nicht in einem einzelnen Bauelement umgesetzt, sondern verteilt auf mehrere, parallelgeschaltete Einzelbau¬ elemente, insbesondere parallel geschaltete Dioden, verteilt. Somit ist also die Entstehung der Verlustwärme örtlich verteilt, nämlich auf mehrere Einzelbauelemente. Mit Einzelbauelemente ist ein einzelnes elektronisches Bauteil gemeint, das beispielsweise mit Anschlusskontakten oder Pins auf der Gleichrichterplatine aufgelötet sein kann. Screws are preferably made of metal, which additionally contribute to heat transfer. The heat sink can rest for example on a free-milled surface of the core of the rectifier board. Another way to reduce the heating of components is given by a rectifier circuit on the rectifier circuit a plurality of similar, arranged in parallel circuit branches electronic individual components, in particular diodes having. The Ver ¬ loss performance that results in rectifying the AC voltage is thus not implemented in a single component, but distributed to several, parallel-connected Einzelbau ¬ elements, in particular parallel-connected diodes distributed. Thus, therefore, the formation of heat loss is distributed locally, namely on several individual components. By individual components, a single electronic component is meant, which may be soldered, for example, with connection contacts or pins on the rectifier board.
Um eine gleichmäßige Belastung der Einzelbauelemente mit Strom zu gewährleisten, kann zumindest einigen der Einzelbauelemente jeweils ein elektrisches Widerstandsbauelement zum Einstellen einer Stromaufteilung vorgeschaltet sein. Die elektrischen Widerstandselemente sind also jeweils in den besagten Schal¬ tungszweigen in Serie mit einem der Einzelbauelemente ge¬ schaltet. Hierdurch kann eine Vergleichmäßigung der Stromaufteilung zwischen den parallel geschalteten Einzelbauelementen erreicht werden. Insbesondere weist jeder Schaltungszweig nur das Einzelbauelement und das zugehörige Widerstandselement und die zugehörigen Leiterbahnen und Lötstellen auf. Die Verwendung von Widerstandselementen ist insbesondere bei negativen Temperaturkoeffizienten der Dioden von Vorteil. Wie bereits ausgeführt, sind die Spiralspulen im Bereich der Windungsplatine gegeneinander elektrisch isoliert, um hierdurch einen Wirbelstrom zwischen den Leiterbahnen der unterschiedlichen Spiralspulen zu unterdrücken. Bevorzugt findet die Parallelschaltungen der Spiralspulen außerhalb der Wick- lungsplatine, nämlich insbesondere auf der Gleichrichterpla¬ tine, statt. Hierdurch ist der Einfluss eines magnetischen Wechselfelds auf die Entwicklung von Wirbelströmen minimiert. Um die Leiterbahnen der Spiralspulen wirkungsvoll elektrisch gegeneinander zu isolieren, wird insbesondere sichergestellt, dass bei jeder Lage der Windungsplatine ein elektrisches Po¬ tenzial der Spiralelemente der jeweiligen Lage angeglichen ist. Ein Spulenanfang, z.B. an einer ersten äußeren Lage, wird mit dem Potenzial des ersten Eingangs der Gleichrichterschaltung und ein Spulenende, das der ersten äußeren Lage an der Windungsplatine gegenüber liegen kann, ist mit dem Potenzial des zweiten Eingangs der Gleichrichterschaltung verbunden. Somit weisen auch Ab- schnitte der Spiralelemente mit gleichem radialem Abstand in jeder dazwischen liegenden Lage der Windungsplatine jeweils einen derart geringen Potenzialunterschied auf, dass ein Überschlag verhindert ist. Durch das angeglichene Potenzial sind Spannungsüberschläge zwischen den Spiralelementen verhindert. Innerhalb jeder Lage ist das Potential natürlich nicht konstant. In order to ensure a uniform load of the individual components with electricity, at least some of the individual components can each be preceded by an electrical resistance component for setting a current distribution. Thus, the electrical resistance elements are disposed in the said scarf ¬ processing branch in series with one of the individual components ge ¬ on. As a result, a homogenization of the current distribution between the parallel-connected individual components can be achieved. In particular, each circuit branch has only the individual component and the associated resistance element and the associated conductor tracks and solder joints. The use of resistive elements is particularly advantageous for negative temperature coefficients of the diodes. As already stated, the spiral coils are electrically insulated from one another in the area of the winding plate, in order thereby to suppress an eddy current between the conductor tracks of the different spiral coils. Preferably, the parallel circuits of the spiral coil is outside the interturn circuit board, namely in particular the Gleichrichterpla ¬ tine instead. This minimizes the influence of an alternating magnetic field on the development of eddy currents. In order to electrically isolate the conductor tracks of the spiral coils effectively against each other, ensures in particular that for each position of the Windungsplatine an electrical Po ¬ potential of the scroll members is adjusted to the respective position. A coil start, eg at a first outer layer, is connected to the potential of the first input of the rectifier circuit and a coil end which may face the first outer layer on the winding board is connected to the potential of the second input of the rectifier circuit. Thus, sections of the spiral elements with the same radial spacing in each intermediate layer of the winding plate each have such a small potential difference that a flashover is prevented. The adjusted potential prevents flashovers between the spiral elements. Of course, the potential is not constant within each location.
In Bezug auf die Form der einzelnen Spiralelemente jeder Spiralspule kann diese ermittelt werden, indem folgende Be¬ rechnung angestellt wird. Jede der Spiralspulen kann U Um- rundungen oder Spiralbindungen aufweisen. Die Windungsplatine kann N Lagen bereitstellen. Jedes Spiralelement weist dann U/N Umrundungen auf. Bei einer Windungsplatine mit 4 Lagen und Spiralspulen mit U = 5 Umrundungen ist also jedes Spiralelement ein Spiralstück mit 1,25 Umrundungen des Spiralzentrums. Sollen der Anfangs- und Endpunkt jeder Spiralspule der Windungsplatine mit durchgehenden Stiften an die Gleichrichterplatine ange¬ schossen werden, ist es vorteilhaft, die Anzahl an Umrundungen pro Spiralelement so zu erhöhen/erniedrigen (z.B. von 1,25 auf 1,3), das sich ein Winkelversatz zwischen dem Start- und Endpunkt ergibt und somit die Anschlusspunkte der Spiralspule nicht exakt übereinander liegen. Es ergibt sich dann eine Anzahl U der Umrundungen, die keine Ganzzahl ist (in dem Beispiel also U = 1,3 x 4 = 5,2) . Durch die Reihenschaltung der Spiralelemente einer einzelnen Spiralspule über die mehreren Lagen hinweg fließt durch die Spiralelemente ein gemeinsamer Strom, der abwechselnd in einem Spiralelement spiral-einwärts und im nächsten Spiral¬ element spiral-auswärts fließt. Die Spiralelemente der sekundärseitigen Wicklung sind bevorzugt auf der Windungsplatine um den jeweiligen Winkelversatz drehsymmetrisch angeordnet. Die Anordnung der Spiralelemente auf jeder Lage ist also ein rotationssymmetrisches Gebilde, wobei sich die Rotationssymmetrie immer bei einer Drehung um den Winkelversatz, um welchen die benachbarten Spiralelemente jeweils versetzt sind, ergibt. Hierdurch wird der verfügbare Bauraum genutzt. Um das Leistungsübertragungssystem besonders kostengünstig herstellen zu können, sind die Durchkontaktierungen als einfache Durchkontaktierungen ausgestaltet, also vollständig durch alle Lagen der Windungsplatine geführt. Solche vollständigen With respect to the shape of the individual elements of each spiral spiral coil it can be calculated by the following defi ¬ statement is made. Each of the spiral coils can have U curves or spiral bindings. The winding board can provide N layers. Each spiral element then has U / N orbits. For a coil with 4 layers and spiral coils with U = 5 orbits, each spiral element is a spiral element with 1.25 orbits of the spiral center. If the start and end point of each spiral coil of the winding circuit board with continuous pins to the rectifier board ¬ shot, it is advantageous to increase the number of orbits per spiral element / decrease (eg from 1.25 to 1.3), which is An angular offset between the start and end point results and thus the connection points of the spiral coil are not exactly on top of each other. This results in a number U of orbits, which is not an integer (in the example U = 1.3 x 4 = 5.2). Through the series connection of the spiral elements of a single spiral coil over the multiple layers away flows through the spiral elements, a common current, the spiral-inward and spiral-inward in a spiral element alternately flows in the next spiral ¬ element spiral-abroad. The spiral elements of the secondary-side winding are preferably arranged rotationally symmetrically on the winding plate about the respective angular offset. The arrangement of the spiral elements on each layer is thus a rotationally symmetrical structure, wherein the rotational symmetry always results in a rotation about the angular offset by which the adjacent spiral elements are offset, respectively. As a result, the available space is used. In order to be able to produce the power transmission system in a particularly cost-effective manner, the plated-through holes are configured as simple plated-through holes, that is to say completely guided through all the layers of the winding plate. Such complete
Durchkontaktierungen oder VIAs (Vertical interconnect access) lassen sich in einem einzigen, an sich bekannten Durchkon- taktierungsvorgang herstellen. Through-holes or VIAs (Vertical Interconnect Access) can be produced in a single, known per se contacting process.
Ein weiterer Aspekt betrifft das elektrische Verbinden der Erregerwicklung des Rotors mit den Anschlusskontakten der Gleichrichterplatine. Jeder Anschlusskontakt ist bevorzugt jeweils als ein Haken ausgestaltet, an welchen jeweils ein Draht der Erregerwicklung kontaktiert werden kann. Jeder der Haken ist dabei direkt mit der Gleichrichterplatine elektrisch und me¬ chanisch verbunden. Jeder Draht der Erregerwicklung wird mit einem der Haken elektrisch und mechanisch verbunden. Another aspect relates to the electrical connection of the excitation winding of the rotor with the terminal contacts of the rectifier board. Each connection contact is preferably designed in each case as a hook, to each of which a wire of the exciter winding can be contacted. Each of the hooks is electrically and me ¬ mechanically connected directly to the rectifier board. Each wire of the field winding is electrically and mechanically connected to one of the hooks.
Auch die primärseitige Wicklung kann ebenfalls eine Win¬ dungsplatine der genannten Art aufweisen. Hierdurch ist eine Bauform des Leistungsübertragungssystems flacher ist im Ver¬ gleich zu einer primärseitigen Wicklung, die auf der Basis von Wicklungen aus gängigem Draht gebildet ist. The primary-side winding can also have a win ¬ tion board of the type mentioned. As a result, a design of the power transmission system is flatter Ver ¬ equal to a primary-side winding, which is formed on the basis of windings of common wire.
Die Erfindung sieht auch das Bereitstellen einer elektrischen Maschine vor, die als fremderregte Synchronmaschine ausgestaltet ist und eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leis- tungsübertragungssystems aufweist. Das erfindungsgemäße The invention also provides for the provision of an electrical machine which is designed as a separately excited synchronous machine and has an embodiment of the power transmission system according to the invention. The invention
Leistungsübertragungssystem macht die elektrische Maschine robust gegen Einflüsse durch Verschmutzung, wie z.B. Öl oder Staub, und es gibt keinen Abrieb wie bei Schleifringen. Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer Aus¬ führungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine ist als ein Traktionsantrieb für das Kraftfahrzeug ausgestaltet und mit einem Wechselrichter ver- schaltet, der für eine Drehzahl der elektrischen Maschine von mehr als 15.000 Umdrehungen pro Minute eingerichtet ist. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Leistungsübertragungs- systems, das leistungsfähig und hochdrehzahlfest ist, ergibt sich eine elektrische Maschine, die unempfindlich gegen Um- welteinflüsse ist. Power transmission system makes the electric machine robust against pollution, such as oil or dust, and there is no abrasion as with slip rings. The invention also relates to a motor vehicle having an embodiment of the electric machine according to the invention. The electric machine is configured as a traction drive for the motor vehicle and is connected to an inverter which is set up for a rotational speed of the electric machine of more than 15,000 revolutions per minute. The use of the power transmission system according to the invention, which is powerful and high-speed resistant, results in an electrical machine which is insensitive to environmental influences.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Flurförderzeug sein. The motor vehicle according to the invention can be, for example, a passenger car or a truck or an industrial truck.
Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt: In the following an embodiment of the invention is described. This shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines fremderregten Rotors mit bürstenloser Leistungsübertragung; Figure 1 is a schematic representation of a longitudinal section of a third-rotor with brushless power transmission.
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer Sekundärseite eines Leistungsübertragungssys- tems des Rotors von Fig. 2 ; FIG. 2 shows a schematic illustration of a longitudinal section of a secondary side of a power transmission system of the rotor of FIG. 2; FIG.
Fig. 3 eine schematische Darstellung von Lagen einer Windungsplatine der Sekundärseite des Leistungsüber- tragungssystems von Fig. 2, wobei jeweils nur ein einzelnes von mehreren Spiralelementen dargestellt ist ; 3 shows a schematic illustration of layers of a winding circuit board of the secondary side of the power transmission system of FIG. 2, wherein in each case only a single one of a plurality of spiral elements is shown;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf die Fig. 4 is a schematic representation of a plan view of the
Windungsplatine der Sekundärseite des Leistungs- Übertragungssystems;  Winding board of the secondary side of the power transmission system;
Fig. 5 einen schematisierten Schaltplan des Leistungsüber- tragungssystems ; Fig. 6 einen schematisierten Schaltplan eines alternativen Prinzips des Leistungsübertragungssystems; 5 shows a schematic circuit diagram of the power transmission system; Fig. 6 is a schematic circuit diagram of an alternative principle of the power transmission system;
Fig. 7 einen schematisierten Schaltplan eines weiteren alternativen Prinzips des Leistungsübertragungssystems; Fig. 7 is a schematic circuit diagram of another alternative principle of the power transmission system;
Fig. 8 eine Skizze zur Veranschaulichung einer Wärmespreizung für Dioden der Gleichrichterschaltung des Leistungsübertragungssystems; und 8 is a diagram illustrating a heat spread for diodes of the rectifier circuit of the power transmission system; and
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs. Fig. 9 is a schematic representation of an embodiment of the motor vehicle according to the invention.
Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar. The embodiment is a preferred embodiment of the invention. In the exemplary embodiment, the described components of the embodiment each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another, which also each independently further develop the invention and thus also individually or in a different combination than the one shown as part of the invention. Furthermore, the described embodiment can also be supplemented by further features of the invention already described.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. In the figures, functionally identical elements are each provided with the same reference numerals.
Als Überblick wird zunächst auf Fig. 9 verwiesen. Fig. 9 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich insbesondere um einen Kraftwagen, wie z.B. einen Personenkraftwagen, handeln kann. Das Kraftfahrzeug 10 kann einen elektrischen Traktionsantrieb 11 aufweisen, der auf der Grundlage einer elektrischen Maschine 12 gebildet sein kann. Zusätzlich sind ein Wechselrichter 13 und eine Traktionsbatterie 14 dargestellt. Die Traktionsbatterie 14 kann beispielsweise eine Hochvoltbatterie sein, die eine elektrische Spannung größer als 60 V, insbesondere größer als 100 V, bereitstellen kann. Der Wechselrichter 13 kann aus der Gleichspannung der Traktionsbatterie 14 Phasenströme für eine Statorwicklung 15 eines Stators 16 der elektrischen Maschine 12 in an sich bekannter Weise erzeugen. Durch die Phasenströme des Wechselrichters 13 kann in einem Inneren des Stators 16 mittels der Statorwicklung 15 ein magnetisches Drehfeld erzeugt werden. For an overview, reference is first made to FIG. 9. FIG. 9 shows a motor vehicle 10, which may in particular be a motor vehicle, such as a passenger car. The motor vehicle 10 may have an electric traction drive 11, which may be formed on the basis of an electric machine 12. In addition, an inverter 13 and a traction battery 14 are shown. The traction battery 14 may for example be a high-voltage battery, which can provide an electrical voltage greater than 60 V, in particular greater than 100 V. The inverter 13 can from the DC voltage of the traction battery 14 phase currents for a Stator winding 15 of a stator 16 of the electric machine 12 generate in a conventional manner. By the phase currents of the inverter 13, a magnetic rotating field can be generated in an interior of the stator 16 by means of the stator winding 15.
In dem Inneren des Stators 16 kann ein Rotor 17 drehbar gelagert sein. Die elektrische Maschine 12 kann eine fremderregte Synchronmaschine sein. Hierzu ist im Rotor 17 eine Erreger¬ wicklung 18 bereitgestellt, die mit einem Gleichstrom durch- flössen werden kann. Dann erzeugt der Rotor 17 an seinem Außenumfang magnetische Pole, mit dem magnetischen Drehfeld des Stators 16 wechselwirken, wodurch sich eine Drehbewegung des Rotors 17 ergibt. Der Rotor rotiert dann um eine Rotationsachse 19 und dreht dabei eine Welle 20, über welche ein Antriebsmoment auf Räder des Kraftfahrzeugs 10 übertragen werden kann. In the interior of the stator 16, a rotor 17 may be rotatably supported. The electric machine 12 may be a separately excited synchronous machine. To this end, an excitation ¬ winding 18 is provided in the rotor 17, which can be flowed throughput with a direct current. Then, the rotor 17 generates on its outer circumference magnetic poles, interact with the magnetic rotating field of the stator 16, whereby a rotational movement of the rotor 17 results. The rotor then rotates about a rotation axis 19 and thereby rotates a shaft 20, via which a drive torque can be transmitted to wheels of the motor vehicle 10.
Um den Strom in der Erregerwicklung 18 zu erzeugen, kann die elektrische Maschine 12 ein Leistungsübertragungssystem 21 aufweisen. Mittels des Leistungsübertragungssystems 21 kann elektrische Energie von einer stationären Primärseite PRIM auf eine drehende Sekundärseite SEC berührungslos, auf Basis einer induktiven Übertragung übertragen werden. Hierzu kann das Leistungsübertragungssystem 21 einen Drehübertrager mit einer primärseitigen Wicklung 22 an einem Motorgehäuse oder einem Lagerschild und mit einer sekundärseitigen Wicklung 23 am Rotor 17 aufweisen. To generate the current in the field winding 18, the electric machine 12 may include a power transmission system 21. By means of the power transmission system 21, electrical energy can be transmitted from a stationary primary side PRIM to a rotating secondary side SEC without contact, on the basis of an inductive transmission. For this purpose, the power transmission system 21 may have a rotary transformer with a primary-side winding 22 on a motor housing or a bearing plate and with a secondary-side winding 23 on the rotor 17.
Fig. 1 veranschaulicht ein Leistungsübertragungssystem 21 in einem Längsschnitt. Fig. 1 ist bezüglich der Rotationsachse 19 spiegelsymmetrisch, sodass die Bezugszeichen jeweils nur auf einer Seite der Rotationsachse 19 angegeben sind. Sie gelten auch spiegelsymmetrisch für die gegenüberliegende Seite. Fig. 1 illustrates a power transmission system 21 in a longitudinal section. FIG. 1 is mirror-symmetrical with respect to the axis of rotation 19, so that the reference numerals are only indicated on one side of the axis of rotation 19. They are also mirror-symmetric for the opposite side.
Das Leistungsübertragungssystem 21 weist die folgenden vor- teilhaften Eigenschaften auf: The power transmission system 21 has the following advantageous characteristics:
Es handelt sich um ein kostengünstig herstellbares_kontaktloses Leistungsübertragungssystem für einen Traktionsantrieb: 1) anstelle von Wicklungen aus Rund- oder Flachdraht wird für die rotierende Seite des Drehübertrages eine mehrlagige Leiterplatte ("Windungsplatine", "Multilayer-PCB" ) mit spezieller Strukturierung zur Vermeidung des Stromverdrängungseffektes verwendet, auf deren Lagen die Kup¬ ferschichten so strukturiert sind, dass sie eine Wicklung ergeben; It is a cost-producible_kontaktlosen power transmission system for a traction drive: 1) instead of windings of round or flat wire, a multilayer printed circuit board ("winding board", "multilayer PCB") is used with special structuring to avoid the current displacement effect on the layers of the Kup ¬ ferschichten are structured so for the rotating side of the rotary transfer in that they give a winding;
2) die stillstehende Seite des Drehübertragers kann wahlweise ebenfalls mit einer mehrlagigen Windungsplatine zur Vermeidung des Stromverdrängungseffektes oder mit einer Wicklung aus Rund-, Flach- oder HF-Litzendraht in konventioneller Bauart realisiert werden;  2) the stationary side of the Drehübertragers can optionally also be realized with a multi-layer Windungsplatine to avoid the current displacement effect or with a winding of round, flat or HF stranded wire in conventional design;
3) eine spezielle Entwärmung des Drehtransformators für die primäre- und sekundäre Seite ist vorgesehen;  3) a special heat dissipation of the rotary transformer for the primary and secondary side is provided;
4) zur Optimierung der Entwärmung des Gleichrichters ist dessen Schaltung aus mehreren gleichartigen Einzelelementen zusammengesetzt, z.B. in der in Fig. 8) dargestellten Weise ;  4) to optimize the cooling of the rectifier whose circuit is composed of several similar individual elements, e.g. in the manner shown in Fig. 8);
5) hohe Drehzahlfestigkeit (über 15.000 min-1);  5) high speed resistance (over 15,000 min-1);
6) durch die Verwendung des speziellen Aufbaus des Drehübertragers können sowohl radial (größer oder gleich 0,7 mm im Radius) als auch axial (größer oder gleich 2 mm) größere Luftspalte verwendet werden;  6) through the use of the special construction of the rotary transformer can be used both radially (greater than or equal to 0.7 mm in radius) and axially (greater than or equal to 2 mm) larger air gaps;
7) eine einfachste Ausführung der Durchkontaktierungen für Leiterplattenwicklung kann verwendet werden;  7) a simplest embodiment of the printed circuit board vias can be used;
8) eine symmetrische Anordnung der Leiterbahnen der Windungsplatine (hier auch als „Strands" bezeichnet) erreicht eine hohe Packungsdichte.  8) a symmetrical arrangement of the tracks of the winding board (also referred to herein as "strands") achieves a high packing density.
Um die Drehzahlfestigkeit des rotierenden Teils des Dreh¬ übertragers (Sekundärseite des Drehübertragers sowie Gleich¬ richter und Glättungskondensatoren) zu gewährleisten, wird dieser vollständig mit Vergussmaterial (z.B. Epoxidharz oder Kunststoff) vergossen oder umspritzt. In order to ensure the rotational speed of the rotating part of the rotary ¬ transformer (secondary side of the rotary transformer and rectified ¬ judge and smoothing capacitors), this is completely encapsulated or encapsulated with potting material (eg epoxy resin or plastic).
Der Wechselstrom soll in einer Gleichrichterplatine der se¬ kundären Seite gleichgerichtet und geglättet werden. Bei¬ spielsweise wird die Gleichrichterplatine als ein rundes Teil mit beispielsweise 25 Kondensatoren und 36 Dioden dargestellt. Alternativ können anstatt der Dioden auch aktiv gleichrichtende Komponenten eingesetzt werden. Beispielsweise gesteuerte MOSFETs . The alternating current to be rectified in a rectifier circuit board of the se ¬ ondary side and smoothed. In ¬ example, the rectifier board is as a round part with For example, 25 capacitors and 36 diodes shown. Alternatively, actively rectifying components can be used instead of the diodes. For example, controlled MOSFETs.
Das kontaktlose Leistungsübertagungssystem auf Basis des Drehübertragers kann einen Gleichrichter aufweisen, der aus der Verschaltung mehrerer (vorzugsweise gleichartiger) Einzelbauteile aufgebaut ist. Diese Einzelbauteile (vorzugsweise bestehend aus Dioden mit positivem Temperaturkoeffizienten, z.B. Schottkydioden auf Basis von Siliziumkarbid) werden in parallel geschalteten Zweigen verschaltet. The contactless power transmission system based on the rotary transformer can have a rectifier, which is constructed from the interconnection of several (preferably similar) individual components. These individual components (preferably consisting of positive temperature coefficient diodes, for example silicon carbide Schottky diodes) are connected in parallel-connected branches.
Zu besserer Wärmeabfuhr von den elektronischen Komponenten der Gleichrichterplatine wird vorgeschlagen, die Gleichrichter¬ platine mit einem Kühlkörper direkt zu verbinden. For better heat dissipation from the electronic components of the rectifier board is proposed to connect the rectifier ¬ board directly to a heat sink.
Zu besserer Wärmeabfuhr von allen Komponenten des Übertrages wird ein spezielles Epoxidharz mit höherer Wärmeleitfähigkeit verwendet. For better heat dissipation of all components of the transfer a special epoxy resin with higher thermal conductivity is used.
Leiterplattenwicklung (Windungsplatine) weist parallelge¬ schaltete Spiralspulen aus Einzelleiterzügen (Strands) auf, die zur Realisierung hoher Stromtragfähigkeiten der Wicklungs- platine dienen. Die Parallelschaltung mehrerer Leiterzüge führt nur zu einer minimalen Erhöhung der Wirbelstromverluste hervorgerufen durch das einfallende magnetischen Wechselfeld im Wicklungsfenster des Drehübertragers. Durch die spezielle Geometrie der Einzelteile des Übertragers lässt sich dieser kostengünstig herstellen und erfüllt dennoch die Funktion. PCB winding (Windungsplatine) has parallel only ¬ switched spiral coils made of individual conductor strips (strands), which serve for realization of high current carrying capacities of the winding board. The parallel connection of several conductor tracks leads only to a minimal increase of the eddy current losses caused by the incident alternating magnetic field in the winding window of the rotary transformer. Due to the special geometry of the individual parts of the transformer this can be produced inexpensively and still fulfills the function.
Fig. 1 zeigt im Einzelnen eine Loslagerseite Fig. 1 shows in detail a non-locating bearing side
(Nicht-Antriebsseite) der elektrischen Maschine 12. Es sind ein Lagerschild oder Motorgehäuse 24 und ein Federelement 25 dargestellt. Die Anordnung kann alternativ auch an einer Festlagerseite vorgesehen sein. Die Welle 20 des Rotors 17 ist über ein Lager 26 an dem Lagerschild oder Motorgehäuse 24 rotierbar gelagert. Sicherungsringe 27 können beispielsweise das Lager 26 in axialer Richtung 28 entlang der Rotationsachse 19 gegen verrutschen fixieren. Von dem Rotor 17 sind des Weiteren ein Blechpaket 29, Wickelköpfe 30 der Erregerwicklung 18, eine Abdeckung 31 der Wickelköpfe 30 mit einer darin angeordneten Vergussmasse 32 und Drähte 33 der Erregerwicklung 18 dargestellt. Die Drähte 33 können an das Leistungsübertragungssystem 21 elektrisch und mechanisch an- gebunden sein. (Non-drive side) of the electric machine 12. There is a bearing plate or motor housing 24 and a spring element 25 is shown. The arrangement may alternatively be provided on a fixed bearing side. The shaft 20 of the rotor 17 is mounted rotatably via a bearing 26 on the bearing plate or motor housing 24. Circlips 27, for example, the bearing 26 fix in the axial direction 28 along the rotation axis 19 against slipping. Furthermore, a laminated core 29, winding heads 30 of the exciter winding 18, a cover 31 of the winding heads 30 with a potting compound 32 arranged therein and wires 33 of the field winding 18 are illustrated by the rotor 17. The wires 33 may be electrically and mechanically bonded to the power transmission system 21.
Das Leistungsübertragungssystem weist eine Festseite oder Primärseite PRIM und eine am Rotor befestigte Sekundärseite SEC auf. Die Primärseite PRIM und die Sekundärseite SEC sind jeweils als Ringe ausgebildet, die um die Welle 20 angeordnet sind. Die Sekundärseite SEC kann an einer Stirnseite des Rotors 17 an¬ geordnet sein. The power transmission system has a fixed side or primary side PRIM and a rotor-mounted secondary side SEC. The primary side PRIM and the secondary side SEC are each formed as rings, which are arranged around the shaft 20. The secondary side SEC may be ¬ arranged on an end face of the rotor 17 at.
Von dem Leistungsübertragungssystem 21 sind auf einer Pri- märseite PRIM die primärseitige Wicklung 22, ein Kühlkörper 34, eine Anschlussplatine 35 zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung (hinführende elektrische Leitungen sind nicht dargestellt) , Metallstifte 36 zum Durchkontaktieren der An¬ schlussplatine 35 hin zu einer Windungsplatine 37 der pri- märseitigen Wicklung 22 und ein primärseitiger Ferritkern 38 dargestellt . Of the power transmission system 21, the primary-side winding 22, a heat sink 34, a connection board 35 for providing a supply voltage (leading electrical lines are not shown) on a primary side PRIM, metal pins 36 for Durchkontaktieren the An ¬ circuit board 35 toward a Windungsplatine 37th the primary-side winding 22 and a primary-side ferrite core 38 are shown.
Der Ferritkern 38 der Primärseite PRIM ergänzt sich zusammen mit einem Ferritkern 39 der Sekundärseite SEC zu einem magnetischen Kreis. In dem magnetischen Kreis ergibt sich ein radialerThe ferrite core 38 of the primary side PRIM complements with a ferrite core 39 of the secondary side SEC to a magnetic circuit. In the magnetic circuit results in a radial
Luftspalt 40, über den ein von der primären Wicklung 22 erzeugtes magnetisches Wechselfeld in den Ferritkern 39 der Sekundärseite SEC überwechseln kann. Da es sich um einen radialen Luftspalt 40 handelt, ändert sich deren Spaltmaß bei einer axialen Bewegung der Welle 20 in axialer Richtung 28 nicht. Mit der axialenAir gap 40 through which a generated by the primary winding 22 alternating magnetic field in the ferrite core 39 of the secondary side SEC can change over. Since it is a radial air gap 40, the gap does not change in an axial movement of the shaft 20 in the axial direction 28. With the axial
Bewegung ändert sich ein axialer Luftspalt 40 λ. Die Ferritkerne 38, 39 weisen jeweils ein L-Profil auf. Hierdurch können axiale Toleranzen kompensiert werden. Je größer das Spaltmaß des radialen Luftspalts ist, desto weniger Leistung lässt sich übertragen. Natürlich kann auch ein anderes Profil, z.B. ein E-Profil verwendet werden. Von der Sekundärseite SEC sind des Weiteren dargestellt: eine Windungsplatine 41 der sekundärseitigen Wicklung 23, ein Kühlkörper 42, eine Gleichrichterplatine 43 mit einer Movement changes an axial air gap 40 λ . The ferrite cores 38, 39 each have an L-profile. As a result, axial tolerances can be compensated. The larger the gap of the radial air gap, the less power can be transmitted. Of course, another profile, such as an E-profile can be used. From the secondary side SEC are further shown: a winding circuit board 41 of the secondary-side winding 23, a heat sink 42, a rectifier board 43 with a
Gleichrichterschaltung, die Kondensatoren 44 und Dioden 45 umfasst, Metallstifte 46, über welche die Windungsplatine 41 mit der Gleichrichterplatine 43 elektrisch verbunden ist, sowie Haken 47, an welchen die Drähte 33 der Erregerwicklung 18 angebracht sind. Die Haken 47 werden auch als Wickelhaken bezeichnet. Sie stellen jeweils einen Anschlusskontakt der Gleichrichterschaltung dar. Die Gleichrichterplatine 43 kann mittels Metallschrauben 48 direkt an dem Kühlkörper 42 gehalten sein. Der Kühlkörper 42 liegt mit einer Koppelfläche 42 λ an der Abdeckung 31 an. Es kann sich um einen Presssitz handeln. Die Abdeckung kann aus einem speziellen Metall oder einer speziellen Metalllegierung gefertigt sein. Beispiele für ein geeignetes Material der Abdeckung können aus den genannten Druckschriften DE 20 2012 002 027 Ul und DE 20 2012 002 024 Ul entnommen werden. Rectifier circuit comprising capacitors 44 and diodes 45, metal pins 46, via which the winding board 41 is electrically connected to the rectifier board 43, and hooks 47, to which the wires 33 of the field winding 18 are attached. The hooks 47 are also referred to as wrap hooks. They each represent a terminal contact of the rectifier circuit. The rectifier board 43 can be held directly on the heat sink 42 by means of metal screws 48. The heat sink 42 is located with a mating surface on the cover 42 λ at the 31st It can be a press fit. The cover may be made of a special metal or a special metal alloy. Examples of a suitable material of the cover can be taken from the cited references DE 20 2012 002 027 Ul and DE 20 2012 002 024 Ul.
Fig. 2 zeigt in Vergrößerung den oberen Ausschnitt der Sekundärseite SEC, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist. Gezeigt ist, wie Zwischenräume mit einer Vergussmasse aus einem Epoxidharz oder mittels einer Umspritzung durch Kunststoff aufgefüllt oder ausgefüllt sind. Dieser Verguss oder diese Umspritzung 32 λ verbessert die Stabilität der Sekundärseite SEC für eine hohe Drehzahl. Das Leistungsübertragungssystem 21 ist hierdurch drehzahlfest für Drehungszahlen größer 15.000 Umdrehungen pro Minute. Des Weiteren bietet der Verguss oder die Umspritzung 32 λ eine festkörper-basierte Wärmeübertragung von der Gleichrichterplatine 43 hin zum Kühlkörper 42. Aus dem Kühlkörper 42 kann die Wärme dann in die Abdeckung 31 übergehen. Fig. 2 shows in enlargement the upper section of the secondary side SEC, as shown in Fig. 1. It is shown how gaps are filled or filled with a potting compound of an epoxy resin or by means of an encapsulation by plastic. This encapsulation or encapsulation 32 λ improves the stability of the secondary side SEC for a high speed. As a result, the power transmission system 21 is speed-proof for rotation numbers greater than 15,000 revolutions per minute. Furthermore, the encapsulation or encapsulation 32 λ provides solid-body-based heat transfer from the rectifier board 43 to the heat sink 42. The heat can then pass into the cover 31 from the heat sink 42.
Fig. 3 veranschaulicht eine Bauweise der Windungsplatinen 41 und optional auch der Windungsplatine 37. Jede der Windungsplatinen 37, 41, aber insbesondere die Windungsplatine 41 der Sekun- därseite SEC, kann mehrlagig aufgebaut sein. In dem veran¬ schaulichten Beispiel weisen die Windungsplatinen jeweils N = 4 Lagen LI, L2, L3, L4 auf, die in Fig. 3 nebeneinander dargestellt sind. Gezeigt sind Leiterbahnen 49 einer einzelnen Spiralspule AI. Jede Leiterbahn 49 jeder Lage LI, L2, L3, L4 weist die Form eines Spiralelements 50 auf. Die Spiralspule AI weist insgesamt U = 5 Umrundungen auf, die auf die N = 4 Lagen LI, L2, L3, L4 verteilt sind. Damit weist jedes Spiralelement 50 effektiv U/N Umrundungen auf, also in dem gezeigten Fall 1,25 Umrundungen. 3 illustrates a construction of the winding boards 41 and optionally also the winding board 37. Each of the winding boards 37, 41, but in particular the winding board 41 of the second därseite SEC, can be multi-layered. In the illustrated example, the veran ¬ Windungsplatinen each have N = 4 layers LI, L2, L3, L4, which are shown in Fig. 3 next to each other. Shown are conductor tracks 49 of a single spiral coil AI. Each conductor 49 of each layer LI, L2, L3, L4 has the shape of a spiral element 50. The spiral coil AI has a total of U = 5 orbits, which are distributed over the N = 4 layers LI, L2, L3, L4. Thus, each spiral element 50 effectively has U / N orbits, that is, 1.25 orbits in the case shown.
Fig. 4 veranschaulicht, wie für mehrere Spiralspulen AI, A2, A3, A4, A5 auf einer einzelnen Lage, hier beispielsweise die äußere Lage LI, jeweils Leiterbahnen 49 von Spiralelementen 50 mehrere Spiralspulen AI, A2, A3, A4, A5 konzentrisch um die Rotati- onsachse 19 und jeweils um einen Winkelversatz 51 gegen das benachbarte Spiralelement 50 versetzt angeordnet sein können. Der Winkelversatz 51 ergibt sich aus der Anzahl der Spiralspulen AI, A2, A3, A4, A5 zu: 360° / Anzahl der Spiralspulen. Des Weiteren sind Durchkontaktierungen 52 dargestellt, mittels welchen die Spiralelemente 50 jede der Spule in eine Reihenschaltung verschaltet werden können. Fig. 4 illustrates, as for a plurality of spiral coils AI, A2, A3, A4, A5 on a single layer, here, for example, the outer layer LI, each conductor tracks 49 of spiral elements 50 a plurality of spiral coils AI, A2, A3, A4, A5 concentrically around the Rotation axis 19 and each offset by an angular offset 51 against the adjacent scroll member 50 may be arranged. The angular offset 51 results from the number of spiral coils AI, A2, A3, A4, A5 to: 360 ° / number of spiral coils. Furthermore, plated-through holes 52 are shown, by means of which the spiral elements 50 of each of the coils can be connected in a series connection.
Fig. 5 zeigt einen möglichen Schaltplan für das Leistungs- übertragungssystem 21. Auf der Primärseite PRIM kann aus einer Versorgungsspannung eine Wechselspannung für die primärseitige Wicklung 22 mittels eines Vierquadrantenstellers 53 erzeugt werden. Eine Steuerlogik für den Vierquadrantensteller 53 ist in Fig. 5 nicht dargestellt. Mittels einer Kapazität 53 λ kann ein Resonanzverhalten der Wicklung 22 kombiniert mit der Kapazität 53 λ eingestellt werden. Die Kapazität 53 λ ist optional. FIG. 5 shows a possible circuit diagram for the power transmission system 21. On the primary side PRIM, an AC voltage for the primary-side winding 22 can be generated from a supply voltage by means of a four-quadrant controller 53. A control logic for the four-quadrant actuator 53 is not shown in Fig. 5. By means of a capacitance 53 λ , a resonance behavior of the winding 22 combined with the capacitance 53 λ can be set. The capacity 53 λ is optional.
Auf der Sekundärseite SEC ergibt sich an der sekundärseitigen Wicklung 23 eine Wechselspannung Ux. Auf der Sekundärseite SEC kann eine Gleichrichtung der Wechselspannung Ux mittels Dioden 45 einer Gleichrichterschaltung REC erfolgen. Die Dioden 45 und der Kondensator 44 sind hier als einfache Bauteile dargestellt. Sie können jeweils auch aus mehreren, parallel geschalteten gleichartigen Elementen gebildet sind, was noch im Zusammenhang mit Fig. 8 erläutert wird. Bei einer Diode 45 können also mehrere parallel geschaltete Einzeldioden und bei dem Kondensator 44 mehrere, parallelgeschaltete Einzelkondensatoren vorgesehen sein. Über die Haken 47 ist die erzeugte Gleichspannung U in die Drähte 33 der Erregerwicklung 18 übertragbar. On the secondary side SEC results in the secondary-side winding 23, an AC voltage U x . On the secondary side SEC, a rectification of the AC voltage U x by means of diodes 45 of a rectifier circuit REC done. The diodes 45 and the capacitor 44 are shown here as simple components. They can each also be formed from a plurality of similar elements connected in parallel, which is still related is explained with Fig. 8. In the case of a diode 45, therefore, a plurality of parallel-connected individual diodes and, in the case of the capacitor 44, a plurality of parallel-connected individual capacitors can be provided. About the hook 47, the generated DC voltage U in the wires 33 of the field winding 18 is transferable.
Fig. 6 veranschaulicht einen alternativen Schaltplan für das Leistungsübertragungssystem 21. Auf der Primärseite PRIM sind nur zwei Transistoren anstelle der vier Transistoren eines Vierquadrantenstellers nötig. Stattdessen ist eine Brücken¬ schaltung aus zwei Transistoren und zwei Freilaufdioden 53 λ λ vorgesehen. Auch auf der Sekundärseite SEC kann dadurch die Gleichrichterschaltung mit im Vergleich zum Schaltplan gemäß Fig. 5 weniger Dioden 45 realisiert werden. Fig. 6 illustrates an alternative circuit diagram for the power transmission system 21. On the primary side PRIM, only two transistors are needed instead of the four transistors of a four quadrant controller. Instead, a bridge ¬ circuit of two transistors and two freewheeling diodes 53 λ λ is provided. On the secondary side SEC as well, the rectifier circuit can be realized with fewer diodes 45 compared to the circuit diagram according to FIG. 5.
Fig. 7 veranschaulicht einen alternativen Schaltplan für das Leistungsübertragungssystem 21, wobei auf der Primärseite PRIM wieder ein Vierquadrantensteller 53 mit einer Kapazität 53 λ vorgesehen ist. Auf der Sekundärseite SEC ist ein Mittelabgriff 54 an der Wicklung 23 bereitgestellt, was es im Vergleich zum Schaltplan gemäß Fig. 5 ermöglicht, die Gleichrichterschaltung REC mit weniger Dioden 45 bereitzustellen. Die Kapazität 53 λ ist optional . Fig. 8 veranschaulicht einen Schaltplan, durch den veranschaulicht ist, wie eine einzelne Diode 45 aus mehreren Ein¬ zelbauelementen 45b gebildet werden kann. Die Einzelbauelemente 45b sind in einer aus Schaltungszweigen 45a gebildeten Parallelschaltung angeordnet, wobei zum Vergleichmäßigen einer Stromaufteilung jedem Einzelbauelemente 45b in den Schal¬ tungszweigen 45a ein Widerstandselement 45c in Serie geschaltet sein kann. Insgesamt ergeben sich somit parallele Schal¬ tungszweige 45a deren Parallelschaltung insgesamt die Funktion einer einzelnen Diode 45 ergibt. Fig. 7 illustrates an alternative circuit diagram for the power transmission system 21, wherein on the primary side PRIM again a four-quadrant 53 is provided with a capacity 53 λ . On the secondary side SEC, a center tap 54 is provided on the winding 23, which makes it possible to provide the rectifier circuit REC with fewer diodes 45 as compared to the circuit diagram of FIG. The capacity 53 λ is optional. Fig. 8 illustrates a circuit diagram is illustrated by such as a single diode 45 may be formed from a plurality of A ¬ zelbauelementen 45b. The individual components 45b are arranged in a circuit formed from branches 45a parallel circuit, for equalizing a current sharing each individual components 45b in the scarf ¬ processing branch 45a, a resistor element may be connected in series 45c. Overall, therefore, provide parallel processing scarf ¬ branches 45a whose parallel overall function of a single diode 45 is obtained.
Kontaktlose Leistungsübertragungssysteme können wahlweise an der Fest- oder Loslagerseite des Rotors montiert werden. Im weiterem wird ausschließlich die Unterbringung auf der Los- lagerseite (keine Antriebsseite) beschrieben, weil dies für Traktionsmaschinen vorteilhaft ist. Bei dem hier beschriebenen Leistungsübertragungssystem anstelle konventioneller Wicklungen speziell strukturierte, mehrlagige Leiterplatten (hier als „Windungsplatinen" bezeichnet) einsetzt. Die Kupferlagen der einzelnen Lagen einer Windungsplatine sind so strukturiert, dass sie, eingesetzt in ein Leistungsübertragungssystem, eine Wicklung aus Rund-, Flach- oder HF-Litzendraht (HF - Hochfrequenz) ersetzen können. Bei dem beschriebenen System wird mindestens die Sekundärseite des Leistungsübertragungssystems mit einer Windungsplatine anstelle einer konventionellen Wicklung aus Rund-, Flach- oder HF-Litzendraht aufgebaut. Die Primärseite kann wahlweise ebenfalls mit einer Windungsplatine oder einer konventionellen Wicklung aus Rund-, Flach- oder HF-Litzendraht aufgebaut werden. Soll eine besonders flache Bauform erreicht werden, ist die Verwendung einer Windungsplatine auch in der Primärseite vorteilhaft. Windungsplatinen eigenen sich für Drehübertager mit Eisenblech, Ferrit oder Eisenpulver-Kompositmaterial als magnetisch wirksames Material (38, 39) in gleicher Weise. Contactless power transmission systems can be mounted either on the fixed or floating side of the rotor. In addition, only the accommodation on the lottery stock side (no drive side) described, because this is advantageous for traction machines. In the power transmission system described here, instead of conventional windings, specially structured, multi-layer printed circuit boards (referred to herein as "winding boards") are used. In the system described, at least the secondary side of the power transmission system is constructed with a winding board instead of a conventional winding of round, flat or HF stranded wire If a particularly flat design is to be achieved, the use of a winding circuit board is also advantageous in the primary side the iron powder composite material as magnetically active material (38, 39) in the same way.
Zum Erreichen einer hohen Übertragungsleistung ist die Ent- wärmung der Wicklungsplatinen erforderlich. Dies kann idealerweise durch die Verklebung der Wicklungsplatinen mit dem zugehörigen magnetisch wirksamen Material erfolgen (siehe Fig. 1) . Dies führt zusätzlich zu einer Erhöhung der mechanischen Stabilität des Leistungsübertragungssystems. Dabei ist die Windungsplatine vorzugsweise durch eine dünne Lage aus z.B. Polyimidfolie (sogenannte "Capton"-Folie (R) ) oder Isolati- onslack, elektrisch gegenüber den Kernhälften oder Ferritkernen isoliert. Die Windungsplatine (mit der optionalen Isolati¬ onsschicht) kann in einem konventionellen Großse- rien-Produktionsprozess für Leiterplatten gefertigt werden. Die Windungsplatine kann aus beliebigem, marktüblichem Lei- terplattenbasismaterial (z.B. FR4 oder Hochtemperaturvarianten hiervon) gefertigt werden. Marktübliches Leiterplattenbasis- material besitzt eine hohe mechanische Festigkeit, wodurch es für den Einsatz in Leistungsübertragungssystemen ideal geeignet ist. Aufgrund der Möglichkeit, Windungsplatinen in einem Großse- rienprozess kostengünstig herstellen zu können, sowie der hohen mechanischen und thermischen Stabilität von marktüblichem Standard- Leiterplattenbasismaterial , können die Anforderungen hochfeste Spulen für Drehtransformatoren für kontaktlose Leistungsübertrager bei gleichzeitig kostengünstiger Herstellung in idealerweise verbunden werden. In Systemen bekannter Bauart sind die Dioden der Gleichrichter (siehe Fig. 5), entweder als einzelne Bauteile (z.B. Dioden, jede Diode besitzt ihr eigenes Gehäuse) oder als zusammengefasste (integrierte) Bauteile (alle vier Dioden des Gleichrichters befinden sich in einem Gehäuse) oder als Mischform (z.B. jeweils zwei Dioden befinden sich in einem Gehäuse) ausgeführt. Beide Varianten (insbesondere die integrierten Bauformen) führen zu einer hohen lokalen Erwärmung der Dioden. Hierdurch wird häufig bei hohen Umgebungstemperaturen die Leistungsfähigkeit der Gesamtanordnung begrenzt. In der hier beschriebenen Bauart werden die als Einzeldioden gezeichneten Dioden des Gleichrichter REC (siehe Fig. 5 bis Fig. 8) aus mehreren einzelnen Dioden (und ggf . Widerständen) kleiner Leistung zusammengesetzt . Dieses Prinzip ist in Fig. 8 dargestellt. Um eine gleichmäßige Stromverteilung auf die Schaltungszweige (Fig. 8, Schal- tungszweige 45a) zu erreichen, können diese entweder nur aus einer Diode 45b mit einer Leistung kleiner als die benötigte Gesamtleistung bestehen oder aus der der Reihenschaltung einer Diode 45b und eines Widerstandes 45c. Wird als Bauteil für 45b eine Diode mit negativem Temperaturkoeffizienten (die Leit- Spannung der Diode sinkt mit steigender Temperatur) gewählt, ist 45c erforderlich, um bei ungleichmäßiger Erwärmung der Einzelzweige zu verhindern, dass eine der Dioden 45b überlastet wird. Wird hingegen für 45b eine Diode mit positivem Tempe¬ raturkoeffizienten (die Leitspannung der Diode steigt mit steigender Temperatur) eingesetzt (z.B. Siliziumkar- bid-Schottkydioden) , so kann auf 45c verzichtet werden. Das in Fig. 8 für den Brückengleichrichter REC gezeigte Prinzip kann in gleicher Weise auch in (Fig. 6 und Fig. 7) angewandt werden. Die Erhöhung der Stromtragfähigkeit von Wicklungen wird durch Parallelschaltung von Leiterzügen oder Leiterbahnen gelöst. Eine wesentliche Verbesserung zum Stand der Technik wird durch einen spezieller Aufbau erreicht, der es erlaubt, mehrere Leiterzüge parallel zu schalten, um eine hohe Stromtragfähigkeit zu er¬ reichen, bei gleichzeitiger Unempfindlichkeit gegenüber dem Stromverdrängungseffekt, hervorgerufen durch senkrecht (d.h. axiale Richtung 28 in Fig. 1) in die Leiteroberfläche einfallende magnetische Wechselfelder. Hierin liegt der wesentliche Un- terschied zu den im Stand der Technik bekannten Transformatoren; die dort vorgeschlagene Verbreiterung der Leiterbahnen und/oder die Parallelschaltung ganzer Windungslagen erhöht die Stromtragfähigkeit des Transformators nur begrenzt. Der Grund hierfür ist, dass die Verbreiterung der Leiterbahnen (die die Windungen bilden) zu einer Erhöhung der Wirbelstromverluste, hervorgerufen durch das die Leiterbahnen senkrecht durchdringende (d.h. axiale Richtung 28 in Fig. 1) magnetische Wechselfeld, führen. Eine Parallelschaltung mehrerer Lagen erhöht hingegen die Wirbelstromverluste hervorgerufen durch das die Leiterbahnen waagerecht (d.h. radiale Richtung in Fig. 1) durchdringende magnetische Wechselfeld. Um beiden Effekten entgegenzuwirken, wurde eine Anordnung entwickelt, die die einzelnen Leiterzüge so auf den Lagen der Leiterplatte verteilt, dass die Leiterzüge 1. Durch radiale und axial symmetrische Verteilung dem To achieve a high transmission power, the heating of the winding boards is required. This can ideally be done by bonding the winding boards with the associated magnetically active material (see Fig. 1). This additionally leads to an increase in the mechanical stability of the power transmission system. In this case, the winding circuit board is preferably insulated electrically from the core halves or ferrite cores by a thin layer of, for example, polyimide film (so-called "Capton" film (R)) or insulation varnish. The Windungsplatine (with the optional Isolati ¬ onsschicht) can be manufactured in a conventional large-scale production process for printed circuit boards. The winding circuit board can be manufactured from any market-standard circuit board base material (eg FR4 or high-temperature variants thereof). Common printed circuit board base material has a high mechanical strength, making it suitable for Ideally suited for use in power transmission systems. The ability to inexpensively manufacture coiled circuit boards in a large-scale process, as well as the high mechanical and thermal stability of commercially available standard circuit board base material, can ideally meet the requirements of high-strength coils for rotary transformers for contactless power transformers while maintaining cost-effective production. In prior art systems, the diodes are the rectifiers (see FIG. 5), either as individual components (eg, diodes, each diode has its own housing) or as integrated (integrated) components (all four diodes of the rectifier are housed in a housing). or as a mixed form (eg two diodes each are in a housing) executed. Both variants (in particular the integrated designs) lead to a high local heating of the diodes. As a result, the performance of the overall arrangement is often limited at high ambient temperatures. In the design described here, the diodes of the rectifier REC (see FIGS. 5 to 8) drawn as individual diodes are composed of a plurality of individual diodes (and, if appropriate, resistors) of low power. This principle is shown in FIG. 8. In order to achieve a uniform current distribution to the circuit branches (FIG. 8, circuit branches 45a), these can either consist only of a diode 45b with a power smaller than the total power required or of the series connection of a diode 45b and a resistor 45c. If a diode with a negative temperature coefficient (the conduction voltage of the diode decreases with increasing temperature) is selected as the component for 45b, 45c is required in order to prevent one of the diodes 45b from being overloaded when the individual branches are heated unevenly. If, however, a diode 45b for positive Tempe ¬ raturkoeffizienten (the control voltage of the diode increases with increasing temperature) used (eg Siliziumkar- bid Schottky diodes), it can be dispensed 45c. The principle shown in Fig. 8 for the bridge rectifier REC can be applied in the same way also in (Fig. 6 and Fig. 7). The increase in the current carrying capacity of windings is achieved by parallel connection of conductor tracks or printed conductors. A substantial improvement to the prior art is achieved by a special structure which allows to connect a plurality of conductor lines parallel to reach a high current carrying capacity to he ¬, while insensitivity to current crowding caused by vertical (ie axial direction 28 in FIG 1) in the conductor surface incident alternating magnetic fields. This is the essential difference to the transformers known in the prior art; the broadening of the interconnects proposed there and / or the parallel connection of entire winding layers increases the current carrying capacity of the transformer only limited. The reason for this is that the widening of the conductor tracks (which form the windings) lead to an increase of the eddy current losses, caused by the magnetic alternating field perpendicularly penetrating the conductor tracks (ie axial direction 28 in FIG. 1). A parallel connection of several layers, however, increases the eddy current losses caused by the magnetic alternating field penetrating the interconnects horizontally (ie radial direction in FIG. 1). To counteract both effects, an arrangement was developed, which distributes the individual conductor tracks on the layers of the circuit board, that the conductor tracks 1. By radial and axially symmetrical distribution of the
Stromverdrängungseffekt bei Parallelschaltung entgegenwirken,  Counteract current displacement effect in parallel connection,
2. Rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 19 angeordnet werden können, um eine hohe Flächenausnutzung zu erreichen. 2. Rotationally symmetrical about the axis of rotation 19 can be arranged in order to achieve a high surface utilization.
Hierdurch wird erreicht, dass die Leiterzüge (vorzugsweise außerhalb der Windungsplatine des Drehübertragers des Leis- tungsübertragungssystems , d.h. auf der Gleichrich¬ ter-Gleichrichterplatine 43 in Fig. 1) parallelgeschaltet werden können, ohne dass es zu zusätzlichen Wirbelstromverlusten, hervorgerufen durch das radial einfallende magnetische Wech¬ selfeld, kommt, wie dies z.B. bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren der Fall ist. Die Bauweise des Drehüber- tragers erlaubt es, die Breite der Leiterbahnen so zu wählen, dass axial einfallende magnetische Wechselfelder nur geringe Wir¬ belstromverluste erzeugen und die Stromtragfähigkeit der Wicklung auf einen beliebigen Wert zu steigern, indem eine beliebige Anzahl an Leiterzügen (vorzugsweise außerhalb, z.B. auf der Gleichrichterplatine in Fig. 1) der Windungsplatine parallelgeschaltet werden können, ohne dass sich die Wir¬ belstromverluste durch radial einfallende magnetische Wech¬ selfelder erhöhen. Der Aufbau kommt mit Durchkontaktierung in einfachster Ausführung (nur ein Durchlauf des Durchkontak- tierungsprozesses ; verdeckte ("Blind- Vias") und vergrabene ( "Buried-Vias " ) Durchkontaktierungen sind nicht erforderlich) aus und verringert damit Produktionszeit und Kosten erheblich. Durch Ansteuerung der Primärseite PRIM des Leistungsübertra- gungssystems mittels eines Wechselrichters (Fig. 5 bis Fig. 7) wird in der Sekundärseite SEC des Leistungsübertragungssystems eine Spannung Ux induziert. Diese wird durch den Gleichrichter REC gleichgerichtet und mittels einer Kapazität 44 geglättet (Fig. 5 bis Fig. 7) . Die Bestromung der Wicklung ist auch ohne die Kapazität 44 möglich. Hereby is achieved that the conductor lines (preferably outside the Windungsplatine of the rotary transformer of the performance-transmission system, ie on the rectifying ¬ ter rectifier board 43 in Fig. 1) can be connected in parallel without the magnetic additional eddy current losses caused by the radially incident Wech ¬ selfeld comes, as is the case for example in the known from the prior art method. The design of the revolving Tragers allows to choose the width of the conductor tracks such that axially incident alternating magnetic fields generate only small We ¬ belstromverluste and to increase the current carrying capacity of the coil to an arbitrary value by an arbitrary number of conductor lines (preferably outside, for example on the rectifier board in Fig. 1) of the Windungsplatine can be connected in parallel without the We ¬ belstromverluste increase by radially incident magnetic Wech ¬ self-detector. The design comes with the simplest through-hole (just one through-feed cycle, with blind vias and buried vias not required), significantly reducing production time and costs. By driving the primary side PRIM of the power transmission system by means of an inverter (FIGS. 5 to 7), a voltage U x is induced in the secondary side SEC of the power transmission system. This is rectified by the rectifier REC and smoothed by means of a capacitor 44 (FIGS. 5 to 7). The energization of the winding is possible even without the capacity 44.
Die Erregerwicklung 18 ist die daraus zu speisende Last. The exciter winding 18 is the load to be fed therefrom.
Leiterplattenwindungen für hohe Strombelastungen lassen sich folgendermaßen realisieren: Auf jeder Kupferlage einer mehr- lagigen Leiterplatte werden einzelne Spiralelemente 50 rea¬ lisiert, die durch Durchkontaktierungen (sog. "Vias") mit anderen, gleichartigen Spiralelementen 50 auf anderen Lagen verbunden sind. Die durch Vias in Reihe geschalteten Spiralelemente bilden Einzelleiterzüge (sog. "Strands"), die für sich genommen schon eine einfache Wicklung oder Spiralspule darstellen, aber nur eine begrenzte Stromtragfähigkeit aufweisen. Werden die Spiralelemente in geeigneter Weise angeordnet, können auf jeder Kupferlage viele (miteinander nicht verbundene) Spiralelemente 50 angeordnet werden (Fig. 4) . Die Spiralelemente laufen auf den verschiedenen Lagen abwechselnd von innen nach außen; verläuft ein Spiralsegment beispielsweise auf Lage LI von außen nach innen, muss es auf Lage L2 von innen nach außen verlaufen. Die Spiralelemente, die sich auf der gleichen Lage befinden, haben die gleiche Verlaufsrichtung. Zur Verringerung des Stromverdrängungseffektes (durch axial einfallende mag¬ netische Wechselfelder) ist es erforderlich, dass auf den einzelnen Lagen der Windungsplatine keine elektrische Verbindung zwischen den Spiralelementen besteht; die elektrische Ver- schaltung der Strands oder Spiralspulen zu einer Wicklung mit hoher Stromtragfähigkeit darf erst am Anfang und/oder am Ende eines Strands (vorzugsweise außerhalb der Windungsplatine) erfolgen. Der Aufbau der Wicklung ist in einem Beispiel erläutert worden: Auf einer runden Windungsplatine mit vier Kupferlagen wird ein Wicklung mit fünf Umrundungen (des Mittelschenkels oder des Spulenzentrums oder der Rotationsachse) bestehend aus fünf Strands oder Spiralspulen realisiert. Die Strands sind identisch aufgebaut und lediglich um die z-Achse (axiale Richtung ent- spricht Papierebene in Fig. 3 und Fig. 4) winkelversetzt an¬ geordnet. Um fünf Umrundungen auf vier Lagen zu realisieren, muss ein Spiralelement auf einer Lage 5/4 = 1,25 Umrundungen umfassen. Fig. 3 zeigt ein einzelnes (erstes) Spiralelement auf der obersten Lage LI der Wicklungsplatine (das 1,25 Umrundungen umfasst) , daneben dargestellt ist das identisch geformte , winkelversetzte (zweite) Spiralelement auf der ersten Innenlage L2 der Windungsplatine, daneben dargestellt ist das dritte (identisch geformte, winkelversetzte) Spiralelement auf der zweiten Innenlage L3 der Windungsplatine, daneben dargestellt ist das vierte (identisch geformte , winkelversetzte) Spi¬ ralelement auf der untersten Lage L4 der Windungsplatine. Es ist vorteilhaft, jedes Spiralsegment mit einem Steg der Länge P1/P2 beginnen/enden zu lassen, wenn die Durchkontaktierung zur nächsten Lage mit einem Durchmesser (z.B. um eine ausreichende Stromtragfähigkeit der Durchkontaktierung zu erreichen) realisiert werden muss, der breiter ist als die Leiterbahn des Spiralsegmentes. Punkt A (Fig. 3) wird als Anfang, Punkt H (Fig. 3) als das Ende des Strands festgelegt. Werden nun im Durch- kontaktierungsprozess jeweils die Punkte B & C, D & E sowie F & G elektrisch mit einander verbunden, ist der Strand / Leiterzug elektrisch vollständig. Die Punkte A und H müssen extern mit einem Gleichrichter REC verbunden werden. Ein einzelner Strand besitzt eine begrenzte Stromtragfähigkeit. Um eine vorgegebene Stromtragfähigkeit einzustellen, werden nun mehrere Strand winkelversetzt um die z-Achse oder Rotationsachse (Papierebene in Fig. 4) angeordnet, dies zeigt Fig. 4 für die oberste Lage LI der Windungsplatine. Die Punkte AI bis A5 sind die Anfangspunkte der Strands AI bis A5. Die Enden der Strands AI bis A5 befinden sich (analog wie in Fig. 4) auf der untersten Lage L4 der Wicklungsplatine. Alle Anfangs- und alle Endpunkte der Strands werden (vorzugsweise) am Gleichrichter jeweils miteinander verbunden. Hierdurch ergibt sich die zur Erhöhung der Strom- belastbarkeit der Wicklung notwendige Parallelschaltung mehrerer (beliebig vieler) Strands. Sollen Anfangs- und Endpunkte der Windungsplatine mit durchgehenden Stiften (z.B. wie in Fig. 1, Stifte 46) an den Gleichrichter angeschossen werden, ist es vorteilhaft, die Anzahl an Umrundungen pro Spiralsegment so zu erhöhen/erniedrigen (z.B. von 1,25 auf 1,3), das sich einPrinted circuit board coils for high current loads can be as follows realize: ply on each copper layer of a multi-circuit board, individual scroll members 50 rea ¬ lisiert, by vias with other, similar spiral elements 50 are connected to other layers (so-called "vias".). The spiral elements connected in series by vias form single-wire trains (so-called "strands"), which in themselves already represent a simple winding or spiral coil, but have only a limited current-carrying capacity. If the spiral elements are arranged in a suitable manner, many (non-connected) spiral elements 50 can be arranged on each copper layer (FIG. 4). The spiral elements run on the different layers alternately from the inside to the outside; For example, if a spiral segment extends from outside to inside on layer LI, it must extend to the inside of layer L2. The spiral elements, which are in the same position have the same direction. To reduce the current displacement effect (by axially incident mag ¬ genetic alternating fields), it is necessary that there is no electrical connection between the spiral elements on the individual layers of the winding circuit board; the electrical connection of the strands or spiral coils to a winding with high current carrying capacity may only take place at the beginning and / or at the end of a strand (preferably outside the winding circuit board). The structure of the winding has been explained in an example: On a round winding board with four copper layers, a winding with five orbits (the center leg or the winding center or the rotation axis) consisting of five strands or spiral coils is realized. The strands are constructed identically, and only about the z-axis (axial direction corresponds speaks paper plane in Fig. 3 and Fig. 4) angularly offset of ¬ sorted. In order to realize five orbits on four plies, a spiral element on a ply must comprise 5/4 = 1.25 orbits. Fig. 3 shows a single (first) spiral element on the uppermost layer LI of the winding board (which comprises 1.25 circles), next to it is shown the identically shaped, angularly offset (second) spiral element on the first inner layer L2 of the winding board; third (identically shaped, angularly offset) spiral element on the second inner layer L3 of the Windungsplatine, next to it is the fourth (identically shaped, angularly offset) Spi ¬ ralelement on the lowermost layer L4 of the Windungsplatine. It is advantageous to start / end each spiral segment with a web of length P1 / P2, if the via has to be realized to the next layer with a diameter (eg in order to achieve a sufficient current carrying capacity of the via) which is wider than the interconnect of the spiral segment. Point A (Fig. 3) is set as the beginning point H (Fig. 3) as the end of the beach. If the points B & C, D & E as well as F & G are electrically connected with each other in the through-connection process, the beach / conductor train is electrically complete. Points A and H must be externally connected to a rectifier REC. A single beach has a limited ampacity. To a predetermined To adjust current carrying capacity, several beach angle offset to the z-axis or rotation axis (paper plane in Fig. 4) are now arranged, this is shown in FIG. 4 for the top layer LI of the winding circuit board. The points AI to A5 are the starting points of the strands AI to A5. The ends of the strands AI to A5 are located (analogous to FIG. 4) on the lowest layer L4 of the winding circuit board. All start and end points of the strands are (preferably) connected to each other at the rectifier. This results in the parallel connection of several (as many as desired) strands necessary for increasing the current carrying capacity of the winding. If starting and end points of the winding circuit board are to be shot at the rectifier with continuous pins (eg, as in FIG. 1, pins 46), it is advantageous to increase / decrease the number of orbits per spiral segment (eg from 1.25 to 1 , 3), which is a
Winkelversatz zwischen dem Start- und Endpunkt ergibt und die Punkte A und H (Fig. 3) in der Papierebene somit nicht exakt übereinander liegen. Bei der Auslegung der Windungsplatine ist die Breite Q der Spiralsegmente so zu wählen (Fig. 4), dass sich eine möglichst hohe Stromtragfähigkeit bei vertretbaren Wir¬ belstromverlusten (hervorgerufen vom axial einfallenden magnetischen Wechselfeld) ergibt. Die Breite Q kann durch ana¬ lytische Berechnung mit aus der Fachliteratur bekannten Methoden oder durch FEM-Simulation (FEM - Finite Elemente Methode) bestimmt werden. Angular offset between the start and end point results and the points A and H (Fig. 3) in the paper plane thus do not lie exactly above each other. In interpreting the Windungsplatine the width Q is to choose the coil segments so (Fig. 4), (caused by the axially incident alternating magnetic field) a very high current carrying capacity at a reasonable We ¬ belstromverlusten that results. The width Q can be determined by ana ¬ lytic calculation using methods known from the literature or by FEM simulation (FEM - finite element method).
Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Start- und Endpunkte ergeben sich zwischen den Spiralsegmenten einer Lage häufig nur minimale Spannungsunterschiede, daher reicht für den (Isola- tions- ) Abstand M zwischen den Strands häufig der im Leiter- plattenherstellungsprozess minimal realisierbare Wert aus (Fig. 4), um z.B. die zugrundeliegende DIN-Norm zu Luft- und Due to the symmetrical arrangement of the start and end points, only minimal differences in tension occur between the spiral segments of a layer. Therefore, the minimum achievable value in the printed circuit board manufacturing process is sufficient for the (insulation) distance M between the strands (FIG ), for example the underlying DIN standard for air and fuel
Kriechstrecken zu erfüllen. Andernfalls muss der in der Norm festgelegt Wert für M verwendet werden. Die Längen der Stege PI & P2 sind so zu wählen, dass die Isolationsabstände Ol & 02 zwischen den Spiralsegmenten und den Durchkontaktierungen der zugrunde liegenden Norm (z.B. Norm zu Luft- und Kriechstrecken) entsprechen. Hierbei ist zu beachten, dass der Spannungsun- terschied zwischen der Durchkontaktierung und dem Strand wesentliche höher ausfallen kann, als bei den Strandsegmenten die sich in der gleichen Ebene der Leiterplatte befinden. Die Verwendung von Stegen (PI bzw. P2) ermöglicht es, die Win- dungsplatine mit nur einem einzigen Durchkontaktierungsprozess zu fertigen. Hierdurch reduzieren sich die Kosten erheblich. Creepage distances to fulfill. Otherwise, the value for M specified in the standard must be used. The lengths of the webs PI & P2 are to be selected so that the insulation distances Ol & 02 between the spiral segments and the vias correspond to the underlying standard (eg standard for clearances and creepage distances). It should be noted that the voltage Difference between the via and the beach can be significantly higher than the beach segments located in the same plane of the circuit board. The use of webs (PI or P2) makes it possible to manufacture the blanking board with a single through-hole process. This reduces the costs considerably.
Um die Drehzahlfestigkeit der rotierenden Teile des Leis- tungsübertragungssystems ( Sekundärseitige Wicklung des Dreh- Übertragers sowie Gleichrichter und Glättungskondensatoren) zu gewährleisten, wird diese vollständig mit Vergussmaterial (z.B. Epoxidharz) vergossen oder mit Kunststoff umspritzt. Der Wechselstrom kann in einer Gleichrichterplatine der Sekundärseite gleichgerichtet und geglättet werden. Beispielsweise wird die Gleichrichterplatine als ein rundes Teil mit bei¬ spielsweise 25 Kondensatoren und 36 Dioden dargestellt. Al¬ ternative können anstatt der Dioden auch aktiv gleichrichtende Komponenten eingesetzt werden. Beispielsweise gesteuerte MOSFETs. Funktionen benötigter elektronischer Bauelemente können aus der Verschaltung mehrerer (vorzugsweise gleichartiger) Einzelbaulemente aufgebaut sein. Als Einzelbauteile sind die in Fig. 8 gezeichneten Elemente 45a und 45c in den Zweigen 45a (vorzugsweise bestehend aus Dioden mit positivem Tempe¬ raturkoeffizienten, z.B. Schottkydioden auf Basis von Silizi- umkarbid) zu dem Diodenelement 45 zusammengesetzt. In order to ensure the speed resistance of the rotating parts of the power transmission system (secondary winding of the rotary transformer as well as rectifiers and smoothing capacitors), it is cast completely with potting material (eg epoxy resin) or overmoulded with plastic. The alternating current can be rectified and smoothed in a rectifier board of the secondary side. For example, the rectifier board is shown as a round part with ¬ example 25 capacitors and 36 diodes. Al ¬ ternative, instead of the diodes also actively rectifying components are used. For example, controlled MOSFETs. Functions required electronic components can be constructed from the interconnection of several (preferably similar) individual building elements. As individual components, the drawn in Fig. 8 elements 45a in the branches (preferably diodes with a positive Tempe ¬ raturkoeffizienten, including Schottky diodes based on silicon umkarbid consisting) assembled to the diode element 45 45a and 45c.
Zur besseren Wärmeabfuhr von den elektronischen Komponenten der Gleichrichterplatine wird vorgeschlagen, die Gleichrichterplatine mit einem Kühlkörper direkt zu verbinden. Leiter- plattenwicklung bestehend aus parallel geschalteten Einzel¬ leiterzügen oder Spiralspulen zur Realisierung hoher Stromtragfähigkeiten der Wicklungsplatine sind dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelschaltung mehrerer Leiterzüge nur zu einer minimalen Erhöhung der Wirbelstromverluste hervorgerufen durch das radial einfallende magnetischen Wechselfeld im Wicklungsfenster des Drehübertragers führt. Im Betrieb werden alle Bestandteile, insbesondere elektronische Komponenten der sekundären Seite, des Leistungsübertragungs¬ systems aufgrund der fließenden elektrischen Ströme thermisch sehr hoch beansprucht. Die Entwärmung der elektrischen Kom- ponenten ist oft ein Problem bei geschlossenen (vergossenen) Systemen, wie sie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt ist. Vorgeschlagen wird eine spezielle Entwärmung der Bauteile über folgenden „Wärmeweg": von den Bauteilen über Kühlkörper des Leistungsübertragungssystems und speziellen hochwärmeleitenden Epoxidharz oder speziellen hochwärmeleitenden Kunststoff dann auf die Abdeckung des Wickelkopfes und anschließend in den Motorraum der elektrischen Maschine, in welchem der Rotor mit dem Leistungsübertragungssystem sich dreht. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist die sekundäre Seite des Leistungsübertra- gungssystems mit einem Kühlkörper versehen, der an der Koppelfläche 42 λ in direktem Kontakt zu der aus nicht magneti- sierbaren Stahl hergestellten Abdeckung der Wickelkopfes steht und die Wärme von elektronischen Komponenten an die Abdeckung überträgt. Bei der Primärseite verläuft der Wärmeweg von der Windungsplatine über den Ferritkern und den Kühlkörper in das Motorgehäuse oder das Lagerschild. For better heat dissipation from the electronic components of the rectifier board is proposed to connect the rectifier board with a heat sink directly. Printed circuit board winding consisting of parallel ¬ single conductor trains or spiral coils for implementing high current carrying capacity of the winding circuit board are characterized in that the parallel connection of several conductor leads only to a minimal increase in eddy current losses caused by the radially incident magnetic alternating field in the winding window of the rotary transformer. In operation, all components, in particular electronic components of the secondary side of the power transmission ¬ system due to the flowing electrical currents thermally very high stress. The cooling of the electrical components is often a problem with closed (potted) systems, as shown in Fig. 1 and Fig. 2. It is proposed a special cooling of the components via the following "heat path": from the components on the heat sink of the power transmission system and special highly thermally conductive epoxy resin or special highly thermally conductive plastic then on the cover of the winding head and then in the engine compartment of the electric machine, in which the rotor with the power transmission system As shown in Fig. 1, the secondary side of the power transmission system is provided with a heat sink, which is in direct contact with the cover of the winding head made of non-magnetizable steel at the coupling surface 42 λ and the heat from On the primary side, the heat path from the winding board passes through the ferrite core and heat sink into the motor housing or end shield.
Die elektronischen Teile einer Gleichrichterplatine der se¬ kundären Seite des Leistungsübertragungssystems sind am meisten thermisch beansprucht. Vorzugsweise wird die Gleichrichter¬ platine 43 mit einem Aluminium- oder Kupferkern zur Kühlung der elektronischen Teile bereitgestellt, der besonders effizient thermisch mit der Abdeckung des Wickelkopfes verbunden ist. Wie in Fig. 1 und Fig. 2 abgebildet ist, wird die Wärme von der Gleichrichterplatine auf den Kühlkörper über den direkten Kontakt übertragen. Wie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt ist, können beispielsweise mehrere Metallschrauben zum Verschrauben der Gleichrichterplatine und Kühlkörper eingesetzt werden. Durch beispielsweise eine Einfräsung am Rand der Gleichrichterplatine wird ein direkt wärmeleitender Kontakt der Gleichrichterplatine zu dem Kühlkörper erstellt. In der Regel haben solche Lei¬ terplatten einen Kern aus Aluminium oder Kupfer und doppelseitige Beschichtung für die Kupferbahnen, worauf die elektronischen Teile gelötet werden. The electronic parts of a rectifier board of the se ¬ secondary side of the power transmission system are subjected to the most thermal. Preferably, the rectifier ¬ board 43 is provided with an aluminum or copper core for cooling the electronic parts, which is particularly efficient thermally connected to the cover of the winding head. As shown in FIGS. 1 and 2, the heat is transferred from the rectifier board to the heat sink via direct contact. As shown in Fig. 1 and Fig. 2, for example, a plurality of metal screws for screwing the rectifier board and heat sink can be used. For example, a milled recess on the edge of the rectifier board, a direct heat-conducting contact of the rectifier board is created to the heat sink. In general, such Lei ¬ terplatten have a core of aluminum or copper and double-sided Coating for the copper tracks, whereupon the electronic parts are soldered.
Zwischen Kupferkern und die doppelseitige Beschichtung für die Kupferbahnen befindet sich eine Isolationsschicht. Für den direkten Kontakt zwischen Kühlkörper des Leistungsübertra- gungssystems und Aluminium- oder Kupferkern der Gleichrichterplatine werden die Isolationsschicht und die Kup- fer-Beschichtung für die Kupferbahnen z.B. durch den Fräsvorgang freigefräst. Es können andere Verbindungstechniken angewandt werden (beispielsweise Verstemmen oder Nieten) . Selbstverständlich können Kupfer oder Aluminiumkern der Gleichrichterplatine aus einem anderen gut wärmeleitenden Werkstoff hergestellt werden. Sollte die Gleichrichterplatine nicht thermisch hoch beansprucht werden und bedarf keines Kupfer- oder Aluminiumkerns, kann in diesem Fall ein Platinenstandardprozess verwendet werden. Beispielsweise wird eine Gleichrichterplatine aus einem Standard- FR4- Material verwendet. Der Kühlkörper des Leistungsübertragungssystems wird bei¬ spielsweise aus Aluminium oder Kupfer zu besserer Wärmeabfuhr hergestellt. Es können auch andere gut wärmeleitende Werkstoffe für die Herstellung des Kühlkörpers des Leistungsübertra¬ gungssystems verwendet werden. Um alle Teile des Leistungs- Übertragungssystems mechanisch verbinden zu können, wird vorgeschlagen, ein Epoxidharz oder Kunststoff mit hohem Wärmeleitfähigkeitswert für den Verguß- oder Umspritzprozess einzusetzen . Durch den Einsatz vom speziellen Kühlkörper des Leistungsübertragungssystems und spezielles Epoxidharz oder Kunststoff entsteht ein spezielles Entwärmungssystem der Sekundärseite SEC des Leistungsübertragungssystems, das die Wärme aus dem Between the copper core and the double-sided coating for the copper tracks there is an insulation layer. For direct contact between the heat sink of the power transmission system and the aluminum or copper core of the rectifier board, the insulation layer and the copper coating for the copper tracks are milled free, for example by the milling process. Other joining techniques may be used (for example caulking or riveting). Of course, copper or aluminum core of the rectifier board can be made of another good heat conducting material. If the rectifier board is not subject to high thermal stress and does not require a copper or aluminum core, a board standard process can be used in this case. For example, a rectifier board made of a standard FR4 material is used. The heat sink of the power transmission system is produced at ¬ example of aluminum or copper for better heat dissipation. It can also be used other highly thermally conductive materials for the production of the heat sink of the Leistungsübertra ¬ supply system. In order to connect all parts of the power transmission system mechanically, it is proposed to use an epoxy resin or plastic with high thermal conductivity value for the casting or overmolding process. Through the use of the special heat sink of the power transmission system and special epoxy resin or plastic creates a special cooling system of the secondary side SEC of the power transmission system, the heat from the
Leistungsübertragungssystem sicher abtransportieren kann. Sollte das Leistungsübertragungssystem als separates Bauteil ausgeführt werden, wird es vorgeschlagen das Leistungsübertragungssystem ohne den Rotor mit einem speziellen Epoxidharz oder Kunststoff mit einem hohen Wärmeleitfähigkeitswert zu vergießen oder zu umspritzen. Wie in Fig. 1 und Fig. 3 dargestellt, werden alle Hohlräume des Leistungsübertragungs¬ systems gefüllt. Der Verguss oder die Umspritzung mittels Spritzguss geben dem Leistungsübertragungssystems nicht nur die notwendige Drehzahlfestigkeit, sondern sorgen auch für sichere Wärmeabfuhr aus den elektronischen Komponenten des Leistungsübertragungssystems über den Kühlkörper auf der Abdeckung des Wickelkopfes . Der Verguss mit Epoxidharz oder die Umspritzung mit einem Kunststoff stabilisiert den Rotor mit dem Leis- tungsübertragungssystem mechanisch, um die notwendige Drehzahlfestigkeit zu erreichen Power transmission system can safely transport away. If the power transmission system is designed as a separate component, it is proposed to the power transmission system without the rotor with a special epoxy resin or plastic with a high thermal conductivity value spill or overmold. As shown in FIGS. 1 and 3, all the cavities of the power transmission system are filled. The encapsulation or encapsulation by means of injection molding not only give the power transmission system the necessary speed stability, but also ensure reliable heat dissipation from the electronic components of the power transmission system via the heat sink on the cover of the winding overhang. Casting with epoxy resin or overmoulding with a plastic mechanically stabilizes the rotor with the power transmission system in order to achieve the necessary speed stability
Die in der Regel festinstallierte in das Lagerschild oder in das Gehäuseteil der Primärseite PRIM des Leistungsübertragungs- Systems wird im Betrieb nicht mit hohen Kräften beansprucht. Im Gegensatz dazu müssen alle elektronischen Komponenten der Sekundärseite SEC des Leistungsübertragungssystems bei¬ spielsweise gegen hohe Fliehkräfte gesichert werden. Um die Drehzahlfestigkeit gewährleisten zu können, werden in der Regel alle Rotor-Komponenten bei einer fremderregten Synchronmaschine mit einem Epoxidharz oder einem Kunststoff vergossen . Das Design, das in Fig. 1 dargestellt ist, ermöglicht das Vergießen mit einem Epoxidharz oder das Umspritzen mit einem Kunststoff alle Rotor-Komponenten und gleichzeitig alle Komponenten des Leis- tungsübertragungssystems in einem Verguss- oder Spritzprozess . The permanently installed in the end shield or in the housing part of the primary side PRIM of the power transmission system is not stressed during operation with high forces. In contrast, all electronic components of the secondary side SEC of the power transmission system must be secured in ¬ example against high centrifugal forces. In order to ensure the speed stability, usually all rotor components are cast in an externally excited synchronous machine with an epoxy resin or a plastic. The design shown in FIG. 1 permits casting with an epoxy resin or molding with plastic all rotor components and at the same time all components of the power transmission system in a casting or injection process.
Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine berührungslose Stromübertragung für fremderregte Synchronma¬ schinen für Traktionsantriebe mit hoher Motordrehzahl be- reitgestellt werden kann. Bezugs zeichenliste Overall, the example shows how can be provided by the invention, a non-contact power transmission for externally excited Synchronma ¬ machines for traction drives with high engine speed. Reference sign list
10 Kraftfahrzeug 10 motor vehicle
11 Traktionsantrieb  11 traction drive
12 Elektrische Maschine 12 electric machine
13 Wechselrichter  13 inverters
14 Traktionsbatterie  14 traction battery
15 Statorwicklung  15 stator winding
16 Stator  16 stator
17 Rotor 17 rotor
18 Erregerwicklung  18 excitation winding
19 Rotationsachse  19 rotation axis
20 Welle  20 wave
21 Drehübertrager  21 rotary joints
22 Primärseitige Spulenanordnung 22 Primary coil arrangement
23 Sekundärseitige Spulenanordnung  23 Secondary coil arrangement
24 Motorgehäuse oder Lagerschild  24 Motor housing or end shield
25 Federelement  25 spring element
26 Lager 26 bearings
27 Sicherungsring 27 circlip
28 Axiale Richtung  28 Axial direction
29 Blechpaket  29 laminated core
30 Wickelkopf (der Erregerwicklung 18)  30 winding head (the exciter winding 18)
31 Wickelkopfabdeckung  31 Winding head cover
32 Verguss 32 potting
32 λ Verguss 32 λ casting
33 Draht  33 wire
33 λ Verguss oder Umspritzung 33 λ casting or encapsulation
34 Kühlkörper  34 heat sink
35 Anschlussplatine 35 connection board
36 Metallstift  36 metal pin
37 Primärseitige Wicklung aus Windungsplatine 37 Primary winding of winding plate
38 Ferritkern 38 ferrite core
39 Ferritkern  39 ferrite core
40 Radialer Luftspalt 40 Radial air gap
40 λ Axialer Luftspalt 40 λ Axial air gap
41 Sekundärseitige Wicklung aus Windungsplatine 41 Secondary winding of winding plate
42 Kühlkörper 43 Gleichrichterplatine42 heat sink 43 rectifier board
44 Kondensator 44 capacitor
45 Diode  45 diode
45a Sehaltungs zweig  45a branch branch
45b Einzeldiode  45b single diode
45c WiderStandselement 45c resistance element
46 Metallstift 46 metal pin
47 Haken  47 hooks
48 Schraube  48 screw
49 Leiterbahn  49 trace
50 Spiralelement  50 spiral element
51 Versatzwinkel  51 offset angle
52 Durchkontaktierungen 52 vias
53 Vierquadrantenstel1er53 four-quadrant station
53 λ Kapazität 53 λ capacity
53" Freilaufdiode  53 "freewheeling diode
54 Mittelabgriff  54 center tap
PRIM Primärseite PRIM primary page
REC Gleichrichterschaltung SEC Sekundärseite REC rectifier circuit SEC secondary side

Claims

Patentansprüche claims
1. Kontaktloses Leistungsübertragungssystem (21) zum Erzeugen eines Stroms in einer Erregerwicklung (18) eines Rotors (17) einer elektrischen Maschine (12), wobei eine primärseitigeA contactless power transmission system (21) for generating a current in a field winding (18) of a rotor (17) of an electric machine (12), wherein a primary-side
Wicklung (22) zum Anordnen an einem Motorgehäuse oder Lagerschild (24) der elektrischen Maschine (12) und zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds sowie eine sekundärseitige Wicklung (23) zum Anordnen an einer Stirnseite des Rotors (17) und zum Wandeln des magnetischen Wechselfelds in eine Wechselspannung (Ux) vorgesehen sind und wobei eine an die sekundärseitige Wicklung (23) angeschlossene Gleichrichterplatine (43) mit einer Gleichrichterschaltung (REC) zum Bereitstellen einer aus der Wechselspannung (Ux) zwischen zwei Anschlusskontakten (47) für die Erregerwicklung (18) erzeugten Gleichspannung (U) bereitgestellt ist und wobei die sekundärseitige Wicklung (23) auf der Grundlage von Leiterbahnen (49) einer Windungsplatine (41) ausgebildet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die sekundärseitige Wicklung (23) mehrere, parallel geschaltete Spiralspulen (AI, A2, A3, A4, A5) vorsieht und jede der Spiralspulen (AI, A2, A3, A4, A5) aus mehreren Spiralelementen (50) gebildet ist und hierzu die Windungsplatine (41) mehrlagig ausgestaltet ist und in jeder Lage (LI, L2, L3, L4) der Windungsplatine (41) mehrere der Spiralelemente (50) gegeneinander um jeweils einen Winkelversatz (51) versetzt angeordnet sind und jeweils eines der Spiralelemente (50) jeder Lage (LI, L2, L3, L4) zu jeweils einer der Spiralspulen (AI, A2, A3, A4, A5) gehört und für jede der Spiralspulen (AI, A2, A3, A4, A5) deren jeweilige Spiralelemente (50) aller Lagen (LI, L2, L3, L4) mittels Durchkontaktierungen (52) der Windungsplatine (41) in Reihe geschaltet sind. Winding (22) for arranging on a motor housing or bearing plate (24) of the electric machine (12) and for generating an alternating magnetic field and a secondary-side winding (23) for arranging on an end face of the rotor (17) and for converting the alternating magnetic field in an AC voltage (U x ) are provided, and wherein a rectifier circuit (43) connected to the secondary-side winding (23) is provided with a rectifier circuit (REC) for providing one of the AC voltage (U x ) between two connection contacts (47) for the exciter winding (18 ) and wherein the secondary-side winding (23) is formed on the basis of conductor tracks (49) of a winding plate (41), characterized in that the secondary-side winding (23) comprises a plurality of parallel spiral coils (AI, A2 , A3, A4, A5) and each of the spiral coils (AI, A2, A3, A4, A5) is formed of a plurality of spiral elements (50) and for this purpose the winding plate (41) is configured in several layers and in each layer (LI, L2, L3, L4) of the winding plate (41) several of the spiral elements (50) are offset from one another by an angular offset (51) and in each case one of the spiral elements (50) each layer (LI, L2, L3, L4) belongs to one of the spiral coils (AI, A2, A3, A4, A5) and for each of the spiral coils (AI, A2, A3, A4, A5) their respective spiral elements (50) of all layers (LI, L2, L3, L4) are connected in series by means of plated-through holes (52) of the winding plate (41).
2. Leistungsübertragungssystem (21) nach Anspruch 1, wobei für eine Entwärmung des Leistungsübertragungssystems (21) die Gleichrichterplatine (43) direkt mit einem Kühlkörper (42) verbunden ist und ein sekundärseitiger Ferritkern (39) des Leistungsübertragungssystems (21) mit dem Kühlkörper (42) in Berührung steht und der Kühlkörper (42) dazu eingerichtet ist, Wärme aus der Gleichrichterplatine (43) und dem Ferritkern (39) hin zu einer Koppelflache (42 λ) des Kühlkörpers (42), über welche der Kühlkörper (42) an einem Trägerbauteil (31) des Rotors (17) befestigbar ist, zu leiten. 2. Power transmission system (21) according to claim 1, wherein for a heat dissipation of the power transmission system (21), the rectifier board (43) is directly connected to a heat sink (42) and a secondary-side ferrite core (39) of the power transmission system (21) with the heat sink (42 ) and the heat sink (42) is arranged to Heat from the rectifier board (43) and the ferrite core (39) towards a coupling surface (42 λ ) of the heat sink (42), via which the heat sink (42) on a support member (31) of the rotor (17) can be fastened ,
3. Leistungsübertragungssystem (21) nach Anspruch 2, wobei für eine Drehzahlfestigkeit von mehr als 15000 Umdrehungen pro Minute und/oder für eine Wärmeleitung die Gleichrichterplatine (43), der Kühlkörper (42) , die Windungsplatine (41) und der Ferritkern (39) mit einem Kunstharz (32 λ) vergossen oder mit einem 3. power transmission system (21) according to claim 2, wherein for a rotational speed of more than 15,000 revolutions per minute and / or for heat conduction, the rectifier board (43), the heat sink (42), the Windungsplatine (41) and the ferrite core (39) with a synthetic resin (32 λ ) potted or with a
Kunststoff umspritzt sind. Plastic are injected.
4. Leistungsübertragungssystem (21) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Gleichrichterplatine (43) einen Metallkern zur Wärmeleitung aufweist und der Kühlkörper direkt mit dem Metallkern in Berührung steht. 4. power transmission system (21) according to any one of claims 2 or 3, wherein the rectifier board (43) has a metal core for heat conduction and the heat sink is directly in contact with the metal core.
5. Leistungsübertragungssystem (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Gleichrichterplatine (43) die Gleichrichterschaltung (REC) mehrere gleichartige, in Schal¬ tungszweigen (45a) parallel geschaltete elektronische Ein¬ zelbauelemente (45b) aufweist. 5. power transmission system (21) according to any one of the preceding claims, wherein on the rectifier board (43), the rectifier circuit (REC) comprises a plurality of similar, in scarf ¬ processing branch (45a) connected in parallel electronic A ¬ zelbauelemente (45b).
6. Leistungsübertragungssystem (21) nach Anspruch 5, wobei zumindest einigen der Einzelbauelemente (45b) zur Einstellen einer Stromaufteilung jeweils ein elektrisches Widerstands¬ bauelement (45c) in dem jeweiligen Schaltungszweig (45a) vorgeschaltet ist. 6. power transmission system (21) according to claim 5, wherein at least some of the individual components (45b) for adjusting a current distribution in each case an electrical resistance ¬ component (45c) in the respective circuit branch (45a) is connected upstream.
7. Leistungsübertragungssystem (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spiralspulen (AI, A2, A3, A4, A5) im Bereich der Windungsplatine (41) gegeneinander elektrisch isoliert sind und die Parallelschaltung der Spiralspulen (AI, A2 , A3, A4, A5) außerhalb der Wicklungsplatine (41), insbesondere auf der Gleichrichterplatine (43), vorgesehen ist. 7. power transmission system (21) according to any one of the preceding claims, wherein the spiral coils (AI, A2, A3, A4, A5) in the region of the winding plate (41) are electrically insulated from each other and the parallel connection of the spiral coils (AI, A2, A3, A4 , A5) is provided outside the winding circuit board (41), in particular on the rectifier board (43).
8. Leistungsübertragungssystem (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei jeder Lage (LI, L2, L3, L4) ein elektrisches Potential der Spiralelemente (50) der jeweiligen Lage (LI, L2, L3, L4) angeglichen ist und hierzu die Spiralspulen (AI, A2, A3, A4, A5) an einem jeweiligen Spulenanfang mit einem gemeinsamen ersten Eingang der Gleichrichterschaltung (REC) und an einem jeweiligen Spulenende mit einem gemeinsamen zweiten Eingang der Gleichrichterschaltung (REC) elektrisch verbunden sind . 8. power transmission system (21) according to any one of the preceding claims, wherein at each layer (LI, L2, L3, L4) a electrical potential of the spiral elements (50) of the respective layer (LI, L2, L3, L4) is aligned and for this purpose the spiral coils (AI, A2, A3, A4, A5) at a respective coil start with a common first input of the rectifier circuit (REC) and are electrically connected at a respective coil end to a common second input of the rectifier circuit (REC).
9. Leistungsübertragungssystem (21) nach einem der vorherge- henden Ansprüche, wobei jede der Spiralspulen (AI, A2, A3, A4, A5) U Umrundungen und die Windungsplatine (41) N Lagen be¬ reitstellt und jedes Spiralelement (50) U/N Umrundungen auf¬ weist. 9. power transmission system (21) according to one of vorherge- Henden claims, wherein each of said spiral coils (AI, A2, A3, A4, A5) U orbits and the Windungsplatine N layers be ¬ riding trips (41), and each helical element (50) U / N has orbits on ¬.
10. Leistungsübertragungssystem (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der Anschlusskontakte (47) jeweils als ein Haken ausgestaltet ist, auf welchen jeweils ein Draht (33) der Erregerwicklung (18) aufwickelbar ist, wobei jeder Haken direkt an der Gleichrichterplatine (43) befestigt ist. 10. Power transmission system (21) according to any one of the preceding claims, wherein each of the terminal contacts (47) is configured in each case as a hook, on each of which a wire (33) of the excitation winding (18) can be wound, each hook directly to the rectifier board ( 43) is attached.
11. Leistungsübertragungssystem (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spiralelemente (50) der sekun- därseitigen Wicklung (23) auf der Windungsplatine (41) um den jeweiligen Winkelversatz (51) drehsymmetrisch angeordnet sind. 11, power transmission system (21) according to any one of the preceding claims, wherein the spiral elements (50) of the second därseitigen winding (23) on the winding plate (41) about the respective angular offset (51) are rotationally symmetrical.
12. Leistungsübertragungssystem (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Durchkontaktierungen (52) vollständig durch alle Lagen (LI, L2, L3, L4) der Windungsplatine (41) reichen. 12. Power transmission system (21) according to one of the preceding claims, wherein the plated-through holes (52) extend completely through all the layers (LI, L2, L3, L4) of the winding plate (41).
13. Leistungsübertragungssystem (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die primärseitige Wicklung (22) ebenfalls eine Windungsplatine (37) der genannten Art aufweist. 13. Power transmission system (21) according to any one of the preceding claims, wherein the primary-side winding (22) also has a winding plate (37) of the type mentioned.
14. Elektrische Maschine (12), die als fremderregte Syn¬ chronmaschine ausgestaltet ist und ein Leistungsübertra¬ gungssystem (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist . Electrical machine having 14 (12), which is designed as a separately excited Syn ¬ chronmaschine and a Leistungsübertra ¬ supply system (21) according to any one of the preceding claims.
15. Kraftfahrzeug (10) mit einer elektrischen Maschine (12) nach Anspruch 14, wobei die elektrische Maschine (12) als ein Traktionsantrieb (11) für das Kraftfahrzeug (10) ausgestaltet ist und mit einem Wechselrichter (13) verschaltet ist, der für eine Drehzahl der elektrischen Maschine (12) von mehr als 15000 Umdrehungen pro Minute eingerichtet ist. 15. motor vehicle (10) having an electric machine (12) according to claim 14, wherein the electrical machine (12) as a traction drive (11) for the motor vehicle (10) is configured and connected to an inverter (13), which is for a speed of the electric machine (12) of more than 15,000 revolutions per minute is established.
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