WO2022136548A1 - Elektrischer drehtransformator induktiven energieübertragung - Google Patents

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WO2022136548A1
WO2022136548A1 PCT/EP2021/087298 EP2021087298W WO2022136548A1 WO 2022136548 A1 WO2022136548 A1 WO 2022136548A1 EP 2021087298 W EP2021087298 W EP 2021087298W WO 2022136548 A1 WO2022136548 A1 WO 2022136548A1
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rotary transformer
secondary coil
circuit board
printed circuit
transformer according
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Florian Osdoba
Penyo Topalov
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Mahle International Gmbh
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2207/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/05—Synchronous machines, e.g. with permanent magnets or DC excitation

Definitions

  • the invention relates to an electrical rotary transformer for inductive energy transmission.
  • So-called externally excited electrical synchronous machines require an electrical DC voltage in their rotary transformer rotor to generate the magnetic rotor field. This process is called "rotor excitation".
  • the electrical rotary transformer rotor current is transmitted to the rotating rotary transformer rotor as electrical DC voltage using so-called carbon brush slip ring contacts.
  • carbon brushes wear down, especially at high speeds, and can produce undesirable electrically conductive carbon dust.
  • the functional principle of said inductive voltage or energy transmission is based on an electrical transformer, with the primary winding or primary coil of the transformer being arranged on the rotary transformer stator of the rotary transformer or the synchronous machine and the secondary winding or secondary coil on the rotating rotary transformer rotor. Since an electrical AC voltage is always initially generated in the secondary coil during inductive energy transmission, it is necessary to convert the electrical AC voltage generated into a rectified electrical voltage. It is an object of the present invention to show new ways in the development of rotary transformers. In particular, an improved embodiment for such a rotary transformer is to be created, which is characterized by a simple structure and yet allows the rotary transformer rotor to rotate at high speed - this property is also known to the relevant specialist under the term "high speed stability".
  • the basic idea of the invention is therefore to form the secondary coil of a rotary transformer by a conductor track which is provided on a printed circuit board, which in turn forms part of a rotatable rotary transformer rotor.
  • a secondary coil constructed in this way proves to be relatively easy to produce, since various conventional and therefore technically mature methods for producing the printed circuit board can be used for this purpose.
  • such a printed circuit board has high mechanical stability and also proves to be low-wear. It is therefore particularly well suited for long-term operation in a rotary transformer at high speeds of the rotary transformer rotor.
  • a transformer core made of a magnetic material which is usually used for improved electrical energy transmission from the primary coil to the secondary coil, to be provided not on the movable rotor but on the immovable rotary transformer stator. Since the (soft) magnetic material for such a transformer core is often a mechanically brittle ferrite or the like, which is unsuitable for use in the rotating rotary transformer rotor at high speeds, the presently possible arrangement of the transformer core causes the Rotary transformer stator - and not on the rotary transformer rotor - that the rotary transformer can also be operated at high speeds without any problems.
  • An electrical rotary transformer according to the invention for transformative electrical energy transmission in particular for a traction motor of a vehicle, comprises a rotary transformer stator having a primary coil, on which a transformer core made of a core material, preferably ferrite, is arranged.
  • the rotary transformer is therefore preferably part of the rotary transformer stator.
  • the rotary transformer also includes a rotary transformer rotor which is designed to be rotatable about an axis of rotation relative to the rotary transformer stator and has a secondary coil.
  • the rotary transformer rotor is therefore designed to be rotatable relative to the transformer core.
  • the rotary transformer rotor comprises a secondary coil printed circuit board of the rotary transformer rotor which can be rotated about the axis of rotation relative to the rotary transformer stator and on which the secondary coil is arranged, on and/or in which the secondary coil is arranged.
  • the secondary coil is formed by at least one conductor track provided on and/or the secondary coil printed circuit board, which preferably runs in the circumferential direction, particularly preferably spirally, around the axis of rotation.
  • the secondary coil is inductively coupleable or coupled to the primary coil. This means that with electric Energizing the primary coil with an alternating current in the secondary coil, an electrical AC voltage is induced.
  • the secondary coil circuit board has an annular geometry on its upper side in a plan view.
  • the at least one conductor track can have a spiral geometry in the top view of the top side.
  • Such a geometry enables effective electrical power transmission from the primary coil to the secondary coil by means of electromagnetic induction.
  • the housing upper part and the housing lower part can expediently also have such an annular geometry.
  • the secondary coil printed circuit board also preferably has an annular geometry. Due to the ring-shaped geometry, the housing or the housing upper part and the housing lower part and also the secondary coil printed circuit board each enclose a common through-opening through which a rotary transformer rotor shaft can pass.
  • Such a rotary transformer rotor shaft can be coupled to the rotor shaft of an externally excited synchronous machine or alternatively be formed by the rotor shaft of the externally excited synchronous machine.
  • the secondary coil is particularly preferably electrically connected to an electrical rectifier circuit which is arranged on the secondary coil circuit board and comprises at least one rectifier element, preferably two or four rectifier elements.
  • This measure supports the electrical rectification of the electrical AC voltage induced in the secondary coil, so that this is suitable as a rectified electrical voltage for generating a magnetic rotor field, as is required in the rotary transformer rotor of a separately excited electrical synchronous machine.
  • the rectifier circuit can also be implemented on a second, separate rotor circuit board. Rectifier diodes or rectifier transistors, in particular MOSFETs, can be used as rectifier elements.
  • the rectifier circuit is preferably arranged radially inside on the secondary coil circuit board. This can also apply to other electrical/electronic components of rotor electronics connected downstream of the rectifier circuit. In this way, the moment of inertia generated by the rectifier elements or the rotor electronics when the rotary transformer rotor shaft and thus the secondary coil circuit board rotate is kept small, which further improves the speed stability of the rotary transformer.
  • the designation "radially inside” means in the present context that the rectifier elements or the rotor electronics in an axial top view of the secondary coil circuit board are each arranged at least closer to an inner peripheral side of the secondary coil circuit board than to an outer peripheral side of the circuit board. secondary coil circuit board.
  • all or some of the electronic components, in particular those of the rotor electronics can also be arranged in the rotary transformer rotor shaft or, alternatively, be outsourced to an additional, separate rotor circuit board.
  • the secondary coil printed circuit board is arranged on a support structure that can be attached to a rotary transformer rotor shaft.
  • the support structure can particularly preferably be designed as a support plate.
  • Such a support structure enables the printed circuit board to be attached in a stable, non-rotatable manner to the rotary transformer rotor shaft and, with a suitable design, at the same time facilitates the assembly of the rotary transformer rotor shaft and printed circuit board to form the rotary transformer rotor of the rotary transformer.
  • a plate thickness, measured along the axial direction, of the support structure designed as a support plate is expediently greater than a printed circuit board thickness PCB thickness of the secondary coil PCB also measured along the axial direction.
  • a radially measured radius of the secondary coil printed circuit board can expediently be larger than a radius of the support structure or support plate, also measured along the radial direction. This measure also makes it easier to mount the printed circuit board on the support structure.
  • the conductor track forming the secondary coil can be arranged on a radially outer section of the secondary coil circuit board. This design requires particularly little space
  • the support structure is arranged coaxially to the axis of rotation.
  • the support structure is connected radially on the inside to the rotary transformer rotor shaft and has a recess radially on the outside.
  • a radially inner printed circuit board section of the secondary coil printed circuit board is accommodated in this recess.
  • the support structure has a first and second support structure axial section, each of which delimits the cutout axially.
  • the two support structure axial sections are axially opposite one another.
  • the second support structure axial section expediently protrudes further radially outward than the first support structure axial section.
  • the secondary coil printed circuit board rests at least axially on the second support structure axial section, preferably also on the first support structure axial section. This measure allows the secondary coil printed circuit board to be fixed mechanically in a stable manner via the support structure on the rotary transformer rotor shaft, even when the rotary transformer rotor is in operation and at high speeds.
  • the rectifier elements or electrical/electronic components of the rotor electronics that generate waste heat are arranged radially on the inside on the secondary coil circuit board, then at least the second support structure axial section can be areal contact with the secondary coil printed circuit board and due to the associated thermal contact between the secondary coil printed circuit board and the supporting structure for dissipating waste heat that is generated by the rectifier element during operation.
  • At least one rectifier element preferably all rectifier elements that are present, can bear against the support structure on an outer peripheral side of the first support structure axial section.
  • the mechanical stability of the rotary transformer rotor is increased and thus the speed stability of the rotary transformer rotor is improved.
  • waste heat generated by the rectifier elements during operation ie when they are electrically energized, can be effectively dissipated via the support structure.
  • suitable means for improving the thermal conductivity and/or the electrical insulation for example a thermally conductive paste or the like or a thermally conductive pad, between the rectifier element and the support structure.
  • the support structure or support plate has the geometric shape of a polygon, preferably a hexagon or octagon, in a cross section perpendicular to the axis of rotation on the outer circumference. This makes it easier to connect the existing rectifier elements, which typically have a housing with the geometric shape of a cuboid, to the support structure over a large area, so that heat can be dissipated effectively.
  • the secondary coil printed circuit board can be mechanically and thermally connected to the support structure, so that waste heat generated by the rectifier element during operation can be dissipated to the surroundings of the rectifier element by means of the support structure.
  • the transformer core is arranged coaxially to the axis of rotation and has a radially inwardly open recess in which the secondary coil printed circuit board is arranged with a radially outer printed circuit board section on which the secondary coil is arranged.
  • the transformer core can in particular be designed in one piece or in two parts, in the latter case with an upper core part and with a lower core part or, alternatively, with a radially inner and a radially outer core part, which together delimit said recess and for this purpose abut one another axially in sections .
  • a technical design is possible in which both the primary coil and the secondary coil are almost completely surrounded by the transformer core. This leads to improved inductive coupling of the primary coil to the secondary coil. This increases the efficiency of the electrical energy transmission from the primary coil to the secondary coil.
  • the primary coil is expediently arranged stationary in relation to the transformer core in the recess in such a way that the primary coil and the secondary coil face one another axially at a distance from one another.
  • the primary or coil winding can be wound with enameled wire, stranded wire and the like.
  • the primary winding can also be designed as a primary winding printed circuit board with at least one conductor track in a manner analogous to the secondary winding printed circuit board.
  • the above explanations for the secondary winding printed circuit board also apply to such a primary winding printed circuit board in this alternative, insofar as this makes sense.
  • a radially extending air gap formed between the top or bottom of the secondary coil circuit board and the transformer core, in particular the upper core part or lower core part, in the area of the recess has an axial gap width of between 1 mm and 3 mm. preferably between 2 mm and 2.5 mm.
  • the rotary transformer rotor can rotate around the axis of rotation without contact - even at high speeds.
  • the result is that the transformer core almost completely surrounds the primary and secondary coils, as a result of which the inductive coupling of the primary coil to the secondary coil can be increased during operation of the rotary transformer.
  • the recess has an axial depression radially on the outside, in which the primary coil is arranged.
  • the primary coil can also be surrounded by the transformer core on three sides, ie with the exception of the side opposite the secondary coil, which increases the electromagnetic coupling between the primary coil and the secondary coil.
  • two recesses can be provided, namely a radially inner and a radially outer recess, in each of which a part of the primary coil is arranged.
  • This variant requires particularly little space in the axial direction.
  • the secondary coil printed circuit board can be arranged in an axially sandwiched manner between a first part of the primary coil and a second part of the primary coil.
  • a recess for receiving the respective part of the primary winding can expediently be provided for the parts of the primary winding explained above in the transformer core.
  • At least one rectifier element is expediently arranged on an upper side and/or an underside of the secondary coil printed circuit board opposite the upper side. This applies particularly expediently to all existing rectifier elements. This measure facilitates the assembly of the rotary transformer rotor.
  • At least one rectifier element is arranged at a distance from the secondary coil printed circuit board, preferably by means of a spacer element, and is supported on the support structure.
  • this can also apply to electrical/electronic components of the rotor electronics mentioned above. This applies particularly preferably to all rectifier elements of the rectifier circuit. In this way, undesired heating of the secondary coil printed circuit board and the components arranged thereon, in particular said secondary coil, can be at least reduced by waste heat generated by the respective rectifier element during operation, ie when it is electrically energized.
  • the rotary transformer rotor in particular the secondary coil printed circuit board, is designed without a transformer core, in particular free of ferrite.
  • the transformer core typically consists of a brittle magnetic material, in particular of the already mentioned ferrite, the speed stability of the rotary transformer can be further improved by dispensing with such a brittle material in the rotating rotor.
  • experimental studies have shown that by dispensing with a transformer core acting as a heat accumulator on the rotary transformer rotor, waste heat generated during operation can be better dissipated by the rotary transformer rotor.
  • at least one surface of the secondary coil printed circuit board that faces the primary coil is flat.
  • the secondary coil printed circuit board can be designed as a multi-layer printed circuit board with a plurality of layers stacked on top of one another along a stacking direction.
  • at least two conductor tracks are provided in the multi-layer printed circuit board, which are arranged at a distance from one another along the stacking direction.
  • a conductor track can therefore be arranged on or in the multilayer printed circuit board on the outermost layer and thus visible from the outside or on an inner layer and thus invisible from the outside.
  • the primary coil includes at least one coil winding.
  • This at least one coil winding in turn preferably comprises at least one electrically conductive stranded wire or at least one electrically conductive winding wire. In this way, very large electrical currents can be passed through the primary coil on the primary side.
  • the at least one conductor track can preferably be arranged in a radially outer printed circuit board section of the secondary coil printed circuit board, which is arranged closer to a radially outer end than to a radially inner end of the secondary coil printed circuit board.
  • the radially outer circuit board portion is a radially outer end portion of the secondary coil circuit board.
  • the secondary coil printed circuit board can be arranged in the axial direction, preferably sandwiched, between the transformer core. In this way, only very little space is required in the axial direction. In addition, a particularly good magnetic coupling between the primary coil and the secondary coil is achieved.
  • the invention also relates to an externally excited synchronous machine with an electrically energizable synchronous machine stator for generating a rotating magnetic stator field.
  • the externally excited synchronous machine includes a synchronous machine rotor that can be electrically energized and is rotatable relative to the synchronous machine stator in order to generate a magnetic rotor field.
  • the rotor has a synchronous machine rotor shaft and an electrical rotary transformer according to the invention presented above, with a rotary transformer rotor shaft of the rotary transformer being formed or being able to be formed by this rotor shaft.
  • the synchronous machine according to the invention can be used in particular in a motor vehicle, which can include a battery as the energy source.
  • the synchronous machine is used in particular to drive the motor vehicle, and is therefore designed in particular as a traction motor.
  • the traction motor according to the invention preferably has an output or drive power of at least 3 kW, preferably at least 30 kW.
  • the traction motor according to the invention particularly preferably has an output or drive power of between 30 kW and 500 kW, most preferably between 100 kW and 300 kW.
  • the transformer core present in the rotary transformer stator can be used to dissipate waste heat, which occurs to a far greater extent in the traction motor according to the invention than in electric motors with a lower output power, in a particularly effective manner.
  • FIG. 3 shows a plan view of the transformer core with primary winding
  • Fig. 4 shows a variant of the example of Figure 1
  • FIG. 5 shows a representation illustrating the geometric shape of the support structure according to the variant of FIG.
  • FIG. 1 shows an example of an electrical rotary transformer 1 for inductive energy transmission in a longitudinal section.
  • the electrical rotary transformer 1 includes a housing 27 which delimits a housing interior 28 .
  • the rotary transformer 1 also includes a rotary transformer stator 3 having a primary coil 2, on which a transformer core 4 made of a magnetic core material, preferably a ferrite, is arranged.
  • the rotary transformer 1 also includes a rotary transformer rotor 6 which can be rotated about an axis of rotation D relative to the rotary transformer stator 3 and has a secondary coil 5. Both the rotary transformer stator 3 and the rotary transformer rotor 6 are arranged in the housing interior 28.
  • the rotary transformer stator 3 is arranged in a stationary manner relative to the housing 27 on the latter.
  • the rotary transformer rotor 6 is designed to be rotatable relative to the housing 27 .
  • the rotary transformer rotor 6 comprises a rotary transformer rotor shaft 7 which can be rotated about the axis of rotation D relative to the rotary transformer stator 3 and the housing 27 and to which a secondary winding printed circuit board 8 of the rotary transformer rotor 6 is connected in a rotationally fixed manner, on which a secondary coil 5 is arranged is.
  • the secondary coil printed circuit board 8 can be designed as a multilayer printed circuit board with a plurality of layers stacked on top of one another along a stacking direction (not shown in the figures).
  • at least two conductor tracks 9 are provided in the multi-layer printed circuit board, which are arranged at a distance from one another along the stacking direction.
  • the conductor tracks can therefore be arranged on or in the multilayer printed circuit board on the outermost layer and thus visible from the outside or on an inner layer and thus invisible from the outside.
  • the rotary transformer rotor shaft 7 can be passed through the housing 27 through an opening 38 provided on the housing 27, as shown in FIG be. Likewise, the rotary transformer rotor shaft 7 can be rotatably mounted on the housing 27 by means of two bearing devices 23 . 1 along a central longitudinal axis M of the rotary transformer rotor shaft 7.
  • An axial direction A also extends along the central longitudinal axis M.
  • a radial direction R extends perpendicularly to the axial direction A away from the central longitudinal axis M.
  • a circumferential direction U extends perpendicularly to the axial direction A and also perpendicularly to the radial direction R and runs around the central longitudinal axis M.
  • the rotary transformer rotor 6 is designed with the secondary coil circuit board 8 without a transformer core and preferably also without ferrite. Since a transformer core—including that of the primary coil 2—typically consists of a brittle magnetic material, in particular the ferrite already mentioned, the speed stability of the transformer can be further improved by dispensing with such a brittle material in the rotating rotor.
  • Figure 2 shows the secondary coil circuit board 8 with the secondary coil 5 in a plan view of the secondary coil circuit board 8 along the axial direction A.
  • the secondary coil 5 is formed by a conductor track 9 which is provided on the secondary coil circuit board 8 and runs spirally around the rotary transformer rotor shaft 7 in the circumferential direction U.
  • an alternating electrical current is also induced in the secondary coil 5 .
  • the secondary coil 5 is also electrically connected to an electrical rectifier circuit 10 which is arranged on the secondary coil circuit board 8 and which, in the example, comprises four rectifier elements 14a-14d.
  • the rectifier circuit 10 can be provided on a separate printed circuit board.
  • the four rectifier elements 14a-14d are each formed by rectifier diodes 29a-29d with a respective diode housing 30a-30d.
  • the four rectifier elements 14a to 14d are arranged on a top side 17 of the secondary coil circuit board 8.
  • FIG. The rectifier circuit 10 with the rectifier elements 14a-14d is designed to rectify the electrical AC voltage electromagnetically induced in the secondary coil 5.
  • FIG. The rectifier circuit 10 can be part of power electronics (not shown in detail in FIG. 1) with electronic power components such as power transistors etc. that are also arranged on the secondary coil circuit board 8 .
  • the rectified electrical voltage generated by the rectifier circuit 10 can be used to generate a rotor magnetic field in the rotor of a separately excited synchronous machine which uses and includes the rotary transformer 1 according to the invention.
  • the rectifier circuit 10 can be designed to process an electrical power of at least 3 kW, preferably at least 30 kW.
  • the rectifier circuit 10 is particularly preferably designed to process an electrical power of between 30 kW and 500 kW, most preferably between 100 kW and 300 kW.
  • the secondary coil circuit board 8 has an annular geometry on its upper side 17 and encloses a through-opening 33 through which the rotary transformer rotor shaft 7 passes.
  • the conductor track 9 has a spiral geometry.
  • the rectifier circuit 10 is arranged radially on the inside on the secondary coil printed circuit board 8 in the example. This is how it will The moment of inertia generated by the rectifier elements 14a-14d during rotation of the rotary transformer rotor shaft 7 and thus the secondary coil printed circuit board 8 is kept small--particularly at low rotational speeds--so that the desired rotational speed stability is further improved. Furthermore, the secondary coil printed circuit board 8 is arranged axially on an annular support structure 11 fixed to the rotary transformer rotor shaft 7 . In the example scenario, the support structure 11 is designed as an annular support plate 12 and, like the secondary coil circuit board 8 , is arranged coaxially to the axis of rotation D.
  • the ring-shaped support structure 11 or support plate 12 also encloses the passage opening 33 already mentioned.
  • the support structure 11 or the support plate 12 is connected to the rotary transformer rotor shaft 7 radially on the inside with respect to the radial direction R and has a recess 13 radially on the outside on the outer circumference 35 . According to FIG. 1, a radially inner printed circuit board section 8i of the secondary coil printed circuit board 8 is accommodated in this recess 13 .
  • the support structure 11 also has a first and second support structure axial section 11a, 11b, each of which delimits the recess 13 axially.
  • the two support structure axial sections 11a, 11b are located opposite one another along the axial direction A.
  • the second support structure axial section 11b protrudes further outwards along the radial direction R than the first support structure axial section 11a.
  • the secondary coil printed circuit board 8 rests at least axially on the second support structure axial section 11b, in the example scenario also on the first support structure axial section 11a.
  • the transformer core 4 is also ring-shaped and arranged coaxially to the axis of rotation D.
  • the transformer core 4 has on the inner circumference 34 a recess 16 which is open radially inwards.
  • the secondary coil circuit board 8 is arranged with a radially outer circuit board section 8a on which the secondary coil 5 is arranged.
  • the radially outer circuit board portion 8a is located closer to a radially outer end of the secondary coil circuit board 8 than a radially inner end.
  • the radially outer circuit board portion 8a may be a radially outer end portion of the secondary coil circuit board 8 . As shown in FIG.
  • the recess 16 can also have an axial depression 16a radially on the outside, in which the primary coil 2 is arranged.
  • a primary coil printed circuit board 37 can be arranged in the housing interior 28, in particular adjacent to the housing 27, on which power electronics 31 are electrically connected to the primary coil 2 (cf. arrow 32 in Figure 1) for generating an electrical AC voltage is arranged.
  • the rotary transformer rotor 6 is designed without a transformer core.
  • FIG. 3 shows the transformer core 4 with the recess 16 and the primary coil 2 accommodated therein in a plan view along the axial direction A of the transformer core 4 .
  • the primary coil 2 is formed by a coil winding 36 made of an electrically conductive winding wire, which in the top view shown can have a spiral geometry in a manner analogous to the secondary winding 5 .
  • the primary coil 2 is arranged stationary to the transformer core 4 in the recess 16 such that the primary coil 2 and the secondary coil 5 are spaced apart from one another along the axial direction A.
  • the primary coil 2 is arranged directly on the material of the transformer core 4 that delimits the recess 16 .
  • the primary coil 2 with the coil winding 36 on a suitable coil body 26 - also known to those skilled in the art as a "coil base body” or simply as a “winding carrier” - which is pot-shaped in the longitudinal section shown in Figure 1 and between the primary coil 2 and the material of the transformer core 4 in the recess 16 is arranged.
  • the transformer core can be in one piece or in two pieces, in the latter case with an upper core part 4a and a lower core part 4b, which together delimit the recess 16 and abut one another axially in sections (cf. dashed line in FIG. 1), be trained.
  • the secondary coil printed circuit board 8 can be sandwiched in the axial direction A between the two upper and lower core parts 4a, 4b of the transformer core 4.
  • An air gap 19 formed between the top 17 or bottom 18 of the secondary coil circuit board 8 and the transformer core 4 in the region of the recess 16 and extending along the radial direction R can each have an axial gap width b measured along the axial direction A , which is between 1 mm and 3 mm, preferably between 2 mm and 2.5 mm. Said values can be determined depending on the secondary coil PCB thickness and mechanical tolerances.
  • the terms “upper side” and “lower side” used here refer in connection with the present invention to a possible and preferred position of use of the rotary transformer 1 in relation to the direction of gravity without restricting the generality.
  • the secondary coil circuit board 8 is mechanically and thermally connected to the support structure 11, so that waste heat generated by the respective rectifier element 14a-14d during operation can be dissipated by means of the support structure 11 to the environment 21 of the rectifier element 14a-14d.
  • FIG. 4 shows a variant of the example in FIG.
  • the rectifier elements 14a-14d are not arranged directly on the upper side 17 of the secondary coil circuit board 8, but are arranged at a distance from the secondary coil circuit board 8 with respect to the axial direction A by means of respective spacer elements 20a-20d this attached.
  • the four rectifier elements 14a-14d each lie flat against the support structure 11 on an outer peripheral side 22 of the first support structure axial section 11a.
  • Figure 5 shows the rotary transformer 1 according to Figure 4 in a cross section perpendicular to the axis of rotation D.
  • the ring-shaped support structure 11 or ring-shaped support plate 12 has the geometric shape of a polygon 15 on the outer circumference perpendicular to the axis of rotation D, in the example in the figure 4 of a hexagon, on.
  • FIG. 4 also shows directly that the rectifier elements 14a-14d are arranged axially at a distance from the secondary coil circuit board 8 by means of a respective spacer element 20a-20d and are each supported radially on the support structure 11. As shown in FIG. 5, the rectifier elements 14a-14d can be screwed to the support structure by means of a respective screw element 25a-25d.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Drehtransformator (1) zur transformatorischen elektrischen Energieübertragung. Der Drehtransformator (1) umfasst einen eine Primärspule (2) aufweisenden Drehtransformator-Stator (3), an welchem ein Transformatorkern (4) aus einem Kernmaterial, vorzugsweise aus Ferrit, angeordnet ist. Der Drehtransformator (1) umfasst ferner einen relativ zum Drehtransformator-Stator (3) um eine Drehachse (D) drehbar ausgebildeten und eine Sekundärspule (5) aufweisenden Drehtransformator-Rotor (6). Der Drehtransformator-Rotor (6) umfasst eine gegenüber dem Drehtransformator-Stator (3) um die Drehachse (D) drehbare Rotorwelle (7), mit welcher drehfest eine Sekundärspulen-Leiterplatte (8) des Drehtransformator-Rotors (6) verbunden ist, auf welcher die Sekundärspule (5) angeordnet ist.

Description

Elektrischer Drehtransformator induktiven Energieübertragung
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Drehtransformator zur induktiven Energieübertragung.
Sogenannte fremderregte elektrische Synchronmaschinen benötigen in ihrem Drehtransformator-Rotor eine elektrische Gleichspannung zur Erzeugung des magnetischen Rotorfeldes. Dieser Vorgang wird als "Rotorerregung" bezeichnet. Bei herkömmlichen Synchronmaschinen wird der elektrische Drehtransformator- Rotorstrom als elektrische Gleichspannung mithilfe sogenannter Kohlebürste- Schleifring-Kontakte auf den sich drehenden Drehtransformator-Rotor übertragen. Als nachteilig daran erweist sich, dass sich die Kohlebürsten gerade bei hohen Drehzahlen verschleißbedingt abschleifen und dabei unerwünschten elektrisch leitenden Kohlestaub erzeugen können.
Alternativ zu einer solchen Übertragung der elektrischen Gleichspannung mit Hilfe von Schleifringen ist es bekannt, die elektrische Stromübertragung auf den sich drehenden Drehtransformator-Rotor induktiv, also drahtlos, zu realisieren. Ein solcher Aufbau wird als Teil einer fremderregten Synchronmaschine auch als "Drehtransformator" oder "rotierender Planartransformator" bezeichnet.
Das Funktionsprinzip besagter induktiver Spannungs- bzw. Energieübertragung basiert auf einem elektrischen Transformator, wobei die Primärwicklung bzw. Primärspule des Transformators am Drehtransformator-Stator des Drehtransforma- tors bzw. der Synchronmaschine angeordnet ist und die Sekundärwicklung bzw. Sekundärspule am sich drehenden Drehtransformator-Rotor. Da bei der induktiven Energieübertragung in der Sekundärspule zunächst immer eine elektrische Wechselspannung erzeugt wird, ist es erforderlich, die erzeugte elektrische Wechselspannung in eine gleichgerichtete elektrische Spannung umzuwandeln. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Drehtransformatoren neue Wege aufzuzeigen. Insbesondere soll eine verbesserte Ausführungsform für einen solchen Drehtransformator geschaffen werden, der sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet und dennoch eine Drehung des Drehtransform ator-Rotors mit hoher Drehzahl - diese Eigenschaft ist dem einschlägigen Fachmann auch unter der Bezeichnung "hohe Drehzahlfestigkeit" geläufig - erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundidee der Erfindung ist demnach, die Sekundärspule eines Drehtransformators durch eine Leiterbahn zu bilden, die auf einer Leiterplatte vorgesehen ist, welche wiederum einen Teil eines sich drehbaren Drehtransformator-Rotors bildet.
Eine derart aufgebaute Sekundärspule erweist sich als relativ einfach herzustellen, da hierzu verschiedene herkömmliche und daher technisch ausgereifte Verfahren zur Herstellung der Leiterplatte herangezogen werden können. Außerdem besitzt eine solche Leiterplatte eine hohe mechanische Stabilität und erweist sich darüber hinaus auch als verschleißarm. Daher ist sie für den Langzeitbetrieb in einem Drehtransformator bei hohen Drehzahlen des Drehtransformator-Rotors besonders gut geeignet. Außerdem ist es möglich, die Ausgestaltung der die Sekundärspule bildenden Leiterbahn anwendungsspezifisch auf flexible Weise unterschiedlichen technischen Erfordernissen anzupassen. Dies gilt insbesondere hinsichtlich der Anzahl der auf der Leiterbahn vorhandenen Leiterbahnen und deren geometrischer Anordnung auf der Sekundärwicklung-Leiterplatte sowie hinsichtlich der Drehtransformatorwicklungsausführung, z.B. dem Wicklungsverhältnis, der Wicklungszahl sowie der Anzahl der (Zwischen-)Anzapfungen. Zudem erlaubt es die Verwendung einer Leiterplatte mit Leiterbahn als Sekundärspule, einen zur verbesserten elektrischen Energieübertragung von der Primärspule auf die Sekundärspule üblicherweise wendeten Transformatorkern aus einem magnetischen Material nicht am beweglichen Rotor, sondern am unbeweglichen Drehtransformator-Stator vorzusehen. Da als (weich-)magnetisches Material für einen solchen Transformatorkern oftmals ein mechanisch spröder Ferrit oder dergleichen verwendet wird, der für die Verwendung im sich drehenden Drehtrans- formator-Rotor bei hohen Drehzahlen an sich ungeeignet ist, bewirkt die vorliegend mögliche Anordnung des Transformatorkerns am Drehtransformator- Stator - und nicht am Drehtransformator-Rotor -, dass der Drehtransformator auch bei hohen Drehzahlen problemlos betrieben werden kann.
Ein erfindungsgemäßer elektrischer Drehtransformator zur transformatorischen elektrischen Energieübertragung, insbesondere für einen Traktionsmotor eines Fahrzeugs, umfasst einen eine Primärspule aufweisenden Drehtransformator-Stator, an welchem ein Transformatorkern aus einem Kernmaterial, vorzugsweise aus Ferrit, angeordnet ist. Der Drehtransformator ist also bevorzugt ein Teil des Dreh- transformator-Stators. Der Drehtransformator umfasst ferner einen relativ zum Drehtransformator-Stator um eine Drehachse drehbar ausgebildeten und eine Sekundärspule aufweisenden Drehtransformator-Rotor. Der Drehtransformator-Rotor ist also relativ zum Transformatorkern drehbar ausgebildet. Der Drehtransformator-Rotor umfasst eine gegenüber dem Drehtransformator-Stator um die Drehachse drehbare Sekundärspulen-Leiterplatte des Drehtransformator-Rotors, auf welcher die Sekundärspule angeordnet ist verbunden ist, auf oder/und in welcher wiederum die Sekundärspule angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist die Sekundärspule durch wenigstens eine auf oder/und der Sekundärspulen-Leiterplatte vorgesehene Leiterbahn gebildet, die vorzugsweise in Umfangsrichtung, besonders bevorzugt spiralförmig, um die Drehachse umläuft. Die Sekundärspule ist induktiv mit der Primärspule koppelbar oder gekoppelt. Dies bedeutet, dass bei elektrischer Bestromung der Primärspule mit einem Wechselstrom in der Sekundärspule eine elektrische Wechselspannung induziert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Sekundärspulen-Leiterplatte in einer Draufsicht auf deren Oberseite eine ringförmige Geometrie auf. Alternativ o- der zusätzlich kann in der Draufsicht auf die Oberseite die wenigstens eine Leiterbahn eine spiralförmige Geometrie aufweisen. Eine solche Geometrie ermöglicht eine effektive elektrische Leistungsübertragung von der Primärspule auf die Sekundärspule mittels elektromagnetischer Induktion. Zweckmäßig können auch das Gehäuseoberteil und das Gehäuseunterteil eine solche ringförmige Geometrie aufweisen. Auch die Sekundärspulen-Leiterplatte weist bevorzugt eine ringförmige Geometrie auf. Aufgrund der ringförmigen Geometrie fassen das Gehäuse bzw. das Gehäuseoberteil und das Gehäuseunterteil und auch die Sekundärspulen-Leiterplatte jeweils eine gemeinsame Durchgangsöffnung ein, welche von einer Dreh- transformator-Rotorwelle durchgriffen werden kann. Eine solche Drehtransforma- tor-Rotorwelle kann mit der Rotorwelle einer fremderregten Synchronmaschine gekoppelt sein oder aber, alternativ dazu durch die Rotorwelle der fremderregten Synchronmaschine gebildet sein.
Besonders bevorzugt ist die Sekundärspule elektrisch mit einer auf der Sekundärspulen-Leiterplatte angeordneten elektrischen Gleichrichter-Schaltung, welche wenigstens ein Gleichrichterelement, vorzugsweise zwei oder vier Gleichrichterelemente, umfasst, verbunden. Diese Maßnahme unterstützt die elektrische Gleichrichtung der in der Sekundärspule induzierten elektrischen Wechselspannung, sodass diese als gleichgerichtete elektrische Spannung zur Erzeugung eines magnetischen Rotorfeldes geeignet ist, wie es im Drehtransformator-Rotor einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine benötigt wird. Alternativ kann die Gleichrichterschaltung auch auf einer zweiten, separaten Rotor-Leiterplatte ausgeführt sein. Als Gleichrichterelemente können Gleichrichter-Dioden oder Gleichrichter-Transistoren, insbesondere MOSFETs, verwendet werden.
Vorzugsweise ist die Gleichrichter-Schaltung radial innen auf der Sekundärspulen- Leiterplatte angeordnet. Dies kann auch für weitere elektrische/elektronische Bauelemente einer der Gleichrichter-Schaltung nachgeschaltete Rotorelektronik gelten. Auf diese Weise wird das von den Gleichrichterelementen bzw. der Rotorelektronik bei Drehung der Drehtransformator-Rotorwelle und somit der Sekundär- spulen-Leiterplatte erzeugte Trägheitsmoment klein gehalten, wodurch die Drehzahlfestigkeit des Drehtransformators weiter verbessert wird. Die Bezeichnung "radial innen" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Gleichrichterelemente bzw. die Rotorelektronik in einer axialen Draufsicht auf die Sekundärspu- len-Leiterplatte jeweils zumindest näher an einer Innenumfangsseite der Sekun- därspulen-Leiterplatte angeordnet sind als an einer Außenumfangsseite der Se- kundärspulen-Leiterplatte. Zweckmäßig können alle oder ein Teil der elektronischen Bauelemente, insbesondere jene der Rotorelektronik, auch in der Drehtransformator-Rotorwelle angeordnet oder, alternativ dazu, auf eine zusätzliche, separate Rotor-Leiterplatte ausgelagert sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Sekundärspulen-Leiterplatte auf einer an einer Drehtransformator-Rotorwelle anbringbaren Stützstruktur angeordnet. Besonders bevorzugt kann die Stützstruktur als Stützplatte ausgebildet sein. Eine solche Stützstruktur ermöglicht die stabile drehfeste Anbringung der Leiterplatte an der Drehtransformator-Rotorwelle und erleichtert bei geeigneter Konstruktion gleichzeitig den Zusammenbau von Drehtransformator-Rotorwelle und Leiterplatte zum Drehtransformator-Rotor des Drehtransformators.
Zweckmäßig ist eine entlang der axialen Richtung gemessene Plattendicke der als Stützplatte ausgebildeten Stützstruktur größer als eine Leiterplatten-Dicke einer ebenfalls entlang der axialen Richtung gemessene Leiterplattendicke der Sekun- därspulen-Leiterplatte. Auf diese Weise wird die mechanische Stabilität der Anordnung aus Stützstruktur bzw. Stützplatte und Sekundärspulen-Leiterplatte verbessert. Zweckmäßig kann ein radial gemessener Radius der Sekundärspulen-Leiterplatte größer sein als ein ebenfalls entlang der radialen Richtung gemessener Radius der Stützstruktur bzw. Stützplatte. Auch diese Maßnahme erleichtert die Montage der Leiterplatte an der Stützstruktur. Auf einem radial äußeren Abschnitt der Sekundärspulen-Leiterplatte kann dabei die die Sekundärspule bildende Leiterbahn angeordnet sein. Diese Bauform benötigt besonders wenig Bauraum
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Stützstruktur koaxial zur Drehachse angeordnet. Bei dieser Weiterbildung ist die Stützstruktur radial innen mit der Drehtransformator-Rotorwelle verbunden und weist radial außen eine Aussparung auf. In dieser Aussparung ist ein radial innerer Leiterplatten-Abschnitt der Sekundärspulen-Leiterplatte aufgenommen. Eine derartige Ausgestaltung erleichtert den Zusammenbau des Drehtransformator-Rotors.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung weist die Stützstruktur einen die Aussparung jeweils axial begrenzenden ersten und zweiten Stützstruktur-Axial-ab- schnitt auf. Die beiden Stützstruktur-Axialabschnitte liegen einander axial gegenüber. Dabei steht der zweite Stützstruktur-Axialabschnitt zweckmäßig radial weiter nach außen vor als der erste Stützstruktur-Axialabschnitt. Außerdem liegt bei dieser Weiterbildung die Sekundärspulen-Leiterplatte zumindest axial am zweiten Stützstruktur-Axialabschnitt, vorzugsweise auch am ersten Stützstruktur-Axialabschnitt, an. Diese Maßnahme erlaubt eine mechanisch stabile Fixierung der Sekundärspulen-Leiterplatte über die Stützstruktur an der Drehtransformator-Rotorwelle, auch im Betrieb des Drehtransformator-Rotors und bei hohen Drehzahlen. Sind die Abwärme erzeugenden Gleichrichterelemente bzw. elektrische/elektronische Bauelemente der Rotorelektronik radial innen auf der Sekundärspulen-Leiterplatte angeordnet, so kann zumindest der zweite Stützstruktur-Axialabschnitt aufgrund seiner flächigen Anlage an die Sekundärspulen-Leiterplatte und aufgrund des damit einhergehenden thermischen Kontaktes zwischen Sekundärspulen-Leiterplatte und Stützstruktur zur Abführung von Abwärme, die von dem Gleichrichterelement im Betrieb erzeugt wird, herangezogen werden.
Besonders bevorzugt kann/können wenigstens ein Gleichrichterelement, vorzugsweise alle vorhandene Gleichrichterelemente, auf einer Außenumfangsseite des ersten Stützstruktur-Axialabschnitts an der Stützstruktur anliegen. Auf diese Weise wird die mechanische Stabilität des Drehtransformator-Rotors erhöht und somit die Drehzahlfestigkeit des Drehtransformator-Rotors verbessert. Gleichzeitig kann von den Gleichrichterelementen im Betrieb, also bei elektrischer Bestromung, erzeugte Abwärme effektiv über die Stützstruktur abgeführt werden. Denkbar ist es, hierzu zwischen dem Gleichrichterelement und der Stützstruktur zusätzlich geeignete Mittel zur Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit oder/und der elektrischen Isolation, beispielsweise eine Wärmeleitpaste o. ä. oder ein Wärmeleitpad, vorzusehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Stützstruktur bzw. Stützplatte in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse am Außenumfang die geometrische Formgebung eines Mehrecks, vorzugsweise eines Hexagons oder Oktagons, auf. Dies erleichtert es, die vorhandene Gleichrichterelemente, die typischerweise ein Gehäuse mit der geometrischen Formgebung eines Quaders aufweisen, flächig mit der Stützstruktur zu verbinden, so dass effektiv Wärme abgeführt werden kann.
Besonders zweckmäßig kann die Sekundärspulen-Leiterplatte mechanisch und thermisch mit der Stützstruktur verbunden sein, so dass von dem Gleichrichterelement im Betrieb erzeugte Abwärme mittels der Stützstruktur an die Umgebung des Gleichrichterelements abgeführt werden kann. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Transformatorkern koaxial zur Drehachse angeordnet und weist eine radial nach innen offene Ausnehmung auf, in welcher die Sekundärspulen-Leiterplatte mit einem radial äußeren Leiterplattenabschnitt angeordnet ist, auf welchem die Sekundärspule angeordnet ist. Der Transformatorkern kann dabei insbesondere einteilig oder zweiteilig ausgebildet sein, in letzterem Fall mit einem oberen Kernteil und mit einem unteren Kernteil oder, alternativ dazu, mit einem radial inneren und mit einem radial äußeren Kernteil, welche zusammen besagte Ausnehmung begrenzen und hierzu axial abschnittsweise aneinander anliegen. Gemäß beiden Varianten ist eine technische Ausführung möglich, bei welcher sowohl die Primärspule als auch die Sekundärspule nahezu vollständig vom Transformatorkern umgeben sind. Dies führt zu einer verbesserten induktiven Kopplung der Primärspule an die Sekundärspule. Dadurch erhöht sich die Effizienz der elektrischen Energieübertragung von der Pri- märspule auf die Sekundärspule.
Zweckmäßig ist die Primärspule ortsfest zum Transformatorkern so in der Ausnehmung angeordnet, dass sich die Primärspule und die Sekundärspule axial im Abstand zueinander gegenüberliegen.
Mittels voranstehender Varianten wird bauraumsparend eine besonders effektive Kopplung mittels elektromagnetischer Induktion und damit eine effektive, verlustarme Energieübertragung von der Primärspule auf die Sekundärspule erreicht.
Die Primär- bzw. Spulenwicklung kann gewickelt mit Lackdraht, Litzendraht und dergleichen ausgeführt sein. Alternativ dazu kann die Primärwicklung in analoger Weise zur Sekundärwicklung-Leiterplatte auch als Primärwicklung-Leiterplatte mit wenigstens einer Leiterbahn ausgebildet sein. Obige Erläuterungen zur Sekundärwicklung-Leiterplatte gelten bei dieser Alternative, soweit sinnvoll, auch für eine solche Primärwicklung-Leiterplatte. Besonders bevorzugt weist ein zwischen der Oberseite bzw. Unterseite der Se- kundärspulen-Leiterplatte und dem Transformatorkern, insbesondere dem oberen Kernteil bzw. unteren Kernteil, im Bereich der Ausnehmung jeweils gebildeter und sich radial erstreckender Luftspalt eine axiale Spaltbreite zwischen 1 mm und 3 mm, vorzugsweise zwischen 2 mm und 2,5 mm, auf. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich der Drehtransformator-Rotor berührungsfrei - auch bei hohen Drehzahlen - um die Drehachse drehen kann. Gleichzeitig wird erreicht, dass der Transformatorkern die Primär- und Sekundärspule nahezu vollständig umgibt, wodurch die induktive Kopplung der Primärspule an die Sekundärspule im Betrieb des Drehtransformators erhöht werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Ausnehmung radial außen eine axiale Vertiefung auf, in welcher die Primärspule angeordnet ist. Auf diese Weise kann auch die Primärspule von drei Seiten, also mit Ausnahme der der Sekundärspule gegenüberliegenden Seite, von dem Transformatorkern umgeben werden, was die elektromagnetische Kopplung zwischen Primärspule an die Sekundärspule erhöht.
In einer weiteren bevorzugten Variante können zwei Ausnehmungen, und zwar eine radial innere und eine radial äußere Ausnehmung, vorgesehen sein, in welcher jeweils ein Teil der Primärspule angeordnet ist. Diese Variante erfordert axial besonders wenig Bauraum.
In einer weiteren bevorzugten Variante kann die Sekundärspulen-Leiterplatte axial sandwichartig zwischen einem ersten Teil der Primärspule und einem zweiten Teil der Primärspule angeordnet sein.
Zweckmäßig kann für die voranstehend erläuterten Teile der Primärwicklung im Transformatorkern jeweils eine Ausnehmung zur Aufnahme des jeweiligen Teils der Primärwicklung vorgesehen sein. Zweckmäßig ist wenigstens ein Gleichrichterelement auf einer Oberseite oder/und einer der Oberseite gegenüberliegende Unterseite der Sekundärspulen-Leiter- platte angeordnet. Besonders zweckmäßig gilt dies für alle vorhandenen Gleichrichterelemente. Diese Maßnahme erleichtert den Zusammenbau des Drehtrans- formator-Rotors.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist wenigstens ein Gleichrichterelement, vorzugsweise mittels eines Abstandselements, im Abstand zur Sekundärspulen- Leiterplatte angeordnet und stützt sich dabei an der Stützstruktur ab. Dies kann alternativ oder/zusätzlich auch für elektrische/elektronische Bauelemente der oben erwähnten Rotorelektronik gelten. Besonders bevorzugt gilt dies für alle Gleichrichterelemente der Gleichrichterschaltung. Auf diese Weise kann eine unerwünschte Erwärmung der Sekundärspulen-Leiterplatte und der darauf angeordneten Komponenten, insbesondere besagter Sekundärspule, durch von dem jeweiligen Gleichrichterelement im Betrieb, also bei elektrischer Bestromung, erzeugte Abwärme zumindest vermindert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Drehtransformator-Rotor, insbesondere die Sekundärspulen-Leiterplatte ohne Transform atorkern, insbesondere ferritfrei, ausgebildet. Da der Transformatorkern typischerweise aus einem spröden magnetischen Material, insbesondere aus dem bereits erwähnten Ferrit, besteht, kann durch den Verzicht auf ein solches sprödes Material im sich drehenden Rotor die Drehzahlfestigkeit des Drehtransformators weiter verbessert werden. Darüber hinaus haben experimentelle Untersuchungen gezeigt, dass durch den Verzicht auf einen als Wärmespeicher wirkenden Transformatorkern am Drehtransform ator-Rotor im Betrieb erzeugte Abwärme besser vom Drehtransformator- Rotor abgeführt werden kann. Besonders bevorzugt ist zumindest eine der Primärspule zugewandte Oberfläche der Sekundärspulen-Leiterplatte eben ausgebildet ist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Sekundärspulen-Leiterplatte als Mehrlagen-Leiterplatte mit mehreren entlang einer Stapelrichtung aufeinander gestapelten Lagen ausgebildet sein. Bei dieser Ausführungsform sind in der Mehrlagen-Leiterplatte wenigstens zwei Leiterbahnen vorgesehen sind, die entlang der Stapelrichtung im Abstand zueinander angeordnet sind. Eine Leiterbahn kann also bei dieser Ausführungsform auf der äußersten Lage und somit von außen sichtbar oder auf einer inneren Lage und somit von außen unsichtbar auf bzw. in der Mehrlagen-Leiterplatte angeordnet sein.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Primärspule wenigstens eine Spulenwicklung. Diese wenigstens eine Spulenwicklung umfasst wiederum vorzugsweise wenigstens eine elektrisch leitende Litze oder wenigstens einen elektrisch leitenden Wicklungsdraht. Auf diese Weise können primärseitig sehr große elektrische Ströme durch die Primärspule geführt werden.
Bevorzugt kann die wenigstens eine Leiterbahn in einem radial äußeren Leiterplattenabschnitt der Sekundärspulen-Leiterplatte angeordnet sein, der näher an einem radial äußeren Ende als an einem radial inneren Ende der Sekundärspulen-Leiterplatte angeordnet ist. Vorzugsweise der radial äußere Leiterplattenabschnitt ein radial äußerer Endabschnitt der Sekundärspulen-Leiterplatte. Somit kann der radial innere Bereich mit geringerer Fliehkraftwirkung für Bauelemente mit größerer Masse genutzt werden.
Besonders bevorzugt kann die Sekundärspulen-Leiterplatte in axialer Richtung, vorzugsweise sandwichartig, zwischen dem Transformatorkern angeordnet sein. Auf diese Weise wird in axialer Richtung nur sehr wenig Bauraum benötigt. Außerdem wird eine besonders gute magnetische Kopplung zwischen Primärspule und Sekundärspule erreicht.
Die Erfindung betrifft ferner eine fremderregte Synchronmaschine mit einem elektrisch bestrombaren Synchronmaschinen-Stator zum Erzeugen eines magnetischen Stator-Drehfeldes. Die fremderregte Synchronmaschine umfasst einen elektrisch bestrombaren und gegenüber dem Synchronmaschinen-Stator drehbaren Synchronmaschinen-Rotor zum Erzeugen eines magnetischen Rotor-Feldes. Der Rotor weist eine Synchronmaschinen-Rotorwelle und einen voranstehend vorgestellten erfindungsgemäßen elektrischen Drehtransformator auf, wobei eine Drehtransformator-Rotorwelle des Drehtransformators durch diese Rotorwelle gebildet ist oder gebildet sein kann. Die voranstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Drehtransformators übertragen sich daher auch auf die erfindungsgemäße fremderregte Synchronmaschine.
Die erfindungsgemäße Synchronmaschine kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen, welches als Energiequelle eine Batterie umfassen kann. Dabei dient die Synchronmaschine insbesondere dem Antrieb des Kraftfahrzeugs, ist also insbesondere als ein Traktionsmotor ausgebildet. Bevorzugt besitzt der erfindungsgemäße Traktionsmotor eine Ausgangs- bzw. Antriebsleistung von wenigstens 3kW, bevorzugt von wenigstens 30kW. Besonders bevorzugt besitzt der erfindungsgemäße Traktionsmotor eine Ausgangs- bzw. Antriebsleistung zwischen 30kW und 500kW, höchst bevorzugt zwischen 100kW und 300kW. Beim erfindungsgemäßen Traktionsmotor kann über den im Drehtransform ator-Stator vorhandenen Transform atorkern Abwärme, die beim erfindungsgemäßen Traktionsmotor in weit höherem Maße anfällt als bei Elektromotoren mit geringerer Ausgangsleistung, besonders wirksam abgeführt werden. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Drehtransformators,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die die Sekundärwicklung enthaltende Sekundär- spulen-Leiterplatte,
Fig. 3 eine Draufsicht auf den Transformatorkern mit Primärwicklung,
Fig. 4 eine Variante des Beispiels der Figur 1 ,
Fig. 5 eine die geometrische Formgebung der Stützstruktur gemäß Variante der Figur 4 illustrierende Darstellung. Die Figur 1 zeigt ein Beispiel eines elektrischen Drehtransformators 1 zur induktiven Energieübertragung in einem Längsschnitt. Der elektrische Drehtransformator 1 umfasst ein Gehäuse 27, welches einen Gehäuseinnenraum 28 begrenzt. Der Drehtransformator 1 umfasst ferner einen eine Primärspule 2 aufweisenden Drehtransform ator-Stator 3, an welchem ein Transformatorkern 4 aus einem magnetischen Kernmaterial, vorzugsweise aus einem Ferrit, angeordnet ist. Der Drehtransformator 1 umfasst ferner einen relativ zum Drehtransformator-Stator 3 um eine Drehachse D drehbar ausgebildeten und eine Sekundärspule 5 aufweisenden Drehtransformator-Rotor 6. Sowohl der Drehtransformator-Stator 3 als auch der Drehtransformator-Rotor 6 sind im Gehäuseinnenraum 28 angeordnet. Der Drehtransformator-Stator 3 ist ortsfest zum Gehäuse 27 an diesem angeordnet. Der Drehtransformator-Rotor 6 ist demgegenüber relativ zum Gehäuse 27 drehbar ausgebildet. Hierzu umfasst der Drehtransformator-Rotor 6 eine gegenüber dem Drehtransformator-Stator 3 und dem Gehäuse 27 um die Drehachse D drehbare Drehtransformator-Rotorwelle 7, mit welcher drehfest eine Sekundärwicklung-Leiterplatte 8 des Drehtransformator-Rotors 6 verbunden ist, auf welcher eine Sekundärspule 5 angeordnet ist.
Wie Figur 1 erkennen lässt, ist eine der Primärspule 2 zugewandte Oberfläche der Sekundärspulen-Leiterplatte 8 eben ausgebildet. Optional kann die Sekundärspu- len-Leiterplatte 8 als Mehrlagen-Leiterplatte mit mehreren entlang einer Stapelrichtung aufeinander gestapelten Lagen ausgebildet sein (in den Figuren nicht gezeigt). In diesem Fall sind in der Mehrlagen-Leiterplatte wenigstens zwei Leiterbahnen 9 vorgesehen sind, die entlang der Stapelrichtung im Abstand zueinander angeordnet sind. Die Leiterbahnen können also auf der äußersten Lage und somit von außen sichtbar oder auf einer inneren Lage und somit von außen unsichtbar auf bzw. in der Mehrlagen-Leiterplatte angeordnet sein.
Die Drehtransformator-Rotorwelle 7 kann wie in Figur 1 gezeigte durch einen am Gehäuse 27 vorgesehenen Durchbruch 38 durch das Gehäuse 27 durchgeführt sein. Ebenso kann die Drehtransformator-Rotorwelle 7 mittels zweier Lagereinrichtungen 23 drehbar am Gehäuse 27 gelagert sein. Die Drehachse D erstreckt sich dabei gemäß Figur 1 entlang einer Mittellängsachse M der Drehtransformator-Ro- torwelle 7. Eine axiale Richtung A erstreckt sich ebenfalls entlang der Mittellängsachse M. Eine radiale Richtung R erstreckt sich senkrecht zur axialen Richtung A von der Mittellängsachse M weg. Eine Umfangsrichtung U erstreckt sich senkrecht zur axialen Richtung A und auch senkrecht zur radialen Richtung R und läuft um die Mittellängsachse M um.
Im Beispielszenario ist der Drehtransformator-Rotor 6 mit der Sekundärspulen-Lei- terplatte 8, ohne Transformatorkern und bevorzugt auch ferritfrei, ausgebildet. Da ein Transform atorkern - so auch jener der Primärspule 2 - typischerweise aus einem spröden magnetischen Material, insbesondere aus dem bereits erwähnten Ferrit, besteht, kann durch den Verzicht auf ein solches sprödes Material im sich drehenden Rotor die Drehzahlfestigkeit des Transformators weiter verbessert werden.
Die Figur 2 zeigt die Sekundärspulen-Leiterplatte 8 mit der Sekundärspule 5 in einer Draufsicht auf die Sekundärspulen-Leiterplatte 8 entlang der axialen Richtung A.
Gemäß den Figuren 2 und 1 ist die Sekundärspule 5 durch eine auf der Sekundärspulen-Leiterplatte 8 vorgesehene Leiterbahn 9 gebildet, die in Umfangsrichtung U spiralförmig um die Drehtransformator-Rotorwelle 7 umläuft. Bei elektrischer Bestromung der Primärspule 2 mit einer elektrischen Wechselspannung wird auch in der Sekundärspule 5 ein elektrischer Wechselstrom induziert. Die Sekundärspule 5 ist außerdem elektrisch mit einer auf der Sekundärspulen-Leiterplatte 8 angeordneten elektrischen Gleichrichter-Schaltung 10 verbunden, die im Beispiel vier Gleichrichterelemente 14a-14d umfasst, verbunden. In einer nicht gezeigten Variante kann die Gleichrichter-Schaltung 10 auf einer separaten Leiterplatte vorgesehen werden.
Die vier Gleichrichterelemente 14a-14d sind jeweils durch Gleichrichterdioden 29a-29d mit einem jeweiligen Diodengehäuse 30a- 30d gebildet. Die vier Gleichrichterelemente 14a bis 14d sind auf einer Oberseite 17 der Sekundärspulen-Lei- terplatte 8 angeordnet. Die Gleichrichter-Schaltung 10 mit den Gleichrichterelementen 14a-14d ist zum Gleichrichten der in der Sekundärspule 5 elektromagnetisch induzierten elektrischen Wechselspannung ausgebildet. Die Gleichrichter- Schaltung 10 kann dabei Teil einer ebenfalls auf der Sekundärspulen-Leiterplatte 8 angeordneten Leistungselektronik (in Figur 1 nicht näher dargestellt) mit elektronischen Leistungsbauteilen wie etwa Leistungstransistoren etc. sein. Die von der Gleichrichter-Schaltung 10 erzeugte gleichgerichtete elektrische Spannung kann zur Erzeugung eines Rotor-Magnetfelds im Rotor einer fremderregten Synchronmaschine verwendet werden, welche den erfindungsgemäßen Drehtransformator 1 verwendet und umfasst. Die Gleichrichter-Schaltung 10 kann zum Verarbeiten einer elektrischen Leistung von wenigstens 3kW, bevorzugt von wenigstens 30kW, ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist die Gleichrichter-Schaltung 10 zum Verarbeiten einer elektrischen Leistung zwischen 30kW und 500 kW, höchst bevorzugt zwischen bevorzugt 100kW und 300kW, ausgebildet.
Die Sekundärspulen-Leiterplatte 8 weist in der in Figur 2 dargestellten Draufsicht auf ihre Oberseite 17 eine ringförmige Geometrie auf und fasst eine Durchgangsöffnung 33 ein, welche von der Drehtransformator-Rotorwelle 7 durchgriffen ist. Außerdem weist in besagter Draufsicht auf die Oberseite 17 die Leiterbahn 9 eine spiralförmige Geometrie auf.
Wie Figur 1 erkennen lässt, ist die Gleichrichter-Schaltung 10 im Beispiel radial innen auf der Sekundärspulen-Leiterplatte 8 angeordnet. Auf diese Weise wird das von den Gleichrichter-Elementen 14a-14d bei Drehung der Drehtransformator-Ro- torwelle 7 und somit der Sekundärspulen-Leiterplatte 8 erzeugte Trägheitsmoment - insbesondere bei niedriger Drehgeschwindigkeit - klein gehalten, wodurch die angestrebte Drehzahlfestigkeit weiter verbessert wird. Des Weiteren ist die Sekundärspulen-Leiterplatte 8 axial auf einer an der Drehtransformator-Rotorwelle 7 befestigten ringförmigen Stützstruktur 11 angeordnet. Im Beispielszenario ist die Stützstruktur 11 als ringförmige Stützplatte 12 ausgebildet und ebenso wie die Sekundärspulen-Leiterplatte 8 koaxial zur Drehachse D angeordnet. Auch die ringförmige Stützstruktur 11 bzw. Stützplatte 12 fasst die bereits erwähnte Durchgangsöffnung 33 ein. Die Stützstruktur 11 bzw. die Stützplatte 12 sind bezüglich radialen Richtung R radial innen mit der Drehtransformator-Rotorwelle 7 verbunden und weist radial außen am Außenumfang 35 eine Aussparung 13 auf. In dieser Aussparung 13 ist gemäß Figur 1 ein radial innerer Leiterplatten-Abschnitt 8i der Sekundärspulen-Leiterplatte 8 aufgenommen.
Im Beispiel der Figur 1 weist die Stützstruktur 11 ferner einen die Aussparung 13 jeweils axial begrenzenden ersten und zweiten Stützstruktur-Axialabschnitt 11a, 11 b auf. Die beiden Stützstruktur-Axialabschnitte 11 a, 11 b liegen einander entlang der axialen Richtung A gegenüber. Dabei steht der zweite Stützstruktur-Axialabschnitt 11 b entlang der radialen Richtung R weiter nach außen vor als der erste Stützstruktur-Axialabschnitt 11 a. Außerdem liegt die Sekundärspulen-Leiterplatte 8 zumindest axial am zweiten Stützstruktur-Axialabschnitt 11 b, im Beispielszenario zusätzlich auch am ersten Stützstruktur-Axialabschnitt 11 a, an.
Wie Figur 1 außerdem erkennen lässt, ist auch der Transformatorkern 4 ringförmig ausgebildet und koaxial zur Drehachse D angeordnet. Außerdem weist der Trans- formatorkern 4 am Innenumfang 34 eine radial nach innen offene Ausnehmung 16 auf. In dieser Ausnehmung 16 ist die Sekundärspulen-Leiterplatte 8 mit einem radial äußeren Leiterplattenabschnitt 8a angeordnet, auf welchem die Sekundär- spule 5 angeordnet ist. Der radial äußere Leiterplattenabschnitt 8a ist näher an einem radial äußeren Ende als an einem radial inneren Ende der Sekundärspulen- Leiterplatte 8 angeordnet ist. Der radial äußere Leiterplattenabschnitt 8a kann ein radial äußerer Endabschnitt der Sekundärspulen-Leiterplatte 8 sein. Die Ausnehmung 16 kann außerdem wie in Figur 1 gezeigt radial außen eine axiale Vertiefung 16a aufweisen, in welcher die Primärspule 2 angeordnet ist. Wie Figur 1 außerdem veranschaulicht, kann im Gehäuseinnenraum 28, insbesondere am Gehäuse 27 anliegend, eine Primärspulen-Leiterplatte 37 angeordnet sein, auf welcher eine elektrisch mit der Primärspule 2 verbundene (vgl. Pfeil 32 in Figur 1 ) Leistungselektronik 31 zur Erzeugung einer elektrischen Wechselspannung angeordnet ist.
Der Drehtransformator-Rotor 6 ist im Beispielszenario ohne Transform atorkern ausgebildet. Dieses Szenario verdeutlicht die Darstellung der Figur 3, welche den Transform atorkern 4 mit der Ausnehmung 16 und der darin aufgenommenen Primärspule 2 in einer Draufsicht entlang der axialen Richtung A auf den Transformatorkern 4 zeigt.
Die Primärspule 2 wird durch eine Spulenwicklung 36 aus einem elektrisch leitenden Wicklungsdraht gebildet, die in der gezeigten Draufsicht in analoger Weise zur Sekundärwicklung 5 eine spiralförmige Geometrie aufweisen kann.
Nun wieder bezugnehmend auf Figur 1 ist die Primärspule 2 ortsfest zum Transformatorkern 4 so in der Ausnehmung 16 angeordnet, dass sich die Primärspule 2 und die Sekundärspule 5 entlang der axialen Richtung A im Abstand zueinander gegenüberliegen.
In der in Figur 3 gezeigten Draufsicht ist die Primärspule 2 direkt auf dem die Ausnehmung 16 begrenzenden Material des Transformatorkerns 4 angeordnet. In der Darstellung der Figur 1 kann hingegen die Primärspule 2 mit der Spulenwicklung 36 auf einem geeigneten Spulenkörper 26 - dem Fachmann auch als „Spulenbasiskörper“ oder vereinfacht als „Wicklungsträger“ bekannt - angeordnet sein, der in dem in Figur 1 gezeigten Längsschnitt topfartig ausgebildet ist und zwischen der Primärspule 2 und dem Material des Transformatorkerns 4 in der Ausnehmung 16 angeordnet ist.
Der Transformatorkern kann dabei wie in Figur 1 gezeigt einteilig oder aber zweiteilig, in letzterem Fall mit einem oberen Kernteil 4a und mit einem unteren Kernteil 4b, die zusammen die Ausnehmung 16 begrenzen und axial abschnittsweise aneinander anliegen (vgl. gestrichelte Linie in Figur 1 ), ausgebildet sein. Die Se- kundärspulen-Leiterplatte 8 kann in axialer Richtung A sandwichartig, zwischen zwei dem oberen und dem unteren Kernteil 4a, 4b des Transform atorkerns 4 angeordnet sein.
Ein zwischen der Oberseite 17 bzw. Unterseite 18 der Sekundärspulen-Leiter- platte 8 und dem Transformatorkern 4 im Bereich der Ausnehmung 16 jeweils gebildeter und sich entlang der radialen Richtung R erstreckender Luftspalt 19 kann jeweils eine entlang der axialen Richtung A gemessene axiale Spaltbreite b aufweisen, die zwischen 1 mm und 3 mm, vorzugsweise zwischen 2 mm und 2,5 mm, beträgt. Besagte Werte können in Abhängigkeit von der Sekundärspule-Leiterplattendicke, sowie mechanischen Toleranzen festgelegt werden. Die vorliegend verwendeten Begriffe „Oberseite“ und „Unterseite“ beziehen sich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf eine mögliche und bevorzugte Gebrauchslage des Drehtransformators 1 in Bezug auf die Schwerkraftrichtung. Im Beispielszenario ist die Sekundärspulen-Leiterplatte 8 mechanisch und thermisch mit der Stützstruktur 11 verbunden, so dass von dem jeweiligen Gleichrichterelement 14a-14d im Betrieb erzeugte Abwärme mittels der Stützstruktur 11 an die Umgebung 21 des Gleichrichterelements 14a-14d abgeführt werden kann. Die Figur 4 zeigt eine Variante des Beispiels der Figur 1 . Im Beispiel der Figur 4 sind die Gleichrichterelemente 14a-14d nicht direkt auf der Oberseite 17 der Se- kundärspulen-Leiterplatte 8 angeordnet, sondern bezüglich der axialen Richtung A mittels jeweiliger Abstandselemente 20a-20d im Abstand zur Sekundärspulen-Lei- terplatte 8 angeordnet und auf dieser befestigt. Dabei liegen die vier Gleichrichterelemente 14a-14d jeweils flächig auf einer Außenumfangsseite 22 des ersten Stützstruktur-Axialabschnitts 11a an der Stützstruktur 11 an.
Die Figur 5 zeigt den Drehtransformator 1 gemäß Figur 4 in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse D. Die ringförmige Stützstruktur 11 bzw. ringförmige Stützplatte 12 weist in dem gezeigten Querschnitt senkrecht zur Drehachse D am der Außenumfang die geometrische Formgebung eines Mehrecks 15, im Beispiel der Figur 4 eines Hexagons, auf.
Der Figur 4 lässt sich außerdem unmittelbar entnehmen, dass die Gleichrichterelemente 14a-14d mittels eines jeweiligen Abstandselements 20a-20d axial im Abstand zur Sekundärspulen-Leiterplatte 8 angeordnet sind und sich radial jeweils an der Stützstruktur 11 abstützen. Wie in Figur 5 dargestellt, können die Gleichrichterelemente 14a-14d mittels eines jeweiligen Schraubelements 25a-25d mit der Stützstruktur verschraubt sein.
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Claims

Patentansprüche
1. Elektrischer Drehtransformator (1 ) zur induktiven Energieübertragung,
- mit einem eine Primärspule (2) aufweisenden Drehtransformator-Stator (3), an welchem ein Transform atorkern (4) aus einem Kernmaterial, vorzugsweise aus Ferrit, angeordnet ist;
- mit einem relativ zum Drehtransformator-Rotor (3) um eine Drehachse (D) drehbar ausgebildeten und eine Sekundärspule (5) aufweisenden Drehtransformator-Stator (6), wobei die Sekundärspule (5) induktiv mit der Primärspule (2) koppelbar oder gekoppelt ist;
- wobei der Drehtransformator-Rotor (6) eine gegenüber dem Drehtransformator- Stator (3) um die Drehachse (D) drehbare Sekundärspulen-Leiterplatte (8) umfasst, auf oder/und in, vorzugsweise auf, welcher die Sekundärspule (5) angeordnet ist,
- wobei die Sekundärspule (5) durch wenigstens eine in oder/und auf der Sekundärspulen-Leiterplatte (8) vorgesehene Leiterbahn (9) gebildet ist.
2. Drehtransformator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- die Sekundärspulen-Leiterplatte (8) in einer Draufsicht auf deren Oberseite (17) eine ringförmige Geometrie aufweist; oder/und dass
- die wenigstens eine auf der Sekundärspulen-Leiterplatte (8) angeordnete Leiterbahn (9) in der Draufsicht eine spiralförmige Geometrie aufweist.
3. Drehtransformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärspule (5) elektrisch mit einer auf der Sekundärspulen-Leiterplatte (8) angeordneten elektrischen Gleichrichter-Schaltung (10) des Rotors (6) mit wenigstens einem Gleichrichterelement (14a-14d), vorzugsweise mit zwei oder vier Gleichrichterelementen (14a-14d), zum Gleichrichten einer in der Sekundärspule (5) elektrisch induzierten Wechselspannung verbunden ist.
4. Drehtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichter-Schaltung (10) radial innen auf der Sekundärspulen-Leiter- platte (8) angeordnet ist.
5. Drehtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärspulen-Leiterplatte (8) auf einer an einer Drehtransformator-Rotor- welle (7) des Drehtransformators (1 ) angebrachten Stützstruktur (11 ) angeordnet ist, die vorzugsweise als ringförmige Stützplatte (12) ausgebildet ist.
6. Drehtransformator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (11 ):
- koaxial zur Drehachse (D) angeordnet ist;
- radial innen mit der Drehtransformator-Rotorwelle (7) verbunden ist;
- radial außen, insbesondere am Außenumfang (35), eine Aussparung (13) aufweist, in welcher ein radial innerer Leiterplatten-Abschnitt (8i) der Sekundärspulen-Leiterplatte (8) aufgenommen ist.
7. Drehtransformator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Stützstruktur (11 ) einen die Aussparung (13) jeweils axial begrenzenden ersten und zweiten Stützstruktur-Axialabschnitt (11a, 11 b) aufweist, die einander axial gegenüberliegen;
- der zweite Stützstruktur-Axialabschnitt (11 b) radial weiter nach außen vorsteht als der erste Stützstruktur-Axialabschnitt (11 a); - die Sekundärspulen-Leiterplatte (8) axial zumindest am zweiten Stützstruktur- Axialabschnitt (11 b), vorzugsweise am ersten und am zweiten Stützstruktur-Axialabschnitt (11 a, 11 b), anliegt.
8. Drehtransformator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Gleichrichterelement (14a bis 14d), vorzugsweise alle Gleichrichterelemente (14a bis 14d), auf einer Außenumfangsseite (22) des ersten Stützstruktur-Axialabschnitts (11 a) an der Stützstruktur (11 ) anliegt/anliegen.
9. Drehtransformator nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (11 ) bzw. Stützplatte (12) in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse (D) die geometrische Formgebung eines Mehrecks (15), vorzugsweise eines Hexagons, aufweist.
10. Drehtransformator nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärspulen-Leiterplatte (8) mechanisch und thermisch mit der Stützstruktur (11 ) verbunden ist, so dass von dem Gleichrichterelement (14a-14d) im Betrieb erzeugte Abwärme mittels der Stützstruktur (11 ) an die Umgebung (21 ) des Gleichrichterelements (14a-14d) abführbar ist.
11 .Drehtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transform atorkern (4) ringförmig ausgebildet und koaxial zur Drehachse (D) angeordnet ist und am Innenumfang (34) eine radial nach innen offene Ausnehmung (16) aufweist, in welcher die Sekundärspulen-Leiterplatte (8) mit einem radial äußeren Leiterplattenabschnitt (8a), auf welchem die Sekundärspule (5) vorhanden ist, angeordnet ist. . Drehtransformator nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass auch die Primärspule (2) ortsfest zum Transformatorkern (4) so in der Ausnehmung angeordnet ist, dass sich die Primärspule (2) und die Sekundärspule (5) axial im Abstand zueinander gegenüberliegen. . Drehtransformator nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Oberseite (17) bzw. Unterseite (18) der Sekundärspulen-Lei- terplatte (8) und dem Transformatorkern (4) im Bereich der Ausnehmung (16) jeweils gebildeter Luftspalt (19) jeweils eine axiale Spaltbreite (b) zwischen 1 mm und 3 mm, vorzugsweise zwischen 2 mm und 2,5 mm, aufweist. . Drehtransformator nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (16) radial außen eine axiale Vertiefung (16a) aufweist, in welcher die Primärspule (2) angeordnet ist. . Drehtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Gleichrichterelement (14a-14d), vorzugsweise alle vier Gleichrichterelemente (14a-14d), besonders bevorzugt mittels eines Abstandselements (20a-20d), axial im Abstand zur Sekundärspulen-Leiterplatte (8) angeordnet ist/sind und sich radial an der Stützstruktur (11 ) abstützt/abstützen. . Drehtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehtransformator-Rotor (6), insbesondere die Sekundärspulen-Leiterplatte (8), ohne Transformatorkern, insbesondere ferritfrei, ausgebildet ist. 17. Drehtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Primärspule (2) zugewandte Oberfläche der Sekundärspu- len-Leiterplatte (8) eben ausgebildet ist.
18. Drehtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Sekundärspulen-Leiterplatte (8) als Mehrlagen-Leiterplatte mit mehreren entlang einer Stapelrichtung aufeinander gestapelten Lagen ausgebildet ist,
- in der Mehrlagen-Leiterplatte wenigstens zwei Leiterbahnen (9) vorgesehen sind, die entlang der Stapelrichtung im Abstand zueinander angeordnet sind.
19. Drehtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärspule (2) wenigstens eine Spulenwicklung (3), umfasst, die vorzugsweise wenigstens eine elektrisch leitende Litze oder wenigstens einen elektrisch leitenden Wicklungsdraht umfasst.
20. Drehtransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die wenigstens eine Leiterbahn (9) in einem radial äußere Leiterplattenabschnitt (8a) der Sekundärspulen-Leiterplatte (8) angeordnet ist, der näher an einem radial äußeren Ende als an einem radial inneren Ende der Sekundärspulen-Leiterplatte (8) angeordnet ist,
- vorzugsweise der radial äußere Leiterplattenabschnitt (8a) ein radial äußerer Endabschnitt der Sekundärspulen-Leiterplatte (8) ist.
21 .Drehtransformator nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärspulen-Leiterplatte (8) in axialer Richtung (A), vorzugsweise sand- wichartig, zwischen dem Transform atorkern (4), insbesondere zwischen einem oberen und einem unteren Kernteil (4a, 4b) des Transformatorkerns (4), angeordnet ist.
22. Fremderregte elektrische Synchronmaschine, insbesondere Traktionsmotor für ein Fahrzeug,
- mit einem elektrisch bestrombaren Synchronmaschinen-Stator zum Erzeugen eines magnetischen Stator-Feldes,
- mit einem elektrisch bestrombaren und gegenüber dem Synchronmaschinen- Stator drehbaren Synchronmaschinen-Rotor zum Erzeugen eines magnetischen Rotors-Feldes, der eine Synchronmaschinen-Rotorwelle aufweist,
- mit einem elektrischen Drehtransformator (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher drehfest mit der Synchronmaschinen-Rotorwelle verbunden ist.
23. Synchronmaschine nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine bzw. der Traktionsmotor eine Ausgangs- bzw. Antriebsleistung von wenigstens 3kW, bevorzugt von wenigstens 30kW, besonders bevorzugt zwischen 30kW und 500 kW, höchst bevorzugt zwischen 100kW und 300kW aufweist.
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