WO2023061992A1 - Elektrischer drehtransformator - Google Patents

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WO2023061992A1
WO2023061992A1 PCT/EP2022/078213 EP2022078213W WO2023061992A1 WO 2023061992 A1 WO2023061992 A1 WO 2023061992A1 EP 2022078213 W EP2022078213 W EP 2022078213W WO 2023061992 A1 WO2023061992 A1 WO 2023061992A1
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rotary transformer
transformer
rotor
coil
machine
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PCT/EP2022/078213
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Florian Osdoba
Penyo Topalov
Philipp Zimmerschied
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Mahle International Gmbh
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    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/60—Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive

Definitions

  • the present invention relates to an electrical rotary transformer for inductive energy transmission, in particular in an externally excited electrical synchronous machine.
  • the invention also relates to an externally excited electrical synchronous machine with such a rotary transformer.
  • the invention relates to a motor vehicle with such a synchronous machine and the use of such a synchronous machine as a traction motor.
  • the rotary transformer has a primary coil and a secondary coil.
  • the primary coil is usually stationary, whereas the secondary coil is movable, in particular rotatable, relative to the primary coil.
  • such a rotary transformer usually has a stationary stator and a rotor that can rotate about an axis of rotation relative to the stator.
  • the stator of the rotary transformer also referred to below as the rotary transformer stator, usually has the primary coil, which is also referred to below as the transformer primary coil.
  • the rotor of the rotary transformer also referred to below as the rotary transformer rotor, usually has the secondary coil, which is also referred to below as the transformer secondary coil.
  • the transformer primary induces a voltage in the transformer secondary. Heat can be generated during operation.
  • Such a rotary transformer is used in particular in a separately excited electrical synchronous machine.
  • the externally excited electrical synchronous machine has a stationary stator and a rotor which rotates about an axis of rotation relative to the stator during operation and which are also referred to below as the machine stator and machine rotor.
  • a magnetic rotor field of the machine rotor and a magnetic one act here stator field of the machine stator together.
  • the required rotor field of the machine rotor is separately excited.
  • the machine rotor generally has a rotor coil, which is supplied with a DC voltage for generating the magnetic field.
  • the rotor coil can be supplied by means of the rotary transformer.
  • Such a synchronous motor with a rotary transformer is known, for example, from EP 2 869 316 B1.
  • the present invention is concerned with the task of specifying improved or at least different embodiments for a rotary transformer of the type mentioned at the beginning and for a separately excited electrical synchronous machine with such a rotary transformer and for a motor vehicle with such a synchronous machine, which disadvantages from the prior art known solutions remove.
  • the present invention is concerned with the task of specifying embodiments for the rotary transformer and for the separately excited electrical synchronous machine and for the motor vehicle, which are characterized by increased efficiency.
  • the present invention is therefore based on the general idea of providing at least one coil of an electrical rotary transformer for inductive energy transmission with an electrical conductor through which a flow path of a fluid for cooling the coil and thus the rotary transformer runs. This results in a dissipation of the during operation of the Heat generated by the rotary transformer. As a result, adverse effects and damage to the rotary transformer caused by the heat are prevented or at least reduced. In addition, this increases the efficiency of the rotary transformer. Cooling the coil and thus the rotary transformer by means of the conductor also results in a compact design of the rotary transformer and increased cooling efficiency.
  • the electrical rotary transformer for inductive energy transmission has a primary coil and a secondary coil, which are also referred to below as the transformer primary coil and the transformer secondary coil.
  • the rotary transformer has a stationary stator, also referred to below as rotary transformer stator, and a rotor, also referred to below as rotary transformer rotor.
  • the rotary transformer stator includes the transformer primary.
  • the rotary transformer rotor includes the transformer secondary coil.
  • the rotary transformer rotor is rotatable about an axially running axis of rotation relative to the rotary transformer stator. In operation, the rotary transformer rotor thus rotates relative to the rotary transformer stator about the axis of rotation.
  • the transformer primary coil and the transformer secondary coil work together inductively to generate an electrical voltage in the transformer secondary coil, the voltage also being referred to below as transformer voltage.
  • At least one of the coils ie the transformer primary coil and/or the transformer secondary coil, has at least one electrical conductor through which a flow path of a fluid leads.
  • the fluid flows along the flow path and thus cools the coil and consequently the rotary transformer.
  • the directions given here relate to the axially running axis of rotation. Accordingly, “axially” runs parallel, in particular coaxially, to the axis of rotation. In addition, “radial” runs transversely to the axis of rotation.
  • the transformer secondary coil and the transformer primary coil are advantageously arranged axially opposite one another. This results in a more efficient induction of the transformer voltage in the transformer secondary coil.
  • At least one of the at least one electrical conductors can be hollow, that is to say designed as a waveguide, that is to say enclose a cavity through which flow can take place, through which the flow path leads.
  • At least one of the at least one electrical conductor can be designed as a strand through which the flow path leads.
  • the stranded wire has a number of electrically conductive wires, that is to say individual wires, for electrical conduction.
  • the stranded wire advantageously has an outer sheath in which the individual wires are arranged and through which the flow path leads.
  • the outer shell is expediently electrically insulating, for example an electrically insulating plastic.
  • the conductor in particular the stranded wire, advantageously has a cavity through which the flow path leads.
  • the cavity preferably runs within the outer sheath of the strand.
  • the cavity is preferably formed centrally in the conductor, in particular centrally in the stranded wire. This leads to an even and improved cooling of the stranded wire and thus of the rotary transformer.
  • the fluid can be any fluid, provided that the associated coil is cooled by means of the fluid.
  • the fluid can be a gas or a liquid.
  • the flow path is preferably sealed off electrically from the individual wires.
  • both the transformer primary coil and the transformer secondary coil with at least one such electrical conductor through which a flow path leads.
  • the transformer primary coil has at least one such electrical conductor and is preferably designed as a flat coil.
  • the at least one electrical conductor is stationary in the rotary transformer.
  • At least one such conductor forms the transformer primary.
  • the transformer secondary coil has such a conductor, it is preferred if the at least one conductor is embedded and/or accommodated in a carrier, preferably made of plastic. This leads to increased mechanical stability of the transformer secondary coil during rotations around the axis of rotation and allows increased rotation speeds.
  • the rotary transformer rotor advantageously has a circuit board which is provided with the transformer secondary coil. This results in a simple design of the rotary transformer rotor and a simple and precise assembly and arrangement of the transformer secondary coil.
  • the transformer secondary coil has at least one conductor track of the printed circuit board, which is also referred to below as the transformer conductor track. This leads to a simplified design and manufacture of the rotary transformer. Furthermore, the transformer secondary coil is simplified in this way and/or mechanically stabilized by means of the printed circuit board.
  • the transformer secondary coil is formed by at least one transformer conductor track on the printed circuit board, ie consists of at least one transformer conductor track on the printed circuit board.
  • the printed circuit board is advantageously designed to be axially flat.
  • the printed circuit board is therefore also suitable for increased rotation speeds around the rotation axis.
  • the printed circuit board is particularly preferably round in an axial top view, for example in the form of a disk or a ring. In this way, in particular, an imbalance caused by the printed circuit board is prevented or at least reduced.
  • the respective at least one transformer conductor track can be arranged on the printed circuit board and thus optically perceptible from the outside or enclosed within the printed circuit board and thus not optically perceptible from the outside.
  • at least one conductor track is arranged on the printed circuit board and at least one conductor track is arranged inside the printed circuit board.
  • the printed circuit board can therefore in particular be designed as a printed circuit board known to those skilled in the art as a “multilayer circuit board”.
  • the transformer secondary coil can have at least two transformer conductor tracks spaced axially from one another.
  • the transformer conductor tracks preferably run parallel to one another.
  • the transformer secondary coil expediently runs around the axis of rotation, in particular in a spiral shape.
  • the transformer secondary coil is designed as a planar winding.
  • Embodiments are considered to be advantageous in which the transformer coils are arranged in a magnetic core that is fixed to the rotary transformer stator. This results in an improved inductive interaction of the transformer coils with one another.
  • the magnetic core also referred to below as the transformer magnetic core
  • the magnetic core can have any desired configuration.
  • the magnetic core is a ferrite body.
  • the transformer magnet core advantageously has an axially open recess for the transformer primary coil.
  • the transformer magnetic core is advantageously radially open, so that the transformer secondary coil, in particular the printed circuit board, penetrates radially into the transformer magnetic core and can be rotated in the transformer magnetic core.
  • At least one of the at least one conductor is arranged in the magnet core.
  • the rotary transformer can thus be manufactured in a simplified manner and at the same time the magnet core can be cooled by means of the at least one conductor. In addition, this leads to an advantageous heat-transferring connection of the at least one conductor to the magnet core. As a result, the rotary transformer is cooled better and/or more effectively.
  • the transformer primary coil has at least one such conductor, in particular at least one such stranded wire, and the at least one conductor is arranged in the magnetic core, in particular accommodated.
  • a channel body is accommodated in the cavity, which delimits the flow path.
  • a fluidic separation is achieved between the fluid and the individual wires of the stranded wire or between the fluid and the waveguide.
  • the channel body can be configured as desired.
  • the channel body is preferably electrically insulating.
  • the channel body is made of plastic.
  • Embodiments are considered to be advantageous in which the channel body is designed as a hose.
  • the stranded wire or the waveguide can thus be easily deformed overall. Consequently, the associated coil can be manufactured in a simplified and precise manner in this way.
  • the individual wires of the stranded wire can make electrical contact with one another within the stranded wire, in particular rest against one another.
  • the associated coil is preferably operated at low frequencies.
  • At least some of the individual wires of the stranded wire are advantageously accommodated in an electrically insulating sheath. If the stranded wire has an outer sheath, the sheaths are arranged in the outer sheath.
  • the respective individual wire is preferably accommodated in an associated, electrically insulating sleeve of this type.
  • the litz wire is used with increasing operating frequencies of the associated coil.
  • the stranded wire is of the type so-called "high-frequency braid". In this way, electrical interactions between the individual wires within the stranded wire are avoided or at least reduced. As a result, the transformer voltage is inducted more efficiently.
  • the respective casing can have any desired configuration, provided that it is electrically insulating.
  • Embodiments are preferred in which at least one of the sleeves, advantageously the respective sleeve, is a lacquer layer applied to the associated at least one individual wire.
  • the stranded wire can thus be produced easily and the individual wires can be reliably electrically insulated from one another.
  • the rotary transformer advantageously has fluid connections for supplying the rotary transformer with the fluid.
  • the rotary transformer therefore advantageously has an inlet for letting the fluid into the rotary transformer and an outlet for letting the fluid out of the rotary transformer.
  • the connections are fluidically connected to the at least one electrical conductor in such a way that the fluid flows along the flow path through the at least one electrical conductor.
  • At least one of the at least one electrical conductor protrudes from the rotary transformer and is thus supplied with the fluid.
  • the rotary transformer may include a rectifier circuit downstream of the transformer secondary.
  • the transformer voltage induced in the transformer secondary coil as an AC voltage can thus be converted into a DC voltage and made available to an associated application.
  • the rotary transformer may include an inverter circuit upstream of the transformer primary.
  • the AC voltage required during operation for the transformer primary coil can come from an electrical energy source that provides a DC voltage.
  • the rotary transformer is preferably used for inductive energy transmission in an externally excited electrical synchronous machine, in particular in an externally excited electrical synchronous motor.
  • the synchronous machine has a rotor with a rotor shaft, the rotor also being referred to below as the machine rotor.
  • the machine rotor has a coil which is provided on the rotor shaft in a rotationally fixed manner and which is also referred to below as the machine rotor coil.
  • the machine rotor coil generates a magnetic field when supplied with a DC voltage, which is also referred to below as the rotor field.
  • the synchronous machine also has a stationary stator, which is also referred to below as the machine stator.
  • the machine stator has a coil, which is also referred to below as the machine stator coil.
  • the machine stator coil generates a magnetic field, which is also referred to below as the stator field.
  • the stator field interacts with the rotor field in such a way that the machine rotor rotates about the axial axis of rotation.
  • the rotary transformer stator is fixed to the machine stator.
  • the rotary transformer rotor is non-rotatably attached to the machine rotor.
  • the rotary transformer rotor is non-rotatably connected to the rotor shaft.
  • the machine rotor coil is connected to the transformer secondary coil such that, in use, the machine rotor coil is supplied with a DC voltage for generating the rotor field.
  • a Switched rectifier circuit which, as mentioned above, part of the rotary transformer, in particular the rotary transformer rotor, can be.
  • the rotary transformer in particular the rotary transformer rotor, is preferably arranged axially on the end face of the machine rotor.
  • the rotary transformer is particularly preferably spaced apart from the machine rotor coil and/or from the machine stator coil. This prevents or at least reduces undesirable interactions between the rotary transformer and the rotor field and/or the stator field.
  • the synchronous machine can be used in any application.
  • the synchronous machine can be used as a traction motor.
  • the synchronous machine can also be used as a servomotor for adjusting an adjusting element, for example a valve and the like.
  • the synchronous machine is used in particular in a motor vehicle, which can include a battery as the energy source.
  • the synchronous machine serves in particular to drive the motor vehicle, ie it is a traction motor of the motor vehicle.
  • the synchronous machine in particular the rotary transformer, is advantageously integrated into a cooling circuit through which the fluid circulates during operation.
  • the cooling circuit is in particular part of the associated application, for example the motor vehicle. In the associated application, the cooling circuit can be used to cool other components.
  • the cooling circuit expediently has a delivery device for delivering the fluid through the cooling circuit and a cooler for cooling the fluid.
  • each schematically, 1 shows a section through a separately excited electrical synchronous machine with an electrical rotary transformer with an electrical conductor and an enlarged view of the conductor
  • FIG. 3 shows a greatly simplified circuit diagram of a separately excited electrical synchronous machine with the rotary transformer in a motor vehicle
  • FIG. 4 shows an isometric, partially sectioned view of a machine rotor of the separately excited electrical synchronous machine with the rotary transformer
  • An electrical rotary transformer 1 is used as an inductive energy transmitter.
  • the rotary transformer 1 can be used in a separately excited electrical synchronous machine 100 shown in FIGS.
  • the rotary transformer 1 and/or the synchronous machine 100 can be used in a motor vehicle 200, as shown in a greatly simplified form in FIG.
  • the externally excited electrical synchronous machine 100 can be used as a synchronous motor 110, in particular for driving the motor vehicle 200.
  • Synchronous machine 100 is therefore in particular a traction motor 120.
  • the rotary transformer 1 has a stator 2 and a rotor 4 .
  • the stator 2 is referred to as rotary transformer stator 2 below.
  • the rotor 3 is hereinafter referred to as rotary transformer rotor 4.
  • the rotary transformer rotor 4 can be rotated relative to the rotary transformer stator 2 about an axially running axis of rotation 90 .
  • the rotary transformer rotor 4 rotates relative to the rotary transformer stator 2 about the axis of rotation 90.
  • the rotary transformer stator 2 has a primary coil 3 and the rotary transformer rotor 4 has a secondary coil 5.
  • the primary coil 3 and the secondary coil 5 are arranged axially opposite one another in the exemplary embodiments shown.
  • the primary coil 3 which is also referred to below as transformer primary coil 3
  • transformer primary coil 3 induces an AC voltage, which is also referred to below as transformer voltage, in the secondary coil 5, which is referred to below as transformer secondary coil 5.
  • At least one of the coils 3, 5 has at least one electrical conductor 20, through which a flow path 21 of a fluid leads.
  • an electrical conductor 20 is provided in each case.
  • a fluid flows along the flow path 21 and thus cools the associated coil 3 , 5 and consequently the rotary transformer 1 .
  • the 20 is also shown enlarged in FIG.
  • the conductor 20 is shown separately in FIG.
  • the transformer primary coil 3 has such a conductor 20 .
  • the transformer primary coil 3 is designed as a flat coil 11 .
  • the transformer primary coil 3 is formed of the conductor 20 .
  • the rotary transformer rotor 4 in the exemplary embodiments shown has a circuit board 8 which is provided with the transformer secondary coil 5.
  • the circuit board 8 is disk-shaped and has a round shape, ie it is designed in the manner of a round disk or a ring.
  • the transformer secondary coil 5 has at least one conductor track 9 of the printed circuit board 8, which is also referred to below as the transformer conductor track 9.
  • the transformer secondary coil 5 consists of at least one transformer conductor track 9 and is designed as a planar winding 10 .
  • the printed circuit board 8 can have two transformer conductor tracks 9 which are axially spaced apart from one another and which spirally surround the axis of rotation 90 .
  • the at least one transformer conductor track 9 is arranged entirely in the printed circuit board 8 in the exemplary embodiments shown.
  • the transformer primary coil 3 and the transformer secondary coil 5 in the exemplary embodiments shown are arranged in a magnetic core 12 fixed to the rotary transformer stator 2, in particular in a ferrite core 13.
  • the magnetic core 12 is also referred to below as the transformer magnetic core 12 .
  • the transformer magnetic core 12 is radially open, so that the circuit board 8 with the transformer secondary coil 5 penetrates into the transformer magnetic core 12 and is rotatably arranged therein.
  • the transformer magnetic core 12 has an axially open recess 15 in which the transformer primary coil 3 and thus the conductor 20 is arranged.
  • the conductor 20 is hollow and is therefore in the form of a hollow conductor 32 .
  • the waveguide 32 has a central cavity 22 through which the flow path 21 leads.
  • the conductor 20 is in the form of a stranded wire 28 .
  • the stranded wire 20 has a central cavity 22 through which the flow path 21 leads.
  • an electrically and fluidically insulating channel body 23 preferably made of plastic, is accommodated in the cavity 22 .
  • the channel body 23 delimits the flow pad 21 in the conductor 20 and thus in the waveguide 32 or in the stranded wire 28.
  • the channel body 23 is designed as a hose 24 in the exemplary embodiments shown.
  • the stranded wire 28 has individual wires 25 for electrical conduction, which are only partially shown in FIG.
  • the individual wires 25 surround the cavity 22 and the channel body 23.
  • the individual wires 25 are therefore arranged on the side of the flow path 21 facing away from the channel body 23.
  • the conductor 20 has an electrically insulating outer sheath 31 in the exemplary embodiments shown.
  • the individual wires 25 are accommodated in the outer casing.
  • the individual wires 25 are therefore arranged between the channel body 23 and the outer casing 31 .
  • the stranded wire 28 can have an associated electrically insulating sheath 26 for at least some of the individual wires 25, in which the at least one associated individual wire 25 is accommodated.
  • the stranded wire 28 is thus designed in the manner of a high-frequency stranded wire 33 .
  • the stranded wire 28 designed in this way is suitable for operating the associated coil 3, 5 with increased frequencies.
  • the stranded wire 28 for the respective individual wire 25 has a sheath 26 in which the associated individual wire 25 is accommodated.
  • the respective shell 26 is one Lacquer layer 27.
  • the rotary transformer 1 in the exemplary embodiments shown has an inlet 29 for letting the fluid into the strand 28 and an outlet 30 for letting the fluid out of the at least one strand 28 .
  • the externally excited electrical synchronous machine 100 also referred to below as synchronous machine 100 for short, has a rotor 101, as can be seen in particular from FIG.
  • the rotor 101 is also referred to below as the machine rotor 101 .
  • the machine rotor 101 has a rotor shaft 102 and a coil 103 (see FIGS. 3 to 5) which is non-rotatably provided on the rotor shaft 102 .
  • the coil 103 is also referred to below as the machine rotor coil 103 .
  • the machine rotor coil 103 is symbolized in FIG. 3 as an inductance and an ohmic resistance.
  • the machine rotor coil 103 generates a magnetic field, which is also referred to below as the rotor field.
  • Synchronous machine 100 also has a stator 104 shown in FIG. 5, which is also referred to as machine stator 104 below.
  • synchronous machine 100 has a coil 105 fixed to machine stator 104 (see FIG. 5), which is also referred to as machine stator coil 105 below.
  • the machine stator coil 105 generates a magnetic field, which is also referred to below as the stator field.
  • the stator field and rotor field interact in such a way that the machine rotor 101 rotates about the axis of rotation 90 during operation.
  • the machine rotor 101 In particular the machine rotor coil 103, requires a DC voltage and thus a direct current.
  • this DC voltage is supplied to the machine rotor coil 103 by means of the transformer secondary coil 5 and thus by means of the rotary transformer 1.
  • the transformer secondary coil 5 between the transformer secondary coil 5 and the machine Rotor coil 103 connected to a rectifier circuit 6, which converts the transformer voltage into the DC voltage.
  • the rotary transformer rotor 4 rotates during operation with the rotor shaft 102 and consequently with the machine rotor 101 about the axis of rotation 90.
  • the rotary transformer stator 2 is fixed to the machine stator 104 and is therefore stationary.
  • the rotary transformer 1 is arranged at an axial end face of the machine rotor 101 and at a distance from the machine rotor coil 103 and from the machine stator coil 105 .
  • the synchronous machine 100 can also have two or more machine rotor coils 103 and/or two or more machine stator coils 105 .
  • the transformer primary coil 3 In order to induce the transformer voltage in the transformer secondary coil 5, the transformer primary coil 3 requires an AC voltage or a pulsed DC voltage, also generally referred to below as AC voltage.
  • the transformer primary coil 3 is supplied via an electrical energy source 201 which provides a DC voltage.
  • the energy source 201 is a battery 202 of the motor vehicle 200.
  • An inverter circuit 7 is provided between the energy source 201 and the transformer primary coil 3 to supply the transformer primary coil 3 with the AC voltage.
  • the inverter circuit 7 converts the DC voltage of the power source 201 into the AC voltage for the transformer primary coil 3 . It is conceivable that the inverter circuit 7 includes a converter.
  • the rotationally fixed connection of the rotor shaft 102 to the rotary transformer rotor 4 is realized in the exemplary embodiments shown, as can be seen in FIGS. 1 and 4, via a central opening 14 in the circuit board 8, through which the rotor shaft 102 extends.
  • the rectifier circuit 6 is designed, purely by way of example, as a bridge rectifier 16 with four diodes Da-d.
  • the inverter circuit 7 is designed, purely by way of example, as a full-bridge inverter 17 which has four transistors Ta-d and two driver switches Sa-b for the transistors Ta-d.
  • the synchronous machine 100 is integrated into a cooling circuit 203 indicated in FIG. 3, so that the fluid circulates along the flow path 21 in the cooling circuit 203 during operation.
  • the cooling circuit 203 has further components, such as a conveying device 204 for conveying the fluid through the cooling circuit 203 and a cooler 205 for cooling the fluid.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Drehtransformator (1) zur induktiven Energieübertragung, welcher einen Drehtransformator-Stator (2) mit einer Transformator-Primärspule (3) sowie einen Drehtransformator-Rotor (4) mit einer Transformator-Sekundärspule (5) aufweist. Die Transformator-Primärspule (3) und die Transformator-Sekundärspule (5) wirken im Betrieb zum Induzieren einer Transformatorspannung in der Transformator-Sekundärspule (5) zusammen. Eine erhöhte Effizienz des Drehtransformators (1) wird dadurch erreicht, dass zumindest eine der Spulen (3, 5) einen elektrischen Leiter (20) aufweist, durch welche ein Strömungspfad (21) eines Fluids zum Kühlen des Drehtransformators (1) führt. Die Erfindung betrifft zudem eine fremderregte elektrische Synchronmaschine (100) mit einem solchen Drehtransformator (1) sowie ein Kraftfahrzeug (200) mit einer solchen fremderregten elektrischen Synchronmaschine (100). Ferne betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Synchronmaschine (100) als Traktionsmotor (120).

Description

Elektrischer Drehtransformator
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Drehtransformator zur induktiven Energieübertragung, insbesondere in einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine. Die Erfindung betrifft zudem eine fremderregte elektrische Synchronmaschine mit einem solchen Drehtransformator. Zudem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Synchronmaschine sowie die Verwendung einer solchen Synchronmaschine als Traktionsmotor.
Ein elektrischer Drehtransformator kommt zur induktiven Energieübertragung zum Einsatz. Zu diesem Zweck weist der Drehtransformator eine Primärspule sowie eine Sekundärspule auf. Die Primärspule ist üblicherweise ortsfest, wogegen die Sekundärspule relativ zur Primärspule beweglich, insbesondere rotierbar ist. Zu diesem Zweck weist ein solcher Drehtransformator üblicherweise einen ortsfesten Stator sowie einen relativ zum Stator um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor auf. Der Stator des Drehtransformators, nachfolgend auch als Drehtransformator- Stator bezeichnet, weist gewöhnlich die Primärspule auf, welche nachfolgend auch als Transformator-Primärspule bezeichnet wird. Der Rotor des Drehtransformators, nachfolgend auch als Drehtransform ator-Rotor bezeichnet, weist gewöhnlich die Sekundärspule auf, welche nachfolgend auch als Transformator-Sekundärspule bezeichnet wird. Im Betrieb des Drehtransformators induziert die Transformator-Primärspule in der Transformator-Sekundärspule eine Spannung. Im Betrieb kann dabei Wärme anfallen.
Ein solcher Drehtransformator kommt insbesondere in einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine zum Einsatz. Die fremderregte elektrische Synchronmaschine weist einen ortsfesten Stator sowie einen im Betrieb relativ zum Stator um eine Rotationsachse rotierenden Rotor auf, welche nachfolgend auch als Maschinen-Stator und Maschinen-Rotor bezeichnet werden. Dabei wirken ein magnetisches Rotorfeld des Maschinen-Rotors und ein magnetisches Statorfeld des Maschinen-Stators zusammen. In der fremderregten elektrischen Synchronmaschine wird das benötigte Rotorfeld des Maschinen-Rotors fremderregt. Zu diesem Zweck weist der Maschinen-Rotor in der Regel eine Rotorspule auf, welche mit einer Gleichspannung zum Erzeugen des magnetischen Felds versorgt wird. Die Versorgung der Rotorspule kann mittels des Drehtransformators erfolgen.
Ein derartiger Synchronmotor mit einem Drehtransformator ist beispielsweise aus der EP 2 869 316 B1 bekannt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, für einen Drehtransformator der eingangs genannten Art sowie für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine mit einem solchen Drehtransformator und für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Synchronmaschine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsformen anzugeben, welche Nachteile aus dem Stand der Technik bekannter Lösungen beseitigen. Insbesondere beschäftigt sich die vorliegende Erfindung mit der Aufgabe, für den Drehtransformator sowie für die fremderregte elektrische Synchronmaschine und für das Kraftfahrzeug Ausführungsformen anzugeben, welche sich durch eine erhöhte Effizienz auszeichnen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht demnach auf dem allgemeinen Gedanken, zumindest eine Spule eines elektrischen Drehtransformators zur induktiven Energieübertragung mit einem elektrischen Leiter zu versehen, durch welchen ein Strömungspfad eines Fluids zum Kühlen der Spule und somit des Drehtransformators führt. Somit kommt es zu einem Abführen der im Betrieb des Drehtransformators entstehenden Wärme. In der Folge sind durch die Wärme bedingte Beeinträchtigungen und Beschädigungen des Drehtransformators verhindert oder zumindest reduziert. Darüber hinaus kommt es auf diese Weise zu einer erhöhten Effizienz des Drehtransformators. Durch das Kühlen der Spule und somit des Drehtransformators mittels der Leiters ist ferner eine kompakte Ausbildung des Drehtransformators und eine erhöhte Effizienz der Kühlung gegeben.
Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist der elektrische Drehtransformator zur induktiven Energieübertragung eine Primärspule und eine Sekundärspule auf, welche nachfolgend auch als Transformator-Primärspule und Transformator- Sekundärspule bezeichnet werden. Zudem weist der Drehtransformator einen ortsfesten Stator, nachfolgend auch als Drehtransformator-Stator bezeichnet, sowie einen Rotor, nachfolgend auch als Drehtransformator-Rotor bezeichnet, auf. Der Drehtransformator-Stator weist die Transformator-Primärspule auf. Der Drehtransformator-Rotor weist die Transformator-Sekundärspule auf. Der Drehtransformator-Rotor ist relativ zum Drehtransformator-Stator um eine axial verlaufende Rotationsachse rotierbar. Im Betrieb rotiert somit der Drehtransformator-Rotor relativ zum Drehtransformator-Stator um die Rotationsachse. Zur induktiven Energieübertragung und somit im Betrieb wirken die Transformator-Primärspule und die Transformator-Sekundärspule zum Erzeugen einer elektrischen Spannung in der Transformator Sekundärspule induktiv zusammen, wobei die Spannung nachfolgend auch als Transformatorspannung bezeichnet wird. Zumindest eine der Spulen, also die Transformator-Primärspule und/oder die Transformator Sekundärspule, weist wenigstens einen elektrischen Leiter auf, durch welchen ein Strömungspfad eines Fluids führt. Im Betrieb strömt dabei das Fluid entlang des Strömungspfads und kühlt somit die Spule und folglich den Drehtransformator. Die vorliegend angegebenen Richtungen beziehen sind auf die axial verlaufende Rotationsachse. Dementsprechend verläuft "axial" parallel, insbesondere koaxial, zur Rotationsachse. Zudem verläuft "radial" quer zur Rotationsachse.
Vorteilhaft sind die Transformator-Sekundärspule und die Transform ator- Primärspule axial gegenüberliegend angeordnet. Somit kommt es zu einer effizienteren Induktion der Transformatorspannung in der Transformator- Sekundärspule.
Zumindest einer der wenigstens einen elektrischen Leiter kann hohl, also als ein Hohlleiter ausgebildet sein, also einen durchström baren Hohlraum umschließen, durch welchen der Strömungspfad führt.
Zumindest einer der wenigstens einen elektrischen Leiter kann als eine Litze ausgebildet sein, durch welche der Strömungspfad führt. Die Litze weist zur elektrischen Leitung mehrere elektrisch leitende Drähte, also Einzeldrähte, auf.
Die Litze weist vorteilhaft eine Außenhülle auf, in welcher die Einzeldrähte angeordnet sind und durch welche hindurch der Strömungspfad führt. Die Außenhülle ist zweckmäßig elektrisch isolierend, beispielsweise ein elektrisch isolierender Kunststoff.
Der Leiter, insbesondere die Litze, weist vorteilhaft einen Hohlraum auf, durch welchen der Strömungspfad führt. Der Hohlraum verläuft bevorzugt innerhalb der Außenhülle der Litze.
Bevorzugt ist der Hohlraum zentral im Leiter, insbesondere zentral in der Litze, ausgebildet. Dies führt zu einer gleichmäßigen und verbesserten Kühlung der Litze und somit des Drehtransformators. Bei dem Fluid kann es sich prinzipiell um ein beliebiges Fluid handeln, sofern mittels des Fluids eine Kühlung der zugehörigen Spule erfolgt. Bei dem Fluid kann es sich um ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln.
Bevorzugt ist der Strömungspfad elektrisch gegenüber den Einzeldrähten abgedichtet.
Prinzipiell ist es vorstellbar, sowohl die Transformator-Primärspule als auch die Transformator-Sekundärspule mit zumindest einem solchen elektrischen Leiter, durch welchen ein Strömungspfad führt, zu versehen.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen weist die Transformator-Primärspule zumindest einen solchen elektrischen Leiter auf und ist bevorzugt als eine Flachspule ausgebildet. Somit ist der zumindest eine elektrische Leiter im Drehtransformator ortsfest. In der Folge kommt es zu einer vereinfachten Ausbildung und verbesserten Kühlung des Drehtransformators.
Bevorzugt bildet zumindest ein solcher Leiter die Transformator-Primärspule.
Weist die Transformator-Sekundärspule einen solchen Leiter auf, ist es bevorzugt, wenn der zumindest eine Leiter in einem Träger, vorzugsweise aus Kunststoff, eingebettet und/oder aufgenommen ist. Dies führt zu einer erhöhten mechanischen Stabilität der Transformator-Sekundärspule bei Rotationen um die Rotationsachse und erlaubt erhöhte Rotationsgeschwindigkeiten.
Vorteilhaft weist der Drehtransformator-Rotor eine Leiterplatte auf, welche mit der Transformator-Sekundärspule versehen ist. Somit kommt es zu einer einfachen Ausbildung des Drehtransformator-Rotors sowie einer einfachen und präzisen Montage und Anordnung der Transformator-Sekundärspule. Bevorzugt sind Ausführungsformen bei denen die Transformator-Sekundärspule zumindest eine Leiterbahn der Leiterplatte aufweist, welche nachfolgend auch als Transformator-Leiterbahn bezeichnet wird. Dies führt zu einer vereinfachten Ausbildung und Herstellung des Drehtransformators. Ferner ist die Transformator- Sekundärspule auf diese Weise vereinfacht ausgebildet und/oder mittels der Leiterplatte mechanisch stabilisiert.
Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Transformator-Sekundärspule durch zumindest eine Transformator-Leiterbahn der Leiterplatte gebildet ist, also aus zumindest einer Transformator-Leiterbahn der Leiterplatte besteht.
Die Leiterplatte ist vorteilhaft axial flach ausgebildet. Somit eignet sich die Leiterplatte auch für erhöhte Rotationsgeschwindigkeiten um die Rotationsachse.
Besonders bevorzugt ist die Leiterplatte in axialer Draufsicht rund, beispielsweise als eine Scheibe oder als ein Ring ausgebildet. Auf diese Weise wird insbesondere eine durch die Leiterplatte verursachte Unwucht verhindert oder zumindest reduziert.
Die jeweilige zumindest eine Transformator-Leiterbahn kann auf der Leiterplatte angeordnet und somit optisch von außen wahrnehmbar oder innerhalb der Leiterplatte umschlossen und somit optisch von außen nicht wahrnehmbar sein. Selbstverständlich sind Ausführungsformen möglich, bei denen sowohl zumindest eine Leiterbahn auf der Leiterplatte und zumindest eine Leiterbahn innerhalb der Leiterplatte angeordnet sind. Die Leiterplatte kann also insbesondere als eine dem Fachmann als "Multilagenplatine" bekannte Leiterplatte ausgebildet sein.
Die Transformator-Sekundärspule kann zumindest zwei axial zueinander beabstandete Transformator-Leiterbahnen aufweisen. Bevorzugt verlaufen dabei die Transformator-Leiterbahnen zueinander parallel. Zweckmäßig verläuft die Transformator-Sekundärspule die Rotationsachse umgebend, insbesondere spiralförmig. Insbesondere ist die Transformator- Sekundärspule als eine Planarwicklung ausgebildet.
Als vorteilhaft gelten Ausführungsformen, bei denen die Transformatorspulen in einem zum Drehtransformator-Stator festen Magnetkern angeordnet sind. Somit kommt es zu einer verbesserten induktiven Zusammenwirkung der Transformatorspulen miteinander. Der Magnetkern, nachfolgend auch als Transformator-Magnetkern bezeichnet, kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein. Insbesondere handelt es sich beim Magnetkern um einen Ferritkörper.
Der Transformator-Magnetkern weist vorteilhaft eine axial offene Ausnehmung für die Transformator-Primärspule auf.
Vorteilhaft ist der Transformator-Magnetkern radial offen, sodass die Transformator-Sekundärspule, insbesondere die Leiterplatte, radial in den Transformator-Magnetkern eindringt und im Transformator-Magnetkern rotierbar ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist zumindest einer der wenigstens einen Leiter im Magnetkern angeordnet. Somit lässt sich der Drehtransformator vereinfacht herstellen und zugleich der Magnetkern mittels des zumindest einen Leiters Kühlen. Zudem kommt es auf diese Weise zu einer vorteilhaften wärmeübertragenden Verbindung des zumindest einen Leiters mit dem Magnetkern. In der Folge wird der Drehtransformator besser und/oder effektiver gekühlt.
Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen die Transformator- Primärspule zumindest einen solchen Leiter, insbesondere zumindest eine solche Litze, aufweist und der zumindest eine Leiter im Magnetkern angeordnet, insbesondere aufgenommen, ist.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen ist im Hohlraum ein Kanalkörper aufgenommen, welcher den Strömungspfad begrenzt. Somit wird insbesondere eine fluidische Trennung zwischen dem Fluid und den Einzeldrähten der Litze bzw. dem Fluid und dem Hohlleiter erreicht.
Der Kanalkörper kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein.
Bevorzugt ist der Kanalkörper elektrisch isolierend. Somit kommt es mittels des Kanalkörpers ferner zu einer elektrischen Trennung des Fluids von den Einzeldrähten der Litze bzw. vom Hohlleiter. Insbesondere ist der Kanalkörper aus Kunststoff hergestellt.
Als vorteilhaft gelten Ausführungsformen, bei denen der Kanalkörper als ein Schlauch ausgebildet ist. Somit lässt sich die Litze bzw. der Hohlleiter insgesamt leicht verformen. Folglich lässt sich auf diese Weise die zugehörige Spule vereinfacht und präzise herstellen.
Prinzipiell können die Einzeldrähte der Litze innerhalb der Litze miteinander elektrisch kontaktiert sein, insbesondere aneinander anliegen. Bevorzugt wird in diesem Fall die zugehörige Spule mit niedrigen Frequenzen betrieben.
Vorteilhaft ist zumindest ein Teil der Einzeldrähte der Litze in einer elektrisch isolierenden Hülle aufgenommen. Weist die Litze eine Außenhülle auf, so sind die Hüllen in der Außenhülle angeordnet. Bevorzugt ist der jeweilige Einzeldraht in einer zugehörigen solchen, elektrisch isolierenden Hülle aufgenommen. Die Litze kommt dabei mit steigenden Betriebsfrequenzen der zugehörigen Spule zum Einsatz. Insbesondere handelt es sich bei der Litze um eine solche in der Art einer sogenannten "Hochfrequenzlitze". Somit werden elektrische Wechselwirkungen der Einzeldrähte innerhalb der Litze vermieden oder zumindest reduziert. In der Folge kommt es zu einer effizienteren Induktion der Transformatorspannung.
Die jeweilige Hülle kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein, sofern sie elektrisch isolierend ist.
Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen zumindest eine der Hüllen, vorteilhaft die jeweilige Hülle, eine am zugehörigen, zumindest einen Einzeldraht angebrachte Lackschicht ist. Somit lässt sich die Litze einfach herstellen und die Einzeldrähte zuverlässig gegeneinander elektrisch isolierend.
Der Drehtransformator weist vorteilhaft fluidische Anschlüsse zum Versorgen des Drehtransformators mit dem Fluid auf. Der Drehtransformator weist also vorteilhaft einen Einlass zum Einlassen des Fluids in den Drehtransformator sowie einen Auslass zum Auslassen des Fluids aus dem Drehtransformator auf. Die Anschlüsse sind mit dem zumindest einen elektrischen Leiter fluidisch derart verbunden, dass das Fluid entlang des Strömungspfads durch den zumindest einen elektrischen Leiter strömt.
Alternativ oder zusätzlich ist es vorstellbar, dass zumindest einer der wenigstens einen elektrischen Leiter aus dem Drehtransformator ragt und somit mit dem Fluid versorgt wird.
Der Drehtransformator kann eine der Transformator-Sekundärspule nachgeschaltete Gleichrichterschaltung aufweisen. Somit kann die in der Transformator Sekundärspule als Wechselspannung induzierte Transformatorspannung in eine Gleichspannung umgewandelt und einer zugehörigen Anwendung zur Verfügung gestellt werden. Der Drehtransformator kann eine der Transformator-Primärspule vorgeschaltete Wechselrichterschaltung aufweisen. Somit kann die im Betrieb benötigte Wechselspannung für die Transformator-Primärspule aus einer elektrischen Energiequelle stammen, welche eine Gleichspannung bereitstellt.
Bevorzugt kommt der Drehtransformator zur induktiven Energieübertragung in einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine, insbesondere in einem fremderregten elektrischen Synchronmotor, zum Einsatz.
Die Synchronmaschine weist einen Rotor mit einer Rotorwelle auf, wobei der Rotor nachfolgend auch als Maschinen-Rotor bezeichnet wird. Der Maschinen- Rotor weist eine an der Rotorwelle drehfest versehene Spule auf, welche nachfolgend auch als Maschinen-Rotorspule bezeichnet wird. Die Maschinen- Rotorspule erzeugt im Betrieb bei Versorgung mit einer Gleichspannung ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Rotorfeld bezeichnet wird. Die Synchronmaschine weist ferner einen ortsfesten Stator auf, welcher nachfolgend auch als Maschinen-Stator bezeichnet wird. Der Maschinen-Stator weist eine Spule auf, welche nachfolgend auch als Maschinen-Statorspule bezeichnet wird. Die Maschinen-Statorspule erzeugt im Betrieb ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Statorfeld bezeichnet wird. Im Betrieb der Synchronmaschine wirkt das Statorfeld mit dem Rotorfeld derart zusammen, dass der Maschinen-Rotor um die axiale Rotationsachse rotiert. Dabei ist der Drehtransformator-Stator zum Maschinen-Stator fest. Zudem ist der Drehtransformator-Rotor drehfest am Maschinen-Rotor angebracht. Insbesondere ist der Drehtransformator-Rotor drehfest mit der Rotorwelle verbunden. Die Maschinen-Rotorspule ist mit der Transformator-Sekundärspule verbunden, derart, dass die Maschinen-Rotorspule im Betrieb mit einer Gleichspannung zum Erzeugen des Rotorfelds versorgt ist. Zu diesem Zweck ist vorteilhaft zwischen der Transformator-Sekundärspule und der Maschinen-Rotorspule eine Gleichrichterschaltung geschaltet, welche, wie vorstehend erwähnt, Bestandteil des Drehtransformators, insbesondere des Drehtransformator-Rotors, sein kann.
Bevorzugt ist der Drehtransformator, insbesondere der Drehtransformator-Rotor, axial stirnseitig des Maschinen-Rotors angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Drehtransformator zur Maschinen-Rotorspule und/oder zur Maschinen-Statorspule beabstandet. Somit kommt es zu einer Verhinderung oder zumindest Reduzierung von unerwünschten Wechselwirkungen zwischen dem Drehtransformator und dem Rotorfeld und/oder dem Statorfeld.
Die Synchronmaschine kann prinzipiell in beliebigen Anwendungen zum Einsatz kommen.
Insbesondere kann die Synchronmaschine als ein Traktionsmotor zum Einsatz kommen.
Auch kann die Synchronmaschine als ein Stellmotor zum Verstellen eines Verstellelements, beispielsweise eines Ventils und dergleichen, zum Einsatz kommen.
Die Synchronmaschine kommt insbesondere in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz, welches als Energiequelle eine Batterie umfassen kann. Dabei dient die Synchronmaschine insbesondere dem Antrieb des Kraftfahrzeugs, ist also ein Traktionsmotor des Kraftfahrzeugs.
Die Synchronmaschine, insbesondere der Drehtransformator, ist vorteilhaft in einem Kühlkreis eingebunden, durch welchen das Fluid im Betrieb zirkuliert. Das heißt, dass der Strömungspfad durch den Drehtransformator und durch den Kühlkreis führt, derart, dass die der Drehtransformator mittels des Fluids gekühlt wird. Der Kühlkreis ist insbesondere Bestandteil der zugehörigen Anwendung, beispielsweise des Kraftfahrzeugs. In der zugehörigen Anwendung kann der Kühlkreis zum Kühlen weiterer Komponenten zum Einsatz kommen.
Der Kühlkreis weist zweckmäßig eine Fördereinrichtung zum Fördern des Fluids durch den Kühlkreis sowie einen Kühler zum Kühlen des Fluids auf.
Es versteht sich, dass neben dem Drehtransformator auch die fremderregte elektrische Synchronmaschine sowie das Kraftfahrzeug und die Verwendung der Synchronmaschine als Traktionsmoor jeweils ebenfalls zum Umgang der vorliegenden Erfindung gehören.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend 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 einen Schnitt durch eine fremderregte elektrische Synchronmaschine mit einen elektrischen Drehtransformator mit einem elektrischen Leiter sowie eine vergrößerte Ansicht des Leiters,
Fig. 2 einen Schnitt durch den Leiter bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 einen stark vereinfachten Schaltplan einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine mit dem Drehtransformator in einem Kraftfahrzeug,
Fig. 4 eine isometrische, teilweise geschnittene Ansicht eines Maschinen- Rotors der fremderregten elektrischen Synchronmaschine mit dem Drehtransformator,
Fig. 5 einen stark vereinfachten Schnitt durch die fremderregte elektrische Synchronmaschine.
Ein elektrischer Drehtransformator 1 , wie er beispielsweise in den Figuren 1 sowie 3 und 4 gezeigt ist, kommt als induktiver Energieübertrager zum Einsatz. Der Drehtransformator 1 kann in einer in den Figuren 1 sowie 3 bis 5 gezeigten fremderregten elektrischen Synchronmaschine 100 zum Einsatz kommen. Der Drehtransformator 1 und/oder die Synchronmaschine 100 können in einem Kraftfahrzeig 200, wie es in Figur 3 stark vereinfacht gezeigt ist, zum Einsatz kommen. Die fremderregte elektrische Synchronmaschine 100 kann als ein Synchronmotor 110, insbesondere zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 200, zum Einsatz kommen. Die Synchronmaschine 100 ist also insbesondere ein Traktionsmotor 120.
Wie den Figuren 1 sowie 3 und 4 entnommen werden kann, weist der Drehtransformator 1 einen Stator 2 und einen Rotor 4 auf. Der Stator 2 wird nachfolgend als Drehtransformator-Stator 2 bezeichnet. Der Rotor 3 wird nachfolgend als Drehtransformator-Rotor 4 bezeichnet. Der Drehtransformator- Rotor 4 ist relativ zum Drehtransformator-Stator 2 um eine axial verlaufende Rotationsachse 90 rotierbar. Im Betrieb rotiert also der Drehtransformator-Rotor 4 relativ zum Drehtransformator-Stator 2 um die Rotationsachse 90. Zur induktiven Energieübertragung weist der Drehtransformator-Stator 2 eine Primärspule 3 und der Drehtransformator-Rotor 4 eine Sekundärspule 5 auf. Die Primärspule 3 und die Sekundärspule 5 sind, wie den Figuren 1 und 4 entnommen werden kann, in den gezeigten Ausführungsbeispielen axial gegenüberliegend angeordnet. Im Betrieb induziert die Primärspule 3, welche nachfolgend auch als Transformator- Primärspule 3 bezeichnet wird, in der Sekundärspule 5, welche nachfolgend als Transformator-Sekundärspule 5 bezeichnet wird, eine Wechselspannung, welche nachfolgend auch als Transformatorspannung bezeichnet wird.
Die vorliegend angegebenen Richtungen beziehen sind auf die Rotationsachse 90. Dementsprechend verläuft "axial" parallel zur Rotationsachse. Zudem verläuft "radial" quer zur Rotationsachse 90.
Wie insbesondere den Figuren 1 und 2 entnommen werden kann, weist zumindest eine der Spulen 3, 5 wenigstens einen elektrischen Leiter 20 auf, durch welchen ein Strömungspfad 21 eines Fluids führt. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist jeweils ein solcher elektrischer Leiter 20 vorgesehen. Dabei strömt im Betrieb ein Fluid entlang des Strömungspfads 21 und kühlt somit die zugehörige Spule 3, 5 und folglich den Drehtransformator 1 . Der 20 ist in Figur 1 auch vergrößert dargestellt. Zudem ist der Leiter 20 in Figur 2 separat gezeigt.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen weist die Transformator-Primärspule 3 einen solchen Leiter 20 auf. Zudem ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen die Transformator-Primärspule 3 als eine Flachspule 11 ausgebildet ist. Insbesondere ist die Transformator-Primärspule 3 aus dem Leiter 20 gebildet. Wie Figur 1 entnommen werden kann, weist der Drehtransformator-Rotor 4 in den gezeigten Ausführungsbeispielen eine Leiterplatte 8 auf, welche mit der Transformator-Sekundärspule 5 versehen ist. Die Leiterplatte 8 ist scheibenförmig ausgebildet und weist eine runde Form, auf, ist also in der Art einer runden Scheibe bzw. eines Rings ausgebildet. Die Transformator-Sekundärspule 5 weist in den gezeigten Ausführungsbeispielen zumindest eine Leiterbahn 9 der Leiterplatte 8 auf, welche nachfolgend auch als Transformator-Leiterbahn 9 bezeichnet wird. In den gezeigten Ausführungsbeispielen besteht die Transformator-Sekundärspule 5 aus der zumindest einen Transformator- Leiterbahn 9 und ist als eine Planarwicklung 10 ausgebildet. Dabei kann die Leiterplatte 8, wie Figur 1 entnommen werden kann, zwei zueinander axial beabstandete Transformator-Leiterbahnen 9 auf, welche die Rotationsachse 90 spiralförmig umgeben. Zudem ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen die zumindest eine Transformator-Leiterbahn 9 gänzlich in der Leiterplatte 8 angeordnet.
Wie den Figuren 1 und 4 entnommen werden kann, sind die Transformator- Primärspule 3 und die Transformator-Sekundärspule 5 in den gezeigten Ausführungsbeispielen in einem zum Drehtransformator-Stator 2 festen Magnetkern 12, insbesondere in einem Ferritkern 13 angeordnet. Der Magnetkern 12 wird nachfolgend auch als Transformator-Magnetkern 12 bezeichnet. Der Transformator-Magnetkern 12 ist radial offen, sodass die Leiterplatte 8 mit der Transformator-Sekundärspule 5 in den Transformator-Magnetkern 12 eindringt und darin rotierbar angeordnet ist. Zudem weist der Transformator-Magnetkern 12 eine axial offene Ausnehmung 15 auf, in welcher die Transformator-Primärspule 3 und somit der Leiter 20 angeordnet ist.
Beim in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Leiter 20 hohl und somit als ein Hohlleiter 32 ausgebildet. Der Hohlleiter 32 weist einen zentralen Hohlraum 22 auf, durch welchen der Strömungspfad 21 führt. Im in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Leiter 20 als eine Litze 28 ausgebildet. Die Litze 20 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel einen zentralen Hohlraum 22 auf, durch welchen der Strömungspfad 21 führt.
In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist im Hohlraum 22 ein elektrisch und fluidisch isolierender Kanalkörper 23, vorzugsweise aus Kunststoff, aufgenommen. Der Kanalkörper 23 begrenzt dabei den Strömungspad 21 im Leiter 20 und somit im Hohlleiter 32 bzw. in der Litze 28. Der Kanalkörper 23 ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen als ein Schlauch 24 ausgebildet.
Die Litze 28 weist zur elektrischen Leitung Einzeldrähte 25 auf, welche in Figur 2 lediglich teilweise gezeigt sind. Die Einzeldrähte 25 umgeben dabei den Hohlraum 22 und den Kanalkörper 23. Die Einzeldrähte 25 sind also auf der vom Kanalkörper 23 abgewandten Seite des Strömungspfads 21 angeordnet. Wie den Figuren 1 und 2 entnommen werden kann, weist der Leiter 20 in den gezeigten Ausführungsbeispielen eine elektrisch isolierende Außenhülle 31 auf. Dabei sind beim als Litze 28 ausgebildeten Leiter 20 die Einzeldrähte 25 in der Außenhülle aufgenommen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Einzeldrähte 25 also zwischen dem Kanalkörper 23 und der Außenhülle 31 angeordnet.
Entsprechend Figur 2 kann die Litze 28 für zumindest einen Teil der Einzeldrähte 25 eine zugehörige elektrisch isolierende Hülle 26 aufweisen, in welcher der zumindest eine zugehörige Einzeldraht 25 aufgenommen ist. Die Litze 28 ist somit in der Art Hochfrequenzlitze 33 ausgebildet. Die derart ausgebildete Litze 28 eignet sich dabei für den Betrieb der zugehörigen Spule 3, 5 mit erhöhten Frequenzen. Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 weist die Litze 28 für den jeweiligen Einzeldraht 25 eine Hülle 26 auf, in welcher der zugehörige Einzeldraht 25 aufgenommen ist. Bei der jeweiligen Hülle 26 handelt es sich dabei im eine Lackschicht 27.
Wie in Figur 3 angedeutet, weist der Drehtransformator 1 in den gezeigten Ausführungsbeispielen einen Einlass 29 zum Einlassen des Fluids in die Litze 28 und einen Auslass 30 zum Auslassen des Fluids aus der zumindest einen Litze 28 aufweist.
Die fremderregte elektrischen Synchronmaschine 100, nachfolgend auch kurz als Synchronmaschine 100 bezeichnet, weist, wie insbesondere Figur 4 entnommen werden kann, einen Rotor 101 auf. Der Rotor 101 wird nachfolgend auch als Maschinen-Rotor 101 bezeichnet. Der Maschinen-Rotor 101 weist eine Rotorwelle 102 und eine an der Rotorwelle 102 drehfest versehene Spule 103 (siehe Figuren 3 bis 5) auf. Die Spule 103 wird nachfolgend auch als Maschinen-Rotorspule 103 bezeichnet. Die Maschinen-Rotorspule 103 ist in Figur 3 als eine Induktivität und ein ohmscher Widerstand symbolisiert. Im Betrieb erzeugt die Maschinen- Rotorspule 103 ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Rotorfeld bezeichnet wird. Die Synchronmaschine 100 weist ferner einen in Figur 5 gezeigten Stator 104 auf, der nachfolgend auch als Maschinen-Stator 104 bezeichnet wird. Zudem weist die Synchronmaschine 100 eine zum Maschinen- Stator 104 feste Spule 105 auf (siehe Figur 5), welche nachfolgend auch als Maschinen-Statorspule 105 bezeichnet wird. Im Betrieb erzeugt die Maschinen- Statorspule 105 ein magnetisches Feld, welches nachfolgend auch als Statorfeld bezeichnet wird. Dabei wirken Statorfeld und Rotorfeld derart zusammen, dass der Maschinen-Rotor 101 im Betrieb um die Rotationsachse 90 rotiert. Zum Erzeugen des Rotorfelds benötigt der Maschinen-Rotor 101 , insbesondere die Maschinen- Rotorspule 103, eine Gleichspannung und somit einen Gleichstrom. In den gezeigten Ausführungsbeispielen wird diese Gleichspannung der Maschinen- Rotorspule 103 mittels der Transformator-Sekundärspule 5 und somit mittels des Drehtransformators 1 zugeführt. Zu diesem Zweck ist, wie Figur 3 entnommen werden kann, zwischen der Transformator-Sekundärspule 5 und der Maschinen- Rotorspule 103 eine Gleichrichterschaltung 6 geschaltet, welche die Transformatorspannung in die Gleichspannung umwandet. Zudem ist zu diesem Zweck, wie den Figuren 1 und 4 entnommen werden kann, der Drehtransformator- Rotor 4 drehtest an der Rotorwelle 102 und somit am Maschinen-Rotor 101 angebracht. Somit rotiert der Drehtransformator-Rotor 4 im Betrieb mit der Rotorwelle 102 und folglich mit dem Maschinen-Rotor 101 um die Rotationsachse 90. Zudem ist der Drehtransformator-Stator 2 zum Maschinen-Stator 104 fest und somit ortsfest.
Wie insbesondere Figur 4 ferner entnommen werden kann, ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen der Drehtransformator 1 an einer axialen Stirnseite der Maschinen-Rotors 101 und zur Maschinen-Rotorspule 103 sowie zur Maschinen- Statorspule 105 beabstandet angeordnet. Selbstverständlich kann die Synchronmaschine 100 auch zwei oder mehr Maschinen-Rotorspulen 103 und/oder zwei oder mehr Maschinen-Statorspulen 105 aufweisen.
Die Transformator-Primärspule 3 benötigt zum Induzieren der Transformatorspannung in der Transformator-Sekundärspule 5 eine Wechselspannung oder eine getaktete Gleichspannung, nachfolgend auch allgemein als Wechselspannung bezeichnet. Wie Figur 3 entnommen werden kann, wird die Transformator-Primärspule 3 in den gezeigten Ausführungsbeispielen über eine elektrische Energiequelle 201 versorgt, welche eine Gleichspannung bereitstellt. Bei der Energiequelle 201 handelt es sich in den gezeigten Ausführungsbeispielen um eine Batterie 202 des Kraftfahrzeugs 200. Zum Versorgen der Transformator-Primärspule 3 mit der Wechselspannung ist zwischen der Energiequelle 201 und der Transformator-Primärspule 3 eine Wechselrichterschaltung 7 vorgesehen. Die Wechselrichterschaltung 7 wandelt die Gleichspannung der Energiequelle 201 in die Wechselspannung für die Transformator-Primärspule 3 um. Vorstellbar ist es dabei, dass die Wechselrichterschaltung 7 einen Umrichter umfasst. Die drehfeste Verbindung der Rotorwelle 102 mit dem Drehtransformator-Rotor 4 ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen, wie den Figuren 1 und 4 entnommen werden kann, über eine in der Leiterplatte 8 zentrale Öffnung 14 realisiert, durch welche die Rotorwelle 102 greift.
In dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Gleichrichterschaltung 6 rein beispielhaft als ein Brückengleichrichter 16 mit vier Dioden Da-d ausgebildet. Zudem ist die Wechselrichterschaltung 7 rein beispielhaft als ein Vollbrückenwechselrichter 17 ausgebildet, der vier Transistoren Ta-d und zwei Treiberschalter Sa-b für die Transistoren Ta-d aufweist.
Wie Figur 3 entnommen werden kann, ist die Synchronmaschine 100 in einem in Figur 3 angedeuteten Kühlkreis 203 eingebunden, sodass im Betrieb das Fluid entlang des Strömungspfads 21 im Kühlkreis 203 zirkuliert. Wie in Figur 3 gezeigt, weist der Kühlkreis 203 weitere Bestandteile, wie beispielsweise eine Fördereinrichtung 204 zum Fördern des Fluids durch den Kühlkreis 203 und einen Kühler 205 zum Kühlen des Fluids, auf.
*****

Claims

Ansprüche Elektrischer Drehtransformator (1 ) zur induktiven Energieübertragung,
- mit einem Drehtransformator-Stator (2), welcher eine Transform ator- Primärspule (3) aufweist,
- mit einem im Betrieb relativ zum Drehtransformator-Stator (2) um eine axial verlaufende Rotationsachse (90) rotierenden Drehtransformator- Rotor (4), der eine Transformator-Sekundärspule (5) aufweist,
- wobei die Transformator-Sekundärspule (5) und die Transform ator- Primärspule (3) im Betrieb zum Erzeugen einer Transformatorspannung in der Transformator-Sekundärspule (5) induktiv Zusammenwirken,
- wobei zumindest eine der Spulen (3, 5) zumindest einen elektrischen Leiter(20) aufweist, durch welche ein Strömungspfad (21 ) eines Fluids führt,
- wobei im Betrieb ein Fluid entlang des Strömungspfads (21 ) strömt und den Drehtransformator (1 ) kühlt. Drehtransformator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Transformator-Primärspule (3) als eine Flachspule (11 ) ausgebildet ist und zumindest einen solchen Leiter (20) aufweist. Drehtransformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Drehtransformator (1 ) einen Magnetkern (12) aufweist in welchem die Transformator-Primärspule (3) und die Transformator- Sekundärspule (5) angeordnet sind, - dass zumindest einer der wenigstens einen Leiter (20) im Magnetkern (12) angeordnet ist. Drehtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der wenigstens einen Leiter (20) einen zentralen Hohlraum (22) aufweist, durch welchen der Strömungspfad (21 ) führt. Drehtransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Hohlraum (22) aufgenommener Kanalkörper (23) den Strömungspad (21 ) begrenzt. Drehtransformator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalkörper (23) als ein Schlauch (24) ausgebildet ist. Drehtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der wenigstens einen Leiter (20) als eine Litze (28) ausgebildet ist. Drehtransformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Litze (20) Einzeldrähte (25) aufweist, wobei zumindest ein Teil der Einzeldrähte (20) in einer elektrisch isolierenden Hülle (26), insbesondere in einer Lackschicht (27), aufgenommen ist. Drehtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der wenigstens einen Leiter (20) als ein Hohlleiter (32) ausgebildet ist. Drehtransformator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehtransformator (1 ) einen Einlass (29) zum Einlassen des Fluids in die Litze (20) und einen Auslass (30) zum Auslassen des Fluids aus der zumindest einen Litze (20) aufweist. Fremderregte elektrische Synchronmaschine (100),
- mit einem Maschinen-Rotor (101 ), der einer Rotorwelle (102) und eine an der Rotorwelle (102) drehfest versehene Maschinen-Rotorspule (103) aufweist, welche im Betrieb ein magnetisches Rotorfeld erzeugt
- mit einem Maschinen-Stator (104), der eine zum Maschinen-Stator (104) feste Maschinen-Statorspule (105) aufweist, welche im Betrieb ein magnetisches Statorfeld erzeugt, welches mit dem Rotorfeld derart zusammenwirkt, dass der Maschinen-Rotor (101 ) im Betrieb um eine axiale Rotationsachse (90) rotiert,
- mit einem Drehtransformator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
- wobei der Drehtransformator-Stator (2) zum Maschinen-Stator (104) fest ist,
- wobei der Drehtransformator-Rotor (4) drehfest am Maschinen-Rotor (101 ) angebracht ist,
- wobei die Maschinen-Rotorspule (103) mit der Transformator- Sekundärspule (5) verbunden ist, derart, dass die Maschinen-Rotorspule (103) im Betrieb mit einer Gleichspannung zum Erzeugen des Rotorfeld versorgt ist. Kraftfahrzeug (200) mit einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine (100) nach Anspruch 11 und mit einem Kühlkreis (203), in welchem die Synchronmaschine (100) eingebunden ist, sodass das Fluid entlang des Strömungspfads (21 ) zirkuliert. Kraftfahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine (100) als Traktionsmotor (120) das Kraftfahrzeug (200) im Betrieb antreibt. Verwendung einer fremderregte elektrische Synchronmaschine (100) nach Anspruch 11 als Traktionsmotor (120).
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