WO2023072503A1 - Rotorgruppe und eine synchronmaschine mit der rotorgruppe - Google Patents

Rotorgruppe und eine synchronmaschine mit der rotorgruppe Download PDF

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WO2023072503A1
WO2023072503A1 PCT/EP2022/076640 EP2022076640W WO2023072503A1 WO 2023072503 A1 WO2023072503 A1 WO 2023072503A1 EP 2022076640 W EP2022076640 W EP 2022076640W WO 2023072503 A1 WO2023072503 A1 WO 2023072503A1
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WO
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hollow shaft
rectifier
rotor group
cooling
rotor
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/076640
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thorsten GRELLE
Florian Osdoba
Penyo Topalov
Philipp Zimmerschied
Original Assignee
Mahle International Gmbh
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/04—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for rectification
    • H02K11/042—Rectifiers associated with rotating parts, e.g. rotor cores or rotary shafts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/18—Rotary transformers
    • H—ELECTRICITY
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/16—Synchronous generators
    • H02K19/36—Structural association of synchronous generators with auxiliary electric devices influencing the characteristic of the generator or controlling the generator, e.g. with impedances or switches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/003—Couplings; Details of shafts
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil

Definitions

  • the invention relates to a rotor group for an inductively electrically excited synchronous machine according to the preamble of claim 1 and the inductively electrically excited synchronous machine with the rotor group.
  • an inductively electrically excited synchronous machine is off
  • EP 2 869 316 B1 has a stator and a rotor arranged rotatably in the stator.
  • the stator and the rotor are supplied with energy and can interact with each other electromagnetically.
  • an inductive energy transmitter is provided, which has a stator-side or stationary primary coil and a rotor-side or rotating secondary coil.
  • a rotor-side or rotating rectifier is provided.
  • the rectifier is formed by a printed circuit board with a number of electrical components that are connected to one another.
  • the circuit board is usually fixed on the rotor or on a shaft of the synchronous machine and the electrical components are arranged in a diameter around the shaft.
  • the rectifier rotates with the shaft and the electrical components experience large centrifugal forces and vibrations. This can damage the electrical components and/or their soldering points and consequently lead to failure of the synchronous machine.
  • the disadvantage is that the smallest diameter of the printed circuit board has a lower limit and the electrical components and their connection to the printed circuit board must therefore meet predetermined strength requirements.
  • the choice of electrical components for the rectifier of the synchronous machine is limited and the cost of the rectifier is correspondingly high.
  • the heat up Rotor and the shaft significantly during operation of the synchronous machine. Because the rectifier is positioned close to the shaft and close to the rotor, the upper temperature limit of the shaft and rotor is limited by the upper temperature limit of the electrical components of the rectifier. As a result, cooling the shaft and rotor poses another challenge.
  • the object of the invention is therefore to specify an improved or at least alternative embodiment for a synchronous machine and a rotor group for the synchronous machine of the generic type, in which the disadvantages described are overcome.
  • a rotor group is provided for an inductively electrically excited synchronous machine.
  • the synchronous machine can be provided for a motor vehicle.
  • the rotor group has a hollow shaft that is rotatable about an axis of rotation and a rotor that is non-rotatably connected to the hollow shaft.
  • the rotor group also has a secondary-side circuit of an energy transmitter, the secondary-side circuit being arranged in the rotor group in a rotationally fixed manner.
  • the secondary-side circuit has a secondary coil and a rectifier with a printed circuit board and with at least one electrical component fastened on the printed circuit board.
  • the rectifier is aligned transversely to the axis of rotation and arranged in a rotationally fixed manner in a cavity of the hollow shaft.
  • the terms “radial” and “axial” always refer to the axis of rotation.
  • the term “circulating” refers to the axis of rotation of the hollow shaft.
  • the cavity is formed inside the hollow shaft and the rectifier is arranged in the cavity of the hollow shaft or inside the hollow shaft.
  • the cavity can be delimited on the outside by a wall forming the hollow shaft and the rectifier can be directly or indirectly firmly connected to the hollow shaft or to the wall of the hollow shaft.
  • the rectifier can be non-positively and/or positively connected to the hollow shaft or to the wall of the hollow shaft.
  • the at least one electrical component is attached to the printed circuit board and can be electrically conductively connected or electrically contacted to the printed circuit board.
  • the rectifier can have a number of electrical components which are attached to the printed circuit board.
  • the respective electrical components can be electrically conductively connected to one another or electrically contacted with one another via the printed circuit board.
  • the electrical components can be, for example, diodes and/or electrical resistors and/or other elements. It goes without saying that the respective electrical components on the printed circuit board are connected to form a rectifier circuit.
  • the rectifier or the rectifier circuit is expediently electrically conductively contacted with a rotor winding of the rotor located outside of the hollow shaft, for example through the hollow shaft.
  • the rectifier is arranged in the cavity of the hollow shaft and the respective electrical components can be arranged on the printed circuit board in the middle or on a smaller diameter.
  • the centrifugal forces on the respective electrical components identical speed of the rotor group act can be reduced.
  • the rotor group can be operated at a higher speed without damaging the respective electrical components or their soldering points and thus the rectifier.
  • the rotor group can have a higher speed stability.
  • the rectifier inside the hollow shaft can be protected against mechanical damage from environmental influences—such as, for example, from a cooling medium, contamination with electrically conductive particles, etc.
  • the hollow shaft also provides shielding against the coupling of interference - such as EMC interference (EMC: Electromagnetic Compatibility) - so that an additional housing for the rectifier is not necessary.
  • EMC interference Electromagnetic Compatibility
  • the rectifier can be balanced with the rotor group or with the rotor in a common balancing process. The balancing quality can be maximized and the permissible residual imbalance minimized through the joint balancing process.
  • the hollow shaft can be formed from a stub shaft and a shaft cover that closes the stub shaft axially.
  • the stub shaft and the shaft cover can be connected in a materially bonded and/or force-fitting and/or form-fitting manner during assembly of the hollow shaft and delimit the cavity of the hollow shaft to the outside.
  • the rectifier can be permanently connected to the stub shaft or to the shaft cover of the hollow shaft.
  • the rectifier can be integrally and/or non-positively and/or positively connected to the stub shaft or to the shaft cover.
  • the rectifier can be installed when the hollow shaft is installed.
  • the rectifier has a heat sink.
  • the heat sink faces away from the at least one electrical component on the printed circuit board of the rectifier and is fastened in a heat-transferring manner.
  • the heat sink is therefore connected to the printed circuit board in a heat-transferring manner and can dissipate the heat generated by the at least one electrical component to the outside—for example to a medium surrounding the heat sink.
  • the cooling body can be formed from a thermally conductive material.
  • the at least one electrical component of the rectifier can be cast with a heat-conducting casting compound.
  • the heat conduction in the rectifier and thus the cooling of the at least one electrical component can be improved by the casting compound.
  • damage to the at least one electrical component due to vibrations/shocks can be avoided by the potting compound.
  • the heat sink can have a cooling structure facing away from the printed circuit board.
  • the cooling structure can be realized, for example, by at least one cooling rib and/or by a plurality of cooling pins.
  • the surface area of the heat sink adjoining a surrounding medium can be increased by the cooling structure and the heat dissipation to the medium can be intensified as a result. As a result, the cooling of the rectifier can be improved overall.
  • the heat sink can be electrically insulated from the hollow shaft by means of a dielectric sheath.
  • the heat sink can be formed from a dielectric material, preferably from a composite material.
  • the heat sink can divide the cavity of the hollow shaft into a cooling space and a transmission space in a fluid-tight manner.
  • the cooling chamber can be arranged facing away from the printed circuit board and a liquid or gaseous cooling fluid can flow through it.
  • the transmission room can accommodate the circuit board.
  • the rectifier is arranged with the printed circuit board facing the transmission space and with the heat sink facing the cooling space.
  • the heat sink can have at least one sealing element.
  • the sealing element can be a ring seal, for example.
  • the heat sink can be designed as a separate component and can be fastened in a form-fitting manner on the shaft end or on the shaft cover.
  • the cooling fluid flows over and/or around the heat sink in the cooling space and dissipates the heat from the heat sink.
  • the circuit board and that at least an electrical component can thus be effectively cooled during operation of the rotor group and remain below an upper temperature limit. This allows the continuous power and the peak power of the rotor group to be increased without using high-temperature components. With a higher power density, the costs of the rotor group can therefore be reduced.
  • the hollow shaft has an axial end that is open to the outside and leads into the cooling chamber, and the cooling fluid can flow into the cooling chamber of the hollow shaft via the open axial end.
  • the hollow shaft then also has at least one opening leading radially outwards from the cooling space, and the cooling fluid can flow out of the cooling space of the hollow shaft via the at least one opening. Direct cooling of the hollow shaft and the rotor with the cooling fluid reduces the ambient temperatures of the rectifier compared to conventional solutions.
  • the secondary coil of the secondary-side circuit can advantageously be arranged inductively interacting with a primary-side circuit of the energy transmitter in the hollow space of the hollow shaft or outside of the hollow space of the hollow shaft. If the secondary coil is arranged in the hollow space of the hollow shaft, the secondary coil can be fastened inside the hollow space on a wall of the hollow shaft running around the axis of rotation. If the hollow space is divided into the cooling space and the transmission space, the secondary coil can be arranged in the transmission space. It goes without saying that the secondary coil and the at least one electrical component of the rectifier are connected to one another in an electrically conductive manner or are in electrical contact with one another.
  • the invention also relates to an inductively electrically excited synchronous machine with the rotor group described above.
  • the synchronous machine also has a stator group with a stator, the rotor group in the stator around the Axis of rotation is rotatably received.
  • the rotor of the rotor group and the stator of the stator group are arranged to interact electromagnetically with one another at a radial distance from one another.
  • the stator group has a primary-side circuit of the inductive energy transmitter with an inverter and a primary coil.
  • the circuit on the primary side is arranged in a rotationally fixed manner in the stator group.
  • the rotor group has the secondary circuit of the energy transmitter with the secondary coil and the rectifier.
  • the primary coil and the secondary coil are arranged so that they can inductively interact with one another.
  • the synchronous machine can advantageously be provided for a motor vehicle. To avoid repetition, reference is made here to the above explanations.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a synchronous machine according to the invention with a rotor group according to the invention in a first embodiment
  • FIG. 2 shows a sectional view of the synchronous machine according to the invention with the rotor group according to the invention in a second embodiment
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of an energy transmitter in the synchronous machine according to the invention.
  • the rotor group 2 has a hollow shaft 3 and a rotor 4 , the hollow shaft 3 being rotatable about an axis of rotation RA and the rotor 4 being non-rotatably connected to the hollow shaft 3 .
  • the rotor group 2 has a secondary-side circuit 5 of an energy transmitter 6 .
  • the secondary-side circuit 5 is non-rotatably connected to the rotor group 2 or to the hollow shaft 3 and includes - see also Fig. 3 - a rectifier 7 and a secondary coil 8.
  • the hollow shaft 3 also has a cavity 9 and the secondary-side circuit 5 - So here the rectifier 7 and a secondary coil 8 - are arranged in the cavity 9.
  • the rectifier 7 has a circuit board 10 with several electrical components 11 and a heat sink 12 .
  • the heat sink 12 lies away from the electrical components 11 on the printed circuit board 10 and is connected to the line terplatte 10 heat-transferring connected.
  • the heat sink 12 can be in direct contact with the electrical components 11 in a heat-transferring manner.
  • the heat from the electrical components 11 can be dissipated directly to the heat sink 12 and the heat conduction path can thereby be shortened.
  • the heat generated in the electrical components 11 can be dissipated via the printed circuit board 10 to the heat sink 12 .
  • the rectifier 7 is aligned in the cavity 9 transversely to the axis of rotation RA and divides the cavity 9 into a cooling space 9a and a transmission space 9b.
  • the heat sink 12 of the rectifier 7 seals the cooling chamber 9a and the transmission chamber 9b from one another in a fluid-tight manner.
  • an annular sealing element 13 encircling the axis of rotation RA is arranged between the heat sink 12 and the hollow shaft 3 .
  • the rectifier 7 is arranged with the heat sink 12 facing the cooling space 9a and with the printed circuit board 10 facing the transmission space 9b.
  • the secondary coil 8 is fixed to an inner wall of the hollow shaft 3 in the transmission space 9b.
  • a gaseous or liquid cooling fluid can flow through the cooling space 9a.
  • the cooling fluid flows into the cooling chamber 9a at an axial end 3a of the hollow shaft 3 that is open to the outside and flows out of the cooling chamber 9a via a plurality of openings 14 leading radially outward.
  • the axial end 3a is arranged axially opposite an A-side axial end 3b of the hollow shaft 3 .
  • the cooling fluid flows around the cooling body 12 and the heat is released from the cooling body 12 to the cooling fluid.
  • the heat sink 12 also has a cooling structure 15 facing the cooling chamber 9a with a plurality of cooling ribs 16—or alternatively with a plurality of cooling pins—which additionally intensify the heat dissipation to the cooling fluid.
  • the synchronous machine 1 also has a primary-side circuit 17 of the energy transformer 6 with a primary coil 18--see also FIG. 3 in this regard.
  • the primary coil 18 protrudes into the transmission space 9b and into the annular secondary coil 8 .
  • An annular gap running around the axis of rotation RA is formed between the secondary coil 8 and the primary coil 18 and the secondary coil 8 and the primary coil 18 can interact with one another electromagnetically or in an energy-transmitting or inductive manner via the gap.
  • the hollow shaft 3 is designed in two parts and has a stub shaft 19 and a shaft cover 20 .
  • the stub shaft 19 includes the transmission space 9b of the hollow shaft 3 and is associated with the A-side axial end 3b of the hollow shaft 3 .
  • the stub shaft 19 and the shaft cover 20 are both bottle-shaped, so that the cavity 9 widens from the axial end 3a toward the center and narrows from the center toward the A-side axial end 3b.
  • the rectifier 7 is disposed in the stub shaft 19 and the secondary coil 8 is disposed in a narrower portion of the cavity 9 and the transmission space 9b, respectively.
  • the synchronous machine 1 also comprises a stator and a housing which are arranged to rotate around the rotor group 2 about the axis of rotation RA.
  • the stator and housing are not shown here for clarity.
  • FIG. 2 shows a sectional view of the synchronous machine 1 according to the invention with the rotor group 2 according to the invention in a second embodiment.
  • the stub shaft 19 here has a greater axial length compared to the first embodiment in FIG.
  • the secondary coil 8 is arranged in a wider area of the cavity 9 or of the transmission space 9b and is designed to be axially more compact.
  • 3 shows a circuit diagram of the energy transmitter 6 in the synchronous machine 1 according to the invention.
  • the energy transmitter 6 has the primary-side circuit 17 with a connection 21 , an inverter 22 and the primary coil 18 .
  • the connection 21 can be provided, for example, for connecting the energy transmitter 6 to on-board electronics of a motor vehicle.
  • the energy transmitter 6 has the secondary-side circuit 5 with the secondary coil 8, the rectifier 7 and a rotor winding 23 of the rotor.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotorgruppe (2) für eine induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine (1). Die Rotorgruppe (2) weist eine um eine Rotationsachse (RA) drehbare Hohlwelle (3), einen Rotor (4) und eine sekundärseitige Schaltung (5) eines Energieübertragers (6) auf. Die sekundärseitige Schaltung (5) weist einen Gleichrichter (7) mit einer Leiterplatte (10) und wenigstens einem elektrischen Bauteil (11) und eine Sekundärspule (8) auf. Erfindungsgemäß ist der Gleichrichter (7) quer zur Rotationsachse (RA) ausgerichtet und in einem Hohlraum (9) der Hohlwelle (3) drehfest angeordnet. Die Erfindung betrifft auch die Synchronmaschine (1) mit der Rotorgruppe (2).

Description

Rotorgruppe und eine Synchronmaschine mit der Rotorgruppe
Die Erfindung betrifft eine Rotorgruppe für eine induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und die induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine mit der Rotorgruppe.
Eine induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine ist beispielweise aus
EP 2 869 316 B1 bekannt und weist einen Stator und einen in dem Stator drehbar angeordneten Rotor auf. Der Stator und der Rotor werden mit Energie versorgt und können elektromagnetisch miteinander wechselwirken. Zum Übertragen der Energie in den drehenden Rotor ist dabei ein induktiver Energieübertra- ger vorgesehen, der eine statorseitige bzw. stationäre Primärspule und eine rotorseitige bzw. drehende Sekundärspule aufweist. Ferner ist ein rotorseitiger bzw. drehender Gleichrichter vorgesehen. Der Gleichrichter ist durch eine Leiterplatte mit mehreren miteinander verschalteten elektrischen Bauteilen gebildet. Die Leiterplatte ist üblicherweise auf dem Rotor oder an einer Welle der Synchronmaschine befestigt und die elektrischen Bauteile sind in einem Durchmesser um die Welle herum angeordnet.
Im Betrieb der Synchronmaschine wird der Gleichrichter mit der Welle mitrotiert und die elektrischen Bauteile erfahren große Fliehkräfte und Vibrationen. Das kann zur Beschädigung der elektrischen Bauteile und/oder deren Lötstellen und folglich zum Ausfall der Synchronmaschine führen. Nachteiligerweise ist der kleinste Durchmesser der Leiterplatte nach unten begrenzt und die elektrischen Bauteile sowie deren Anbindung an die Leiterplatte müssen deshalb vorbestimmte Festigkeitsanforderungen erfüllen. Dadurch ist die Auswahl der elektrischen Bauteile für den Gleichrichter der Synchronmaschine begrenzt und die Kosten des Gleichrichters entsprechend hoch. Des Weiteren erhitzen sich der Rotor und die Welle im Betrieb der Synchronmaschine erheblich. Da der Gleichrichter nahe an der Welle und nahe an dem Rotor positioniert ist, ist die Temperaturobergrenze der Welle und des Rotors durch die Temperaturobergrenze der elektrischen Bauteile des Gleichrichters begrenzt. Dadurch stellt die Kühlung der Welle und des Rotors eine weitere Herausforderung dar.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, für eine Synchronmaschine und eine Rotorgruppe für die Synchronmaschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine Rotorgruppe ist für eine induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine vorgesehen. Die Synchronmaschine kann für ein Kraftfahrzeug vorgesehen sein. Die Rotorgruppe weist dabei eine um eine Rotationsachse drehbare Hohlwelle und einen mit der Hohlwelle drehfest verbundenen Rotor auf. Die Rotorgruppe weist zudem eine sekundärseitige Schaltung eines Energieübertragers auf, wobei die sekundärseitige Schaltung in der Rotorgruppe drehfest angeordnet ist. Die sekundärseitige Schaltung weist dabei eine Sekundärspule und einen Gleichrichter mit einer Leiterplatte und mit wenigstens einem auf der Leiterplatte befestigten elektrischen Bauteil auf. Erfindungsgemäß ist der Gleichrichter quer zur Rotationsachse ausgerichtet und in einem Hohlraum der Hohlwelle drehfest angeordnet. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind die Begriffe "radial" und "axial" stets auf die Rotationsachse bezogen. Der Begriff "um laufend" bezieht sich - sobald nicht anders definiert ist - auf die Rotationsachse der Hohlwelle.
Der Hohlraum ist innerhalb der Hohlwelle ausgebildet und der Gleichrichter ist in dem Hohlraum der Hohlwelle bzw. innerhalb der Hohlwelle angeordnet. Der Hohlraum kann dabei durch eine die Hohlwelle bildende Wandung nach außen begrenzt sein und der Gleichrichter kann mit der Hohlwelle bzw. mit der Wandung der Hohlwelle unmittelbar oder mittelbar festverbunden sein. Insbesondere kann der Gleichrichter mit der Hohlwelle bzw. mit der Wandung der Hohlwelle kraftschlüssig und/oder formschlüssig festverbunden sein.
Das wenigstens eine elektrische Bauteil ist auf der Leiterplatte befestigt und kann mit der Leiterplatte elektrisch leitend verbunden bzw. elektrisch kontaktiert sein. Vorteilhafterweise kann der Gleichrichter mehrere elektrischen Bauteile aufweisen, die an der Leiterplatte befestigt sind. Die jeweiligen elektrischen Bauteile können dabei über die Leiterplatte elektrisch leitend miteinander verbunden bzw. miteinander elektrisch kontaktiert sein. Die elektrischen Bauteile können beispielweise Dioden und/oder elektrische Widerstände und/oder weitere Elemente sein. Es versteht sich, dass die jeweiligen elektrischen Bauteile auf der Leiterplatte zu einer Gleichrichter-Schaltung verschaltet sind. Der Gleichrichter bzw. die Gleichrichter-Schaltung ist zweckgemäß mit einer außerhalb der Hohlwelle liegenden Rotorwicklung des Rotors - beispielweise durch die Hohlwelle hindurch - elektrisch leitend kontaktiert.
In der erfindungsgemäßen Rotorgruppe ist der Gleichrichter in dem Hohlraum der Hohlwelle angeordnet und die jeweiligen elektrischen Bauteile können auf der Leiterplatte mittig bzw. auf einem geringeren Durchmesser angeordnet sein. Dadurch können die Fliehkräfte, die auf die jeweiligen elektrischen Bauteile bei identischer Drehzahl der Rotorgruppe wirken, reduziert werden. Dadurch kann die Rotorgruppe bei einer höheren Drehzahl betrieben werden, ohne dass die jeweiligen elektrischen Bauteile oder deren Lötstellen und somit der Gleichrichter beschädigt werden. Die Rotorgruppe kann dadurch eine höhere Drehzahlfestigkeit aufweisen.
Zudem kann der Gleichrichter innerhalb der Hohlwelle vor einer mechanischen Beschädigung vor Umgebungseinflüssen - wie beispielweise vor einem Kühlmedium, einer Verschmutzung mit elektrisch leitfähigen Partikeln usw. - geschützt sein. Die Hohlwelle stellt zudem eine Schirmung gegenüber der Einkopplung von Störungen - wie beispielsweise EMV-Störungen (EMV: Elektromagnetische Verträglichkeit) - dar, so dass ein zusätzliches Gehäuse für den Gleichrichter nicht notwendig ist. Des Weiteren kann der Gleichrichter mit der Rotorgruppe bzw. mit dem Rotor in einem gemeinsamen Wucht-Prozess ausgewuchtet werden. Durch den gemeinsamen Wucht-Prozess können die Wuchtgüte maximiert bzw. die zulässige Restunwucht minimiert werden.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine elektrische Bauteil des Gleichrichters auf der Hohlwelle mechanisch abgestützt ist. Dadurch kann das wenigstens eine elektrische Bauteil vor der mechanischen Beschädigung besonders effektiv geschützt werden.
Die Hohlwelle kann aus einem Wellenstumpf und einem den Wellenstumpf axial schließenden Wellendeckel ausgebildet sein. Der Wellenstumpf und der Wellendeckel können bei der Montage der Hohlwelle stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig festverbunden sein und den Hohlraum der Hohlwelle nach außen abgrenzen. Der Gleichrichter kann mit dem Wellenstumpf oder mit dem Wellendeckel der Hohlwelle fest verbunden sein. Insbesondere kann der Gleichrichter mit dem Wellenstumpf oder mit dem Wellendeckel stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig festverbunden sein. Dabei kann die Montage des Gleichrichters bei der Montage der Hohlwelle erfolgen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Rotorgruppe ist vorgesehen, dass der Gleichrichter einen Kühlkörper aufweist. Der Kühlkörper ist dabei an der Leiterplatte des Gleichrichters von dem wenigstens einen elektrischen Bauteil abgewandt und wärmeübertragend befestigt. Der Kühlkörper ist also wärmeübertragend mit der Leiterplatte verbunden und kann die durch das wenigstens eine elektrische Bauteil erzeugte Wärme nach außen - beispielweise an ein den Kühlkörper umgebendes Medium - abführen. Dadurch können die Leiterplatte und das wenigstens eine elektrische Bauteil effektiv gekühlt werden. Zweckgemäß kann der Kühlkörper aus einem wärmeleitenden Material geformt sein.
Zusätzlich kann das wenigstens eine elektrische Bauteil des Gleichrichters mit einer wärmeleitenden Vergussmasse vergossen sein. Durch die Vergussmasse können die Wärmeleitung in dem Gleichrichter und dadurch die Kühlung des wenigstens einen elektrischen Bauteils verbessert werden. Zudem kann durch die Vergussmasse eine Beschädigung des wenigstens einen elektrischen Bauteils durch Vibrationen/Erschütterung vermieden werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass in dem Gleichrichter das wenigstens eine elektrische Bauteil mit der Leiterplatte und/oder die wenigstens eine Leiterplatte mit dem Kühlkörper jeweils über ein wärmeleitendes Wärmeleitpad wärmeübertragend verbunden sind. Dadurch können die Wärmeleitung in dem Gleichrichter und dadurch die Kühlung des wenigstens einen elektrischen Bauteils und/oder der Leiterplatte verbessert werden. Um die Kühlung des Gleichrichters zu verbessern, kann der Kühlkörper von der Leiterplatte abgewandt eine Kühlstruktur aufweisen. Die Kühlstruktur kann beispielweise durch wenigstens eine Kühlrippe und/oder durch mehrere Kühlpins realisiert sein. Durch die Kühlstruktur kann die an ein umgebendes Medium angrenzende Oberfläche des Kühlkörpers vergrößert und dadurch die die Wärmeabgabe an das Medium intensiviert werden. Dadurch kann insgesamt die Kühlung des Gleichrichters verbessert werden.
Vorteilhafterweise kann der Kühlkörper von der Hohlwelle mittels einer dielektrischen Ummantelung elektrisch isoliert sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Kühlkörper aus einem dielektrischen Material, vorzugsweise aus einem Verbundwerkstoff, geformt sein. Dadurch kann eine Beschädigung des Gleichrichters bzw. des wenigstens einen elektrischen Bauteils durch in dem Rotor erzeugte Ringströme verhindert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Rotorgruppe kann der Kühlkörper den Hohlraum der Hohlwelle in einen Kühlraum und in einen Übertragungsraum fluiddicht aufteilen. Der Kühlraum kann dabei von der Leiterplatte abgewandt angeordnet und von einem flüssigen oder gasigen Kühlfluid durchströmbar sein. Der Übertragungsraum kann die Leiterplatte aufnehmen. Anders formuliert ist der Gleichrichter mit der Leiterplatte dem Übertragungsraum und mit dem Kühlkörper dem Kühlraum zugewandt angeordnet. Zum Abdichten des Kühlraums von dem Übertragungsraum kann der Kühlkörper wenigstens ein Dichtungselement aufweisen. Das Dichtungselement kann beispielweise eine Ringdichtung sein. Der Kühlkörper kann dabei als separates Bauteil ausgeführt sein und auf dem Wellenstumpf oder auf dem Wellendeckel formschlüssig befestigt sein.
Das Kühlfluid überströmt und/oder umströmt den Kühlkörper in dem Kühlraum und führt die Wärme von dem Kühlkörper ab. Die Leiterplatte und das wenigstens eine elektrische Bauteil können dadurch im Betrieb der Rotorgruppe effektiv gekühlt werden und unterhalb einer Temperaturobergrenze bleiben. Dadurch können die Dauerleistung und die Spitzenleistung der Rotorgruppe ohne Verwendung von Hochtemperatur-Komponenten erhöht werden. Bei einer höheren Leistungsdichte können also Kosten der Rotorgruppe reduziert werden.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Hohlwelle ein nach außen offenes und in den Kühlraum führendes Axialende aufweist und das Kühlfluid in den Kühlraum der Hohlwelle über das offene Axialende einströmbar ist. Die Hohlwelle weist dann auch wenigstens eine aus dem Kühlraum radial nach außen führende Öffnung auf und das Kühlfluid ist aus dem Kühlraum der Hohlwelle über die wenigstens eine Öffnung ausströmbar. Durch eine direkte Kühlung der Hohlwelle und des Rotors mit dem Kühlfluid sind die Umgebungstemperaturen des Gleichrichters im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen reduziert.
Die Sekundärspule der sekundärseitigen Schaltung kann vorteilhafterweise in dem Hohlraum der Hohlwelle oder außerhalb des Hohlraums der Hohlwelle induktiv mit einer primärseitigen Schaltung des Energieübertragers wechselwirkbar angeordnet sein. Ist die Sekundärspule in dem Hohlraum der Hohlwelle angeordnet, so kann die Sekundärspule innerhalb des Hohlraums an einer Wandung der Hohlwelle die Rotationsachse umlaufend befestigt sein, ist der Hohlraum in den Kühlraum und in den Übertragungsraum aufgeteilt, so kann die Sekundärspule in dem Übertragungsraum angeordnet sind. Es versteht sich, dass die Sekundärspule und das wenigstens eine elektrische Bauteil des Gleichrichters miteinander elektrisch leitend verbunden bzw. miteinander elektrisch kontaktiert sind.
Die Erfindung betrifft auch eine induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine mit der oben beschriebenen Rotorgruppe. Die Synchronmaschine weist zudem eine Statorgruppe mit einem Stator auf, wobei die Rotorgruppe in dem Stator um die Rotationsachse drehbar aufgenommen ist. Dabei sind der Rotor der Rotorgruppe und der Stator der Statorgruppe elektromagnetisch miteinander wechselwirkbar mit einem radialen Abstand zueinander angeordnet. Die Statorgruppe weist eine primärseitige Schaltung des induktiven Energieübertragers mit einem Wechselrichter und eine Primärspule auf. Die primärseitige Schaltung ist dabei in der Statorgruppe drehfest angeordnet. Wie oben bereits erläutert, weist die Rotorgruppe die sekundärseitige Schaltung des Energieübertragers mit der Sekundärspule und dem Gleichrichter auf. Die Primärspule und die Sekundärspule sind dabei miteinander induktiv wechselwirkbar angeordnet. Die Synchronmaschine kann vorteilhafterweise für ein Kraftfahrzeug vorgesehen sein. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird hier auf die obigen Ausführungen verwiesen.
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 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine mit einer erfindungsgemäßen Rotorgruppe in einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Synchronmaschine mit der erfindungsgemäßen Rotorgruppe in einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 3 ein Schaltungsschema eines Energieübertragers in der erfindungsgemäßen Synchronmaschine.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen induktiv elektrisch erregten Synchronmaschine 1 mit einer erfindungsgemäßen Rotorgruppe 2 in einer ersten Ausführungsform. Die Rotorgruppe 2 weist dabei eine Hohlwelle 3 und einen Rotor 4 auf, wobei die Hohlwelle 3 um eine Rotationsachse RA drehbar ist und der Rotor 4 drehfest mit der Hohlwelle 3 verbunden ist. Zudem weist die Rotorgruppe 2 eine sekundärseitige Schaltung 5 eines Energieübertragers 6 auf. Die sekundärseitige Schaltung 5 ist drehfest mit der Rotorgruppe 2 bzw. mit der Hohlwelle 3 verbunden und umfasst - siehe hierzu auch Fig. 3 - einen Gleichrichter 7 und eine Sekundärspule 8. Die Hohlwelle 3 weist zudem einen Hohlraum 9 auf und die sekundärseitige Schaltung 5 - also hier der Gleichrichter 7 und eine Sekundärspule 8 - sind in dem Hohlraum 9 angeordnet.
Der Gleichrichter 7 weist dabei eine Leiterplatte 10 mit mehreren elektrischen Bauteilen 11 und einen Kühlkörper 12 auf. Der Kühlkörper 12 liegt dabei von den elektrischen Bauteilen 11 abgewandt an der Leiterplatte 10 an und ist mit der Lei- terplatte 10 wärmeübertragend verbunden. Alternativ kann der Kühlkörper 12 unmittelbar an den elektrischen Bauteilen 11 wärmeübertragend anliegen. Dadurch kann die Wärme von den elektrischen Bauteilen 11 direkt an den Kühlkörper 12 abgegeben werden und dadurch der Wärmeleitpfad verkürzt werden. Dadurch kann die in den elektrischen Bauteilen 11 erzeugte Wärme über die Leiterplatte 10 zu dem Kühlkörper 12 abgeführt werden. Der Gleichrichter 7 ist in dem Hohlraum 9 quer zur Rotationsachse RA ausgerichtet und teilt den Hohlraum 9 in einen Kühlraum 9a und einen Übertragungsraum 9b auf. Der Kühlkörper 12 des Gleichrichters 7 dichtet dabei den Kühlraum 9a und den Übertragungsraum 9b fluiddicht voneinander ab. Dazu ist zwischen dem Kühlkörper 12 und der Hohlwelle 3 ein ringförmiges und die Rotationsachse RA umlaufendes Dichtungselement 13 angeordnet. Der Gleichrichter 7 ist dabei mit dem Kühlkörper 12 dem Kühlraum 9a und mit der Leiterplatte 10 dem Übertragungsraum 9b zugewandt angeordnet. Die Sekundärspule 8 ist in dem Übertragungsraum 9b an einer Innenwandung der Hohlwelle 3 festgelegt.
Der Kühlraum 9a ist von einem gasigen oder flüssigen Kühlfluid durchströmbar. Das Kühlfluid strömt dabei an einem nach außen offenen Axialende 3a der Hohlwelle 3 in den Kühlraum 9a ein und über mehrere radial nach außen führende Öffnungen 14 aus dem Kühlraum 9a aus. Das Axialende 3a ist dabei einem A- seitigen Axialende 3b der Hohlwelle 3 axial gegenüberliegend angeordnet. Das Kühlfluid umströmt dabei den Kühlkörper 12 und die Wärme wird von dem Kühlkörper 12 an das Kühlfluid abgegeben. Der Kühlkörper 12 weist zudem dem Kühlraum 9a zugewandt eine Kühlstruktur 15 mit mehreren Kühlrippen 16 - oder alternativ mit mehreren Kühlpins - auf, die die Wärmeabgabe an das Kühlfluid zusätzlich intensivieren.
Die Synchronmaschine 1 weist zudem eine primärseitige Schaltung 17 des Ener- gieübertragers 6 mit einer Primärspule 18 - siehe hierzu auch Fig. 3 - auf. Die Primärspule 18 ragt dabei in den Übertragungsraum 9b und in die ringförmige Sekundärspule 8 hinein. Zwischen der Sekundärspule 8 und der Primärspule 18 ist ein ringförmiger und die Rotationsachse RA um laufender Spalt gebildet und die Sekundärspule 8 und der Primärspule 18 können über den Spalt miteinander elektromagnetisch bzw. energieübertragend bzw. induktiv wechselwirken.
Zur vereinfachten Montage ist die Hohlwelle 3 zweiteilig ausgebildet und weist einen Wellenstumpf 19 und einen Wellendeckel 20 auf. Der Wellenstumpf 19 umfasst dabei den Übertragungsraum 9b der Hohlwelle 3 und ist dem A-seitigen Axialende 3b der Hohlwelle 3 zugeordnet. Der Wellenstumpf 19 und der Wellendeckel 20 sind beide flaschenförmig ausgebildet, so dass der Hohlraum 9 sich von dem Axialende 3a zur Mitte aufweitet und von der Mitte zu dem A-seitigen Axialende 3b verengt. In der ersten Ausführungsform ist der Gleichrichter 7 in dem Wellenstumpf 19 und die Sekundärspule 8 in einem engeren Bereich des Hohlraums 9 bzw. des Übertragungsraums 9b angeordnet.
Es versteht sich, dass die Synchronmaschine 1 auch einen Stator und ein Gehäuse umfasst, die um die Rotorgruppe 2 um die Rotationsachse RA um laufend angeordnet sind. Der Stator und das Gehäuse sind hier jedoch zur Übersichtlichkeit nicht gezeigt.
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 mit der erfindungsgemäßen Rotorgruppe 2 in einer zweiten Ausführungsform. Abweichend zu der ersten Ausführungsform in Fig. 1 weist hier der Wellenstumpf 19 eine größere axiale Länge im Vergleich zu der ersten Ausführungsform in Fig. 1 auf. Die Sekundärspule 8 ist dabei in einem breiteren Bereich des Hohlraums 9 bzw. des Übertragungsraums 9b angeordnet und ist axial kompakter ausgebildet. Fig. 3 zeigt ein Schaltungsschema des Energieübertragers 6 in der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 . Der Energieübertrager 6 weist dabei die primärseitige Schaltung 17 mit einem Anschluss 21 , einem Wechselrichter 22 und der Primärspule 18 auf. Der Anschluss 21 kann beispielweise zum verschalten des Energieübertragers 6 mit einer Board-Elektronik eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein. Zudem weist der Energieübertrager 6 die sekundärseitige Schaltung 5 mit der Sekundärspule 8, dem Gleichrichter 7 und einer Rotorwicklung 23 des Rotors auf.
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Claims

Ansprüche
1 . Rotorgruppe (2) für eine induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine (1 ),
- wobei die Rotorgruppe (2) eine um eine Rotationsachse (RA) drehbare Hohlwelle (3) und einen mit der Hohlwelle (3) drehtest verbundenen Rotor (4) aufweist,
- wobei die Rotorgruppe (2) eine sekundärseitige Schaltung (5) eines Energieübertragers (6) aufweist und die sekundärseitige Schaltung (5) in der Rotorgruppe (2) drehtest angeordnet ist, und
- wobei die sekundärseitige Schaltung (5) einen Gleichrichter (7) mit einer Leiterplatte (10) und wenigstens einem auf der Leiterplatte (10) befestigten elektrischen Bauteil (11 ) und eine Sekundärspule (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (7) quer zur Rotationsachse (RA) ausgerichtet ist und in einem Hohlraum (9) der Hohlwelle (3) drehfest angeordnet ist.
2. Rotorgruppe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine elektrische Bauteil (11 ) des Gleichrichters (7) auf der Hohlwelle (3) mechanisch abgestützt ist.
3. Rotorgruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Hohlwelle (3) aus einem Wellenstumpf (19) und einem den Wellenstumpf (19) axial schließenden Wellendeckel (20) ausgebildet ist, und
- dass der Gleichrichter (7) mit dem Wellenstumpf (19) oder mit dem Wellendeckel (20) der Hohlwelle (3) fest verbunden ist.
4. Rotorgruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (7) einen Kühlkörper (12) aufweist, wobei der Kühlkörper (12) an der Leiterplatte (10) des Gleichrichters (7) von dem wenigstens einen elektrischen Bauteil (11 ) abgewandt und wärmeübertragend befestigt ist.
5. Rotorgruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
- dass das wenigstens eine elektrische Bauteil (11 ) des Gleichrichters (7) mit einer wärmeleitenden Vergussmasse vergossen ist, und/oder
- dass das wenigstens eine elektrische Bauteil (11 ) des Gleichrichters (7) mit der Leiterplatte (10) über ein wärmeleitendes Wärmeleitpad wärmeübertragend verbunden ist, und/oder
- dass die wenigstens eine Leiterplatte (10) des Gleichrichters (7) mit dem Kühlkörper (12) über ein wärmeleitendes Wärmeleitpad wärmeübertragend verbunden ist.
6. Rotorgruppe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
- dass der Kühlkörper (12) von der Hohlwelle (3) mittels einer dielektrischen Ummantelung elektrisch isoliert ist, und/oder
- dass der Kühlkörper (12) aus einem dielektrischen Material, vorzugsweise aus einem Verbundwerkstoff, geformt ist.
7. Rotorgruppe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (12) von der Leiterplatte (10) abgewandt eine Kühlstruktur (15), vorzugsweise wenigstens eine Kühlrippe (16) und/oder wenigstens zwei Kühlpins, aufweist. 15
8. Rotorgruppe nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (12) den Hohlraum (9) der Hohlwelle (3) in einen von der Leiterplatte (10) abgewandten und von einem flüssigen oder gasigen Kühlfluid durchström baren Kühlraum (9a) und einen die Leiterplatte (10) aufnehmenden Übertragungsraum (9b) fluiddicht aufteilt.
9. Rotorgruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Hohlwelle (3) ein nach außen offenes und in den Kühlraum (9a) führendes Axialende (3a) aufweist und das Kühlfluid in den Kühlraum (9a) der Hohlwelle (3) über das offene Axialende (3a) einströmbar ist, und
- dass die Hohlwelle (3) wenigstens eine aus dem Kühlraum (9a) radial nach außen führende Öffnung (14) aufweist und das Kühlfluid aus dem Kühlraum (9a) der Hohlwelle (3) über die wenigstens eine Öffnung (14) ausströmbar ist.
10. Rotorgruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärspule (8) der sekundärseitigen Schaltung (5) in dem Hohlraum (9) der Hohlwelle (3) oder außerhalb des Hohlraums (9) der Hohlwelle (3) induktiv mit einer primärseitigen Schaltung (17) des Energieübertragers (6) wechselwirkbar angeordnet ist.
11 . Induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine (1 ),
- wobei die Synchronmaschine (1) die Rotorgruppe (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist, 16
- wobei die Synchronmaschine (1) eine Statorgruppe mit einem Stator aufweist und die Rotorgruppe (2) in dem Stator um eine Rotationsachse (RA) drehbar aufgenommen ist,
- wobei die Statorgruppe eine primärseitige Schaltung (17) des induktiven Ener- gieübertragers (6) aufweist und die primärseitige Schaltung (17) in der Statorgruppe drehfest angeordnet sind,
- wobei die primärseitige Schaltung (17) einen Wechselrichter (22) und eine Primärspule (18) aufweist, und
- wobei die Primärspule (18) und die Sekundärspule (8) miteinander induktiv wechselwirkbar angeordnet sind.
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