WO2025011997A1

WO2025011997A1 - Reduktion von kupferverlusten in induktiven erregereinrichtungen durch gezielte flussführung

Info

Publication number: WO2025011997A1
Application number: PCT/EP2024/068443
Authority: WO
Inventors: Robin MICHELBERGER
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2023-07-11
Filing date: 2024-07-01
Publication date: 2025-01-16
Anticipated expiration: 2026-01-11
Also published as: DE102023206577A1

Abstract

Rotormagnetkern für eine induktive Stromübertragungseinrichtung für eine fremderregte Synchronmaschine, umfassend: eine Funktionsgeometrie, die einen Abstand zwischen einer am Rotormagnetkern angeordneten Sekundärspule und einem Luftspalt zwischen dem Rotormagnetkern und einem Statormagnetkern der Stromübertragungseinrichtung erhöht, sodass die Streufelder in einem Wicklungsraum des Rotormagnetkerns schwächer sind.

Description

Reduktion von Kupferverlusten in induktiven Erregereinrichtungen durch gezielte Flussführung

Die Erfindung betrifft einen Rotormagnetkern für eine induktive Stromübertragungs- einrichtung einer fremderregten Synchronmaschine, eine induktive Stromübertra- gungseinrichtung, eine fremderregte Synchronmaschine und eine Maschine.

Es ist bekannt, dass bei manchen Elektromaschinen elektrische Energie an Spulen einer rotierbaren Komponente übertragen wird, sodass die Spulen auch energetisiert sein können, wenn die Komponente rotiert. Die Übertragung elektrischer Energie kann beispielsweise mit sogenannten Bürsten realisiert sein.

Diese Übertragung elektrischer Energie ist auch bei fremderregten Synchronmaschi- nen notwendig. Die Übertragung kann durch eine induktive Übertragung mittels eines Transformators realisiert sein. Dabei ist das Joch bzw. der Magnetkern des Transfor- mators geteilt, sodass ein Teil des Magnetkerns zusammen mit der Sekundärspule mit dem Rotor der fremderregten Synchronmaschine mitrotieren kann, während der andere Teil des Magnetkerns zusammen mit der Primärspule statisch ist. Die Mag- netkerne sind dabei durch einen Luftspalt getrennt. Somit kann elektrische Energie verschleißfrei an Spulen des Rotors übertragen werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effizientere induktive Stromüber- tragungseinrichtung bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Rotormagnetkern nach An- spruch 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch eine erfindungsgemäße induk- tive Stromübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, eine erfindungsgemäße fremd- erregte Synchronmaschine nach Anspruch 9 und eine erfindungsgemäße Maschine nach Anspruch 10.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran- sprüchen, den Figuren und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungs- beispiele der vorliegenden Erfindung. Bei der Übertragung von Strom mittels einer induktiven Stromübertragungseinrich- tung können durch Streufelder Verluste entstehen.

Ein erfindungsgemäßer Rotormagnetkern für eine induktive Stromübertragungsein- richtung für eine fremderregte Synchronmaschine, umfassend: eine Funktionsgeo- metrie, die einen Abstand zwischen einer am Rotormagnetkern angeordneten Sekun- därspule und einem Luftspalt zwischen dem Rotormagnetkern und einem Statormag- netkern der Stromübertragungseinrichtung erhöht, sodass die Streufelder in einem Wicklungsraum des Rotormagnetkerns schwächer sind.

Eine induktive Stromübertragungseinrichtung funktioniert wie ein Transformator, in- dem ein Wechselstrom an der Primärwicklung am Stator ein oszillierendes Magnet- feld erzeugt. Die Magnetfeldlinien, die den magnetischen Fluss verdeutlichen, fließen primär durch den Magnetkern des Stators, die beiden Luftspalte und den Magnetkern des Rotors. Wodurch ein Wechselstrom in der Sekundärspule des Rotors induziert wird.

Die Primärspule und die Sekundärspule können in Wickelfenstern innerhalb des durch Rotor und Stator eingeschlossenen inneren Bauraum angeordnet sein.

Bei dem oszillierenden Magnetfeld ergeben sich jedoch auch oszillierende Streufel- der im inneren Bauraum zwischen den beiden Magnetkernen (Rotor und Stator), in dem auch die Wickelfenster für die Primär- und Sekundärspule vorgesehen sind. Der magnetische Fluss, der aufgrund der Streufelder durch die Drähte der Sekundärspule fließt, ergibt Verluste in der Effizienz der Leistungsübertragung.

Die Verluste sind ohmsche Verluste in Drähten der Sekundärspule, die dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator zugewandt sind.

Magnetischer Fluss durchdringt den Wickelbereich und induziert Spannungen auf- grund der Wechselfelder. Bei Speisefrequenzen von 100-150 kHz steigen die Ver- luste signifikant an. Die Funktionsgeometrie des Rotors reduziert Streufelder im Wicklungsfenster des Rotors. Somit gibt es weniger magnetischen Fluss durch die Sekundärspule (die Drähte der Sekundärspule) im Wicklungsfenster des Rotors. Verluste in der indukti- ven Übertragung des Stroms werden somit vermindert.

Die Magnetkerne des Rotors oder Stators können gepresste oder gesinterte Ferrit- kerne sein.

Es gibt Ausführungen, bei denen die Funktionsgeometrie einen von einer Radialflä- che abweichenden Übergangsbereich an einer Umfangskante des Rotormagnet- kerns umfasst, wobei die Umfangskante diejenige Kante des Rotormagnetkerns ist, an der der Luftspalt zwischen Rotormagnetkern und dem Statormagnetkern in den Wicklungsraum des Rotormagnetkerns übergeht.

Die als Übergangsbereich ausgeformte Funktionsgeometrie führt den magnetischen Fluss von (den Drähten) der Sekundärspule weg. Dabei wird kein zusätzlicher Bau- raum benötigt.

Es gibt Ausführungen, bei denen der Übergangsbereich eine an die Umfangskante angrenzende konische Fase umfasst

Der Übergangsbereich führt den magnetischen Fluss durch die zusätzliche Fase/Schräge von (den Drähten) der Sekundärspule weg.

Es gibt Ausführungen, bei denen der Übergangsbereich eine an die Umfangskante angrenzende elliptische Abrundung umfasst.

Als weitere Geometrie in dem Übergangsbereich kann eine elliptische Abrundung verwendet werden, welche umlaufend an der Kante ausgeformt ist. Elliptisch kann in einem Spezialfall auch kreisförmig bedeuten. Die elliptische Abrundung führt den magnetischen Fluss weg von (den Drähten) der Sekundärspule. Diese Geometrie kann auch als Einbuchtung ausgeführt sein. Es gibt Ausführungen, bei denen der Übergangsbereich eine an die Umfangskante angrenzende Stufe umfasst.

Als weitere Geometrie in dem Übergangsbereich kann eine Stufe verwendet werden, welche umlaufend an der Kante ausgeformt ist. Die Stufe führt den magnetischen Fluss von (den Drähten) der Sekundärspule weg.

Es gibt Ausführungen, bei denen eine radiale Ausdehnung des Übergangsbereiches größer ist als die axiale Ausdehnung des Übergangsbereiches, insbesondere ist die radiale Ausdehnung 2- bis 10-mal größer als die axiale Ausdehnung.

Für die Erhaltung der Ausdehnung des effektiven Luftspaltes zwischen Rotor- und Statormagnetkern und Reduzierung der Streufelder ergibt sich somit ein optimaler Kompromiss.

Es gibt Ausführungen, bei denen die Funktionsgeometrie eine geometrische Vergrö- ßerung um einen wicklungsfreien Bereich umfasst

Damit wird die Distanz zwischen der Sekundärspule und dem Luftspalt erhöht und somit werden die Verluste aufgrund der Streufelder vermindert. Ferner bleibt der ef- fektive Luftspalt gleich groß.

Eine erfindungsgemäße induktive Stromübertragungseinrichtung umfasst einen Ro- tormagnetkern nach einer der vorherigen Ausführungen.

Eine erfindungsgemäße fremderregte Synchronmaschine umfasst eine induktive Stromübertragungseinrichtung nach obiger Ausführung.

Eine erfindungsgemäße Maschine, insbesondere ein Fahrzeug, umfasst eine fremd- erregte Synchronmaschine nach obiger Ausführung. Fahrzeuge können jegliche Fahrzeuge sein, die zum Transport von Personen oder Gütern dienen, insbesondere an Land aber beispielsweise auch auf Wasser oder in der Luft.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau zum Betreiben einer fremderregten Syn- chronmaschine nach einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 einen Querschnitt einer induktiven Stromübertragungseinrichtung;

Fig. 3 schematisch den magnetischen Fluss zwischen einem Statormagnetkern und einem Rotormagnetkern;

Fig. 4 schematisch die Wirkung des magnetischen Flusses auf die Verluste in der Sekundärspule;

Fig. 5 eine Funktionsgeometrie für eine induktive Stromübertragungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 6 eine Funktionsgeometrie für eine induktive Stromübertragungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 7 eine Funktionsgeometrie für eine induktive Stromübertragungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 8 eine Funktionsgeometrie für eine induktive Stromübertragungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 9 eine Funktionsgeometrie für eine induktive Stromübertragungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 10 eine Funktionsgeometrie für eine induktive Stromübertragungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 11 eine Funktionsgeometrie für eine induktive Stromübertragungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel; und

Fig. 12 eine Maschine mit einer fremderregten Synchronmaschine nach einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau zum Betreiben einer fremderregten Syn- chronmaschine nach einem Ausführungsbeispiel. Das System 1 umfasst eine Batterie 2, einen DC-AC-Wandler 3, einen DC-AC-Wand- ler 4, eine induktive Stromübertragungsvorrichtung 5, einen Stator 6, einen Rotor 7 mit integriertem AC-DC-Wandler. Wobei zumindest Stator 6 und Rotor 7 eine fremd- erregte Synchronmaschine 9 bilden.

Die Batterie 2 gibt Gleichstrom an die DC-AC-Wandler 3 und 4 ab. Der DC-AC- Wandler 4 erzeugt aus dem Gleichstrom 3-Phasen-Drehstrom und gibt den Dreh- strom an den Stator 6 der fremderregten Synchronmaschine 9 ab.

Der DC-AC-Wandler 4 erzeugt einen Wechselstrom, der über die induktive Strom- übertragungseinrichtung 5 an den AC-DC-Wandler im Rotor 7 übertragen wird. Der AC-DC-Wandler erzeugt einen Gleichstrom und speist den Rotor 7 mit dem Gleich- strom. Durch das rotierende Magnetfeld des Stators 6 und das konstante Magnetfeld des Rotors 7 wird eine Drehung des Rotors 7 erzeugt. Mit dem Rotor 7 dreht sich auch der AC-DC-Wandler und ein Rotorteil der induktiven Stromübertragungseinrich- tung 5. Mit der Drehung ist ein Drehmoment M erzeugt.

Rotor 7 umfasst einen Rotormagnetkern und Stator 6 umfasst einen Statormagnet- kern, so wie diese in den folgenden Fig. 2 bis 11 dargestellt sind.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer induktiven Stromübertragungseinrichtung.

Die induktive Stromübertragungseinrichtung 5 umfasst einen Rotormagnetkern 501 und einen Statormagnetkern 502. Der Rotormagnetkern 501 und der Statormagnet- kern 502 sind als Querschnitt auf einer Seite der Rotationsachse 503 der induktiven Stromübertragungseinrichtung 5 dargestellt. Bei dem Rotormagnetkern 501 und dem Statormagnetkern 502 handelt es sich also um Ringe mit unterschiedlichen Radi und einem L-förmigen Querschnitt, sodass diese ineinander geschachtelt angeordnet werden können.

In der ineinander geschachtelten Anordnung des Rotormagnetkerns 501 und des Statormagnetkerns 502 berühren diese sich nicht und sind rotierbar zueinander gelagert (nicht dargestellt). Zwischen Rotormagnetkern 501 und Statormagnetkern 502 sind die Luftspalte 504 und 505 ausgestaltet.

Weiterhin ist ein innerer Bauraum 506 zwischen Rotormagnetkern 501 , Statormag- netkern 502 und den Luftspalten 504 und 505 ausgestaltet. In diesem inneren Bau- raum 506 ist ein Wickelfenster 507 für die Primärspule und ein Wickelfenster 508 für die Sekundärspule dargestellt.

Fig. 3 zeigt schematisch den magnetischen Fluss zwischen einem Statormagnetkern und einem Rotormagnetkern.

Der magnetische Fluss ist durch die Feldlinien(dichte) 509 zwischen dem Rotormag- netkern 501 und dem Statormagnetkern 502 dargestellt.

Die Feldliniendichte 509 ist in den Luftspalten 504 und 505 am höchsten, jedoch er- geben sich in dem Bereich 510 Störfelder, die einen magnetischen Fluss in dem Wicklungsfenster (508 in Fig. 2) bedeuten.

Fig. 4 zeigt schematisch die Wirkung des magnetischen Flusses auf die Verluste in der Sekundärspule.

Die induktive Stromübertragungseinrichtung 5 umfasst einen Rotormagnetkern 501 und einen Statormagnetkern 502. An dem Rotormagnetkern 501 ist eine Sekundär- spule 511 angeordnet. An dem Statormagnetkern 502 ist eine Primärspule 512 ange- ordnet.

In dem Bereich 513 ist eine Simulation der ohmschen Verluste der Sekundärspule 511 dargestellt, die durch die Störfelder (wie in Fig. 3 beschrieben) erzeugt sind. In dem markierten Bereich 514 sind die ohmschen Verluste besonders erhöht. Dieser Bereich 514 ist dem Luftspalt 504 zugewandt.

In Fig. 5 zeigt eine Funktionsgeometrie für eine induktive Stromübertragungseinrich- tung nach einem Ausführungsbeispiel. Die induktive Stromübertragungseinrichtung 5 umfasst einen Rotormagnetkern 501 und einen Statormagnetkern 502.

Der Rotormagnetkern 501 weist eine als Übergangsbereich ausgeformte Funktions- geometrie 515 auf. Der Übergangsbereich ist eine umlaufende Fase an einer Um- fangskante des Rotormagnetkerns, wobei die Umfangskante diejenige Kante des Ro- tormagnetkerns ist, an der der Luftspalt 504 zwischen Rotormagnetkern 501 und dem Statormagnetkern 502 in das Wickelfenster 508 des Rotormagnetkerns 501 übergeht.

Die Fase führt den magnetischen Fluss, dargestellt durch die Magnetfeldlinien 509 im Vergleich zu dem magnetischen Fluss (509) in Fig. 3 weiter von dem Wickelfenster 508 weg, wodurch die Verluste vermindert werden.

Fig. 6 zeigt eine Funktionsgeometrie für eine induktive Stromübertragungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel.

Die induktive Stromübertragungseinrichtung 5 umfasst einen Rotormagnetkern 501 , einen Statormagnetkern 502 und eine als Übergangsbereich ausgeformte Funktions- geometrie 515. Der Rotormagnetkern 501 und der Statormagnetkern 502 sind als Querschnitt auf einer Seite der Rotationsachse 503 dargestellt

Der Übergangsbereich ist eine umlaufende kreisrunde Abrundung an einer Umfangs- kante des Rotormagnetkerns. Die Umfangskante ist dieselbe Kante, wie diese bereits in Fig. 5 dargestellt ist.

Fig. 7 zeigt eine Funktionsgeometrie für eine induktive Stromübertragungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel.

Die induktive Stromübertragungseinrichtung 5 umfasst einen Rotormagnetkern 501 , einen Statormagnetkern 502 und eine als Übergangsbereich ausgeformte Funktionsgeometrie 515. Der Rotormagnetkern 501 und der Statormagnetkern 502 sind als Querschnitt auf einer Seite der Rotationsachse 503 dargestellt.

Der Übergangsbereich ist eine umlaufende elliptische Abrundung an einer Umfangs- kante des Rotormagnetkerns. Die Umfangskante ist dieselbe Kante, wie diese bereits in Fig. 5 dargestellt ist.

Eine radiale Ausdehnung des Übergangsbereiches ist größer als eine axiale Ausdeh- nung des Übergangsbereiches, insbesondere ist die radiale Ausdehnung 2- bis 10- mal größer als die axiale Ausdehnung.

Fig. 8 zeigt eine Funktionsgeometrie für eine induktive Stromübertragungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel.

Die induktive Stromübertragungseinrichtung 5 umfasst einen Rotormagnetkern 501 , einen Statormagnetkern 502 und eine als Übergangsbereich ausgeformte Funktions- geometrie 515. Der Rotormagnetkern 501 und der Statormagnetkern 502 sind als Querschnitt auf einer Seite der Rotationsachse 503 dargestellt.

Der Übergangsbereich ist eine umlaufende Stufe an einer Umfangskante des Rotor- magnetkerns. Die Umfangskante ist dieselbe Kante, wie diese bereits in Fig. 5 darge- stellt ist.

Fig. 9 zeigt eine Funktionsgeometrie für eine induktive Stromübertragungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel.

Der Übergangsbereich ist eine umlaufende elliptische oder im Spezialfall kreisrunde Abrundung, die als Einbuchtung, an einer Umfangskante des Rotormagnetkerns 501 ausgeführt ist. Die Umfangskante ist dieselbe Kante, wie diese bereits in Fig. 5 dar- gestellt ist.

Auch eine Kombination von Übergangsbereichen kann vorgesehen sein. Exempla- risch ist eine Kombination einer Stufe mit einer elliptischen Abrundung in Fig. 10 dar- gestellt und eine Stufe mit einer Fase in Fig. 11.

Ferner kann auch eine Vergrößerung des Innenraumes zwischen Rotormagnetkern 501 und Statormagnetkern 502 vorgesehen sein, sodass ein wicklungsfreier Bereich ausgestaltet ist. Dieser wicklungsfreie Bereich erhöht die Distanz zwischen der Se- kundärspule, die am Rotormagnetkern angeordnet ist, und der Übergangskante, wo- bei die Umfangskante diejenige Kante des Rotormagnetkerns ist, an der der Luftspalt 504 zwischen dem Rotormagnetkern 501 und dem Statormagnetkern 502 in das Wi- ckelfenster 508 des Rotormagnetkerns 501 übergeht.

Fig. 12 zeigt eine Maschine mit einer fremderregten Synchronmaschine nach einem Ausführungsbeispiel.

Die Maschine 600, insbesondere ein Fahrzeug, umfasst ein System 1 (ebenfalls in Fig. 1 ) mit einer fremderregten Synchronmaschine (9 in Fig. 1 ) mit einem Rotor (6, 7 und 8 in Fig. 1 ), wobei der Rotormagnetkern wie in Fig. 5 bis Fig. 11 dargestellt und beschrieben ausgeführt sein kann.

Die Maschine 600 kann ein Fahrzeug zum Transport von Personen und Gütern sein, insbesondere ein Landfahrzeug, aber auch ein Wasserfahrzeug oder ein Luftfahr- zeug. Eine Kombination der Ausführungsbeispiele ist vorgesehen. Insbesondere können die Ausführungsbeispiele der Übergangsbereiche aus Fig. 5 und Fig. 9 kombiniert werden. Ferner ist auch eine Kombination der Übergangsbereiche aus Fig. 5 und Fig. 9 mit einem zusätzlichen wicklungsfreien Bereich vorgesehen.

Bezugszeichen

1 System

2 Batterie

3, 4 DC-AC-Wandler

5 induktive Stromübertragungsvorrichtung

6 Stator

7 AC-DC-Wandler

8 Rotor

9 fremderregte Synchronmaschine

501 Rotormagnetkern

502 Statormagnetkern

503 Rotationsachse

504, 505 Luftspalt

506 innerer Bauraum

507, 508 Wickelfenster

509 Magnetfeldlinien

510, 513, 514 Bereich

511 Sekundärspule

512 Primärspule

515 Übergangsbereich

600 Maschine

Claims

Patentansprüche

1 . Rotormagnetkern für eine induktive Stromübertragungseinrichtung für eine fremderregte Synchronmaschine, umfassend: eine Funktionsgeometrie, die einen Abstand zwischen einer am Rotormagnet- kern angeordneten Sekundärspule und einem Luftspalt zwischen dem Rotormagnet- kern und einem Statormagnetkern der Stromübertragungseinrichtung erhöht, sodass die Streufelder in einem Wicklungsraum des Rotormagnetkerns schwächer sind.

2. Rotormagnetkern nach Anspruch 1 , wobei die Funktionsgeometrie einen von einer Radialfläche abweichenden Übergangsbereich an einer Umfangskante des Ro- tormagnetkerns umfasst, wobei die Umfangskante diejenige Kante des Rotormagnet- kerns ist, an der der Luftspalt zwischen Rotormagnetkern und dem Statormagnetkern in den Wicklungsraum des Rotormagnetkerns übergeht.

3. Rotormagnetkern nach Anspruch 2, wobei der Übergangsbereich eine an die Umfangskante angrenzende konische Fase umfasst.

4. Rotormagnetkern nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Übergangsbereich eine an die Umfangskante angrenzende elliptische Abrundung umfasst.

5. Rotormagnetkern nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Übergangsbe- reich eine an die Umfangskante angrenzende Stufe umfasst.

6. Rotormagnetkern nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei eine radiale Aus- dehnung des Übergangsbereiches größer ist als die axiale Ausdehnung des Über- gangsbereiches, insbesondere ist die radiale Ausdehnung 2- bis 10-mal größer als die axiale Ausdehnung.

7. Rotormagnetkern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Funktionsgeo- metrie eine geometrische Vergrößerung um einen wicklungsfreien Bereich umfasst.

8. Induktive Stromübertragungseinrichtung umfassend einen Rotormagnetkern nach einem der vorherigen Ansprüche.

9. Fremderregte Synchronmaschine umfassend einer induktiven Stromübertra- gungseinrichtung nach Anspruch 8.

10. Maschine, insbesondere ein Fahrzeug, umfassend einer fremderregten Syn- chronmaschine nach Anspruch 9.