WO2025252278A1

WO2025252278A1 - Kontaktlose energieübertragungsvorrichtung und rotor einer elektrischen maschine

Info

Publication number: WO2025252278A1
Application number: PCT/DE2025/100490
Authority: WO
Inventors: Alain Rusch; Thomas Hurle; Timo Woehner; Markus Wagner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2024-06-07
Filing date: 2025-05-19
Publication date: 2025-12-11
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: DE102024115898A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein/eine Kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung (1) für einen Rotor (2) einer elektrischen Maschine (3), insbesondere einer fremderregten Synchronmaschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen induktiven Übertrager (4), welcher eine bestrombare Primärwicklung (5) und eine dazu beabstandete und koaxial angeordnete Sekundärwicklung (6) aufweist, welche ihrerseits unter Zwischenschaltung einer Gleichrichterelektronik (23) an eine bestrombare Wicklung (7) des Rotors (2) angebunden ist, so dass im Betrieb des Rotors (2) die Gleichrichterelektronik (23) Zentrifugalkräften ausgesetzt ist, wobei die Gleichrichterelektronik (23) eine Mehrzahl von elektronisch aktiven Bauelementen (40), die auf wenigstens einer Platine (41) angeordnet und zumindest abschnittsweise von einer Vergussmasse (42) umschlossen sind, aufweist.

Description

Kontaktlose Energieübertragungsvorrichtunq und Rotor einer elektrischen Maschine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung für einen Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere einer fremderregten Synchronmaschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen induktiven Übertrager, welcher eine bestrombare Primärwicklung und eine dazu beabstandete und koaxial angeordnete Sekundärwicklung aufweist, welche ihrerseits unter Zwischenschaltung einer Gleichrichterelektronik an eine bestrombare Wicklung des Rotors angebunden ist, so dass im Betrieb des Rotors die Gleichrichterelektronik Zentrifugalkräften ausgesetzt ist, wobei die Gleichrichterelektronik eine Mehrzahl von elektronisch aktiven Bauelementen, die auf wenigstens einer Platine angeordnet und zumindest abschnittsweise von einer Vergussmasse umschlossen sind, aufweist. Die Erfindung betrifft ferner einen Rotor einer elektrischen Maschine.

Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt elektrische Maschinen eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.

Neben den rein elektrisch betriebenen Antriebssträngen sind auch hybride Antriebsstränge bekannt. Derartige Antriebsstränge eines Hybridfahrzeuges umfassen üblicherweise eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, und ermöglichen - beispielsweise in Ballungsgebieten - eine rein elektrische Betriebsweise bei gleichzeitiger ausreichender Reichweite und Verfügbarkeit gerade bei Überlandfahrten. Zudem besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebssituationen gleichzeitig durch die Brennkraftmaschine und den Elektromotor anzutreiben.

Bei der Entwicklung der für E-Achsen oder Hybridmodule vorgesehenen elektrischen Maschinen besteht ein anhaltendes Bedürfnis daran, deren Leistungsdichten und Effizienz zu steigern und gleichzeitig die Herstellungskosten zu senken, da die Kosten und Gewicht des Fahrzeugs werden maßgeblich durch die Batteriegröße bestimmt werden. In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, die elektrischen Maschinen als fremderregte Synchronmaschine (FSM) auszuführen. Hierbei muss auf den Rotor einer fremderregten Synchronmaschine die elektrische Leistung zur Erregung der Rotorwicklungen übertragen werden. Für Traktionsmaschinen wird hierzu in der Regel ein kontaktbehafteter Übertrager eingesetzt. Werden diese Wicklungen bestromt, entsteht ein Magnetfeld, welches in Kombination mit dem Magnetfeld des Stators ein Drehmoment erzeugt. Die Stärke des Rotorfelds kann über die Stärke der Bestromung angepasst werden. So kann das Maschinenverhalten stets effizienzoptimiert an die jeweilige Fahrsituation angepasst werden.

Die Nachteile eines derartig kontaktbehafteten Übertragers sind mechanische und elektrische Verluste im Kontakt zwischen stehenden und rotierenden Komponenten. Weitere Nachteile sind der Verschleiß der gegeneinander reibenden Komponenten sowie die damit einhergehende Verschmutzung durch Abrieb so wie der vergleichsweise große Bauraumbedarf.

Als eine Alternative zu derartigen kontaktbehafteten Übertragern sind beispielsweise auch berührungslose, induktive Übertrager bekannt. Ein induktiver Übertrager ist üblicherweise ein rotationssymmetrischer Transformator mit Luftspalt bestehend aus einer primärseitigen und einer sekundärseitigen Wicklung. In der Regel hat ein induktiver Übertrager außerdem einen Kern beispielsweise aus Ferrit. Ein derartiger Kem kann aus einem oder mehreren Teilen gefertigt sein.

Beispielsweise können alle Teile des Kerns an der stehenden Maschinenseite einer elektrischen Maschine befestigt sein, wobei dann die sekundärseitige Wicklung innerhalb des Kerns rotiert. Alternativ können Kern-Teile am rotierenden Teil der Maschine befestigt sein. In diesem Fall sind die primär- und sekundärseitigen Kernteile über einen Luftspalt getrennt. Dieser muss dann so groß sein, dass sich die Kernteile unter Berücksichtigung aller Toleranzen und Betriebsbedingungen nicht berühren. Die rotierenden Übertragerteile werden hierzu oft mit einer Bandage versehen oder in ein anderes Bauteil gefügt, um sie drehzahlfest abzustützen. Ein Beispiel für eine derartige Ausführungsvariante findet sich in DE102017214776A1 oder aber in DE201210201826 A1 .

Die DE102021212010A1 beschreibt eine kontaktlose

Energieübertragungseinrichtung, die eine Primär- und Sekundärwicklung sowie eine Gleichrichterelektronik umfasst, um den Rotor mit Energie zu versorgen. Eine der Hauptschwierigkeiten bei derartigen Vorrichtungen liegt in der thermischen und mechanischen Stabilität der Gleichrichterelektronik. Aufgrund der hohen Zentrifugalkräfte, die während des Betriebs wirken, kann es zu mechanischen Spannungen und einer Degradierung der Bauelemente kommen. Diese Kräfte führen oft zu einer unzureichenden mechanischen Stabilität der elektronischen Komponenten. Ein weiteres Problem besteht in der effektiven Ableitung der entstehenden Wärme.

Wenn der Gleichrichter eine Platine umfasst, auf der elektronische Bausteine gelötet sind, können Fliehkräfte und thermische Verzüge zu erheblichen Problemen führen. Durch die hohen Zentrifugalkräfte, die insbesondere in rotierenden Systemen wie in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs auftreten, werden die Lötverbindungen mechanisch stark belastet. Diese Belastungen können Mikrorisse oder vollständige Brüche in den Lötverbindungen verursachen, was die elektrische Verbindung der Bauelemente beeinträchtigt oder unterbricht.

Thermische Verzüge sind ein weiteres Problem. Unterschiede im Temperaturausdehnungskoeffizienten zwischen der Platine und den darauf gelöteten Bauelementen führen bei Temperaturänderungen zu mechanischen Spannungen. Diese Spannungen können ebenfalls zu Mikrorissen oder anderen Schäden in den Lötverbindungen führen. Insbesondere bei wiederholten Temperaturzyklen, wie sie in vielen Anwendungen auftreten, können diese Schäden akkumulieren und schließlich zum Versagen der gesamten Baugruppe führen.

Die DE102021212010A1 bietet zwar Ansätze zur Lösung der beschriebenen Probleme, jedoch besteht weiterhin in mehreren Aspekten, insbesondere in Bezug auf thermische und mechanische Stabilität, Wärmeableitung, elektrische Isolation und/oder EMV sowie Materialwahl und Aufbau der Vergussmasse, Verbesserungsbedarf. Diese Nachteile führen zu einer eingeschränkten Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Energieübertragungsvorrichtung, was die Effizienz und Praktikabilität der Anwendung in einem Kraftfahrzeugantrieb beeinträchtigt.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung eine kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung für einen Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere einer fremderregten Synchronmaschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, bereitzustellen, die die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme beseitigt oder zumindest reduziert. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung einen optimierten Rotor zu realisieren.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung für einen Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere einer fremderregten Synchronmaschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen induktiven Übertrager, welcher eine bestrombare Primärwicklung und eine dazu beabstandete und koaxial angeordnete Sekundärwicklung aufweist, welche ihrerseits unter Zwischenschaltung einer Gleichrichterelektronik an eine bestrombare Wicklung des Rotors angebunden ist, so dass im Betrieb des Rotors die Gleichrichterelektronik Zentrifugalkräften ausgesetzt ist, wobei die Gleichrichterelektronik eine Mehrzahl von elektronisch aktiven Bauelementen, die auf wenigstens einer Platine angeordnet und zumindest abschnittsweise von einer Vergussmasse umschlossen sind, aufweist, wobei ein Verstärkungsring die elektronisch aktiven Bauelemente zumindest abschnittsweise umgreift und sich die Vergussmasse radial an dem Verstärkungsring abstützt, wobei der Verstärkungsring ein E-Modul zwischen 100 GPa und 300 GPa und einen Temperaturkoeffizienten besitzt, der ± 30 % des Temperaturkoeffizienten der Platine entspricht, und die Vergussmasse ein E-modul zwischen 8 GPa - 18 GPa und einen Temperaturkoeffizienten besitzt, der kleiner ist als der vierfache Temperaturkoeffizient der Platine. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass die thermische Ausdehnung des Verstärkungsrings dem Temperaturkoeffizienten der Platine sehr ähnlich ist. Dies führt dazu, dass sich der Verstärkungsring und die Platine unter thermischen Belastungen gleichmäßig ausdehnen und zusammenziehen, was die strukturelle Integrität und Zuverlässigkeit der Gleichrichterelektronik verbessert. Das hohe E- Modul des Verstärkungsrings bewirkt zudem, dass die Aufweitung unter Fliehkraft in der selben Größenordnung wie die der Platine stattfindet, was die mechanische Stabilität der Energieübertragungsvorrichtung erhöht. Die Verwendung der Vergussmasse, die sich radial an dem Verstärkungsring abstützt, trägt zur zusätzlichen mechanischen Stabilisierung bei und schützt die elektronisch aktiven Bauelemente vor äußeren Einflüssen und mechanischen Belastungen. Zudem ermöglicht die Vergussmasse eine einfache und effiziente Integration der Bauelemente, was die Herstellungsprozesse vereinfacht und die Produktionskosten reduziert.

Energieübertragungsvorrichtung

Im Sinne dieser Patentanmeldung ist eine Energieübertragungsvorrichtung eine Baugruppe, die dazu dient, elektrische Energie kontaktlos von einem statischen Teil zu einem rotierenden Teil einer elektrischen Maschine und/oder umgekehrt zu übertragen. Diese Vorrichtung ist insbesondere in einer fremderregten Synchronmaschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs einsetzbar.

Die Funktion der Energieübertragungsvorrichtung besteht darin, eine effiziente und zuverlässige Übertragung von elektrischer Energie zu gewährleisten, ohne dass eine direkte elektrische Verbindung zwischen den statischen und rotierenden Komponenten besteht. Dies wird durch die Induktion zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen ermöglicht. Beispielsweise kann die Primärwicklung mit Wechselstrom gespeist werden, wodurch ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, das in der koaxial angeordneten Sekundärwicklung eine Spannung induziert. Diese Spannung wird dann zur Versorgung der Rotorwicklung der elektrischen Maschine verwendet. Induktiver Übertrager

Im Sinne dieser Patentanmeldung ist ein induktiver Übertrager eine Vorrichtung, die zur kontaktlosen Übertragung von elektrischer Energie durch Induktion zwischen zwei räumlich getrennten Wicklungen dient. Dieser Übertrager findet insbesondere Anwendung in elektrischen Maschinen, wie etwa fremderregten

Synchronmaschinen innerhalb eines Antriebsstrangs von Kraftfahrzeugen, um die Energieübertragung vom statischen Teil zum rotierenden Teil zu ermöglichen.

Die Funktion des induktiven Übertragers besteht darin, durch die Induktion ein magnetisches Feld zu erzeugen, das eine Spannung in einer räumlich getrennten Wicklung induziert. Dies ermöglicht die kontaktlose Übertragung von Energie, was Verschleiß und Wartungsaufwand minimiert und die Zuverlässigkeit der gesamten Vorrichtung erhöht.

Gleichrichterelektronik

Im Sinne dieser Patentanmeldung ist eine Gleichrichterelektronik eine elektronische Schaltungseinheit, die Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umwandelt. Die primäre Funktion der Gleichrichterelektronik besteht also darin, den induktiv übertragenen Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, der für den Betrieb der Rotorwicklungen einer elektrischen Maschine erforderlich ist. Die Gleichrichterelektronik besteht aus mehreren elektronisch aktiven Bauelementen, die auf einer Platine angeordnet sind. Diese Bauelemente umfassen beispielsweise

Gleichrichterdioden: Diese Bauelemente sind vorteilhafterweise so angeordnet, dass sie den Wechselstrom in einen pulsierenden Gleichstrom umwandeln. Sie leiten den Strom nur in eine Richtung und blockieren ihn in der anderen, wodurch die Umwandlung von AC zu DC ermöglicht wird.

Glättungskondensatoren: Diese Kondensatoren sind in der Schaltung integriert, um die durch die Gleichrichtung entstehenden Spannungswelligkeiten zu glätten. Sie speichern elektrische Energie und geben sie bei Bedarf ab, wodurch eine gleichmäßigere und stabilere Gleichspannung erreicht wird. Varistoren und Transistoren: Varistoren schützen die Schaltung vor Überspannungen, indem sie hohe Spannungsspitzen absorbieren. Transistoren können zur Regelung und Verstärkung der Stromflüsse eingesetzt werden, was die Effizienz und Steuerbarkeit der Gleichrichterelektronik verbessert.

Induktive Bauelemente: Diese können verwendet werden, um die Ausgangsspannung weiter zu stabilisieren und elektromagnetische Störungen zu minimieren. Induktive Bauelemente helfen, die Schaltverluste zu reduzieren und die Gesamtleistung der Gleichrichterelektronik zu optimieren.

Kühlkörper und Wärmemanagement: Da die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom Wärme erzeugt, sind Kühlkörper oder andere Wärmemanagementlösungen integriert, um die Betriebstemperatur der elektronischen Bauelemente zu kontrollieren und deren Lebensdauer zu verlängern.

Die Gleichrichterelektronik kann beispielsweise als ein integriertes Gleichrichtermodul ausgebildet sein. Dieses Modul kombiniert mehrere Gleichrichterdioden und zusätzliche Schaltungskomponenten in einem kompakten Bauteil, was die Montage vereinfacht und den Platzbedarf reduziert.

Platine

Im Sinne dieser Patentanmeldung ist eine Platine eine flache, scheibenartige Trägerstruktur, die elektronische Bauelemente mechanisch unterstützt und elektrische Verbindungen zwischen ihnen ermöglicht. Die Platine dient hauptsächlich als Träger für die elektronischen Bauelemente und als leitfähige Verbindung zwischen diesen Bauelementen. Sie besteht aus einem isolierenden Basismaterial, das mit leitfähigen Kupferbahnen versehen ist, welche die elektrischen Schaltungen bilden. Diese Kupferbahnen sind auf oder in die Platine eingebettet und verbinden die verschiedenen elektronischen Bauelemente elektrisch miteinander. Elektronische Bauelemente wie Widerstände, Kondensatoren, Dioden, Transistoren und integrierte Schaltkreise werden auf die Platine gelötet oder mittels anderer Verbindungstechniken befestigt. Durch diese Anordnung wird die Schaltung mechanisch stabilisiert. Die Platine kann mehrere Lagen umfassen, wobei jede Lage zusätzliche Kupferschichten und Isoliermaterialien enthält. Diese mehrlagigen Platinen, auch als Multi-Layer-Platinen bezeichnet, ermöglichen eine höhere Dichte an Verbindungen und komplexere Schaltungen auf begrenztem Raum.

Vorteilhafterweise wird die Platine aus Kunststoffmatenalien, bevorzugt wie FR4 (Glasfaserverstärktes Epoxidharz), hergestellt, das gute elektrische Isoliereigenschaften und mechanische Stabilität bietet. Weitere mögliche Materialien sind Polyimid für hohe Temperaturbeständigkeit oder Keramik für spezielle Hochfrequenzanwendungen. Die leitfähigen Schichten bestehen bevorzugt aus Kupfer, das aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit und Verarbeitbarkeit weit verbreitet ist. Für spezielle Anwendungen kann auch Aluminium oder Gold verwendet werden, um bestimmte elektrische Eigenschaften zu verbessern.

Die einfachste Form einer Platine hat leitende Bahnen nur auf einer Seite des isolierenden Basismaterials. Sie wird vorwiegend in einfachen, kostengünstigen Anwendungen verwendet. Es sind jedoch auch zweiseitige Platinen möglich, welche leitende Bahnen auf beiden Seiten des Basismaterials aufweist, wodurch komplexere Schaltungen möglich sind. Verbindungen zwischen den beiden Seiten werden beispielsweise durch Durchkontaktierungen (Vias) hergestellt. Auch kann eine Platine als eine Multi-Layer-Platine ausgebildet sein. Diese komplexen Platinen bestehen aus mehreren leitfähigen und isolierenden Schichten, die übereinander gestapelt und miteinander verbunden sind. Sie bieten die höchste Dichte an Verbindungen und ermöglichen kompakte, leistungsfähige elektronische Schaltungen.

Im Sinne dieser Patentanmeldung ist eine Vergussmasse ein Material, das zum Einbetten und Schutz von elektronischen Bauelementen und Schaltungen verwendet wird, indem es diese zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig umschließt. Die Vergussmasse bietet hierdurch mechanischen Halt, elektrische Isolierung und Schutz vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Staub und chemischen Substanzen.

Bevorzugt ist eine Vergussmasse so formuliert, dass sie die Wärme von den elektronischen Bauelementen ableitet und verteilet, wodurch eine Überhitzung vermieden wird und die thermische Stabilität der Schaltung gewährleistet wird.

Die Vergussmasse besteht bevorzugt aus einem Basispolymer, das mit verschiedenen Additiven und Füllstoffen kombiniert wird, um die gewünschten mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften zu erreichen. Bevorzugt werden Epoxidharze, Polyurethane oder Silikone verwendet. Epoxidharze bieten hohe Festigkeit und gute elektrische Isolierung, Polyurethane sind flexibel und widerstandsfähig gegenüber mechanischen Belastungen, und Silikone bieten hervorragende Temperaturbeständigkeit und Flexibilität. Um die thermischen Eigenschaften zu verbessern und die mechanische Festigkeit zu erhöhen, können bevorzugt Füllstoffe wie Aluminiumoxid, Siliziumdioxid oder Glasfasern hinzugefügt werden. Diese Füllstoffe verbessern die Wärmeleitfähigkeit und die mechanische Stabilität der Vergussmasse. Um die spezifischen Anforderungen der Anwendung zu erfüllen, können Additive wie Flammschutzmittel, UV-Stabilisatoren oder Antioxidantien in die Vergussmasse eingemischt werden.

Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Temperaturkoeffizient der Vergussmasse zwischen 10 bis 50 ppm/K beträgt. Dadurch wird sichergestellt, dass die thermischen Eigenschaften der Vergussmasse auf die der Platine und des Verstärkungsrings abgestimmt sind. Dies reduziert die Differenzen in den thermischen Ausdehnungen der Materialien, was mechanische Spannungen und mögliche Beschädigungen an den elektronisch aktiven Bauelementen minimiert. Dadurch dass die Vergussmasse bei thermischen Veränderungen nur geringe Volumenänderungen erfährt, gewährleistet dies eine stabile mechanische Verbindung zwischen den elektronischen Bauelementen und dem Verstärkungsring und reduziert das Risiko von Rissen oder Delaminationen. Somit wird die Schutzwirkung der Vergussmasse auch bei wechselnden Betriebstemperaturen verbessert.

Im Sinne dieser Patentanmeldung ist ein Verstärkungsring ein Bauelement, das die mechanische Stabilität und Strukturintegrität einer elektronischen Baugruppe erhöht, indem es diese umgibt und unterstützt. Der Verstärkungsring wird insbesondere verwendet, um elektronische Bauelemente zu umschließen und die sie umgebende Vergussmasse mechanisch zu stützen, um so die Belastungen zu verteilen und die Bauelemente vor mechanischen und thermischen Einflüssen zu schützen. Die primäre Funktion des Verstärkungsrings besteht also darin, die mechanische Stabilität der elektronischen Baugruppe zu gewährleisten. Der Verstärkungsring umgibt die elektronisch aktiven Bauelemente und dient als Barriere, die verhindert, dass die Vergussmasse unter Belastung nachgibt oder reißt. Dadurch wird die strukturelle Integrität der gesamten Baugruppe verbessert und das Risiko von Beschädigungen durch mechanische Stöße oder Vibrationen minimiert.

Der Aufbau des Verstärkungsrings umfasst bevorzugt ein hochfestes Material, das sowohl mechanische Festigkeit als auch thermische Stabilität bietet. Der Verstärkungsring kann aus verschiedenen Materialien gefertigt sein, je nach den spezifischen Anforderungen der Anwendung. Bevorzugt werden Materialien mit einem hohen Elastizitätsmodul und einem angepassten Temperaturkoeffizienten, um thermische Ausdehnungen zu kontrollieren und mechanische Spannungen zu minimieren. Ein bevorzugtes Material ist Stahl, der eine hohe mechanische Festigkeit und ein hohes E-Modul bietet. Aluminium kann ebenfalls verwendet werden, insbesondere wenn ein geringeres Gewicht gewünscht wird. Wenn eine elektrische Isolation notwendig ist, kann der Verstärkungsring mit einer Isolationsschicht, wie einer Keramikbeschichtung oder einem isolierenden Kunststoff, überzogen werden.

Der Verstärkungsring kann in verschiedenen Formen und Designs ausgeführt sein. Eine einfache und effektive Form ist ein geschlossener Ring, der die elektronischen Bauelemente vollständig umgibt und maximalen Schutz bietet. Alternativ kann der Verstärkungsring als segmentierter Ring konstruiert sein, der nur bestimmte Bereiche der Bauelemente umschließt, um Material und Gewicht zu sparen. In einigen Fällen kann der Verstärkungsring auch als kombinierte Struktur mit integrierten Kühlrippen oder anderen wärmeableitenden Merkmalen ausgeführt sein, um die thermische Leistung zu verbessern.

Zusätzlich kann der Verstärkungsring in Verbindung mit anderen strukturellen Komponenten, wie Halterungen oder Befestigungselementen, eingesetzt werden, um die Montage und Integration in das Gesamtsystem zu erleichtern. Diese Kombinationen können die mechanische Stabilität weiter erhöhen und die Installation vereinfachen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Temperaturkoeffizient des Verstärkungsrings zwischen 9,5 und 12 ppm/K beträgt. Dies führt zu einer noch genaueren thermischen Abstimmung mit der Platine und verbessert somit die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Gleichrichterelektronik. Durch diese präzise Abstimmung werden thermisch induzierte mechanische Spannungen minimiert, was die Gesamtstabilität der Energieübertragungsvorrichtung weiter erhöht.

Die Einstellung des Temperaturkoeffizienten der Vergussmasse auf einen Bereich zwischen 10 und 50 ppm/K kann ferner auch den Vorteil realisieren, dass thermische Spannungen zwischen der Vergussmasse und der Platine weiter minimiert werden. Diese thermische Kompatibilität trägt dazu bei, Risse und andere Schäden zu verhindern, die durch ungleichmäßige thermische Ausdehnung entstehen könnten. Dies erhöht die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der umschlossenen elektronischen Bauelemente, was insbesondere in anspruchsvollen Umgebungen wie im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs von Bedeutung ist.

Um den Temperaturkoeffizienten eines Materials in ppm/K zu ermitteln, können verschiedene standardisierte Messverfahren gemäß DIN, ISO und ASTM angewendet werden. Die DIN EN ISO 11359-2 beschreibt das Verfahren zur Messung der linearen thermischen Ausdehnung von festen Materialien mit einem Dilatometer. Hierbei wird die Längenänderung eines Prüfkörpers bei einer definierten Temperaturänderung gemessen und daraus der Temperaturkoeffizient berechnet. Die ISO 11359-2 ist äquivalent zur DIN EN ISO 11359-2 und beschreibt ebenfalls die Messung der linearen thermischen Ausdehnung mit einem Dilatometer. Das ASTM E831 -Standardverfahren bestimmt den linearen Temperaturkoeffizienten von festen Materialien durch Dilatometrie. Es misst die Längenänderung eines Prüfkörpers bei Temperaturänderung und berechnet daraus den Temperaturkoeffizienten.

Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die elektronisch aktiven Bauelemente punksymmetrisch um die Drehachse des Rotors angeordnet sind. Die punktsymmetrische Anordnung der elektronisch aktiven Bauelemente um die Drehachse des Rotors bietet den Vorteil einer gleichmäßigen Massenverteilung. Dies minimiert Unwuchten und Vibrationen während des Betriebs, was zu einem ruhigeren Lauf und einer geringeren mechanischen Belastung des Gesamtsystems führt. Dadurch wird die Effizienz und Lebensdauer der elektrischen Maschine verbessert.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die elektronisch aktiven Bauelemente Bauelemente aufweisen, ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Dioden, Varistoren, Kondensatoren und/oder Transistoren. Durch die Auswahl der elektronisch aktiven Bauelemente kann die Energieübertragungsvorrichtung flexibel an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden. Diese Vielfalt ermöglicht die Optimierung der elektrischen Eigenschaften und Funktionen, wodurch die Leistungsfähigkeit und Anpassungsfähigkeit der Vorrichtung gesteigert wird.

Die punktsymmetrische Anordnung der elektronisch aktiven Bauelemente um die Drehachse des Rotors gewährleistet also eine gleichmäßige Verteilung der Zentrifugalkräfte. Wenn sich identische Elemente einer Bauteilgruppe, wie Transistoren, Kondensatoren, Dioden und Varistoren, spiegelsymmetrisch gegenüberliegen, wird die mechanische Belastung auf die Bauelemente symmetrisch verteilt. Dies reduziert mechanische Spannungen und minimiert das Risiko von Beschädigungen durch ungleichmäßige Belastungen. Diese symmetrische Anordnung kann ferner zu einer gleichmäßigeren Wärmeverteilung beitragen, was wird eine lokale Überhitzung einzelner Bauelemente verhindert.

Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass der Verstärkungsring aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist. Der Einsatz eines Verstärkungsrings aus einem elektrisch leitfähigen Material bietet den Vorteil, dass dieser zusätzlich als elektrischer Leiter fungieren kann, was potenziell zusätzliche Funktionalitäten und eine Verringerung der Komplexität der elektrischen Schaltungen ermöglicht. Der Verstärkungsring, gefertigt aus einem elektrisch leitfähigen Material, kann des Weiteren als Faradayscher Käfig wirken. Dies bedeutet, dass der Verstärkungsring elektromagnetische Störungen (EMI) abschirmt und somit die elektromagnetische Verträglichkeit der Energieübertragungsvorrichtung verbessert. Die elektronischen Bauelemente sind dadurch besser vor äußeren elektromagnetischen Einflüssen geschützt, was die Störsicherheit und Zuverlässigkeit der gesamten Vorrichtung erhöht. Ein Verstärkungsring aus einem metallischen Material kann auch interne elektromagnetische Störungen, die von den aktiven Bauelementen ausgehen, abschirmen. Dies verhindert, dass Störsignale die Umgebung beeinflussen oder andere empfindliche Komponenten der Vorrichtung stören. Dies ist besonders wichtig in komplexen elektrischen Systemen wie denen in Fahrzeugantrieben, wo viele elektronische Komponenten nahe beieinander arbeiten.

Bevorzugt ist der Verstärkungsring aus einem metallischen Material gefertigt. Metallische Materialien haben in der Regel eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Der Verstärkungsring kann somit auch als Wärmesenke dienen und die von den elektronischen Bauelementen erzeugte Wärme effizient abführen. Dies trägt auch zur thermischen Stabilität und Langlebigkeit der Bauelemente bei.

In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der Verstärkungsring eine elektrische Isolation aufweist. Die Integration einer elektrischen Isolation am Verstärkungsring bietet den Vorteil, dass elektrische Kurzschlüsse und ungewollte elektrische Verbindungen verhindert werden. Dies ist besonders wichtig in Umgebungen mit hohen Spannungen, da die Isolation für die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Energieübertragungsvorrichtung sorgt. Diese Maßnahme schützt die empfindlichen elektronischen Bauelemente vor elektrischen Schäden und erhöht die Lebensdauer der Vorrichtung.

Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Isolation einen an einer ersten Stirnseite des Verstärkungsrings angeordneten ersten Isolationsring und/oder einen an einer zweiten Stirnseite des Verstärkungsrings angeordneten zweiten Isolationsring aufweist. Durch die Anordnung von Isolationsringen an den Stirnseiten des Verstärkungsrings wird die elektrische Isolation weiter verbessert. Diese zusätzliche Isolationsschicht verhindert potenzielle Kurzschlüsse und sorgt für eine sichere elektrische Trennung, was die Betriebssicherheit der Vorrichtung erhöht. Dies ist besonders relevant für Anwendungen in Hochspannungsumgebungen, wo eine zuverlässige Isolation entscheidend ist.

Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die Platine eine kreisringscheibenartige Form aufweist. Die kreisringscheibenartige Form der Platine bietet den Vorteil einer optimalen Nutzung des verfügbaren Raums innerhalb der Energieübertragungsvorrichtung. Diese Form ermöglicht eine kompakte und platzsparende Anordnung der elektronischen Bauelemente, was zu einer Reduktion der Gesamtgröße der Vorrichtung beiträgt. Dies ist besonders wichtig für den Einsatz in beengten Einbauräumen, wie sie in Fahrzeugantrieben häufig vorkommen.

Schließlich kann die Aufgabe der Erfindung auch gelöst werden durch einen Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere einer fremderregten Synchronmaschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9.

Die Anwendung der beschriebenen kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung in einem Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere einer fremderregten Synchronmaschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, bietet die Vorteile einer hohen Effizienz und Zuverlässigkeit der Energieübertragung. Diese Vorrichtung ermöglicht eine kontaktlose Übertragung von Energie, was den Verschleiß und die Wartungsanforderungen reduziert. Zudem sorgt die robuste mechanische und thermische Auslegung der Vorrichtung für eine lange Lebensdauer und eine hohe Betriebszuverlässigkeit, selbst unter den anspruchsvollen Bedingungen im Fahrzeugantrieb.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.

Es zeigt:

Figur 1 eine elektrische Maschine mit einem fremderregten Rotor in einer schematischen Axialschnittansicht,

Figur 2 einen fremderregten Rotor mit einer kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung in einer Explosions- Axialschnittansicht,

Figur 3 eine Gleichrichterelektronik in einer perspektivischen Explosionsansicht,

Figur 4 eine Gleichrichterelektronik in einer Axialschnittdarstellung.

Die Figur 1 zeigt eine kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung 1 für einen Rotor 2 einer elektrischen Maschine 3, insbesondere einer fremderregten Synchronmaschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs. Der Rotor 2 ist als Innenläufer konfiguriert und rotiert innerhalb des hohlzylindrischen Stators 25.

Zur Bestromung verfügt der Rotor 2 über einen induktiven Übertrager 4, welcher eine bestrombare Primärwicklung 5 und eine dazu beabstandete und koaxial angeordnete Sekundärwicklung 6 aufweist, welche ihrerseits mit einer Wicklung 7 des Rotors 2 elektrisch leitend koppelbar ist. Die Primärwicklung 5 ist in der gezeigten Ausführungsform feststehend, während sich die Sekundärwicklung 6 mit dem Rotor 2 dreht. Die Sekundärwicklung 6 ist dabei über das Gehäuse 26 an den Rotor 2 gekoppelt.

Auf der Sekundärseite ist die Sekundärwicklung 6 unter Zwischenschaltung einer Gleichrichterelektronik 23, die ringscheibenartig ausgebildet und koaxial zur Rotordrehachse angeordnet ist, an die Wicklung 7 des Rotors 2 angebunden, was sich gut der Figur 2 entnehmen lässt. Die Sekundärwicklung 6 ist ihrerseits unter Zwischenschaltung einer Gleichrichterelektronik 23 an die bestrombare Wicklung 7 des Rotors 2 angebunden, so dass im Betrieb des Rotors 2 die Gleichrichterelektronik 23 Zentrifugalkräften ausgesetzt ist,

Wie man anhand der Figuren 3-4 gut nachvollziehen kann, weist die Gleichrichterelektronik 23 eine Mehrzahl von elektronisch aktiven Bauelementen 40 auf, die auf wenigstens einer kreisscheibenartigen Platine 41 angeordnet und zumindest abschnittsweise von einer Vergussmasse 42 umschlossen sind, wobei ein Verstärkungsring 43 die elektronisch aktiven Bauelemente 40 zumindest abschnittsweise umgreift und sich die Vergussmasse 42 radial an dem Verstärkungsring 43 abstützt.

In der gezeigten Ausführungsform besitzt der Verstärkungsring 43 ein E-Modul zwischen 100 GPa und 300 GPa und einen Temperaturkoeffizienten, der ± 30% des Temperaturkoeffizienten der Platine 41 entspricht. Die Vergussmasse 42 verfügt über ein E-modul zwischen 8 GPa - 18 GPa und einen Temperaturkoeffizienten, der kleiner ist als der vierfache Temperaturkoeffizient der Platine 41 . Dies ermöglicht eine sicheres Beherrschen von Fliehkräften und Temperaturwechseln im Betrieb des Rotors 2 im Hinblick auf die Gleichrichterelektronik 23.

Wie in der Figur 3 dargestellt, sind die elektronisch aktiven Bauelemente 40 punksymmetrisch um die Drehachse des Rotors 2 angeordnet. Die elektronisch aktiven Bauelemente 40 können Bauelemente aufweisen, ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Dioden, Varistoren, Kondensatoren und/oder Transistoren. Im Ergebnis liegen sich also baugleiche Dioden, Varistoren, Kondensatoren oder Transistoren punksymmetrisch gegenüber, was sich ebenfalls gut aus der Figur 3 erkennen lässt. Zur verbesserten Kühlung der Gleichrichterelektronik 23 ist diese mit einem Fluidleitring 47 verbunden, welcher dem Bereich der Gleichrichterelektronik 23 ein Kühlfluid zuführt und teilweise zentrifugalkraftbewirkt nach radial außen ableitet.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Verstärkungsring 43 aus einem elektrisch leitfähigen Material, bevorzugt aus einem Metall wie beispielsweise Stahl, gefertigt. Daher weist der Verstärkungsring 43 eine elektrische Isolation 44 auf. Die Isolation 44 verfügt in dem Ausführungsbeispiel über einen an einer ersten Stirnseite des Verstärkungsrings 43 angeordneten ersten Isolationsring 45. Ferner besitzt die Isolation 44 einen radial außerhalb des ersten Isolationsrings 45 angeordneten zweiten Isolationsring 46, der den Verstärkungsrings 43 zumindest abschnittsweise umgreift. Anders ausgedrückt, liegt der zweite Isolationsring 46 auf dem ersten Isolationsring 45 auf.

Der in der Figur 4 gestrichelt dargestellte Bereich ist mit der Vergussmasse 42 gefüllt und fixiert so die Bauelemente 40, die Platine 41 , die Isolation 44 und den Verstärkungsring 43.

Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung 'erste' und 'zweite' Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen. Bezuqszeichenliste

1 Energieübertragungsvorrichtung

2 Rotor

3 elektrische Maschine

4 Übertrager

5 Primärwicklung

6 Sekundärwicklung

7 Wicklung

23 Gleichrichterelektronik

25 Stator

26 Gehäuse

40 Bauelemente

41 Platine

42 Vergussmasse

43 Verstärkungsring

44 Isolation

45 Isolationsring

46 Isolationsring

47 Fluidleitring

Claims

Ansprüche

1 . Kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung (1 ) für einen Rotor (2) einer elektrischen Maschine (3), insbesondere einer fremderregten Synchronmaschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen induktiven Übertrager (4), welcher eine bestrombare Primärwicklung

(5) und eine dazu beabstandete und koaxial angeordnete Sekundärwicklung

(6) aufweist, welche ihrerseits unter Zwischenschaltung einer Gleichrichterelektronik (23) an eine bestrombare Wicklung (7) des Rotors (2) angebunden ist, so dass im Betrieb des Rotors (2) die

Gleichrichterelektronik (23) Zentrifugalkräften ausgesetzt ist, wobei die Gleichrichterelektronik (23) eine Mehrzahl von elektronisch aktiven Bauelementen (40), die auf wenigstens einer Platine (41 ) angeordnet und zumindest abschnittsweise von einer Vergussmasse (42) umschlossen sind, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstärkungsring (43) die elektronisch aktiven Bauelemente (40) zumindest abschnittsweise umgreift und sich die Vergussmasse (42) radial an dem Verstärkungsring (43) abstützt, wobei der Verstärkungsring (43) ein E-Modul zwischen 100 GPa und 300 GPa und einen Temperaturkoeffizienten besitzt, der ± 30% des Temperaturkoeffizienten der Platine (41 ) entspricht, und die Vergussmasse (42) ein E-modul zwischen 8 GPa - 18 GPa und einen Temperaturkoeffizienten besitzt, der kleiner ist als der vierfache Temperaturkoeffizient der Platine (41 ).

2. Energieübertragungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturkoeffizient des Verstärkungsrings (43) zwischen 9,5 und 12 ppm/K beträgt.

3. Energieübertragungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturkoeffizient der Vergussmasse (42) zwischen 10 bis 50 ppm/K beträgt.

4. Energieübertragungsvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronisch aktiven Bauelemente (40) punksymmetrisch um die Drehachse des Rotors (2) angeordnet sind.

5. Energieübertragungsvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronisch aktiven Bauelemente (40) Bauelemente aufweisen, ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Dioden, Varistoren, Kondensatoren und/oder Transistoren.

6. Energieübertragungsvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsring (43) aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist.

7. Energieübertragungsvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsring (43) eine elektrische Isolation (44) aufweist.

8. Energieübertragungsvorrichtung (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation (44) einen an einer ersten Stirnseite des Verstärkungsrings (43) angeordneten ersten Isolationsring (45) und/oder einen an einer zweiten Stirnseite des Verstärkungsrings (43) angeordneten zweiten Isolationsring (46) aufweist.

9. Energieübertragungsvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (41) eine kreisringscheibenartige Form aufweist.

10. Rotor (2) einer elektrischen Maschine (3), insbesondere einer fremderregten Synchronmaschine innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1-9.