DE102019212406A1

DE102019212406A1 - Leistungsübertragungssystem zum Erzeugen eines Stroms in einer Erregerwicklung eines Rotors einer elektrischen Maschine sowie elektrische Maschine und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019212406A1
Application number: DE102019212406.2A
Authority: DE
Inventors: Auf Teilnichtnennung Antrag; Wilhelm Hackmann
Original assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies Germany GmbH
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2021-02-25
Also published as: WO2021032705A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leistungsübertragungssystem (12) zum Erzeugen eines Stroms in einer Erregerwicklung eines Rotors (10) einer elektrischen Maschine. Das Leistungsübertragungssystem (12) weist einen Drehübertrager auf, also einen induktiven Koppler. Mittels des Leistungsübertragungssystems (12) kann berührungslos eine elektrische Gleichspannung zum Treiben des Stroms in der Erregerwicklung des Rotors (10) der elektrischen Maschine (12) erzeugt werden. Eine Besonderheit der Erfindung liegt darin, dass der Drehübertrager derart ausgebildet ist, dass ein magnetisches Wechselfeld ausschließlich in axialer Richtung des Rotors (10) übertragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungsübertragungssystem zum Erzeugen eines Stroms in einer Erregerwicklung eines Rotors einer elektrischen Maschine. Das Leistungsübertragungssystem weist einen Drehübertrager auf, also einen induktiven Koppler. Mittels des Leistungsübertragungssystems kann berührungslos eine elektrische Gleichspannung zum Treiben des Stroms in der Erregerwicklung des Rotors der elektrischen Maschine erzeugt werden. Eine Besonderheit der Erfindung liegt darin, dass der Drehübertrager derart ausgebildet ist, dass ein magnetisches Wechselfeld ausschließlich in axialer Richtung des Rotors übertragen wird. Zur Erfindung gehören auch eine elektrische Maschine mit dem Leistungsübertragungssystem sowie ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, die das Leistungsübertragungssystem aufweist.
Ein kontaktloses Leistungsübertragungssystem ist beispielsweise aus der DE 10 2017 214 766 A1 und der DE 10 2017 214 776 A1 bekannt. Bei dem bekannten Leistungsübertragungssystem ist vorgesehen, dass dieses einen primärseitigen Ferritkern und einen sekundärseitigen Ferritkern sowie eine auf dem jeweiligen Ferritkern angeordnete Windungsplatine aufweist. Der primärseitige Ferritkern und der sekundärseitige Ferritkern sind dabei derart zueinander angeordnet, dass zwischen den beiden Ferritkernen ein Luftspalt in axialer Richtung ausgebildet ist. Auf diese Weise können temperaturbedingte Längenänderungen des Rotors in axialer Richtung ausgeglichen werden, wobei zudem ein von der primärseitigen Windungsplatine erzeugtes magnetisches Wechselfeld in radialer Richtung in den sekundärseitigen Ferritkern übertragen werden kann. Die besondere Ausgestaltung und Anordnung der Ferritkerne zueinander erfordert jedoch, dass die inneren und äußeren Mantelflächen der ringförmig ausgebildeten Ferritkerne nach der Herstellung geschliffen werden müssen, um den zwischen den beiden Ferritkernen ausgebildeten schmalen Luftspalt herzustellen. Das Schleifen der Ferritkerne im Übertragungsabschnitt ist erforderlich, da die Ferritkerne in der Regel durch Sintern hergestellt werden. Nach dem Sintern der Ferritkerne schrumpft das keramische Werkstück um bis zu 20%. Das Schrumpfen erfolgt in der Regel jedoch ungleichmäßig, sodass die Ferritkerne Abweichungen zur gewünschten Geometrie aufweisen können. Vor diesem Hintergrund müssen bei dem bekannten Leistungsübertragungssystem insgesamt vier Mantelflächen der Ferritkerne geschliffen werden, um die radiale Trennung zwischen den Ferritkernen auszubilden. Das Schleifen der Mantelflächen ist aufwendig und kostenintensiv.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein kontaktloses Leistungsübertragungssystem bereitzustellen, das in einfacher Weise und preiswert herstellbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und in den Zeichnungen angegeben, wobei jedes Merkmal sowohl einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen kann.
Erfindungsgemäß ist ein kontaktloses Leistungsübertragungssystem zum Erzeugen eines Stroms in einer Erregerwicklung eines um eine Längsachse rotierbar gelagerten Rotors einer elektrischen Maschine, mit

- einem scheibenförmig ausgebildeten primärseitigen Ferritkern zur Anordnung an einem Motorgehäuse oder Lagerschild der elektrischen Maschine,
- einer auf dem primärseitigen Ferritkern angeordneten primärseitigen Wicklungsplatine zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds,
- einem scheibenförmig ausgebildeten sekundärseitigen Ferritkern zur Anordnung an einer Stirnseite des Rotors, und
- einer auf dem sekundärseitigen Ferritkern angeordneten sekundärseitigen Wicklungsplatine zum Wandeln des magnetischen Wechselfelds in eine Wechselspannung, wobei

Mit anderen Worten ist es ein Aspekt der Erfindung, dass ein kontaktloses Leistungsübertragungssystem bereitgestellt wird, das einen scheibenförmig ausgebildeten primärseitigen Ferritkern und einen scheibenförmig ausgebildeten sekundärseitigen Ferritkern aufweist. Der primärseitige Ferritkern wird vorzugsweise an einem Motorgehäuse oder an ein Lagerschild der elektrischen Maschine angeordnet. Auf einer dem sekundärseitigen Ferritkern zugewandten Seite weist der primärseitige Ferritkern eine primärseitige Wicklungsplatine zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds auf. Der scheibenförmig ausgebildete sekundärseitige Ferritkern wird vorzugsweise an einer Stirnseite des Rotors der elektrischen Maschine angeordnet. Auf einer dem primärseitigen Ferritkern zugewandten Seite weist der sekundärseitige Ferritkern eine sekundärseitige Wicklungsplatine auf, zum Wandeln des magnetischen Wechselfelds in eine Wechselspannung. Der primärseitige Ferritkern und der sekundärseitige Ferritkern sind über einen Luftspalt in axialer Richtung zueinander beabstandet. Eine Besonderheit der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sowohl der primärseitige Ferritkern als auch der sekundärseitige Ferritkern jeweils einen Übertragungsabschnitt aufweisen. Dieser Übertragungsabschnitt ist jedoch anders als im bisher bekannten Stand der Technik nicht dazu eingerichtet ein magnetisches Wechselfeld in radialer Richtung zu übertragen, sondern in axialer Richtung. Der primärseitige Ferritkern und sekundärseitige Ferritkern weisen jeweils eine Öffnung zur Durchführung einer Rotorwelle des Rotors auf. Zudem ist auf dem scheibenförmigen primärseitige Ferritkern oder dem scheibenförmigen sekundärseitige Ferritkern wenigstens eine Aufkantung ausgebildet, wobei die Aufkantung dem jeweils anderen Ferritkern zugewandt ist. Die Aufkantung erstreckt sich im Wesentlichen in einer Richtung senkrecht zur Ebene des scheibenförmiges primärseitigen Ferritkerns oder des scheibenförmigen sekundärseitigen Ferritkerns und bildet auf dem primärseitigen oder den sekudärseitigen Ferritkern den Übertragungsabschnitt aus.
Auf dieses Weise kann ein von der primärseitigen Wicklungsplatine erzeugtes magnetisches Wechselfeld über den primärseitigen Übertragungsabschnitt des primärseitigen Ferritkerns ausschließlich in axialer Richtung über den sekundärseitigen Übertragungsabschnitt in den sekundärseitigen Ferritkern überwechseln. Ein radialer Versatz der Ferritkerne ist für das Leistungsübertragungssystem unerheblich Somit wird ein kontaktloses Leistungsübertragungssystem bereitgestellt, das in axialer Richtung voneinander getrennt ist. Das erfindungsgemäße Leistungsübertragungssystem weist den Vorteil auf, dass gegenüber den bekannten Leistungsübertragungssystem eine reduzierte Anzahl an Flächen der Ferritkerne geschliffen werden müssen, um herstellungsbedingte geometrische Abweichungen durch das Schrumpfen der gesinterten Ferritkerne zu egalisieren. Somit können die Herstellungskosten des kontaktlosen Leistungsübertragungssystems reduziert werden, da aufwendige und kostenintensive Schleifarbeiten der Ferritkerne reduziert werden können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der primärseitige Ferritkern und/oder der sekundärseitige Ferritkern im Wesentlichen kreisringförmig ausgebildet sind. Im Wesentlichen kreisringförmig bedeutet, dass der jeweilige Ferritkern keinen perfekten Kreisring ausbilden muss, sondern bedingt durch ein Schrumpfen des Ferritmatterials während der Herstellung des Ferritkerns im Randbereich des Kreisrings Abweichungen aufweisen kann oder eine leicht elliptische und/oder unregelmäßige Formgebung aufweisen kann. Derartige Abweichungen in radialer Richtung sind jedoch für das vorliegende Leistungsübertragungssystem unkritisch, da eine Übertragung des magnetischen Wechselfelds ausschließlich in axialer Richtung der Ferritkerne erfolgt.
Grundsätzlich ist vorgesehen, dass der Ferritkerne aus einem Ferritmaterial ausgebildet sind. Es ist jedoch nicht auf diese Material beschränkt. Es können auch andere Materialien vorgesehen sein, die die Eigenschaft der Übertragung eines magnetischen Wechselfeldes ermöglichen.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass der primärseitige Ferritkern oder der sekundärseitige Ferritkern jeweils zwei voneinander beabstandet angeordnete Aufkantungen aufweist. Auf diese Weise kann die Übertragungsleitung zwischen dem primärseitigen Ferritkern und dem sekundärseitigen Ferritkern erhöht werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der scheibenförmige primärseitige Ferritkern oder der scheibenförmige sekundärseitige Ferritkern in einem Schnitt senkrecht zur Ebene des jeweiligen Ferritkerns ausgehend von der Öffnung zu einem Randbereich in radialer Richtung des jeweiligen Ferritkerns eine U-förmige Ausgestaltung aufweist. Mit anderen Worten ist der jeweilige Übertragungsabschnitt des primiärseitigen Ferritkerns und des sekundärseitigen Ferritkerns an einem inneren Umfang und an einem äußeren Umfang des jeweiligen Ferritkerns ausgebildet, wobei der primärseitige Übertragungsabschnitt und der sekundärseitige Übertragungsabschnitt in axialer Richtung einander zugewandt ausgerichtet und/oder ausgebildet sind.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der primärseitige Übertragungsabschnitt eine primärseitige Übertragungsfläche aufweist, die parallel zur Ebene des kreisringförmigen primärseitigen Ferritkerns ausgebildet ist, und der sekundärseitige Übertragungsabschnitt eine sekundärseitige Übertragungsfläche aufweist, die parallel zur Ebene des kreisringförmigen sekundärseitigen Ferritkerns ausgebildet ist. Somit weist der Luftspalt, der zwischen der primärseitigen Übertragungsfläche und der sekundärseitigen Übertragungsfläche ausgebildet ist, eine im Wesentlichen gleichmäßige Spaltbreite in axialer Richtung des Rotors auf, so dass die Spaltbreite reduziert werden kann.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der primärseitige Ferritkern und/oder der sekundärseitige Ferritkern angrenzend an den jeweiligen Übertragungsabschnitt oder die jeweilige Übertragungsfläche einen Wicklungsaufnahmeabschnitt zur Aufnahme und/oder Anordnung der jeweiligen Wicklungsplatine aufweist. Der Wicklungsaufnahmeabschnitt kann somit im Wesentlichen bündig mit der Übertragungsfläche ausgebildet sein. Ebenso ist es denkbar, dass der Wicklungsaufnahmeabschnitt gegenüber dem Übertragungsabschnitt zurückspringend ausgebildet ist. In einem derartigen Fall ist der Übertragungsabschnitt zwischen den Aufkantungen angeordnet.
In diesem Zusammenhang liegt eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung darin, dass der Luftspalt im Bereich zwischen dem jeweiligen Übertragungsabschnitt des primärseitigen Ferritkerns und des sekundärseitigen Ferritkerns kleiner ist als in einem Bereich zwischen dem jeweiligen Wicklungsaufnahmeabschnitt der beiden Ferritkerne.
Vorzugsweise ist eine Spaltbreite des Luftspalts in axialer Richtung des Rotors kleiner 0,2 mm, insbesondere kleiner 0,15 mm und insbesondere kleiner 1 mm, wobei die Grenzen der jeweiligen Werte inbegriffen sind. Je kleiner die Spaltbreite des Luftspalts, desto hoher ist der Wirkungsgrad des Le istu ngsübertrag ungssystem s.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass die primärseitige Wicklungsplatine und/oder die sekundärseitige Wicklungsplatine auf dem jeweiligen Wicklungsaufnahmeabschnitt stoffschlüssig angeordnet ist. Über eine stoffschlüssige Verbindung können vorzugsweise Unebenheiten durch den Schrumpfverhaltens der gesinterten Ferritkerne ausgeglichen werden, sodass eine flächige Anhaftung der Wicklungsplatinen auf den entsprechenden Wicklungsaufnahmeabschnitt gegeben ist. Auch ein kostenintensives Schleifen des jeweiligen Wicklungsaufnahmeabschnitts zur Anordnung der Wicklungsplatine kann somit erspart bleiben.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der primärseitige Ferritkern mit einer dem sekundärseitigen Ferritkern abgewandten Stirnseite auf einem primärseitigen Kühlkörper stoffschlüssig angeordnet ist, und/oder der sekundärseitige Ferritkern mit einer dem primärseitigen Ferritkern abgewandten Seite auf einem sekundärseitigen Kühlkörper stoffschlüssig angeordnet ist. Auf diese Weise können Erhitzungen der jeweiligen Wicklungsplatinen während der Erzeugung des magnetischen Wechselfelds bzw. dem Wandel des magnetischen Wechselfelds in eine Wechselspannung über den jeweiligen Kühlkörper abgeführt werden, sodass die Leistungsfähigkeit des Leistungsübertragungssystems sichergestellt werden kann.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass der primärseitige Kühlkörper an dem Lagerschild und/oder dem Motorgehäuse der elektrischen Maschine angeordnet ist, und auf dem primärseitigen Kühlkörper dann der Ferritkern befestigt wird. Denkbar ist auch, dass der primärseitige Kühlkörper das Lagerschild oder das Gehäuse ist. Der sekundärseitige Kühlkörper ist vorzugsweise an einem Trägerbauteil des Rotors befestigbar, das vorzugsweise eine Wickelkopfabdeckung der Erregerwicklung des Rotors sein kann. Eine derartige Wickelkopfabdeckung ist beispielsweise ein metallisches, ringförmiges Abdeckteil, welches die Wickelköpfe der Erregerwicklung des Rotors abdeckt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass der primärseitige Kühlkörper, die primärseitige Wicklungsplatine und der primärseitige Ferritkern mit einem Kunstharz, Kunststoff und/oder Silikon vergossen oder umspritzt sind, und/oder der sekundärseitige Kühlkörper, die sekundärseitige Wicklungsplatine und der sekundärseitige Ferritkern mit einem Kunstharz, Kunststoff und/oder Silikon vergossen oder umspritzt sind. Der Verguss kann beispielsweise mit einem Epoxidharz oder Kleber erfolgen. Der Verguss bzw. die Umspritzung bietet jeweils eine Stabilisierung, mechanische Fixierung und/oder erhöhte Wärmeleitfähigkeit der Komponenten für besonders hohe Rotordrehzahlen. Auf diese Weise ist durch den Verguss und/oder das Umspritzen mit Kunststoff, Kunstharz und/oder Silikon das Leistungsübertragungssystem drehzahlfest für eine Drehzahl größer 15.000 Umdrehungen pro Minute. Zudem kann der Verguss eine erhöhte Wärmestabilität aufweisen.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass eine wenigstens den primärseitigen Ferritkern aufweisende Primärseite PRIM zentrierungsfrei zu einer wenigstens den sekundärseitigen Ferritkern aufweisenden Sekundärseite SEC anordbar ist. Bedingt daduch, dass die magnetische Wechselspannung in axialer Richtung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite übertragen wird, bedarf des keiner radialen Ausrichtung der beiden Seiten zueinander, so dass der Herstellungsprozess beschleunigt und Herstellungskosten reduziert werden können.
Die Erfindung betrifft zudem eine elektrische Maschine, die als fremderregte Synchronmaschine ausgestaltet ist, und das erfindungsgemäße Leistungsübertragungssystem aufweist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine ein Lagerschild und/oder ein Maschinengehäuse mit einem Festlager zur drehbaren Lagerung eines Rotors um dessen Rotationsachse bzw. Drehachse aufweist, wobei das erfindungsgemäße Leistungsübertragungssystem fest lagerseitig angeordnet ist. Ein temperaturbedingter Einfluss auf das Leistungsübertragungssystem, der eine Längenänderung der Rotorwelle in axialer Richtung bewirken könnte, und einen Einfluss auf den axialen Spalt zwischen dem primärseitigen Übertragungsabschnitt und dem sekundärseitigen Übertragungsabschnitt haben könne, kann auf diese Weise reduziert und/oder vermieden werden. Der axiale Luftspalt kann somit im Zehntel-Bereich liegen. Somit kann die Leistungsfähigkeit des Leistungsübertragungssystems erhöht und/oder sichergestellt werden.
Alternativ und/oder in Ergänzung sieht dazu eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die elektrische Maschine ein Lagerschild und/oder ein Maschinengehäuse mit einem Loslager zur drehbaren Lagerung eines Rotors um dessen Rotationsachse aufweist, wobei das Leistungsübertragungssystem loslagerseitig angeordnet ist. In diesem Zusammenhang ist der zwischen dem primärseitigen Übertragungsabschnitt und dem sekundärseitigen Übertragungsabschnitt ausgebildete Luftspalt entsprechend groß zu wählen, sodass temperaturbedingte Längenänderungen der Rotorwelle durch diesen Luftspalt ausgeglichen werden können. Die axiale Bewegung der Rotorwelle und dadurch bedingte axiale Bewegungen der sekundären Seite muss in der Software der Erregerstufe der Leistungselektronik berücksichtigt werden. Praktisch muss mehr Strom auf die Primärseite des Leistungsübertragungssystems eingespeist werden, wenn der axiale Luftspalt vergrößert ist. Im Vergleich zu einer festlagerseitigen Anordnung des Leistungsübertragungssystems kann bei einer loslagerseitigen Anordnung des Leistungsübertragungssystems die System leistung reduziert sein bzw. muss entsprechend kompensiert werden.
Die Erfindung betrifft zudem ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine als ein Traktionsantrieb für das Kraftfahrzeug ausgestaltet ist und mit einem Wechselrichter verschaltet ist, der für eine Drehzahl der elektrischen Maschine von mehr als 15.000 Umdrehungen pro Minute eingerichtet ist.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nachfolgenden Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsbeispiele sind nicht als einschränkend, sondern vielmehr als beispielhaft zu verstehen. Sie sollen den Fachmann in die Lage versetzen, die Erfindung auszuführen. Die Anmelderin behält sich vor, einzelne oder mehrere der in den Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale zum Gegenstand von Patentansprüchen zu machen oder solche Merkmale in bestehende Patentansprüche aufzunehmen. Die Ausführungsbeispiele werden anhand von Figuren näher erläutert.
In diesen zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch einen fremderregten Rotor im Bereich des Festlagers, mit einem kontaktlosen Leistungsübertragungssystem,
2 eine Draufsicht auf einen primärseitigen und einen sekundärseitigen Ferritkern,
3 einen Querschnitt durch den primärseitigen und den sekundärseitigen Ferritkern gemäß der bevorzugten Ausführungsvariante.

In 1 ist ein Längsschnitt durch einen fremderregten Rotor 10 einer elektrischen Maschine mit einem kontaktlosen Leistungsübertragungssystem 12 gezeigt. Der Längsschnitt konzentriert sich auf den festlagerseitigen Bereich des Rotors 10.
Der Rotor 10 weist eine um eine Längsachse 14 bzw. Drehachse rotierbare Rotorwelle 16 auf. Die Rotorwelle 16 ist über ein in einem Lagerschild 18 Festlager 20 um deren Längsachse 14 bzw. Drehachse rotierbar gelagert. Das Lagerschild 18 kann auch Teil eines den Rotor 10 zumindest teilweise umgebenden Motorgehäuses sein. Auf der Rotorwelle 16 ist zumindest abschnittsweise ein Rotorblechpaket 22 angeordnet, das drehfest mit der Rotorwelle 16 verbunden ist. Eine Erregerwicklung ist durch den Rotor 10 geführt und an einem dem Lagerschild 18 zugewandten stirnseitigen Endabschnitt 24 des Rotorblechpakets 22 zu einem Wicklungskopf 26 ausgebildet. Der Wicklungskopf 26 ist über eine auf den stirnseitigen Endabschnitt 24 angeordnete Wickelkopfabdeckung 28 zumindest teilweise abgedeckt. Die Wickelkopfabdeckung 28 ist vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff als ringförmiges Abdeckteil ausgebildet.
Zwischen dem stirnseitigen Endabschnitt 24 des Rotorblechpakets 22 und dem Lagerschild 18 ist das kontaktlose Leistungsübertragungssystem 12 angeordnet. Das kontaktlose Leistungsübertragungssystem 12 weist eine Primärseite PRIM und eine in axialer Richtung des Rotors 10 über eine Luftspalt 30 zueinander beabstandet angeordnete Sekundärseite SEC auf.
Die Primärseite PRIM umfasst eine Anschlussplatine 32 zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung (hinführende elektrische Leitungen sind nicht dargestellt), einen primärseitigen Kühlkörper 34 der mit dem Lagerschild 18 über eine nicht dargestellt Verbindung verbunden ist, einen auf dem Kühlkörper 34 angeordneten scheibenförmigen primärseitige Ferritkern 36 und eine auf dem primärseitigen Ferritkern 36 angeordnete primärseitige Wicklungsplatine 38 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds. Die primärseitige Wicklungsplatine 38 und die Anschlussplatine 32 sind über eine Durchkontaktierung 40, vorzugsweise einen Metallstift, elektrisch leitend miteinander verbunden.
Die Sekundärseite SEC umfasst einen sekundärseitigen Kühlkörper 42, der mit der Wickelkopfabdeckung 28 drehfest verbunden ist. Auf einer der Primärseite PRIM zugewandten Seite des sekundärseitigen Kühlkörpers 42 ist ein scheibenförmiger sekundärseitiger Ferritkern 44 angeordnet. Der sekundärseitige Ferritkern 44 weist auf einer der Primärseite PRIM zugewandten Seite eine sekundärseitige Wicklungsplatine 46 auf, die dazu eingerichtet und ausgebildet ist, ein magnetisches Wechselfeld in eine Wechselspannung umzuwandeln. Auf einer dem Rotorblechpaket 22 zugewandten Seite des sekundärseitigen Kühlkörpers 44 ist eine Gleichrichterplatine 48 angeordnet, die über einen Haken 50 und einen Draht 52 elektrisch leitendend mit dem Wicklungskopf 26 verbunden ist. Ferner sind zwischen dem sekundärseitigen Kühlkörper 42 und der Gleichrichterplatine 48 eine Diode 54 und wenigstens ein Kondensator 56 angeordnet.
Ein über die primärseitige Wicklungsplatine 38 erzeugtes magnetisches Wechselfeld wird über den primärseitigen Ferritkern 36 und über den zwischen dem primärseitigen Ferritkern 36 und dem sekundärseitigen Ferritkern 44 in axialer Richtung des Rotors 10 angeordneten Luftspalt 30 auf den sekundärseitigen Ferritkern 44 übertragen, von der sekundärseitige Wicklungsplatine 46 in eine Wechselspannung gewandelt, und über die Gleichrichterplatine 48, den Haken 50 und den Draht 52 in den Wicklungskopf 26 des Rotors 10 eingeleitet.
Ein Beispiel für den Aufbau der primärseitigen Wicklungsplatine 38 und/oder der sekundärseitigen Wicklungsplatine 46 kann der DE 10 2017 214 766 A1 entnommen werden, deren Inhalt auch zum Offenbarungsgehalt der Anmeldung gehört. Eine Wicklungsplatine wird auch als Windungsplatine bezeichnet.
Ein Aspekt der Erfindung und des Ausführungsbeispiels liegt darin, dass sowohl der primärseitige Ferritkern 36 als auch der sekundärseitige Ferritkern 44 scheibenförmig ausgebildet sind und jeweils eine Öffnung 58 aufweisen, durch die die Rotorwelle 16 geführt ist. Mit anderen Worten sind der primärseitige Ferritkern 36 und der sekundärseitige Ferritkern 44 im wesentlichen kreisringförmig ausgebildet. Im Wesentlichen kreisringförmig bedeutet, dass der jeweilige Ferritkern 36, 44 keinen perfekten Kreisring ausbilden muss, sondern bedingt durch ein Schrumpfen des Ferritmaterials während der Herstellung des Ferritkerns 36, 44 an einem Randbereich des Kreisrings Abweichungen 60 in radialer Richtung und/oder eine leicht elliptische und/oder unregelmäßige Formgebung aufweisen kann. Die Abweichungen 60 in radialer Richtung des jeweiligen Ferritkerns 36, 44 sind bei dem vorliegenden Design des Leistungsübertragungssystems 12 unkritisch, da die Leistungsübertragung bzw. das Magnetfeld zwischen der Primärseite PRIM und der Sekundärseite SEC nicht - wie aus dem Stand der Technik bekannt - in radialer Richtung erfolgt, sondern in axialer Richtung des Rotors 10.
Weiterhin ist ersichtlich, dass der primärseitige Ferritkern 36 eine Aufkantung 62 an einem inneren Umfang 64 und an einem äußeren Umfang 66 aufweist, wobei die Aufkantung 62 sich im Wesentlichen in einer Richtung senkrecht zur Ebene des scheibenförmiges primärseitigen Ferritkerns 36 erstreckt und dem sekundärseitigen Ferritkern 44 zugewandt ist. Im Wesentlichen senkrecht zur Ebene des scheibenförmiges primärseitigen Ferritkerns 36 bedeutet, dass die Aufkantung 62 bedingt durch ein Schrumpfen des Ferritmaterials während der Herstellung des Ferritkerns 36, 44 sich verformen kann, so dass die Aufkantung 62 nicht genau senkrecht zur Ebene des primiärseitigen Ferritkerns 36 ausgerichtet ist, sondern etwas geneigt ausgebildet sein kann.
Zudem weisen der primärseitige Ferritkern 36 und der sekundärseitige Ferritkern 44 jeweils einen Übertragungsabschnitt 68, 70 auf. Dies bedeutet, dass der primärseitige Ferritkern 36 einen primärseitigen Übertragungsabschnitt 68 aufweist, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel in die Aufkantung 62 fällt bzw. durch die Aufkantung 62 ausgebildet ist. Der sekundärseitige Ferritkern 44 weist einen sekundärseitigen Übertragungsabschnitt 70 auf, der in der Ebene des sekundärseitigen Ferritkerns ausgebildet ist. die Übertragungsabschnitte 68, 70 sind einander zugewandt und/oder gegenüberliegend ausgebildet und in axialer Richtung des Rotors 10 zueinander beabstandet.
Auf dieses Weise kann ein von der primärseitigen Wicklungsplatine 38 erzeugtes magnetisches Wechselfeld über den primärseitigen Übertragungsabschnitt 68 des primärseitigen Ferritkerns 36 ausschließlich in axialer Richtung des Rotors 10 über den Luftspalt 30 und den sekundärseitigen Übertragungsabschnitt 70 in den sekundärseitigen Ferritkern 44 überwechseln. Somit wird ein kontaktloses Leistungsübertragungssystem 12 bereitgestellt, das in axialer Richtung des Rotors 10 voneinander getrennt ist.
Das erfindungsgemäße Leistungsübertragungssystem 12 weist den Vorteil auf, dass nunmehr lediglich zwei in axialer Richtung zueinander beabstandet ausgerichtete planare Flächen der Ferritkerne 36, 44 geschliffen werden müssen, um herstellungsbedingte geometrische Abweichungen durch das Schrumpfen der gesinterten Ferritkerne 36, 44 zu egalisieren. Somit können die Herstellungskosten des kontaktlosen Leistungsübertragungssystems 12 reduziert werden, da aufwendige Schleifarbeiten der Ferritkerne 36, 44 reduziert werden können.
Der primärseitige Übertragungsabschnitt 68 weist eine primärseitige Übertragungsfläche 72 auf, die parallel zur Ebene des kreisringförmigen primärseitigen Ferritkerns 36 ausgebildet ist. Der sekundärseitige Übertragungsabschnitt 70 weist eine sekundärseitige Übertragungsfläche 74 auf, die parallel zur Ebene des kreisringförmigen sekundärseitigen Ferritkerns 44 ausgebildet ist. Somit weist der Luftspalt 30, der zwischen der primärseitigen Übertragungsfläche 72 und der sekundärseitigen Übertragungsfläche 74 ausgebildet ist, eine im Wesentlichen gleichmäßige Spaltbreite in axialer Richtung des Rotors 10 auf.
Angrenzend an den jeweiligen primärseitigen Übertragungsabschnitt 68 weist der primärseitige Ferritkern 36 einen primärseitigen Wicklungsaufnahmeabschnitt 76 zur Aufnahme und Anordnung der primärseitigen Wicklungsplatine 38 auf. Der primärseitige Wicklungsaufnahmeabschnitt 76 ist zurückspringend zur primärseitigen Übertragungsfläche 72 ausgebildet. Mit anderen Worten liegt der primärseitige Wicklungsaufnahmeabschnitt 76 zwischen den am inneren Umfang 64 und am äußeren Umfang 66 ausgebildeten Aufkantungen 62 des primärseitigen Ferritkerns 36.
Der sekundärseitige Ferritkern 44 ist als ebener Kreisring ausgebildet. Zwischen dem am inneren Umfang 64 und am äußeren Umfang 66 ausgebildeten sekundärseitigen Übertragungsabschnitt 70 ist ein sekundärseitiger Wicklungsaufnahmeabschnitt 78 zur Aufnahme und Anordnung der sekundärseitigen Wicklungsplatine 46 angeordnet. Der sekundärseitige Wicklungsaufnahmeabschnitt 78 ist im Wesentlichen bündig zur sekundärseitigen Übertragungsfläche 74 ausgebildet.
Die primärseitige Wicklungsplatine 38 und/oder die sekundärseitige Wicklungsplatine 46 sind auf dem jeweiligen Wicklungsaufnahmeabschnitt 76, 78 stoffschlüssig angeordnet. Über eine stoffschlüssige Verbindung können vorzugsweise Unebenheiten durch den Schrumpfvorgang der gesinterten Ferritkerne 36, 44 ausgeglichen werden, sodass eine flächige Anhaftung der Wicklungsplatinen 38, 46 auf den entsprechenden Wicklungsaufnahmeabschnitt 76, 78 gegeben ist. Auch ein kostenintensives Schleifen des jeweiligen Wicklungsaufnahmeabschnitts 76, 78 zur Anordnung der Wicklungsplatinen 38, 46 kann somit erspart bleiben.
In 2 ist eine Draufsicht auf den primärseitigen Ferritkern 36 und den sekundärseitigen Ferritkern 44 gezeigt, wobei der primärseitige Ferritkern 36 über dem sekundärseitigen Ferritkern 44 dargestellt ist. Der Draufsicht ist zu entnehmen, dass die kreisringförmig ausgebildeten Ferritkerne 36, 44 sowohl am inneren Umfang 64 als auch am äußeren Umfang 66 voneinander Abweichungen 60 in radialer Richtung aufweisen. Diese Abweichungen 60 sind bedingt durch das Sintern bzw. den anschließenden Trocknungsvorgang der Ferritkerne 36, 44 und sind für das in 1 beschriebene Design des kontaktlosen Leistungsübertragungssystems 12 unerheblich. Es ist nicht erforderlich den inneren 64 und/oder den äußeren Umfang 66 zu schleifen, so dass die Herstellungskosten des Leistungsübertragungssystems 12 reduziert werden können.
3 zeigt einen Längsschnitt durch den aus 1 und 2 bekannten primärseitigen Ferritkern 36 und sekundärseitigen Ferritkern 44. Demnach weist der kreisringförmige primärseitige Ferritkern 36 einen U-förmigen Querschnitt zwischen dem inneren Umfang 64 und dem äußeren Umfang 66 auf. Der kreisringförmige sekundärseitige Ferritkern 44 weist eine ebene Ausgestaltung auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017214766 A1 [0002, 0033]
DE 102017214776 A1 [0002]

Claims

Kontaktloses Leistungsübertragungssystem (12) zum Erzeugen eines Stroms in einer Erregerwicklung eines um eine Längsachse (14) rotierbar gelagerten Rotors (10) einer elektrischen Maschine, mit - einem scheibenförmig ausgebildeten primärseitigen Ferritkern (36) zur Anordnung an einem Motorgehäuse oder Lagerschild (18) der elektrischen Maschine, - einer auf dem primärseitigen Ferritkern (36) angeordneten primärseitigen Wicklungsplatine (38) zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfelds, - einem scheibenförmig ausgebildeten sekundärseitigen Ferritkern (44) zur Anordnung an einer Stirnseite des Rotors (10), und - einer auf dem sekundärseitigen Ferritkern (44) angeordneten sekundärseitigen Wicklungsplatine (46) zum Wandeln des magnetischen Wechselfelds in eine Wechselspannung, wobei der primärseitige Ferritkern (36) und der sekundärseitige Ferritkern (44) über einen Luftspalt (30) in axialer Richtung des Rotors (10) zueinander beabstandet angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der primärseitige Ferritkern (36) wenigstens einen primärseitigen Übertragungsabschnitt (68) und der sekundärseitige Ferritkern (44) wenigstens einen sekundärseitigen Übertragungsabschnitt (70) aufweisen, so dass ein von der primärseitigen Wicklungsplatine (38) erzeugtes magnetisches Wechselfeld über den primärseitigen Übertragungsabschnitt (68) des primärseitigen Ferritkerns (36) ausschließlich in axialer Richtung des Rotors (10) über den sekundärseitigen Übertragungsabschnitt (70) in den sekundärseitigen Ferritkern (44) überwechseln kann, wobei der primärseitige Ferritkern (36) und sekundärseitige Ferritkern (44) jeweils eine Öffnung (58) zur Durchführung einer Rotorwelle (16) des Rotors (10) aufweisen, und der scheibenförmige primärseitige Ferritkern (36) oder der scheibenförmige sekundärseitige Ferritkern (44) wenigstens eine Aufkantung (62) aufweist, und die Aufkantung (62) dem jeweils anderen Ferritkern (36, 44) zugewandt ist, und den Übertragungsabschnitt (68) ausbildet.
Leistungsübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der primärseitige Ferritkern (36) oder der sekundärseitige Ferritkern (44) jeweils zwei voneinander beabstandet angeordnete Aufkantungen (62) aufweist.
Leistungsübertragungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der scheibenförmige primärseitige Ferritkern (36) oder der scheibenförmige sekundärseitige Ferritkern (44) in einem Schnitt senkrecht zur Ebene des jeweiligen Ferritkerns (36, 44) ausgehend von der Öffnung (58) zu einem Randbereich in radialer Richtung des jeweiligen Ferritkerns (36, 44) eine U-förmige Ausgestaltung aufweist und der jeweils andere Ferritkern (36, 44) eine ebene Ausgestaltung aufweist.
Leistungsübertragungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primärseitige Ferritkern (36) und/oder der sekundärseitige Ferritkern (44) im Wesentlichen kreisringförmig ausgebildet sind.
Leistungsübertragungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der primärseitige Übertragungsabschnitt (68) eine primärseitige Übertragungsfläche (72) aufweist, die parallel zur Ebene des scheibenförmigen primärseitigen Ferritkerns (36) ausgebildet ist, und - der sekundärseitige Übertragungsabschnitt (70) eine sekundärseitige Übertragungsfläche (74) aufweist, die parallel zur Ebene des scheibenförmigensekundärseitigen Ferritkerns (44) ausgebildet ist.
Leistungsübertragungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primärseitige Ferritkern (36) und/oder der sekundärseitige Ferritkern (44) angrenzend an den jeweiligen Übertragungsabschnitt (68, 70) und/oder die jeweilige Übertragungsfläche (72, 74) einen Wicklungsaufnahmeabschnitt (76, 78) zur Aufnahme und/oder Anordnung der jeweiligen Wicklungsplatine (38, 46) aufweist.
Leistungsübertragungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (30) in einem Bereich zwischen dem jeweiligen Übertragungsabschnitt (68, 70) des primärseitigen Ferritkerns (36) und des sekundärseitigen Ferritkerns (44) kleiner ist als in einem Bereich zwischen dem jeweiligen Wicklungsaufnahmeabschnitt (76, 78).
Leistungsübertragungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spaltbreite des Luftspalts (30) in axialer Richtung des Rotors (10) kleiner 0,2 mm, insbesondere kleiner 0,15 mm und insbesondere kleiner 1 mm, wobei die Grenzen der jeweiligen Werte inbegriffen sind.
Leistungsübertragungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die primärseitige Wicklungsplatine (38) und/oder die sekundärseitige Wicklungsplatine (46) auf den jeweiligen Wicklungsaufnahmeabschnitt (76, 78) stoffschlüssig angeordnet ist.
Leistungsübertragungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der primärseitige Ferritkern (36) mit einer dem sekundärseitigen Ferritkern (44) abgewandten Stirnseite auf einem primärseitigen Kühlkörper (34) stoffschlüssig angeordnet ist, und/oder - der sekundärseitige Ferritkern (44) mit einer dem primärseitigen Ferritkern (36) abgewandten Stirnseite auf einem sekundärseitigen Kühlkörper (42) stoffschlüssig angeordnet ist.
Leistungsübertragungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - wenigstens der primärseitige Kühlkörper (34), die primärseitige Wicklungsplatine (38) und der primärseitige Ferritkern (36) mit einem Kunstharz, Kunststoff und/oder Silikon vergossen oder umspritzt sind, und/oder - wenigstens der sekundärseitige Kühlkörper (42), die sekundärseitige Wicklungsplatine (46) und der sekundärseitige Ferritkern (44) mit einem Kunstharz, Kunststoff und/oder Silikon vergossen oder umspritzt sind.
Leistungsübertragungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primärseitige Ferritkern (36) und/oder der sekundärseitige Ferritkern (44) jeweils wenigstens eine Durchgangsbohrung (80) in axialer Richtung zur Durchkontaktierung aufweisen.
Leistungsübertragungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine wenigstens den primärseitigen Ferritkern (36) aufweisende Primärseite PRIM zentrierungsfrei zu einer wenigstens den sekundärseitigen Ferritkern aufweisenden Sekundärseite SEC anordbar ist.
Elektrische Maschine, die als fremderregte Synchronmaschine ausgestaltet ist und ein kontaktloses Leistungsübertragungssystem (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 14, umfassend ein Lagerschild (18) und/oder ein Maschinengehäuse mit einem Festlager (20) zur drehbaren Lagerung eines Rotors (10) um dessen Rotationsachse, wobei das Leistungsübertragungssystem (12) festlagerseitig angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 14 oder 15, umfassend ein Lagerschild (18) und/oder ein Maschinengehäuse mit einem Loslager zur drehbaren Lagerung des Rotors (10) um dessen Rotationsachse, wobei das Leistungsübertragungssystem (12) loslagerseitig angeordnet ist.
Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine nach Anspruch 14 bis 16, wobei die elektrische Maschine als ein Traktionsantrieb für das Kraftfahrzeug ausgestaltet ist und mit einem Wechselrichter verschaltet ist, der für eine Drehzahl der elektrischen Maschine von mehr als 15.000 Umdrehungen pro Minute eingerichtet ist.