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Die Erfindung betrifft eine fremderregte elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, welche einen ortsfest gelagerten Stator mit einem Statorblechpaket und bestrombaren, von dem Statorblechpaket gehaltenen Statorwicklungen und einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor mit einem Rotorblechpaket und einer bestrombaren, von dem Rotorblechpaket gehaltenen Rotorwicklung aufweist. Das Statorblechpaket und das Rotorblechpaket sind konzentrisch zueinander bezüglich einer Rotationsachse des Rotors angeordnet. Die fremderregte elektrische Maschine weist außerdem eine induktive Stromübertragungseinheit zur berührungslosen Energieübertragung an die Rotorwicklung für die Erregung eines Rotormagnetfelds auf. Die Stromübertragungseinheit weist eine ortsfest gelagerte Primärseite und eine drehfest mit dem Rotor verbundene Sekundärseite auf, wobei die Primärseite und die Sekundärseite jeweils eine Wicklung und jeweils einen Magnetkern aufweisen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer fremderregten elektrischen Maschine.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf fremderregte elektrische Maschinen, welche insbesondere als Antriebsmaschinen für elektrifizierte Kraftfahrzeuge eingesetzt werden. Solche elektrischen Maschinen weisen üblicherweise zwei Aktivteile in Form von einem Stator und einem bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Die Aktivteile weisen in der Regel jeweils ein Blechpaket und bestrombare, von dem Blechpaket gehaltene Wicklungen zur Magnetfelderregung auf. Besonders herausfordernd ist hier die Bestromung des sich drehenden Rotors zur Erregung des Rotormagnetfeldes. Dazu weist die elektrische Maschine üblicherweise eine Stromübertragungseinheit auf, welche beispielsweise als ein konduktives Schleifringsystem oder als ein induktiver Drehübertrager ausgebildet sein kann. Solche induktiven Drehübertrager arbeiten nach dem Transformatorprinzip und weisen üblicherweise eine ortsfest gelagerte Primärseite und eine an dem Rotor angeordnete und damit drehbar gelagerte Sekundärseite auf, wobei die Primärseite zur berührungslosen Energieübertragung beabstandet zu der Sekundärseite angeordnet ist.
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Die Primärseite und die Sekundärseite weisen jeweils einen Magnetkern und eine Wicklung auf, wobei die Wicklungen der Primärseite und der Sekundärseite üblicherweise axial beabstandet zueinander angeordnet sind. Dies erhöht jedoch in unerwünschter Weise den axialen Bauraumbedarf der elektrischen Maschine. Zur Reduzierung des axialen Bauraums schlägt die
DE 10 2014 202 719 A1 beispielsweise vor, die Magnetkerne der Sekundärseite und der Primärseite als zwei sich axial überlappende, ineinander verschachtelte C-Profilform-Teile auszubilden. Außerdem ist bei dieser axial überlappenden Anordnung die Sekundärseite aufgrund ihrer vergleichsweisen hohen radialen Ausdehnung hohen Fliehkräften beim Rotieren des Rotors ausgesetzt und daher mechanisch stark beansprucht. Um eine fliehkraftbedingte Beschädigung oder Zerstörung der Stromübertragungseinheit zu verhindern, ist daher eine Umdrehungsgeschwindigkeit der elektrischen Maschine begrenzt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aus dem Stand der Technik bekannte Stromübertragungseinheit für eine fremderregte elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs hinsichtlich ihres Bauraumbedarfes und ihrer mechanischen Robustheit weiter zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine fremderregte elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
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Eine erfindungsgemäße fremderregte elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug weist einen ortsfest gelagerten Stator mit einem Statorblechpaket und bestrombaren, von dem Statorblechpaket gehaltenen Statorwicklungen und einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor mit einem Rotorblechpaket und einer bestrombaren, von dem Rotorblechpaket gehaltenen Rotorwicklung auf. Das Statorblechpaket und das Rotorblechpaket sind bezüglich einer Rotationsachse des Rotors konzentrisch zueinander angeordnet. Außerdem weist die fremderregte elektrische Maschine eine induktive Stromübertragungseinheit zur berührungslosen Energieübertragung an die Rotorwicklung für die Erregung eines Rotormagnetfelds auf. Die Stromübertragungseinheit weist eine ortsfest gelagerte Primärseite und eine drehfest mit dem Rotor verbundene Sekundärseite auf, wobei die Primärseite und die Sekundärseite jeweils eine Wicklung und jeweils einen Magnetkern aufweisen. Die Sekundärseite und die Primärseite sind bezüglich der Rotationsachse konzentrisch zueinander angeordnet, sodass die Wicklung der Primärseite und die die Wicklung der Sekundärseite radial überlappend zueinander angeordnet sind.
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Die elektrische Maschine dient insbesondere als Antriebsmaschine für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug. Die elektrische Maschine ist beispielsweise als eine stromerregte Synchronmaschine (SSM) ausgebildet und weist zwei Aktivteile in Form von dem Stator und dem Rotor auf. Insbesondere ist die elektrische Maschine eine Innenläufermaschine, bei welcher der Rotor innerhalb des Stators drehbar gelagert ist. Der Stator und der Rotor weisen jeweils ein Blechpaket auf. Das Blechpaket des Stators ist insbesondere hohlzylindrisch ausgebildet und kann an seiner dem Rotor zugewandten Innenseite Nuten zum Halten der Statorwicklungen aufweisen. Das Blechpaket des Rotors ist beispielsweise in Schenkelpolbauweise gefertigt und weist Schenkelpole auf, um welche die Rotorwicklung gewickelt ist. Der Rotor weist eine sich axial, entlang der Rotationsachse erstreckende Rotorwelle auf, welche drehfest mit dem Rotorblechpaket verbunden ist. Beispielsweise weist das Rotorblechpaket hierfür einen axialen Durchgang auf, durch welchen die Rotorwelle hindurchgeführt ist. Zur Magnetfelderregung werden die Statorwicklungen und die Rotorwicklung bestromt.
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Zum Bestromen des sich drehenden Rotors wird die induktive Stromübertragungseinheit verwendet, welche Energie kontaktlos an die Rotorwicklung während einer Rotation des Rotors übertragen kann. Dazu weist die Stromübertragungseinheit die Primärseite und die Sekundärseite auf. Die Primärseite weist eine primärseitige Induktivität auf, welche durch eine primärseitige Wicklung bzw. Primärwicklung und einen primärseitigen Magnetkern ausgebildet ist. Die Sekundärseite weist eine sekundärseitige Induktivität auf, welche durch eine sekundärseitige Wicklung bzw. Sekundärwicklung und einen sekundärseitigen Magnetkern ausgebildet ist. Die primärseitige Induktivität bzw. Primärinduktivität und die sekundärseitige Induktivität bzw. Sekundärinduktivität sind nach dem Transformatorprinzip gekoppelt. Anders ausgedrückt bilden die Primärinduktivität und die Sekundärinduktivität einen Transformator aus. Die Wicklung der Primärseite und/oder der Sekundärseite kann beispielsweise als eine Runddrahtwicklung, eine Flachdrahtwicklung oder als zumindest eine Leiterbahn auf einer Platine ausgebildet sein.
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Die Magnetkerne dienen zum Halten und zum Leiten eines magnetischen Flusses der jeweiligen Wicklung. Der primärseitige Magnetkern ist insbesondere als ein Ferritkern ausgebildet. Der primärseitige Magnetkern ist somit aus einem Vollmaterial ausgebildet. Der sekundärseitige Magnetkern ist insbesondere als ein lamellierter Magnetkern bzw. Metallkern ausgebildet. Der sekundärseitige Magnetkern weist somit mehrere Schichten bzw. Lagen auf, welche beispielsweise als axial gestapelte und mechanisch verbundene Elektroblechlamellen ausgebildet sind. Hierdurch weist die Sekundärseite besonders geringe Wirbelstromverluste auf. Beispielsweise kann der lamellierte Metallkern der Sekundärseite durch einen axialen Endabschnitt des Rotorblechpakets ausgebildet sein. Das Rotorblechpaket, welches ebenfalls aus axial gestapelten Blechlamellen ausgebildet ist, kann somit einen ersten Abschnitt zum Halten und Leiten eines magnetischen Flusses der Rotorwicklung und einen axial daran angrenzenden zweiten Abschnitt zum Halten und Leiten eines magnetischen Flusses der Sekundärwicklung der Stromübertragungseinheit aufweisen. Der sekundärseitige Magnetkern kann aber auch als Ferritkern ausgebildet sein.
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Die Primärinduktivität ist dabei ortsfest gelagert. Beispielsweise ist die Primärseite an einem ortsfest gelagerten Gehäuse der elektrischen Maschine befestigt. Das Gehäuse kann beispielsweise ein das Statorblechpaket umgebendes Statorgehäuse sein, welches beispielsweise auch als ein Kühlmantel zum Kühlen des Stators dient. Auch kann das Gehäuse ein Gesamtgehäuse der elektrischen Maschine sein, in welchem der Stator und der Rotor angeordnet sind. Das Gehäuse kann einen Gehäusedeckel aufweisen, welcher überlappend mit einer axialen Stirnseite des Rotorblechpakets und des Statorblechpakets angeordnet ist, wobei der Gehäusedeckel zumindest ein axial in Richtung der Stirnseiten abstehendes Halteelement aufweist, an welchem die Primärseite befestigt ist. Die Sekundärseite kann, mittelbar oder unmittelbar, an einer drehfest mit dem Rotorblechpaket verbundenen Rotorwelle und/oder an dem Rotorblechpaket befestigt sein. Die Primärinduktivität und die Sekundärinduktivität sind dabei konzentrisch, also radial zueinander benachbart, angeordnet. Der zwischen der Primärinduktivität und der Sekundärinduktivität übertragene magnetische Fluss ist entlang der radialen Richtung orientiert. Die Primärinduktivität und die Sekundärinduktivität weisen insbesondere nur eine Überlappung entlang der radialen Richtung, aber keine Überlappung entlang der axialen Richtung auf. Bei der Innenläufermaschine ist dabei die sekundärseitige Wicklung in einem ersten radialen Abstand zur Rotorwelle angeordnet und die primärseitige Wicklung in einem größeren zweiten Abstand zur Rotorwelle angeordnet.
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Die primärseitige Wicklung und die sekundärseitige Wicklung können jeweils mehrere nebeneinander angeordnete Windungen, durch welche eine Wickelbreite der jeweiligen Wicklung vorgegeben ist, und mehrere übereinander angeordnete Lagen aufweisen, durch welche eine Wickelhöhe der jeweiligen Wicklung vorgegeben ist. Bei der radial überlappenden Anordnung der primärseitigen und der sekundärseitigen Wicklungen zueinander sind die Windungen einer Lage der jeweiligen Wicklung axial nebeneinander angeordnet, sodass sich die Wickelbreite der jeweiligen Wicklung entlang der axialen Richtung erstreckt. Die Lagen der jeweiligen Wicklung sind radial übereinander liegend angeordnet, sodass sich die Wickelhöhe der jeweiligen Wicklung entlang der radialen Richtung erstreckt. Die Wickelbreite der jeweiligen Wicklung ist insbesondere größer als die Wickelhöhe der jeweiligen Wicklung. Somit ist die Sekundärinduktivität bei der radial überlappenden Anordnung aufgrund der geringeren radialen Ausdehnung der Sekundärinduktivität geringeren Fliehkräften ausgesetzt als bei einer axial überlappenden Anordnung, bei welcher sich die Wickelbreite der Sekundärrichtung in radialer Richtung und die Wickelhöhe in axialer Richtung erstreckt. Hierdurch ist die Stromübertragungseinheit mechanisch besonders robust und es können von der elektrischen Maschine höhere Umlaufgeschwindigkeiten bereitgestellt werden. Außerdem wird der axiale Bauraum der Stromübertragungseinheit und damit der elektrischen Maschine in vorteilhafter Weise reduziert.
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Vorzugsweise sind die Magnetkerne als Schalenkerne ausgebildet, welche jeweils zumindest eine Ringnut zum Aufnehmen der jeweiligen Wicklung aufweisen, wobei sich ein Nutgrund der jeweiligen Ringnut axial und entlang einer Umfangsrichtung erstreckt und sich Nutflanken der jeweiligen Ringnut radial und entlang der Umfangsrichtung erstrecken. Die Magnetkerne sind insbesondere ringförmig mit einem C-Profil oder einem U-Profil ausgebildet. Bei der Innenläufermaschine umgibt der primärseitige Magnetkern den sekundärseitigen Magnetkern, wobei die Ringnuten der Magnetkerne und damit die Wicklungen einander zugewandt sind und radial überlappend zueinander angeordnet sind. Die Windungen einer Lage der jeweiligen Wicklung sind dabei axial benachbart zueinander in der jeweiligen Ringnut angeordnet und die Lagen der jeweiligen Wicklung sind radial benachbart zueinander in der jeweiligen Ringnut angeordnet.
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Die Sekundärseite weist insbesondere eine Elektronik auf, welche an der Rotorwelle befestigt ist, wobei ein Elektronikgehäuse der Elektronik die Rotorwelle radial umgibt und der Magnetkern der Sekundärseite an dem Elektronikgehäuse befestigt ist und die Elektronik radial umgibt. Die Elektronik weist das Elektronikgehäuse und zumindest eine in dem Elektronikgehäuse angeordnete Elektronikkomponente auf. Die zumindest eine Elektronikkomponente kann beispielsweise ein Gleichrichter sein, welcher den induktionsbedingt in der Sekundärseite hervorgerufenen Wechselstrom in einen Gleichstrom zum Bestromen der Rotorwicklung umwandelt. Das Elektronikgehäuse kann beispielsweise hohlzylindrisch ausgebildet sein und eine axiale Durchführung für die Rotorwelle aufweisen. An einer zylindrischen Außenwand des Elektronikgehäuses kann eine zylindrische Innenseite des sekundärseitigen Magnetkerns angeordnet sein. An einer Außenseite des sekundärseitigen Magnetkerns befindet sich die Ringnut, in welcher die sekundärseitige Wicklung angeordnet ist. Der primärseitige Magnetkern weist eine der Sekundärseite zugewandte Innenseite, an welcher sich die Ringnut mit der primärseitigen Wicklung befindet, und eine zylindrische Außenseite auf, welche beispielsweise an dem zumindest einen Halteelement des Gehäusedeckels angeordnet sein kann. Das zumindest eine Halteelement kann beispielsweise eine axial von dem Gehäusedeckel abstehende, zumindest teilweise radial umlaufende Wandung sein, an welcher die Außenseite des primärseitigen Magnetkerns angeordnet sein kann.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer erfindungsgemäßen, fremderregten elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine dient insbesondere als Antriebsmaschine des elektrifizierten Kraftfahrzeugs.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße fremderregte elektrische Maschine vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt die einzige Figur 1 eine schematische Seitenschnittdarstellung eines Ausschnitts einer fremderregten elektrischen Maschine 1, welche beispielsweise als eine elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug verwendet wird. Die elektrische Maschine 1 weist einen Rotor 2 auf, welcher innerhalb eines hier nicht gezeigten Stators drehbar gelagert angeordnet ist. Der Rotor 2 weist ein Rotorblechpaket 3 und eine hier nicht gezeigte Rotorwicklung zur Erregung eines Rotormagnetfelds auf. Außerdem weist der Rotor 2 eine Rotorwelle 4 auf, welche sich axial entlang einer Rotationsachse A erstreckt und drehfest mit dem Rotorblechpaket 3 verbunden ist. Der Rotor 2 ist in einem ortsfest gelagerten Gehäuse der elektrischen Maschine 1 angeordnet, von welchem hier ein Gehäusedeckel 5 gezeigt ist. Die Rotorwelle 4 ist über ein Lager 6 des Gehäusedeckels 5 drehbar bezüglich des Gehäuses gelagert.
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Die elektrische Maschine 1 weist eine induktive Stromübertragungseinheit 7 auf, von der in 1 außerdem ein Querschnitt 8 gezeigt ist. Die Stromübertragungseinheit 7 dient zur kontaktlosen Stromübertragung an die Rotorwicklung für die Rotormagnetfelderregung. Die Stromübertragungseinheit 7 weist eine Primärseite 9 und eine Sekundärseite 10 auf. Die Primärseite 9 ist ortsfest gelagert und dient zur Übertragung eines magnetischen Flusses an die drehbar gelagerte, mit dem Rotor 2 rotierende Sekundärseite 10. Die Primärseite 9 weist einen primärseitigen Magnetkern 11 und eine primärseitige Wicklung 12 auf. Der primärseitige Magnetkern 11 kann beispielsweise ein Ferrit-Schalenkern sein und die primärseitige Wicklung 12 kann eine Runddrahtwicklung sein. Der primärseitige Magnetkern 11 ist insbesondere ringförmig ausgebildet und weist eine umlaufende Ringnut 13 auf, in welcher die primärseitige Wicklung 12 angeordnet ist. Zur ortsfesten Befestigung der Primärseite 9 bezüglich der Rotors 2 weist der Gehäusedeckel 5 hier ein axial in Richtung des Rotors 2 abstehendes Halteelement 14, beispielsweise eine zylindermantelartige Wandung, auf, an welcher der primärseitige Magnetkern 11 befestigt ist.
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Die Sekundärseite 10 weist eine Elektronik 15 auf, welche insbesondere zur Gleichrichtung eines von der Primärseite 9 an die Sekundärseite 10 übertragenen Wechselstroms in einen für die Rotorwicklung bzw. Erregerwicklung geeigneten Gleichstrom ausgebildet ist. Die Elektronik 15 weist hier ein zylindrisches Elektronikgehäuse 16 auf, welches drehfest an der Rotorwelle 4 befestigt ist. Außerdem weist die Sekundärseite 10 einen sekundärseitigen Magnetkern 17 und eine sekundärseitige Wicklung 18 auf. Der sekundärseitige Magnetkern 17 ist insbesondere als ein geblechter Magnetkern, beispielsweise aus axial gestapelten Blechlamellen, ausgebildet. Der sekundärseitige Magnetkern 17 ist hier an dem Elektronikgehäuse 16 befestigt und somit drehfest mit der Rotorwelle 4 verbunden. Die sekundärseitige Wicklung 18 kann beispielsweise als Runddrahtwicklung, als Flachdrahtwicklung oder als Leiterbahn auf einer Platine ausgebildet sein. Die sekundärseitige Wicklung 18 ist in einer umlaufenden Ringnut 19 des sekundärseitigen Magnetkerns 17 angeordnet.
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Die Primärseite 9 und die Sekundärseite 10 sind konzentrisch zur Rotorwelle 4 angeordnet, liegen sich also in radialer Richtung R gegenüber. Hier umgibt die in der Ringnut 13 des primärseitigen Magnetkerns 11 angeordnete primärseitige Wicklung 12 die in der Ringnut 19 des sekundärseitigen Magnetkerns 17 angeordnete sekundärseitige Wicklung 18 radial. Die Wicklungen 12, 18 weisen somit nur eine Überlappung in radialer Richtung R und in Umfangsrichtung auf, nicht aber in axialer Richtung A. Dadurch weist die sekundärseitige Wicklung 18 vergleichsweise geringe Abmessungen in radialer Richtung R auf und ist somit mechanisch besonders robust ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014202719 A1 [0003]
