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Einleitung
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Hier wird ein Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang mit elektrischer Maschine beschrieben, sowie eine solche elektrische Maschine. Details hierzu sind in den Ansprüchen definiert; auch die Beschreibung und die Zeichnung enthalten relevante Angaben zum Antriebsstrang und zur Funktionsweise sowie der elektrischen Maschine und zu deren Varianten.
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Technischer Hintergrund
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Unter einer elektrischen Maschine wird hierbei eine elektrische Maschine in Form einer Innen- oder Außenläufermaschine verstanden. Eine elektrische Maschine kann hierbei sowohl ein elektrischer Motor als auch ein elektrischer Generator sein. Derzeit werden in Avionik- oder Automotive-Anwendungen im Antriebsstrang bis zu mehreren hundert Kilowatt vielfach permanenterregte elektrische Maschinen eingesetzt. Allerdings sind diese aufgrund der darin verbauten Selten-Erden-Permanentmagnete (NdFeB, SmCo, etc) relativ teuer. Als Vorteile der Permanentmagneterregung gegenüber der elektrischen Erregung gelten: kleinerer Außendurchmesser bei gleicher Nennleistung, geringeres Volumen und Gewicht bei gleicher Nennleistung, einfacherer Aufbau, höherer Wirkungsgrad, da keine Erregerverluste, kostengünstigere Fertigung, bessere Dynamik da kein Erreger-Feldaufbau.
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Allerdings ist die Verfügbarkeit von Selten-Erden-Permanentmagnetmaterial eingeschränkt und schränkt insofern einen Einsatz im großen Stil bei Avionik- oder Automotive-Anwendungen ein. Andere Ansätze in Avionik- oder Automotive-Anwendungen setzen auf Asynchronmaschinen, bei denen die Erregungsenergie in den Läufer mittels Bürsten-Schleifring-Anordnungen eingespeist wird.
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Derzeit kommen zum Beispiel in Automotive-Anwendungen abhängig von dem Zweck des Fahrzeuges unterschiedliche Elektromotoren zum Einsatz. Dabei spielen die Systemkosten, der verfügbare Bauraum, geforderte Funktionen sowie der Wirkungsgrad eine Rolle. Bisher werden in in Automotive-Anwendungen hauptsächlich Asynchronmaschinen und permanenterregte Synchronmaschinen verwendet. Asynchronmaschinen sind sehr robust und kostengünstig. Permanenterregte Synchronmaschinen eignen sich durch ihre vergleichsweise geringe Baulänge vorzugsweise für die direkte Integration in die Getriebeglocke des Antriebsstrangs. Dazu bieten sie einen hohen Wirkungsgrad und werden häufig bei Mild- und Vollhybrid-Modellen eingesetzt. So ist in neueren Modellen des Toyota Prius als Elektromotor / Generator eine 60 kW-Synchronmaschine eingesetzt, und die ZF AG bietet unter der Bezeichnung SG 325 L 32 eine permanenterregte Synchronmaschine für einen Parallel-HybridAntrieb mit 12 KW Leistung an.
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Zugrundeliegendes Problem
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Für Elektromobilitätsanwendungen im Avionik- oder Automotive-Bereich soll ein kostengünstiger und zuverlässiger Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine vorgeschlagen werden.
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Vorgeschlagene Lösung
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Zur Lösung wird ein Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang mit einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, die einen Ständer und einen relativ zum Ständer drehbaren Läufer aufweist, wobei der Ständer eine oder mehrere Ständerwicklungen aufweist und der Läufer eine oder mehrere Läuferwicklungen aufweist, und dem Ständer eine erste, mit dem Ständer feststehende Transformatorwicklung zugeordnet ist, die mit einer zweiten, mit dem Läufer drehbaren Transformatorwicklung magnetisch gekoppelt ist, wobei die erste Transformatorwicklung und die zweite Transformatorwicklung zur Energieübertragung von der ersten zur zweiten Transformatorwicklung über einen zwischen ihnen befindlichen Spalt eingerichtet sind, und wobei die zweite Transformatorwicklung mit der Eingangsseite einer der Transformatorwicklung nachgeschalteten Gleichrichterstufe elektrisch verbunden ist, deren Ausgangsseite mit einer oder mehreren der Läuferwicklungen elektrisch verbunden ist, um diese mit einem sekundären Erregerstrom zu speisen.
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Bei einer Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang mit einer derartigen fremderregten elektrischen Maschine wird einerseits dem Ständer Antriebsenergie zugeführt und andererseits dem Läufer elektrische Erregungsenergie zugeführt. Bei einer fremderregten (Gleichstrom-)Maschine werden Ständer- und (Läufer-)Erregerwicklung aus unterschiedlichen Spannungsquellen gespeist.
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Dies ist im Unterschied zu sehen etwa zu einer permanenterregten elektrischen Maschine, bei der der Läufer mit Permanentmagneten bestückt ist, deren magnetisches Feld - im Motorbetriebsfall - in Wechselwirkung tritt mit dem durch die Ständerbestromung hervorgerufenen magnetischen Feld, um so eine Rotation des Läufers zu bewirken; im Generatorbetriebsfall ruft eine Rotation des Läufers eine an den Anschlüssen der Ständerwicklung abgreifbare elektrische Leistung hervor.
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Die hier vorgestellte Anordnung bietet einen Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang für den Massenmarkt der Elektromobilität. Dieser Antriebsstrang kommt ohne teure und schwer verfügbaren Selten-Erden-Permanentmagnete in der elektrischen Maschine aus; dieser Antriebsstrang ist auch verschleißarm, dauerfest und effizient zu betreiben. Insbesondere auch beim reinen Elektroantrieb ist ein hoher Wirkungsgrad über einen weiten Bereich von Drehmoment und Drehzahl erzielbar, was eine effiziente Nutzung der Batterie erlaubt.
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Aus dem Kraftwerksbau sind zwar fremderregte Maschinen bekannt, bei denen auf der Generatorwelle ein Erregergenerator bürstenlos mit elektrischer Erregungsenergie gespeist wird. So werden etwa dreiphasige Synchrongeneratoren zur Erzeugung elektrischer Energie und in Großkraftwerken eingesetzt. Hier sind die Ständerwicklungen entweder als konzentrierte oder als verteilte Wicklung ausgeführt. Drei räumlich um 120° am Umfang versetzte Wicklungen dienen zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfelds. Die Ständerwicklungen werden dazu von drei um 120° phasenverschobenen, sinusförmigen Strömen durchflossen. Auf dem Läufer ist ein Elektromagnet aufgebracht. Die Energieversorgung des Elektromagneten erfolgt in der Regel über Schleifringe oder bürstenlos über den Erregergenerator. Sofern der Läufer und das Ständerfeld keine Relativgeschwindigkeit zueinander aufweisen, also synchron sind, kann ein Drehmoment mit einem Mittelwert ungleich null gebildet werden. Der Winkel zwischen Läufer und Ständerfeld ist ausschlaggebend für die Höhe des Drehmoments. Die fremderregte Synchronmaschine ist zwar ein robuster Maschinentyp mit einem guten Wirkungsgrad und einer guten Leistungsdichte. Allerdings sind diese Großkraftwerks-Anordnungen nicht als Antriebe einen Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang für den Massenmarkt der Elektromobilität übertragbar. Konventionelle Gleichstrommaschinen erzeugen auch an ihren Bürsten ein sog. Bürstenfeuer, welches die Hauptursache für hochfrequente Störungen ist. Dieses Bürstenfeuer begrenzt auch die maximale Drehzahl, da die Bürsten bei hohen Drehzahlen heiß werden und besonders schnell verschleißen. Weiterhin bewirken hohe Drehzahlen auch höhere Induktionsspannungen, die bis hin zum umlaufenden Bürstenfeuer führen können.
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Der Avionik- oder Automotive-Antriebsstrang der hier offenbarte Art vermeidet die Nachteile eines Schleifringübertragers und verwendet eine berührungslose Übertragung für die Erregungsenergie der (Läufer-)Erregerwicklung. Diese berührungslose Übertragung ist wesentlich einfacher gestaltet ist als die bekannten Erregungsgeneratoren. Diese Übertragung wird durch einen ringförmigen Übertrager oder Transformator realisiert, dessen eine Seite rotierend ausgestaltet ist. Die feststehende Primärseite des Transformators kann durch einer pulsweitenmodulierten Halb- oder Vollbrückenschaltung gespeist sein. Die rotierende Sekundärseite des Transformators kann über eine Gleichrichterschaltung die Erregerwicklung speist. Durch eine entsprechend hoch gewählte Übertragungsfrequenz kann die Übertragung sehr kompakt gestaltet sein. Bei Verwendung von Ferritmaterial in den Übertragungskernen des Übertragers kann eine Übertragungsfrequenz größer 100kHz gewählt werden. So werden einerseits die mit Verschleiß und drehzahlabhängigem Kontaktwiderstand behafteten Schleifringe vermieden und andererseits die komplexen und sehr viel Bauraum benötigenden Erregergeneratoren vermieden. Bei einem Innenläufer kann der Übertrager axial neben dem Ständer und radial unter dem Wickelkopf des Ständers angeordnet sein. Auf der Läuferseite wird der Erregerstrom mittels Dioden gleichgerichtet.
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In einer Variante des hier vorgestellten Antriebsstrangs sind die erste und die zweite Transformatorwicklung einem jeweiligen ersten und zweiten weichmagnetischen Übertragungskern zugeordnet.
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In einer weiteren Variante des Antriebsstrangs sind die ersten und zweiten weichmagnetischen Übertragungskerne magnetisch gekoppelt und enthalten ferrithaltiges Material.
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In einer weiteren Variante des Antriebsstrangs bilden der der erste und zweite weichmagnetische Übertragungskern zusammen mit der ersten und der zweiten Transformatorwicklung einen Übertrager mit einer stehenden und eine rotierenden Seite, bei dem die beiden Seiten durch den zwischen ihnen befindlichen (kreis(ring)förmigen oder zylindermantelförmigen) Spalt getrennt sind.
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In einer weiteren Variante des Antriebsstrangs sind einander zugewandte Mantel- oder Stirnflächen der beiden Seiten des Übertragers jeweils mit einem korrespondierenden Relief zum Beispiel in Form von abwechselnden Stegen und Nuten strukturiert. Dies ruft eine sich wiederholende Änderung der Reluktanz hervor, abhängig davon, in welchem Maß die Stege und Nuten zu einander fluchten. Diese sich wiederholende Reluktanzänderung führt zu einer in gleichem Maß schwankenden Stromaufnahme der ersten und der zweiten Transformatorwicklung. Diese schwankende Stromaufnahme kann zur Positionsbestimmung des Läufers mittels einer nicht weiter veranschaulichten Auswerteelektronik ausgewertet werden.
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In einer weiteren Variante des Antriebsstrangs ist die erste Transformatorwicklung mit einer Erregerschaltung elektrisch verbunden, welche dazu eingerichtet ist, die erste Transformatorwicklung mit einem primären Erregerstrom zu speisen.
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In einer weiteren Variante des Antriebsstrangs ist die Erregerschaltung dazu eingerichtet, die erste Transformatorwicklung mit einem primären Erregerstrom mit einer Frequenz zwischen etwa 50 kHz und etwa 5 MHz zu speisen und die Pulsweite des primären Erregerstroms zu variieren. Die Läufertemperatur wird in einer anderen, hier nicht weiter veranschaulichten Variante über den temperaturabhängigen Widerstand der Erregerwicklung ermittelt werden, da ein höherer Widerstand zu einem höheren Spannungsbedarf in der Primärwicklung führt. Dieser höhere Spannungsbedarf kann über das Einschaltverhältnis in der Pulsweitenmodulation durch die Erregerschaltung 60 ermittelt werden. Auch die Übertragung von sonstigen Signalen ist durch Modulation oder Überlagerung der Sekundärspannung möglich.
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Figurenliste
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Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen alle beschriebenen und / oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den hier offenbarten Gegenstand, auch unabhängig von ihrer Gruppierung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen. Die Abmessungen und Proportionen der in den Fig. gezeigten Komponenten sind hierbei nicht unbedingt maßstäblich; sie können bei zu implementierenden Ausführungsformen vom hier Veranschaulichten abweichen.
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Dabei zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer Variante eines Automotive-Antriebsstrangs mit einer elektrischen Maschine,
- 2 eine erste schematische perspektivische Darstellung eines Übertragers,
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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Ein in 1 veranschaulichter Automotive-Antriebsstrang AAS hat eine elektrische Maschine 10 der unten im Detail erläuterten Bauart. Diese elektrische Maschine 10 in Innenläuferausführung treibt über ihre Welle 10a ein nicht weiter im Detail erläutertes Differentialgetriebe Get an, dessen zwei Ausgangswellen jeweils ein Rad R1, R2 in Rotation versetzen.
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Die elektrische Maschine 10 hat einen Ständer 12 und einen relativ zum Ständer 12 drehbaren Läufer 14, wobei der drehbare Läufer 14, wobei auf der Welle 10a der elektrischen Maschine 10 drehfest sitzt. Der Ständer 12 hat an seinem Umfang verteilt in nicht weiter veranschaulichten koaxial orientierten Nuten mehrere Ständerwicklungen 22, die über Anschlüsse r, s, t mit elektrischer Nennleistung gespeist werden. Der Läufer 14 hat ebenfalls an seinem Umfang verteilt in nicht weiter veranschaulichten koaxial orientierten Nuten mehrere Läuferwicklungen 24. Die elektrische Maschine 10 hat ein Gehäuse 10b, in dem die Welle 10a an deren beiden Enden gelagert aufgenommen ist. In dem Gehäuse 10b ist, eine erste, mit dem Ständer 12 feststehende Transformatorwicklung 32 angeordnet. Diese feststehende Transformatorwicklung 32 ist mit einer zweiten Transformatorwicklung 34 magnetisch gekoppelt, die mit dem Läufer 14 auf der Welle 10a angeordnet ist und damit relativ zu der feststehenden Transformatorwicklung 32 drehbar ist.
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In der hier gezeigten Variante ist zur Speisung einer Erregerspannung UF an die Läuferwicklungen 24 eine die erste Transformatorwicklung 32 mit einer Erregerschaltung 60 elektrisch verbunden, welche dazu eingerichtet ist, die erste Transformatorwicklung 32 mit einem primären Erregerstrom zu speisen. Dazu liefert die Erregerschaltung 60 vier Taktsignale a ... d, welche jeweils einen (Halbleiter-)Schalter S1 ... S4 einer Vollbrückenschaltung VBS ansteuern. In der Mitte der Vollbrückenschaltung VBS liegt der Brückenzweig, der hier mit der ersten, mit dem Ständer 12 feststehenden Transformatorwicklung 32 belegt ist. Die Anordnung ermöglicht einen Polaritätswechsel der an der Transformatorwicklung 32 anliegenden Spannung.
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Die Erregerschaltung 60 liefert ein variables Taktmuster als Taktsignale a ... d um die erste Transformatorwicklung 32 mit einem primären Erregerstrom mit einer Frequenz zwischen etwa 50 kHz und etwa 5 MHz zu speisen und die Pulsweite des primären Erregerstroms zu variieren. So dienen die erste Transformatorwicklung 32 und die zweite Transformatorwicklung 34 dienen zur Energieübertragung von Erregungsenergie, um die elektrische Maschine 10 als fremderregte Maschine betreiben zu können. Dabei wird die Erregungsenergie von der ersten zur zweiten Transformatorwicklung 32, 34 über einen zwischen ihnen befindlichen Luft-Spalt 36 übertragen. In der in 1 veranschaulichen Variante sind die erste Transformatorwicklung 32 und die zweite Transformatorwicklung 34 als Ringspulen ausgebildet und jeweils in einem jeweiligen, ringzylindrischen ersten und zweiten weichmagnetischen Übertragungskern 52, 54 aufgenommen. Die ersten und zweiten weichmagnetischen Übertragungskerne 52, 54 bilden hier zusammen mit der ersten und die zweiten Transformatorwicklung 32, 34 einen Übertrager 50 mit einer stehenden und eine rotierenden Seite, bei dem die beiden Seiten durch den zwischen ihnen befindlichen Spalt 36 getrennt sind. Die ringzylindrischen ersten und zweiten weichmagnetischen Übertragungskerne 52, 54 des Übertragers 50 sind in dieser Variante koaxial entlang der Welle 10a so angeordnet, dass der Spalt 36 zwischen ihnen jeweils eine Deckfläche des jeweiligen ringzylindrischen Übertragungskerns 52, 54 ist. Siehe hierzu auch 3. In einer anderen, in 4 veranschaulichten Variante sind die ringzylindrischen Übertragungskerne 52, 54 konzentrisch angeordnet, so dass der feststehende ringzylindrische Übertragungskern 52 außen liegt und den mit der Welle 10a und dem Läufer 14 rotierende ringzylindrische Übertragungskern 54 von diesem umschlossen ist. In diesem Fall hat der Spalt 36 des Übertragers 50 die Gestalt der Mantelfläche eines Kreiszylinders.
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Die zweite Transformatorwicklung 34 des Übertragers 50 ist mit einer Eingangsseite m, n einer der zweiten Transformatorwicklung 34 nachgeschalteten Gleichrichterstufe 40 elektrisch verbunden. Diese Gleichrichterstufe 40 hat eine Ausgangsseite p, q, die mit den Läuferwicklungen 24 elektrisch verbunden ist, um diese mit einem gleichgerichteten sekundären Erregerstrom zu speisen. Die Gleichrichterstufe 40 ist hier als Brückengleichrichterschaltung mit vier Einzeldioden D1 ... D4 gleichen Typs realisiert. In einer nicht weiter veranschaulichten Variante ist die zweite Transformatorwicklung 34 des Übertragers 50 mit einer mit einem Mittelabgriff ausgestaltet; damit ist unter Verwendung von zwei Einzeldioden eine Zweipulsmittelpunktschaltung - M2 mit demselben Wirkungsgrad wie eine Brückengleichrichterschaltung zu realisieren.
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Der Übertrager 50 kann in den hier gezeigten Varianten sehr einfach und so klein bauen, so dass die fremderregte elektrische Maschine 10 entweder keinen oder nur wenig zusätzlichen Bauraum benötigt. Der Übertrager 50 hat keinen mechanischen Verschleiß, da die Übertragung berührungslos erfolgt. Dadurch wird auch bei sehr hohen Drehzahlen der Erregerstrom sicher übertragen und die Zuverlässigkeit der Maschine gesteigert. Der Materialeinsatz für den Übertrager ist sehr gering und begünstigt eine wirtschaftliche Serienfertigung. Im Gegensatz zu einem Erregungsgenerator kann die Erregungsleistung drehzahlunabhängig auf einfache und effektive Weise geregelt werden. Weiterhin kann über das Übersetzungsverhältnis des Übertragers 50 die Ausgangsspannung der zweiten Transformatorwicklung 34 optimal für dien Läufer 14 festgelegt werden. Somit kann ein optimaler Drahtquerschnitt gewählt werden, der einen guten Füllfaktor bei guter Wickelbarkeit gewährleistet.
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Die vorangehend beschriebenen Varianten sowie deren Aufbau- und Betriebsaspekte dienen lediglich dem besseren Verständnis der Struktur, der Funktionsweise und der Eigenschaften; sie schränken die Offenbarung nicht etwa auf die Ausführungsbeispiele ein. Die Fig. sind teilweise schematisch, wobei wesentliche Eigenschaften und Effekte zum Teil deutlich vergrößert dargestellt sind, um die Funktionen, Wirkprinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmale zu verdeutlichen. Dabei kann jede Funktionsweise, jedes Prinzip, jede technische Ausgestaltung und jedes Merkmal, welches/welche in den Fig. oder im Text offenbart ist / sind, mit allen Ansprüchen, jedem Merkmal im Text und in den anderen Fig., anderen Funktionsweisen, Prinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmalen, die in dieser Offenbarung enthalten sind oder sich daraus ergeben, frei und beliebig kombiniert werden, so dass alle denkbaren Kombinationen der beschriebenen Varianten zuzuordnen sind. Dabei sind auch Kombinationen zwischen allen einzelnen Ausführungen im Text, das heißt in jedem Abschnitt der Beschreibung, in den Ansprüchen und auch Kombinationen zwischen verschiedenen Varianten im Text, in den Ansprüchen und in den Fig. umfasst. Auch die Ansprüche limitieren nicht die Offenbarung und damit die Kombinationsmöglichkeiten aller aufgezeigten Merkmale untereinander. Alle offenbarten Merkmale sind explizit auch einzeln und in Kombination mit allen anderen Merkmalen hier offenbart.