DE102024200350A1

DE102024200350A1 - Vorrichtung für eine induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine zum Antrieb eines Fahrzeugs, Rotorwelle, Elektromotor und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102024200350A1
Application number: DE102024200350.6A
Authority: DE
Inventors: Christof Heeger; Karl Martin Fritsch; Philip Kieper; Jens Henrich
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2024-01-16
Filing date: 2024-01-16
Publication date: 2025-07-17
Also published as: WO2025153500A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (2) für eine induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine zum Antrieb eines Fahrzeugs vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung (2) einen zu einem Gehäuse (26) der Synchronmaschine ersten, stationären Abschnitt sowie einen zum Gehäuse (26) zweiten, instationären Abschnitt aufweist. Dabei ist zwischen dem ersten und zweiten dem Abschnitt ein Transformator (8) mit einem Luftspalt angeordnet, welcher die elektrische Energie kontaktlos überträgt, wobei im zweiten Abschnitt eine Steuereinheit mit einer Leiterplatte (12) und einem bei Bedarf aktivierbaren Energiespeicher zur Erhöhung einer induktiv bereitgestellten elektrischen Energie vorgesehen ist.Es werden zudem eine Rotorwelle, ein Elektromotor sowie ein Fahrzeug vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine zum Antrieb eines Fahrzeugs. Die Erfindung betrifft ferner eine Rotorwelle mit einer solchen Vorrichtung, einen Elektromotor mit einer solchen Vorrichtung bzw. Rotorwelle sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Elektromotor.
Synchronmaschinen sind elektrische Drehfeldmaschinen, die für den Betrieb ein magnetisches Gleichfeld auf einem Rotor benötigen. Dieses magnetische Gleichfeld kann entweder mittels Permanentmagneten bereitgestellt oder mittels einer bestromten elektrischen Rotorwicklung, auch (Rotor-)Spule genannt, erzeugt werden.
Im Zusammenhang mit solchen Permanentmagneten spricht man von einer permanentmagnetisch erregten Synchronmaschine. Eine derartige Synchronmaschine stellt bislang den bei Elektrofahrzeugen am häufigsten eingesetzten Motortyp dar. Maßgebliche Vorteile dieses Motortyps sind eine hohe Leistungsdichte und eine hervorragende Effizienz bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen und Drehmomenten. Nachteilig an diesem Motortyp ist jedoch, dass Permanentmagnete temperaturempfindlich und aufgrund des Einsatzes von Metallen der Seltenen Erden preislich schwer kalkulierbar sind. Außerdem wirkt sich das nicht regelbare magnetische Gleichfeld der Permanentmagnete insbesondere bei hohen Drehzahlen negativ auf den Wirkungsgrad der Maschine aus.
Im Zusammenhang mit einer bestromten elektrischen Rotorwicklung hingegen spricht man von einer elektrisch erregten bzw. fremderregten Synchronmaschine, bei welcher eine elektrische Energie von einem Stator auf einen drehenden Rotor übertragen werden muss. Hierzu werden rotorseitig Schleifringe verwendet, welche über zugeordnete, zum Stator ortsfeste Bürsten kontaktiert werden, so dass eine Übertragung eines Erregerstroms kontakt- bzw. reibungsbehaftet stattfindet.
Prinzipbedingt geht dies mit einem Abrieb der Schleifbürsten einher, die infolgedessen irgendwann verschleißen und daher ausgetauscht werden müssen.
Derartige Kontaktierungsmittel benötigen einen entsprechenden Bauraum. Und bei höheren Drehzahlen sowie bei extern eigeleiteten Stößen - bspw. infolge von Fahrbanunebenheiten - kann es zu kurzzeitigen Kontaktverlusten zwischen den Schleifringen und den Schleifbürsten kommen. Dies äußert sich in einer Bildung von elektrischen Lichtbögen, die als solche wiederum thermische Hot-Spots darstellen.
Mit dem Einsatz eines induktiven Übertragersystems kann eine kontaktlose und damit verschleißfreie Alternative zur Erregung bzw. Fremderregung eines magnetischen Gleichfeldes eines Rotors geschaffen werden. Ein Spulensystem des induktiven Übertragersystems kann dabei platzsparend in eine Rotorwelle integriert werden.
Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine verbesserte kontaktlose Erregung bzw. Fremderregung eines magnetischen Gleichfeldes eines Rotors einer solchen Synchronmaschine bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine vorgeschlagene Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht eine kleinstmögliche Auslegung bzw. Ausführung eines induktiven Übertragersystems bzw. Transformators. Und dies wiederum ermöglicht eine optimale Ausnutzung des induktiven Übertragersystems bzw. Transformators, so dass ein verbesserter Wirkungsgrad des induktiven Übertragersystems bzw. Transformator in einem Teillastbereich der Synchronmaschine erreicht wird. Und mit der kleinstmöglichen Auslegung bzw. Ausführung lassen sich auch die Kosten eines solchen Übertragersystems bzw. Transformators signifikant reduzieren (Kosteneinsparung).
Die vorgeschlagene Vorrichtung erhöht somit auch eine Effizienz der Synchronmaschine. Und zudem lässt sich eine thermische Belastung des Übertragersystems bzw. Transformators reduzieren.
Der vorgeschlagene und bei Bedarf aktivierbare, rotorseitig separat vorgesehene Energiespeicher bzw. Pufferspeicher steuert in einem Bedarfsfall, etwa während eines Anlaufens der Synchronmaschine oder einer Beschleunigungsphase der Synchronmaschine eine notwendige zusätzliche Erregerleistung bei. Außerhalb dieser Phasen bzw. Zeiten lädt sich dieser Energiespeicher bzw. Pufferspeicher wieder auf.
Der Transformator kann somit vorteilhafterweise für einen Dauerbetrieb bzw. kontinuierlichen Betrieb ausgelegt werden, wohingegen der Energiespeicher bzw. Pufferspeicher derart ausgelegt werden kann, dass er - in einem solchen Bedarfsfall - eine Leistungsdifferenz gegenüber diesem Dauerbetrieb für eine geforderte Zeit(dauer) bzw. Zeitspanne von bspw. bis zu 10s, in welcher eine erhöhte Erregungsleitung oder sogar eine Maximalleistung bzw. maximale Erregungsleitung abgefordert wird, bereitstellen kann.
Somit kann der Transformator derart ausgelegt sein, dass er bspw. ca. die halbe oder auch höchstens die halbe maximal ein- bzw. abforderbare Erregungsleitung beisteuern bzw. bereitstellen kann.
Es wird dabei vorgeschlagen, den Energiespeicher rotationssymmetrisch zu einer Längsachse der Rotorwelle auszuführen, um Wirkungen von Unwuchten in Gestalt des Energiespeichers zu vermeiden.
Es wird ferner vorgeschlagen, den Energiespeicher in Gestalt zumindest eines Kondensators auszuführen. Dabei wird vorgeschlagen, den Kondensator auf der Leiterplatte anzuordnen, welche orthogonal zur Längsachse der Rotorwelle liegt.
Die vorgeschlagene Vorrichtung kann dabei innerhalb eines Hohlwellenabschnitts einer Rotorwelle der Synchronmaschine angeordnet sein, wobei der erste, stationäre Abschnitt gänzlich und der zweite, instationäre Abschnitt zumindest teilweise im Hohlwellenabschnitt angeordnet sein können.
Es werden zudem eine Rotorwelle (Anspruch 12) mit der zuvor beschriebenen Vorrichtung, ein Elektromotor (Anspruch 13) in Gestalt einer induktiv elektrisch erregten Synchronmaschine mit einer Rotorwelle dieser Art sowie ein Fahrzeug (Anspruch 14) mit einem Elektromotor dieser Art vorgeschlagen.
Ferner wird eine Verwendung einer Vorrichtung der zuvor beschriebenen Art in einer ölgekühlten Synchronmaschine vorgeschlagen, in welcher ein Öl während eines Betriebs der Synchronmaschine in die Vorrichtung bis zur Leiterplatte dringt, um auch diese Vorrichtung zu kühlen.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt die einzige:

1 eine Rotorwelle mit einem vorgeschlagenen Fremderregungsmodul induktiver Art.

Die in 1 dargestellte Vorrichtung 2 dient einer induktiv elektrischen Erregung eines Rotors einer fremderregten Synchronmaschine zum Antrieb eines Fahrzeugs.
Die vorgeschlagene Vorrichtung 2 ist dabei innerhalb eines Hohlwellenabschnitts 6 einer Rotorwelle 4 angeordnet ist, welche als solche den Rotor mit (aus)bildet.
Diese Rotorwelle 4 trägt dabei über ihren Umfang verteilt bzw. entlang ihres Umfangs eine - nicht dargestellte - Rotorwicklung [auch Spule(nwicklung) genannt], welche es zu erregen bzw. zu magnetisieren gilt und welche den Rotor mit (aus)bildet.
Erregt bzw. magnetisiert kann dieser Rotor mit einem - nicht dargestellten - den Rotor umgebenden Stator der Synchronmaschine magnetisch zusammenwirken, wobei das seitens des Stators erzeugte magnetische Drehfeld den Rotor und somit die Rotorwelle 4 antreibt.
In diesen Hohlwellenabschnitt 6 ist dabei bis zu einem Anschlag bzw. Anschlagsabschnitt des Hohlwellenabschnitts 6 ein topf- bzw. becherförmiger Aufnahmekörper 14, etwa in Gestalt eines Tiefziehbleches verpresst eingefügt. Dabei ist innerhalb dieses Aufnahmekörpers und an dessen Bodenabschnitt 16 eine Leiterplatte 12 (PCB = Printed Circuit Board) angebracht, auf welcher einen Kondensator 10 in Gestalt eines Superkondensators angebracht bzw. vorgesehen ist. Diese Leiterplatte 12 ist dabei orthogonal zu einer Längsachse der Rotorwelle 4 liegend angeordnet und über ein Kontaktierungselement in Gestalt eines Pins 18 mit der - nicht dargestellten - Rotorwicklung kontaktiert.
Der Superkondesator 10 ist dabei rotationssymmetrisch zur Längsachse der Rotorwelle 4 ausgeführt, um eine Unwucht in Gestalt des Kondensators und somit damit einhergehende Vibrationen sowie einen dadurch bedingten Verschleiß zu vermeiden.
In einem Bereich des offenen Endes des Aufnahmekörpers 14 ist ein Transformator 8 vorgesehen, dessen Luftspalt längs bzw. parallel oder auch quer bzw. orthogonal zur Längsachse X - X der Rotorwelle liegend angeordnet bzw. orientiert sein kann.
Während ein erster Abschnitt 8a des Transformators 8 mit einer ersten Spulenwicklung auf einer ortsfest zu einem Gehäuse 26 der Synchronmaschine angeordneten Hohlachse 22 und dabei ortsfest zu dieser Hohlachse 22 angeordnet ist, ist ein zweiter Abschnitt 8b des Transformators 8 mit einer zweiten Spulenwicklung ortsfest zum Aufnahmekörper 14 und somit ortsfest zum Hohlwellenabschnitt 6 bzw. zur Rotorwelle 4 angeordnet.
Die Hohlachse 22 erstreckt sich dabei in einen Aufnahmeabschnitt des Gehäuses 26. Die erste Spulenwicklung bzw. der erste Abschnitt 8a des Transformators 8 ist dabei über eine Leitung 20 elektrisch kontaktiert.
Die vorgeschlagene Vorrichtung 2 weist demnach einen zum Gehäuse 26 der Synchronmaschine ersten, stationären Abschnitt sowie einen zum Gehäuse 26 zweiten, instationären Abschnitt auf, wobei diese beiden Abschnitte über den Transformator 8, 8a, 8b kontaktlos miteinander wirkverbunden bzw. wirkverbindbar sind.
Dabei ist in den zweiten Abschnitt eine Steuereinheit mit der Leiterplatte 12 und dem Superkondensator 10 integriert, welcher bei Bedarf hinzuschaltbar ist, um einen seitens des Transformators 8 induktiv bereitgestellten Erregerstrom rotorseitig bzw. in diesem zweiten Abschnitt entsprechend erhöhen bzw. verstärken zu können.
Die Rotorwelle 4 stützt sich über zwei Stützstellen am bzw. gegenüber dem Gehäuse 26 ab. Der 1 nach ist eine davon innerhalb des Hohlwellenabschnitts 6 angeordnet und in Gestalt eines Wälzlagers 24 ausgeführt. Dieses Wälzlager 24 ist dabei zwischen dem Hohlwellenabschnitt 6 und einem zum bzw. in den Hohlwellenabschnitt 6 ringförmig vorspringenden Aufnahmeabschnitt des Gehäuses 26 angeordnet. Dieses Wälzlager 24 fungiert dabei in der dargestellten Ausführung im Sinne eines Loslagers.
Am anderen bzw. gegenüberliegenden Ende der Rotorwelle 4, und zwar im Bereich des dargestellten, abgesetzten Abschnitts ist ein weiteres - nicht dargestelltes - Wälzlager vorgesehen, welches in der dargestellten Ausführung im Sinne eines Festlagers fungiert.
Auf der Leiterplatte 12 ist zudem eine Gleichrichterschaltung ausgebildet bzw. vorgesehen, welche den in den zweiten Abschnitt 8b des Transformators 8 induzierten Wechselstrom gleichrichtet bzw. diesen in einen Gleichstrom umwandelt. Die Kontaktierung der Leiterplatte 12 mit der zweiten Spulenwicklung des Transformators 8 bzw. dem zweiten Transformatorabschnitt 8b ist dabei in Gestalt eines Leitungsabschnitts bzw. einer elektrischen Leitung dargestellt, welcher / welche sich von der zweiten Spulenwicklung des Transformators 8 bzw. dem zweiten Transformatorabschnitt 8b bis zur Leiterplatte 12 erstreckt.
Die Kapazität des Superkondensators ist dabei derart ausgelegt, dass sich durch sie die induktiv elektrisch bereitgestellte Energie signifikant erhöhen lässt, so z.B. um mindestens den Faktor von ca. 1,5, vorzugsweise aber um mindestens den Faktor von ca. 2 oder 3. Daraus lässt sich die Bezeichnung Superkondensator ableiten.
In einer Ausführung kann auf der Leiterplatte 12 zudem eine passive Kondensator-Aktivierungsschaltung ausgeführt bzw. ausgebildet sein, über welche der Superkondensator 10 mit der zweiten Spulenwicklung des Transformators 8 kontaktiert ist und welche als solche über eine definierbare Stromstärkenschwelle getriggert bzw. ausgelöst werden kann, so dass ab einem definierbaren Stromstärkenschwellwert ein zusätzlicher Erregerstrom durch den Superkondensator 10 erzeugt wird, um welchen sich ein über den Transformator 8 induktiv erzeugter Erregerstrom auf einen geforderten größtmöglichen Wert erhöht.
Alternativ dazu kann auf der Leiterplatte 12 eine aktive Kondensator-Aktivierungsschaltung mit einem Mikroprozessor ausgeführt bzw. ausgebildet sein. Solch eine Ausführung bedarf dabei einer Kommunikationsschnittstelle zwischen dem besagten ersten, stationären bzw. zum Gehäuse 26 ortsfesten Abschnitt und dem besagten zweiten, instationären bzw. zum Hohlwellenabschnitt 6 bzw. zur Rotorwelle 4 ortsfesten Abschnitt der vorgeschlagenen Vorrichtung 2. Dies eröffnet vorteilhafterweise die Möglichkeit einer Übermittlung von Rotorzustandsparametern, etwa einer Temperatur. Dadurch ließe sich eine Effizienz des Elektromotors weiter steigern bzw. verbessern.
Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere im Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.

Claims

Vorrichtung (2) für eine induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine zum Antrieb eines Fahrzeugs, wobei die Vorrichtung (2) einen zu einem Gehäuse (26) der Synchronmaschine ersten, stationären Abschnitt sowie einen zum Gehäuse (26) zweiten, instationären Abschnitt aufweist, wobei zwischen dem ersten und zweiten dem Abschnitt ein Transformator (8) mit einem Luftspalt angeordnet ist, welcher die elektrische Energie kontaktlos überträgt, wobei im zweiten Abschnitt eine Steuereinheit mit einer Leiterplatte (12) und einem bei Bedarf aktivierbaren Energiespeicher zur Erhöhung einer induktiv bereitgestellten elektrischen Energie vorgesehen ist.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung (2) innerhalb eines Hohlwellenabschnitts (6) einer Rotorwelle (4) der Synchronmaschine angeordnet ist, wobei der erste, stationäre Abschnitt gänzlich und der zweite, instationäre Abschnitt zumindest teilweise im Hohlwellenabschnitt (6) angeordnet sind.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Energiespeicher rotationssymmetrisch zu einer Längsachse der Rotorwelle (4) ausgeführt ist.
Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Energiespeicher in Gestalt zumindest eines Kondensators (10) ausgeführt ist.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 4, wobei der Kondensator (10) auf der Leiterplatte (12) angeordnet ist, welche orthogonal zur Längsachse der Rotorwelle (4) liegt.
Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, wobei die Leiterplatte (12) innerhalb eines topfförmigen Aufnahmekörpers (14) und dabei an dessen Bodenabschnitt (16) angebracht ist, wobei der Aufnahmekörper (14) in den Hohlwellenabschnitt (6) eingelegt ist.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 6, wobei in einem Bereich des offenen Endes des Aufnahmekörpers (14) der Transformator (8) vorgesehen ist, wobei der Aufnahmekörper (14) den Transformator (8) zumindest teilweise umschließt.
Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, wobei innerhalb des Hohlwellenabschnitts (6) zudem zumindest ein Wälzlager (24) zur Abstützung der Rotorwelle (4) gegenüber dem Gehäuse (26) vorgesehen ist.
Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Energiespeicher derart ausgelegt ist, dass er einen induktiv bereitgestellten Erregerstrom um einen Faktor von mindestens ca. 1,5 erhöht.
Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Leiterplatte (12) eine passive Kondensator-Aktivierungsschaltung ausgebildet ist, über welche der Kondensator (10) mit einer zweiten Spulenwicklung des Transformators (8) kontaktiert ist und welche als solche über eine definierbare Stromstärkenschwelle ausgelöst werden kann, so dass ab einem definierbaren Stromstärkenschwellwert ein zusätzlicher Erregerstrom durch den Kondensator (10) erzeugbar ist, um welchen sich ein über den Transformator (8) induktiv erzeugter Erregerstrom auf einen geforderten größtmöglichen Wert erhöht.
Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei auf der Leiterplatte (12) eine aktive Kondensator-Aktivierungsschaltung mit einem Mikroprozessor ausgebildet ist, wobei über eine Kommunikationsschnittstelle zwischen dem ersten, stationären Abschnitt und dem zweiten, instationären Abschnitt der Vorrichtung (2) vorgesehen ist.
Rotorwelle mit einer Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektromotor in Gestalt einer induktiv elektrisch erregten Synchronmaschine mit einer Rotorwelle nach Anspruch 12.
Fahrzeug mit einem Elektromotor nach Anspruch 13.
Verwendung einer Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 in einer ölgekühlten Synchronmaschine, in welcher ein Öl während eines Betriebs der Synchronmaschine in die Vorrichtung bis zur Leiterplatte (12) dringt, um auch diese Vorrichtung (2) zu kühlen.