DE102024201033A1 - Power transmission arrangement for power transmission to a rotor arrangement of a separately excited electrical machine, method for assembling a power transmission arrangement, rotor arrangement with the power transmission arrangement and separately excited electrical machine with the rotor arrangement - Google Patents
Power transmission arrangement for power transmission to a rotor arrangement of a separately excited electrical machine, method for assembling a power transmission arrangement, rotor arrangement with the power transmission arrangement and separately excited electrical machine with the rotor arrangementInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsübertragungsanordnung (10), insbesondere eine induktive Leistungsübertragungsanordnung (10), zur Leistungsübertragung auf eine Rotoranordnung einer fremderregten elektrischen Maschine (20), umfassend eine Rotorhohlwelle (11), eine Primäranordnung (1), eine Trägerlanze (3), die mit der Primäranordnung (1) verbunden ist und eine Lageranordnung (4), die die Trägerlanze (3), die mit der Primäranordnung (1) verbunden ist in einem zylindrischen Teil der Hohlwelle (11) lagert.The present invention relates to a power transmission arrangement (10), in particular an inductive power transmission arrangement (10), for transmitting power to a rotor arrangement of a separately excited electrical machine (20), comprising a hollow rotor shaft (11), a primary arrangement (1), a support lance (3) which is connected to the primary arrangement (1) and a bearing arrangement (4) which supports the support lance (3), which is connected to the primary arrangement (1), in a cylindrical part of the hollow shaft (11).
Description
Im Bereich der fremderregten Elektromotoren spielen Leistungsübertragungsanordnungen als Erreger eine immer wichtigere Rolle, da hierdurch auf Permanentmagnete bzw. auf seltene Erden verzichtet werden kann.In the field of separately excited electric motors, power transmission arrangements are playing an increasingly important role as exciters, as they make permanent magnets or rare earths unnecessary.
Bei fremderregten Elektromotoren wird das magnetische Rotorfeld durch einen Stromfluss durch Spulen im sich bewegenden Rotor erzeugt. Die Übertragung der elektrischen Energie vom stehenden ins drehende System erfolgt bei am Markt verbreiteten Antrieben üblicherweise konduktiv über Schleifringe.In separately excited electric motors, the magnetic rotor field is generated by a current flowing through coils in the moving rotor. In commonly used drives, the electrical energy is transferred from the stationary to the rotating system using conductive slip rings.
Eine Alternative zur konduktiven Energieübertragung bieten fremderregte Elektromotoren, bei denen die Energieübertragung induktiv erfolgt. Dadurch kann sowohl auf die Dauermagnete als auch auf Schleifkontakte verzichtet werden.An alternative to conductive energy transfer is offered by separately excited electric motors, where energy transfer occurs inductively. This eliminates the need for both permanent magnets and sliding contacts.
Die Übertragung des Stroms auf den Rotor erfolgt dabei über einen induktiven Übertrager. Der Übertrager wird über eine Wechselspannung vom Stator mit Energie versorgt. Die Wechselspannung wird rotorseitig über einen Gleichrichter für die Magnetspulen des Rotors in Gleichspannung umgewandelt. Die Magnetspulen induzieren anschließend ein Rotor-Magnetfeld, welches mit dem Stator-Magnetfeld in Wechselwirkung tritt. Dadurch kann der Motor ein Drehmoment erzeugen. Die Magnetspulen ersetzen dabei die Dauermagnete. Das System aus induktivem Übertrager und Gleichrichter kann auch als induktiver Erreger bezeichnet werden.The current is transferred to the rotor via an inductive transformer. The transformer is powered by an alternating voltage from the stator. The alternating voltage is converted to direct voltage on the rotor side via a rectifier for the rotor's magnetic coils. The magnetic coils then induce a rotor magnetic field, which interacts with the stator magnetic field. This allows the motor to generate torque. The magnetic coils replace the permanent magnets. The system consisting of the inductive transformer and rectifier can also be referred to as an inductive exciter.
Elektromotoren sind oftmals strikten Bauraumvorgaben unterworfen. Die konstruktive Gestaltung der induktiven Erreger ist jedoch beschränkt, da alle beweglichen Komponenten im Erreger eine sehr hohe Drehzahlfestigkeit aufweisen müssen. Die Drehzahlen im Erreger könne im Bereich von 18.000 und 24.000 Umdrehungen pro Minute liegen.Electric motors are often subject to strict space constraints. However, the design of inductive exciters is limited because all moving components in the exciter must have very high speed stability. The exciter speeds can range from 18,000 to 24,000 revolutions per minute.
In Erregern wird oftmals der spröde Werkstoff Ferrit für die Kerne der Magnetspulen eingesetzt. Besonders hierbei ergeben sich deutliche Einschränkungen in der Konstruktionsfreiheit hinsichtlich der Drehzahlfestigkeit.In exciters, the brittle material ferrite is often used for the cores of the magnetic coils. This material, in particular, results in significant limitations in design freedom with regard to speed stability.
Bei dem Einsatz eines Primär und Sekundärferriten zur induktiven Erregung eines Synchronmotors muss häufig ein definierter Luftspalt an der E-Maschine eingestellt werden über welchen einerseits sichergestellt werden kann, dass sich die Ferrite nicht berühren, da es dadurch zu Schäden kommen kann. Andererseits kann es für hohe Leistungsbereiche einer elektrischen Maschine notwendig sein, einen definierten Abstand der Primär- und Sekundäranordnung sicherzustellen, um die gewünschten Ströme auf den Rotor übertragen zu können.When using a primary and secondary ferrite for the inductive excitation of a synchronous motor, a defined air gap often has to be set on the electric motor. This ensures, on the one hand, that the ferrites do not touch each other, as this could cause damage. On the other hand, for high-power electric motors, it may be necessary to ensure a defined distance between the primary and secondary arrangements in order to transfer the desired currents to the rotor.
Weiterhin ist für die bauraumneutrale Integration eines induktiv erregten SESM Rotors, beispielsweise in den System-Bauraum einer permanenterregten Maschine, eine Anordnung des Übertragers, also des induktiven Exciters oder Erregers, innerhalb der hohlen Rotorwelle, welche aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein kann, notwendig. Die Rotorwelle besteht dabei aus einem Zentralteil und einem Seitenteil, welches den Lagersitz für die Rotorwelle aufweist. Es kann wünschenswert sein, die Rotorlagerung in Bezug auf Lagertyp, Lagergröße und Lagerabstand beizubehalten, damit beispielsweise eine Baukasten-Kompatibilität mit permanenterregten Rotoren beibehalten werden kann.Furthermore, for the space-neutral integration of an inductively excited SESM rotor, for example, into the system installation space of a permanent-magnet machine, the transformer, i.e., the inductive exciter, must be arranged within the hollow rotor shaft, which can be composed of several parts. The rotor shaft consists of a central part and a side part, which contains the bearing seat for the rotor shaft. It may be desirable to retain the rotor bearing in terms of bearing type, bearing size, and bearing spacing, for example, to maintain modular compatibility with permanent-magnet rotors.
Um die erforderliche Übertragungsleitung der induktiven Ströme gewährleisten zu können, kann ein bestimmter Mindestdurchmesser des Übertragers notwendig sein. Dieser Durchmesser bestimmt dann den Innendurchmesser des Zentralteils der Rotor-Hohlwelle im axialen Bereich unterhalb des Blechpakets des Stators.To ensure the required transmission of inductive currents, a certain minimum diameter of the transformer may be necessary. This diameter then determines the inner diameter of the central part of the rotor hollow shaft in the axial area below the stator's laminated core.
Allerdings können die Innendurchmesser der vorgegebenen Rotorlager geringer als der Innendurchmesser der Hohlwelle im zentralen Bereich sein, weshalb der Übertrager, bzw. die Sekundärseite in die Rotorwelle montiert werden muss, bevor eine mehrteilige Rotorwelle zusammengefügt werden kann, bzw. das Seitenteil der hohlen Rotorwelle montiert werden kann.However, the inner diameters of the specified rotor bearings may be smaller than the inner diameter of the hollow shaft in the central area, which is why the transformer or the secondary side must be mounted into the rotor shaft before a multi-part rotor shaft can be joined together or the side part of the hollow rotor shaft can be mounted.
Das gilt weiterhin für die Primärseite des induktiven Drehübertragers, wenn dieser einen größeren Durchmesser im Bereich unterhalb des Rotorlagers auf der Seite, an der der Übertrager angeordnet ist, aufweist, als ein möglicher Innendurchmesser der Rotorwelle, bzw. eines Seitenteils der Rotorwelle, welches beispielsweise ein Lagerende ist und sich entsprechend verjüngt.This also applies to the primary side of the inductive rotary transformer if it has a larger diameter in the area below the rotor bearing on the side on which the transformer is arranged than a possible inner diameter of the rotor shaft or a side part of the rotor shaft, which is, for example, a bearing end and tapers accordingly.
Entsprechend muss die statorfeste, nicht mitrotierende Primärseite des Übertragers vor dem Fügen, Fertigbearbeiten und Komplettieren des Rotors in diesen eingesetzt werden, da sie später nicht mehr durch die seitliche Öffnung der Hohlwelle durchpasst.Accordingly, the stator-fixed, non-rotating primary side of the transformer must be inserted into the rotor before joining, finishing and completing it, since it will no longer fit through the lateral opening of the hollow shaft later.
Weiterhin muss sichergestellt werden, dass die Primärseite des induktiven Übertragers sicher genug gehalten wird, als dass diese auch während der Fertigung des Motors, beispielsweise beim Einsetzen in die Rotorhohlwelle, nicht beschädigt wird oder ein anderes Teil beschädigt. Zudem muss sichergestellt werden, dass die Primärseite des Übertragers im Betrieb gegenüber der Sekundärseite hinreichend genau positioniert ist, um den zuvor beschriebenen definierten Luftspalt einhalten zu können und zu verhindern, dass sich Primär und Sekundärferrit berühren, da diese so Schaden nehmen können, bzw. das Rotorlager so beschädigt werden kann.Furthermore, it must be ensured that the primary side of the inductive transformer is held securely enough to prevent it from being damaged during motor manufacture, for example, when inserting it into the hollow rotor shaft, or damaging another part. Furthermore, it must be ensured that the primary side of the transformer is protected from the secondary during operation. side is positioned with sufficient precision to maintain the previously described defined air gap and to prevent the primary and secondary ferrite from touching each other, as this could damage them or the rotor bearing.
Bisherige Anordnungen und Montageverfahren vermögen nicht, die Primärseite vor dem Fügen eines Lagerendes oder Seitenteils einer Rotorwelle statorfest, zu halten, oder die Primärseite allgemein gegenüber den rotorseitigen Komponenten, wie beispielsweise der drehfest mit dem Rotor verbundenen Sekundärseite zu positionieren und zu fixieren, wodurch die Primärseite lose in der Hohlwelle liegt und so Schaden nehmen kann. Statorfest bedeutet hier beispielsweise, dass die Primärseite des Übertragers nicht mitrotiert.Previous arrangements and assembly methods are unable to secure the primary side to the stator before joining a bearing end or side part of a rotor shaft, or to position and secure the primary side relative to the rotor-side components, such as the secondary side, which is non-rotatably connected to the rotor. As a result, the primary side sits loosely in the hollow shaft and can thus be damaged. "Stator-secure" here means, for example, that the primary side of the transformer does not rotate with it.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Leistungsübertragungsanordnung, eine Rotoranordnung sowie eine fremderregte elektrische Maschine bereitzustellen, bei der die oben angegebenen Nachteile wenigstens teilweise verringert werden.The object of the present invention is therefore to provide a power transmission arrangement, a rotor arrangement and a separately excited electrical machine in which the disadvantages mentioned above are at least partially reduced.
Diese Aufgabe wird durch eine Leistungsübertragungsanordnung nach Anspruch 1, ein Verfahren zur Vormontage einer Leistungsübertragungsanordnung nach Anspruch 7, ein Verfahren zur Vormontage einer Rotoranordnung nach Anspruch 8, ein Verfahren zur Montage einer fremderregten elektrischen Maschine nach Anspruch 9 und ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 11 gelöst.This object is achieved by a power transmission arrangement according to claim 1, a method for pre-assembling a power transmission arrangement according to claim 7, a method for pre-assembling a rotor arrangement according to claim 8, a method for assembling a separately excited electrical machine according to claim 9 and a motor vehicle according to claim 11.
Weitere Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen.Further aspects and features of the present invention emerge from the dependent claims, the accompanying drawings and the following description of embodiments.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Leistungsübertragungsanordnung, insbesondere eine induktive Leistungsübertragungsanordnung, zur Leistungsübertragung auf eine Rotoranordnung einer fremderregten elektrischen Maschine, umfassend:
- - eine Rotorhohlwelle;
- - eine Primäranordnung;
- - eine Trägerlanze, die mit der Primäranordnung verbunden ist; und
- - eine Lageranordnung, die die Trägerlanze, die mit der Primäranordnung verbunden ist in einem zylindrischen Teil der Hohlwelle lagert.
- - a hollow rotor shaft;
- - a primary arrangement;
- - a carrier lance connected to the primary assembly; and
- - a bearing arrangement that supports the carrier lance connected to the primary assembly in a cylindrical part of the hollow shaft.
Der Begriff „Leistungsübertragungsanordnung“ umschreibt einen Exciter bzw. einen Erreger einer elektrischen Maschine. Die Leistungsübertragungsanordnung dient allgemein dazu, elektrische Energie von einer Leistungselektronik in die Rotorwicklung zu induzieren. Die Leistungsübertragungsanordnung kann ein Exciter, beispielsweise ein induktiver Exciter, sein und ist dazu eingerichtet, eine Leistung auf eine Rotoranordnung einer fremderregten elektrischen Maschine zu übertragen. Die fremderregte elektrische Maschine kann ein Elektromotor sein.The term "power transmission arrangement" describes an exciter or exciter of an electrical machine. The power transmission arrangement generally serves to induce electrical energy from power electronics into the rotor winding. The power transmission arrangement can be an exciter, for example, an inductive exciter, and is designed to transmit power to a rotor assembly of a separately excited electrical machine. The separately excited electrical machine can be an electric motor.
Eine Rotorhohlwelle meint hier beispielsweise einen zylindrisch geformten, nicht mit einem Lagerende verfügten Teil einer Hohlwelle, in die der induktive Übertrager bzw. die Leistungsübertragungsanordnung eingesetzt werden kann.A hollow rotor shaft here means, for example, a cylindrically shaped part of a hollow shaft that does not have a bearing end and into which the inductive transformer or the power transmission arrangement can be inserted.
Die erfindungsgemäße Leistungsübertragungsanordnung weist zunächst eine Trägerlanze auf, die mit einer Primäranordnung verbunden ist. Die Verbindung ist eine drehfeste Verbindung. Die Trägerlanze kann in Form eines Bolzens ausgebildet sein und kann einen Durchmesser von 3 bis 15mm aufweisen.The power transmission arrangement according to the invention initially comprises a support lance connected to a primary assembly. The connection is a rotationally fixed connection. The support lance can be designed in the form of a bolt and can have a diameter of 3 to 15 mm.
Die Trägerlanze kann weiterhin so ausgestaltet sein, dass sie in Längsabschnittsbereichen unterschiedliche Durchmesser aufweist.The carrier lance can further be designed so that it has different diameters in longitudinal section areas.
Die Länge der Trägerlanze kann abhängig sein von der Bauraumlänge der elektrischen Maschine und/oder der Länge der Primäranordnung. Die Trägerlanze kann so gestaltet sein, dass sie mit einem Maschinengehäuse der elektrischen Maschine verbunden werden kann.The length of the support lance can depend on the installation space of the electric machine and/or the length of the primary assembly. The support lance can be designed so that it can be connected to a machine housing of the electric machine.
Die Primäranordnung kann mit der Trägerlanze verbunden sein. Beispielsweise kann die Primäranordnung durch einen Sicherungsring an der Trägerlanze fixiert sein. Der Sicherungsring kann eine Mutter sein. Die Verbindung kann auch durch Kleben, Schweißen und dergleichen passieren. Es kann mehr als eine Verbindung und/oder Verbindungsart zwischen Primäranordnung und Trägereinheit vorliegen.The primary assembly can be connected to the support lance. For example, the primary assembly can be secured to the support lance by a retaining ring. The retaining ring can be a nut. The connection can also be made by gluing, welding, and the like. There can be more than one connection and/or connection type between the primary assembly and the support unit.
Die Primäranordnung kann die Primärseite eines induktiven Übertragers sein und kann eine Primärwicklung und einen Primärferrit umfassen. Die Primärwicklung kann drehfest um den Primärferrit angeordnet sein. Der Primärferrit kann zylinderförmig sein. Der Primärferrit kann einen T-förmigen Querschnitt haben.The primary arrangement can be the primary side of an inductive transformer and can comprise a primary winding and a primary ferrite. The primary winding can be arranged in a rotationally fixed manner around the primary ferrite. The primary ferrite can be cylindrical. The primary ferrite can have a T-shaped cross-section.
Die erfindungsgemäße Leistungsübertragungsanordnung weist weiterhin eine Lageranordnung auf, die mit der Trägerlanze verbunden ist. Die Lageranordnung ist beispielsweise so gestaltet, dass ein innerer Bereich der Lageranordnung mit der Trägerlanze verbunden ist und ein äußerer Bereich mit einem Innendurchmesser eines Abschnitts des zylindrischen Teils der Rotorhohlwelle verbunden ist. Die Verbindung kann direkt erfolgen, beispielsweise durch Verkleben, es kann aber auch ein weiteres Element zwischen dem Innendurchmesser der Hohlwelle und dem äußeren Bereich der Lageranordnung angeordnet und jeweils mit diesem verbunden sein.The power transmission arrangement according to the invention further comprises a bearing arrangement which is connected to the support lance. The bearing arrangement is designed, for example, such that an inner region of the bearing arrangement is connected to the support lance and an outer region is in contact with an inner diameter of a portion of the cylindrical part of the hollow rotor shaft. The connection can be made directly, for example by bonding, but another element can also be arranged between the inner diameter of the hollow shaft and the outer area of the bearing arrangement and connected to each of them.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Lageranordnung zwei gegeneinander angestellte Kugellager. Die Lageranordnung kann so gestaltet sein, dass eine vorgespannte O-Anordnung aus den beiden Kugellagern gebildet wird, indem sich zwischen den Segmenten des äußeren Bereichs der Lageranordnung, bzw. den Außenringen der Kugellager eine Distanzscheibe befindet, während der innere Bereich der Lageranordnung, bzw. die Innenringe der Kugellager mit der Trägerlanze verbunden wird/werden, wobei die Innenringe unter Vorspannung zusammengedrückt werden. Hierdurch kann sich beispielsweise eine besonders kompakte Ausgestaltung und hohe Biegesteifigkeit der Lageranordnung ergeben. Auf diese Weise kann eine vormontierte Lagerpatrone hergestellt werden, beispielsweise indem die Lageranordnung in eine Hülse eingepasst wird.In one embodiment, the bearing assembly comprises two ball bearings positioned against each other. The bearing assembly can be designed such that a preloaded O-arrangement is formed from the two ball bearings by placing a spacer washer between the segments of the outer region of the bearing assembly, or the outer rings of the ball bearings, while the inner region of the bearing assembly, or the inner rings of the ball bearings, is/are connected to the support lance, with the inner rings being pressed together under preload. This can result, for example, in a particularly compact design and high flexural rigidity of the bearing assembly. In this way, a preassembled bearing cartridge can be produced, for example by fitting the bearing assembly into a sleeve.
Ein wie oben beschriebenes vorgespanntes Lager hat gegenüber einem einzelnen Kugellager eine höhere Kippstabilität, wodurch in dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform sichergestellt werden kann, dass sich die Primäranordnung und die Sekundäranordnung nicht berühren und so verhindert werden kann, dass diese Schaden nehmen. Weiterhin kann durch die erfindungsgemäße Lageranordnung eine hohe Laufruhe während des Betriebs gewährleistet werden.A preloaded bearing as described above has greater tilt stability than a single ball bearing, which, in this embodiment of the invention, ensures that the primary assembly and the secondary assembly do not touch each other, thus preventing damage. Furthermore, the bearing assembly according to the invention can ensure extremely smooth running during operation.
Wie oben bereits beschrieben, sind in einer Ausführungsform die Kugellager durch eine Distanzscheibe getrennt, die zwischen den Außenringen der Kugellager angebracht sind. Die Distanzscheibe kann zur Erhöhung der Biegsteifigkeit der Lageranordnung beitragen.As described above, in one embodiment, the ball bearings are separated by a spacer washer mounted between the outer rings of the ball bearings. The spacer can contribute to increasing the flexural rigidity of the bearing assembly.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Trägerlanze mit einem Innenring der Lageranordnung verbunden.In a further embodiment, the carrier lance is connected to an inner ring of the bearing arrangement.
Die Trägerlanze kann gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels eine Aussparung zur Leitungsführung aufweisen. Die Aussparung kann beispielsweise durch eine Nut oder durch eine Bohrung ausgestaltet sein, durch die die Anschlüsse und/oder Leitungen herausgeführt werden.According to a further embodiment, the support lance can have a recess for routing cables. The recess can be configured, for example, as a groove or a bore through which the connections and/or cables are routed.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Leistungsübertragungsanordnung eine Feder aufweisen, wobei die Feder an der Lageranordnung angebracht ist. Je nach Ausführungsform der Lageranordnung kann die Feder an einem axial linken oder an einem axial rechten Ende der Lageranordnung angebracht sein.In a further embodiment, the power transmission assembly may include a spring, wherein the spring is attached to the bearing assembly. Depending on the design of the bearing assembly, the spring may be attached to an axially left or axially right end of the bearing assembly.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Leistungsübertragungsanordnung eine Hülse auf, die an der Lageranordnung angebracht ist. Die Hülse kann dabei beispielsweise die Lageranordnung zu dem Innendurchmesser der Rotorhohlwelle beabstanden. Weiterhin kann die Hülse so gestaltet sein, dass sie die Lageranordnung zu der Sekundäranordnung beabstandet. Dadurch können z.B. kleinere Lager eingesetzt werden, die sich besser für den Aufbau des Rotors oder die gewünschten Drehzahlen eignen. Weiterhin kann so die Montage der Leistungsübertragungsanordnung erleichtert werden. Weiterhin kann so eine weiter oben beschriebene, vormontierte Lagerpatrone erhalten werden, indem die vorgespannte Lageranordnung in die hier beschriebene Hülse eingepasst wird.In a further embodiment, the power transmission arrangement has a sleeve attached to the bearing arrangement. The sleeve can, for example, space the bearing arrangement from the inner diameter of the hollow rotor shaft. Furthermore, the sleeve can be designed to space the bearing arrangement from the secondary arrangement. This allows, for example, smaller bearings to be used that are better suited to the rotor design or the desired speeds. Furthermore, the assembly of the power transmission arrangement can be facilitated. Furthermore, a preassembled bearing cartridge as described above can be obtained by fitting the preloaded bearing arrangement into the sleeve described here.
Es kann beispielsweise die Trägerlanze in eine vormontierte Lagerpatrone eingesetzt werden, die die Hülse sowie die Kugellager umfasst. Die vormontierte Lagerpatrone kann zusammen mit dem Primärferritkern auf der Trägerlanze vormontiert sein. Dabei können die Innenringe gemäß eines Ausführungsbeispiels über eine Wellfeder als Lagerfeder zwischen einem Sicherungsring und einem der Innenringe gegeneinandergedrückt und damit in O-Anordnung elastisch angestellt, bzw. vorgespannt werden.For example, the carrier lance can be inserted into a pre-assembled bearing cartridge that includes the sleeve and the ball bearings. The pre-assembled bearing cartridge can be pre-mounted on the carrier lance together with the primary ferrite core. According to one embodiment, the inner rings can be pressed against each other via a wave spring acting as a bearing spring between a retaining ring and one of the inner rings, thus elastically adjusting or pre-tensioning them in an O-arrangement.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Trägerlanze mit der Primäranordnung und der Lageranordnung vormontiert. Dies kann beispielsweise auf eine oben beschriebene Art und Weise erfolgen.In a further embodiment, the carrier lance is preassembled with the primary assembly and the bearing assembly. This can be done, for example, in a manner described above.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Leistungsübertragungsanordnung weiterhin eine Sekundäranordnung und eine Gleichrichtereinheit. Die Sekundäranordnung kann die Sekundärseite des induktiven Übertragers bzw. der Leistungsübertragungsanordnung sein und kann eine Sekundärwicklung und einen Sekundärferrit umfassen. Die Sekundäranordnung kann zylinderförmig sein. Die Sekundäranordnung kann einen U-förmigen Querschnitt haben. Die Gleichrichtereinheit kann mit einer Schutzschaltung in Kontakt sein.In a further embodiment, the power transmission arrangement further comprises a secondary arrangement and a rectifier unit. The secondary arrangement can be the secondary side of the inductive transformer or the power transmission arrangement and can comprise a secondary winding and a secondary ferrite. The secondary arrangement can be cylindrical. The secondary arrangement can have a U-shaped cross-section. The rectifier unit can be in contact with a protection circuit.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung Verfahren zur Montage einer Leistungsübertragungsanordnung umfassend:
- - Bereitstellen eines Lagerendes;
- - Bereitstellen der Hohlwelle;
- - Bereitstellen der Trägerlanze, wobei die Trägerlanze mit der Primäranordnung und der Lageranordnung verbunden ist;
- - Anbringen eines Sicherungsrings innerhalb des zylindrischen Teils der Hohlwelle;
- - Anbringen der Gleichrichtereinheit an den Sicherungsring
- - Anbringen der Sekundäranordnung an die Gleichrichtereinheit;
- - Anbringen der Feder an die Sekundäranordnung;
- - Anbringen der bereitgestellten Trägerlanze mit Primäranordnung und Lageranordnung an die Feder;
- - Anbringen eines Sicherungsrings an einem äußeren Ende des zylindrischen Teils der Hohlwelle; und
- - Fügen der Hohlwelle mit dem Lagerende, wobei ein Ende der Trägerlanze aus dem Lagerende herausragt.
- - Providing a storage end;
- - Providing the hollow shaft;
- - Providing the support lance, wherein the support lance is connected to the primary assembly and the bearing assembly;
- - Fitting a retaining ring inside the cylindrical part of the hollow shaft;
- - Attaching the rectifier unit to the retaining ring
- - Attaching the secondary assembly to the rectifier unit;
- - Attaching the spring to the secondary assembly;
- - Attaching the provided support lance with primary assembly and bearing assembly to the spring;
- - Attaching a retaining ring to an outer end of the cylindrical part of the hollow shaft; and
- - Joining the hollow shaft to the bearing end, with one end of the support lance protruding from the bearing end.
An Stelle eines Sicherungsrings kann an einem Innendurchmesser der Hohlwelle auch ein Absatz als axialer Abschlag vorhanden sein.Instead of a retaining ring, a shoulder can also be provided on the inner diameter of the hollow shaft as an axial reduction.
Ein Lagerende ist beispielsweise ein nicht, bzw. noch nicht verfügtes Seitenteil der Rotorhohlwelle.A bearing end is, for example, a side part of the hollow rotor shaft that is not or not yet provided.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Rotoranordnung, umfassend eine erfindungsgemäße Leistungsübertragungsanordnung dar.In a further aspect, the present invention provides a rotor assembly comprising a power transmission assembly according to the invention.
Durch die erfindungsgemäße Leistungsübertragungsanordnung können alle elektronischen Komponenten einer Rotoranordnung wie beispielsweise die Gleichrichtereinheit eines induktiv erregten Rotors sowie die Primäranordnung und die Sekundäranordnung des induktiven Übertragers in einem zylindrischen Teil der Rotorhohlwelle vormontiert werden, bevor die Rotorhohlwelle mit einem beispielsweise trichterförmigen Lagerende verfügt wird.By means of the power transmission arrangement according to the invention, all electronic components of a rotor arrangement, such as the rectifier unit of an inductively excited rotor as well as the primary arrangement and the secondary arrangement of the inductive transformer, can be pre-assembled in a cylindrical part of the hollow rotor shaft before the hollow rotor shaft is provided with, for example, a funnel-shaped bearing end.
Die Primäranordnung ist in dem zylindrischen Teil der Rotorhohlwelle durch die Lageranordnung spielfrei gelagert. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Primäranordnung der Leistungsübertragungsanordnung als vormontiertes Bauteil vorliegen. Das vormontierte Bauteil kann dabei eine Trägerlanze umfassen, die mit der Primäranordnung sowie einer Lageranordnung verbunden ist.The primary assembly is mounted in the cylindrical part of the hollow rotor shaft by the bearing assembly, ensuring zero play. In one embodiment of the present invention, the primary assembly of the power transmission assembly can be provided as a preassembled component. The preassembled component can comprise a support lance connected to the primary assembly and a bearing assembly.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine, umfassend die erfindungsgemäße Rotoranordnung. Die elektrische Maschine ist dabei beispielsweise eine fremderregte elektrische Maschine.In a further aspect, the present invention provides an electric machine comprising the rotor arrangement according to the invention. The electric machine is, for example, a separately excited electric machine.
Bei der Montage der Rotoranordnung im Gehäuse einer elektrischen Maschine kann die Trägerlanze, die mit der Primäranordnung verbunden ist, mit dem Gehäuse der elektrischen Maschine beispielsweise auf eine Art und Weise verbunden sein, dass eine definierte, tangentiale Relativbewegung der Trägerlanze erlaubt ist. Die erlaubte Relativbewegung liegt dabei bei maximal +/-2 Grad.When mounting the rotor assembly in the housing of an electric machine, the support lance, which is connected to the primary assembly, can be connected to the housing of the electric machine, for example, in such a way that a defined, tangential relative movement of the support lance is permitted. The permitted relative movement is a maximum of +/-2 degrees.
Die erlaubte relative Drehbewegung der Trägerlanze gegenüber dem Gehäuse der elektrischen Maschine kann beispielsweise erreicht werden, indem die Trägerlanze am Gehäuseende nicht rund, sondern z.B. halbrund ist und das Gehäuse die entsprechende Negativkontur aufweist, durch die die Trägerlanze mit geringem Spiel fixiert ist. Durch das Zulassen eines geringen Spiels, kann eine statische Überbestimmtheit der Leistungsübertragungsanordnung vermieden werden.The permitted relative rotational movement of the support lance relative to the housing of the electric machine can be achieved, for example, by making the support lance semicircular rather than round at the housing end, and by providing the housing with the corresponding negative contour, which secures the support lance with minimal play. By allowing minimal play, static overdetermination of the power transmission arrangement can be avoided.
Da die erfindungsgemäße Leistungsübertragungsanordnung primärseitig (also ihre Primäranordnung) mittels der Lageranordnung in der Rotorwelle gelagert wird, ist es prinzipiell möglich, eine beliebige, aus dem Stand der Technik bekannte Kupplung für die Verbindung der Trägerlanze mit dem Maschinengehäuse zu verwenden, wobei die Kupplungsmethode einen Ausgleich von Achsversätzen, Winkelfehlern und axialen Bewegungen erlauben kann, um eine starre Kopplung mit dem Maschinengehäuse und damit eine statische Überbestimmtheit zu vermeiden.Since the power transmission arrangement according to the invention is mounted on the primary side (i.e. its primary arrangement) by means of the bearing arrangement in the rotor shaft, it is in principle possible to use any coupling known from the prior art for connecting the support lance to the machine housing, wherein the coupling method can allow compensation of axial misalignments, angular errors and axial movements in order to avoid a rigid coupling with the machine housing and thus a static overdetermination.
In einem Ausführungsbeispiel kann die Trägerlanze der Leistungsübertragungsanordnung in einem Potentialausgleich der elektrischen Maschine eingebunden sein. Weiterhin kann die Leistungsübertragungsanordnung beim Einbau in das Systemgehäuse einer elektrischen Maschine an der Verbindungsstelle zu dieser einen Dichtstoff, sowie die Einbindung in den Potentialausgleich aufweisen. Hierdurch kann beispielsweise ein Stromfluss in der Lageranordnung der Leistungsübertragungsanordnung des induktiven Erregers verhindert werden.In one embodiment, the support lance of the power transmission assembly can be integrated into the equipotential bonding system of the electrical machine. Furthermore, when installed in the system housing of an electrical machine, the power transmission assembly can have a sealant at the connection point to the electrical machine, as well as integration into the equipotential bonding system. This can, for example, prevent a current flow in the bearing assembly of the power transmission assembly of the inductive exciter.
In einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug, das die erfindungsgemäße elektrische Maschine aufweist.In a further aspect, the present invention comprises a vehicle having the electric machine according to the invention.
Durch eine erfindungsgemäße Rotoranordnung und dem hier vorgestellten Verfahren zur Montage der Leistungsübertragungsanordnung für eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine kann sichergestellt werden, dass die Primärseite sicher genug gehalten wird, als dass sie bei der Handhabung und den Fertigungsprozessen zwischen dem Einsetzen in die Rotorwelle und dem Einbau des Rotors ins Gehäuse nicht beschädigt wird, oder ein anderes Teil beschädigt.By means of a rotor arrangement according to the invention and the method presented here for assembling the power transmission arrangement for a rotor arrangement for an electrical machine, it can be ensured that the primary side is held securely enough so that it is not damaged or damages another part during handling and the manufacturing processes between insertion into the rotor shaft and installation of the rotor in the housing.
Weiterhin kann durch einen derart gestalteten Rotor und dessen Montagekonzept sichergestellt werden, dass die Primärseite des Übertragers im Betrieb gegenüber der Sekundärseite hinreichend genau positioniert ist.Furthermore, a rotor designed in this way and its assembly concept can ensure that the primary side of the transformer is positioned with sufficient accuracy relative to the secondary side during operation.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
-
1 schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungsanordnung; -
2 schematisch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungsanordnung; -
3 schematisch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine; -
4 schematisch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungsanordnung; und -
5 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
-
1 schematically an embodiment of the power transmission arrangement according to the invention; -
2 schematically shows a further embodiment of the power transmission arrangement according to the invention; -
3 schematically an electrical machine according to the invention; -
4 schematically shows a further embodiment of the power transmission arrangement according to the invention; and -
5 shows a block diagram of the method according to the invention.
Bevor auf die Ausführungsbeispiele in den Figuren Bezug genommen wird, werden allgemeine Ausführungen zu der erfindungsgemäßen Leistungsübertragungsanordnung gemacht.Before referring to the embodiments in the figures, general statements are made about the power transmission arrangement according to the invention.
Bei der induktiven Leistungsübertragung wie in der hierin beschriebenen Leistungsübertragungsanordnung wird ein von der Leistungselektronik bereitgestellter Wechselstrom berührungslos durch eine induktive (Strom-/Dreh-) Übertragungsvorrichtung übertragen. Eine derartige induktive Übertragungsvorrichtung kann ein (bspw. rotationssymmetrischer) Transformator sein, der eine Primäranordnung und eine Sekundäranordnung umfasst, wobei die Primäranordnung einen Primärferritkern mit dazugehörigen Primärwicklungen umfasst und die Sekundäranordnung einen Sekundärferritkern mit dazugehörigen Sekundärwicklungen. Die Primärwicklung (Spule) erzeugt ein magnetisches Feld, welches durch den /die Ferritkerne gebündelt wird. Der Primärferritkern und der Sekundärferritkern sind durch einen Luftspalt voneinander getrennt. In der Regel ist die Primäranordnung raumfest in der elektrischen Maschine angeordnet, bspw. am Gehäuse, und die Sekundäranordnung hingegen drehbar in, bspw. durch eine drehfeste Verbindung mit dem Rotor.In inductive power transmission, as in the power transmission arrangement described herein, an alternating current provided by the power electronics is transmitted contactlessly through an inductive (current/rotary) transmission device. Such an inductive transmission device can be a (e.g., rotationally symmetrical) transformer comprising a primary arrangement and a secondary arrangement, wherein the primary arrangement comprises a primary ferrite core with associated primary windings, and the secondary arrangement comprises a secondary ferrite core with associated secondary windings. The primary winding (coil) generates a magnetic field that is concentrated by the ferrite core(s). The primary ferrite core and the secondary ferrite core are separated from each other by an air gap. Typically, the primary arrangement is fixed in place within the electrical machine, e.g., on the housing, while the secondary arrangement is rotatable, e.g., through a rotationally fixed connection to the rotor.
Durch die induktive Übertragungsvorrichtung kann ein Wechselstrom von der Primärwicklung der Primäranordnung berührungslos zur Sekundärwicklung der Sekundäranordnung übertragen werden. Eine an der Sekundärwicklung angeschlossene Gleichrichterplatine greift den übertragenen Wechselstrom ab und wandelt diesen in Gleichstrom zum Bestromen der Rotorwicklung um.The inductive transmission device allows an alternating current to be transmitted contactlessly from the primary winding of the primary assembly to the secondary winding of the secondary assembly. A rectifier board connected to the secondary winding taps the transmitted alternating current and converts it into direct current to power the rotor winding.
Üblicherweise umfasst die Leistungsübertragungseinheit eine Primäranordnung und eine Sekundäranordnung, die relativ zueinander verdrehbar sind. Sowohl die Primäranordnung und die Sekundäranordnung umfassen jeweils einen Ferrit und eine darum angeordnete Magnetspule. Bewährt hat sich dabei bislang ein Aufbau, bei dem die zylindrische Primäranordnung in axialer Richtung innerhalb der zylindrischen Sekundäranordnung ausgerichtet ist. Dazwischen sind die beiden Magnetspulen überlappend angeordnet. Die Primäranordnung ist fest mit dem Gehäuse verbunden und die Sekundäranordnung drehfest mit dem Rotor. Der in Umfangsrichtung verlaufende Luftspalt zwischen dem Ferrit der Primäranordnung und dem Ferrit der Sekundäranordnung bildet dabei die Übertragungsfläche und ist entscheidend für eine effiziente Leistungsübertragung.The power transmission unit typically comprises a primary assembly and a secondary assembly that are rotatable relative to one another. Both the primary assembly and the secondary assembly each comprise a ferrite and a magnetic coil arranged around it. A design that has proven successful so far is one in which the cylindrical primary assembly is aligned axially within the cylindrical secondary assembly. The two magnetic coils are arranged overlapping between them. The primary assembly is firmly connected to the housing, and the secondary assembly is non-rotatably connected to the rotor. The circumferential air gap between the ferrite of the primary assembly and the ferrite of the secondary assembly forms the transmission surface and is crucial for efficient power transmission.
Der Luftspalt ist jeweils an den Endabschnitten ausgebildet und die überlappenden Spulen sind im mittleren Abschnitt angeordnet. Dabei sollte der Luftspalt in radialer Richtung möglichst gering sein, beispielsweise unter 1 mm. Jedoch ist der Luftspalt unter Einbezug von Toleranzen und Spiel nach unten hin begrenzt. Für einen bestmöglichen Wirkungsgrad müssen die Primäranordnung und die Sekundäranordnung in axialer Richtung möglichst exakt zueinander ausgerichtet sein.The air gap is formed at each end section, and the overlapping coils are arranged in the center section. The air gap should be as small as possible in the radial direction, for example, less than 1 mm. However, the air gap is limited downwards, taking into account tolerances and play. For the best possible efficiency, the primary and secondary arrangements must be aligned as precisely as possible in the axial direction.
Zurückkehrend zu den Ausführungsformen der hier vorliegenden Erfindung ist in der
Die Außenringe (41a, 41b) der Kugellager (4a, 4b) können mit der Innenwand des zylindrischen Teils der Rotorhohlwelle (11) drehfest verbunden sein, beispielsweise durch Verkleben. Alternativ kann dies durch eine Presspassung zwischen den genannten Teilen erreicht werden.The outer rings (41a, 41b) of the ball bearings (4a, 4b) can be non-rotatably connected to the inner wall of the cylindrical part of the hollow rotor shaft (11), for example, by gluing. Alternatively, this can be achieved by a press fit between the aforementioned parts.
Die Verklebung der Komponenten des Lagerbereichs (6), insbesondere der Innenringe (42a, 42b) auf der Trägerlanze (3) kann unter Vorspannung geschehen, wodurch sich eine kompakte Gestaltung des Lagerbereichs ergeben kann, der gleichzeitig eine hohe Biegesteifigkeit aufweist. Alternativ können die Innenringe (42a, 42b) zwischen beispielsweise einem axialen Anschlag an der Trägerlanze (3) und einem Sicherungsring (26) mittels einer Lagerfeder (27) axial geklemmt und dabei mit der Federkraft als Vorspannung beaufschlagt werden.The components of the bearing area (6), in particular the inner rings (42a, 42b) on the support lance (3), can be bonded under preload, resulting in a compact design of the bearing area that simultaneously exhibits high flexural rigidity. Alternatively, the inner rings (42a, 42b) can be axially clamped between, for example, an axial stop on the support lance (3) and a retaining ring (26) by means of a bearing spring (27), and the spring force can be applied as preload.
Die Leistungsübertragungsanordnung (10) der
In der
Die Ausführungsform der in der
Die Trägerlanze (3) in der
In der
In der
In der hier gezeigten Ausführungsform ist an der Trägerlanze weiterhin ein Sicherungsring (26) angebracht. Zwischen dem Sicherungsring (26) und dem Innenring (42a) ist eine Lagerfeder (27) zum Toleranzausgleich und zur elastischen Anstellung der beiden Lager in O-Anordnung angebracht.In the embodiment shown here, a retaining ring (26) is also attached to the support lance. A bearing spring (27) is mounted between the retaining ring (26) and the inner ring (42a) to compensate for tolerances and elastically adjust the two bearings in an O-arrangement.
Wird die in der
In der
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass alle Komponenten der Leistungsübertragungsanordnung in dem zylindrischen Teil der Hohlwelle (11) montiert werden, bevor dieser mit einem Lagerende (14) verfügt wird.The method according to the invention can be characterized in that all components of the power transmission arrangement are mounted in the cylindrical part of the hollow shaft (11) before it is provided with a bearing end (14).
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Schritt S1 zunächst die Trägerlanze (3) mit der Primäranordnung (1) und der Lageranordnung (4) verbunden. In einem weiteren Schritt S2 wird eine Rotorhohlwelle (11) bzw. deren zylindrischer Teil bereitgestellt. In diese wird an einem inneren zentralen Abschnitt ein Sicherungsring (12) montiert (S3). An den Sicherungsring (12) wird die Gleichrichtereinheit angebracht, bevor im Verfahrensschritt S4 die Sekundäranordnung (2) in die Hohlwelle eingesetzt wird. Die Trägerlanze (3) aus Verfahrensschritt S1 wird an der Sekundäranordnung (2) angebracht (S5), wobei eine Feder (8) an die Lageranordnung (4) angebracht wird, beispielsweise zwischen der Lageranordnung (4) und der Sekundäranordnung um die Primäranordnung vor dem Verschlagen mit der Sekundäranordnung (2) zu schützen, bzw. diese mit Bauraumtoleranz von der Lageranordnung zu beabstanden. Im Verfahrensschritt S6 werden mit einem weiteren Sicherungsring (12) die Komponenten in der Rotorhohlwelle (11) an einem äußeren Ende des zylindrischen Teils befestigt. Im Verfahrensschritt S8 wird die Rotorhohlwelle aus dem Verfahrensschritt S6 mit dem in S7 bereitgestellten Lagerende (14) verfügt, z.B. durch Schweißen.In the method according to the invention, in step S1, the support lance (3) is first connected to the primary assembly (1) and the bearing assembly (4). In a further step S2, a hollow rotor shaft (11) or its cylindrical part is provided. A retaining ring (12) is mounted in this hollow shaft at an inner central section (S3). The rectifier unit is attached to the retaining ring (12). unit before the secondary arrangement (2) is inserted into the hollow shaft in process step S4. The support lance (3) from process step S1 is attached to the secondary arrangement (2) (S5), wherein a spring (8) is attached to the bearing arrangement (4), for example between the bearing arrangement (4) and the secondary arrangement in order to protect the primary arrangement from being knocked against the secondary arrangement (2) or to space it apart from the bearing arrangement with installation space tolerance. In process step S6, the components in the hollow rotor shaft (11) are fastened to an outer end of the cylindrical part using a further retaining ring (12). In process step S8, the hollow rotor shaft from process step S6 is provided with the bearing end (14) provided in S7, for example by welding.
BezugszeichenReference symbol
- 11
- PrimäranordnungPrimary arrangement
- 22
- SekundäranordnungSecondary arrangement
- 2a2a
- SekundärferritSecondary ferrite
- 33
- TrägerlanzeCarrier lance
- 44
- LageranordnungBearing arrangement
- 4a, 4b4a, 4b
- Kugellagerball bearings
- 55
- MutterMother
- 66
- Lagerbereichstorage area
- 77
- Distanzscheibespacer
- 88
- FederFeather
- 99
- GleichrichtereinheitRectifier unit
- 1010
- LeistungsübertragungsanordnungPower transmission arrangement
- 1111
- Rotorhohlwelle (zylindrischer Teil)Hollow rotor shaft (cylindrical part)
- 1212
- Sicherungsringretaining ring
- 1313
- NutNut
- 1414
- LagerendeEnd of stock
- 1515
- Schutzkappeprotective cap
- 1616
- Statorstator
- 1717
- statorseitiges Blechpaket mit Wicklungstator-side laminated core with winding
- 1818
- GehäuseHousing
- 1919
- Rotorlagerrotor bearing
- 2020
- elektrische Maschineelectric machine
- 2121
- Öffnungopening
- 2222
- Dichtungseal
- 2323
- LeitungsöffnungLine opening
- 2424
- PotentialausgleichEquipotential bonding
- 2525
- Hülsesleeve
- 2626
- Sicherungsringretaining ring
- 2727
- Lagerfederbearing spring
- 41a, 41b41a, 41b
- Außenring Kugellagerouter ring ball bearing
- 42a, 42b42a, 42b
- Innenring Kugellagerinner ring ball bearing
Claims (14)
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