Die Erfindung betrifft einen elektrischen Drehtransformator zur induktiven Energieübertragung.

Sogenannte fremderregte elektrische Synchronmaschinen benötigen in ihrem Drehtransformator-Rotor eine elektrische Gleichspannung zur Erzeugung des magnetischen Rotorfeldes. Dieser Vorgang wird als "Rotorerregung" bezeichnet. Bei herkömmlichen Synchronmaschinen wird der elektrische Drehtransformator- Rotorstrom als elektrische Gleichspannung mithilfe sogenannter Kohlebürste- Schleifring-Kontakte auf den sich drehenden Drehtransformator-Rotor übertragen. Als nachteilig daran erweist sich, dass sich die Kohlebürsten gerade bei hohen Drehzahlen verschleißbedingt abschleifen und dabei unerwünschten elektrisch leitenden Kohlestaub erzeugen können.

Alternativ zu einer solchen Übertragung der elektrischen Gleichspannung mit Hilfe von Schleifringen ist es bekannt, die elektrische Stromübertragung auf den sich drehenden Drehtransformator-Rotor induktiv, also drahtlos, zu realisieren. Ein solcher Aufbau wird als Teil einer fremderregten Synchronmaschine auch als "Drehtransformator" oder "rotierender Planartransformator" bezeichnet.

Das Funktionsprinzip besagter induktiver Spannungs- bzw. Energieübertragung basiert auf einem elektrischen Transformator, wobei die Primärwicklung bzw. Primärspule des Transformators am Drehtransformator-Stator des Drehtransforma- tors bzw. der Synchronmaschine angeordnet ist und die Sekundärwicklung bzw. Sekundärspule am sich drehenden Drehtransformator-Rotor. Da bei der induktiven Energieübertragung in der Sekundärspule zunächst immer eine elektrische Wechselspannung erzeugt wird, ist es erforderlich, die erzeugte elektrische Wechselspannung in eine gleichgerichtete elektrische Spannung umzuwandeln. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Drehtransformatoren neue Wege aufzuzeigen. Insbesondere soll eine verbesserte Ausführungsform für einen solchen Drehtransformator geschaffen werden, der sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet und dennoch eine Drehung des Drehtransform ator-Rotors mit hoher Drehzahl - diese Eigenschaft ist dem einschlägigen Fachmann auch unter der Bezeichnung "hohe Drehzahlfestigkeit" geläufig - erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Grundidee der Erfindung ist demnach, die Sekundärspule eines Drehtransformators durch eine Leiterbahn zu bilden, die auf einer Leiterplatte vorgesehen ist, welche wiederum einen Teil eines sich drehbaren Drehtransformator-Rotors bildet.

Eine derart aufgebaute Sekundärspule erweist sich als relativ einfach herzustellen, da hierzu verschiedene herkömmliche und daher technisch ausgereifte Verfahren zur Herstellung der Leiterplatte herangezogen werden können. Außerdem besitzt eine solche Leiterplatte eine hohe mechanische Stabilität und erweist sich darüber hinaus auch als verschleißarm. Daher ist sie für den Langzeitbetrieb in einem Drehtransformator bei hohen Drehzahlen des Drehtransformator-Rotors besonders gut geeignet. Außerdem ist es möglich, die Ausgestaltung der die Sekundärspule bildenden Leiterbahn anwendungsspezifisch auf flexible Weise unterschiedlichen technischen Erfordernissen anzupassen. Dies gilt insbesondere hinsichtlich der Anzahl der auf der Leiterbahn vorhandenen Leiterbahnen und deren geometrischer Anordnung auf der Sekundärwicklung-Leiterplatte sowie hinsichtlich der Drehtransformatorwicklungsausführung, z.B. dem Wicklungsverhältnis, der Wicklungszahl sowie der Anzahl der (Zwischen-)Anzapfungen. Zudem erlaubt es die Verwendung einer Leiterplatte mit Leiterbahn als Sekundärspule, einen zur verbesserten elektrischen Energieübertragung von der Primärspule auf die Sekundärspule üblicherweise wendeten Transformatorkern aus einem magnetischen Material nicht am beweglichen Rotor, sondern am unbeweglichen Drehtransformator-Stator vorzusehen. Da als (weich-)magnetisches Material für einen solchen Transformatorkern oftmals ein mechanisch spröder Ferrit oder dergleichen verwendet wird, der für die Verwendung im sich drehenden Drehtrans- formator-Rotor bei hohen Drehzahlen an sich ungeeignet ist, bewirkt die vorliegend mögliche Anordnung des Transformatorkerns am Drehtransformator- Stator - und nicht am Drehtransformator-Rotor -, dass der Drehtransformator auch bei hohen Drehzahlen problemlos betrieben werden kann.

Ein erfindungsgemäßer elektrischer Drehtransformator zur transformatorischen elektrischen Energieübertragung, insbesondere für einen Traktionsmotor eines Fahrzeugs, umfasst einen eine Primärspule aufweisenden Drehtransformator-Stator, an welchem ein Transformatorkern aus einem Kernmaterial, vorzugsweise aus Ferrit, angeordnet ist. Der Drehtransformator ist also bevorzugt ein Teil des Dreh- transformator-Stators. Der Drehtransformator umfasst ferner einen relativ zum Drehtransformator-Stator um eine Drehachse drehbar ausgebildeten und eine Sekundärspule aufweisenden Drehtransformator-Rotor. Der Drehtransformator-Rotor ist also relativ zum Transformatorkern drehbar ausgebildet. Der Drehtransformator-Rotor umfasst eine gegenüber dem Drehtransformator-Stator um die Drehachse drehbare Sekundärspulen-Leiterplatte des Drehtransformator-Rotors, auf welcher die Sekundärspule angeordnet ist verbunden ist, auf oder/und in welcher wiederum die Sekundärspule angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist die Sekundärspule durch wenigstens eine auf oder/und der Sekundärspulen-Leiterplatte vorgesehene Leiterbahn gebildet, die vorzugsweise in Umfangsrichtung, besonders bevorzugt spiralförmig, um die Drehachse umläuft. Die Sekundärspule ist induktiv mit der Primärspule koppelbar oder gekoppelt. Dies bedeutet, dass bei elektrischer Bestromung der Primärspule mit einem Wechselstrom in der Sekundärspule eine elektrische Wechselspannung induziert wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Sekundärspulen-Leiterplatte in einer Draufsicht auf deren Oberseite eine ringförmige Geometrie auf. Alternativ o- der zusätzlich kann in der Draufsicht auf die Oberseite die wenigstens eine Leiterbahn eine spiralförmige Geometrie aufweisen. Eine solche Geometrie ermöglicht eine effektive elektrische Leistungsübertragung von der Primärspule auf die Sekundärspule mittels elektromagnetischer Induktion. Zweckmäßig können auch das Gehäuseoberteil und das Gehäuseunterteil eine solche ringförmige Geometrie aufweisen. Auch die Sekundärspulen-Leiterplatte weist bevorzugt eine ringförmige Geometrie auf. Aufgrund der ringförmigen Geometrie fassen das Gehäuse bzw. das Gehäuseoberteil und das Gehäuseunterteil und auch die Sekundärspulen-Leiterplatte jeweils eine gemeinsame Durchgangsöffnung ein, welche von einer Dreh- transformator-Rotorwelle durchgriffen werden kann. Eine solche Drehtransforma- tor-Rotorwelle kann mit der Rotorwelle einer fremderregten Synchronmaschine gekoppelt sein oder aber, alternativ dazu durch die Rotorwelle der fremderregten Synchronmaschine gebildet sein.

Besonders bevorzugt ist die Sekundärspule elektrisch mit einer auf der Sekundärspulen-Leiterplatte angeordneten elektrischen Gleichrichter-Schaltung, welche wenigstens ein Gleichrichterelement, vorzugsweise zwei oder vier Gleichrichterelemente, umfasst, verbunden. Diese Maßnahme unterstützt die elektrische Gleichrichtung der in der Sekundärspule induzierten elektrischen Wechselspannung, sodass diese als gleichgerichtete elektrische Spannung zur Erzeugung eines magnetischen Rotorfeldes geeignet ist, wie es im Drehtransformator-Rotor einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine benötigt wird. Alternativ kann die Gleichrichterschaltung auch auf einer zweiten, separaten Rotor-Leiterplatte ausgeführt sein. Als Gleichrichterelemente können Gleichrichter-Dioden oder Gleichrichter-Transistoren, insbesondere MOSFETs, verwendet werden.

Vorzugsweise ist die Gleichrichter-Schaltung radial innen auf der Sekundärspulen- Leiterplatte angeordnet. Dies kann auch für weitere elektrische/elektronische Bauelemente einer der Gleichrichter-Schaltung nachgeschaltete Rotorelektronik gelten. Auf diese Weise wird das von den Gleichrichterelementen bzw. der Rotorelektronik bei Drehung der Drehtransformator-Rotorwelle und somit der Sekundär- spulen-Leiterplatte erzeugte Trägheitsmoment klein gehalten, wodurch die Drehzahlfestigkeit des Drehtransformators weiter verbessert wird. Die Bezeichnung "radial innen" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Gleichrichterelemente bzw. die Rotorelektronik in einer axialen Draufsicht auf die Sekundärspu- len-Leiterplatte jeweils zumindest näher an einer Innenumfangsseite der Sekun- därspulen-Leiterplatte angeordnet sind als an einer Außenumfangsseite der Se- kundärspulen-Leiterplatte. Zweckmäßig können alle oder ein Teil der elektronischen Bauelemente, insbesondere jene der Rotorelektronik, auch in der Drehtransformator-Rotorwelle angeordnet oder, alternativ dazu, auf eine zusätzliche, separate Rotor-Leiterplatte ausgelagert sein.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Sekundärspulen-Leiterplatte auf einer an einer Drehtransformator-Rotorwelle anbringbaren Stützstruktur angeordnet. Besonders bevorzugt kann die Stützstruktur als Stützplatte ausgebildet sein. Eine solche Stützstruktur ermöglicht die stabile drehfeste Anbringung der Leiterplatte an der Drehtransformator-Rotorwelle und erleichtert bei geeigneter Konstruktion gleichzeitig den Zusammenbau von Drehtransformator-Rotorwelle und Leiterplatte zum Drehtransformator-Rotor des Drehtransformators.

Zweckmäßig ist eine entlang der axialen Richtung gemessene Plattendicke der als Stützplatte ausgebildeten Stützstruktur größer als eine Leiterplatten-Dicke einer ebenfalls entlang der axialen Richtung gemessene Leiterplattendicke der Sekun- därspulen-Leiterplatte. Auf diese Weise wird die mechanische Stabilität der Anordnung aus Stützstruktur bzw. Stützplatte und Sekundärspulen-Leiterplatte verbessert. Zweckmäßig kann ein radial gemessener Radius der Sekundärspulen-Leiterplatte größer sein als ein ebenfalls entlang der radialen Richtung gemessener Radius der Stützstruktur bzw. Stützplatte. Auch diese Maßnahme erleichtert die Montage der Leiterplatte an der Stützstruktur. Auf einem radial äußeren Abschnitt der Sekundärspulen-Leiterplatte kann dabei die die Sekundärspule bildende Leiterbahn angeordnet sein. Diese Bauform benötigt besonders wenig Bauraum

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Stützstruktur koaxial zur Drehachse angeordnet. Bei dieser Weiterbildung ist die Stützstruktur radial innen mit der Drehtransformator-Rotorwelle verbunden und weist radial außen eine Aussparung auf. In dieser Aussparung ist ein radial innerer Leiterplatten-Abschnitt der Sekundärspulen-Leiterplatte aufgenommen. Eine derartige Ausgestaltung erleichtert den Zusammenbau des Drehtransformator-Rotors.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung weist die Stützstruktur einen die Aussparung jeweils axial begrenzenden ersten und zweiten Stützstruktur-Axial-ab- schnitt auf. Die beiden Stützstruktur-Axialabschnitte liegen einander axial gegenüber. Dabei steht der zweite Stützstruktur-Axialabschnitt zweckmäßig radial weiter nach außen vor als der erste Stützstruktur-Axialabschnitt. Außerdem liegt bei dieser Weiterbildung die Sekundärspulen-Leiterplatte zumindest axial am zweiten Stützstruktur-Axialabschnitt, vorzugsweise auch am ersten Stützstruktur-Axialabschnitt, an. Diese Maßnahme erlaubt eine mechanisch stabile Fixierung der Sekundärspulen-Leiterplatte über die Stützstruktur an der Drehtransformator-Rotorwelle, auch im Betrieb des Drehtransformator-Rotors und bei hohen Drehzahlen. Sind die Abwärme erzeugenden Gleichrichterelemente bzw. elektrische/elektronische Bauelemente der Rotorelektronik radial innen auf der Sekundärspulen-Leiterplatte angeordnet, so kann zumindest der zweite Stützstruktur-Axialabschnitt aufgrund seiner flächigen Anlage an die Sekundärspulen-Leiterplatte und aufgrund des damit einhergehenden thermischen Kontaktes zwischen Sekundärspulen-Leiterplatte und Stützstruktur zur Abführung von Abwärme, die von dem Gleichrichterelement im Betrieb erzeugt wird, herangezogen werden.

Besonders bevorzugt kann/können wenigstens ein Gleichrichterelement, vorzugsweise alle vorhandene Gleichrichterelemente, auf einer Außenumfangsseite des ersten Stützstruktur-Axialabschnitts an der Stützstruktur anliegen. Auf diese Weise wird die mechanische Stabilität des Drehtransformator-Rotors erhöht und somit die Drehzahlfestigkeit des Drehtransformator-Rotors verbessert. Gleichzeitig kann von den Gleichrichterelementen im Betrieb, also bei elektrischer Bestromung, erzeugte Abwärme effektiv über die Stützstruktur abgeführt werden. Denkbar ist es, hierzu zwischen dem Gleichrichterelement und der Stützstruktur zusätzlich geeignete Mittel zur Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit oder/und der elektrischen Isolation, beispielsweise eine Wärmeleitpaste o. ä. oder ein Wärmeleitpad, vorzusehen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Stützstruktur bzw. Stützplatte in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse am Außenumfang die geometrische Formgebung eines Mehrecks, vorzugsweise eines Hexagons oder Oktagons, auf. Dies erleichtert es, die vorhandene Gleichrichterelemente, die typischerweise ein Gehäuse mit der geometrischen Formgebung eines Quaders aufweisen, flächig mit der Stützstruktur zu verbinden, so dass effektiv Wärme abgeführt werden kann.

Besonders zweckmäßig kann die Sekundärspulen-Leiterplatte mechanisch und thermisch mit der Stützstruktur verbunden sein, so dass von dem Gleichrichterelement im Betrieb erzeugte Abwärme mittels der Stützstruktur an die Umgebung des Gleichrichterelements abgeführt werden kann. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Transformatorkern koaxial zur Drehachse angeordnet und weist eine radial nach innen offene Ausnehmung auf, in welcher die Sekundärspulen-Leiterplatte mit einem radial äußeren Leiterplattenabschnitt angeordnet ist, auf welchem die Sekundärspule angeordnet ist. Der Transformatorkern kann dabei insbesondere einteilig oder zweiteilig ausgebildet sein, in letzterem Fall mit einem oberen Kernteil und mit einem unteren Kernteil oder, alternativ dazu, mit einem radial inneren und mit einem radial äußeren Kernteil, welche zusammen besagte Ausnehmung begrenzen und hierzu axial abschnittsweise aneinander anliegen. Gemäß beiden Varianten ist eine technische Ausführung möglich, bei welcher sowohl die Primärspule als auch die Sekundärspule nahezu vollständig vom Transformatorkern umgeben sind. Dies führt zu einer verbesserten induktiven Kopplung der Primärspule an die Sekundärspule. Dadurch erhöht sich die Effizienz der elektrischen Energieübertragung von der Pri- märspule auf die Sekundärspule.

Zweckmäßig ist die Primärspule ortsfest zum Transformatorkern so in der Ausnehmung angeordnet, dass sich die Primärspule und die Sekundärspule axial im Abstand zueinander gegenüberliegen.

Mittels voranstehender Varianten wird bauraumsparend eine besonders effektive Kopplung mittels elektromagnetischer Induktion und damit eine effektive, verlustarme Energieübertragung von der Primärspule auf die Sekundärspule erreicht.

Die Primär- bzw. Spulenwicklung kann gewickelt mit Lackdraht, Litzendraht und dergleichen ausgeführt sein. Alternativ dazu kann die Primärwicklung in analoger Weise zur Sekundärwicklung-Leiterplatte auch als Primärwicklung-Leiterplatte mit wenigstens einer Leiterbahn ausgebildet sein. Obige Erläuterungen zur Sekundärwicklung-Leiterplatte gelten bei dieser Alternative, soweit sinnvoll, auch für eine solche Primärwicklung-Leiterplatte. Besonders bevorzugt weist ein zwischen der Oberseite bzw. Unterseite der Se- kundärspulen-Leiterplatte und dem Transformatorkern, insbesondere dem oberen Kernteil bzw. unteren Kernteil, im Bereich der Ausnehmung jeweils gebildeter und sich radial erstreckender Luftspalt eine axiale Spaltbreite zwischen 1 mm und 3 mm, vorzugsweise zwischen 2 mm und 2,5 mm, auf. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass sich der Drehtransformator-Rotor berührungsfrei - auch bei hohen Drehzahlen - um die Drehachse drehen kann. Gleichzeitig wird erreicht, dass der Transformatorkern die Primär- und Sekundärspule nahezu vollständig umgibt, wodurch die induktive Kopplung der Primärspule an die Sekundärspule im Betrieb des Drehtransformators erhöht werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Ausnehmung radial außen eine axiale Vertiefung auf, in welcher die Primärspule angeordnet ist. Auf diese Weise kann auch die Primärspule von drei Seiten, also mit Ausnahme der der Sekundärspule gegenüberliegenden Seite, von dem Transformatorkern umgeben werden, was die elektromagnetische Kopplung zwischen Primärspule an die Sekundärspule erhöht.

In einer weiteren bevorzugten Variante können zwei Ausnehmungen, und zwar eine radial innere und eine radial äußere Ausnehmung, vorgesehen sein, in welcher jeweils ein Teil der Primärspule angeordnet ist. Diese Variante erfordert axial besonders wenig Bauraum.

In einer weiteren bevorzugten Variante kann die Sekundärspulen-Leiterplatte axial sandwichartig zwischen einem ersten Teil der Primärspule und einem zweiten Teil der Primärspule angeordnet sein.

Zweckmäßig kann für die voranstehend erläuterten Teile der Primärwicklung im Transformatorkern jeweils eine Ausnehmung zur Aufnahme des jeweiligen Teils der Primärwicklung vorgesehen sein. Zweckmäßig ist wenigstens ein Gleichrichterelement auf einer Oberseite oder/und einer der Oberseite gegenüberliegende Unterseite der Sekundärspulen-Leiter- platte angeordnet. Besonders zweckmäßig gilt dies für alle vorhandenen Gleichrichterelemente. Diese Maßnahme erleichtert den Zusammenbau des Drehtrans- formator-Rotors.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist wenigstens ein Gleichrichterelement, vorzugsweise mittels eines Abstandselements, im Abstand zur Sekundärspulen- Leiterplatte angeordnet und stützt sich dabei an der Stützstruktur ab. Dies kann alternativ oder/zusätzlich auch für elektrische/elektronische Bauelemente der oben erwähnten Rotorelektronik gelten. Besonders bevorzugt gilt dies für alle Gleichrichterelemente der Gleichrichterschaltung. Auf diese Weise kann eine unerwünschte Erwärmung der Sekundärspulen-Leiterplatte und der darauf angeordneten Komponenten, insbesondere besagter Sekundärspule, durch von dem jeweiligen Gleichrichterelement im Betrieb, also bei elektrischer Bestromung, erzeugte Abwärme zumindest vermindert werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Drehtransformator-Rotor, insbesondere die Sekundärspulen-Leiterplatte ohne Transform atorkern, insbesondere ferritfrei, ausgebildet. Da der Transformatorkern typischerweise aus einem spröden magnetischen Material, insbesondere aus dem bereits erwähnten Ferrit, besteht, kann durch den Verzicht auf ein solches sprödes Material im sich drehenden Rotor die Drehzahlfestigkeit des Drehtransformators weiter verbessert werden. Darüber hinaus haben experimentelle Untersuchungen gezeigt, dass durch den Verzicht auf einen als Wärmespeicher wirkenden Transformatorkern am Drehtransform ator-Rotor im Betrieb erzeugte Abwärme besser vom Drehtransformator- Rotor abgeführt werden kann. Besonders bevorzugt ist zumindest eine der Primärspule zugewandte Oberfläche der Sekundärspulen-Leiterplatte eben ausgebildet ist.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Sekundärspulen-Leiterplatte als Mehrlagen-Leiterplatte mit mehreren entlang einer Stapelrichtung aufeinander gestapelten Lagen ausgebildet sein. Bei dieser Ausführungsform sind in der Mehrlagen-Leiterplatte wenigstens zwei Leiterbahnen vorgesehen sind, die entlang der Stapelrichtung im Abstand zueinander angeordnet sind. Eine Leiterbahn kann also bei dieser Ausführungsform auf der äußersten Lage und somit von außen sichtbar oder auf einer inneren Lage und somit von außen unsichtbar auf bzw. in der Mehrlagen-Leiterplatte angeordnet sein.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Primärspule wenigstens eine Spulenwicklung. Diese wenigstens eine Spulenwicklung umfasst wiederum vorzugsweise wenigstens eine elektrisch leitende Litze oder wenigstens einen elektrisch leitenden Wicklungsdraht. Auf diese Weise können primärseitig sehr große elektrische Ströme durch die Primärspule geführt werden.

Bevorzugt kann die wenigstens eine Leiterbahn in einem radial äußeren Leiterplattenabschnitt der Sekundärspulen-Leiterplatte angeordnet sein, der näher an einem radial äußeren Ende als an einem radial inneren Ende der Sekundärspulen-Leiterplatte angeordnet ist. Vorzugsweise der radial äußere Leiterplattenabschnitt ein radial äußerer Endabschnitt der Sekundärspulen-Leiterplatte. Somit kann der radial innere Bereich mit geringerer Fliehkraftwirkung für Bauelemente mit größerer Masse genutzt werden.

Besonders bevorzugt kann die Sekundärspulen-Leiterplatte in axialer Richtung, vorzugsweise sandwichartig, zwischen dem Transformatorkern angeordnet sein. Auf diese Weise wird in axialer Richtung nur sehr wenig Bauraum benötigt. Außerdem wird eine besonders gute magnetische Kopplung zwischen Primärspule und Sekundärspule erreicht.

Die Erfindung betrifft ferner eine fremderregte Synchronmaschine mit einem elektrisch bestrombaren Synchronmaschinen-Stator zum Erzeugen eines magnetischen Stator-Drehfeldes. Die fremderregte Synchronmaschine umfasst einen elektrisch bestrombaren und gegenüber dem Synchronmaschinen-Stator drehbaren Synchronmaschinen-Rotor zum Erzeugen eines magnetischen Rotor-Feldes. Der Rotor weist eine Synchronmaschinen-Rotorwelle und einen voranstehend vorgestellten erfindungsgemäßen elektrischen Drehtransformator auf, wobei eine Drehtransformator-Rotorwelle des Drehtransformators durch diese Rotorwelle gebildet ist oder gebildet sein kann. Die voranstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Drehtransformators übertragen sich daher auch auf die erfindungsgemäße fremderregte Synchronmaschine.

Die erfindungsgemäße Synchronmaschine kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen, welches als Energiequelle eine Batterie umfassen kann. Dabei dient die Synchronmaschine insbesondere dem Antrieb des Kraftfahrzeugs, ist also insbesondere als ein Traktionsmotor ausgebildet. Bevorzugt besitzt der erfindungsgemäße Traktionsmotor eine Ausgangs- bzw. Antriebsleistung von wenigstens 3kW, bevorzugt von wenigstens 30kW. Besonders bevorzugt besitzt der erfindungsgemäße Traktionsmotor eine Ausgangs- bzw. Antriebsleistung zwischen 30kW und 500kW, höchst bevorzugt zwischen 100kW und 300kW. Beim erfindungsgemäßen Traktionsmotor kann über den im Drehtransform ator-Stator vorhandenen Transform atorkern Abwärme, die beim erfindungsgemäßen Traktionsmotor in weit höherem Maße anfällt als bei Elektromotoren mit geringerer Ausgangsleistung, besonders wirksam abgeführt werden. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.

Es zeigen, jeweils schematisch:

Fig. 1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Drehtransformators,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die die Sekundärwicklung enthaltende Sekundär- spulen-Leiterplatte,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Transformatorkern mit Primärwicklung,

Fig. 4 eine Variante des Beispiels der Figur 1 ,

Fig. 5 eine die geometrische Formgebung der Stützstruktur gemäß Variante der Figur 4 illustrierende Darstellung. Die Figur 1 zeigt ein Beispiel eines elektrischen Drehtransformators 1 zur induktiven Energieübertragung in einem Längsschnitt. Der elektrische Drehtransformator 1 umfasst ein Gehäuse 27, welches einen Gehäuseinnenraum 28 begrenzt. Der Drehtransformator 1 umfasst ferner einen eine Primärspule 2 aufweisenden Drehtransform ator-Stator 3, an welchem ein Transformatorkern 4 aus einem magnetischen Kernmaterial, vorzugsweise aus einem Ferrit, angeordnet ist. Der Drehtransformator 1 umfasst ferner einen relativ zum Drehtransformator-Stator 3 um eine Drehachse D drehbar ausgebildeten und eine Sekundärspule 5 aufweisenden Drehtransformator-Rotor 6. Sowohl der Drehtransformator-Stator 3 als auch der Drehtransformator-Rotor 6 sind im Gehäuseinnenraum 28 angeordnet. Der Drehtransformator-Stator 3 ist ortsfest zum Gehäuse 27 an diesem angeordnet. Der Drehtransformator-Rotor 6 ist demgegenüber relativ zum Gehäuse 27 drehbar ausgebildet. Hierzu umfasst der Drehtransformator-Rotor 6 eine gegenüber dem Drehtransformator-Stator 3 und dem Gehäuse 27 um die Drehachse D drehbare Drehtransformator-Rotorwelle 7, mit welcher drehfest eine Sekundärwicklung-Leiterplatte 8 des Drehtransformator-Rotors 6 verbunden ist, auf welcher eine Sekundärspule 5 angeordnet ist.

Wie Figur 1 erkennen lässt, ist eine der Primärspule 2 zugewandte Oberfläche der Sekundärspulen-Leiterplatte 8 eben ausgebildet. Optional kann die Sekundärspu- len-Leiterplatte 8 als Mehrlagen-Leiterplatte mit mehreren entlang einer Stapelrichtung aufeinander gestapelten Lagen ausgebildet sein (in den Figuren nicht gezeigt). In diesem Fall sind in der Mehrlagen-Leiterplatte wenigstens zwei Leiterbahnen 9 vorgesehen sind, die entlang der Stapelrichtung im Abstand zueinander angeordnet sind. Die Leiterbahnen können also auf der äußersten Lage und somit von außen sichtbar oder auf einer inneren Lage und somit von außen unsichtbar auf bzw. in der Mehrlagen-Leiterplatte angeordnet sein.

Die Drehtransformator-Rotorwelle 7 kann wie in Figur 1 gezeigte durch einen am Gehäuse 27 vorgesehenen Durchbruch 38 durch das Gehäuse 27 durchgeführt sein. Ebenso kann die Drehtransformator-Rotorwelle 7 mittels zweier Lagereinrichtungen 23 drehbar am Gehäuse 27 gelagert sein. Die Drehachse D erstreckt sich dabei gemäß Figur 1 entlang einer Mittellängsachse M der Drehtransformator-Ro- torwelle 7. Eine axiale Richtung A erstreckt sich ebenfalls entlang der Mittellängsachse M. Eine radiale Richtung R erstreckt sich senkrecht zur axialen Richtung A von der Mittellängsachse M weg. Eine Umfangsrichtung U erstreckt sich senkrecht zur axialen Richtung A und auch senkrecht zur radialen Richtung R und läuft um die Mittellängsachse M um.

Im Beispielszenario ist der Drehtransformator-Rotor 6 mit der Sekundärspulen-Lei- terplatte 8, ohne Transformatorkern und bevorzugt auch ferritfrei, ausgebildet. Da ein Transform atorkern - so auch jener der Primärspule 2 - typischerweise aus einem spröden magnetischen Material, insbesondere aus dem bereits erwähnten Ferrit, besteht, kann durch den Verzicht auf ein solches sprödes Material im sich drehenden Rotor die Drehzahlfestigkeit des Transformators weiter verbessert werden.

Die Figur 2 zeigt die Sekundärspulen-Leiterplatte 8 mit der Sekundärspule 5 in einer Draufsicht auf die Sekundärspulen-Leiterplatte 8 entlang der axialen Richtung A.

Gemäß den Figuren 2 und 1 ist die Sekundärspule 5 durch eine auf der Sekundärspulen-Leiterplatte 8 vorgesehene Leiterbahn 9 gebildet, die in Umfangsrichtung U spiralförmig um die Drehtransformator-Rotorwelle 7 umläuft. Bei elektrischer Bestromung der Primärspule 2 mit einer elektrischen Wechselspannung wird auch in der Sekundärspule 5 ein elektrischer Wechselstrom induziert. Die Sekundärspule 5 ist außerdem elektrisch mit einer auf der Sekundärspulen-Leiterplatte 8 angeordneten elektrischen Gleichrichter-Schaltung 10 verbunden, die im Beispiel vier Gleichrichterelemente 14a-14d umfasst, verbunden. In einer nicht gezeigten Variante kann die Gleichrichter-Schaltung 10 auf einer separaten Leiterplatte vorgesehen werden.

Die vier Gleichrichterelemente 14a-14d sind jeweils durch Gleichrichterdioden 29a-29d mit einem jeweiligen Diodengehäuse 30a- 30d gebildet. Die vier Gleichrichterelemente 14a bis 14d sind auf einer Oberseite 17 der Sekundärspulen-Lei- terplatte 8 angeordnet. Die Gleichrichter-Schaltung 10 mit den Gleichrichterelementen 14a-14d ist zum Gleichrichten der in der Sekundärspule 5 elektromagnetisch induzierten elektrischen Wechselspannung ausgebildet. Die Gleichrichter- Schaltung 10 kann dabei Teil einer ebenfalls auf der Sekundärspulen-Leiterplatte 8 angeordneten Leistungselektronik (in Figur 1 nicht näher dargestellt) mit elektronischen Leistungsbauteilen wie etwa Leistungstransistoren etc. sein. Die von der Gleichrichter-Schaltung 10 erzeugte gleichgerichtete elektrische Spannung kann zur Erzeugung eines Rotor-Magnetfelds im Rotor einer fremderregten Synchronmaschine verwendet werden, welche den erfindungsgemäßen Drehtransformator 1 verwendet und umfasst. Die Gleichrichter-Schaltung 10 kann zum Verarbeiten einer elektrischen Leistung von wenigstens 3kW, bevorzugt von wenigstens 30kW, ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist die Gleichrichter-Schaltung 10 zum Verarbeiten einer elektrischen Leistung zwischen 30kW und 500 kW, höchst bevorzugt zwischen bevorzugt 100kW und 300kW, ausgebildet.

Die Sekundärspulen-Leiterplatte 8 weist in der in Figur 2 dargestellten Draufsicht auf ihre Oberseite 17 eine ringförmige Geometrie auf und fasst eine Durchgangsöffnung 33 ein, welche von der Drehtransformator-Rotorwelle 7 durchgriffen ist. Außerdem weist in besagter Draufsicht auf die Oberseite 17 die Leiterbahn 9 eine spiralförmige Geometrie auf.

Wie Figur 1 erkennen lässt, ist die Gleichrichter-Schaltung 10 im Beispiel radial innen auf der Sekundärspulen-Leiterplatte 8 angeordnet. Auf diese Weise wird das von den Gleichrichter-Elementen 14a-14d bei Drehung der Drehtransformator-Ro- torwelle 7 und somit der Sekundärspulen-Leiterplatte 8 erzeugte Trägheitsmoment - insbesondere bei niedriger Drehgeschwindigkeit - klein gehalten, wodurch die angestrebte Drehzahlfestigkeit weiter verbessert wird. Des Weiteren ist die Sekundärspulen-Leiterplatte 8 axial auf einer an der Drehtransformator-Rotorwelle 7 befestigten ringförmigen Stützstruktur 11 angeordnet. Im Beispielszenario ist die Stützstruktur 11 als ringförmige Stützplatte 12 ausgebildet und ebenso wie die Sekundärspulen-Leiterplatte 8 koaxial zur Drehachse D angeordnet. Auch die ringförmige Stützstruktur 11 bzw. Stützplatte 12 fasst die bereits erwähnte Durchgangsöffnung 33 ein. Die Stützstruktur 11 bzw. die Stützplatte 12 sind bezüglich radialen Richtung R radial innen mit der Drehtransformator-Rotorwelle 7 verbunden und weist radial außen am Außenumfang 35 eine Aussparung 13 auf. In dieser Aussparung 13 ist gemäß Figur 1 ein radial innerer Leiterplatten-Abschnitt 8i der Sekundärspulen-Leiterplatte 8 aufgenommen.

Im Beispiel der Figur 1 weist die Stützstruktur 11 ferner einen die Aussparung 13 jeweils axial begrenzenden ersten und zweiten Stützstruktur-Axialabschnitt 11a, 11 b auf. Die beiden Stützstruktur-Axialabschnitte 11 a, 11 b liegen einander entlang der axialen Richtung A gegenüber. Dabei steht der zweite Stützstruktur-Axialabschnitt 11 b entlang der radialen Richtung R weiter nach außen vor als der erste Stützstruktur-Axialabschnitt 11 a. Außerdem liegt die Sekundärspulen-Leiterplatte 8 zumindest axial am zweiten Stützstruktur-Axialabschnitt 11 b, im Beispielszenario zusätzlich auch am ersten Stützstruktur-Axialabschnitt 11 a, an.

Wie Figur 1 außerdem erkennen lässt, ist auch der Transformatorkern 4 ringförmig ausgebildet und koaxial zur Drehachse D angeordnet. Außerdem weist der Trans- formatorkern 4 am Innenumfang 34 eine radial nach innen offene Ausnehmung 16 auf. In dieser Ausnehmung 16 ist die Sekundärspulen-Leiterplatte 8 mit einem radial äußeren Leiterplattenabschnitt 8a angeordnet, auf welchem die Sekundär- spule 5 angeordnet ist. Der radial äußere Leiterplattenabschnitt 8a ist näher an einem radial äußeren Ende als an einem radial inneren Ende der Sekundärspulen- Leiterplatte 8 angeordnet ist. Der radial äußere Leiterplattenabschnitt 8a kann ein radial äußerer Endabschnitt der Sekundärspulen-Leiterplatte 8 sein. Die Ausnehmung 16 kann außerdem wie in Figur 1 gezeigt radial außen eine axiale Vertiefung 16a aufweisen, in welcher die Primärspule 2 angeordnet ist. Wie Figur 1 außerdem veranschaulicht, kann im Gehäuseinnenraum 28, insbesondere am Gehäuse 27 anliegend, eine Primärspulen-Leiterplatte 37 angeordnet sein, auf welcher eine elektrisch mit der Primärspule 2 verbundene (vgl. Pfeil 32 in Figur 1 ) Leistungselektronik 31 zur Erzeugung einer elektrischen Wechselspannung angeordnet ist.

Der Drehtransformator-Rotor 6 ist im Beispielszenario ohne Transform atorkern ausgebildet. Dieses Szenario verdeutlicht die Darstellung der Figur 3, welche den Transform atorkern 4 mit der Ausnehmung 16 und der darin aufgenommenen Primärspule 2 in einer Draufsicht entlang der axialen Richtung A auf den Transformatorkern 4 zeigt.

Die Primärspule 2 wird durch eine Spulenwicklung 36 aus einem elektrisch leitenden Wicklungsdraht gebildet, die in der gezeigten Draufsicht in analoger Weise zur Sekundärwicklung 5 eine spiralförmige Geometrie aufweisen kann.

Nun wieder bezugnehmend auf Figur 1 ist die Primärspule 2 ortsfest zum Transformatorkern 4 so in der Ausnehmung 16 angeordnet, dass sich die Primärspule 2 und die Sekundärspule 5 entlang der axialen Richtung A im Abstand zueinander gegenüberliegen.

In der in Figur 3 gezeigten Draufsicht ist die Primärspule 2 direkt auf dem die Ausnehmung 16 begrenzenden Material des Transformatorkerns 4 angeordnet. In der Darstellung der Figur 1 kann hingegen die Primärspule 2 mit der Spulenwicklung 36 auf einem geeigneten Spulenkörper 26 - dem Fachmann auch als „Spulenbasiskörper“ oder vereinfacht als „Wicklungsträger“ bekannt - angeordnet sein, der in dem in Figur 1 gezeigten Längsschnitt topfartig ausgebildet ist und zwischen der Primärspule 2 und dem Material des Transformatorkerns 4 in der Ausnehmung 16 angeordnet ist.

Der Transformatorkern kann dabei wie in Figur 1 gezeigt einteilig oder aber zweiteilig, in letzterem Fall mit einem oberen Kernteil 4a und mit einem unteren Kernteil 4b, die zusammen die Ausnehmung 16 begrenzen und axial abschnittsweise aneinander anliegen (vgl. gestrichelte Linie in Figur 1 ), ausgebildet sein. Die Se- kundärspulen-Leiterplatte 8 kann in axialer Richtung A sandwichartig, zwischen zwei dem oberen und dem unteren Kernteil 4a, 4b des Transform atorkerns 4 angeordnet sein.

Ein zwischen der Oberseite 17 bzw. Unterseite 18 der Sekundärspulen-Leiter- platte 8 und dem Transformatorkern 4 im Bereich der Ausnehmung 16 jeweils gebildeter und sich entlang der radialen Richtung R erstreckender Luftspalt 19 kann jeweils eine entlang der axialen Richtung A gemessene axiale Spaltbreite b aufweisen, die zwischen 1 mm und 3 mm, vorzugsweise zwischen 2 mm und 2,5 mm, beträgt. Besagte Werte können in Abhängigkeit von der Sekundärspule-Leiterplattendicke, sowie mechanischen Toleranzen festgelegt werden. Die vorliegend verwendeten Begriffe „Oberseite“ und „Unterseite“ beziehen sich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf eine mögliche und bevorzugte Gebrauchslage des Drehtransformators 1 in Bezug auf die Schwerkraftrichtung. Im Beispielszenario ist die Sekundärspulen-Leiterplatte 8 mechanisch und thermisch mit der Stützstruktur 11 verbunden, so dass von dem jeweiligen Gleichrichterelement 14a-14d im Betrieb erzeugte Abwärme mittels der Stützstruktur 11 an die Umgebung 21 des Gleichrichterelements 14a-14d abgeführt werden kann. Die Figur 4 zeigt eine Variante des Beispiels der Figur 1 . Im Beispiel der Figur 4 sind die Gleichrichterelemente 14a-14d nicht direkt auf der Oberseite 17 der Se- kundärspulen-Leiterplatte 8 angeordnet, sondern bezüglich der axialen Richtung A mittels jeweiliger Abstandselemente 20a-20d im Abstand zur Sekundärspulen-Lei- terplatte 8 angeordnet und auf dieser befestigt. Dabei liegen die vier Gleichrichterelemente 14a-14d jeweils flächig auf einer Außenumfangsseite 22 des ersten Stützstruktur-Axialabschnitts 11a an der Stützstruktur 11 an.

Die Figur 5 zeigt den Drehtransformator 1 gemäß Figur 4 in einem Querschnitt senkrecht zur Drehachse D. Die ringförmige Stützstruktur 11 bzw. ringförmige Stützplatte 12 weist in dem gezeigten Querschnitt senkrecht zur Drehachse D am der Außenumfang die geometrische Formgebung eines Mehrecks 15, im Beispiel der Figur 4 eines Hexagons, auf.

Der Figur 4 lässt sich außerdem unmittelbar entnehmen, dass die Gleichrichterelemente 14a-14d mittels eines jeweiligen Abstandselements 20a-20d axial im Abstand zur Sekundärspulen-Leiterplatte 8 angeordnet sind und sich radial jeweils an der Stützstruktur 11 abstützen. Wie in Figur 5 dargestellt, können die Gleichrichterelemente 14a-14d mittels eines jeweiligen Schraubelements 25a-25d mit der Stützstruktur verschraubt sein.

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