Gleichrichtervorrichtung, Verfahren zu deren Herstellung und Erregermaschine

Die Erfindung betrifft eine Gleichrichtervorrichtung, ein Verfahren zu deren Herstellung und eine Erregermaschine.

Eine Erregermaschine ist eine elektrische Maschine, die einen Erregerstrom für einen Generator erzeugt. In der Regel um fasst eine Erregermaschine eine Wechselstrommaschine, die ei nen Wechselstrom generiert, und eine Gleichrichtervorrich tung, die den Wechselstrom zu einem Gleichstrom gleichrich tet. Gleichrichtervorrichtungen von Erregermaschinen werden auch als Diodenräder bezeichnet, da sie häufig radförmig ge staltet sind und Dioden zum Gleichrichten des Wechselstroms aufweisen. Jedoch kann die Gleichrichtervorrichtung einer Er regermaschine auch andere elektrische Bauelemente als Dioden zum Gleichrichten des Wechselstroms aufweisen, beispielsweise Thyristoren. Die elektrischen Bauelemente erzeugen während des Betriebs der Erregermaschine Wärme, die von den elektri schen Bauelementen weg transportiert werden muss, um die elektrischen Bauelemente beispielsweise vor vorzeitigem Ver sagen zu schützen. Dazu weist die Gleichrichtervorrichtung einer Erregermaschine beispielsweise Kühlkörper auf, die we sentlich zu ihrer Masse beitragen.

Die Gleichrichtervorrichtung einer Erregermaschine ist in der Regel zusammen mit dem Rotor der Erregermaschine fest an ei ner Rotorwelle angeordnet und rotiert daher zusammen mit dem Rotor und der Rotorwelle. Insbesondere im Bereich einer über kritischen, innenliegenden Erregermaschine, die beispielswei se als Antrieb für einen Kompressor in der Öl- und Gasindust rie dient, ist es von hohem Nutzen, den Abstand zwischen den Hauptlagern der Rotorwelle zu reduzieren, um ein breites Spektrum an Rotationsfrequenzen zu ermöglichen, ohne dass schädliche Eigenfrequenzen auftreten. Wenn der Rotor aus ro tordynamischen Gründen in axialer Richtung über die Hauptla- ger hinausragt, wirkt eine größere Hebelkraft auf die Haupt lager und die Konstruktion wird insgesamt deutlich aufwändi ger. Es ist daher von Vorteil, eine Erregermaschine möglichst kurz und leicht zu gestalten, wodurch überdies auch Kosten und Material eingespart werden können. An der Gleichrichter vorrichtung einer Erregermaschine sind Kühlkörper, beispiels weise Kühlkörper mit Kühlrippen zur Luftkühlung, häufig nahe dem Umfang der Gleichrichtervorrichtung angebracht, um dort eine optimale Kühlung durch maximale Umströmungsgeschwindig keit mit der umgebenden Luft zu haben. Dieses ist jedoch aus mechanischer Sicht ungünstig, da die Masse der Kühlkörper dann durch die große Entfernung vom Rotationszentrum hohe Kräfte auf die Struktur der Gleichrichtervorrichtung ausübt. Ferner erzeugt eine derartige Anordnung von Kühlkörpern ein großes Trägheitsmoment bezogen auf die Rotationsachse und ist daher generell nachteilig für das dynamische Verhalten des Rotors der Erregermaschine. Um die Festigkeitsanforderungen an die Struktur einer Gleichrichtervorrichtung einer Erreger maschine, insbesondere bei hohen Drehzahlen der Rotation des Rotors, zu erfüllen, wird eine Gleichrichtervorrichtung häu fig aus Stahlwerkstoffen gefertigt.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gleichrichtervorrich tung anzugeben, die insbesondere hinsichtlich ihrer Kühlung und Massenverteilung bei der Verwendung für eine Erregerma schine verbessert ist.

Eine Lösung der Aufgabe ergibt sich durch eine Gleichrichter vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren zu deren Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und eine Erregermaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 15.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran sprüche .

Eine Gleichrichtervorrichtung zum Gleichrichten eines elektrischen Wechselstroms umfasst einen Träger und an einem Gleichrichterbereich des Trägers angeordnete elektrische Bau- elemente, wobei der Träger wenigstens einen Trägerhohlraum mit einem hermetisch gekapselten Volumen aufweist, in dem ein Kühlmedium zur Aufnahme von Wärme angeordnet ist, die von den elektrischen Bauelementen erzeugt wird.

Eine Gleichrichtervorrichtung ermöglicht eine Kühlung der elektrischen Bauelemente durch ein Kühlmedium, das in einem Trägerhohlraum des Trägers angeordnet ist. Mittels des Kühl mediums kann insbesondere Wärme von den elektrischen Bauele menten zu anderen Orten des Trägers transportiert werden, an denen von dem Kühlmedium aufgenommene Wärme abgeführt werden kann, beispielsweise durch an diesen Orten angeordnete Kühl strukturen wie Kühlrippen. Dadurch kann zum einen die Kühlung der Gleichrichtervorrichtung durch die Verteilung der Wärme mittels des Kühlmediums verbessert werden. Zum anderen kann auch die Massenverteilung der Gleichrichtervorrichtung durch eine geeignete Anordnung der Kühlstrukturen verbessert wer den .

Die elektrischen Bauelemente sind insbesondere Leistungshalb leiter. Leistungshalbleiter sind beispielsweise Dioden und/oder Thyristoren.

Ausgestaltungen der Gleichrichtervorrichtung sehen vor, dass der Gleichrichterbereich des Trägers ringförmig um den Mas senmittelpunkt des Trägers herum verläuft, und/oder dass der Gleichrichterbereich ein Randbereich des Trägers ist. Der Gleichrichterbereich des Trägers ist als ein geschlossener Ring ausgeführt. Der Träger kann Speichen, sogenannte Träger speichen aufweisen. Dadurch können die elektrischen Bauele mente insbesondere weit entfernt von einer Rotationsachse der Gleichrichtervorrichtung angeordnet werden, so dass in der Nähe der Rotationsachse Platz für die Anordnung von Kühl strukturen ist. Dies ist vorteilhaft, da die elektrischen Bauelemente eine kleinere Masse als die Kühlstrukturen haben und daher einen kleineren Beitrag zu dem Trägheitsmoment der Gleichrichtervorrichtung leisten als die Kühlstrukturen. In einer Ausgestaltung der Gleichrichtervorrichtung weist der Träger, insbesondere zwischen je zwei benachbarten Aussparun gen, außerhalb des Gleichrichterbereiches eine Kühlstruktur auf, die dem Massenmittelpunkt näher ist als dem Gleichrich terbereich. Dabei betrifft der Massenmittelpunkt den der Gleichrichtervorrichtung .

In einer Ausgestaltung der Gleichrichtervorrichtung sind die elektrischen Bauelemente kreisförmig angeordnet. Dabei können die elektrischen Bauelemente beispielsweise im Bereich einer Fortführung einer Trägerspeiche nach außen positioniert sein.

In einer Ausgestaltung der Gleichrichtervorrichtung sind die elektrischen Bauelemente kreisförmig angeordnet, wobei sich über die kreisförmige Anordnung Dioden und Thyristoren ab wechseln. D.h. dass über den Kreis hinweg nach einer Diode oder mehreren Dioden ein Thyristor oder mehrere Thyristoren folgen und danach wieder eine bzw. mehrere Dioden, usw. So sind Gruppen von Dioden bzw. Thyristoren ausgebildet. Die An zahl der elektrischen Bauelemente pro Gruppe hängt von der Leistung pro Bauelement und der erforderlichen Leistung pro Gruppe ab. Eine Gruppe kann also ein elektrisches Bauelement oder mehr aufweisen.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Gleichrichtervorrichtung ist wenigstens ein Trägerhohlraum ein Kühlkanal, in dem als Kühlmedium ein Kühlfluid angeordnet ist und der einen in dem Gleichrichterbereich des Trägers verlaufenden Verdampfungsab schnitt zum Verdampfen des Kühlfluids und einen Kondensati onsabschnitt zum Kondensieren des Kühlfluids aufweist. Dabei ist der Kondensationsabschnitt wenigstens eines Kühlkanals beispielsweise ein dem Massenmittelpunkt des Trägers zuge wandter Abschnitt des Kühlkanals. Ferner ist vorzugsweise we nigstens ein Kühlkanal ringförmig ausgebildet. Des Weiteren weist der Träger beispielsweise im Bereich wenigstens eines Kondensationsabschnitts eine Kühlstruktur auf, insbesondere eine von Kühlrippen gebildete Kühlstruktur. Die vorgenannten Ausgestaltungen der Gleichrichtervorrichtung sind insbesondere auf den Fall gerichtet, dass die Gleich richtervorrichtung in ihrem Betrieb um den Massenmittelpunkt des Trägers rotiert, beispielsweise bei der Verwendung an ei ner Erregermaschine. Durch die Rotation der Gleichrichtervor richtung wirken eine Zentrifugalkraft und eine Corioliskraft auf das Kühlfluid, die bei geeigneter Anordnung des Kühlka nals, insbesondere wenn dessen Kondensationsabschnitt ein dem Massenmittelpunkt des Trägers zugewandter Abschnitt des Kühl kanals ist, flüssiges Kühlfluid von dem Kondensationsab schnitt zu dem Verdampfungsabschnitt treiben, in dem das flüssige Kühlfluid von den elektrischen Bauelementen erzeugte Wärme aufnimmt und verdampft. Durch nachströmendes flüssiges Kühlfluid wird verdampftes gasförmiges Kühlfluid aus dem Ver dampfungsabschnitt verdrängt und strömt zu dem Kondensations abschnitt, in dem es kondensiert und dadurch Wärme abgibt.

Der Kühlkanal wirkt dadurch wie ein Thermosiphon, wobei die Zentrifugalkraft und die Corioliskraft die Rolle der Schwer kraft des bekannten Thermosiphon-Effekts übernehmen. Mit ei ner ringförmigen Ausbildung des Kühlkanals kann dieser Effekt besonders gut unterstützt werden. Eine im Bereich des Konden sationsabschnitts angeordnete Kühlstruktur verbessert vor teilhaft die Entwärmung des Kühlfluids.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Gleichrichtervorrichtung ist wenigstens ein Trägerhohlraum ein Latentwärmespeichervo lumen, in dem als Kühlmedium ein Phasenwechselmaterial zur Speicherung von Wärme in Form von latenter Wärme angeordnet ist. Beispielsweise ist wenigstens ein Latentwärmespeichervo lumen von einer Gitterstruktur des Trägers durchsetzt. In Kombination mit einem Kühlkanal ist wenigstens ein Latentwär mespeichervolumen ferner vorzugsweise neben einem Abschnitt des Kühlkanals angeordnet.

Bei den vorgenannten Ausgestaltungen der Gleichrichtervor richtung wirkt das in dem Latentwärmespeichervolumen angeord nete Phasenwechselmaterial als Latentwärmespeicher, um von den elektrischen Bauelementen erzeugte Wärme aufzunehmen. Durch eine Gitterstruktur des Trägers, die das Latentwärme speichervolumen durchsetzt, kann die Wärme besser auf das ty pischerweise schlecht wärmeleitende Phasenwechselmaterial verteilt und dadurch ein Phasenwechsel des Phasenwechselmate rials schneller herbeigeführt werden. Ferner trägt die Git terstruktur zusätzlich zur mechanischen Festigkeit des Trä gers bei. In Verbindung mit einem Kühlkanal ist ein derarti ger Latentwärmespeicher beispielsweise vorteilhaft, wenn von den elektrischen Bauelementen (beispielsweise im Fall von Spitzenlasten) besonders viel Wärme erzeugt wird, die in dem Kühlkanal nicht schnell genug weg transportiert wird. Daher ist es besonders vorteilhaft, ein Latentwärmespeichervolumen in der Nähe eines Abschnitts des Kühlkanals anzuordnen, ins besondere neben einem Verbindungsabschnitt des Kühlkanals, in dem im Betrieb der Gleichrichtervorrichtung Kühlmedium von dem Verdampfungsabschnitt zu dem Kondensationsabschnitt strömt. Insbesondere ermöglicht die Kombination von Kühlkanä len und Latentwärmespeichern vorteilhaft, die Gleichrichter vorrichtung auf eine Nennlast statt auf eine Spitzenlast aus zulegen und somit kompakter und leichter zu gestalten.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Gleichrichtervorrichtung weist der Träger wenigstens eine Aussparung auf. Dadurch wer den vorteilhaft die Masse und das Trägheitsmoment der Gleich richtervorrichtung reduziert.

Bei einem Verfahren zum Herstellen einer Gleichrichtervor richtung, insbesondere einer der beschriebenen Art, wird der Träger mit einem 3D-Druck-Verfahren gefertigt, beispielsweise aus einer Titan- oder Aluminiumlegierung oder aus einem ande ren Leichtbauwerkstoff. Vorzugsweise wird ferner eine geomet rische Struktur des Trägers durch eine Topologieoptimierung berechnet, mit der eine Masse und/oder ein Trägheitsmoment des Trägers bezüglich einer Rotationsachse minimiert wird.

Mit einem 3D-Druck-Verfahren wird ein additives Fertigungs verfahren bezeichnet, bei dem Material schichtweise aufgetra gen wird, um ein dreidimensionales Objekt zu fertigen. Unter Topologieoptimierung wird ein computerbasiertes Berechnungs verfahren zur Optimierung einer geometrischen Struktur eines Objekts verstanden, das meist auf der Finite-Elemente-Methode basiert .

Ein 3D-Druck-Verfahren ermöglicht die Herstellung komplexer Strukturen, die mit anderen bekannten Fertigungsverfahren nicht hergestellt werden können. Daher eignet sich ein 3D- Druck-Verfahren insbesondere zum Herstellen des Trägers einer bzw. der Gleichrichtervorrichtung, beispielsweise mit spezi ell gestalteten Kühlkanälen, Latentwärmespeichervolumen, Kühlstrukturen und/oder Aussparungen. Insbesondere kann der Träger dadurch präzise gemäß den Berechnungen einer Topolo gieoptimierung hergestellt werden, die oftmals sehr komplexe Geometrien ergibt. Des Weiteren kann ein 3D-Druck-Verfahren mit hochperformanten Leichtbauwerkstoffen, insbesondere mit Titan- oder Aluminiumlegierungen, ausgeführt werden, wodurch das Gewicht der Gleichrichtervorrichtung weiter reduziert werden kann. Besonders vorteilhaft sind in diesem Zusammen hang Aluminiumlegierungen, da diese neben den Leichtbaueigen schaften auch eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Außerdem ermöglicht der 3D-Druck des Trägers die einteilige Bauweise von tragender Struktur und Kühlstrukturen der Gleichrichtervorrichtung, die vorteilhaft den Wärmewider stand des Trägers reduziert.

Eine Erregermaschine weist eine Gleichrichtervorrichtung auf. Neben den oben bereits genannten Vorteilen ermöglicht eine Gleichrichtervorrichtung, insbesondere eine der beschriebenen Art, durch ihre optimierte Massenverteilung auch eine Redu zierung der Masse der Erregermaschine. Ferner ermöglicht die optimierte Massenverteilung insbesondere auch eine problemlo sere Anordnung der Gleichrichtervorrichtung an einem Ende der Rotorwelle, das über die Hauptlager der Rotorwelle hinaus ragt. Dadurch kann der Abstand der Hauptlager gegenüber einer Anordnung der Gleichrichtervorrichtung zwischen den Hauptla gern verringert werden. Letzteres reduziert wiederum die für die Erregermaschine benötigte AufStellfläche und den Platzbe- darf für die Installation und den Betrieb der Erregermaschi ne. Außerdem ermöglicht eine Reduktion des Abstands der

Hauptlager der Rotorwelle ein breiteres Spektrum an Rotati onsfrequenzen der Rotorwelle ohne das Auftreten unerwünschter Eigenfrequenzen .

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbei spielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert werden. Dabei zeigen:

FIG 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Erregermaschi ne,

FIG 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Erregerma schine,

FIG 3 eine Frontansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Gleichrichtervorrichtung,

FIG 4 eine Schnittdarstellung des in Figur 3 gezeigten

Ausführungsbeispiels einer Gleichrichtervorrichtung,

FIG 5 eine Frontansicht eines zweiten Ausführungsbei spiels einer Gleichrichtervorrichtung,

FIG 6 eine Frontansicht eines dritten Ausführungsbei spiels einer Gleichrichtervorrichtung,

FIG 7 eine Frontansicht eines vierten Ausführungsbei spiels einer Gleichrichtervorrichtung,

FIG 8 eine Frontansicht eines Ausführungsbeispiels einer

Gleichrichtervorrichtung mit einer Anzahl von sechs Träger speichen; FIG 9 eine Frontansicht eines Ausführungsbeispiels einer

Gleichrichtervorrichtung mit einer Anzahl von acht Träger speichen

FIG 10 eine Frontansicht eines Ausführungsbeispiels einer Gleichrichtervorrichtung mit einer Anzahl von zwölf Träger speichen und

FIG 11 eine Frontansicht eines Ausführungsbeispiels einer Gleichrichtervorrichtung mit einer Anzahl von 4 Trägerspei chen mit zwei Leistungshalbleitern pro Trägerspeiche.

Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit densel ben Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel ei ner Erregermaschine 1. Die Erregermaschine 1 umfasst einen Stator 3, einen Rotor 5 und eine Gleichrichtervorrichtung 7.

Der Stator 3 ist geschnitten dargestellt und im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet.

Der Rotor 5 ist in dem Stator 3 beziehungsweise von dem Sta tor 3 umgeben angeordnet. Der Rotor 5 und die Gleichrichter vorrichtung 7 sind fest an einer Rotorwelle 9 angeordnet. Die Rotorwelle 9 ist durch zwei Hauptlager 11, 13 rotierbar um eine Rotationsachse 14 gelagert. Der Rotor 5 und die Gleich richtervorrichtung 7 sind zwischen den beiden Hauptlagern 11, 13 angeordnet.

Figur 2 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel ei ner Erregermaschine 1. Dieses Ausführungsbeispiel unterschei det sich von dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel le diglich dadurch, dass die Gleichrichtervorrichtung 7 nicht zwischen den beiden Hauptlagern 11, 13 an der Rotorwelle 9, sondern an einem Ende der Rotorwelle 9 angeordnet ist. Die Figuren 3 und 4 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel ei ner Gleichrichtervorrichtung 7 zum Gleichrichten eines elektrischen Wechselstroms. Dabei zeigt Figur 3 eine Frontan sicht der Gleichrichtervorrichtung 7 und Figur 4 zeigt eine Schnittdarstellung der Gleichrichtervorrichtung 7.

Die Gleichrichtervorrichtung 7 weist einen Träger 15 und elektrische Bauelemente 17 auf. Der Träger 15 weist vier Trä gerspeichen auf. Die elektrischen Bauelemente 17 sind bei spielsweise Dioden und/oder Thyristoren. Die elektrischen Bauelemente 17 sind insbesondere jeweils an einem Gleichrich terbereich 19 des Trägers 15 angeordnet, der ringförmig um den Massenmittelpunkt 21 des Trägers 15 herum verläuft und ein Randbereich des Trägers 15 ist. Der Massenmittelpunkt 21 entspricht insbesondere einer Drehachse. Damit sind auch die elektrischen Bauelemente 17 ringförmig angeordnet, wobei sich durch die äquidistante ringförmige Anordnung ein geschlosse ner Ring ergibt. In Figur 3 liegt der Gleichrichterbereich 19 zwischen einer gestrichelt dargestellten Kreislinie und einem äußeren Rand 23 des Trägers 15.

Der Träger 15 weist mehrere Aussparungen 25 auf, die sich je weils entlang einer radialen Richtung zwischen dem Massenmit telpunkt 21 und dem äußeren Rand 23 erstrecken und deren Aus dehnung senkrecht zu der radialen Richtung zu dem äußeren Rand 23 hin zunimmt. Durch die vier Aussparungen 25 bilden sich vier Trägerspeichen aus. Zwischen zwei benachbarten Aus sparungen 25 befindet sich eine Trägerspeiche und zwischen zwei benachbarten Trägerspeichen befindet sich eine Ausspa rung 25. Zwischen je zwei benachbarten Aussparungen 25 weist der Träger 15 in der Nähe der massenmittelpunktseitigen Enden dieser Aussparungen 25 eine Kühlstruktur 27 auf, die von Kühlrippen 29 gebildet wird.

Der Träger weist, insbesondere zwischen je zwei benachbarten Aussparungen 25, außerhalb des Gleichrichterbereiches 19 eine Kühlstruktur 27 auf, die dem Massenmittelpunkt 21 näher ist, als dem Gleichrichterbereich 19. Ferner weist der Träger 15 in seinem Innern zwischen je zwei benachbarten Aussparungen 25 einen ringförmigen Kühlkanal 31 mit einem hermetisch gekapselten Volumen auf, in dem ein Kühlfluid 32, beispielsweise Wasser, angeordnet ist. Jeder Kühlkanal 31 weist einen Verdampfungsabschnitt 33, einen Kon densationsabschnitt 35 und zwei Verbindungsabschnitte 37, 39 auf. Der Verdampfungsabschnitt 33 verläuft in dem Gleichrich terbereich 19 des Trägers 15 parallel zu einem Abschnitt des äußeren Randes 23 in der Nähe eines der elektrischen Bauele mente 17. Der Kondensationsabschnitt 35 verläuft unterhalb einer Kühlstruktur 27 und bildet einen massenmittelpunktsei- tigen Teil des Kühlkanals 31. Jeder Verbindungsabschnitt 37, 39 verläuft radial von dem Kondensationsabschnitt 35 zu einem Ende des Verdampfungsabschnitts 33.

Außerdem weist der Träger 15 für jeden Kühlkanal 31 ein her metisch gekapseltes Latentwärmespeichervolumen 41 auf, um das der Kühlkanal 31 herumgeführt ist und in dem ein Phasenwech selmaterial 42, beispielsweise Paraffin, zur Speicherung von Wärme in Form von latenter Wärme angeordnet ist. Jedes Lat entwärmespeichervolumen 41 ist von einer Gitterstruktur 43 des Trägers 15 durchsetzt.

Im Betrieb der Gleichrichtervorrichtung 7 nimmt flüssiges Kühlfluid 32 in den Verdampfungsabschnitten 33 der Kühlkanä le 31 von den elektrischen Bauelementen 17 erzeugte Wärme auf und verdampft, während gasförmiges Kühlfluid 32 in den Kon densationsabschnitten 35 kondensiert und dabei Wärme abgibt. Die Gleichrichtervorrichtung 7 rotiert um den Massenmittel punkt 21, durch den die Rotationsachse 14 verläuft. Durch die Rotation wirken eine Zentrifugalkraft und eine Corioliskraft auf das Kühlfluid 32, die ein Zirkulieren des Kühlfluids 32 in einem Kühlkanal 31 bewirken, indem sie flüssiges Kühlflu id 32 entlang eines (von der Rotationsrichtung abhängigen) Verbindungsabschnitts 37, 39 des Kühlkanals 31 von dem Kon densationsabschnitt 35 zu dem Verdampfungsabschnitt 33 und Kühlfluid 32 in dem Verdampfungsabschnitt 33 zu dem anderen Verbindungsabschnitt 37, 39 treiben, in dem das Kühlfluid 32 zurück zu dem Kondensationsabschnitt 35 strömt. Jeder Kühlka nal 31 wirkt dabei wie ein Thermosiphon, wobei die Zentrifu galkraft und die Corioliskraft die Rolle der Schwerkraft des bekannten Thermosiphon-Effekts übernehmen.

Das in den Latentwärmespeichervolumen 41 angeordnete Phasen wechselmaterial 42 wirkt als Latentwärmespeicher, um zusätz lich von den elektrischen Bauelementen 17 erzeugte Wärme auf zunehmen, insbesondere wenn von den elektrischen Bauelemen ten 17 (beispielsweise im Fall von Spitzenlasten beim Anlau fen der Erregermaschine 1) besonders viel Wärme erzeugt wird, die in den Kühlkanälen 31 nicht schnell genug weg transpor tiert wird.

Figur 5 zeigt eine Frontansicht eines zweiten Ausführungsbei spiels einer Gleichrichtervorrichtung 7. Dieses Ausführungs beispiel unterscheidet sich von dem in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass je de der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Aussparungen 25 durch einen Bereich des Trägers 15 ersetzt ist, in dem mehrere Aus sparungen 25 angeordnet sind. Die Form der Aussparungen 25 kann beispielsweise vorteilhaft mit einer Topologieoptimie rung berechnet werden.

Figur 6 zeigt eine Frontansicht eines dritten Ausführungsbei spiels einer Gleichrichtervorrichtung 7. Dieses Ausführungs beispiel unterscheidet sich von dem in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass je de der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Aussparungen 25 von einer weiteren Gitterstruktur 45 des Trägers 15 durchsetzt ist. Beispielsweise weist die Gitterstruktur 45 Streben mit einer Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 3 mm und Gitterabstände im Bereich von 1 mm bis 5 mm auf. Diese Parameter werden bei spielsweise derart bestimmt, dass der Träger 15 eine maximale Festigkeit und Steifigkeit bei minimalem Gewicht aufweist.

Figur 7 zeigt eine Frontansicht eines vierten Ausführungsbei spiels einer Gleichrichtervorrichtung 7. Dieses Ausführungs- beispiel unterscheidet sich von dem in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, dass je de der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Aussparungen 25 durch einen porösen Bereich 47 des Trägers 15 ersetzt ist, in dem eine Vielzahl von kleinen Aussparungen 25 angeordnet ist. Die Porosität der porösen Bereiche 47 kann dabei durch eine De signvorgabe oder durch gezielte Verwendung bestimmter Pro zessparameter in einem 3D-Druck-Verfahren hergestellt werden.

Die in den Figuren 3 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispiele ei ner Gleichrichtervorrichtung 7 können auf verschiedene Weisen zu weiteren Ausführungsbeispielen abgewandelt werden. Bei spielsweise können die Kühlkanäle 31 eine andere Form als die in Figur 4 gezeigten Kühlkanäle 31 aufweisen, beispielsweise eine elliptische oder geradlinige Form. Auch die Latentwärme speichervolumen 41 können eine andere Form als in Figur 4 aufweisen und/oder ohne die Gitterstruktur 43 ausgeführt sein. Besonders einfache Ausführungsbeispiele einer Gleich richtervorrichtung 7 weisen gar kein Latentwärmespeichervolu men 41 auf. Ferner kann beispielsweise das in den Figuren 3 und 4 gezeigte Ausführungsbeispiel dadurch abgewandelt wer den, dass die Gleichrichtervorrichtung 7 eine von Vier ver schiedene Anzahl von elektrischen Bauelementen 17, Aussparun gen 25, Kühlkanälen 31, Kühlstrukturen 27 und/oder Latentwär mespeichervolumen 41 aufweist, und entsprechend können auch die in den Figuren 5 bis 7 gezeigten Ausführungsbeispiele ab gewandelt werden.

Die in den Figuren 3 bis 7 dargestellten Gleichrichtervor richtungen 7 sind für die Montage an dem Ende einer Rotorwel le 9 wie bei dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ei ner Erregermaschine 1 konzipiert. Für eine Montage an der Ro torwelle 9 wie bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbei spiel einer Erregermaschine 1 wird der Träger 15 mit einer Ausnehmung zur Durchführung der Rotorwelle 9 ausgeführt.

Figur 8 zeigt, ähnlich wie Figur 3, ein Ausführungsbeispiel der Gleichrichtervorrichtung 7 zum Gleichrichten eines elektrischen Wechselstroms in einer Frontansicht der Gleich richtervorrichtung 7, wobei die Gleichrichtervorrichtung 7 hier jedoch sechs Trägerspeichen, sechs Aussparungen 25 und sechs elektrische Bauelemente 17 aufweist. Die sechs Träger speichen sind Teil des Trägers 15. Nicht jedes der Elemente trägt das entsprechende Bezugszeichen, um die Übersichtlich keit der Figur zu gewähren. Die elektrischen Bauelemente 17 sind beispielsweise Dioden und/oder Tyristoren. Die elektri schen Bauelemente 17 sind jeweils an einem Gleichrichterbe reich 19 des Trägers 15 angeordnet, der ringförmig um den Massenmittelpunkt 21 des Trägers 15 herum verläuft und ein Randbereich des Trägers 15 ist. Damit sind auch die elektri schen Bauelemente 17 ringförmig angeordnet, wobei sich durch die äquidistante ringförmige Anordnung ein geschlossener Ring ergibt .

Figur 9 zeigt, ähnlich wie Figur 3, ein Ausführungsbeispiel der Gleichrichtervorrichtung 7 zum Gleichrichten eines elektrischen Wechselstroms in einer Frontansicht der Gleich richtervorrichtung 7, wobei die Gleichrichtervorrichtung 7 hier jedoch acht Trägerspeichen, acht Aussparungen 25 und acht elektrische Bauelemente 17 aufweist. Die acht Träger speichen sind Teil des Trägers 15. Nicht jedes der Elemente trägt das entsprechende Bezugszeichen, um die Übersichtlich keit der Figur zu gewähren. Die elektrischen Bauelemente 17 sind beispielsweise Dioden und/oder Tyristoren. Die elektri schen Bauelemente 17 sind jeweils an einem Gleichrichterbe reich 19 des Trägers 15 angeordnet, der ringförmig um den Massenmittelpunkt 21 des Trägers 15 herum verläuft und ein Randbereich des Trägers 15 ist. Damit sind auch die elektri schen Bauelemente 17 ringförmig angeordnet, wobei sich durch die äquidistante ringförmige Anordnung ein geschlossener Ring ergibt .

Figur 10 zeigt, ähnlich wie Figur 3, ein Ausführungsbeispiel der Gleichrichtervorrichtung 7 zum Gleichrichten eines elektrischen Wechselstroms in einer Frontansicht der Gleich richtervorrichtung 7, wobei die Gleichrichtervorrichtung 7 hier jedoch zwölf Trägerspeichen, zwölf Aussparungen 25 und zwölf elektrische Bauelemente 17 aufweist. Die zwölf Träger speichen sind Teil des Trägers 15. Nicht jedes der Elemente trägt das entsprechende Bezugszeichen, um die Übersichtlich keit der Figur zu gewähren. Die zwölf elektrischen Bauelemen te 17 sind beispielsweise Dioden und/oder Tyristoren. Die elektrischen Bauelemente 17 sind jeweils an einem Gleichrich terbereich 19 des Trägers 15 angeordnet, der ringförmig um den Massenmittelpunkt 21 des Trägers 15 herum verläuft und ein Randbereich des Trägers 15 ist. Damit sind auch die elektrischen Bauelemente 17 ringförmig angeordnet, wobei sich durch die äquidistante ringförmige Anordnung ein geschlosse ner Ring ergibt. Zwischen je zwei benachbarten Aussparun gen 25 weist der Träger 15 in der Nähe der massenmittelpunkt seitigen Enden dieser Aussparungen 25 auch hier eine Kühl struktur 27 auf, wobei die Kühlrippen 29 nach Figur 10 radial ausgerichtet sind. In Figur 9 ist beispielsweise eine tangen tiale Ausrichtung gezeigt.

Figur 11 zeigt, ähnlich wie Figur 3, ein Ausführungsbeispiel der Gleichrichtervorrichtung 7 zum Gleichrichten eines elektrischen Wechselstroms in einer Frontansicht der Gleich richtervorrichtung 7, wobei die Gleichrichtervorrichtung 7 hier wieder vier Trägerspeichen und vier Aussparungen 25 auf weist. Nach Figur 11 wird zwischen verschiedenen elektrischen Bauelemente 17' und 17'' unterschieden. Die elektrischen Bau elemente 17' stellen Dioden dar und die elektrischen Bauele mente 17'' stellen Thyristoren da. Diese elektrischen Bauele mente 17' und 17'' wechseln sich jeweils ab und sind kreis förmig angeordnet. Dabei sind einer Trägerspeicher jeweils zwei Typen elektrischer Bauelemente zugeordnet, d. h. in de ren unmittelbaren Nähe, also insbesondere auf der Trägerspei che oder in deren Verlängerung. Die 2 Typen von elektrischen Bauelementen sind zum einen eine Diode und zum anderen ein Thyristor .

Bei allen in den Figuren 3 bis 11 dargestellten Gleichrich tervorrichtungen 7 und deren Abwandlungen kann der Träger 15 vorzugsweise mit einem 3D-Druck-Verfahren, beispielsweise aus einer Titan- oder Aluminiumlegierung oder aus einem anderen Leichtbauwerkstoff, gefertigt. Die Kühlkanäle 31 und Latent wärmespeichervolumen 41 werden dabei jeweils mit wenigstens einer Öffnung gefertigt, durch die sie anschließend mit dem Kühlfluid 32 beziehungsweise dem Phasenwechselmaterial 42 be- füllt werden. Die Öffnungen werden nach dem Befüllen ver schlossen. Ferner wird die geometrische Struktur des Trä gers 15 beispielsweise durch eine Topologieoptimierung be- rechnet, mit der eine Masse und/oder ein Trägheitsmoment des Trägers 15 bezüglich der Rotationsachse 14 minimiert wird.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.