Die Erfindung betrifft eine Rotorgruppe für eine induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und die induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine mit der Rotorgruppe.

Eine induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine ist beispielweise aus

EP 2 869 316 B1 bekannt und weist einen Stator und einen in dem Stator drehbar angeordneten Rotor auf. Der Stator und der Rotor werden mit Energie versorgt und können elektromagnetisch miteinander wechselwirken. Zum Übertragen der Energie in den drehenden Rotor ist dabei ein induktiver Energieübertra- ger vorgesehen, der eine statorseitige bzw. stationäre Primärspule und eine rotorseitige bzw. drehende Sekundärspule aufweist. Ferner ist ein rotorseitiger bzw. drehender Gleichrichter vorgesehen. Der Gleichrichter ist durch eine Leiterplatte mit mehreren miteinander verschalteten elektrischen Bauteilen gebildet. Die Leiterplatte ist üblicherweise auf dem Rotor oder an einer Welle der Synchronmaschine befestigt und die elektrischen Bauteile sind in einem Durchmesser um die Welle herum angeordnet.

Im Betrieb der Synchronmaschine wird der Gleichrichter mit der Welle mitrotiert und die elektrischen Bauteile erfahren große Fliehkräfte und Vibrationen. Das kann zur Beschädigung der elektrischen Bauteile und/oder deren Lötstellen und folglich zum Ausfall der Synchronmaschine führen. Nachteiligerweise ist der kleinste Durchmesser der Leiterplatte nach unten begrenzt und die elektrischen Bauteile sowie deren Anbindung an die Leiterplatte müssen deshalb vorbestimmte Festigkeitsanforderungen erfüllen. Dadurch ist die Auswahl der elektrischen Bauteile für den Gleichrichter der Synchronmaschine begrenzt und die Kosten des Gleichrichters entsprechend hoch. Des Weiteren erhitzen sich der Rotor und die Welle im Betrieb der Synchronmaschine erheblich. Da der Gleichrichter nahe an der Welle und nahe an dem Rotor positioniert ist, ist die Temperaturobergrenze der Welle und des Rotors durch die Temperaturobergrenze der elektrischen Bauteile des Gleichrichters begrenzt. Dadurch stellt die Kühlung der Welle und des Rotors eine weitere Herausforderung dar.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, für eine Synchronmaschine und eine Rotorgruppe für die Synchronmaschine der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Eine Rotorgruppe ist für eine induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine vorgesehen. Die Synchronmaschine kann für ein Kraftfahrzeug vorgesehen sein. Die Rotorgruppe weist dabei eine um eine Rotationsachse drehbare Hohlwelle und einen mit der Hohlwelle drehfest verbundenen Rotor auf. Die Rotorgruppe weist zudem eine sekundärseitige Schaltung eines Energieübertragers auf, wobei die sekundärseitige Schaltung in der Rotorgruppe drehfest angeordnet ist. Die sekundärseitige Schaltung weist dabei eine Sekundärspule und einen Gleichrichter mit einer Leiterplatte und mit wenigstens einem auf der Leiterplatte befestigten elektrischen Bauteil auf. Erfindungsgemäß ist der Gleichrichter quer zur Rotationsachse ausgerichtet und in einem Hohlraum der Hohlwelle drehfest angeordnet. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind die Begriffe "radial" und "axial" stets auf die Rotationsachse bezogen. Der Begriff "um laufend" bezieht sich - sobald nicht anders definiert ist - auf die Rotationsachse der Hohlwelle.

Der Hohlraum ist innerhalb der Hohlwelle ausgebildet und der Gleichrichter ist in dem Hohlraum der Hohlwelle bzw. innerhalb der Hohlwelle angeordnet. Der Hohlraum kann dabei durch eine die Hohlwelle bildende Wandung nach außen begrenzt sein und der Gleichrichter kann mit der Hohlwelle bzw. mit der Wandung der Hohlwelle unmittelbar oder mittelbar festverbunden sein. Insbesondere kann der Gleichrichter mit der Hohlwelle bzw. mit der Wandung der Hohlwelle kraftschlüssig und/oder formschlüssig festverbunden sein.

Das wenigstens eine elektrische Bauteil ist auf der Leiterplatte befestigt und kann mit der Leiterplatte elektrisch leitend verbunden bzw. elektrisch kontaktiert sein. Vorteilhafterweise kann der Gleichrichter mehrere elektrischen Bauteile aufweisen, die an der Leiterplatte befestigt sind. Die jeweiligen elektrischen Bauteile können dabei über die Leiterplatte elektrisch leitend miteinander verbunden bzw. miteinander elektrisch kontaktiert sein. Die elektrischen Bauteile können beispielweise Dioden und/oder elektrische Widerstände und/oder weitere Elemente sein. Es versteht sich, dass die jeweiligen elektrischen Bauteile auf der Leiterplatte zu einer Gleichrichter-Schaltung verschaltet sind. Der Gleichrichter bzw. die Gleichrichter-Schaltung ist zweckgemäß mit einer außerhalb der Hohlwelle liegenden Rotorwicklung des Rotors - beispielweise durch die Hohlwelle hindurch - elektrisch leitend kontaktiert.

In der erfindungsgemäßen Rotorgruppe ist der Gleichrichter in dem Hohlraum der Hohlwelle angeordnet und die jeweiligen elektrischen Bauteile können auf der Leiterplatte mittig bzw. auf einem geringeren Durchmesser angeordnet sein. Dadurch können die Fliehkräfte, die auf die jeweiligen elektrischen Bauteile bei identischer Drehzahl der Rotorgruppe wirken, reduziert werden. Dadurch kann die Rotorgruppe bei einer höheren Drehzahl betrieben werden, ohne dass die jeweiligen elektrischen Bauteile oder deren Lötstellen und somit der Gleichrichter beschädigt werden. Die Rotorgruppe kann dadurch eine höhere Drehzahlfestigkeit aufweisen.

Zudem kann der Gleichrichter innerhalb der Hohlwelle vor einer mechanischen Beschädigung vor Umgebungseinflüssen - wie beispielweise vor einem Kühlmedium, einer Verschmutzung mit elektrisch leitfähigen Partikeln usw. - geschützt sein. Die Hohlwelle stellt zudem eine Schirmung gegenüber der Einkopplung von Störungen - wie beispielsweise EMV-Störungen (EMV: Elektromagnetische Verträglichkeit) - dar, so dass ein zusätzliches Gehäuse für den Gleichrichter nicht notwendig ist. Des Weiteren kann der Gleichrichter mit der Rotorgruppe bzw. mit dem Rotor in einem gemeinsamen Wucht-Prozess ausgewuchtet werden. Durch den gemeinsamen Wucht-Prozess können die Wuchtgüte maximiert bzw. die zulässige Restunwucht minimiert werden.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine elektrische Bauteil des Gleichrichters auf der Hohlwelle mechanisch abgestützt ist. Dadurch kann das wenigstens eine elektrische Bauteil vor der mechanischen Beschädigung besonders effektiv geschützt werden.

Die Hohlwelle kann aus einem Wellenstumpf und einem den Wellenstumpf axial schließenden Wellendeckel ausgebildet sein. Der Wellenstumpf und der Wellendeckel können bei der Montage der Hohlwelle stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig festverbunden sein und den Hohlraum der Hohlwelle nach außen abgrenzen. Der Gleichrichter kann mit dem Wellenstumpf oder mit dem Wellendeckel der Hohlwelle fest verbunden sein. Insbesondere kann der Gleichrichter mit dem Wellenstumpf oder mit dem Wellendeckel stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder formschlüssig festverbunden sein. Dabei kann die Montage des Gleichrichters bei der Montage der Hohlwelle erfolgen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Rotorgruppe ist vorgesehen, dass der Gleichrichter einen Kühlkörper aufweist. Der Kühlkörper ist dabei an der Leiterplatte des Gleichrichters von dem wenigstens einen elektrischen Bauteil abgewandt und wärmeübertragend befestigt. Der Kühlkörper ist also wärmeübertragend mit der Leiterplatte verbunden und kann die durch das wenigstens eine elektrische Bauteil erzeugte Wärme nach außen - beispielweise an ein den Kühlkörper umgebendes Medium - abführen. Dadurch können die Leiterplatte und das wenigstens eine elektrische Bauteil effektiv gekühlt werden. Zweckgemäß kann der Kühlkörper aus einem wärmeleitenden Material geformt sein.

Zusätzlich kann das wenigstens eine elektrische Bauteil des Gleichrichters mit einer wärmeleitenden Vergussmasse vergossen sein. Durch die Vergussmasse können die Wärmeleitung in dem Gleichrichter und dadurch die Kühlung des wenigstens einen elektrischen Bauteils verbessert werden. Zudem kann durch die Vergussmasse eine Beschädigung des wenigstens einen elektrischen Bauteils durch Vibrationen/Erschütterung vermieden werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass in dem Gleichrichter das wenigstens eine elektrische Bauteil mit der Leiterplatte und/oder die wenigstens eine Leiterplatte mit dem Kühlkörper jeweils über ein wärmeleitendes Wärmeleitpad wärmeübertragend verbunden sind. Dadurch können die Wärmeleitung in dem Gleichrichter und dadurch die Kühlung des wenigstens einen elektrischen Bauteils und/oder der Leiterplatte verbessert werden. Um die Kühlung des Gleichrichters zu verbessern, kann der Kühlkörper von der Leiterplatte abgewandt eine Kühlstruktur aufweisen. Die Kühlstruktur kann beispielweise durch wenigstens eine Kühlrippe und/oder durch mehrere Kühlpins realisiert sein. Durch die Kühlstruktur kann die an ein umgebendes Medium angrenzende Oberfläche des Kühlkörpers vergrößert und dadurch die die Wärmeabgabe an das Medium intensiviert werden. Dadurch kann insgesamt die Kühlung des Gleichrichters verbessert werden.

Vorteilhafterweise kann der Kühlkörper von der Hohlwelle mittels einer dielektrischen Ummantelung elektrisch isoliert sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Kühlkörper aus einem dielektrischen Material, vorzugsweise aus einem Verbundwerkstoff, geformt sein. Dadurch kann eine Beschädigung des Gleichrichters bzw. des wenigstens einen elektrischen Bauteils durch in dem Rotor erzeugte Ringströme verhindert werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Rotorgruppe kann der Kühlkörper den Hohlraum der Hohlwelle in einen Kühlraum und in einen Übertragungsraum fluiddicht aufteilen. Der Kühlraum kann dabei von der Leiterplatte abgewandt angeordnet und von einem flüssigen oder gasigen Kühlfluid durchströmbar sein. Der Übertragungsraum kann die Leiterplatte aufnehmen. Anders formuliert ist der Gleichrichter mit der Leiterplatte dem Übertragungsraum und mit dem Kühlkörper dem Kühlraum zugewandt angeordnet. Zum Abdichten des Kühlraums von dem Übertragungsraum kann der Kühlkörper wenigstens ein Dichtungselement aufweisen. Das Dichtungselement kann beispielweise eine Ringdichtung sein. Der Kühlkörper kann dabei als separates Bauteil ausgeführt sein und auf dem Wellenstumpf oder auf dem Wellendeckel formschlüssig befestigt sein.

Das Kühlfluid überströmt und/oder umströmt den Kühlkörper in dem Kühlraum und führt die Wärme von dem Kühlkörper ab. Die Leiterplatte und das wenigstens eine elektrische Bauteil können dadurch im Betrieb der Rotorgruppe effektiv gekühlt werden und unterhalb einer Temperaturobergrenze bleiben. Dadurch können die Dauerleistung und die Spitzenleistung der Rotorgruppe ohne Verwendung von Hochtemperatur-Komponenten erhöht werden. Bei einer höheren Leistungsdichte können also Kosten der Rotorgruppe reduziert werden.

Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Hohlwelle ein nach außen offenes und in den Kühlraum führendes Axialende aufweist und das Kühlfluid in den Kühlraum der Hohlwelle über das offene Axialende einströmbar ist. Die Hohlwelle weist dann auch wenigstens eine aus dem Kühlraum radial nach außen führende Öffnung auf und das Kühlfluid ist aus dem Kühlraum der Hohlwelle über die wenigstens eine Öffnung ausströmbar. Durch eine direkte Kühlung der Hohlwelle und des Rotors mit dem Kühlfluid sind die Umgebungstemperaturen des Gleichrichters im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen reduziert.

Die Sekundärspule der sekundärseitigen Schaltung kann vorteilhafterweise in dem Hohlraum der Hohlwelle oder außerhalb des Hohlraums der Hohlwelle induktiv mit einer primärseitigen Schaltung des Energieübertragers wechselwirkbar angeordnet sein. Ist die Sekundärspule in dem Hohlraum der Hohlwelle angeordnet, so kann die Sekundärspule innerhalb des Hohlraums an einer Wandung der Hohlwelle die Rotationsachse umlaufend befestigt sein, ist der Hohlraum in den Kühlraum und in den Übertragungsraum aufgeteilt, so kann die Sekundärspule in dem Übertragungsraum angeordnet sind. Es versteht sich, dass die Sekundärspule und das wenigstens eine elektrische Bauteil des Gleichrichters miteinander elektrisch leitend verbunden bzw. miteinander elektrisch kontaktiert sind.

Die Erfindung betrifft auch eine induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine mit der oben beschriebenen Rotorgruppe. Die Synchronmaschine weist zudem eine Statorgruppe mit einem Stator auf, wobei die Rotorgruppe in dem Stator um die Rotationsachse drehbar aufgenommen ist. Dabei sind der Rotor der Rotorgruppe und der Stator der Statorgruppe elektromagnetisch miteinander wechselwirkbar mit einem radialen Abstand zueinander angeordnet. Die Statorgruppe weist eine primärseitige Schaltung des induktiven Energieübertragers mit einem Wechselrichter und eine Primärspule auf. Die primärseitige Schaltung ist dabei in der Statorgruppe drehfest angeordnet. Wie oben bereits erläutert, weist die Rotorgruppe die sekundärseitige Schaltung des Energieübertragers mit der Sekundärspule und dem Gleichrichter auf. Die Primärspule und die Sekundärspule sind dabei miteinander induktiv wechselwirkbar angeordnet. Die Synchronmaschine kann vorteilhafterweise für ein Kraftfahrzeug vorgesehen sein. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird hier auf die obigen Ausführungen verwiesen.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend 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 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine mit einer erfindungsgemäßen Rotorgruppe in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Synchronmaschine mit der erfindungsgemäßen Rotorgruppe in einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 3 ein Schaltungsschema eines Energieübertragers in der erfindungsgemäßen Synchronmaschine.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen induktiv elektrisch erregten Synchronmaschine 1 mit einer erfindungsgemäßen Rotorgruppe 2 in einer ersten Ausführungsform. Die Rotorgruppe 2 weist dabei eine Hohlwelle 3 und einen Rotor 4 auf, wobei die Hohlwelle 3 um eine Rotationsachse RA drehbar ist und der Rotor 4 drehfest mit der Hohlwelle 3 verbunden ist. Zudem weist die Rotorgruppe 2 eine sekundärseitige Schaltung 5 eines Energieübertragers 6 auf. Die sekundärseitige Schaltung 5 ist drehfest mit der Rotorgruppe 2 bzw. mit der Hohlwelle 3 verbunden und umfasst - siehe hierzu auch Fig. 3 - einen Gleichrichter 7 und eine Sekundärspule 8. Die Hohlwelle 3 weist zudem einen Hohlraum 9 auf und die sekundärseitige Schaltung 5 - also hier der Gleichrichter 7 und eine Sekundärspule 8 - sind in dem Hohlraum 9 angeordnet.

Der Gleichrichter 7 weist dabei eine Leiterplatte 10 mit mehreren elektrischen Bauteilen 11 und einen Kühlkörper 12 auf. Der Kühlkörper 12 liegt dabei von den elektrischen Bauteilen 11 abgewandt an der Leiterplatte 10 an und ist mit der Lei- terplatte 10 wärmeübertragend verbunden. Alternativ kann der Kühlkörper 12 unmittelbar an den elektrischen Bauteilen 11 wärmeübertragend anliegen. Dadurch kann die Wärme von den elektrischen Bauteilen 11 direkt an den Kühlkörper 12 abgegeben werden und dadurch der Wärmeleitpfad verkürzt werden. Dadurch kann die in den elektrischen Bauteilen 11 erzeugte Wärme über die Leiterplatte 10 zu dem Kühlkörper 12 abgeführt werden. Der Gleichrichter 7 ist in dem Hohlraum 9 quer zur Rotationsachse RA ausgerichtet und teilt den Hohlraum 9 in einen Kühlraum 9a und einen Übertragungsraum 9b auf. Der Kühlkörper 12 des Gleichrichters 7 dichtet dabei den Kühlraum 9a und den Übertragungsraum 9b fluiddicht voneinander ab. Dazu ist zwischen dem Kühlkörper 12 und der Hohlwelle 3 ein ringförmiges und die Rotationsachse RA umlaufendes Dichtungselement 13 angeordnet. Der Gleichrichter 7 ist dabei mit dem Kühlkörper 12 dem Kühlraum 9a und mit der Leiterplatte 10 dem Übertragungsraum 9b zugewandt angeordnet. Die Sekundärspule 8 ist in dem Übertragungsraum 9b an einer Innenwandung der Hohlwelle 3 festgelegt.

Der Kühlraum 9a ist von einem gasigen oder flüssigen Kühlfluid durchströmbar. Das Kühlfluid strömt dabei an einem nach außen offenen Axialende 3a der Hohlwelle 3 in den Kühlraum 9a ein und über mehrere radial nach außen führende Öffnungen 14 aus dem Kühlraum 9a aus. Das Axialende 3a ist dabei einem A- seitigen Axialende 3b der Hohlwelle 3 axial gegenüberliegend angeordnet. Das Kühlfluid umströmt dabei den Kühlkörper 12 und die Wärme wird von dem Kühlkörper 12 an das Kühlfluid abgegeben. Der Kühlkörper 12 weist zudem dem Kühlraum 9a zugewandt eine Kühlstruktur 15 mit mehreren Kühlrippen 16 - oder alternativ mit mehreren Kühlpins - auf, die die Wärmeabgabe an das Kühlfluid zusätzlich intensivieren.

Die Synchronmaschine 1 weist zudem eine primärseitige Schaltung 17 des Ener- gieübertragers 6 mit einer Primärspule 18 - siehe hierzu auch Fig. 3 - auf. Die Primärspule 18 ragt dabei in den Übertragungsraum 9b und in die ringförmige Sekundärspule 8 hinein. Zwischen der Sekundärspule 8 und der Primärspule 18 ist ein ringförmiger und die Rotationsachse RA um laufender Spalt gebildet und die Sekundärspule 8 und der Primärspule 18 können über den Spalt miteinander elektromagnetisch bzw. energieübertragend bzw. induktiv wechselwirken.

Zur vereinfachten Montage ist die Hohlwelle 3 zweiteilig ausgebildet und weist einen Wellenstumpf 19 und einen Wellendeckel 20 auf. Der Wellenstumpf 19 umfasst dabei den Übertragungsraum 9b der Hohlwelle 3 und ist dem A-seitigen Axialende 3b der Hohlwelle 3 zugeordnet. Der Wellenstumpf 19 und der Wellendeckel 20 sind beide flaschenförmig ausgebildet, so dass der Hohlraum 9 sich von dem Axialende 3a zur Mitte aufweitet und von der Mitte zu dem A-seitigen Axialende 3b verengt. In der ersten Ausführungsform ist der Gleichrichter 7 in dem Wellenstumpf 19 und die Sekundärspule 8 in einem engeren Bereich des Hohlraums 9 bzw. des Übertragungsraums 9b angeordnet.

Es versteht sich, dass die Synchronmaschine 1 auch einen Stator und ein Gehäuse umfasst, die um die Rotorgruppe 2 um die Rotationsachse RA um laufend angeordnet sind. Der Stator und das Gehäuse sind hier jedoch zur Übersichtlichkeit nicht gezeigt.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 mit der erfindungsgemäßen Rotorgruppe 2 in einer zweiten Ausführungsform. Abweichend zu der ersten Ausführungsform in Fig. 1 weist hier der Wellenstumpf 19 eine größere axiale Länge im Vergleich zu der ersten Ausführungsform in Fig. 1 auf. Die Sekundärspule 8 ist dabei in einem breiteren Bereich des Hohlraums 9 bzw. des Übertragungsraums 9b angeordnet und ist axial kompakter ausgebildet. Fig. 3 zeigt ein Schaltungsschema des Energieübertragers 6 in der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 . Der Energieübertrager 6 weist dabei die primärseitige Schaltung 17 mit einem Anschluss 21 , einem Wechselrichter 22 und der Primärspule 18 auf. Der Anschluss 21 kann beispielweise zum verschalten des Energieübertragers 6 mit einer Board-Elektronik eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein. Zudem weist der Energieübertrager 6 die sekundärseitige Schaltung 5 mit der Sekundärspule 8, dem Gleichrichter 7 und einer Rotorwicklung 23 des Rotors auf.

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