Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine fremderregte Synchronmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine fremderregte Synchronmaschine oder einen Traktionsmotor für ein Kraftfahrzeug oder einen Stellmotor mit einem solchen Rotor.

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

Alternativ zu einer solchen Übertragung des elektrischen Gleichstroms mit Hilfe von Schleifringen ist es bekannt, die elektrische Stromübertragung auf den sich drehenden Rotor induktiv, also drahtlos, zu realisieren. Das Funktionsprinzip besagter induktiver Energieübertragung basiert auf einem elektrischen Transformator, wobei die Primärspule des Transformators stationär an der Synchronmaschine angeordnet ist und die Sekundärspule am sich drehenden Rotor. Da bei der induktiven Energieübertragung in der Sekundärspule zunächst immer eine elektrische Wechselspannung erzeugt wird, ist es erforderlich, die erzeugte elektrische Wechselspannung mithilfe einer geeigneten Gleichrichter-Schaltung, die ebenfalls am Rotor angeordnet sein kann, elektrisch gleichzurichten, also in eine elektrische Gleichspannung umzuwandeln. Bei derzeit bekannten fremderregten Synchronmaschinen werden zur kontaktlosen Energieübertragung in den Rotor Drehtransformatoren eingesetzt, die außerhalb einer Rotorwelle liegen. Je größer dabei ein Umfang einer drehfest mit der Rotorwelle verbundenen Sekundärspule des Drehtransformators ist, umso größer werden die im Betrieb der Synchronmaschine auftretenden Kräfte, insbesondere Fliehkräfte, die auf die drehfest auf der Rotorwelle angeordnete Sekundärspule und ein ebenfalls drehfest auf der Rotorwelle angeordneten Gleichrichter einwirken. Darüber hinaus kann auch das Magnetfeld der Statorwicklung der elektrisch fremderregten Synchronmaschine die Funktion des Drehtransformators beeinträchtigen.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Rotor der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, auf einen Drehtransformator eines Rotors für eine elektrisch fremderregte Synchronmaschine o- der einen Traktionsmotor für ein Kraftfahrzeug oder einen Stellmotor einwirkende magnetische Störeffekte sowie mechanische Kräfte dadurch zu reduzieren, dass ein drehfest mit dem Rotor verbundenen Teil des Drehtransformators zur Energieübertragung auf den Rotor innerhalb einer Rotorwelle des Rotors angeordnet wird. Durch diese kompakte Bauweise radial relativ dicht zu einer Drehachse des Rotors können die im Betrieb, das heißt bei einem Drehen des Rotors, auftretenden Fliehkräfte ebenso reduziert werden, wie beispielsweise von außerhalb, das heißt von einer Statorwicklung der elektrisch fremderregten Synchronmaschine auf den Drehtransformator einwirkenden Magnetfelder, wodurch sowohl die mechanische Belastung als auch eine durch magnetische Störfelder hervorgerufene Störung deutlich verringert werden kann. Der erfindungsgemäße Rotor für die fremderregte Synchronmaschine besitzt dabei die zuvor genannte hohle Rotorwelle, auf deren Außenmantelfläche die Rotorwicklung angeordnet sind. Ebenfalls vorgesehen ist ein mit der Rotorwicklung elektrisch verbundener Gleichrichter. Erfindungsgemäß sind nun der Gleichrichter und eine Sekundärspule eines Drehtransformator-Ro- tors innerhalb der hohlen Rotorwelle angeordnet. Hierdurch sind die zuvor genannten Effekte, nämlich eine deutliche Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit durch eine optimierte Abschirmung durch die hohle Rotorwelle sowie eine Verbesserung der mechanischen Stabilität durch Anordnung sowohl des Gleichrichters als auch der Sekundärspule auf sehr kleinen Durchmessern erreichbar. Darüber hinaus ist es möglich, einen bislang innerhalb der hohlen Rotorwelle ungenutzten Bauraum zu nutzen, wodurch die Synchronmaschine insgesamt kompakter gebaut werden kann. In der nachfolgenden Beschreibung wird der einfacheren Lesbarkeit oft nur von einer Synchronmaschine gesprochen, wobei selbstverständlich klar ist, dass der Rotor auch für einen Traktionsmotor für ein Kraftfahrzeug oder einen Stellmotor einsetzbar ist.

Zweckmäßig bilden der Gleichrichter und die Sekundärspule eine vorgefertigte Baugruppe. Zum Einbau des Gleichrichters und der Sekundärspule in die hohle Rotorwelle ist es von großem Vorteil, sofern diese eine zusammenhängende, vorgefertigte bzw. vorfertigbare Baugruppe bilden, die als gemeinsames Bauteil in der Hohlwelle montiert werden können. Insbesondere kann dadurch beispielsweise eine elektrische Kontaktierung der Sekundärspule mit dem Gleichrichter deutlich vereinfacht werden.

Zweckmäßig sind die Sekundärspule und der Gleichrichter miteinander verklebt, verschweißt, verlötet, verschraubt, verpresst, verclipst und/oder miteinander vergossen, beispielsweise in eine Kunststoffmatrix eingebettet. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welch mannigfaltige Möglichkeiten einer Kopplung des Gleichrichters mit der Sekundärspule möglich sind, wobei insbesondere ein Eingießen der Sekundärspule und des Gleichrichters in einen Kunststoffmantel zugleich eine elektrische Isolierung der Komponenten nach außen bewirkt. Auch ein Verkleben stellt dabei einen vergleichsweise einfach und schnell durchzuführenden Verbindungsprozess dar. Um beispielsweise eine Reparaturmöglichkeit zu verbessern, können die Sekundärspule und der Gleichrichter auch verclipst bzw. miteinander verschraubt sein, wodurch bei einem beispielsweise defekten Gleichrichter die Baugruppe aus der hohlen Rotorwelle entfernt, der Gleichrichter ausgetauscht, durch einen neuen und funktionsfähigen Gleichrichter ersetzt und die dann aus dem neuen Gleichrichter und der Sekundärspule bestehende Baugruppe wieder in der hohlen Rotorwelle des Rotors platziert werden kann.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist die Baugruppe fluiddurchlässige Öffnungen auf, so dass ein Kühlmittel in der hohlen Rotorwelle strömen kann. Hierdurch ist insbesondere eine optimierte Kühlung sowohl des Gleichrichters als auch der Sekundärspule vergleichsweise einfach möglich. Durch eine beispielsweise Einbettung der Sekundärspule und des Gleichrichters, das heißt der Baugruppe, in einen fluiddichten Kunststoffmantel, kann zudem eine elektrische Isolierung erreicht werden, so dass als Kühlmittel prinzipiell auch ein elektrisch leitendes Fluid verwendet werden kann.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Sekundärspule ringförmig um eine Drehachse der hohlen Rotorwelle angeordnet. Diese ringförmige Ausbildung bzw. Anordnung der Sekundärspule ermöglicht einen optimierten ineinandergreifenden Zusammenbau mit einem eine Primärspule aufweisenden Transformatorkern eines Drehformator-Stators des Drehtransforma- tors.

Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine fremderregte Synchronmaschine oder einen Traktionsmotor für ein Kraftfahrzeug oder einen Stellmotor mit einem elektrisch bestrombaren Rotor entsprechend den vorherigen Absätzen und einem Drehtransformator-Stator, der in der hohlen Rotorwelle angeordnet ist, auszurüsten und dadurch die bezüglich des Rotors erzielbaren Vorteile auf die Synchronmaschine zu übertragen. Konkret sind die Vorteile eine kompakte Bauweise, eine Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit durch eine Anordnung des Drehtransformators innerhalb der hohlen Rotorwelle, wodurch die Rotorwelle selbst als magnetische Abschirmung dient. Zugleich kann auch eine deutliche Verbesserung der mechanischen Stabilität des Drehtransformators erreicht werden, da sowohl der Gleichrichter als auch die Sekundärspule des Drehtransformators-Rotors auf einem sehr kleinen Teilkreisdurchmesser platziert werden können und dadurch im Betrieb geringe Fliehkräfte erfahren.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der fremderregten Synchronmaschine weist der Drehtransformator-Stator eine Primärspule und einen Transformatorkern aus einem magnetischen Kernmaterial, beispielsweise aus einem Ferrit, auf. Der Drehtransformator-Stator besitzt dabei die mit der Sekundärspule des Drehtransforma- tor-Rotors zusammenwirkende Primärspule und ist bei montierter Synchronmaschine ebenfalls innerhalb der hohlen Rotorwelle und damit sowohl bauraumoptimiert als auch optimiert hinsichtlich einer Einwirkung von parasitären Einflüssen, wie magnetischen Störfeldern, sowie Kräften, wie beispielsweise Fliehkräften, geschützt.

Zweckmäßig weist der Transformatorkern einen Innenring, einen Außenring und einen den Innenring und den Außenring jeweils an einer Stirnseite verbindenden Steg auf, wobei die Primärspule am Innenring angeordnet und zwischen dem Innenring und dem Außenring eine ringförmige Ausnehmung vorgesehen ist. In diese ringförmige Ausnehmung greift die Sekundärspule des Drehtransformators im Betrieb ein, wodurch eine bauraumoptimierte Lösung geschaffen werden kann. Insbesondere lässt sich hierdurch auch eine Montage des Drehtransformators durch ein einfaches Einstecken der Sekundärspule in die Ausnehmung des Trans- formatorkerns äußerst einfach gestalten. In analoger Weise könnte die Primärspule auch am Außenring angeordnet und zwischen dem Innenring und dem Außenring eine ringförmige Ausnehmung vorgesehen sein, in welche die Sekundärspule des Drehtransformators im Betrieb eingreift.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der fremderregten Synchronmaschine ist der Drehtransformator-Stator auf einem Lagerzapfen zur Lagerung des Rotors angeordnet. Selbstverständlich ist dabei denkbar, dass der Drehtransfor- mator-Stator auch an einer anderen Stelle, beispielsweise an einem Gehäuse der fremderregten elektrischen Synchronmaschine angeordnet ist, wobei durch den Lagerzapfen zugleich auch eine nahe des Drehtransformators gelegene Lagerstelle bereitgestellt werden kann, welche die zwischen der Sekundärspule und der Ausnehmung in den Transformatorkern bestehenden Ringspalte zuverlässig gewährleistet. Hierdurch kann eine langfristig leichtgängige Drehbewegung des Rotors gewährleistet werden.

Zweckmäßig weist der Lagerzapfen einen Kühlkanal zum Durchleiten von Kühlmittel auf. Ein derartiger Kühlkanal kann beispielsweise den Lagerzapfen in Axialrichtung und insbesondere auch koaxial durchlaufen, wodurch der gesamte innerhalb der hohlen Rotorwelle angeordnete Drehtransformator über das Kühlmittel gekühlt werden kann. Hierdurch kann insbesondere eine höhere Leistung der fremderregten Synchronmaschine durch eine aktive Kühlung des Rotors erreicht werden.

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.

Dabei zeigen, jeweils schematisch:

Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung durch einen Rotor entsprechend dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Rotor mit einem innerhalb einer hohlen Rotorwelle angeordneten Drehtrans- formator-Rotor,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch einen Lagerzapfen zur Lagerung des Stators des Drehtransformators (Primärspule) in einer fremderregten Synchronmaschine,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße fremderregte Synchronmaschine.

Entsprechend der Fig. 1 , weist ein Rotor T für eine fremderregte Synchronmaschine 2' eine Rotorwicklung 3' auf, die auf einer hohlen Rotorwelle 4' angeordnet ist. Ebenfalls weist der Rotor T einen Auswuchtring 5' sowie einen Gleichrichter 6' auf, wobei über den Auswuchtring 5' gegebenenfalls auftretende Unwuchten kompensierbar sind. Der Gleichrichter 6' wiederum richtet den von einem Drehtransformator 8' auf eine mit der hohlen Rotorwelle 4' drehfest verbundene Sekundärspule 7' übertragene elektrischen Strom. Dieser wird vom Gleichrichter 6' in Gleichstrom umgewandelt und an die Rotorwicklung 3' weitergeleitet, wodurch dort ein Magnetfeld erzeugt werden kann. Die Sekundärspule 7' ist dabei Bestandteil eines Dreh- transformator-Rotors 9', der mit einem stationären Drehtransformator-Stator 10' den Drehtransformator 8' bildet. Der Drehtransformator-Stator 10' besitzt einen Transformatorkern 1 T sowie eine Primärspule 12'. Der Transformatorkern 1 T ist dabei aus einem magnetischen Kernmaterial, beispielsweise einem Ferrit, ausgebildet. Gelagert ist der Rotor T über Lager 13'.

Jeweils stirnseitig der Rotorwicklung 3' ist ein Wickelkopf 14' vorgesehen, über welche eine elektrische Kontaktierung mit dem Gleichrichter s' erfolgt.

Nachteilig bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Rotor T entsprechend der Fig. 1 ist, dass die Sekundärspule 7' einen vergleichsweise großen Durchmesser außerhalb der Rotorwelle 4' aufweist, wodurch einerseits ein vergrößerter Bauraumbedarf entsteht und andererseits vergleichsweise hohe im Betrieb auf die Sekundärspule 7' des Drehtransformator-Rotors 9' einwirkenden Kräfte in Form von Fliehkräften auftreten. Darüber hinaus kann ein Statorfeld der elektrischen Maschine bzw. Synchronmaschine 2' die Funktion des Drehtransformators 8' durch parasitäre Effekte, wie beispielsweise Magnetfelder, beeinflussen, was sich ebenfalls nachteilig auswirken kann.

Im Folgenden soll nun der erfindungsgemäße Rotor 1 entsprechend den Fig. 2 und 4 sowie die ebenfalls erfindungsgemäße fremderregte Synchronmaschine 2 entsprechend der Fig. 4 näher beschrieben werden. Dabei sei angemerkt, dass die bezüglich der Fig. 2 bis 4 verwendeten Bezugszeichen analog zur Fig. 1 , jedoch ohne Apostroph verwendet werden. In der nachfolgenden Beschreibung wird der einfacheren Lesbarkeit oft nur von einer Synchronmaschine 2 gesprochen, wobei selbstverständlich klar ist, dass der Rotor 1 auch für einen Traktionsmotor für ein Kraftfahrzeug oder einen Stellmotor einsetzbar ist. Bei dem gemäß den Fig. 2 und 4 gezeigten erfindungsgemäßen Rotor 1 für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine 2 ist ebenfalls eine hohle Rotorwelle 4 mit einer darauf angeordneten Rotorwicklung 3 vorgesehen. Mit der Rotorwicklung 3, hier über den Wickelkopf 14, ist ein Gleichrichter 6 elektrisch verbunden. Erfindungsgemäß ist nun dieser Gleichrichter 6 sowie ein Drehtransformator-Rotor 9 (vgl. die Fig. 2 und 4) eines Drehtransformators 8 (vgl. Fig. 4) mit seiner Sekundärspule 7 in der hohlen Rotorwelle 4 angeordnet und dadurch nicht nur bauraumoptimiert untergebracht, sondern auch vergleichsweise geschützt vor parasitären Effekten wie Magnetfeldern eines Stators 15 der Synchronmaschine 2 (vgl. Fig. 4).

Ein weiterer großer Vorteil der Anordnung des Drehtransform ator-Rotors 9 innerhalb der hohlen Rotorwelle 4 ist der vergleichsweise kleine Durchmesser und damit Abstand der Sekundärspule 7 von einer Drehachse 16, wodurch die auf die Sekundärspule 7 einwirkenden Fliehkräfte beim Betrieb der Synchronmaschine 2 ebenfalls reduziert und dadurch eine auf die Sekundärspule 7 bzw. auch den Gleichrichter 6 einwirkende Belastung minimiert werden kann, was sich positiv auf die Lebensdauer einer derartigen Synchronmaschine 2 auswirkt.

Um eine Montage des Gleichrichters 6 und der Sekundärspule 7 innerhalb der hohlen Rotorwelle 4 zu vereinfachen, können der Gleichrichter 6 und die Sekundärspule 7 auch eine vorgefertigte Baugruppe 17 bilden, die als Ganzes in der hohlen Rotorwelle 4 fixiert wird. Die Sekundärspule 7 und der Gleichrichter 6 können zur Verwirklichung der vorgefertigten Baugruppe 17 miteinander verklebt, verschweißt, verlötet, verschraubt, verpresst, verclipst und/oder in einer Kunststoffmatrix miteinander vergossen sein. Möchte man eine reparaturfreundliche Ausführungsform, so bietet sich ein Verclipsen bzw. ein Verschrauben des Gleichrichters 6 mit der Sekundärspule 7 an, wodurch beispielsweise bei einem fehlerhaften Gleichrichter 6 dieser ausgetauscht, durch einen neuen ersetzt und die Sekundärspule 7 weiterverwendet werden kann. Durch ein Einbetten sowohl der Sekundärspule 7 als auch des Gleichrichters 6 in eine Kunststoffmatrix kann darüber hinaus eine Beschichtung in der Art einer Schutzschicht geschaffen werden, die die Sekundärspule 7 und Elektronikkomponenten wie beispielsweise Dioden, des Gleichrichters 6 nicht nur schützt, sondern auch zur Umgebung hin elektrisch isoliert.

Betrachtet man die Fig. 2 und 3 weiter, so kann man erkennen, dass die Baugruppe 17 fluiddurchlässige Öffnung 18 aufweist, so dass ein in der hohlen Rotorwelle 4 strömendes Kühlmittel auch die Baugruppe 17 durchdringen kann. Um dabei einen Kühlmittelstrom möglichst wenig zu beeinträchtigen, ist die Baugruppe 17 vorzugsweise strömungsgünstig ausgebildet und weist beispielsweise Rundungen auf. Hierdurch lassen sich auch Druckverluste minimieren.

Betrachtet man die Sekundärspule 7 weiter, so kann man erkennen, dass diese ringförmig um die Drehachse 16 der hohlen Rotorwelle 4 angeordnet ist. Durch die ringförmige Anordnung der Sekundärspule 7 um die Drehachse 16 kann eine ringzylinderartige Ausführung gewählt werden, die einen späteren Zusammenbau deutlich vereinfacht.

Betrachtet man den Drehtransformator-Stator 10 entsprechend den Fig. 3 und 4, so kann man erkennen, dass dieser eine Primärspule 12 sowie einen Transforma- torkern 11 aus einem magnetischen Kernmaterial, beispielsweise einem Ferrit, aufweist. Der Transformatorkern 11 besitzt dabei einen Innenring 19, einen Außenring 20 sowie einen den Innenring 19 und den Außenring 20 jeweils an einer Stirnseite verbindenden Steg 21 , wobei die Primärspule 12 in einer Vertiefung 22 am Innenring 19 angeordnet ist.

Betrachtet man die Fig. 3 und 4 näher, so kann man erkennen, dass zwischen dem Innenring 19 und dem Außenring 20 eine ringförmige Ausnehmung 23 angeordnet ist, in welche die ringförmige Sekundärspule 7 des Drehtransformator-Ro- tors 9 in montiertem Zustand eingreift bzw. eintaucht. Hierdurch lässt sich eine besonders bauraumoptimierte Anordnung des gesamten Drehtransformators 8 innerhalb der hohlen Rotorwelle 4 erreichen.

Entsprechend den Fig. 3 und 4 ist der Drehtransformator-Stator 10 auf einem Lagerzapfen 24 angeordnet, der ein Lager 13 zur Lagerung des Rotors 1 trägt. Der Lagerzapfen 24 wiederum besitzt zumindest einen Kühlkanal 25 zum Durchleiten von Kühlmittel, wobei der Kühlkanal 25 in Axialrichtung und quer dazu verlaufen kann und wobei insbesondere ein quer dazu verlaufender Kühlkanal 25a zur Kühlung der Lager 13 verwendet werden kann. Der Drehtransformator-Stator 11 ist dabei drehfest auf dem Lagerzapfen 24 angeordnet, wobei der Lagerzapfen 24 beispielsweise Bestandteil eines Lagerschildes der Synchronmaschine 2 oder auf dieses aufgesetzt sein kann.

Um einen magnetischen Luftspalt zwischen der Sekundärspule 7 und der Primärspule 12 zu verringern, kann die Sekundärspule 7 auch eine Beschichtung aufweisen bzw. beispielsweise in einen Kunststoffmantel eingebettet sein.

Alles in allem können mit dem erfindungsgemäßen Rotor 1 und der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 2 folgende Vorteile erzielt werden:

- Eine Verbesserung der magnetischen Verträglichkeit durch Anordnung des Drehtransformators 8 innerhalb der hohlen Rotorwelle 4 und dadurch eine Anordnung desselben geschützt vor parasitären Effekten, wie beispielsweise Magnetfeldern durch den Stator 15, da die Rotorwelle 4 als Abschirmelement dient.

- Eine Verbesserung der mechanischen Stabilität, da der Drehtransformator-Ro- tor 9 einen vergleichsweise kleinen Außendurchmesser aufweist und dadurch deutlich geringeren Kräften, insbesondere Fliehkräften, ausgesetzt ist, als ein bislang aus dem Stand der Technik außerhalb der Rotorwelle 4 angeordneter Drehtransformator-Rotor 9'. - Eine optimale Ausnutzung eines bislang nicht genutzten Bauraums innerhalb der hohlen Rotorwelle 4 und dadurch die Möglichkeit, die Synchronmaschine 2 insgesamt kompakter bauen zu können.

- Eine einfache Montage durch Ineinanderschieben des Drehtransformator-Ro- tors 9 und Drehtransformator-Stator 10 in der hohlen Rotorwelle 4.

- Eine weitere Verbesserung der mechanischen Stabilität aufgrund eines stationären und feststehenden Transform atorkerns 11 .

- Einen einfachen Anschluss an einen Kühlkreislauf und damit eine effektive Kühlung der Synchronmaschine 2 verbunden mit einer hohen Leistungsfähigkeit derselben.