变压器装置和同步电机的制作方法

本发明涉及一种用于在直流电压源与电消耗器之间感应式地传输电能的变压器装置，尤其是感应式电激励同步电机的变压器装置。此外，本发明涉及一种感应式电激励同步电机，其配备有这种类型的变压器装置。此外，本发明涉及一种用于在变压器装置的次级侧与该变压器装置的初级侧之间进行数据传输的方法，该变压器装置用于将电能从直流电压源感应式地传输给消耗器。

背景技术：

1、同步电机是旋转式电机，在该旋转式电机中，在运行期间，转子或者转动部与定子的方式或者静止部的转动场同步地旋转或运行。通常，同步电机可以作为马达或者发电机运行。此外，在电激励的或者外部激励的同步电机的情况下，在转子上以电的方式产生磁场。在此，使用至少一个转子线圈，为了产生转子侧的磁场，必须给该转子线圈供给电能，该电能尤其呈直流电流的形式。在感应式电激励同步电机的情况下，以无刷的方式、即借助感应给相应的转子线圈供应电能。在此，感应式电激励同步电机相应于无刷式外部激励同步电机。

2、这种类型的同步电机例如由ep 2 869 316 a1已知，并且包括转子，该转子具有用于产生转子磁场的转子线圈和用于给该转子线圈供给电能的次级变压器线圈。该同步电机此外具有定子，转子以围绕旋转轴线能够转动的方式支承在该定子上，该定子具有用于产生定子磁场的定子线圈以及初级变压器线圈，该初级变压器线圈用于将电能感应式地传输到次级变压器线圈上。在此，初级和次级变压器线圈形成转动变压器，并且是用于感应式地传输电能的变压器装置的组成部分。

3、在这种类型的感应式电激励同步电机中，存在如下需求：将数据、例如控制指令从定子传输到转子上，例如以便控制或调节转子线圈的通电。在此，在由上述ep 2 869 316a1已知的同步电机中，设置有通信路径，该通信路径能够实现期望的从定子到转子的数据传输。在此，使用另外的附加的转动变压器，该转动变压器的初级线圈在定子侧与调制器或者驱动器耦合，并且该转动变压器的次级线圈在转子侧与解调器耦合。由此，能够实现从定子到转子上的感应式信号传输或数据传输。提供这种类型的、附加的旋转式变压器伴随着相对较高的花费。此外，经由这种类型的附加的转动变压器的信号传输在感应式电激励同步电机的环境中承受相对强的干扰。相应内容也适用于其他无线通信方式，例如无线电链路。这更加适用于高功率的同步电机。

4、除此之外，在现代的感应式电激励同步电机中，存在用于反向的数据传输的需求，即用于从转子到定子上的数据传输的需求。例如，在转子线圈中实际上流动的电流对于定子侧的控制器而言越来越重要，以便可以控制同步电机。如以上述例子所示出的那样，传统通信方式复杂且易受干扰。

5、在此，初级侧与次级侧之间的通信不仅在例如在感应式电激励同步电机中存在的旋转式变压器或者转动变压器的情况下令人感兴趣，而且原则上在每个任意的用于在直流电压源与电消耗器之间传输电能的变压器装置的情况下令人感兴趣。在此，这种类型的变压器装置可以包括旋转式变压器以及固定式变压器。例如，感应式工作的充电装置可以配备有这种类型的变压器装置。

技术实现思路

1、本发明涉及如下问题：为用于在直流电压源与消耗器之间感应式地传输电能的变压器装置以及尤其为配备有该变压器装置的感应式电激励同步电机，展示一种能够实现至少从次级侧到初级侧上的数据传输的方式，该方式能够借助相对较低的花费实现并且该方式的突出之处尤其在于降低的易受干扰性，其中，此外，应避免妨碍初级侧与次级侧之间的能量传输。

2、根据本发明，该问题通过独立权利要求的特征来解决。有利的实施方式是从属权利要求的主题。

3、本发明基于如下基本构思：借助频率调制来传输次级侧数据，其中，为此对次级侧谐振频率进行调制。由于在变压器装置内初级侧和次级侧形成电磁耦合振荡系统，因此，次级谐振频率的改变影响整个振荡系统并且因此也影响初级侧。因此，存在至少一个与次级侧谐振频率相关联的初级侧参数。根据本发明，现在在初级侧上监控该初级参数，由此可能的是，在初级侧从与次级谐振频率相关联的初级参数中解调被调制到次级谐振频率上的数据。

4、具体而言，本发明提出一种变压器装置，该变压器装置具有初级侧和次级侧。初级侧具有直流电压源、逆整流器、初级补偿装置和初级变压器线圈。次级侧具有次级变压器线圈、次级补偿装置、整流器和电消耗器。在本上下文中，不定冠词“一个”被通俗地理解，即理解为“至少一个”。与此相应地，在初级侧上可以存在有例如多个直流电压源。与此类似地，在次级侧上可以存在有例如多个消耗器。此外，在本上下文中，术语“初级”和“初级侧”应相同地理解，术语“次级”和“次级侧”也是如此。

5、符合目的地，与整流器连接的电消耗器这样构型，使得该消耗器能够借助直流电流或直流电压运行。

6、逆整流器借助其输入侧附接到直流电压源上，并且借助其输出侧经由初级补偿装置附接到初级变压器线圈上。在此，初级补偿装置通常如此与初级变压器线圈协调，使得在初级侧交流电流中的无功分量被补偿。此外，初级补偿装置和初级变压器线圈形成初级振荡回路，该初级振荡回路具有初级谐振频率。为了优化的能量传输，逆整流器以初级谐振频率定节拍，使得由该逆整流器产生的交流电压具有该初级谐振频率。

7、另外，整流器借助其输入侧经由次级补偿装置附接到次级变压器线圈上，并且借助其输出侧附接到消耗器上。在此，次级补偿装置和次级变压器线圈如此相互协调，使得在次级侧交流电流中的无功分量被补偿。同样地，次级补偿装置和次级变压器线圈形成次级振荡回路，该次级振荡回路具有次级谐振频率。为了优化的能量传输，次级谐振频率通常被选择得与该初级谐振频率相同。初级和次级谐振频率限定通过变压器装置形成的振荡系统的自谐振频率。

8、根据本发明，现在提出，次级补偿装置以可变的方式构型，使得在次级侧谐振频率方面的补偿能够被改变。如前所述，通过改变次级侧谐振频率使该振荡系统失谐，这影响初级侧并且可以在那里根据至少一个初级侧参数被探测到，该初级侧参数与此相应地与次级侧谐振频率相关联。

9、为了次级侧与初级侧的期望的通信，次级侧可以具有次级通信装置，该次级通信装置根据预确定的代码对次级侧数据进行编码，该次级通信装置与次级补偿装置耦合，并且该次级通信装置根据经编码的数据操控次级补偿装置用于改变次级侧谐振频率。该操控在此如此进行，使得经改变的次级谐振频率的时间序列代表所述经编码的数据。由此，数据作为频率调制被调制到次级谐振频率上或被调制到或被编码到该次级谐振频率中。现在，初级侧配备有初级通信装置，该初级通信装置监控能够被测量的、与次级侧谐振频率相关联的初级侧参数，并且在此识别经编码的数据并且根据代码对这些经编码的数据进行解码。通过次级侧谐振频率与初级侧参数之间的关联性，次级谐振频率的频率调制经由变压器线圈从次级侧被传输到初级侧上，并且在那里能够在初级侧参数中作为频率调制被探测到，该频率调制然后通常可以被解调或被解码。

10、在这里提出的根据本发明的变压器装置中，次级侧因此经由能量传输路径、即经由振荡系统与初级侧通信，使得不需要附加的传输路径，该附加的传输路径例如呈附加的变压器的形式，该振荡系统由初级和次级变压器线圈组成。在此，事实表明，次级谐振频率的相对较小的变化已经足以显著地改变初级参数，这能够实现安全的信号传输。此外，事实表明，振荡系统的这种类型的小的失谐不导致对初级侧与次级侧之间的能量传输的显著妨碍。另外，该频率调制在很大程度上不受该变压器装置所承受的其他常见干扰影响，尤其是在变压器装置的振荡系统的电磁振荡内。

11、在一种有利的实施方式中，初级侧可以具有相位测量装置，该相位测量装置求取在初级侧上的、即在逆整流器上的交流电流与交流电压之间的相移，其中，初级通信装置与相位测量装置耦合，并且监控该相移作为与次级侧谐振频率相关联的初级侧参数。该实施方式基于如下认知：次级侧谐振频率的改变在初级侧导致电压与电压之间的相移。就其本身而言，能够被测量的相移与在逆整流器的操控频率与该系统的自谐振频率之间的偏差相关联，该自谐振频率又通过初级侧的与次级侧谐振频率产生。最终，该相移由此与次级谐振频率相关联，使得对次级谐振频率的频率调制导致对初级侧的相移的与此相关联的频率调制。因此，经由次级谐振频率被调制到该振动系统中的数据能够在初级侧从该相位中被解调。根据一种优选的实施方式，初级通信装置尤其监控该相移的时间变化曲线，并且识别被编码到该相移中的数据，并且根据代码对其进行解码。

12、在另一种实施方式中，初级侧可以具有频率调节装置，该频率调节装置通过调整初级侧交流电流中的或初级侧交流电压中的频率来调节在初级侧上的电流与电压之间的相移。初级侧交流电压中的或初级侧交流电流中的频率通过逆整流器预给定。通过频率调节装置与逆整流器的耦合，该逆整流器能够以如下方式被操控用于调整该频率，使得规定的相移被调节，使得因此电流和电压在初级侧再次同步振荡。例如，可以设置有这种类型的频率调节装置，以便使该振荡系统调整于发生变化的运行条件、例如温度并且调整于电子部件的老化现象。

13、现在，初级通信装置可以与频率调节装置和/或与逆整流器耦合，并且可以监控对初级侧交流电流中的或初级侧交流电压中的频率的调整作为与次级谐振频率相关联的初级侧参数。如前所述，次级谐振频率的改变导致在初级侧上出现电流与电压之间的相移。与此相应地，相移与次级谐振频率相关联。通过频率调节装置，调节这种类型的相移。因此，对初级侧交流电压中的或初级侧交流电流中的频率的调整与该相移并且因此与次级谐振频率相关联。根据一种有利的实施方式，初级通信装置尤其监控所提到的频率调整的时间变化曲线，并且识别被编码到该频率调整中的数据并且根据代码对其进行解码。

14、对初级侧交流电压中的或初级侧交流电流中的频率的调整可以通过频率调节装置对逆整流器的控制指令来代表，或者可以通过由逆整流器基于控制指令改变的节拍来代表以及也可以通过初级侧交流电压中的或初级侧交流电流中的最终能够被测量的频率来代表。频率调整、配属的控制信号和节拍或操控频率代表与次级谐振频率相关联的、能够被测量的初级侧参数。因此，初级通信装置可以与频率调节装置耦合，用于监控控制信号，或者与逆整流器耦合，用于监控节拍，或者替代地与用于测量初级侧交流电压中的或初级侧交流电流中的频率的频率测量装置耦合，用于监控该频率。根据一种有利的实施方式，初级通信装置因此尤其监控所提到的控制信号的或者所提到的节拍的或者所提到的频率的时间变化曲线，并且识别并且根据代码解码被编码到所述控制信号或者所述节拍或者所述频率中的数据。

15、次级变压器线圈具有阻抗。与此协调的次级补偿装置具有与此匹配的电容。由此，次级变压器线圈和次级补偿装置形成振荡回路，该振荡回路具有谐振频率，该谐振频率在此被称为次级谐振频率。根据一种优选的实施方式，现在可以设置，次级补偿装置具有可变的电容器，在该电容器中，能够以电子的方式设定至少两个不同的电容。替代于此地，次级补偿装置可以具有至少两个不可变的电容器，这些电容器并联连接，并且这些电容器中的一个电容器以电子的方式能够被激活并且能够被停用，而另一个电容器永久激活。例如，次级补偿装置可以具有电子开关、例如晶体管，该电子开关与次级通信装置耦合，使得次级通信装置经由该开关激活和停用能够被切换的电容器，以便如此改变次级谐振频率。通过改变次级补偿装置的电容，由补偿装置和变压器线圈组成的振荡回路的谐振频率改变。

16、根据一种有利的实施方式，代码是二进制代码。然后，次级补偿装置如此配置，使得由此能够设定两个不同的次级侧谐振频率。二进制代码借助零“0”和一“1”形成。然后，一个谐振频率限定二进制代码的“0”，而另一个谐振频率形成二进制代码的“1”。借助二进制调制，能够安全地传输期望的数据。

17、另一种有利的实施方式提出，次级补偿装置如此配置，使得该次级补偿装置只能够在小于1％的范围中改变次级谐振频率。同样能够考虑，次级谐振频率只能够在小于1％的范围中被改变。由此确保，振荡系统的失谐如此小，使得信号传输不影响或者不显著地影响能量传输。

18、例如，次级侧数据可以包含或者代表用于次级侧的电流的和/或用于次级侧的电压的和/或用于至少一个次级侧的部件的温度的值。

19、在另一种有利的实施方式中，次级侧可以具有次级侧频率检测装置，用于检测次级侧交流电压中的或次级侧交流电流中的当前频率。下面，为简单起见，仅专注于电流频率；清楚的是，相应内容也适用于电压频率。现在，初级侧通信装置可以如此配置，使得该初级侧通信装置根据预确定的代码对初级侧数据进行编码。此外，该初级侧通信装置可以与逆整流器耦合，并且可以根据经编码的数据操控逆整流器，用于改变该逆整流器的节拍或操控频率并且因此改变初级侧交流电压的频率，使得初级侧交流电压中的经改变的频率的时间序列代表经编码的数据。现在，次级侧通信装置可以与次级侧频率检测装置耦合，并且可以监控次级侧交流电压中的频率，并且由此可以识别经编码的数据并且根据代码对其进行解码。次级侧交流电压中的频率总是相应于初级侧交流电压中的频率。如果通过对逆整流器的相应的操控改变节拍并且因此改变初级侧交流电压中的频率，则由此几乎同时地实现次级侧交流电压中的频率的相应的改变。通常，逆整流器的节拍在振荡系统的谐振频率方面被确定，该谐振频率对于次级侧通信装置而言是已知的，使得该次级侧通信装置可以识别并且分析处理与该谐振频率的每个偏差。

20、通过这种实施方式，实现在反方向上的、即从初级侧到次级侧的通信路径。通过这种方式，例如可以传送控制指令或者类似物。在此，该变压器装置的设置为用于能量传输的振荡系统也可以用于数据传输。用于实现这种类型的通信的设备花费相应地低。

21、根据本发明的感应式电激励同步电机具有定子、转子和上述类型的变压器装置。定子具有定子控制装置。转子以围绕旋转轴线能够转动的方式支承在定子上，并且具有布置在其上的转子控制装置。变压器装置的初级侧布置在定子上，而变压器装置的次级侧布置在转子上。此外，初级侧通信装置与定子控制装置电连接，而次级侧通信装置与转子控制装置电连接。因此，借助变压器装置，能够实现转子控制装置与定子控制装置之间的通信。因此，例如，转子控制装置可以将当前的电流或者转子的其他相关数据经由变压器装置传输到定子控制装置上，然后，该定子控制装置可以将这些数据尤其用于控制和调节同步电机。优选地，同步电机构型为用于机动车的驱动马达或者牵引马达，该驱动马达或者牵引马达尤其可以承受100kw至240kw的、优选120kw至160kw的、尤其是大约140kw的电功率。

22、根据一种有利的实施方式，变压器装置的消耗器可以具有转子线圈，用于产生转子磁场。在这种情况下，变压器装置用于给转子线圈供给电能，并且同时也可以给转子控制装置供给电能。

23、在一种替代的实施方式中，转子具有转子线圈，并且同步电机配备有主能量供给部，用于将电能感应式地传输到转子线圈上。在这种情况下，上述类型的变压器装置在同步电机内形成辅助能量供给部，该辅助能量供给部将电能感应式地传输给转子控制装置。在这种情况下，消耗器具有转子控制装置或者通过该转子控制装置形成。在同步电机的该实施方式中，辅助能量传输路径用于数据传输，该辅助能量传输路径给转子控制装置供给电能。给转子线圈供给电能的主能量传输路径保持不受影响。由于一方面在转子线圈上的和另一方面在转子控制装置上的在电压水平方面的大的差别，可以符合目的且更成本有利的是，为转子控制装置设置单独的辅助能量供给部，然后，该辅助能量供给部符合目的地通过上述类型的变压器装置形成并且同时可以用于可靠或安全的数据传输。

24、根据本发明的用于在变压器装置的次级侧与该变压器装置的初级侧之间进行数据传输的方法的突出之处在于，在次级侧上，通过对次级侧谐振频率的调制，对要从次级侧传输到初级侧上的数据进行编码，并且在于，在初级侧上，监控与次级侧谐振频率相关联的初级侧参数并且对其进行解码，所述变压器装置用于将电能从直流电压源感应式地传输给消耗器。次级侧谐振频率的调制导致该振荡系统的失谐，并且在初级侧上导致电流与电压之间的相移。由此，该相移与次级侧谐振频率具有相同的调制，并且与此相应地可以用于解调数据。如果在初级侧存在有频率调节装置，该频率调节装置通过调整在初级侧交流电压中的节拍或频率来调节电流与电压之间的相移，则该频率调节装置的该调节活动也可以用于识别经编码的信号，逆整流器的节拍的变化和初级侧交流电压中的频率变化本身也同样如此。

25、根据一种有利的扩展方案，在该方法中此外可以设置，在初级侧上，通过对初级侧交流电压的或初级侧交流电流的频率的调制，对要从初级侧传输到次级侧上进行编码，其中，在次级侧上，监控次级侧交流电压的或次级侧交流电流的频率并且对其进行解码。下面，为简单起见，再次仅专注于电流频率；清楚的是，相应内容也适用于电压频率。在此，执行在反方向上的、即从初级侧到次级侧上的通信。在这种情况下，充分利用如下认知：次级侧上的交流电压与初级侧上的交流电压以相同的频率振荡。然后，例如能够由对逆整流器的节拍的相应调制引起的、对初级交流电压的频率的调制导致对次级侧交流电压中的频率的相应调制，然后该调制可以以适合的方式被识别和分析处理，以便解码数据。

26、上文针对变压器装置以及针对同步电机所提出的不同实施方式能够以相应的方式也在这里所提出的方法中实现，其中，与此相关的设备特征通过与此相对应的方法特征实现。

27、由从属权利要求、绘图和与此有关的根据绘图的附图描述得到本发明的其他重要特征和优点。

28、显而易见的是，上文提到的和下文待阐述的特征不仅可以按相应给出的组合使用，还可以按其他的组合来使用或者单独使用，而不脱离本发明的框架。上级单元(例如装置、设备或者组件)的上面提到的和下面仍待提到的单独标记的组成部分可以形成该单元的单独的构件或部件或者可以是该单元的构成整体地的区域或区段，即使这在附图中以别的方式示出。