CN111431419B - 整流器单元和电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种整流器单元(200)，其被设置用于接入电机(100)，所述电机具有定子、转子和能借助于所述转子驱动的风扇，其中，所述整流器单元(200)具有冷却体(240)、功率模块(260)和逻辑单元(250)，其中，所述功率模块(260)和逻辑单元(250)布置在冷却体(240)上，并且其中，在所述冷却体(240)中设有不限于平行于所述电机(100)的转动轴线(A)延伸的冷却空气路径(230)，所述冷却空气路径从所述冷却体中的第一开口(210)延伸至所述冷却体中的第二开口(220)，所述第一开口布置在所述功率模块(260)和逻辑单元(250)之间，所述第二开口布置在所述冷却体面向于所述风扇(140)的侧面(201)，本发明还涉及一种具有这样的整流器单元(200)的电机。

Description

整流器单元和电机
技术领域
本发明涉及一种用于电机的整流器单元以及一种具有这种整流器单元的电机。
背景技术
在电机中，尤其在用作发电机以及尤其也在车辆中使用的电机中，要求越来越高的功率密度。恰恰在这种电机的换流器或整流器中通常使用半导体结构元件、尤其是半导体开关，从而将所生成的交流电变为直流电或将施加的直流电变为交流电，造成高的功率损耗，由此产生热量，该热量应尽可能良好地排出。
对此通常针对整流器或其一部分设有冷却体，通过所述冷却体且尤其在使用风扇的情况下将上述热量排出，所述风扇通常借助于电机的转子进行驱动并且生成冷却气流。这种情况下，在冷却体上大多布置有功率模块(或功率半桥)、电容器(尤其是用于暂存电能的中间电路电容器)和逻辑单元(尤其是用于操控功率模块且用于与上级控制器通信的逻辑电路板)，如有必要也布置有EMV滤波器(电磁兼容性滤波器)，以将上述热量尽可能良好地排出。在这种情况下也可行的是，为了实现紧凑的构造，所述逻辑单元(整流器的逻辑部分)以及一个或多个功率模块一起安置在电路板上。
通常，对于换流器或整流器的高的功率密度来说重要的是，所生成的功率损耗由于小的热阻例如从半导体芯片通过冷却体传递至冷却介质(例如空气)，并且在换流器的功率部分(或功率模块)与逻辑部分(或逻辑单元)之间尽可能没有相互的耦合。
因此冷却的困难在于把对于换流器来说至关重要的所有结构元件集成到最狭小的空间中。对于冷却来说既可以使用空气冷却，也可以使用液体冷却。
如前所述，空气冷却所必需的气流通常通过风扇或风扇叶轮生成，所述风扇或风扇叶轮一般设在电机内部。所述风扇叶轮的速度通过与电机转子的耦合来确定，所述转子例如又通过皮带轮与相应车辆的V型皮带连接。因此，所述气流不仅对整流器或换流器进行冷却，而且也对电机进行冷却。
气流进入电机所需的入口通常直接位于电机内部的转子周围，气流大多在冷却体的冷却之后进入所述入口。
发明内容
按照本发明提出具有独立权利要求所述的特征的整流器单元和电机。有利的设计方案是从属权利要求以及下文描述的主题。
本发明涉及一种整流器单元，其被设置用于接入电机，所述电机具有定子、转子和能借助于所述转子驱动的风扇，其中，所述整流器单元具有冷却体、功率模块和逻辑单元，其中，所述功率模块和逻辑单元布置在冷却体上。应明白的是，这样的整流器单元也可具有多个功率模块和/或多个逻辑单元，然而优选的是，所有逻辑部件合并在逻辑单元中，以节省结构空间。
此外还可设有电容器(尤其是所谓的中间电路电容器)，其例如可根据类型竖向或水平地安装在冷却体内。
在整流器单元设置用于接入电机的前提条件下，在此尤其应明白的是，所述整流器单元在其几何构造和/或其接入手段方面以下述方式设计，即，不仅接入电机本身是可行的，而且还可行的是，以预定的取向(也就是关于转动自由度)和/或在预定的位置(也就是关于平移自由度)进行接入。在这个意义上，所述电机的方向说明也传给所述整流器单元。
在这种情况下，对于有利的集成和整流器单元或换流器的良好的空气冷却来说重要的通常是冷却体的几何构造。在此例如可针对车辆领域中的所谓的48伏起动发电机使用竖向的或径向的冷却。
在竖向的(或者轴向的)冷却的情况下应明白的是，冷却气流在进入整流器单元或进入电机时采取沿电机的转动轴线的走向。在这种情况下，冷却气流的冷却空气路径至少大部分沿轴向延伸，冷却气流在其行程方面至少穿过整流器单元。
相应地，径向的冷却应理解为，冷却气流在进入整流器单元或电机时采取垂直于电机的转动轴线的走向或者采取沿电机的径向的走向。在这种情况下，冷却气流的冷却空气路径沿径向在整流器单元(或其冷却体)和电机(或至少在整流器单元面向于电机的端部区域)之间延伸。
然而无论在径向冷却还是在竖向(或轴向)冷却的情况下困难的常常是把逻辑部分、功率部分和电容器以成本有利的方式安置在规定的结构空间中。
所述竖向冷却提供良好的空气吸入并且避免此后加热的、从电机流出的空气再次被吸入(空气再循环)的问题。功率部分和逻辑部分因此能被良好地冷却。然而在此不利的是，在逻辑部分的电路板(逻辑电路板)中必须设有孔，以实现空气的穿流。由此使用非常多的材料，并且所述逻辑电路板由于形状和尺寸有时无法为所有逻辑组件提供足够的空间。
具有并排布置在一平面中的元件的径向冷却由于整流器的小的、普通的直径大多无法成本有利地实现。有利的构造和结合技术，例如由复合材料(例如FR4材料)构成的逻辑电路板，大多需要比所提供的面积更大的面积。为了节省空间，在所述设计结构的情况下也将逻辑部分或逻辑单元和例如功率模块一起安置在电路板上。然而通常因此也无法实现所述功率模块的成本有利和良好的冷却。
具有(沿轴向)重叠布置在多个平面中的元件的径向冷却能为所述逻辑电路板、也能为所述功率模块提供足够的空间，然而在这种情况下，逻辑部件的冷却的接入或实现大多非常困难。
现在按照本发明规定，在冷却体中设置冷却空气路径，所述冷却空气路径从冷却体中的第一开口延伸至冷却体中的第二开口，所述第一开口布置在功率模块和逻辑单元之间，所述第二开口布置在冷却体面向于风扇的侧面上。在这种情况下，所述冷却空气路径不限于平行于电机的转动轴线地延伸。在这种情况下，所述电机的转动轴线尤其相当于垂直于所述冷却体面向于风扇的侧面的轴线。
在这种情况下，冷却体的第一开口尤其位于冷却体的外侧面上。所述功率模块和/或逻辑单元也优选布置在冷却体的外侧面上，所述第一开口位于该外侧面之中或在该外侧面上。
由于所述整流器单元设置用于接入具有风扇的电机，所以所述整流器单元或冷却体的确定的侧面面向于风扇，或者当整流器单元安装在电机上时面向于风扇。由于所述冷却空气路径延伸穿过冷却体，以这种方式尤其得出沿对角线延伸的冷却空气路径，在所述冷却空气路径中无须在逻辑单元或可以是逻辑单元一部分的逻辑电路板中设置孔。借此，避免了在冷却通道完全平行于转动轴线延伸(亦即如上所述的竖向冷却)的情况下的缺点，也就是说尤其避免了逻辑电路板中的孔，然而同时还实现尤其有效的冷却。
所述第一开口在此优选地至少局部地、然而优选地也可完全地布置在冷却体的与冷却体面向于风扇的侧面相互对置的侧面上。同样地，所述逻辑单元至少局部地、然而尤其也可完全地布置在冷却体的这个侧面上。相应地，对于功率模块来说优选的是，至少局部地、然而尤其也可完全地布置在冷却体的沿径向位于外置的侧面上。
在此，径向尤其涉及电机或其转子轴线，然而所述径向由于前述整流器单元在接入电机方面的特别设计也适用于整流器单元并且进而适用于冷却体。
在这种情况下，第二开口优选至少大致居中地布置在冷却体面向于风扇的侧面上。
因此所提出的设计方案与径向冷却本质上不同，即基于空气被吸入的区域的限定而不同。所述冷却空气通道在径向冷却的情况下不位于功率模块与逻辑单元或逻辑电路板之间。
本发明的这种思路，亦即所谓的沿对角线的冷却，虽然与竖向冷却相似，但区别于下述方面，即所述逻辑单元可尤其紧凑地并且首先不设孔地形成，这给成本和结构空间带来益处。
在这种情况下，所述益处主要在于，冷却体一体地制成，必要时不再如径向或竖向冷却那样成本有利，在径向或竖向冷却的情况下这可由成本有利的挤压法实现。冷却体尤其由铝一体地制成为具有沿对角线的空气冷却方式，必要时稍困难并且成本稍高。但是就这点而言也尤其优选的是使用两个或更多冷却体分部，所述两个或更多冷却体分部例如通过螺旋连接或其它连接方式连接或集合成所述冷却体，以实现沿对角线的气流。在这种情况下可设想所述两个或更多冷却体分部导热地相互连接。然而尤其优选的是所述两个或更多冷却体分部不导热地相互连接，从而避免所述功率部分不必要地加热所述逻辑部分或使其生热。
所述两个或更多冷却体分部也能够成本有利地通过成型技术、如挤压或通过锻造制成。
若制造两个冷却体分部，则可优选地使用一个冷却体分部来冷却逻辑部分或逻辑单元，而使用另一个冷却体分部来冷却功率部分或功率模块。两个冷却体分部可具有置于气流中的冷却片或冷却棒，从而将废热传递至空气。
然而虽然如此应注意的是，使用一体的冷却体也是可行的并且有时也可以是优选的。于是，冷却空气路径不像在两个或更多冷却体分部的情况下那样在两个冷却体分部之间延伸，而是延伸穿过所述冷却体。
也优选的是，所述第一开口至少部分地布置在所述冷却体的沿径向位于外侧的侧面上。因此可行的是，沿对角线的冷却部分地与径向冷却混用。所述第一开口在此虽然可完全地布置在沿径向位于外侧的侧面上，然而也可设想的是与布置在与风扇相对置的侧面上的方式相结合，就是说用于吸入空气的第一开口不仅位于竖向上，而且也位于径向上，并且因此尤其位于冷却体边缘的区域内。
优选的是，所述冷却空气路径在所述冷却体中至少大致并且至少局部地以20°和70°之间的角度、尤其以30°和60°之间的角度相对于轴线延伸，所述轴线垂直于所述冷却体面向于风扇的侧面(亦即电机的转动轴线)。然而不必要的是，所述冷却空气路径以连续直线的方式延伸。然而也可行的是使用不同的形状。最后，所述沿对角线的冷却通过位于冷却体外侧的空气入口和冷却空气通道的不限于竖直的走向来规定，以及功率模块与逻辑单元的局部分开通过置于其中的冷却空气通道或气流来规定。
还应提及的是，也可设有其它这样的冷却空气通道，因此相应地具有其它第一开口，所述其它第一开口即可布置在所述逻辑单元和所述功率模块之间，然而也可布置在所述逻辑单元和一个或多个其它功率模块之间(逻辑单元通常仅独一地存在)。第二开口尤其可具有通常大于第一开口的尺寸，并且也优选居中地设置，因而位于风扇的轴线上，第二开口同时也可用于其它冷却空气通道。
本发明的主题还有电机，其具有定子、转子和能借助于所述转子驱动的风扇，并且具有按照本发明的整流器单元，所述整流器单元利用面向于风扇的侧面布置在电机上。
为了避免重复，关于电机的优点和优选设计方案参照上文中在此相应地适用的关于整流器单元的实施方式的描述。
附图说明
本发明的其它优点和设计方案由说明书和所附附图得出。
本发明借助于实施例在附图中示意性示出并且在下文中参照附图来描述。
图1示意性地在一优选实施方式中示出按照本发明的电机；
图2示意性地示出两个用于比较的非本发明的电机；
图3示意性地在一优选实施方式中示出按照本发明的整流器单元；
图4示意性地在另一优选实施方式中示出按照本发明的整流器单元。
具体实施方式
在图1中粗略地在一优选实施方式中示出按照本发明的电机100。尤其可用在发动机式和发电机式运行中的、尤其优选地也用在所谓的(也就是用于能量再利用和驱动支持的)增压回收系统中的电机100具有在轴130上的转动件或转子120，所述转动件或转子具有例如在此未进一步示出的爪形电极和转子绕组。相应地示出固定件或定子110，所述固定件或定子例如具有在此未进一步示出的定子绕组。
与转子120或轴130耦合或能通过其驱动的是风扇140，所述风扇在转动时能将空气或冷却空气吸入电机，确切地说尤其从(对此参照转动轴线A)轴向端部吸入(在图中位于右侧)。
在此，电机100的一部分或现在布置于电机上的是整流器单元200(或换流器)，所述整流器单元例如安装在电机的壳体上，该壳体围绕转动件120。
整流器单元200自身具有冷却体240、功率模块和逻辑单元。另外，在冷却体240中设有第一开口210以及第二开口220，在所述第一开口和第二开口之间形成尤其沿对角线延伸的冷却空气通道230。
因此，在风扇140转动时，冷却空气280通过冷却空气通道230被吸入，从而所述整流器单元的部件可被冷却。对此应理解的是，也正如图1所表明地，在电机或其壳体中应设有尤其合适的开口。
关于未在图1中进一步示出的功率模块和逻辑单元在整流器单元200中更确切的布置方式在此参照图3和图4。
在图2中粗略地示出两个用于比较的非本发明的电机。在图2中的(a)中示出具有整流器200’的电机100’，所述整流器设置用于径向冷却。在此，冷却气流在进入整流器单元或电机中时采取垂直于电机的转动轴线A的走向或采取沿电机的径向的走向，如借助于箭头所表明的那样。
在这种情况下，冷却气流的冷却空气路径沿径向在整流器单元200’和电机(或至少在整流器单元面向于电机的端部区域)之间延伸。因此在中心或在转动轴线A的高度上，冷却气流相应地朝向风扇140转向。
在图2中的(b)中示出具有整流器200”的电机100”，所述整流器设置用于竖向或轴向冷却。在此，冷却气流在进入整流器单元或进入电机时采取沿电机的转动轴线A的方向的走向。在这种情况下，尤其冷却气流的冷却空气路径至少大部分沿轴向延伸，冷却气流在其行程方面至少穿过整流器单元200”。
如前所述，无论在径向冷却还是在竖向(或轴向)冷却的情况下通常困难的是，逻辑单元和一个功率模块或多个功率模块安装在规定的结构空间中。
在竖向冷却的情况下，通常将二者(以并排或重叠的方式)布置在整流器单元的轴向端部或在那里(在图2中的(a)中的上端)布置在冷却体处，而在轴向冷却的情况下，逻辑单元布置在整流器单元的轴向端部或在那里(在图2中的(b)中的上端)布置在冷却体处，反之，功率模块布置在整流器单元的径向靠外区域或侧向区域或在那里(在图2中的(b)中的左侧或右侧)布置在冷却体处。
这在竖向冷却的情况下对于逻辑单元或逻辑电路板来说尤其意味着必须在逻辑电路板中引入孔，因为否则无法实现冷却空气通道的轴向的或竖向的走向。
在图3中粗略地在一优选实施方式中示出按照本发明的整流器单元200。在此尤其涉及已经在图1中示出的整流器单元200，然而在这里更详细地示出。
整流器单元200具有例如两个冷却体分部241和242、两个功率模块260和261以及尤其带有逻辑电路板的逻辑单元250。所述冷却体分部在此尤其相互结合为冷却体240。然而也可设想的是，仅使用一个冷却体或使用多于两个的冷却体分部。
在冷却体240中首先设置或布置有第一开口210，确切地说设置或布置在冷却体的侧面202上，该侧面与冷却体面向于风扇的侧面201相互对置。此外设置有第二开口220，该第二开口布置在冷却体面向于风扇的侧面201上，并且该第二开口在那里尤其居中地布置。在这两个开口210和220之间、确切地说在冷却体分部241和242之间尤其沿对角线延伸有冷却空气通道230。
此外设有另一第一开口，其与第二开口共同形成另一冷却空气通道。这个未进一步示出的冷却空气通道可按照冷却空气通道230构造、然而构造另一侧或在冷却体200的位置上。
逻辑单元或逻辑电路板250现在布置或紧固在冷却体分部242的侧面202，功率模块260沿径向布置或紧固在冷却体分部241的侧面203之外。第一开口210因此位于逻辑单元250和功率模块260之间。功率模块例如可具有半桥器件，所述半桥器件带有相应的半导体开关。
因此在风扇转动时，冷却空气通过冷却空气通道230被吸入，从而尤其有效地冷却逻辑单元250和功率模块260，但尤其同时也可特别紧凑地构造所述逻辑单元250。在冷却空气通道230中设有用于更有效冷却的例如以附图标记231表示的冷却片。
在图4中粗略地在另一优选实施方式中示出按照本发明的整流器单元300。整流器单元300大致对应于图3中示出的整流器单元200，从而就此而言可参照前文描述。
然而与整流器单元200不同的是，在整流器单元300中，第一开口210仅部分地布置在侧面202上(在该图左侧的未进一步示出的第一开口示例性地对应于按照图3的第一开口)。第一开口210也延伸到冷却体沿径向位于外侧的侧面203上。以这种方式可生成局部径向的冷却气流。
如按照图4可见地，冷却体分部241与图3所示内容相比稍有不同地成型，从而仍能将功率模块260安置在由于所述开口增大而降低的结构高度上。

Claims (12)

1.一种整流器单元(200、300)，其被接入电机(100)，所述电机具有定子(110)、转子(120)和能借助于所述转子(120)驱动的风扇(140)，其中，所述整流器单元(200、300)具有冷却体(240)、功率模块(260)和逻辑单元(250)，
其中，所述功率模块(260)和逻辑单元(250)布置在冷却体(240)上，
其特征在于，在所述冷却体(240)中设有不限于平行于所述电机(100)的转动轴线(A)延伸的冷却空气路径(230)，所述冷却空气路径从所述冷却体中的第一开口(210)延伸至所述冷却体中的第二开口(220)，所述第一开口布置在所述功率模块(260)和逻辑单元(250)之间，所述第二开口布置在所述冷却体的面向于所述风扇(140)的侧面(201)上，所述冷却空气路径(230)在所述冷却体中至少局部地以20°和70°之间的角度相对于轴线(A)延伸，所述轴线垂直于所述冷却体面向于风扇的侧面(201)。
2.根据权利要求1所述的整流器单元(200、300)，其特征在于，所述第一开口(210)至少部分地布置在所述冷却体的、与所述冷却体面向于所述风扇的侧面(201)相互对置的侧面(202)上。
3.根据权利要求1所述的整流器单元(200、300)，其特征在于，所述第一开口(210)至少部分地布置在所述冷却体的沿径向位于外侧的侧面(203)上。
4.根据权利要求1所述的整流器单元(200、300)，其特征在于，所述逻辑单元(250)至少部分地布置在所述冷却体的与所述冷却体面向于所述风扇的侧面(201)相互对置的侧面(202)上。
5.根据权利要求1所述的整流器单元(200、300)，其特征在于，所述功率模块(260)至少部分地布置在所述冷却体的沿径向位于外侧的侧面(203)上。
6.根据权利要求1所述的整流器单元(200、300)，其特征在于，所述冷却空气路径(230)在所述冷却体中至少局部地以30°和60°之间的角度相对于轴线(A)延伸。
7.根据权利要求1所述的整流器单元(200、300)，其特征在于，其具有至少两个冷却体分部(241、242)，所述至少两个冷却体分部连接为冷却体(240)。
8.根据权利要求7所述的整流器单元(200、300)，其特征在于，所述功率模块(260)和所述逻辑单元(250)布置在不同的冷却体分部(241、242)上。
9.根据权利要求7或8所述的整流器单元(200、300)，其特征在于，所述冷却空气路径(230)至少部分地在两个冷却体分部(241、242)之间延伸穿过。
10.根据权利要求1所述的整流器单元(200、300)，其特征在于，所述第二开口(220)至少居中地布置在所述冷却体面向于所述风扇的侧面(201)中。
11.根据权利要求1所述的整流器单元(200、300)，其特征在于，所述逻辑单元(250)具有逻辑电路板，所述逻辑电路板布置在所述冷却体(240)上。
12.一种电机(100)，其具有定子(110)、转子(120)和能借助于所述转子(120)驱动的风扇(140)，所述电机还具有根据前述权利要求之一所述的整流器单元(200、300)，其中，所述整流器单元(200、300)利用所述电机面向于所述风扇(140)的侧面进行布置。
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