-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen Generator für ein Kraftfahrzeug.
-
Aus der
DE 690 19 023 T2 ist ein Wechselstromgenerator bekannt, der einen Gleichrichter und einen Spannungsregler umfasst. Beide werden von einem Kühlluftstrombetrieb umströmt. Nachteilig ist, dass sich der Spannungsregler im Betrieb des Wechselstromgenerators stark erhitzen kann.
-
Die
DE 198 11 601 A1 offenbart einen Wechselstromgenerator für ein Kraftfahrzeug. Dieser umfasst einen IC-Regler, der an einer Kühlrippe angeordnet ist.
-
Die
DE 31 37 172 C2 offenbart einen außenbelüfteten Generator. Dieser weist eine Gleichrichtereinheit und einen Spannungsregler auf, der auf einen an dem Generatorgehäuse stirnseitig angeordneten Ansatz aufgesetzt ist. Über einem auf einer Läuferwelle montierten Lüfterrad ist eine Luft-Leithaube vorgesehen.
-
Aus der
DE 695 09 949 T2 ist ein luftgekühlter Generator mit einem Spannungsregler und einer Gleichrichtereinheit bekannt, die beide in einem Generatorgehäuse untergebracht sind. Die Gleichrichtereinheit umfasst eine an der Generator-Innenwand befestigte Anschlussplatte mit Gleichrichterdioden. Die Gleichrichterdioden stehen in Wärmeleitverbindung mit Kühlkörpern, welche wiederum wärmeleitend mit dem Generatorgehäuse verbunden sind. Zur Kühlung der Gleichrichtereinheit wird ein Kühlluftstrom unmittelbar an den die Wärme erzeugenden Gleichrichterdioden und an den Kühlkörpern vorbei geführt.
-
Die
DE 44 19 215 A1 offenbart eine elektronische Reglerschaltung eines Generators. Die Reglerschaltung ist dabei als IC-Chip unmittelbar auf eine elektrisch leitende Aluminium-Tragplatte aufgeklebt oder aufgelötet. Die Tragplatte ist mit einem Gehäuseflansch des Generators verschraubt. Die in der Reglerschaltung im Betrieb entstehende Wärme wird über die Tragplatte sowohl an Kühlluft als auch über die Auflage am Gehäuseflansch des Generators abgeleitet.
-
Aus der
US 6 184 602 B1 ist ein Generator mit einem Spannungsregler und einer luftgekühlten Gleichrichtereinheit bekannt. Die Gleichrichtereinheit kann innerhalb oder außerhalb des Generatorgehäuses angeordnet sein. Eine mit dem Generatorgehäuse verbundene Trägerplatte umfasst Kühlrippen, auf denen Gleichrichterdioden aufgelötet sind.
-
Aus der
DE 28 26 930 C2 ist ein Generator mit einem Regler bekannt, der auf einer Trägerplatte angeordnet ist. Die als Halteblech ausgebildete Trägerplatte verschließt im montierten Zustand eine Öffnung des Generators, wobei der Regler in den Innenraum des Generators ragt.
-
Aus der
US 5 907 203 A ist ein Generator für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem ein Spannungsregler elektrisch mit der Schleifringanordnung verbunden ist. Der Generator weist einen Kühlkanal auf, der an einem Spannungsregler vorbeiläuft. Der Spannungsregler umfaßt ein Gehäuse, eine Leiterplatte und einen Reglerchip, die auf einer Befestigungsplatte montiert sind. Die Befestigungsplatte des Reglers grenzt dabei direkt an den Kühlluftkanal an. Der Kühlluftkanal entsteht durch ein Abstandselement, das die Befestigungsplatte von dem Generator-Gehäuse beabstandet. Nachteilhaft bei dieser Ausführung ist, daß die Leiterplatte mit dem Reglerchip auf einer zusätzlichen Befestigungsplatte angebracht ist. Der Wärmeübergang an die eingesaugte Kühlluft wird durch die Befestigungsplatte, auf die der Reglerchip montiert ist, eingeschränkt. Der Kühlluft-Strom kommt also nicht unmittelbar mit der Leiterplatte bzw. dem Reglerchip in Kontakt. Des weiteren entsteht durch das Abstandselement ein größerer Bauraum, der sich auf die Größe des Generators negativ auswirkt. Es entstehen ferner höhere Fertigungskosten aufgrund der zusätzlichen Materialkosten und der Montagekosten.
-
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine, insbesondere einen Generator, mit einer verbesserten Kühlung des Reglers zu schaffen.
-
Die Erfindung wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Chip-Träger zumindest teilweise unmittelbar von dem Kühlluft-Strom umströmt wird. Gemäß weiteren Ausgestaltungen der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Chip-Träger an einer Stelle anzuordnen, an der die Geschwindigkeit des Kühlluft-Stromes besonders hoch ist, da an dieser Stelle der Wärmeübergang sehr ausgeprägt ist.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigen:
-
1 einen Querschnitt eines Generators mit einem Klauenpolläufer gemäß einer ersten, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform,
-
2 einen vergrößerten Ausschnitt der Ansicht gemäß 1 des Generatorreglers und des Schleifringlagerschilds gemäß einer ersten, nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform,
-
3 einen Querschnitt gemäß. 2 einer zweiten, nicht-erfindungsgemäßen Ausführungsform und
-
4 einen Querschnitt gemäß 3 einer dritten, erfindungsgemäßen Ausführungsform.
-
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine erste nicht-erfindungsgemäße Ausführungsform beschrieben. Eine elektrische Maschine, in diesem Ausführungsbeispiel ein Generator 1, für Kraftfahrzeuge weist in einem Druckguß-Gehäuse 2, bestehend aus zwei Gehäusehälften 3 und 4, einen um eine Drehachse 5 drehbar gelagerten Klauenpolläufer 6 mit einer Welle 7 auf. Außerhalb der Gehäusehälfte 4 ist am Ende der Läuferwelle 7 eine Riemenscheibe 10, befestigt durch eine Mutter 11, zum Antrieb des Läufers 6 angebracht. Am anderen Ende der Läuferwelle 7 ist eine Schleifringanordnung 12 vorgesehen. Die Schleifringanordnung 12 umfaßt auf der Läuferwelle 7 Schleifringe. Die Schleifringe wirken in bekannter Weise mit Kohlebürsten zusammen. Die Lagerung der Läuferwelle 7 erfolgt durch zwei Kugellager 8 und 9. Die Gehäusehälfte 4 ist dabei als Lagerschild für das antriebsseitige Kugellager 8 ausgebildet, wobei das Kugellager 8 die Funktion des Festlagers übernimmt. Die Gehäusehälfte 3 ist als Schleifringlagerschild 25 für das schleifringseitige Kugellager 9 ausgebildet, wobei das Kugellager 9 kleiner und als Loslager ausgebildet ist. Die beiden Gehäusehälften 3 und 4, miteinander verbunden durch Schrauben 13, fixieren ein mittiges Ständerblechpaket 14, das in bekannter Weise eine dreiphasige Ständerwicklung 15 zur Erzeugung eines Drehstromes aufnimmt. Die Läuferwelle 7 trägt im mittleren Bereich auf einem magnetisch leitenden Ringkern 16 eine Läuferwicklung 17, die einer Erregerwicklung entspricht. In axialer Richtung sind vor und hinter dem Ringkern 16 und der Läuferwicklung 17 direkt angrenzende Klauenpolplatinen 18 auf der Läuferwelle 7 befestigt. Die Klauenpolfinger 19 der Klauenpolplatinen 18 greifen zur Bildung eines Wechselfeldes mit Abstand ineinander. An den außenseitigen Stirnseiten der Klauenpolplatinen 18 ist jeweils ein Lüfterrad 20 auf der Läuferwelle 7 montiert, das aufgrund der Rotation der Läuferwelle 7 durch nicht dargestellte Schlitze in der Gehäusehälfte 3 Umgebungsluft axial ansaugt und radial an dem schleifringseitigen Wickelkopf 23 der Ständerwicklung 15 vorbei durch radiale Auslaßöffnungen 24 nach außen befördert. Das an der antriebsseitigen Stirnseite der Klauenpolplatine 15 angeordnete Lüfterrad 20 saugt ebenfalls Umgebungsluft axial durch nicht dargestellte Schlitze in der Gehäusehälfte 4 an und bläst diese am vorderen Wickelkopf der Ständerwicklung 15 vorbei durch Auslaßöffnungen nach außen. Der Generator 1 ist also luftgekühlt. Die Stromversorgung der Läuferwicklung 17 erfolgt durch die Schleifringanordnung 12, von der je ein Schleifring mit einem Ende der Läuferwicklung 17 elektrisch verbunden ist. Auf der der Klauenpolplatine 18 abgewandten Seite des schleifringseitigen Lüfterrades 20 befindet sich etwas beabstandet das Schleifringlagerschild 25, in das in einer Ausnehmung 26 im Bereich der Lüfterschaufel 27 ein Regler 28 integriert ist. Der Regler 28 regelt den in der Läuferwicklung 17 fließenden Gleichstrom entsprechend dem Bedarf im Bordnetz eines Kraftfahrzeuges.
-
Der Regler 28 umfaßt in einem Regler-Gehäuse 29 einen im Querschnitt rechteckigen Chip-Träger 30 mit einem direkt darauf befestigten kleineren ebenfalls im Querschnitt rechteckigen Reglerchip 31. Die Befestigung des Reglerchips 31 erfolgt alternativ durch Kleben oder Löten. Der Chip-Träger 30 des Reglers 28 ist von einer seitlichen thermischen Isolation 33 umgeben. Das Regler-Gehäuse 29 ist durch eine Schutzkappe 34 verschlossen. Im Regler-Gehäuse 29 ist an der äußeren Stirnseite der Gehäusehälfte 3 eine Stecker-Baueinheit 35 mit einem Anschluß 36 angeordnet.
-
Bei dem Generator 1 befindet sich der Chip-Träger 30 in der Ausnehmung 26 des Schleifringlagerschildes 25, wobei der Chip-Träger 30 mit einer Kunststoffschicht, die die thermische Isolation 33 bildet, bezüglich des Schleifringlagerschildes 25 thermisch isoliert ist. Eine Aufheizung des Reglerchips 31 durch das Schleifringlagerschild 25 wird durch diese Isolation 33 verhindert. Die dem schleifringseitigen Lüfterrad 20 zugewandte Unterseite 21 des Chip-Trägers 30 ragt etwas aus der Ausnehmung 26 in den Innenraum des Generators 1. Zwischen dem in der Ausnehmung 26 angebrachten Chip-Träger 30 und der Läuferwelle 7 befindet sich im Schleifringlagerschild 25 eine separate Einsaug-Öffnung 37 für einen Kühlluft-Strom 22.
-
Die Kühlung des Reglerchips 31 erfolgt, indem der Kühlluft-Strom 22 durch die Einsaug-Öffnung 37 mittels des schleifringseitigen Lüfterrades 20 angesaugt und dann innen entlang des Schleifringlagerschildes 25 zu den Auslaß-Öffnungen 24 geblasen wird. Dabei passiert der Kühlluft-Strom 22 die Unterseite 21 des durch den Reglerchip 31 erhitzten Chip-Trägers 30. Der Chip-Träger 30 besteht aus diesem Grund aus einem stark wärmeleitenden Material. Aufgrund seiner thermischen Isolation 33 wird eine zu starke Erwärmung des Reglers 28 durch die Bauteiltemperatur des Schleifringlagerschildes 25 verhindert. Die Unterseite 21 des Chip-Trägers 30 ist unmittelbar an den Lüfterschaufeln 27 plaziert, da dort sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten und damit hohe Wärmeübergangskoeffizienten des Kühlluft-Stromes 22 auftreten. Da dort die Abwärme besonders gut abgegeben wird, wird eine effiziente Kühlung des Reglers 28 erreicht. Damit kann der Generator 1 für Anwendungen mit höheren Umgebungstemperaturen eingesetzt werden.
-
Eine Kühlung des Reglers 28 ist aufgrund dieser Anordnung ohne einen separaten Kühlkörper möglich, wodurch ein sehr kostengünstiger Regler 28 entsteht. Um den Kühleffekt noch zu verstärken, besteht zusätzlich die Möglichkeit, Kühlrippen am Chip-Träger 30 zur Oberflächenvergrößerung vorzusehen. Des weiteren ist der Reglerchip 31 auf einem Leadframe oder einer Stromschiene befestigt, die direkt im Kühlluft-Strom 22 verlaufen. Unter einem Leadframe werden in diesem Zusammenhang ursprünglich durch einen Rahmen miteinander verbundene Stromschienen verstanden. Die Kühlung des Reglerchips 31 wird aufgrund dieser Anordnung weiter verbessert.
-
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf 3 eine zweite nicht-erfindungsgemäße Ausführungsform beschrieben. Identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit einem hochgesetzten Strich.
-
Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich dahingehend, daß der Regler 28 durch zwei Abstandhalter 38 von dem Schleifringlagerschild 25' entfernt befestigt ist, wobei eine Befestigung auch mit mehr als zwei Abstandhaltern 38 erfolgen kann. Der Chip-Träger 30 des Reglers 28 ist also vor der im Bereich der Lüfterradschaufel 27 positionierten Einsaug-Öffnung 37' angeordnet, d. h. er ist außerhalb der Gehäusehälfte 3 positioniert. Der Kühlluft-Strom 22' wird durch die Einsaug-Öffnung 37' mittels des schleifringseitigen Lüfterrades 20 eingesaugt und dann radial durch die Auslaßöffnungen 24 ausgeblasen. Die Ausnehmung 26 bildet in diesem Ausführungsbeispiel die Einsaug-Öffnung 37'.
-
Die Kühlung wird dadurch erreicht, daß der Kühlluft-Strom 22' zuerst am Chip-Träger 30 vorbeiströmt, bevor er durch die Einsaug-Öffnung 37' zu dem Lüfterrad 20 geleitet wird. Der Chip-Träger 30 kann die Abwärme an die Kühlluft 22' von seiner Unterseite 21 und seitlich abgeben. Die umströmte Fläche des Chip-Trägers 30 ist im Vergleich zu der ersten Ausführungsform vergrößert, wodurch eine bessere Kühlung erreicht wird. Diese Ausführungsform ist vor allem dann heranzuziehen, wenn der Kühlluft-Strom 22' durch das schleifringseitige Lüfterrad 20 bereits zu stark erwärmt ist und eine Kühlung des Reglers 28 nicht mehr ausreichend erfolgen kann. Der Chip-Träger 30 ist also an einer Stelle angeordnet, an der die Geschwindigkeit des Kühlluft-Stromes 22' aufgrund der unmittelbaren Nähe zum stirnseitigen Lüfterrad 20 besonders hoch ist, wodurch eine effiziente Kühlung erreichbar ist.
-
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Identische Teile erhalten wieder dieselben Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit zwei hochgesetzten Strichen. Der Regler 28 ist mit seinem Chip-Träger 30 wieder in einer Ausnehmung 26 unmittelbar an den Lüfterradschaufeln 27 plaziert. Die Unterseite 21 des Chip-Trägers 30 ragt etwas in den Innenraum des Generators 1. Direkt an der der Läuferwelle 7 zugewandten Seite des Chip-Trägers 30 ist die Einsaug-Öffnung 37'' im Schleifringlagerschild 25'' angeordnet. Die thermische Isolation 33'' ist entlang der Einsaug-Öffnung 37'' nur über einen Teilbereich 39 der Seite 41 des Chip-Trägers 30 ausgebildet, wodurch eine Fläche 40 ohne der thermischen Isolation 33'' entsteht.
-
Die Kühlungsfunktion erfolgt in dieser Ausführungsform, indem der nicht erwärmte Kühlluft-Strom 22'' durch die Einsaug-Öffnung 37'' mittels des schleifringlagerseitigen Lüfterrades 20 axial eingesaugt und durch die Auslaßöffnungen 24 radial ausgeblasen wird. Da die Einsaug-Öffnung 37'' direkt an dem Chip-Träger 30 positioniert ist, wird bereits in der Einsaug-Öffnung 37'' Abwärme des Chip-Trägers 30 abgeführt. Des weiteren wird die parallel zu dem Lüfterrad 20 verlaufende Unterseite 21 ebenfalls von dem Kühlluft-Strom 22'' umströmt. Da die thermische Isolation 33'' an der Seite 41 verkürzt ausgebildet ist und der Kühlluft-Strom 22'' direkt an den Chip-Träger 30 an der Fläche 40 trifft, wird der Wärmeübergang in diesem Bereich noch verstärkt. Die Wärmeabgabe erfolgt in dieser Ausführungsform also an sowohl der unisolierten Fläche 40 als auch an der Unterseite 21 des Chip-Trägers 30 durch den Kühlluft-Strom 22''. Der Chip-Träger 30 ist wieder an einer Stelle angeordnet, an der die Geschwindigkeit des Kühlluft-Stromes 22'' besonders hoch ist. Die Längsabmessungen des Generators 1 sind bei dieser Ausführungsform im Vergleich zu der in 2 beschriebenen Ausführungsform um die Länge der Abstandhalter 38 verkürzt. Die Wärmeabgabe ist im Vergleich zu der in 1 dargestellten Ausführungsform aufgrund der größeren umströmten Fläche verbessert. Die Kühlung des Reglers 28 erfolgt durch teilweise erwärmte und nicht erwärmte Luft des Kühlluft-Stromes 22''.
