DE102005036462A1

DE102005036462A1 - Generator bzw. Starter-Generator mit eigenem Flüssig-Kühlkreislauf

Info

Publication number: DE102005036462A1
Application number: DE102005036462A
Authority: DE
Inventors: Jens Berkan
Original assignee: Satellite Gear Systems Ltd
Current assignee: Satellite Gear Systems Ltd
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2007-02-08

Abstract

Ein Generator bzw. Starter-Generator oder auch eine elektrische Hilfsmaschine zur Verwendung in Fahrzeugen mit einem eigenen, autonomen Kühlkreislauf mit einem Thermofluid, das auch Schmierungsaufgaben übernimmt. Vorzugsweise ist die Umwälzpumpe dieses Systems berührungslos angetrieben, so dass keine drehenden Teile mit Dichtringen benötigt werden, die in den Fluidraum hineingeführt werden.

Description

Herkömmliche riemengetriebene Generatoren bzw. Startergeneratoren in KFZ-Anwendungen sind üblicherweise in Klauenpolbauweise aufgebaut und für 12V (14V)-Bordnetzte ausgelegt. Vereinzelt sind Sonderbauformen der elektrischen Maschinen bekannt wie z. B. „Doppel-Klauenpol-Generatoren bzw. Startergeneratoren für Hochstrom-Anwendungen oder 36V-Anwendungen oder aber auch Prototypen auf Switched-Reluktance-Maschinenbasis (z. B. Speedstart der Fa. Visteon) oder auch Permanentmagnet erregte Maschinen oder auch Asynchron-Maschinen (z. B. Fa. Siemens).

Die bekannten und weit verbreiteten konventionellen Klauenpolgeneratoren sind üblicherweise derart aufgebaut, dass sich im hinteren Teil des Generators bzw. Startergenerators Komponenten befinden, die einerseits auf eine effiziente Kühlung angewiesen sind, andererseits selber signifikante Verlustwärme produzieren (z. B. Lager, hinterer Wickelkopf des Stators, Bürste-Schleifring-Garnitur zur Rotorerregung, Regler-Chip, Gleichricht-Dioden, sonstige Halbleiter).

Üblicherweise werden diese Maschinen heute luftgekühlt. Dies erfolgt derart, dass auf dem Rotor sowohl im vorderen Bereich als auch im hinteren Bereich des Stator-Wickelkopfes ein Lüfter angebracht ist, welcher bei Drehung des Generators bzw. Startergenerators die Kühlluft jeweils axial ansaugt und radial über die Wickelköpfe wieder ausbläst.

Vereinzelt sind auch wassergekühlte Maschinen bekannt, die an den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossen und in dessen Kühlwasserstrom integriert werden. Bei diesen Generatoren bzw. Startergeneratoren können die Lüfter teilweise entfallen, in jedem Fall aber signifikant verkleinert werden, was dem elektrischen Wirkungsgrad und der Geräuschemission zugute kommt.

Nachteile von diesem Stand der Technik:

Die elektrische Leistungsfähigkeit der Generatoren bzw. Startergeneratoren steigt immer weiter an, bei gleichem Bauraum. D. h. die spezifische Leistung und damit auch die spezifische thermische Belastung steigt ebenfalls weiter an. Generatoren bzw. Startergeneratoren mit einer elektrischen Leistung von bis zu 250 A (Peak) sind bereits in Entwicklung.

Die Statorwicklungen und insbesondere bei diesen die Wickelköpfe sind daher extremen thermischen Anforderungen ausgesetzt. Temperaturen bis zu ca. 280°C können kurzzeitig während des Betriebes auftreten und bei mehrmaligem Auftreten die Lebensdauer herabsetzen. Dies gilt umso mehr, als dass EU-weit auf neue Isolationen und Vergussmassen umgestellt werden muss, welche keine oder nur extrem wenig „Weichmacher" enthalten. Diese neuen Lacke können bei extremer thermischer Beanspruchung leichter zum Verspröden und damit zum Versagen der elektrischen Isolationsfähigkeit führen.

Bei luftgekühlten Generatoren müssen die eingesetzten Lüfter bei relativ geringer Drehzahl (üblicherweise im Bereich um ca. 3000 rpm) maximale Verlustwärme abführen. Da die Lüfterleistung mit der dritten Potenz der Drehzahl steigt, führt dies bei höheren Drehzahlen zu großen Lüfterverlusten und damit zu geringen generatorischen Wirkungsgraden.

Die Effizienz der Kühlung ist u. a. wesentlich abhängig von der Ansaugtemperatur der Kühlluft. Insbesondere neue Fahrzeuganforderungen wie z.B. Fußgängerschutz, Mehrstufenturbolader, Integration des Generators in den V-Raum von 6-, 8-,10, 12-Zylinder-V-Motoren, luftdicht gekapselte Motorräume etc. führen zu einer Verschiebung der Ansaugtemperaturen zu immer höheren Absolutwerten und Gesamtkollektiven.

So können heute Ansaugtemperaturen von bis zu 140°C erreicht werden. Hierbei sind die Einzel-Komponenten des Generators extremem thermischen Stress ausgesetzt. Diesem kompensatorisch wird i. A. ab einer Ansaugtemperatur oberhalb 120°C eine Verminderung der elektrischen Ausgangsleistung durch den Regler angestrebt. Derartige Schutzfunktionen verringern zwar die thermische Belastung der Komponenten, können aber gleichzeitig zu einer Destabilisierung des elektrischen Bordnetzes beitragen, da der Generator in der „Derating-Funktion" u. U. nicht mehr ausreichend elektrische Energie zur Verfügung stellt.

Hinzu kommt noch ein wesentlicher Aspekt, dass Generatoren zukünftig nicht mehr „quasi-stationär" kontinuierlich betrieben werden, sondern Abschaltfunktionen besitzen werden, die in bestimmten Betriebssituationen (z. B. Ortsverkehr) den Generator abschalten, um ihn dann Sekundenweise oder auch länger mit 100% Last zuzuschalten, um z. B. Bremsenergie zurück zu gewinnen. Diese thermische Wechselbeanspruchung stellt extreme Anforderungen an die thermisch-mechanische Dauerfestigkeit aller Komponenten.

Bei wassergekühlten Generatoren bzw. Startergeneratoren werden derartige Extrem-Temperaturen und Temperatur-Gradienten zwar vermieden, der Generator bzw. Startergenerator ist aber über seine gesamte Lebenszeit den Kühlwassertemperaturen ausgesetzt, was u. a. auch zu „Alterungsproblemen einzelner Komponenten führen kann. Teilweise werden klein dimensionierte Lüfter eingesetzt, um eine bessere Wärmeverteilung und damit Ableitung ins Kühlwasser zu erreichen.

In jedem Fall bedeutet die Anbindung des Generators oder Starter-Generators an den Motorkühlwasserkreislauf folgende wesentliche Nachteile:

• Zusätzliche Kosten für Verschlauchungen, Anbindungen, T-Stücke, erhöhter Wasserpumpenleistung
• Zusätzliches Risiko thermisch bedingter Motorschäden, da sich mehr potenzielle Kühlwasser-Leckagestellen im Fahrzeug befinden (Marderbiss, Versprödung etc.)
• Keine variable Tauschmöglichkeit mit alternativen Generator- bzw. Startergenerator-Anbietern, z. B. luftgekühlter Bauart. Daher hohes Unternehmens-Risiko, von einem einzigen Zulieferer abhängig zu sein
• Varianten- und Kostenmehrung, wenn an dem selben Motor entweder luftgekühlte oder wassergekühlte Komponenten verbaut werden sollen

Vorgeschlagene Maßnahmen und Neuerungen, um diese Nachteile zu beseitigen:

Es wird vorgeschlagen, derartige Generatoren flüssigkeitsgekühlt auszuführen nach folgendem Prinzip:

• Eigener, separater und geschlossener Kühlkreislauf der E-Maschine, in die E-Maschine integriert
• Einsatz eines Thermo-Fluids (Thermo-Öl) mit sehr niedriger Viskosität und niedrigem Viskositätsindex, um die Antriebsleistung für das Umwälzen des Thermo-Fluids zu minimieren. Weiterhin wird durch den Einsatz eines Thermo-Öls anstatt eines Kühlwassergemisches vermieden, dass sich bei Temperaturen oberhalb 100°C ein deutlich vergrößerter Dampfdruck und damit Systemdruck einstellt. Das eingesetzte Thermo-Öl muss ausreichende thermische Stabilität über die gesamte Lebensdauer aufweisen sowie ausreichende Korrosionsbeständigkeit und hervorragende tribologische Eigenschaften für die Schmierung beweglicher, in diesen Kreislauf integrierter Komponenten und Bauteile wie z. B. Pumpenteile oder Lager.

Weiterhin weist ein derart gestalteter Generator bzw. Startergenerator vorzugsweise folgende wesentliche Vorteile auf:

• Wärmetauscher wird auf der „kalten" Seite des Generators bzw. Startergenerators angeordnet. Dies ist üblicherweise die Vorderseite (Riemenseite), wo Kühllufttemperaturen mehrere 10°C geringer sein können, als auf der hinteren Seite des Generators bzw. Startergenerators.
• Lässt auf der hinteren Seite des Generators bzw. Startergenerators das Package keinen ungestörten Kühlluftstrom zu (z. B. Anordnung im V-Raum) oder ist räumliche Nähe zu extrem heißen Abgaskrümmern, Turboladern etc. gegeben, so ist vorzugsweise in diesen Bereichen der Generator bzw. Startergenerator thermisch zu isolieren und zu kapseln, um einen Wärmeeintrag von außen zu minimieren. Dies wird möglich, da im Gegensatz zu konventionellen luftgekühlten Systemen bei dem vorgeschlagenen Thermo-Fluid gekühlten System in diesen Bereichen prinzipbedingt kein Wärmeaustausch durch Kühlluft mit der Umgebung zur Kühlung von Teilen des Generators bzw. Startergenerators mehr erforderlich ist.
• Die Versorgung und Durchströmung des Generators bzw. Startergenerators mit dem Thermo-Fluid erfolgt derart, dass sowohl die Antriebspumpe, die Strömungskanäle, die Wärmeübertragungsflächen, lokale Stellen einer Volumenvergrößerungen zur Erhöhung lokaler Wärmekapazitäten an kritischen Komponenten (durch die „thermische Trägheit" wird die Bauteilebeanspruchung durch Temperaturschwankungen und damit verbundenen mechanischen Spannungen minimiert) etc. im Bezug auf den Wärmehaushalt des Gesamtsystems optimiert sind. Insbesondere ist hierbei der Gesamtwirkungsgrad des Systems zu berücksichtigen sowie die Verfügbarkeit für den Kunden und die Lebensdauereinflüsse der sich einstellenden Temperaturkollektive.
• Der einzusetzende Lüfter, der für eine optimale Luftdurchströmung des Luft/Thermo-Fluid-Wärmetauschers erforderlich ist, folgt als Strömungsmaschine den o.g. Verlustparabeln bez. kubischen Verläufen in Abhängigkeit der Drehzahl. Daher ist er vorzugsweise derart zu optimieren, dass bei der Auslegung im Vergleich zu konventionellen luftgekühlten Systemen die erhöhte Wärmekapazität und damit thermische Trägheit des Flüssig-Kühlkreislaufs mit berücksichtigt wird. Unter Berücksichtigung typischer Lastkollektive (Strom, Temperatur, Drehzahl) sowie einer realen Motor-Fahrzeug-Umgebung resultiert hieraus ein kleiner dimensionierter Lüfter, im direkten Vergleich zu konventionellen luftgekühlten Systemen. Damit sinken im direkten Vergleich zu konventionellen luftgekühlten Systemen die Lüfterverluste und die Geräuschemissionen. Gleichzeitig wird der Gesamtwirkungsgrad des Systems erhöht.
• In den Kühlkreislauf des Thermo-Fluids (Öl) werden vorzugsweise bestimmte Komponenten des Generators bzw. Startergenerators mit integriert, um neben dessen thermischen Eigenschaften die schmierungstechnischen Eigenschaften im Sinne der Optimierung des Gesamtsystems mit zu nutzen. Kugellager müssen nicht mehr zwangsweise, wie bei konventionellen Generatoren üblich, separat gekapselt und fettgeschmiert ausgeführt werden, sondern sie können als ölgeschmierte Bauteile ausgeführt direkt mit in den Kühlkreislauf des Thermo-Fluids (Öl) integriert werden, insofern die tribologischen Eigenschaften des gewählten Termo-Öls den jeweiligen Anforderungen genügen. Hierdurch ergeben sich nennenswerte Kostenvorteile sowie konstruktive Freiheitsgrade für die Systementwicklung.
• Wird von der o.g. Option abgesehen, ist der Kühlkreislauf des Thermo-Fluids vorzugsweise derart auszuführen, dass er in sich hermetisch geschlossen ist; d. h. es sind keine Wellendurchführungen und Abdichtungen etc. vorhanden. Die notwendige Umwälzpumpe für das Thermo-Fluid wird vorzugsweise berührungslos über einen magnetischen Übertrager (z. B. Permanentmagnete auf der Rotorwelle) durch das Gehäuse angetrieben werden. Die Förderpumpe kann dabei nach dem Synchronprinzip arbeiten, indem auf ihrer Wellenbohrung ebenfalls Permanentmagnete angeordnet sind oder nach dem Asynchronprinzip, indem der Bereich der Wellenbohrung elektrisch leitend ausgeführt wird. Die Anordnung der Pumpe innerhalb des Generators bzw. Startergenerators erfolgt beliebig (vorne, hinten) und sie kann beispielsweise in Radial- oder Axialbauweise erfolgen.

Welche Vorteile bringen diese vorgeschlagene Maßnahmen:

• Flüssigkeitsgekühlter Generator bzw. Startergenerator mit allen Vorteilen dieser Bauart (s.o.), aber unter Entfall der o.g. Nachteile luftgekühlter Systeme
• Höhere thermische Stabilität der Komponenten insbesondere bei zyklischer Beanspruchung
• Höhere Verfügbarkeit der elektrischen Leistung unter heißen Motorraumbedingungen
• Kompatibel zu luftgekühlten Systemen, daher Mehrlieferantenstrategie für Automobilhersteller möglich
• Verringerte (System-) Kosten durch Entfall von Kühlwasseranschluss bzw. Variantenmehrung, Verbau preiswerter Komponenten wie z. B. thermisch nicht stabilisierte, ölgeschmierte Kugellager anstatt fettgeschmierter Hochtemperaturkugellager
• Einsatz für thermisch höchst beanspruchte Motorräume (V-Raum etc.) und unter ungünstigen Packagebedingungen

Claims

Flüssigkeitsgekühlter Generator, vorzugsweise zur Verwendung in Fahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator einen eigenen, vom Motor und Fahrzeug unabhängigen Kühlkreislauf aufweist, der in die E-Maschine integriert ist.
Flüssigkeitsgekühlter Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der Kühlkreislauf sowohl den Generator als auch die zugehörige Regelelektronik kühlt.
Flüssigkeitsgekühlter Generator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Kühlkreislauf aus einem Kühlmittel, einer Kühlmittelpumpe, einem Luft/Kühlmittel-Wärmetauscher, vorzugsweise mit einem Fühlfan besteht.
Flüssigkeitsgekühlter Generator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Wärmetauscher ein Oberflächenkühler ist.
Flüssigkeitsgekühlter Generator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das Kühlmittel ein Thermo-Öl bzw. Thermo-fluid ist.
Flüssigkeitsgekühlter Generator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass mit dem Thermofluid gleichzeitig die Aufgabe der Schmierung der Lager und aller sonstiger Bauteile mit Gleit- oder Gleitwälzkontakt erfüllt wird.
Flüssigkeitsgekühlter Generator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das gesamte Raumvolumen des Thermofluides in sich geschlossen ist, ohne Dichtungen zu bewegten Teilen.
Flüssigkeitsgekühlter Generator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Umwälzpumpe des Thermofluides berührungslos angetrieben wird, so dass eine Abdichtung drehender Wellen zwischen Fluidraum und Umgebung nicht benötig wird.
Flüssigkeitsgekühlter Generator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Umwälzpumpe des Thermofluides durch Permanentmagnete oder andere berührungslose Kupplungselemente direkt von der Generatorwelle angetrieben wird.
Flüssigkeitsgekühlter Generator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Umwälzpumpe als Synchron- oder Asynchronmaschine von der Generatorwelle angetrieben wird.
Flüssigkeitsgekühlter Generator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Wärmetauscher an der kalten, der Regelelektronik abgewandten Seite angeordnet ist.
Flüssigkeitsgekühlter Generator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Generator auch als Starter, Hilfsantrieb, Rekuperationsgenerator oder Antrieb anderer Hilfs- und Nebenaggregate eingesetzt wird.