DE102009045218A1

DE102009045218A1 - Elektrische Maschine mit Leistungselektronik

Info

Publication number: DE102009045218A1
Application number: DE102009045218A
Authority: DE
Inventors: David Robert Livonia Mulligan; Ian Forster
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2010-05-06
Also published as: GB2463916B; GB2463916A8; GB0817860D0; GB2463916A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektromotor- oder Generatorbaugruppe und insbesondere einen Elektromtor oder Generator mit einem Leistungselektronikgehäuse zum Bereitstellen eines elektrischen Stroms zum Ansteuern des Motors oder zum Abnehmen eines elektrischen Stroms von dem Generator. Die elektrische Maschinenbaugruppe (1) umfasst ein Gehäuse (2), eine elektrische Maschine (6), die in dem Gehäuse untergebracht ist, und eine Leistungselektronik-Baugruppe (12), die eine oder mehrere Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen (18) umfasst, um den elektrischen Strom zu schalten, welcher der elektrischen Maschine zugeführt wird oder davon entnommen wird. Die elektrische Maschine (6) ist elektrisch an eine Vielzahl von elektrischen Anschlüssen (24) angeschlossen, die sich durch das Gehäuse (2) hindurch erstrecken, um eine externe elektrische Verbindung mit der elektrischen Maschine herzustellen, und an die Leistungselektronik-Baugruppe (12), die eine Leiterplatte (14) umfasst, auf deren erster Seite (15) die Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen (18) in einem Randabschnitt der Leiterplatte (14) montiert sind. Die Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen (18) sind in einem Randabschnitt der Leiterplatte (14) montiert. Die Vielzahl der elektrischen Anschlüsse (24) ist elektrisch an einen mittleren Abschnitt der Leiterplatte (14) angeschlossen. Die zweite Seite (16) der Leiterplatte ist an einen externen Abschnitt (10) des Gehäuses (2) angefügt, so dass das Gehäuse als ...

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
a. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektromotor- oder Generatorbaugruppe und insbesondere einen Elektromotor oder Generator mit einem Leistungselektronikgehäuse zum Bereitstellen eines elektrischen Stroms zum Ansteuern des Motors oder zum Abnehmen eines elektrischen Stroms von dem Generator.
b. Verwandte Technik
Die Verwendung von Hochleistungselektromotoren wird bei Kraftfahrzeugen aufgrund der Fortschritte in der Halbleitertechnologie und der notwendigen Verbesserung der Kraftstoffeinsparung und Fahrzeugleistung immer geläufiger Beispiele umfassen die Verwendung von Elektromotoren in Hybridfahrzeugen, um auf der Straße laufende Räder mit Energie zu versorgen, und die Verwendung von Anlassern für Hochleistungsmotoren in Fahrzeugen, bei denen der Motor jedes Mal ausgeschaltet wird, wenn das Fahrzeug still steht. Der typische Stromverbrauch derartiger Hochleistungselektromotoren liegt im Bereich von 2 kW bis 20 kW. Die elektrische Leistung zum Betreiben derartiger Elektromotoren kann mit 12 bis 400 Volt DC bereitgestellt werden.
Ein Fahrzeuganlasser dient üblicherweise auch als motorgetriebener Generator. Ähnlich dienen in einem Hybridfahrzeug die Elektromotoren der Räder als elektrische Generatoren, wenn das Fahrzeug bremst. Der Begriff „elektrische Maschine”, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, bezieht sich sowohl auf Elektromotoren als auch auf Generatoren.
In der Ansteuerungselektronik ist es bei jeder elektrischen Hochleistungsmaschine notwendig, hohe Ströme in die Spulen der Maschine in einer geeigneten Reihenfolge zu schalten, um die Maschine mit Energie zu versorgen. Die Halbleiterschalter, die normalerweise verwendet werden, um die hohen Ströme zu schalten, werden normalerweise direkt auf eine Wärmesenke montiert, um die Wärme abzuleiten, die innerhalb der Halbleiterleistungsschalter erzeugt wird. Die Steuerungselektronik zum Steuern des Schaltens der Halbleiterleistungsschalter ist auf einer separaten Leiterplatte montiert, die an die Halbleiterleistungsschalter mittels eines unbiegsamen Steckverbinders oder eines biegsamen Leiterplattensteckverbinders angeschlossen werden kann.
Obwohl diese Anordnung einen mühelosen Zugriff auf die diversen Leiterplatten und Bauteile gibt, ist, wenn es jemals notwendig sein sollte, die Leistungselektronik zu reparieren oder zu ersetzen, die Baugruppe aus Leistungswandler, Steuerungselektronik und Wärmesenke relativ kostspielig.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine praktischere und kostengünstigere elektrische Maschinenbaugruppe bereitzustellen, die einen Elektromotor oder einen Generator und eine Leistungselektronik zum Ansteuern des Elektromotors oder des Generators umfasst.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß wird eine elektrische Maschinenbaugruppe bereitgestellt, die ein Gehäuse, eine elektrische Maschine, die in dem Gehäuse untergebracht ist, und eine Leistungselektronik-Baugruppe, die einen oder mehrere Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen zum Schalten des elektrischen Stroms, welcher der elektrischen Maschine zugeführt oder von dieser abgenommen wird, umfasst, wobei die elektrische Maschine elektrisch an eine Vielzahl von elektrischen Anschlüssen angeschlossen ist, die sich durch das Gehäuse erstrecken, um eine externe elektrische Verbindung mit der Leistungselektronik-Baugruppe herzustellen, die eine Leiterplatte umfasst, auf deren erster Seite die Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen montiert sind, wobei:

– die Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen in einem Randabschnitt der Leiterplatte montiert sind;
– die Vielzahl der elektrischen Anschlüsse elektrisch an einen mittleren Abschnitt der Leiterplatte angeschlossen ist; und
– die zweite Seite der Leiterplatte an einen externen Abschnitt des Gehäuses angefügt ist, so dass das Gehäuse als erste Wärmesenke für die Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen dient.

Die Baugruppe stellt eine platzsparende und robuste Anordnung der Baugruppe aus elektrischer Maschine und Leistungselektronik bereit und verwendet das Material des Gehäuses als Wärmesenke für die Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen.
Die Leiterplatte kann mit Wärmepfaden zwischen den ersten und zweiten Seiten der Platte gebildet sein, um zur Leitung der Wärme von der ersten Seite der Platte zur zweiten Seite der Platte beizutragen. Die Bereiche auf der Platte, die über diese Wärmepfade verfügen, leiten bevorzugt Wärme von einer Seite der Platte zur anderen im Vergleich zu anderen Bereichen, die nicht über diese Pfade verfügen. Die Wärmepfade können Durchkontaktierungen in der Leiterplatte sein.
Die zweite Seite der Leiterplatte kann mit einem externen Abschnitt des Gehäuses mittels einer Wärmeleitpaste kontaktiert werden. Diese Kontaktierung sorgt für ein sicheres Zusammenfügen und verwendet auch die thermisch wirksame Masse des Gehäuses als Wärmesenke für die Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen.
Das Gehäuse hat eine im Wesentlichen zylindrische Form, die sich an einer Achse der elektrischen Maschine entlang erstreckt, und die Leiterplatte ist an eine externe Endfläche des Gehäuses angefügt, die sich quer zur Achse erstreckt. In diesem Fall ist die Leiterplatte bevorzugt rund.
Die Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen werden bevorzugt in einem ringförmigen Randabschnitt der Leiterplatte montiert. Dies trägt dazu bei, die Vorrichtungen soweit wie möglich auseinander zu halten, und maximiert den Bereich der Baugruppe, von dem Wärme über eine oder mehrere Wärmesenken abgenommen werden kann.
Das Gehäuse kann einen oder mehrere Kanäle umfassen, um ein Kühlmittel in die Baugruppe zu befördern, die mindestens einen Kanal in der Nähe des externen Abschnitts des Gehäuses umfasst, an den die Leiterplatte angefügt ist. Das Kühlmittel kann dazu dienen, sowohl die elektrische Maschine als auch die Leistungselektronik-Baugruppe abzukühlen.
Es kann auch eine zweite Wärmesenke in Kontakt mit den Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen auf der ersten Seite der Leiterplatte verwendet werden. Es kann sich um eine passive Wärmesenke handeln, die eine große Mantelfläche aufweist, die durch Rippen bereitgestellt wird, von denen überschüssige Wärme durch Konvektion an die Luft übertragen werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschinenbaugruppe nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einer elektrischen Maschine, die in einem Gehäuse untergebracht ist, und einer Leistungselektronik-Baugruppe, die extern an einem Ende des Gehäuses montiert ist; und
2 ein Querschnitt durch einen Teil der Leistungselektronik-Baugruppe und des Gehäuses aus 1.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 und 2 zeigen eine elektrische Maschinenanordnung 1, die bei diesem Beispiel eine Generator/Anlasser-Baugruppe für ein Kraftfahrzeug ist. Die Baugruppe basiert auf einem Gehäuse 2, von dem ein Teil aufgeschnitten gezeigt wird, um die Wicklungen 4 einer elektrischen Maschine 6 freizulegen, die in dem Gehäuse gehalten werden. Die elektrische Maschine 6 dient als Generator, um elektrischen Strom zu erzeugen, um eine (nicht gezeigte) Batterie aufzuladen, und als Anlasser für einen (nicht gezeigten) Verbrennungsmotor.
Das Gehäuse 2 ist im Allgemeinen zylindrisch geformt und erstreckt sich entlang einer Achse 8. Das Gehäuse 2 hat eine im Wesentlichen flache Endfläche 10, die sich quer zur Achse 8 erstreckt, auf der eine Leistungselektronik-Baugruppe 12 montiert ist. Die Leistungselektronik-Baugruppe basiert auf einer Leiterplatte 14, die über eine mittlere dielektrische Schicht verfügt, die zwischen einem Paar bedruckter leitfähiger Schichten 15, 16 eingeschoben ist, die (nicht gezeigte) Leiterbahnen umfassen, um elektrischen Strom zu übertragen.
Eine gewisse Anzahl von Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen 18 ist um den kreisförmigen Umfang der Platte 14 herum montiert und dient zusammen mit anderen Schaltungselementen, zu denen ein Mikrokontroller 20 in einem mittleren Abschnitt der Platte gehört, als Steuergerät für den Strom, der von der elektrischen Maschine 6 erzeugt oder dieser zugeführt wird. Die Leistungs- und Steuerungs-Halbleitervorrichtungen 18, 20 sind bevorzugt oberflächenmontierte Vorrichtungen, die elektrisch genau an die Außenseite 15 der Platte 14 angeschlossen sind.
Die Schichten 15, 16 sind unter jeder der Leistungsschaltvorrichtungen 18 in getrennten Gitteranordnungen 22 zusammengefügt, so dass die von den Vorrichtungen erzeugte Wärme wirksam von der Schicht 15, auf der die Vorrichtungen montiert sind, zu der gegenüberliegenden Schicht 16 geleitet wird, die der Endfläche 10 des Gehäuses zugewandt ist.
Die elektrische Maschine 6 umfasst eine Vielzahl von elektrischen Anschlüssen 24, die sich durch das Gehäuse 2 erstrecken. Mindestens einige dieser Anschlüsse 24 sind elektrisch an einen mittleren Abschnitt der Leiterplatte 14 angeschlossen, aber einige können von der Platte abstehen, um externe elektrische Anschlüsse herzustellen.
Die Innenseite 16 der Leiterplatte ist an die externe Fläche 10 des Gehäuses angefügt, so dass das Gehäuse als erste Wärmesenke für die Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen 18 dient.
Die leitfähigen Schichten 15, 16, die auf den gegenüberliegenden Seiten der Platte 14 metallisiert sind, sind durch einen zwischengeschalteten Isolierstoff 28 getrennt. Die Dicke jeder der metallisierten Schichten 15, 16 ist größer als die Dicke der zwischengeschalteten Isolierschicht 28. Dies trägt dazu bei, die Fähigkeit der Platte zu maximieren, Wärme von der Halbleitervorrichtung 18 weg und zum Gehäuse 2 hin zu leiten.
Die Leistungselektronik-Baugruppe 12 ist thermisch mit der Gehäuseendfläche 10 mittels einer dünnen Schicht aus Wärmeleitpaste 30 kontaktiert. Das Gehäuse kann auch mittels einer oder mehrerer Schrauben 32 befestigt werden.
2 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil der Leistungselektronik-Baugruppe 12 und das Gehäuse 2. 2 zeigt auch einen Kanal 34 zum Befördern eines Kühlmittels innerhalb der Baugruppe, in der Nähe des externen Abschnitts 10 des Gehäuses, an das die Leiterplatte 14 angefügt ist. Der Kühlmittelkanal 34 dient daher dazu, überschüssige Wärme sowohl von der elektrischen Maschine 6 als auch von der Leiterplatte 14 zu entfernen.
Wahlweise kann eine passive Wärmesenke, die (nicht gezeigte) Kühlrippen umfasst, sich mit den oberen Seiten 36 der Halbleitervorrichtungen 18, 20 in physikalischem Kontakt befinden.
Die oben beschriebene Anordnung ist besonders platzsparend, da sowohl die Steuerungs- als auch die Leistungselektronik sich auf derselben Platte befinden, zusammen mit den elektrischen Anschlüssen für die elektrische Maschine. Es wird eine Gitteranordnung aus Durchkontaktierungen bereitgestellt, um bevorzugt Wärme von unterhalb jeder Leistungshalbleitervorrichtung in die durch das Gehäuse bereitgestellte Wärmesenke zu leiten. Die Erfindung stellt daher eine praktische und kostengünstige elektrische Maschinenbaugruppe bereit, die einen elektrischen Motor oder Generator und eine Leistungselektronik zum Ansteuern des Elektromotors oder Generators umfasst.

Claims

Elektrische Maschinenbaugruppe, umfassend ein Gehäuse, eine elektrische Maschine, die in dem Gehäuse untergebracht ist, und eine Leistungselektronik-Baugruppe, die einen oder mehrere Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen zum Schalten des elektrischen Stroms, welcher der elektrischen Maschine zugeführt oder davon entnommen wird, wobei die elektrische Maschine elektrisch an eine Vielzahl von elektrischen Anschlüssen angeschlossen ist, die sich durch das Gehäuse hindurch erstrecken, um eine externe elektrische Verbindung mit der Leistungselektronik-Baugruppe herzustellen, die eine Leiterplatte umfasst, auf deren erster Seite die Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen montiert sind, wobei: – die Halbleiter-Leistungsumformvorrichtungen in einem Randabschnitt der Leiterplatte montiert sind; – die Vielzahl der elektrischen Anschlüsse elektrisch an einen mittleren Abschnitt der Leiterplatte angeschlossen ist; und – die zweite Seite der Leiterplatte an einen externen Abschnitt des Gehäuses angefügt ist, so dass das Gehäuse als erste Wärmesenke für die Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen dient.
Elektrische Maschinenbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Leiterplatte mit Wärmepfaden zwischen den ersten und zweiten Seiten der Platte gebildet ist, um zur Leitung der Wärme von der ersten Seite der Platte zur zweiten Seite der Platte beizutragen.
Elektrische Maschinenbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Seite der Leiterplatte mit einem externen Abschnitt des Gehäuses mittels einer Wärmeleitpaste kontaktiert wird.
Elektrische Maschinenbaugruppe gemäß den vorhergehenden Ansprüchen, wobei das Gehäuse eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist, die sich an einer Achse der elektrischen Maschine entlang erstreckt, und die Leiterplatte an eine externe Endfläche des Gehäuses angefügt ist, die sich quer zur Achse erstreckt.
Elektrische Maschinenbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen in einem ringförmigen Umfangsabschnitt der Leiterplatte montiert sind.
Elektrische Maschinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse einen oder mehrere Kanäle umfasst, um ein Kühlmittel innerhalb der Baugruppe zu befördern, die mindestens einen Kanal in der Nähe des externen Abschnitts des Gehäuses umfasst, an den die Leiterplatte angefügt ist.
Elektrische Maschinenbaugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zusätzlich umfassend eine zweite Wärmesenke, wobei die zweite Wärmesenke mit den Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen auf der ersten Seite der Leiterplatte in Kontakt steht.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte einen kreisförmigen Umriss aufweist, wobei die Halbleiter-Leistungsschaltvorrichtungen in einem kreisförmigen Muster um die Außenseite der Leiterplatte herum montiert sind.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte eine leitfähige Schicht, die auf den ersten und zweiten Seiten metallisiert ist, und eine zwischengeschaltete Isolierschicht zwischen den metallisierten Schichten aufweist, wobei die Dicke jeder der metallisierten Schichten größer ist als die Dicke der zwischengeschalteten Isolierschicht.
Elektrische Maschinenbaugruppe, im Wesentlichen wie hier mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben oder darin gezeigt.