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Die Erfindung betrifft ein Lagerschild für einen Kraftfahrzeuggenerator zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie oder reversibel ausgeführt zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Weiter betrifft die Erfindung eine Lagerschild-Schaltungs-Einrichtung für einen Kraftfahrzeuggenerator zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie oder reversibel ausgeführt zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
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Zudem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeuggenerator zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie oder reversibel ausgeführt zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Kraftfahrzeuggenerator zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie oder reversibel ausgeführt zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie mit einer Lagerschild-Schaltungs-Einrichtung mit einem Lagerschild nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Kraftfahrzeuggeneratoren, insbesondere Gleichstromkraftfahrzeuggeneratoren wie z. B. Klauenpolgeneratoren mit Gleichrichtern zur Gleichspannungsversorgung von Bordnetzen von Kraftfahrzeugen.
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Aus dem Stand der Technik sind Generatoren zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie im Kraftfahrzeug bekannt. Üblich ist der Einsatz von Generatoren, die mit einer elektrischen Erregung ausgestattet sind. Diese Generatoren erzeugen Drehstrom, der über einen Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt wird, um diesen Strom in Gleichspannungsbordnetzen von Kraftfahrzeugen zu nutzen. Derartige Gleichrichter basieren üblicherweise auf einer Halbleiterdioden-Technik. Darüber hinaus sind Gleichrichter auf Basis von ansteuerbaren Schaltern, meist MOSFETs bekannt. Derartige Gleichrichter werden auch als Synchrongleichrichter bezeichnet. Die Gleichrichter auf Basis einer Halbleiterdioden-Technik weisen gegenüber den Gleichrichtern auf Basis von ansteuerbaren Schaltern einen geringeren Wirkungsgrad auf, sodass vermehrt Gleichrichter auf Basis von ansteuerbaren Schaltern zum Einsatz kommen. Der Synchrongleichrichter ist mechanisch und elektrisch mit den mechanischen Teilen des Generators, beispielsweise mit dem Lagerschild, verbunden. Derartige Synchrongleichrichter weisen zudem einen höheren Ansteuerungsaufwand mit entsprechend höherem elektrischen Schaltungsaufwand gegenüber Diodengleichrichtern auf.
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Aus dem Stand der Technik sind deshalb Generatoren bekannt, bei denen ein Synchrongleichrichter über ein zusätzliches, separates Werkstück mit dem Lagerschild oder mechanischen Teilen des Generators verbunden ist. Dieses separate Werkstück umfasst einen Kühlkörper oder ist selbst als Kühlkörper ausgebildet, um die Wärmeentwicklung und -übertragung des Gleichrichters zu reduzieren und damit einen hohen Wirkungsgrad zu sichern.
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Aus der
DE 10 2004 058 661 A1 ist ein Lagerschild für eine elektrische Maschine mit einer als Außenseite und einer als Innenseite vorgesehenen Fläche bekannt, wobei auf der als Innenseite vorgesehenen Fläche Wärmeübertragungsflächen vergrößernde Kühlstrukturen angeordnet sind. Aus dem Stand der Technik ist somit eine integrierte, das heißt einteilige, Ausbildung von Generatorteilen und Kühlkörpern bekannt.
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Das Lagerschild gemäß der
DE 10 2004 058 661 A1 ist für Gleichrichter mit Diodentechnik ausgelegt, sodass an die Kühlung geringere Anforderungen als an Anwendungen mit Synchrongleichrichtern gestellt sind. Entsprechend ist die Kühlung für eine Diodentechnik ausgelegt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Lagerschild, die erfindungsgemäße Lagerschild-Schaltungs-Einrichtung und der erfindungsgemäße Kraftfahrzeuggenerator mit den Merkmalen des entsprechenden Hauptanspruches oder des entsprechenden nebengeordneten Anspruches haben dem gegenüber den Vorteil, dass diese für einen Synchrongleichrichter, beispielsweise auch einen reversiblen Synchrongleichrichter, optimiert ausgelegt sind. Insbesondere ist eine möglichst große unterbrechungsfreie Aufnahmefläche für einen Synchrongleichrichter oder auch reversiblen Synchrongleichrichter realisiert, die eine entsprechend hohe Wärmeübertragung ermöglicht. Die Aufnahmefläche ist entsprechend luftdurchgangsöffnugnsfrei ausgebildet. Entsprechend ist für eine Luftkühlung eine Umlenkung des Kühlmittelstroms realisiert. Der Kühlmittelstrom ist entsprechend gelenkt, sodass trotz der relativ großen Aufnahmefläche eine optimierte Luftkühlung realisiert ist, die für einen mit dem Synchrongleichrichter oder reversiblen Synchrongleichrichter verbundenen erhöhten Wärmeausgleich geeignet ist. Der Kühlmittelstromeintritt erfolgt seitlich, sodass die bodenseitige Aufnahmefläche nicht beeinträchtigt ist. Eine Umlenkung zur optimierten Anströmung der Kühlkörper erfolgt mit einem geeigneten Trennelement. Zur Kühlung weist das Lagerschild mindestens eine Luftdurchgangsöffnung auf, um Kühlluft zu dem Kühlkörper zu führen. Das Kühlmittel wird mittels Ansaugen in das Lagerschild bewegt. Das Ansaugen der Kühlluft erfolgt mit einer entsprechenden Ansaugeinrichtung. Der Kühlkörper ist geschützt an einer Innenfläche des Lagerschilds angeordnet, sodass dieser nach außen geschützt ist. Dabei ist der Kühlkörper so ausgebildet, dass dieser leicht mit Kühlluft an- oder umströmbar ist. Der Kühlkörper weist vorzugsweise mehrere Kühlelemente unterschiedlichster Geometrien auf, wie Kühlrippen; Kühlpins oder dergleichen. Zudem können mehrere Kühlkörper vorgesehen sein. Um eine optimale Kühlung bei gleichzeitig optimierter Anbindungsmöglichkeiten für den Synchrongleichrichter bzw. reversiblen Synchrongleichrichter zu realisieren, ist die mindestens eine Luftdurchgangsöffnung an einem Umfangsabschnitt des Lagerschildes ausgebildet, sodass ein Bodenabschnitt des topfförmigen Lagerschildes im Wesentlichen luftdurchgangsöffnungsfrei ausgebildet ist. Der Bodenabschnitt lässt sich so im Wesentlichen vollständig zur Anbindung des Synchrongleichrichters oder reversiblen Synchrongleichrichters nutzen, ohne dass eine Anbindungsfläche, hier die Außenfläche, durch Luftdurchgangsöffnungen reduziert ist. Der mindestens eine Kühlkörper ist einteilig mit einem Lagerschild ausgebildet, sodass kein zusätzliches, separates Bauteil zur Anbindung und/oder zur Kühlung des Synchrongleichrichters oder reversiblen Synchrongleichrichter an das Lagerschild erforderlich ist. Hierdurch fallen zusätzliche Fügeschritte bei der Herstellung oder Montage des Generators weg. Lagerschild und Kühlkörper bilden einheitlich einen Minuspol. Dadurch, dass das Lagerschild und der Kühlkörper als einteiliger Minuspol ausgebildet sind, ist die Anbindung des Synchrongleichrichters weniger aufwendig. Durch die integrative Auslegung ist zudem eine einfache Minimierung und Herstellung der Komponenten möglich. Die Erfindung ist insbesondere zur Anwendung in Generatoren vorgesehen. Die Generatoren können dabei beliebig ausgebildet sein, beispielsweise als elektrisch erregerter Generator, als über eine Pulsweitenmodulation gesteuerter Generator, als Permanentmagnet-Synchronmotor oder dergleichen. Der Generator ist in einer Standardbetriebsweise oder in einer reversiblen Betriebsweise einsetzbar.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen und nebengeordneten Ansprüchen vorgegebenen Vorrichtungen möglich.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Kühlkörper einteilig mit dem Lagerschild ausgebildet ist. Sind mehrere Kühlkörper ausgebildet, so sind diese ebenfalls einteilig mit dem Lagerschild ausgebildet. Hierdurch ist die Teileanzahl wirkungsvoll reduziert und die Montage des Generators deutlich vereinfacht.
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Zudem ist es vorteilhaft, dass an der Innenfläche ein Lagesitz ausgebildet ist. Der Lagersitz kann vorzugsweise durchgangsöffnungsfrei ausgebildet, sodass die Außenfläche zur Aufnahme des Synchrongleichrichters oder des reversiblen Synchrongleichrichters nicht beeinträchtigt ist. Über den Lagersitz ist das Lagerschild einfach an eine entsprechende Welle anbindbar. Alternativ kann dieser Lagersitz mit einem Durchgang versehen sein, wodurch sich eine Verringerung der Außenfläche zur Aufnahme des Synchrongleichrichters ergibt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass an einer der Innenfläche gegenüberliegenden Außenfläche ein Aufnahmeabschnitt zur Aufnahme einer Leistungselektronik ausgebildet ist. Der Aufnahmeabschnitt erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Außenfläche des Lagerschilds. Auf diese Weise können flache Komponenten eines Synchrongleichrichter an dem Lagerschild angebracht werden, was eine flache Bauweise ermöglicht und eine große Fläche für eine Wärmeübertragung bietet.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Aufnahmeabschnitt zur direkten Kontaktierung der Leistungselektronik eine Profilierung auf. Die Profilierung umfasst Vertiefungen, Ausnehmungen, Anhebungen und/oder Durchbrüche zur Aufnahme von Verbindungselementen und Teile des Synchrongleichrichters wie Schrauben, Nieten, elektrische Verbindungselemente und dergleichen. Durch eine Profilierung ist eine Anpassung an eine entsprechende, bevorzugt komplementäre, Kontur des Synchrongleichrichters realisierbar. Auf diese Weise ist eine einfache und fehlerreduzierte Montage des Synchrongleichrichters an dem Lagerschild ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass bei einer Lagerschild-Schaltungs-Einrichtung für einen Kraftfahrzeuggenerator zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, umfassend eine Lagerschildeinheit und eine Leistungselektronik zur Bildung eines aktiven Gleichrichters oder reversiblen aktiven Gleichrichters, vorgesehen ist, dass die Lagerschildeinheit als ein erfindungsgemäßes Lagerschild ausgebildet ist. Insbesondere umfasst die Leistungselektronik eine Beschaltung mit teilweise isolierenden Schichtaufbau zur Verdrahtung und Befestigung der elektrischen Bauelemente, wie beispielsweise IMS (isolierte Metall-Substrate oder insulated metall substrate), DBC-Substrate (direct copper bonded), LTCC-Substrate (low temperature co-fired ceramics) und andere Substrartechnologien, Bonds sowie Aufbauelemente wie Leiterplatten, Stanzgitter mit Einlegeteilen und dergleichen. Die Leistungselektronik ist direkt auf dem Lagerschild angeordnet, wobei das Lagerschild vorzugsweise zumindest in dem Anbindungsbereich Metall umfasst. Die Anbindung des Synchrongleichrichters bzw. der Leistungselektronik ist entweder lösbar oder unlösbar ausgebildet. Der Generator ist als beliebiger Generator ausführbar, beispielsweise auch als Permanentmagnetsynchrongenerator oder als Klauenpolgenerator.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Leistungselektronik basierend auf ansteuerbaren Schaltern zur Bildung eines Synchrongleichrichters bzw. reversiblen Synchrongleichrichters aufgebaut ist, beispielsweise mit MOSFETs oder dergleichen. Der Synchrongleichrichter bzw. reversible Synchrongleichrichter weist gegenüber Diodengleichrichtern einen höheren Wirkungsgrad auf, sodass eine effektivere Lagerschild-Schaltungs-Einrichtung realisiert ist. Zudem kann bei einer Ausführung als reversibler Synchrongleichrichter der Aufbau mit dem Generator zum Starten genutzt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leistungselektronik direkt an einer Außenfläche des Lagerschilds zwischenkörperfrei angeordnet ist. Für die Anbindung ist zwischen Lagerschild und Leistungselektronik kein zusätzlicher Kühlkörper oder dergleichen vorgesehen, sodass weniger Bauteile erforderlich sind. Stattdessen ist mindestens ein Kühlkörper integriert an einer Innenfläche des Lagerschilds ausgebildet, sodass auch eine Montage erleichtert ist.
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Nicht zuletzt ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass in einem von einem Umfangsabschnitt umgebenden Innenraum ein Trennelement beabstandet zu einem Bodenabschnitt vorgesehen ist, um eine Kühlluftumlenkung zu bewirken. Das Trennelement ist vorzugsweise als eine ringförmige Scheibe ausgebildet, die an eine Innenkontur des Lagerschildes angepasst ist. Bevorzugt liegt das Trennelement an dem Kühlkörper beabstandet zu dem Bodenabschnitt auf. Angesaugte Kühlluft strömt somit radial durch eine seitliche, in dem Umfangs- oder Mantelabschnitt ausgebildet Luftdurchgangsöffnung zu dem Kühlkörper und wird dann axial weitergeleitet. Auf diese Weise ist eine effektivere Kühlung realisierbar. Je nach Ausbildung und Anordnung der Kühlkörper ist das Trennelement unterschiedlich ausgebildet. Dabei ist das Trennelement stets so ausgebildet, dass eine optimale Kühlung realisiert ist. Mit der vorteilhaften Lagerschild-Schaltungseinrichtung ist ein kleinbauender, leistungsstarker Kraftfahrzeuggenerator realisierbar.
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Der erfindungsgemäße Kraftfahrzeuggenerator weist entsprechend die erfindungsgemäße Lagerschild-Schaltungs-Einrichtung auf, sodass ein kleinbauender, leistungsstarker Generator realisiert ist. Durch die Verwendung eines Synchrongleichrichters bzw. reversiblen Synchrongleichrichter bei verbesserter Kühlung ist eine effektive Betriebsweise des Generators sichergestellt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch in einer Perspektivansicht eine Ausführungsform einer Lagerschild-Schaltungs-Einrichtung,
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2 schematisch in einer Perspektivansicht die Lagerschild-Schaltungs-Einrichtung nach 1 mit entferntem Gehäusedeckel der Leistungselektronik,
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3 schematisch in einer perspektivischen Explosionsansicht die Lagerschild-Schaltungs-Einrichtung nach 1,
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4 schematisch in einem Längsschnitt die Lagerschild-Schaltungs-Einrichtung nach 3,
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5 schematisch in einer Perspektivansicht einen Ausschnitt eines Lagerschilds, und
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6 in einer anderen schematischen Perspektivansicht das Lagerschild nach 5.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Die 1 bis 4 zeigen in unterschiedlichen Ansichten ein Ausführungsbeispiel einer Lagerschild-Schaltungs-Einrichtung 10 und 5 und 6 zeigen in unterschiedlichen Ansichten ein Lagerschild 1 der Lagerschild-Schaltungs-Einrichtung 10 nach 1 bis 4. Die Lagerschild-Schaltungs-Einrichtung 10 umfasst ein topfförmig ausgebildetes Lagerschild 1, welches in den 5 und 6 detailliert dargestellt ist. Das topfförmige Lagerschild 1 weist einen Bodenabschnitt 2 mit einer Innenfläche (in 6 sichtbar) und einer Außenfläche 2b sowie einen Mantel- oder Umfangsabschnitt 3 auf. An dem Umfangsabschnitt 3 sind mehrere schlitzförmige Luftdurchgangsöffnungen 4 ausgebildet, durch welche Kühlluft oder ein anderes Kühlmedium in ein Inneres des Lagerschilds 1 durchströmen kann. In dem dargestellten Lagerschild 1 sind zwei unterschiedliche Formen an Luftdurchgangsöffnungen 4 ausgebildet, mehrere schmale schlitzförmige Luftdurchgangsöffnungen 4a und eine breitere schlitzförmige Luftdurchgangsöffnungen 4b. Die Luftdurchgangsöffnungen 4a sind in Umfangsrichtung durch Stege 5 begrenzt. In axialer Richtung sind die Luftdurchgangsöffnungen 4 durch den Bodenabschnitt 2 und durch einen umlaufenden Rand 6 begrenzt. Die Luftdurchgangsöffnungen 4 erstrecken sich im Wesentlichen über die Tiefe des Lagerschilds 1, das heißt in axialer Richtung im Wesentlichen über den Mantelabschnitt 4. An der Außenfläche 2b des Lagerschilds 1 ist in einem Aufbau 7 mit einem Deckelelement 7a eine Leistungselektronik 20 angeordnet. Die Leistungselektronik 20 ist ohne Zwischenschalten eines weiteren Bauteils, wie beispielsweise eines Kühlkörpers, an der Außenfläche 2b angebracht (2). Die Außenfläche 2b ist hierzu profiliert ausgebildet. Die Leistungselektronik 20 umfasst neben dem Aufbau 7 verschiedene elektrische Bauteile 20a, die zusammen die Beschaltung 21 bilden. Die Bauteile 20a sind ausgewählt aus der Gruppe umfassend DBCs, LTCC, Bonds und dergleichen und können diesbezüglich auch aus anderen teilweise isolierenden Schichtaufbauten realisiert werden, wie IMS, Glasisolation, Leiterplatte. Die Leistungselektronik 20 ist in dem gehäuseartigen Aufbau 7 angeordnet, welches nach außen hin mit dem Deckelelement 7a verschlossen ist oder auch ganz oder teilweise offen realisiert werden kann. Mit dem Aufbau 7 wird die Leistungselektronik 20 in axiale Richtung auf die Außenfläche 2b des Lagerschilds 1 zur Montage aufgesetzt und entsprechend mit dem Lagerschild 1 verbunden. Hierzu werden Anformungen 24 des Aufbaus 7 in entsprechende Ausnehmungen an dem Lagerschild 1 eingesetzt, mit welchem die Leistungselektronik 20 so positioniert wird, dass entsprechende Bauteile 20a an die passende Profilierung 8 angepasst direkt an dem Lagerschild 1 angeordnet sind. Die Profilierungen 8 umfassen Anhebungen 8a, Vertiefungen 8b und oder Ausnehmungen 8c, zum Beispiel für die Anformungen 24 oder andere Verbindungselemente wie Schrauben oder Nieten. Das Lagerschild 1 ist entsprechend stromführend ausgebildet, sodass eine direkte Kontaktierung der Elektronik realisierbar ist. Für die entsprechende Anbindung der Leistungselektronik 20 an das Lagerschild 1 sind zudem Dichtungen 7c vorgesehen, sodass eine geeignete Verbindung von Leistungselektronik 20 und Lagerschild realisiert ist.
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Das Lagerschild 1 weist an einer Innenfläche 2a einen Lagersitz 9 für eine Rotorwelle auf. Weiter sind an der Innenfläche 2a Kühlkörper 30 ausgebildet. Die Kühlkörper 30 sowie der Lagersitz 9 sind einteilig mit dem Lagerschild 1 ausgebildet. Die Kühlkörper 30 umfassen von der Innenfläche 2a abragende Kühlrippen 31 und zwischen den Kühlrippen 31 verteilt angeordnete Kühlnoppen 32 (6). Um einen geeigneten Kühlluftstrom zur Kühlung durch das Lagerschild 1 zu den Kühlkörpern 30 und von dort weg zu realisieren, ist ein Trennelement 33 vorgesehen. Das Trennelement 33 ist als ringförmige Scheibe ausgebildet und liegt in dem Lagerschild 1 auf den Kühlkörpern 30 auf. Dabei ist das Trennelement 33 mit seiner Außenkontur an die Innenkontur des Lagerschilds 1 genauer dessen Umfangsabschnitt 3 angepasst. Durch die Anpassung des Trennelements 33 ist eine Lenkung des Kühlmittelstroms KM durch die seitlichen Luftdurchgangsöffnungen 4 hin zu den Kühlkörpern 30 und von diesen in axiale Richtung weiter durch eine zentrische Öffnung 34 des Trennelements 33 weg von den Kühlkörpern 30, wie in 4 schematisch dargestellt, gewährleistet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004058661 A1 [0008, 0009]
