DE102016211463A1

DE102016211463A1 - Kühleinrichtung einer Elektronikeinheit in einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102016211463A1
Application number: DE102016211463.8A
Authority: DE
Inventors: Peter Lang; Martin Fischer; Jose Antonio Urbano Coin
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2017-12-28
Also published as: WO2018001819A1; CN109463028A

Abstract

Eine Kühleinrichtung einer Elektronikeinheit in einer elektrischen Maschine weist auf einer Trägerplatte angeordnete Kühlrippen auf, die wellenförmig ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung einer Elektronikeinheit in einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
Eine Kühleinrichtung zur Kühlung der Elektronikeinheit an einer elektrischen Maschine wird in der DE 10 2013 226 543 A1 beschrieben. Die Kühleinrichtung befindet sich benachbart zu einer elektronischen Auswertevorrichtung an der Stirnseite der elektrischen Maschine, wobei über die elektronische Auswertevorrichtung die aktuelle Drehlage des Rotors der elektrischen Maschine bestimmt wird. Die Auswertevorrichtung umfasst einen Sensor, mit dem ein umlaufendes Magnetfeld eines an der Rotorstirnseite befestigten Magneten ermittelt wird.
Die Kühleinrichtung weist auf einer Trägerplatte angeordnete Kühlrippen auf, die in Form geradliniger Wandabschnitte ausgebildet sind, wobei mehrere parallel verlaufende Kühlrippen eine Kühlrippengruppe bilden und zwischen unmittelbar benachbarten Kühlrippen jeweils ein geradliniger, sich bezogen auf die Motorlängsachse in Radialrichtung erstreckender Strömungsweg gebildet ist. Über den Umfang verteilt sind insgesamt drei jeweils um 90° versetzt angeordnete Kühlrippengruppen vorhanden, die jeweils mehrere parallel verlaufende Strömungskanäle bilden, welche radial ausgerichtet sind. Durch die Strömungskanäle kann Frischluft von außen radial herangeführt werden. Der Kühlluftstrom wird von einem Lüfterrad erzeugt, das benachbart zu den Kühlrippen angeordnet und drehfest mit dem Rotor verbunden ist.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung wird zum Kühlen einer Elektronikeinheit in einer elektrischen Maschine eingesetzt. Bei der Elektronikeinheit handelt es sich beispielsweise um die Leistungselektronik einer elektrischen Maschine, wobei auch weitere Anwendungen in Betracht kommen, beispielsweise eine Auswerteeinheit als Elektronikeinheit mit einem Sensor zur Bestimmung der aktuellen Drehwinkellage des Rotors der elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine kann als Antriebsmotor, beispielsweise für ein Aggregat in einem Fahrzeug, oder als Generator besetzt werden.
Die Kühleinrichtung umfasst eine Trägerplatte und Kühlrippen, die auf der Trägerplatte angeordnet sind, wobei zwischen den Kühlrippen Strömungskanäle für Kühlluft verlaufen. Die Trägerplatte ist vorzugsweise fest mit der elektrischen Maschine verbunden, sie befindet sich bevorzugt an einer Stirnseite der elektrischen Maschine und ist am Gehäuse bzw. Stator der elektrischen Maschine befestigt.
Die Kühleinrichtung ist mit mehreren Kühlrippen versehen, zwischen denen jeweils Strömungskanäle für die Kühlluft gebildet sind. Über die Strömungskanäle wird die Kühlluft bezogen auf die Längsachse der elektrischen Maschine annähernd oder genau in Radialrichtung von außen nach innen geleitet. Die Kühlluft stellt sicher, dass die Elektronikeinheit in ausreichender Weise gekühlt wird. Die Erzeugung des Kühlluftstromes kann gegebenenfalls über ein Lüfterrad unterstützt werden, das an der Rotorwelle der elektrischen Maschine drehfest angeordnet ist und gemeinsam mit der Rotorwelle umläuft.
Die Kühlrippen sind wellenförmig ausgebildet, so dass auch mindestens ein Strömungskanal, der seitlich von einer Kühlrippe oder von zwei Kühlrippen begrenzt ist, eine entsprechende Wellenform aufweist. Durch die Wellenform wird erreicht, dass die Kühlluftströmung der Wellenform folgend umgelenkt wird, wodurch die Grenzschicht zwischen der Luftströmung und der begrenzenden Wandung an den Kühlrippen reduziert wird. Dies wirkt sich positiv auf den Wärmeübergangskoeffizienten aus, so dass die Kühlrippen in der Lage sind, mehr Wärme an die Kühlluft abzugeben sowie an die Umgebung abzustrahlen.
Ein weiterer Vorteil der Wellenform der Kühlrippen ist die erhöhte Steifigkeit der Kühlrippen im Vergleich zu einer geradlinigen Ausführung. Die erhöhte Steifigkeit wirkt sich auf die Eigenresonanz der Kühlrippen sowie auf ein reduziertes Schwingungsverhalten aus, wodurch eine geringe Schallabstrahlung über die Kühlrippen und entsprechend ein niedrigeres Geräuschniveau gegeben ist.
Ein weiterer Vorteil der wellenförmigen Kühlrippen ist die größere Kühlrippenoberfläche, so dass ohne Druckverlust eine erhöhte Wärmeabgabe gegeben ist. Der Wärmetransport von den Kühlrippen an den Kühlluftstrom ist verbessert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung sind über den Umfang verteilt mehrere Kühlrippengruppen mit jeweils mehreren Kühlrippen angeordnet. Innerhalb einer Kühlrippengruppe sind die Kühlrippen teilweise oder vollständig jeweils wellenförmig ausgebildet und verlaufen zumindest annähernd parallel. Bei parallelem Verlauf sind Mittellinien durch die Kühlrippen genau parallel oder zumindest annähernd parallel.
Über den Umfang verteilt können beispielsweise zwei, drei oder vier Kühlrippengruppen mit jeweils einer Mehrzahl im Wesentlichen paralleler Kühlrippen angeordnet sein. Die Kühlrippengruppen können jeweils zueinander um beispielsweise 90° winkelversetzt angeordnet sein. Die Kühlrippen innerhalb jeder Kühlrippengruppe erstrecken sich zumindest annähernd in Radialrichtung.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung sind die Kühlrippen an ihrer radial außen liegenden Einströmseite in Umfangsrichtung gesehen gleichmäßig verteilt angeordnet, so dass auch die Einströmöffnungen der Strömungskanäle innerhalb einer Kühlrippengruppe gleichmäßig verteilt sind. Hierdurch ist insbesondere gewährleistet, dass die Einströmöffnungen der verschiedenen Strömungskanäle einer Kühlrippengruppe gleich groß sind und/oder einen gleichmäßigen Abstand zueinander aufweisen. Auf diese Weise werden die Strömungskanäle einer Kühlrippengruppe gleichmäßig durchströmt.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung besitzen die Kühlrippen über ihre Länge gesehen eine veränderliche Querschnittsfläche. Hierbei kann es beispielsweise zweckmäßig sein, dass die Kühlrippen in ihrem radial außen liegenden Bereich, welcher der Einströmöffnung der Strömungskanäle benachbart ist, eine größere Querschnittsfläche aufweisen als an der radial innen liegenden Seite, die der Abströmöffnung der Strömungskanäle benachbart ist. Diese Ausführung ermöglicht es, dass die Strömungskanäle in ihrem radialen Verlauf von außen nach innen eine zumindest annähernd gleiche Querschnittsfläche und/oder Querschnittsform besitzen, so dass Drossel- oder Düsenwirkungen vermieden werden können und eine gleichmäßige Durchströmung der Strömungskanäle mit konstanter Strömungsgeschwindigkeit besser durchgeführt werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung verjüngt sich die Querschnittsform der Kühlrippen zu ihrer axialen Stirnseite hin. Die Kühlrippen weisen somit an ihrer Basis, die der Trägerplatte zugewandt ist, eine größere Erstreckung in Querrichtung auf als im Bereich ihrer gegenüberliegenden axialen Stirnseite. Die Kühlrippen können insbesondere eine konische Querschnittsform aufweisen. Die Verjüngung zur axialen Stirnseite hin erleichtert die Herstellung.
Die Kühlrippen sind insbesondere einteilig mit der Trägerplatte ausgebildet. Trägerplatte und Kühlrippen können aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit bestehen, beispielsweise einem Metall.
Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist die Wellenform der Kühlrippen in der Weise ausgebildet, dass die Wellenhöhe der Kühlrippen – quer zur Radialrichtung gesehen – mindestens der Kühlrippendicke entspricht. Durch dieses Verhältnis von Wellenhöhe zu Wellenkühlrippendicke ist sichergestellt, dass die Kühlrippen eine Mindestkrümmung aufweisen, so dass die Umlenkung der Kühlströmung durch die Strömungskanäle mit kleiner Grenzschicht erfolgt.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die Länge der wellenförmigen Kühlrippen – in Radialrichtung gesehen – so bemessen, dass die Kühlrippen mindestens die Form einer vollständigen Welle, bestehend aus zwei Halbwellen, aufweisen. Es kann gegebenenfalls zweckmäßig sein, eine größere Erstreckung der Kühlrippen vorzusehen, beispielsweise drei Halbwellen, oder eine kürzere Erstreckung, beispielsweise nur eine Halbwelle oder eineinhalb Halbwellen.
Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf eine elektrische Maschine wie zum Beispiel einen elektrischen Antriebsmotor oder einen Generator, die mit einer vorbeschriebenen Kühleinrichtung ausgestattet ist. Es kann zweckmäßig sein, dass Elektronikbauteile, die zu der Elektronikeinheit gehören, welche von der Kühleinrichtung gekühlt werden, auf der Trägerplatte der Kühleinrichtung angeordnet sind. Die Elektronikbauteile liegen insbesondere im Strömungsweg der Kühlluft und können somit die Strömungskanäle zumindest abschnittsweise ebenfalls begrenzen.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf eine Kühleinrichtung einer Elektronikeinheit in einer elektrischen Maschine, mit insgesamt drei über den Umfang verteilten Kühlrippengruppen mit jeweils mehreren wellenförmigen Kühlrippen,
2 einen Schnitt längs durch die Kühleinrichtung einschließlich Elektronikeinheit,
3 eine Draufsicht auf eine Kühleinrichtung entsprechend 1, jedoch mit Kühlrippen in einer alternativen Ausführung.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In den 1 und 2 ist eine Kühleinrichtung 1 dargestellt, die zur Kühlung einer Elektronikeinheit in einer elektrischen Maschine eingesetzt wird. Die Kühleinrichtung 1 ist an einem Lagerschild 2 (2) angeordnet und befindet sich an der Stirnseite der elektrischen Maschine. Im Lagerschild 2 ist eine andeutungsweise dargestellte Rotorwelle 3 der elektrischen Maschine aufgenommen, deren Längsachse 4 zugleich die Längsachse der elektrischen Maschine darstellt.
Die Kühleinrichtung 1 weist eine Trägerplatte 5 auf, die sich orthogonal zur Längsachse 4 erstreckt und Träger von Kühlrippen 6 ist, welche einteilig mit der Trägerplatte 5 ausgebildet sind. Die Kühlrippen 6 erstrecken sich bezogen auf die Längsachse 4 zumindest annähernd in Radialrichtung und begrenzen zwischen sich Strömungskanäle 7 für Kühlluft, die radial von außen nach innen geführt ist und Wärme von den Kühlrippen 6 aufnimmt und diese abtransportiert. Die Kühlrippen 6 sind in drei Kühlrippengruppen 8, 9 und 10 angeordnet, wobei innerhalb einer Kühlrippengruppe 8, 9, 10 die Kühlrippen zumindest annähernd parallel und in Radialrichtung verlaufen. In jeder Kühlrippengruppe sind die Kühlrippen 6 so ausgerichtet, dass die Mittellinien durch die Kühlrippen 6 zumindest annähernd parallel zueinander liegen. Über den Umfang verteilt sind drei Kühlrippengruppen 8, 9, 10 angeordnet, die jeweils in einem 90°-Winkel zueinander versetzt positioniert sind.
Jede Kühlrippe 6 ist wellenförmig ausgebildet, so dass auch die von den Kühlrippen 6 begrenzten Strömungskanäle 7 wellenförmig ausgebildet sind. Die Kühlrippen 6 bestehen im Ausführungsbeispiel aus jeweils einer vollständigen Welle, die sich aus zwei Halbwellen zusammensetzt. Die Wellenform der Kühlrippen ist vorteilhafterweise so ausgebildet, dass die Wellenhöhe einer Welle, quer zur Radialrichtung gesehen, mindestens der Kühlrippendicke entspricht.
Im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 weisen die Kühlrippen 6 über ihre Länge – bezogen auf die Radialrichtung – eine veränderliche Querschnittsfläche auf. Im radial außen liegenden Bereich, der beispielhaft mit 11 bezeichnet ist, besitzen die Kühlrippen 6 eine größere Querschnittsform als im radial innen liegenden Bereich 12. Diese Querschnittsänderung der Kühlrippen 6 ermöglicht es, dass die Strömungskanäle 7 über ihre Länge einen zumindest annähernd konstanten Strömungsquerschnitt besitzen.
Im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 beginnen die Kühlrippen im radial außen liegenden Bereich 11 radial alle in gleichem Abstand zur Längsachse. Auch im radial innen liegenden Bereich 12 enden die Kühlrippen 6 alle im radial gleichen Abstand zur Längsachse 4.
Die Kühleinrichtung 1 ist einer Elektronikeinheit 13 (2) zugeordnet, die Elektronikbauteile 14 wie beispielsweise Kondensatoren umfasst, die in Aufnahmen 15 (1) auf der Trägerplatte 5 der Kühleinrichtung 1 aufgenommen sind. Die Außenseiten der begrenzenden Wandungen der Aufnahmen 15 bilden zugleich Strömungskonturen für die Kühlluft und begrenzen gemeinsam mit den nächstliegenden Kühlrippen 6 weitere Strömungskanäle für die Kühlluft.
Innerhalb jeder Kühlrippengruppe 8, 9, 10 gibt es Kühlrippen 6, die in entgegengesetzte Richtungen geneigt sind. Pro Kühlrippengruppe ist eine mittig platzierte Kühlrippe 6’ in der Weise ausgebildet, dass die seitlichen Wandungen dieser Kühlrippe 6’ eine spiegelsymmetrische, entgegengesetzte Wellenform aufweisen, so dass die unmittelbar an die mittlere Kühlrippe 6’ angrenzenden Strömungskanäle 7 entsprechend gegenläufig ausgerichtet sind.
Wie 2 des Weiteren zu entnehmen, nimmt die Querschnittsfläche der Kühlrippen in Achsrichtung zur freien Stirnseite der Kühlrippen hin ab. Hierdurch ist eine zumindest annähernd konische Querschnittsform der Kühlrippen 6 realisiert, was die Herstellbarkeit vereinfacht.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kühleinrichtung 1 dargestellt, bei der wie beim ersten Ausführungsbeispiel Kühlrippen 6 zu insgesamt drei Kühlrippengruppen 8, 9, 10 zusammengefasst sind, wobei die Kühlrippengruppen 8, 9, 10 in einem 90°-Winkel über den Umfang verteilt auf der Kühlplatte positioniert sind. Die Kühlrippen 6 sind jeweils wellenförmig ausgebildet, jedoch weisen die Kühlrippen 6 über ihre Länge eine konstante Querschnittsfläche mit konstanter Dicke auf. Im radial außen liegenden Bereich beginnen die Kühlrippen 6 in einem unterschiedlichen radialen Abstand zur Längsachse, wohingegen im radial innen liegenden Bereich die Kühlrippen 6 jeder Kühlrippengruppe jeweils im gleichen radialen Abstand zur Längsachse enden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013226543 A1 [0002]

Claims

Kühleinrichtung einer Elektronikeinheit (13) in einer elektrischen Maschine, mit auf einer Trägerplatte (5) angeordneten Kühlrippen (6), zwischen denen Strömungskanäle (7) für Kühlluft liegen, welche sich bezogen auf die Längsachse der elektrischen Maschine zumindest annähernd in Radialrichtung verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (6) wellenförmig ausgebildet sind.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über den Umfang verteilt mehrere Kühlrippengruppen (8, 9, 10) mit jeweils mehreren Kühlrippen (6) angeordnet sind, wobei innerhalb einer Kühlrippengruppe (8, 9, 10) die Mittellinien durch die Kühlrippen (6) zumindest annähernd parallel verlaufen.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (6) an der radial außen liegenden Einströmseite in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (6) über ihre Länge eine veränderliche Querschnittsfläche aufweisen.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Kühlrippen (6) über ihre radiale Länge konstant ist.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Kühlrippen (6) radial von außen nach innen abnimmt.
Kühleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche und/oder die Querschnittsform der Kühlrippen (6) radial von außen nach innen in der Weise verläuft, dass der zwischen zwei Kühlrippen (6) verlaufende Strömungskanal (7) einen zumindest annähernd konstanten Strömungsquerschnitt aufweist.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Querschnittsform der Kühlrippen (6) sich zu ihrer axialen Stirnseite verjüngt.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenform der Kühlrippen (6) in der Weise ausgebildet ist, dass die Wellenhöhe der Kühlrippen (6) – quer zur Radialrichtung gesehen – mindestens der Kühlrippendicke entspricht.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Länge der wellenförmigen Kühlrippen – in Radialrichtung gesehen – so bemessen ist, dass die Kühlrippen (6) mindestens die Form einer vollständigen Welle aufweisen.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Kühlrippen (6) im radial außen liegenden Bereich (11) den gleichen radialen Abstand zur Längsachse (4) aufweisen.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Kühlrippen (6) im radial außen liegenden Bereich (11) einen unterschiedlichen radialen Abstand zur Längsachse (4) aufweisen.
Elektrische Maschine mit einer Kühleinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Elektronikbauteile (14) der Elektronikeinheit (13) auf der Trägerplatte (5) der Kühleinrichtung (1) angeordnet sind und die Elektronikbauteile in Aufnahmen (14) aufgenommen sind, deren Wandungen den Strömungsweg der Kühlluft begrenzen.