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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromrichtereinheit für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine mit einer solchen Stromrichtereinheit.
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Stand der Technik
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Bei elektrischen Maschinen, insbesondere bei solchen, die als Generator oder Mildhybridantrieb verwendet werden, und insbesondere auch bei Verwendung in Fahrzeugen wird eine immer höhere Leistungsdichte gefordert. Gerade im Inverter bzw. Stromrichter solcher elektrischer Maschinen, in dem in aller Regel Halbleiterbauelemente, insbesondere Halbleiterschalter, verwendet werden, um den erzeugten Wechselstrom gleichzurichten bzw. anliegenden Gleichstrom wechselzurichten, entstehen hohe Verlustleistungen, wodurch Wärme entsteht, die möglichst gut abgeführt werden sollte.
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Hierzu ist für den Stromrichter bzw. als Teil davon typischerweise ein Kühlkörper vorgesehen, über den die Wärme - insbesondere unter Verwendung eines Lüfters, der typischerweise mittels eines Rotors der elektrischen Maschine angetrieben wird und einen Kühlluftstrom erzeugt - abgeführt wird. Auf dem Kühlkörper werden dabei meist Leistungsmodule (bzw. Leistungshalbbrücken), Kondensatoren (insbesondere Zwischenkreiskondensatoren zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie) und Logikeinheiten (insbesondere eine Logikplatine zur Ansteuerung der Leistungsmodule und zur Kommunikation mit einem übergeordneten Steuergerät), ggf. auch EMV-Filter angeordnet, um die Wärme möglichst gut abführen zu können. Dabei ist es auch möglich, dass, zum Zwecke eines kompakteren Aufbaus, die Logikeinheiten (Logikteil des Stromrichters) und ein oder mehrere Leistungsmodule zusammen auf einer Platine untergebracht werden.
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Wichtig für eine hohe Leistungsdichte des Inverters bzw. Stromrichters ist in der Regel, die entstehende Verlustleistung durch einen geringen thermischen Widerstand von beispielsweise einem Halbleiterchip über den Kühlkörper an das Kühlmedium (z.B. Luft) zu übertragen.
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Eine Schwierigkeit der Kühlung besteht dabei in der Integration sämtlicher für den Inverter relevanten Bauelemente auf engstem Raum. Für eine Kühlung können sowohl eine Luftkühlung als auch eine Flüssigkeitskühlung verwendet werden.
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Der für die Luftkühlung erforderliche Luftstrom wird üblicherweise, wie schon erwähnt, durch einen Lüfter bzw. ein Lüfterrad, der bzw. das typischerweise im Inneren der elektrischen Maschine vorgesehen ist, erzeugt. Die Geschwindigkeit des Lüfterrades wird bestimmt über die Kopplung zum Rotor der elektrischen Maschine, welcher wiederum beispielsweise über ein Riemenrad mit einem Keilriemen eines entsprechenden Fahrzeuges zu verbinden ist. Der Luftstrom kühlt somit nicht nur den Stromrichter bzw. Inverter, sondern auch die elektrische Maschine.
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Nötige Einlässe für den Luftstrom in die elektrische Maschine befinden sich typischerweise direkt um den Rotor im Inneren der elektrischen Maschine, in welche Einlässe der Luftstrom meist nach Kühlung des Kühlköpers bzw. des Stromrichter-Kühlkörpers eintritt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden eine Stromrichtereinheit und eine elektrische Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung geht aus von einer Stromrichtereinheit für eine elektrische Maschine, mit einem Kühlkörper, einem Leistungsmodul und einer Logikeinheit, wobei das Leistungsmodul und die Logikeinheit auf dem Kühlkörper angeordnet sind. Außerdem können noch Kondensatoren (insbesondere sog. Zwischenkreiskondensatoren) vorgesehen sein, die beispielsweise je nach Art vertikal oder horizontal im Kühlkörper eingebracht werden können.
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Trotz mitunter guter bzw. effektiver Kühlung eines Stromrichters insgesamt hat sich herausgestellt, dass die Logikeinheit oftmals nicht ausreichend gekühlt wird bzw. sich durch andere Komponenten stark erwärmt. Gerade die Logikeinheit, die insbesondere auch einen oder mehrere Mikroprozessoren aufweist, benötigt aber eine möglichst effektive Kühlung.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Kühlkörper wenigstens zwei, insbesondere auch wenigstens drei, vier oder mehr, Kühlkörperteile aufweist, die wenigstens teilweise, bevorzugt aber vollständig oder zumindest im Wesentlichen vollständig, gegeneinander thermisch isoliert sind.
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Insbesondere beträgt die Wärmeleitfähigkeit (einer verwendeten thermischen Isolierung) zwischen den wenigstens zwei Kühlkörperteilen bei 300 K höchstens 1 W/m K, vorzugsweise höchstens 0,5 W/m K.
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Dabei sind dann das Leistungsmodul und die Logikeinheit auf verschiedenen Kühlkörperteilen angeordnet. Die Kühlkörperteile können nichtsdestotrotz aber miteinander verbunden sein, sodass insgesamt ein stabiler Kühlkörper bzw. eine stabile Stromrichtereinheit erhalten wird. Denkbar ist die Verwendung von thermisch isolierendem bzw. thermisch wenig leitfähigem Klebstoff, beispielsweise auf Epoxidharz- oder Silikonbasis. Denkbar ist aber auch die Verwendung anderer thermisch isolierender Materialien, die zwischen die Kühlkörperteile bzw. die einander entsprechend zugewandten Bereiche eingebracht werden, wie z.B. Polystyrole u.ä., wobei die Kühlkörperteile dann mittels Schraubverbindungen oder dergleichen verbunden werden. Um den Wärmestrom über die Verbindung bzw. Schraubverbindung gering zu halten, können beispielsweise isolierende Unterlegscheiben oder isolierende Schrauben verwendet werden. Diese können beispielsweise aus Kunststoff gefertigt werden.
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Auf diese Weise kann eine deutlich bessere bzw. effektivere Kühlung der Logikeinheit erreicht werden, da sie durch andere Komponenten, insbesondere vom Leistungsmodul, nicht mehr bzw. nicht mehr so stark erwärmt wird. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass bei einer Anordnung von Logikmodul und Leistungseinheit auf einem einstückigen Kühlkörper aufgrund der an sich erwünschten guten thermischen Leitfähigkeit des Kühlkörpers die eigentlich abzuführende Wärme von dem Leistungsmodul auf die Logikeinheit übertragen wird. Dies wird mit der vorgeschlagenen Lösung jedoch zumindest zu einem gewissen Grad unterbunden.
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Bevorzugt sind zwei Kühlkörperteile miteinander verbunden und bilden zwischen sich einen Hohlraum, in dem das Leistungsmodul und/oder die Logikeinheit angeordnet sind. Damit werden einerseits das Leistungsmodul bzw. die Logikeinheit geschützt, andererseits kann der Kühlkörper bzw. können die zwei oder mehr Kühlkörperteile besonders gut von Luft angeströmt und damit gekühlt werden. Zweckmäßig ist es auch, wenn auf wenigstens einem der wenigstens zwei Kühlkörperteile, bevorzugt auf beiden bzw. allen Kühlkörperteilen, Kühlrippen vorgesehen sind, bevorzugt an der Außenseite. Alternativ zu Kühlrippen oder zusätzlich sind auch Kühlnadeln denkbar.
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Vorzugsweise ist die Stromrichtereinheit zur Anbindung an die elektrische Maschine eingerichtet, wobei die elektrische Maschine einen Stator, einen Rotor und einen mittels des Rotors antreibbaren Lüfter aufweist.
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Unter der Voraussetzung, dass die Stromrichtereinheit zur Anbindung an die elektrische Maschine eingerichtet ist, ist dabei insbesondere zu verstehen, dass die Stromrichtereinheit in ihrer Geometrie und/oder ihrer Anbindungsmittel derart ausgestaltet ist, dass eine Anbindung an die elektrische Maschine nicht nur an sich möglich ist, sondern in einer vorbestimmten Orientierung (also hinsichtlich rotatorischer Freiheitsgrade) und/oder an einer vorbestimmten Position (also hinsichtlich translatorischer Freiheitsgrade). In diesem Sinne können Richtungsangaben der elektrischen Maschine auch auf die Stromrichtereinheit übertragen werden.
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Hierbei ist es zweckmäßig, wenn zwei der Kühlkörperteile in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten können zwei Kühlkörperteile dann insbesondere jeweils teller- bzw. schüsselartig ausgebildet sein, sodass dazwischen der Hohlraum gebildet wird. Die Logikeinheit ist bevorzugt auf dem dem Lüfter abzuwendenden Kühlkörperteil angeordnet. Im Falle von mehr als zwei Kühlkörperteilen kann auch eine Verbindung außerhalb dieser Ebene vorgesehen sein, denkbar ist beispielsweise dass ein teller- bzw. schüsselartig ausgebildeter Kühlkörperteil selbst aus zwei oder mehr Kühlkörperteilen besteht, die entsprechend gegeneinander thermisch isoliert sind.
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Es ist auch bevorzugt, wenn der Kühlkörper in Umfangsrichtung, bezogen auf eine Rotationsachse der elektrischen Maschine (die durch die erwähnte, bevorzugte Ausbildung der Stromrichtereinheit auch auf diese übertragbar ist bzw. für diese gilt), wenigstens teilweise derart von einer Einhausung umgeben ist, dass zwischen der Einhausung und dem Kühlkörper ein Kühlluftpfad gebildet ist. Zweckmäßig ist es, wenn sich die Einhausung über den gesamten Umfang erstreckt. Es ist aber auch möglich, dass sich die Einhausung nur über einen Teil des Umfangs erstreckt. Damit ein Kühlpfad gebildet werden kann, muss es bei der Einhausung entsprechend eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung geben. In einem einfachen Fall wird die Einhausung beispielsweise durch einen Blechmantel in Form eines Zylindermantels gebildet, der den Kühlkörper umgibt. Auf diese Weise kann Luft von der dem Lüfter abzuwendenden Seite eingesaugt werden und, nachdem die Luft zwischen Kühlkörper und Einhausung hindurch getreten ist, auf der dem Lüfter zuzuwendenden Seite austreten.
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Die Kühlrippen können dabei insbesondere in einem Bereich, in dem dem Kühlkörper die Einhausung gegenüberliegt, vorgesehen sein, um eine möglichst gute Luftführung und damit Kühlung zu ermöglichen. Zweckmäßig ist es dabei auch, wenn sich die Kühlrippen in axialer Richtung erstrecken. Hierzu sei angemerkt, dass bei Verwendung von Kühlrippen auch von einem Kühlpfad mit mehreren Passagen gesprochen werden kann, die jeweils zwischen zwei benachbarten Kühlrippen hindurchführen. Statt Kühlrippen können auch Kühlnadeln verwendet werden, oder es kann eine Kombination beider Elemente verwendet werden.
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Bevorzugt erstreckt sich die Einhausung auch auf der dem Lüfter zuzuwendenden Seite und/oder auf der dem Lüfter abzuwendenden Seite nach radial innen. Der Luftstrom kann dabei noch besser und noch länger an dem Kühlkörper entlang geführt werden.
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Zweckmäßig ist es dabei auch, wenn die Einhausung zwei Einhausungsteile aufweist, wobei sich ein Einhausungsteil auf der dem Lüfter zuzuwendenden Seite nach radial innen erstreckt, und wobei sich der andere Einhausungsteil auf der dem Lüfter abzuwendenden Seite nach radial innen erstreckt. Damit werden eine einfachere Herstellung der Einhausung und auch eine einfachere Montage der Einhausung erreicht.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine elektrische Maschine mit einer erfindungsgemäßen Stromrichtereinheit. Bevorzugt weist die elektrische Maschine dabei einen Stator, einen Rotor und einen mittels des Rotors antreibbaren Lüfter auf, wobei die Stromrichtereinheit mit der dem Lüfter zuzuwendenden Seite an der elektrischen Maschine angeordnet ist.
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Hinsichtlich der Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen der elektrischen Maschine sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf obige Ausführungen zur Stromrichtereinheit verwiesen, die hier entsprechend gelten.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Stromrichtereinheit in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Stromrichtereinheit in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
- 4 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Stromrichtereinheit in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
- 5 zeigt die Stromrichtereinheit aus 3 in einer Querschnittsansicht.
- 6 zeigt die Stromrichtereinheit aus 4 in einer Querschnittsansicht.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist grob schematisch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 100 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die elektrische Maschine 100, die insbesondere in motorischem und generatorischem Betrieb verwendet werden kann, besonders bevorzugt auch in einem sog. Boost-Rekuperations-System (d.h. zur Energierückgewinnung und Antriebsunterstützung), weist einen Läufer bzw. Rotor 120 auf einer Welle 130 auf, der beispielsweise hier nicht näher dargestellte Klauenpole und eine Läuferwicklung zur Erzeugung eines Magnetfelds aufweist. Entsprechend ist auch ein Ständer bzw. Stator 110 gezeigt, der beispielsweise eine hier nicht näher dargestellte Ständerwicklung aufweisen kann.
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Mit dem Rotor 120 bzw. der Welle 130 gekoppelt bzw. darüber antreibbar ist ein Lüfter 140, der bei Rotation Luft bzw. Kühlluft in die elektrische Maschine einsaugen kann, und zwar insbesondere von einem axialen (vgl. hierzu die Rotationsachse A) Ende (in der Figur rechts gelegen) her.
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Teil der elektrischen Maschine 100 bzw. daran angeordnet ist hier nun eine Stromrichtereinheit 200 (bzw. ein Inverter), die beispielsweise an einem Gehäuse der elektrischen Maschine, das den Läufer 120 umgibt, angebracht sein kann.
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Die Stromrichtereinheit 200 selbst weist einen Kühlkörper 240, ein Leistungsmodul 260 und eine Logikeinheit 250 auf. Der Kühlkörper 240 weist hierbei beispielhaft zwei Kühlkörperteile 241 und 242 auf, die über oder mittels eines thermisch isolierenden Materials 244 verbunden sind. Damit sind die zwei Kühlkörperteile 241 und 242 gegeneinander thermisch isoliert.
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Wie schon erwähnt, könnte der Kühlkörper auch mehr als zwei Kühlkörperteile aufweisen, beispielsweise kann einer der zwei gezeigten Kühlkörper oder auch beide jeweils selbst wiederum aus zwei oder mehr Kühlkörperteilen bestehen.
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Die Wärmeleitfähigkeit Ä des thermisch isolierenden Materials 244 beträgt bei 300 K höchstens 1 W/m K. Beispielsweise kann es ein Kunststoff sein mit λ = ca. 0,2 - 0,3 W/m K.
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Das Leistungsmodul 260 und die Logikeinheit 250 sind hierbei auf verschiedenen Kühlkörperteilen angeordnet, insbesondere ist die Logikeinheit 250 auf dem dem Lüfter 140 abgewandten Kühlkörperteil 242 angeordnet. Hinsichtlich einer konkreten Darstellung einer möglichen Art der Anordnung sei an dieser Stelle auf die noch folgenden Figuren verwiesen.
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Bei Rotation des Lüfters 140 kann nun Kühlluft 280 am Kühlkörper 240 entlang und zwischen dem Kühlkörper 240 bzw. der Stromrichtereinheit 200 und der elektrischen Maschine hindurch gesaugt werden, sodass die Komponenten der Stromrichtereinheit gekühlt werden können.
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In 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Stromrichtereinheit 200 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt, und zwar in einer perspektivischen Ansicht auf den Kühlkörper 240. Hierbei kann es sich insbesondere um die schon in 1 gezeigte Stromrichtereinheit 200 handeln, die hier jedoch - zumindest von außen - detaillierter dargestellt ist.
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Neben den zwei Kühlkörperteilen 241 und 242 sind hierbei insbesondere in axialer Richtung ausgerichtete Kühlrippen 245 an beiden Kühlkörperteilen 241, 242 zu sehen, die gleichmäßig verteilt um den Umfang der Kühlkörperteile angeordnet sind.
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Das Leistungsmodul 260 sowie die Logikeinheit 250 sind hier nicht zu sehen, da diese, wie später noch gezeigt werden wird, im Inneren des Kühlkörpers bzw. zwischen den Kühlkörperteilen 241 und 241 angeordnet sind.
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In 3 ist schematisch eine erfindungsgemäße Stromrichtereinheit 200' in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Auch die Stromrichtereinheit 200' kann bei der in 1 gezeigten elektrischen Maschine verwendet werden.
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Im Vergleich zu der Stromrichtereinheit 200 gemäß 2 ist der Kühlkörper 240, von dem hier nur der obere Kühlkörperteil 242 zu sehen ist, von einer Einhausung 270 umgeben, und zwar derart, dass zwischen der Einhausung 270 und dem Kühlkörper 240 ein Kühlluftpfad mit einer Vielzahl von passagen gebildet ist, von denen hier beispielhaft eine mit dem Bezugszeichen 281 angedeutet ist. Bei der Einhausung kann es sich beispielsweise um eines oder mehrere Bleche handeln, die entsprechend geformt und an dem Kühlkörper befestigt sind.
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In 4 ist schematisch eine erfindungsgemäße Stromrichtereinheit 200" in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Auch die Stromrichtereinheit 200" kann bei der in 1 gezeigten elektrischen Maschine verwendet werden.
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Im Vergleich zu der Stromrichtereinheit 200' gemäß 3 ist der Kühlkörper 240, von dem hier ebenfalls nur der obere Kühlkörperteil 242 zu sehen ist, von einer Einhausung mit zwei Einhausungsteilen 271 und 272 umgeben. Auch hierbei wird zwischen der Einhausung bzw. den zwei Einhausungsteilen 271 und 272 und dem Kühlkörper ein Kühlluftpfad mit einer Vielzahl von Passagen gebildet.
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Die Einhausung bzw. der Einhausungsteil 271 erstreckt sich hierbei, wie zu sehen ist, auf der dem Lüfter zuzuwendenden Seite nach radial innen. Der Einhausungsteil 272 erstreckt sich auf der dem Lüfter abzuwendenden Seite nach radial innen und weist auf dieser Seite eine Öffnung 275 als Einlass für den Kühlluftpfad auf. Es sei jedoch betont, dass die Richtung des Kühlluftpfades beliebig ist.
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In 5 ist die Stromrichtereinheit 200' aus 3 in einer Querschnittsansicht dargestellt. Hierbei ist insbesondere die zwischen dem Kühlkörperteil 241 und dem Kühlkörperteil 242 vorgesehene, thermisch isolierende Schicht 244 zu sehen, wobei der Kühlkörperteil 241 und der Kühlkörperteil 242 einen Hohlraum zwischen sich bilden.
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Weiterhin ist zu sehen, dass die Logikeinheit 250 von innen - und in dem eben erwähnten Hohlraum - an dem Kühlkörperteil 242 angeordnet bzw. befestigt ist. Das Leistungsmodul 260 hingegen ist von innen - und damit ebenfalls in dem Hohlraum - an dem Kühlkörperteil 241 angeordnet bzw. befestigt.
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Außerdem ist beispielhaft ein Kondensator 265 gezeigt, der in vertikaler bzw. axialer Ausrichtung in den Kühlkörperteil 241 eingebracht ist.
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Zwischen der Einhausung 270 und dem Kühlkörper bzw. den Kühlkörperteilen 241 und 242 sind zudem Kühlluftströme 280 gezeigt, die den Kühlkörper bei rotierendem Lüfter umströmen und damit kühlen. Es sei erneut betont, dass die Richtung der Kühlluftströme beliebig ist.
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In 6 ist die Stromrichtereinheit 200" aus 4 in einer Querschnittsansicht dargestellt. Im Vergleich zur Stromrichtereinheit 200', wie sie in 5 zu sehen ist, sind die zwei Einhausungsteile 271 und 272 zu erkennen, wobei sich der Einhausungsteil 272 auf der oberen bzw. dem Lüfter abzuwendenden Seite nach radial innen erstreckt, wodurch die Kühlluftströme 280 länger an dem Kühlkörper bzw. dem Kühlkörperteil 242 entlang geführt werden.
