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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichrichtereinheit für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine mit einer solchen Gleichrichtereinheit.
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Stand der Technik
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Bei elektrischen Maschinen, insbesondere bei solchen, die als Generator verwendet werden, und insbesondere auch bei Verwendung in Fahrzeugen wird eine immer höhere Leistungsdichte gefordert. Gerade in der Gleichrichtereinheit solcher elektrischer Maschinen, in der in aller Regel Halbleiterbauelemente, insbesondere Dioden, verwendet werden, um den erzeugten Wechselstrom gleichzurichten, entstehen hohe Verlustleistungen, wodurch Wärme entsteht, die möglichst gut abgeführt werden sollte.
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Hierzu sind für die Gleichrichtereinheit bzw. als Teil davon typischerweise einer oder mehrere Kühlkörper vorgesehen, über die die Wärme - oftmals auch unter Verwendung eines Lüfters, der typischerweise mittels eines Rotors der elektrischen Maschine angetrieben wird und einen Kühlluftstrom erzeugt - abgeführt wird.
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Im Kühlkörper bzw. in den Kühlkörpern werden hierzu typischerweise Öffnungen für Kühlluft vorgesehen. Wünschenswert ist dabei, die nötigen Komponenten in der Gleichrichtereinheit derart anzuordnen bzw. auszubilden, dass insgesamt eine möglichst gute bzw. effektive Kühlung möglich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden eine Gleichrichtereinheit 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 Gleichrichtereinheit für eine elektrische Maschine, mit einem Plus-Kühlkörper, einem Minus-Kühlkörper und einer wenigstens teilweise zwischen dem Plus-Kühlkörper und dem Minus-Kühlkörper angeordneten Anschlussplatte.
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Eine typische und bevorzugte räumliche Anordnung dieser Komponenten zueinander ist dabei in Bezug auf eine Rotationsachse einer elektrischen Maschine, an welcher die Gleichrichtereinheit typischerweise an einem axialen Ende angebracht bzw. vorgesehen ist, dahingehend, dass die Anschlussplatte in axialer Richtung gesehen zwischen dem Minus-Kühlkörper - der oftmals auch als Lagerschild der elektrischen Maschine dient - und dem Plus-Kühlkörper angeordnet ist.
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In dem Plus-Kühlkörper und in dem Minus-Kühlkörper sind dabei jeweils Dioden vorgesehen, die jeweils mit zugehörigen Anschlüssen der Anschlussplatte verbunden sind. Durch die Dioden und die Anschlüsse und deren Verschaltung, auch in der Anschlussplatte, wird damit ein Gleichrichter oder zumindest ein Teil davon gebildet.
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Bei den in dem Minus-Kühlkörper vorgesehenen bzw. eingebrachten Dioden handelt es sich dann insbesondere um Minus-Dioden, die mit Masse bzw. einem Minus-Pol einer Batterie bzw. eines Bordnetzes verbunden werden können, bei den Plus-Dioden entsprechend um solche, die mit einem Plus-Pol der Batterie bzw. des Bordnetzes verbunden werden können. Ein Grund, weshalb die Dioden in den Kühlkörpern angeordnet werden, liegt darin, dass die Dioden aufgrund hoher Wärmeentwicklung möglichst gut bzw. effizient gekühlt werden sollen. Es handelt sich dabei insbesondere um sog. Einpressdioden, die in entsprechende Aussparungen in den Kühlkörpern eingepresst werden.
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Weiterhin weist die Anschlussplatte Anschlüsse für Stromschienen zu einer Ständerwicklung der elektrischen Maschine auf, worüber die Phasenanschlüsse der Ständerwicklung angeschlossen bzw. verbunden werden können.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Anschlussplatte Isolationskomponenten für wenigstens einen Teil der Anschlüsse, insbesondere der Anschlüsse für die Stromschienen zu der Ständerwicklung der elektrischen Maschine, aufweist. Insbesondere ist ein Grundkörper der Anschlussplatte aus Kunststoff ausgebildet, während die Anschlüsse aus elektrisch leitfähigem Material, insbesondere Metall, wie z.B. Kupfer oder Aluminium, ausgebildet sind. Entsprechend können auch die Isolationskomponenten aus Kunststoff ausgebildet sein, insbesondere auch integral mit dem Grundkörper hergestellt sein, beispielsweise gegossen.
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Um die Ständerwicklung bzw. die Phasen mit den entsprechenden Anschlüssen zu verbinden, sind, wie erwähnt, Stromschienen vorgesehen. Bei solchen Stromschienen handelt es sich typischerweise um Metalldrähte oder Metallschienen, die auf einer entsprechenden Seite des Ständers der elektrischen Maschine herausragen und bis zu den entsprechenden Anschlüssen der Anschlussplatte - die Anschlüsse liegen typischerweise in Bügel- bzw. Bogenform vor - reichen und dort dann damit elektrisch leitend verbunden werden, beispielsweise durch Löten oder Schweißen. Diese Stromschienen müssen oder zumindest sollten dabei isoliert werden, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.
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Hierzu ist es bisher üblich, eine spezielle Isolationsplatte vorzusehen, die in den entsprechend Bereichen angeordnet werden kann. Im Gegensatz zu solchen zusätzlichen Isolationsplatten kann mit der vorgeschlagenen Lösung von in die Anschlussplatte integrierten Isolationskomponenten nicht nur die Herstellung bzw. der Zusammenbau der Gleichrichtereinheit vereinfacht werden, sondern es wird auch weniger Raum bzw. Platz durch die Isolationsvorrichtungen beansprucht, was einen größeren Raum für Kühlluft ermöglicht. Dies wiederum bedeutet eine bessere bzw. effizientere Kühlung der gesamten Gleichrichtereinheit.
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Zudem weist der Plus-Kühlkörper Öffnungen für Kühlluft auf, die nicht von der Anschlussplatte verdeckt sind. Dabei sind der Plus-Kühlkörper, der Minus-Kühlkörper und die Anschlussplatte derart zueinander angeordnet, dass in dem Plus-Kühlkörper vorgesehene Dioden in Axialrichtung zumindest teilweise nicht von dem Minus-Kühlkörper und der Anschlussplatte verdeckt sind. Allenfalls in Bereichen der Anschlüsse für die Stromschienen ist es zweckmäßig, dass die Anschlussplatte nach radial außen über den Plus-Kühlkörper vorragt, dort müssen die Dioden im Minus-Kühlkörper aber nicht angeordnet sein. Damit wird eine besonders effektive Kühlung auch der Dioden im Minus-Kühlkörper möglich, die bisher typischerweise von der erwähnte speziellen Isolationsplatte verdeckt waren.
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Vorzugsweise weist der Pluskühlkörper wenigstens teilweise eine im Wesentlichen kreisbogenförmige äußere Begrenzung auf. Typisch ist beispielsweise eine solche Form über einen Winkel von ca. 180° hinweg, wie später in Bezug auf die Figuren noch näher erläutert wird. Der Minus-Kühlkörper hingegen weist meist - insbesondere aufgrund der schon erwähnten Verwendung als Lagerschild - eine volle Kreisform auf, ggf. mit entsprechenden Befestigungskomponenten.
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Die Anschlussplatte ist bevorzugt ebenfalls wenigstens teilweise im Wesentlichen kreisbogenförmig ausgebildet, um die Dioden, die in den kreisbogenförmig ausgebildeten Kühlkörpern angeordnet sind, entsprechend anschließen zu können. Bei der Anschlussplatte ist die radiale Ausdehnung hierbei aber typischerweise deutlich geringer als bei den Kühlkörpern, da im Wesentlichen nur Platz zur Unterbringung von Verbindungselementen der Anschlüsse benötigt wird.
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Die Anschlussplatte kann im Bereich von wenigstens einem Teil der Anschlüsse vorzugsweise aber auch nach radial außen und/oder innen gegenüber dem kreisbogenförmigen Abschnitt vorragen, um die Anschlüsse zu stützen, insbesondere bei den Anschlüssen für die Stromschiene kann diese radial nach außen vorragen.
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Besonders bevorzugt ist dann auch, wenn der Plus-Kühlkörper und die Anschlussplatte in Bezug auf eine radial äußere Begrenzung zumindest teilweise und zumindest im Wesentlichen bündig zueinander angeordnet sind. Damit wird es möglich, einen großen Teil des Plus-Kühlkörpers, insbesondere radial innerhalb eines Bereichs, in dem die Anschlussplatte vorgesehen ist, mit Öffnungen für Kühlluft zu versehen, die nicht von der Anschlussplatte verdeckt sind. Entsprechend kann der Plus-Kühlkörper Öffnungen in verschiedenen radialen Abständen aufweisen, wobei Öffnungen mit größerem radialen Abstand von der Anschlussplatte verdeckt sind. Solche mit geringerem radialen Abstand aber nicht. Dies ermöglicht eine besonders gute Kühlluftführung und damit Kühlung der Gleichrichtereinheit.
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Bevorzugt umgeben die Isolationskomponenten jeweils einen Bereich, in dem die Stromschienen vorzusehen sind, wenigstens teilweise. Die Isolationskomponenten können insofern insbesondere als Hülsen bzw. hülsenförmig ausgebildet sein, durch die die Stromschienen verlaufen können.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine elektrische Maschine mit einer erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit. Bevorzugt weist die elektrische Maschine dabei einen Stator, einen Rotor und einen mittels des Rotors antreibbaren Lüfter auf. Insbesondere sind dabei Stromschienen einer Ständerwicklung der elektrischen Maschine mit den entsprechenden Anschlüssen der Anschlussplatte verbunden. Die Stromschienen sind dann zweckmäßigerweise auch wenigstens teilweise von den Isolationskomponenten umgeben.
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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 Gleichrichtereinheit in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 3 zeigt die Anschlussplatte der Gleichrichtereinheit gemäß 2.
- 4 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Anschlussplatte.
- 5 zeigt eine Isolationsplatte für eine nicht erfindungsgemäße Anschlussplatte.
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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 im generatorischen Betrieb und damit als Generator verwendet werden kann, 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 eine hier nicht näher dargestellte Ständerwicklung aufweist.
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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 Gleichrichtereinheit 200, die beispielsweise an einem Gehäuse der elektrischen Maschine, das den Läufer 120 umgibt, angebracht sein kann.
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Die Gleichrichtereinheit 200 selbst weist einen Minus-Kühlkörper 241, und einen Plus-Kühlkörper 242 auf, wobei der Minus-Kühlkörper 241 auf der Seite der elektrischen Maschine bzw. des Rotors 120 angeordnet ist und zugleich als Lagerschild dient, d.h. beispielsweise die Welle 130 lagert bzw. ein Lager hierfür aufnimmt, was hier allerdings nur schematisch angedeutet ist.
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Zwischen dem Minus-Kühlkörper 241 und dem Plus-Kühlkörper 242 ist, in axialer Richtung bzw. in Richtung der Rotationsachse A gesehen, eine Anschlussplatte 270 vorgesehen bzw. angeordnet. Sowohl in dem Minus-Kühlkörper 241 als auch in dem Plus-Kühlkörper 242 bzw. dortigen Aussparungen sind beispielhaft jeweils drei Dioden 260 vorgesehen, die in der gezeigten Schnittansicht nur schematisch dargestellt sind.
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Diese Dioden 260 sind entsprechend mit Anschlüssen der Anschlussplatte 270 verbunden. Weiterhin sind auch entsprechende weitere Anschlüsse der Anschlussplatte mit der Ständerwicklung bzw. entsprechenden Stromschiene verbunden, worauf später noch näher eingegangen wird. Eine konkrete Verschaltung der Gleichrichtereinheit bzw. der elektrischen Maschine ist an sich allerdings bekannt und für die vorliegende Erfindung nicht weiter relevant.
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Weiterhin ist beispielhaft eine Abdeckung 250, beispielsweise eine Kappe, vorgesehen, die über dem Plus-Kühlkörper 242 angebracht ist. Diese dient zum Schutz und kann geeignete Kühlöffnungen aufweisen, sodass ein Kühlluftstrom zur Kühlung der Gleichrichtereinheit erzeugt werden kann.
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In 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Gleichrichtereinheit 200 in einer bevorzugten Ausführungsform in einer Draufsicht dargestellt. Bei der Gleichrichtereinheit 200 kann es sich beispielsweise um die in 1 gezeigte Gleichrichtereinheit handeln, dann in einer Ansicht von rechts gesehen, in Bezug auf die 1.
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Die Gleichrichtereinheit 200 weist entsprechend den Minus-Kühlkörper 241 und den Plus-Kühlkörper 242 auf. Dabei ist deutlich zu sehen, dass der Minus-Kühlkörper 241, zumal er als Lagerschild dient, deutlich größer ist als der Plus-Kühlkörper.
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In dem Minus-Kühlkörper 241 und in dem Plus-Kühlkörper 242 sind jeweils drei Dioden 260 vorgesehen bzw. angeordnet, die mit zugehörigen Anschlüssen 271 der Anschlussplatte 270 verbunden sind, welche wiederum, wie schon in Bezug auf 1 erwähnt, zwischen dem Minus-Kühlkörper 241 und dem Plus-Kühlkörper 242 angeordnet ist.
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Weiterhin sind Anschlüsse 272 der Anschlussplatte 270 zu sehen, die weiter nach radial außen reichen und für eine Verbindung mit Stromschienen der Ständerwicklung der elektrischen Maschine vorgesehen sind (die Stromschienen sind hier nicht gezeigt). Diese Stromschienen werden ausgehend von der Ständerwicklung durch entsprechende Öffnungen im Lagerschild bis zur Anschlussplatte geführt.
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An den geometrischen Formen von Plus-Kühlkörper 242 und Anschlussplatte 270 ist zu sehen, dass beide an ihrer radial äußeren Begrenzung zumindest in weiten Teilen in etwa bündig abschließen und zudem freie bzw. nicht verdeckte Öffnungen 243 im Plus-Kühlkörper verbleiben, durch welche Kühlluft strömen kann. Außerdem sind die Dioden 260 im Minus-Kühlkörper 241 nicht verdeckt, sodass diese frei von Kühlluft angeströmt werden können.
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In 3 ist schematisch und in perspektivischer Ansicht die Anschlussplatte 270 der Gleichrichtereinheit 200 gemäß 2 dargestellt. Hier ist nun insbesondere ein aus Kunststoff ausgebildeter Grundkörper 273 der Anschlussplatte 270 zu sehen, aus dem die Anschlüsse 271 für die Dioden herausragen. Außerdem sind Löcher 274 vorgesehen, die zur Befestigung der Anschlussplatte an dem Lagerschild, beispielsweise mittels Schrauben dienen können.
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Weiterhin sind hülsenförmig ausgebildete Isolationskomponenten 275 zu sehen, die integral mit dem Grundkörper 273 ausgebildet sind und in axialer Richtung (vgl. Achse A) unterhalb (dies bedeutet hier in Richtung des Lagerschilds) der entsprechenden Anschlüsse 272 für die Stromschienen der Ständerwicklung angeordnet sind. Beispielhaft ist eine solche Stromschiene 111 angedeutet, die durch die zugehörige Isolationskomponente umgeben und durch den zugehörigen Anschluss geführt ist. Dort kann die Stromschiene 111 mit dem Anschluss 272 verbunden werden, beispielsweise mittels Lötens oder Schweißens.
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Anhand der 2 und 3 ist dabei zu erkennen, dass nur im Bereich der Anschlüsse 272 für die Stromschienen Komponenten bzw. Teile der Anschlussplatte weit nach radial außen ragen.
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In 4 ist zum Vergleich eine nicht erfindungsgemäße Anschlussplatte 270' gezeigt. Dort sind neben den Anschlüssen 271 für die Dioden beispielhaft auch sechs Anschlüsse 272 für die Stromschienen gezeigt.
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Um die Stromschienen zu isolieren, ist bisher allerdings eine separate Komponente nötig gewesen, nämlich eine Isolationsplatte 276', wie sie in 5 gezeigt ist. Dort sind entsprechende Isolationskomponenten bzw. Isolationshülsen 275' in einer Art Ring oder Platte miteinander verbunden und können entsprechend unterhalb der Anschlüsse 272 der Anschlussplatte 270' gemäß 4 angeordnet werden. Wie sich daraus unmittelbar ergibt, wird dadurch aber ein deutlich größerer Bereich radial außerhalb des Plus-Kühlkörpers 242 (vgl. hierzu 2) abgedeckt, insbesondere auch die dort vorgesehen Dioden, als dies mit der vorgeschlagenen Anschlussplatte 270 gemäß 3 der Fall ist. Dies ist insbesondere auf die nötige ringartige Verbindungsstruktur bedingt.
