DE102020117310A1

DE102020117310A1 - Stromrichter für elektrische Maschine und elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102020117310A1
Application number: DE102020117310.5A
Authority: DE
Inventors: Felix Egbert; Eric Pertermann; Robert Wilke; Victor Moynot; Christopher Lauer; Christoph Germann; Taha Othmann
Original assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2020-07-01
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2022-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft Stromrichter (130) für eine elektrische Maschine, mit einem Kühlkörper (140), einem Logikteil, einem Leistungsteil und einer Leiterplatte (150) für den Logikteil und den Leistungsteil, wobei der Leistungsteil und der Logikteil insgesamt mehrere verschiedene elektronische Komponente (151, 152) umfassen, wobei ein Teil der mehreren verschiedenen elektrischen Komponenten (152) auf einer dem Kühlkörper (140) zugewandten Seite der Leiterplatte (150) und ein anderer Teil der mehreren verschiedenen elektrischen Komponenten (151) auf einer dem Kühlkörper (140) abgewandten Seite der Leiterplatte (150) angeordnet sind, wobei auf der dem Kühlkörper (140) zugewandten Seite der Leiterplatte (140) thermisch höher belastete elektrische Komponenten (152) angeordnet sind als auf der dem Kühlkörper (140) abgewandten Seite der Leiterplatte (150), sowie eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Herstellen eines Stromrichters (130).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromrichter für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Stromrichters.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen, die motorisch und/oder generatorisch betrieben werden können, weisen neben einem Stator und einem Rotor auch einen Stromrichter (oftmals auch als Inverter bezeichnet) auf, um Phasenwicklungen des Stators entsprechend zu bestromen bzw. mit entsprechenden Gleichspannungsanschlüssen zu verbinden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Stromrichter, eine elektrische Maschine, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Stromrichters mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung beschäftigt sich mit Stromrichtern (auch als Inverter bezeichnet) für elektrische Maschinen, die wie üblich einen Kühlkörper, einen Logikteil und einen Leistungsteil aufweisen. Der Leistungsteil und der Logikteil weisen dabei insgesamt bzw. zusammen mehrere verschiedene elektronische (bzw. elektrische) Komponenten auf. Hierzu gehören insbesondere Halbleiterschalter, insbesondere Leistungs-Halbleiterschalter, wie z.B. MOSFETs oder IGBTs, die dabei dem Leistungsteil zugeordnet werden. Daneben gibt es aber auch noch verschiedene andere Komponenten wie Gate-Treiber, Mikrocontroller, Spannungsregler, Transformatoren und andere, meist kleinere Komponenten wie Stromsensoren oder Temperatursensoren, die dann in der Regel dem Logikteil zugeordnet werden. Je nach Anwendung können z.B. bestimmte Sensoren aber auch dem Leistungsteil zugeordnet werden, wobei es auf die konkrete Zuordnung zu Logikteil und Leistungsteil für die vorliegende Erfindung nicht ankommt.
Leistungsteil und Logikteil können nun auf einer Leiterplatte, auch als Platine oder PCB (sog. „Printed Circuit Board“) bezeichnet, und typischerweise bestehend aus FR4, angeordnet sein. Im Rahmen der Erfindung wird nun vorgeschlagen, dass ein Teil der mehreren verschiedenen elektrischen Komponenten auf einer dem Kühlkörper zugewandten Seiten der Leiterplatte und ein anderer Teil der mehreren verschiedenen elektrischen Komponenten, insbesondere der Rest, auf einer dem Kühlkörper abgewandten Seite der Leiterplatte, also auf der gegenüberliegenden Seite, angeordnet sind. Dies erfolgt derart, dass auf der dem Kühlkörper zugewandten Seite der Leiterplatte thermisch höher belastete elektrische Komponenten angeordnet sind als auf der dem Kühlkörper abgewandten Seite der Leiterplatte. Unter einer thermischen Belastung ist dabei insbesondere eine Wärmeentwicklung pro Volumen oder Oberfläche und pro Zeit - während des Betriebs des Stromrichters - zu verstehen, die entsprechend abzuführen ist.
Dies ermöglicht eine besonders effektive Kühlung der elektronischen Komponenten, da von beiden Seiten der Leiterplatte eine Kühlung möglich ist. Insbesondere können aber durch die Aufteilung nach der thermischen Belastung der elektrischen Komponenten - eine Unterscheidung nach Logikteil und Leistungsteil ist hier nicht nötig - die thermisch am höchsten belasteten elektrischen Komponenten näher am Kühlkörper angeordnet sein und damit besonders effektiv gekühlt werden.
Zweckmäßig ist es, wenn die auf der dem Kühlkörper zugewandten Seite der Leiterplatte angeordneten elektrischen Komponenten Halbleiterschalter, insbesondere Leistungs-Halbleiterschalter, und/oder Gate-Treiber und/oder Mikrocontroller umfassen, zumal es sich hierbei um die thermisch am höchsten belasteten elektronischen Komponenten handelt. Leistungs-Halbleiterschalter sind dabei insbesondere diejenigen Halbleiterschalter eines Stromrichters, mittels welcher die Phasen- und/oder Erregerkreisströme geschaltet werden, die also besonders hohe Ströme schalten müssen. Insbesondere für die Halbleiterschalter ist die thermische Belastung aufgrund der darin fließenden, hohen Ströme besonders hoch.
Vorzugsweise sind die auf der dem Kühlkörper zugewandten Seite der Leiterplatte angeordneten elektrischen Komponenten mittels eines thermisch leitenden Materials mit dem Kühlkörper thermisch gekoppelt. Besonders zweckmäßig ist es hierbei auch, wenn ein Bereich zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper mit dem thermisch leitenden Material ausgefüllt ist. Es kann also insbesondere der gesamte freie Raum zwischen der Leiterplatte mit den darauf angebrachten elektrischen Komponenten und dem Kühlkörper mit dem thermisch leitenden Material ausgefüllt sein. Auf diese Weise können diese elektronischen Komponenten noch besser gekühlt werden.
Außerdem ist es von Vorteil, wenn der Stromrichter einen Gehäusedeckel aufweist, der die Leiterplatte umgibt, und insbesondere mit dem Kühlkörper in thermischem Kontakt steht. Dann können die auf der dem Kühlkörper abgewandten Seite der Leiterplatte angeordneten elektrischen Komponenten mittels eines thermisch leitenden Materials mit dem Gehäusedeckel thermisch gekoppelt sein. Damit ist auch für diese elektronischen Komponenten, auch wenn diese weniger thermisch belastet sind, eine besonders gute und effektive Kühlung möglich, insbesondere da die Wärme über den Gehäusedeckel auch an den Kühlkörper abgeführt werden kann.
Dies ist insbesondere wichtig, da es vorkommen kann, dass sich in unmittelbarer Umgebung des Stromrichters andere heiße Bauteile, wie beispielsweise der Abgaskrümmer eines Verbrennungsmotos befinden und Wärme abstrahlen können. In einer solchen Konfiguration wird der Stromrichter üblicherweise durch einen Hitzeschild vor der Strahlung geschützt. Ein solcher Hitzeschild verhindert dann die Kühlung des Gehäusedeckels durch die Umgebung. Ohne die Verbindung zwischen Gehäusedeckel und Kühlkörper könnte die von den auf der dem Kühlkörper abgewandten Seite der Leiterplatte angeordneten elektrischen Komponenten produzierte Wärme nicht oder weniger effektiv abgeführt werden.
Als thermisch leitendes Material kommt insbesondere ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1 W/mK, bevorzugt mehr als 2 W/mK, in Betracht. Denkbar sind als Material generell z.B. eine Wärmeleitpaste, aber auch Wärmeleitkleber oder ggf. Silikon. Wenn der Kühlkörper auf einer der Leiterplatte abgewandten Seite Kühlrippen aufweist, ist eine weitere Verbesserung der Kühlung möglich.
Um einen möglichst guten thermischen Kontakt zwischen Kühlkörper und Gehäusedeckel herzustellen, ist es vorteilhaft, ein Dichtmaterial mit einer möglichst hohen Wärmeleitfähigkeit von zumindest 0,3 W/mK, besser >1W/mK zu verwenden. Außerdem ermöglicht eine hohe Anpresskraft zwischen Kühlkörper und Gehäusedeckel, beispielsweise durch eine Presspassung oder Schraubverbindung, eine möglichst dünne Schichtdicke der Dichtung, um so den thermischen Widerstand weiter zu verringern.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor und einem erfindungsgemäßen Stromrichter. Die elektrische Maschine und damit auch der Stromrichter können dabei insbesondere für ein 48V-Bordnetz ausgelegt sein, z.B. auch als sog. Boost-Rekuperations-Maschine. Insbesondere sind Wicklungen des Stators (sog. Phasenwicklung) über den Inverter mit einem Energieversorgungsnetz, beispielsweise einem Fahrzeugbordnetz, verbunden.
Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Stromrichters für eine elektrische Maschine, insbesondere eines erfindungsgemäßen Stromrichters. Dabei werden ein Kühlkörper, ein Logikteil, ein Leistungsteil und eine Leiterplatte für den Logikteil und den Leistungsteil vorgesehen, wobei der Leistungsteil und der Logikteil insgesamt mehrere verschiedene elektronische Komponente umfassen. Zudem werden ein Teil der mehreren verschiedenen elektrischen Komponenten, und zwar thermisch höher belastete, auf einer dem Kühlkörper zugewandten Seiten der Leiterplatte und ein anderer Teil der mehreren verschiedenen elektrischen Komponenten auf einer dem Kühlkörper abgewandten Seite der Leiterplatte angeordnet.
Hinsichtlich der Vorteile und weiterer bevorzugter Ausgestaltungen des Verfahrens sowie auch der elektrischen Maschine sei auf die vorstehenden Ausführungen zum Stromrichter verwiesen, die hier entsprechend gelten.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine mit einem Stromrichter in einer bevorzugten Ausführungsform.
2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Stromrichter in einer bevorzugten Ausführungsform.
3 zeigt eine Schnittansicht des Stromrichters aus 2.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 100 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die elektrische Maschine 100 weist einen Stator 110, einen innerhalb des Stators 110 angeordneten Rotor 120 mit einer Rotorwelle 121 sowie einen Stromrichter 130 auf. Für eine nähere Erläuterung des Stromrichters sei auf die nachfolgenden Ausführungen verwiesen.
In 2 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Stromrichter 130 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Der Stromrichter 130 weist einen Kühlkörper 140 auf, welcher wiederum beispielhaft Kühlrippen 141 auf der typischerweise dem Stator und Rotor zuzuwendenden Seite aufweist. Außerdem sind in der Darstellung Kondensatoren 142 zu sehen, die am Kühlkörper 140 angeordnet sind.
Auf dem Kühlkörper 140 ist weiterhin eine Leiterplatte 150 aufgebracht. Auf einer dem Kühlkörper 140 abgewandten Seite der Leiterplatte 150 (in der Figur oben) sind dabei mehrere, verschiedene elektronische Komponente aufgebracht, z.B. aufgelötet, von denen einige mit 151 bezeichnet sind. Zwischen der Leiterplatte 150 und dem Kühlkörper 140 ist eine Schicht aus thermisch leitendem Material 160, z.B. Wärmeleitpaste, vorgesehen.
In 3 ist eine Schnittansicht des Stromrichters 130 aus 2 dargestellt. Hierbei sind insbesondere auch elektronische Komponenten 152 zu sehen, die auf der dem Kühlkörper 140 zugewandten Seite der Leiterplatte 150 (in der Figur unten) aufgebracht, z.B. aufgelötet, sind. Hierbei kann es sich insbesondere um Halbleiterschalter oder Leistungs-Halbleiterschalter handeln. Im Bereich zwischen der Leiterplatte 150 und dem Kühlkörper 140 ist, wie schon in 2 zu sehen, das thermisch leitende Material 160 vorgesehen, das damit auch zwischen den elektronischen Komponenten 152 und dem Kühlkörper 140 vorgesehen ist.
Weiterhin ist nunmehr ein Gehäusedeckel 135 des Stromrichters 130 gezeigt, der die Leiterplatte 150 umgibt und insbesondere auch - an den Rändern - mit dem Kühlkörper 140 in Kontakt steht. Der Gehäusedeckel 135 kann den Kühlkörper auch außen umgreifen. Zwischen den elektronischen Komponenten 151 und dem Gehäusedeckel 135 ist ebenfalls jeweils thermisch leitendes Material 160 vorgesehen.
Bei den elektronischen Komponenten 152 handelt es sich nun um thermisch höher belastete Komponenten als bei den elektronischen Komponenten 151. Durch die Anordnung näher am Kühlkörper sowie die Ausfüllung des Bereichs zwischen der Leiterplatte 150 und dem Kühlkörper 140 wird eine besonders effektive Kühlung für diese hoch belasteten Komponenten erreicht, während für die thermisch weniger belasteten Komponenten 151 eine geringere Kühlung über den Gehäusedeckel 135 ausreichend ist.
Zwischen Kühlkörper 140 und Gehäusedeckel 135 wird ein Dichtmaterial 136 verwendet, welches zusätzlich die Funktion der Wärmeleitung vom Gehäusedeckel 135 zum Kühlkörper 140 erfüllt.

Claims

Stromrichter (130) für eine elektrische Maschine (100), mit einem Kühlkörper (140), einem Logikteil, einem Leistungsteil und einer Leiterplatte (150) für den Logikteil und den Leistungsteil, wobei der Leistungsteil und der Logikteil insgesamt mehrere verschiedene elektronische Komponente (151, 152) umfassen, wobei ein Teil der mehreren verschiedenen elektrischen Komponenten (152) auf einer dem Kühlkörper (140) zugewandten Seite der Leiterplatte (150) und ein anderer Teil der mehreren verschiedenen elektrischen Komponenten (151) auf einer dem Kühlkörper (140) abgewandten Seite der Leiterplatte (150) angeordnet sind, wobei auf der dem Kühlkörper (140) zugewandten Seite der Leiterplatte (140) thermisch höher belastete elektrische Komponenten (152) angeordnet sind als auf der dem Kühlkörper (140) abgewandten Seite der Leiterplatte (150).
Stromrichter (130) nach Anspruch 1, wobei die auf der dem Kühlkörper (140) zugewandten Seite der Leiterplatte (150) angeordneten elektrischen Komponenten (152) Halbleiterschalter, insbesondere Leistungs-Halbleiterschalter, und/oder Gate-Treiber und/oder Mikrocontroller umfassen.
Stromrichter (130) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die auf der dem Kühlkörper (140) zugewandten Seite der Leiterplatte (150) angeordneten elektrischen Komponenten (152) mittels eines thermisch leitenden Materials (160) mit dem Kühlkörper (140) thermisch gekoppelt sind.
Stromrichter (130) nach Anspruch 3, wobei ein Bereich zwischen der Leiterplatte (150) und dem Kühlkörper (140) mit dem thermisch leitenden Material (160) ausgefüllt ist.
Stromrichter (130) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin mit einem Gehäusedeckel (135), der die Leiterplatte (150) umgibt, und insbesondere mit dem Kühlkörper (140) in Kontakt steht, wobei die auf der dem Kühlkörper (140) abgewandten Seite der Leiterplatte (150) angeordneten elektrischen Komponenten (151) mittels eines thermisch leitenden Materials (160) mit dem Gehäusedeckel (135) thermisch gekoppelt sind.
Stromrichter (130) nach Anspruch 5, wobei der Gehäusedeckel (135) mittels eines Dichtmaterials (136) mit dem Kühlkörper (140) in Kontakt steht, wobei das Dichtmaterial (160) eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,3 W/mK, bevorzugt mehr als 1 W/mK, aufweist.
Stromrichter (130) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Gehäusedeckel (135) mittels Presspassung und/oder Schraubverbindung mit dem Kühlkörper (140) verbunden ist.
Stromrichter (130) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das thermisch leitende Material (160) eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1 W/mK, bevorzugt mehr als 2 W/mK, aufweist.
Stromrichter (130) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper (140) auf einer der Leiterplatte (150) abgewandten Seite Kühlrippen (141) aufweist.
Elektrische Maschine (100) mit einem Stator (110), einem Rotor (120) und einem Stromrichter (130) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Verfahren zum Herstellen eines Stromrichters (130) für eine elektrische Maschine (100), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem ein Kühlkörper (140), ein Logikteil, ein Leistungsteil und eine Leiterplatte (150) für den Logikteil und den Leistungsteil vorgesehen werden, wobei der Leistungsteil und der Logikteil insgesamt mehrere verschiedene elektronische Komponente (151, 152) umfassen, wobei ein Teil der mehreren verschiedenen elektrischen Komponenten (152) auf einer dem Kühlkörper (140) zugewandten Seite der Leiterplatte (150) und ein anderer Teil der mehreren verschiedenen elektrischen Komponenten (151) auf einer dem Kühlkörper (140) abgewandten Seite der Leiterplatte (150) angeordnet werden, wobei auf der dem Kühlkörper (140) zugewandten Seite der Leiterplatte (140) thermisch höher belastete elektrische Komponenten (152) angeordnet werden als auf der dem Kühlkörper (140) abgewandten Seite der Leiterplatte (150).