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Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper und eine
Gleichrichterbaueinheit für
eine elektrische Maschine nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
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Aus der
EP 0329722 B1 ist ein Kühlkörper und
ein Gleichrichter für
eine am Markt eingeführte elektrische
Maschine bekannt. Zumindest teilweise weisen die verkauften Exemplare
dieser Generatoren Gleichrichter auf, deren Kühlkörper, insbesondere Pluskühlkörper, um
die Plusdioden herum unregelmäßig angeordnete
Kühlluftöffnungen
aufweisen. Um bei erhöhter
Leistung, d.h. erhöhter
Stromabgabe des Generators und damit erhöhter Wärmeabfuhr weiterhin ein akzeptables
Temperaturniveau des Gleichrichters zu halten, ist es notwendig,
die Kühlung
der Dioden zu verbessern.
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Der erfindungsgemäße Kühlkörper mit den Merkmalen des
Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass durch die Anordnung zumindest
zweier Kühlluftdurchlässe, die
untereinander einen Maximalabstand von 5 mm aufweisen, und jeweils
einen Abstand zu einer Diodengrenzfläche zwischen 2,0 und kleiner
5 mm haben, eine optimale Kühlwirkung
für eine
Diode erreicht wird. Bei Einpressdioden wird gleichzeitig ein optimaler
Wärmeübergang
bzw. ein optimales Halten der Diode ermöglicht, wenn die Diodengrenzfläche gleichzeitig
die Begrenzung der Diodenöffnung
ist. Bei auf den Kühlkörper aufgelöteten Dioden
ist die Diodengrenzfläche
die tatsächliche
Lötverbindungsfläche zwischen
Diode und Kühlkörper.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des Kühlkörpers nach dem Hauptanspruch
möglich.
Ordnet man die Kühlluftdurchlässe zumindest teilweise
ringförmig
um die zumindest eine Diodengrenzfläche an, so entspricht die Anordnung
der Kühlluftdurchlässe der
ringförmigen
bzw. strahlförmigen
Wärmeleitungscharakteristik
der Dioden. Es ergibt sich dadurch eine weitere Verbesserung der Wärmeabfuhr.
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Weist der Kühlkörper zumindest teilweise die Form
eines Ringsegments auf und ist zwischen der Diodengrenzfläche und
einer zentralen Öffnung
des Kühlkörpers zumindest
ein eine längliche
Form mit einer Längsachse
aufweisender Kühlluftdurchlass angeordnet,
wobei die Längsachse
zur zentralen Öffnung
gerichtet ist, so ergibt sich ein geringer Strömungswiderstand für die Kühlluftströmung ins
Innere des Generators und damit ein höherer Luftdurchsatz durch eine
weniger stark gekrümmte
Strömung
durch die länglichen Öffnungen.
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Weist der teilweise die Form eines
Ringsegments aufweisende Kühlkörper zwischen
der Diodengrenzfläche
und einem äußeren radialen
Rand zumindest einen eine längliche
Form mit einer Längsachse
aufweisenden Kühlluftdurchlass
auf, wobei die Längsachse
zur zentralen Öffnung
gerichtet ist, so wird auch an diesem äußeren Rand der Strömungswiderstand
für die
Strömung
ins Innere des Generators verringert, der Luftdurchsatz wird auch
hier durch eine weniger stark gekrümmte Strömung vergrößert.
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Um eine größere Oberfläche des Kühlkörpers zu erreichen, ist vorgesehen,
dass der äußere radiale
Rand auf einer radial nach außen
gerichteten Oberfläche
gerippt ist. Durch die vergrößerte Oberfläche kann
mehr Wärme
an die Umgebung abgegeben werden.
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Die Längsachse der länglichen
Kühlluftdurchlässe ist
vorzugsweise im Wesentlichen radial zur Diodengrenzfläche gerichtet.
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Sind die Diodengrenzflächen bzw.
die sie umgebenden Kühlluftdurchlässe verhältnismäßig nah
beieinander, so treffen an diesen Stellen verhältnismäßig große Wärmeströme aufeinander. Da diese Wärmeströme ohne
weitere Zusatzmaßnahmen
zu einer Erhöhung
des Temperaturniveaus des Kühlkörpers führen, ist
vorgesehen, dass sich zwischen zwei jeweils einer Diodengrenzfläche zugeordneten
Kühlluftdurchlässen eine
Erhebung erstreckt. Diese Erhebung – beispielsweise eine Kühlrippe – führt zu einer Masseerhöhung, in
der Folge zu einer Oberflächenvergrößerung und
damit zu einer besseren Wärmeabfuhr
an dieser kritischen Stelle. Um einen möglichst geringen Strömungswiderstand
der Erhebung zu erzeugen, ist vorgesehen, die Erhebung sich in Richtung
einer zentralen Achse des Kühlkörpers erstrecken
zu lassen, so dass diese im wesentlichen oder völlig radial erstrecken. Des
Weiteren können sich
die Kühlluftdurchlässe an benachbarte
Erhebungen anschmiegen, um die Luft entlang dieser Erhebungen zu
führen
und damit eine gezielt an den Erhebungen vorbeiströmende Luftströmung zu
erreichen.
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Eine weiter gesteigerte Kühlwirkung
der Erhebung ergibt sich dadurch, dass sich die Erhebung in die
zentrale Öffnung
des Kühlkörpers erstreckt.
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Eine weitere verbesserte Kühlwirkung
des Kühlkörpers ergibt
sich dadurch, dass sich zwischen zwei zwischen der Diodengrenzfläche und
dem äußeren radialen
Rand angeordneten Kühlluftdurchlässen eine
weitere radiale Erhebung erstreckt.
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Für
eine gleichmäßige und
damit weiter optimierte Kühlwirkung
ist vorgesehen, dass sich zumindest zwei Kühlluftdurchlässe im Wesentlichen
gleichmäßig um eine
Diodengrenzfläche
befinden.
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Zur weiteren Verbesserung der Kühlwirkung ist
vorgesehen, dass zwischen zwei Diodengrenzflächen eine Erhebung angeordnet
ist, die Idealerweise zwischen zwei Kühlluftdurchlässen angeordnet
ist.
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Eine für einen gelochten Kühlkörper ideale Verteilung
der Kühlluftöffnung lässt sich
aber auch dadurch beschreiben, dass eine radiusabhängige Mantelschnittfläche des
Kühlkörpers um
eine Diode herum von einer radiusabhängigen Normschnittfläche um maximal – 65% abweicht.
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In zweiter und weiter verbesserter
Näherung ist
vorgesehen, dass die Abweichung maximal – 35% beträgt.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung
ist vorgesehen, dass sich die radiusabhängige Summe der Flächen bzw.
deren Abweichung von einer Normschnittfläche im Bereich von 1,3 ≤ r/rD ≤ 2,0 befindet.
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Nach einem nebengeordneten Anspruch
ist eine Gleichrichterbaueinheit mit einem Kühlkörper nach einem der vorhergehenden
Ansprüche
vorgesehen.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele
eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers sowie einer
Gleichrichterbaueinheit mit einem erfindungsgemäßen Kühlkörper dargestellt. Es zeigen: 1 zeigt eine schematische
Darstellung eines gelochten Kühlkörpers, 2 zeigt eine Draufsicht
auf einen Kühlkörper, 3 zeigt eine weitere schematische Darstellung
eines gelochten Kühlkörpers, 4 zeigt ein Diagramm über den
Zusammenhang eines Wärmestromquerschnitts
im Bezug zum Radius, 5 zeigt
eine Draufsicht auf einen Kühlkörper gemäß dem Stand
der Technik.
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Beschreibung
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In 1 ist
ausschnittsweise ein Kühlkörper 20 dargestellt.
Der Kühlkörper 20 weist
mehrere Öffnungen
auf, darunter zumindest eine eine Diodengrenzfläche bildende Diodenöffnung 23 zum
Einsetzen einer Diode. Um diese eine Diodenöffnung 23 sind zumindest
zwei Kühlluftdurchlässe 26 angeordnet,
wobei im Beispiel um die eine Diodenöffnung 23 zehn Kühlluftdurchlässe 26 angeordnet
sind. Im Ausführungsbeispiel
nach 1 haben zwei Kühlluftdurchlässe 26 untereinander
einen Maximalabstand a von 5 mm und einen Abstand b zu einem Rand
der Diodenöffnung 23 zwischen
2,0 mm und kleiner 5 mm. Wie aus 1 deutlich
zu erkennen ist, sind die Kühlluftdurchlässe 26 ringförmig um
die zumindest eine Diodenöffnung 23 angeordnet.
Diese Anordnung ist ein Ausführungsbeispiel
für die
Forderung, wonach die Kühlluftdurchlässe 26 zumindest
teilweise ringförmig
um die Diodenöffnung 23 angeordnet sind.
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In 2 ist
eine Draufsicht auf einen gesamten Kühlkörper 20 dargestellt,
der insbesondere für Gleichrichtervorrichtungen
von Drehstromgeneratoren für
Kraftfahrzeuge vorgesehen ist. Der Kühlkörper 20 besteht zunächst aus
einem flächigen,
d.h. im Wesentlichen ebenen Grundkörper 29, in den in
diesem Ausführungsbeispiel
sechs Diodenöffnungen 23 eingebracht
sind. In diese im Wesentlichen gleich beabstandeten Diodenöffnungen 23 werden üblicherweise
Gleichrichterdioden eingepresst. Diese Gleichrichterdioden erzeugen
während
der Gleichrichtungsarbeit eine Verlustwärme, die über den Grundkörper 29 abgeführt werden
muss, um eine Überhitzung
der Dioden zu vermeiden. Die Kühlwirkung
eines gelochten Grundkörpers 29 ist
gegenüber
einem ungelochten Grundkörper 29 deutlich
besser, weshalb in den Grundkörper 29 die
bereits erwähnten Kühlluftdurchlässe 26 eingebracht
sind. Der Kühlkörper 20 hat
zumindest teilweise die Form eines Ringsegments und weist in seiner
Ringmitte eine zentrale Öffnung 32 auf.
Ist der Gleichrichter mit dem Kühlkörper 20 an
die elektrische Maschine montiert, so ragt durch diese zentrale Öffnung 32 ein
Wellenende eines nicht dargestellten Läufers hindurch. Es ist vorgesehen,
dass zwischen einer Diodenöffnung 23 und der
zentralen Öffnung 32 zumindest
ein eine längliche
Form mit einer Längsachse 35 aufweisender Kühlluftdurchlass 26 angeordnet
ist. Die Längsachse 35 ist
dabei zur zentralen Öffnung 32 gerichtet.
Die Kühlwirkung
ist besonders vorteilhaft, wenn zwischen der Diodenöffnung 23 und
der zentralen Öffnung 32 zwei
dieser länglichen
Kühlluftdurchlässe 26 nebeneinander
angeordnet sind. Zwei benachbarte Kühlluftdurchlässe 26 wirken
im Grundsatz wie eine Drossel, sodass durch zwei benachbarte Kühlluftdurchlässe 26 zunächst der
Wärmetransport
in von einer Diode weg weisender Richtung behindert ist. Aus diesem
Grund ist vorgesehen, dass sich zwischen zwei zwischen einer Diodenöffnung 23 und
der zentralen Öffnung 32 angeordneten
Kühlluftdurchlässen 26 eine
Erhebung 38 erstreckt. Idealerweise erstreckt sich dabei
die Erhebung 38 in Richtung einer zentralen Achse 41 bzw.
nach radial innen. Diese zentrale Achse 41, in 2 als Kreuz dargestellt,
und im Wesentlichen senkrecht zum Grundkörper 29, deckt sich
mit einer Drehachse eines nicht dargestellten Läufers bzw. kennzeichnet einen
Mittelpunkt einer beispielsweise kreisförmigen Kontur des Kühlkörpers 20.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass sich zumindest eine der Erhebungen 38 in
die zentrale Öffnung 32 hinein
erstreckt. Alternativ kann statt je eines länglichen Kühlluftdurchlasses 26 natürlich auch
ein einfacher Kühlluftdurchlass 26 vorgesehen
sein oder mehrere nacheinander angeordnete Kühlluftdurchlässe 26,
die in einer vorzugsweise radial orientierten Längsrichtung angeordnet sind.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass
im im Wesentlichen ebenen Grundkörper 29 zwischen
einer Diodenöffnung 23 und
einem äußeren radialen Rand 44 zumindest
ein eine längliche
Form mit einer Längsachse 35 aufweisender
Kühlluftdurchlass 26 angeordnet
ist. Die Längsachse 35 ist
auch hier zur zentralen Öffnung 32 gerichtet.
Alternativ kann auch hier statt je eines länglichen Kühlluftdurchlasses 26 natürlich auch
ein einfacher Kühlluftdurchlass 26 vorgesehen
sein oder mehrere nacheinander angeordnete Kühlluftdurchlässe 26,
die in einer vorzugsweise radial zur Diodenöffnung 23 orientierten
Längsrichtung
angeordnet sind. In einer weiteren Ausgestaltung der länglichen
Diodenöffnungen 23 ist
vorgesehen, dass die Längsachse 35 radial
oder im Wesentlichen radial zur Diodenöffnung 23 gerichtet
ist. Zur Verbesserung der Kühlwirkung
des äußeren radialen Rands
ist vorgesehen, dass dieser auf einer nach radial außen gerichteten
Oberfläche
gerippt oder gewellt ist.
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Analog zu den länglichen Kühlluftdurchlässen 26 zwischen
Diodenöffnung 23 und
zentraler Öffnung 32 ist
vorgesehen, dass auch zwischen zwei benachbarten länglichen
Diodenöffnungen 23 zwischen
dem äußeren radialen
Rand 44 und einer Diodenöffnung 23 eine Erhebung 38 angeordnet
ist.
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Insgesamt ist vorgesehen, dass die
zumindest zwei Kühlluftdurchlässe 26 im
Wesentlichen gleichmäßig um eine
Diodenöffnung 23 angeordnet sind.
Werden aus Platzgründen
zwei benachbarte Dioden relativ nah nebeneinander angeordnet und
sind gleichzeitig, wie insgesamt vorgesehen, Kühlluftdurchlässe 26 um
die Dioden herum angeordnet, so besteht die Gefahr, dass durch die
sehr nah benachbarten Durchlassöffnungen 26 zweier
verschiedener Dioden ein Wärmestau
zwischen den Dioden verursacht wird. Ein solcher Wärmestau
hat zur Folge, dass die Wärmeabfuhr
zwischen den Dioden nur noch eingeschränkt ist, und sich dadurch das
Temperaturniveau mutig zwischen zwei Dioden erhöht. Zur Abhilfe dieses Problems
ist vorgesehen, dass zwischen zwei Diodenöffnungen 23 eine Erhebung 38 angeordnet
ist, die sich vom Grundkörper 29 erstreckt.
Ganz besonders ist vorgesehen, dass die Erhebung 38 zwischen
zumindest zwei Kühlluftdurchlässen 26 zweier
benachbarter Dioden angeordnet ist.
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Betrachtet man gemäß 3 die bereits aus 1 bekannte Anordnung, wobei
um die Diode zusätzlich
eine Erhebung angeordnet ist, so können um eine Diodenöffnung 23 gedanklich
konzentrische Kreise angeordnet werden. In 3 ist ein solcher Kreis k eingezeichnet.
Schneidet der Kreis k – wie dargestellt – Kühlluftdurchlässe 26,
so ergeben sich in die Tiefe des Kühlkörpers 20 einerseits
eine sogenannte Mantelschnittfläche
M, die in diesem Fall durch die Kühlluftdurchlässe 26 unterbrochen
ist. Die gesamte Mantelschnittfläche
M setzt sich in diesem Fall aus zehn einzelnen Mantelschnittflächen Me
zusammen. Des Weiteren ergeben sich einzelne Manteloberflächen Moe,
die in den Kühlluftdurchlässen 26 gebildet
sind. Mehrere solcher einzelnen Manteloberflächen Moe bilden eine gesamte
Manteloberfläche
Mo. Der Wärmestromquerschnitt
in Flächenrichtung
des Kühlkörpers 20 ergibt
sich aus der Mantelschnittfläche
M, die vom Radius r abhängig
ist.
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Die Mantelschnittfläche M wird
hier als Fläche
As bezeichnet. Diese vom Radius abhängige Fläche As kann normiert werden
und zwar jeweils auf die theoretische zylindrische Mantelschnittfläche eines
ungelochten und ungerippten Kühlkörpers 20, die
Fläche
AN. Diese Vergleichsmantelschnittfläche entspricht dabei einer
theoretischen Zylindermantelfläche
um die Diodenöffnung 23 mit
dem Radius r. Für
die Mantelschnittfläche
bzw. die Fläche
As und die Vergleichsmantelschnittfläche AN geht man zunächst von
gleichen Plattenstärken
zum Festhalten der Dioden aus. Zur Ermittlung der Plattenstärke werden
Erhebungen, Rippen etc. unmittelbar an der Diode nicht berücksichtigt.
Setzt man r gleich dem Durchmesser 2 * rD der Diodenöffnung 23 oder
der aufgelöteten
Diode , so ergibt sich der Wert 1 beider zu vergleichender Flächen, wenn
man As auf AN bezieht. Auch der Radius r kann normiert werden, indem
man den Radius r in Bezug zum Halbmesser rD der Diodenöffnung 23 setzt.
Bezieht man eine radiusabhängige
Mantelschnittfläche
M auf eine radiusabhängige
Normschnittfläche
AN, so kann ein normiertes Diagramm, 4,
ermittelt werden. Gemäß 4 ist vorgesehen, dass eine
radiusabhängige Mantelschnittfläche M des
Kühlkörpers 20 um
eine Diodenöffnung 23 herum
von einer radiusabhängigen
Normschnittfläche
um maximal – 65
% abweicht. Diese Abweichung ist in 4 mit
dem Zeichen Δs2 dargestellt.
Gemäß einer
verbesserten Ausführung ist
vorgesehen, dass eine Abweichung (Δs1) von maximal – 35 % vorhanden
ist. Es ist vorgesehen, dass die zulässige Abweichung im Bereich
zwischen 1,4 ≤ r/rD ≤ 1,8 vorhanden
ist.
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Der Begriff „Erhebung" ist nicht auf eine längliche
Form – beispielsweise
die einer Kühlrippe – beschränkt. Gleichfalls
wird darunter auch eine im wesentlichen zylindrische oder gar konische
Form verstanden; auch eine Aneinanderreihung von einzelnen im wesentlichen
zylindrischen oder gar konischen Kühlerhebungen erfüllen die
gleiche Funktion.
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Unter dem Begriff „Diodengrenzfläche" wird einerseits
eine durch eine Diodenöffnung 23 gebildete – im wesentlichen
zylindrische – Mantelfläche der Diodenöffnung verstanden.
Andererseits wird darunter auch die bei auf den Kühlkörper aufgelöteten Dioden
vorhandene tatsächliche
Lötverbindungsfläche zwischen
Diode und Kühlkörper verstanden.
Eine wichtige Eigenschaft der Diodengrenzfläche ist die Eigenschaft, wonach
durch diese Fläche
der Wärmeübergang
von der Diode zum Kühlkörper stattfindet.
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Schließlich ist eine Gleichrichterbaueinheit 50 vorgesehen,
die einen Kühlkörper 20 nach
einem der beschriebenen Beispiele aufweist, 5. Die Gleichrichterbaueinheit 50 kann
beispielsweise mit zwei einzelnen Kühlkörpern 20 zur Montage
an ein Lagerschild eines Generators oder auch mit einem Kühlkörper 20,
der bspw. als Pluskühlkörper ausgeführt ist
und einem weiteren bspw. als Minuskühlkörper ausgeführten Kühlkörper 20 ausgeführt sein,
wobei dieser darüber
hinaus die Funktion eines Lagerschilds aufweist, also ein Generatorgehäuseteil
ist.