EP2467923A2 - Elektrische maschine - Google Patents

Elektrische maschine

Info

Publication number
EP2467923A2
EP2467923A2 EP10732994A EP10732994A EP2467923A2 EP 2467923 A2 EP2467923 A2 EP 2467923A2 EP 10732994 A EP10732994 A EP 10732994A EP 10732994 A EP10732994 A EP 10732994A EP 2467923 A2 EP2467923 A2 EP 2467923A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
machine according
electrical machine
heat sink
switching elements
cooling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10732994A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Paetzold
Julian Roesner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch LLC
Original Assignee
Robert Bosch LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch LLC filed Critical Robert Bosch LLC
Publication of EP2467923A2 publication Critical patent/EP2467923A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/48—Arrangements for obtaining a constant output value at varying speed of the generator, e.g. on vehicle
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/04—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for rectification
    • H02K11/049—Rectifiers associated with stationary parts, e.g. stator cores
    • H02K11/05—Rectifiers associated with casings, enclosures or brackets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N11/00—Starting of engines by means of electric motors
    • F02N11/04—Starting of engines by means of electric motors the motors being associated with current generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0028—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for cooling heat generating elements, e.g. for cooling electronic components or electric devices
    • F28D2021/0029—Heat sinks

Definitions

  • the invention is based on an electrical machine with a control device, as described, for example, in EP 1 466 779 A2. The one revealed there
  • Inverter is designed to reduce the electrical losses with semiconductor switching elements, which in
  • Switching elements with improved efficiency can also by a smaller size
  • the semiconductor switching elements of the inverter are the semiconductor switching elements of the inverter.
  • switching elements and / or their drive circuit results when they are held on DBC (Direct Bonded Copper) substrates on the heat sink.
  • DBC Direct Bonded Copper
  • the switching elements and / or their drive circuit can be coated with plastic, preferably potted, to further improve their mechanical protection and protection against moisture and dirt.
  • the base plate of the heat sink substantially is formed circular disc-shaped with a size of the machine corresponding diameter, wherein the
  • Switching elements are expediently arranged on a larger segment and the drive circuit on a smaller segment of the base plate. This results in a compact design with short leads from the
  • the switching elements are expediently evenly distributed on the segment of the heat sink occupied by them and advantageously arranged so that in each case a so-called high-side switching element and a low-side switching element of a phase radially adjacent and preferably each associated with a separate fin group.
  • Figure 1 shows a longitudinal section through a as
  • Figure 2 is a circuit diagram of a three-stranded
  • Figure 4 is a schematic diagram of the inverter side
  • Figure 5 is a schematic plan view of the
  • FIG. 1 shows a section through an alternator 10 for motor vehicles.
  • This has inter alia a two-part housing 13, which consists of a first bearing plate 13.1 and a second bearing plate 13.2.
  • the bearing plate 13.1 and the bearing plate 13.2 take in a stator 16 with a
  • annular laminated core 17 in which inwardly open and axially extending grooves 15, a stator winding 18 is inserted.
  • the annular stator 16 surrounds with its radially inwardly directed surface
  • the electromagnetically excited rotor 20 which is designed as a sixteen-pole claw pole rotor.
  • the rotor 20 consists inter alia of two claw-pole plates 22 and 23, on the outer circumference of which eight each in the axial direction
  • claw-pole fingers 24 and 25 are arranged.
  • Both claw pole boards 22 and 23 are arranged in the rotor 20 such that their axially extending claw pole fingers 24, 25 alternate at the periphery of the rotor 20 as N and S poles.
  • the rotor 20 is rotatably supported in the respective end shields 13.1 and 13.2, respectively, by means of a shaft 27 and one respective rolling bearing 28 located on each side. It has two axial end faces, on each of which a fan 30 is attached. These fans 30 are made in
  • the fans 30 Essentially from a plate-shaped or disc-shaped portion, run from the fan blades in a known manner.
  • the fans 30 generate a cooling air flow over the heat sink 53 and, on the other hand, serve to exchange air between the outside and the interior of the electric machine 10 via openings 40 in the end shields 13.1 and 13.2
  • the openings 40 are provided at the axial ends of the end shields 13.1 and 13.2, via which 30 cooling air is sucked into the interior of the electric machine 10 by means of the fan.
  • the cooling air is accelerated radially outwards by the rotation of the fans 30, so that they can also pass through the cool air-permeable winding heads 45 on the drive side and 46 on the electronics side.
  • Winding heads cooled.
  • the cooling air decreases after the
  • this protective cap 47 covers, for example, a slip ring assembly 49, which supplies a field winding 29 with exciting current.
  • a slip ring assembly 49 which supplies a field winding 29 with exciting current.
  • a heat sink 53 Around Slip ring assembly 49 is a heat sink 53
  • connection plate 56 for the apparent from Figure 2 semiconductor switching elements 58,59 and the drive circuit 60th
  • Figure 2 shows the circuit diagram of a three-stranded
  • Alternator for example, as an alternator with a converter 64 in the form of a synchronous rectifier or as a starter generator, wherein the switching elements 58 and 59 by means of
  • Drive circuit 60 are connected to a DC voltage source 61.
  • a consumer 62 is over a
  • Switching elements 58,59 connected strands of
  • St onlywicklung 18 are designated U, V, W, the respective connections to the switching elements 58 and 59 with Ul, Vl, Wl and connected to a star strand connections with
  • the phase position in the stator winding 18 is monitored by a sensor 65, which supplies corresponding signals to the drive circuit 60 for synchronous control of the switching elements 58 and 59 and for feeding the
  • Electric machine according to the invention as a generator of a motor vehicle in this case replace the preferably as
  • MOSFETs formed switching elements 58 and 59, the diodes used in conventional generators and thereby form a synchronously driven to the phase position
  • FIG. 3 illustrates the problem when using MOSFETs as switching elements for the converter 64.
  • FIG. 3 a shows the typical current profile in the switching element during a switch-on period
  • FIG. 3 b shows FIG.
  • the short current dip is due to the commutation of the current within a second switching element group, ie
  • FIG. 4 shows, again in a schematic representation, the mechanical structure of the converter-side end of a machine according to the invention.
  • the heat sink 53 is mounted outside of the bearing plate 13.2 to the machine and covered by a protective cap 47.
  • the protective cap has axial inlet openings 67 and radial
  • cooling fins 54 are arranged close to the outer end of cooling fins 54 of the heat sink 53.
  • the cooling fins 54 themselves extend essentially radially on one side
  • Circular disk-shaped base plate 55 of the heat sink 53 and thus direct the cooling air flow with low flow resistance to a central opening 71 in the base plate of
  • Openings 71 in the base plate and 73 in the bearing plate are substantially aligned with each other in order to keep the flow resistance low in this area.
  • the cooling air flow is indicated by lines 75, 76 and 77. His ride out of the machine is in a conventional manner again in the radial direction.
  • the semiconductor switching elements 58 and 59 are arranged on the axially inner, the cooling fins 54 opposite side of the base plate 55 of the heat sink 53 such that the switching elements of each phase are radially aligned.
  • the (high-side) switching elements 59 connected to the positive pole of the voltage source 61 lie on an inner radius which is connected to the negative pole of the
  • Both the base plate 55 and the cooling fins 54 of the heat sink 53 are made of aluminum or a
  • the entire heat sink 53 is designed such that
  • the ratio of the total surface area to the total volume of the heat sink 53 should be in the range of 0.5 to 1.5 [l / mm].
  • An optimum ratio of the surface to the volume of the heat sink with regard to heat dissipation on the one hand and heat absorption on the other hand is in the range of 0.8 to 1.0 [l / mm], in particular in the range of 0.87 to 0.98 [l / mm].
  • Heatsink 53 so effective that it can be integrated into the machine without difficulty, resulting in significant structural and cost advantages over a
  • FIG. 5 shows a plan view of the surface of the heat sink 53 provided with cooling fins 54.
  • the base plate 55 is formed substantially circular disc-shaped, wherein the on the invisible back of the base plate
  • Switching elements 58, 59 are distributed uniformly on the larger segment of the baseplate, and preferably in pairs, with a radial alignment of a separate one
  • Cooling fin group 54a-54e assigned. The single ones
  • Cooling fins 54 are preferably integral with the
  • Base plate 55 made as a casting. Alternatively, however, it is also possible to manufacture the base plate and the cooling ribs or cooling rib groups separately and subsequently to connect them to one another.
  • the heat sink should be manufactured as a casting as far as possible, which is why the cooling fins must have a certain minimum thickness.
  • the shape and size of the cooling fins is limited by an allowable maximum flow resistance of the cooling air, otherwise the fan power must be increased, causing the
  • the wetted surface is that surface which is in direct contact with the coolant (here: the cooling air) and not by other components, for example by
  • An embodiment of the heat sink according to the invention was designed as follows: thickness of the base plate 55: 3mm
  • Heatsink wetted surface 53 46100mm 2 ratio of heat sink surface to its

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)
  • Motor Or Generator Frames (AREA)
  • Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (10), insbesondere einen Generator oder einen Startergenerator für ein Kraftfahrzeug, mit einem auf einem Kühlkörper (53) angeordneten, aus synchron zur Phasenfrequenz angesteuerten Halbleiter-Schaltelementen (58, 59) aufgebauten Umrichter (64) zum Gleichrichten einer Generator-Wechselspannung oder zur Speisung eines Motors aus einer Gleichspannungsquelle (61). Erfindungsgemäß besitzt der Kühlkörper (53) eine Grundplatte (55) sowie Kühlrippen (54), wobei das Verhältnis der vom Kühlmittel benetzten Oberfläche zum Volumen des Kühlkörpers (53) im Bereich von 0,5 bis 1,5 [l/mm], vorzugsweise im Bereich von 0,8 bis 1,0 [l/mm] liegt.

Description

Beschreibung
Titel
Elektrische Maschine
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine mit einer Steuervorrichtung, wie sie beispielsweise in der EP 1 466 779 A2 beschrieben ist. Der dort offenbarte
Umrichter ist zur Reduzierung der elektrischen Verluste mit Halbleiter-Schaltelementen aufgebaut, welche im
Generatorbetrieb die Gleichrichtung der vom Generator gelieferten Wechselspannung und im Motorbetrieb die
Wechselrichtung der von einer Gleichspannungsquelle
gelieferten Spannung übernehmen. Derartige Halbleiter- Schaltelemente haben einen guten Wirkungsgrad aufgrund geringer Spannungsabfälle im Betrieb, andererseits besteht jedoch eine erhöhte Gefahr der Schädigung der Schaltelemente bei hoher Belastung, insbesondere bei der Verwendung im Kraftfahrzeug, wo häufig starke Temperatur- und
Belastungsschwankungen auftreten .
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des übergeordneten Anspruchs hat den Vorteil, dass sowohl im
Motorbetrieb wie auch im Generatorbetrieb der angestrebte hohe Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung erreicht,
andererseits aber eine unzulässige Erwärmung der
Leistungsschalter sowohl bei kurzzeitiger, sehr hoher
Belastung als auch bei Dauerbelastung unter ungünstigen Betriebsbedingungen, insbesondere bei hohen
Umgebungstemperaturen, sichergestellt ist. Diese Sicherheit wird in besonders hohem Maße erreicht, wenn das Verhältnis der Oberfläche zum Volumen des Kühlkörpers im Bereich von 0,8 bis 1,0 [l/mm], insbesondere im Bereich von 0,87 [l/mm] bis 0,96 [l/mm] liegt. Hierdurch wird eine ausreichende Wärmeabfuhr von den Bauelementen sowohl bei langer
Einschaltdauer als auch bei Belastungsspitzen
sichergestellt. Außerdem ist gewährleistet, dass die beim Ausschalten von MOSFETs auftretenden, durch das Abschalten des Stromes entstehende Spannungsspitze und die hierdurch verursachte Erwärmungsspitze beherrscht wird, deren Höhe insbesondere beim Abschalten hoher Ströme und hoher
Induktivitäten in den Zuleitungen zu den Schaltern zur Überlastung der Halbleiter-Schaltelemente führen kann. Durch die sichere Beherrschung der Wärmeabfuhr von den
Schaltelementen bei gleichzeitig verbessertem Wirkungsgrad können durch eine kleinere Baugröße außerdem die
Herstellungskosten der Maschine verringert und durch die reduzierte Lüftergröße außerdem die Geräuschemission verringert werden.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die
Ansteuerschaltung für die Halbleiter-Schaltelemente und die Schaltelemente selbst auf einem gemeinsamen Kühlkörper angeordnet sind, weil sich hierdurch die Herstellungskosten der Anordnung verringern. Diese gemeinsame Anordnung wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass die Grundplatte des Kühlkörpers als Wärmespeicher ausgebildet ist, der sehr schnell eine größere Wärmemenge von den Bauelementen abführen kann, welche insbesondere durch Spannungsspitzen aufgrund von Zuleitungsinduktivitäten beim Abschalten des Stromes entsteht. Die Kühlwirkung des Kühlkörpers ist besonders effizient, wenn er außen an ein Lagerschild der Maschine angebaut ist und die Kühlluft den Kühlkörper mit geringen Strömungsverlusten erreicht. Zur weiteren
Reduzierung des Strömungswiderstandes der Kühlluft verlaufen dabei die die Großflächen der Kühlrippen im Wesentlichen in Strömungsrichtung der Kühlluft und bilden radiale
Strömungskanäle zu einem zentralen Einlass für die Kühlluft ins Innere der Maschine.
Die Halbleiter-Schaltelemente des Umrichters sind
zweckmäßigerweise auf der von den Kühlrippen abgewandten Oberfläche der Kühlkörpergrundplatte angeordnet, während die Kühlrippen ihrerseits dem auftreffenden Kühlmittel direkt zugewandt sind. Die Schaltelemente und ihre
Ansteuerschaltung sind somit axial innen auf der Grundplatte des Kühlkörpers und die Kühlrippen axial außen auf der einer Schutzkappe zugewandten Seite des Kühlkörpers angeordnet.
Eine vorteilhafte, gut wärmeleitende und gleichzeitig elektrisch isolierte Befestigung der Schaltelemente und/oder ihrer Ansteuerschaltung ergibt sich, wenn diese über DBC (Direkt Bonded Copper) -Substrate auf den Kühlkörper gehalten sind. Zusätzlich können die Schaltelemente und/oder ihre Ansteuerschaltung mit Kunststoff umhüllt, vorzugsweise vergossen werden, um ihren mechanischen Schutz und den Schutz gegen Feuchtigkeit und Verschmutzung weiter zu verbessern.
Hinsichtlich der weiteren Gestaltung des Kühlkörpers ist es zweckmäßig, wenn zur Erzielung einer größtmöglichen
Kühlwirkung die Grundplatte des Kühlkörpers im Wesentlichen kreisscheibenförmig mit einem der Baugröße der Maschine entsprechenden Durchmesser ausgebildet ist, wobei die
Schaltelemente zweckmäßigerweise auf einem größeren Segment und die Ansteuerschaltung auf einem kleineren Segment der Grundplatte angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich eine kompakte Bauweise mit kurzen Zuleitungen von der
Ansteuerschaltung zu den einzelnen Schaltelementen. Die Schaltelemente sind dabei zweckmäßigerweise auf dem von ihnen eingenommenen Segment des Kühlkörpers gleichmäßig verteilt und vorteilhafterweise so angeordnet, dass jeweils ein sogenanntes Highside- Schaltelement und ein Lowside- Schaltelement einer Phase radial benachbart und vorzugsweise jeweils einer separaten Kühlrippengruppe zugeordnet sind. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert .
Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch eine als
Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge ausgeführte elektrische Maschine,
Figur 2 ein Schaltschema einer dreisträngigen
WechselStrommaschine, Figur 3 in der Darstellung a) den Stromverlauf und in der Darstellung b) den zugehörigen
Temperaturverlauf an einem MOSFET-Schaltelement während einer Halbwelle des Phasenstromes der Maschine, Figur 4 eine Prinzipdarstellung des umrichterseitigen
Endes einer erfindungsgemäßen elektrischen
Maschine und
Figur 5 eine schematisierte Draufsicht auf die die
Kühlrippen tragende Oberfläche des Kühlkörpers der Maschine
Ausführungsform der Erfindung
In Figur 1 ist ein Schnitt durch einen Wechselstromgenerator 10 für Kraftfahrzeuge dargestellt. Dieser weist unter anderem ein zweiteiliges Gehäuse 13 auf, das aus einem ersten Lagerschild 13.1 und einem zweiten Lagerschild 13.2 besteht. Das Lagerschild 13.1 und das Lagerschild 13.2 nehmen in sich einen Stator 16 auf mit einem
kreisringförmigen Blechpaket 17, in dessen nach innen offene und sich axial erstreckende Nuten 15 eine Ständerwicklung 18 eingelegt ist. Der ringförmige Stator 16 umgibt mit seiner radial nach innen gerichteten Oberfläche einen
elektromagnetisch erregten Rotor 20, der als sechzehnpoliger Klauenpolrotor ausgebildet ist. Der Rotor 20 besteht unter anderem aus zwei Klauenpolplatinen 22 und 23, an deren Außenumfang sich jeweils acht in axialer Richtung
erstreckende Klauenpolfinger 24 und 25 angeordnet sind.
Beide Klauenpolplatinen 22 und 23 sind im Rotor 20 derart angeordnet, dass ihre sich in axialer Richtung erstreckenden Klauenpolfinger 24, 25 am Umfang des Rotors 20 einander als N-und S-PoIe abwechseln. Es ergeben sich dadurch magnetisch erforderliche Klauenpolzwischenräume zwischen den
gegensinnig magnetisierten Klauenpolfingern 24 und 25, welche wegen der sich zu ihrem freien Enden hin verjüngenden Klauenpolfinger leicht schräg zur Maschinenachse verlaufen. Für die folgende Beschreibung der Erfindung ist dieser Verlauf vereinfacht als axial bezeichnet. Der Rotor 20 ist mittels einer Welle 27 und je einem auf je einer Seite befindlichen Wälzlager 28 in den jeweiligen Lagerschilden 13.1 beziehungsweise 13.2 drehbar gelagert. Er weist zwei axiale Stirnflächen auf, an denen jeweils ein Lüfter 30 befestigt ist. Diese Lüfter 30 bestehen im
Wesentlichen aus einem plattenförmigen beziehungsweise scheibenförmigen Abschnitt, von dem Lüfterschaufeln in bekannter Weise ausgehen. Die Lüfter 30 erzeugen einerseits einen Kühlluftstrom über den Kühlkörper 53 und dienen andererseits dazu, über Öffnungen 40 in den Lagerschilden 13.1 und 13.2 einen Luftaustausch zwischen der Außenseite und dem Innenraum der elektrischen Maschine 10 zu
ermöglichen. Dazu sind die Öffnungen 40 an den axialen Enden der Lagerschilde 13.1 und 13.2 vorgesehen, über die mittels der Lüfter 30 Kühlluft in den Innenraum der elektrischen Maschine 10 eingesaugt wird. Die Kühlluft wird durch die Rotation der Lüfter 30 radial nach außen beschleunigt, so dass sie auch durch die kühlluftdurchlässigen Wickelköpfe 45 auf der Antriebsseite und 46 auf der Elektronikseite hindurchtreten kann. Durch diesen Effekt werden die
Wickelköpfe gekühlt. Die Kühlluft nimmt nach dem
Hindurchtreten durch die Wickelköpfe, beziehungsweise nach dem Umströmen dieser Wickelköpfe einen Weg radial nach außen durch nicht dargestellte Öffnungen. In Figur 1 auf der rechten Seite befindet sich eine
Schutzkappe 47, die verschiedene Bauteile vor
Umgebungseinflüssen schützt. So deckt diese Schutzkappe 47 beispielsweise eine Schleifringbaugruppe 49 ab, die eine Erregerwicklung 29 mit Erregerstrom versorgt. Um diese Schleifringbaugruppe 49 herum ist ein Kühlkörper 53
angeordnet. Zwischen dem Lagerschild 13.2 und dem Kühlkörper 53 sitzt eine Anschlussplatte 56 für die aus Figur 2 ersichtlichen Halbleiter-Schaltelemente 58,59 und deren Ansteuerschaltung 60.
Figur 2 zeigt das Schaltschema einer dreisträngigen
Wechselstrommaschine, beispielsweise in der Ausführung als Wechselstromgenerator mit einem Umrichter 64 in der Form eines Synchrongleichrichters oder als Startergenerator, bei dem die Schaltelemente 58 und 59 mittels der
Ansteuerschaltung 60 mit einer Gleichspannungsquelle 61 verbunden werden. Ein Verbraucher 62 ist über eine
Schalteinrichtung 63 an die Gleichspannungsquelle 61 anschließbar. Die drei über Stromschienen mit den
Schaltelementen 58,59 verbundenen Stränge der
Ständerwicklung 18 sind mit U, V, W bezeichnet, die jeweiligen Anschlüsse zu den Schaltelementen 58 und 59 mit Ul, Vl, Wl und die zu einem Stern verschalteten Stranganschlüsse mit
U2,V2,W2. Die Phasenlage in der Statorwicklung 18 wird durch einen Sensor 65 überwacht, welcher entsprechende Signale an die Ansteuerschaltung 60 liefert zur synchronen Ansteuerung der Schaltelemente 58 und 59 und zur Speisung der
Erregerwicklung 29. Im Falle der Ausführung der
erfindungsgemäßen elektrischen Maschine als Generator eines Kraftfahrzeuges ersetzen hierbei die vorzugsweise als
MOSFETs ausgebildeten Schaltelemente 58 und 59 die bei herkömmlichen Generatoren verwendeten Dioden und bilden dabei einen synchron zur Phasenlage angesteuerten
Gleichrichter, welcher im Betrieb deutlich geringere
Verluste aufweist als ein Gleichrichter auf der Basis von Halbleiterdioden. Der Vorteil der reduzierten Verluste bei der Verwendung von Halbleiterschaltelementen zur
Gleichrichtung übertrifft deutlich den zusätzlichen Aufwand für deren Ansteuerschaltung 60. Zudem eröffnet die
Ausführung des Umrichters 64 mit steuerbaren Halbleiter- Schaltelementen die Möglichkeit, die elektrische Maschine als Startergenerator für die Brennkraftmaschine
auszubilden, so dass ein separater Starter entfällt.
Figur 3 veranschaulicht die Problematik beim Einsatz von MOSFETs als Schaltelemente für den Umrichter 64. Dabei zeigt Figur 3a den typischen Stromverlauf in dem Schaltelement während einer Einschaltperiode, Figur 3b zeigt den
zugehörigen Spannungsverlauf an dem Schaltelement. Der kurze Stromeinbruch ist bedingt durch die Kommutierung des Stromes innerhalb einer zweiten Schaltelementegruppe, also
beispielsweise bei der Kommutierung des Stromes der Phase U, welcher auf der Lowside von Phase V nach Phase W wechselt.
Bei der Unterbrechung des Stromes tritt eine Spannungsspitze auf, welche die Verlustleistung des Schaltelements und damit seine Erwärmung kurzzeitig stark erhöht, zusätzlich zu der ansteigenden Verlustleistung während der Einschaltdauer. Dabei sind die Stromwärmeverluste während der Einschaltdauer des MOSFETs abhängig von der Höhe des geschalteten Stromes und von seinem Durchgangswiderstand. Die Erwärmung aufgrund der Spannungsspitze beim Ausschalten des MOSFET hängt ab von der Höhe des Stromes und von der Induktivität der Zuleitung zwischen der Spannungsquelle 61 und dem Schaltelement, weshalb in herkömmlichen Anwendungen, insbesondere für den Motorbetrieb der Maschine, deren Umrichter regelmäßig in der Nähe der Spannungsquelle angeordnet wurde. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Verbesserung der Kühlwirkung am Umrichter ist es dagegen möglich, auch einen mit
Halbleiter-Schaltelementen aufgebauten Umrichter direkt an der elektrischen Maschine anzuordnen. Figur 4 zeigt, wiederum in schematisierter Darstellung, den mechanischen Aufbau des umrichterseitigen Endes einer erfindungsgemäßen Maschine. Hierbei ist der Kühlkörper 53 außerhalb des Lagerschildes 13.2 an die Maschine angebaut und durch eine Schutzkappe 47 abgedeckt. Die Schutzkappe weist axiale Eintrittsöffnungen 67 und radiale
Eintrittsöffnungen 69 für die Kühlluft auf, welche
vorzugsweise beide nahe am äußeren Ende von Kühlrippen 54 des Kühlkörpers 53 angeordnet sind. Die Kühlrippen 54 selbst verlaufen im Wesentlichen radial auf einer
kreisscheibenförmigen Grundplatte 55 des Kühlkörpers 53 und leiten so den Kühlluftstrom mit geringem Strömungswiderstand zu einer zentralen Öffnung 71 in der Grundplatte des
Kühlkörpers und von dort axial über Öffnungen 73 im
Lagerschild 13.2 ins Innere der Maschine, wobei die
Öffnungen 71 in der Grundplatte und 73 im Lagerschild im Wesentlichen miteinander fluchten, um auch in diesem Bereich den Strömungswiderstand gering zu halten. Der Kühlluftstrom ist durch Linien 75,76 und 77 angedeutet. Sein Ausritt aus der Maschine erfolgt in herkömmlicher Weise wiederum in radialer Richtung.
Die Halbleiter-Schaltelemente 58 und 59 sind auf der axial inneren, den Kühlrippen 54 gegenüberliegenden Seite der Grundplatte 55 des Kühlkörpers 53 derart angeordnet, dass die Schaltelemente einer Phase jeweils radial fluchten.
Dabei liegen im Ausführungsbeispiel die mit dem Pluspol der Spannungsquelle 61 verbundenen (High-Side) -Schaltelemente 59 auf einem inneren Radius, die mit dem Minuspol der
Spannungsquelle verbundenen (Low-Side) -Schaltelemente radial außen. Die Ansteuerschaltung 60 für die Schaltelemente ist in dieser Darstellung nicht sichtbar, sie ist jedoch in gleicher Weise wie die Schaltelemente 58,59 radial innen liegend auf der Grundplatte 55 angeordnet, wie dies mit gestrichelten Linien in Figur 5 gezeigt ist.
Sowohl die Grundplatte 55 als auch die Kühlrippen 54 des Kühlkörpers 53 bestehen aus Aluminium oder einer
Aluminiumlegierung mit guter Wärmeleitfähigkeit. Der gesamte Kühlkörper 53 ist dabei derart gestaltet, dass sich
einerseits, insbesondere durch die Kühlrippen 54, eine ausreichend große Oberfläche, und andererseits ein
ausreichendes Speichervolumen der im direkten Wärmekontakt mit den Halbleiter-Schaltelementen und der Ansteuerschaltung stehenden Grundplatte 55 ergibt zur schnellen Ableitung der beim Schalten erzeugten Wärme von den Bauelementen. Dazu soll das Verhältnis der gesamten Oberfläche zum gesamten Volumen des Kühlkörpers 53 im Bereich von 0,5 bis 1,5 [l/mm] liegen. Ein optimales Verhältnis der Oberfläche zum Volumen des Kühlkörpers hinsichtlich Wärmeableitung einerseits und Wärmeaufnahme andererseits liegt dabei im Bereich von 0,8 bis 1,0 [l/mm], insbesondere im Bereich von 0,87 bis 0,98 [l/mm] . In dieser Ausführung ist die Kühlwirkung des
Kühlkörpers 53 so effektiv, dass er ohne Schwierigkeiten in die Maschine integriert werden kann, wodurch sich erhebliche bauliche und kostenmäßige Vorteile gegenüber einem
separaten, an dieser Stelle angeordneten Bauteils ergeben. Dabei ist sowohl eine ausreichende Wärmeabgabe an die
Umgebung im stationären Betrieb gewährleistet wie auch eine schnelle Wärmeableitung auftretender Temperaturspitzen.
Insbesondere der höhere Wirkungsgrad eines mit Halbleiter- Schaltelementen aufgebauten Synchrongleichrichters gegenüber einem Diodengleichrichter kann so ohne Gefährdung der
Schaltelemente genutzt werden.
Eine gute thermische Kopplung zwischen den als MOSFET ausgebildeten Schaltelementen 58 und 59 und der Grundplatte 55 des Kühlkörpers 53 erreicht man dabei durch die
Verwendung von in Figur 4 durch die Bezugszeichen 57 angedeuteten DBC (Direct-Bonded-Copper) -Substraten, welche die Schaltelemente in grundsätzlich bekannter Weise
elektrisch isoliert, jedoch mit sehr guter thermischer
Kopplung mit der Grundplatte 55 des Kühlkörpers verbinden.
Ein zusätzlicher dauerhafter Schutz der Schaltelemente 58,59 sowie der Ansteuerschaltung 60 gegen Korrosion und gegen mechanische Einwirkungen ergibt sich dadurch, dass die elektronischen Bauelemente auf der axial inneren Oberfläche der Grundplatte 55 mit Kunststoff umhüllt, vorzugsweise vergossen sind. Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf die mit Kühlrippen 54 versehene Oberfläche des Kühlkörpers 53. Aus dieser
Darstellung ist ersichtlich, dass die Grundplatte 55 im Wesentlichen kreisscheibenförmig ausgebildet ist, wobei die auf der nicht sichtbaren Rückseite der Grundplatte
angeordneten Schaltelemente 58,59 auf einem größeren Segment von mehr als 200° und die Ansteuerschaltung 60 auf dem restlichen kleineren Segment angeordnet sind. Die
Schaltelemente 58,59 sind dabei gleichmäßig auf dem größeren Segment der Grundplatte verteilt und dabei vorzugsweise paarweise mit radialer Ausrichtung einer separaten
Kühlrippengruppe 54a-54e zugeordnet. Die einzelnen
Kühlrippen 54 sind vorzugsweise einteilig mit der
Grundplatte 55 als Gussteil hergestellt. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Grundplatte und die Kühlrippen, beziehungsweise Kühlrippengruppen separat herzustellen und nachträglich miteinander zu verbinden.
Die vorteilhafte Bemessung und Gestaltung des Kühlkörpers 53 ergibt sich letztendlich aus einer Vielzahl von Rahmenbedingungen: Zunächst sind die Länge der Maschine in axialer Richtung und ihr Gewicht unter Berücksichtigung der jeweils geforderten Leistung grundsätzlich begrenzt. Hieraus ergibt sich einerseits eine Begrenzung der Höhe der
Kühlrippen 54 und andererseits eine Begrenzung der Dicke der Grundplatte. Außerdem soll der Kühlkörper nach Möglichkeit als Gussteil fertigbar sein, weshalb die Kühlrippen eine gewisse Mindestdicke aufweisen müssen. Außerdem ist die Form und die Größe der Kühlrippen begrenzt durch einen zulässigen maximalen Strömungswiderstand der Kühlluft, da sonst die Lüfterleistung erhöht werden muss, wodurch der
Generatorwirkungsgrad insgesamt sinkt. Aus diesen
Rahmenbedingungen ergibt sich das beanspruchte Verhältnis zwischen der vom Kühlmittel benetzten Oberfläche und dem für die direkte Wärmeableitung von den Halbleiterschaltelementen verantwortliche Volumen des Kühlkörpers 53. Die benetzte Oberfläche ist dabei diejenige Fläche, welche in direktem Kontakt zum Kühlmittel (hier: die Kühlluft) steht und nicht durch andere Bauteile, beispielsweise durch
Befestigungsmittel, abgedeckt ist.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kühlkörpers wurde wie folgt gestaltet: Dicke der Grundplatte 55: 3mm
Höhe der Kühlrippen 54: 15mm
Innenradius der Grundplatte 55 im Bereich der zentralen
Öffnung 71: 28mm
Außenradius der Grundplatte 55: 60mm Volumen des gesamten Kühlkörpers 53: 48241mm3
Benetzte Oberfläche des Kühlkörpers 53: 46100mm2 Verhältnis der Kühlkörperoberfläche zu seinem
Volumen: 0,96 l/mm

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Maschine, insbesondere Generator oder
Startergenerator für ein Kraftfahrzeug, mit einem auf einem Kühlkörper (53) angeordneten, aus synchron zur
Phasenfrequenz angesteuerten Halbleiter-Schaltelementen
(58,59) aufgebauten Umrichter (64) zum Gleichrichten einer Generator-Wechselspannung oder zur Speisung eines Motors aus einer Gleichspannungsquelle (61), wobei der Kühlkörper (53) eine Grundplatte (55) sowie Kühlrippen (54) aufweist und das Verhältnis der vom Kühlmittel benetzten Oberfläche zum
Volumen des Kühlkörpers (53) im Bereich von 0,5 [l/mm] bis 1,5 [l/mm)] liegt.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass das Verhältnis der vom Kühlmittel benetzten Oberfläche zum Volumen des Kühlkörpers (53) im Bereich von 0,8 [l/mm] bis 1,0 [l/mm], insbesondere im Bereich von 0,87 [l/mm] bis 0,96 [l/mm] liegt.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (53) aus Al oder einer AI-Legierung mit guter Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise mit einer Wärmeleitfähigkeit über 200 W/m-K, besteht.
4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als
dreiphasiger, elektrisch erregter Generator mit einem
Synchrongleichrichter, insbesondere in der Ausführung als Vollbrücken-Gleichrichteranordnung, zur Ladung einer
Batterie (61) ausgebildet ist.
5. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleiter- Schaltelemente (58,59) MOSFETs dienen.
6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Ansteuerschaltung (60) und die von ihr gesteuerten
Halbleiter-Schaltelemente (58,59) auf einem gemeinsamen Kühlköper (53) angeordnet sind.
7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (53) mit dem Umrichter (64) und/oder der Ansteuerschaltung (60) außen an ein Lagerschild (13,2) der Maschine (10) angebaut und durch eine Schutzkappe (47) abgedeckt ist.
8. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Schutzkappe (47) axiale und/oder radiale Öffnungen (67,69) für den gezielten Zutritt von Kühlluft (67,69) zu dem Kühlkörper (53) besitzt.
9. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (53) wenigstens eine zentrale Öffnung (71) für den Durchtritt von Kühlluft aufweist.
10. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (55) des Kühlkörpers (53) als Wärmesenke ausgebildet ist.
11. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (55) des Kühlkörpers (53) auf ihrer von den Kühlrippen (54) abgewandten Oberfläche die Schaltelemente (58,59) trägt.
12. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (54) des Kühlkörpers (53) mit ihren Großflächen im Wesentlichen in Strömungsrichtung (77) des Kühlmittels verlaufen.
13. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (54) radiale Strömungskanäle bilden.
14. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (58,59) und deren Ansteuerschaltung (60) axial innen auf der Grundplatte (55) des Kühlkörpers (53) und die Kühlrippen (54) axial außen auf der der Schutzkappe (47) zugewandten Seite des Kühlkörpers (53) angeordnet sind.
15. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Schaltelemente
(58,59) und/oder deren Ansteuerschaltung (60) über DBC (Direct Bondet Copper) -Substrate (57) mit dem Kühlkörper
(53) thermisch gekoppelt und elektrisch isoliert verbunden sind.
16. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente
(58,59) und/oder deren Ansteuerschaltung (60 ) mit Kunststoff (79) umhüllt, vorzugsweise vergossen sind.
17. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (55) des Kühlkörpers (53) im Wesentlichen kreisscheibenförmig ausgebildet ist, wobei die Schaltelemente (58,59) auf einem größeren Segment und die Ansteuerschaltung (60) auf einem kleineren Segment angeordnet sind.
18. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (58,59) auf einem Segment des Kühlkörpers (53) gleichmäßig verteilt sind.
19. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein
Highside-Schaltelement (59) und ein Lowside-Schaltelement (58) einer Phase radial benachbart auf dem Kühlkörper (53) angeordnet und gemeinsam einer Kühlrippengruppe (54a-54e) zugeordnet sind.
20. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (53) einteilig als Gussteil hergestellt ist.
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