Beschreibung description
Titel title
Elektrische Maschine Electric machine
Stand der Technik State of the art
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 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
Umrichter ist zur Reduzierung der elektrischen Verluste mit Halbleiter-Schaltelementen aufgebaut, welche im Inverter is designed to reduce the electrical losses with semiconductor switching elements, which in
Generatorbetrieb die Gleichrichtung der vom Generator gelieferten Wechselspannung und im Motorbetrieb die Generator operation, the rectification of the AC voltage supplied by the generator and in engine operation
Wechselrichtung der von einer Gleichspannungsquelle Change direction of a DC voltage source
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 take over the supplied voltage. Such semiconductor switching elements have good efficiency due to low voltage drops during operation, on the other hand, however, there is an increased risk of damage to the switching elements at high loads, especially when used in motor vehicles, where often strong temperature and
Belastungsschwankungen auftreten . Load fluctuations occur.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des übergeordneten Anspruchs hat den Vorteil, dass sowohl imThe electric machine according to the invention with the features of the preceding claim has the advantage that both in
Motorbetrieb wie auch im Generatorbetrieb der angestrebte
hohe Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung erreicht, Motor operation as well as in generator mode the desired high efficiency of the circuit arrangement achieved
andererseits aber eine unzulässige Erwärmung der on the other hand, an inadmissible warming of
Leistungsschalter sowohl bei kurzzeitiger, sehr hoher Circuit breaker both at short-term, very high
Belastung als auch bei Dauerbelastung unter ungünstigen Betriebsbedingungen, insbesondere bei hohen Load as well as continuous load under unfavorable operating conditions, especially at high
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 Ambient temperatures is ensured. This safety is achieved to a particularly high degree when the ratio of the surface area to the volume of the heat sink in the range of 0.8 to 1.0 [l / mm], in particular in the range of 0.87 [l / mm] to 0.96 [l / mm] is. As a result, a sufficient heat dissipation from the components both at long
Einschaltdauer als auch bei Belastungsspitzen Duty cycle as well as peak loads
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 ensured. In addition, it is ensured that the occurring when turning off MOSFETs, caused by the switching off of the current voltage spike and the resulting heating peak is dominated, the amount in particular when switching off high currents and high
Induktivitäten in den Zuleitungen zu den Schaltern zur Überlastung der Halbleiter-Schaltelemente führen kann. Durch die sichere Beherrschung der Wärmeabfuhr von den Inductances in the leads to the switches can lead to overload of the semiconductor switching elements. By the safe control of the heat dissipation of the
Schaltelementen bei gleichzeitig verbessertem Wirkungsgrad können durch eine kleinere Baugröße außerdem die Switching elements with improved efficiency can also by a smaller size
Herstellungskosten der Maschine verringert und durch die reduzierte Lüftergröße außerdem die Geräuschemission verringert werden. Reduced manufacturing costs of the machine and also reduced by the reduced fan size, the noise emission.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die It has proved to be advantageous if the
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 Drive circuit for the semiconductor switching elements and the switching elements themselves are arranged on a common heat sink, because this reduces the manufacturing cost of the arrangement. This common arrangement is made possible in particular by the fact that the base plate of the heat sink is designed as a heat storage, which very quickly a larger amount of heat from the components can dissipate, which arises in particular by voltage peaks due to Zuleitungsinduktivitäten when switching off the current. The cooling effect of the heat sink is particularly efficient if it is mounted on the outside of a bearing plate of the machine and the cooling air reaches the heat sink with low flow losses. To further
Reduzierung des Strömungswiderstandes der Kühlluft verlaufen dabei die die Großflächen der Kühlrippen im Wesentlichen in Strömungsrichtung der Kühlluft und bilden radiale Reduction of the flow resistance of the cooling air thereby extend the large surfaces of the cooling fins substantially in the flow direction of the cooling air and form radial
Strömungskanäle zu einem zentralen Einlass für die Kühlluft ins Innere der Maschine. Flow channels to a central inlet for the cooling air inside the machine.
Die Halbleiter-Schaltelemente des Umrichters sind The semiconductor switching elements of the inverter are
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 expediently arranged on the surface facing away from the cooling ribs surface of the heat sink base plate, while the cooling fins are in turn directly facing the impinging coolant. The switching elements and their
Ansteuerschaltung sind somit axial innen auf der Grundplatte des Kühlkörpers und die Kühlrippen axial außen auf der einer Schutzkappe zugewandten Seite des Kühlkörpers angeordnet. Drive circuit are thus arranged axially on the inside of the base plate of the heat sink and the cooling fins axially on the outside of a protective cap facing side of the heat sink.
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. An advantageous, good heat-conducting and at the same time electrically insulated attachment of the switching elements and / or their drive circuit results when they are held on DBC (Direct Bonded Copper) substrates on the heat sink. In addition, 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.
Hinsichtlich der weiteren Gestaltung des Kühlkörpers ist es zweckmäßig, wenn zur Erzielung einer größtmöglichen With regard to the further design of the heat sink, it is expedient if to achieve the greatest possible
Kühlwirkung die Grundplatte des Kühlkörpers im Wesentlichen
kreisscheibenförmig mit einem der Baugröße der Maschine entsprechenden Durchmesser ausgebildet ist, wobei die Cooling effect, the base plate of the heat sink substantially is formed circular disc-shaped with a size of the machine corresponding diameter, wherein the
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 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
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 Control circuit to the individual switching elements. 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. Brief description of the drawings
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert . An embodiment of the invention is illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 einen Längsschnitt durch eine als Figure 1 shows a longitudinal section through a as
Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge ausgeführte elektrische Maschine, Alternator for motor vehicles engineered electrical machine,
Figur 2 ein Schaltschema einer dreisträngigen Figure 2 is a circuit diagram of a three-stranded
WechselStrommaschine, Figur 3 in der Darstellung a) den Stromverlauf und in der Darstellung b) den zugehörigen Alternating electric machine, Figure 3 in the illustration a) the current waveform and in the representation b) the associated
Temperaturverlauf an einem MOSFET-Schaltelement während einer Halbwelle des Phasenstromes der Maschine,
Figur 4 eine Prinzipdarstellung des umrichterseitigenTemperature profile on a MOSFET switching element during a half-wave of the phase current of the machine, Figure 4 is a schematic diagram of the inverter side
Endes einer erfindungsgemäßen elektrischenEnd of an electrical according to the invention
Maschine und Machine and
Figur 5 eine schematisierte Draufsicht auf die die Figure 5 is a schematic plan view of the
Kühlrippen tragende Oberfläche des Kühlkörpers der Maschine Cooling ribs bearing surface of the heat sink of the machine
Ausführungsform der Erfindung Embodiment of the invention
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 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
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 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
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 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
erstreckende Klauenpolfinger 24 und 25 angeordnet sind. extending claw-pole fingers 24 and 25 are arranged.
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 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. This results in magnetically required Klauenpolzwischenräume between the
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 in opposite directions magnetized Klauenpolfingern 24 and 25, which tapered because of their free ends towards Klauenpolfinger slightly oblique to the machine axis. For the following description of the invention, this course is simplified referred to as axial. 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
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 Essentially from a plate-shaped or disc-shaped portion, run from the fan blades in a known manner. On the one hand, 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
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 enable. For this purpose, 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. Through this effect, the
Wickelköpfe gekühlt. Die Kühlluft nimmt nach dem Winding heads cooled. The cooling air decreases after the
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 Passing through the winding heads, or after the flow around this winding heads a way radially outward through openings not shown. In Figure 1 on the right side is a
Schutzkappe 47, die verschiedene Bauteile vor Protective cap 47, the various components before
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 Environmental influences protects. Thus, this protective cap 47 covers, for example, a slip ring assembly 49, which supplies a field winding 29 with exciting current. Around Slip ring assembly 49 is a heat sink 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. arranged. Between the bearing plate 13.2 and the heat sink 53 sits a connection plate 56 for the apparent from Figure 2 semiconductor switching elements 58,59 and the drive circuit 60th
Figur 2 zeigt das Schaltschema einer dreisträngigen Figure 2 shows the circuit diagram of a three-stranded
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 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
Ansteuerschaltung 60 mit einer Gleichspannungsquelle 61 verbunden werden. Ein Verbraucher 62 ist über eine Drive circuit 60 are connected to a DC voltage source 61. A consumer 62 is over a
Schalteinrichtung 63 an die Gleichspannungsquelle 61 anschließbar. Die drei über Stromschienen mit den Switching 63 connected to the DC voltage source 61. The three over power rails with the
Schaltelementen 58,59 verbundenen Stränge der Switching elements 58,59 connected strands of
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 Ständerwicklung 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
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 U2, V2, W2. 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
Erregerwicklung 29. Im Falle der Ausführung der Excitation winding 29. In case of execution of the
erfindungsgemäßen elektrischen Maschine als Generator eines Kraftfahrzeuges ersetzen hierbei die vorzugsweise als Electric machine according to the invention as a generator of a motor vehicle in this case replace the preferably as
MOSFETs ausgebildeten Schaltelemente 58 und 59 die bei herkömmlichen Generatoren verwendeten Dioden und bilden dabei einen synchron zur Phasenlage angesteuerten MOSFETs formed switching elements 58 and 59, the diodes used in conventional generators and thereby form a synchronously driven to the phase position
Gleichrichter, welcher im Betrieb deutlich geringere Rectifier, which in operation significantly lower
Verluste aufweist als ein Gleichrichter auf der Basis von Halbleiterdioden. Der Vorteil der reduzierten Verluste bei der Verwendung von Halbleiterschaltelementen zur Has losses as a rectifier based on semiconductor diodes. The advantage of reduced losses in the use of semiconductor switching elements for
Gleichrichtung übertrifft deutlich den zusätzlichen Aufwand
für deren Ansteuerschaltung 60. Zudem eröffnet die Rectification clearly exceeds the additional effort for the drive circuit 60. In addition, the
Ausführung des Umrichters 64 mit steuerbaren Halbleiter- Schaltelementen die Möglichkeit, die elektrische Maschine als Startergenerator für die Brennkraftmaschine Design of the inverter 64 with controllable semiconductor switching elements the possibility of the electric machine as a starter generator for the internal combustion engine
auszubilden, so dass ein separater Starter entfällt. form so that a separate starter is eliminated.
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 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
zugehörigen Spannungsverlauf an dem Schaltelement. Der kurze Stromeinbruch ist bedingt durch die Kommutierung des Stromes innerhalb einer zweiten Schaltelementegruppe, also associated voltage curve on the switching element. The short current dip is due to the commutation of the current within a second switching element group, ie
beispielsweise bei der Kommutierung des Stromes der Phase U, welcher auf der Lowside von Phase V nach Phase W wechselt.for example, in the commutation of the current of the phase U, which changes on the lowside from phase V to phase W.
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 When the current is interrupted, a voltage spike occurs, which for a short time greatly increases the power loss of the switching element and thus its heating, in addition to the increasing power loss during the switch-on period. The current heat losses during the switch-on of the MOSFETs are dependent on the level of the switched current and its volume resistance. The heating due to the voltage spike when turning off the MOSFET depends on the magnitude of the current and the inductance of the supply line between the voltage source 61 and the switching element, which is why in conventional applications, in particular for the motor operation of the machine, the inverter regularly in the vicinity of the voltage source was arranged. By the measures according to the invention for improving the cooling effect on the inverter, however, it is possible, even with a
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 Semiconductor switching elements constructed inverter directly to the electrical machine. FIG. 4 shows, again in a schematic representation, the mechanical structure of the converter-side end of a machine according to the invention. Here, 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
Eintrittsöffnungen 69 für die Kühlluft auf, welche Inlets 69 for the cooling air, which
vorzugsweise beide nahe am äußeren Ende von Kühlrippen 54 des Kühlkörpers 53 angeordnet sind. Die Kühlrippen 54 selbst verlaufen im Wesentlichen radial auf einer preferably both 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
kreisscheibenförmigen Grundplatte 55 des Kühlkörpers 53 und leiten so den Kühlluftstrom mit geringem Strömungswiderstand zu einer zentralen Öffnung 71 in der Grundplatte des 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
Kühlkörpers und von dort axial über Öffnungen 73 im Heatsink and from there axially through openings 73 in
Lagerschild 13.2 ins Innere der Maschine, wobei die End shield 13.2 inside the machine, the
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. 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.
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. 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.
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 In the exemplary embodiment, 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
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. Voltage source connected (low-side) switching elements radially outward. The drive circuit 60 for the switching elements is not visible in this illustration, but it is in the same way as the switching elements 58,59 radially inside lying on the base plate 55, as shown in dashed lines in Figure 5.
Sowohl die Grundplatte 55 als auch die Kühlrippen 54 des Kühlkörpers 53 bestehen aus Aluminium oder einer Both the base plate 55 and the cooling fins 54 of the heat sink 53 are made of aluminum or a
Aluminiumlegierung mit guter Wärmeleitfähigkeit. Der gesamte Kühlkörper 53 ist dabei derart gestaltet, dass sich Aluminum alloy with good thermal conductivity. The entire heat sink 53 is designed such that
einerseits, insbesondere durch die Kühlrippen 54, eine ausreichend große Oberfläche, und andererseits ein on the one hand, in particular by the cooling fins 54, a sufficiently large surface, and on the other hand a
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 Sufficient storage volume of the standing in direct thermal contact with the semiconductor switching elements and the drive circuit base plate 55 results in the rapid dissipation of the heat generated during switching of the components. For this purpose, 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]. In this embodiment, the cooling effect of
Kühlkörpers 53 so effektiv, dass er ohne Schwierigkeiten in die Maschine integriert werden kann, wodurch sich erhebliche bauliche und kostenmäßige Vorteile gegenüber einem Heatsink 53 so effective that it can be integrated into the machine without difficulty, resulting in significant structural and cost advantages over a
separaten, an dieser Stelle angeordneten Bauteils ergeben. Dabei ist sowohl eine ausreichende Wärmeabgabe an die separate, arranged at this point component. It is both a sufficient heat to the
Umgebung im stationären Betrieb gewährleistet wie auch eine schnelle Wärmeableitung auftretender Temperaturspitzen. In stationary operation ensures as well as a rapid heat dissipation occurring temperature peaks.
Insbesondere der höhere Wirkungsgrad eines mit Halbleiter- Schaltelementen aufgebauten Synchrongleichrichters gegenüber einem Diodengleichrichter kann so ohne Gefährdung der In particular, the higher efficiency of a constructed with semiconductor switching elements synchronous rectifier with respect to a diode rectifier can thus without endangering the
Schaltelemente genutzt werden. Switching elements are used.
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 Good thermal coupling between the switching elements 58 and 59 designed as MOSFETs and the baseplate 55 of the heat sink 53 is achieved by the
Verwendung von in Figur 4 durch die Bezugszeichen 57 angedeuteten DBC (Direct-Bonded-Copper) -Substraten, welche die Schaltelemente in grundsätzlich bekannter Weise Use of indicated in Figure 4 by the reference numeral 57 DBC (Direct-Bonded-Copper) substrates, which the switching elements in a basically known manner
elektrisch isoliert, jedoch mit sehr guter thermischerelectrically isolated, but with very good thermal
Kopplung mit der Grundplatte 55 des Kühlkörpers verbinden. Connect coupling with the base plate 55 of the heat sink.
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 An additional permanent protection of the switching elements 58,59 and the drive circuit 60 against corrosion and against mechanical effects results from the fact that the electronic components are coated on the axially inner surface of the base plate 55 with plastic, preferably encapsulated. FIG. 5 shows a plan view of the surface of the heat sink 53 provided with cooling fins 54. From this
Darstellung ist ersichtlich, dass die Grundplatte 55 im Wesentlichen kreisscheibenförmig ausgebildet ist, wobei die auf der nicht sichtbaren Rückseite der Grundplatte Representation can be seen that the base plate 55 is formed substantially circular disc-shaped, wherein the on the invisible back of the base plate
angeordneten Schaltelemente 58,59 auf einem größeren Segment von mehr als 200° und die Ansteuerschaltung 60 auf dem restlichen kleineren Segment angeordnet sind. Die arranged switching elements 58,59 on a larger segment of more than 200 ° and the drive circuit 60 are arranged on the remaining smaller segment. The
Schaltelemente 58,59 sind dabei gleichmäßig auf dem größeren Segment der Grundplatte verteilt und dabei vorzugsweise paarweise mit radialer Ausrichtung einer separaten 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
Kühlrippengruppe 54a-54e zugeordnet. Die einzelnen Cooling fin group 54a-54e assigned. The single ones
Kühlrippen 54 sind vorzugsweise einteilig mit der Cooling fins 54 are preferably integral with the
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. 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.
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 The advantageous design and design of the heat sink 53 ultimately results from a variety of General conditions: First of all, the length of the machine in the axial direction and its weight are fundamentally limited, taking into account the respective required performance. On the one hand, this results in a limitation of the height of the
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 Cooling ribs 54 and on the other hand, a limitation of the thickness of the base plate. In addition, 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. In addition, 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
Generatorwirkungsgrad insgesamt sinkt. Aus diesen Total generator efficiency drops. From these
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 General conditions results in the claimed ratio between the surface wetted by the coolant and the volume of the heat sink 53 responsible for the direct heat dissipation from the semiconductor switching elements. 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
Befestigungsmittel, abgedeckt ist. Fastener is covered.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kühlkörpers wurde wie folgt gestaltet: Dicke der Grundplatte 55: 3mmAn embodiment of the heat sink according to the invention was designed as follows: thickness of the base plate 55: 3mm
Höhe der Kühlrippen 54: 15mmHeight of cooling fins 54: 15mm
Innenradius der Grundplatte 55 im Bereich der zentralenInner radius of the base plate 55 in the region of the central
Öffnung 71: 28mmOpening 71: 28mm
Außenradius der Grundplatte 55: 60mm Volumen des gesamten Kühlkörpers 53: 48241mm3 Outer radius of the base plate 55: 60mm Volume of the entire heat sink 53: 48241mm 3
Benetzte Oberfläche des Kühlkörpers 53: 46100mm2 Verhältnis der Kühlkörperoberfläche zu seinem Heatsink wetted surface 53: 46100mm 2 ratio of heat sink surface to its
Volumen: 0,96 l/mm
Volume: 0.96 l / mm