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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Elektromaschine, an der eine
Leistungsteileinheit befestigt ist, die eine Wechselrichtersteuerung
durchführt, und
genauer gesagt auf eine wechselrichterartige Elektromaschine für Fahrzeuge,
die beispielsweise in Motorgeneratoren und Servomotoren verwendet wird.
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Normalerweise
ist eine Leistungsteileinheit zur Durchführung einer Wechselrichtersteuerung
einer Elektromaschine, wie sie beispielsweise in der japanischen
Offenlegungsschrift (ungeprüft)
Nr. 274992/2004 (Seiten 17 bis 19, 1 bis 5) offenbart ist, mit einem Wechselrichtermodul
versehen, das aus einer Vielzahl von Schaltelementen (Leistungsteile,
wie beispielsweise Transistoren, MOSFET oder IGBT) und Dioden, die
parallel zu jedem der Schaltelemente geschaltet sind, ausgebildet
ist.
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Bei
dem Wechselrichtermodul bilden das Schaltelement und die Diode,
die einen oberen Arm ausbilden, und das Schaltelement und die Diode,
die einen unteren Arm ausbilden, in Reihe geschaltet eine Gruppe,
wobei drei dieser Gruppen parallel geschaltet sind.
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Eine
Ankerwicklung ist in Y-Verbindung vorgesehen. Die Enden jeder Phase
der Y-Verbindung sind elektrisch mit einem Zwischenpunkt zwischen den
Schaltelementen des oberen Arms und den Schaltelementen des unteren
Arms, die in Reihe geschaltet sind und eine Gruppe bilden, über eine Wechselstromverdrahtung
entsprechend jeder der Phasen verbunden.
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Ferner
ist ein positiver Elektrodenanschluss an der Batterie elektrisch
mit der positiven Elektrodenseite des Wechselrichtermoduls verbunden,
und ein negativer Elektrodenanschluss der Batterie ist elektrisch
mit der negativen Elektrodenseite des Wechselrichtermoduls verbunden,
und zwar jeweils über
eine Gleichstromverdrahtung.
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Bei
dem Wechselrichtermodul wird der Schaltbetrieb jedes der Schaltelemente
durch Befehle von einem Regelkreis gesteuert. Ferner steuert der Regelkreis
einen Feldstromerregerkreis, um einen durch die Feldwicklung des
Rotors strömenden Felderregerstroms
einzustellen.
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Da
ein großer
Energieverlust zum Zeitpunkt des Schaltens und Leitens der Schaltelemente
in dem Wechselrichtermodul beim Antreiben der zuvor genannten herkömmlichen
Elektromaschine auftritt, ist es ein besonders wichtiges zu lösendes Problem, dass
jedes der ein Wechselrichtermodul bildenden Schaltelemente gekühlt wird.
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Beispielsweise
ist bei dem Kühlsystem,
das in der japanischen Offenlegungsschrift (ungeprüft) Nr.
274992/2004 offenbart ist, eine Leistungsteileinheit, die ein Wechselrichtermodul
enthält,
in einer Umfangsrichtung an einem Kühlkörper an einem Ende in einer
axialen Richtung der Elektromaschine angeordnet, und Kühlluft wird
im Strömungswege
der Kühlrippen
entlang jeder der Kühlrippen,
die mit den Strömungswegen
in der radialen Richtung versehen sind, geleitet, wodurch die Kühlkörper gekühlt werden.
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Da
die ein Wechselrichtermodul aufweisende Leistungsteileinheit gemäß dem zuvor
beschriebenen Stand der Technik in der Umfangsrichtung an dem Kühlkörper an
einem Ende in der axialen Richtung der Elektromaschine angeordnet
ist, und da Kühlluft
in Strömungswege
der Kühlrippen
entlang jeder einzelnen der Kühlrippen,
die mit den Strömungswegen
in der radialen Richtung versehen sind, geleitet wird, wodurch die
Kühlkörper gekühlt werden,
besteht ein Problem dahingehend, dass erwärmte Kühlluft in die nachfolgende
Kühlrippe
strömt,
wodurch gegebenenfalls die Kühlleistung
verringert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung soll die zuvor erwähnten Probleme lösen, und
es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektromaschine
für Fahrzeuge
zu schaffen, welche eine Kühlleistung
von ein Wechselrichtermodul ausbildenden Schaltelementen verbessern
kann und den Gesamtbauraum der Elektromaschine verkleinert.
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Eine
Elektromaschine für
Fahrzeuge gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst einen Stator, der mit einer Ankerwicklung versehen
ist, einen Rotor, der eine Drehwelle aufweist und innerhalb des
Stators angeordnet ist, einen Kühler,
der an dem Rotor angeordnet ist, ein Gehäuse, das den Stator aufnimmt
und fixiert sowie die Drehwelle drehbar hält, und einen Deckel, der außerhalb
einer Wandoberfläche
des Gehäuses
in einer axialen Richtung der Drehwelle angeordnet ist, um die eine
Wandoberfläche
zu bedecken, und der zusammen mit der einen Wandoberfläche des
Gehäuses
einen Raum ausbildet. Bei dieser Elektromaschine sind Schaltelemente eines
oberen Arms und eines unteren Arms, die in Reihe geschaltet sind
und einen mit der Ankerwicklung zu verbindenden Wechselrichterkreis
bilden, benachbart zueinander in der axialen Richtung der Drehwelle
angeordnet. Eine Lüftungsöffnung zum Ansaugen
von Umgebungsluft ist in einem radial äußeren Umfangsbereich der Abdeckung
ausgebildet. Eine Ansaugöffnung,
durch die in dem Raum vorhandene Luft in das Gehäuse gesaugt wird, ist in einer Wand
des Gehäuses
ausgebildet. Eine Auslassöffnung,
durch welche die in dem Gehäuse
vorhandene Luft ausgelassen wird, ist in dem radialen äußeren Umfangsbereich
des schwebenden Gehäuses
ausgebildet. Wenn der Kühler
in Drehung versetzt wird, strömt
die Umgebungsluft durch die Lüftungsöffnung von
dem radialen äußeren Umfangsbereich
zu dem radialen inneren Umfangsbereich in Bezug auf die Schaltelemente
des oberen Arms und des unteren Arms, strömt durch die Ansaugöffnung und
wird schließlich
durch die Auslassöffnung
ausgelassen.
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Bei
der Elektromaschine mit dem zuvor genannten Aufbau gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
eine Kühlleistung
der Schaltelemente zu verbessern, sowie den Gesamtbauraum der Elektromaschine
für Fahrzeuge
zu verringern.
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Die
zuvor genannten Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den beiliegenden
Zeichnungen deutlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittsansicht, die eine erste bevorzugte Ausführungsform
einer Elektromaschine für
Fahrzeuge gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2 ist
eine Seitenansicht entlang der axialen Richtung einer Leistungsteileinheit
gemäß 1;
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3 ist
ein Schaltbild zur Erläuterung
des Betriebs der mit der Leistungsteileinheit versehenen Elektromaschine;
und
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4 ist
eine Querschnittsansicht, die eine zweite Ausführungsform der Elektromaschine
für Fahrzeuge
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend
werden verschiedene bevorzugte Ausführungsformen einer Elektromaschine
für Fahrzeuge
gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Ausführungsform 1:
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1 ist
eine Querschnittsansicht, die eine erste Ausführungsform einer Elektromaschine
für Fahrzeuge
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, und 2 ist eine Seitenansicht einer
Leistungsteileinheit gemäß 1 entlang
der axialen Richtung. Diese Elektromaschine für Fahrzeuge ist eine Elektromaschine,
bei der die Leistungsteileinheit als integrales Bauteil befestigt
oder in der Nähe
dieser angeordnet ist.
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Wie
in 1 ist, ist die Elektromaschine 1 mit
einem Gehäuse
versehen, das aus einer vorderen Klammer 10 und einer hinteren
Klammer 11, einem Stator 16 mit einer Ankerwicklung 16a und
einem Rotor 15 mit einer Welle (Drehwelle) 13 und
einer Feldwicklung 14 ausgebildet ist. Bei dieser Elektromaschine 1 ist
der Stator 16 in dem Gehäuse gehalten und an diesem
befestigt, und der Rotor 15 ist innerhalb des Stators 16 angeordnet,
so dass dessen Feldwicklung 14 gegenüber der Ankerwicklung 16a positioniert
ist; ebenso ist die Welle 13 des Rotors 15 durch
an dem Gehäuse
angeordnete Stützlager 12 gehalten,
und der Rotor 15 kann koaxial mit dem Stator 16 drehen.
An beiden der axialen Endflächen
des Rotors 15 sind Lüfter 17 befestigt.
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Eine
Riemenschreibe ist an dem Endbereich an der vorderen Seite der Welle 13 (an
der Außenseite
der vorderen Klammer 10) befestigt. Ein Bürstenhalter 19 ist
an der hinteren Klammer 11 an der äußeren Seite der Welle 13 (an
der Außenseite
der hinteren Klammer 11) befestigt; ein Paar von Gleitringen 21 ist
an der hinteren Seite der Welle 13 befestigt; und ein Paar
von Bürsten 20 ist
in dem Bürstenhalter 19 angeordnet,
um in Kontakt mit den Gleitringen 21 zu gleiten. Ferner
ist ein Drehpositionserfassungssensor (beispielsweise ein Drehmelder) 22 an
dem hinteren seitlichen Ende der Welle 13 vorgesehen. Die
Riemenscheibe 18 ist mit einer Drehwelle eines Antriebs
mit Hilfe eines nicht dargestellten Riemens verbunden, und die Drehung
des Antriebs wird auf die Riemenscheibe 18 übertragen.
Der Bürstenhalter 19,
die Bürsten 20 und
die Gleitringe 21 bilden einen Energieversorgungsmechanismus
zum Versorgen der Feldwicklung mit einem Gleichstrom.
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Ein
Deckel 30, der den Energieversorgungsmechanismus, wie beispielsweise
den Bürstenhalter 19,
abdeckt, ist an der weiteren Hinterseite der hinteren Klammer 11 vorgesehen.
Eine Leistungsteileinheit 4 ist in einem Raum zwischen
der hinteren Klammer 11 und dem Deckel 30 angeordnet.
Eine Steuerkreiskarte 44a, an der ein Regelkreis 44 befestigt
ist, ist an der axialen äußeren Wandfläche des
Deckels 30 positioniert, und diese Steuerkreiskarte 44a ist
mit einer Platte 32 abgedeckt.
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Die
Leistungsteileinheit 4 beinhaltet ein Paar vom Kühlkörpern mit
einem inneren Kühlkörper 50 und
einem äußeren Kühlkörper 51,
die einander unter Bildung eines vorbestimmten Spalts in der Axialrichtung
gegenüberliegen.
Der innere Kühlkörper 50 und
der äußere Kühlkörper 51 sind
mit einer in 2 dargestellten Haltestange 6 an
der hinteren Klammer 11 befestigt. Wie in den 1 und 2 gezeigt
ist, sind mehrere Gruppen von Schaltelementen 41a und 41b des
oberen Arms und des unteren Arms in einer Umfangsrichtung an den
einander gegenüberliegenden
inneren Wandflächen
in der Axialrichtung des inneren Kühlkörpers 50 und des äußeren Kühlkörpers 51 angeordnet.
Der innere Kühlkörper 50 und
der äußere Kühlkörper 51 sind
mit Kühlrippen 50a und 51a versehen,
die Strömungswege
in der radialen Richtung an den axial gegenüberliegenden äußeren Wandflächen einschließen. Durch
Vorsehen des inneren Kühlkörpers 50 und
des äußeren Kühlkörpers 51 wird
eine größere Kühlwirkung
erzielt.
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Es
ist bevorzugt, dass die Kühlrippen 50a und 51a über die
gesamten Flächen
des inneren Kühlkörpers 50 und
des äußeren Kühlkörpers 51 oder
in regelmäßigen Intervallen
in der Umfangsrichtung angeordnet sind.
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Die
Schaltelemente 41a und 41b sind mit jeweils über Lötstellen
mit dem inneren Kühlkörper 50 und
dem äußeren Kühlkörper 51 verbunden.
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Lüftungslöcher 31a und 31b sind
benachbart zueinander und gegenüber
der äußeren Umfangsfläche jeder
der Kühlrippen 50a und 51a in
der Umfangswand des Deckels 30 vorgesehen. Die Lüftungslöcher 31a und 31b sind
bevorzugt offen, so dass sie gegenüber den Schaltelementen 41a und 41b angeordnet
sind.
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Durch
die Drehung der Lüfter 17,
wie durch die Pfeile F gezeigt ist, wird ein Luftstrom frischer Umgebungsluft
erzeugt, der durch die Lüftungslöcher 31a und 31b und
durch jede der Kühlrippen 50a und 51a einströmt und von
einer Ansaugöffnung 11a der hinteren
Klammer 11 angesaugt wird und durch eine Auslassöffnung 11b ausströmt. Auf
diese Weise werden der innere Kühlkörper 50 und
der äußere Kühlkörper 51 stets
mit Umgebungsluft gekühlt.
Die Ansaugöffnung 11a der
hinteren Klammer 11 ist bevorzugt an Bereichen in der Nähe der inneren
Umfangsenden der Kühlrippen 50a und 51a ausgebildet,
um die Kühlwirkung
zu verbessern.
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Wie
zuvor beschrieben wurde, werden der innere Kühlkörper 50 und der äußere Kühlkörper 51 stets
durch frische Umgebungsluft gekühlt,
so dass eine Kühlleistung
zum Kühlen
der Schaltelemente 41a und 41b verbessert werden
kann. Ferner wird der Raum zwischen der hinteren Klammer 11 und dem
Deckel 30 ausgenutzt, so dass die gesamte Elektromaschine
nur einen geringen Bauraum benötigt.
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Wie
in 2 gezeigt ist, ist eine Leistungsteileinheit 4 aus
drei Phasen U, V, W von Abschnitten (U-Phasenabschnitt, V-Phasenabschnitt
und W-Phasenabschnitt) der Schaltelemente 41a des oberen Arms,
in dessen Phase vier Schaltelemente 41a parallel an der
Wandfläche
des inneren Kühlkörpers 50 verbunden
sind, und aus drei Phasen U, V, W von Abschnitten (U-Phasenabschnitt,
V-Phasenabschnitt und W-Phasenabschnitt) der Schaltelemente 41b des
unteren Arms ausgebildet, in dessen Phase vier Schaltelemente 41b parallel
an der Wandfläche
des äußeren Kühlkörpers 51 verbunden
sind. Bei den Schaltelementen 41a und 41b kann
es sich um solche der diskreten Art, der TPM-Art oder der sogenannten
Bare-Chip-Art handeln.
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Indem
mehrere Anzahlen von Schaltelementen 41a und 41b jeweils
parallel verbunden werden, kann die durch jedes der Schaltelemente 41a und 41b strömende Strommenge
verringert werden. Somit ist es möglich, preiswerte Schaltelemente 41a und 41b mit
einer geringen zulässigen
Stromstärke zu
verwenden und entsprechend Kosten einzusparen.
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3 ist
ein Schaltbild zur Erläuterung
des Betriebs einer Elektromaschine, die mit einer Leistungsteileinheit
versehen ist.
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Wie
in 3 gezeigt ist, ist ein Elektromaschinenabschnitt 1a mit
einer Ankerwicklung 16a, die um einen Stator gewickelt
ist, und mit einer Feldwicklung 14, die um einen Rotor
gewickelt ist, versehen. Die Ankerwicklung 16a ist aus
drei Phasen (U-Phase, V-Phase, W-Phase) der Spulen in Y-Verbindung (Stern-Verbindung)
aufgebaut. Die Leistungsteileinheit 4 ist mit einem Wechselrichtermodul 40,
das aus einer Mehrzahl von Schaltelementen (Leistungstransistor,
MOSFET, IGBT oder dergleichen) 41a und 41b ausgebildet
ist, und mit Dioden 42, die parallel zu den jeweiligen
Schaltelementen 41a und 41b geschaltet sind, und
mit einem Kondensator 43 versehen, der parallel zu dem
Wechselrichtermodul 40 geschaltet ist. Bei dem Wechselrichtermodul 40 bilden das
Schaltelement 41a und die Diode 42, die einen oberen
Arm 46 ausbilden, und das Schaltelement 41b und
die Diode 42, die einen unteren Arm 47 ausbilden,
in Reihe geschaltet gemeinsam eine Gruppe, wobei drei dieser. Gruppen
parallel geschaltet sind.
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Die
Enden jeder Phase der Y-Verbindung in der Ankerwicklung 16a sind über eine
Wechselstromverdrahtung 9 elektrisch mit Verbindungspunkten zwischen
den Schaltelementen 41a des oberen Arms 46 und
den Schaltelementen 41b des unteren Arms 47 der
entsprechenden Gruppen verbunden. Ferner sind ein positiver Elektrodenanschluss
und ein negativer Elektrodenanschluss an der Batterie 5 elektrisch entsprechend
mit der positiven Elektrodenseite und der negativen Elektrodenseite
des Wechselrichtermoduls 40 mittels einer Wechselstromverdrahtung 8 verbunden.
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Der
Schaltbetrieb jedes der Schaltelemente 41a und 41b in
dem Wechselrichtermodul 40 wird durch Befehle von einem
Regelkreis 44 gesteuert. Ferner steuert der Regelkreis 44 einen
Erregerstromregelkreis 45, um einen durch die Feldwicklung 14 des
Rotors strömenden
Erregerstrom einzustellen.
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Unter
Bezugnahme auf das in 3 dargestellte Schaltbild wird
der Leistungsteileinheit 4 über die Gleichstromverdrahtung 8 von
der Batterie 5 beim Start des Antriebs ein Gleichstrom
zugeführt,
der Regelkreis 44 führt
eine AN/AUS-Steuerung jedes der Schaltelemente 41a und 41b des
Wechselrichtermoduls 40 durch, und der Gleichstrom wird
in einen dreiphasigen Wechselstrom umgerichtet. Ein umgerichteter
dreiphasiger Wechselstrom wird der Ankerwicklung 16a des
Elektromaschinenabschnitts 1a über die Wechselstromverdrahtung 9 zugeführt, ein
magnetisches Drehfeld wird um die Feldwicklung 14 des Rotors
erzeugt, dem ein Erregerstrom von der Batterie 5 mittels
des Erregerstromregelkreises 45 zugeführt wird, der Rotor wird drehend
angetrieben und der Antrieb dann mit Hilfe einer Riemenscheibe,
die an der Welle des Rotors befestigt ist, eines Riemens, einer
Kurbelscheibe und einer Kupplung gestartet (AN).
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Sobald
der Antrieb gestartet ist, wird eine Drehkraft des Antriebs über die
Kurbelscheibe, den Riemen und die an der Welle des Rotors des Elektromaschinenabschnitts 1a befestigte
Riemenscheibe an einen Rotor übertragen,
der Rotor wird drehend angetrieben, wodurch eine dreiphasige Wechselspannung
an der Ankerspule 16a induziert wird, der Regelkreis 44 führt eine
AN/AUS-Steuerung jedes der Schaltelemente 41a und 41b durch,
die an der Ankerspule 16a induzierte dreiphasige Wechselspannung
wird in einen Gleichstrom umgerichtet, und die Batterie 5 wird
geladen.
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Ausführungsform 2:
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4 ist
eine Querschnittsansicht, die eine zweite Ausführungsform der Elektromaschine
für Fahrzeuge
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, wobei gleiche Bezugsziffern gleiche oder gleichartige Bauteile
wie in 1 bezeichnen.
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Unter
Bezugnahme auf 4 entspricht der Aufbau jedes
Bauteils im Wesentlichen demjenigen der zuvor beschriebenen ersten
Ausführungsform. Unterschiede
zur ersten Ausführungsform
bestehen dahingehend, dass eine Lüftungsöffnung 31c an dem äußeren Umfangsbereich
des Deckels 30 vorgesehen ist, und dass eine Führung 60 vorgesehen
ist, mit der ein Vorsprung 60a mit einem dreieckigen Querschnitt
einteilig ausgebildet ist, um die äußeren Umfangskanten des inneren
Kühlkörpers 50 und
des äußeren Kühlkörpers 51 zu
verbinden.
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Gemäß dieser
zweiten Ausführungsform wird,
sobald die Kühlrippen 17 gedreht
werden, wie durch die Pfeile F gezeigt ist, ein Luftstrom erzeugt, so
dass frische Umgebungsluft durch die Lüftungsöffnung 31c angesaugt
wird; die angesaugte Umgebungsluft wird mit Hilfe der Führung 60,
an welcher der Vorsprung 60a ausgebildet ist, in zwei Richtungen
verteilt; und die verteilte Umgebungsluft strömt durch jede der Kühlrippen 50a und 51a,
wird von einer Ansaugöffnung 11a der
hinteren Klammer 11 angesaugt und strömt durch die Auslassöffnung 11b.
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Wie
zuvor beschrieben wurde, werden der innere Kühlkörper 50 und der äußere Kühlkörper 51 stets
mit frischer Umgebungsluft gekühlt,
so dass eine Kühlleistung
zum Kühlen
der Schaltelemente 41a und 41b verbessert werden
kann. Ferner wird der Raum zwischen der hinteren Klammer 11 und dem
Deckel 30 genutzt, so dass die gesamte Elektromaschine
nur wenig Raum einnimmt. Zudem weist die Elektromaschine gemäß dieser
zweiten Ausführungsform
einen Aufbau auf, bei dem die angesaugte Umgebungsluft mittels der
Führung 60 verteilt
wird, so dass eine Lüftungsöffnung 31c ausreichend
ist, wodurch ein einfacher Aufbau erzielt werden kann.
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Obwohl
gemäß der zuvor
beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform die Schaltelemente 41a und 41b an
den entsprechenden Kühlkörpers 50 und 51 positioniert
sind, ist es bevorzugt, dass eines der Schaltelemente 41a und 41b an
einem Kühlkörper befestigt
ist, und das andere der Schaltelemente beispielsweise an der Oberfläche einer
reinen Harzplatte befestigt ist. Ferner ist es bevorzugt, dass beide
Kühlkörper entfernt
werden, und dass die Schaltelemente 41a und 41b entsprechend an
einem Paar von Harzplattenoberflächen
befestigt sind.
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Obwohl
eine Elektromaschine für
Fahrzeuge beschrieben wurde, in der die Feldwicklung 14 des Rotors 15 und
der Bürstenhalter 19 angeordnet
sind, können
die zuvor genannten Ausführungsformen
gemäß der vorliegenden
Erfindung auch auf andere Elektromaschinen für Fahrzeuge angewendet werden,
bei denen ein Magnetpol eines Rotors aus einem Permanentmagneten
ausgebildet ist und weder die Feldwicklung 14 noch der
Bürstenhalter 19 vorgesehen
sind.
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Die
Elektromaschine für
Fahrzeuge gemäß der vorliegenden
Erfindung kann effektiv als Elektromaschine genutzt werden, die
beispielsweise in Automobilen angeordnet wird.
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Während vorliegend
bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, sollte
klar sein, dass diese Offenbarung zu Darstellungszwecken dient und
dass verschiedene Änderungen
und Modifikationen möglich
sind, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen,
der durch die beiliegenden Ansprüche
definiert ist.