-
Beschreibung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromrichtereinheit für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine mit einer solchen Stromrichtereinheit.
-
Stand der Technik
-
Bei elektrischen Maschinen, insbesondere bei solchen, die als Generator oder Mildhybridantrieb verwendet werden, und insbesondere auch bei Verwendung in Fahrzeugen wird eine immer höhere Leistungsdichte gefordert. Gerade im Inverter bzw. Stromrichter solcher elektrischer Maschinen, in dem in aller Regel Halbleiterbauelemente, insbesondere Halbleiterschalter, verwendet werden, um den erzeugten Wechselstrom gleichzurichten bzw. anliegenden Gleichstrom wechselzurichten, entstehen hohe Verlustleistungen, wodurch Wärme entsteht, die möglichst gut abgeführt werden sollte.
-
Hierzu ist für den Stromrichter bzw. als Teil davon typischerweise ein Kühlkörper vorgesehen, über den die Wärme - insbesondere unter Verwendung eines Lüfters, der typischerweise mittels eines Rotors der elektrischen Maschine angetrieben wird und einen Kühlluftstrom erzeugt - abgeführt wird. Auf dem Kühlkörper werden dabei meist Leistungsmodule (bzw. Leistungshalbbrücken), Kondensatoren (insbesondere Zwischenkreiskondensatoren zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie) und Logikeinheiten (insbesondere eine Logikplatine zur Ansteuerung der Leistungsmodule und zur Kommunikation mit einem übergeordneten Steuergerät), ggf. auch EMV-Filter angeordnet, um die Wärme möglichst gut abführen zu können. Dabei ist es auch möglich, dass, zum Zwecke eines kompakteren Aufbaus, die Logikeinheiten (Logikteil des Stromrichters) und ein oder mehrere Leistungsmodule zusammen auf einer Platine untergebracht werden.
-
Wichtig für eine hohe Leistungsdichte des Inverters bzw. Stromrichters ist in der Regel, die entstehende Verlustleistung durch einen geringen thermischen Widerstand von beispielsweise einem Halbleiterchip über den Kühlkörper an das Kühlmedium (z.B. Luft) zu übertragen. Eine Schwierigkeit der Kühlung besteht dabei in der Integration sämtlicher für den Inverter relevanten Bauelemente auf engstem Raum.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß werden eine Stromrichtereinheit und eine elektrische Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
-
Die Erfindung geht aus von einer Stromrichtereinheit für eine elektrische Maschine, mit einem Kühlkörper, einem Leistungsmodul und einer Logikeinheit (oder Logikplatine bzw.- schaltungsträger), wobei die Logikeinheit auf dem Kühlkörper angeordnet ist. Außerdem können noch Kondensatoren (insbesondere sog. Zwischenkreiskondensatoren) vorgesehen sein, die beispielsweise je nach Art vertikal oder horizontal im Kühlkörper eingebracht werden können.
-
Trotz mitunter guter bzw. effektiver Kühlung eines Stromrichters insgesamt hat sich herausgestellt, dass die Logikeinheit oftmals nicht ausreichend gekühlt wird bzw. sich durch andere Komponenten stark erwärmt. Gerade die Logikeinheit, die insbesondere auch einen oder mehrere Mikroprozessoren bzw. allgemein integrierte Schaltungen aufweist, benötigt aber eine möglichst gute Kühlung. Wie sich gezeigt hat, kann dabei insbesondere problematisch sein, dass Leistungsmodule, die typischerweise MOSFETs oder andere Halbleiterschalter aufweisen und die besonders warm bzw. heiß werden, ihre Wärme auch an die Logikeinheit abgeben, was deren Effizienz oder Lebensdauer beeinträchtigen kann.
-
Erfindungsgemäß ist nun ein weiterer Kühlkörper vorgesehen, der in eine Ausnehmung in dem Kühlkörper eingebracht ist und auf dem das Leistungsmodul angeordnet ist. In diesem Sinne kann der (zuerst genannte) Kühlkörper, auf dem die Logikeinheit angeordnet ist, auch als Hauptkühlkörper bezeichnet werden.
-
Durch diese getrennten Kühlkörper wird nun erreicht, dass die von dem Leistungsmodul erzeugte Wärme zumindest hauptsächlich über den weiteren Kühlkörper abgeleitet bzw. an die Luft abgegeben wird, jedoch nicht bzw. nicht mehr hauptsächlich über den Kühlkörper bzw. Hauptkühlkörper an die Logikeinheit.
-
Bereits dadurch, dass der Kühlkörper und der weitere Kühlkörper zwei getrennte Bauteile bzw. Komponenten sind, gibt es einen gewissen thermischen Widerstand zwischen diesen beiden Kühlkörpern, auch wenn diese (direkt) aufeinander bzw. aneinander liegen. Nichtsdestotrotz ist es bevorzugt, wenn der weitere Kühlkörper wenigstens teilweise gegen den Kühlkörper thermisch isoliert ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zwischen dem weiteren Kühlkörper und dem Kühlkörper ein thermisch isolierendes Material vorgesehen ist, insbesondere in Form einer Dichtung oder dergleichen. Denkbar ist beispielsweise, dass ein Dichtring aus entsprechend thermisch isolierendem Material vorgesehen wird. Unter einem thermisch isolierenden Material ist dabei insbesondere ein Material zu verstehen, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material des Kühlkörpers und/oder weiteren Kühlkörpers. Für die Dichtung kann beispielsweise ein Siliconkautschuk verwendet werden. Für den Hauptkühlkörper wird typischerweise Aluminium als Material verwendet. Die weiteren Kühlkörper können entweder auch aus Aluminium gefertigt werden, oder aber auch aus Kupfer, welches einen zusätzlichen Vorteil bietet, der im Folgenden noch genauer beschrieben wird.
-
Bevorzugt ist weiterhin, wenn das Leistungsmodul mittels einer Lot- oder Sinterverbindung auf dem weiteren Kühlkörper befestigt ist. Auf diese Weise kann zwischen dem Leistungsmodul und dem weiteren Kühlkörper eine gute Wärmeleitung erreicht werden, was insgesamt zu einer schnelle und effektiven Wärmeabfuhr führt. Durch das Ersetzen einer üblichen Wärmeleitpaste durch eine Lotverbindung kann der thermische Widerstand dieser Schicht beispielsweise um eine Größenordnung reduziert werden. Der Einsatz eines Lots ist herkömmlicherweise nicht sinnvoll, da eine Lotverbindung nur mit sehr großem Aufwand zwischen Kupfer (beispielsweise DBC- bzw. Direct-Bonded-Copper-Substrat) und einem Aluminiumkühlkörper hergestellt werden kann. Da herkömmlicherweise nur ein einzelner Kühlkörper vorhanden ist, ist die Fertigung dieses einen Kühlkörpers aus Kupfer aus Kostengründen meist nicht sinnvoll. Bei dem hier vorgeschlagenen Design kann der Hauptkühlkörper weiterhin aus Aluminium gefertigt werden. Die weiteren, mitunter deutlich kleineren Kühlkörper, welche in die Ausnehmungen eingebracht sind, können jedoch aus Kupfer oder einem Kupfer enthaltenden Material wie einer Kupferlegierung gefertigt werden, da der Materialeinsatz hier relativ gering ist. Der Einsatz von Kupfer erlaubt dann die einfache Herstellung der Löt- oder Sinterverbindung zum Leistungsmodul, sofern dieses ebenfalls eine Kupferschicht auf der entsprechenden, d.h. dem betreffenden Kühlkörper zugwandten, Seite besitzt. Dies ist beispielsweise beim DBC (Direct-Bonded-Copper) der Fall.
-
Die Wärmeleitfähigkeit thermischer Pasten (z.B. 2 W/mK) ist zwar in der Regel deutlich besser als beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit eines normalen Klebers (z.B. 0,2 W/mK). Die Wärmeleitfähigkeit eines Lots (z.B. 60 W/mK) ist jedoch nochmals deutlich höher als die Wärmeleitfähigkeit einer Wärmeleitpaste, was mit dem vorstehend erwähnten weiteren Kühlkörper aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung besonders effizient ist.
-
Vorzugsweise weist der weitere Kühlkörper eine Grundplatte mit daran ausgebildeten Kühlrippen auf, wobei das Leistungsmodul auf der Grundplatte angeordnet ist. Der weitere Kühlkörper ist dann zweckmäßigerweise derart in dem Kühlkörper angeordnet, dass die Kühlrippen auf einer Seite, die beim Verbau an bzw. in einer elektrischen Maschine einem Luftstrom (erzeugt durch einen Lüfter) ausgesetzt sind, liegen.
-
Zweckmäßigerweise weist der Kühlkörper zudem in der Ausnehmung eine Stufe, vorzugsweise umlaufend um die Ausnehmung, auf, auf der die Grundplatte des weiteren Kühlkörpers gehaltert ist bzw. aufliegt, ggf. mittelbar über das erwähnte, thermisch isolierende Material. Damit kann eine besonders einfache und stabile Halterung des weiteren Kühlkörpers in dem Kühlkörper erreicht werden. Zusätzlich - aber auch unabhängig von einer solchen Stufe - kann der weitere Kühlkörper mit Schrauben oder anderen Befestigungsmitteln an dem Kühlkörper befestigt sein. Denkbar ist hierbei auch die Verwendung eines geeigneten Klebemittels, das zugleich als das thermisch isolierende Material verwendet werden kann.
-
Die Logikeinheit ist auf dem Kühlkörper angeordnet, welcher selbst bevorzugt ebenfalls Kühlrippen zum Zwecke der Wärmeabfuhr aufweist. Die Ausnehmung des Kühlkörpers ist zweckmäßigerweise rechteckig ausgebildet. Entsprechend sollte dann der weitere Kühlkörper bzw. dessen Grundplatte eine entsprechend rechteckige Form aufweisen. Damit kann einer üblicherweise rechteckigen Form von Leistungsmodulen und deren optimaler Kühlung Rechnung getragen werden.
-
Bevorzugt weist die Stromrichtereinheit mehrere Leistungsmodule und mehrere weitere Kühlkörper auf, die jeweils in einer separaten Ausnehmung in dem Kühlkörper eingebracht sind und auf denen jeweils eines der Leistungsmodule angeordnet ist. Jeder der weiteren Kühlkörper ist dann zweckmäßigerweise gleichartig mit dem vorstehend beschriebenen weiteren Kühlkörper ausgestaltet. Damit kann also für den Fall mehrerer Leistungsmodule - diese bilden beispielsweise zusammen eine Gleichrichter- oder Inverterbrücke oder den Stromrichter selbst - jedes davon möglichst gut gekühlt werden. Zweckmäßig ist dann auch eine gleichmäßige Beabstandung der Leistungsmodule bzw. weiteren Kühlkörper untereinander (sofern es jeweils mehr als zwei sind), ggf. auch unter Einbeziehung der Anordnung der Logikeinheit.
-
Für den Fall von vorhandenen Kondensatoren, wie eingangs schon erwähnt, ist es zweckmäßig, wenn zwischen zwei weiteren Kühlkörpern ein Kondensator angeordnet ist, der insbesondere in dem Kühlkörper eingebracht ist. Damit kann insgesamt eine besonders gleichmäßige Verteilung und Abfuhr der entstehenden Wärme erfolgen. Zudem kann der vorhandene Raum möglichst gut ausgenutzt werden.
-
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine elektrische Maschine mit einer erfindungsgemäßen Stromrichtereinheit. Bevorzugt weist die elektrische Maschine dabei einen Stator, einen Rotor und einen mittels des Rotors antreibbaren Lüfter auf, wobei die Stromrichtereinheit mit einer der Logikeinheit und/oder dem Leistungsmodul abgewandten Seite dem Lüfter zugewendet ist.
-
Hinsichtlich der Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen der elektrischen Maschine sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf obige Ausführungen zur Stromrichtereinheit verwiesen, die hier entsprechend gelten.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
-
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Stromrichtereinheit in einer bevorzugten Ausführungsform.
- 3 zeigt die Stromrichtereinheit aus 2 in anderen Ansichten.
- 4 zeigt einen Ausschnitt aus 3 in vergrößerter Darstellung.
-
Ausführungsform(en) der Erfindung
-
In 1 ist grob schematisch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 100 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die elektrische Maschine 100, die insbesondere in motorischem und generatorischem Betrieb verwendet werden kann, besonders bevorzugt auch in einem sog. Boost-Rekuperations-System (d.h. zur Energierückgewinnung und Antriebsunterstützung), weist einen Läufer bzw. Rotor 120 auf einer Welle 130 auf, der beispielsweise hier nicht näher dargestellte Klauenpole und eine Läuferwicklung zur Erzeugung eines Magnetfelds aufweist. Entsprechend ist auch ein Ständer bzw. Stator 110 gezeigt, der beispielsweise eine hier nicht näher dargestellte Ständerwicklung aufweisen kann.
-
Mit dem Rotor 120 bzw. der Welle 130 gekoppelt bzw. darüber antreibbar ist ein Lüfter 140, der bei Rotation Luft bzw. Kühlluft in die elektrische Maschine einsaugen kann, und zwar insbesondere von einem axialen (vgl. hierzu die Rotationsachse A) Ende (in der Figur rechts gelegen) her.
-
Teil der elektrischen Maschine 100 bzw. daran angeordnet ist hier nun eine Stromrichtereinheit 200 (bzw. ein Inverter), die beispielsweise an einem Gehäuse der elektrischen Maschine, das den Läufer 120 umgibt, angebracht sein kann.
-
Die Stromrichtereinheit 200 selbst weist einen Kühlkörper bzw. Hauptkühlkörper 210, ein Leistungsmodul 230, eine Logikeinheit 220 und einen Kondensator 240 auf. Die Logikeinheit 220 ist dabei auf dem Kühlkörper 210 angeordnet, der Kondensator 240 ist - auf der der Logikeinheit gegenüberliegenden Seite - in den Kühlkörper 210 eingebracht.
-
In einer Ausnehmung des Kühlkörpers 210 ist ein weiterer Kühlkörper 250 vorgesehen, der eine Grundplatte 251 und Kühlrippen 252 aufweist, wobei das Leistungsmodul 230 auf der Grundplatte 251 des weiteren Kühlkörpers 250 angeordnet ist.
-
Der Kühlkörper 210 bzw. die Stromrichtereinheit 200 können beispielsweise über geeignete Befestigungsmittel 270 an der elektrischen Maschine 100 bzw. deren Gehäuse befestigt sein. Denkbar ist aber auch eine geeignete Ausgestaltung des Kühlkörpers und eine Befestigung direkt über den Kühlkörper.
-
Bei Rotation des Lüfters 140 kann Kühlluft 280 am Kühlkörper 210 und insbesondere auch am weiteren Kühlkörper 250 bzw. dessen Kühlrippen 252 entlanggesaugt werden, sodass die Komponenten der Stromrichtereinheit gekühlt werden können.
-
In 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Stromrichtereinheit 200 in einer bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Dabei kann es sich insbesondere um die Stromrichtereinheit 200 aus 1 handeln.
-
Neben der Logikeinheit 220, die auf dem Kühlkörper 210 angeordnet ist, sind hier beispielhaft fünf Leistungsmodule 230 gezeigt, die jeweils gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet sind. Während die Grundplatten der zugehörigen weiteren Kühlkörper nicht zu sehen sind, da diese in einer jeweiligen, insbesondere rechteckigen Ausnehmung 215 in dem Kühlkörper 220 angeordnet sind, sind die jeweils zugehörigen Kühlrippen 252 zu sehen.
-
Zwischen jeweils zwei der weiteren Kühlkörper (bzw. der entsprechenden Kühlrippen 252) ist dabei jeweils ein Kondensator 240 angeordnet und in den Kühlkörper 210 eingebracht.
-
In 3 ist die Stromrichtereinheit 200 aus 2 in anderen Ansichten dargestellt. In der oberen Darstellung ist eine Ansicht von unten gezeigt, in der unteren Darstellung eine Schnittansicht entlang der Linie B-B.
-
Neben den weiteren Kühlkörpern, von denen die Grundplatten 251 mit daran angeordneten Kühlrippen 252 in den entsprechenden Ausnehmungen 215 zu sehen sind, sind in der oberen Darstellung die Kondensatoren 240 sowie Kühlrippen 212 des Kühlkörpers 210 gezeigt, die insbesondere an einer Grundplatte 211 des Kühlkörpers 210 angeordnet sind bzw. einen Teil des Kühlkörpers 210 bilden.
-
In der unteren Darstellung sind zwei der weiteren Kühlkörper 250 mit darauf angeordneten Leistungsmodulen 230 zu sehen. Hierbei ist besonders gut anhand der Pfeile zu sehen, dass die Kühlrippen im Kühlluftstrom 280 liegen. Ebenso liegen die Kühlrippen 212 des Kühlkörpers 210 im Kühlluftstrom, wie sich insbesondere auch im Vergleich mit oberen Darstellung sowie 1 ergibt.
-
In 4 ist ein Ausschnitt aus 3, nämlich einer der weiteren Kühlkörper 250, in vergrößerter Darstellung zu sehen. Im Bereich der Ausnehmung 215 in dem Kühlkörper 210 ist eine Stufe 216 vorgesehen, die insbesondere um den Umfang der Ausnehmung umlaufend ausgebildet sein kann.
-
Auf der Stufe 216 ist ein thermisch isolierendes Material 260 vorgesehen, auf dem wiederum die Grundplatte 251 des weiteren Kühlkörpers 250 aufliegt. Im Übrigen sind zwischen dem Kühlkörper 210 und dem Kühlkörper 250 Spalte bzw. Abstände vorgesehen, sodass der weitere Kühlkörper 250 nur über das thermisch isolierende Material 260 in Kontakt steht.
-
Damit ist der weitere Kühlkörper 250 gegen den Kühlkörper 210 thermisch isoliert, was eine Wärmeübertragung von dem Leistungsmodul 230 auf die Logikplatine verhindert oder zumindest deutlich reduziert.
