DE112004001176B4

DE112004001176B4 - Elektronische Baugruppe für elektrische Maschine

Info

Publication number: DE112004001176B4
Application number: DE112004001176.0T
Authority: DE
Inventors: Michael D. Bradfield; David Maley; Michael McCord; Chris Bledsoe
Original assignee: Remy International Inc
Current assignee: Remy International Inc
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2023-07-27
Anticipated expiration: 2024-06-25
Also published as: US6995486B2; US20050001492A1; WO2005011090A1; KR101056664B1; US6911750B2; KR101070177B1; KR20060022713A; DE112004001176T5; US20050194850A1; KR20110048566A

Abstract

Elektronische Baugruppe für eine elektrische Maschine (100), vorzugsweise einen Drehstromgenerator, umfassend:einen Schleifringenderahmen (2) (SRE-Rahmen), der ein Ende eines Gehäuses definiert, das für den Einbau eines Läufers darin konfiguriert ist, um so drehbar zu sein;eine Mehrzahl von Minusdioden (1), die winkelartig im SRE-Rahmen verteilt und mit Presspassungen in Öffnungen im SRE-Rahmen befestigt sind, der als Minus-Kühlkörper wirkt;eine Mehrzahl von Plusdioden (3), die an einer separaten elektrisch leitenden Platte (4) befestigt sind, die über einer Stelle der Mehrzahl von Minusdioden (1) angeordnet ist, wobei die Platte (4) als Plus-Kühlkörper konfiguriert ist, der entsprechende Löcher aufweist, so dass Leiter, die von jeder Minusdiode (1) aus verlaufen, direkt dadurch überstehen, und Öffnungen (9) aufweist, die im Plus-Kühlkörper ausgebildet sind, um mit einem Körper jeder Plusdiode in Eingriff zu stehen;einen nicht leitenden Trenner (10), der über einer Reihe von Vorsprüngen (11) montiert ist, die den Plus-Kühlkörper (4) über einer den Minus-Kühlkörper (2) definierenden oberen Fläche beabstanden, wobei der Trenner (10) so konfiguriert ist, dass er den Plus-Kühlkörper (4) und den Minus-Kühlkörper (2) elektrisch voneinander isoliert;eine Klemmeneinheit (13), die so konfiguriert ist, dass sie geeignete elektrische Anschlüsse (14) zwischen den Plus- (3) und Minusdioden (1), den Ständerphasenleitern und einer Reglereinheit bereitstellt;eine Abdeckung (27), die quer darüber verläuft, um die elektronische Baugruppe abzuschirmen, wobei die Abdeckung (27) am SRE-Rahmen befestigt ist; unddie Reglereinheit (19) ist betriebsfähig an einer Mehrzahl von Stellen am SRE-Rahmen (2) befestigt, wobei die Reglereinheit (19) elekrtrisch mit dem Plus-Kühlkörper (4), einer von der Reglereinheit (19) aus verlaufenden Ständerphasenklemme (20), dem SRE-Rahmen (4) und einer Bürstenhaltereinheit (26) verbunden ist;wobei die Abwärme von dem Plus-Kühlkörper (4) und dem Minus-Kühlkörper (2) über Entlüftungsöffnungen (28), die in jedem Kühlkörper (2) konfiguriert sind, und radial nach außen quer über Oberflächen abzuführen ist, die jeden Kühlkörper (2, 4) definieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Patentanmeldung betrifft allgemein eine elektrische Vorrichtung und insbesondere eine eine Gleichrichterbrücke, einen Regler und eine Bürstenhaltereinheit aufweisende elektronische Bauteilgruppe für eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben.
HINTERGRUND
Elektrische Lasten für Fahrzeuge nehmen kontinuierlich zu, während zugleich die für den Stromgenerator zur Verfügung stehende Gesamtbaugröße immer kleiner wird. Es besteht folglich Bedarf nach einem System mit höherer Leistungsdichte und nach einem Verfahren zur Erzeugung bordeigener Elektrizität.
Der zunehmende Bedarf an Strom, der von einem Drehstromgenerator zu erzeugen ist, führt zu einem Bedarf nach einer entsprechenden Anpassung des Systems für die Stromregelung und insbesondere eines Systems, bei dem der von einem Drehstromgenerator erzeugte Dreiphasenwechselstrom zu einem Gleichstrom gleichgerichtet wird, der in der Batterie eines Fahrzeugs gespeichert oder direkt von dem Stromkreis des Fahrzeugs genutzt werden kann, der mit Gleichstromspannung (DC) gespeist wird.
Der Dreiphasenwechselstrom wird normalerweise durch eine Gleichrichterbrücke gleichgerichtet, die mit sechs Leistungsdioden versehen ist. Drei dieser Dioden sind die Plusdioden, die zwischen den Phasenklemmen der Ständerwicklungen des Drehstromgenerators und der Plusklemme B+ des Drehstromgenerators angeschlossen sind, der mit der Batterie und dem Stromkreis des Fahrzeugs verbunden ist. Drei weitere Dioden, nämlich die Minusdioden, sind zwischen der elektrischen Masse (Erde) des Fahrzeugs und den vorgenannten Phasenklemmen der Ständerwicklungen angeschlossen.
Die Dioden bilden die Gleichrichterbrücke und sind einem Hochstrom ausgesetzt. Sie müssen deshalb in der bestmöglichen Weise gekühlt werden. Zu diesem Zweck werden die Dioden bekannterweise auf Metallplatten angeordnet, die an der Außenseite des Drehstromgenerators angeordnet sind und einen Ableiter für die durch die Dioden erzeugte Wärme bilden. Die Dioden sind auf zwei Trägerplatten gruppiert, von denen eine für die Plusdioden und die andere für die Minusdioden reserviert ist.
Die Gleichrichterdioden sind an jeweilige Trägerplatten angeschlossen, die auch als Kühlkörper für diese Dioden dienen. Die Gleichrichterdioden werden mit Druck in Aufnahmebohrungen der Trägerplatte bzw. des Kühlkörpers eingesetzt oder mit geeigneten Lötlegierungen an der Trägerplatte angelötet. Die mit den Gleichrichterdioden verbundenen Enddrähte ermöglichen, dass die Gleichrichterdioden an externe Stromquellen angeschlossen werden können.
Unter gewissen besonders schwierigen Betriebsbedingungen zeigte sich jedoch, dass diese Kühlung der Dioden - und allgemein die Kühlung des gesamten Stromregelmittels - möglicherweise nicht ausreicht, um eine langzeitige Zuverlässigkeit des Drehstromgenerators zu gewährleisten.
Die Kühlkörper sind normalerweise kreis- oder sichelförmig konstruiert und in der gleichen Ebene am Drehstromgenerator befestigt.
Es ist von Bedeutung, dass die Brückengleichrichter nicht nur den normalen Batterieladestrom aushalten müssen, sondern auch die vom Fahrzeug benötigten hohen Lastströme liefern müssen, wobei dies bei erhöhten Umgebungstemperaturen erfolgt. Diese Anforderungsbedingungen können beispielsweise auftreten, wenn das Fahrzeug in einer heißen Nacht in stockendem Verkehr feststeckt. Unter solchen Bedingungen sind die elektrischen Lasten wegen Scheinwerfern, Klimaanlage, Motorlüfter, Bremslichtern und verschiedenen anderen elektrischen Lasten hoch. Die Temperaturen im Motorraum sind bedingt durch die Temperatur der äußeren Umgebungsluft und das Anfahren und Anhalten im stockenden Verkehr ebenfalls hoch. Die beschriebenen Brückengleichrichter sind in ihrer Fähigkeit eingeschränkt, unter solchen Bedingungen mit hohem Strom und hohen Temperaturen zuverlässig zu funktionieren. Damit Brückengleichrichter mit dieser Art von überhöhten Strom- und Wärmelasten umgehen können, muss ein Brückengleichrichter verwendet werden, der höhere Stromlasten verkraften kann. Wegen des begrenzten Raums für den Drehstromgenerator wird es dann schwierig, einen solchen Brückengleichrichter unter dem Aspekt der Realisierbarkeit und zu günstigen Kosten bereitzustellen.
Die Steigerung der Stromkapazität und der Wärmeableitungseigenschaften des Brückengleichrichters umfasste das Befestigen von Halbleiterdiodenchips auf einem ersten und einem zweiten Metallkühlkörper, die durch eine dünne Platte aus elektrisch isolierendem Material elektrisch voneinander isoliert werden. Die Diodenchips werden dann nach dem Anschluss an den jeweiligen Kühlkörper mit einer schützenden Isolierbeschichtung bedeckt. Einer der Metallkühlkörper umfasst einen gerippten Bereich, der der Kühlluft ausgesetzt ist, wenn der Brückengleichrichter am Generator befestigt ist. Der Kühlkörper mit der Mehrzahl von Rippen umfasst zwölf Luftdurchlässe. Dieser Typ von Brückengleichrichter ist in dem an Steele et al. erteilten US-Patent Nr. 4,606,000 dargestellt und wird hier einbezogen.
Im Laufe der Zeit und infolge von Schwingungen kann die elektrische Integrität der elektronischen Schaltung wegen Ermüdung durch mechanische Belastung ausfallen. Dies führt zu einem Verlust bei der elektrischen Ausgangsleistung der Maschine. Ferner sind mehrere Teile für den Ausgangsanschluss erforderlich, so dass die Teile- bzw. Stückkosten sowie die Montagekosten hoch sind.
Aus der DE 40 18 710 A1 ist eine elektrische Maschine bekannt, mit Anschlussklemmen und einem flüssigkeitsgekühlten, topfförmigen Metallgehäuse, in dem zwei mit Abstand axial hintereinanderliegende Ständerblechpakete mit in deren Nuten eingelegte Drehstromwicklungen eingesetzt sind, die mit zwei umlaufenden, auf einer Antriebswelle befestigten Klauenpolläufern mit je einer Erregerwicklung zusammenwirken, wobei die Antriebswelle einerseits am Boden des topfförmigen Metallgehäuses und andererseits auf der Antriebsseite der Maschine an einem das topfförmige Gehäuse abschließenden Lagerdeckel gelagert ist. Der antriebsseitige Lagerdeckel nimmt die Anschlüsse der Drehstromwicklungen und die Anschlüsse der Erregerwicklungen auf und die Anschlüsse sind mit an diesem Lagerdeckel angeordneten Gleichrichtereinheiten, mit Minus- und Plus-Dioden sowie Reglerschaltern und Anschlußklemmen der Maschine elektrisch verbunden.
Die US 6 731 030 B2 offenbart einen Brückengleichrichter für einen Wechselstromgenerator mit einem Schleifringende. Dieser umfasst einen ersten Kühlkörper mit einem Satz Dioden erster Polarität; eine Isolierschicht, die sich auf dem ersten Kühlkörper befindet; einen zweiten Kühlkörper mit einem Satz von Dioden zweiter Polarität, der auf der Isolierschicht angeordnet ist; eine Anschlussabdeckung, die auf dem zweiten Kühlkörper angebracht ist; einen Kondensator, der mit der Anschlussabdeckung und dem zweiten Kühlkörper verbunden ist; und einen B+-Bolzen, der am zweiten Kühlkörper angebracht ist und durch das Schleifringende des Generators, den ersten Kühlkörper und die Isolierschicht verläuft. Dabei umfasst der zweite Kühlkörper einen Basisabschnitt mit einem ersten und einem zweiten Bereich; kuppelförmige Löcher im zweiten Kühlkörper, welche die Dioden der ersten Polarität darin aufnehmen; Diodenaufnahmelöcher in dem Basisabschnitt, welche die Dioden der zweiten Polarität aufnehmen; und einen Plateauabschnitt, der auf dem ersten Bereich des Basisabschnitts angeordnet ist.
Es besteht Bedarf nach einer Verbesserung der Leistungseigenschaften von Brückengleichrichtern, die dem Stand der Technik entsprechen. Es besteht auch Bedarf nach einer Trägerplatte, die die Wärmeableitung von der Diode steigert und die Diode effizienter kühlt, indem einer Diode eine größere Oberfläche des Kühlkörpers zur Verfügung gestellt wird, wodurch die Ableitung der Wärme von der Diode durch die Trägerplatte verbessert wird, in der die Diode angeordnet ist. Darüber hinaus wird demzufolge eine robustere Baugruppeneinheit gewünscht, die Schwingungen widerstehen kann und zugleich eine auch kostengünstige wirksame Wärmeableitung bereitstellt.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die oben erörterten und anderen Nachteile und Mängel werden durch eine elektronische Baugruppe für eine elektrische Maschine, vorzugsweise einen Drehstromgenerator, überwunden oder verringert, wobei die elektronische Baugruppe umfasst: einen Schleifringenderahmen (SRE-Rahmen), der ein Ende eines Gehäuses definiert, das für den Einbau eines Läufers darin konfiguriert ist, um so drehbar zu sein; eine Mehrzahl von Minusdioden, die winkelartig im SRE-Rahmen verteilt und mit Presspassungen in Öffnungen im SRE-Rahmen befestigt sind, der als Minus-Kühlkörper wirkt; eine Mehrzahl von Plusdioden, die an einer separaten elektrisch leitenden Platte befestigt sind, die über einer Stelle der Mehrzahl von Minusdioden angeordnet ist, wobei die Platte als Plus-Kühlkörper konfiguriert ist, der entsprechende Löcher aufweist, so dass Leiter, die von jeder Minusdiode aus verlaufen, direkt dadurch überstehen, und Öffnungen aufweist, die im Plus-Kühlkörper ausgebildet sind, um mit einem Körper jeder Plusdiode in Eingriff zu stehen; einen nicht leitenden Trenner, der über einer Reihe von Vorsprüngen montiert ist, die den Plus-Kühlkörper über einer den Minus-Kühlkörper definierenden oberen Fläche beabstanden, wobei der Trenner so konfiguriert ist, dass er den Plus-Kühlkörper und den Minus-Kühlkörper elektrisch voneinander isoliert; eine Klemmeneinheit, die so konfiguriert ist, dass sie geeignete elektrische Anschlüsse zwischen den Plus- und Minusdioden, den Ständerphasenleitern und einer Reglereinheit bereitstellt; eine Abdeckung, die quer darüber verläuft, um die elektronische Baugruppe abzuschirmen, wobei die Abdeckung am SRE-Rahmen befestigt ist; und die Reglereinheit ist betriebsfähig an einer Mehrzahl von Stellen am SRE-Rahmen befestigt, wobei die Reglereinheit elektrisch mit dem Plus-Kühlkörper, einer sich von der Klemmeneinheit aus erstreckenden Ständerphasenklemme, dem SRE-Rahmen und einer Bürstenhaltereinheit verbunden ist; wobei die Abwärme von dem Plus-Kühlkörper und dem Minus-Kühlkörper über Entlüftungsöffnungen, die in jedem Kühlkörper konfiguriert sind, und radial nach außen quer über Oberflächen abzuführen ist, die jeden Kühlkörper definieren.
Figurenliste
Es zeigen:

1: eine perspektivische Darstellung eines Schleifringenderahmens (SRE-Rahmens) eines Drehstromgenerators einer beispielhaften Ausführung eines Brückengleichrichters, wobei der SRE-Rahmen drei mit ihm angeordnete Minusdioden aufweist;
2: eine perspektivische Darstellung, die einen nicht leitenden Trenner zeigt, der am SRE-Rahmen von 1 angeordnet ist;
3: eine perspektivische Darstellung des Brückengleichrichters von 2, die eine elektrisch leitende Platte (beispielsweise den Plus-Kühlkörper) zeigt, die drei Plusdioden aufweist, die mit ihr über dem nicht leitenden Trenner angeordnet sind;
4: eine perspektivische Darstellung des Brückengleichrichters von 3, der eine über dem Plus-Kühlkörper angeordnete Klemmeneinheit aufweist;
5: eine perspektivische Darstellung einer am SRE-Rahmen angeordneten Reglereinheit und eines unter dem SRE-Rahmen angeordneten Lüfters gemäß der beispielhaften Ausführung von 4;
6: eine perspektivische Darstellung von 5 ohne den Lüfter und mit dem um 90° gedrehten SRE-Rahmen;
7: eine perspektivische Darstellung von 6 mit dem um weitere 90° gedrehten SRE-Rahmen; und
8: eine perspektivische Darstellung einer Abdeckung, die über der elektronischen Baugruppe des Brückengleichrichters gemäß der beispielhaften Ausführung von 5 angeordnet ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
In den Figuren ist eine beispielhafte Ausführung einer Gleichrichtereinheit 100 zur Verwendung in einem Fahrzeug dargestellt, die sechs Dioden zur Umwandlung des von einen Drehstromgenerator erzeugten Wechselstroms (AC) in Gleichstrom (DC) aufweist. Es wird allgemein eine Anordnung einer elektronischen Baugruppe für einen Kraftfahrzeug-Drehstromgenerator beschrieben. Die elektronische Baugruppe umfasst die Gleichrichtereinheit 100, eine Reglereinheit 19 und einen Bürstenhalter 21.
Bezug nehmend auf 1, ist eine beispielhafte Ausführung eines Brückengleichrichters 100 perspektivisch dargestellt. Der Gleichrichter 100 umfasst einen Schleifringenderahmen (SRE-Rahmen) 2 eines Drehstromgenerators (nicht dargestellt) mit drei mit ihm angeordneten Minusdioden 1. Der SRE-Rahmen 2 ist vorzugsweise aus Gussaluminium, doch es können auch andere Materialien vorgesehen sein. Die drei Minusdioden 1 sind in direktem Kontakt mit dem SRE-Rahmen 2 des Drehstromgenerators befestigt. Die Dioden 1 sind winkelartig verteilt und in einer komplementär konfigurierten Öffnung voneinander beabstandet, die eine Montage durch Presspassung erlaubt. Der SRE-Rahmen 2 ist als ein strukturelles, elektrisch und thermisch leitendes Element (beispielsweise ein Minus-Kühlkörper) der Gleichrichtereinheit 100 konfiguriert. Eine Mehrzahl von Entlüftungsöffnungen sind konzentrisch radial nach innen und außen zu den Dioden 1 angeordnet und bilden einen Bogen (in gestrichelten Linien dargestellt) zwischen den Dioden 1.
Drei Plusdioden 3 sind an einer separaten elektrisch leitenden Platte 4 befestigt, die direkt über einer Stelle der drei Minusdioden angeordnet ist (in 3 dargestellt). Die Platte 4 ist vorzugsweise als Plus-Kühlkörper mit entsprechenden Löchern 5 konfiguriert, so dass Leiter 6, die von den Minusdioden 1 aus verlaufen, direkt durch ein entsprechendes Loch 5 hindurch überstehen und richtig in Bezug auf eine Klemmeneinheit 13 positioniert sind, um elektrisch damit verbunden zu werden (in 4 am besten ersichtlich). Die Platte 4 ist mit einer Mehrzahl von sich davon erstreckenden Rippen 7 und Radialschlitzen 8 konfiguriert, die zur Kühlung im Plus-Kühlkörper ausgebildet sind. Bei einer beispielhaften Ausführung wie der dargestellten werden die Radialschlitze 8 gebildet, wenn die Rippen 7 so aus der Platte 4 herausgestanzt werden, dass jede Rippe 7 einem auf sie ausgerichteten Schlitz 8 entspricht. Zur Anordnung einer jeweiligen Plusdiode ist im Plus-Kühlkörper 4 eine Öffnung 9 ausgebildet. Bei einer beispielhaften Ausführung ist die Öffnung 9 als eine zylindrische Wand 9 konfiguriert, die im Plus-Kühlkörper bzw. der Platte 4 ausgebildet ist und jede Plusdiode 3 umgibt. Die zylindrische Wand 9 ist vorzugsweise so konfiguriert, dass sie eine Presspass-Montage einer entsprechenden Plusdiode 3 darin erlaubt. Die zylindrische Wand 9 vergrößert die Kontaktoberfläche mit der Diode 3, um die Wärmeleitung von der Diode 3 und die Wärmeableitung von der zylindrischen Wand 9 zu steigern. Die Platte 4 besteht vorzugsweise aus Aluminium und bevorzugter aus der Aluminiumlegierung 1100, wobei allerdings auch andere geeignete leitende Materialien vorgesehen sein können. Obwohl vorstehend eine zylindrische Wand 9 beschrieben wurde, besteht darüber hinaus keine Beschränkung auf die zylindrische Wand 9, so dass auch andere geometrische Formen vorgesehen sein können, die beispielsweise achteckige oder sternartige Formen umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind.
Bezug nehmend auf 2, ist zur elektrischen Isolierung des Plus-Kühlkörpers 4 gegenüber dem auf Erdpotential liegenden SRE-Rahmen 2 ein nicht leitender Trenner 10 über einer Reihe von Vorsprüngen 11 montiert, der den Plus-Kühlkörper 4 über einer oberen Fläche beabstanden, die den SRE-Rahmen 2 definiert. Der Trenner 10 ist als Phasenleiter-Isolator 12 für den Ständer (nicht dargestellt) konfiguriert, um die Ständerdrähte (drei in gestrichelten Linien dargestellt) zu isolieren, die durch den auf Erdpotential liegenden SRE-Rahmen 2 hindurch überstehen.
Bezug nehmend auf 4, erfolgen die geeigneten elektrischen Anschlüsse zwischen den Dioden 1 und 3, den Ständerphasenleitern (in gestrichelten Linien dargestellt) und einem Regler 19 (5-8) durch Verwendung einer Klemmeneinheit 13. Die Klemmeneinheit 13 ist vorzugsweise kreisbogenartig konfiguriert, damit sie an die Krümmung der Struktur der angeordneten Dioden 1, 3 und die Konfiguration des Plus-Kühlkörpers 4 angepasst ist. In die Klemmeneinheit 13 ist vorzugsweise eine einstückige elektrische Leitung 14 eingepresst. Die elektrische Leitung 14 ist vorzugsweise aus Kupfer, doch man kann auch andere in geeigneter Weise leitende Materialien verwenden. Die Klemmeneinheit 13 wird nach dem Einpressen gestanzt, um die Leitung 14 in geeignete Abschnitte für elektrische Verbindungen mit den Dioden 1 und 3 und den Ständerdrähten zu unterteilen. Die Klemmeneinheit 13, der Plus-Kühlkörper 4, der Trenner 10 und der SRE-Rahmen 2 werden über Befestigungselemente (nicht dargestellt) zusammengeklemmt, die durch in der Klemmeneinheit 13 konfigurierte zylindrische Wände 15 (vier dargestellt) führen und die daraus resultierende Einheit befestigen. Jede der zylindrischen Wände 15 stellt für ein durch sie verlaufendes entsprechendes Befestigungselement eine elektrische Isolierung gegenüber dem Plus-Kühlkörper bereit und wirkt dabei als vorspringende Struktur für eine entsprechende Zylinderwand 9', durch die keine Diode 3 verläuft. Jedes der Befestigungselemente steht direkt mit dem SRE-Rahmen 2 in Eingriff, beispielweise in Gewindeeingriff, wobei das Befestigungselement vorzugsweise ein mechanisches Befestigungselement wie z.B. eine Gewindeschraube ist.
Bezug nehmend auf 5, wird die Gleichrichtereinheit 100 vorzugsweise durch mehrere Luftströme gekühlt, die quer über den Plus-Kühlkörper 4 und den Minus-Kühlkörper bzw. Rahmen 2 sowie durch verschiedene darin konfigurierte Luftdurchlässe fließen. Da der Plus-Kühlkörper 4 vom SRE-Rahmen 2 beabstandet ist, fließt die Luft nicht nur axial nach unten durch die Schlitze 8 nahe dem gerippten Bereich, der durch die Rippen 7 am Plus-Kühlkörper 4 definiert ist (allgemein durch die Pfeile 16 gekennzeichnet), sondern auch radial quer über beide den Rahmen 2 und die Platte 4 definierenden Flächen, bevor sie in den Einlass des SRE-Rahmens 2 eintritt (allgemein durch die Pfeile 17 gekennzeichnet). Der SRE-Rahmen 2 wird auch durch diese Radialbewegung der Luft und ferner durch die Radialbewegung der Luft innerhalb des Rahmens 2 gekühlt, da die Luft durch den SRE-Rahmen 2 und quer über eine Innenfläche des SRE-Rahmens 2 strömt, bevor sie in Radialrichtung austritt (allgemein durch die Pfeile 18 gekennzeichnet). Vorzugsweise wird ein allgemein mit gestrichelten Linien dargestellter Lüfter 110 verwendet, um den Luftstrom am Schleifringende des Drehstromgenerators zu verstärken. Ein Lüfter könnte aber auch an der Antriebsendeseite des Läufers oder sogar extern an der Maschine angeordnet sein, um diese Luftbewegung zu erzeugen. Der Lüfter 110 ist vorzugsweise so konfiguriert, dass er Luft in den SRE-Rahmen 2 in Richtung der darin untergebrachten elektronischen Baugruppe zieht. Der Lüfter 110 ist betriebsfähig mit der Welle des Drehstromgenerators verbunden, bei dem vorzugsweise zwei Lüfter 110 an beiden Enden verwendet werden.
Die Reglereinheit 19 ist elektrisch mit dem Plus-Kühlkörper 4, einer von der Klemmeneinheit 13 aus verlaufenden Ständerphasenklemme 20, dem SRE-Rahmen 2 und einer Bürstenhaltereinheit 21 verbunden. Der Regler 19 umfasst eine an einem Ende angeordnete geeignete Steckverbindereinheit 22, die das Einstecken eines externen Steckverbinderkörpers in den Regler 19 für den richtigen elektrischen Anschluss des Fahrzeugs erlaubt. Die Reglereinheit 19 ist vorzugsweise eine umschlossene Baugruppe, die betriebsfähig an mehreren Stellen am SRE-Rahmen befestigt ist (am besten in 7 ersichtlich). Die Reglereinheit 19 wird elektrisch und strukturell mit dem Plus-Kühlkörper 4 verbunden, der auf einem B+-Spannungspotential der Batterie liegt, indem man eine in einem Leiterrahmen des Reglers 19 ausgebildete Ringöse 23 über einem B+-Ausgangsbolzen 24 des Gleichrichters positioniert. Der B+-Bolzen 24 wird in eine Rückseite des Plus-Kühlkörpers 4 gepresst. Dann wird ein Metallabstandsstück 25 über den B+-Bolzen auf die Ringöse 23 des Reglers gepresst. Wenn der Kunde ein externes Batteriekabel 40 an den B+-Bolzen 24 anschließt, wird die Reglereinheit 100 als ganze durch die Spannung zusammengedrückt, die im B+-Bolzen 24 entsteht, wenn eine externe Mutter 42 über das Gewinde am Bolzen 24 befestigt wird (siehe 8). Der Regler 19 ist über die Klemmeneinheit 13 und eine angelötete Verbindung an der Klemme 20 elektrisch an eine der Ständerphasenwicklungen angeschlossen. Der elektrische Anschluss an die Plus-Erregerklemme (F+) eines Bürstenhalters 26 der Bürstenhaltereinheit 21 wird über ein Befestigungselement (nicht dargestellt) realisiert, das den Regler 19 an den Bürstenhalter 26 anklemmt und im SRE-Rahmen 2 befestigt wird (am besten in 6 und 7 dargestellt). Der elektrische Minus-Erregeranschluss (F-) für den Bürstenhalter erfolgt ebenfalls über dieselbe festgeklemmte Verbindungseinheit.
Der B+-Bolzen 24 steht bei einer beispielhaften Ausführung (bezogen auf 3-6) durch die Unterseite des Plus-Kühlkörpers 4 hindurch über und ist durch einen Kopf (nicht dargestellt) verankert, der an einer den Plus-Kühlkörper 4 definierenden unteren Fläche ruht, und hat am anderen Ende ein Gewinde. Das Metallabstandsstück 25 ist über dem B+-Bolzen 24 angeordnet, so dass, wenn ein externes Batteriekabel 40 betriebsfähig an den B+-Bolzen 24 angeschlossen ist, der B+-Bolzen 24 unter Spannung steht und das Abstandsstück 25 zusammengedrückt wird, wenn eine externe Mutter 42 am B+-Bolzen befestigt ist (siehe 8). 3 zeigt eine Rändelung 29 am B+-Bolzen 24, so dass, wenn das Metallabstandsstück 25 auf dem Bolzen 24 angeordnet ist, die beiden Teile durch Presssitz zwischen der Rändelung 29 am B+-Bolzen 24 und der das Abstandsstück 25 definierenden Innendurchmesserfläche zusammengehalten werden. Bei einer solchen Anordnung wird ein Abstandsstück 25 für mehrere Ausgangsbolzen wie beispielsweise M6 oder M verwendet, da verschiedene Kunden unterschiedliche B+-Bolzen verlangen. Dadurch werden die Anzahl an Teilen, Montagefehler und Kosten reduziert. Ferner ist kein Klebeband mehr erforderlich, das normalerweise am B+Bolzen angebracht wird, um das Abstandsstück während der Montage und des Versands zum Kunden an seiner Position zu halten.
Bezug nehmend auf 8, wird die gesamte in Bezug auf 5-7 beschriebene elektronische Baugruppe durch eine Abdeckung 27 abgeschirmt, die quer über die gesamte elektronische Baugruppe verläuft und am SRE-Rahmen 2 befestigt ist. Die Abdeckung 27 umfasst eine Mehrzahl von Entlüftungsöffnungen 28, die in einer die Abdeckung 27 definierenden oberen Fläche konfiguriert sind, um einen Luftstrom dadurch zur elektronischen Baugruppe zu ermöglichen, die unter der oberen Fläche angeordnet ist. Die Abdeckung 27 ist ferner mit einem allgemein bei 30 gekennzeichneten ausgeschnittenen Abschnitt konfiguriert, um die Steckverbindereinheit 22 dadurch zu lassen und ihr den elektrischen Anschluss an einen externen Steckverbinderkörper zu erlauben. Die obere Fläche der Abdeckung 27 ist ebenfalls mit einer Öffnung konfiguriert, damit das Abstandsstück 25 und der B+-Bolzen 24 dadurch verlaufen, um wie oben beschrieben elektrisch mit einer Fahrzeugbatterie verbunden zu werden.
Die vorstehend beschriebene Erfindung sieht eine geometrische Anordnung der verschiedenen Komponenten vor, die in puncto Wärme eine sehr effektive Baugruppe für den Gleichrichter bietet; die Konstruktion der montierten Komponenten ergibt eine sehr robuste Einheit, die beständig gegen die Wirkung von Schwingungen ist.
Die die Wärme betreffenden Aspekte einer beispielhaften Ausführung der oben beschriebenen Gleichrichtereinheit umfassen einen passenden Winkelabstand zwischen den Dioden. Die Minusdioden sind in oder an dem SRE-Rahmen befestigt, so dass ein doppelter Luftstrom quer über und durch den Plus-Kühlkörper fließen kann. Der Plus-Kühlkörper ist mit durch Schubumformen hergestellten Rippen und konzentrischen Wänden rings um die Plusdioden konfiguriert, die beide eine große Oberfläche ergeben, um Wärme davon abzuleiten, wobei der SRE-Lüfter zur Kühlung die Luft direkt quer über die Fläche des SRE-Rahmens streichen lässt.
Die konstruktionsbezogenen Aspekte dieser beispielhaften Ausführung der oben beschriebenen Gleichrichtereinheit umfassen die Beabstandung von Befestigungselementen durch isolierte zylindrische Wände bei jeden zwei Diodenpaaren; ausgebildete konzentrische Wände im Plus-Kühlkörper, die die Plattensteifigkeit erhöhen und eine Plusdiode halten; Befestigungselemente, die den B+-Ausgangsbolzen überspannen, um die Gleichrichtereinheit zusammendrückend zu montieren; und eine starr konstruierte Klemmeneinheit und ein Befestigungssystem.
Andere Aspekte einer beispielhaften Ausführung der oben beschriebenen Gleichrichtereinheit umfassen eine für den B+-Bolzen und das Abstandsstück ausgelegte Berührungsfläche mit Presssitzkonfigurationen; einen Phasenleiter-Isolator, der in den Plus-Kühlkörper-Trenner integriert ist; eine Trenner- und Klemmenkonstruktion mit abwechselnd nach oben und unten gerichteter Konfiguration zur einfacheren Positionierung während der Montage; und die Geometrie der Regleranordnung.
Eine die Wärme betreffende Auslegung, die die Kühleffizienz der oben beschriebenen Gleichrichtereinheit übertreffen kann, ist die Flüssigkühlung, doch eine solche Flüssigkühlung verursacht untragbare Kosten. Hinsichtlich der Schwingungen ist die oben beschriebene elektronische Baugruppe widerstandsfähiger gegen schwingungsbedingten Ausfall als irgendeine andere von den Anmeldern geprüfte Baugruppenkonstruktion. Darüber hinaus bietet eine beispielhafte Ausführung der oben beschriebenen elektronischen Baugruppe einer Gleichrichtereinheit einen auf die Wärme und Auslegung bezogenen wesentlichen Vorteil bei kostengünstiger Konstruktion.
Der durch eine Diode fließende elektrische Strom erzeugt Wärme. Die Wärme beeinträchtigt die Strombelastbarkeit einer Diode. Die Temperatur und die Strombelastbarkeit stehen somit in umgekehrtem Verhältnis zueinander. Oberhalb einer bestimmten Temperatur wird eine Diode zerstört. Bei einem Drehstromgenerator, der Hochstrom erzeugt, ist es also unbedingt erforderlich, dass die Dioden durch Kühlkörper gekühlt werden und die Wärmeableitung der Kühlkörper verbessert wird, indem die Oberfläche und der über/durch sie fließende Luftstrom vergrößert werden.
Die hier offenbarten beispielhaften Ausführungen stellen einen besseren Brückengleichrichter für einen Drehstromgenerator bereit, der eine Kühlkörpervorrichtung umfasst, die ausgebildete konzentrische Wände rings um die Plusdioden aufweist, um die Wärmeableitungsrate im Vergleich zu einer Kühlkörpervorrichtung ohne die ausgebildeten konzentrischen Wände zu verbessern. Ferner erhöhen die ausgebildeten konzentrischen Wände die Steifigkeit der Kühlkörpervorrichtung, so dass sie Schwingungen widersteht.
Obwohl die Erfindung anhand einer beispielhaften Ausführung beschrieben wurde, versteht sich für den Fachmann, dass man verschiedene Änderungen durchführen und Elemente davon durch gleichwertige Elemente ersetzen kann, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Ferner können zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Folglich besteht die Absicht, dass die Erfindung nicht auf die besondere Ausführung, die als die beste Betriebsart für die Durchführung dieser Erfindung vorgesehene offenbart wurde, beschränkt bleibt, und dass die Erfindung jedoch alle Ausführungen einschließt, die innerhalb des Umfangs der Patentansprüche liegen.

Claims

Elektronische Baugruppe für eine elektrische Maschine (100), vorzugsweise einen Drehstromgenerator, umfassend: einen Schleifringenderahmen (2) (SRE-Rahmen), der ein Ende eines Gehäuses definiert, das für den Einbau eines Läufers darin konfiguriert ist, um so drehbar zu sein; eine Mehrzahl von Minusdioden (1), die winkelartig im SRE-Rahmen verteilt und mit Presspassungen in Öffnungen im SRE-Rahmen befestigt sind, der als Minus-Kühlkörper wirkt; eine Mehrzahl von Plusdioden (3), die an einer separaten elektrisch leitenden Platte (4) befestigt sind, die über einer Stelle der Mehrzahl von Minusdioden (1) angeordnet ist, wobei die Platte (4) als Plus-Kühlkörper konfiguriert ist, der entsprechende Löcher aufweist, so dass Leiter, die von jeder Minusdiode (1) aus verlaufen, direkt dadurch überstehen, und Öffnungen (9) aufweist, die im Plus-Kühlkörper ausgebildet sind, um mit einem Körper jeder Plusdiode in Eingriff zu stehen; einen nicht leitenden Trenner (10), der über einer Reihe von Vorsprüngen (11) montiert ist, die den Plus-Kühlkörper (4) über einer den Minus-Kühlkörper (2) definierenden oberen Fläche beabstanden, wobei der Trenner (10) so konfiguriert ist, dass er den Plus-Kühlkörper (4) und den Minus-Kühlkörper (2) elektrisch voneinander isoliert; eine Klemmeneinheit (13), die so konfiguriert ist, dass sie geeignete elektrische Anschlüsse (14) zwischen den Plus- (3) und Minusdioden (1), den Ständerphasenleitern und einer Reglereinheit bereitstellt; eine Abdeckung (27), die quer darüber verläuft, um die elektronische Baugruppe abzuschirmen, wobei die Abdeckung (27) am SRE-Rahmen befestigt ist; und die Reglereinheit (19) ist betriebsfähig an einer Mehrzahl von Stellen am SRE-Rahmen (2) befestigt, wobei die Reglereinheit (19) elekrtrisch mit dem Plus-Kühlkörper (4), einer von der Reglereinheit (19) aus verlaufenden Ständerphasenklemme (20), dem SRE-Rahmen (4) und einer Bürstenhaltereinheit (26) verbunden ist; wobei die Abwärme von dem Plus-Kühlkörper (4) und dem Minus-Kühlkörper (2) über Entlüftungsöffnungen (28), die in jedem Kühlkörper (2) konfiguriert sind, und radial nach außen quer über Oberflächen abzuführen ist, die jeden Kühlkörper (2, 4) definieren.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die Öffnungen (9) im Plus-Kühlkörper gestreckte Zylinderwände sind.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei eine Mehrzahl von Entlüftungsöffnungen (28) konzentrisch radial nach innen und außen zu der Mehrzahl von Minusdioden (1) angeordnet ist und einen Bogen dazwischen bildet.
Baugruppe nach Anspruch 3, wobei Radialschlitze (8) im Plus-Kühlkörper ausgebildet sind, wobei die Radialschlitze (8) im Wesentlichen auf die Mehrzahl von Entlüftungsöffnungen (28) ausgerichtet sind, die radial nach innen zu der Mehrzahl von Minusdioden (1) angeordnet sind.
Baugruppe nach Anspruch 4, wobei die Radialschlitze (8) gebildet werden, wenn Rippen (7) aus der den Plus-Kühlkörper definierenden Platte (4) gestanzt werden, so dass jede Rippe (7) einem auf sie ausgerichteten Schlitz (8) entspricht.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die entsprechenden Löcher entsprechende von den Minusdioden aus dadurch verlaufende Leiter aufweisen, die direkt durch die entsprechenden Löcher hindurch überstehen und jeweils auf eine jeweilige Leitung ausgerichtet sind, die von der Klemmeneinheit (13) aus verläuft, um elektrisch damit verbunden zu werden.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei jede Öffnung (9) vorzugsweise so konfiguriert ist, dass sie mindestens eine von einer Presspass-Montage einer entsprechenden Plusdiode (3) darin und einer Vergrößerung der Kontaktoberfläche mit der entsprechenden Diode erlaubt, um die davon ausgehende Wärmeleitung zu steigern.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei der Trenner (10) als ein Phasenleiter-Isolator konfiguriert ist, der Ständerdrähte isoliert, die durch den SRE-Rahmen (2) verlaufen, der auf Erdpotential liegt und elektrisch an eine entsprechende Leitung angeschlossen ist, die von der Klemmeneinheit (13) aus verläuft.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die Klemmeneinheit (13) vorzugsweise als ein Bogen konfiguriert ist, der im Wesentlichen zu einer Struktur von mindestens einer von der angeordneten Mehrzahl von Minusdioden (1), Mehrzahl von Plusdioden (3) und der Konfiguration des Plus-Kühlkörpers (4) passt.
Baugruppe nach Anspruch 9, wobei die Klemmeneinheit (13), der Plus-Kühlkörper (4), der Trenner (10) und der SRE-Rahmen (2) über Befestigungselemente zusammengeklemmt sind, die durch in der Klemmeneinheit (13) konfigurierte zylindrische Wände führen und die daraus resultierende Einheit befestigen.
Baugruppe nach Anspruch 10, wobei jede der zylindrischen Wände für ein dadurch verlaufendes entsprechendes Befestigungselement eine elektrische Isolierung gegenüber dem Plus-Kühlkörper (4) bereitstellt.
Baugruppe nach Anspruch 10, wobei der Abstand jedes Befestigungselements zwei Dioden dazwischen umfasst.
Baugruppe nach Anspruch 5, wobei der von dem SRE-Rahmen (2) beabstandete Plus-Kühlkörper (4) Luft axial nach unten durch die Schlitze (8) nahe einem geripptem Bereich strömen lässt, der durch die Rippen (7) am Plus-Kühlkörper (4) definiert ist, und auch Luft radial quer über beide den SRE-Rahmen (2) und die Platte (4) definierenden Flächen strömen lässt, bevor sie in einen durch entsprechende Entlüftungsöffnungen definierten Einlass des SRE-Rahmens (2) eintritt.
Baugruppe nach Anspruch 13, wobei der Lüfter (110) nahe einem Schleifringende der Maschine angeordnet und so konfiguriert ist, dass er Luft in den SRE-Rahmen (2) in Richtung der daran untergebrachten elektronischen Baugruppe zieht.
Baugruppe nach Anspruch 14, wobei der Lüfter (110) Luft direkt quer über die Fläche des SRE-Rahmens (2) streichen lässt, um diesen zu kühlen.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei ein positiver B+-Bolzen (24) der Batterie betriebsfähig mit dem Plus-Kühlkörper (4) verbunden ist.
Baugruppe nach Anspruch 16, wobei die Reglereinheit (19) elektrisch und strukturell mit dem Plus-Kühlkörper (4) verbunden wird, der auf einem B+-Spannungspotential liegt, indem eine Ringöse (23), die in einem die Reglereinheit (19) definierenden Leiterrahmen ausgebildet ist, über dem B+-Bolzen (24) positioniert wird.
Baugruppe nach Anspruch 17, wobei ein Metallabstandsstück (25) über dem B+-Bolzen (24) auf der Ringöse (23) des Reglers (19) angeordnet ist, so dass, wenn ein externes Batteriekabel (40) betriebsfähig an den B+-Bolzen (24) angeschlossen ist, die Gleichrichtereinheit durch die Spannung zusammengedrückt wird, die im B+-Bolzen (24) entsteht, wenn eine externe Mutter (42) am B+-Bolzen (24) befestigt ist.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die Reglereinheit (19) über die Klemmeneinheit (13) elektrisch an eine der Ständerphasenwicklungen angeschlossen ist.
Baugruppe nach Anspruch 19, wobei die Klemmeneinheit (13) eine erste Leitung, die über einen entsprechenden Leiter elektrisch an die eine der Ständerphasenwicklungen angeschlossen ist, und eine zweite Leitung umfasst, die eine Lötverbindung zwischen einem von der Klemmeneinheit (13) aus verlaufenden Zapfen und einer entsprechenden Steckdose der Reglereinheit aufweist.
Baugruppe nach Anspruch 1, wobei der Plus-Kühlkörper (4) mit durch Schubumformen hergestellten Rippen (7) und konzentrischen Wänden rings um die Plusdioden (3) konfiguriert ist, die beide eine große Oberfläche ergeben, um Wärme davon abzuleiten, wobei jede der gebildeten konzentrischen Wände für mindestens eine von einer Zunahme der Plattensteifigkeit und einer Arretierung einer Plusdiode (3) konfiguriert ist.