DE19756186C1 - Elektromotorisch angetriebene Pumpe, insbesondere für die Servolenkung eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromotorisch angetriebene Pumpe, insbesondere für die Servolenkung eines Kraftfahrzeugs.

Bei bekannten Pumpen finden als Elektromotoren häufig bürstenlose Gleich­ strommotoren Verwendung, welche eine entsprechende Ansteuerelektronik be­ nötigen. Zur Beaufschlagung der Statorwicklungen des Motors mit dem ge­ wünschten Gleichstrom bieten sich Leistungshalbleiter, beispielsweise Power- FET, an, die zumindest bei größeren Pumpenleistungen entsprechend gekühlt werden müssen.

Bei bekannten Pumpen ist die Ansteuerelektronik in der Regel am Pumpenge­ häuse vorgesehen. Der üblicherweise nicht ausreichende Kühlkörper der Lei­ stungshalbleiter ist mit einem zusätzlichen Kühlkörper verbunden, der beispiels­ weise eine Vielzahl von Kühlrippen aufweisen kann, um eine ausreichende Ab­ fuhr der durch die Verlustleistung der Leistungshalbleiter erzeugten Wärme an die Umgebungsluft zu gewährleisten.

Dieser Aufbau weist jedoch den Nachteil auf, dass zum einen ein zusätzlicher Kühlkörper vorgesehen werden muss, womit ein zusätzlicher Aufwand sowohl bei der Herstellung als auch bei der Montage der Pumpe verbunden ist. Zum anderen muss bei einem Austausch der Leistungshalbleiter entweder der alte Kühlkörper vom auszutauschenden Leistungshalbleiter demontiert oder ein neuer Kühlkörper verwendet werden.

Ein derartiger Aufbau ist beispielweise aus der DE 297 09 007 U1 bekannt, welche eine elektromotorisch angetriebene Pumpe beschreibt, wobei an der Rückwand des Pumpengehäuses ein Steuerkasten zur Aufnahme einer Steuerelektronik enthalten ist. Über das Erfordernis und ggf. die spezielle Ausbildung einer Kühlung der Elektronik finden sich in dieser Schrift jedoch keine Hinweise.

Schließlich ist aus der DE 36 42 724 A1 ein Elektromotor mit einem Frequenzumrichter zur Steuerung der Motorbetriebsgrößen bekannt, wobei der Motor auch mit einer Arbeitsmaschine, bei­ spielweise einer Pumpe, ein einheitliches Aggregat bilden kann. Die Elektronik des Frequenzumrichters kann nach dieser Schrift in einem separaten Gehäuse oder einem Lüftergehäuse vorgesehen sein, wobei jeweils die umgebende Luft bzw. ein von einem Lüfterrad erzeugter Luftstrom eine Kühlung der Elektronik bewirkt. Zusätzlich ist in der DE 36 42 724 A1 die Möglichkeit offenbart, die Elektronik in einem Klemmenkasten des Motors vorzusehen und diesen mit einem flüssigen Kühlmedium zwangszukühlen.

Sämtliche der vorgenannten Möglichkeiten bedingen jedoch einen enormen zusätzlichen Aufwand für eine Zwangskühlung und Ver­ wendung eines zusätzlichen Kühlmediums oder den Nachteil einer für in Grenzbereichen betriebene Leistungshalbleiter kaum ausreichenden Kühlung durch die Umgebungsluft bzw. einen mittels eines Lüfters erzeugten Luftstrom.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektromotorisch angetrie­ bene Pumpe, insbesondere für die Servolenkung eines Kraftfahrzeuges, zu schaf­ fen, welche einen gegenüber bekannten Pumpen einfacheren und kostengünstige­ ren Aufbau aufweist und bei der eine sichere Kühlung der erforderlichen Lei­ stungshalbleiter gewährleistet ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass das Pumpengehäuse gleichzeitig als Kühlkörper für die Leistungshalbleiter verwendet werden kann, wenn zumin­ dest der Teilbereich des Pumpengehäuses, welcher mit den Leistungshalbleitern in Kontakt steht, aus gut wärmeleitendem Material besteht und dieser Teilbereich oder ein daran angrenzender Bereich durch das zu fördernde Medium, beispiels­ weise eine Hydraulikflüssigkeit, gekühlt wird.

Auf diese Weise ergibt sich der Vorteil, dass auf das Vorsehen zusätzlicher Kühlkörper verzichtet werden kann. Des Weiteren kann die Ansteuerelektronik zusammen mit den Leistungshalbleitern auch innerhalb eines relativ eng bemes­ senen Gehäuses vorgesehen sein, ohne dass zu befürchten ist, dass die Tempera­ tur innerhalb des Gehäuses über einen unzulässig hohen Wert ansteigt. Auch bei einer hohen Pumpenlast über längere Zeit kann somit eine Zerstörung der Lei­ stungshalbleiter sicher vermieden werden. Des Weiteren können die Leistungs­ halbleiter ohne die bisher aufgrund thermischer Belastung erforderliche relativ große Sicherheitsmarge dimensioniert werden.

Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Bereich aus gut wärmeleitendem Material mit einer Vielzahl von Kanälen durchzogen bzw. mit einem oder mehreren Kanälen mit innenseitigen Kühlrippen. Damit ist dieser Bereich des Pumpengehäuses praktisch als Wärmetauscher ausgebildet, so dass ein relativ geringer Wärmeübergangswiderstand zwischen dem Gehäuse des Leistungshalbleiters und dem von der Pumpe zu fördernden Medium erreicht ist.

Selbstverständlich kann die Kühlung auch dadurch erfolgen, dass ein benach­ barter Bereich von dem Medium durchflossen und damit gekühlt wird, wenn eine ausreichende thermische Kopplung gegeben ist bzw. der Wärmeübergangswider­ stand zwischen den Leistungshalbleitern und dem Medium klein genug ist.

Die Ansteuerelektronik ist vorzugsweise als kunststoffumspritztes Stanzgitter ausgebildet, um den üblicherweise relativ hohen Stromstärken Rechnung zu tragen. Gegebenenfalls kann die Ansteuerelektronik jedoch auch auf einer her­ kömmlichen gedruckten Leiterplatte aufgebaut sein. Auch Mischformen zwi­ schen diesen beiden Techniken sind möglich.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Leistungshalbleiter steckbar mit der Platine verbunden sein. Hierdurch ergibt sich eine einfache Montage und Austauschbarkeit der Leistungshalbleiter.

Zur sicheren Halterung der Leistungshalbleiter bzw. zur dauerhaften Gewährlei­ stung eines möglichst geringen Wärmeübergangswiderstands zwischen dem Kühlkörper der Leistungshalbleiter und dem betreffenden Bereich des Pumpen­ gehäuses können zusätzliche Befestigungsmittel, beispielsweise federnde Klam­ mern oder dergleichen vorgesehen sein. Mit dem betreffenden Befestigungsmittel kann gleichzeitig ein Anschlusskontakt des Stanzgitters mit dem Kühlkörper des Leistungshalbleiters verbunden werden, wenn dieser gleichzeitig als elektrischer Kontakt dient.

Die Leistungshalbleiter können zur Erreichung minimaler Übergangswiderstände bzw. zur sicheren Fixierung auch fest mit den Anschlusskontakten verbunden sein, beispielsweise durch Widerstandsschweißen oder Laserschweißen.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Ansteuerelektronik zwischen der Oberseite des Pumpengehäuses bzw. der Bodenwandung des Pum­ pengehäuses und dem darauf bzw. darin vorgesehenen Elektromotor angeordnet. Hierdurch ergibt sich ein äußerst einfacher und kostengünstiger sowie raumspa­ render Aufbau.

Der Elektromotor ist vorzugsweise mittels einer lösbar mit dem Pumpengehäuse verbundenen Schutzkappe abgedeckt. Damit sind sowohl Motor als auch die zugehörige Ansteuerelektronik sicher vor Umwelteinflüssen geschützt.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung der wesentlichen Kompo­ nenten einer elektromotorisch angetriebenen Pumpe nach der Erfin­ dung;

Fig. 2 das Pumpengehäuse nach Fig. 1 mit montierten Leistungshalbleitern und

Fig. 3 das Pumpengehäuse in Fig. 2 mit vollständig montierter Ansteuer­ elektronik.

Fig. 1 zeigt eine elektromotorisch angetriebene Pumpe 1, die ein Pumpengehäuse 3, eine Ansteuerelektronik 5 sowie einen aus einem Stator 7 und einem Rotor 9 bestehenden Elektromotor umfasst. Eine mit dem Pumpengehäuse verbindbare Schutzkappe zur Abdeckung des Motors ist nicht dargestellt.

Das Pumpengehäuse 3 beinhaltet die gesamte Pumpenmechanik und weist in der vorderen Wandung eine Auslassöffnung 11 (Druckausgang) und in ihrer rück­ seitigen Wandung eine nicht näher dargestellte Ansaugöffnung 13 auf.

Ausgehend vom Boden des Pumpengehäuses 3 erstreckt sich eine zylindrische Wandung 15 nach oben, in welcher die mittels eines Lagers 17 gelagerte An­ triebswelle 18 für die Pumpenmechanik vorgesehen ist.

Das Pumpengehäuse 3 besteht vorzugsweise aus Aluminium- oder Magnesium­ druckguss.

Im Pumpengehäuse 3 wird die Ansteuerelektronik 5 angeordnet, wobei diese eine Platine 19 umfasst, auf der die erforderlichen mechanischen, elektrischen, elek­ tromechanischen und elektronischen Bauelemente vorgesehen sind. Die Platine 19 weist eine Ausnehmung 21 auf, in welche die zylindrische Wandung 15 des Pumpengehäuses 3 eingreift. Die Platine ist als Kombination eines umspritzten Stanzgitters (für hohe Stromstärken) und einer gedruckten Leiterplatte (für nied­ rige Stromstärken) ausgebildet.

Nach dem Einsetzen der Ansteuerelektronik 5 in das Pumpengehäuse wird der Motor 7 im Pumpengehäuse 3 montiert. Der Motor 7 weist einen Stator 7 mit der erforderlichen Anzahl von Statorwicklungen auf. Der Stator 7 weist ebenfalls eine axiale Ausnehmung 25 auf, mit welcher der Stator 23 auf die zylindrische Wandung 15 des Pumpengehäuses 3 aufgesetzt wird.

Der Rotor 9 ist als Außenläufer aufgeführt und wird im Pumpengehäuse 3 mittels der fest mit dem Rotor verbundenen Antriebswelle 18 und des Lagers 17 rotierbar gelagert. Selbstverständlich wird der Rotor 9 mit der Antriebswelle 18 in geeig­ neter Weise verbunden.

Die gesamte Anordnung kann mittels einer nicht näher dargestellten Schutzkappe abgedeckt werden, welche auf den Bund 27 der seitlichen Wandung des Pum­ pengehäuses 3 aufgesetzt wird.

Im Pumpengehäuse 3 sind zwei Auflageflächen 29 für Leistungshalbleiter 31 der Ansteuerelektronik 5 vorgesehen. Bei diesen Leistungshalbleitern kann es sich beispielsweise um Power-FET's handeln. Die Power-FET's weisen in üblicher Weise relativ kleine metallische Kühlkörper 31a auf, die in der Regel jedoch nicht eine ausreichende Abfuhr der Verlustwärme gewährleisten können.

Zu diesem Zweck werden die kleinen Kühlkörper 31a auf den Auflageflächen 29 im Pumpengehäuse 3 platziert und mit geeigneten Mitteln mit diesen in einen ausreichenden wärmeleitenden Kontakt gebracht.

Da die Kühlkörper 31a der Leistungshalbleiter 31 auch gleichzeitig die Funktion eines elektrischen Kontakts ausüben, kann erforderlichenfalls zwischen der Rückseite der kleinen Kühlkörper 31a und den Auflageflächen 29 eine elektrisch isolierende, jedoch ausreichend wärmeleitende Schicht vorgesehen sein. Gegebe­ nenfalls kann jedoch auch ein unmittelbarer elektrischer Kontakt zwischen den Kühlkörpern 31a und dem Pumpengehäuse 3 hergestellt werden, wenn dies elek­ trisch zulässig bzw. gewünscht sein sollte.

Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung jeweils zwei auf den beiden Auflageflä­ chen 29 befestigte Leistungshalbleiter 31. In der dargestellten Ausführungsform werden die Leistungshalbleiter 31 mittels federnder Klammern 33 auf den Aufla­ geflächen 29 befestigt.

Fig. 3 zeigt die vollständige Ansteuerelektronik 5 in dem Pumpengehäuse 3 in montiertem Zustand.

Wie aus den Fig. 1 und 3 ersichtlich, kann die Ansteuerelektronik 5 als Basisein­ heit eine Platine 19 umfassen, auf der die betreffenden Bauelemente angeordnet sind. Die Verbindung der Leistungshalbleiter 31 mit der Platine 19 bzw. den auf der Platine 31 vorgesehenen Leiterzügen kann steckbar ausgebildet sein, falls eine leichte Austauschbarkeit bzw. Montage der Leistungshalbleiter gewünscht ist und hierdurch eine ausreichende Sicherheit hinsichtlich des elektrischen Kontakts gewährleistet werden kann. Die Verbindung der Anschlusskontakte der Leistungshalbleiter 31 mit den betreffenden Leiterzügen der Ansteuerelektronik 5 kann jedoch auch durch Löten, Punktschweißen oder Laserschweißen erfolgen.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, kann die Kontaktierung des als Elektrode wirkenden Kühlkörpers 31a jedes Leistungshalbleiters 31 dadurch erfolgen, dass ein ent­ sprechender Leiterzug der Platine 19 mit dem Kühlkörper 31 in Kontakt gebracht und entweder mit diesem, beispielsweise durch Laserschweißen, fest verbunden oder mechanisch an diesen angepresst wird. Dies kann beispielsweise gleichzei­ tig die federnde Klammer 33 übernehmen.

Auf diese Weise ergibt sich eine äußerst einfache und sichere Montage der An­ steuerelektronik 5 einschließlich der Leistungshalbleiter 31 im Pumpengehäuse 3.

Die Bereiche des Pumpengehäuses 3 unterhalb der Auflageflächen 29 weisen vorzugsweise einen oder mehrere Kanäle auf, die von dem von der Pumpe zu fördernden Medium durchflossen sind. Die betreffenden Bereiche wirken somit wie Wärmetauscher. Selbstverständlich können hierzu an sich bekannte Maß­ nahmen zur Verbesserung der Wärmeabfuhr von den Leistungshalbleitern 31 vorgesehen werden, wie beispielsweise das Vorsehen einer möglichst großen Fläche für das zu fördernde Medium in den Bereichen unterhalb der Auflageflä­ chen 29. Beispielsweise können hierzu eine Vielzahl von Kanälen vorgesehen sein oder ein oder mehrere Kanäle innenseitige Kühlrippen aufweisen.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Ausführungsform ermöglicht einen äußerst platzsparenden Aufbau. Das Vorsehen der kompletten Ansteuerelektronik, ein­ schließlich der Leistungshalbleiter, innerhalb des Pumpengehäuses bietet den Vorteil, dass die Ansteuerelektronik sicher vor Umwelteinflüssen geschützt ist. Durch das gleichzeitige Nützen des Pumpengehäuses als Kühlkörper für die Lei­ stungshalbleiter und das Abführen der Verlustwärme der Leistungshalbleiter durch das zu fördernde Medium ist sichergestellt, dass innerhalb des Pumpenge­ häuses keine unzulässig hohen Temperaturen auftreten.

Claims (9)

1. Elektromotorisch angetriebene Pumpe, insbesondere für die Servolenkung eines Kraftfahrzeugs,

• a) mit einem Pumpengehäuse (3), welches zumindest in einem Teilbe­ reich (29) aus einem gut wärmeleitenden Material besteht, wobei das zu fördernde Medium den Teilbereich (29) aus gut wärmeleitendem Material oder einen daran angrenzenden Bereich durchströmt,
• b) mit einem im oder am Pumpengehäuse (3) angeordneten Elektromotor (7, 9) und
• c) mit einer am oder im Pumpengehäuse (3) vorgesehenen Ansteuere­ lektronik (5) für den Elektromotor (7, 9), wobei ein oder mehrere Lei­ stungshalbleiter (31) der Ansteuerelektronik (5) zur Kühlung mit dem Teilbereich (29) aus gut wärmeleitendem Material des Pumpengehäu­ ses in Kontakt gebracht sind.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich (29) aus gut wärmeleitendem Material eine Vielzahl von Kanälen vorgese­ hen sind, die von dem zu fördernden Medium durchflossen werden.

3. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich (29) aus gut wärmeleitendem Material ein oder mehrere Kanäle mit innen­ seitigen Kühlrippen vorgesehen sind.

4. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass die Ansteuerelektronik (5) aus einer Platine (19) mit darauf ange­ ordneten mechanischen, elektromechanischen, elektrischen oder elektroni­ schen Bauelementen besteht.

5. Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (19) als kunststoffumspritztes Stanzgitter oder gedruckte Leiterplatte ausgebildet ist.

6. Pumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lei­ stungshalbleiter (31) steckbar mit der Platine (19) verbunden sind.

7. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass die Leistungshalbleiter (31) mit zusätzlichen Befestigungsmitteln (33), vorzugsweise federnden Befestigungsmitteln, mit dem Bereich aus wärmeleitendem Material in Kontakt gehalten sind.

8. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass die Ansteuerelektronik (5) zwischen einer Oberseite des Pumpenge­ häuses (3) oder der Bodenwandung des Pumpengehäuses (3) und dem Elek­ tromotor (7, 9) angeordnet ist.

9. Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (7, 9) mit einer mit dem Pumpengehäuse lösbar verbundenen Schutzkappe abgedeckt ist.