EP1368881A1

EP1368881A1 - Elektrische maschine mit luftgekühlter regler-chip

Info

Publication number: EP1368881A1
Application number: EP02714029A
Authority: EP
Inventors: Andreas Doeffinger; Achim Henkel; Frank Hillmer; Thomas Bilsing
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2002-02-16
Publication date: 2003-12-10
Also published as: JP2004519195A; US20030173847A1; MXPA02010756A; US6897583B2; DE10110128A1; DE10110128B4; BR0204456A; JP4083019B2; WO2002071580A1

Abstract

Bei einer elektrischen Maschine, insbesondere einem Generator für ein Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse (2), einem in dem Gehäuse (2) um eine Drehachse (5) drehbar gelagerten Läufer (6), mindestens einem mit dem Läufer (6) verbundenen Lüfterrad (20) zur Erzeugung eines Kühlluft-Stromes (22, 22', 22'') von mindestens einer in dem Gehäuse (2) angeordneten Einsaug-Öffnung (37; 37'; 37'') zu mindestens einer in dem Gehäuse (2) angeordneten Auslass-Öffnung (24) und mindestens einem auf einem Chip-Träger (30) angeordneten Regler-Chip (31) zur Regelung der Stromerzeugung, ist vorgesehen, dass der Chip-Träger (30) derart angeordnet ist, dass er zumindest teilweise unmittelbar von dem Kühlluft-Strom (22, 22', 22'') umströmt wird. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass wegen der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Kühlluft-Stromes (22, 22', 22'') ein sehr hoher Wärmeübergangskoeffizient vorhanden ist.

Description

ELEKTRISCHE MASCHINE MIT LUFTGEKÜHLTEM REGLER CHIP

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen Generator für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der US 5,907,203 ist ein Generator für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem ein Spannungsregler elektrisch mit der Schleif ringanordnung verbunden ist. Der Generator weist einen Kühlkanal auf, der an einem Spannungsregler vorbeiläuft. Der Spannungsregler umfaßt ein Gehäuse, eine Leiter- platte und einen Reglerchip, die auf einer Befestigungsplatte montiert sind. Die Befestigungsplatte des Reglers grenzt dabei direkt an den Kühlluf tka- nal an. Der Kühlluftkanal entsteht durch ein Abstandselement, das die Be- festigungspiatte von dem Generator-Gehäuse beabstandet. Nachteilhaft bei dieser Ausführung ist, daß die Leiterplatte mit dem Reglerchip auf einer zusätzlichen Befestigungspiatte angebracht ist. Der Wärmeübergang an die eingesaugte Kühlluft wird durch die Befestigungsplatte, auf die der Regler- chip montiert ist, eingeschränkt. Der Kühlluft- Strom kommt also nicht unmittelbar mit der Leiterplatte bzw. dem Reglerchip in Kontakt. Des weiteren entsteht durch das Abstandselement ein größerer Bauraum, der sich auf die Größe des Generators negativ auswirkt. Es entstehen ferner höhere Fertigungskosten aufgrund der zusätzlichen Materiaikosten und der Montage- kosten.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine, insbesondere einen Generator, mit einer verbesserten Kühlung des Reglers zu schaffen. Die Erfindung wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, daß der Chip- Träger zumindest teilweise unmittelbar von dem Kühlluft-Strom umströmt wird. Gemäß weiteren Ausgestaltungen der Erfindung hat es sich als vor- teilhaft erwiesen, den Chip-Träger an einer Stelle anzuordnen, an der die Geschwindigkeit des Kühlluft-Stromes besonders hoch ist, da an dieser Stelle der Wärmeübergang sehr ausgeprägt ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines Generators mit einem Klauenpoiläufer gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Ansicht gemäß Fig. 1 des Ge- neratorreglers und des Schleifringlagerschilds gemäß einer ersten Ausführungsform,

Fig. 3 einen Querschnitt gemäß. Fig. 2 einer zweiten Ausführungs orm und

Fig. 4 einen Querschnitt gemäß Fig. 3 einer dritten Ausführungsform.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 eine erste Aus- führungsform der Erfindung beschrieben. Eine elektrische Maschine, in diesem Ausführungsbeispiel ein Generator 1, für Kraftfahrzeuge weist in_. einem Druckguß-Gehäuse 2, bestehend aus zwei Gehäusehälften 3 und 4, einen um eine Drehachse 5 drehbar gelagerten Klauenpoiläufer 6 mit einer Welle 7 auf. Außerhalb der Gehäusehälfte 4 ist am Ende der Läuferwelle 7 eine Riemenscheibe 10, befestigt durch eine Mutter 11, zum Antrieb des Läufers 6 angebracht. Am anderen Ende der Läuferwelle 7 ist eine Schleifringanordnung 12 vorgesehen. Die Schleifringanordnung 12 umfaßt auf der Läuferwelle 7 Schleifringe. Die Schleifringe wirken in bekannter Weise mit Kohlebürsten zusammen. Die Lagerung der Läuferwelle 7 erfolgt durch zwei Kugellager 8 und 9. Die Gehäusehälfte 4 ist dabei als Lagerschild für das antriebsseitige Kugellager 8 ausgebildet, wobei das Kugellager 8 die Funktion des Festlagers übernimmt. Die Gehäusehälfte 3 ist als Schleifringlagerschild 25 für das schieifringseitige Kugellager 9 ausgebildet, wobei das Kugellager 9 kleiner und als Loslager ausgebildet ist. Die beiden Gehäusehälften 3 und 4, miteinander verbunden durch Schrauben 13, fixieren ein mittiges Ständerblechpaket 14, das in bekannter Weise eine dreiphasige Ständerwicklung 15 zur Erzeugung eines Drehstromes aufnimmt. Die Lauf erwelle 7 trägt im mittleren Bereich auf einem magnetisch leitenden Ringkern 16 eine Läuferwicklung 17, die einer Erregerwicklung ent- spricht. In axialer Richtung sind vor und hinter dem Ringkern 16 und der Läuferwicklung 17 direkt angrenzende Klauenpolplatinen 18 auf der Lauf erwelle 7 befestigt. Die Klauenpolfinger 19 der Klauenpolplatinen 18 greifen zur Bildung eines Wechselfeldes mit Abstand ineinander. An den außenseitigen Stirnseiten der Klauenpolplatinen 18 ist jeweils ein Lüfterrad 20 auf der Läuferwelle 7 montiert, das aufgrund der Rotation der Läuferwelle 7 durch nicht dargestellte Schlitze in der Gehäusehälfte 3 Umgebungsluft axial ansaugt und radial an dem schleifringseitigen Wickelkopf 23 der Ständerwicklung 15 vorbei durch radiale Auslaßöffnungen 24 nach außen befördert. Das an der antriebsseitigen Stirnseite der Klauenpolplatine 15 angeordnete Lüfterrad 20 saugt ebenfalls Umgebungsluft axial durch nicht dargestellte Schlitze in der Gehäusehälfte 4 an und bläst diese am vorderen Wickelkopf der Ständerwicklung 15 vorbei durch Auslaßöffnun- gen nach außen. Der Generator 1 ist also luftgekühlt. Die Stromversorgung der Läuferwicklung 1 erfolgt durch die Schleifringanordnung 12, von der je ein Schleifring mit einem Ende der Läuferwicklung 17 elektrisch verbunden ist. Auf der der Klauenpolplatine 18 abgewandten Seite des schleif - ringseitigen Lüfterrades 20 befindet sich etwas beabstandet das Schleif- ringlagerschild 25, in das in einer Ausnehmung 26 im Bereich der Lüfterschaufel 27 ein Regler 28 integriert ist. Der Regler 28 regelt den in der Läuferwicklung 17 fließenden Gleichstrom entsprechend dem Bedarf im Bordnetz eines Kraftfahrzeuges.

Der Regler 28 umfaßt in einem Regler-Gehäuse 29 einen im Querschnitt rechteckigen Chip-Träger 30 mit einem direkt darauf befestigten kleineren ebenfalls im Querschnitt rechteckigen Reglerchip 31. Die Befestigung des Reglerchips 31 erfolgt alternativ durch Kleben oder Löten. Der Chip- Träger 30 des Reglers 28 ist von einer seitlichen thermischen Isolation 33 umgeben. Das Regler-Gehäuse 29 ist durch eine Schutzkappe 34 verschlossen. Im Regler-Gehäuse 29 ist an der äußeren Stirnseite der Gehäusehälfte 3 eine Stecker-Baueinheit 35 mit einem Anschluß 36 angeordnet.

Bei dem Generator 1 befindet sich der Chip-Träger 30 in der Ausnehmung 26 des Schleifringlagerschildes 25, wobei der Chip-Träger 30 mit einer Kunststoffschicht, die die thermische Isolation 33 bildet, bezüglich des Schleifringlagerschildes 25 thermisch isoliert ist. Eine Aufheizung des Reglerchips 31 durch das Schleifringlagerschild 25 wird durch diese Isoia- tion 33 verhindert. Die dem schleifringseitigen Lüfterrad 20 zugewandte Unterseite 21 des Chip-Trägers 30 ragt etwas aus der Ausnehmung 26 in den Innenraum des Generators 1. Zwischen dem in der Ausnehmung 26 angebrachten Chip-Träger 30 und der Läuferwelle 7 befindet sich im Schleifringlagerschild 25 eine separate Einsaug-Offnung 37 für einen Kühlluft-Strom 22.

Die Kühlung des Reglerchips 31 erfolgt, indem der Kühlluft- Strom 22 durch die Einsaug-Offnung 37 mittels des schleifringseitigen Lüfterrades 20 angesaugt und dann innen entlang des Schleifringlagerschildes 25 zu den Auslaß-Öffnungen 24 geblasen wird. Dabei passiert der Kühlluft- Strom 22 die Unterseite 21 des durch den Reglerchip 31 erhitzten Chip- Trägers 30. Der Chip-Träger 30 besteht aus diesem Grund aus einem stark wärmeleitenden Material. Aufgrund seiner thermischen Isolation 33 wird eine zu starke Erwärmung des Reglers 28 durch die Bauteiltemperatur des Schleifringlagerschildes 25 verhindert. Die Unterseite 21 des Chip-Trägers 30 ist unmittelbar an den Lüfterschaufeln 27 plaziert, da dort sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten und damit hohe Wärmeübergangskoeffizienten des Kühlluft-Stromes 22 auftreten. Da dort die Abwärme besonders gut abgegeben wird, wird eine effiziente Kühlung des Reglers 28 erreicht. Damit kann der Generator 1 für Anwendungen mit höheren Umgebungstemperaturen eingesetzt werden.

Eine Kühlung des Reglers 28 ist aufgrund dieser Anordnung ohne einen separaten Kühlkörper möglich, wodurch ein sehr kostengünstiger Regler 28 entsteht. Um den Kühleffekt noch zu verstärken, besteht zusätzlich die Möglichkeit, Kühlrippen am Chip-Träger 30 zur Oberflächenvergrößerung vorzusehen. Des weiteren ist der Reglerchip 31 auf einem Leadframe oder einer Stromschiene befestigt, die direkt im Kühlluft-Strom 22 verlaufen. Unter einem Leadframe werden in diesem Zusammenhang ursprünglich durch einen Rahmen miteinander verbundene Stromschienen verstanden. Die Kühlung des Reglerchips 31 wird aufgrund dieser Anordnung weiter verbessert.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Identische Teile erhalten dieselben Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, auf dessen Beschrei- bung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funk- tionell gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit einem hochgesetzten Strich.

Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich dahingehend, daß der Regler 28 durch zwei Abstandhalter 38 von dem Schleifringlagerschild 25' entfernt befestigt ist, wobei eine Befestigung auch mit mehr als zwei Abstand- haitern 38 erfolgen kann. Der Chip-Träger 30 des Reglers 28 ist also vor der im Bereich der Lüfterradschaufel 27 positionierten Einsaug-Offnung 37' angeordnet, d.h. er ist außerhalb der Gehäusehälfte 3 positioniert. Der Kühlluft-Strom 22' wird durch die Einsaug-Offnung 37' mittels des schleifringseitigen Lüfterrades 20 eingesaugt und dann radial durch die Auslaßöffnungen 24 ausgeblasen. Die Ausnehmung 26 bildet in diesem Ausführungsbeispiel die Einsaug-Offnung 37'.

Die Kühlung wird dadurch erreicht, daß der Kühliuft-Strom 22' zuerst am Chip-Träger 30 vorbeiströmt, bevor er durch die Einsaug-Offnung 37' zu dem Lüfterrad 20 geleitet wird. Der Chip-Träger 30 kann die Abwärme an die Kühlluft 22' von seiner Unterseite 21 und seitlich abgeben. Die um- strömte Fläche des Chip-Trägers 30 ist im Vergleich zu der ersten Ausführungsform vergrößert, wodurch eine bessere Kühlung erreicht wird. Diese Ausführungsform ist vor allem dann heranzuziehen, wenn der Kühlluft- Strom 22' durch das schleifringseitige Lüfterrad 20 bereits zu stark er- wärmt ist und eine Kühlung des Reglers 28 nicht mehr ausreichend erfolgen kann. Der Chip-Träger 30 ist also an einer Stelle angeordnet, an der die Geschwindigkeit des Kühlluft-Stromes 22' au grund der unmittelbaren Nähe zum stimseitigen Lüfterrad 20 besonders hoch ist, wodurch eine effiziente Kühlung erreichbar ist.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Identische Teile erhalten wieder dieselben Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Konstruktiv unterschiedliche, jedoch funktionell gleichartige Teile erhalten dieselben Bezugszeichen mit zwei hochgesetzten Strichen. Der Regler 28 ist mit seinem Chip-Träger 30 wieder in einer Ausnehmung 26 unmittelbar an den Lüfterradschaufeln 27 plaziert. Die Unterseite 21 des Chip-Trägers 30 ragt etwas in den Innenraum des Generators 1. Direkt an der der Lauf erwelle 7 zugewandten Seite des Chip-Trägers 30 ist die Einsaug-Offnung 37' ' im Schleifringlagerschild 25 "angeordnet. Die thermische Isolation 33" ist entlang der Einsaug- Offnung 37" nur über einen Teilbereich 39 der Seite 41 des Chip-Trägers 30 ausgebildet, wodurch eine Fläche 40 ohne der thermischen Isolation 33" entsteht.

Die Kühlungsfunktion erfolgt in dieser Ausführungsform, indem der nicht erwärmte Kühlluft-Strom 22" durch die Einsaug-Offnung 37" mittels des schleifringlagerseitigen Lüfterrades 20 axial eingesaugt und durch die Auslaßöffnungen 24 radial ausgeblasen wird. Da die Einsaug-Offnung 37' ' direkt an dem Chip-Träger 30 positioniert ist, wird bereits in der Einsaug- Offnung 37" Abwärme des Chip-Trägers 30 abgeführt. Des weiteren wird die parallel zu dem Lüfterrad 20 verlaufende Unterseite 21 ebenfalls von dem Kühlluft-Strom 22' ' umströmt. Da die thermische Isolation 33 " an der Seite 41 verkürzt ausgebildet ist und der Kühlluft-Strom 22' ' direkt an den Chip-Träger 30 an der Fläche 40 trifft, wird der Wärmeübergang in diesem Bereich noch verstärkt. Die Wärmeabgabe erfolgt in dieser Ausführungsform also an sowohl der unisolierten Fläche 40 als auch an der Unterseite 21 des Chip-Trägers 30 durch den Kühlluft-Strom 22' ' . Der Chip-Träger 30 ist wieder an einer Stelle angeordnet, an der die Geschwindigkeit des Kühlluft-Stromes 22" besonders hoch ist. Die Längsabmessungen des Generators 1 sind bei dieser Ausführungsform im Vergleich zu der in Fig. 2 beschriebenen Ausführungsform um die Länge der Abstandhalter 38 ver- kürzt. Die Wärmeabgabe ist im Vergleich zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform aufgrund der größeren umströmten Fläche verbessert. Die Kühlung des Reglers 28 erfolgt durch teilweise erwärmte und nicht erwärmte Luft des Kühlluft-Stromes 22".

Claims

Patentansprüche

1. Elektrische Maschine, insbesondere Generator für ein Kraftfahrzeug, mit a) einem Gehäuse (2), b) einem in dem Gehäuse (2) um eine Drehachse (5) drehbar gelagerten Läufer (6), c) mindestens einem mit dem Läufer (6) verbundenen Lüfter (20) zur Erzeugung eines Kühlluft- Stromes (22, 22', 22' ') von minde- stens einer in dem Gehäuse (2) angeordneten Einsaug-Offnung

(37; 37'; 37") zu mindestens einer in dem Gehäuse (2) angeordneten Auslaß-Öffnung (24) und d) mindestens einem auf einem Chip-Träger (30) angeordneten Regler-Chip (31) zur Regelung der Stromerzeugung, dadurch gekennzeichnet, daß e) der Chip-Träger (30) derart angeordnet ist, daß er zumindest teilweise unmittelbar von dem Kühlluft-Strom (22, 22', 22") umströmt wird.

2. Elektrische Maschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip-Träger (30) in einer Ausnehmung (26) in dem Gehäuse (2) aufgenommen ist.

3. Elektrische Maschine gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip-Träger (30) gegenüber dem Gehäuse (2) isoliert ist.

4. Elektrische Maschine gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Einsaug-Offnung (37 ^! ; 37") unmittelbar benachbart zu dem Chip-Träger (30) angeordnet ist.

5. Elektrische Maschine gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Chip-Träger (30) um einen Leadframe oder eine Stromschiene handelt.

6. Elektrische Maschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip-Träger (30) außerhalb des Gehäuses (2) angeordnet ist.

7. Elektrische Maschine gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip-Träger (30) vor einer in dem Gehäuse (2) angeordnete Einsaug-Offnung (37') vorgesehen ist.

8. Elektrische Maschine gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip-Träger (30) durch Abstandhalter (38) gegenüber dem Gehäuse (2) beabstandet befestigt ist.

9. Elektrische Maschine gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip-Träger (30) an einer Stelle angeordnet ist, an der die Geschwindigkeit des Kühlluft-Stromes (22, 22', 22") besonders hoch ist.

10. Elektrische Maschine gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip-Träger (30) aus einem stark wärmeleitenden Material besteht.