DE102015225681A1

DE102015225681A1 - Elektrische Vorrichtung mit einer Kühleinheit

Info

Publication number: DE102015225681A1
Application number: DE102015225681.2A
Authority: DE
Inventors: Sridhar Selvaraj; Peter Lang; Bernd Schroeder; Sekar Rangasamy
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung (50) mit einer Kühleinheit (54), die zumindest ein Wärme erzeugendes Element (62) aufweist, wobei die Kühleinheit (54) zumindest zwei Kühlrippen (58) aufweist, über die mittels Vorbeiströmung eines Kühlmittels an das Kühlmittel Wärme abgebbar ist, wobei zwischen zwei Kühlrippen (58) ein Strömungsteiler (64) angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
Aus dem Dokument DE 10 2005 048 095 A1 ist eine elektrische Vorrichtung mit einer Kühleinheit bekannt. Diese elektrische Vorrichtung weist eine Halbleiter-Endstufe auf, die Verlustwärme erzeugt. Diese Verlustwärme wird über einen Kühlkörper an einen Kühlluftstrom abgeführt, in dem der Kühlkörper auf seiner äußeren Oberfläche mit mehreren, zueinander parallel verlaufenden Kühlrippen versehen ist.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Kühlwirkung einer Kühleinheit mit Kühlrippen zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen zwei Kühlrippen der Kühleinheit ein Strömungsteiler angeordnet ist. Dieser Strömungsteiler hatte den Vorteil, dass durch diesen eine Strömung zwischen zwei Kühlrippen beeinflusst werden kann. Insbesondere ist vorgesehen, dass ein Strömungswiderstand nahe eines freien Endes des Strömungsteilers kleiner ist als ein Strömungswiderstand nahe eines freien Endes einer Kühlrippe. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die Kühlrippe von einem Haltebereich aus und ein Strömungsteiler ebenfalls von einem Haltebereich aus erstreckt. Dadurch ist es möglich, die Enden der Strömungsteiler zwischen die Rippen und dadurch in die Nuten zwischen den Kühlrippen einzuschieben. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass sich ein Abstand zwischen den Kühlrippen, ausgehend von dem Haltebereich der Kühlrippen, weitet und einen Zwischenraum zwischen den Kühlrippen definiert, dabei der Strömungsteiler, vorzugsweise keilartig, in diesem Zwischenraum angeordnet ist. Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Haltebereich der Kühlrippen ein Kühlkörper der elektrischen Vorrichtung ist. Das Wärme erzeugende Element weist zumindest einen elektronischen Schalter, vorzugsweise in Gestalt eines MOSFET oder eines anderen Transistors auf. Des Weiteren ist vorgesehen, dass sich die Kühlrippen in eine drehaxiale und in eine radiale Richtung erstrecken. Drehaxial bedeutet hier, dass diese sich in die drehaxiale Richtung des Rotors der elektrischen Maschine erstrecken, an der diese Kühleinheit bzw. elektrische Vorrichtung bevorzugt montiert ist. Eine radiale Richtung bezieht sich dabei auf eine Richtung in einer Ebene, welches senkrecht auf der eben angegebenen Drehachse der elektrischen Maschine verläuft. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass sich mehrere Kühlrippen nebeneinander und hierbei vorzugsweise zueinander parallel erstrecken. Des Weiteren sind mehrere Strömungsteiler nebeneinander und hierbei vorzugsweise zueinander parallel angeordnet. Rippen und Strömungsteiler greifen dabei vorzugsweise wechselseitig ineinander. Dabei bilden derartige Kühlrippen und Strömungsteiler eine Gruppe. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere Gruppen an der Kühleinheit angeordnet sind, wobei diese vorzugsweise zwischen den Gruppen topfartiger Ausführungen des Kühlkörpers angeordnet sind.
Die Strömungsteiler sind gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung einstückig mit einer Verschaltungseinheit ausgeführt. Diese Verschaltungseinheit umfasst vorzugsweise elektrische Leiter, die zum Verschalten von verschiedenen Einheiten dienen, die vorzugsweise in einem Kunststoff gehaltert sind. Anschlussdrähte eines Ständers werden dabei vorzugsweise mit elektrischen Anschlüssen des wärmeerzeugenden Elements elektrisch verbunden. Dementsprechend sind die Anschlussdrähte eines Ständers mit elektrischen Anschlüssen des wärmeerzeugenden Elements elektrisch verbunden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Strömungsteiler ein freies Ende aufweist, demgegenüber ein Rippennutgrund angeordnet ist und zwei Kühlrippen je ein freies Ende aufweisen, welches jeweils gegenüber einem Strömungsteilergrund angeordnet ist. Eine Summe freier Abstände zwischen den Kühlrippen auf Höhe des freien Endes des Strömungsteilers ist größer als eine Summe freier Abstände zwischen den Kühlrippen auf Höhe der freien Enden der Kühlrippen. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass ein Strömungswiderstand zwischen den Kühlrippen nahe einem Rippennutgrund in der Summe kleiner ist als ein Strömungswiderstand nahe dem Strömungsteilergrund. Dies führt dazu, dass bei verringertem Strömungswiderstand im Bereich des Rippennutgrunds ein erhöhter Kühlluftdurchsatz nahe dem Rippennutgrund und daher nahe dem Haltebereich der Kühlrippen möglich ist. Dementsprechend wird die Kühlströmung näher an die Quelle der Abwärme bzw. Wärme herangeführt, wodurch eine Kühlung der Kühleinheit verbessert werden kann.
Beschreibung der Figuren
Die nachfolgend aufgeführten Figuren dienen dazu ein Ausführungsbeispiel näher zu erläutern:
1 zeigt einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine mit einer elektrischen Vorrichtung, die eine Kühleinheit mit zumindest einem wärmeerzeugenden Element aufweist,
2 eine perspektivische Seitenansicht auf einen Teil der Kühleinheit mit Kühlrippen und Strömungsteilern,
3 eine Seitenansicht auf eine ausschnittweise dargestellte Kühleinheit und Strömungsteiler,
4 eine räumliche Ansicht einer so genannten Verschaltungseinheit mit Strömungsteilern,
5 eine Draufsicht auf die Verschaltungseinheit mit dazwischen geschnitten angeordneten und dargestellten Kühlrippen der Kühleinheit.
In 1 ist ein Querschnitt durch eine elektrische Maschine 10, hier in der Ausführung als riementreibbarer Starter-Generator für Kraftfahrzeuge dargestellt. Diese elektrische Maschine 10 weist unter anderem ein zweiteiliges Gehäuse 13 auf, das ein erstes Lagerschild 13.1 und ein zweites Lagerschild 13.2 umfasst. Das Lagerschild 13.1 und das Lagerschild 13.2 nehmen in und zwischen sich einen so genannten Ständer 16 auf, der einerseits ein im Wesentlichen ein kreisringförmiges Ständereisen 17 umfasst, in dessen nach radial innen gerichtete sich axial erstreckende Nuten eine Ständerwicklung 18 eingefügt ist. Der ringförmige Ständer 16 umgibt mit einer radial nach innen gerichteten genuteten Oberfläche, die eine elektromagnetisch wirksame Oberfläche 19 ist, einen Rotor 20, der hier beispielsweise als Klauenpolläufer ausgebildet ist. Der Rotor 20 umfasst unter anderem zwei Klauenpolplatinen 22 und 23, an deren Außenumfang jeweils sich in axialer Richtung erstreckende Klauenpolfinger als elektromagnetisch erregbare Pole 24 und 25 in eine axiale Richtung erstrecken. Axiale Richtung bedeutet hier drehaxiale Richtung des Rotors 20. Beide Klauenpolplatinen 22 und 23 sind im Rotor 20 derart angeordnet, dass deren sich in axiale Richtung erstreckende Klauenpolfinger bzw. Pole am Umfang des Rotors 20 einander abwechseln. Der Rotor 20 hat demnach ebenfalls eine elektromagnetisch wirksame Oberfläche 2. Es ergeben sich durch die beabstandeten Pole 24 und 25 erforderliche Zwischenräume 21, auch als Klauenpolzwischenräume bezeichnet. Der Rotor 20 ist mittels einer Welle 27 mit auf je einer Rotorseite befindlichen Wälzlagern 28 in den jeweiligen Lagerschilden 13.1 bzw. 13.2 drehbar gelagert.
Der Rotor 20 weist insgesamt zwei axiale Stirnflächen auf, an denen jeweils ein Lüfter 30 befestigt ist. Dieser Lüfter 30 besteht im Wesentlichen aus einem plattenförmigen bzw. scheibenen Abschnitt, von dem Lüfterschaufeln in bekannter Weise ausgehen. Diese Lüfter 30 dienen dazu über Öffnungen 40 in den Lagerschilden 13.1 und 13.2 einen luftaustausch, beispielsweise von einer axialen Stirnseite der elektrischen Maschine 10 durch den Innenraum der elektrischen Maschine 10 hindurch zu einer radial außen befindlichen Umgebung zu ermöglichen. Dazu sind die Öffnungen 40 im Wesentlichen an den axialen Enden der Lagerschilde 13.1 und 13.2 vorgesehen, über die mittels der Lüfter 30 Kühlluft in den Innenraum der elektrischen Maschine 10 eingesaugt wird. Diese Kühlluft wird durch die Rotation der Lüfter 30 nach radial außen beschleunigt, so dass diese durch den für Kühlluft durchlässigen Wicklungsüberhang 45 hindurchtreten kann. Durch diesen Effekt wird der Wicklungsüberhang (Wickelkopf) 45 gekühlt. Die Kühlluft nimmt nach dem Hindurchtreten durch den Wicklungsüberhang 45 bzw. nach dem Umströmen dieses Wicklungsüberhangs 45 durch hier in dieser 1 nicht dargestellte Öffnungen einen Weg nach radial außen. Die Führung bzw. der Weg der Kühlluft durch diesen Innenraum der elektrischen Maschine 10 ist durch die abgebildeten Pfeile angegeben.
Rechts vom Lagerschild 13.2 befindet sich eine elektrische Vorrichtung 50, die als so genannter Inverter ausgebildet ist. Dieser Inverter dient dazu, im generatorischen Betrieb einen im Ständer 16 (Drehstrom, Wechselstrom) erzeugten Strom in Gleichstrom umzuwandeln und dadurch eine Batterie im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs zu speisen. Im so genannten motorischen Betrieb dient dieser Inverter dazu, die Ständerwicklung 18 im Ständer 16 gezielt zu bestromen und dadurch auf den Rotor 20 ein antreibendes Moment zu bewirken und dadurch über die angeschlossene Riemenscheibe und den Riementrieb auf die Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine ein Antriebsmoment zum Starten der Brennkraftmaschine zu ermöglichen.
Die elektrische Vorrichtung 50 weist eine Kühleinheit 54 auf, die auch als Kühlkörper bezeichnet werden kann. Zwischen der Kühleinheit 54 und dem Lagerschild 13.2 ist eine Verschaltungseinheit 56 angeordnet. Kühlrippen 58 der Kühleinheit 54 sind ausgehend von einem Haltebereich 60 der Kühleinheit 54 zur Verschaltungseinheit 56 gerichtet. Ein wärmeerzeugendes Element 62 ist auf der Seite des Haltebereichs 60 angebracht, die den Kühlrippen 58 abgewandt ist. Dieses wärmeerzeugende Element 62 ist hier im Beispiel als so genannter MOSFET ausgebildet. Dieses wärmeerzeugende Element könnte jedoch auch als ein anders ausgeführter Transistor oder ein anderes wärmeerzeugendes Element, wie beispielsweise ein Kondensator oder eine Spule oder ein Widerstand ausgeführt sein.
2 zeigt eine perspektivische Schrägansicht auf die Verschaltungseinheit 56 und die Kühleinheit 54. Von der Verschaltungseinheit 56 sind Strömungsteiler 64 sichtbar, die vorzugweise als Rippen ausgebildet sind. Von der Kühleinheit 54 sind ebenfalls Kühlrippen 58 erkennbar. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel einer elektrischen Vorrichtung 50 mit einer Kühleinheit 54, die zumindest ein wärmeerzeugendes Element 62 aufweist, wobei die Kühleinheit 54 zumindest zwei Kühlrippen 58 aufweist, über die mittels Vorbeiströmung eines Kühlmittels zwischen den Kühlrippen 58 von den Kühlrippen 58 an das Kühlmittel Wärme abgebbar ist und zwischen zwei Kühlrippen 58 ein Strömungsteiler 64 angeordnet ist, ist eine gute Kühlung der Kühlrippen 58 möglich. So kann beispielsweise trotz der eingebrachten Versprerrung durch den Strömungsteiler 64 eine laminare Grenzschicht an der Oberfläche der Kühlrippen 58 verringert werden und dadurch eine Turbulenz der Strömung zwischen den Kühlrippen 58 erhöht werden. Durch diese Erhöhung der Turbulenz wird letztlich Wärme deutlich besser abgeführt als bei laminarer Strömung. Wie dargestellt, gehen von dem Haltebereich 60 die besagten Kühlrippen 58 aus. Von dem Haltebereich 66 der Verschaltungseinheit 56 gehen die erwähnten Strömungsteiler 64 aus. Obwohl in diesem Ausführungsbeispiel drei Strömungsteiler 64 dargestellt sind, die einen Zwischenraum zwischen zwei Kühlrippen 58 eingreifen, so ist doch die vorgesehene Minimalkonfiguration eine Kombination aus zwei Kühlrippen 58 und einem zwischen diesen beiden Kühlrippen 58 angeordneten Strömungsteiler 64.
In 3 ist eine schematische Ansicht einer derartigen Minimalkonfiguration dargestellt. Wie dort dargestellt, weitet sich ein Abstand zwischen den Kühlrippen 58 – ausgehend von dem Haltebereich 60 – wodurch ein Zwischenraum definiert ist. Ein Strömungsteiler 64 ist vorzugsweise keilartig in diesem Zwischenraum 68 angeordnet. Wie den 1, 2 und 3 entnommen werden kann, ist vorgesehen, dass der Haltebereich 60 der Kühlrippen 58 ein Kühlkörper der elektrischen Vorrichtung 58 ist. Es ist vorgesehen, dass das wärmeerzeugende Element 62, wie bereits erwähnt, zumindest einen elektronischen Schalter aufweist.
Wie des Weiteren aus 3 erkennbar ist, weist ein Strömungsteiler 64 ein freies Ende 61 auf. Einem derartigen freien Ende 61 gegenüber ist ein Rippennutgrund 65 angeordnet. Zwei Kühlrippen 58 weisen je ein freies Ende 67 auf, das jeweils gegenüber einem Strömungsteilergrund 69 angeordnet ist. Im Bereich eines freien Endes 61 eines Strömungsteilers 64 lässt sich ein freier Abstand a zwischen den Kühlrippen 58 auf Höhe des freien Endes 61, d. h. auf Höhe des tatsächlichen Endes einbeschreiben. Im Bereich eines freien Endes 67 einer Kühlrippe 58 lässt sich ebenfalls ein Abstand b auf Höhe des äußersten Endes 67 zu einem Strömungsteiler 64 bestimmen. Es lässt sich somit neben einem jeden Strömungsteiler 64 jeweils ein Abstand b einbeschreiben. Die Abstände a und die Abstände b sollen dabei derartig betragsmäßig bestimmt sein, dass eine Summe freier Abstände a zwischen den Kühlrippen 58 auf Höhe des freien Endes 61 des Strömungsteilers 64 größer ist als eine Summe freier Abstände b zwischen den Kühlrippen 58 auf Höhe der freien Enden 67 der Kühlrippen 58.
In 4 ist eine räumliche Ansicht auf die Verschaltungseinheit 56 dargestellt. Die Verschaltungseinheit 56 ist hier von der Seite gezeigt, die in der elektrischen Maschine 10 der Kühleinheit 54 zugewandt ist. Es ist dort auch beispielsweise eine zylindrische Anformung 70 dargestellt, die in der elektrischen Maschine 10 eine dort nicht näher bezeichnete aber in 1 dargestellte Schleifringbaugruppe umgibt. Die Verschaltungseinheit 56 umfasst einen spritzgußtechnisch hergestellten Kunststoffkörper, in den mehrere elektrische Leiter 73 eingebettet sind. Im aus radialer Sicht (in Bezug auf die Drehachse des Rotors 20) äußeren Umfangsbereich der Verschaltungseinheit 56 sind insgesamt drei Gruppen 75 von Strömungsteilern 64 angeordnet. Die in 4 im rechten Bereich des Verschaltungselements 56 angeordnete Gruppe 75 ist die Gruppe, die teilweise in 2 erkennbar ist. Wie zu erkennen ist, erstrecken sich die Strömungsteiler 64 im Wesentlichen in eine drehaxiale und in eine radiale Richtung. Die radiale Richtung ist hier relativ zu einer Drehachse. Die 4 zeigt, dass die Strömungsteiler 64 einstückig mit der Verschaltungseinheit 56 ausgeführt sind. Im zusammenmontierten Zustand der elektrischen Maschine 10 verbinden die elektrischen Leiter 73 Anschlussdrähte einer Ständerwicklung 18 mit elektrischen Anschlüssen des wärmeerzeugenden Elements 62.
In 5 ist ein Querschnitt durch Teile der Kühleinheit 54 und dabei gleichzeitig eine Draufsicht auf die Verschaltungseinheit 56 dargestellt. Wie gut zu erkennen ist, sind dort Kühlrippen 58 gezeigt, die sich in eine drehaxiale Richtung und auch in eine radiale Richtung erstrecken. Diese Erstreckungsrichtung bezieht sich hierbei auf die großen Flächen der Kühlrippen 58. In dieser 5 ist gezeigt, dass sich mehrere Kühlrippen 58 nebeneinander, d. h. vorzugsweise zueinander parallel, erstrecken. Des Weiteren erstrecken sich mehrere Strömungsteiler 64 nebeneinander, auch hier vorzugweise zueinander parallel. Es ist dabei vorgesehen, dass sowohl Kühlrippen 58 als auch Strömungsteiler 64 wechselseitig ineinander greifen, wobei derartige Kühlrippen und derartige Strömungsteiler 64 eine Gruppe 78 sind. An einer Kühleinheit 54 sind mehrere Gruppen 78 angeordnet, wobei vorzugsweise zwischen den Gruppen 78 topfartige Ausformungen 80 der Kühleinheit 54 angeordnet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005048095 A1 [0001]

Claims

Elektrische Vorrichtung (50) mit einer Kühleinheit (54), die zumindest ein Wärme erzeugendes Element (62) aufweist, wobei die Kühleinheit (54) zumindest zwei Kühlrippen (58) aufweist, über die mittels Vorbeiströmung eines Kühlmittels an das Kühlmittel Wärme abgebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Kühlrippen (58) ein Strömungsteiler (64) angeordnet ist.
Elektrische Vorrichtung (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kühlrippen (58) von einem Haltebereich (60) aus erstrecken und sich der Strömungsteiler (64) von einem Haltebereich (66) aus erstreckt
Elektrische Vorrichtung (50) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Abstand zwischen den Kühlrippen (58), ausgehend von dem Haltebereich (54), weitet und einen Zwischenraum definiert und der Strömungsteiler (64) in diesem Zwischenraum (68) angeordnet ist.
Elektrische Vorrichtung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltebereich (60) der Kühlrippen (58) ein Kühlkörper der elektrischen Vorrichtung (50) ist.
Elektrische Vorrichtung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärme erzeugende Element (62) zumindest einen elektronischen Schalter aufweist.
Elektrische Vorrichtung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsteiler (64) einstückig mit der Verschaltungseinheit (56) ausgeführt sind, die vorzugsweise Anschlussdrähte einer Ständerwicklung (18) mit elektrischen Anschlüssen des Wärme erzeugendes Elements (62) elektrisch verbindet.
Elektrische Vorrichtung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kühlrippen (58) in eine drehaxiale und eine radiale Richtung erstrecken.
Elektrische Vorrichtung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich mehrere Kühlrippen (58) nebeneinander erstrecken und sich mehrere Strömungsteiler (64) nebeneinander erstrecken und Kühlrippen (58) und Strömungsteiler (64) wechselseitig ineinander greifen, wobei derartige Kühlrippen (58) und Strömungsteiler (64) eine Gruppe (78) sind.
Elektrische Vorrichtung (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gruppen (78) an der Kühleinheit (54) angeordnet sind, wobei vzw. zwischen den Gruppen topfartige Ausformungen (80) des Kühlkörpers (54) angeordnet sind.
Elektrische Vorrichtung (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungsteiler (64) ein freies Ende (61) aufweist, dem gegenüber ein Rippennutgrund (65) angeordnet ist, und zwei Kühlrippen (58) je ein freies Ende (67) aufweisen, das jeweils gegenüber einem Strömungsteilergrund (69) angeordnet ist, und eine Summe freier Abstände (a) zwischen den Kühlrippen (58) auf Höhe des freien Endes (61) des Strömungsteilers (64) größer ist als eine Summe freier Abstände (b) zwischen den Kühlrippen (58) auf Höhe der freien Enden (67) der Kühlrippen (58).