DE112015004112T5

DE112015004112T5 - Elektronikkühlturm einer sich axial erstreckenden elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE112015004112T5
Application number: DE112015004112.5T
Authority: DE
Inventors: Michael D. Bradfield
Original assignee: Remy Technologies LLC
Current assignee: Remy Technologies LLC
Priority date: 2014-10-08
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2017-07-20
Also published as: CN106797162A; US20160105082A1; CN106797162B; US10389211B2; WO2016057582A1

Abstract

Ein Elektronikmodul, das zum Anbringen an dem hinteren Rahmenteil einer elektrischen Maschine vorgesehen ist. Das Elektronikmodul enthält einen Kühlturm, der erste und zweite axiale Enden hat. Der Kühlturm weist eine metallische Wand auf, die radial innere und äußere Wandflächen definiert und sich um die zentrale Modulachse herum erstreckt. Die radial innere Wandfläche bildet einen sich axial erstreckenden Luftkanal, durch den Kühlturm mit einem Einlass, der in der Nähe des ersten axialen Endes angeordnet ist. In einem Abstand voneinander angeordnete Metallrippen sind wärmeleitend mit der radial inneren Wandfläche verbunden und durchqueren den Luftkanal. Leistungselektronikbauteile sind in wärmeleitender Verbindung an der radial äußeren Wandfläche angebracht. Der Kühlturm bildet eine Wärmesenke für die Leistungselektronikbauteile mit einem primären Kühlpfad für jedes der Leistungselektronikbauteile, der sich radial einwärts zu dem Kühlturm erstreckt. Eine elektrische Maschine mit einem solchen Elektronikmodul wird ebenfalls offenbart.

Description

Prioritätsanspruch und Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US-Patentanmeldung Nr. 62/061,379 mit dem Titel „Elektronikkühlturm einer sich axial erstreckenden elektrischen Maschine”, eingereicht am 08. Oktober 2014 und ist verwandt mit der US-Patentanmeldung Nr. _________ mit dem Titel „Elektronik einer dual Luft- und Flüssigkeitskühlung kompatiblen elektrischen Maschine”, eingereicht am _________ 2015 (Anwaltsakte Nr. 22888-0237), der US-Patentanmeldung Nr. _________ mit dem Titel „Bidirektionale MOSFET Kühlung für eine elektrische Maschine”, eingereicht am _________ 2015 (Anwaltsakte Nr. 22888-0241); der US-Patentanmeldung Nr. _________ mit dem Titel „Schaltkreis-Layout für Steuerelektronik einer elektrischen Maschine”, eingereicht am _________ 2015 (Anwaltsakte Nr. 22888-0243); der US-Patentanmeldung Nr. _________ mit dem Titel „Zentral angeordnete Steuerelektronik für elektrische Maschine”, eingereicht am _________ 2015 (Anwaltsakte Nr. 22888-0245); der US-Patentanmeldung Nr. _________ mit dem Titel „Sockelfläche für MOSFET Modul”, eingereicht am _________ 2015 (Anwaltsakte Nr. 22888-0247) und der US-Patentanmeldung Nr. _________ mit dem Titel „Radial anpassbare Phasenanschlussdrahtverbindung, eingereicht am _________ 2015 (Anwaltsakte Nr. 22888-0249), deren gesamte Offenbarungen durch Bezugnahme hierin aufgenommen werden.
Hintergrund
Fahrzeuge wie solche, die einen Verbrennungsmotor nutzen und/oder einen Hybrid Antriebsstrang haben, der eine elektrische Maschine enthält, nutzen oft, was üblicher Weise als Drehstromgeneratoren bezeichnet wird.
Drehstromgeneratoren von Fahrzeugen sind elektrische Maschinen, die selektiv als Generator oder Elektromotor arbeiten. Bei herkömmlichen von Verbrennungsmotoren angetriebenen Fahrzeugen werden Drehstromgeneratoren als Elektromotor genutzt, um beim des Starten des Motors Drehmoment auf den Motor auszuüben. Nachdem der Motor gestartet ist, kann der Drehstromgenerator als ein Generator arbeiten, um Strom zum Aufladen der Fahrzeugbatterie zu erzeugen. Bei Hybridfahrzeugen kann der Drehstromgenerator als Elektromotor verwendet werden, um zusätzliches Drehmoment zum Antreiben des Fahrzeugs zu liefern.
Die bei Drehstromgeneratoren eingesetzten elektrischen Schaltungen können erhebliche Wärme erzeugen, die abgeführt werden muss. Da moderne Fahrzeuge höhere Anforderungen an Drehstromgeneratoren haben, nehmen die Anforderungen an die Drehstromgeneratorschaltungen ebenfalls zu. Verbesserungen, welche die erhöhten Anforderungen an elektrische Maschinen betreffen, etwa wie solche, die als Fahrzeugdrehstromgeneratoren eingesetzt werden, sind wünschenswert.
Kurzfassung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektronikmodul für eine elektrische Maschine, wobei die Elektronikmodule eine Kühlturmstruktur haben, welche die Funktionalität von elektrischen Maschinen unterstützt.
Die Erfindung betrifft in einer ihrer Formen ein elektrisches Modul, das zum Anbringen an einem hinteren Rahmenteil einer elektrischen Maschine vorgesehen ist. Das Elektronikmodul enthält einen Kühlturm, der sich gegenüberliegende erste und zweite axiale Enden hat, die entlang einer zentralen Modulachse einen Abstand voneinander haben. Der Kühlturm enthält eine Metallwand, die sich um die zentrale Modulachse herum erstreckt, um eine radiale innerer Wandfläche und eine radiale äußere Wandfläche zu definieren. Die radiale innere Wandfläche definiert einen sich axial durch den Kühlturm erstreckenden Luftkanal, wobei der Luftkanal einen Einlass hat, der dem ersten axialen Ende benachbart ist. Der Kühlturm enthält zudem mehrere in einem Abstand von einander angeordnete metallische Rippen, die mit der radial inneren Wandfläche wärmeleitend verbunden sind, wobei die Rippen den Luftkanal durchsetzen. Mehrere Leistungselektronikbauteile sind an in Umfangsrichtung verteilten Stellen an der radial äußeren Wandfläche in wärmeleitender Verbindung mit dem Kühlturm angebracht. Der Kühlturm bildet eine Wärmesenke für Abwärme von den Leistungselektronikbauteilen mit einem primären Kühlpfad für jedes der Leistungselektronikbauteile, der sich radial einwärts zu dem Kühlturm erstreckt.
Bei manchen Ausführungsbeispielen des Elektronikmoduls enthält das Elektronikmodul zusätzlich mehrere Leistungsmodule, wobei jedes Leistungsmodul wenigstens ein Leistungselektronikbauteil, eine Basis, die wärmeleitend mit der radial äußeren Wandfläche verbunden ist, und eine metallische Abdeckplatte aufweist. Die Abdeckplatte hat eine innere Fläche, die die Basis überdeckt, und eine äußere Fläche, die radial auswärts orientiert ist und unbehindert der Umgebungsluft ausgesetzt ist, welche das Elektronikmodul umgibt, wobei Abwärme von jedem Leistungsmodul über den ersten Kühlpfad und über einen zweiten Kühlpfad abgeführt wird, der sich radial auswärts durch die Abdeckplatte und zu der Umgebungsluft erstreckt. Beispielsweise können die Abdeckplatten der Module mit Kühlrippen versehen sein, wodurch die Wärmeabfuhr durch Konvektion verbessert wird.
Bei manchen Ausführungsbeispielen des Elektronikmoduls enthält das Elektronikmodul zudem mehrere Leistungsmodule, welche die Leistungselektronikbauteile enthalten, wobei jedes Leistungsmodul eine Basis aufweist, die eine Fläche definiert, die an der radial äußeren Wandfläche anliegt, wodurch die Basis und die Wand des Kühlturms wärmeleitend verbunden sind, wobei die aneinander anliegenden Flächen sich im Wesentlichen parallel zu der zentralen Achse des Moduls erstrecken. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel können die Metallrippen direkt von Stellen am Umfang der radial inneren Wandfläche ausgehen, die direkt radial einwärts der Leistungsmodule liegen. Bei einer weiteren Variante eines solchen Ausführungsbeispiels kann die radial äußere Wandfläche mehrere ebene Montageflächen bilden, wobei jede ebene Montagefläche die Basisfläche eines entsprechenden Leistungsmoduls aufnimmt und jede ebene Montagefläche parallel zu der zentralen Achse des Moduls ist. Bei einer solchen Variante kann jede ebene Montagefläche tangential zu einem gedachten Kreis ausgerichtet sein, der konzentrisch mit der zentralen Achse des Moduls und senkrecht zu ihr ist.
Bei manchen Ausführungsbeispielen des Elektronikmoduls sind die Wand und die Rippen integral ausgebildete Teile des Kühlturms.
Bei manchen Ausführungsbeispielen des Elektronikmoduls enthält das Elektronikmodul zudem eine elektronische Steuerschaltung, die an die Leistungselektronikbauteile angeschlossen ist, wobei die elektronische Steuerschaltung im Wesentlichen von den Leistungselektronikbauteilen umgeben sind. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel kann die Steuerschaltung thermisch weitgehend von der Abwärme der Leistungselektronikbauteile isoliert sein.
Bei manchen Ausführungsbeispielen des Elektronikmoduls sind die Leistungselektronikbauteile im Wesentlichen gleichmäßig entlang der radial äußeren Wandfläche verteilt.
Bei manchen Ausführungsbeispielen des Elektronikmoduls sind die Leistungselektronikbauteile entlang der zentralen Modulachse in gleichen Abständen von einer imaginären Ebene angeordnet, die senkrecht zu der zentralen Modulachse ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel hat die Form einer elektrischen Maschine, die einen Stator, der eine zentrale Maschinenachse definiert, einen Rotor, der von dem Stator umgeben ist und relativ zu dem Stator um die zentrale Maschinenachse drehbar ist, ein hinteres Rahmenteil, das drehbar an dem Stator angebracht ist und durch das sich die zentrale Maschinenachse hindurch erstreckt, und ein Elektronikmodul, wie vorstehend beschrieben, wobei die zentrale Maschinenachse sich durch das Elektronikmodul hindurch erstreckt und der Kühlturm an dem hinteren Rahmenteil befestigt ist.
Bei manchen Ausführungsbeispielen der elektrischen Maschine fallen die zentrale Maschinenachse und die zentrale Modulachse zusammen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen der elektrischen Maschine ist die elektrische Maschine luftgekühlt und das hintere Rahmenteil hat eine Öffnung, durch die ein kühlender Luftstrom im Wesentlichen axial, in Richtung des Rotors hin zu dem Elektronikmodul eingesaugt wird, um die elektrische Maschine an Stellen, die stromabwärts von der Öffnung liegen, zu kühlen. Der Luftkanal hat einen Auslass, der dem zweiten axialen Enden benachbart ist, und der Luftkanalauslass steht mit der Öffnung des hinteren Rahmenteils in Verbindung. Kühlender Luftstrom wird in den Luftkanaleinlass und durch den Luftkanal gesaugt, wodurch entlang des primären Kühlpfads ein Wärmetransfer durch Konvektion zwischen der Kühlturmwand und den Kühlturmrippen sowie dem kühlendem Luftstrom entlang des Luftkanals stattfindet. Der kühlende Luftstrom verläuft auch durch den Luftkanalauslass und die Öffnung des hinteren Rahmenteils zum Kühlen der elektrischen Maschine an Stellen, die stromabwärts von der Öffnung sind. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel kann die elektrische Maschine zusätzlich einen Ventilator enthalten, der sich zusammen mit dem Rotor um die zentrale Achse drehen kann, wobei der Luftstrom durch die Öffnung durch Rotation des Ventilators bewirkt wird.
Bei manchen Ausführungsbeispielen der elektrischen Maschine, bei denen die elektrische Maschine flüssigkeitsgekühlt ist und das hintere Rahmenteil eine Metallwand bildet, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der zentralen Maschinenachse erstreckt, hat das hintere Rahmenteil eine axial innere Seite, die mit Kühlflüssigkeit in Kontakt steht, und eine gegenüberliegende axial äußere Seite, die wärmeleitend mit dem Kühlturm verbunden ist, wobei der Wärmeübergang zwischen dem Kühlturm und der Wand des hinteren Rahmenteils durch Wärmeleitung und der Wärmeübergang zwischen der Wand des hinteren Rahmenteils und der Kühlflüssigkeit durch Konvektion stattfindet.
Bei manchen Ausführungsbeispielen der elektrischen Maschine enthält die elektrische Maschine zusätzlich mehrere Leistungsmodule, welche die Leistungselektronikbauteile enthalten, wobei jedes Leistungsmodul eine Basis, die wärmeleitend mit der radial äußeren Wandfläche verbunden ist, und eine metallische Abdeckplatte aufweist, wobei die metallische Abdeckplatte eine Innenfläche hat, welche die Basis überdeckt und eine Außenfläche, die radial auswärts orientiert ist und ungehindert der Umgebungsluft ausgesetzt ist, die das Elektronikmodul umgibt, wodurch Abwärme von jedem Leistungsmodul auf dem ersten Kühlpfad und auf einem zweiten Kühlpfad, der sich radial auswärts durch die Abdeckplatte und zu der Umgebungsluft erstreckt, abgegeben wird. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel können die Modulabdeckplatten mit Kühlrippen versehen sein, wodurch der Wärmeübergang durch Konvektion verstärkt wird.
Bei manchen Ausführungsbeispielen der elektrischen Maschine enthält die elektrische Maschine zusätzlich mehrere Leistungsmodule, die die Leistungselektronikbauteile enthalten, wobei jedes Leistungsmodul eine Basis enthält, die eine Fläche bildet, die an der radial äußeren Wandfläche anliegt, wodurch die Basis und der Kühlturm wärmeleitend verbunden sind, wobei die an einander anliegenden Flächen sich im Wesentlichen parallel zu der zentralen Achse der Maschine erstecken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die verschiedenen Ziele, Merkmale und dazu gehörenden Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher wahrnehmbar und besser verständlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird. Obwohl die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der offenbarten Vorrichtung darstellen, sind die Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu oder nach demselben Maßstab und manche Merkmale können übertrieben oder weg gelassen sein, um die vorliegende Offenbarung besser zu veranschaulichen und zu erläutern. Zudem können in den beigefügten Zeichnungen, die Schnittansichten zeigen, Schraffuren von verschiedenen geschnittenen Elementen zur Verbesserung der Klarheit weggelassen sein. Es ist zu verstehen, dass diese Auslassung von Schraffuren nur dem Zweck der Klarheit der Darstellung dient.
1 ist eine Seitenansicht eines Beispiels eines herkömmlichen Drehstromgenerators,
2 zeigt ein typisches Layout einer Steuerelektronik eines herkömmlichen Drehstromgenerators, die an der Rückseite des hinteren Rahmenteils des Drehstromgenerators angeordnet ist,
3 zeigt ein elektrisches Schema der Leistungselektronik eines typischen Drehstromgenerators,
4 zeigt eine Seitenansicht eines Drehstromgenerators mit einem Ausführungsbeispiel einer integrierten Elektronikbaugruppe oder eines „Elektronikmoduls” gemäß der vorliegenden Offenbarung, das an der Rückseite des hinteren Rahmenteils des Drehstromgenerators montiert ist,
5 ist eine perspektivische Rückansicht eines Elektronikmoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung, die Luftströmungswege und Gebiete erzwungener Konvektion sowie Gebiete natürlicher Konvektion zeigt;
6 ist eine weitere perspektivische Rückansicht des Elektronikmoduls von 5,
7 ist eine weitere perspektivische Rückansicht des Elektronikmoduls von 5,
8 zeigt Luftkühlung integrierter Elektronik mittels des hintersten von zwei internen Ventilatoren in einem Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Offenbarung,
9 zeigt Luftkühlung integrierter Elektronik mittels eines externen vorderen Ventilators und/oder peripheren Luftstroms in einem Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Offenbarung,
10 zeigt Flüssigkeitskühlung und Luftkühlung integrierter Elektronik in einem Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Offenbarung
11 ist eine axiale Rückansicht des Elektronikmoduls von 5 mit abgenommenen Deckel,
12 ist eine perspektivische Rückansicht des in 11 gezeigten Elektronikmoduls,
13 ist eine weitere perspektivische Ansicht des in 11 gezeigten Elektronikmoduls, die den Eintritt von kühlender Luft zeigt,
14 ist eine weitere perspektivische Rückansicht des in 11 gezeigten Elektronikmoduls, das so orientiert gezeigt ist, wie nach Montage in der üblichen installierten Position an dem hinteren Rahmenteil einer elektrischen Maschine (nicht dargestellt), und zeigt Abflusskanäle für Spritzer,
15 ist eine perspektivische Vorderansicht des Elektronikmoduls von 14, die das axiale Ende des Elektronikmoduls zeigt, das mit dem hinteren Rahmenteil der elektrischen Maschine (nicht dargestellt) verbunden ist, und zeigt Abflusskanäle für Spritzer,
16 ist eine axiale Rückansicht des Elektronikmoduls ähnlich der von 11 und zeigt radial einwärts gerichteten Wärmeleitungsfluss von seinen Leistungselektronikmodulen zu seiner Hauptwärmesenke des Kühlturms über einen primären Kühlpfad,
17 ist eine perspektivische Rückansicht des Elektronikmoduls ähnlich der von 13, bei der aber die Steuerelektronikbaugruppe und der B+ Anschluss weg gelassen wurden,
18 ist eine perspektivische Rückansicht des Kühlturms des Elektronikmoduls von 5,
19 ist eine perspektivische Rückansicht der verschalteten MOSFET Module des Elektronikmoduls von 5, die relativ zu einander in ihren montierten Positionen angeordnet sind,
20 ist eine axiale Rückansicht des Kühlturms von 18,
21 ist eine weitere perspektivische Rückansicht des Kühlturms von 18,
22 ist eine Seitenansicht des Kühlturms von 18,
23 ist eine teilweise geschnittene Detailansicht eines flüssigkeitsgekühlten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine gemäß der vorliegenden Offenbarung, die Wärmefluss durch den Kühlturm zu dem hinteren Rahmenteil der Maschine zeigt,
24 ist eine axiale Rückansicht des in 17 gezeigten Elektronikmoduls, die bidirektionalen Wärmeabfluss von den MOSFET Modulen zeigt und die Positionen von einigen Leistungselektronikbauteilen in den Modulen andeutet,
25 ist eine perspektivische Rückansicht des Kühlturms von 18,
26 ist eine perspektivische Rückansicht des Elektronikmoduls von 13, wobei die Abdeckungen der Gehäuse der Leistungselektronikmodule abgenommen sind,
27 ist eine perspektivische Rückansicht der verschalteten MOSFET Module von 19 ohne ihre Abdeckungen,
28 ist eine fragmentierte, perspektivische Teilrückansicht der verschalteten MOSFET Module von 27, die deren Leistungselektronikbauteile und elektrisch isolierenden (T-clad) Basisschichten zeigt,
29 ist eine Schnittansicht eines MOSFET Moduls entlang der Linie 29-29 von 28,
30 ist eine fragmentierte, perspektivische Rückansicht, die eine elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt, die ein Elektronikmodul und ein hinteres Rahmenteil von großem Durchmesser zeigt, wobei ein Phasenanschlussdraht aus dem Rahmenteil an einer Stelle herausgeführt ist, die radial außerhalb seines Anschlusspunkts an den Phasenanschluss seines entsprechenden MOSFET Moduls liegt,
31 ist eine fragmentierte, perspektivische Rückansicht, die eine elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt, die im Vergleich zu der elektrischen Maschine von 30 ein identisches Elektronikmodul und ein hinteres Rahmenteil von relativ kleinem Durchmesser hat, wobei ein Phasenanschlussdraht aus dem Rahmenteil an einer Stelle heraus geführt ist, die radial einwärts von seinem Anschlusspunkt an den Phasenanschluss seines entsprechenden MOSFET Moduls liegt,
32 ist eine fragmentierte perspektivische Vorderansicht eines Teils eines Ausführungsbeispiels eines Elektronikmoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung, die eine Aussparung oder einen Schlitz in dem Kühlturm zwischen einem Paar von in Umfangsrichtung benachbarten MOSFET Modulen zeigt, durch den ein Phasenanschlussdraht, der aus einem Loch in einem hinteren Rahmenteil kleinen Durchmessers (nicht gezeigt) herausgeführt ist, zu dem Phasenanschluss seines entsprechenden MOSFET Moduls geführt werden kann,
33 ist eine fragmentierte perspektivische Rückansicht, die eine elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt, die ein Elektronikmodul und ein hinteres Rahmenteil aufweist, dessen Rückseite mit einem Hohlraum versehen ist, mit dem die radiale Position, an welcher der Phasenanaschlussdraht das hintere Rahmenteil verlässt, an die des Phasenanschlusses des MOSFET Moduls angepasst werden kann,
34 ist eine Ansicht der Abdeckungen der Gehäuse der MOSFET Module, die in 27 weggelassen wurden, in ihren installierten Positionen und zeigt die jeweiligen den Abdeckungen integralen Buckel, die sich von der Innenfläche der Abdeckung radial einwärts erstrecken,
35 ist eine axiale Ansicht eines MOSFET Moduls, die dessen dazugehörenden Leistungselektronikbauteile, Modulgehäuseabdeckung und die mit der Abdeckung integralen Buckel zeigt, die sich von der Innenfläche der Abdeckung aus radial einwärts erstrecken, wobei die Seitenwände des Modulgehäuses der Klarheit wegen weggelassen wurden;
36 ist eine perspektivische Rückansicht des in 17 gezeigten Elektronikmoduls, wobei Teile der MOSFET Module radial einwärts von ihren Gehäuseabdeckungen weggelassen wurden, und zeigt die bidirektionalen Wärmesenken eines Elektronikmoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung sowie Pfade der Wärmeübertragung von jedem MOSFET Modul zu der Hauptwärmesenke des Kühlturmes durch Wärmeleitung auf einem primären Kühlpfad und von dem Modulgehäuseabdeckungen durch natürliche Konvektionen auf einem parallelen, sekundären Kühlpfad zur Umgebungsluft,
37 ist eine perspektivische Rückansicht der Hauptwärmesenke des Kühlturms, wobei die Steuerelektronikbaugruppe mit Leiterplatten und die Signalanschlussdrähte der Steuerelektronik eines Ausführungsbeispiels eines Elektronikmoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung dargestellt sind, aber Deckel oder Abdeckplatte weggelassen wurden,
38 ist eine perspektivische Rückansicht ähnlich der von 37, aber mit abgenommener Steuerelektronikbaugruppe,
39 ist eine perspektivische Rückansicht ähnlich der von 37, wobei aber der Deckel oder die Abdeckplatte der Steuerelektronikbaugruppe und der Leiterplattenabschnitt, der an deren Innenseite angeordnet ist, weggelassen wurden, und zeigt den Innenraum der Plastikbechers oder der Aufnahme sowie die darin angeordnete Abschnitte der Leiterplatten der Steuerelektronik,
40 ist eine perspektivische Rückansicht ähnlich 18, die nur die Hauptwärmesenke und deren zentral angeordneten Schacht zeigt, in dem der Plastikbecher oder die Aufnahme der Steuerelektronikbaugruppe normalerweise enthalten sind,
41 ist eine perspektivische Rückansicht der Steuerelektronikbaugruppe und der Signalanschlüsse eines Ausführungsbeispiels eines Elektronikmoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung,
42 ist eine perspektivische Vorderansicht der Signalanschlussdrähte und des Deckels oder der Abdeckplatte sowie der in 41 gezeigten Steuerelektronikbaugruppe, welche den auf der Innenfläche des Deckels angeordneten Abschnitt der Leiterplatte der Steuerelektronik zeigt,
43 ist eine perspektivische Rückansicht der in 41 gezeigten Steuerelektronikbaugruppe und der Signalanschlussdrähte, wobei der Deckel oder die Abdeckplatte des Plastikbechers entfernt wurde, sodass der normalerweise auf der Innenseite des Deckels angeordnete Abschnitt der Leiterplatte zu sehen ist,
44 ist eine perspektivische Rückansicht der Steuerelektronikbaugruppe und der Signalanschlussdrähte, wie in 43 gezeigt, wobei aber der normalerweise auf der Innenseite des Deckels oder der Abdeckung angeordnete Abschnitt der Leiterplatte weggelassen wurde, sodass der Innenraum des Plastikbechers und die darin montierten Abschnitte der Leiterplatten der Steuerelektronik zu sehen sind,
45 ist eine perspektivische Rückansicht eines Abschnitts eines Ausführungsbeispiels der Steuerelektronikbaugruppe, wie in 39 dargestellt,
46 ist eine perspektivische Seitenansicht des Abschnitts der Steuerelektronikbaugruppe von 45, wobei deren Leiterplattenabschnitte weggelassen wurden, sodass nur ihr Plastikbecher zu sehen ist,
47 ist eine perspektivische Rückansicht des Plastikbechers von 45, die den Becherinnenraum zeigt,
48 ist eine weitere perspektivische Rückansicht des Plastikbechers von 45, die den Innenraum des Bechers zeigt,
49 ist eine perspektivische Vorderansicht des Plastikbechers von 45, die die Aussparung zeigt, in der normalerweise die Welle der elektrischen Maschine und der Bürstenhalter angeordnet sind,
50 ist eine weitere perspektivische Vorderansicht des Plastikbechers von 45,
51 ist eine perspektivische Rückansicht der in 44 gezeigten Leiterplattenabschnitte und Signalanschlussdrähte,
52 ist eine perspektivische Rückansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der in 51 gezeigten Leiterplattenabschnitte und Signalanschlussdrähte, wobei die Signalanschlussdrähte und das Leiterplattenmaterial, auf dem Steuerschaltungsabschnitte angeordnet sind, integral miteinander ausgebildet sind und von einen einzelnen, plastisch verformten, flexiblen Leiterplattenmaterialstück gebildet werden, und zeigt zudem mit gestrichelten Linien optionale, zusätzliche Leiterplattenabschnitte,
53 ist eine Draufsicht eines einzelnen flexiblen Stücks Leiterplattenmaterial von 52 in seinem unverformten Zustand und zeigt in gestrichelten Linien zudem die optionalen, zusätzlichen Leiterplattenabschnitte,
54 ist eine Draufsicht von verschachtelten, unverformten, flexiblen Materialstücken der Leiterplatten und Signalanschlussdrähte, die zum Versand oder zur Montage in einer Ebene angeordnet sind,
55 ist eine perspektivische Rückansicht des Elektronikmoduls von 7 mit abgenommenen Deckel,
56 ist eine perspektivische Rückansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels des Kühlturms, der mit sich radial erstreckenden Sockeln versehen ist, die Montageflächen für MOSFET Module bilden,
57 ist eine fragmentierte perspektivische Vorderansicht eines Elektronikmoduls einschließlich des Ausführungsbeispiels des Kühlturms von 56,
58 ist eine Schnittansicht entlang Linie 58-58 von 11, die abgewandelt ist, um das Ausführungsbeispiel des Kühlturms von 56 zu enthalten, und zeigt Orte der Abflusskanäle/Leisten entlang der Ränder der Kühlturmsockel zur Abfuhr von Spritzern,
59 ist eine vergrößerte Ansicht der rechteckig umrissenen Fläche 59 von 58, die Abflusskanäle/Leisten entlang der Ränder der Kühlturmsockel zur Abfuhr von Spritzern zeigt,
60 ist eine fragmentierte, perspektivische Rückansicht eines Abschnitts des Elektronikmoduls einschließlich des Ausführungsbeispiels des Kühlturms von 56, die Abflusskanäle/Leisten entlang der Ränder der Sockel des Kühlturms zur Abfuhr von Spritzern zeigt
61 ist eine weitere fragmentierte, perspektivische Rückansicht eines Abschnitts des Elektronikmoduls von 60, die Abflusskanäle/Leisten entlang von Rändern der Sockel des Kühlturms zur Abfuhr von Spritzern zeigen,
62 ist eine vergrößerte, fragmentierte Schnittansicht entlang Linie 62-62 von 11, die abgewandelt wurde, um das Ausführungsbeispiel des Kühlturms von 56 zu enthalten, und zeigt den Abflusskanal/Leiste entlang des hinteren Randes eines Beispiels eines Sockels zur Abfuhr von Spritzern, und
63 ist eine vergrößerte, fragmentierte perspektivische Vorderansicht zwischen in Umfangsrichtung benachbarten MOSFET Modulen eines Ausführungsbeispiels eines Elektronikmoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung einschließlich des Ausführungsbeispiels eines Kühlturms von 56 und zeigt Abflusskanäle/Leisten zur Abfuhr von Spritzern.
Sich entsprechende Bezugszeichen bezeichnen in den verschiedenen Ansichten sich entsprechende Teile. Obwohl die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der offenbarten Vorrichtung darstellen, sind die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu oder vom selben Maßstab. Zudem können bestimmte Merkmale übertrieben sein, um die vorliegende Offenbarung besser zu veranschaulichen und zu erläutern.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die Erfindung lässt sich an verschiedene Abwandlungen und alternative Formen anpassen und ihre speziellen Ausgestaltungen, die als Beispiele in den Zeichnungen gezeigt wurden, werden jeweils detailliert beschrieben. Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung sind so gewählt und beschrieben, dass andere Fachleute die Prinzipien und Anwendungen der vorliegenden Offenbarung würdigen und verstehen können. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Zeichnungen und die detaillierte Beschreibung nicht dazu gedacht sind, die Erfindung auf die speziellen Formen zu beschränken, die offenbart werden, sondern im Gegenteil soll die Erfindung alle Abwandlungen, Äquivalente und Alternativen, die im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung liegen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abdecken.
Es ist zu verstehen, dass die Begriffe „radial” und „axial” hier im Allgemeinen verwendet werden, um die Lage von individuellen Komponenten relativ zu der zentralen Achse einer elektrischen Maschine oder eines Elektronikmoduls festzulegen, anstatt als eine absolute Position im Raum. Zudem werden unabhängig von dem Bezugsrahmen Begriffe wie „parallel” und „senkrecht” und Ähnliches in dieser Offenbarung nicht verwendet, um exakte mathematische Orientierungen oder Geometrien anzugeben, außer dies ist ausdrücklich gesagt, sondern werden stattdessen als Begriffe der Annäherung verwendet. Begriffe wie etwa „vorwärts”, „rückwärts”, „vorne” und „hinten” und Ähnliches werden im Kontext der zentralen Achse verwendet, die sich zwischen gegenüberliegenden vorderen/vorderseitigen und hinteren/rückwärtigen axialen Enden erstreckt. Zudem ist zu verstehen, dass verschiedene strukturelle Begriffe, die in der Offenbarung und in den Ansprüchen verwendet werden, nicht singulär interpretiert werden sollten, außer dies ist ausdrücklich angegeben.
Obwohl sich das offenbarte Ausführungsbeispiel auf die räumlichen Strukturen von dreiphasigen oder sechsphasigen (d. h. dual dreiphasigen) Synchronmaschinen bezieht, wie etwa Klauenpoldrehstromgeneratoren und Hybridmaschinen mit internen Permanentmagneten, lässt sich die vorliegende Offenbarung auch auf andere Maschinenstrukturen anwenden, wie etwa Reluktanz- oder Induktionsmaschinen. Fachleute werden verstehen, dass die vorstehend erwähnten Sechsphasenmaschinen (d. h. Dualdreiphasenmaschinen) von einem Typ sind, der zwei Dreiphasenwicklungen hat, die elektrisch 30 Grad voneinander entfernt sind, um Rauschen auszulöschen, wie in 3 gezeigt. Dabei ist jedoch zu verstehen, dass alle Aspekte der hier vorliegenden Offenbarung sich auch auf reine Sechsphasenmaschinen sowie Fünfphasenmaschinen sowie Siebenphasenmaschinen beziehen und darauf angewendet werden können, was Maschinentypen sind, die Fachleiten wohl bekannt sind.
Die hier beispielhaft beschriebenen Ausführungsbeispiele elektrischer Maschinen 130 haben einen vorgesehenen Leistungsbereich von 1,5 bis 17 kW, einen Spannungsbereich von 12 bis 60 V, und äußere Statordurchmesser, die zwischen 120 und 200 mm liegen. Wie 4 zeigt, sind die Ausführungsbeispiele von Elektronikmodulen 132, die hier offenbart werden, integrierte Elektronikbaugruppen, die als separate Komponenten einer elektrischen Maschine gepackt und dafür vorgesehen sind, an einem hinteren Rahmenteil 134 einer elektrischen Maschine 130 montiert zu werden, nämlich an dem axial hintersten Abschnitt der Maschine relativ zu der normalen Orientierung der Maschine in der sie typischerweise installiert wird. Typischerweise stützt der hintere Rahmen einer elektrischen Maschine die Rotorwelle 136 radial und axial relativ zu der zentralen Maschinenachse 138 mittels eines Lagers. Der Rotor 140 kann selbst die zentrale Achse 138 der Maschine definieren, was auch der Stator 142 kann. Integrierte Steuer- und Leistungselektronik für elektrische Maschinen ist üblicherweise hinter dem Stator und dem Rotor angeordnet und an dem hinteren Rahmen moniert. Eine herkömmliche elektrische Maschine 100 mit ihrem integrierten Steuer- und Leistungselektronikmodul 114 ist in 1 dargestellt.
Die Kühlung der integrierten Elektronik von herkömmlichen elektrischen Maschinen beruht in der Regel wenigstens teilweise auf den Mitteln, die zur Kühlung von anderen Maschinenkomponenten vorgesehen sind, die in dem Maschinengehäuse angeordnet sind, wie etwa die Statorwicklungen oder der Rotor. Gewisse Aspekte der hier offenbarten Erfindung(en) beziehen sich auf das Elektronikmodul, das an der Rückseite der elektrischen Maschine montiert ist.
Der hintere Rahmen kann ein Teil 134 enthalten, das eine im Wesentlichen ebene Rückseite 144 bildet, die sich senkrecht zu der zentralen Achse 138 erstreckt. Flüssigkeitsgekühlte elektrische Maschinen weisen oft einen Kühlflüssigkeitskanal oder Kühlwassermantelabschnitt 146 in dem hinteren Rahmenteil auf, der axial einwärts von der Rückseite 144 angeordnet ist. Eine solche Maschine gemäß der vorliegenden Offenbarung ist in 10 dargestellt.
Wie 8 zeigt, kann das hintere Rahmenteil 134 ein Paar interne Ventilatoren 148 aufnehmen, die zusammen mit dem Rotor 140 drehbar sind. Der hintere Ventilator 148 bewirkt einen Luftstrom in einer Vorwärtsrichtung von dem hinteren Ende der Maschine 130 durch die Öffnungen 150 in dem hinteren Rahmenteil 134 axial einwärts zu dem Rotor 140. Luft, die axial in den internen hinteren Ventilator 148 gezogen wird, wird radial auswärts geleitet, üblicherweise an den Statorwicklungen vorbei, die dadurch gekühlt werden, und radial aus der Maschine 130 ausgestoßen.
Wie 9 zeigt, nutzen manche Ausführungsbeispiele 130 der elektrischen Maschine einen externen Ventilator (nicht gezeigt), der zusammen mit dem Rotor 140 drehbar ist und axial vor dem Stator 142 angeordnet ist, um Luft durch Öffnungen in dem Gehäuse der Maschine einzusaugen. Der externe Ventilator bewirkt einen vorwärts gerichteten Luftstrom durch Öffnungen 150 in dem hinteren Rahmenteil 134 und an dem Stator sowie dem Rotor vorbei.
Wie 5 und 6 zeigen, maximiert die räumliche Anordnung der Komponenten in einem Elektronikmodul 132 gemäß der vorliegenden Offenbarung die Nutzung des verfügbaren Modulraums. Die Ausführungsbeispiele zeigen Leistungselektronikbauteile 154 als Leistungsmodule oder MOSFET Module 154, die zwei parallele Sätze 156a, 156b von dreiphasigen MOSFET Gleichrichtern/Wechselrichtern 154 bereitstellen, wie in 3 dargestellt. Die für den Stand der Technik repräsentativen Entwürfe herkömmlicher Maschinen 100 (siehe beispielsweise 1 und 2) ermöglichen physikalisch keine Parallelschaltung der Leistungselektronikbauteile. Diese herkömmlichen Maschinen nutzen drei MOSFET Module 116, die zusammen mit der Steuerelektronik 118 an der Rückseite 112 des hinteren Rahmenteils 110 angeordnet sind, wie allgemein in 2 dargestellt. Der Mangel an physikalischem Raum, der an diesem Ort zur Verfügung steht, verhindert die Anordnung von parallelen MOSFET Gleichrichtern/Wechselrichtern an dieser Stelle. Im Gegensatz dazu ermöglichen Ausführungsbeispiele der elektrischen Maschine 130 gemäß der vorliegenden Offenbarung das Einbauen von sechs MOSFET Modulen 154, die als zwei parallel geschaltete Sätze 156a, 156b von drei Modulen 154 vorgesehen sind, wie in 3 dargestellt. Im Vergleich zu der Leistungselektronik 116 von herkömmlichen Maschinen 100 vergleichbarer Leistungsfähigkeit reduzieren die zwei Sätze 156a, 156b von Leistungsmodulen 154 den durch sie fließenden Strom ungefähr um die Hälfte, da sie parallel geschaltet sind.
Bei dem Beispiel einer dreiphasigen elektrischen Maschine 130, die im Generatorbetrieb 200A Gleichstrom liefert, würden bei einer Maschine 100 nach dem Stand der Technik 200A durch jedes ihre drei MOSFET Module 116 während eines Drittels der Zeit fließen, um den Statorausgang gleichzurichten. Bei einer Maschine 130 gemäß der vorliegenden Offenbarung muss dagegen jedes MOSFET Modul 154 nur 200 A/2 oder 100 A gleichrichten. MOSFET Verluste sind ohmsche Verluste, sodass der Wärmeverlust proportional zum Quadrat des Stroms ist. Demnach reduziert eine elektrische Maschine 130 gemäß der vorliegenden Offenbarung wegen ihrer parallelen Leistungselektronikbauteile 100 denn Leistungsverlust in jedem Leistungselektronikbauteil 154 im Vergleich zu einer herkömmlichen elektrischen Maschine 100 auf ein Viertel (d. h. auf 1/2²) und den Gesamtwärmeverlust der Leistungselektronik um die Hälfte, d. h. (1/4 × 2 = ½); ein Ergebnis, das wesentliche Vorteile gegenüber vergleichbaren herkömmlichen elektrischen Maschinen 100 bringt.
Wie die 1 und 2 zeigen, tritt bei einer typischen herkömmlichen luftgekühlten Maschine 100 die kühlende Luft axial in das hintere Ende der Maschine ein. Die Komponenten 114 der Leistungs- und Steuerelektronik dieser Maschinen verbrauchen jedoch im Wesentlichen die gesamte hintere Fläche des hinteren Rahmens 110 der Maschine und ermöglichen keinen ausreichenden axialen Luftstrom an der Elektronik vorbei, um diese durch Luft zu kühlen. Abwärme von den Leistungsmodulen 116 muss entlang der hinteren Ebene strömen, bevor die Kühlrippen erreicht werden, die außerhalb der Leistungsmodule angeordnet sind. Dieser Strömungsweg erhöht den Wärmeleitungswiderstand und erhöht die Temperatur der Leistungsbauteile 116 dementsprechend.
Zudem befinden sich die Kühlrippen zum Kühlen der Leistungsmodule bei herkömmlichen Maschinen nicht in einem Gebiet, in dem der eintretende Luftstrom hohe Geschwindigkeit hat, und/oder arbeiten mit dem natürlichen Strömungspfad der eintretenden Luft nicht zusammen, sondern erhöhen stattdessen den Strömungswiderstand der Luft und senken somit die gesamten Strömungsraten der kühlenden Luft.
Bei einem anderen herkömmlichen Kühlungskonzept sind die Leistungselektronik 116 und die Steuerelektronik 118 in der Maschine 100 in einem axialen Abstand voneinander angeordnet und kühlende Luft wird durch radiale Einlassöffnungen in die Maschine gesaugt, bevor sie umgelenkt wird und axial in der Maschine strömt. Dieser Aufbau führt jedoch zu großen Druckverlusten wegen der Umlenkung des kühlenden Luftstroms und reduziert somit die gesamte Luftströmungsrate. Dieser Aufbau fördert auch die Rückführung von heißer Luft, die an der Rückseite 100 ausgestoßen wurde, zurück in die radialen Einlassöffnungen für kühlende Luft. Diese Rückführung erhöht praktisch die Temperatur der kühlenden Luft, die in die Maschine eingesaugt wird, und erhöht somit die Temperaturen der Komponenten. Diese Probleme werden mit einer Maschine 130 gemäß der vorliegenden Offenbarung überwunden.
Im Vergleich zu den Ausrichtungen der Leistungsmodule in herkömmlichen elektrischen Maschinen 100 (siehe z. B. 2) sind die an dem Kühlturm 158 angebrachten Leistungsmodule 154 an den Rand gedreht, was mehrere Designvorteile bietet. Gemäß den Ausführungsbeispielen der 4 bis 7 und 11 bis 25 enthält das Elektronikmodul 132 einen metallischen Kühlturm 158, der von einer sich axial erstreckenden ersten Wand 160 definiert wird, die sich zwischen dessen axialem ersten Ende 162 und zweiten Ende 164 um die zentrale Modulachse 168 herum erstreckt, sodass in einer axialen Ansicht (20) der Kühlturm 158 wie ein extrudiertes Polygon mit gerippten Oberflächen oder Rippen 170 geformt ist, die sich von der radial inneren Fläche 172 der ersten Wand 160 einwärts in den Kühlturm erstrecken. Der Kühlturm kann beispielsweise aus Aluminium gegossen oder extrudiert sein, wobei die erste Wand 160 und die Rippen 170 integral gebildete Teile sind. Bei den Ausführungsbeispielen fallen die zentrale Modulachse 168 und die zentrale Maschinenachse 138 zusammen, wenn das Elektronikmodul 132 als eine Komponente der Maschine 130 montiert ist. Die sich axial gegenüberliegenden Enden 162, 174 der ersten Wand definieren erste bzw. zweite sich axial gegenüberliegende Enden 162, 164 des Kühlturms 158. Ein sich axial erstreckender Luftkanal 174 wird durch die radial innere Fläche 172 der ersten Wand 160 definiert.
An der radial äußeren Fläche 176 der Kühlturmstruktur 158 sind die Leistungsmodule 154 auf den ebenen Polygonflächen montiert, die Montagefelder 178 für die Leistungsmodule 154 bilden. Die Montagefelder 178 sind in Umfangsrichtung gleichmäßig auf der radial äußeren Fläche 176 des Kühlturms 158 verteilt. Beispielsweise können die Montagefelder im Wesentlichen in gleichen Winkelschritten auf der radial äußeren Fläche 176 verteilt sein. Der Kühlturm 158 bildet eine Hauptwärmesenke 180 für die Leistungsmodule 154, die mit den Montagefeldern 178 wärmeleitend verbunden sind. Die Rippen 170 des Kühlturms erstrecken sich einwärts direkt weg von den Montageflächen 178 der Leistungsmodule. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist radial einwärts von der ersten Wand 160 eine zweite Wand 182 angeordnet. Die erste Wand 160, die zweite Wand 182 (die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vorhanden ist) und die Rippen 170 sind integral ausgebildete Teile des metallischen Kühlturms 158. Die zweite Wand 182 erstreckt sich axial zwischen den sich gegenüberliegenden ersten und zweiten axialen Enden 162, 164 des Kühlturms 158 und um die zentrale Modulachse 168 herum. In einer axialen Ansicht definiert die zweite Wand 182 ein weiteres hohles Polygon, dessen radial innere Fläche 184 einen Raum oder Schacht 186 definiert, der als Ort für die Steuerelektronik 188 genutzt wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Schacht 186 in dem Kühlturm 158 keinen Boden und hat ein axial vorstehendes Profil, das beispielsweise polygonal sein kann, obwohl zu verstehen ist, dass bei anderen Ausführungsbeispielen die Schachtstruktur 186 eine andere Form oder Tiefe haben kann oder auch ganz weg gelassen werden kann.
Der Kühlturm 158 hat in Ebenen senkrecht zur zentralen Achse 168 entlang der Länge des Elektronikmoduls 132 eine große Querschnittfläche. Bei Einsatz in einer luftgekühlten Maschine 130 ist der axiale Luftstrom entlang des Luftkanals 174, der sich durch den Kühlturm 158 erstreckt, gleichförmig und in der Nähe des radialen Zentrums der Maschine 130, was gut mit dem natürlichen Muster des Luftstroms in Maschinen des Typs mit zwei internen Ventilatoren funktioniert. Optimale Leistung in solche Maschinen resultiert daraus, dass die kühlende Luft in den hinteren Ventilator 148 axial durch den inneren Durchmesser der Ventilatorflügel eintritt. Zudem hat die Wärmesenke 180 Lamellen oder Rippen 170, die quer zu dem Luftkanal 174 verlaufen und zwischen denen die kühlende Luft strömt. Die Rippen 170 erstrecken sich radial einwärts von den Winkelpositionen der Montageplätze des Leistungsmoduls 154 und erstrecken sich auch axial zwischen dem Luftkanaleinlass 190 und dem Luftkanalauslass 192, die jeweils an sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Enden 162, 164 des Kühlturms 158 gebildet sind. Die Rippen 170 schaffen eine große Oberfläche, von der Wärme durch Konvektion an den kühlenden Luftstrom abgegeben wird, was zu einer verbesserten Luftkühlleistung führt. Die Lamellen oder Rippen der Wärmesenke 180 erstrecken sich von dem Ort der Montagefläche des entsprechenden Leistungsmoduls 154 aus radial einwärts zu der zentralen Achse 168 des Kühlturms 158. Die Rippen 170 des Kühlturms 158 sind direkt in dem schnell strömenden Luftstrom der kühlenden Luft, die an der Rückseite des Elektronikmoduls 132 eintrat, und in Übereinstimmung mit dem natürlichen Strömungsweg der Luft angeordnet, die in den Luftkanal 174 durch den Einlass 190 in der Nähe des ersten axialen Endes 162 des Kühlturms 158 eintritt.
Ein Kühlturm 158 gemäß der vorliegenden Offenbarung sorgt für eine maximale räumliche Verteilung der einzelnen MOSFETs sowohl hinsichtlich der Winkel um die zentrale Achse 168 als auch in axialer Richtung. Maximale räumliche Verteilung der Leistungselektronikbauteile 154 zielt darauf ab, deren Wechselwirkung durch Wärmeleitung und die daraus resultierende Bauteiltemperatur zu minimieren.
Der Kühlturm 158 sorgt für ein hohes Maß an Verteilung der einzelnen Leistungsmodule 154, was dazu dient, deren thermische Wechselwirkung zu minimieren und ihre Temperaturen zu reduzieren. Diese Verteilung ist ein Ergebnis der Kühlturmgeometrie, die bei den Ausführungsbeispielen sechs Leistungsmodule 154 in Umfangsrichtung gleichmäßig auf der radial äußeren Fläche 156 einer ersten Kühlturmwand 160 verteilt, die sich zwischen axial gegenüberliegenden Enden 162, 164 des Kühlturms um die zentrale Achse des Elektronikmoduls herum erstreckt. Idealerweise sind Quellen von Wärmeverlusten, wie etwa mehrere MOSFET Module 154, soweit wie möglich voneinander entfernt angeordnet, um ihre Wechselwirkung durch Wärmeleitung zu minimieren. Bei einem Elektronikmodul 132 mit einem Kühlturm 158, wie er hier beschrieben ist, sind die einzelnen MOSFETs im Wesentlichen gleichmäßig entlang eines 360 Grad Bogens um die zentrale Achse 168 der Maschine 130 herum verteilt. Zudem sind die positiven MOSFETs 194 und die negativen MOSFETs 196 in jedem Leistungsmodul 154 in der axialen Richtung der Maschine weit voneinander entfernt.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel des Kühlturms schafft einen Hohlraum oder Schacht 186 für das Anordnen von Steuerelektronik näherungsweise im radialen Zentrum der Hauptwärmesenke 180. Diese zentrale Anordnung maximiert Abstände zwischen der Steuerelektronikschaltung 188 und jedem Leistungsmodul 154. Zudem platziert sie die Steuerelektronikschaltung 188 in einem optimalen Gebiet zur Kühlung, wobei dieses Gebiet am weitesten von den Wärmequellen der Leistungsmodule entfernt ist. Das Anordnen der Steuerelektronik 188 an diesem Ort maximiert zudem die Ausnutzung vorhandenen Bauraums, indem die Steuerelektronik, die vergleichsweise weniger Kühlung als die Leistungsmodule 154 benötigt, direkt hinter dem hinteren Lager der elektrischen Maschine 130 angeordnet wird. Bei manchen Ausführungsbeispielen luftgekühlter Maschinen ist dieses Gebiet ein Totraum des Luftstroms, d. h. ein Abschnitt eines Luftkanals durch den sonst keine Luft strömen würde. Mit anderen Worten würde Luft nicht durch diesen Raum strömen, wenn dort nicht die elektronische Steuerschaltung 188 angeordnet wäre.
Thermische Vorteile resultieren auch aus der Anordnung der Steuerelektronik 188 in der Nähe des radialen Zentrums des Elektronikmoduls 132 und axial hinter den Positionen der Leistungselektronikbauteile. Kühlende Luft tritt an dem hinteren axialen Ende 162 des Elektronikmoduls in einer axialen Richtung in den Kühlturm 158 ein und wird durch den Luftkanal 174 nach vorne zu dem hinteren Rahmen der Maschine 130 gesaugt. Indem die elektronische Steuerschaltung 188 an diesem Ort platziert wird, ist die kältest mögliche Luft zum Kühlen ihrer Komponenten verfügbar, die typischer Weise für niedrigere Temperaturen ausgelegt sind. Weil die Steuerelektronik 188 im Vergleich zu der Leistungselektronik oder dem Stator 142 und dem Rotor 140 der Maschine relativ wenig Wärme erzeugt, erhöht die Steuerelektronik die Temperatur der kühlenden Luft nicht in einer bedeutsamen Weise, die für die stromabwärts angeordneten Komponenten schädlich wäre.
Indem die Steuerelektronik 188 im Zentrum des Elektronikmoduls 132 angeordnet ist, wird zudem der räumliche Abstand zwischen den wärmeproduzierenden MOSFETs, die für höhere Temperaturen ausgelegt sind, und den üblicher Weise für niedrigere Temperaturen ausgelegten Komponenten maximiert. Da die Abwärme von den MOSFETs über die gerippten Oberflächenbereiche des Kühlturms 158 abgeführt wird, sind die Flächen der Wärmesenke um die Steuerelektronik 188 herum kälter als die in der Nähe der MOSFETs, was für die Steuerelektronik vorteilhaft ist.
Indem die Steuerelektronik 188 zentral angeordnet wird, werden auch die Übertragungswege elektrischer Signale zwischen der Steuerelektronik und der Leistungselektronik 152 minimiert, was vorteilhaft Probleme des elektrischen Rauschens und Kabelkosten minimiert.
Die radial äußere Fläche 178 der zweiten Wand 182 des dargestellten Ausführungsbeispiels ist mit der radial inneren Fläche 184 der zweiten Wand über die Rippen 170 verbunden, von denen manchen radiale Speichen bilden, die sich von Winkelpositionen zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Montageplätzen von Leistungsmodulen aus einwärts erstrecken. Die erste Wand 160 und die zweite Wand 182 und die Rippen 170 sind integral durch Aluminiumguss oder -extrusion hergestellt und stehen deshalb miteinander in wärmeleitender Verbindung. Der axiale Luftkanal 174, der zwischen der ersten und der zweiten Wand gebildet ist, wird von den Rippen durchsetzt. Die Form des axialen Querschnitts des Luftkanals 174 ist zwischen den gegenüberliegenden axialen Enden 162, 164 des Kühlturms 158 im Wesentlichen kreisförmig.
Der dargestellte Kühlturm und das Layout des Leistungsmoduls sind für typische Drehstromgeneratorkonstruktionen gut geeignet. Es ermöglicht der kühlenden Umgebungsluft, axial in der Nähe der zentralen Achse 138 durch eine sehr großzügige und in Bezug auf die Winkel gleichmäßige Einlassfläche axial in die Maschine 130 einzutreten, sorgt aber zugleich für ein großes Oberflächengebiet zum Montieren und Kühlen der MOSFET Module 134 durch Wärmeleitung.
Der Kühlturm 158 erleichtert vorteilhaft einen sehr gleichmäßigen Strom von kühlender Luft in das hintere Ende des Elektronikmoduls 132. Das typische Layout der Elektronik von herkömmlichen luftgekühlten elektrischen Maschinen 100 ist geometrisch asymmetrisch hinsichtlich der Winkel und hat Gebiete, die für einen kühlenden Luftstrom vollständig blockiert sind, wie in dem Beispiel der 2 ersichtlich. Eine Ungleichmäßigkeit des kühlenden Luftstroms, die durch eine solche Blockade des Luftstroms bewirkt werden kann, kann heiße Stellen an dem Stator 104 der elektrischen Maschine 100 bewirken, die wiederum die Temperaturbelastbarkeit und/oder Leistung der Maschine reduzieren. Im Vergleich dazu schafft die größere Gleichmäßigkeit des Layouts der Elektronik in dem Elektronikmodul 132 eine relativ gleichmäßige Lufteinlassfläche in den Kühlturm 158 und dort hindurch einen kühlenden Luftstrom, der gleichmäßiger ist, was das eventuelle Auftreten von heißen Stellen an dem Stator 142 minimiert.
Indem die Montagerichtung der Leistungsmodule 154 senkrecht zur Orientierung des hinteren Rahmenteils 134 ist, wird die Fläche der Module, die axial zu der Rückseite 144 der Maschine 130 vorstehen, stark minimiert. Indem die im Allgemeinen flachen Leistungsmodule 154 so orientiert werden, dass sie im montierten Zustand mit ihrem Rand der Rückseite 144 zugewandt und im Wesentlichen parallel zur zentralen Achse 168 sind, ist es möglich, die für einen gewünschten Entwurf einer elektrischen Maschine erforderliche Anzahl von MOSFET Modulen und MOSFET Modulgrößen unterzubringen und ermöglicht wesentlich größere Flexibilität bei der Konstruktion im Vergleich zu dem Layout der Elektronik von herkömmlichen elektrischen Maschinen.
Indem die Rippen oder Lamellen 170 des Kühlturms in dem kühlenden Strom eintretender Luft sind und sich ausgehend von Stellen, die direkt einwärts von den Montagestellen 178 des Leistungsmoduls sind, radial einwärts erstrecken, gibt es einen minimalen Wärmeleitungswiderstand zwischen den Leistungsbauteilen 154 und den Lamellen 170 des Kühlturms 170.
Eine Kühlturmstruktur 158 gemäß der vorliegenden Offenbarung ermöglicht es kühlender Luft, axial in das Elektronikmodul 132 mit minimalem Widerstand und hohem Grad von Winkelgleichmäßigkeit einzutreten.
Bei Ausführungsbeispielen der elektrischen Maschine 130 in einer Bauweise mit internen dualen Ventilatoren, muss kühlende Luft in den hinteren zentrifugalen Ventilator 148 an seiner inneren Blattdurchmesser eintreten, damit der Ventilator richtig funktionieren kann, und die Kühlturmstruktur 158 gemäß der vorliegenden Offenbarung führt natürlicherweise zu dieser Art des Stroms. Maschinen 130 mit externen Ventilatoren, typisch für derzeitige Schwerlastdrehstromgeneratoren funktionieren ebenfalls gut mit dieser Kühlturmstruktur, so das Luft durch den Luftkanal 174 und mit kleinem Strömungswiderstand in den hinteren Teil der Maschine 130 strömen kann.
Die beispielhafte Geometrie des Kühlturms ist auch mit flüssigkeitsgekühlten Anwendungen kompatibel. Bei solchen Anwendungen ist die Rückseite 144 der elektrischen Maschine 130 flüssigkeitsgekühlt und der Kühlturm 158 ist direkt auf die flüssigkeitsgekühlte Fläche montiert. Die Querschnittsfläche der thermisch leitfähigen Glieder 170, die integral mit dem Kühlturm verbunden sind, ermöglicht es der Wärme durch Wärmeleitung von den MOSFETs durch den Kühlturm 158 zu der Rückseite 144 hin abzufließen, von der sie mittels der Kühlflüssigkeit durch Konvektion entfernt werden kann, die durch einen Wassermantel 146 zirkuliert, der von dem rückseitigen Teil 144 des Rahmens gebildet ist. Mit anderen Worten ermöglichen die relativ großen Querschnittsflächen der Kühlturmwand 160, welche die größere Wandfläche 176 definieren, und die Rippen 170 einen niedrigen Wärmeleitwiderstand zum Abführen der Abwärme von den MOSFETs zu der rückseitigen Fläche. Zudem tritt auch natürliche Konvektion an den Rippenflächen der Wärmesenke auf, die zusätzlich Abwärme abführt. Der Kühlturm 158 ist somit sowohl mit luftgekühlten als auch mit flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschinen 130 kompatibel.
In vorteilhafter Weise ist das Elektronikmodul 132 zur Befestigung an dem hinteren Rahmenteil 134 einer elektrischen Maschine 130 über den Kühlturm 158 geeignet, der die Hauptwärmesenke für die Leistungsmodule 154 darstellt. Die Basisplatten 200 der Leistungsmodule 154 und die Modulmontageplätze 178 an dem Kühlturm 158 sind direkt in flächigem Kontakt, wodurch sie elektrisch und wärmeleitend miteinander verbunden sind. Da die Basisplatten 200 und der Kühlturm 158 elektrisch auf Massepotential liegen, kann der Kühlturm direkt an dem hinteren Rahmen der Maschine befestigt werden.
Dies ist für das Elektronikmodul 132 charakteristisch und wichtig für flüssigkeitsgekühlte Anwendungen, bei denen die großzügige Querschnittsfläche der Wärmesenke 180 in Ebenen, die senkrecht zur zentralen Achse 138 der Maschine 130 sind, die Übertragung von Wärme von den Leistungsbauteilen 154 über ihre kontaktierenden Montageflächen zu dem Kühlturm 158 entlang eines primären Kühlpfads 202 erleichtert, um entlang des primären Kühlpfads 202 weiter zu der Rückseite 144 der elektrischen Maschine 130 geleitet zu werden. Die Rückseite 144 wird von einem hinteren Rahmenteil 134 gebildet und definiert die nach hinten zeigende Oberfläche des Maschinengehäuses. Bei flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschinen 130 definiert das hintere Rahmenteil 134 in der Regel einen Durchgang 146 für Kühlflüssigkeit. Wärme wird durch Konvektion von dem hinteren Rahmenteil 134 auf die Kühlflüssigkeit übertragen, die durch den Wassermantel 146 strömt. Wärme, die von dem Kühlturm 158 zu der Rückseite 144 abgeleitet wird, wird durch Konvektion an die Kühlflüssigkeit abgegeben, die durch das hintere Rahmenteil 134 des Rahmens strömt.
Noch eine andere Maschinenstruktur, die Elektronikmodule gemäß der vorliegenden Offenbarung nutzen kann, ist eine luftgekühlte Maschine 130, die einen axial gerichteten Luftstrom hat, der im Wesentlichen entlang der inneren Oberfläche des Durchmessers des äußeren Rahmens der Maschine strömt. Bei einem Ausführungsbeispiel einer solchen Maschine gemäß der vorliegenden Offenbarung werden sowohl Flüssigkeitskühlung als auch Luftkühlung genutzt. Zunächst wird ein Teil der Abwärme von den MOSFETs von den ausgedehnten Oberflächen der Rippen 170 der Kühlturmwärmesenke durch Konvektion an einen axialen Strom kühlender Luft abgegeben, wie bei einem Ausführungsbeispiel einer Maschine mit internen dualen Ventilatoren. Da jedoch die Luft intern an einem Punkt stromabwärts von dem Kühlturm und einer Verbindungsstelle mit dem hinteren Rahmenteil 134 abgelenkt werden muss, wird ein Druckabfall der kühlenden Luft bewirkt, der deren Strömung und somit deren Kühlfähigkeit reduziert. Ebenso wie bei den flüssigkeitsgekühlten Anwendungen ermöglicht jedoch die großzügige Fläche der Wärmesenke 180 in axialen Querschnitten entlang der zentralen Achse 168, dass der verbleibende Anteil der Wärme, der von den MOSFETs über den primären Kühlpfad 202 auf die Wärmesenke 180 des Kühlturms übertragen wird, weiter auf dem Pfad durch den Kühlturm 158 und in das hintere Rahmenteil 134 der elektrischen Maschine 130 geleitet wird, die zusätzliche Oberflächenlamellen, um die Wärmeabfuhr an die kühlende Luft durch Konvektion zu erleichtern, und/oder Öffnungen haben kann, um die Bildung eines parallelen Luftströmungspfades zu ermöglichen, so dass zum Kühlen des Stators und des Rotors der Maschine ausreichend kühlende Luft in die Maschine eintreten kann.
Ein Kühlturm 158 gemäß der vorliegenden Offenbarung ermöglicht eine große Oberfläche für eine gegebene Modulgröße im Zentrum der Struktur, die harmonisch mit der Strömungsrichtung kühlender Luft in luftgekühlten Maschinen zusammenwirkt.
Der geometrische Entwurf und die Konzeption eines Kühlturms gemäß der vorliegenden Offenbarung schafft ein Elektronikmodul 132, das mit luftgekühlten und/oder flüssigkeitsgekühlten Maschinen 130 kompatibel ist.
Der Kühlturm 158 schafft eine sehr steife und starre Trägerstruktur für die daran zu montierende Elektronik. Die Steifheit des Kühlturms ist vorteilhaft für Einsatzfelder der elektrischen Maschine, bei denen diese an Motoren montiert wird und bei denen Schwingungen einen erheblichen Gesichtspunkt darstellen. Die hinteren Rahmenteile 110 von herkömmlichen elektrischen Maschinen 100 sind wegen Motorvibrationen typischerweise verschiedenen Moden des Biegens und Verzehrens ausgesetzt, wenn sie an Motoren eingesetzt werden. Axiale Schwingungen der Masse der Rotorbaugruppe und Kräfte auf die Welle, die durch dynamische Belastung des Riemens auf der Antriebsscheibe bewirkt werden, erzeugen rotierende Kräfte auf das hintere Lager und bewirken dadurch dynamische Kräfte auf dem hinteren Rahmenteil 110 der Maschine, welches das hintere Lager trägt. Bei herkömmlichen elektrischen Maschinen 100 führen diese Biegemoden zu einer Bewegung der elektronischen Komponenten 114 relativ zu einander und können Ausfälle wegen Materialermüdung verursachen, insbesondere von verbindenden Bändern und ähnlichem.
Bei einem Elektronikmodul 132 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist die gesamte Elektronik mechanisch mit der Kühlturmstruktur 158 verbunden und unterliegt nicht den Biegemoden des hinteren Rahmenteils 134. Die integral mit Rippen versehene Struktur des Kühlturms 158 trägt gezielt auch dazu bei, die mechanische Steifheit der Kühlturmstruktur zu erhöhen, obwohl sie primär Kühlzwecken dient.
Der axiale Länge des Kühlturms, sein 360° Profil um seine zentrale Achse 168 und seine integralen Rippen 170 sind kombiniert, um ein Elektronikmodul 132 gemäß der vorliegenden Offenbarung zu schaffen, das vergleichsweise überlegene strukturelle Steifheit hat. Folglich wird die Bewegung von Elektronikkomponenten, die an dem Kühlturm montiert sind, relativ zu einander minimiert und die relative Vibrationstoleranz eines Elektronikmoduls, wie es hier beschrieben ist, wird im Vergleich zu integrierten Elektronikbaugruppen, die in herkömmlichen elektrischen Maschinen eingesetzt werden, stark erhöht. Zudem ist das hintere Rahmenteil 134 der elektrischen Maschine 130 vorteilhaft durch den an ihm befestigten Kühlturm 158 versteift. Die Versteifung des hinteren Rahmenteils 134 minimiert seine Biegungen und Verzerrungen, was wiederum ermüdungsbedingte Ausfälle in der Maschine minimieren kann, wie etwa Ermüdung von Bolzen wegen Biegeermüdung.
Die sehr starre Struktur des Kühlturms 158 beruht darauf, dass dieser ein Profil hat, das sich 360° um die zentrale Achse herum erstreckt und verschränkende Rippen 170 aufweist, die als Versteifungsbalken wirken.
Der Kühlturm 158 ist strukturell starr und minimiert Vibrationsprobleme, da alle Leistungs-MOSFETs direkt an ihm montiert sind. Zudem ist das hintere Rahmenteil 134 der elektrischen Maschine 130 wünschenswert durch das Elektronikmodul 132, das an dem Rahmenteil 134 über den starren Kühlturm 158 montiert ist, versteift.
Die Steuerelektronik 188 ist in dem Körper der Hauptwärmesenke 180 des Kühlturms untergebracht, was den axialen Raum minimiert, der von dem gesamten Elektronikmodul 132 benötigt wird. Die zentrale Montageposition der Steuerelektronikbaugruppe minimiert die Blockade des Luftstroms, minimiert den Einfluss der Abwärme der Leistungselektronik auf die Steuerschaltung, setzt die Steuerelektronik der kältesten kühlenden Luft aus, die in die elektrische Maschine 130 eintritt, und minimiert die Übertragungswege von elektrischen Signalen zwischen der Steuerelektronik 188 und der Leistungselektronik 152, was Probleme mit elektrischem Rauschen und Kabelkosten minimiert.
Bei dem Ausführungsbeispiels des Elektronikmoduls 132 sind die MOSFETs 194, 196 und der MOSFET Treiber 204, die in jedem Leistungsmodul 154 enthalten sind, mit der Wärmesenke 180 des Kühlturms, um welche die Module in Umfangsrichtung herum verteilt sind, in wärmeleitender Verbindung. Wärmeübergang durch Konvektion auf die Hauptwärmesenke ist der primäre Kühlpfad 202 für jedes MOSFET Modul 154. Vorteilhaft teilen sich die positiven (oder high side) Leistungsbauteile 194 und die negativen (oder low side) Leistungsbauteile 196 (MOSFETs) von jedem Leistungsmodul 154 eine gemeinsame Wärmesenke des Moduls. Diese wünschenswerte Eigenschaft beruht darauf, dass sowohl die positiven als auch die negativen MOSFETs 194, 196 identische n-Kanalbauteile mit derselben Polarität sind und sich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine dünne Schicht 206 aus wärmeleitfähiger elektrischer Isolation über die gesamte Innenfläche 208 der metallischen Basis 200 des Moduls erstreckt, wie in 25 gezeigt. Die dünne elektrische Isolationsschicht 200 hat einen niedrigen Wärmeleitwiderstand und kann ein vorhandenes, kommerziell erhältliches Material sein, wie beispielsweise Thermal Clad^TM, was üblicherweise als „T-Clad” bezeichnet wird, einem Produkt der Henkel Kooperation (www.henkel.com) und zuvor von der Bergquist Company von Chanhassen, Minnesota, USA.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Isolierschicht 206 auf die Oberfläche 208 der metallischen Basis 200 der Wärmesenke des Moduls aufgedruckt. Auf diese Isolationsschicht 206 ist eine kupferne Leiterbahn oder ein Streifen (nicht dargestellt) aufgedruckt. Wie 26 zeigt, wird ein wesentlich dickerer Kupferstreifen 210, der für die durch die Leistungsmodule 154 hindurch fließenden Stromstärken geeignet ist, mit dem aufgedruckten Kupferstreifen verlötet. Die positiven MOSFETs 194 werden direkt an dem Kupferstreifen 210 angebracht. Bei jedem Modul 154 sind die Senken der positiven MOSFETs an den Kupferstreifen 210 angeschlossen.
Wie vorstehend erwähnt, nutzt das beispielhafte Elektronikmodul 132 zwei parallele geschaltete Sätze 156a, 156b von drei MOSFET Leistungsmodulen 154. Unter den drei in Umfangsrichtung benachbarten Modulen 154 des ersten Satzes 156a, die jeweils mit einem zugeordneten Leiter 212a des ersten Satzes der Statorwicklungen 214a in Verbindung sind, sind die Kupferstreifen 210 miteinander in Reihe geschalten, um einen ersten Leistungsbus 216a zu bilden. Dementsprechend sind unter den drei in Umfangsrichtung benachbarten Modulen 154 des zweiten Satzes 156b, die jeweils mit einem zugeordneten Leiter 212b des zweiten Satzes der Statorwicklungen 214b in Verbindung sind, der um 30 Grad relativ zu dem ersten Wicklungssatz 214a versetzt ist, die Kupferstreifen 210 miteinander verbunden, um einen in Reihe geschalteten zweiten Leistungsbus 216b zu bilden. Die ersten und zweiten Leistungsbusse 216a, 216b sind an dem B+ Anschluss 218 der Maschine miteinander verbunden, der eine Komponente des Elektronikmoduls 132 ist.
In ähnlicher Weise ist ein anderer, paralleler Kupferleiter oder Streifen (nicht dargestellt) auf die Isolationsschicht 206 aufgedruckt. Wie 26 zeigt, ist ein wesentlich dickeres Kupferteil 220, das für die durch die Leistungsmodule 154 geleiteten Stromstarken geeignet ist, auf diesen aufgedruckten Kupferstreifen aufgelötet und die negativen MOSFETs 196 sind direkt an dem Kupferteil 220 angebracht. In jedem Modul 154 sind die Senken der negativen MOSFETs 196 und die Quellen der positiven MOSFETs 194 elektrisch an das Kupferteil 220 angeschlossen. Das Kupferteil 220 von jedem Leistungsmodul 154 erstreckt sich ausgehend von seinem Modulgehäuse 222, um den entsprechenden Phasenanschluss 224 des Moduls zu bilden, dem die entsprechende Statorwicklung 212b zugeordnet ist, mit welcher das Leistungsmodul 154 über einen Phasenanschlussdraht verbunden ist.
Die Quelle jedes negativen MOSFETs 196 ist elektrisch an die metallische Basis 200 des Moduls angeschlossen und über die Basis und die entsprechende Montagefläche 178 des Kühlturms 158, an dem die Basis des Moduls angebracht ist, geerdet. Der MOSFET Treiber 204 jedes Leistungsmoduls 154 ist direkt auf der elektrischen Isolationsschicht 206 montiert und steht mit der Steuerschaltung 188 über eine entsprechende Signalleitung 226 in Verbindung.
Wie vorstehend erwähnt, gibt die Möglichkeit, eine gemeinsame Hauptwärmesenke 180 auf Massepotential für die positiven MOSFETs 194 und die negativen MOSFETs 196 der Leistungsmodule 154 vorzusehen, anstatt separate positive und negative Wärmesenken der verschiedenen Potentiale zu erfordern, wie dies üblicherweise für Leistungselektronikbauteile 116 von herkömmlichen elektrischen Maschinen 100 gemacht wird, dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul 132 wesentlich größere Flexibilität in der Konzeption im Vergleich zu herkömmlich integrierten Elektronikmodulen 114, um Konvektion für Luftkühlung und/oder Wärmeleitung zur Flüssigkeitskühlung über die Rückseite 144 des hinteren Rahmens einer elektrischen Maschine zu ermöglichen.
Typischerweise ist die Leistungselektronikseite des Phasenanschlusses an die Phasenleiter 212a, 212b der Statorwicklung in einer festen, starren Lage. Ein Drehstromgenerator typischer Größe für Fahrzeuge hat einen im Wesentlichen runden Rahmen mit einem äußeren Durchmesser von 140 mm. Wie 2 zeigt, sind die Phasenanschlussverbinder 120 des Leistungsmoduls in einer herkömmlichen elektrischen Maschine 100 radial so angeordnet, dass sie einen engen Bereich von Maschinengrößen aufnehmen können, wie etwa 129 bis 144 mm Außendurchmesser des Stators.
Ein Schlitz oder eine Aussparung (im folgenden „Hohlraum”) 228 schafft Platz zum Anordnen des entsprechenden Phasenanschlussdrahts 230, der von einem Phasenleiter 212a, 212b der Statorwicklung gebildet wird, die sich zwischen dem Stator 142 und dem dazu gehörenden Phasenanschlussverbinder 224 des entsprechenden Leistungsmoduls erstreckt. Indem diese Hohlräume 228 in der Rückseite 144 des hinteren Rahmens und/oder dem Kühlturm 158 des Elektronikmoduls vorgesehen sind, lassen sich mit identischen Ausführungsbeispielen elektrischer Module 132 relativ größere Variationen in der radialen Position der Phasenleiter 212a, 212b des Stators unterbringen. Ein einzelnes Elektronikmodul 132 kann so in elektrische Maschine 130 verschiedener Statorgrößen eingesetzt werden, einschließlich Größen, die so klein sind, dass der Platz 232 des Phasenleiterausgangs des Stators aus der Rückseite 144 in dem Randbereich des axialen Endes 164 des Kühlturms angeordnet wird, der an der Rückseite 144 angebracht ist, obwohl die Orte des Phasenanschlussverbinders 224 des Moduls außerhalb dieses Umfangs liegen.
Herkömmliche elektrische Maschinen 100, die Layouts von Elektromodulen haben, in denen MOSFET Module 116 an der Rückseite 112 mit Montageflächen der Modulbasis montiert sind, die in einer Ebene angeordnet sind, die senkrecht zu der zentralen Achse 108 liegt, wie in 2 gezeigt, können nicht praktikabel solche Hohlräume in der Nähe der Phasenanschlussdrahtverbinder 120 des Moduls vorsehen, da die Hohlräume an den Modulen 116 selbst sein würden. Es ist jedoch wünschenswert, einen größeren Bereich von Maschinengrößen aufzunehmen. Beispielsweise machen die Designanforderungen, die für ein Ausführungsbeispiel eines Elektronikmoduls 132 gemäß der vorliegenden Offenbarung erwünscht sind, das Aufnehmen von Durchmessern des Stators der Maschine im Bereich 120 mm bis 190 mm erforderlich.
Die MOSFET Module 154, die an dem Kühlturm 158 an in Umfangsrichtung um die zentrale Achse 138 herum verteilten Stellen und in parallel zu der zentralen Achse verlaufenden Ebenen untergebracht sind, schaffen jedoch eine Aussparung 228 zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Leistungsmodulen 154. Die Rippen oder Lamellen 170 des Kühlturms in diesem Bereich können ohne große schädliche thermische Beeinträchtigung entfernt werden, da die Stellen in einer natürlich auftretenden adiabatischen Ebene liegen.
Wegen der axialen Lage des MOSFET Moduls 154, die durch den Kühlturm 158 ermöglicht ist, gibt es etwas axialen Raum 234 zwischen dem Phasenanschlussdrahtverbinder 224 und dem hinteren Rahmen 144 der elektrischen Maschine 130. Dies schafft wertvolle Länge zwischen den Wicklungsköpfen des Stators und den Phasenverbindungen an den Phasenanschlüssen 224 des MOSFET Moduls 154, damit der Statorleiter 230 zwischen den beiden Orten relativ zu der Rotationsachse 138 der Maschinenwelle geführt und radial übergehen kann.
Ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine 130 gemäß der vorliegenden Offenbarung schafft eine schlitzförmige Öffnung oder Aussparung 228 in der Wärmesenke des Kühlturms 180 und/oder dem hinteren Rahmen 134, 144 der elektrischen Maschine 130 in einem Gebiet zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Leistungsmodulen 154.
Manche Ausführungsbeispiele elektrischer Maschinen 130 sind mit mehrere Aussparungen oder Schlitzen („Hohlräume”) 228 versehen, die in Umfangsrichtung entlang der Ecke 236 verteilt sind, die zwischen dem vorderen axialen Ende 164 des Kühlturms, das mit dem hinteren Rahmenteil 134, 144 der Maschine zusammenwirkt und daran befestigbar ist, und der radial äußeren Oberfläche 176 gebildet sind. Jeder Hohlraum 228 ist in radialer Richtung länglich und definiert in der axialen Endfläche 164 des Kühlturms 158 eine Aussparung, die sich axial vorwärts und an Stellen zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Leistungsmodulen 154, die an den Befestigungsplätzen 178 an der radial äußeren Fläche 176 des Kühlturms angebracht sind, radial auswärts öffnet. Jeder Hohlraum 228 erstreckt sich radial einwärts von der radial äußeren Wandfläche 176 zu radialen Positionen entlang der Länge der Hohlräume 228, die mit den Durchgangsstellen 232 des Phasenleiters für Maschinen 130 von verschiedenen Größen zusammenfallen.
Gemäß 30 haben manche Ausführungsbeispiele elektrischer Maschinen 130, die ein solches Elektronikmodul 132 enthalten, einen ausreichend großen Durchmesser, dass deren Phasenverbinder 230 der Statorwicklungen sich durch das hintere Rahmenteil 134 zu Stellen 232 erstrecken, die radial nahe oder außerhalb der Phasenanschlussverbinder 224 der Module liegen. Bei solchen Maschinen sind die Phasenverbinder 230 von ihren entsprechenden Öffnungen 228 aus radial einwärts gerichtet, um an den zugeordneten Phasenanschluss 224 des Moduls angeschlossen zu werden.
Gemäß 31 enthalten andere Ausführungsbeispiele der elektrischen Maschine 130 ein identisches Elektronikmodul 132 und haben einen relativ kleineren Durchmesser. Die Phasenleiter 230 erstrecken sich durch das hinteren Rahmenteil 134 zu Stellen, die radial einwärts von den Phasenanschlussverbindern 224 des Moduls liegen, und möglicherweise an radialen Positionen innerhalb des Hohlraums 228. Bei solchen Maschinen sind die Phasenleiter 230 radial auswärts von ihren entsprechenden Öffnungen 232 aus entlang des Hohlraums 228 ausgerichtet. Der Hohlraum 228 ist mit einem Freiraum zu dem Kühlturm 158 und der Rückseite 144 zum Durchführen des Phasenleiters 230 zu dem Phasenanschluss 224 des Leistungsmoduls bemessen, um den Anschluss den dazugehörenden Phasenanschlusses 224 des Moduls zu erleichtern. Bei solchen Maschinen, bei denen das vordere axiale Ende 164 des Kühlturms die Austrittsstelle 232 des Phasenanschlussdrahts überdeckt, kann der gewickelte Phasenanschluss (oder Phasenanschlussdraht) 230 radial entlang des Hohlraums 228 mit ausreichendem Freiraum geführt werden, um eine Beschädigung des Drahtes zu verhindern und ein ordentliches Aufsetzen des Kühlturms 158 auf das hintere Rahmenteil 134 zu ermöglichen.
Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Elektronikmodul 132 optional Hohlräume 228 enthalten, aber die Rückseite 144 ist mit einer Öffnung 228 versehen, die in radialer Richtung verlängert ist und durch welche der Phasenanschluss 230 die Rückseite an Positionen 232 verlassen kann, die ausreichenden Abstand zu dem vorderen axialen Ende 164 des Kühlturms ermöglichen.
Indem für eine einfache Phasenanschlussdrahtstruktur 224 mit einem aus dem MOSFET Modul 154 herausgeführten Wickelband reichlich Platz 234 ist, können Phasenanschlussdrähte 230 mit unterschiedlichem Querschnitt aufgenommen werden. Die Verbindung wird durch Löten oder Schweißen der Verbindung vervollständigt.
Eine einstückig gegossene Plastikführung (nicht dargestellt) schafft die erforderliche elektrische Isolation zwischen dem Phasenleiter/Phasenanschlussdraht 230 der Statorwicklung, und dem Rahmen 134, 144 sowie dem metallischen Kühlturm 158. Diese Führung/Isolator wird einfach beim Zusammenbau zwischen dem Kühlturm und dem hinteren Rahmen gefasst, um den Isolator(en) in Position zu halten.
Die Außenfläche 238 der Abdeckplatte 240 jedes Leistungsmoduls ist radial auswärts gerichtet und ungehindert der Umgebungsluft ausgesetzt, die das Elektronikmodul 132 umgibt. Dies erleichtert die Übertragung von Wärme, die von dem Leistungselektronikbauteil 154 erzeugt wurde, über die Abdeckplatte 240 durch Konvektion an die Luft, welche das Elektronikmodul umgibt. Die Außenfläche 238 der Abdeckplatte ist beispielsweise mit Lamellen 242 versehen, um durch Konvektion Wärmeübertragung von ihr an die Umgebungsluft zu verbessern. Ein Ausführungsbeispiel des Elektronikmoduls 132 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist somit mit bidirektionaler Kühlung jedes Leistungsmoduls 154 in entgegengesetzten radialen Richtungen ausgestattet.
Die MOSFET Module 154 sind an der Kühlturmstruktur 158 angebracht, so dass bidirektionale Kühlung der Leistungselektronik maximiert werden kann. Wärmeverluste jedes Leistungsmoduls 154 folgen zunächst einem primären Kühlpfad 202 radial einwärts durch die Modulbasis 200 in die Hauptwärmesenke 180, die von dem Kühlturm 158 an der Modulmontagestelle gebildet wird und von der die entsprechenden Kühllamellen 170 radial einwärts ausgehen. Wärmeverluste jedes Leistungsmoduls 154 folgen zunächst auch einem entsprechenden sekundären Kühlpfad 244 radial auswärts durch seine gegossene Aluminiumabdeckplatte 240 und durch die gerippte Außenfläche 238 der Abdeckplatte hindurch zu der Umgebungsluft. Die bidirektionalen Kühlpfade 202, 244 von den Leistungselektronikbauteilen 194, 196, 204 jedes Moduls 154 minimieren den thermischen Widerstand für den Wärmeabfluss von den darin angeordneten Leistungselektronikbauteilen. Wärmeverluste von den Leistungsmodulen 154 folgen kollektiv ebenfalls radial einwärts primären Kühlpfaden 202 und radial auswärts sekundären Kühlpfaden 244 relativ zu dem Elektronikmodul 132. Die primären und sekundären Kühlpfade sind parallele Pfade anstellen von seriellen Pfaden.
Die radial einwärts gerichtete innere Fläche 246 jeder Modulabdeckplatte 240, die den MOSFETs 194, 196 und dem MOSFET Treiber 204 in dem Modul 154 ausgesetzt ist, ist mit integral gegossenen Sockeln 248 versehen, die sich radial einwärts zu den MOSFETs und dem MOSFET Treiber hin erstrecken. Relativ zu jedem Leistungsmodul 154 bilden die gegossenen Aluminiumabdeckplatte 240 und ihre integralen Buckel 248 eine Wärmesenke für Abwärme von den Leistungselektronikbauteilen und einen zweiten Kühlpfad. Von einem elektrischen Standpunkt aus gesehen, kann die gegossene Aluminiumabdeckplatte 240 die elektronischen Komponenten oder ihre Drahtverbindungen nicht berühren, sodass die Oberflächen der Buckel 248 in einem Abstand davon angeordnet sind. Indem die Oberflächen der Buckel so nah wie möglich an den MOSFETs 194, 196 und dem MOSFET Treiber 204 angeordnet werden, während dazwischen ein Spalt beibehalten wird, wird jedoch die Gesamtkühlung der Leistungsmodule 154 verbessert. Der Wärmeübergang zu den Oberflächen der Buckel könnte möglicherwiese erhöht werden, indem der Spalt zwischen den Buckeln 248 und den MOSFETs 194, 196 und/oder dem MOSFET Treiber 204 minimiert wird. Eine solche Modifikation könnte ein Verlängern der Buckel 248 und eine geringe plastische Verformung des natürlichen Bogens oder der Biegung in den Drahtanschlüssen zu den MOSFETs und dem MOSFET Treiber beinhalten, indem eine einfache axiale Presse oder ein geeignet geformtes Werkzeug eingesetzt werden. Minimieren der Spalte zwischen diesen Bauteilen und der Wärmesenke würde den Wärmeleitungsabfall entlang des zweiten Kühlpfads reduzieren und so die Bauteiltemperaturen weiter reduzieren.
Obwohl der MOSFET Treiber 204 im Vergleich zu den MOSFETs 194, 196 sehr wenig Wärme erzeugt, ist es wichtig, die Treibertemperatur so gering wie möglich zu halten. Jeder MOSFET hat eine angestrebte Betriebstemperatur im Bereich von 150°C. Da der MOSFET Treiber mit den MOSFETs zusammen in dem Gehäuse 222 des Leistungsmoduls angeordnet ist, ohne das spezielle Vorkehrungen zum Kühlen des Treibers 204 getroffen sind, wäre er ebenfalls einer Umgebung in dem Temperaturbereich von 150°C ausgesetzt, da er von Oberflächen, die im allgemeinen auf dieser höheren Temperatur sind, umgeben ist.
Kühlende Umgebungsluft, welche die elektrische Maschine 130 umgibt, ist in der Regel in dem Bereich von 125°C. Bidirektionale Kühlung für den MOSFET Treiber 204 in dem Leistungsmodul ermöglicht es, den MOSFET Treiber auf Temperaturen zu kühlen, die tiefer als die Temperatur des MOSFETs sind. Indem die integral ausgebildeten Buckel 248, die von der Innenfläche 246 der gegossenen Aluminiumabdeckplatte 240 des Moduls ausgehen, dicht in der räumlichen Nähe des MOSFET Treibers angeordnet sind, kann Wärme von dem Raum direkt in der Nähe des Treibers einschließlich der Abwärme von dem Treiber selbst zu der Oberfläche des Buckels 248 abgeführt und entlang des sekundären Kühlpfads 244 zu der äußeren Oberfläche 238 der Abdeckplatte geleitet werden, von der sie durch Konvektion an die Umgebungsluft abgegeben werden kann. Der MOSFET Treiber kann somit auf eine Temperatur gekühlt werden, die niedriger als die überwiegende Temperatur um den Treiber 204 herum ist und nahe an der Temperatur der Umgebungsluft liegt, wodurch die Zuverlässigkeit des Treibers verbessert wird.
Ein zweiter Vorteil der Ausstattung der gegossenen Aluminiumabdeckplatte 240 mit integralen Buckeln 248 liegt darin, dass die Buckel dazu beitragen, die Wärmekapazität zu erhöhen. Durch die erhöhte Wärmekapazität, die durch die gegossenen Aluminiumbuckel bewirkt wird, wird eine bidirektionale vorübergehende Kühlung erreicht. Im Einsatz unterliegt ein Leistungsmodul 154 nicht nur einem fortdauernden elektrischen Betrieb, sondern erfährt wegen der Natur des Produkts und seines Einsatzes auch Spitzenbelastungszustände. Unter solchen Bedingungen tritt eine große vorübergehende elektrische Belastung auf, während der die Bauteile 194, 196, 204 typischer Weise ihre höchsten Temperaturen haben. Die hohe vorübergehende elektrische Belastung führt deshalb zu einer hohen vorübergehenden thermischen Belastung, welche die Zuverlässigkeit der Leistungselektronikbauteile beeinträchtigen kann. Die Masse des Teils der Hauptwärmesenke 180, der in der Nähe der Montagestellen 178 der Leistungsmodule ist, trägt wesentlich zum Aufnehmen vorübergehender thermischer Energie auf, aber die Masse der Buckel 248 der gegossenen Aluminiumabdeckplatte, deren Oberflächen nahe an den Leistungselektronikbauteilen 194, 196, 204 angeordnet sind und die Teile des sekundären Kühlpfads 244 bilden, trägt ebenfalls dazu bei, die vorübergehende thermische Energie aufzunehmen und die Bauteile beim Einsatz der Maschine unter Spitzenbelastungszuständen relativ kühler zu halten. Aus einer Perspektive der Wärmekapazität ist somit effizient ein Wärmespeicher radial einwärts und radial auswärts der Leistungselektronikkomponenten jedes MOSFET Moduls geschaffen, der dazu dient, die vorübergehende Wärmebelastung aufzunehmen.
Die bidirektionale Kühlung, die durch die gegossene Modulabdeckplatte 240 aus Aluminium erreicht wird, trägt auch dazu bei, ein gemeinsames Ausführungsbeispiel eines Elektronikmoduls zu schaffen, das sowohl für luftgekühlte als auch für flüssigkeitsgekühlte Anwendungen genutzt werden kann. Derartige Ausführungsbeispiele sind notwendiger Weise nicht in Bezug auf jedes Kühlmedium thermisch optimiert, damit das physikalische Layout und der Entwurf des Elektronikmoduls 132 allgemein bleiben kann. Indem jedoch ein Teil der Abwärme der Leistungs-MOSFETs 194, 196 über den sekundären Kühlpfad 244 entfernt wird, werden die Anforderung für Wärmeübertragung über den primären Kühlpfad 202 reduziert. Das Abführen eines Teils der erzeugten Wärme durch die Modulabdeckplatte 240 über den sekundären Kühlpfad 244 trägt dazu bei Kompromisse zu minimieren, welche die Kühlleistung im Vergleich zu jedem Medium einzeln suboptimal machen und erleichtert es, eine gemeinsame Konstruktion des Elektronikmoduls 132 zu schaffen, welche die thermische Anforderungen von beiden Kühlmedien erfüllt.
Bidirektionale Kühlung von Leistungselektronikbauteilen ermöglicht vorteilhaft den Einsatz von identischen Ausführungsbeispielen von Elektronikmodulen 132 gemäß der vorliegenden Offenbarung sowohl in luftgekühlten als auch in flüssigkeitsgekühlten elektrischen Maschinen 130. Bidirektionale Kühlung von jedem Leistungsmodul 154 wird erreicht, indem das Leistungsmodul in wärmeleitendem Kontakt zu der Hauptwärmesenke 180 montiert wird. Die Hauptwärmesenke überträgt von dem Leistungselektronikbauteil erhaltene Wärme an Luft oder Kühlflüssigkeit. Bidirektionale Kühlung jedes Leistungsmoduls 154 wird auch durch die gerippte aus Aluminium gegossene Modulabdeckplatte 240 erreicht, die von den Leistungselektronikbauteilen über die Buckel 248 erhaltene Wärme durch Konvektion an die Umgebungsluft abgibt.
Mit anderen Worten erfolgt die Kühlung der MOSFETs auf dem primären Kühlpfad 244 zunächst durch Wärmeleitung durch die Leistungsmodulmontagefläche 178 der Hauptwärmesenke 180 hindurch und anschließend durch Konvektion von der Hauptwärmesenke 180 oder einem hinteren Rahmenteil 134, 144 der elektrischen Maschine, an dem der Kühlturm 158 angebracht ist, an Luft oder Kühlflüssigkeit. Die Kühlung der MOSFETs entlang des sekundären Kühlpfads 244 erfolgt zunächst durch Wärmeleitung durch die Wärmesenke der Modulabdeckplatte 240 und anschließend von den an der Außenseite 238 der Modulabdeckplatte 240 ausgebildeten Rippen 242 durch Konvektion an umgebende Luft.
Wie vorstehend erörtert, wird durch das Anordnen der elektronischen Steuerschaltung 188 an einem radial zentralen Ort in dem Luftkanal 174 des Kühlturms bei luftgekühlten Ausführungsbeispielen der elektrischen Maschine 130, insbesondere bei Ausführungsbeispielen der elektrischen Maschine, bei denen eine Totzone des Luftstroms auftritt, der negative Einfluss einer Blockade auf den Luftstrom minimiert. Das Minimieren der axial vorstehenden Fläche der radial zentrisch positionierten Steuerelektronik 188 in Ausführungsbeispielen einer luftgekühlten Maschine kann jedoch Verbesserungen hinsichtlich des Luftstroms durch den Kühlturm liefern, insbesondere bei Ausführungsbeispielen der Maschine, die nicht durch einen Totraum des Luftstroms gekennzeichnet sind.
Zu diesem Zweck können deshalb bestimmte Ausführungsbeispiele eines Elektronikmoduls gemäß der vorliegenden Offenbarung Steuerelektronik 188 enthalten, die Leiterplattenmaterialabschnitte 250 aufweist, die relativ zu ihrer typischen Orientierung bei herkömmlichen elektrischen Maschinen am Rand gebogen sind, so dass sie sich in Richtungen erstrecken, die im Wesentlichen parallel zu der zentralen Achse 168 des Kühlturms verlaufen. Mit anderen Worten sind die Abschnitte 252 der Steuerschaltung solcher Ausführungsbeispiele im Wesentlichen senkrecht relativ zu einer im Wesentlichen ebenen Rückseite 144 des hinteren Rahmens orientiert. Diese Orientierung ermöglicht es, dass die elektronischen Steuerschaltung 188 in einem axial minimal vorstehenden Gebiet in der Nähe des radialen Zentrums des Kühlturms 158 angeordnet sein kann.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Abschnitte 252 der elektronischen Steuerschaltung so orientiert, das sie in einem Plastikbecher oder Fach 254 angeordnet sind, das von einem Boden 256 und umgebenden Seitenwänden 258 gebildet ist, die sich entlang der radialen inneren Fläche 184 der zweiten Wand 182 des Kühlturms erstrecken, welche den Schacht 186 definiert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die axial vordere Fläche 260 des Fachbodens 256 im Wesentlichen bündig mit dem zweiten axialen Ende 164 des Kühlturms 158, der zur Befestigung an einem hinteren Rahmenteil 134, 144 der elektrischen Maschine 130 vorgesehen ist. Der Fachboden 256 dieses Ausführungsbeispiels ist vertieft, um das hintere axiale Ende der Rotorwelle und einen Bürstenhalter aufzunehmen. Die Seitenwände 258 des Fachs bilden eine Öffnung 262, über der ein metallischer Deckel oder eine Abdeckplatte 264, die einen Regleranschluss 266 enthält, montiert wird, um den Innenraum des Fachs zu verschließen. Die Steuerschaltung 188, das Fachs 254 und Abdeckplatte 264 bilden eine Steuerelektronikbaugruppe 268. Die Steuerelektronikbaugruppe ist innerhalb der sie umgebenden zweiten Wand 182 des Kühlturms 158 installiert und von ihr geschützt. Das Fach 254 kann aus glasgefülltem Nylon hergestellt sein und isoliert die Steuerelektronik 188 thermisch von der von den MOSFETs erzeugten und abgegebenen Verlustwärme, indem der Wärmeleitwiderstand zwischen ihnen stark erhöht wird. Der Deckel 264 ist jedoch aus Metall und der auftreffenden kühlenden Luft ausgesetzt, um eine Wärmesenke für Komponenten der Steuerelektronik (wie etwa die Feldausgabevorrichtung) zu bilden, die eine kleine Wärmemenge erzeugen, im Allgemeinen im Bereich von 5–10 Watt. Indem Abschnitte 252 der Steuerschaltung einschließlich derartiger Komponenten der Steuerelektronik auf der axial nach vorne gerichteten Innenfläche 270 des Fachdeckels 264 angeordnet werden, werden diese Komponenten thermisch von dem Rest der Steuerelektronikschaltung isoliert.
Der Aufbau des Bechers 254 und des Deckels 264 der Steuerelektronikbaugruppe bietet Schutz für die Steuerelektronik 188, indem er diese vor externen Spritzern und Verunreinigungen abschirmt. Er reduziert auch die Gesamtkosten, indem er ein schützendes Gehäuse für die Elektronik schafft, das kein zusätzliches Umhüllen oder Umspritzen der Leiterplatte zum Schutz erforderlich macht. Zudem schafft die umgebende Wand 182 des Kühlturms 186 Mittel zum Montieren und Schützen der Steuerelektronikbaugruppe 268. Wie vorstehend erwähnt, kann die Schachtstruktur 186 andere Form oder Tiefe haben oder vollständig weggelassen werden. In ähnlicher Weise kann der Aufbau der Steuerelektronikbaugruppe 268 auch anders als dargestellt ausgeführt sein.
Während manche Ausführungsbeispiele des Elektronikmoduls 132 eine elektronischer Steuerschaltung 188 enthalten, die ausschließlich starres Leiterplattenmaterial 250 nutzt, enthalten manche anderen Ausführungsbeispiele des Elektronikmoduls 132 eine elektronische Steuerschaltung 188, die flexibles Leiterplattenmaterial 272 nutzt. Derartiges Material ist kommerziell erhältlich von, z. B. Minco Products, Inc. aus Minneapolis, Minnesota, USA (www.minco.com). Dieses Material kann dieselben Arten von Eigenschaften und Designflexibilität wie herkömmliches, starres Leiterplattenmaterial haben, einschließlich mehrerer Lagen. Das flexible Leiterplattenmaterial 272 kann jedoch gebogen, verdrillt, gefaltet oder anders verformt werden und weiterhin im Wesentlichen wie starres Leiterplattenmaterial funktionieren.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dieses Designs werden Teile von Hartplatten einschließlich Abschnitte 252 der Steuerschaltung, die von dem flexiblen Leiterplattenmaterial 232 getragen werden sollen, auf flexibles Leiterplattenmaterial laminiert. Das flexible Leiterplattenmaterial 272 wird mit elektrisch leitenden Bahnen oder Drähten 274 hergestellt, durch die Leiter der Abschnitte der Steuerschaltung 252, die auf separaten Hartplattenteilen 250 enthalten sind, elektrisch aneinander angeschlossen werden können. In Ecken zwischen angrenzenden starren Hartplattenteilen 250 wird das flexible Leiterplattenmaterial 272 (und seine verbindenden Leiterbahnen 274) verformt, um das Positionieren von Hartplatten in unterschiedlichen Ebenen zu erleichtern. Dadurch wird es möglich, diese starren Leiterplattenteile 250 miteinander zu verbinden, ohne stiftartige Verbinder und/oder Kabel einzusetzen.
Bei manchen alternativen Ausführungsbeispielen ist das Layout der Steuerschaltung in mehrere Steuerschaltungsabschnitte 252 aufgeteilt, die dann auf flexibles Leiterplattenmaterial 272 gedruckt/montiert werden, um ein einzelnes Stück 276 aus flexiblen Leiterplattenmaterial 272 in der Steuerschaltung 188 zu schaffen. Die elektrischen Leiterbahnen 274 von mehreren flexiblen Leiterplatten Layouts werden auf ein Blatt flexibles Leiterplattensubstrat gedruckt, die einzelnen flexiblen Leiterplattenmaterialstücke 276 werden dann aus dem Blatt ausgeschnitten. Ähnliche Versionen flexiblen Leiterplattenmaterials 272 können hergestellt werden, die sich in ihrer Länge und Leiterkonfiguration unterschieden, um funktionale Teile der Steuerschaltung vorzusehen, wie dies durch die gestrichelten Umrisse in 52 und 53 angedeutet ist. Wie 54 zeigt, ist das flexible Leiterplattenmaterial 272 im unverformten Zustand gut verschachtelt, was eine hohe Materialausnutzung von Lager und Versandbehältern erleichtert.
Manche Ausführungsbeispiele machen sich weitere Vorteile der Eigenschaften des flexiblen Leiterplattenmaterials 272 zu Nutze und bei diesen Ausführungsbeispielen enthält die Steuerschaltung 188 integral gebildete Signalleitungen 278 zwischen der Steuerschaltung 188 und dem MOSFET Gate-Treiber 204. Die Signalleitung 278 enthält Leiter 274, die auf dasselbe einzelne Stück flexiblen Leiterplattenmaterials 272 gedruckt sind, das für die Steuerschaltung verwendet wird. Mit anderen Worten erstrecken sich die Signalleitungen 278 des flexiblen Leiterplattenmaterials 272 zu den verschiedenen MOSFET Gate-Treibern 204 und werden einfach entlang der Wand aus dem gegossenen Plastikmaterial des Gehäuses 222 des MOSFET Moduls in Position gebogen. Verbinderkörper 282 können an den Anschlussenden der Signalleitungen 278 und ihren entsprechenden Leitern 274 direkt zu dem flexiblen Leiterplattenmaterial 272 hinzugefügt werden. Diese Verbinder werden dann in die Anschlüsse 284 der MOSFET Treiber der entsprechenden MOSFET Module 154 gesteckt, um die Schaltung zu vervollständigen. Auf diese Weise werden ein separater Kabelbaum, der Signalleitungen zum Kommunizieren von Signalen der Gate-Treiber der Steuerschaltungsbaugruppe 188 zu den sechs MOSFET Modulen 154 enthält, und die separaten damit verbundenen Drahtanschlüsse zwischen dem Kabelbaum und der Steuerschaltung eliminiert.
Ein Sockel 286 aus Aluminium ist an der ersten Wand 160 des Kühlturms angeordnet, an der die MOSFET Module montiert werden. Der Sockel 286 kann von den Seitenkanten eines axial beweglichen Schneidwerkzeugs bearbeitet werden, wodurch eine einfachere Vorgehensweise zum Bilden von flachen Montageflächen dem Minimieren der Temperaturdifferenz zwischen den MOSFET Modulen 154 und der Wärmesenke 180 zur Verfügung steht. Die gesamte axiale Ausdehnung der Montagefläche des Sockels kann somit auf einmal geschnitten werden, indem der Kühlturm 158 in einer aufrechten Position in einer Drehbank eingeklemmt wird, wodurch ein einfacher Zugang zu den Montageflächen des Sockels gegeben ist. Zusätzlich kann bei einer festen Drehbank ein Werkzeugweg eingerichtet werden, um alle Sockelmontageflächen zur selben Zeit zu bearbeiten.
Ein weiterer Vorteil, der dieses scheinbar subtile, aber recht wichtige Designmerkmal betrifft, bezieht sich auf die thermischen Aspekte der Konstruktion. Das hier offenbarte Elektronikmodul 132 wird in elektrischen Maschinen 130 verwendet, deren Einsatz sehr harte vorübergehende Belastungen der Leistungselektronik mit sich bringt, wie beispielsweise das Erzeugen des Drehmoments zum Starten eines Motors.
Bei diesen kurzen vorübergehenden Bedingungen können der hohe Strom und der daraus resultierende Temperaturanstieg am besten ausgehalten werden, indem eine ausreichende Wärmekapazität geschaffen wird, die so dicht wie möglich an dem MOSFET angeordnet ist, um vorübergehende Spitzen in der während dieser Zeit erzeugten Wärme aufzunehmen. Der Sockel 286 der zusätzlichen Aluminiummasse ist dem Kühlturm an der Montagefläche genau dort hinzugefügt, wo sie benötigt wird, ohne Masse über den gesamten Randbereich des Kühlturms hinzuzufügen, was bei zusätzlichen Kosten nur geringe Vorteile bringen würde. Dies hat auch den weiteren Vorteil, die Querschnittsfläche radial einwärts der MOSFETs zu erhöhen, wo sie am meisten zum Verteilen der Wärme durch Wärmeleitung benötigt wird. Auch hier ist das Erhöhen der Querschnittsfläche der Wärmesenke weiter weg von den MOSFETs vergleichsweise weniger effizient und würde die Kosten erhöhen, aber nur begrenzten Nutzen haben. Durch den Einsatz eines separaten Sockels für jedes entsprechende MOSFET Modul wird der Nutzen der Wärmeleitung maximiert, während die zusätzlichen Materialkosten minimiert werden.
Ein weiterer subtiler aber wesentlicher Vorteil der offenbarten Sockelstruktur ist der elektrische Abstand, den sie zwischen Masse und B+ und Phasenanschlussleitern 216a, 216b, 230 erzeugt. Indem jedes MOSFET Modul 154 auf einer entsprechenden Sockelmontagefläche 288 in einem erhöhten radialen Abstand von der radial äußeren Fläche der ersten Wand 160 montiert ist und dann über die hintere Plastikhülle 290 des Elektronikmoduls um das Modul 154 herum und über den Rand seines Sockels übersteht, wird der elektrische Abstand zwischen den Leitern 216a, 216b, 230 und der geerdeten Wärmesenke 180 des Kühlturms direkt um die radiale Höhe des Sockels 286 erhöht.
Noch ein weiterer Vorteil, der durch die neue Sockelstruktur erzielt wird, betrifft den verbesserten Schutz vor Verunreinigungen und Spritzern. Wären die MOSFET Module 154 mit der Basis 200 bündig an dem freiliegenden, radial innersten Abschnitt der Leistungsmodulmontagefläche der radial auswärts gerichteten Oberfläche der Wärmesenke des Kühlturms montiert, könnten auftreffende Spritzer die Seite der Wärmesenke, z. B. die radial äußere Fläche 176 herunter laufen und Straßenschmutz in den Spritzern könnte dann direkt den radialen Abstand von den geerdeten Abschnitten des Moduls 154 oder der Wärmesenken 186 zu Stellen überspannen oder überbrücken, an denen die Leiter 216a, 216b, 224 aus dem Modul austreten, oder dazu führen, dass sich Schmutz entlang des Rands der Verbindungsfläche zwischen der Basiswärmesenke des MOSFET Moduls und Abdeckung ablagert. Dies könnte unerwünschter Weise dazu führen, dass Straßenschmutz in das MOSFET Modul bzw. die MOSFET Module gelangt, oder Leckageströme von dem Modul bzw. den Modulen oder den Leitern bewirken. Indem jedes Leistungsmodul 154 an der Montagefläche eines radial auswärts vorstehenden Sockels 286 montiert ist, wobei das Modulgehäuse 222 einen überhängenden Abschnitt 296 hat, wird ein natürlicher Abfluss 298 gebildet, der Straßenspritzwasser von diesem Gebiet abführt. Elektrische Abstände zwischen den Leitern 216a, 216b, 226 des Moduls und der radial äußeren Fläche 176 werden erhöht, was die Möglichkeit dieser schädlichen Ereignisse minimiert. Ein Abschnitt 296 des Plastikgehäuses 222 des MOSFET Moduls erstreckt sich über den Rand des Sockels 286 der Wärmesenke 188 des Kühlturms hinaus, um eine Leiste 300 zu schaffen, die einen natürlichen Abfluss 298 bildet, der Spritzer abführt und einen Ablauf weg von diesem Gebiet bildet. Die Leiste 300 verlängert auch den Pfad zwischen den Kupferanschlüssen 216a, 216b, 224 des Moduls und Masse (d. h. der Wärmesenke 180) und bildet eine Geometrie, die die Ablagerung von elektrisch leitenden Spuren (z. B. von Verunreinigungen wie Straßensalz) wesentlich erschwert. Solche leitfähigen Spuren können oft zu Problemen der Stromleckage führen.
Die Gesamtheit jedes Sockels 286 ragt radial auswärts von dem Rest der Turmstruktur 180 nach außen, wobei ihre jeweilige radial auswärts gerichtete ebene MOSFET Modulmontagefläche 288 im Wesentlichen parallel zur Wellenachse ist. Somit ist der Turm mit mehreren diskreten, in Umfangsrichtung um die zentrale Achse herum verteilten Sockeln versehen. Die Sockel 286 sind gleichmäßig auf der radial äußeren Fläche des Kühlturms verteilt (z. B. unter im Wesentlichen gleichen Winkeln) und die Modulmontageflächen sind relativ zu einem gedachten Kreis tangential, der mit der Längsrichtung der Achse konzentrisch und senkrecht zu ihr ist.
Die Sockeloberfläche 288 zum Anbringen eines MOSFET Moduls schafft zusätzliche Masse und Querschnittsfläche zum Aufnehmen einer vorübergehenden Wärmebelastung und minimiert so Wärmeleitwiderstände für die Wärmeabfuhr von der Wärmequelle und tut dies in einer Weise, die die Menge des hinzugefügten Materials minimiert und die Leichtigkeit und Geschwindigkeit des maschinellen Bearbeitens der Sockelflächen erleichtert, an denen die MOSFET Module montiert werden.
Die Sockelmontagefläche 288 für jedes MOSFET Modul bewirkt eine erhöhte Trennung und einen größeren elektrischen Abstand zwischen den Leitern, die aus den Modulen austreten und den freiliegenden Oberflächen der Wärmesenke 180 des Kühlturms, die auf Massepotential liegt.
Die Sockel 286 bewirken einen Schutz der MOSFET Module vor Spritzern und Verunreinigungen, indem Abflüsse 298 geschaffen werden, um Spritzer und von Spritzern getragene Verunreinigungen von den Modulen 154 abzuführen, und bewirken trennende Abstände, über die sich leitfähige Spuren der Verunreinigungen mit geringer Wahrscheinlichkeit ablagern, was die Wahrscheinlichkeit von Leckageströmen von den Modulen reduziert.
Obwohl Ausführungsbeispiele vorstehend offenbart wurden, ist die Erfindung nicht notwendiger Weise auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt. Stattdessen soll die Anmeldung auch beliebige Abwandlungen, Anwendungen oder Anpassungen der vorliegenden Offenbarung unter Verwendung ihrer allgemeinen Prinzipien abdecken. Zudem ist die Anmeldung dazu gedacht, solche Abweichungen von der vorliegenden Offenbarung abzudecken, wie sie in der üblichen Praxis des Fachgebiets, auf das sich die vorliegende Offenbarung bezieht, vorkommen und die in dem Umfang der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

Elektronikmodul vorgesehen zum Anbringen an einem hinteren Rahmenteil einer elektrischen Maschine, wobei das Elektronikmodul enthält: einen Kühlturm, der erste und zweite axiale Enden hat, die sich entlang einer zentralen Modulachse in einem Abstand gegenüber liegen, wobei der Kühlturm aufweist: eine metallische Wand, die sich um die zentrale Modulachse herum erstreckt, um eine radial innere Wandfläche und eine radial äußere Wandfläche zu definieren, wobei die radial innere Wandfläche einen sich axial erstreckenden Luftkanal durch den Kühlturm bildet und der Luftkanal einen Einlass in der Nähe des ersten axialen Endes hat, und in einem Abstand voneinander angeordnete metallische Rippen, die mit der radial inneren Wandfläche wärmeleitend verbunden sind, wobei die Rippen den Luftkanal durchqueren, und mehrere Leistungselektronikbauteile, die in wärmeleitender Verbindung an dem Kühlturm auf in Umfangsrichtung verteilten Stellen an der radial äußeren Wandfläche angebracht sind, wobei der Kühlturm eine Wärmesenke für Abwärme der Leistungselektronikbauteile bildet und ein primärer Kühlpfad für jedes Leistungselektronikbauteil sich von ihm radial einwärts zu dem Kühlturm erstreckt.
Elektronikmodul nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere Leistungsmodule, wobei jedes Leistungsmodul enthält: wenigstens ein Leistungselektronikbauteil, eine Basis in wärmeleitender Verbindung mit der radial äußeren Wandfläche, und eine metallische Abdeckplatte, wobei die Abdeckplatte eine innere Fläche hat, welche die Basis überdeckt, und eine äußere Fläche, die radial auswärts ausgerichtet ist und ungehindert der Luft ausgesetzt ist, die das Elektronikmodul umgibt, wobei Abwärme von jedem Leistungsmodul über den ersten Kühlpfad und über einen zweiten Kühlpfad, der sich radial auswärts durch die Abdeckplatte zu der Umgebungsluft erstreckt, abgeführt wird.
Elektronikmodul nach Anspruch 2, wobei die Modulabdeckplatten mit Rippen versehen sind, wodurch ihre Wärmeabgabe durch Konvektion erhöht ist.
Elektronikmodul nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere Leistungsmodule, die mehrere Leistungselektronikbauteile enthalten, wobei jedes Leistungsmodul eine Basis aufweist, die eine Oberfläche definiert, die an der radial äußeren Wandfläche anliegt, wodurch die Basis und die Wand des Kühlturms wärmeleitend verbunden sind, wobei sich die aneinander anliegenden Oberflächen im Wesentlichen parallel zur zentralen Modulachse erstrecken.
Elektronikmodul nach Anspruch 4, wobei die Metallrippen ringsum an der radial inneren Wandfläche direkt von Stellen ausgehen, die direkt radial einwärts von den Leistungsmodulen sind.
Elektronikmodul nach Anspruch 4, wobei die radial äußere Wandfläche mehrere ebene Montageflächen bildet, wobei jede ebene Montagefläche die Basisfläche eines entsprechenden Leistungsmoduls aufnimmt, und jede ebene Montagefläche parallel zu der zentralen Modulachse ist.
Elektronikmodul nach Anspruch 6, wobei jede ebene Montagefläche tangential zu einem gedachten Kreis ausgerichtet ist, der konzentrisch mit und senkrecht zu der zentralen Modulachse ist.
Elektronikmodul nach Anspruch 1, wobei die Wand und die Rippen integral gebildete Teile des Kühlturms sind.
Elektronikmodul nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Steuerelektronik, die funktionsfähig an die Leistungselektronikbauteile angeschlossen ist, wobei die Steuerelektronik im Wesentlichen von den Leistungselektronikbauteilen umgeben ist.
Elektronikmodul nach Anspruch 9, wobei die Steuerschaltung von der Abwärme der Leistungselektronikbauteile thermisch im Wesentlichen isoliert ist.
Elektronikmodul nach Anspruch 1, wobei die Leistungselektronikbauteile im Wesentlichen gleichmäßig auf der radial äußeren Wandfläche verteilt sind.
Elektronikmodul nach Anspruch 1, wobei die Leistungselektronikbauteile entlang der zentralen Modulachse in gleichen Abständen von einer gedachten Ebene angeordnet sind, die senkrecht zur zentralen Modulachse ist.
Elektrische Maschine mit einem Stator, der eine zentrale Achse der Maschine definiert, einem Rotor, der von dem Stator umgeben und relativ zu dem Stator um die zentrale Achse der Maschine drehbar ist, einem hinteren Rahmenteil, das drehbar an dem Stator befestigt ist und durch das sich die zentrale Maschinenachse hindurch erstreckt, und einem Elektronikmodul nach Anspruch 1, wobei die zentrale Achse der Maschine sich durch das Elektronikmodul hindurch erstreckt und der Kühlturm an dem hinteren Rahmenteil angebracht ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13, wobei die zentrale Achse der Maschine und die zentrale Achse des Moduls zusammenfallen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13, wobei die elektrische Maschine luftgekühlt ist und das hintere Rahmenteil eine Öffnung hat, durch die ein kühlender Luftstrom im Wesentlichen axial in der Richtung des Rotors relativ zu dem Elektronikmodul eingesaugt wird, um die elektrische Maschine stromabwärts von der Öffnung zu kühlen, wobei der Luftkanal einen Auslass in der Nähe des zweiten axialen Endes hat und der Auslass des Luftkanals mit der Öffnung des hinteren Rahmenteils in Fluidverbindung steht, und wobei der kühlende Luftstrom in den Luftkanaleinlass und durch den Luftkanal gesaugt wird, ein Wärmeübergang entlang des primären Kühlpfads zwischen der Wand des Kühlturms und Rippen sowie dem kühlenden Luftstrom entlang des Luftkanals durch Wärmeleitung auftritt, und der kühlende Luftstrom durch den Luftkanalauslass und die Öffnung des hinteren Rahmenteils strömt, um die elektrische Maschine stromabwärts von der Öffnung zu kühlen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen Ventilator, der mit dem Rotor um die zentrale Achse drehbar ist, wobei der Luftstrom durch die Öffnung von der Drehung des Ventilators veranlasst wird.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13, wobei die elektrische Maschine flüssigkeitsgekühlt ist und das hintere Rahmenteil eine Metallwand bildet, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der zentralen Achse der Maschine erstreckt, wobei die Wand des hinteren Rahmenteils eine axial innere Seite, die mit Kühlflüssigkeit in Kontakt ist, und eine gegenüber liegende axial äußere Seite, die wärmeleitend mit dem Kühlturm verbunden ist, hat, und wobei Wärmeübertrag zwischen dem Kühlturm und dem hinteren Rahmenteil durch Wärmeleitung stattfindet und Wärmeübergang zwischen dem hinteren Rahmenteil und der Kühlflüssigkeit durch Konvektion erfolgt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch mehrere Leistungsmodule, die mehrere Leistungselektronikbauteile enthalten, wobei jedes Leistungsmodul aufweist: eine Basis, die mit der radial äußeren Wandfläche wärmeleitend verbunden ist und einer metallischen Abdeckplatte, wobei die Abdeckplatte eine innere Oberfläche hat, welche die Basis überdeckt, und eine äußere Oberfläche, die radial auswärts orientiert ist und der Umgebungsluft, die das Elektronikmodul umgibt, ungehindert ausgesetzt ist, wobei Abwärme von jedem Leistungsmodul über den ersten Kühlpfad und über einen zweiten Kühlpfad, der sich durch die Abdeckplatte radial auswärts zu der Umgebungsluft erstreckt, abgeführt wird.
Elektrische Maschine nach Anspruch 18, wobei die Abdeckplatten der Module mit Rippen versehen sind, wodurch die Wärmeabgabe durch Wärmeleitung verbessert wird.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch mehrere Leistungsmodule, die mehrere Leistungselektronikbauteile enthalten, wobei jedes Leistungsmodul eine Basis enthält, die eine Fläche bildet, die an der radial äußeren Wandfläche anliegt, wodurch die Basis und der Kühlturm wärmeleitend verbunden sind, und wobei sich die aneinander anliegenden Flächen im Wesentlichen parallel zur zentralen Achse der Maschine erstrecken.