DE10123626A1

DE10123626A1 - Umrichter für elektrische Maschinen

Info

Publication number: DE10123626A1
Application number: DE10123626A
Authority: DE
Inventors: Klaus Beulich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-05-15
Filing date: 2001-05-15
Publication date: 2002-11-21
Also published as: JP2004519998A; US20040021376A1; EP1396073A1; WO2002093727A1

Abstract

Der Umrichter besteht aus mehreren an Phasenwicklungen (4, 5, 6, 7) einer Maschine angeschlossenen Brückenschaltungen (1, 2, 3, ..., n), von denen jede mehrere elektrisch steuerbare Schalter (11, 12, 21, 22, 31, 32, ..., n1, n2) und einen als Kondensator (15) ausgeführten Zwischenspeicher aufweist. DOLLAR A Eine fertigungstechnisch einfache und sehr platzsparende Ausführung des Umrichters ergibt sich dadurch, dass der Kondensator (15) als ein die Maschine umgebender Folienkondensator ausgeführt ist, an dessen Elektroden (16, 17) die Brückenschaltungen (1, 2, 3, ..., n) über den Umfang der Maschine verteilt angeschlossen sind.

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Umrichter für elektrische Maschinen, insbesondere für Starter oder Starter-Generatoren in Kraftfahrzeugen, wobei der Umrichter aus mehreren an Phasenwicklungen der Maschine angeschlossenen Brückenschaltungen besteht, von denen jede mehrere elektrisch steuerbare Schalter und einen als Kondensator ausgeführten Zwischenspeicher aufweist.

Ein derartiger Umrichter ist aus der DE 199 47 476 A1 bekannt. Mit einem z. B. zur Drehzahleinstellung einer elektrischen Maschine verwendeten Umrichter wird über eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Schalter in den mit den Phasenwicklungen der Maschine verbundenen Brückenschaltungen eine periodische Ein- und Ausschaltung der einzelnen Phasenwicklungen erzeugt. Durch diese Schaltvorgänge entstehen relativ hohe Störspannungsspitzen, die mittels eines als Kondensator ausgeführten Zwischenspeichers geglättet werden. Die Kondensatoren der Brückenschaltungen müssen wegen der sehr hohen Störspannungsspitzen eine recht große Kapazität besitzen. Deshalb wird für den Zwischenspeicher in der Regel ein Elektrolytkondensator verwendet, da Elektrolytkondensatoren eine besonders große Kapazität aufweisen. Allerdings besitzen Elektrolytkondensatoren ein recht großes Volumen, und sie neigen bei hohen Temperaturen zu einem frühen Ausfall. Um auf solche Kondensatoren mit sehr hoher Kapazität verzichten zu können, wird gemäß der DE 199 47 476 A1 eine ansonsten dreiphasige Maschine vielphasig (mehr als drei Phasen) betrieben. Dazu weist der Umrichter nicht nur drei Brückenschaltungen (wie bei einer dreiphasigen Maschine) auf, sondern eine Vielzahl von Brückenschaltungen, die zeitlich gegeneinander versetzt angesteuert werden. Jede dieser Brückenschaltungen ist mit einer Phasenwicklung der Maschine verbunden. Bei dieser vielphasigen Anordnung erhöht sich die Taktfrequenz der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Schalter der einzelnen Brückenschaltungen. Da die erforderliche Kapazität der zu den einzelnen Brückenschaltungen gehörenden Kondensatoren von der Taktfrequenz der Pulsweitenmodulation abhängt, verringert sich bei einer höheren Taktfrequenz die erforderliche Kapazität gegenüber einem nur dreiphasigen System. Ein mehrphasiger Betrieb der Maschine macht es also möglich, dass für die Brückenschaltungen Kondensatoren mit geringerer Kapazität eingesetzt werden können, weswegen von den üblicherweise eingesetzten Elektrolytkondensatoren auf andere Kondensatorprinzipien übergegangen werden kann. Es können daher auch einfach und billiger herstellbare Folienkondensatoren eingesetzt werden, deren Kapazität vergleichsweise gering ist. Außerdem erwärmen sich Folienkondensatoren weniger stark und sind daher auch für den Einsatz bei hohen Umgebungstemperaturen, wie sie z. B. in Kraftfahrzeugen auftreten, geeignet.

Wie aus der DE 199 47 476 A1 hervorgeht, sind die die Vielphasigkeit der Maschine bewirkenden Brückenschaltungen als Module ausgebildet, die über den Maschinenumfang verteilt angeordnet sind. Die einzelnen Brückenmodule bestehen aus mindestens einem High-Side-Schalter und mindestens einem Low-Side-Schalter und einem die beiden Schalter überbrückenden, als konzentriertes Bauelement ausgeführten Kondensator. Der High-Side-Schalter verbindet die an die jeweilige Brückenschaltung angeschlossene Phasenwicklung der Maschine mit einem positiven Potential einer Versorgungsspannung, und der Low-Side-Schalter stellt die Verbindung der Phasenwicklung mit einem negativen Potential der Versorgungsspannung her.

Vorteile der Erfindung

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 wird eine fertigungstechnische Vereinfachung eines Umrichters gemäß der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass ein die Maschine umgebender Folienkondensator vorhanden ist, an dessen Elektroden die Brückenschaltungen über den Umfang der Maschine verteilt angeschlossen sind. Hiermit werden die gemäß dem Stand der Technik in jeder Brückenschaltung verwendeten konzentrierten Kondensatoren eingespart und durch einen einfach herstellbaren und platzsparenden Folienkondensator ersetzt, der für alle vorhandenen Brückenschaltungen als die den Zwischenspeicher bildende Kapazität dient.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Es ist zweckmäßig, dass der Folienkondensator und die mit ihm kontaktierten Schalter der Brückenschaltungen gemeinsam auf einem das Gehäuse der Maschine umgebenden Kühlkörper fixiert sind. Dabei können der Folienkondensator und die Schalter der Brückenschaltungen nebeneinander auf der zylinderförmigen Oberfläche des Kühlkörpers fixiert sein. Es können aber auch der Folienkondensator auf der zylinderförmigen Oberfläche des Kühlkörpers und die Schalter der Brückenschaltungen auf einer zu der zylinderförmigen Oberfläche senkrecht orientierten Stirnfläche des Kühlkörpers fixiert sein. Ebenso können der Folienkondensator und die Schalter der Brückenschaltungen in zwei Ebenen übereinander auf der zylinderförmigen Oberfläche des Kühlkörpers angeordnet sein. Die wärmeerzeugenden Schalter sollten sich in der dem Kühlkörper am nächsten liegenden Ebene befinden.

Eine optimale Abführung der von der Maschine und von den Schaltern und dem Folienkondensator erzeugten Wärme lässt sich dadurch erreichen, dass im Inneren des Kühlkörpers ein oder mehrere Kanäle für den Durchfluss eines Kühlmittels vorgesehen werden.

Zeichnung

Anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Umrichters mit mehreren Brückenschaltungen,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Maschine mit einem um diese herum gelegten Folienkondensator,

Fig. 3 einen Folienkondensator und Schalter von Brückenschaltungen, die nebeneinander auf einem Kühlkörper einer Maschine angeordnet sind,

Fig. 4 einen Folienkondensator und Schalter von Brückenschaltungen, die an verschiedenen Seiten eines Kühlkörpers einer Maschine angeordnet sind und

Fig. 5 einen Folienkondensator und Schalter einer Brückenschaltung, die in verschiedenen Ebenen auf einem Kühlkörper einer Maschine angeordnet sind.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

In der Fig. 1 ist das Schaltbild eines Umrichters dargestellt, der für einen vielphasigen Betrieb einer ansonsten dreiphasig ausgelegten elektrischen Maschine konzipiert ist. Dieser Umrichter besteht aus n Brückenschaltungen 1, 2, 3, . . ., n. Die Zahl n der Brückenschaltungen richtet sich nach der Anzahl k der gegeneinander zeitversetzten Takte, mit denen die Phasenwicklungen der elektrischen Maschine angesteuert werden sollen. Bei einer an sich dreiphasigen Maschine beträgt dann die Anzahl n der erforderlichen Brückenschaltungen n = 3.k.

Jede der Brückenschaltungen 1, 2, 3, . . ., n besteht aus der Reihenschaltung zweier elektrisch steuerbarer Schalter. Die Brückenschaltung 1 hat die Schalter 11, 12, die Brückenschaltung 2 die Schalter 21, 22, die Brückenschaltung 3 die Schalter 31, 32 und die Brückenschaltung n die Schalter n1, n2. An einem Abgriff zwischen den beiden Schaltern einer jeden Brückenschaltung ist eine Phasenwicklung der elektrischen Maschine angeschlossen. So ist an die Brückenschaltung 1 die Phasenwicklung 4, an die Brückenschaltung 2 die Phasenwicklung 5, an die Brückenschaltung 3 die Phasenwicklung 6 und an die Brückenschaltung n die Phasenwicklung 7 angeschlossen. Die Schalter 11, 21, 31, . . ., n1 in den einzelnen Brückenschaltungen sind High-Side-Schalter, über die die zugehörige Phasenwicklung 4, 5, 6, 7 an ein positives Potential einer Versorgungsspannung durchschaltbar ist, und der zweite Schalter 12, 22, 32, . . ., n2 der einzelnen Brückenschaltungen ist ein Low-Side-Schalter, über den die zugehörige Phasenwicklung 4, 5, 6, 7 an ein negatives Potential der Versorgungsspannung durchschaltbar ist.

Eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung mit zeitversetzten Takten der einzelnen Schalter 11, 12, 21, 22, 31, 32, . . ., n1, n2 besorgt eine Steuerschaltung 8. Die Steuerschaltung 8 in der Fig. 1 hat daher für jeden Steuereingang der vorhandenen Schalter einen Anschluss 13, 14, 23, 24, 33, 34, . . ., n3, n4.

Parallel zu den beiden Schaltern 11, 12, 21, 22, 31, 32, . . ., n1, n2 einer jeden Brückenschaltung 1, 2, 3, . . ., n1 ist ein Zwischenspeicher in Form einer Kapazität geschaltet. Diese Kapazität ist ein Kondensator 15, der als langgestreckter Folienkondensator ausgebildet ist und an dessen beiden Elektroden 16, 17 die Schalter über die Länge des Folienkondensators 15 verteilt angeschlossen sind. Als Zwischenspeicher für alle Brückenschaltungen 1, 2, 3, . . ., n reicht ein Folienkondensator 15 aus, weil wegen der mehrphasigen Betriebsweise nur geringe Spannungsspitzen auftreten, die durch den Kondensator 15 zu glätten sind. Die Elektrode 17 des Kondensators 15 weist einen Anschluss 18 für das positive Potential einer Versorgungsspannung, und die Elektrode 16 ist mit einem Anschluss 19 für das negative Potential einer Versorgungsspannung versehen. Wenn die elektrische Maschine ein Starter bzw. Starter-Generator für ein Fahrzeug ist, kommt diese Versorgungsspannung von einer Batterie im Fahrzeug.

Auf die Funktionsweise des Umrichters wird hier nicht näher eingegangen, da sich die Erfindung mehr auf die Ausführungen des Kondensators 15 richtet und die Schaltung des Umrichters jede auch von der Fig. 1 abweichende Ausführung gemäß dem Stand der Technik haben kann.

In der Fig. 2 ist schematisch ein Querschnitt durch eine elektrische Maschine 9 dargestellt, die beispielsweise einen runden Querschnitt, wie in der Fig. 2 dargestellt, aufweist. Der Kondensator 15 ist, wie bereits gesagt, als ein langgestreckter Folienkondensator ausgeführt, der um den Umfang des Gehäuses der Maschine 9 herumgelegt ist. In der Fig. 2 sind die beiden mit einer Versorgungsspannung verbindbaren Elektrodenanschlüsse 18 und 19 des Folienkondensators 15 erkennbar. Ein Folienkondensator 15 ist fertigungstechnisch mit geringem Aufwand herstellbar. Dadurch, dass er um die Außenfläche des Gehäuses der Maschine 9 herumgelegt ist, nimmt er sehr wenig Platz in Anspruch. Unterschiedliche thermische Ausdehnungen zwischen dem Gehäuse der Maschine 9 und dem Folienkondensator 15 können durch einen Schlitz 30 im Folienkondensator 15 ausgeglichen werden.

Detaillierte Ausführungen zur Anordnung des Folienkondensators 15 mit den steuerbaren Schaltern der Brückenschaltungen am Gehäuse der elektrischen Maschine 9 zeigen die nachfolgend beschriebenen Fig. 3 bis 5.

In der Fig. 3 ist ausschnittsweise ein Querschnitt durch einen zylinderförmigen Kühlkörper 10 dargestellt, der entweder Teil des Gehäuses der Maschine 9 ist oder das Gehäuse der Maschine 9 umgibt. Dieser Kühlkörper 10 kann in seinem Inneren ein oder mehrere Kanäle 20 aufweisen für den Durchfluss eines Kühlmittels (Kühlgas oder Kühlflüssigkeit). Auf der Oberseite des Kühlkörpers 10 ist der Folienkondensator 15 aufgelegt und z. B. mittels einer Klebeschicht 25 darauf fixiert. Neben dem Folienkondensator 15 sind die in Modulbauweise ausgeführten Brückenschaltungen verteilt über den Umfang des Kühlkörpers 10 auf diesem angeordnet. Die Module der einzelnen Brückenschaltungen haben ein Substrat, das mittels einer Klebeschicht 26 auf der Oberfläche des Kühlkörpers 10 fixiert ist. Auf dem Substrat 27 sind die zu der jeweiligen Brückenschaltung gehörenden Schalter (hier stellvertretend die Schalter 11 und 12 der Brückenschaltung 1) aufgebracht und über Stromschienen 28 und 29 mit den Elektroden 18 und 19 des Folienkondensators 15 elektrisch verbunden.

Während bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 der Folienkondensator 15 und die Module der Brückenschaltungen auf einer gemeinsamen Oberfläche des Kühlkörpers 10 nebeneinander angeordnet sind, ist bei dem in der Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Folienkondensator 15 auf der Oberfläche des Kühlkörpers 10 und die Module der Brückenschaltungen sind auf einer Stirnseite des Kühlkörpers 10 fixiert. Alle Teile der in Fig. 4 dargestellten Anordnung, die die gleiche Funktion haben wie die in der Fig. 3 dargestellten Elemente, haben die gleichen Bezugszeichen und werden hier nicht nochmals beschrieben.

Auch bei dem in der Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die bereits oben im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebene Elemente der Anordnung mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 sind der Folienkondensator 15 und die Module der Brückenschaltungen (Substrate 27 mit Schaltern 11, 12) in zwei Ebenen übereinander auf der Oberfläche des Kühlkörpers 10 angeordnet. Direkt auf der Oberfläche des Kühlkörpers 10 sind in einer ersten Ebene die Module der Brückenschaltungen direkt auf der Oberfläche des Kühlkörpers 10 aufgebracht, und darüber in einer zweiten Ebene befindet sich der Folienkondensator 15. Der Folienkondensator 15 wird mittels der Stromschienen 28 und 29, die mit dem unter dem Folienkondensator 15 liegenden Modulen der Brückenschaltungen kontaktiert sind, in der zweiten Ebene gehalten.

Claims

1. Umrichter für elektrische Maschinen, insbesondere für Starter oder Starter-Generatoren in Kraftfahrzeugen, wobei der Umrichter aus mehreren an Phasenwicklungen (4, 5, 6, 7) der Maschine (9) angeschlossenen Brückenschaltungen (1, 2, 3, . . ., n) besteht, von denen jede mehrere elektrisch steuerbare Schalter (11, 12, 21, 22, 31, 32, . . ., n1, n2) und einen als Kondensator (15) ausgeführten Zwischenspeicher aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Maschine (9) umgebender Folienkondensator (15) vorhanden ist, an dessen Elektroden (16, 17) die Brückenschaltungen (1, 2, 3, . . ., n) über den Umfang der Maschine (9) verteilt angeschlossen sind.

2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienkondensator (15) und die mit ihm kontaktierten Schalter (11, 12) der Brückenschaltungen gemeinsam auf einem die Maschine umgebenden Kühlkörper (10) fixiert sind.

3. Umrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienkondensator (15) und die Schalter (11, 12) der Brückenschaltungen nebeneinander auf der zylinderförmigen Oberfläche des Kühlkörpers (10) fixiert sind.

4. Umrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienkondensator (15) auf der zylinderförmigen Oberfläche des Kühlkörpers (10) und die Schalter (11, 12) der Brückenschaltungen auf einer zu der zylinderförmigen Oberfläche senkrecht orientierten Stirnfläche des Kühlkörpers (10) fixiert sind.

5. Umrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Folienkondensator (15) und die Schalter (11, 12) der Brückenschaltungen in zwei Ebenen übereinander auf der zylinderförmigen Oberfläche des Kühlkörpers (10) angeordnet sind, wobei die Schalter (11, 12) in der dem Kühlkörper (10) am nächsten liegenden Ebene angeordnet sind.

6. Umrichter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (10) in seinem Inneren ein oder mehrere Kanäle (20) für den Durchfluss eines Kühlmittels aufweist.