DE102009046152A1

DE102009046152A1 - Cooling device for use in claw pole generator of motor vehicle, has flow elements arranged in partially flow resistance-increasing manner to increase flow resistance between cooling agent stream and flow elements

Info

Publication number: DE102009046152A1
Application number: DE102009046152A
Authority: DE
Inventors: Zsolt Metzner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2011-05-05

Abstract

The device (2) has flow elements (42) arranged in partially flow resistance-increasing manner to increase flow resistance between a cooling agent stream (K) and the flow elements. The flow elements are partially aligned transverse to radial direction of flow of the cooling agent stream. The flow elements are integrally formed at a cooling base body (44), and heated components are arranged in the cooling base body. The flow elements are interrupted in the radial direction of flow of the cooling agent stream. Independent claims are also included for the following: (1) an electrical machine comprising a rotor and a cooling base body switching device (2) a method for cooling a power electronics of an electrical machine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für einen Generator für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Klauenpolgenerator mit Synchrongleichrichter, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a cooling device for a generator for a motor vehicle, in particular for a claw pole generator with synchronous rectifier, according to the preamble of claim 1.

Weiter betrifft die Erfindung eine Gleichrichtereinheit, insbesondere eine Synchrongleichrichtereinheit, für einen Kraftfahrzeuggenerator, insbesondere einen Klauenpolgenerator, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.Furthermore, the invention relates to a rectifier unit, in particular a synchronous rectifier unit, for a motor vehicle generator, in particular a claw pole generator, according to the preamble of claim 7.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Kühlkörper-Schaltungs-Einrichtung für einen Kraftfahrzeuggenerator, insbesondere für einen Klauenpolgenerator, zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.Moreover, the invention relates to a heat sink circuit device for a motor vehicle generator, in particular for a claw pole generator, for converting mechanical energy into electrical energy according to the preamble of claim 9.

Auch betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, insbesondere einen Kraftfahrzeuggenerator wie einen Klauenpolgenerator, zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.The invention also relates to an electrical machine, in particular a motor vehicle generator such as a claw pole generator, for converting mechanical energy into electrical energy, according to the preamble of claim 10.

Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen einer Leistungselektronik einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuggenerators wie einem Klauenpolgenerator, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.In addition, the invention relates to a method for cooling a power electronics of an electrical machine, in particular of a motor vehicle generator such as a claw pole generator, according to the preamble of claim 11.

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine, wie einem Kraftfahrzeuggenerator, zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie. Eine Art von Kraftfahrzeuggenerator ist ein Klauenpolgenerator. Dieser weist in einer Ausführungsform eine elektrische Erregung auf. Klauenpolgeneratoren erzeugen einen Drehstrom, insbesondere einen dreiphasigen Drehstrom. Zur Einspeisung des Drehstroms in ein Gleichspannungs-Bordnetz eines Kraftfahrzeugs ist deshalb ein Gleichrichter erforderlich. Übliche Gleichrichter sind auf Basis von Halbleiterdioden ausgebildet. Weiterhin sind Gleichrichter auf Basis von ansteuerbaren Schaltern, insbesondere mit MOSFETs, bekannt. Die MOSFETs oder die Schalter werden synchron zur Phasenfrequenz angesteuert, weshalb derartige Gleichrichter auch als Synchrongleichrichter bezeichnet werden. Der Synchrongleichrichter ist mechanisch und elektrisch mit den mechanischen Teilen des Generators, beispielsweise mit dem Lagerschild, verbunden. Die Schaltelemente bei einem Synchrongleichrichter weisen einen geringeren Spannungsabfall gegenüber den Dioden in eine Vorwärtsrichtung auf. Folglich weisen die Gleichrichter auf Basis einer Halbleiterdioden-Technik gegenüber den Gleichrichtern auf Basis von ansteuerbaren Schaltern einen geringeren Wirkungsgrad auf, sodass vermehrt Gleichrichter auf Basis von ansteuerbaren Schaltern zum Einsatz kommen. Derartige Synchrongleichrichter weisen allerdings einen höheren Ansteuerungsaufwand mit entsprechend höherem elektrischen Schaltungsaufwand gegenüber Diodengleichrichtern auf. Mit dem höheren Aufwand ist auch eine höhere Wärmeentwicklung verbunden, welche ohne Gegenmaßnahmen den Wirkungsgrad des Synchrongleichrichters reduziert. Zudem sind die Schaltelemente empfindlich, sodass MOSFETs und Ansteuerschaltung gegen Umwelteinflüsse wie Spritzwasser, Fremdkörper etc. geschützt werden müssen, wodurch sich eine Wärmeabfuhr des Gleichrichters reduziert. Zudem ist eine maximal zulässige Betriebstemperatur von Schaltern wie MOSFETs deutlich geringer als bei Dioden. Insbesondere bei hoher Belastung des Generators und insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen besteht das Risiko, dass die Schalter des Synchrongleichrichters beschädigt werden können. Entsprechend sind im Stand der Technik verschiedene Kühlungen für Synchrongleichrichter bekannt.The invention is based on an electrical machine, such as a motor vehicle generator, for the conversion of mechanical energy into electrical energy. One type of motor vehicle generator is a claw pole generator. This has an electrical excitation in one embodiment. Claw pole generators generate a three-phase current, in particular a three-phase three-phase current. For feeding the three-phase current into a DC electrical system of a motor vehicle, therefore, a rectifier is required. Conventional rectifiers are formed on the basis of semiconductor diodes. Furthermore, rectifiers based on controllable switches, in particular with MOSFETs known. The MOSFETs or the switches are driven in synchronism with the phase frequency, which is why such rectifiers are also referred to as synchronous rectifiers. The synchronous rectifier is mechanically and electrically connected to the mechanical parts of the generator, for example to the end shield. The switching elements in a synchronous rectifier have a lower voltage drop across the diodes in a forward direction. Consequently, the rectifiers based on a semiconductor diode technology compared to the rectifiers based on controllable switches on a lower efficiency, so more rectifiers based on controllable switches are used. However, such synchronous rectifiers have a higher activation effort with correspondingly higher electrical circuit complexity compared to diode rectifiers. With the higher cost and a higher heat development is connected, which reduces the efficiency of the synchronous rectifier without countermeasures. In addition, the switching elements are sensitive, so MOSFETs and control circuit must be protected against environmental influences such as water spray, foreign objects, etc., which reduces heat dissipation of the rectifier. In addition, a maximum permissible operating temperature of switches such as MOSFETs is significantly lower than diodes. Especially at high load of the generator and in particular at high ambient temperatures, there is a risk that the switches of the synchronous rectifier can be damaged. Accordingly, various refrigerations for synchronous rectifiers are known in the art.

Aus den Druckschriften WO 2007/074289 A2 , US 2006/0181162 A1 und der US 2008/0197727 A1 sind beispielsweise Kühlungen für eine entsprechende Elektronik bekannt. Die bekannten Kühlungen erfolgen mittels eines angesaugten Kühlmittelstroms, der entlang der Elektronik des Gleichrichters vorbeiströmt. Zur Lenkung des Kühlmittelstroms weisen die Kühlgrundkörper Kühlrippen auf, welche den Kühlmittelstrom in radialer Richtung lenken.From the pamphlets WO 2007/074289 A2 . US 2006/0181162 A1 and the US 2008/0197727 A1 for example, cooling for a corresponding electronics are known. The known cooling takes place by means of a sucked-in coolant flow which flows past the electronics of the rectifier. For the guidance of the coolant flow, the cooling base bodies have cooling ribs which direct the coolant flow in the radial direction.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung für einen Generator für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Klauenpolgenerator mit Synchrongleichrichter, umfasst mehrere Strömungselemente zur Lenkung eines Kühlmittelstroms entlang an sich im Betrieb erwärmenden Bauteilen des Generators. Derartige sich erwärmende Bauteile sind die elektrischen Bauteile des Gleichrichters, das heißt die Schalter, insbesondere die MOSFETs. Die Strömungselemente sind zumindest teilweise strömungswiderstandserhöhend angeordnet, um einen Strömungswiderstand zwischen dem Kühlmittelstrom und den Strömungselementen zu erhöhen und dadurch eine größere Wärmeübertragung zu realisieren. Durch die strömungswiderstandserhöhende Anordnung kommt es zu Verwirbelungen, welche einen verbesserten Wärmetransport bewirken. Bevorzugt werden die Strömungselemente zumindest teilweise so angeordnet, dass ein Strömungswiderstand und damit auch eine Verwirbelung maximiert ist, ohne eine Strömung des Kühlmittels zu unterbinden. Mit einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung weist ein Synchrongleichrichter einen zuverlässig hohen Wirkungsgrad durch eine geeignete Kühlung auf. Hierdurch reduziert sich eine Ausfallwahrscheinlichkeit des Generators für Kraftfahrzeuge, sodass dieser auch in sicherheitsrelevanten Anlagen und Systemen einsetzbar ist. Die Kühleinrichtung lässt sich auf einfache Weise nachrüsten, sodass diese auch in bestehenden elektrischen Maschinen einsetzbar ist.The cooling device according to the invention for a generator for a motor vehicle, in particular for a claw pole generator with a synchronous rectifier, comprises a plurality of flow elements for guiding a coolant flow along heating components of the generator during operation. Such heating components are the electrical components of the rectifier, that is, the switches, in particular the MOSFETs. The flow elements are arranged at least partially flow resistance increasing, in order to increase a flow resistance between the coolant flow and the flow elements and thereby realize a greater heat transfer. Due to the flow resistance increasing arrangement, turbulences occur which bring about improved heat transfer. Preferably, the flow elements are at least partially arranged so that a flow resistance and thus also a turbulence is maximized without preventing a flow of the coolant. With a cooling device according to the invention, a synchronous rectifier has a reliably high efficiency through a suitable cooling. This reduces a probability of failure of the generator for Motor vehicles, so that it can also be used in safety-relevant systems and systems. The cooling device can be retrofitted in a simple manner, so that it can also be used in existing electrical machines.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen und nebengeordneten Ansprüchen vorgegebenen Vorrichtungen möglich.The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent and independent claims predetermined devices are possible.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist, wie vorstehend beschrieben, vorgesehen, dass die Strömungselemente zumindest teilweise strömungswiderstandserhöhend angeordnet sind, um einen Strömungswiderstand zwischen dem Kühlmittelstrom und den Strömungselementen zu erhöhen und dadurch eine größere Wärmeübertragung zu realisieren. Somit sind die Strömungselemente zumindest teilweise nicht radial ausgerichtet, wie zum Beispiel im Stand der Technik, sondern sind zumindest teilweise quer dazu angeordnet. Hierdurch wird eine Verwirbelung realisiert, die entsprechend eine größere Wärmeabfuhr von den Schaltern bewirkt. Der Strömungswiderstand lässt sich auf verschiedenste Weisen erhöhen. Zum Beispiel ist in bevorzugten Ausführungsbeispielen die Form der Strömungselemente strömungserhöhend ausgebildet. Bevorzugt ist hierzu eine Oberfläche aufgeraut oder weist entsprechende Vorsprünge oder Ausnehmungen auf. In anderen Ausführungen ist mindestens ein Strömungselement nicht mit einer Schmalseite zu dem Kühlmittelstrom angeordnet, sondern mit einer breiteren Seite oder schräg zum Kühlmittelstrom.In an advantageous embodiment, as described above, it is provided that the flow elements are arranged at least partially flow resistance increasing, in order to increase a flow resistance between the coolant flow and the flow elements, thereby realizing a greater heat transfer. Thus, the flow elements are at least partially not radially aligned, as for example in the prior art, but are at least partially arranged transversely thereto. As a result, a turbulence is realized, which causes correspondingly greater heat dissipation from the switches. The flow resistance can be increased in various ways. For example, in preferred embodiments, the shape of the flow elements is flow increasing. For this purpose, a surface is preferably roughened or has corresponding projections or recesses. In other embodiments, at least one flow element is not arranged with a narrow side to the coolant flow, but with a wider side or obliquely to the coolant flow.

Um den Strömungswiderstand zu erhöhen, ist es besonders vorteilhaft, dass die Strömungselemente zumindest teilweise quer zu einer Strömungsrichtung des Kühlmittelstroms ausgerichtet sind, insbesondere quer zu einer radialen Strömungsrichtung. Dadurch dass nicht alle Strömungselemente gleich, insbesondere radial ausgerichtet sind, ergibt sich eine strömungswiderstandserhöhende Wirkung. Gegenüber einem Strömungselementefeld aus radial angeordneten Strömungselementen sind durch eine geeignete Kombination aus radial angeordneten und quer dazu angeordneten Strömungselementen Verwirbelung zur verbesserten Wärmeabfuhr realisierbar.In order to increase the flow resistance, it is particularly advantageous that the flow elements are aligned at least partially transversely to a flow direction of the coolant flow, in particular transversely to a radial flow direction. The fact that not all flow elements are the same, in particular radially aligned, results in a flow resistance increasing effect. Compared to a flow element array of radially arranged flow elements, turbulence for improved heat dissipation can be achieved by a suitable combination of radially arranged flow elements arranged transversely thereto.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Strömungselemente in Strömungsrichtung unterbrochen, das heißt in Strömungsrichtung nicht durchgängig, ausgebildet sind. Auf diese Weise entstehen Strömungsabrisse entlang der Strömungselemente, welche eine zusätzliche Verwirbelung und damit einen verbesserten Wärmeabtransport gewährleisten. Auf diese Weise ist auch ein Strömungselementefeld mit mehreren radial hintereinander angeordneten Strömungselementen realisiert. Die hintereinander angeordneten Strömungselemente lassen sich zumindest teilweise unterschiedlich anordnen, beispielsweise in radialer Richtung und in Richtung quer dazu. Beispielsweise ist ein mittleres Strömungselement quer und die radial benachbarten Strömungselemente sind radial angeordnet. Die verschiedenen Strömungselemente sind in bevorzugten Ausführungsformen unterschiedlich ausgebildet. Unterschiede liegen beispielsweise in der Geometrie, dem Material, der Oberflächenbeschaffenheit und der Ausrichtung.In an advantageous embodiment, it is provided that the flow elements are interrupted in the flow direction, that is to say they are not continuous in the flow direction. In this way, stalls occur along the flow elements, which ensure additional turbulence and thus improved heat dissipation. In this way, a flow element field is realized with a plurality of radially successively arranged flow elements. The flow elements arranged one behind the other can be arranged at least partially differently, for example in the radial direction and in the direction transverse thereto. For example, a middle flow element is transverse and the radially adjacent flow elements are arranged radially. The various flow elements are formed differently in preferred embodiments. Differences are for example in the geometry, the material, the surface condition and the orientation.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Strömungselemente einteilig an einem Kühlgrundkörper ausgebildet sind. Der Kühlgrundkörper ist beispielsweise ein Metallteil, insbesondere ein Aluminiumteil. Mittels Fließpressen oder anderer geeigneter Herstellverfahren ist eine einteilige Ausführung von Kühlgrundkörper, der als Träger der Strömungselemente und als Verbindungsstück fungiert, und Strömungselementen realisierbar. In anderen Ausführungsformen sind zumindest einige Strömungselemente verstellbar und/oder lösbar an dem Kühlgrundkörper ausgebildet, um für verschiedene Anwendungen eine Veränderung einer Kühlmittelstromführung durch die Strömungselemente zu bewirken.It is preferably provided that the flow elements are integrally formed on a cooling base body. The cooling base body is for example a metal part, in particular an aluminum part. By means of extrusion or other suitable manufacturing process is a one-piece design of the cooling base body, which acts as a carrier of the flow elements and as a connecting piece, and flow elements realized. In other embodiments, at least some of the flow elements are adjustably and / or releasably formed on the cooling base to effect a change in coolant flow guidance through the flow elements for various applications.

Zudem hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die sich erwärmenden Bauteile in dem Kühlmittelkörper anordenbar sind. Beispielsweise sind die sich erwärmenden Bauteile, das heißt die Schalter und/oder andere elektrische oder elektronische Teile, in den Kühlgrundkörper eingegossen oder in entsprechenden Taschen oder Ausnehmungen angeordnet. Hierdurch sind die Bauteile gegenüber Umwelteinflüssen geschützt. Zudem ist so eine optimierte Abstimmung von Bauteilen und Strömungselementen realisierbar, sodass eine optimierte Kühlung der Bauteile realisierbar ist.In addition, it has proven to be advantageous that the heating components can be arranged in the coolant body. For example, the heating components, that is, the switches and / or other electrical or electronic parts, poured into the cooling body or arranged in corresponding pockets or recesses. As a result, the components are protected against environmental influences. In addition, an optimized coordination of components and flow elements can be realized, so that an optimized cooling of the components can be realized.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass die Strömungselemente zu einer Seite axial entgegen einer Teilströmungsrichtung abragend angeordnet sind. Die Strömungselemente sind bevorzugt an dem Kühlgrundkörper angeordnet, welcher im Wesentlichen plattenförmig in einer Ebene senkrecht zu einer axialen Richtung ausgebildet ist. Der Kühlmittelstrom wird bevorzugt in axialer Richtung angesaugt, strömt dann entlang der Strömungselemente etwa parallel zu der Oberfläche bzw. einer Oberseite des Kühlgrundkörpers und strömt dann axial weiter durch eine entsprechende Öffnung, bis er radial ausgeblasen wird. Im Bereich der Oberseite des Kühlgrundkörpers ragen die Strömungselemente in axialer Richtung und/oder senkrecht zur Oberseite des Kühlgrundkörpers hervor. Somit ragen die Strömungselemente entgegen der axial einströmenden Kühlluft, sodass eine Lenkung des axial einströmenden Kühlmittels erfolgt. Zudem erstrecken sich die Strömungselemente entlang mindestens einer weiteren Richtung, die radial oder quer dazu liegen kann. Eine dritte Erstreckungsrichtung der Strömungselemente ist einer Ausführungsform vernachlässigbar. In anderen Ausführungsformen ist die dritte Erstreckungsrichtung ausgeprägter, sodass diese nicht vernachlässigbar ist. Somit erfolgt eine Lenkung des Kühlmittelstroms zumindest in zwei Richtungen, axial oder senkrecht zur Oberseite des Kühlgrundkörpers und parallel zu der Oberseite des Grundkörpers. Die Strömungselemente sind in anderen Ausführungsformen als Stifte, Vorsprünge oder dergleichen ausgebildet. Beispielsweise sieht eine Ausführungsform eine Ausbildung als Zylinderstift vor. Hierbei sind die beiden Ausdehnungen in die Erstreckungsrichtungen parallel zu der Oberseite des Grundkörpers etwa gleich und deutlich geringer als die Erstreckungsrichtung senkrecht zu der Oberseite des Grundkörpers.Another advantage results from the fact that the flow elements are arranged projecting axially to one side against a partial flow direction. The flow elements are preferably arranged on the cooling base body, which is formed substantially plate-shaped in a plane perpendicular to an axial direction. The coolant stream is preferably sucked in the axial direction, then flows along the flow elements approximately parallel to the surface or an upper side of the cooling base body and then flows axially further through a corresponding opening until it is blown out radially. In the region of the upper side of the cooling base body, the flow elements protrude in the axial direction and / or perpendicular to the upper side of the cooling base body. Thus, the flow elements protrude against the axially flowing cooling air, so that a steering of the axially flowing coolant takes place. In addition, the extend Flow elements along at least one other direction, which may be radially or transversely thereto. A third extension direction of the flow elements is negligible in one embodiment. In other embodiments, the third extension direction is more pronounced so that it is not negligible. Thus, a steering of the coolant flow is at least in two directions, axially or perpendicular to the top of the cooling body and parallel to the top of the body. The flow elements are formed in other embodiments as pins, protrusions or the like. For example, an embodiment provides a design as a cylindrical pin. In this case, the two expansions in the extension directions parallel to the upper side of the base body are approximately the same and significantly smaller than the extension direction perpendicular to the upper side of the main body.

Bei einer erfindungsgemäßen Gleichrichtereinheit, insbesondere einer Synchrongleichrichtereinheit, für einen Kraftfahrzeuggenerator, insbesondere eines Klauenpolgenerators, umfassend eine Leistungselektronik und mindestens eine Kühleinheit zum Kühlen der Leistungselektronik, über welche die Leistungselektronik an einem Grundteil anbringbar ist, ist vorgesehen, dass die Kühleinheit gemäß einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung ausgebildet ist. Die Kühleinrichtung für einen Generator für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Klauenpolgenerator mit Synchrongleichrichter, umfasst mehrere Strömungselemente zur Lenkung eines Kühlmittelstroms entlang an sich im Betrieb erwärmenden Bauteilen des Generators. Dabei sind die Strömungselemente zumindest teilweise strömungswiderstandserhöhend angeordnet, um einen Strömungswiderstand zwischen dem Kühlmittel und den Strömungselementen zu erhöhen und dadurch eine größere Wärmeübertragung zu realisieren. Die Leistungselektronik ist an dem Kühlkörper angebracht. Bevorzugt ist die Leistungselektronik in den Kühlkörper integriert ausgebildet. Über den Kühlgrundkörper ist die Leistungselektronik mit weiteren Bauteilen des Generators verbindbar. Eine Anbindung an weitere Teile erfolgt mechanisch und/oder elektrisch. Beispielsweise ist die Leistungselektronik über den Kühlgrundkörper mit einem Lagerschild verbunden.In a rectifier unit according to the invention, in particular a synchronous rectifier unit, for a motor vehicle generator, in particular a claw pole generator comprising power electronics and at least one cooling unit for cooling the power electronics, via which the power electronics can be attached to a base, it is provided that the cooling unit is designed in accordance with a cooling device according to the invention is. The cooling device for a generator for a motor vehicle, in particular for a claw-pole generator with synchronous rectifier, comprises a plurality of flow elements for directing a flow of coolant along in operation-warming components of the generator. In this case, the flow elements are arranged at least partially flow resistance increasing, in order to increase a flow resistance between the coolant and the flow elements, thereby realizing a greater heat transfer. The power electronics are attached to the heat sink. Preferably, the power electronics is integrated in the heat sink formed. The power electronics can be connected to other components of the generator via the cooling base body. A connection to other parts is done mechanically and / or electrically. For example, the power electronics is connected via the cooling base body with a bearing plate.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Leistungselektronik zumindest teilweise in der Kühleinrichtung integriert ist. Auf diese Weise ist eine einfache Anbindung ohne aufwendige Montage an zum Beispiel ein Lagerschild möglich. Bevorzugt ist die Leistungselektronik komplett in dem Kühlgrundkörper integriert, sodass ein umgebender Schutz gegen Umwelteinflüsse realisiert ist.In an advantageous embodiment of the present invention, it is provided that the power electronics are at least partially integrated in the cooling device. In this way, a simple connection without expensive mounting to, for example, a bearing plate is possible. Preferably, the power electronics is completely integrated in the cooling base, so that a surrounding protection against environmental influences is realized.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass eine Kühlgrundkörper-Schaltungs-Einrichtung für einen Kraftfahrzeuggenerator, insbesondere für einen Klauenpolgenerator, zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, ein Grundteil, mit dem eine Leistungselektronik zur Bildung eines Gleichrichters über eine Kühleinheit verbunden ist, umfasst, wobei die Kühleinheit eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung umfasst. Mit der Kühleinrichtung ist ein leistungsstarker Synchrongleichrichter realisierbar, der trotz der erhöhten Wärmeproduktion aufgrund der verbesserten Kühlung einen hohen Wirkungsgrad erreicht.In a preferred embodiment of the present invention, it is provided that a cooling base body circuit device for a motor vehicle generator, in particular for a claw pole generator, for converting mechanical energy into electrical energy, a base to which a power electronics for forming a rectifier via a cooling unit is connected , wherein the cooling unit comprises a cooling device according to the invention. With the cooling device, a powerful synchronous rectifier can be realized, which achieves a high efficiency despite the increased heat production due to the improved cooling.

Bei einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, insbesondere bei einem Kraftfahrzeuggenerator wie einem Klauenpolgenerator, zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie; umfassend einen Ständer und einen Rotor, insbesondere einen hybriderregten Rotor, ist vorgesehen, dass mindestens eine erfindungsgemäße Kühlkörper-Schaltungs-Einrichtung umfasst ist. Die Kühlkörper-Schaltungs-Einrichtung für einen Kraftfahrzeuggenerator, insbesondere für einen Klauenpolgenerator, zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, umfasst ein Grundteil, mit dem eine Leistungselektronik zur Bildung eines Gleichrichters über eine Kühleinheit verbunden ist. Hierbei ist vorgesehen, dass die Kühleinheit eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung umfasst. Die Kühleinrichtung für einen Generator für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Klauenpolgenerator mit Synchrongleichrichter, umfasst mehrere Strömungselemente zur Lenkung eines Kühlmittelstroms entlang an sich im Betrieb erwärmenden Bauteilen des Generators. Dabei sind die Strömungselemente zumindest teilweise strömungswiderstandserhöhend angeordnet, um einen Strömungswiderstand zwischen dem Kühlmittel und den Strömungselementen zu erhöhen und dadurch eine größere Wärmeübertragung zu realisieren. Am dem Kühlgrundkörper ist die Leistungselektronik angebunden. Über den Kühlgrundkörper ist die Leistungselektronik mit einem entsprechenden Teil des Generators, beispielsweise einem Lagerschild verbunden. Zudem ist bevorzugt eine Schutzkappe an der Seite, von der die Strömungselemente abragen, angeordnet.In an electrical machine according to the invention, in particular in a motor vehicle generator such as a claw pole generator, for converting mechanical energy into electrical energy; comprising a stator and a rotor, in particular a hybrid-excited rotor, it is provided that at least one inventive heat sink circuit device is included. The heat sink circuit device for an automotive alternator, in particular for a claw pole generator for converting mechanical energy into electrical energy, comprises a base to which power electronics for forming a rectifier are connected via a cooling unit. It is provided that the cooling unit comprises a cooling device according to the invention. The cooling device for a generator for a motor vehicle, in particular for a claw-pole generator with synchronous rectifier, comprises a plurality of flow elements for directing a flow of coolant along in operation-warming components of the generator. In this case, the flow elements are arranged at least partially flow resistance increasing, in order to increase a flow resistance between the coolant and the flow elements, thereby realizing a greater heat transfer. The power electronics are connected to the cooling base body. About the cooling base body power electronics with a corresponding part of the generator, for example, a bearing plate is connected. In addition, a protective cap is preferably arranged on the side from which the flow elements protrude.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kühlen einer Leistungselektronik einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Kraftfahrzeuggenerators wie ein Klauenpolgenerator, zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, umfassend ein Stromdurchfließen der Leistungselektronik und ein Kühlen der sich dabei erwärmenden Leistungselektronik mittels Umströmen der Leistungselektronik mit einem Kühlmittelstrom, ist vorgesehen, dass der Kühlmittelstrom im Bereich der Leistungselektronik verwirbelt wird, um eine größere Wärmeabfuhr zu realisieren. Das Kühlmittel, insbesondere Kühlluft, wird durch entsprechende Öffnungen etwa axial zu der Kühleinrichtung angesaugt. Dort trifft die Kühlluft auf Strömungselemente, die feldartig angeordnet sind. Durch die Strömungselemente wird die Kühlluft gelenkt. Die Kühlluft wird dabei parallel zu der Oberseite des Kühlgrundkörpers entlang der sich erwärmenden Bauteile geführt. Die Strömungselemente bewirken durch ihre erfindungsgemäße Ausbildung eine Verwirbelung der Kühlluft, sodass ein verbesserter Wärmeabtransport von den Bauteilen durch die Kühlluft realisiert ist. Die erwärmte Kühlluft wird axial weitergeleitet und schließlich radial aus dem Generator ausgeblasen. Zum Ansaugen der Kühlluft wird eine entsprechende Ansaugvorrichtung verwendet.In a method according to the invention for cooling power electronics of an electrical machine, in particular a motor vehicle generator such as a claw pole generator, for converting mechanical energy into electrical energy, comprising current flowing through the power electronics and cooling the thereby heating power electronics by flowing the power electronics with a coolant flow is provided in that the coolant flow is swirled in the area of the power electronics in order to realize greater heat dissipation. The coolant, in particular cooling air, is replaced by appropriate Openings sucked approximately axially to the cooling device. There, the cooling air meets flow elements, which are arranged like a field. By the flow elements, the cooling air is directed. The cooling air is guided parallel to the upper side of the cooling body along the heating components. The flow elements cause by their inventive design a turbulence of the cooling air, so that an improved heat dissipation is realized by the components by the cooling air. The heated cooling air is passed on axially and finally blown radially out of the generator. For sucking the cooling air, a corresponding suction device is used.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. Show it:

1 schematisch einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Synchrongleichrichter, 1 1 is a schematic longitudinal section through a synchronous rectifier according to the invention;

2 schematisch eine Draufsicht auf den Kühlgrundkörper nach 1, 2 schematically a plan view of the cooling body after 1 .

3 schematisch eine elektrische Verschaltung des Synchrongleichrichters und 3 schematically an electrical interconnection of the synchronous rectifier and

4 schematisch einen Ausschnitt von 2 mit Strömungslinien. 4 schematically a section of 2 with streamlines.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

In den 1 bis 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen, als Synchrongleichrichter ausgebildeten Gleichrichtereinheit 1 dargestellt. Die Gleichrichtereinheit 1 ist Bestandteil einer Kühlkörper-Schaltungs-Einrichtung 10. Die Kühlkörper-Schaltungs-Einrichtung 10 umfasst ein als Lagerschild 3 ausgebildetes Grundteil, die Leistungselektronik zur Bildung des Gleichrichters und die Kühleinheit 2. Die Gleichrichtereinheit 1 kommt beispielsweise bei einer hier nicht dargestellten elektrischen Maschine wie einem Generator zum Einsatz. Der Generator umfasst beispielsweise ein Gehäuse, welches in axialer Richtung durch ein vorderes und hinteres Lagerschild 3 begrenzt wird. Im Inneren des Gehäuses ist eine Ständerwicklung 15 untergebracht, innerhalb der Ständerwicklung 15 befindet sich ein über eine Welle 7 drehbar gelagerter Rotor, der eine Läuferwicklung trägt. Auf dem Rotor, genauer der Welle 7, ist ein Lüfter 20 befestigt, der Luft in axialer Richtung durch Öffnungen im Lagerschild 3 ansaugt und in radialer Richtung durch Auslassöffnungen im Lagerschild 3 ausbläst. Der Synchrongleichrichter ist an einer Oberseite O des Bodens des Lagerschilds 3 angeordnet. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Synchrongleichrichters gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Gleichrichter-Baugruppe 40 mit elektrischen Bauteilen ist außerhalb des Lagerschildes 3 angeordnet und wird zu einem Ende der Welle 7 hin von einer Schutzkappe 41 abgedeckt. Die Gleichrichter-Baugruppe 40 umfasst einen als Kunststoffgehäuse ausgebildeten Kühlgrundkörper 44, an dem integriert die Strömungselemente 42 angeordnet sind. Der Kühlgrundkörper 44 hat beispielsweise die in 2 dargestellte scheibenförmige Form und weist auf der Oberseite O eine Anzahl parallel und quer verlaufender, als Kühlrippen ausgebildete Strömungselemente 42, auf. Der Kühlkörper 44 ist vorliegend als Strangpressteil hergestellt. Auf der anderen Seite der Oberseite O, gegenüber der Strömungselemente 42, sind die MOSFETs 43 sowie deren Ansteuereinheiten montiert, wobei diese, z. B. über ein DBC-Substrat (DBC – direct bonded copper), mit den Strömungselementen 42 elektrisch isoliert und thermisch leitend verbunden sind. Die Ansteuerung der MOSFETs 43 erfolgt über ein zentrales Ansteuermodul 47, welches in einer zweiten Ebene parallel zu den Schaltelementen (MOSFETs 43) angeordnet ist. Alternativ kann dieses Modul aber auch in derselben Ebene liegen wie die MOSFETs 43. Zudem ist als weitere Möglichkeit die Funktionalität des zentralen Ansteuermoduls 47 in einem der MOSFET-Module integriert. Die Anordnung der Strömungselemente 42 ist in der Draufsicht nach 2 dargestellt. Die im Wesentlichen länglich als Kühlrippen ausgebildeten Strömungselemente 42 sind feldartig über dem Kühlgrundkörper 44 verteilt angeordnet. Dabei unterscheiden sich die Strömungselemente 42 insbesondere hinsichtlich ihrer länglichen Abmaße und ihrer Ausrichtung. Die Strömungselemente sind teilweise leicht von einer radialen Richtung R abweichend ausgerichtet, insbesondere in einer zu einer zentralen Wellenöffnung 5 benachbarten Reihe oder in mehreren Reihen. In einer ersten bogenförmig um die zentrale Wellenöffnung 5 verlaufenden Reihe I sind die Strömungsmittel 42 hinsichtlich ihrer Form als etwa gleichlange Kühlrippen ähnlich ausgebildet. Lediglich in ihrer Orientierung sind die Kühlrippen abschnittsweise unterschiedlich ausgebildet. Dahinter befindet sich in dem Stömungselementenfeld eine zweite ringförmige Reihe II, in welcher die Strömungselemente 42 deutlich unterschiedlich bzgl. ihrer Größe ausgebildet und abweichend ausgerichtet sind. Einige Strömungselemente 42 der zweiten Reihe ragen in die benachbarte erste und dritte Reihe I und III. Andere Strömungselemente 42 der zweiten Reihe II sind um etwa 90° gedreht zu der radialen Richtung ausgerichtet. Andere wiederum sind weniger gedreht ausgerichtet, beispielsweise mit Winkeln im Bereich von 5° bis 85° zu einer radialen Richtung. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist keines der Strömungselemente 42 exakt radial ausgerichtet. Durch die von der radialen Richtung R abweichende Ausrichtung ist ein Strömungswiderstand in Bezug auf die radial ausströmende Kühlluft erhöht. Die dritte Reihe III mit Strömungselementen 42 an einem radial äußeren Rand ist hinsichtlich der Ausrichtung seiner Strömungselemente 42 ähnlich wie die erste Reihe I ausgebildet. Das heißt, die Strömungselemente 42 der dritten Reihe III sind leicht quer zu der radialen Richtung R ausgerichtet. Zumindest abschnittsweise sind die Strömungselemente 42 etwa parallel ausgerichtet. Die Strömungselemente 42 der dritten Reihe III unterscheiden sich somit hauptsächlich hinsichtlich ihrer Länge.In the 1 to 4 is an embodiment of a rectifier unit according to the invention, designed as a synchronous rectifier 1 shown. The rectifier unit 1 is part of a heat sink circuit device 10 , The heat sink circuit device 10 includes one as a bearing plate 3 trained base, the power electronics to form the rectifier and the cooling unit 2 , The rectifier unit 1 is used, for example, in an electric machine, not shown here, such as a generator. The generator comprises, for example, a housing, which in the axial direction by a front and rear bearing plate 3 is limited. Inside the case is a stator winding 15 housed inside the stator winding 15 is located above a shaft 7 rotatably mounted rotor carrying a rotor winding. On the rotor, more precisely the shaft 7 , is a fan 20 attached, the air in the axial direction through openings in the bearing plate 3 sucks and in the radial direction through outlet openings in the bearing plate 3 blows. The synchronous rectifier is at a top O of the bottom of the end shield 3 arranged. 1 shows the basic structure of a synchronous rectifier according to the present invention. A rectifier assembly 40 with electrical components is outside the bearing plate 3 arranged and becomes one end of the shaft 7 out of a protective cap 41 covered. The rectifier assembly 40 comprises a designed as a plastic housing cooling body 44 to which integrates the flow elements 42 are arranged. The cooling body 44 has, for example, the in 2 shown disk-shaped shape and has on the upper side O a number of parallel and transverse, designed as a cooling fins flow elements 42 , on. The heat sink 44 is here produced as an extruded part. On the other side of the top O, opposite the flow elements 42 , are the mosfets 43 and mounted their drive units, these, z. B. via a DBC substrate (DBC - direct bonded copper), with the flow elements 42 electrically insulated and thermally conductively connected. The control of the MOSFETs 43 via a central control module 47 , which in a second plane parallel to the switching elements (MOSFETs 43 ) is arranged. Alternatively, this module can also lie in the same plane as the MOSFETs 43 , In addition, another option is the functionality of the central control module 47 integrated in one of the MOSFET modules. The arrangement of the flow elements 42 is in the top view 2 shown. The substantially elongated cooling fins formed as flow elements 42 are field-like above the cooling base 44 arranged distributed. The flow elements differ here 42 especially in terms of their elongated dimensions and their orientation. The flow elements are partially slightly deviated from a radial direction R, in particular in one to a central shaft opening 5 adjacent row or in several rows. In a first arcuate around the central shaft opening 5 running row I are the fluids 42 formed with respect to their shape as about the same length cooling fins similar. Only in their orientation, the cooling fins are formed differently in sections. Behind it is located in the flow element field, a second annular row II, in which the flow elements 42 clearly different in terms of their size and trained deviating. Some flow elements 42 of the second row protrude into the adjacent first and third row I and III. Other flow elements 42 the second row II are aligned rotated by about 90 ° to the radial direction. Others, in turn, are less rotated, for example, at angles in the range of 5 ° to 85 ° to a radial direction. In the illustrated embodiment, none of the flow elements 42 exactly aligned radially. By deviating from the radial direction R orientation, a flow resistance with respect to the radially outflowing cooling air is increased. The third row III with flow elements 42 at a radial outer edge is in terms of alignment of its flow elements 42 similar to the first row I trained. That is, the flow elements 42 of the third row III are slightly oriented transversely to the radial direction R. At least in sections, the flow elements 42 aligned approximately parallel. The flow elements 42 The third row III thus differ mainly in their length.

In 3 ist eine elektrische Verschaltung des Synchrongleichrichters dargestellt. Die MOSFETs 43 sind über Stromschienen mit der Ständerwicklung 15 einerseits und den Gleichspannungsanschlüssen 17 des Generators andererseits verbunden. Sämtliche elektrischen Komponenten sind zum Schutz gegen äußere Einflüsse mit einem isolierenden Material 44 vergossen, welches den Kühlgrundkörper 44 bildet. Wenn sich der Generator dreht, wird durch den Lüfter 20 ein Kühlluftstrom K angesaugt. Die Kühlluft tritt durch Öffnungen 45 in der Schutzkappe 41 und wird von den Kühlrippen zur Kühlkörpermitte geleitet. In der Kühlkörpermitte befindet sich das Ende der Welle 7, welches zentrisch zu dem Kühlgrundkörper 44 über ein Lager L in dem Lagerschild 3 gelagert ist. An dem Wellenende befinden sich zudem Schleifringe 8, welche den Erregerstrom des Rotors auf einen Regler übertragen. Die Öffnung 46 ist im Durchmesser größer als der Durchmesser des Endes der Welle 7, sodass neben dem Ende der Welle 7 Kühlluft durch die Öffnung 46 strömen kann. Die Kühlluft K strömt etwa axial durch die Öffnung 46 entlang der Gleichrichter-Baugruppe 40 und weiter durch die Öffnungen 51 im Lagerschild 3 direkt zum Lüfter 20, und wird von diesem in radialer Richtung R ausgeblasen.In 3 an electrical interconnection of the synchronous rectifier is shown. The MOSFETs 43 are via busbars with the stator winding 15 on the one hand and the DC voltage connections 17 the generator connected on the other. All electrical components are designed to protect against external influences with an insulating material 44 potted, which is the cooling body 44 forms. When the generator turns, the fan will turn on 20 a cooling air flow K sucked. The cooling air passes through openings 45 in the cap 41 and is directed from the cooling fins to the heat sink center. In the heat sink center is the end of the shaft 7 which is centric to the cooling body 44 via a bearing L in the bearing plate 3 is stored. Slip rings are also located on the shaft end 8th which transmit the excitation current of the rotor to a regulator. The opening 46 is larger in diameter than the diameter of the end of the shaft 7 , so next to the end of the wave 7 Cooling air through the opening 46 can flow. The cooling air K flows approximately axially through the opening 46 along the rectifier assembly 40 and further through the openings 51 in the bearing plate 3 directly to the fan 20 , And is blown out from this in the radial direction R.

4 zeigt schematisch einen Ausschnitt von 2 mit Strömungslinien S. In der Draufsicht ist deutlich zu erkennen, dass die Strömungslinien S im Bereich der ersten Reihe an Strömungselementen 42 im Wesentlichen unverwirbelt entlang der Strömungselemente 42 vorbeiströmen. Diese unverwirbelte Strömung SI wird durch die wenig von der radialen Richtung R abweichende Ausrichtung der Strömungselemente 42 bewirkt. Je weiter die Ausrichtung der Strömungselemente 42 von der radialen Richtung R abweicht, desto größer ist der Strömungswiderstand und entsprechend die Verwirbelung. Beispielsweise sind unmittelbar vor etwa quer zu einer radialen Richtung ausgebildeten Strömungselementen 42 in der zweiten Reihe II entsprechende verwirbelte Strömungslinien St zu erkennen. Die Verwirbelungen entsehend durch die Ablenkung der Strömung an den Querrippen. In dem Strömungselementefeld entstehen zusätzliche Toträume T, in denen eingeschlossene Wirbel entstehen, welche jedoch für eine Kühlfunktion weniger relevant sind. Die Strömungsgeschwindigkeiten steigen von einem radial inneren Rand im Bereich der Reihe I zu dem äußeren Rand bei Reihe III an. Dies beruht nicht zuletzt auf der Anordnung und Ausrichtung sowie der Form der Strömungselemente 42. 4 schematically shows a section of 2 with flow lines S. In the plan view can be clearly seen that the flow lines S in the region of the first row of flow elements 42 essentially untwisted along the flow elements 42 flow past. This untwisted flow SI is characterized by the orientation of the flow elements which deviates slightly from the radial direction R. 42 causes. The further the orientation of the flow elements 42 deviates from the radial direction R, the greater the flow resistance and, correspondingly, the turbulence. For example, immediately before about transversely to a radial direction formed flow elements 42 to recognize in the second row II corresponding turbulent flow lines St. The turbulence by the deflection of the flow at the transverse ribs. In the flow element field, additional dead spaces T arise, in which trapped vortices arise, which, however, are less relevant for a cooling function. The flow rates increase from a radially inner edge in the region of the row I to the outer edge in row III. This is not least due to the arrangement and orientation and the shape of the flow elements 42 ,

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2007/074289 A2 [0007]
US 2006/0181162 A1 [0007]
US 2008/0197727 A1 [0007]

Claims

Cooling device ( 2 ) for a generator for a motor vehicle, in particular for a claw pole generator with synchronous rectifier, comprising a plurality of flow elements ( 42 ) for directing a coolant flow (K) along in operation heating components of the generator, characterized in that the flow elements ( 42 ) are arranged at least partially flow resistance increasing to a flow resistance between the coolant stream (K) and the flow elements ( 42 ) and thereby realize a greater heat transfer.

Cooling device ( 2 ) according to claim 1, characterized in that the flow elements ( 42 ) are aligned at least partially transverse to a flow direction of the coolant flow (K), in particular transversely to a radial flow direction.

Cooling device ( 2 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the flow elements ( 42 ) are formed interrupted in the flow direction.

Cooling device ( 2 ) according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the flow elements ( 42 ) in one piece on a cooling body ( 44 ) are formed.

Cooling device ( 2 ) according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the heating components in the cooling base body ( 44 ) can be arranged.

Cooling device ( 2 ) according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the flow elements ( 42 ) are arranged abragend to one side axially against a partial flow direction.

Rectifier unit ( 1 ), in particular a synchronous rectifier unit, for a motor vehicle generator, in particular a claw pole generator, comprising power electronics and at least one cooling unit for cooling the power electronics, via which the power electronics are connected to a base part ( 3 ) is attachable, characterized in that the cooling unit as a cooling device ( 2 ) is designed according to one of the preceding claims 1 to 6.

Rectifier unit ( 1 ) according to claim 7, characterized in that the power electronics at least partially in the cooling device ( 2 ) is integrated.

Cooling body circuit device ( 10 ) for a motor vehicle generator, in particular for a claw pole generator, for converting mechanical energy into electrical energy, comprising a base part ( 3 ), to which a power electronics for forming a rectifier is connected via a cooling unit, characterized in that the cooling unit comprises a cooling device ( 2 ) according to one of the preceding claims 1 to 6.

Electric machine, in particular an automotive generator such as a claw pole generator, for converting mechanical energy into electrical energy, comprising a stator and a rotor, in particular a hybrid-excited rotor, characterized in that at least one heat sink circuit device ( 10 ) according to claim 9 is included.

A method for cooling a power electronics of an electrical machine, in particular a motor vehicle generator such as a claw pole generator, for converting mechanical energy into electrical energy, comprising a current flowing through the power electronics and cooling the thereby heating power electronics by flowing around the power electronics with a coolant flow, characterized in that Coolant flow is swirled in the field of power electronics to realize greater heat dissipation.