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Dokumentenidentifikation DE102005048095A1 12.04.2007
Titel Regler für elektrische Maschinen, insbesondere für Drehstromgeneratoren
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Braun, Horst, 70469 Stuttgart, DE;
Goldschmidt, Robert, 71679 Asperg, DE
DE-Anmeldedatum 30.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005048095
Offenlegungstag 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse H02K 5/18(2006.01)A, F, I, 20050930, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Regler für elektrische Maschinen, insbesondere für Drehstromgeneratoren zur Versorgung von Fahrzeug-Bordnetzen, wobei die Verlustwärme einer Halbleiter-Endstufe des Reglers über einen Kühlkörper (20) an einen Kühlluftstrom (21) abzuführen ist, indem der Kühlkörper auf seiner äußeren Oberfläche mit mehreren, zueinander parallel verlaufenden Kühlrippen (27) versehen ist. Zwischen den Kühlrippen (27) sind jeweils längs verlaufgende Kühlkanäle (28) ausgebildet. Zur Verbesserung der Verlustwärme-Abführung des Reglers wird vorgeschlagen, dass mehrere dieser Kühlrippen (27a) mindestens eine Unterbrechung, vorzugsweise in Form von quer verlaufenden Kühlkanälen (34) aufweist.

Beschreibung[de]
Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf einen Regler für elektrische Maschinen, insbesondere für Drehstromgeneratoren zur Versorgung von Kraftfahrzeug-Bordnetzen nach der Gattung des Anspruchs 1.

Bei derartigen Reglern ist es bekannt, die elektronische Reglerschaltung als IC-Baustein in einer Halbleiterplatine zu integrieren, wobei die in einer Halbleiter-Endstufe des IC-Bausteins auftretende Verlustwärme über einen Kühlkörper an einen Kühlluftstrom des Drehstromgenerators abgeführt wird. Der IC-Baustein ist zu diesem Zweck möglichst großflächig Wärme leitend mit dem Kühlkörper verbunden (R 303608). Die vom Drehstromgenerator abzugebende Leistung ist dabei über dessen Erregerstrom mittels der Halbleiter-Endstufe in Abhängigkeit von der Spannung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes regelbar. Zur Wärmeabführung ist der Kühlkörper auf seiner dem Kühlluftstrom zugewandten Oberfläche mit mehreren, zueinander mindestens annähernd parallel verlaufenden Kühlrippen versehen, wobei jeweils zwischen den Kühlrippen längs verlaufende Kühlkanäle ausgebildet sind. Beim Durchströmen der Kühlluft durch die relativ langen Kühlkanäle bildet die Kühlluft an den Wänden der Kühlrippen Grenzschichten aus, die eine konvektive Wärmeübertragung beeinträchtigen und damit die Kühlwirkung verringern.

Mit der vorliegenden Lösung wird angestrebt, bei derartigen Reglern die Kühlwirkung des Kühlkörpers zu verbessern, ohne dessen Abmessungen zu vergrößern.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Regler mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass mit dem Unterbrechen der Kühlrippen ein Luftaustausch zwischen den zueinander parallel verlaufenden Kühlkanälen ermöglicht wird. Das wiederum führt dazu, dass die Grenzschichtdicke an den Wänden der Kühlrippen durch den Luftaustausch reduziert und damit die Wärmeabführung deutlich verbessert wird.

Als weiterer Vorteil ist anzusehen, dass aufgrund der verbesserten Wärmeabführung der Regler bei einer höheren Kühllufttemperatur eingesetzt werden kann das heißt die als Selbstschutz implementierte Abregelung des Generatorstromes wird zu höheren Kühllufttemperaturen verschoben.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

So wird eine verstärkte Kühlluftströmung durch einen verringerten Strömungswiderstand dadurch erreicht, dass die Unterbrechungen der Kühlrippen als weitere, zu den Kühlrippen quer verlaufende Kühlkanäle ausgebildet sind. Eine weitere Verbesserung der Kühlluftströmung wird dadurch erreicht, dass die quer verlaufenden Kühlkanäle zu den längs verlaufenden Kühlkanälen einen Winkel von kleiner 90°, vorzugsweise einen Winkel zwischen 25° und 45° haben. Ein geringerer Strömungswiderstand der Kühlluft an der Außenseite des Kühlkörpers lässt sich ferner dadurch erreichen, dass die quer laufenden Kühlkanäle zueinander vorzugsweise mit gleichem Abstand parallel verlaufen und die Kühlrippen in voller Höhe durchbrechen.

Zeichnung

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Ausbruch eines Drehstromgenerators mit stirnseitig angebrachtem Regler und dessen Abdeckung im Querschnitt – in bekannter Ausführungsform,

2 zeigt den Regler – in bekannter Ausführungsform – mit durchgehenden Kühlrippen des Kühlkörpers in raumbildlicher Darstellung,

3 zeigt einen Ausbruch des erfindungsgemäßen Reglers mit unterbrochenen Kühlrippen in vergrößerter, raumbildlicher Darstellung,

4 zeigt in schematischer Ausführung die Konfiguration der unterbrochenen Kühlrippen,

5 zeigt in vergrößerter Darstellung den Kühlkörper unter der im Ausbruch dargestellten Schutzkappe mit einem Fenster zum Einlass der Kühlluft und

6 zeigt den Verlauf der Oberflächentemperatur entlang einer Messstrecke des Kühlkörpers, mit und ohne Unterbrechung der Kühlrippen, gemessen mit einer Wärmebildkamera.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In 1 ist als elektrische Maschine ein Drehstromgenerator zur Versorgung eines Bordnetzes von Kraftfahrzeugen als Ausbruch mit seinem abtriebseitigen Lagerschild im Querschnitt dargestellt und mit 10 bezeichnet. Sein Stator 11 besteht aus einem Blechpaket 12 mit einer Drehstromwicklung 13, die über eine Gleichrichter-Baueinheit mit dem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges und dessen Akkumulatorbatterie verbunden wird. Der Stator 11 ist zwischen zwei Lagerschilden eingespannt, von denen der hintere Lagerschild 14 das schleifringseitige Ende einer Läuferwelle 15 aufnimmt. An der äußeren Stirnseite des Lagerschildes 14 ist in bekannter Weise ein Regler 16 befestigt, wie er in 2 in raumbildlicher Darstellung gezeigt ist. Der Regler besteht im Wesentlichen aus einem Grundkörper aus Kunststoff, der eine Wanne 18 zur Aufnahme eines IC-Bausteins 19 aufweist. Über eine Halbleiter-Endstufe des IC-Bausteines wird der Erregerstrom des Drehstromgenerators in Abhängigkeit von der Spannung des Bordnetzes geregelt, wobei die Verlustwärme des IC-Bausteines über einen Kühlkörper 20 an einen Kühlluftstrom 21 abgeführt wird.

Gemäß 2 ist erkennbar, dass im Grundkörper 17 des Reglers 16 ein Bürstenhalter 22 integriert ist, in dem zwei Kohlebürsten 23 zur regelbaren Versorgung einer Erregerwicklung eines auf der Läuferwelle 15 befestigten Klauenpolläufers 24 aufgenommen sind und die mit zwei Schleifringen 25 am abtriebsseitigen Ende der Läuferwelle 15 zusammenwirken. Des Weiteren ist am Grundkörper 17 des Reglers noch ein Regleranschluss 26 ausgebildet.

In der bekannten Ausführung gemäß 2 ist der am Grundkörper 17 befestigte Kühlkörper 20 auf seiner dem Kühlluftstrom 21 zugewandten Oberfläche mit mehreren zueinander annähernd parallel verlaufenden Kühlrippen 27 versehen, wobei jeweils zwischen den Kühlrippen 27 längs verlaufende Kühlkanäle 28 ausgebildet sind. Der Kühlluftstrom 21 wird gemäß 1 zum Teil von einem auf der Stirnseite des Klauenpolläufers 24 befestigten Lüfter 29 im Betriebszustand der Maschine durch ein Fenster 30 einer den Regler einfassenden Schutzkappe 31 eingesaugt, von wo er durch die längs verlaufenden Kühlkanäle 28 des Kühlkörpers 20 zunächst radial nach innen geleitet wird, um dann durch stirnseitige Öffnungen 32 des Lagerschildes 14 zum Lüfter 29 zu gelangen. Von dort wird der Kühlluftstrom 21 radial nach außen zur Drehstromwicklung 13 befördert, von wo aus er über Auslassschlitze 33 des Lagerschildes 14 nach außen gelangt, wie dies durch Pfeile angedeutet ist.

Um die im IC-Baustein 19 beim Betrieb des Drehstromgenerators 10 erzeugte Verlustwärme möglichst effektiv an den Kühlluftstrom 21 abführen zu können, werden erfindungsgemäß die längeren Kühlrippen 27 mit Unterbrechungen versehen. Wie gemäß 3 in der räumlicher Darstellung eines vergrößerten Ausbruches des Reglers 16 erkennbar ist, sind die Unterbrechungen der Kühlrippen 27a als weitere, zu den Kühlrippen quer verlaufende Kühlkanäle 34 ausgebildet. Diese weiteren, quer verlaufenden Kühlkanäle 34 verlaufen ihrerseits zueinander parallel, und zwar mit etwa gleichem Abstand. Die Kühlrippen 27a werden dabei von diesen weiteren Kühlkanälen 34 in ihrer vollen Höhe durchbrochen.

4 zeigt die erfindungsgemäß durchbrochenen Kühlrippen 27a und Kühlkanäle 28 beziehungsweise 34 in ihrer Konfiguration in schematischer Darstellung. Der Kühlluftstrom 21 teilt sich dabei in den verschiedenen Kühlkanälen 28 und 34 auf, wie dies durch Pfeile 21a, 21bangedeutet ist. Dort ist erkennbar, dass die quer verlaufenden Kühlkanäle 34 zu den längs verlaufenden Kühlkanälen 28 einen Winkel haben, der kleiner als 90° ist und vorzugsweise zwischen 25° und 45° liegt. Im Beispielfalls beträgt der Winkel &agr; 30°. Desweiteren ist für eine effektive Wärmeabführung von Bedeutung, dass die längs verlaufenden Kühlkanäle 28 zwischen den Kühlrippen 27a mindestens so breit wie die Kühlrippen 27 dick sind. Vorzugsweise beträgt die Breite b der längs verlaufenden Kühlkanäle 28 das 1,2 bis 1,6 fache der Dicke d der Kühlrippen 27a. Im Beispielsfall liegt die Dicke d der Kühlrippen 27a zwischen 2 und 2,5 mm und die Breite b der längs verlaufenden Kühlkanäle 28 liegt zwischen 2,5 und 4 mm. Eine besonders gute Wärmeabführung ergibt sich ferner dadurch, dass die quer verlaufenden Kühlkanäle 34 mindestens so breit wie die längs verlaufenden Kühlkanäle 28 ausgebildet sind. Zweckmäßiger Weise beträgt die Breite a der quer verlaufenden Kühlkanäle 34 das 1,3 bis 1,7 fache der Dicke d der Kühlrippen 27. Im Beispielsfall haben die quer verlaufenden Kühlkanäle 34 eine Breite a von 3 bis 3,5 mm. Für die Strömungsverhältnisse ist ferner auch noch der Abstand 1 der quer verlaufenden Kühlkanäle 34 zueinander von Bedeutung. So ergibt sich eine besonders gute Kühlwirkung, wenn der Abstand 1 das 1,5 bis 2,2 fache der Dicke d der Kühlrippen 27a beträgt. Im Beispielsfall liegt der Abstand 1 der quer verlaufenden Kühlkanäle 34 zueinander zwischen 3 und 5,5 mm.

Um die Verbesserung der Wärmeabführung des Kühlkörpers 20 durch die Unterbrechung seiner Kühlrippen 27 deutlich zu machen, wurde auf der dem Kühlluftstrom zugewandten Oberfläche des Kühlkörpers 20 die Temperatur T in °C ermittelt. Dazu wurde gemäß 5 der Regler 16 mit seinem Kühlkörper 20 unter dem Fenster 30 der im Ausbruch dargestellten Schutzkappe 31 unter Last betrieben und dabei über eine innerhalb des Fensters 20 liegende Messstrecke 35 mit einer Wärmebildkamera die Oberflächentemperatur T des Kühlkörpers gemessen. 6 zeigt in einem Diagramm über etwa 130 Messpunkte der Messstrecke 35 eine erste Messkurve A an einem Regler 16 der bisherigen Bauart mit durchgehenden Kühlrippen 27 und eine zweite Messkurve B von einem Regler 16 mit erfindungsgemäß unterbrochenen Kühlrippen 27a. Beide Messkurven A und B zeigen im Bereich der Kühlrippen 27 jeweils eine Temperaturabsenkung um etwa 1°C. Ein Vergleich beider Messkurven zeigt aber ebenso deutlich eine Temperaturabsenkung über den gesamten Messbereich um etwa 2°C bei einem Kühlkörper 20 mit unterbrochenen Kühlrippen 27a nach der Messkurve B gegenüber einem Kühlkörper 20 mit durchgehenden Kühlrippen 27 nach der Messkurve A.


Anspruch[de]
Regler für elektrische Maschinen, insbesondere Drehstromgeneratoren zur Versorgung von Kraftfahrzeug-Bordnetzen, deren Erregerstrom von einer Halbleiter-Endstufe des Reglers in Abhängigkeit von der Spannung des Bordnetzes regelbar ist, wobei die Verlustwärme der Halbleiter-Endstufe über einen Kühlkörper (20) an einen Kühlluftstrom (21) abzuführen ist, indem der Kühlkörper auf seiner dem Kühlluftstrom zugewandten Oberfläche mit mehreren, zueinander mindestens annähernd parallel verlaufenden Kühlrippen (27) versehen ist, wobei jeweils zwischen den Kühlrippen längs verlaufende Kühlkanäle (28) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kühlrippen (27a) mindestens eine Unterbrechung (34) aufweisen. Regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbrechungen (34) der Kühlrippen (27a) als weitere, zu den Kühlrippen quer verlaufenden Kühlkanäle ausgebildet sind. Regler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die quer verlaufenden Kühlkanäle (34) zu den längs verlaufenden Kühlkanälen (28) einen Winkel (&agr;) von kleiner 90°, vorzugsweise einen Winkel (&agr;) zwischen 25° und 45° haben. Regler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die quer verlaufenden Kühlkanäle (34) zueinander vorzugsweise mit gleichem Abstand (1) parallel verlaufen und die Kühlrippen (27a) in voller Höhe durchbrechen. Regler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die längs verlaufenden Kühlkanäle (28) mindestens so breit wie die Kühlrippen (27) dick sind. Regler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) der längs verlaufenden Kühlkanäle (28) das 1,2 bis 1,6-fache der Dicke (d) der Kühlrippen (27) beträgt. Regler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die quer verlaufenden Kühlkanäle (34) mindestens so breit wie die längs verlaufenden Kühlkanäle (28) sind. Regler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (a) der quer verlaufenden Kühlkanäle (34) das 1,3 bis 1,7-fache der Dicke (d) der Kühlrippen (27) beträgt. Regler nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (1) der quer verlaufenden Kühlkanäle (34) zueinander das 1,5 bis 2,2-fache der Dicke (d) der Kühlrippen (27) beträgt. Regler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d) der Kühlrippen (27a) 2 bis 2,5mm beträgt.






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