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Title:
PUMP DRIVEN BY AN ELECTRIC MOTOR, IN PARTICULAR FOR A MOTOR VEHICLE POWER STEERING SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1999/031785
Kind Code:
A1
Abstract:
A pump driven by an electric motor, in particular for a motor vehicle power steering system, has a pump housing (3) which consists at least in one partial region (29) of a good heat-conducting material through which the pump medium flows, an electric motor (7, 9) arranged in or on the pump housing (3) and control electronics (5) arranged on or in the pump housing (3) for the electric motor (7, 9). For cooling purposes, one or more power semiconductors (31) of the control electronics (5) are brought into contact with the partial region (29) of the pump housing made of good heat-conducting material.

Inventors:
WILKENDORF HARDY (DE)
PETER CORNELIUS (DE)
KOCH FRANK (DE)
MOOSMANN HANS-PETER (DE)
SANGRET HENRY (US)
JONES NEIL (US)
Application Number:
PCT/DE1998/003139
Publication Date:
June 24, 1999
Filing Date:
October 26, 1998
Export Citation:
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Assignee:
TRW AUTOMOTIVE ELECTRON & COMP (DE)
WILKENDORF HARDY (DE)
PETER CORNELIUS (DE)
KOCH FRANK (DE)
MOOSMANN HANS PETER (DE)
SANGRET HENRY (US)
JONES NEIL (US)
International Classes:
H02K9/22; H02K11/33; H02K29/00; (IPC1-7): H02K11/04; H02K9/22
Foreign References:
EP0593913A21994-04-27
DE19723664A11997-12-11
DE3439665A11986-05-07
EP0464644A11992-01-08
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 097, no. 006 30 June 1997 (1997-06-30)
Attorney, Agent or Firm:
EDER & SCHIESCHKE (Elisabethstrasse 34/II München, DE)
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Claims:
Patentanspriiche
1. Elektromotorisch angetriebene Pumpe, insbesondere fiir die Servolenkung eines Kraftfahrzeugs, a) mit einem Pumpengehäuse (3), welches zumindest in einem Teilbe reich (29) aus einem gut warmeleitenden Material besteht, wobei das zu fordernde Medium den Teilbereich (29) aus gut wärmeleitendem Material oder einen daran angrenzenden Bereich durchströmt, b) mit einem im oder am Pumpengehäuse (3) angeordneten Elektromotor (7,9) und c) mit einer am oder im Pumpengehause (3) vorgesehenen Ansteuere lektronik (5) fiir den Elektromotor (7,9), wobei ein oder mehrere Lei stungshalbleiter (31) der Ansteuerelektronik (5) zur Kühlung mit dem Teilbereich (29) aus gut wärmeleitendem Material des Pumpengehäu ses in Kontakt gebracht sind.
2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich (29) aus gut warmeleitendem Material eine Vielzahl von Kanälen vorgese hen sind, die von dem zu fördernden Medium durchflossen werden.
3. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich (29) aus gut wärmeleitendem Material ein oder mehrere Anale mit innen vorgesehensind.seitigenKühlrippen.
4. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die Ansteuerelektronik (5) aus einer Platine (19) mit darauf ange ordneten mechanischen, elektromechanischen, elektrischen oder elektroni schen Bauelementen besteht.
5. Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (19) als kunststoffumspritztes Stanzgitter oder gedruckte Leiterplatte ausgebildet ist.
6. Pumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lei stungshalbleiter (31) steckbar mit der Platine (19) verbunden sind.
7. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die Leistungshalbleiter zusätzlichenBefestingungsmittelnmit (33), vorzugsweise federnden Befestigungsmitteln, mit dem Bereich aus wärmeleitendem Material in Kontakt gehalten sind.
8. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die Ansteuerelektronik (5) zwischen einer Oberselte des Pumpenge hases (3) oder der Bodenwandung des Pumpengehauses (3) und dem Elek tromotor (7,9) angeordnet ist.
9. Pumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (7,9) mit einer mit dem Pumpengehause losbar verbundenen Schutzkappe abgedeckt ist.
Description:
Elektromotorisch angetriebene Pumpe, insbesondere fur die Servolenkung eines Kraftfahrzeugs Die Erfindung betrifft eine elektromotorisch angetriebene Pumpe, insbesondere fiir die Servolenkung eines Kraftfahrzeugs.

Bei bekannten Pumpen finden als Elektromotoren haufig burstenlose Gleich- strommotoren Verwendung, welche eine entsprechende Ansteuerelektronik be- nötigen. Zur Beaufschlagung der Statorwicklungen des Motors mit dem ge- wünschten Gleichstrom bieten sich Leistungshalbleiter, beispielsweise Power- FET, an, die zumindest bei größeren Pumpenleistungen entsprechend gekühlt werden musse.

Bei bekannten Pumpen ist die Ansteuerelektronik in der Regel am Pumpenge- häuse vorgesehen. Der iiblicherweise nicht ausreichende Kühlkörper der Lei- stungshalbleiter ist mit einem zusatzlichen Kuhlkorper verbunden, der beispiels- weise eine Vielzahl von Kühlrippen aufweisen kann, um eine ausreichende Ab- fuhr der durch die Verlustleistung der Leistungshalbleiter erzeugten Wärme an die Umgebungsluft zu gewährleisten.

Dieser Aufbau weist jedoch den Nachteil auf, dass zum einen ein zusätzlicher Kühlkörper vorgesehen werden muss, womit ein zusätzlicher Aufwand sowohl bei der Herstellung als auch bei der Montage der Pumpe verbunden ist. Zum anderen muss bei einem Austausch der Leistungshalbleiter entweder der alte Kühlkörper vom auszutauschenden Leistungshalbleiter demontiert oder ein neuer Kühlkörper verwendet werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektromotorisch angetrie- bene Pumpe, insbesondere finir die Servolenkung eines Kraftfahrzeuges, zu schah fen, welche einen gegenüber bekannten Ptunpen einfacheren und kostengünstige- ren Aufbau aufweist und bei der eine sichere Kühlung der erforderlichen Lei- stungshalbleiter gewahrleistet ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass das Pumpengehäuse gleichzeitig als Kuhlkorper fiir die Leistungshalbleiter verwendet werden kann, wenn zumin- dest der Teilbereich des Pumpengehäuses, welcher mit den Leistungshalbleitern in Kontakt steht, aus gut warmeleitendem Material besteht und dieser Teilbereich oder ein daran angrenzender Bereich durch das zu fördemde Medium, beispiels- weise eine Hydraulikflüssigkeit, gekühlt wird.

Auf diese Weise ergibt sich der Vorteil, dass auf das Vorsehen zusätzlicher Kühlkörper verzichtet werden kann. Des Weiteren kann die Ansteuerelektronik zusammen mit den Leistungshalbleitern auch innerhalb eines relativ eng bemes- senen Gehäuses vorgesehen sein, ohne dass zu befürchten ist, dass die Tempera- tur innerhalb des Gehäuses über einen unzulässig hohen Welt ansteigt. Auch bei einer hohen Pumpenlast über längere Zeit kann somit eine Zerstörung der Lei- stungshalbleiter sicher vermieden werden. Des Weiteren können die Leistungs- halbleiter ohne die bisher aufgrund thermischer Belastung erforderliche relativ grole Sicherheitsmarge dimensioniert werden.

Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Bereich aus gut warmeleitendem Material mit einer Vielzahl von Kanälen durchzogen bzw. mit einem oder mehreren Kanälen mit innenseitigen Kühlrippen. Damit ist diesel Bereich des Pumpengehäuses praktisch als Wärmetauscher ausgebildet, so dass

ein relativ geringer Warmeubergangswiderstand zwischen dem Gehäuse des Leistungshalbleiters und dem von der Pumpe zu fordernden Medium erreicht ist.

Selbstverständlich kann die Kiihlung auch dadurch erfolgen, dass ein benach- barter Bereich von dem Medium durchflossen und damit gekühlt wird, wenn eine ausreichende thermische Kopplung gegeben ist bzw. der Wärmeübergangswider- stand zwischen den Leistungshalbleitern und dem Medium klein genug ist.

Die Ansteuerelektronik ist vorzugsweise als kunststoffumspritztes Stanzgitter ausgebildet, um den üblicherweise relativ hohen Stromstärken Rechnung zu tragen. Gegebenenfalls kann die Ansteuerelektronik jedoch auch auf einer her- kommlichen gedruckten Leiterplatte aufgebaut sein. Auch Mischformen zwi- schen diesen beiden Techniken sind moglich.

Nach einer Ausfiihrungsform der Erfindung können die Leistungshalbleiter steckbar mit der Platine verbunden sein. Hierdurch ergibt sich eine einfache Montage und Austauschbarkeit der Leistungshalbleiter.

Zur sicheren Halterung der Leistungshalbleiter bzw. zur dauerhaften Gewahrlei- stung eines möglichst geringen Wärmeübergangswiderstands zwischen dem Kühlkörper der Leistungshalbleiter und dem betreffenden Bereich des Pumpen- gehauses konnen zusatzliche Befestigungsmittel, beispielsweise fedemde Klam- mern oder dergleichen vorgesehen sein. Mit dem betreffenden Befestigungsmittel kann gleichzeitig ein Anschlusskontakt des Stanzgitters mit dem Kühlkörper des Leistungshalbleiters verbunden werden, wenn dieser gleichzeitig als elektrischer Kontakt dient.

Die Leistungshalbleiter können zur Erreichung minimaler Obergangswiderstiinde bzw. zur sicheren Fixierung auch fest mit den Anschlusskontakten verbunden sein, beispielsweise durch Widerstandsschweißen oder Laserschweißen.

Bei der bevorzugten Ausfiihrungsform der Erfindung ist die Ansteuerelektronik zwischen der Oberseite des Pumpengehäuses bzw. der Bodenwandung des Pum- pengehäuses und dem darauf bzw. darin vorgesehenen Elektromotor angeordnet.

Hierdurch ergibt sich ein äußerst einfacher und kostengiinstiger sowie raumspa- render Aufbau.

Der Elektromotor ist vorzugsweise mittels einer lösbar mit dem Pumpengehäuse verbundenen Schutzkappe abgedeckt. Damit sind sowohl Motor als auch die zugehörige Ansteuerelektronik sicher vor Umwelteinflüssen geschützt.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü- chen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfiihrungsbeispiels naher erlautert. In der Zeichnung zeigen : Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung der wesentlichen Kompo- nenten einer elektromotorisch angetriebenen Pumpe nach der Enfin- dung ; Fig. 2 das Pumpengehause nach Fig. I mit montierten Leistungshalbleitern und Fig. 3 das Pumpengehause in Fig. 2 mit vollständig montierter Ansteuer- elektronik.

Fig. 1 zeigt eine elektromotorisch angetriebene Pumpe 1, die ein Pumpengehäuse 3, eine Ansteuerelektronik 5 sowie einen aus einem Stator 7 und einem Rotor 9 bestehenden Elektromotor umfasst. Eine mit dem Pumpengehäuse verbindbare Schutzkappe zur Abdeckung des Motors ist nicht dargestellt.

Das Pumpengehause 3 beinhaltet die gesamte Pumpenmechanik und weist in der vorderen Wandung eine Auslassoffnung 11 (Druckausgang) und in ihrer rück- seifigen Wandung eine nicht näher dargestellte Ansaugöffnung 13 au£ Ausgehend vom Boden des Pumpengehäuses 3 erstreckt sich eine zylindrische Wandung 15 nach oben, in welcher die mittels eines Lagers 17 gelagerte An- triebswelle 18 fiir die Pumpenmechanik vorgesehen ist.

Das Pumpengehäuse 3 besteht vorzugsweise aus Aluminium-oder Magnesium- druckguss.

Im Pumpengehäuse 3 wird die Ansteuerelektronik 5 angeordnet, wobei diese eine Platine 19 umfasst, auf der die eiforderlichen mechanischen, elektrischen, elek- tromechanischen und elektronischen Bauelemente vorgesehen sind. Die Platine 19 weist eine Ausnehmung 21 auf, in welche die zylindlische Wandung 15 des Pumpengehäuses 3 eingreift. Die Platine ist als Kombination eines umspritzten Stanzgitters (finir hohe Stromstärken) und einer gedruckten Leiterplatte (fuir nied- rige Stromstarken) ausgebildet.

Nach dem Einsetzen der Ansteuerelektronik 5 in das Pumpengehäuse wird der Motor 7 im Pumpengehause 3 montiert. Der Motor 7 weist einen Stator 7 mit der erforderlichen Anzahl von Statorwicklungen au£ Der Stator 7 weist ebenfalls

eine axiale Ausnehmung 25 auf, mit welcher der Stator 23 auf die zylindrische Wandung 15 des Pumpengehäuses 3 aufgesetzt wird.

Der Rotor 9 ist als Außenläufer aufgeführt und wird im Pumpengehäuse 3 mittels der fest mit dem Rotor verbundenen Antriebswelle 18 und des Lagers 17 rotierbar gelagert. Selbstverstandlich wird der Rotor 9 mit der Antriebswelle 18 in geeig- neter Weise verbunden.

Die gesamte Anordnung kann mittels einer nicht nicher dargestellten Schutzkappe abgedeckt werden, welche auf den Bund 27 der seitlichen Wandung des Pum- pengehäuses 3 aufgesetzt wird.

Im Pumpengehause 3 sind zwei Auflageflachen 29 ftir Leistungshalbleiter 31 der Ansteuerelektronik 5 vorgesehen. Bei diesen Leistungshalbleitern kann es sich beispielsweise um Power-FET's handeln. Die Power-FET's weisen in üblicher Weise relativ kleine metallische Kühlkörper 31a auf, die in der Regel jedoch nicht eine ausreichende Abfuhr der Verlustwärme gewährleisten können.

Zu diesem Zweck werden die kleinen Kuhlkoiper 31 a auf den Auflageflächen 29 im Pumpengehause 3 platziert und mit geeigneten Mitteln mit diesen in einen ausreichenden warmeleitenden Kontakt gebracht.

Da die Kühlkörper 3 la der Leistungshalbleiter 31 auch gleichzeitig die Funktion eines elektrischen Kontakts ausüben, kann erforderlichenfalls zwischen der Riickseite der kleinen Kühlkörper 3 la und den Auflageflächen 29 eine elektrisch isolierende, jedoch ausreichend wärmeleitende Schicht vorgesehen sein. Gegebe- nenfalls kann jedoch auch ein unmittelbarer elektrischer Kontakt zwischen den Kuhlkorpern 31 a und dem Pumpengehäuse 3 hergestellt werden, wenn dies elek- trisch zulassig bzw. gewiinscht sein sollte.

Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung jeweils zwei auf den beiden Auflageflä- chen 29 befestigte Leistungshalbleiter 31. In der dargestellten Ausfiihrungsform werden die Leistungshalbleiter 31 mittels federnder Klammern 33 auf den Aufla- geflächen 29 befestigt.

Fig. 3 zeigt die vollständige Ansteuerelektronik 5 in dem Pumpengehause 3 in montiertemZustand.

Wie aus den Fig. 1 und 3 ersichtlich, kann die Ansteuerelektronik 5 als Basisein- heit eine Platine 19 umfassen, auf der die betreffenden Bauelemente angeordnet sind. Die Verbindung der Leistungshalbleiter 31 mit der Platine 19 bzw. den auf der Platine 31 vorgesehenen Leiterzügen kann steckbar ausgebildet sein, falls eine leichte Austauschbarkeit bzw. Montage der Leistungshalbleiter gewiinscht ist und hierdurch eine ausreichende Sicherheit hinsichtlich des elektrischen Kontakts gewahrleistet werden kann. Die Verbindung der Anschlusskontakte der Leistungshalbleiter 31 mit den betreffenden Leiterzügen der Ansteuerelektronik 5 kann jedoch auch durch Loten, Punktschweilen oder Laserschweißen erfolgen.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, kann die Kontaktierung des als Elektrode wirkenden Kiihlkorpers 3 I a jedes Leistungshalbleiters 31 dadurch erfolgen, dass ein ent- sprechender Leiterzug der Platine 19 mit dem Kühlkörper 31 in Kontakt gebracht und entweder mit diesem, beispielsweise durch Laserschweißen, fest verbunden oder mechanisch an diesen angepresst wird. Dies kann beispielsweise gleichzei- tig die federnde Klammer 33 übernehmen.

Auf diese Weise ergibt sich eine äußerst einfache und sichere Montage der An- steuerelektronik 5 einschließlich der Leistungshalbleiter 31 im Pumpengehäuse 3.

Die Bereiche des Pumpengehauses 3 unterhalb der Auflageflächen 29 weisen vorzugsweise einen oder mehrere Anale auf, die von dem von der Pumpe zu fordernden Medium durchflossen sind. Die betreffenden Bereiche wirken somit wie Warmetauscher. Selbstverstandlich konnen hierzu an sich bekannte Mal3- nahmen zur Verbesserung der Wärmeabfuhr von den Leistungshalbleitern 31 vorgesehen werden, wie beispielsweise das Vorsehen einer möglichst großen Flache four das zu fördernde Medium in den Bereichen unterhalb der Auflageflä- chen 29. Beispielsweise können hierzu eine Vielzahl von Kanälen vorgesehen sein oder ein oder mehrere Anale innenseitige Kühlrippen aufweisen.

Die in den Fig. I bis 3 dargestellte Ausführungsform ermöglicht einen äußerst platzsparenden Aufbau. Das Vorsehen der kompletten Ansteuerelektronik, ein- schließlich der Leistungshalbleiter, innerhalb des Pumpengehäuses bietet den Vorteil, dass die Ansteuerelektronik sicher vor Umwelteinflüssen geschützt ist.

Durch das gleichzeitige Nützen des Pumpengehäuses als Kuhlkorper fiir die Lei- stungshalbleiter und das AbRühren der Verlustwärme der Leistungshalbleiter durch das zu fördernde Medium ist sichergestellt, dass innerhalb des Pumpenge- hases keine unzulässig hohen Temperaturen auftreten.