CN204349710U - 功率电子元件和功率电子装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于电机的定子的功率电子元件(1)和功率电子装置，功率电子元件包括冷却体(2)和功率电子模块(4)，其中，冷却体(2)设计为楔石形状，使得负担在冷却体上的压力传递到相对于压力方向位于侧边的轴承上。使得各个冷却体能够在热传递上和力配合上很好地结合。

Description

功率电子元件和功率电子装置

技术领域

本实用新型涉及一种功率电子元件以及一种功率电子装置。

背景技术

为了运行带定子的电机要使用变频器。根据现有技术，变频器是三相的，并且布置在与电机分隔开的壳体内。从而实现以下优点，即，变频器不必暴露在电机运行时占主导的热负载和机械负载中。

除了变频器，为了运行带定子的电机，在大部分情况下还需要其他的功率电子组件。根据现有技术，由于构造空间有限，所以尝试着将功率电子模块布置在电机壳体上和/或内。然而因此带来以下缺点，即，功率电子模块也暴露在电机运行时出现的负载中。例如会出现高的热负载和/或机械负载。

根据现有技术迄今尚未解决的问题是，功率电子模块的充分冷却的特性和力配合的机械固定的结合。此外还希望能够自动化地装配功率电子模块。特别是对于直接布置在定子附近的功率电子模块出现许多困难。因此，根据现有技术通常使用少于马达线圈的功率电子模块。其中，这些模块布置在为此设计的载体或冷却体上。不利的是，因此无法让功率电子模块直接地与电机的定子或定子区段连接。

实用新型内容

因此，本实用新型的基本任务是，提供一种用于电机的定子的功率电子元件，它使得功率电子模块能够直接集成到电机壳体内。

根据本实用新型的用于电机定子的功率电子元件包括冷却体和功率电子模块，其中，冷却体设计为楔石(Keilsteinartig)形状。

以有利的方式，冷却体设计为楔石形状的。由此使得负担在冷却体上的压力传递到相对于压力方向位于侧边的轴承上。特别是这些压力例如在石拱的楔石的情况下传递到直接贴靠在侧边的冷却体上。特别有利的是，由此使得各个冷却体能够在热传递上和力配合上很好地结合。

例如可以将冷却体挤压到和/或收缩到环状的和/或圆柱体形状的壳体内。通过冷却体的楔石形状的构造，使得冷却体由于挤压和/或收缩形成的压力环形地和/或圆柱体形地不仅在径向上而且在切线方向上保持在位置上。从而得到很高的机械稳定性。此外有利的是，为此不需要其他的机械连接。此外，通过布置在壳体内的冷却体的按压力(Anpressdruck)使得冷却体和壳体能够很好地热接触。因为所述的这些优点，通过楔石形状的冷却体使得能够以紧凑的构造形式构造功率电子元件，该元件提供与壳体的良好的热接触，并且同时在不需要繁琐的固定的情况下具有充分的机械稳定性。

以有利的方式，功率电子模块与楔石形状的冷却体处于热接触状态。由此能够通过楔石形状的冷却体冷却功率电子模块。特别有利的是含铝的楔石形状的冷却体，因为铝具有良好的热传导性。

根据本实用新型的一种有利的构造方案，冷却体的第一侧和与第一侧相对置的第二侧设计为以楔形相互朝向对方延伸，例如以带有梯形基础面的棱柱体的形状。

以有利的方式，以楔形相互朝向对方延伸的侧面具有的中间夹角。其中，n是布置在环形的和/或圆柱体形状的壳体内的冷却体的数量。例如，在冷却体数量n＝18时，中间夹角这相当于20°的中间夹角。

通过以楔形相互朝向对方延伸的侧面使得能够形成构造简单的、楔石形状的冷却体。以有利的方式，这里的冷却体的第一和第二侧面是平坦的，使得能够与布置在第一和第二侧面上的其他相邻冷却体进行很好的接触。由此不仅实现了相邻冷却体的良好的热接触，还实现了它们之间良好的机械接触。此外，通过冷却体的简单的构造方式还实现了以下优点，即，使得能够自动化地预制冷却体。此外还可以在冷却体的第一和/或第二侧上设计导槽和/或弹簧，从而实现与相邻冷却体的形状配合的连接。一般来说，与相邻冷却体以形状配合和/或力配合的形式连接是有利的。

在本实用新型的另一种有利的构造方案中，冷却体的另一个相邻的第三侧面被设计为圆柱体的罩面的一部分。

由此使得在将冷却体挤压到和/或收缩到环状的和/或圆柱体形状的壳体中时，在冷却体和壳体之间形成基本上完全覆盖住的接触面。由此实现更大的热流量，并且因此更大程度地冷却功率电子元件。环状的和/或圆柱体形状的壳体也可以理解成多边体形状的壳体，其中，均匀的n角形或一般的n角多边体近似和/或代替环形体或圆柱体的底面的圆形轮廓。以有利的方式，为n个数量的功率电子元件采用均匀的n角形作为环状的和/或圆柱体形状的壳体的底面的圆形轮廓。

根据本实用新型的一种有利的改进方案设计的是，冷却体相对于圆柱体的一条圆柱体轴线具有第一、第二和第三子区域，其中，中间的第二子区域在垂直于圆柱体轴线的径向上具有比第一和第三子区域更大的延伸度。

换句话说，冷却体的厚度在位于冷却体的第一和第三子区域之间的中间的第二子区域内增加。以有利的方式，因此沿着圆柱体轴线形成T形形状的冷却体。其中，冷却体的第一和第三子区域以垂悬的形式延续第二子区域。以有利的方式，通过冷却体的这个轴向上的、也就是说在圆柱体轴线方向上铸造出来的延长部分使得能够与壳体有更大的接触面积。这又提升了向壳体的导热能力和与壳体的机械稳定性。此外特别有利的是，由此能够更好地在轴向上定位功率电子元件，例如定位在环状的和/或圆柱体形状的壳体内。

在本实用新型的另一种有利的改进方案中，冷却体的第一和第三子区域在径向上具有不同的延伸度。

根据本实用新型的一种有利的构造方案，功率电子模块布置在冷却体的与第三侧面相对置的第四侧面上。

由此以有利的方式提升冷却体对功率电子模块的散热效果。冷却体的位于冷却体第四侧面对面的第三侧面例如与包夹着冷却体的壳体处于导热接触和机械接触状态。因此，通过将功率电子模块布置在第四侧面上使得冷却体吸收功率电子模块的废热。此外，通过将功率电子模块布置在第四侧面上还基本上将冷却体的整个厚度都用来吸收热量，这个厚度相当于冷却体在第三和第四侧面之间的延伸度。因此以有利的方式增加了提供给功率电子模块散热的导热质量。

在本实用新型的另一种有利的构造方案中，冷却体中间的第二子区域包含设计用于容纳功率电子模块的开口。

以有利的方式，通过冷却体的开口使得功率电子模块被冷却体至少部分地包围住。但是也可以考虑一种基本上完全包围住功率电子模块的开口。特别有利的是由此改进冷却体和功率电子模块之间的热接触。从而更好地冷却功率电子模块。还设计的是，这个开口包含导热膏和/或导热性特 别好的材料。由此额外地提高或改进冷却体和功率电子模块之间的导热能力，并且因此提高或改进它们之间的热接触。

冷却体中间的第二子区域具有沿着径向大于第一和第三子区域的延伸度，以有利的方式，该第二子区域具有这个开口。由此使得包围住功率电子模块的导热质量增大。以有利的方式，由于导热质量增大使得能够更多地容纳功率电子模块的废热。

根据本实用新型的一种有利的改进方案，这个开口被设计为凹槽，它形状配合地包围在一个子区域中的功率电子模块。

由此能够将功率电子模块简单地插入冷却体和/或安接其上。以有利的方式，这使得能够简单地装配功率电子元件。通过部分地包围功率电子模块能够将功率电子元件的更多组件布置到功率电子模块上。此外设计的是，将功率电子模块挤压到用于提升机械稳定性的凹槽内。此外，功率电子模块能够通过旋拧和/或夹紧连接与冷却体相连。

根据本实用新型的另一种有利的改进方案，功率电子元件包含导电轨容纳部。

其中，导电轨一般来说可以设计为用于直流电供给导线的载体。由此能够以有利的方式将导电轨(特别是直流电导电轨)布置到功率电子元件上。以有利的方式，导电轨容纳部包含用于隔离导电轨的不导电材料。例如，导电轨设计为环状的和/或圆柱体形状的。环状的导电轨例如在环状地挤压到壳体内的功率电子元件上可以通过插式连接安插到导电轨容纳部上。以有利的方式，导电轨容纳部在与第三侧面相对置的侧面上布置在冷却体的第一和/或第三子区域内，此外在功率电子模块和导电轨之间设计了可导电的连接。在导电轨容纳部的一种特别有利的布置方式中，导电轨容纳部的一侧和导电轨容纳部的另一侧布置在功率电子模块上。此外设计的 是，让导电轨容纳部配上至少两个开槽，它们的纵轴沿着冷却体的圆柱体轴线延伸。

在本实用新型的一种有利的改进方案中，功率电子模块包含至少一个导电轨接口/或至少一个线圈接口。

由此能够以有利的方式将功率电子模块与电机定子的线圈连接。以有利的方式，接口沿着冷却体的圆柱体轴线延伸。在将功率电子元件布置在冷却体的第二中间子区域内时，线圈接口相对于径向而已以有利的方式在冷却体的第三子区域下方延伸。由此使得线圈接口以有利的方式与冷却体热退耦并且机械地分离。优选地，导电轨接口相对于径向而言在冷却体的第一子区域下方延伸。特别是这些导电轨接口可以布置在导电轨容纳部的开槽内。优选地，导电轨和/或线圈接口实现为压接连接件和/或插式连接件。

在本实用新型的另一种有利的改进方案中，功率电子元件包含逻辑模块。

由此能够通过逻辑模块控制功率电子模块的电子件。其中，逻辑模块用于驱控功率电子模块并且/或者与之通信。例如，该逻辑模块包含半导体开关、二极管、电流传感器、处理器、μ控制器和/或H电桥。

以有利的方式，逻辑模块布置在功率电子模块上的第二中间子区域内。此外还为逻辑模块设计了用于传输数据的信号总线接口，它相对于径向而言以有利的方式在冷却体的第一和/或第三子区域下方延伸。

根据本实用新型的一种有利的构造方案，提出了一种功率电子装置，其具有多个功率电子元件和包围住功率电子元件的壳体，其中，这些功率电子元件沿着封闭的多边形边线力配合地彼此相邻地布置。

以有利的方式，冷却体的楔石形状的构造使得这种力配合的布置方式成为可能。在功率电子元件的一种特别有利的布置方案中，多边形的边设计为环状的。通过将多个功率电子元件布置在环状的和/或圆柱体形状的壳体中，可以为定子的每个线圈使用一个功率电子元件。

特别是功率电子元件被挤压或收缩到环状的和/或圆柱体形状的壳体内。还为定子设计了环状的和/或圆柱体形状的壳体。特别有利的是，为定子和功率电子元件使用一个共同的壳体。这通过冷却体的以楔石形状构造而成的外形成为可能，因为功率电子元件被因为挤压和/或收缩这些元件而形成的压力环状地和/或圆柱体形状地不仅在径向上而且还在切线方向上保持在位置上。从而实现高的机械稳定性。此外有利的是，为此不需要其他的机械连接。此外，通过布置在壳体内的功率电子元件的按压力使得功率电子元件和壳体之间的良好的导热性能成为可能。所述优点使得能够通过楔石形状的冷却体实现功率电子元件的紧凑的构造方式，即，能够提供与壳体的更好的热接触，并且同时在不需要进行繁琐的固定的情况下具有充分的机械稳定性。

根据本实用新型的另一种有利的构造方案，功率电子元件的壳体包含多个的定子区段。

由此使得电机的紧凑的构造方式成为可能，其中，功率电子元件直接地集成在电机中。

在本实用新型的一种有利的改进方案中，壳体具有用于冷却这些定子区段和功率电子元件的散热装置。

以有利的方式，由此能够使用一个共同的散热循环和/或一个共同的散热装置用于冷却这些定子区段和功率电子元件。由此使得电机的构造没那么复杂。例如可以将散热装置设计为水冷却罩。

在一种有利的用于制造功率电子元件的方法中，功率电子元件通过烧结与冷却体相连。

由此以有利的方式实现稳定的机械连接，此外，这种稳定的机械连接在冷却体和功率电子模块之间的热阻很小。特别有利的是采用银烧结。此外设计的是，也通过烧结让逻辑模块与功率电子模块连接。通过烧结使得功率电子元件的各个元件之间的连接能够耐热并且耐机械力。

附图说明

下面参照附图借助两个优选实施例描述本实用新型，其中

图1示出了功率电子元件的沿着圆柱体轴线的第一侧视图；

图2示出了功率电子元件的沿着垂直于圆柱体轴线的方向的第二侧视图；

图3沿着垂直于圆柱体轴线的方向示出了功率电子元件的冷却体；

图4示出了功率电子元件的三维视图；

图5表明了定子和功率电子装置的共同构造。

相同的元件在这些附图中配有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出功率电子元件1沿着圆柱体轴线Z的侧视图。功率电子元件1包括设计为楔石形状的冷却体2，它具有第一、第二和第三子区域22，24，26。此外，功率电子元件1还包括功率电子模块4、逻辑模块6、导电轨容纳部8和导电轨接口10。其中，至少两个导电轨接口10布置在导电轨容纳部8的开槽11内，并且布置在功率电子模块4上。线圈接口13 与功率电子模块4直接相连，并且相对于径向R而言位于冷却体2的第三子区域26下方。由此使得导电轨接口10和线圈接口13靠在功率电子模块4的两个相对置的侧面上。以有利的方式，导电轨接口10和/或线圈接口13实现为插式连接件和/或压接连接件。导电轨接口10和/或线圈接口13可以作为冷焊连接件与功率电子模块4相连。为了确保功率电子模块4和某个定子区段42的线圈44之间的可靠的接触，要将线圈接口13设计为高度隔热的，并且在机械构造上设置一定的间隙，从而不会有机械拉力作用到连接部上或者相邻的元件上。

导电轨容纳部8相对于径向R而言布置在冷却体2的第一子区域22下方。以有利的方式，冷却体2、功率电子元件4和逻辑模块6构成一个留空部，其中设置了导电轨容纳部8。仍然相对于径向R而言，逻辑模块6位于功率电子模块4下方。其中，逻辑模块6具有信号总线接口12，它布置在导电轨容纳部8下方并且布置在冷却体2的第一子区域22下方。总的来说，沿着径向R在冷却体2的第二中间子区域24下方形成模块式的分层构造，其中，逻辑模块6上跟着是功率电子模块4，功率电子模块上面紧接着是冷却体2。由此使得能够简单地并且模块式地装配功率电子元件1。

以有利的方式，中间的第二子区域24沿着径向R具有大于第一和第二子区域22，26的延伸度。由此能够将功率电子模块4布置到在此未示出的开口28内，这个开口特别是设计为凹槽28。此外，由此沿着圆柱体轴线Z形成垂悬体，它相当于是冷却体2的伸出部分。由此以有利的方式使该定子区段42的线圈44和功率电子模块4热退耦。此外，线圈接口13和冷却体2之间良好的热接触是有利的。以符合目的的方式，第三子区域26相比第一子区域22在径向R上具有更小的延伸度。

冷却体2的第三侧面18被设计为圆柱体罩面的一部分，从而能够将冷却体2挤压和/或收缩到在此未示出的、圆柱体形状的壳体40内。其中，圆柱体具有圆柱体轴线Z。

图2示出了功率电子元件的相对于圆柱体轴线Z而言的后视图。圆柱体轴线Z相当于电机的自转轴线。在图2中示出了具有冷却体2、功率电子模块4、逻辑模块6、导电轨接口10、信号总线接口12和导电轨容纳部8的功率电子元件1。其中，构造方式如在图1中所描述的那样。

图3示出了冷却体2的相对于圆柱体轴线而言的后视图。冷却体2由四条具备功能的侧面14、16、18、20界定。冷却体2的第一和第二侧面14、16设计为以楔形相互朝向对方延伸，并且相互对置。其中，第一和第二侧面14、16之间的中间夹角30在10°到90°的范围内。冷却体2的第三侧面18设计为具有圆柱体轴线Z的圆柱体的罩面的一部分，从而能够将冷却体2挤压和/或收缩到在此未示出的圆柱体形状的壳体40内。与第三侧面18相对置的第四侧面20构成开口28的内侧20。其中，开口28设计为凹槽28。由此能够将功率电子模块4挤压到凹槽28内，并且额外地被冷却体2至少部分地包围住。

图4示出了功率电子元件1的三维视图。其中，图4主要示出的是图1、2、3中一样的元件。从图4中的三维视图中可以看出，两个线圈接口13位于布置在功率电机模块4上的第三子区域26下方。这些线圈接口13用于通过在这里未示出的定子区段42的同样未示出的线圈44接触功率电子模块14。

在图5中示出了由多个功率电子元件1组成的、剖开的功率电子装置的三维视图。其中，图5示出包围住功率电子元件1和多个定子区段42的共同的壳体40。此外，每个定子区段42包括一个线圈44。功率电子元件1挤压在圆柱体形状的壳体40内。通过设计为楔石形状的冷却体2，功率电子元件1相互并排地定位，并且机械稳定且力配合地定位在壳体40的内表面41上。其中，冷却体2的第三侧面18使得能够圆柱体形状壳体40的内表面41形成良好的热接触和机械接触。

在功率电子元件的导电轨容纳部8中插入了两条导电轨48。用于传输信号的总线导线由环式的总线轨46构成，它与每个逻辑模块6的信号总线接口12接触。功率电子模块4的两个线圈接口13分别与定子区段42的一个线圈44导电连接。由此为每个功率电子模块4分配至少一个定子区段42。以有利的方式，如下地布置和/或安放线圈接口13，即，使得能够平衡公差。例如可以通过线圈接口13的接触件的弹簧效应和/或通过大面积的焊膏实现这种公差平衡。

导电轨接口10与布置在导电轨容纳部8的开槽11中的环式的导电轨48处于电接触状态。例如可以将导电轨48简单地插入开槽11内。即使对于环式的总线轨46来说，与信号总线接口12可插接地连接也是有利的。

Claims (19)

1.一种用于电机的定子的功率电子元件(1)，包括冷却体(2)和功率电子模块(4)，其特征在于，所述冷却体(2)设计成楔石形状。

2.根据权利要求1所述的功率电子元件(1)，其特征在于，所述冷却体(16)的第一侧面(14)和与所述第一侧面相对置的第二侧面设计为楔形地相互朝向对方延伸。

3.根据权利要求2所述的功率电子元件(1)，其特征在于，所述冷却体(16)的另一个相邻的第三侧面(18)设计为圆柱体罩面的部分面。

4.根据权利要求3所述的功率电子元件(1)，其特征在于，所述冷却体(2)相对于圆柱体的圆柱体轴线(Z)具有第一子区域、第二子区域和第三子区域(22，24，26)，其中，中间的所述第二子区域(24)相对于垂直于所述圆柱体轴线(Z)的径向方向(R)具有大于所述第一子区域和所述第三子区域(22，26)的延伸度。

5.根据权利要求4所述的功率电子元件(1)，其特征在于，所述冷却体(2)的所述第一子区域和所述第三子区域(22，26)在所述径向方向(R)上具有不同的延伸度。

6.根据权利要求4或5所述的功率电子元件(1)，其特征在于，所述功率电子模块(4)布置在所述冷却体(2)的与所述第三侧面(18)相对置的第四侧面(19)上。

7.根据权利要求4或5所述的功率电子元件(1)，其特征在于，所述冷却体(2)的所述第二子区域(24)包括开口(28)，其中，所述开口(28)设计用于容纳所述功率电子模块(4)。

8.根据权利要求6所述的功率电子元件(1)，其特征在于，所述冷却体(2)的所述第二子区域(24)包括开口(28)，其中，所述开口(28)设计用于容纳所述功率电子模块(4)。

9.根据权利要求7所述的功率电子元件(1)，其特征在于，所述开口(28)设计为凹槽(28)，所述凹槽形状配合地包围在一个子区域中的所述功率电子模块(4)。

10.根据权利要求8所述的功率电子元件(1)，其特征在于，所述开口(28)设计为凹槽(28)，所述凹槽形状配合地包围在一个子区域中的所述功率电子模块(4)。

11.根据权利要求9所述的功率电子元件(1)，所述功率电子元件具有导电轨容纳部(8)。

12.根据权利要求10所述的功率电子元件(1)，所述功率电子元件具有导电轨容纳部(8)。

13.根据权利要求11所述的功率电子元件，其特征在于，所述功率电子模块(4)包括导电轨接口(10)和/或线圈接口(13)。

14.根据权利要求12所述的功率电子元件，其特征在于，所述功率电子模块(4)包括导电轨接口(10)和/或线圈接口(13)。

15.根据权利要求13所述的功率电子元件(1)，所述功率电子元件具有逻辑模块(6)。

16.根据权利要求14所述的功率电子元件(1)，所述功率电子元件具有逻辑模块(6)。

17.一种功率电子装置(1i)，具有多个根据前述权利要求中任一项所述的功率电子元件(1)和包围所述功率电子元件(1)的壳体(40)，其特征在于，所述功率电子元件(1)沿着封闭的多边体力配合地彼此相邻地布置。

18.根据权利要求17所述的功率电子装置(1i)，其特征在于，所述壳体(40)包括多个定子区段(42)。

19.根据权利要求18所述的功率电子装置(1i)，其特征在于，所述壳体(40)包括用于冷却所述定子区段(42)和所述功率电子元件(1)的冷却装置。