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Die
Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Fahrzeug nach der im
Oberbegriff von Anspruch 1 näher
definierten Art sowie eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug
nach der im Oberbegriff von Anspruch 6 näher definierten Art.
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Ein
gattungsgemäßer Antriebsstrang
wird durch die Veröffentlichung
Y. Tadros et al; „Ring Shaped
Motor-Integrated
Electric Drive for Hybrid Electric Vehicles"; 10th European Conference on Power
Electronics and Applications; Toulouse, 2003 beschrieben. Dabei
wird in eine Wandlerglocke zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe
neben eine hier übliche
Kupplung eine elektrische Maschine integriert. Die derartige elektrische
Maschine, welche gemäß der
DE 102 07 486 A1 ausgebildet
sein kann, weist eine integrierte Leistungselektronik auf, welche zusammen
mit dem Stator der elektrischen Maschine gekühlt ist.
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Durch
die Anbindung der Leistungselektronik an den Stator bzw. an dessen
Kühlung
in axialer Richtung der elektrischen Maschine wird diese jedoch
in axialer Richtung relativ dick und benötigt entsprechend viel Bauraum.
Insbesondere bei Hybridantreiben stellt die Bauraumanforderung von
derartigen kurzen und dicken elektrischen Maschinen einen echten
Nachteil dar.
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Die
DE 103 25 527 A1 beschreibt
eine Integration der Leistungselektronik samt eines Zwischenkreiskondensators
in die elektrische Maschine, wobei je nach Bauform und Baugröße verschiedene
Arten von Leistungselektronik und Kondensator eingesetzt werden.
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Zumindest
bei kleineren elektrischen Maschinen entsteht dabei jedoch das Problem,
dass die Leistungselektronik typischerweise flach und nicht gerundet
ausgebildet ist. Mit abnehmender Größe der elektrischen Maschine
wird so die Kontaktfläche zwischen
Leistungselektronik und Stator und damit die Kühlung verschlechtert.
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Außerdem wird
der ringförmige
Kondensator durch die Erwärmung
der elektrischen Maschine bei Inbetriebnahme ebenfalls sehr starken
thermischen Belastungen ausgesetzt. Zumindest beim Einsatz in thermisch
hoch belasteten elektrischen Maschinen, wie z.B. denen eines Antriebsstranges,
welche hochdynamische Leistungsprofile liefern müssen, und welche häufig ein-
und ausgeschaltet werden, kommt es zu hohen Belastungen des Kondensators
durch thermische Ausdehnungen, insbesondere in Richtung des Umfangs.
Die so genannte Schoopschicht auf dem Kondensator, welche zu seiner
elektrischen Kontaktierung dient, kann durch die Belastung sehr leicht
(Mikro-)Risse bekommen, wodurch der Kondensator unbrauchbar wird.
Des weiteren kann durch die Ausdehnung des Kondensators, welche
sich typischerweise als Verlängerung
in der Richtung seines. Umfangs am stärksten äußert, der Kontakt zu der Kühlung des
Stators verschlechtert werden oder ganz verloren gehen. Der somit
nicht mehr oder nur noch schlecht gekühlte Kondensator erwärmt sich somit
noch schneller, was den Kontakt noch weiter verschlechtert. Dies
kann letztendlich zu einem Ausfall des Kondensators führen, da
dieser zu heiß werden
wird.
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Im
Spezialfall des Antriebsstranges erfolgt die Kühlung der elektrischen Maschine
typischerweise über
den Kühlkreislauf
des Verbrennungsmotors. Somit spielt auch die passive Kühlung und
Erwärmung
der elektrischen Maschine durch das je nach Lastzustand des Verbrennungsmotors
unterschiedlich kühle
bzw. warme Kühlwasser
für die
thermische Belastung der Leistungselektronik und insbesondere des
Kondensators, mit den oben bereits genannten Nachteilen eine entscheidende
Rolle.
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Ferner
ist aus der
EP 1 418
660 A1 eine elektrischen Maschine bekannt, bei welcher
jeder Wicklung des Stators eine Einheit mit Leistungselektronik zugeordnet
ist. Diese Einheiten sind dabei auf ebenen Flächen um den Umfang des Stators
verteilt und werden durch Kühlkanäle zusammen
mit diesem gekühlt.
Auch aus der
DE 101
12 799 C1 ist eine fluidgekühlte elektrische Maschine ähnlichen
Aufbaus bekannt, bei welcher Kühlelemente
der Leistungselektronik in einen den Stator umgebenden Kanal für das Kühlfluid
hineinragen.
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Hierbei
stellt sich die Problematik, dass ein Zwischenkreiskondensator nach
wie vor außerhalb der
elektrischen Maschine angeordnet werden muss. Aufgrund der den Leitungselementen
zu seiner Verbindung immanenten Induktionen kommt es hier jedoch
zu erheblichen Problemen mit auftretenden Spannungsspitzen, welche
die Bauteile der Leitungselektronik, und hier insbesondere die Halbleiterschaltelemente,
sehr leicht schädigen
können.
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Es
ist daher die Aufgabe der oben genannten Erfindung die beschriebenen
Nachteile zu vermeiden und einen sehr kompakten elektrischen Motor,
zu alleinigen Verwendung oder zur Integration in einen Antriebsstrang
zu schaffen, welcher sehr kompakt ausgebildet ist und auch unter
hohen thermischen Wechsel-Belastungen sicher betrieben werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch einen Antriebsstrang mit den Merkmalen im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch
die Integration sowohl der elektrischen Maschine in die Wandlerglocke
als auch der Leistungselektronik und des Kondensators in die elektrische
Maschine, kann ein sehr kompaktes elektrisches Antriebsmodul in
dem Antriebsstrang erreicht werden. Dafür spielt einerseits die gemeinsame
Kühlung
von Stator, Kondensator und Leistungselektronik eine Rolle, da dies
eine derart kompakte elektrische Maschine überhaupt erst ermöglicht.
Andererseits spielt vor allem auch die Anordnung der Leistungselektronik
und des Kondensators in radialer Richtung um den Stator bzw. die
Kühlung
desselben eine entscheidende Rolle, da nur so eine insbesondere
in ihrer axialen Ausdehnung ausreichend kompakte elektrische Maschine
erreicht werden kann.
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Durch
die gemeinsame Kühlung
von Stator, Kondensator und Leistungselektronik kann überschüssige Wärme sehr
leicht und effizient abgeführt werden,
wodurch thermischer Stress für
den integrierten Aufbau aus Stator, Kondensator und Leistungselektronik
weitgehend vermieden wird. Ferner wird der Aufwand hinsichtlich
einer Modifikation des Fahrzeugkühlkreislaufes
minimiert, da nur eine einzige weitere zu kühlenden Komponente, nämlich der integrierte
Aufbau aus Stator, Kondensator und Leistungselektronik, gekühlt werden
muss.
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Der
erfindungsgemäße Antriebsstrang
erlaubt es so, ohne dass hierzu wesentliche Teile des herkömmlichen
Antriebsstranges geändert
werden müssen,
den zusätzlichen
Antrieb durch eine elektrische Maschine zu ermöglichen. Damit wird es sehr einfach
und effizient möglich
ein hybrides Antriebskonzept für
ein Fahrzeug, mit einer als Motor und Generator verwendbaren elektrischen
Maschine zu realisieren, ohne dass dafür der bisher übliche Antriebsstrang
in Formgebung und Größe geändert werden muss.
Der erfindungsgemäße Antriebsstrang
kann somit in herkömmlichen
Fahrzeugen, ohne das Erfordernis von konstruktiven Veränderungen
des Antriebsstrangs und dessen Aufnahmen etc., leicht integriert
werden.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Antriebsstranges ist
es vorgesehen, diesen gemäß den Merkmalen
im kennzeichnenden Teil von Anspruch 2 auszubilden.
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Durch
die Anordnung des Kondensators und der Leistungselektronik sowie
der Elektronik zur Ansteuerung der Leistungselektronik in den wenigstens zwei
Schichten übereinander,
kann eine sehr gute Ausnutzung des vorhandenen Bauraums in der Wandlerglocke
erreicht werden. Die einzelnen Schichten können dabei in axialer Richtung
der elektrischen Maschine unterschiedliche Abmessungen aufweisen
und sind somit an die Schräge
der im Querschnitt üblicherweise
trapezförmigen
Wandlerglocke leicht anzupassen. Durch den schichtweisen Rufbau
kann außerdem
die Leistungselektronik, welche gekühlt werden muss, in der dem
Stator zugewandten Schicht angeordnet werden, während der darüber liegende
schräge
ungekühlte
Bauraum für hinsichtlich
einer Kühlung unkritische
Elektronik zur Ansteuerung der Leistungselektronik genutzt werden kann.
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Ferner
wird die oben genannte Aufgabe der Erfindung durch eine elektrische
Maschine mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6
gelöst.
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Mit
einem derartigen Aufbau kann eine insbesondere in ihrer axialen
Ausdehnung sehr kompakte elektrische Maschine erreicht werden. Außerdem können bei
dem erfindungsgemäßen Aufbau der
elektrischen Maschine extrem kurze Wegstrecken der elektrischen
Leitungen, insbesondere zwischen dem Kondensator und der Leistungselektronik realisiert
werden. Die den Leitungen immanenten Induktivitäten werden somit minimiert.
Eine Beeinträchtigung
der leistungselektronischen Bauteile durch Spannungsspitzen, welche
während
des Betriebs auftreten können,
lassen sich somit weitestgehend verhindern.
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Die
zumindest teilweisen Unterbrechungen in dem Umfang des um den Umfang
der elektrischen Maschine verlaufenden Kondensators sorgen dafür, dass
dieser trotz der unweigerlich auftretenden thermischen Belastungen
sicher und zuverlässig
arbeitet. Der um den Umfang der elektrischen Maschine angeordnete
Kondensator wird sich während
des Betriebs unvermeidbar erwärmen.
Trotz einer aktiven Kühlung
kommt es so immer wieder zu thermisch induzierten Änderungen
seiner Ausdehnung. Durch die Integration des Kondensators um den
Umfang der elektrischen Maschine bzw. des Stators derselben kommt
es vor allem in Richtung des Umfangs des Kondensators, welcher insbesondere
ringförmig
ausgebildet sein kann, zu erheblichen thermisch induzierten Längenänderungen.
Diese Längenänderungen
führen
zu starken Materialbeanspruchungen, insbesondere in den metallischen
Materialien, wie z.B. der Schoopschicht des Kondensators, da diese keine
vergleichbar hohe Elastizität
aufweisen, wie z.B. die polymeren Folien eines Folienkondensators. Dabei
in den metallischen Materialien entstehende (Mikro-)Risse würden den
Kondensator unbrauchbar machen. Beim erfindungsgemäßen Aufbau
werden nun jedoch diese Probleme vermieden, indem der Kondensator
mehrere zumindest teilweise Unterbrechungen, verteilt um seinen
Umfang, aufweist. Diese dienen als ein Art „Dehnfugen", welche helfen, eine Beeinträchtigung
des Kondensators durch die thermisch induzierten Belastungen zu
verhindern.
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Entsprechend
einer besonders günstigen Ausgestaltung
der Erfindung ist der Kondensator gemäß den Merkmalen im kennzeichnenden
Teil von Anspruch 8 ausgebildet.
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Durch
die Unterbrechung des gesamten Kondensators in mehrere Teilelemente
wird die ideale Umgehung der oben genannten Nachteile hinsichtlich
von thermischen Spannungen in dem Kondensator erreicht. Der Kondensator,
welcher in besonders günstiger
Weise als ein einziger Folienkondensator gewickelt und dann unterbrochen
werden kann, weist dann nur vergleichsweise kurze Längen auf,
so dass die thermisch bedingte Längenänderung
zu keinem Defekt führt.
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Die
einzelnen Teilelemente des Kondensators sind dabei über die
Verschienung kontaktiert.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung nach einem der Ansprüche 11 oder
12, kann die Verschienung dabei Längenausgleichselemente verschiedener
Ausgestaltung aufweisen.
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Damit
kann auch die Verschienung vor einer Schädigung durch thermische Ausdehnungen
bewahrt werden. Durch die Anordnung der Längenausgleichselemente im Bereich
der Unterbrechungen entsteht ein in der Länge ausreichend flexibler gut funktionierender
und sehr kompakter Aufbau.
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Eine
alternative Ausgestaltung der zumindest teilweisen Unterbrechungen
ist durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruch 9 beschrieben.
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Bei
dieser Ausgestaltung der Erfindung muss nicht der gesamte Kondensator,
sondern nur dessen Schoopschicht unterbrochen werden. Unter der
Schoopschicht versteht man bei Kondensatoren dabei die den jeweiligen
elektrischen Pol bildende Schicht. Bei gewickelten Folienkondensatoren
werden z.B. die jeweiligen Stirnflächen der Folien auf jeder der
Seite durch aufspritzen von flüssigem
Metall miteinander verbunden. Nach dem Aushärten bildet dieses aufgespritzte
Metall dann die jeweilige Kontaktfläche, die so genannte Schoopschicht.
Diese an den axialen Seitenflächen
des Kondensators ausgebildeten Schoopschichten werden, um den Umfang des
Kondensators verteilt, mehrmals jeweils vollständig unterbrochen. Auch so
entstehen Dehnfugen, welche vergleichbar dem oben bereits dargestellten, durch
thermische Ausdehnung bedingte (Mikro-)Risse in der Schoopschicht
vermeiden und so die mechanische Schädigung des Kondensators durch
die thermische Belastung, insbesondere die hochdynamische thermische
Wechsel-Belastung, verhindern.
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Eine
sehr vorteilhafte Weiterbildung der elektrischen Maschine gemäß der Erfindung
ist durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 16
gegeben.
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Das
umlaufende Spannband presst den Kondensator oder dessen Teilelemente
immer auf den Stator bzw. die Kühlung
des Stators. Wenn die Vorspannung ausreichend groß gewählt wird, kann so
auch bei entsprechender Erwärmung
und Dehnung des Kondensators immer ein zuverlässiger Kontakt des Kondensators
mit dem Stator bzw. der Kühlung
des Stators erreicht werden. Die dauerhafte Kühlung des Kondensators unter
allen Umständen des
Betriebs wird damit sichergestellt.
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Eine
sehr vorteilhafte und günstige
Weiterbildung der Erfindung ergibt sich ferner aus den Merkmalen
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 19.
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Der
polygone Bereich neben den Kondensator, welcher selbst ebenfalls
polygon oder bevorzugt ringförmig
ausgebildet sein kann, erlaubt es die Bauelemente der Leistungselektronik
auf ebenen Flächen
anzubringen. Damit kann ein großflächiger Kontakt
mit dem Stator bzw. der Kühlung
des Stators und damit eine gute Kühlung derselben sichergestellt werden.
Ein weiterer Vorteil des polygonen Bereich liegt darin, dass ein
modularer Aufbau mit gleichartigen Modulen der Leistungselektronik
erzielt werden kann. Die Anpassung an die Größe bzw. Leistung der elektrischen
Maschine erfolgt dann lediglich durch die Auswahl der Anzahl der
Abschnitte, z.B. 6-eckig, 8-eckig oder 12-eckig. Auf die ebenen
Flächen
der einzelnen Abschnitte oder zumindest einiger der Abschnitte können dann
nach unabhängig
von der Größe der elektrischen
Maschine jeweils dieselben Module der Leistungselektronik verbaut
werden. Wie bei jeder anderen Art von modularer Bauweise ergeben sich
auch hier Vorteile hinsichtlich der Flexibilität. Ferner können dadurch die Stückzahlen
von gleichen Modulen über
verschieden große
elektrische Maschinen hinweg gesteigert werden, was wiederum die Kosten
für derartige
Modul senkt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
restlichen Unteransprüchen,
sowie aus den nachfolgend anhand der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Antriebsstrang mit Verbrennungsmotor, Wandlerglocke und Getriebe;
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2 eine
mögliche
Verschaltung von Leistungselektronik und einem Kondensator;
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3 eine
weitere mögliche
Verschaltung von Leistungselektronik und einem Kondensator;
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4 eine
mögliche
Anordnung eines Kondensators um die elektrische Maschine;
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5 eine schematische Darstellung eines möglichen
Aufbaus des Kondensators;
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6 eine
mögliche
Ausführungsform
der Unterbrechungen einer Schoopschicht des Kondensators;
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7 eine
alternative mögliche
Ausführungsform
der Unterbrechungen einer Schoopschicht des Kondensators;
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8 eine
mögliche
Ausführungsform
der Unterbrechungen des Kondensators;
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9 eine
mögliche
Ausführungsform
einer Strom leitenden Verschienung mit Längenausgleichselementen;
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10 einen
möglichen
Aufbau einer Anordnung von Leistungselektronik und Kondensator um eine
elektrische Maschine;
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11 eine
mögliche
Anordnung von Leistungselektronik-Modulen um eine kleinere elektrische
Maschine;
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12 ein
mögliche
Anordnung von Leistungselektronik-Modulen um eine größere elektrische Maschine;
und
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13 eine
mögliche
Anordnung der Leistungselektronik und des Kondensators um die elektrische
Maschine in einer axialen Schnittdarstellung.
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In 1 ist
in einer schematischen Draufsicht ein Ausschnitt aus einem Antriebsstrang 1 zu erkennen.
Dieser umfasst in seinem wesentlichen Teil einen Verbrennungsmotor 2 und
ein Getriebe 3. Dazwischen ist eine Wandlerglocke 4 angeordnet,
in welcher eine Antriebswelle 5 zum Antreiben des Getriebes 3 durch
den Verbrennungsmotor 2 verläuft. Wie allgemein üblich ist
in der Wandlerglocke 4 ferner eine Kupplungseinrichtung 6 zum
Trennen der Verbindung zwischen Verbrennungsmotor 2 und
Getriebe 3 angeordnet. Außerdem ist in der Wandlerglocke 4 eine
elektrische Maschine 7 angeordnet. Mittels dieser kann
das mit dem Antriebsstrang 1 versehene Fahrzeug in deren
motorischem Betrieb angetrieben werden. Bei einem generatorischen
Betrieb, z.B. im Verzögerungsfall
des Fahrzeuges, kann die elektrische Maschine 7 auch elektrische
Energie erzeugen und in eine geeignete Speichereinrichtung, z.B.
eine Batterie und/oder ein Hochleistungskondensator (Supercap),
zurückspeisen.
Typischerweise kommt ein derartiger Antriebstrang 1 dabei
bei einem Hybridfahrzeug zum Einsatz. Die elektrischen Maschine selbst
wäre jedoch
auch für
andere Zecke, z.B. zum Antreiben eines Brennstoffzellenfahrzeugs,
geeignet.
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Wie
es aus dem Stand der Technik bekannt ist, werden aus Platz und Kostengründen so
genannte integrierte Antriebe erprobt, d.h. solche Antriebe bei
denen der zum Betrieb der elektrischen Maschine 7 erforderliche
Umrichter bzw. Stromrichter in diese integriert sind.
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In 2 ist
ein derartiger Umrichter 8 anhand seines Schaltbildes gezeigt.
Im Wesentlichen besteht dieser aus der Leistungselektronik und einem
Kondenstor 9, dem so genannten Zwischenkreiskondensator.
Die Leistungselektronik besteht im Kern wiederum aus Halbleiterschaltern 10 und
Dioden 11. Sie umfasst dabei mehrere so genannte Brückenzweige 12,
welche in der Verschaltung gemäß 2 jeweils
eine der Motorwicklungen 13 ansprechen. Die Schalter 10 der
Leistungselektronik werden dabei jeweils über die so genannten Gate-Drive-Units GDU 14,
von welchen hier nur eine exemplarisch dargestellt ist, angesteuert.
Zusammen mit einem Steuergerät 15 bilden
diese GDUs 14 also die Elektronik zur Ansteuerung der Leistungselektronik, wobei
hier ferner ein Sensor 16 angedeutet ist, welcher dem Steuergerät Rückmeldungen
aus dem Bereich der elektrischen Maschine 7 bzw. der Motorwicklungen 13 liefert.
Dieser Aufbau ist dabei zwischen die elektrische Maschine 7 und
eine elektrische Energiequelle 17 für diese geschaltet. Die Energiequelle 17 kann
beispielsweise eine Batterie und/oder eine Hochleistungskondensator
und/oder eine Brennstoffzelle sein.
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In 3 ist
ein vergleichbarer Aufbau zu erkennen. Dieser kann beispielsweise
zur Ansteuerung von elektrischen Maschinen 7 mit einer
größeren Leistung
verwendet werden. Die Ansteuerung jeder der Motorwicklungen 13 erfolgt
hierbei durch zwei oder mehr Brückenzweige 12,
um die entsprechend höheren
zu schaltenden Leistungen bewältigen
zu können.
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Der
gesamte Umrichter 8 ist unabhängig von seiner elektrischen
Verschaltung, wie oben ausgeführt,
in die elektrische Maschine 7 integriert. Dadurch ergeben
erhebliche Vorteile hinsichtlich Platzbedarf, Kosten, Verkabelung
und Elektromagnetischer Verträglichkeit
(EMV).
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Die
restriktiven Platzverhältnisse
erfordern teilweise unkonventionell geformte Bauelemente. Um nun
den Kondensator 9 möglichst
kompakt in die elektrische Maschine 7 zu integrieren kann
dieser als z.B. ringförmig
gestalteter Kondensator 9 ausgebildet, wie es in 4 dargestellt
ist. Der Kondensator 9 muss gekühlt werden, um eine hohe Stromtragfähigkeit
zu erlauben. Er ist daher umlaufend auf dem Außenumfang eines gekühlten Trägers 18 montiert, welcher
auf seiner Innenseite die hier nicht dargestellten Motorwicklungen 13 des
Stators der elektrischen Maschine 7 trägt. Der gekühlte Träger 18 stellt als
sowohl die Kühlung
für den
Kondensator 9 als auch die für den Stator dar. Der Träger 18 weist
dabei jedoch ein anderes thermisches Ausdehnungsverhalten als der
Kondensator 9 auf. Um den Kondensator nun immer im unmittelbaren
Kontakt mit dem Träger 18 zu
halten und damit seine ausreichende Kühlung sicherzustellen, wird
dieser durch eine Spannband 19 um seinen Außenumfang
auf den Träger 18 vorgespannt.
Dabei ist die Vorspannung so ausreichend groß zu wählen, dass der Kondensator 9 unter allen
denkbaren Temperaturbedingungen und der davon abhängigen Längenausdehnung
von Kondensator 9, Träger 18 und
Spannband 19 immer auf den Träger 18 gepresst wird.
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Da
in der elektrischen Maschine 7, insbesondere wenn diese
hochdynamisch betrieben wird, unweigerlich hohe Temperaturschwankungen
auftreten, wäre
der Kondensator 9 jedoch erheblichen Temperaturwechseln
mit den damit verbundenen thermischen Ausdehnungen, welche sich
insbesondere in der Richtung seiner größten Ausdehnung, also in Richtung
des Umfangs bemerkbar machen, unterworfen. Um eine gute thermische
Anbindung bei gleichzeitigem Ausgleich von Fertigungstoleranzen und
thermischen Ausdehnungen zu ermöglichen, kann
zwischen dem Kondensator 9 und der gekühlten Fläche des Trägers eine hier nicht dargestellte Schicht
aus einem dauerelastischen, möglichst
gut wärmeleitenden
Material, z.B. einem so genannten Silpad, aufgebracht werden. Dadurch
wird ebenfalls eine Erhöhung
der thermischen Zyklenfestigkeit erreicht.
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Der
Kondensator 9, könnte
alternativ zu den hier gewählten
Darstellungen natürlich
auch auf seinem äußeren Umfang
gekühlt
werden. Das hier dargelegte gilt jedoch auch hierfür analog.
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Beim
typischen Aufbau derartiger Kondensatoren 9 als Folienkondensatoren,
wie dies in 5 im Querschnitt schematisch
angedeutet ist, kann der Kondensator 9 aus mehreren entsprechend
metallisierten Folienschichten 20 bestehen, welche leicht versetzt
unmittelbar auf dem Träger 18 übereinander gewickelt
sind. Jede der Seitenkanten des Kondensators 9 wird dann
mit einer jeweils die Hälfte
der Folien untereinander elektrisch und mechanisch verbindenden
Schicht, der so genannten Schoopschicht 21, versehen. Diese
Schoopschicht 21 kann beispielsweise aus flüssig aufgespritztem
und dann ausgehärtetem
Metall bestehen. Über
die Schoopschicht 21 erfolgt auch die elektrische Kontaktierung
des Kondensators 9, wobei die eine Schoopschicht 21 mit den
Pluspol, die andere mit dem Minuspol der Energiequelle 17 verbunden
wird.
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Kommt
es nun zu einer thermischen Wechselbelastung mit den korrespondierenden
wechselnden Ausdehnungen des Kondensators 9, werden die relativ
elastischen Folien 20 eher keinen Schaden nehmen. Die weit
weniger elastischen Schoopschichten 21 werden durch die
wechselnde thermische Ausdehnung jedoch (Mikro-)Risse bzw. Haarrisse
bekommen. Um dies zu vermeiden, ist es gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung
vorgesehen, die Schoopschichten 21 mit mehreren um den
Umfang verteilten vollständigen
bzw. durchgehenden Unterbrechungen 22 zu versehen.
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In 6 ist
eine solche durchgehende radiale Unterbrechungen 22 exemplarisch
angedeutet. Diese als Dehnfuge funktionierende Unterbrechung 22 ermöglicht es
dem Kondensator 9 auf thermische Wechselspannungen entsprechend
zu reagieren, ohne dass dieser bzw. seine Schoopschicht 21 zerstört wird.
Die durchgehende Unterbrechung 22 der Ausführung gemäß 6 unterteilt
die Schoopschicht 21 des Kondensators 9 dabei
in mehrere einzelne Bereich 21a, 21b, ... der
Schoopschicht 21. Da diese jedoch gleichzeitig die elektrische
Kontaktierung des Kondensators 9 darstellt, müssen die
einzelnen Bereiche 21a, 21b, ... über eine
elektrisch leitende Verschienung 23 mit Längenausgleichselementen 24,
welche hier nicht dargestellt ist, auf welche aber später noch
näher eingegangen
wird, untereinander verbunden werden.
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Eine
alternative Ausgestaltung hierzu ist in 7 schematisch
angedeutet. Die dort gezeigten Unterbrechungen 22 sind
lediglich als teilweise Unterbrechungen 22 ausgebildet,
so dass in radialer Richtung jeweils ein Teil der Schoopschicht 21 erhalten
bleibt. Sind nun, wie in 7 angedeutet, jeweils wenigstens
drei der teilweisen Unterbrechungen 22 entsprechend gruppiert,
so nimmt die Schoopschicht 21 in diesem Bereich eine mäanderförmige Ausgestaltung
an. Damit kann ein Ausgleich der zyklischen Ausdehnungen aufgrund
der thermischen Wechselbelastungen erfolgen, ohne dass die Schoopschicht 21 vollkommen
unterbrochen werden muss.
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In 8 ist
eine weitere alternative Ausgestaltung der Unterbrechungen 22 dargestellt.
Entgegen den bisherigen Ausführungen,
bei denen lediglich die Schoopschichten 21 die Unterbrechungen 22 aufgewiesen
haben, wird hier der gesamte Kondensator 9 in Teilelemente 9a, 9b,
... unterbrochen. Die einzelnen Teilelemente 9a, 9b,
..., welche z.B. durch auftrennen eines als Ring gewickelten Kondensators 9 erhältlich sind,
werden analog dem bereits ausgeführten
auf dem Träger 18 aufgebracht
und mittels des Spannbandes 19 gegen diesen gespannt. Das Spannband 19 und
die bereits angesprochenen elektrisch leitenden Verschienung 23,
welche selbstverständlich
auch hier notwendig ist, sind in 9 näher erkennbar.
Das Spannband 19 umfasst dabei als äußerste Schicht die Verschienung 23,
welche je ein Einzelschiene 23+, 23– für jeden elektrischen Pol aufweist.
Die Einzelschienen 23+, 23– sind
dabei jeweils mit einer der Schoopschichten 21 der Teilelemente 9a, 9b,
... des Kondensators 9 verbunden. Falls die Einzelschienen
23+, 23–,
wie hier übereinander
liegen, ist ferner eine elektrische Isolierung 25 zwischen
ihnen vorzusehen. Bevorzugt ist das Spannband 19 aus einem
elektrisch leitenden Material ausgebildet. Dieses muss dann jedoch
gegenüber
zumindest einem Pol des Kondensators 9 elektrischen isoliert
sein. Es hat sich dabei gezeigt, dass ein derartiger Aufbau mit
einem elektrisch leitenden Spannband 19 sich auf das induktive
Verhalten und die EMV der elektrischen Maschine (7) bzw.
ihrer Leistungselektronik positiv auswirkt.
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Zum
Ausgleich der thermisch indizierten Längenänderungen in der Verschienung 23 sind
außerdem
Längenausgleichselemente 24 vorgesehen. Bei
der hier dargestellten Ausführungsform
derselben ragen diese in die Unterbrechungen 22 zwischen den
Teilelementen 9a, 9b, ... des Kondensators 9. Die
Längenausgleichselemente 24 weisen
damit Abschnitte 26 auf, welche sich im Wesentlichen in
radialer Richtung der elektrischen Maschine 7 erstrecken.
Auf ihrer der Hauptfläche
der Verschienung 23 abgewandten Seite stellen die Abschnitte 26 radial versetzt
zur Verschienung 23 die elektrische Verbindung zwischen
den Einzelbereichen der Verschienung 23 sicher. Kommt es
zu sich typischerweise vor allem in Umfangsrichtung der Verschienung 23 äußernden
thermisch induzierten Ausdehnungen, so werden diese durch eine elastische
Verformung der Längenausgleichselemente 24 aufgenommen.
Durch die Längenausgleichselemente 24 können in
radialer Richtung die Toleranzen und thermische Ausdehnung in den
Unterbrechungen 22 zwischen den Teilelementen 9a, 9b,
... des Kondensators 9 ausgleichen werden.
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Durch
die Anordnung der Längenausgleichselemente 24 in
den Unterbrechungen 22 zwischen den Teilelementen 9a, 9b,
... des Kondensators 9 bzw. bei alternativen Ausgestaltungen
der Verschienung 23 im Bereich der Unterbrechungen 22 in
der Schoopschicht 21, werden die Längenausgleichselemente 24 und
die als Dehnfugen wirkenden Unterbrechungen 22 so koordiniert,
dass dauerhaft ein sicherer Betrieb des Kondensators 9 ermöglicht wird. Diese
Anordnung spart außerdem
Platz und die Verschienung 23 kann die auf den Kondensator 9 oder dessen
Teilelemente 9a, 9b, ... wirkenden Kräfte vergleichmäßigen.
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Durch
das hohe Maß der
Integration von Kondensator 9 und insbesondere von Leistungselektronik
ist jedoch eine gegebenenfalls erforderliche Reparatur schwierig
und bei leicht verschiedenen Ausführungen der elektrischen Maschine 7 sind
jeweils spezielle Bauteile notwendig. Somit können über verschiedene Ausführungen
hinweg kaum Gleichteile verwendet werden, welche jedoch zu einer
Kostensenkung führen
würden.
Ferner müssen bei
der Gestaltung der Anordnung der Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik
(Schalter 10, Dioden 11) zusammen mit den dazugehörigen GDUs 14 neue
Wege beschritten werden, um den vorhandenen Bauraum optimal auszunutzen.
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Daher
wird auch die Leistungselektronik in radialer Richtung außen auf
dem Träger 18,
z.B. in axialer Richtung der elektrischen Maschine 7 versetzt
neben dem Kondensator 9 angeordnet, wie dies in 10 erkennbar
ist. Der Träger 18 ist
in diesem Bereich als Polygon 27 ausgeführt, dass mehrere vorzugsweise
ebene Flächen 28 aufweist.
Zumindest einige der Flächen 28 des
Polygons 27 werden mit Leistungselektronik-Modulen 29 bestückt, wobei nicht
alle Flächen 28 bestückt werden
müssen.
Durch die ebene Ausführung
der Flächen 28 liegen
die Bauteile der Leistungselektronik (Schalter 10, Dioden 11) vollflächig auf
und werden damit sehr gut durch die Kühlung in dem Träger 18 gekühlt.
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Die
Leistungselektronik-Module 29 können beispielsweise
- – einen
Brückenzweig 12,
gegebenenfalls inklusive der GDU 14;
- – drei
Brückenzweige 12 kleinerer
Leistung;
- – einen
gegebenenfalls über
die Fläche 28 des Polygons 27 gekühlten Stromsensor;
- – induktive
Bauelemente, wie z.B. Drosseln;
- – elektrische
Filterbauelemente, wie z.B. Y-Kondensatoren oder stromkompensierte
Drosseln;
- – Gekühlte Anschlussstellen,
wie z.B. Klemmen für
die Wechsel- oder Gleichstromanschlüsse;
- – Leiterplatten
mit Steuerungs- und Regelungselektronik oder Sensorik;
- – Leiterplatten
mit Buskopplern, wie z.B. für
eine Kommunikation via CAN-Bus;
- – Gleichspannungswandler,
so genannte DC/DC-Wandler, zur Speisung des 12V-Bordnetzes der Leistungselektronik-Steuerung oder zur redundanten
Speisung sicherheitsrelevanter Verbraucher;
- Anschlusselemente 30 für die Kühlung in dem Träger 18 enthalten.
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Durch
unterschiedliche Bestückungsvarianten
der Flächen 28 des
ploygonen Bereichs 27 mit unterschiedlichen Leistungselektronik-Modulen 29 können nun
verschiedene Ausführungen
in modularer Bauweise schnell und einfach realisiert werden.
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Beispielsweise
kann die Bestückung
mit einer Mindestzahl von Leistungselektronik-Modulen 29 erfolgen,
z.B. drei für
eine elektrische Maschine 7 kleiner Leistung, wie dies
als Verschaltung in 2 erläutert wurde. Die verbleibenden
Flächen 28 des Polygons 27 können dann
andere, für
die Ansteuerung der elektrischen Maschine 7 nicht unmittelbar notwendige
Elektronikmodule tragen oder leer bleiben.
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Alternativ
dazu kann die Bestückung
für eine elektrische
Maschine 7 größerer Leistung
beispielsweise auch mit der doppelten Anzahl von Leistungselektronik-Modulen 29,
also sechs Stück,
erfolgen. Dabei werden die Leistungselektronik-Module 29 dann entweder parallel
geschaltet oder je ein Brückenzweig 12 an
ein Ende einer der Motorwicklungen 13 angeschlossen, womit
so genannte „offene
Wicklungen" realisiert
werden.
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In
allen Fällen
ist die Bestückung
mit zusätzlichen
(Leistungs-)Elektronik-Modulen 29 kleiner Leistung möglich:
- – um
beispielsweise einen weiteren Stromrichter zu integrieren, welcher
z.B. für
eine Ölpumpe
oder zur Speisung externer Verbraucher über eine Art Steckdose verwendet
werden kann; und/oder
- – um
die Batteriespannung mit Modulen 29, die die Topologie
dahingehend entsprechend verändern,
auf ein höheres,
gegebenenfalls geregeltes Niveau anzuheben (Hochstetzsteller), aus
welchem dann die eigentlichen Leistungselektronik-Module 29 für die elektrische
Maschine 7 gespeist werden.
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Um
den Stator S verläuft
auch hier der Träger 18,
welcher von einem Kühlmedium
durchströmt ist
und den Stator S ebenso wie die Leistungselektronik und den Kondensator 9 kühlt. Zur
Zufuhr und Abfuhr des Kühlmediums,
sind die Anschlüsse 30 vorgesehen.
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Der
Träger 18 weist
einen ringförmigen
und einen polygonen Bereich 27 auf, welche in axialer Richtung
der elektrischen Maschine 7 nebeneinander angeordnet sind.
Auf diesen Bereichen sitzen in radialer Richtung um den Umfang verteilt
der Kondensator 9 und die Leistungselektronik in Form der bereits
beschriebenen (Leistungs-)Elektronik-Module 29. Der in
der Darstellung der 10 rechts zu erkennende Kondensator 9 weist
um seinen Umfang verteilt einige radiale Unterbrechungen 22 seiner Schoopschicht 21 auf,
welche in 14 jedoch nicht erkennbar
sind. Die Teilelemente 9a, 9b, ... des Kondenstors 9 werden über zwei
nebeneinander verlaufenden Teile 23+, 23– der elektrischen Verschienung 23 kontaktiert.
Die Längenausgleichselemente 24 der
Verschienung 23 verlaufen mit ihren Abschnitten 26 dabei
in axialer Richtung zu der elektrischen Maschine 7. Sie
können
gleichzeitig in dem Bereich, in welchem sie sich den die (Leistungs-)
Elektronik-Modulen 29 nähern,
einen elektrischen Kontakt zu diesen aufweisen. Die Länge der
Anschlussleitungen wird somit noch weiter reduziert.
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In 11 und 12 ist
jeweils eine schematisch angedeutete elektrische Maschine 7 im Querschnitt
zu erkennen. Neben einem Rotor R mit der Welle 31 ist hier
der Aufbau aus dem Stator S und dem gekühlten Träger 18 als ein Teil
dargestellt. Wie es aus den Darstellungen ersichtlich ist, kann
sehr einfach eine Anpassung an den Durchmesser und damit typischerweise
die Leistung der elektrischen Maschine 7 erfolgen. Dies
wird über
Polygone 27 unterschiedlichen Durchmessers und unterschiedlicher Zahl
von Flächen 28 ermöglicht.
So kann für
eine elektrische Maschine 7 kleinen Durchmessers z.B. ein
Polygon 27 mit sechs Flächen 28,
für elektrische Maschine 7 großen Durchmessers
ein Polygon 27 mit acht oder zwölf Flächen 28 benutzt werden.
Auch Polygone 27 mit anderen Flächenzahlen sind selbstverständlich möglich. Durch
den modularen Aufbau der Leistungselektronik können so, bei idealer Kühlung aufgrund
der ebenen Auflagefläche,
gleiche und damit in größeren Stückzahlen
billiger herstellbare (Leistungs-)Elektronik-Module 29 für verschiedene Bauformen
und Größen von
elektrischen Maschinen 7 eingesetzt werden.
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Das
Polygon 27 kann dabei als Aufnahme für die (Leistungs-) Elektronik-Module 29 vom
Stator und/oder dem Träger 18 für den Kondensator
getrennt ausgeführt
sein. Alternativ dazu kann jedoch auch der Stator bereits in seiner
Außenkontur
als Polygon 27 bzw. als polygoner Träger 18 mit zusätzlichen
Kühlkanälen ausgeführt sein.
Die Möglichkeit den
Stator zu segmentieren bleibt hiervon unberührt. Wenn das Polygon 27 vom
Stator trennbar ist, kann es vor der Montage des Stators mit der
Leistungselektronik bestückt
werden. Damit kann die gesamte Leistungselektronik geprüft werden,
bevor der Stator montiert wird.
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Der
Träger 18 wird,
wie bereits mehrfach erwähnt,
gekühlt
ausgeführt.
Er kann dabei entweder in sich geschlossene Kühlkanäle aufweisen, oder die Flächen 28 des
Polygons 27 können
die Kühlkanale begrenzen.
Wenn bei einem solchen Aufbau einzelne Flächen 28 des Polygons 27 unbenutzt
beleiben, so sind dann natürlich
Blindelemente zum Verschließen der
dann nicht genutzten Öffnungen
im Kühlkreislauf des
Trägers 18 notwendig.
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Sind
die Flächen 28 nun
mit den (Leistungs-)Elektronik-Modulen 29 zusammen
als ein Bauteil ausgebildet, kann man bei der Gestaltung der (Leistungs-)Elektronik-Module 29 deren
spätere
Kühlung
sehr leicht beeinflussen. So können
Flächen 28 mit
einem hohen Kühlbedarf
direkter und intensiver gekühlt
werden, indem auf der dem Kühlmittel
zugewandten Seite der zu kühlenden
Fläche 28 Strukturen
zur Verkleinerung des thermischen Übergangswiderstandes, z.B,
in Form von Kühlrippen,
etc., angeordnet werden. Flächen 28 mit
einem geringeren Bedarf an intensiver Kühlung, werden dagegen solche Strukturen
nicht aufweisen. Typischerweise werden die intensiver gekühlten Flächen 28 üblicherweise
für die
leistungselektronischen Bauelemente mit hoher Verlustleistungsdichte
genutzt. Die weniger intensiv gekühlten Flächen 28 können für die indirekte
Kühlung
der Bauelemente mit geringerer Verlustleistungsdichte, z.B. Sensorik,
Ansteuerung der Leistungselektronik, etc. genutzt werden. Eine Anpassung
der Strukturen auf der dem Kühlmittel
zugewandten Seite entsprechend der erwarteten Verlustleistungsdichte
ist leicht möglich.
Somit können Strukturen
an Stellen mit geringer erforderlicher Kühlleistung eingespart werden,
was fertigungstechnische Vorteile und eine Verkleinerung des Strömungswiderstandes
beim Kühlmitteldurchfluss
mit sich bringt.
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Um
die Verwendbarkeit von Gleichteilen bei der Auswahl der (Leistungs-)Elektronik-Module 29 weiter
steigen zu können,
kann das Polygon 28 auch verschieden lange Flächen 28 aufweisen,
wie aus 10 ersichtlich. Durch die unterschiedliche
Winkelteilung des Polygons 27, z.B. 6 Abschnitte über jeweils
40° und
6 Abschnitte über
jeweils 20°,
können auch
bei kleineren elektrischen Maschinen 7 zumindest einige
Flächen 28 erreicht
werden, welche ausreichend Raum für beispielsweise einen der
Brückenzweige 12 bieten.
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Die
beengten Platzverhältnisse
bei der Integration der elektrischen Maschine 7 in die
Wandlerglocke 4 muss eine möglichst ideale Ausnutzung des vorhandenen
vorgegebenen Bauraum erreicht werden. Eine Möglichkeit der Bauraumausnutzung
ist in 13 dargestellt. Unter der schrägen Bauraumbegrenzung 32 durch
die Wandlerglocke 4 (hier nicht dargestellt) wird der flache
Teil der Leistungselektronik, d.h. das Keramiksubstrat 33 mit
den gebondeten Chips (Schalter 10 und Dioden 11),
soweit wie möglich
unter der Schräge
positioniert und die dazugehörige
Elektronik zur Ansteuerung sowie die GDU 14 in einer oder
mehreren axial zur elektrischen Maschine 7 verkürzten und/oder
versetzten darüber
liegenden Schichten 34 an die Schräge 32 angepasst. Die Schichten 34 können dabei
auch teilweise über
dem Kondensator 9 zu liegen kommen. Dies kann zu einer erhöhten Länge der
Ansteuerleitungen aufgrund fehlender Überdeckung von Substrat und
Ansteuerelektronik führen,
spart jedoch Raum.
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Alles
in allem wird durch die sehr kompakte Integration und die unmittelbare
Nachbarschaft von Kondensator 9 und (Leistungs-)Elektronik-Modulen 29 die
Länge der
Anschlussleitungen bei den hier dargestellten Aufbauten jedoch kurz
gehalten. Das Auftreten von induktiv bedingten Spannungsspitzen kann
somit auf ein absolutes Minimum reduziert werden.