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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Umrichter, wie sie zum Betrieb von elektrischen Maschinen zum Einsatz kommen, insbesondere in der Fahrzeugtechnik bei elektromotorischen oder elektrogeneratorischen Maschinen.
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In vielen Anwendungsfeldern der elektrischen Antriebstechnik tritt beispielsweise eine Situation auf, in der zwei axial hintereinander angeordnete elektrische Maschinen benötigt werden. Dies kann sowohl in der Antriebstechnik als auch in der Generatortechnik vorkommen. Beispiele dafür aus dem Bereich der Fahrzeugtechnik sind elektrische, kontinuierlich in ihrer Übersetzung variierbare Getriebe, wie z. B. e-CVT (CVT = Continuous Variable Transmission, kontinuierlich variierbare Übersetzung). Weitere Anwendungsbereiche im Bereich der konventionellen Technik sind beispielsweise leistungsverzweigte Getriebe für Hybridanwendungen, Serien-/Seriellhybridantriebe, Achsen mit elektrischen Einzelradantrieben usw.
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Im Bereich der konventionellen Technik werden aus Kosten- und Lebensdauergründen für diese Anwendungen häufig bürstenlose Motoren eingesetzt, die über eine elektronische Kommutierung, d. h. über eine elektronische Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes, verfügen. Die dazu eingesetzte Leistungselektronik wird auch als Umrichter bezeichnet. Die Notwendigkeit eines Umrichters ist dabei unabhängig davon, um welchen Typ von elektrischer Maschine es sich handelt, beispielsweise werden Umrichter bei bürstenlosen Elektromotoren wie Asynchronmaschinen, permanentmagneterregten Synchronmaschinen, Switched-Reluctance-Maschinen, Transversalflussmaschinen oder auch bei entsprechenden anderen Motortypen sowie Generatoren eingesetzt.
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Unter einem Umrichter sei beispielsweise auch ein Stromrichter verstanden, der je nach Bedarf ohne Umbauten als Gleichrichter, als Wechselrichter oder zur Umwandlung von Wechselspannungen verschiedener Frequenzen ineinander dienen kann. Dies kann durch Leistungselektronik geschehen und damit im Gegensatz zum Umformer ohne mechanische Zwischenenergie.
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Dabei kann die elektrische Energie auch in einem sogenannten Zwischenkreis gespeichert werden – dies geschieht in der Regel durch Gleichrichtung und einen nachgeschalteten Zwischenkreiskondensator (Voltage Source Inverter, kurz VSI) oder eine Zwischenkreis-Drossel mit eingeprägtem Strom (Current Source Inverter, kurz CSI). Bei netzgespeisten Maschinen baut man oft in den Zwischenkreis auch Frequenzfilter ein, die ein Übertragen der beiden Wechselstromfrequenzen in das jeweils andere Netz minimieren, und einen Tiefpass, der hochfrequentes Rauschen und die Tastfrequenz des Wechselrichters dämpft. In einem nächsten Schritt kann der Gleichstrom durch einen Wechselrichter in Wechselstrom der gewünschten Frequenz umgewandelt werden.
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In der elektrischen Antriebstechnik wird der Begriff des Umrichters häufig im Sinne eines Stromrichters eingesetzt, der aus einem Wechselstrom- bzw. Drehstromnetz konstanter Frequenz und Spannung eine Ausgangsspannung mit variabler Spannung und Frequenz erzeugt, um die Drehrichtung und Drehzahl von Drehstrommotoren zu steuern (vgl. Frequenzumrichter).
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Die Leistungselektronik benötigt dabei ein nicht unerhebliches Bauvolumen. Je nach verwendeter Technologie der Aufbau- und Kühltechnik kann die Leistungsdichte gleichspannungsgespeister Umrichter im Bereich von 2 bis 50 kW/Liter liegen. In anderen Worten bedeutet dies, dass in einem Liter Umrichtvolumen etwa Leistungen zwischen 2 und 50 kW verarbeitbar sind. Im Bereich der konventionellen Technik liegt der obere dieser Werte für systemintegrierte Umrichter vor, bei denen jedoch kein Platzbedarf mehr für ein eigenes Umrichtergehäuse, für Motorkabel-Steckverbinder und motorseitige EMV-Filtermaßnahmen besteht (EMV = Elektro-Magnetische Verträglichkeit).
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Bei einem Kfz-typischen (Kfz = Kraftfahrzeug) Leistungsbedarf im Bereich von etwa 20 bis 100 kW ergibt sich damit ein Bauraumbedarf für einen Umrichter von einigen Litern bis deutlich über zehn Liter. Problematisch bei konventionellen Systemen ist, dass dieser Bauraum in vielen Anwendungsfällen nicht mehr zur Verfügung steht.
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Nach dem Stand der Technik werden Umrichter beispielsweise als eigenständige Systeme mit individuellem Gehäuse realisiert, wobei die elektrischen Verbindungen zu dem oder den Elektromotoren über Kabel mit elektrischen Steck- und/oder Schraubverbindungen hergestellt werden. Derartige Umrichterlösungen finden sich beispielsweise in den meisten heutigen hybriden Serienfahrzeugen.
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Die
DE 44 42 867 A1 beschreibt eine Antriebsanordnung für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor, Feldwicklungen des Elektromotors schaltende Leistungsschalter sowie einer die Feldwicklungen und die Leistungsschalter über ihren Kühlmittelkreislauf kühlende Kühleinrichtung. Der Elektromotor ist als eine für sich mechanisch funktionsfähige erste Modul-Baueinheit ausgebildet. Die Leistungsschalter sind in mindestens einer zweiten Modul-Baueinheit zusammengefaßt, welche mit der ersten Modul-Baueinheit fest zu einer Antriebseinheit verbunden ist. Die einzelnen Modul-Baueinheiten sind voneinander separierbar und sowohl über lösbare elektrische Schnittstellenanschlüsse als auch über lösbare Kühlmittel-Schnittstellenanschlüsse miteinander verbunden.
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Die
DE 197 56 083 A1 betrifft eine elektrische Getriebeeinheit, umfassend mindestens einen Antriebsmotor und mindestens einen Generator, wobei die elektrische Getriebeeinheit austauschbar im Chassis eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist.
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Die
DE 102 07 486 A1 betrifft ein Antriebssystem für ein Verkehrsmittel mit einer elektrischen Maschine, wobei der elektrischen Maschine eine Umrichtereinheit und eine Kühleinheit zugeordnet sind, wobei die Umrichtereinheit wenigstens teilweise ringförmig ausgeführt ist und die elektrische Maschine bzw. Bestandteile der elektrischen Maschine umgibt.
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Die
US 2006/0071622 A1 beschreibt eine kompakte Motorsteuerungseinrichtung und ein Verfahren zur Verwendung derselben. Die Steuerungseinrichtung verwendet eine gemeinsame Masse für die Leistungsschaltungsanordnung, welche die Wicklungen des Motors mit Energie versorgt, und für die Signalschaltungsanlage, die diese Energieversorgung ansprechend auf die Signale von einem oder mehreren Sensoren steuert. Ferner wird das Massepotential auf einem stabilen Potentialwert gehalten, ohne eine galvanische Trennung vorzusehen.
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Die
JP 2005-094849 A betrifft eine Leistungswandlervorrichtung und ein damit ausgestattetes Fahrzeug.
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Weitere Integrationslösungen von elektrischen Maschinen und Umrichtern sind z. B. in Tadros, Y., Ranneberg, J., Schäfer, U.: Ring Shaped Motor-Integrated Electic Drive for Hybrid Electric Vehicles. In: Proc. Of EPE Conf., Toulouse 2003, S. 1–10. ISBN 90-75815-07-7 und Konventionelle Ansätze in Richtung einer Vollintegration zielen auf eine Auflösung traditioneller Schnittstellen zwischen Elektronik und Mechanik und richten sich auf sogenannte mechatronische Systeme. Dabei führt das Verschwinden definierter Schnittstellen zu einer strukturellen Verschmelzung von Elektronik und Mechanik, was jedoch vielfach auf erhebliche Probleme in Bezug auf Service, Austauschbarkeit und eine modulare Fertigung des Antriebssystems führt.
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Weitere Angaben zum Stand der Technik können beispielsweise in März M., Billmann M., Schimanek E., Schletz A., Herausforderung Systemintegration am Beispiel von Leistungselektronik für die Autos von morgen, VDE-ETG Tagung „Bauelemente der Leistungselektronik und ihre Anwendungen”, Tagungsband, Bad Nauheim, 2006, gefunden werden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Konzept für einen Doppelumrichter zu schaffen, der bauraumeffizient ist und für den Betrieb von zwei elektrischen Maschinen geeignet ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Doppelumrichter gemäß Anspruch 1, eine Antriebseinheit gemäß Anspruch 19 und ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 22.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass für den Betrieb von zwei in axialer Richtung hintereinander angeordnete elektrische Maschinen die erforderliche Leistungselektronik in Form eines Doppelumrichters bauraumneutral, kostengünstig und unter Erhalt einer hohen Modularität, austauschbar zwischen den beiden elektrischen Maschinen angeordnet werden kann. Ferner können die beiden elektrischen Maschinen mit dem dazwischen angeordneten Doppelumrichter effizient zu einer Antriebseinheit gekoppelt bzw. integriert werden.
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Die vorliegende Erfindung basiert ferner auf der Erkenntnis, dass durch eine Anordnung eines Doppelumrichters in axialer Richtung zwischen zwei elektrischen Maschinen Leitungslängen minimiert oder optimiert werden können und der Doppelumrichter somit aufwandsgünstig und effizient mechanisch, elektrisch und auch thermisch an die elektrischen Maschinen angekoppelt werden kann. Beispielsweise können Ausführungsbeispiele einen scheibenförmigen oder scheibenringförmigen Doppelumrichter umfassen, der axial zwischen zwei elektrische Maschinen gekoppelt werden kann, wobei zur elektrischen Ankopplung effiziente Konzepte wie Steckkontakte oder Druckkontakte verwendet werden können. Ausführungsbeispiele des Doppelumrichters können beispielsweise auch Flansche oder Bohrungen oder hydraulische Kopplungen aufweisen, die es erlauben, den Doppelumrichter effizient in einen Kühlkreislauf einzubinden. In Ausführungsbeispielen kann die mechanische Kopplung beispielsweise axial, in einem einfachen Ausführungsbeispiel durch dafür vorgesehene Bohrungen geschehen, so dass die beiden axial angeordneten elektrischen Maschinen und das dazwischen befindliche Ausführungsbeispiel eines Doppelumrichters aufwandsgünstig durch Schrauben oder auch Stehbolzen gekoppelt werden können. Ausführungsbeispiele können somit auch den Vorteil einer hohen Belastbarkeit, insbesondere auch hinsichtlich entstehender Torsionskräfte, der gesamten Anordnung bieten.
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Ausführungsbeispiele können den Vorteil bieten, dass sie eine bauraumeffiziente, modulare Lösung für eine Realisierung zweier für den Betrieb von zwei Elektromotoren erforderlichen Umrichter bereitstellen.
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Ausführungsbeispiele können eine Integration von zwei Antriebsumrichtern in den Bauraum zwischen zwei axial hintereinander angeordneten elektrischen Maschinen, wie beispielsweise Antriebsmotoren oder Generatoren, ermöglichen. Ausführungsbeispiele können gegenüber konventionellen Konzepten den Vorteil bieten, dass in einem einzigen Montageschritt die benötigten elektrischen, mechanischen und ggf. hydraulischen Verbindungen zwischen den beiden elektrischen Maschinen und dem Doppelumrichter hergestellt werden können. In Ausführungsbeispielen kann hierbei insbesondere auch eine thermische Ankopplung an ein Kühlkreislaufsystem erfolgen.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Figuren im Detail erläutert. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines Doppelumrichters;
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2 ein Ausführungsbeispiel eines Doppelumrichters in einer Antriebseinheit;
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Doppelumrichters in einer Antriebseinheit; und
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Doppelumrichters.
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1 zeigt einen Doppelumrichter 100 zur Ansteuerung einer ersten und einer zweiten elektrischen Maschine 202a; 202b mit einer ersten Koppeleinrichtung 110 und einer zweiten Koppeleinrichtung 120 zum axialen Ankoppeln des Doppelumrichters 100 zwischen die erste und die zweite elektrische Maschine. Die erste Koppeleinrichtung 110 ist dabei zur axialen Kopplung mit der ersten elektrischen Maschine ausgebildet und die zweite Koppeleinrichtung 120 ist zur axialen Kopplung mit der zweiten elektrischen Maschine ausgebildet.
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Die 1 zeigt den Doppelumrichter 100 und ferner mit gestrichelten Linien angedeutet die erste und die zweite elektrische Maschine 202a und 202b. Darüber hinaus sind in der 1 zwei Kopplungen 201a und 201b gezeigt, die optional die Gegenstücke an den elektrischen Maschinen 202a/b zu der ersten Kopplungseinrichtung 110 und der zweiten Kopplungseinrichtung 120 bilden.
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In Ausführungsbeispielen kann der Doppelumrichter 100 beispielsweise scheibenförmig oder scheibenringförmig ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Doppelumrichter 100 eine Form aufweisen, die einen bündigen Abschluss mit den Gehäusen der ersten und der zweiten elektrischen Maschine 202a und 202b erlaubt. 2 illustriert ein Ausführungsbeispiel einer Antriebseinheit 200, bei dem ein Doppelumrichter 100 zwischen zwei elektrischen Maschinen 202a und 202b angeordnet ist. Die 2 illustriert dabei einen scheibenförmigen Doppelumrichter 100.
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Ausführungsbeispiele können demnach auch eine Antriebseinheit umfassen, die zwei axial zueinander angeordnete elektrische Maschinen 202a und 202b aufweist, wobei zwischen den beiden elektrischen Maschinen 202a und 202b ein Doppelumrichter 100 angeordnet ist.
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Ausführungsbeispiele können Doppelumrichter umfassen, die zwei Umrichter zur Ansteuerung zweier elektrischer Maschinen aufweisen.
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Die beiden elektrischen Maschinen 202a und 202b können in Ausführungsbeispielen sowohl als Elektromotoren als auch als Generatoren ausgeführt sein. In Ausführungsbeispielen kann demnach der Doppelumrichter 100 eine Koppeleinrichtung 110 und/oder eine zweite Koppeleinrichtung 120 umfassen, die für eine axiale Ankopplung an einen Motor oder einen Generator ausgebildet ist. In anderen Worten können die erste und die zweite Koppeleinrichtung 110 und 120 ausgebildet sein, um an einen Elektromotor bzw. Generator anzukoppeln.
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele erläutert, die sich allgemein auf elektrische Maschinen beziehen. Dabei seien Elektromotoren ebenso wie Elektrogeneratoren, sowie kombinierte elektrische Maschinen, von dem Begriff der elektrischen Maschine umfasst.
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In Ausführungsbeispielen können die erste und/oder die zweite Koppeleinrichtung 110 und 120 für eine mechanische, elektrische, hydraulische und/oder thermische Ankopplung an die erste und/oder zweite elektrische Maschine 202a; 202b ausgebildet sein, d. h. um eine thermische Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Maschinen 202a/b und dem Doppelumrichter 100 zu erhalten.
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In einem Ausführungsbeispiel, wie es in der 2 beispielsweise dargestellt ist, können die elektrischen Maschinen 202a und 202b, sowie der Doppelumrichter 100 im Bereich der Trennebenen 207 so gestaltet sein, dass durch den Zusammenbau der gesamten Antriebseinheit 200 alle oder ein Großteil der benötigten elektrischen, mechanischen und ggf. hydraulischen Verbindungen zwischen den beiden elektrischen Maschinen 202a/b und zwischen den beiden elektrischen Maschinen 202a/b und dem Doppelumrichter 100 hergestellt werden. Der Zusammenbau kann beispielsweise durch axiales Verschrauben geschehen, was in dem Ausführungsbeispiel der 2 durch die Linien 204 angedeutet ist. Ausführungsbeispiele sind jedoch nicht auf axiales Verschrauben beschränkt, ebenso sind Ausführungsbeispiele denkbar, die auf Nietverbindungen oder Flanschverbindungen oder andere Verbindungen zurückgreifen. Ebenso sind Ausführungsbeispiele denkbar, bei denen beispielsweise der Doppelumrichter 100 entsprechende Stehbolzen aufweist, auf die die beiden elektrischen Maschinen 202a und 202b dann montiert werden können.
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In anderen Worten kann in Ausführungsbeispielen durch die Montage des Doppelumrichters 100 zwischen die beiden elektrischen Maschinen 202a und 202b in einem Montageschritt erreicht werden, dass der Doppelumrichter sowohl mechanisch als auch elektrisch an die beiden elektrischen Maschinen 202a und 202b angekoppelt wird. In weiteren Ausführungsbeispielen kann auch eine thermische Ankopplung geschehen, d. h. der Doppelumrichter 100 wird beispielsweise über entsprechende Flansche oder Hohlräume oder Bohrungen mit in ein Kühlkreislaufsystem eingebunden. In Ausführungsbeispielen kann der Doppelumrichter 100 thermische Kontakte aufweisen, um eine thermische Kopplung zu ermöglichen, beispielsweise kann eine Wärmeableitung über Kühlrippen erfolgen. Analog kann in Ausführungsbeispielen auch eine hydraulische Ankopplung realisiert werden.
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Ausführungsbeispiele können somit den Vorteil bieten, dass Verschlauchungs- und Verkabelungsaufwand eingespart werden kann, bzw. dass zwischen den elektrischen Maschinen und dem Doppelumrichter jegliche Verschlauchung oder Verkabelung entfallen oder zumindest auf ein Minimum beschränkt werden kann.
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In Ausführungsbeispielen können die erste und/oder die zweite Koppeleinrichtung 110 und 120 für eine Ankopplung über Steckkontakte oder Druckkontakte an die erste und/oder die zweite elektrische Maschine 202a und 202b ausgebildet sein. In anderen Worten können in Ausführungsbeispielen die elektrischen Hochstromverbindungen zwischen dem Doppelumrichter 100 und den Motorwicklungen oder Generatorwicklungen als Steckkontakte, beispielsweise als axial angeordnete Steckkontakte ausgeführt sein. In anderen Ausführungsbeispielen können diese auch in Form von Druckkontakten ausgeführt sein, die beispielsweise mit dem axialen Verschraubungen entlang der Achsen 204 in der 2 der Antriebseinheit 200 unter mechanische Federspannung gesetzt werden können. Ausführungsbeispiele, die Druckkontakte verwenden, sind dabei besonders vorteilhaft, da diese besonders kostengünstig sind und gegenüber mechanischen Toleranzen unempfindlicher ausgeführt werden können.
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Die 2 zeigt ferner zwei Achsen oder Wellen 205a und 205b der beiden elektrischen Maschinen 202a und 202b. In Ausführungsbeispielen kann es sich hierbei um eine einzige Achse oder Welle 205 handeln, auf die beide elektrischen Maschinen 202a und 202b montiert sind. In anderen Ausführungsbeispielen kann es sich ebenso um zwei unterschiedliche Achsen oder Wellen 205a und 205b handeln, die beispielsweise über ein nachgeschaltetes Getriebe miteinander gekoppelt sind.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Antriebseinheit 200, die einen Doppelumrichter 100 und zwei elektrischen Maschinen 202a und 202b umfasst. In der 3 weisen übereinstimmende Komponenten die gleichen Bezugszeichen wie in der 2 auf.
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In Ausführungsbeispielen können die erste und/oder die zweite Koppeleinrichtung 110 und/oder 120 ferner magnetische, kapazitive oder auf einem anderen Prinzip basierende Sensorelemente 219 zum Bestimmen der Position bzw. Lage eines Rotors und/oder einer Drehzahl des Rotors in der ersten und/oder zweiten elektrischen Maschine 202a oder 202b aufweisen, wie dies in der 3 angedeutet ist. Magnetische Sensorelemente 219 können beispielsweise so in den Trennebenen 207 angeordnet sein, dass diese in der Lage sind, eine Rotorlage der ersten und/oder zweiten elektrischen Maschine 202a oder 202b zu bestimmen. Beispielsweise können diese in Ausführungsbeispielen schwertförmig aus dem Doppelumrichter 100 über die Trennebenen 207 hinaus in einen und/oder in beide Motorräume und/oder Generatorräume der elektrischen Maschinen 202a und/oder 202b ragen, sodass eine Positionsbestimmung der Rotorlage einer der beiden oder beider Maschinen ermöglicht wird. Auf diese Weise können empfindliche und fehleranfällige Signalsteckverbindungen zwischen den elektrischen Maschinen 202a und 202b und dem Doppelumrichter 100 entfallen, bzw. erheblich reduziert werden. In Ausführungsbeispielen kann dadurch die Montage einer Antriebseinheit, wie beispielsweise 200, erheblich erleichtert werden.
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In Ausführungsbeispielen können die erste und/oder die zweite Koppeleinrichtung 110 und/oder 120 ferner abdichtbare Bohrungen zur Ankopplung an einen Kühlkreislauf der ersten und/oder der zweiten elektrischen Maschine 202a und/oder 202b aufweisen. In anderen Worten kann bei einer Flüssigkeitsgekühlten Antriebseinheit 200, wie diese in der 3 skizziert ist, vorteilhaft die Kühlmittelführung innerhalb der Teilsysteme 202a, 202b und 100 gekoppelt werden. In Ausführungsbeispielen kann die Verbindung der Kühlmittelkanäle zwischen den drei Teilsystemen, d. h. zwischen den beiden elektrischen Maschinen 202a und 202b und dem Doppelumrichter 100, vorteilhaft über beispielsweise mit O-Ringe abgedichtete Bohrungen in den Trennebenen 207 erfolgen. Ausführungsbeispiele können somit ermöglichen, neben den elektrischen auch hydraulische Verbindungen zwischen den Teilsystemen, beispielsweise durch Verschraubungen 204 der Antriebseinheit 200, herzustellen.
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In Ausführungsbeispielen können die erste und/oder die zweite Koppeleinrichtung 110 und/oder 120 ferner eine Bohrung zur Durchführung einer Welle aufweisen. Die 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Antriebseinheit 200, der Bereich des Doppelumrichters 100 ist dazu als Schnitt dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel weist der scheibenförmige Doppelumrichter 100 im Zentrum einen Durchbruch 209 auf. In Ausführungsbeispielen kann dieser Durchbruch als Wellendurchgang genutzt werden, beispielsweise auch zur Aufnahme von Wellenlagern, von mechanischen Kupplungs- und/oder Getriebeelementen 208 und/oder für eine Trennwand zwischen Wellenraum und Doppelumrichter 100, um beispielsweise den Doppelumrichter 100 gegenüber sonstigen Verschmutzungen abzudichten.
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Die 4 illustriert ein detailliertes Ausführungsbeispiel eines Doppelumrichters 100. In der 4 ist eine Draufsicht eines ringförmig ausgestalteten Scheibenumrichters 100 dargestellt, wobei die erste Koppeleinrichtung 110 dargestellt ist. In anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel eines ringförmigen Scheiben- Doppelumrichters 100 in der Draufsicht dargestellt. In der Ansicht der 4 befindet sich die zweite Koppeleinrichtung 120 auf der Unterseite des dargestellten Doppelumrichters 100. In Ausführungsbeispielen kann der Doppelumrichter 100 ein metallisches Gehäuse 310 aufweisen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das metallische Gehäuse 310 auf der Innenseite eine umlaufende flüssigkeitsgekühlte Zwischenebene 320 aufweisen. Wie in der 4 dargestellt, umfasst der Scheiben-Umrichter 100 ein ringförmiges, bevorzugt metallisches Gehäuse 310, das auf der Innenseite eine umlaufende flüssigkeitsgekühlte ringförmige Zwischenebene 320 besitzt. Ausführungsbeispiele dieser Art können den Vorteil bieten, dass ein äußerer Gehäusering, der massiv ausgeführt werden kann, die Aufnahme hoher Axialkräfte erlaubt, wie sie beispielsweise auch beim Verschrauben einer Antriebseinheit 200, gemäß den 2 und 3, auftreten können. Ausführungsbeispiele können ferner den Vorteil bieten, dass hohe Torsionskräfte auf diese Art aufgenommen werden können.
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In dem in der 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Doppelumrichter 100 axiale Bohrungen 312 an den Stirnseiten des Gehäuses 310 auf. In Ausführungsbeispielen kann somit der Zu- bzw. Abfluss des Kühlmittels vorteilhaft über O-Ring-gedichtete axiale Bohrungen 312 erfolgen. In Ausführungsbeispielen können entsprechende Bohrungen auf den Stirnseiten auch mehrfach vorhanden sein, um beispielsweise im Zusammenspiel mit entsprechenden Bohrungen und Kühlkanälen in den Gehäusen der elektrischen Maschinen 202a und 202b Kühlmittelführungen zu realisieren. Ausführungsbeispiele bieten den Vorteil, dass auf diese Art und Weise nahezu beliebige Kühlmittelführungen innerhalb einer Antriebseinheit ermöglicht werden können. In anderen Ausführungsbeispielen können beispielsweise auch radiale Kühlwasseranschlüsse an dem Gehäuse 310 vorhanden sein, um beispielsweise ein Kühlmedium am Ort des Doppelumrichters 100 von außen zuzuführen.
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In Ausführungsbeispielen kann der Doppelumrichter 100 ferner einseitig oder beidseitig auf der Zwischenebene 320 Realisierungen von Leistungshalbleitern 315 aufweisen, wie dies beispielhaft in der 4 dargestellt ist. Die Realisierung von Leistungshalbleitern 315 auf der gekühlten Zwischenebene 320 bietet den Vorteil, dass somit die kritischen Leistungshalbleiter 315 in den Kühlkreislauf mit eingebunden werden können. In Ausführungsbeispielen können auf die gekühlte Zwischenebene 320 beidseitig die für die Realisierung der beiden Umrichter des Doppelumrichters 100 erforderlichen Leistungshalbleiter 315, ggf. auch zusammen mit der erforderlichen Ansteuerelektronik, montiert sein.
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In Ausführungsbeispiele kann der Doppelumrichter 100 ferner Stromsensoren 314a, 314b, 314c zur Bestimmung eines Stromes aufweisen. In anderen Worten können in Ausführungsbeispielen die elektrischen Verbindungen zwischen dem Doppelumrichter 100 und den Wicklungen der elektrischen Maschinen 202a und 202b beispielsweise als axial angeordnete Steckkontakte oder in Form von Druckkontakten ausgeführt sein. Darüber hinaus können in Ausführungsbeispielen zur Erfassung der Motorströme oder Generatorströme Stromsensoren 314a–c, vgl. 4, oder auch allgemein Stromsensoren 314 dienen, die beispielsweise die axialen Kontakte umschließen können. In anderen Ausführungsbeispielen können diese auch als offene Sensoren das Magnetfeld des Stroms durch die Kontaktstifte auswerten.
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In Ausführungsbeispielen kann der Doppelumrichter 100 ferner eine Leiterplatte 317 mit einem Anschluss 318 für eine Signalleitung aufweisen, wie dies in der 4 beispielhaft dargestellt ist. In anderen Worten kann die Steuer- und Regelelektronik auf einer Leiterplatte 317 untergebracht sein, die beispielsweise über eine elektrische Signalleitung 318 eine Kommunikationsverbindung zu einem Fahrzeugsteuergerät ermöglicht. In Ausführungsbeispielen kann hier eine Kommunikationsverbindung beispielsweise über den CAN-Bus (CAN = Controller Area Network, Regelbereichsnetzwerk) ermöglicht werden.
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In Ausführungsbeispielen kann der Doppelumrichter 100 zwei Umrichter aufweisen, die beispielsweise über Anschlüsse 311a und 311b an eine Gleichspannungsversorgung angekoppelt werden können. Im Ausführungsbeispiel der 4 kann beispielsweise über die Anschlüsse 311a und 311b die Gleichspannungsversorgung der beiden Umrichter erfolgen. Im Ausführungsbeispiel des Doppelumrichters 100 der 4 stellen die Anschlüsse 311a, 311b und 318 die einzigen Verbindungen zur Außenwelt dar. In anderen Worten können in Ausführungsbeispielen alle elektrischen, mechanischen und hydraulischen Verbindungen im Inneren der Antriebseinheit, d. h. zwischen dem Doppelumrichter 100, der in 4 als Scheiben-Umrichter ausgeführt ist, und den elektrischen Maschinen 202a und 202b, die beispielsweise als Motoren ausgeführt sein können, alleine durch beispielsweise ein Verschrauben der Teilsysteme ohne Erfordernis einer weiteren zusätzlichen Komponente hergestellt werden.
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In Ausführungsbeispielen kann der Doppelumrichter 100 ferner einen Zwischenkreiskondensator 316 aufweisen. In Ausführungsbeispielen kann der Zwischenkreiskondensator 316 ringförmig oder torusförmig ausgeführt sein. Das Ausführungsbeispiel der 4 zeigt einen Zwischenkreiskondensator 316, der den Bauraum optimiert ausnutzt, und als ring- bzw. torusförmiger Kondensator beispielsweise in Folienwickeltechnologie ausgeführt ist. Ausführungsbeispiele bieten somit den Vorteil, dass der verfügbare Bauraum durch Zwischenkreiskondensatoren 316, die beispielsweise in der flexiblen Folienwickeltechnologie hergestellt werden können, optimiert ausgenutzt werden kann. Details zur Folienwickeltechnologie und den entsprechenden Kondensatoren können beispielsweise März M., Billmann M., Schimanek E., Schletz A., Herausforderung Systemintegration am Beispiel von Leistungselektronik für die Autos von morgen. VDE-ETG Tagung „Bauelemente der Leistungselektronik und ihre Anwendungen”, Tagungsband, Bad Nauheim, 2006, entnommen werden.
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Ausführungsbeispiele des Doppelumrichters 100 können ferner einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis mit einem Kondensator 316 als zentralen Energiespeicher aufweisen. In anderen Worten können Ausführungsbeispiele vorteilhaft ausnutzen, dass beide Umrichter, die den Doppelumrichter 100 bilden, einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis mit dem Kondensator 316 als zentralem Energiespeicher bilden. Dabei liegen typische Werte für die DC-Zwischenkreisspannungen in einem Bereich von 12 V bis 750 V und Leistungen in einem Bereich von 2 × 1 kW bis 2 × 100 kW.
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Wie bereits erwähnt, können Ausführungsbeispiele auch eine elektrische Antriebseinheit 200 umfassen, die zwei axial hintereinander angeordnete Elektromotoren 202a und 202b oder auch Generatoren sowie einen scheibenförmigen, zwischen den beiden elektrischen Maschinen 202a und 202b angeordneten Doppelumrichter 100 für den Betrieb der beiden elektrischen Maschinen umfassen. Zwei derartige Ausführungsbeispiele sind in den 2 und 3 dargestellt.
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Ausführungsbeispiele einer Antriebseinheit 200 können dadurch gekennzeichnet sein, dass zwischen den elektrischen Maschinen 202a und 202b, beispielsweise zwischen den Elektromotoren und dem Doppelumrichter 100, eine definierte mechanische Trennebene 207 existiert. In weiteren Ausführungsbeispielen können die elektrischen Maschinen 202a und 202b und der Doppelumrichter 100 als komplett vormontierte Teilsysteme vorhanden sein. In Ausführungsbeispielen können beispielsweise die elektrischen Verbindungen zwischen dem Doppelumrichter 100 und den Wicklungen der beiden elektrischen Maschinen durch den reinen Zusammenbau der Antriebseinheit 200 hergestellt werden. In Ausführungsbeispielen kann dies beispielsweise durch Druckkontakte realisiert werden. Ferner können durch den Zusammenbau der Antriebseinheit 200 Kühlmittelverbindungen zwischen dem Doppelumrichter 100 und einem der beiden oder sogar beiden elektrischen Maschinen 202a und 202b hergestellt werden.
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In Ausführungsbeispielen kann der Doppelumrichter 100 ein Gehäuse 310 mit einer Zwischenebene 320 aufweisen, auf die ein- oder beidseitig Leistungshalbleiter montiert sein können. Die Zwischenebene des Doppelumrichters 100 kann dabei flüssigkeitsgekühlt sein. In Ausführungsbeispielen kann der Umrichter 100 ferner ein oder mehrere montierte Sensorelemente aufweisen, welche nach dem Zusammenbau der Antriebseinheit 200 eine Positionsbestimmung eines Rotors der beiden elektrischen Maschinen 202a oder 202b ermöglichen. Ferner kann der Doppelumrichter 100 in Ausführungsbeispielen ein oder mehrere festmontierte Sensorelemente aufweisen, die nach einem Zusammenbau der Antriebseinheit 200 eine Bestimmung der Drehzahl eines Rotors von mindestens einer der elektrischen Maschinen 202a oder 202b ermöglichen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Doppelumrichter 100 im Zentrum einen mechanischen Durchbruch in axialer Richtung aufweisen.
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In Ausführungsbeispielen können beide Umrichter innerhalb des Doppelumrichters 100 einen gemeinsamen Spannungszwischenkreiskondensator nutzen. In Ausführungsbeispielen können die beiden Umrichter innerhalb des Doppelumrichters 100 von einem gemeinsamen Steuerboard (Steuerplatine) aus betrieben werden. Der Doppelumrichter 100 kann in seinem Spannungszwischenkreis ein oder mehrere Folien- oder Elektrolytkondensatoren aufweisen. In Ausführungsbeispielen können die Zwischenkreiskondensatoren durch thermische Abschirmmaßnahmen vor hohen Umgebungstemperaturen bzw. hohen äußeren Temperatureinflüssen, wie z. B. von den hohen Temperaturen der beiden Elektromotoren, geschützt werden. Als Abschirmmaßnahmen können beispielsweise Abschirmbleche für die Zwischenkreiskondensatoren vorgesehen sein, wobei die Abschirmbleche zur Wärmeableitung thermisch an den Wärmekühlkreislauf angekoppelt sein können. Damit wird erreicht, dass die Zwischenkreiskondensatoren von den hohen Temperaturen, die während des Betriebs von den Wickelköpfen der Elektromotoren erzeugt werden, geschützt und abgeschirmt werden können.
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In Ausführungsbeispielen kann der Doppelumrichter 100 im Spannungszwischenkreis einen ringförmigen Folienkondensator oder eine ringförmige Anordnung von Elektrolytkondensatoren aufweisen. Ferner kann der Doppelumrichter 100 in Ausführungsbeispielen EMV-Filterkomponenten im Spannungszwischenkreis aufweisen. Ausführungsbeispiele können zumindest an einigen der Kontaktelemente zwischen dem Doppelumrichter 100 und den Wicklungen der beiden elektrischen Maschinen 202a und 202b Sensoren aufweisen, die der Erfassung der Motorströme dienen. In Ausführungsbeispielen kann das Gehäuse 320 des Doppelumrichters 100 zur Abdichtung gegenüber Verschmutzung, wie beispielsweise durch Getriebeöl, Kupplungsabrieb o. ä. ausgebildet sein.
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Ausführungsbeispiele ermöglichen auch eine axiale Anskopplung eines Umrichters, neben einer radialen Ankopplung seitlich am Gehäuse beispielsweise eines Elektromotors. Motor und Umrichter können dabei ein gemeinsames Gehäuse aufweisen, innerhalb dessen z. B. die elektrischen Verbindungen zwischen Motor und Umrichter verlaufen und/oder innerhalb dessen gemeinsame Kühlstrukturen, wie beispielsweise ein Kühlwassermantel für Motor und Umrichter, vorhanden sind.
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Ausführungsbeispiele können den Vorteil bieten, dass sie eine bauraumeffiziente, modulare Lösung für eine Realisierung zweier für den Betrieb von zwei Elektromotoren erforderlichen Umrichter bereitstellen. Ausführungsbeispiele können eine Integration von zwei Antriebsumrichtern in den Bauraum zwischen zwei axial hintereinander angeordneten elektrischen Maschinen, wie beispielsweise Antriebsmotoren oder Generatoren, ermöglichen. Ausführungsbeispiele können gegenüber konventionellen Konzepten den Vorteil bieten, dass in einem einzigen Montageschritt die benötigten elektrischen, mechanischen und ggf. hydraulischen Verbindungen zwischen den beiden elektrischen Maschinen und dem Doppelumrichter hergestellt werden können. In Ausführungsbeispielen kann hierbei insbesondere auch eine thermische Ankopplung an ein Kühlkreislaufsystem aufwandsgünstig realisiert werden.
