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Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit einem Halbleiterschalter und mit einer mit diesem elektrisch kontaktierten Stromschiene sowie mit einer Leiterplatte, die elektronische Bauelemente zur Steuerung des Halbleiterschalters aufweist.
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Wechselrichter, beispielsweise auch für den Einsatz in Elektrofahrzeugen, sind häufig für den Anschluss eines Elektromotors an eine Hochspannungsquelle ausgelegt. Elektrofahrzeuge weisen üblicherweise keinen klassischen Antriebsstrang auf, der vom Motor die Bewegungsenergie auf die Räder überträgt. Stattdessen sind in den Radnaben Elektromotoren angeordnet, die elektrische Ladeenergie aus einem internen Akku/Batterie entnehmen. Die Gleichspannung des Akkus wird mit dem Wechselrichter typischerweise in eine dreiphasige Wechselspannung zum Betrieb des Elektromotors konvertiert.
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Ein derartiger Wechselrichter umfasst herkömmlicherweise ein Gehäuse in hoher Schutzart, Anschlüsse für die Gleichspannungsquelle und den Elektromotor, Anschlüsse für Kommunikation, Sensoren und Aktoren, Halbleiterschaltelemente, eine Antriebsregelung und eine Ansteuereinheit zur Erfassung von physikalischen Größen (z.B. elektrischer Strom, Spannungen oder Temperatur) sowie weitere Elektronik zum Ansteuern der Halbleiterschaltelemente. Die Halbleiterschaltelemente sind üblicherweise als eine Moduleinheit mit einem oder mehreren integrierten Transistoren (Wechselrichter) ausgeführt.
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Die Ansteuereinheit ist typischerweise als eine Leiterplatte ausgeführt, die zweckmäßigerweise direkt über der Moduleinheit angeordnet ist, sodass die Transistoren störungsfrei durch eine entsprechende Elektronik betreibbar sind. Hierzu sind an der Moduleinheit eine Anzahl an Pins vorgesehen, die über spezielle Leiterplattenstecker einen elektrisch leitenden Kontakt zur Ansteuereinheit sicherstellen. Bei einer dezentralen Antriebstechnik, bei der die Antriebsregelung und -elektronik im Motor integriert sind, ist die Antriebsregelung nicht unter der Moduleinheit anordbar.
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Aufgrund der im Betrieb auftretenden hohen Motorströme von circa 250 effektiven Ampere, sind die Ströme nicht ohne weiteres über Leiterbahnen der Leiterplatte führbar, sondern müssen stattdessen über Stromschienen geführt werden. Als Stromerfassungssysteme werden in derartigen Wechselrichtern oftmals Stromschienen mit integrierten Shunt-Widerständen und/oder direkt abbildende Stromwandler eingesetzt.
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Direkt abbildende Stromwandler umfassen herkömmlicherweise einen magnetischen Ring als Flusskonzentrator, durch den die Stromschiene im Montagezustand geführt ist. Zwischen der Ringinnenwand und der Stromschiene ist typischerweise ein Luftspalt, in dem ein Hall-Element als Magnetfelssensor angeordnet ist. Das Hall-Element erfasst den magnetischen Fluss, erzeugt durch den in die Stromschiene fließenden Stroms. Die Höhe des magnetischen Flusses ist ein Maß für die Stromstärke. Derartige Erfassungssysteme weisen nachteiligerweise unter anderem eine reduzierte Messpräzision sowie ein hohes Bauvolumen auf, wodurch der Einsatz einer dezentralen Antriebsregelung im Wechselrichter erschwert oder unmöglich wird.
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Bei einer Stromerfassung mittels eines Shunts ist die Leiterplatte mit der zugehörigen Ausleseeinheit typischerweise über dem Shunt angeordnet. Dadurch kommt es nachteiligerweise im Betrieb oftmals zu einer Erhitzung der elektronischen Bauelemente aufgrund des durch die Stromschiene und den Shunt fliesenden elektrischen Stroms, wodurch der Einsatz einer dezentralen Antriebstechnik erschwert oder unmöglich wird. Weiterhin ist in einer solchen Ausführung der Bauraum für einen Anschluss der Ständerwicklungen des Elektromotors an die Stromschiene durch Schrauben und Kabelschuh stark begrenzt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde unter Vermeidung der oben genannten Nachteile einen konstruktiv einfachen und platzsparenden Wechselrichter anzugeben, welcher insbesondere für den Einsatz bei einer dezentralen Antriebstechnik geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Hierzu umfasst der erfindungsgemäße Wechselrichter einen Halbleiterschalter und eine mit diesem elektrisch kontaktierten Stromschiene sowie eine Leiterplatte, die elektronische Bauelemente zur Steuerung des Halbleiterschalters aufweist. Die Stromschiene ist zumindest teilweise zur Leiterplatte beanstandet und weist in diesem Bereich einen Shunt auf, der mittels Kontaktelementen mit der Leiterplatte kontaktiert ist. Die Kontaktelemente, die zum Abgriff der Shunt-Spannung und zu deren Weiterleitung auf die Leiterplatte dienen, können als Kontaktlaschen oder -drähte ausgeführt sein.
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Durch die Beabstandung der Leiterplatte von der Stromschiene und der Kontaktierung durch Kontaktlaschen der Stromschiene wird vorteilhaft und einfach eine unnötige Erhitzung der elektronischen Bauelemente der Leiterplatte vermieden. Zudem wird zusätzlicher Bauraum geschaffen. Insbesondere sind die Ansteuereinheit des Halbleiterschalters und eine Signalaufbereitungselektronik des Shunts auf der Leiterplatte angeordnet. Dadurch entfällt ein zusätzlicher, komplizierter Lötvorgang zur Verbindung zwischen Signalaufbereitungselektronik und Stromschiene und eine elektrische Kontaktierung der Signalaufbereitungselektronik mit der Ansteuereinheit. Insbesondere wird hierdurch zusätzlicher Bauraum für eine dezentrale Antriebsregelung geschaffen, sodass der Einsatz eines derartigen Wechselrichters bei einer dezentralen Antriebstechnik vorteilhaft einfach und kostengünstig ermöglicht ist.
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Aufgrund des zusätzlichen Bauraums aufgrund der Beabstandung des Shuntwiderstands wird es bei einer dezentralen Antriebstechnik weiterhin ermöglicht, dass die Ständerwicklungen des Elektromotors an die Stromschiene beispielsweise durch Schrauben und Kabelschuh elektrisch leitend koppelbar sind.
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Die Leiterplatte ist in einer geeigneten Ausführungsform aus einem elektrisch nicht leitenden Epoxid oder einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt. Leiterbahnen der Leiterplatte sind hierbei aus einer dünnen Kupferschicht geätzt. Die Bauelemente, wie beispielsweise die Ansteuereinheit oder die Signalaufbereitungselektronik sind bevorzugterweise auf Lötflächen oder in Lötaugen mittels SMD-Technik aufgebracht. Dadurch werden die elektronischen Bauelemente gleichzeitig mechanisch betriebssicher gehalten sowie elektrisch leitend verbunden.
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Die Stromschiene mit dem integrierten Shunt ist bevorzugt durch die Kontaktlaschen direkt an die Leiterplatte gelötet. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform ist die Stromschiene eine im Wesentlichen breite, niedrigohmige Kupferschiene, in welche der Shuntwiderstand eingebracht ist. Die elektronischen Bauelemente der Signalaufbereitungselektronik erfassen über die Kontaktlaschen den Spannungsabfall am Shunt zur Ermittlung des durch die Stromschiene fließenden elektrischen Stroms.
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Unter Signalaufbereitungselektronik sind unter anderem Anpassverstärker und A/D-Wandler zu verstehen, wie etwa potentialtrennende Sigma/Delta-A/D-Wandler mit analogen Ausgangssignalen oder seriellen Datenströmen, die z.B. in Microcontrollern oder anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreisen (ASIC‘s) in parallele digitale Größen umwandelt werden.
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Bei dem elektronischen Halbleiterschalter handelt es sich insbesondere um eine Anzahl von bipolare Transistoren, Feldeffekt-Transistoren, Metal-Oxid-Semiconductor-Feldeffekt-Transistoren (MOSFETs), IGBT- und IGCT-Transistoren. Bevorzugterweise ist der Halbleiterschalter insbesondere ein einzelner Transistor oder eine Moduleinheit mit beispielsweise sechs integrierten IGBT-Transistoren und Freilaufdioden.
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Die dezentrale Antriebstechnik und die Ansteuereinheit sind in einer typischen Ausführungsform der Erfindung ein Mikrocontroller auf dem ein entsprechendes Steuerprogramm implementiert ist. Alternativ kann aber auch zum Beispiel ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) oder ein Field Programmable Gate Array (FPGA) zur Steuerung des Wechselrichters eingesetzt werden.
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In einer geeigneten Ausführung ist der Shunt mittels Elektronenstrahlschweißen in die Stromschiene eingebracht. Durch das Elektronenstrahlschweißen ist der Verzug zwischen Shunt und Stromschiene während des Schweißens minimal. Da sich die Stromschiene und der Shunt im Betrieb mitunter stark Erhitzen, werden vorzugsweise hochschmelzende Metalle oder Metalllegierungen eingesetzt, die besonders leicht und kostengünstig mit den hohen Energiedichten beim Elektroschweißen unlösbar miteinander verbindbar sind.
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In einer geeigneten Weiterbildung ist der Shunt wechselstromseitig zum Halbleiterschalter angeordnet. In einer bevorzugten Anwendung ist der Wechselrichter zwischen eine Gleichstromquelle eines Elektrofahrzeugs und einen mit Wechselstrom betriebenen Elektromotor geschaltet. Durch die wechselstromseitige Anordnung des Shunts ist eine besonders genaue und einfache Erfassung des Motorstroms durch die Signalaufbereitungselektronik und Ansteuereinheit ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführung ist ein Crimp-Element zur Aufnahme einer Anschlusslitze, insbesondere eines Elektromotors, an die Stromscheine angeformt. Das Crimp-Element ist in einer geeigneten Ausführungsform als ein Crimpbereich direkt in der Stromschiene integriert, beispielsweise in Form eines Stanzbiegeteils, sodass insbesondere für dezentrale Antriebstechniken das Bauvolumen des Wechselrichters weiter reduzierbar ist. Dadurch kann eine Anschlusslitze der Motorleitung direkt an die Stromschiene angecrimpt werden.
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Hierzu ist das Crimp-Element in einer vorteilhaften Weiterbildung im Wesentlichen hohlzylinderartig ausgeführt, wobei das Crimp-Element eine, insbesondere senkrecht zur Stromschiene orientierte, axiale Aussparung an der Seitenwand aufweisen oder als geschlossene Crimp-Hülse ausgeführt sein kann. Dadurch ist ein besonders einfaches und platzsparendes Ancrimpen der Anschlusslitze realisiert.
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Die Anschlusslitze wird lediglich durch das hülsenartige Crimp-Element geführt. Anschließend werden die hohlzylinderartigen Seitenwände des Crimp-Elements derart gecrimpt, dass die axiale Aussparung im Wesentlichen geschlossen wird. Dadurch wird einerseits ein elektrisch leitender Kontakt zwischen der Motorleitung und der Stromschiene hergestellt. Andererseits wird die Anschlusslitze betriebssicher mechanisch von dem Crimp-Element gehalten. In dieser Ausführungsform bildet die Stromschiene im Wesentlichen einen Kabelschuh für die Motorleitung.
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In einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung ist die Stromschiene im Wesentlichen stufenförmig, wobei die obere Stufenfläche eine Aussparung für eine Schraubbefestigung an der Leiterplatte aufweist, und wobei die untere Stufenfläche im Montagezustand unterhalb der Leiterplatte angeordnet ist.
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In einer geeigneten Weiterbildung sind die Kontaktelemente einstückig seitlich an die Stromschiene angeformt. In einer ebenso geeigneten Weiterbildung sind der Shunt und die Kontaktlaschen etwa mittig im Bereich der unteren Stufenfläche der Stromschiene angeordnet und die Kontaktelemente nach oben zur Leiterplatte hin orientiert. Insbesondere sind die Kontaktelemente in einer bevorzugten Ausgestaltungsform laschenartige Fortsätze der Stromschiene, sodass die Stromschiene als ein Stanzbiegeteil herstellbar ist und die Kontaktlaschen lediglich nach oben gebogen werden.
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Bezüglich eines Elektrofahrzeugs wird die obige Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 10. Danach umfasst das Elektrofahrzeug einen erfindungsgemäßen Wechselrichter, der zwischen einen Hochvoltanschluss und einen elektromotorischen Antriebsmotor geschalten ist. Dadurch ist eine besonders platz- und kostensparende Antriebsmechanik ermöglicht, die insbesondere für dezentral betriebene Antriebsmotoren geeignet ist.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in schematischer Darstellung eine Hochvoltbatterie eines Elektrofahrzeugs, eine Fahrsteuerung, einen Wechselrichter und einen damit gekoppelten Elektromotor,
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2 in Seitenansicht ausschnittsweise den Wechselrichter mit einer Stromschiene zum Anschluss an eine Anschlusslitze der Motorleitung des Elektromotors, und
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3 in perspektivischer Darstellung eine Stromschiene mit Kontaktaschen und einer Crimphülse.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch einen Wechselrichter 2 für einen Elektromotor 4 eines nicht näher dargestellten Elektrofahrzeugs. Der Wechselrichter 2 umfasst ein Gehäuse 6 in hoher Schutzart, ein IGBT-Modul 8 als Wechselrichterschaltung, einen Zwischenkreiskondensator 10, eine Leiterplatte 12 mit einer Ansteuereinheit 13 mit integrierter Signalaufbereitungselektronik, eine dezentrale Antriebsregelung 14 und drei Stromschienen 16 zur signaltechnischen Kopplung an jeweils eine Anschlusslitze 18 des Elektromotors 4.
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Das IGBT-Modul 8 umfasst sechs nicht näher dargestellte IGBT-Transistoren mit Freilaufdioden, welche derart parallel und in Reihe verschaltet sind, dass das IGBT-Modul 8 eine Gleichspannung einer Hochvoltbatterie 20 des Elektrofahrzeugs in eine dreiphasige Wechselstromspannung zum Betrieb des Elektromotors 4 konvertiert. Im Wesentlichen ist für jede Phase des Wechselstroms eine Stromschiene 16 an eine Anschlusslitze 18 gekoppelt, wobei in den Figuren lediglich jeweils eine mit Bezugszeichen versehen ist.
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Der Zwischenkreiskondensator 10 ist zur Vermeidung von Zwischenkreisspannungen, z.B. aufgrund parasitärer Induktivitäten, im Wesentlichen elektronisch parallel zwischen die Hochvoltbatterie und das IGBT-Modul 8 angeordnet. Das IGBT-Modul 8 wird mittels einer nicht näher dargestellten Wasserkühlung während des Betriebs gekühlt.
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Die dezentrale Antriebstechnik 14 und die Ansteuereinheit 13 der Leiterplatte 12 sind im Wesentlichen jeweils als ein Mikrocontroller ausgeführt, auf dem jeweils ein entsprechendes Steuerprogramm implementiert ist. Alternativ können zum Beispiel ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) oder ein Field Programmable Gate Array (FPGA) oder Kombinationen hiervon zur Steuerung des Wechselrichters eingesetzt werden.
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Im Betrieb wird von einer Fahrsteuerung 22 des Elektrofahrzeugs ein Soll-Drehmoment-Signal M für den Elektromotor 4 an die dezentrale Antriebsregelung 14 gesendet, welche ein entsprechendes Signal an die Ansteuereinheit 13 zur Regelung der erzeugten Wechselspannung des IGBT-Moduls 8 versendet. Während des Betriebs erfasst die Ansteuereinheit 13 den durch den Zwischenkondensator 10 fließenden Strom IZK und die an diesem anliegende Spannung UZK. Die Ansteuereinheit 13 erfasst während des Betriebs des Elektromotors 4 weiterhin den durch die Stromschienen 16 fließenden dreiphasigen Wechselstrom i durch Abgreifen einer Spannung an einem Shunt 24 der Stromschienen 16 sowie ein der Drehzahl und/oder der Position des Elektromotors 4 proportionales Motorsignal P von einem mit dem Elektromotor 4 signaltechnisch gekoppelten Encoder 26.
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Die Ansteuereinheit 13 umfasst insbesondere eine Signalaufbereitungselektronik zur signaltechnischen Aufbereitung des erfassten Wechselstromsignals i. Die Signalaufbereitungselektronik ist hierbei insbesondere ein ASIC der Ansteuereinheit 13.
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In 2 ist der Wechselrichter 2 detaillierter dargestellt. Die Leiterplatte 12 weist eine Anzahl an Steckern 28 als Anschlüsse zur signaltechnischen Steuerung des IGBT-Moduls 8 auf. Die im Wesentlichen stufenartige Stromschiene 16 weist an ihrer oberen Stufenfläche 30 eine Aussparung 32 zur Aufnahme einer Schraube 34 auf, welche mit einer Kontaktzunge 36 an der Leiterplatte 12 elektrisch leitfähig gekoppelt ist. Hierzu weist das IGBT-Modul 8 im Bereich der Schraubverbindung ein nicht näher dargestelltes Gewinde auf, in das die Schraube im Montagezustand zumindest teilweise eingreift.
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Die Leiterplatte 12 ist aus einem elektrisch nicht leitenden Epoxid gefertigt und weist eine nicht näher dargestellte Anzahl von Leiterbahnen auf, welche aus einer dünnen Kupferschicht geätzt sind. Die Bauelemente, wie beispielsweise die Ansteuereinheit 13 oder die Stecker 28 sind bevorzugterweise auf Lötflächen oder in Lötaugen mittels SMD-Technik auf die Leiterplatte 12 aufgebracht.
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Aufgrund der Stufenform der Stromschiene 16 sind die Stromschiene 16 und der Shunt 24 von der Leiterplatte 12 beabstandet, sodass die Lötverbindungen im Betrieb des Wechselrichters 2 nicht aufgeschmolzen werden. Dadurch ist es einfach und kostengünstig ermöglicht, die Ansteuereinheit 13 insbesondere mit einer integrierten Signalaufbereitungselektronik zur signaltechnischen Aufbereitung des erfassten Wechselstromsignals i auszuführen. Die Signalaufbereitungselektronik ist hierbei insbesondere ein ASIC der Ansteuereinheit 13. Der dadurch entstehende zusätzliche Bauraum im Gehäuse 6 des Wechselrichters 2 ist somit für die dezentrale Antriebstechnik – wie in 2 ersichtlich wird – nutzbar.
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Wie in 3 ersichtlich wird, umfasst die Stromschiene 16 an ihrer unteren Stufenfläche 38 etwa mittig den Shunt 24, der insbesondere mittels Elektronenstrahlschweißen in die Stromschiene 16 eingebracht ist. Aufgrund der stufenartigen Ausführung der Stromschiene 16 ist die Stromschiene 16 weitestgehend von der Leiterplatte 12 beabstandet, sodass im Betrieb, wenn der Wechselstrom i durch die Stromschiene 16 und den Shunt 24 fließt, keine unnötige Erhitzung der Leiterplatte 12 erfolgt.
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Zur Spannungserfassung sind im Bereich des Shunts 24 vier Kontaktlaschen 40 an die Stromschiene 16 angeformt. Anstelle der laschen können auch andere Kontaktelemente vorgesehen sei, die geeignet sind, die Shuntspannung abzugreifen und an die Leiterplatte 12 weiterzuleiten. Die Stromschiene 16 ist insbesondere ein niedrigohmiges, breites, metallisches Stanzbiegeteil, wobei die Kontaktlaschen 40 laschenartige Fortsätze der unteren Stufenfläche 38 sind, die zur Kontaktierung mit der Leiterplatte 12 nach oben gebogen werden. Bevorzugterweise ist die Stromschiene 16 aus Kupfer gefertigt. Die Kontaktierung ist beispielsweise durch einen Steckkontakt der Kontaktlaschen 40 mit der Leiterplatte 12 realisiert. Auch ist eine Lötverbindung denkbar.
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Am motorleitungsseitigen Ende der unteren Stufenfläche 38 ist eine hohlzylinderartige Crimphülse 42 mit einer axialen Aussparung 44 an die Stromschiene 16 angeformt. Die Crimphülse 42 ist – wie in 2 ersichtlich – im Wesentlichen ein integrierter Kabelschuh der Stromschiene 16 zur Aufnahme und signaltechnischen Kopplung der Leiterplatte 12 an die Anschlusslitze 18. Die Crimphülse 42 ist in ihrer Axialrichtung im Wesentlichen senkrecht zur unteren Stufenfläche 38 angeordnet, sodass im Montagezustand die Anschlusslitze 18 etwa senkrecht zur Ober- und Unterseite des Gehäuses 6 durchführbar ist. Dadurch ist eine besonders platzsparende Ausführung des Wechselrichters 2 realisiert.
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Im ungecrimpten Zustand ist der Innendurchmesser der Crimphülse 42 etwas größer als der Durchmesser der Anschlusslitze 18, sodass die Anschlusslitze 18 zur Montage mühelos durch die Crimphülse führbar ist. Anschließend wird die Crimphülse 42 gecrimpt, das heißt derart zusammengedrückt, dass die längliche Aussparung 44, die sich im Wesentlichen über die gesamte axiale Länge der Crimphülse 42 erstreckt, geschlossen wird. Dadurch wird die Anschlusslitze 18 einerseits mechanisch von der Crimphülse 42 gehalten. Andererseits ist hierdurch ein elektrisch leitender Kontakt zur Stromschiene 16 hergestellt.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
