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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem Elektronikfach, und mit einer darin angeordneten Leiterplatte. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise ein Elektromotor und geeigneterweise ein Bestandteil eines Kältemittelverdichters. Die Erfindung betrifft ferner einen Kältemittelverdichter mit einer derartigen elektrischen Maschine.
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Kraftfahrzeuge weisen üblicherweise eine Klimaanlage auf, mittels derer eine Temperierung eines Innenraums des Kraftfahrzeugs erfolgt. Bei mittels eines Elektromotors angetriebenen Kraftfahrzeugen werden die benötigten Energiespeicher, wie eine Hochvoltbatterie, mittels einer Klimaanlage gekühlt. Die Klimaanlage weist einen Kältemittelkreislauf auf, der einen Kältemittelverdichter und diesem nachgeschaltet einen Kondensator sowie diesem fluidtechnisch nachgeschaltet einen Verdampfer umfasst. Diesem ist fluidtechnisch ein weiterer Wärmetauscher nachgeschaltet, der in thermischem Kontakt mit etwaigen Energiezellen des Hochvoltenergiespeichers oder mit einer Gebläseleitung ist, die in den Innenraum des Kraftfahrzeugs führt. Der Kältekreislauf ist mit einem Kältemittel befüllt, wie R134a, R1234yf oder CO2.
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Bei Betrieb wird mittels des Kältemittelverdichters ein Druck des Kältemittels erhöht, was zu einer Temperaturerhöhung des Kältemittels führt. Dieses wird zu dem Kondensator geleitet, der in thermischem Kontakt mit einer Umgebung des Kraftfahrzeugs ist. Hierbei erfolgt eine Temperaturerniedrigung des Kältemittels, welches in dem nachgeschalteten Verdampfer wiederum auf den ursprünglichen Druck entspannt wird, weshalb die Temperatur des Kältemittels weiter verringert wird. In dem nachgeschalteten Wärmetauscher wird von dem mit dem Wärmetauscher thermisch kontaktierten Bauteil thermische Energie auf das Kältemittel übertragen, was zu einer Abkühlung des Bauteils und einer Erwärmung des Kältemittels führt. Das erwärmte Kältemittel wird zum Schließen des Kältemittelkreislaufs erneut dem Kältemittelverdichter zugeführt.
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Der Kältemittelverdichter wird üblicherweise mittels eines Riemenantriebs von einer Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs angetrieben und weist einen Verdichterkopf auf, der beispielsweise ein Scrollverdichterkopf ist. Sofern die Klimaanlage ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs ist, das keine Verbrennungskraftmaschine umfasst, weist der Kältemittelverdichter einen Elektromotor auf, mittels dessen der Verdichterkopf angetrieben ist. Hierbei wird die Drehzahl des Antriebs und somit die Kühlleistung der Klimaanlage anhand einer Temperatureinstellung eines Benutzers des Kraftfahrzeugs oder einer realisierten Temperatur der Hochvoltbatterie eingestellt.
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Der Elektromotor ist meist bürstenlos ausgestaltet, wobei die einzelnen elektrischen Spulen mittels einer Brückenschaltung einer Leiterplatte bestromt werden. Hierbei sind elektrischen Spulen des Elektromotors beispielsweise mittels Messer- und Gabelkontakten mit Leiterbahnen der Leiterbahnen elektrisch kontaktiert, die wiederum mit der Brückenschaltung elektrisch kontaktiert sind. Diese weist Halbleiterschalter auf, die mittels einer PWM-Ansteuerung betätigt werden. Bei einer hohen Leistungsanforderungen und vergleichsweise kleinen Drehzahlen sind die resultierenden benötigten elektrischen Ströme vergleichsweise groß. Infolgedessen müssen die Leiterbahnen der Leiterplatte vergleichsweise robust ausgestaltet sein.
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Die Leiterplatte ist meist innerhalb eines Elektronikfachs eines Gehäuses des Kältemittelverdichters angeordnet und fest mit dem Gehäuse verbunden, beispielsweise mittels Clipsen oder Schrauben. Sofern unterschiedliche Drücke innerhalb des Gehäuses herrschen, nämlich statorseitig ein Niederdruck und elektronikseitig Atmosphärendruck, kann sich die Gehäusewand axial in das Elektronikfach auswölben. Falls die Leiterplatte an dieser Gehäusewand (Gehäusezwischenwand) befestigt wäre, könnte diese somit beschädigt werden, und/oder ein elektrische Kontakt zwischen der Leiterplatte und den elektrischen Spulen unterbrochen werden. Somit kann diese Gehäusewand nicht zur Befestigung herangezogen werden, obwohl diese eine für eine Kühlung der Leiterplatte am geeignetsten wäre.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs sowie einen besonders geeigneten Kältemittelverdichter eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Maschine anzugeben, wobei insbesondere eine Zuverlässigkeit und vorzugsweise Herstellungskosten reduziert sind.
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Hinsichtlich der elektrischen Maschine wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Kältemittelverdichters durch die Merkmale des Anspruchs 14 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Die elektrische Maschine ist ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs und bevorzugt ein Generator oder ein Elektromotor. Beispielsweise dient der Elektromotor dem Antrieb des Kraftfahrzeugs, welches somit insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug ist. Bevorzugt jedoch ist die elektrische Maschine ein Bestandteil eines Nebenaggregats des Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Verstellantriebs, wie eines Lenkungsmotors einer sog. Servolenkung, eines elektrischen Fensterhebers oder einer elektrischen Sitzverstellung. Geeigneterweise ist die elektrische Maschine im Montagezustand mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs elektrisch kontaktiert und wird mittels dessen bestromt. Insbesondere ist die elektrische Maschine hierfür geeignet. Beispielswiese ist das Bordnetz des Kraftfahrzeugs ein Niedervoltbordnetz und führt beispielsweise eine elektrische Spannung von 12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt. Alternativ hierzu beträgt die elektrische Spannung die bei Betrieb an der elektrischen Maschine anliegt bzw. die das Bordnetz des Kraftfahrzeugs aufweist, 288 Volt, 450 Volt, 650 Volt oder 830 Volt.
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Besonders bevorzugt ist die elektrische Maschine ein Bestandteil eines Kältemittelverdichters, der somit ein elektromotorischer Kältemittelverdichter ist. Der elektromotorische Kältemittelverdichter ist insbesondere ein Bestandteil eines Kältemittelkreislaufs des Kraftfahrzeugs, mittels dessen bei Betrieb beispielsweise eine Temperierung des Innenraums des Kraftfahrzeugs und/oder eine Abkühlung eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs erfolgt. Insbesondere umfasst der elektromotorische Kältemittelverdichter einen Verdichterkopf, beispielsweise einen Scroll-Verdichter. Besonders bevorzugt wird mittels des elektromotorischen Kältemittelverdichters ein Kältemittel verdichtet, zum Beispiel ein chemisches Kältemittel, wie R134a oder R1234yf. Alternativ wird als Kältemittel CO2 herangezogen.
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Die elektrische Maschine ist bevorzugt bürstenlos ausgestaltet und insbesondere ein bürstenloser Elektromotor, beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC). Die elektrische Maschine weist somit zumindest eine elektrische Spule auf, mittels derer zumindest teilweise ein Elektromagnet gebildet ist. Die elektrische Spule (Wicklung, Motor- bzw. Phasenwicklung, Drehfeldwicklung) ist ein Bestandteil eines Stators der elektrischen Maschine. Vorzugsweise umfasst der Stator eine Anzahl derartiger elektrischer Spulen, beispielsweise zwei, drei, sechs, zwölf, F.., wobei die elektrischen Spulen vorzugsweise zu elektrischen Phasen der elektrischen Maschine verschaltet sind, wofür diese geeignet miteinander in einer Parallel- oder Reihenschaltung elektrisch kontaktiert sind. Die elektrischen Phasen selbst sind insbesondere miteinander in einer Dreiecks- oder Sternschaltung miteinander elektrisch kontaktiert. Vorzugsweise ist die elektrische Maschine dreiphasig, sechsphasig oder zwölfphasig ausgestaltet.
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Die Bestromung der elektrischen Spule bzw. der Abgriff der an der elektrischen Spule anliegenden elektrischen Spannung erfolgt mittels einer Leiterplatte, die insbesondere ein Bestandteil einer Elektronik ist. Hierbei ist die elektrische Spule mit einer Brückenschaltung der Leiterplatte elektrisch kontaktiert. Die Leiterplatte weist vorzugsweise einen Träger auf, der insbesondere aus einem Gewebe, beispielsweise einem Glasfasergewebe, oder Papier erstellt ist, welche vorzugsweise mittels einer Matrix umgeben sind, die beispielsweise Epoxid ist oder dieses zumindest umfasst. Insbesondere sind an dem Träger Leiterbahnen angebunden und/oder darin eingebettet. Die Leiterbahnen selbst sind beispielsweise aus einem Kupfer erstellt.
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Die Brückenschaltung weist vorzugsweise vier, sechs oder zwölf Brückenzweige auf und ist folglich eine B4-, B6- bzw. B12-Schaltung. Jeweils zwei Brückenzweige sind einer der elektrischen Phasen der elektrischen Maschine zugeordnet, und/oder die Brückenschaltung ist vorzugsweise gegen eine Gleichstromseite geführt, die insbesondere mit dem Bordnetz elektrisch kontaktiert ist. Jeder der Brückenzweige weist insbesondere ein Halbleiterbauelement auf, insbesondere einen Halbleiterschalter, und vorzugsweise einen Leistungshalbleiterschalter. Insbesondere ist mit der Leiterplatte eine Leistungselektronik bereitgestellt oder die Leiterplatte ist ein Bestandteil der Leistungselektronik.
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Die elektrische Maschine weist ein Elektronikfach auf, welches beispielsweise ein Bestandteil eines Gehäuses der elektrischen Maschine ist. Insbesondere ist das Gehäuse/ Elektronikfach aus einem Metall gefertigt, beispielsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Vorzugsweise ist das Gehäuse als Druckgussteil erstellt. Innerhalb des Elektronikfachs ist die Leiterplatte angeordnet, wobei sich der Stator, und insbesondere die elektrische Spule, außerhalb des Elektronikfachs befindet. Insbesondere ist die Leiterplatte parallel zur Gehäusewand angeordnet. Das Elektronikfach selbst ist im Montagezustand vorzugsweise luft- und druckdicht, weswegen eine Beschädigung der Leiterplatte im Wesentlichen ausgeschlossen ist.
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Die elektrische Maschine weist einen ersten Anschluss auf, der elektrisch mit der elektrischen Spule des Stators kontaktiert ist. Beispielsweise ist der erste Anschluss einstückig mit der elektrischen Spule. Hierbei ist mittels eines Endes der elektrischen Spule vorzugsweise der erste Anschluss gebildet. Alternativ ist der erste Anschluss ein separates Bauteil, welches mit der elektrischen Spule elektrisch kontaktiert ist, insbesondere direkt, und vorzugsweise an dieser mechanisch angebunden ist, beispielsweise angelötet oder angeschweißt. Besonders bevorzugt ist der erste Anschluss direkt mit der elektrischen Spule kontaktiert. Der erste Anschluss stellt somit vorzugsweise einen Phasenanschluss dar, also einen Anschluss an eine der elektrischen Phasen des Stators, sofern die elektrische Maschine mehrere Phasen aufweist. Der erste Anschluss ist innerhalb des Elektronikfachs ortsfest gehalten. Beispielsweise ist der erste Anschluss an einer Wand des Elektronikfachs befestigt. Mittels des ersten Anschlusses erfolgt somit eine elektrische Kontaktierung durch eine Wand des Elektronikfachs, wobei sich zumindest ein Abschnitt des ersten Anschlusses sich ortsfest an einer definierten, bestimmten Position innerhalb des Elektronikfachs befindet. Der erste Anschluss ist insbesondere Starr an einer Gehäusewand des Elektronikfachs befestigt.
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Der erste Anschluss ist mittels eines biegeschlaffen Kontaktelements mit einem zweiten Anschluss elektrisch kontaktiert, wobei der zweite Anschluss ein Bestandteil der Leiterplatte ist. Der zweite Anschluss selbst ist mit der Brückenschaltung der Leiterplatte elektrisch kontaktiert, beispielsweise mittels einer Leiterbahn. Der zweite Anschluss ist vorzugsweise starr mit weiteren Bestandteilen der Leiterplatte verbunden, insbesondere an dem Träger der Leiterplatte. Das biegeschlaffe Kontaktelement ist flexibel ausgestaltet, weswegen die elektrische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss im Wesentlichen flexibel ist. Aufgrund des biegeschlaffen Kontaktelements ist ein Längen- und/oder Zugausgleich zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss ermöglicht. Das biegeschlaffe Kontaktelement ist insbesondere geeignet, vorzugsweise vorgesehen, elektrische Ströme mit mehr als 100 Ampere, 150 Ampere oder 200 Ampere zu tragen, wobei die Stromtragfähigkeit beispielsweise geringer als 1.000 Ampere, 900 Ampere oder 800 Ampere ist.
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Der erste und der zweite Anschluss sind vorzugsweise starr an weiteren Bestandteilen der elektrischen Maschine angebunden, insbesondere an einer Gehäusewand des Elektronikfachs bzw. an der Leiterplatte. Aufgrund des biegeschlaffen Kontaktelements ist bei einer Bewegung dieser beiden Bauteile zueinander bei Betrieb ein Toleranzausgleich geschaffen, weswegen auch im ungünstigsten Fall stets eine elektrische Verbindung zwischen den beiden Anschlüssen gewährleistet ist, beispielsweise falls eines der beiden Bauteile aufgrund eines Drucks oder einer Wärmeeinfuhr im Vergleich zu dem jeweils anderen Bauteile verformt wird. Auch ist bei der Montage ein Toleranzausgleich vorhanden, weswegen die einzelnen Bauteile mit einer vergleichsweise großen Fertigungstoleranz gefertigt werden können, was Herstellungskosten reduziert. Zudem ist es ermöglicht, die Leiterplatte innerhalb des Elektronikfachs zu positionieren, in dem eine vergleichsweise effiziente Kühlung vorherrscht, weswegen die Leiterplatte, insbesondere der Brückenschaltung, mit elektrischen oder elektronischen Bauelementen gefertigt werden kann, die eine vergleichsweise niedrige maximale Betriebstemperatur aufweisen.
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Der Stator ist vorzugsweise innerhalb des Gehäuses angeordnet und beispielsweise im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgestaltet. Das Elektronikfach befindet vorzugsweise stirnseitig des hohlzylindrischen Stators. Insbesondere umgibt der Stator umfangsseitig einen Rotor, der ebenfalls innerhalb des Gehäuses positioniert und um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Der Rotor selbst weist beispielsweise eine Anzahl an Permanentmagneten auf. Bei Betrieb der elektrischen Maschine als Elektromotor wird insbesondere die elektrische Spule, vorzugsweise die Anzahl der elektrischen Spulen, mittels der Leiterplatte bestromt, sodass ein drehendes Magnetfelds bereitgestellt wird. Mittels einer magnetischen Wechselwirkung zwischen dem/den Permanentmagneten des Rotors und dem/den Elektromagneten des Stators, der/die mittels der elektrischen Spule(n) gebildet ist/sind, wird der Rotor in eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse versetzt. An den Rotor ist beispielsweise ein Verdichterkopf angebunden, sofern die elektrische Maschine ein Bestandteil eines Kältemittelverdichters ist. Vorzugsweise befindet sich der Verdichterkopf auf der dem Elektronikfach gegenüberliegenden Seite des Stators.
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Vorzugsweise ist der erste Anschluss durch eine Gehäusewand geführt. Mit anderen Worten befindet sich ein Ende des ersten Anschlusses innerhalb des Elektronikfachs, und ein weiteres Ende des ersten Anschlusses befindet sich außerhalb des Elektronikfachs, wobei diese beiden Bereiche mittels der Gehäusewand getrennt sind. Hierbei ist die elektrische Spule vorzugsweise an dem sich außerhalb des Elektronikfachs befindenden Ende des ersten Anschlusses angebunden. Aufgrund der Durchführung durch die Gehäusewand ist der erste Anschluss stabil gehalten, und eine elektrische Kontaktierung ist vereinfacht. Zweckmäßigerweise liegt der erste Anschluss form- und/oder kraftschlüssig innerhalb einer Aussparung der Gehäusewand ein. Insbesondere ist zwischen dem ersten Anschluss und der Gehäusewand eine druckdichte Abdichtung vorhanden. Infolgedessen ist es ermöglicht, das Elektronikfach druckdicht auszugestalten, weswegen eine etwaige Beschädigung oder Verschmutzung der Leiterplatte unterbunden ist. Insbesondere verläuft der erste Anschluss in Axialrichtung, und die Gehäusewand ist im Wesentlichen senkrecht zur Axialrichtung angeordnet, also parallel zu der Rotationsrichtung. Geeigneterweise liegt das biegeschlaffe Kontaktelement zumindest abschnittsweise mittels eines (ersten) Wärmeleitpads an der Gehäusewand an. Auf diese Weise ist eine Wärmeabfuhr von dem biegeschlaffen Kontaktelement zur Gehäusewand ermöglicht. Zudem ist mittels des (ersten) Wärmeleitpads eine elektrische Isolierung gegenüber der Gehäusewand geschaffen.
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Zweckmäßigerweise weist das biegeschlaffe Kontaktelement einen starren ersten Kontaktabschnitt und einen starren zweiten Kontaktabschnitt auf. Zwischen dem ersten und zweiten Kontaktabschnitt ist ein flexibler dritter Kontaktabschnitt angeordnet. Insbesondere sind der erste und der zweite Kontaktabschnitt an dem dritten Kontaktabschnitt angebunden. Folglich wird mittels des dritten Kontaktabschnitts die Biegeschlaffheit des biegeschlaffen Kontaktelements bereitgestellt. Der erste Kontaktabschnitt ist mechanisch an dem ersten Anschluss und der zweite Kontaktabschnitt ist mechanisch an dem zweiten Anschluss angebunden. Insbesondere ist der erste Kontaktabschnitt an dem ersten Anschluss befestigt und der zweite Kontaktabschnitt ist an dem zweiten Anschluss befestigt. Folglich sind der erste und zweite Kontaktabschnitt ebenfalls starr gehalten und die Biegeschlaffheit wird lediglich mittels des dritten Kontaktabschnitts bereitgestellt, mittels dessen folglich ein Toleranzausgleich erfolgen kann. Somit ist einerseits eine Montage vereinfacht, da die jeweils definierten ersten und zweiten Kontaktabschnitte vergleichsweise einfach zu montieren sind. Andererseits ist eine Fertigung des biegeschlaffen Kontaktelements vereinfacht, da mittels des ersten und zweiten Kontaktabschnitts jeweils ein Haltepunkt für etwaige Werkzeuge bereitgestellt ist.
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Insbesondere sind der erste und zweite Kontaktabschnitt sowie der dritte Kontaktabschnitt aus einem Metall gefertigt, insbesondere aus dem gleichen Material, was etwaige elektrische Widerstände verringert. Zweckmäßigerweise ist der erste Kontaktabschnitt aus dem gleichen Material wie der erste Anschluss und/oder der zweite Kontaktabschnitt aus dem gleichen Material wie der zweite Anschluss gefertigt, was ebenfalls einen elektrischen Widerstand verringert und folglich einen Wirkungsgrad erhöht. Zweckmäßigerweise ist das biegeschlaffe Kontaktelement vollständig aus Kupfer oder einer Kupferlegierung erstellt. Zumindest jedoch ist der erste Kontaktabschnitt, der zweite Kontaktabschnitt oder der dritte Kontaktabschnitt aus einem Kupfer, also Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt. In einer Alternative hierzu ist das biegeschlaffe Kontaktelement zumindest abschnittsweise aus einem Messing gefertigt, wobei beispielsweise der erste Kontaktabschnitt, der zweite Kontaktabschnitt und/oder der dritte Kontaktabschnitt aus Messing bestehen.
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Beispielsweise ist der dritte Kontaktabschnitt mittels Litzen erstellt. Besonders bevorzugt ist der dritte Kontaktabschnitt aus einem Geflecht gefertigt. Auf diese Weise ist einerseits die geforderte Flexibilität bereitgestellt, wobei aufgrund der miteinander verflochtenen einzelnen Litzen oder dergleichen eine mechanische Stabilität vorhanden ist. Auch ist ein unbeabsichtigtes Auseinanderlösen der einzelnen Litzen voneinander unterbunden, was zu einer etwaigen Lichtbogenausbildung ansonsten führen könnte. Beispielsweise sind die einzelnen, das Geflecht bildenden Litzen miteinander verwoben oder verdrillt. Aufgrund der Ausgestaltung als Geflecht sind hierbei vergleichsweise geringe Induktivitäten vorhanden, weswegen ein Wirkungsgrad der elektrischen Maschine erhöht ist. Insbesondere ist das Geflecht elastisch oder plastisch verformbar, was eine Montage vereinfacht sowie zu einem vergleichsweise sicheren Betrieb führt, wobei auch bei Erschütterungen oder Verformungen des Elektronikfachs stets die elektrische Kontaktierung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss vorhanden ist. Beispielsweise ist das Geflecht ein Kupfergeflecht und folglich aus Kupfer oder einer Kupferlegierung erstellt, was zu einem vergleichsweise geringen elektrischen Widerstand führt.
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Insbesondere weist der erste Kontaktabschnitt eine Buchse oder Öse auf. Alternativ hierzu weist der zweite Kontaktabschnitt eine Buchse oder Öse auf. Besonders bevorzugt umfassen sowohl der erste als auch der zweite Kontaktabschnitt die Buchse bzw. Öse. Hierbei dient die Buchse bzw. Öse der Befestigung des jeweiligen Kontaktabschnitts an dem zugeordneten Anschluss. Die Buchse bzw. Öse ist hierbei einer Aussparung bereitgestellt bzw. weist eine Aussparung auf. An der Aussparung greift vorzugsweise ein Befestigungselement an, mittels dessen der jeweilige Kontaktabschnitt mechanisch an dem jeweils zugeordneten Anschluss gehalten ist. Alternativ oder besonders bevorzugt in Kombination hierzu sind der erste Kontaktabschnitt und der erste Anschluss miteinander verpresst. Beispielsweise ist der erste Kontaktabschnitt und/oder der erste Anschluss plastisch mittels Kraftaufbringung verformt, weswegen der erste Kontaktabschnitt sowie der erste Anschluss sowohl elektrisch als auch mechanisch miteinander kontaktiert und aneinander gehalten sind. Insbesondere wird hierbei die Buchse bzw. Öse verformt. Folglich ist zwischen dem jeweiligen Kontaktabschnitt und dem zugeordneten Anschluss ein Pressfit erstellt, insbesondere zwischen der jeweiligen Buchse. Mit anderen Worten ist zwischen dem ersten Kontaktabschnitt und dem ersten Anschluss erstellt. Infolgedessen sind keine weiteren Befestigungsmittel erforderlich, und auch die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Kontaktabschnitt und dem ersten Anschluss ist mittels des Verpressens erstellt. Folglich sind keine zusätzlichen Fertigungsschritte erforderlich. Dies alles führt zu verringerten Herstellungskosten.
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Alternativ oder besonders bevorzugt in Kombination hierzu sind der zweite Kontaktabschnitt und der zweite Anschluss miteinander verschraubt. Insbesondere erfolgt dies mittels einer Schraube oder eines Schraubbolzens, der durch die Buchse bzw. Öse geführt ist. Hierbei ist auf dem Freiende der Schraube bzw. des Schraubbolzens vorzugsweise eine Mutter angeordnet, mittels derer ein Kraftschluss zwischen zweitem Kontaktabschnitt und dem zweiten Anschluss erstellt ist. Beispielsweise ist der Kopf der Schraube an einer Wand des Gehäuses abgestützt, insbesondere an der Gehäusewand, durch die der erste Anschluss geführt ist, sofern dies der Fall ist. Insbesondere ist die Schraube im Wesentlichen axial angeordnet, weswegen der Kopf in Axialrichtung an der Gehäusewand abgestützt ist.
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Zwischen dem Schraubenkopf und der Gehäusewand befindet sich vorzugsweise eine elektrische Isolierung, beispielsweise ein Kunststoff, sodass ein elektrischer Kurzschluss zwischen verschiedenen Schrauben unterbunden ist, sofern die elektrische Maschine eine Anzahl derartiger zweiter Kontaktabschnitte und zweiter Anschlüsse aufweist. Zur Fertigung wird besonders bevorzugt zunächst der erste Anschluss innerhalb des Elektronikfachs ortsfest gehalten, wobei dies beispielsweise direkt bei Fertigung des Elektronikfachs erfolgt. Im Anschluss hieran wird insbesondere das biegeschlaffe Kontaktelement in das Elektronikfach eingeführt und der erste Kontaktabschnitt mit dem ersten Anschluss verpresst. Im Anschluss hieran wird die Leiterplatte in das Elektronikfach eingeführt und der zweite Anschluss mit dem zweiten Kontaktabschnitt verschraubt. Insbesondere ist die Schraube bereits in die Buchse bzw. Öse des zweiten Kontaktabschnitts eingeführt, wenn das biegeschlaffe Kontaktelement in das Elektronikfach eingeführt wird. In einer weiteren Alternative ist der erste Kontaktabschnitt mit dem ersten Anschluss verschraubt und/oder der zweite Kontaktabschnitt ist mit dem zweiten Anschluss verpresst. Mit anderen Worten ist zwischen dem zweiten Kontaktabschnitt und dem zweiten Anschluss ein Pressfit erstellt.
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Zusammenfassend erfolgt die mechanische Verbindung und elektrische Kontaktierung vorzugsweise mittels Schrauben, welche durch die Buchse oder Öse geführt sind. Der zweite Anschluss befindet sich insbesondere auf der dem zweiten Kontaktabschnitt gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte, und die Mutter ist in direktem mechanischem Kontakt mit dem zweiten Anschluss. Der Schraubenkopf hingegen ist auf der Seite der Leiterplatte, auf der sich der zweite Kontaktabschnitt befindet, und der Schraubenkopf ist in direktem mechanischem Kontakt mit dem zweiten Kontaktabschnitt. Der dritte Kontaktabschnitt befindet sich vorzugsweise zwischen der Leiterplatte und der Gehäusewand, an der der erste Anschluss insbesondere angebunden ist. Die Schraube bzw. der Schraubbolzen und/oder die zugeordnete Mutter ist beispielsweise aus einem Stahl erstellt, weswegen eine mechanische Verbindung vergleichsweise stabil ist. In einer Alternative ist die Mutter auf der Seite des dritten Kontaktabschnitts angeordnet, und der Schraubenkopf bzw. Schraubbolzenkopf befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte und ist geeigneterweise in direktem mechanischem Kontakt mit dem zweiten Anschluss.
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Beispielsweise ist der jeweilige Kopf der Schraube bzw. des Schraubbolzens über ein Wärmeleitpad/das (erste) Wärmeleitpad an die Gehäusewand angebunden und/oder liegt über dieses an der Gehäusewand an, wobei das (erste) Wärmeleitpad beispielsweise ebenfalls der elektrischen Isolation dient. Aufgrund des Wärmeleitpads ist eine Wärmeableitung von der Leiterplatte auf die Gehäusewand ermöglicht, die insbesondere in thermischem Kontakt mit einem Kühlmittel steht, beispielsweise Luft oder dem Kältemittel, falls die elektrische Maschine ein Bestandteil eines Kältemittelverdichters ist. Hierbei ist die Gehäusewand vorzugsweise aus einem Aluminiummaterial gefertigt.
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Bevorzugt weist der zweite Kontaktabschnitt einen hohlzylindrischen Vorsprung auf, der innerhalb geeigneterweise zumindest teilweise in einer Öffnung der Leiterplatte angeordnet ist. Insbesondere ist eine Spielpassung zwischen der Leiterplatte und dem hohlzylindrischen Vorsprung erstellt. Aufgrund des hohlzylindrischen Vorsprungs ist der zweite Kontaktabschnitt zumindest teilweise bezüglich der Leiterplatte stabilisiert, sodass ein etwaiges Befestigungselement, wie eine Schraube, lediglich vergleichsweise geringe Kräfte zum Halten des zweiten Kontaktabschnitts am zweiten Anschluss aufbringen muss. Auch ist eine Montage vereinfacht. Insbesondere ist der hohlzylindrische Vorsprung mittels der Buchse realisiert. Beispielsweise wird die Öffnung der Leiterplatte randseitig zumindest teilweise mittels des zweiten Anschlusses überdeckt, weswegen der hohlzylindrische Vorsprung lediglich von einer Seite in die Öffnung eingeführt werden kann. Auch ist auf diese Weise ein Anschlag für den hohlzylindrischen Vorsprung erstellt. Infolgedessen ist der zweite Kontaktabschnitt noch weiter stabilisiert.
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Beispielsweise weisen der erste und der zweite Anschluss unterschiedliche Abstände zu der Rotationsachse der elektrischen Maschine auf. Hierbei ist der erste Anschluss vorzugsweise näher an der Rotationsachse angeordnet als der zweite Anschluss. Infolgedessen ist es ermöglicht, eine vergleichsweise große Leiterplatte heranzuziehen, insbesondere sofern die Leiterplatte eine Anzahl zweiter Anschlüsse aufweist. Somit kann eine vergleichsweise starke Erwärmung der Leiterplatte in lediglich einem einzigen Bereich vermieden werden. Insbesondere ist die Brückenschaltung verteilt auf der Leiterplatte angeordnet, was eine Wärmebelastung der Leiterplatte vergleichmäßigt, weswegen vergleichsweise kostengünstige elektrische oder elektronische Bauteile der Leiterplatte verwendet werden können. Zusammenfassend ist es ermöglicht, dass zumindest Teile der Brückenschaltung einen vergleichsweise großen Abstand zur Rotationsachse aufweisen. Insbesondere ist die Leiterplatte im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgestaltet, sodass unterschiedliche Bestandteile der einzelnen Brückenzweige der Brückenschaltung einen vergleichsweise großen Abstand zueinander aufweisen, sofern die Brückenschaltung mehrere derartige Brückenzweige aufweist. Dies führt zu einer vergleichsweise gleichmäßigen Wärmebelastung der Leiterplatte, weswegen einerseits eine punktuelle vergleichsweise starke Wärmebelastung vermieden ist. Andererseits ist eine mechanische Spannung aufgrund unterschiedlicher Ausdehnung aufgrund der variierenden Temperatur ausgeschlossen. Aufgrund des geringeren Abstandes des ersten Anschlusses zur Rotationsachse ist eine Fertigung des Elektromotors vereinfacht. Auch kann ein vergleichsweise kleines Gehäuse für die elektrische Maschine herangezogen werden, sodass eine vergleichsweise kompakte elektrische Maschine bereitgestellt ist.
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Die Brückenschaltung weist vorzugsweise einen Leistungshalbleiterschalter auf. Insbesondere weist jeder Brückenzweig zwei Leistungshalbleiterschalter auf, die zueinander parallel geschaltet sind, was den mit jedem der Leistungshalbleiterschalter zu schaltenden elektrischen Strom verringert. Beispielsweise ist der Leistungshalbleiterschalter mit einem Wärmeleitpad versehen, welches vorzugsweise den jeweiligen Leistungshalbleiterschalter allseitig übergreift und somit auch an den entsprechenden Abschnitten der Leiterplatte anliegt. Im Montagezustand liegen die Wärmeleitpads bzw. das Wärmeleitpad bevorzugt an der Gehäusewand an, weswegen eine vergleichsweise effiziente Wärmeleitung von dem Leistungshalbleiterschalter zu der Gehäusewand hergestellt ist, und weswegen die betriebsbedingte Wärme der Leistungshalbleiterschalter in die Gehäusewand eingeleitet wird. Vorzugsweise erfolgt die Entwärmung der Leistungshalbleiterschalter ferner über vergleichsweise großflächige Kupferbahnen der Leiterplatte.
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Die Leistungshalbleiterschalter sind beispielsweise IGBTs oder Feldeffekt-Transistoren (FET). Besonders bevorzugt sind die Leistungshalbleiterschalter DirectFETs. Mit anderen Worten umfasst die Brückenschaltung DirectFETs. Die vergleichsweise flach aufbauenden DirectFETs sind insbesondere auf der der Gehäusewand zugewandten Seite der Leiterplatte angeordnet, sofern diese vorhanden ist. Insbesondere sind die Leistungshalbleiterschalter, insbesondere die DirectFETs, zu einem zentralen Bereich der Leiterplatte beabstandet und vorzugsweise in einem Randbereich angeordnet. Insbesondere befinden sich die Leistungshalbleiterschalter in einer äußeren Hälfte der Leiterplatte, was eine Wärmebelastung verringert. Insbesondere sind die DirectFETs mit (zweiten) Wärmeleitpads abgedeckt. Hierbei ist beispielswiese jeweils zwei, drei oder vier DirectFETs jeweils ein (zweites) Wärmeleitpad zugeordnet. Mittels des Wärmeleitpads sind die DirectFETs vorzugsweise mit einer Gehäusewand thermische kontaktiert, insbesondere mit der Gehäusewand, durch die der erste Anschluss etwaig geführt ist. Auf diese Weise ist eine Kühlung der DirectFETs verbessert.
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Insbesondere ist die Leiterplatte parallel zu einer Ebene angeordnet und schwimmend zu eben dieser Ebene gelagert. Folglich ist die Leiterplatte innerhalb des Elektronikfachs schwimmend gelagert. In Verbindung mit dem biegeschlaffen Kontaktelement kann folglich die Leiterplatte senkrecht zur Ebene zumindest in einem bestimmten Bereich verbracht werden, sodass eine Beschädigung der Leiterplatte aufgrund einer Erschütterung oder Verformung des Elektronikfachs ausgeschlossen werden kann. Auch ist es somit möglich, die Leiterplatte sowie das Elektronikfach aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu fertigen, wobei bei einer Erwärmung keine mechanischen Spannungen zwischen der Leiterplatte und dem Elektronikfach, insbesondere der Gehäusewand des Elektronikfachs, auftreten.
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Sofern die elektrische Maschine ein Bestandteil eines Kältemittelverdichters ist, sind mittels der Gehäusewand insbesondere zwei Bereiche mit unterschiedlichen statischen Drücken voneinander getrennt. Beispielsweise herrscht innerhalb des Elektronikfachs ein Atmosphärendruck, der vorzugsweise kleiner als der Druck auf der gegenüberliegenden Seite der Gehäusewand ist. Auf dieser Seite befindet sich insbesondere eine Niederdruckseite, wobei dieser Druck größer als der Druck innerhalb des Elektronikfachs ist. Auf der Niederdruckseite ist geeigneterweise der Stator positioniert. Aufgrund der schwimmenden Lagerung kann die Gehäusewand vergleichsweise schmal gefertigt werden, und die Gehäusewand kann sich aufgrund des Druckunterschiedes axial in das Elektronikfach auswölben. Aufgrund der schwimmenden Lagerung wird trotz der Verformung der Gehäusewand keine mechanische Spannung in die Leiterplatte eingeleitet. Folglich kann die Leiterplatte vergleichsweise nah an der Gehäusewand positioniert werden, weswegen eine Wärmeabfuhr auf die Gehäusewand und insbesondere auf die Niederdruckseite vergleichsweise effizient ausgestaltet werden kann. Vorzugsweise ist die Ebene senkrecht zu der Rotationsachse. Mit anderen Worten ist die Leiterplatte senkrecht zur Rotationsachse angeordnet, und die Gehäusewand befindet sich stirnseitig des Stators. Infolgedessen ist eine vergleichsweise große Entwärmung der Leiterplatte sowie weiterer Bestandteile des Elektronikfachs auf die Niederdruckseite über die Gehäusewand ermöglicht.
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Zweckmäßigerweise weist das Elektronikfach einen senkrecht zur Ebene verlaufenden Dom auf, der insbesondere an der Gehäusewand angebunden ist, insbesondere angeformt. Der Dom selbst ragt insbesondere durch eine Aussparung der Leiterplatte hindurch. Mittels des Doms und der Aussparung wird die Leiterplatte senkrecht zur Ebene geführt, insbesondere parallel zur Rotationsachse. Mit anderen Worten kann die Leiterplatte zumindest um einen bestimmten Betrag entlang des Doms verschoben werden. Vorzugsweise wird die schwimmende Lagerung mittels Anschlägen oder aufgrund der Länge des biegeschlaffen Kontaktelements begrenzt. Auch wird eine Ausdehnung der Leiterplatte in der Ebene lediglich in dem Bereich der Aussparung verhindert. Ansonsten wird eine Ausdehnung nicht behindert, und mechanische Spannungen können abgebaut werden.
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Insbesondere ist zwischen dem Dom und der Leiterplatte mittels der Aussparung eine Spielpassung erstellt. Folglich ist die Leiterplatte gegen eine Verschiebung innerhalb der Ebene gesichert, sodass eine Beschädigung von etwaigen Rändern der Leiterplatte aufgrund eines ungewollten Kontakts mit weiteren Begrenzungen des Elektronikfachs ausgeschlossen werden kann. Geeigneterweise befindet sich die Aussparung in einem inneren Bereich der Leiterplatte, und ist insbesondere im Schwerpunkt, oder weist zumindest einen vergleichsweise geringen Abstand zum Schwerpunkt auf, beispielsweise weniger als 10% der Ausdehnung der Leiterplatte. Infolgedessen ist eine etwaige Ausdehnung der Leiterplatte aufgrund eines Wärmeeintrags bezüglich der Aussparung im Wesentlichen gleichmäßig und etwaige Unwuchten sind vermieden.
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Vorzugsweise ist die Leiterplatte mittels eines Abstandselements von einer senkrecht zur Ebene verlaufenden Wand des Elektronikfachs beabstandet. Mit anderen Worten ist die Wand parallel zur Leiterplatte angeordnet, und die Leiterplatte ist mittels des Abstandselements zu der Wand beabstandet. Insbesondere ist der Abstand zwischen 0,1 mm und 2 mm. Die Wand ist insbesondere die Gehäusewand, durch die der erste Anschluss geführt ist. Infolgedessen wird eine mechanische Verformung der Wand nicht direkt auf die Leiterplatte übertragen, was die Robustheit der elektrischen Maschine erhöht. Zum Beispiel ist das Abstandselement an der Wand und der Leiterplatte angebunden. Geeigneterweise ist das Abstandselement entweder an der Leiterplatte oder an der Wand befestigt. Insbesondere ist das Abstandselement lediglich an der Wand befestigt, und die Leiterplatte liegt lediglich auf einem Freiende des Abstandselements auf. Mit anderen Worten ist die Leiterplatte nicht an dem Abstandselement befestigt, sondern lediglich auf dieses aufgesetzt. Geeigneterweise umfasst die elektrische Maschine eine Anzahl derartiger Abstandselemente, beispielsweise zwischen zwei und fünfzehn, zwischen vier und zehn und insbesondere sechs oder sieben. Das Abstandselement ist beispielsweise zylinderförmig ausgestaltet und geeigneterweise senkrecht zur Ebene ausgerichtet. Beispielsweise ist das Abstandselement aus einem elektrisch nicht leitenden Material gefertigt, beispielsweise aus Kunststoff. Insbesondere ist das Abstandselement aus einem Keramikwerkstoff gefertigt, weswegen eine vergleichsweise stabile elektrische Maschine bereitgestellt ist.
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Zusammenfassend sind zur Realisierung der schwimmenden Lagerung Abstandselemente (Axialstifte, Spacer) vorgesehen, die insbesondere in Axialrichtung verlaufen. Die Abstandselemente sind an vorbestimmten Positionen angeordnet und definieren einen Abstand von beispielsweise zwischen 0,1 mm bis 2 mm zwischen der Leiterplatte und der Gehäusewand, welcher stets aufrecht erhalten wird. Das Abstandselement ist insbesondere in Form eines vorzugsweise zylindrischen Stifts, welcher beispielsweise aus einem Keramikmaterial gefertigt ist. Insbesondere ist jeweils einer der Stifte im Zentrum einer Gruppe von beispielsweise vier Leistungshalbleiterschaltern, insbesondere DirectFETs, positioniert.
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Die Abstandselemente sind insbesondere zu einem zentralen Bereich der Leiterplatte beabstandet und vorzugsweise entlang einer Kreisbahn angeordnet, deren Mittelpunkt beispielsweise die Aussparung der Leiterplatte ist, sofern diese vorhanden ist. Beispielsweise weist das Elektronikfach einen Deckel auf, der insbesondere parallel zur Leiterplatte angeordnet ist. Insbesondere ist zwischen der Leiterplatte und dem Elektronikfachdeckel ein weiteres Element angeordnet, mittels dessen die Leiterplatte in Axialrichtung fixiert wird. Folglich werden mittels der Abstandselemente und des weiteren Elements axiale Kräfte gezielt, insbesondere punktuell und/oder lokal in die Leiterplatte eingeleitet, weswegen die Leiterplatte innerhalb des Elektronikfachs allein mittels Kräften senkrecht zur Leiterplatte zuverlässig gehalten wird, während Kräfte in der Ebene oder Kraftkomponenten innerhalb der Ebene, welche zu mechanischen Spannungen in der Leiterplatte führen könnten, vermieden oder zumindest erheblich reduziert sind.
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Der Kältemittelverdichter ist ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs und umfasst eine elektrische Maschine als Antrieb. Der Kältemittelverdichter ist somit ein elektromotorischer Kältemittelverdichter (eKMV). Die elektrische Maschine ist beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC). Vorzugsweise ist der Kältemittelverdichter, insbesondere die elektrische Maschine, mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs elektrisch kontaktiert/kontaktierbar und/oder mit einer elektrischen Spannung von wenigen Volt bis zu 1000V betrieben/betreibbar, insbesondere mit einer elektrischen Spannung von 12V, 24V, 48V, 288V, 450V, 650V oder 830V. Mittels des Kältemittelverdichters wird bei Betrieb ein Kältemittel komprimiert. Das Kältemittel ist beispielsweise ein chemisches Kältemittel, wie R134a oder R1234yf. Alternativ ist das Kältemittel CO2. Vorzugsweise ist der Kältemittelverdichter derart ausgelegt, dass mittels dessen das jeweilige Kältemittel komprimiert werden kann, wobei beispielsweise eine Druckerhöhung zwischen 5bar und 20bar erfolgt. Der Kältemittelverdichter ist insbesondere ein Bestandteil eines Kältekreislaufs, der beispielsweise der Klimatisierung eines Innenraums oder der Abkühlung eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs dient, wie einer Hochvoltbatterie. Beispielsweise ist der elektromotorische Kältemittelverdichter signaltechnisch mit einem BUS-System gekoppelt, insbesondere einem LIN- oder CAN-Bus.
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Die elektrische Maschine weist einen Stator mit einer elektrischen Spule auf, insbesondere eine Anzahl an elektrischen Spulen, die zu einer Anzahl an elektrischen Phasen zusammengefasst sind. Ferner umfasst die elektrische Maschine ein Elektronikfach und eine darin angeordnete Leiterplatte. Innerhalb des Elektronikfachs ist ortsfest ein erste Anschluss gehalten, der mit der elektrischen Spule elektrisch kontaktiert ist, und der mittels eines biegeschlaffen Kontaktelements elektrisch mit einem zweiten Anschluss der Leiterplatte kontaktiert ist. Der zweite Anschluss ist mit einer Brückenschaltung der Leiterplatte elektrisch kontaktiert. Insbesondere dient die Brückenschaltung der Bestromung der elektrischen Spule, bzw. der elektrischen Phase.
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Die Brückenschaltung weist vorzugsweise eine zu der Anzahl der elektrischen Spulen/Phasen korrespondierende Anzahl an Brückenzweigen auf. Insbesondere ist die Anzahl der Brückenzweige gleich der Anzahl der elektrischen Phasen und/oder ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der elektrischen Spulen. Jedem Brückenzweig ist beispielsweise eine Zwischenkreiskapazität zugeordnet. Jeder Brückenzweig weist insbesondere zwei in Reihe geschaltete Halbleiterschalter auf, insbesondere Leistungshalbleiterschalter. Die Leistungshalbleiterschalter sind vorgesehen und eingerichtet, einen elektrischen Strom mit einer Stromstärke von mindestens 1A, 2A, 5A oder 10A zu schalten. Die Leistungshalbleiterschalter sind vorzugsweise IGBTs oder Feldeffekttransistoren (FET), insbesondere DirectFETs. Insbesondere sind jeweils zwei Leistungshalbleiterschalter zueinander parallel geschaltet, sodass jeder Brückenzweig vier derartige Leistungshalbleiterschalter umfasst. Auf diese Weise ist ein mit dem jeweiligen Leistungshalbleiterschalter getragener elektrischer Strom verringert, was Herstellungskosten reduziert.
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Der Kältemittelverdichter ist geeigneterweise ein Bestandteil eines Kältemittelkreislauf mit einem (Klima-)Kondensator, sowie mit einem Verdampfer, und mit dem Kältemittelverdichter. Der Kondensator ist fluidtechnisch zwischen den Kältemittelverdichter und den Verdampfer geschaltet. Vorzugsweise umfasst der Kältemittelkreislauf einen weiteren Wärmetauscher, der zwischen den Verdampfer und den Kältemittelverdichter geschaltet ist, und der vorzugsweise thermisch mit einem weiteren Bauteil des Kraftfahrzeugs kontaktiert ist, wie einer Gebläseleitung einer Klimaanlage oder einem Energiespeicher, wie einem Hochvoltenergiespeicher. Der Kältemittelkreislauf ist insbesondere mit einem Kältemittel befüllt, beispielsweise einem chemischen Kältemittel, wie R134a, R1234yf, oder mit CO2.
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Mittels des Kältemittelverdichters wird bei Betrieb ein Druck des Kältemittels erhöht, welches im Anschluss zu dem Kondensator geleitet wird, der vorzugsweise in thermischem Kontakt mit einer Umgebung des Kraftfahrzeugs ist. Vorzugsweise erfolgt mittels des Kondensators eine Temperaturangleichung des Kältemittels an die Umgebungstemperatur oder zumindest eine Temperaturerniedrigung des Kältemittels. Mit dem nachgeschalteten Verdampfer wird das Kältemittel entspannt, weshalb die Temperatur des Kältemittels weiter verringert wird. In dem nachgeschalteten weiteren Wärmetauscher wird von dem mit dem weiteren Wärmetauscher thermisch kontaktierten Bauteil thermische Energie auf das Kältemittel übertragen, was zu einer Abkühlung des Bauteils und einer Erwärmung des Kältemittels führt. Das erwärmte Kältemittel wird zum Schließen des Kältemittelkreislaufs vorzugsweise erneut dem Kältemittelverdichter zugeführt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelverdichter,
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2 in einer Schnittdarstellung schematisch vereinfacht den Kältemittelverdichter,
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3 in einer Draufsicht eine Leiterplatte,
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4 die Leiterplatte in einer Unteransicht,
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5 perspektivisch ein biegeschlaffes Kontaktelement,
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6 in einem Elektronikfach angeordnete biegeschlaffe Kontaktelemente,
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7/8 die Montage der Leiterplatte mittels eines der biegeschlaffen Kontaktelemente,
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9 die Leiterplatte mit montierten biegeschlaffen Kontaktelementen gemäß 4, und
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10 perspektivisch eines der an einem zweiten Anschluss befestigten biegeschlaffen Kontaktelemente.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug 2 mit zwei Vorderrädern 4 und zwei Hinterrädern 6 dargestellt. Zumindest zwei der Räder 4, 6 sind mittels eines nicht näher gezeigten Hauptantriebs angetrieben, beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine, einem Elektromotor oder einer Kombination hieraus. Das Kraftfahrzeug 2 umfasst einen Kältemittelkreislauf 8, der ein Bestandteil einer Klimaanlage ist. Der Kältemittelkreislauf 8 ist mit einem Kältemittel 10 befüllt, beispielsweise CO2, R1234yf oder R134a. Mittels eines (elektromotorischen) Kältemittelverdichters (eKMV) 12 wird das Kältemittel 10 verdichtet und einem fluidtechnisch nachgeschalteten Kondensator 14 zugeführt, der mit Umgebungsluft beaufschlagt ist, was zu einer Temperaturabsenkung des Kältemittels 10 führt. Der Druck und somit die Temperatur des Kältemittel 10 wird mittels eines nachgeschalteten Verdampfers 16 erniedrigt, der einen nicht näher dargestellten weiteren Wärmtauscher umfasst, der mit einer Gebläseleitung der Klimaanlage thermisch gekoppelt ist. Die Gebläseleitung fördert in Abhängigkeit einer Benutzereinstellung gekühlte Luft in einen Innenraum des Kraftfahrzeugs 2.
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Der elektromotorische Kältemittelverdichter 12 ist mittels eines Bus-Systems 18, das ein CAN-Bus-System oder ein Lin-Bus-System ist, signaltechnisch mit einer Kraftfahrzeugsteuerung 20 gekoppelt, wie einem Bordcomputer. Mittels eines (elektrischen) Bordnetzes 22, welches die jeweilige elektrische Spannung, beispielsweise 48V, führt und mittels einer Batterie 24 gespeist ist, wird der elektromotorische Kältemittelverdichter 12 bestromt. Das Bordnetz 22 umfasst ferner eine Sicherungseinrichtung 26, mittels derer ein elektrischer Stromfluss zwischen der Batterie 24 und dem Kältemittelverdichter 12 unterbunden werden kann. Hierfür weist die Sicherungseinrichtung 26 beispielsweise einen Last- und/oder Schutzschalter auf. Die Sicherungseinrichtung 26 ist mittels des Bus-Systems 18 signaltechnisch mit der Kraftfahrzeugsteuerung 20 verbunden, sodass mittels der Kraftfahrzeugsteuerung 20 der Last- bzw. Schutzschalter betätigt und somit der elektrische Stromfluss unterbunden werden kann.
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2 zeigt den elektromotorischen Kältemittelverdichter 12 in einer Schnittdarstellung entlang einer Rotationsachse 28 eines Elektromotors 30 des Kältemittelverdichters 12. Der Elektromotor 30 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) und weist einen zylindrischen Rotor 32 auf, der umfangsseitig mittels eines hohlzylindrischen Stators 34 umgeben ist. Der Stator 34 weist eine Anzahl von elektrischen Spulen 35 auf, in dem gezeigten Beispiel zwölf elektrische Spulen 35. Der Rotor 32 umfasst eine Anzahl an Permanentmagneten und ist mittels einer Welle 36 drehbar um die Rotationsachse 28 gelagert. An der Welle 36 ist freiendseitig ein Verdichterkopf 38 drehfest angebunden, beispielsweise ein Scrollverdichter. Der Stator 34 wird mittels einer Elektronik 40 des Elektromotors 30 bestromt, die mit dem Bus-Systems 18 und dem Bordnetz 22 verbunden ist.
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Der Stator 34, der Rotor 32, der Verdichterkopf 38 und die Elektronik 40 sind in einem Gehäuse 42 aus einem Aluminiumdruckguss angeordnet, das eine im Wesentlichen hohlzylindrische Form aufweist und konzentrisch zur Rotationsachse 28 ist. Das Gehäuse 42 umfasst einen Zulauf 44 über den das Kältemittel 10 in das Gehäuse 42 eintritt und entlang des Rotors 32/ Stators 34 zu dem Verdichterkopf 38 gesaugt wird, mittels dessen eine Druckerhöhung erfolgt. Das mittels des Verdichterkopfs 38 komprimierte Kältemittel 10 wird mittels eines Ablaufs 46 aus dem Gehäuse 34 befördert.
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Das Gehäuse 42 umfasst eine Gehäusewand 48, mittels derer ein Elektronikfach 50 begrenzt und von dem von dem Kältemittel 10 durchströmten Teil des Gehäuses 42 abgetrennt ist. In dem von dem Kältemittel 10 durchströmten Teil des Gehäuses 42 ist der Stator 34 und innerhalb des Elektronikfachs 50 ist die Elektronik 40 angeordnet. Durch die Gehäusewand 48 sind sechs erste Anschlüsse 52 geführt, von denen lediglich einer dargestellt ist, und welche jeweils im Wesentlichen ein aus Kupfer gefertigter Stift ist, der parallel zur Rotationsrichtung 28 angeordnet ist. Mit anderen Worten befindet sich ein Ende jedes ersten Anschlusses 52 innerhalb des von dem Kältemittel 10 durchströmten Teils des Gehäuses 42. Dieses Ende des jeweiligen ersten Anschlusses 52 ist mit einer der elektrischen Spulen 35 des Stators 34 elektrisch kontaktiert. Das verbleibende Ende jedes ersten Anschlusses 52 ist innerhalb des Elektronikfachs 50 angeordnet. Die ersten Anschlüsse 52 sind an der Gehäusewand 48 befestigt, wobei der Bereich zwischen den ersten Anschlüssen 52 und der Gehäusewand 48 druckdicht ausgestaltet ist. Auch erfolgt hierbei eine elektrische Isolierung der ersten Anschlüssen 52 von der Gehäusewand 48. Aufgrund der Einbettung innerhalb der Gehäusewand 48 sind die ersten Anschlüsse 52 ortsfest gehalten.
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Auf der der Gehäusewand 48 in axialer Richtung, also parallel zur Rotationsachse 28, gegenüberliegenden Seite umfasst das Elektronikfach 50 einen aus einem Metall gefertigten Gehäusedeckel 54, der mittels Schrauben an weiteren Bestandteilen des Elektronikfachs 50 lösbar befestigt ist, und welcher eine Öffnung des Elektronikfachs 50 verschließt. Die Elektronik 40 weist eine Leiterplatte 56 und eine weitere Leiterplatte 58 auf, die in Axialrichtung übereinander angeordnet sind. Die Leiterplatte 56 ist in einer Ebene und parallel zur Gehäusewand 48 sowie parallel zum Gehäusedeckel 54 und parallel zur weiteren Leiterplatte 56 angeordnet. Die Leiterplatte 56 ist zwischen der weiteren Leiterplatte 58 und der Gehäusewand 48 positioniert. Zusammenfassend handelt es sich bei der Anordnung des Gehäusedeckels 54, der Leiterplatte 56, der weitere Leiterplatte 58 und der Gehäusewand 48 um einen Sandwichaufbau.
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Die Gehäusewand 48 weist einen Dom 60 auf, der parallel zur Rotationsachse 28 ist, und durch den die Rotationsachse 28 reicht. Der zylindrische Dom 60, der einstückig mit weiteren Bestandteilen der Gehäusewand 48 ist, ist unter Ausbildung einer Spielpassung innerhalb einer Aussparung 62 der Leiterplatte 56 angeordnet. Der Dom 60 ragt folglich durch die Leiterplatte 56, und der Dom 60 ist von der weiteren Leiterplatte 58 beabstandet. An der Gehäusewand 48 sind ferner Abstandselemente 64 angebunden, von denen eins in 2 exemplarisch gezeigt ist. Die Abstandselemente 64 sind zylindrische Stifte, die aus einem Keramikmaterial erstellt sind, und die parallel zur Rotationsachse 28 sowie auf einer Kreisbahn um den Dom 60 herum angeordnet sind. Die Leiterplatte 56 liegt auf den zugewandten Freienden 66 der Abstandselemente 64 auf, und ist nicht an diesen befestigt. Mittels der Abstandselemente 64 ist die Leiterplatte 56 von der Gehäusewand 48 beabstandet, wobei der Abstand ca. 1mm beträgt. Auf der den Abstandselemente 64 gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 56 sind in einer Variante der Erfindung nicht näherdargestellte weitere Halteelemente angeordnet, die die Leiterplatte 56 in diesem Bereich gegen das Freiende 66 drücken. Hierdurch werden Axialkräfte bei der Montage der Leiterplatte 56 im Elektronikfach 50 quasi lediglich punktuell direkt in die Gehäusewand 48 eingeleitet.
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Zusammenfassend wird die Leiterplatte 56 wird in radialer Richtung, also senkrecht zur Rotationsachse 28 lediglich mittels des Doms 60 gehalten, wobei eine Verschiebung der Leiterplatte 56 parallel zur Rotationsachse 58 um einen gewissen Betrag ermöglicht ist. Somit ist die Leiterplatte 56 schwimmend gelagert. Diese Lagerung der Leiterplatte 56 verhindert mechanische Spannungen infolge von zu erwartenden Verformungen der Gehäusewand 48, insbesondere Verformungen parallel zur Rotationsachse 28 (Axialrichtung) aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem Niederdruckbereich innerhalb des Bereichs des Gehäuse 42, in dem der Stator 34 angeordnet ist, einerseits und dem Atmosphärendruck innerhalb des Elektronikfachs 50 andererseits.
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Die Leiterplatte 56 ist perspektivisch in 3 in einer Draufsicht und in 4 in einer Unteransicht von Seiten der Gehäusewand 48 her gezeigt. Die Leiterplatte 56 weist eine Brückenschaltung 70 mit sechs zueinander parallel geschalteten Brückenzweigen 72 auf. Parallel zu den Brückenzweigen 72 ist jeweils eine Pufferkapazität 74 mit jeweils drei Elektrolytkondensatoren 76 geschaltet. Die beiden Elektroden jeder Pufferkapazität 74 sind gegen einen positiven Pol und einen negativen Pol geführt, die im Wesentlichen eine Gleichstromseite der Brückenschaltung 70 bilden. Die Gleichstromseite ist über das Bordnetz 22 mit der Batterie 24 elektrisch kontaktiert.
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Jeder der Brückenzweige 72 weist vier Halbleiterschalter 78 auf. Die Halbleiterschalter 78 sind DirectFETs, also Feldeffekttransistoren. Jeweils zwei der Halbleiterschalter 78 sind zueinander parallel geschaltet. Die beiden auf diese Weise gebildeten Paare sind miteinander elektrisch in Reihe geschaltet, wobei die beiden Anschlüsse dieses Paares elektrisch gegen den positiven Pol bzw. den negativen Pol geführt sind. Aufgrund der Parallelschaltung der beiden Halbleiterschalter 78 jedes Paares ist ein mittels der jeweiligen Halbleiterschalter 78 zu schaltender elektrischer Strom um im Wesentlichen die Hälfte reduziert.
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Die Leiterplatte 58 weist ferner sechs zweite Anschlüsse 80 auf, die sich auf der der Gehäusewand 48 abgewandten Seite der Leiterplatte 56 befinden. Jedem der Brückenzweige 72 ist einer der zweiten Anschlüsse 80 zugeordnet, wofür diese mittels einer nicht näher dargestellten Leiterbahn elektrisch kontaktiert sind. Die jeweilige Leiterbahn ist hierbei zwischen den beiden Paaren der Halbleiterschalter 78 mit dem jeweiligen Brückenzweig 72 elektrisch kontaktiert.
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Die zweiten Anschlüsse 80 sind aus einer Kupferplatte gefertigt und im Wesentlichen hantelförmig ausgestaltet sowie parallel zur Gehäusewand 48 angeordnet. An den Freienden befinden sich Zapfen, die parallel zur Rotationsachse 28 sind, und die von einem Träger der Leiterplatte 56 umschlossen sind. Zwischen den beiden hantelähnlichen Enden jedes zweiten Anschlusses 80 befindet sich eine Öse 82 des zweiten Anschlusses 80 mit einer zentralen Aussparung. Der Rand der Öse 82 überdeckt randseitig eine Öffnung 84 der Leiterplatte 56, die durch diese hindurch reicht.
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Im Montagezustand ist jeweils einer der ersten Anschlüsse 52 mit einem der zweiten Anschlüsse 82 mittels eines in 5 perspektivisch dargestellten biegeschlaffen Kontaktelements 86 elektrisch kontaktiert. Mit anderen Worten weist der Elektromotor 30 sechs dieser biegeschlaffen Kontaktelemente 86 auf. Jedes der biegeschlaffen Kontaktelemente 86 ist vorgesehen und geeignet, einen elektrischen Strom von mindestens 100 A maximal zu tragen. Jedes der biegeschlaffen Kontaktelemente 86 weist einen starren ersten Kontaktabschnitt 88 sowie einen starren zweiten Kontaktabschnitt 90 auf, die beide aus Kupfer erstellt sind. Dazwischen ist ein aus einem Kupfergeflecht gefertigter dritter Kontaktabschnitt 92 angeordnet und sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Kontaktabschnitt 88, 92 verschweißt. Der erste Kontaktabschnitt 88 weist eine Öse 94 in Form einer Aussparung auf, der zur Herstellung eines Presssitzes mit jeweils einem der ersten Anschlüsse 52 dient. Der zweite Kontaktabschnitt 90 weist eine Buchse 96 in Form eines hohlzylindrischen Vorsprungs auf und dient zur Aufnahme einer Schraube 98 bzw. eines Schraubbolzens (7, 8).
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6 zeigt einen Blick in das Elektronikfach 50 des elektromotorischen Kältemittelverdichters 12. Erkennbar sind die ersten Anschlüsse 52, die durch die Gehäusewand 48 geführt sind. Bei dem sechsphasigen Motor- oder Drehfeldwicklung sind insgesamt sechs derartige erste Anschlüsse 52 vorhanden. Zur Montage wird jeweils eines der biegeschlaffen Kontaktelement 86 mechanisch mit einem der ersten Anschlüsse 52 mechanisch verbunden, wofür das jeweilige sich innerhalb des Elektronikfachs 50 befindende Ende des ersten Anschlusses 52 unter Ausbildung eines Presssitzes in die Öse 94 des ersten Kontaktabschnitts 88 eingeführt und somit verpresst wird. Hierbei erfolgt auch eine elektrische Kontaktierung des ersten Anschlusses 52 mit dem jeweiligen biegeschlaffen Kontaktelement 86. In 6 sind lediglich drei dieser biegeschlaffen Kontaktelement 86 sichtbar, während an drei weiteren Positionen die Kontaktelemente 50 entnommen sind, sodass der Blick auf ersten Anschlüsse 52 frei ist, die über Gehäusedurchführungen in das Elektronikfach 50 geführt (durchgesteckt) und von einem Isolierabschnitt umgeben sind.
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In 7 ist die Montage der Leiterplatte 56 in dem Elektronikfach 50 dargestellt. Hierfür wird die Leiterplatte 56 mit deren Aussparung 62 auf den Dom 60 gesetzt und auf die Abstandselemente 64 aufgesetzt. Eine der innerhalb der Buchse 96 des zweiten Kontaktabschnitts 90 angeordneten Schrauben 98 wird durch eine der Öffnungen 84 der Leiterplatte sowie die Öse 82 eines der zweiten Anschlüsse 80 geführt. Der Schraubenkopf 100 der parallel zur Rotationsachse 28 angeordneten Schraube 98 liegt über ein erstes Wärmeleitpad 102 oder eine Wärmeleitpaste mittelbar an der Gehäusewand 48 an und wird mittels dieser abgestützt. Das erste Wärmeleitpad 102 dient der elektrischen Isolierung der aus einem Stahl gefertigten Schraube 98 von der aus Aluminium gefertigten Gehäusewand 48.
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Wie in 8 zu sehen, wird die Buchse 96 in die Öffnung 84 der Leiterplatte 56 eingeführt, bis diese freiendseitig an der Öse 82 des zweiten Anschlusses 80 anliegt. Umfangsseitig ist somit die Öse 96 unter Ausbildung einer Spielpassung von der Leiterplatte 56 umgeben. Das durch die Öse 82 erreichende Ende der Schraube 98 wird mit einer nicht dargestellten Mutter versehen und folglich der zweite Kontaktabschnitt 90 und der zweite Anschluss 80 miteinander verschraubt, also mechanisch aneinander angebunden. Hierbei erfolgt ebenfalls eine elektrische Kontaktierung. Über die Schraube 98 sowie das erste Wärmeleitpad 102 erfolgt bei Betrieb eine Entwärmung des zweiten Anschlusses 80 und folglich des zugeordneten Brückenzweiges 72 der Brückenschaltung 70 auf die Gehäusewand 48 und von dieser auf das Kältemittel 10.
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In 9 sind drei der an den zweiten Anschlüssen 80 montierten biegeschlaffen Kontaktelemente 86 in einer Ansicht von der Gehäusewand 48 gesehen dargestellt. Erkennbar ist, dass die Öse 96 einen größeren Abstand zur Rotationsachse 28 aufweist, die durch die Aussparung 62 der Leiterplatte 56 führt, als die Öse 94 des biegeschlaffen Kontaktelements 86. Folglich weist auch der erste Anschluss 52 einen geringeren Abstand zu der Rotationsachse 28 auf als der zweite Anschluss 80. Infolgedessen kann der zweite Anschluss 80 sowie die jeweiligen Brückenzweige 72 einen vergleichsweise großen Abstand zur Rotationsachse 28 einnehmen, weswegen eine Wärmeabfuhr von der Brückenschaltung 70 auf das Gehäuse 30 verbessert ist.
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Ferner sind die jeweils vier Halbleiterschalter 78 jedes Brückenzweiges 72 erkennbar, wobei vier dieser Vierergruppen mittels eines zweiten Wärmeleitpads 104 abgedeckt dargestellt sind. Die zweiten Wärmeleitpads 104 liegen im Montagezustand an der Gehäusewand 48 an, und über welches eine Entwärmung der Halbleiterschalter 78 erfolgt. Im Zentrum jeder dieser Vierergruppen befindet sich der Auflagepunkt der Leiterplatte 56 auf dem jeweiligen Abstandselement 64, welche auf einer Kreislinie um die Aussparung 72 der Leiterplatte 56 herum angeordnet sind. Die Fläche der zweiten Wärmeleitpads 104 ist größer als diejenige der Vierergruppe der Halbleiterschalter 78, sodass die zweiten Wärmeleitpads 104 randseitig auch Kupferbahnen oder Kupferflächen zur Stromführung übergreifen und an diesen anliegen. Dies ermöglicht eine gute Wärmeableitung (Entwärmung) von der Leiterplatte 56 auf die Gehäusewand 48.
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In 10 ist perspektivisch vonseiten des Gehäusedeckels 94 das biegeschlaffe Kontaktelement 86 gezeigt, das an dem zweiten Anschluss 80 befestigt ist. Weitere Bestandteile der Leiterplatte 56 sind weggelassen. Deutlich zu sehen ist, dass die Buchse 96 endseitig an der Öse 82 des zweiten Anschlusses 80 anliegt. Der zweite Anschluss 80 ist mittels nicht näher dargestellter Leiterbahnen mit dem Halbleiterschaltern 74 eines der Brückenzweige 72 elektrisch kontaktiert, die mittels des zweiten Wärmeleitpads 104 abgedeckt sind. Mittig zwischen den Halbleiterschaltern 78 ist das Freiende 66 eines der Abstandselemente 64 angeordnet. Aufgrund des flexiblen dritten Kontaktabschnitts 92 ist eine Bewegung des zweiten Anschlusses 80 bezüglich des ersten Anschlusses 52 ermöglicht, welcher starr mit dem ersten Kontaktabschnitt 88 des biegeschlaffen Kontaktelements 86 mechanisch verbunden ist.
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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 beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Vorderrad
- 6
- Hinterrad
- 8
- Kältemittelkreislauf
- 10
- Kältemittel
- 12
- Kältemittelverdichter
- 14
- Kondensator
- 16
- Verdampfer
- 18
- Bus-System
- 20
- Kraftfahrzeugsteuerung
- 22
- Bordnetz
- 24
- Batterie
- 26
- Sicherungseinrichtung
- 28
- Rotationsachse
- 30
- Elektromotor
- 32
- Rotor
- 34
- Stator
- 35
- elektrische Spule
- 36
- Welle
- 38
- Verdichterkopf
- 40
- Elektronik
- 42
- Gehäuse
- 44
- Zulauf
- 46
- Ablauf
- 48
- Gehäusewand
- 50
- Elektronikfach
- 52
- erster Anschluss
- 54
- Gehäusedeckel
- 56
- Leiterplatte
- 58
- weitere Leiterplatte
- 60
- Dom
- 62
- Aussparung der Leiterplatte
- 64
- Abstandselement
- 66
- Freiende
- 70
- Brückenschaltung
- 72
- Brückenzweig
- 74
- Pufferkapazität
- 76
- Kondensator
- 78
- Halbleiterschalter
- 80
- zweiter Anschluss
- 82
- Öse des zweiten Anschluss
- 84
- Öffnung der Leiterplatte
- 86
- biegeschlaffes Kontaktelement
- 88
- erster Kontaktabschnitt
- 90
- zweiter Kontaktabschnitt
- 92
- dritter Kontaktabschnitt
- 94
- Öse
- 96
- Buchse
- 98
- Schraube
- 100
- Schraubenkopf
- 102
- erstes Wärmeleitpad
- 104
- zweites Wärmeleitpad
