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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit auf eine besondere Weise im Wickelkopfbereich integrierten leistungselektronischen Komponenten (im Weiteren als Leistungselektronik bezeichnet) sowie deren Verbindung zu der elektrischen Maschine und zu den Hochvoltzuleitungen. Die Leistungselektronik dient der Regelung der Stromversorgung der elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine umfasst zumindest einen Rotor mit einer Drehachse und einen Stator. Der Stator weist an einer Stirnseite des Stators einen Wickelkopf auf, über den der Stator über zumindest drei Phasen und für jede Phase mit mindestens einer Zuleitung mit der Leistungselektronik elektrisch leitend verbunden ist. Die Leistungselektronik umfasst zumindest drei Halbbrückenmodule sowie ein erstes Verteilungselement zur Verbindung der Leistungselektronik mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle und ein zweites Verteilungselement zur Verbindung der Leistungselektronik mit einem zweiten Pol der Spannungsquelle.
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Die elektrische Maschine wird insbesondere als elektrische Antriebseinheit, z. B. für ein Kraftfahrzeug eingesetzt und wird bevorzugt durch ein Getriebe zur Übertragung eines Drehmomentes zum Antrieb des Kraftfahrzeuges ergänzt.
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Die elektrische Maschine und die Leistungselektronik sind miteinander elektrisch verbunden, üblicherweise mit drei Phasen(-leitungen). Die Leistungselektronik ist mit einer Energiequelle verbunden (Drehstromnetz oder Gleichspannungsquelle, z. B. Batterie, wie z. B. in einem Elektro- und Hybridkraftfahrzeug). Die Leistungselektronik umfasst regelmäßig Leistungsmodule mit entsprechend dem elektrischen Strom und der Spannung dimensionierten Halbleitern. Diese werden mit einer Ansteuerung in den elektrisch leitenden oder elektrisch nicht leitenden Zustand in bekannter Weise geschaltet. Damit wird ein Stromverlauf erzeugt, der z. B. in dem aktuellen Betriebspunkt eines Antriebs für ein Kraftfahrzeug für die elektrische Maschine erforderlich ist.
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Der Stator besteht regelmäßig aus mindestens einem Eisenkern, in dem zumindest eine Wicklung angeordnet ist. Bei der Bestromung der Wicklung wird innerhalb der elektrischen Maschine ein Magnetfeld (Statorfeld, Drehfeld) erzeugt. Das Statorfeld wechselwirkt mit dem Rotor und aufgrund einer magnetischen Rotorerregung oder einer besonderen Rotorstruktur entsteht eine Kraftwirkung auf den Rotor schließlich ein Drehmoment an der Rotorwelle. Der Aufbau der Wicklung am Stator erfolgt meist mit Spulen, die eine definierte Windungszahl haben und je nach Verhältnis der möglichen Spannung, des Stroms je Phase sowie der Anforderung an den Drehmomentverlauf in Abhängigkeit von der Drehzahl entsprechend verschaltet sind (seriell, parallel, kombiniert). Die Spulen werden üblicherweise aus Kupferdrähten, meistens aus isolierten Runddrähten, gewickelt. Die Kupferdrähte können dabei parallel zu einer Leitergruppe mit dem erforderlichen Querschnitt verschaltet werden.
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Die Spulen können vorgefertigt werden und anschließend in Statornuten durch Nutöffnungen eingeführt werden. Spulen können auch maschinell direkt im Stator hergestellt bzw. gewickelt werden. Im Stator angeordnete Spulen werden zu einer Phase zusammengeschaltet oder es erfolgt dort die Verschaltung der einzelnen Phasen miteinander, z. B. in Form einer Sternschaltung oder Dreiecksschaltung. Alternativ können einzelne offene Spulenwindungen bestehend aus einem massiven Leiter mit dem erforderlichen Querschnitt axial in die Nuten eingeführt werden und im Anschluss mit einem geeigneten Verfahren (Schweißen, Laserschweißen) zu einer sogenannten Hairpin-Wicklung verbunden werden.
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Unabhängig von der Art der Wicklung weist die Wicklung eine Kontaktierungsmöglichkeit zu den Leitungen der Leistungselektronik auf. Üblicherweise wird am Gehäuse der elektrischen Maschine eine dafür vorgesehene Verbindungsleiste angeordnet. Diese beinhaltet die passende Anzahl der Verschraubungsstellen, an die die Wicklungsanschlüsse und die Leitungen zur Leistungselektronik festgeschraubt werden. Die Verbindung der elektrischen Maschine mit der Leistungselektronik umfasst also üblicherweise die folgenden Komponenten: die Verbindungsleiste (z. B. an der elektrischen Maschine); eine Führung der jeweiligen Wicklungsanschlüsse der elektrischen Maschine zur Verbindungsleiste innerhalb der elektrischen Maschine, eine Verbindungsleiste an der Leistungselektronik; eine Kontaktierung der Halbleitermodule mit der Verbindungsleiste der Leistungselektronik innerhalb der Leistungselektronik; abgeschirmte Leitungen mit entsprechenden Verschraubungsenden zwischen der elektrischen Maschine und der Leistungselektronik.
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Diese Verbindungsart von elektrischer Maschine und Leistungselektronik begründet eine begrenzte Flexibilität einer Antriebseinheit, da so ein spezifischer (großer) Bauraum benötigt wird und eine vorbestimmte Reihenfolge bei der Montage des elektrischen Antriebsstranges eingehalten werden muss.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lindern oder gar zu lösen. Insbesondere soll eine elektrische Maschine mit integrierter Leistungselektronik vorgeschlagen werden, die kompakter ausgeführt ist und eine vereinfachte Montage der Komponenten ermöglicht.
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Hierzu trägt eine elektrische Maschine mit integrierter Leistungselektronik bei, zumindest umfassend einen Rotor mit einer Drehachse und einen Stator. Der Stator weist an einer Stirnseite des Stators einen Wickelkopf auf, über den der Stator über zumindest drei Phasen und für jede Phase mit mindestens einer Zuleitung mit der Leistungselektronik elektrisch leitend verbunden ist. Die Leistungselektronik umfasst zumindest drei Halbbrückenmodule sowie ein erstes Verteilungselement zur Verbindung der Leistungselektronik mit einem ersten Pol einer Spannungsquelle und ein zweites Verteilungselement zur Verbindung der Leistungselektronik mit einem zweiten Pol einer Spannungsquelle. Jede Zuleitung ist über ein Halbbrückenmodul mit dem ersten Verteilungselement und dem zweiten Verteilungselement verbunden. Durch die entsprechende Ansteuerung der Halbbrückenmodule im Betrieb wird jede Zuleitung über ein Halbbrückenmodul wahlweise mit dem ersten Verteilungselement oder dem zweiten Verteilungselement elektrisch verbunden, so dass ein dem Betriebspunkt entsprechender elektrischer Strom in den Zuleitungen fließen kann. Die Leistungselektronik ist an der Stirnseite des Stators angeordnet.
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Insbesondere erstreckt sich die Leistungselektronik ringförmig an der Stirnseite des Stators, bevorzugt vollumfänglich, insbesondere aber zumindest über einen Winkelbereich von 270 Winkelgrad.
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Insbesondere ist die Leistungselektronik an dem Stator angebunden, so dass eine getrennte Montage von Stator und Leistungselektronik nicht erforderlich ist. Somit können Stator und Leistungselektronik in einem von anderen Komponenten unabhängigen Montageprozess hergestellt werden. Bevorzugt ist die Leistungselektronik dabei so an dem Stator angeordnet, dass sich die Leistungselektronik in einer radialen Richtung nicht über den Stator (bevorzugt auch nicht über einen Rotor) hinaus nach außen erstreckt.
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Insbesondere erfolgt die Kühlung der Leistungselektronik über die Zuleitungen bzw. über eine Anbindung der Leistungselektronik an den Stator. Ggf. kann eine eigene Kühlung für die Leistungselektronik vorgesehen werden, z. B. durch ein Gehäuse, das sich in der radialen Richtung, z. B. außen, an die Leistungselektronik anschließt.
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Insbesondere ist kein Gehäuse erforderlich, an dem die Leistungselektronik sonst angebunden werden muss. Bevorzugt ist die Leistungselektronik über eine starre Anbindung an dem Stator angebunden und wird so an dem Stator bzw. an der elektrischen Maschine fixiert. Bevorzugt wird diese starre Anbindung (ausschließlich) über die Mehrzahl von Zuleitungen vom Wickelkopf gebildet, die insbesondere als starre Zuleitungen (also durch das Eigengewicht der Leistungselektronik nicht plastisch verformbar) ausgeführt sind (besonders geeignet ist eine Hairpinwicklung).
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Die Komponenten Stator, Rotor und Wickelkopf sind aus dem Aufbau von elektrischen Maschinen bekannte Bestandteile einer elektrischen Maschine. Hier wird nun vorgeschlagen, die Leistungselektronik in platzsparender Weise in unmittelbarer Nähe des Wickelkopfes anzuordnen.
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Insbesondere umfasst zumindest eines der Halbbrückenmodule eine elektrisch leitende Trägerplatte und auf der Trägerplatte zumindest einen ersten Halbleiterschalter sowie einen zweiten Halbleiterschalter, wobei eine Zuleitung die Trägerplatte an einer Verbindung kontaktiert und über die Trägerplatte und den ersten Halbleiterschalter mit dem ersten Verteilungselement sowie über die Trägerplatte und den zweiten Halbleiterschalter mit dem zweiten Verteilungselement verbunden ist.
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Bevorzugt sind die Halbleiterschalter zusätzlich jeweils mit einer Steuerleitung verbunden, durch die die Halbleiterschalter in den elektrisch leitenden oder nicht leitenden Zustand schaltbar sind. Die beiden Halbleiterschalter und die Trägerplatte bilden (insbesondere zusammen mit der Steuerleitung) ein Halbbrückenmodul.
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Über die elektrisch leitenden Trägerplatten wird der Stator bzw. werden die jeweiligen Spulen der Statorwicklung mit elektrischem Strom beaufschlagt. Der elektrische Strom wird über eine Spannungsquelle bereitgestellt, die über die Verteilungselemente an die Leistungselektronik angeschlossen ist. Über die Halbleiterschalter wird der zum Antrieb der elektrischen Maschine vorgesehene Strom an die Trägerplatte und über die Trägerplatte an die Zuleitungen weitergeleitet.
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Durch die entsprechende Ansteuerung der Halbbrückenmodule im Betrieb wird jede Zuleitung über ein Halbbrückenmodul wahlweise mit dem ersten Verteilungselement oder dem zweiten Verteilungselement elektrisch verbunden, so dass ein dem Betriebspunkt entsprechender elektrischer Strom in den Zuleitungen fließen kann.
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Insbesondere ist die Steuereinrichtung zur Schaltung und Bestromung der Steuerleitungen beabstandet von der Leistungselektronik angeordnet und ist damit von dem Begriff „Leistungselektronik“ nicht umfasst.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung erstrecken sich die Verteilungselemente ringförmig oder ringsegmentförmig entlang einer Umfangsrichtung. Das eine der Verteilungselemente kann beispielsweise in einer radialen Richtung außerhalb der Verbindung und das andere der Verteilungselemente in der radialen Richtung innerhalb der Verbindung angeordnet werden.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung erstrecken sich die Verteilungselemente ringförmig oder ringsegmentförmig entlang einer Umfangsrichtung und sind entlang einer axialen Richtung hintereinander angeordnet.
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Eine ringförmige Ausgestaltung umfasst, dass jede Spule einer Phase (Zuleitung), bei mehrphasigen Systemen, wo eine Spule auch eine Phase bilden kann, dann auch jede Phase bzw. jedes Halbbrückenmodul mit dem betreffenden, einteilig ausgeführten Verteilungselement unmittelbar (über erste Leitungen) verbunden ist. Das betreffende Verteilungselement erstreckt sich dabei ringförmig in einer Umfangsrichtung.
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Demgegenüber umfasst eine ringsegmentförmige Ausgestaltung, dass das betreffende Verteilungselement eine Mehrzahl von entlang der Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Segmente umfasst, wobei jedes Segment mit einer oder einer Mehrzahl von Spulen (bei mehrphasigen Systemen auch Phasen) (bzw. Zuleitungen) bzw. einem oder mehreren Halbbrückenmodulen (über erste Leitungen bzw. Kontaktierungen) verbunden ist.
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Insbesondere ist die zumindest eine Trägerplatte entlang der axialen Richtung zwischen dem ersten Verteilungselement und dem zweiten Verteilungselement angeordnet. Eine derartige Anordnung ist in der radialen Richtung sehr kompakt aufgebaut, da die Komponenten Trägerplatte und Verteilungselement entlang der axialen Richtung hintereinander angeordnet sind.
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Insbesondere erstreckt sich die eine Zuleitung ausgehend von dem Wickelkopf durch eine Aussparung, die in dem einen der Verteilungselemente vorgesehen ist, hindurch bis zur Verbindung.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist die Verbindung an der zumindest einen Trägerplatte in einer radialen Richtung innerhalb oder außerhalb von dem Verteilungselement, das zwischen der Trägerplatte und dem Wickelkopf positioniert ist, angeordnet, so dass sich die Zuleitung an diesem Verteilungselement vorbei zur Verbindung erstreckt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Trägerplatte eine Hülse zur Aufnahme der Zuleitung auf, wobei die Hülse mit der Zuleitung durch eine mechanische Verformung der Hülse verbunden ist.
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Insbesondere sind die Hülse und die Trägerplatten voneinander getrennt hergestellte Bauteile, die zueinander gefügt werden. Bevorzugt erstreckt sich die Hülse (entlang der axialen Richtung) durch die Trägerplatte hindurch und zumindest auf einer Seite oder auf beiden Seiten über die Trägerplatte hinaus.
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Die Zuleitung wird zur Verbindung mit der Trägerplatte insbesondere (entlang einer axialen Richtung) in die Hülse hinein geschoben und dort z. B. über eine mechanische Verformung der Hülse angebunden. Die Hülse kann insbesondere auch oder alternativ z. B. durch ein Lotverfahren oder ein Schweißverfahren mit der Zuleitung verbunden werden.
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Gemäß einer (anderen) bevorzugten Ausgestaltung ist die Verbindung durch eine Sinterverbindung von Trägerplatte und Zuleitung gebildet. Insbesondere werden also Trägerplatte und Zuleitung mit einem erhöhten Druck und einer erhöhten Temperatur beaufschlagt und somit die Sinterverbindung erzeugt.
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Insbesondere sind die Halbleiterschalter über jeweils zumindest eine verformbare erste elektrische Leitung (also eine erste Kontaktierung) mit dem jeweiligen Verteilungselement verbunden. Insbesondere sind für jeden Halbleiterschalter mehrere erste elektrische Leitungen vorgesehen. Bevorzugt ist die elektrische Leitung mit dem Halbleiterschalter und/oder mit dem Verteilungselement über eine Kaltverschweißung verbunden (sogenanntes „bonding“).
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Insbesondere ist zumindest ein Verteilungselement ringsegmentförmig ausgebildet und durch eine Mehrzahl von entlang der Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Segmenten gebildet, wobei zueinander benachbart angeordnete Segmente jeweils durch zumindest eine verformbare zweite elektrische Leitung (zweite Kontaktierung) verbunden sind. Insbesondere ist dabei jedes Segment über zumindest eine starre erste elektrische Leitung mit der Trägerplatte verbunden. Insbesondere wird so sichergestellt, dass die Segmente (durch die starre Verbindung von Trägerplatte und Zuleitung) starr zueinander angeordnet sind.
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Insbesondere ist für zumindest eine Phase eine Mehrzahl von Zuleitungen vorgesehen. Alternativ ist nur eine Zuleitung für jede Phase vorgesehen.
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Insbesondere sind die Trägerplatten entlang einer Umfangsrichtung (auf einem gemeinsamen Radius) nebeneinander angeordnet.
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Insbesondere sind die Zuleitungen starr ausgeführt und damit durch die Leistungselektronik nur elastisch verformbar. Damit ist eine Anbindung der Leistungselektronik an ein Gehäuse oder Ähnliches nicht erforderlich. Die geometrische Stabilität der Leistungselektronik wird damit bereits über die Zuleitungen und den Stator gewährleistet.
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Insbesondere sind die Zuleitungen der einzelnen Spulen nicht innerhalb des Wickelkopfes miteinander verschaltet, sondern können aus dem Wickelkopf herausgeführt werden.
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Insbesondere umfasst die elektrische Maschine eine Hairpinwicklung, bei der genau eine Windung mit der erforderlichen Zuleitung ausgeführt ist.
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Insbesondere sind nur zwei elektrische Hochvolt-Leitungen zur elektrischen Maschine erforderlich, erster Pol (Pluspol) und zweiter Pol (Minuspol).
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Bei der vorgeschlagenen elektrischen Maschine können gleiche Halbbrückenmodule für die ganze Maschine eingesetzt werden, so dass eine hohe Modularität gegeben ist.
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Wenn mehr als ein Halbrückenmodul pro Phase eingesetzt wird, ist eine geringere erforderliche Stromtragfähigkeit der einzelnen Kontaktstellen zu den Spulen der Wicklung zu berücksichtigen.
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Mit der vorgeschlagenen elektrischen Maschine sind auch multiphasige Konzepte (mit mehr als drei Phasen) problemlos realisierbar.
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Die einzelnen Segmente können sowohl zu Halbbrücken als auch zu Vollbrücken zusammengeschaltet werden.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“,...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Figuren gezeigten Merkmale schematisch sind und insbesondere nicht hinsichtlich ihrer Größenverhältnisse aussagekräftig sind. Die in einer Figur dargestellten Merkmale können einzeln oder in Kombination miteinander mit Inhalten anderer Figuren und/oder der vorstehenden Beschreibung kombiniert werden, soweit dies nicht zu einem technischen Widerspruch führt oder hier explizit ausgeschlossen ist. Es zeigen schematisch:
- 1: eine elektrische Maschine und eine Leistungselektronik in bekannter Bauweise in perspektivischer Ansicht,
- 2: ein elektrisches Schaltbild eines Antriebs mit drei Phasen;
- 3: einen Teil einer Leistungselektronik in einer perspektivischen Ansicht;
- 4: eine elektrische Maschine mit Wickelkopf in einer perspektivischen Ansicht;
- 5: die elektrische Maschine nach 4 mit einer Leistungselektronik gemäß einer ersten Ausführungsvariante;
- 6: einen Ausschnitt der Darstellung nach 5;
- 7: den Ausschnitt nach 6 mit einer perspektivischen Ansicht der Rückseite;
- 8: einen Teil der Leistungselektronik nach 3 bis 7 in einer perspektivischen Ansicht mit Bondverbindung als erste Kontaktierung, also als erste elektrische Leitung;
- 9: einen Teil einer Leistungselektronik mit einer anderen Ausgestaltung der ersten Leitung in einer perspektivischen Ansicht;
- 10: den Teil nach 9 mit einer perspektivischen Ansicht der Rückseite;
- 11: einen Teil einer Leistungselektronik mit einer anderen Ausgestaltung der Verbindung des Halbleitermoduls mit einer Spulenzuleitung in einer perspektivischen Ansicht der Rückseite;
- 12: den Teil nach 11 mit einer perspektivischen Ansicht der Vorderseite;
- 13: eine elektrische Maschine mit einer Leistungselektronik gemäß einer zweiten Ausführungsvariante in einer perspektivischen Ansicht;
- 14: einen Ausschnitt der Darstellung nach 13;
- 15: den Ausschnitt nach 14 mit einer perspektivischen Ansicht der Rückseite;
- 16: einen Wickelkopf der elektrischen Maschine nach 13 in einer perspektivischen Ansicht;
- 17: den Wickelkopf nach 16 mit einem zweiten Verteilungselement und zweitem Halbleiterschalter (Halbleiterschaltern) in einer perspektivischen Ansicht;
- 18: den Wickelkopf nach 16 bzw. 17, zusätzlich mit Trägerplatten und erstem Halbleiterschalter (Halbleiterschaltern), in einer perspektivischen Ansicht;
- 19: den Wickelkopf nach 16 bzw. 17 und 18, zusätzlich mit einem ersten Verteilungselement, in einer perspektivischen Ansicht;
- 20: einen Teil der Leistungselektronik nach 13 bis 19 in einer perspektivischen Ansicht;
- 21: ein erstes Ausführungsbeispiel der Leistungselektronik in einer perspektivischen Ansicht; mit einer Verbindung mittels einer Hülse;
- 22: ein zweites Ausführungsbeispiel der Leistungselektronik in einer perspektivischen Ansicht.
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1 zeigt eine elektrische Maschine 1 und eine Leistungselektronik 2 in bekannter Bauweise in perspektivischer Ansicht. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Rotor 3 mit einer Drehachse 4 und einen Stator 5. Die Verbindung der elektrischen Maschine 1 mit der Leistungselektronik 2 erfolgt über Zuleitungen 11, hier für jede Phase 8, 9, 10 eine Zuleitung. Die Leistungselektronik 2 ist beabstandet von der elektrischen Maschine 1 angeordnet. Die Leistungselektronik 2 ist über einen ersten Pol 14 und einen zweiten Pol 16 mit einer Spannungsquelle verbunden.
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Diese Verbindungsart von elektrischer Maschine 1 und Leistungselektronik 2 begründet eine begrenzte Flexibilität einer Antriebseinheit, da so ein spezifischer (großer) Bauraum benötigt wird und eine vorbestimmte Reihenfolge bei der Montage des elektrischen Antriebsstranges eingehalten werden muss.
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2 zeigt ein elektrisches Schaltbild für einen Antrieb mit drei Phasen 8, 9, 10. Die elektrischen Ströme der drei Phasen 8, 9, 10 werden im Wesentlichen durch die entsprechende Ansteuerung der drei Halbbrückenmodule 12 erzeugt. Jedes Halbbrückenmodul 12 ist mit dem ersten Pol 14 und dem zweiten Pol 16 der elektrischen Spannungsquelle verbunden. Jedes Halbbrückenmodul 12 verfügt über einen ersten Halbleiterschalter 18 und einen zweiten Halbleiterschalter 19, die über eine Steuerleitung (nicht gezeigt) elektrisch leitend oder elektrisch nicht leitend schaltbar sind. Das hier gezeigte elektrische Schaltbild bildet die Leistungselektronik 2 der elektrischen Maschine 1, wobei die einzelnen Halbbrückenmodule 12 über Zuleitungen 11 mit den Phasenanschlüssen des Stators 5 am Wickelkopf 7 verbunden sind.
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3 zeigt einen Teil einer Leistungselektronik 2 in einer perspektivischen Ansicht. Der dargestellte Teil der Leistungselektronik 2 umfasst ein Halbbrückenmodul 12 sowie ein erstes Verteilungselement 13 zur Verbindung der Leistungselektronik 2 mit einem ersten Pol 14 einer Spannungsquelle und ein zweites Verteilungselement 15 zur Verbindung der Leistungselektronik 2 mit einem zweiten Pol 16 einer Spannungsquelle. Die Zuleitung 11 ist über das Halbbrückenmodul 12 mit dem ersten Verteilungselement 13 und dem zweiten Verteilungselement 15 verbunden.
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Das Halbbrückenmodul 12 umfasst eine elektrisch leitende Trägerplatte 17 und auf der Trägerplatte 17 einen ersten Halbleiterschalter 18 sowie einen zweiten Halbleiterschalter 19. Die Zuleitung 11 (z. B. eine Spule z. B. der ersten Phase 8) kontaktiert die Trägerplatte 17 an einer Verbindung 20 und ist über die Trägerplatte 17 und den ersten Halbleiterschalter 18 mit dem ersten Verteilungselement 13 sowie über die Trägerplatte 17 und den zweiten Halbleiterschalter 19 mit dem zweiten Verteilungselement 15 verbunden.
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Jeder Halbleiterschalter 18, 19 ist zusätzlich jeweils mit einer Steuerleitung verbunden, durch die die Halbleiterschalter 18, 19 in den elektrisch leitenden oder nicht leitenden Zustand schaltbar sind. Die beiden Halbleiterschalter 18, 19 und die Trägerplatte 17 bilden (insbesondere zusammen mit der Steuerleitung) ein Halbbrückenmodul 12.
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Durch die entsprechende Ansteuerung der Halbbrückenmodule 12 im Betrieb wird jede Zuleitung 11 über ein Halbbrückenmodul 12 wahlweise mit dem ersten Verteilungselement 13 oder dem zweiten Verteilungselement 15 elektrisch verbunden, so dass ein dem Betriebspunkt entsprechender elektrischer Strom in den Zuleitungen 11 fließen kann.
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Über die elektrisch leitenden Trägerplatten 17 wird der Stator 5 mit elektrischem Strom beaufschlagt. Der elektrische Strom wird über eine Spannungsquelle bereitgestellt, die über die Verteilungselemente 13, 15 an die Leistungselektronik 2 angeschlossen ist. Über die Halbleiterschalter 18, 19 wird der zum Antrieb der elektrischen Maschine 1 vorgesehene Strom an die Trägerplatte 17 und über die Trägerplatte 17 an die Zuleitungen 11 weitergeleitet.
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Die Zuleitung 11 ist massiv und starr ausgeführt und damit durch das Eigengewicht der Leistungselektronik 2 nur elastisch verformbar. Damit ist eine Anbindung der Leistungselektronik 2 an ein Gehäuse oder Ähnliches nicht erforderlich. Die geometrische Stabilität der Leistungselektronik 2 wird damit bereits über die Zuleitungen 11 und den Stator 5 gewährleistet. Eine diesbezüglich besonders geeignete Wicklung ist die Hairpinwicklung.
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4 zeigt eine elektrische Maschine 1 mit Wickelkopf 7 in einer perspektivischen Ansicht. 5 zeigt die elektrische Maschine 1 nach 4 mit einer Leistungselektronik 2 gemäß einer ersten Ausführungsvariante. 6 zeigt einen Ausschnitt der Darstellung nach 5. 7 zeigt den Ausschnitt nach 6 mit einer perspektivischen Ansicht der Rückseite. Die 4 bis 7 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
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Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Rotor 3 mit einer Drehachse 4 und einen Stator 5. Der Stator ist von einem Kühlmantel 29 umgeben. Der Stator 5 weist an einer Stirnseite 6 des Stators 5 einen Wickelkopf 7 auf, über den der Stator 5 über zumindest drei Phasen 8, 9, 10 und für jede Phase 8, 9, 10 mit mindestens einer Zuleitung 11 mit der Leistungselektronik 2 elektrisch leitend verbunden ist. Die Leistungselektronik 2 umfasst eine Vielzahl von Halbbrückenmodulen 12 (hier beispielsweise achtzehn Halbbrückenmodule 12) sowie ein erstes Verteilungselement 13 zur Verbindung der Leistungselektronik 2 mit einem ersten Pol 14 einer Spannungsquelle und ein zweites Verteilungselement 15 zur Verbindung der Leistungselektronik 2 mit einem zweiten Pol 16 einer Spannungsquelle. Jede Zuleitung 11 ist über ein Halbbrückenmodul 12 mit dem ersten Verteilungselement 13 und dem zweiten Verteilungselement 15 verbunden. Die Leistungselektronik 2 ist an der Stirnseite 6 des Stators 5 angeordnet. Erkennbar erstreckt sich die Leistungselektronik 2 ringförmig an der Stirnseite 6 des Stators 5, hier vollumfänglich.
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Die Leistungselektronik 2 ist an dem Stator 5 angebunden, so dass eine getrennte Montage von Stator 5 und Leistungselektronik 2 nicht erforderlich ist. Somit können Stator 5 und Leistungselektronik 2 in einem von anderen Komponenten unabhängigen Montageprozess hergestellt werden. Hier ist die Leistungselektronik 2 so an dem Stator 5 angeordnet, dass sich die Leistungselektronik 2 in einer radialen Richtung 22 nicht über den Kühlmantel 29 des Stator 5 hinaus nach außen erstreckt.
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Die Kühlung der Leistungselektronik 2 erfolgt hier zumindest über die Zuleitungen 11 und den Stator 5 bzw. über den den Stator 5 umgebenden Kühlmantel 29. Eine zusätzliche Kühlung der Leistungselektronik 2 kann separat realisiert werden.
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Hier ist kein Gehäuse vorgesehen, an dem die Leistungselektronik 2 angebunden werden könnte. Die Leistungselektronik 2 ist über die starren Zuleitungen 11 an dem Wickelkopf 7 bzw. an dem Stator 5 angebunden und wird so an dem Stator 5 bzw. an der elektrischen Maschine 1 fixiert.
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Wie vorstehend beschrieben, umfasst jedes der Halbbrückenmodule 12 eine elektrisch leitende Trägerplatte 17 und auf der Trägerplatte 17 einen ersten Halbleiterschalter 18 sowie einen zweiten Halbleiterschalter 19, wobei eine Zuleitung 11 die Trägerplatte 17 an einer Verbindung 20 kontaktiert und über die Trägerplatte 17 und den ersten Halbleiterschalter 18 mit dem ersten Verteilungselement 13 sowie über die Trägerplatte 17 und den zweiten Halbleiterschalter 19 mit dem zweiten Verteilungselement 15 verbunden ist.
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Die Trägerplatten 17 sind entlang der Umfangsrichtung 21 (auf einem gemeinsamen Radius) nebeneinander angeordnet.
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Die Verteilungselemente 13, 15 erstrecken sich ringförmig entlang einer Umfangsrichtung 21, wobei das erste Verteilungselement 13 in einer radialen Richtung 22 außerhalb der Verbindungen 20 und das andere der Verteilungselemente 15 in der radialen Richtung 22 innerhalb der Verbindungen 20 angeordnet ist.
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Die Halbleiterschalter 18, 19 sind über mindestens eine (hier drei entsprechend dimensionierte) verformbare erste elektrische Leitungen 26 (erste Kontaktierungen) mit dem jeweiligen Verteilungselement 13, 15 verbunden. Hier sind die ersten elektrische Leitungen 26 mit dem Halbleiterschalter 18, 19 und mit dem Verteilungselement 13, 15 über Kaltverschweißungen verbunden (sogenanntes „bonding“).
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Für jede Phase 8, 9, 10 sind eine Mehrzahl von Zuleitungen 11 vorgesehen. Die Zuleitungen 11 sind starr ausgeführt und damit durch die Leistungselektronik 2 nur elastisch verformbar. Damit ist eine Anbindung der Leistungselektronik 2 an ein Gehäuse oder Ähnliches nicht erforderlich. Die geometrische Stabilität der Leistungselektronik 2 wird damit bereits über die Zuleitungen 11 und den Stator 5 gewährleistet.
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8 zeigt einen Teil der Leistungselektronik 2 nach 3 bis 7 in einer perspektivischen Ansicht. Dabei sind die Halbleiterschalter 18, 19 jeweils über drei erste elektrische Leitungen 26 mit den Verteilungselementen 13, 15 verbunden.
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9 zeigt einen Teil einer Leistungselektronik 2 mit einer anderen Ausgestaltung der ersten Leitung 26 in einer perspektivischen Ansicht. Hier werden die ersten elektrischen Leitungen 26 mit einer Verbindungslasche gebildet.
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10 zeigt den Teil der Leistungselektronik 2 nach 9 mit einer perspektivischen Ansicht der Rückseite. Die Verbindung 20 zwischen Trägerplatte 17 und Zuleitung 11 wird durch eine Sinterverbindung von Trägerplatte 17 und Zuleitung 11 gebildet. Dafür werden Trägerplatte 17 und Zuleitung 11 mit einem erhöhten Druck und einer erhöhten Temperatur beaufschlagt und somit die Sinterverbindung erzeugt.
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11 zeigt einen Teil einer Leistungselektronik 2 mit einer anderen Ausgestaltung der Verbindung 20 in einer perspektivischen Ansicht der Rückseite. 12 zeigt den Teil nach 11 mit einer perspektivischen Ansicht der Vorderseite. Die 11 und 12 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
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Hier weist die Trägerplatte 17 eine Hülse 25 zur Aufnahme der Zuleitung 11 auf, wobei die Hülse 25 mit der Zuleitung 11 durch eine mechanische Verformung der Hülse 25 verbunden ist.
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Insbesondere sind die Hülse 25 und die Trägerplatte 17 voneinander getrennt hergestellte Bauteile, die zueinander gefügt werden. Bevorzugt erstreckt sich die Hülse 25 (entlang der axialen Richtung 23) durch die Trägerplatte 17 hindurch und erkennbar auf beiden Seiten über die Trägerplatte 17 hinaus.
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Die Zuleitung 11 wird zur Verbindung mit der Trägerplatte 17 (entlang einer axialen Richtung 23) in die Hülse 25 hinein geschoben und dort z. B. über eine mechanische Verformung der Hülse 25 angebunden.
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13 zeigt eine elektrische Maschine 1 mit einer Leistungselektronik 2 gemäß einer zweiten Ausführungsvariante in einer perspektivischen Ansicht. 14 zeigt einen Ausschnitt der Darstellung nach 13. 15 zeigt den Ausschnitt nach 14 mit einer perspektivischen Ansicht der Rückseite. 16 zeigt einen Wickelkopf 7 der elektrischen Maschine 1 nach 13 in einer perspektivischen Ansicht. 17 zeigt den Wickelkopf 17 nach 16 mit einem zweiten Verteilungselement 15 und zweitem Halbleiterschalter 19 (Halbleiterschaltern) in einer perspektivischen Ansicht. 18 zeigt den Wickelkopf 7 nach 16 bzw. 17, zusätzlich mit Trägerplatten 17 und erstem Halbleiterschalter 18 (Halbleiterschaltern), in einer perspektivischen Ansicht. 19 zeigt den Wickelkopf 7 nach 16 bzw. 17 und 18, zusätzlich mit einem ersten Verteilungselement 13, in einer perspektivischen Ansicht. 20 zeigt einen Teil der Leistungselektronik 2 nach 13 bis 19 in einer perspektivischen Ansicht. Die 13 bis 20 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
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Auf die Ausführungen zu 4 bis 7 wird Bezug genommen. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Rotor 3 mit einer Drehachse 4 und einen Stator 5. Der Stator 5 weist an einer Stirnseite 6 des Stators 5 einen Wickelkopf 7 auf, über den der Stator 5 über zumindest drei Phasen 8, 9, 10 und für jede Phase 8, 9, 10 mit mindestens einer Zuleitung 11 mit der Leistungselektronik 2 elektrisch leitend verbunden ist. Die Leistungselektronik 2 umfasst eine Vielzahl von Halbbrückenmodulen 12 (hier beispielsweise achtzehn Halbbrückenmodule 12) sowie ein erstes Verteilungselement 13 zur Verbindung der Leistungselektronik 2 mit einem ersten Pol 14 einer Spannungsquelle und ein zweites Verteilungselement 15 zur Verbindung der Leistungselektronik 2 mit einem zweiten Pol 16 einer Spannungsquelle. Jede Zuleitung 11 ist über ein Halbbrückenmodul 12 mit dem ersten Verteilungselement 13 und dem zweiten Verteilungselement 15 verbunden. Die Leistungselektronik 2 ist an der Stirnseite 6 des Stators 5 angeordnet.
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Vorliegend erstrecken sich die Verteilungselemente 13, 15 ringsegmentförmig entlang einer Umfangsrichtung 21 und sind entlang einer axialen Richtung 23 hintereinander angeordnet.
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Die ringsegmentförmige Ausgestaltung umfasst, dass das betreffende Verteilungselement 13, 15 eine Mehrzahl von entlang der Umfangsrichtung 21 hintereinander angeordneten Segmente 27 umfasst, wobei jedes Segment 27 mit einer Zuleitung 11 verbunden ist. Zueinander benachbart angeordnete Segmente 27 sind jeweils durch zumindest eine verformbare zweite elektrische Leitung 28 (zweite Kontaktierungen) verbunden. Dabei ist jedes Segment 27 über eine starre erste elektrische Leitung 26 (hier wird die erste elektrische Leitung 26 über die direkte Anbindung von Verteilungselement 13, 15 mit den Halbleiterschaltern 18, 19 gebildet) mit der Trägerplatte 17 verbunden. So wird sichergestellt, dass die Segmente 27 (durch die starre Verbindung von Trägerplatte 17 und Zuleitung 11) starr zueinander angeordnet sind.
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Die Trägerplatten 17 sind entlang der axialen Richtung 23 zwischen dem ersten Verteilungselement 13 und dem zweiten Verteilungselement 15 angeordnet. Eine derartige Anordnung ist in der radialen Richtung 22 sehr kompakt aufgebaut, da die Komponenten Trägerplatte 17 und Verteilungselemente 13, 15 entlang der axialen Richtung 23 hintereinander angeordnet sind.
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In 15, 17 und 20 ist erkennbar, dass sich jede Zuleitung 11 ausgehend von dem Wickelkopf 7 durch eine Aussparung 24, die in dem zweiten Verteilungselement 15 vorgesehen ist, hindurch bis zur Verbindung 20 erstreckt.
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21 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Leistungselektronik 2 in einer perspektivischen Ansicht. Auf die Ausführungen zu 20 wird verwiesen. Im Unterschied zu 20 wird hier die Verbindung 20 von Trägerplatte 17 und Zuleitung 11 durch die Hülse 25 gebildet. In diesem Zusammenhang wird auf die Beschreibung zu 11 und 12 verwiesen.
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22 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Leistungselektronik 2 in einer perspektivischen Ansicht. Auf die Ausführungen zu 20 und 21 wird verwiesen. Wie in 21 wird hier die Verbindung 20 von Trägerplatte 17 und Zuleitung 11 durch die Hülse 25 gebildet. In diesem Zusammenhang wird auf die Beschreibung zu 11 und 12 verwiesen.
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Hier ist die Verbindung 20 von Zuleitung 11 und Trägerplatte 17 an der zumindest einen Trägerplatte 17 in einer radialen Richtung 22 innerhalb von den Verteilungselementen 13, 15 angeordnet, so dass sich die Zuleitung 11 an dem zweiten Verteilungselement 15 vorbei zur Verbindung 20 erstreckt. Zusätzliche, in der radialen Richtung 22 herausragende Anschlussplatten für die Zuleitungen 11 können an den Trägerplatten 17 angebracht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Maschine
- 2
- Leistungselektronik
- 3
- Rotor
- 4
- Drehachse
- 5
- Stator
- 6
- Stirnseite
- 7
- Wickelkopf
- 8
- erste Phase
- 9
- zweite Phase
- 10
- dritte Phase
- 11
- Zuleitung
- 12
- Halbbrückenmodul
- 13
- erstes Verteilungselement
- 14
- erster Pol
- 15
- zweites Verteilungselement
- 16
- zweiter Pol
- 17
- Trägerplatte
- 18
- erster Halbleiterschalter
- 19
- zweiter Halbleiterschalter
- 20
- Verbindung
- 21
- Umfangsrichtung
- 22
- radiale Richtung
- 23
- axiale Richtung
- 24
- Aussparung
- 25
- Hülse
- 26
- erste elektrische Leitung
- 27
- Segment
- 28
- zweite elektrische Leitung
- 29
- Kühlmantel
