DE102018209247A1

DE102018209247A1 - Vorrichtung zur Stromübertragung, Stromrichter und Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102018209247A1
Application number: DE102018209247.8A
Authority: DE
Inventors: Stanley BUCHERT; Uwe Waltrich; Antonio Zangaro
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2019-12-12
Also published as: US20230132321A1; US11882650B2; WO2019238381A1

Abstract

Die Erfindung gibt eine Vorrichtung aufweisend:
- eine Schaltungsträgerplatte (3) und
- ein Stromleiterelement (2), das ausgebildet ist, einen elektrischen Strom von und/oder zu der Schaltungsträgerplatte (3) zu übertragen, gekennzeichnet durch:
- ein die Schaltungsträgerplatte (3) mit dem Stromleiterelement (2) verbindendes, elektrisch leitfähiges, elastisch verformbares, konturiertes, plattenartiges Verbindungselement (1), das ausgebildet ist, eine lokale dynamische Nachgiebigkeit zu schaffen, wodurch eine Kraftübertragung (F) von dem Stromleiterelement (2) auf die Schaltungsträgerplatte (3) reduzierbar ist, und
- eine Plattendicke des Verbindungselements (1) von mindestens 2 cm.
Ein Stromrichter (4) und ein Luftfahrzeug (6) mit einer derartigen Vorrichtung werden ebenfalls angegeben.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Schaltungsträgerplatte und einem Stromleiterelement, das einen elektrischen Strom von und/oder zu der Schaltungsträgerplatte übertragen kann. Die Erfindung betrifft auch einen Stromrichter, insbesondere eine Umrichter, sowie ein Luftfahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Insbesondere leistungselektronische Baugruppen werden häufig über massive Stromschienen miteinander kontaktiert. Durch thermische Ausdehnungen unter Temperatur und Vibration wirken große Kräfte auf die Verbindungsstellen der Stromschienen mit den Baugruppen. Diese Kräfte können zu einem Ausfall der Baugruppen führen.
Bekannt ist ein Einsatz von flexiblen Stromschienen (= Stromleiterelement) oder eine Überdimensionierung der Verbindungsstellen.
Als Umrichter, auch Inverter genannt, wird ein Stromrichter bezeichnet, der aus einer Wechselspannung oder Gleichspannung eine in der Frequenz und Amplitude veränderte Wechselspannung erzeugt. Häufig sind Umrichter als AC/DC-DC/AC-Umrichter oder DC/AC-Umrichter ausgebildet, wobei aus einer Eingangswechselspannung oder einer Eingangsgleichspannung über einen Gleichspannungszwischenkreis und getakteten Halbleitern eine Ausgangswechselspannung erzeugt wird.
Unter Luftfahrzeug wird jede Art von fliegendem Fortbewegungs- oder Transportmittel, sei es bemannt oder unbemannt, verstanden.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine weitere Lösung anzugeben, bei der die Ausfallsicherheit von elektrischen und/oder elektronischen Baugruppen bei thermischer Belastung verbessert wird.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Vorrichtung, dem Stromrichter und dem Luftfahrzeug der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird durch eine geeignete konstruktive Ausführung des die Schaltungsträgerplatte mit dem Stromleiterelement verbindenden Verbindungselements eine lokale elastische und dynamische Nachgiebigkeit geschaffen (= elastische Federwirkung). Dadurch werden die Kräfte durch eine thermische Ausdehnung sowie durch eine dynamische Auslenkung der Stromleiterelemente spannungsarm aufgenommen.
Die Erfindung bietet die Vorteile, die Anzahl der Teile zu reduzieren, Gewicht einzusparen, geringere Übergangswiderstände im Vergleich zu Feder-/Steckkontakten aufzuweisen sowie den Bauraum im Vergleich zu bekannten Schraubkontakten (z.B. Kabelschuhkontakten) zu verringern.
Die Erfindung beansprucht eine Vorrichtung mit einer Schaltungsträgerplatte und einer Stromleiterelement, das einen elektrischen Strom von und/oder zu der Schaltungsträgerplatte übertragen kann. Die Vorrichtung weist des Weiteren auf:

- ein die Schaltungsträgerplatte mit dem Stromleiterelement verbindendes, elektrisch leitfähiges, elastisch verformbares, konturiertes, plattenartiges Verbindungselement, das ausgebildet ist, eine lokale dynamische Nachgiebigkeit zu schaffen, wodurch eine Kraftübertragung von dem Stromleiterelement auf die Schaltungsträgerplatte reduzierbar ist, und
- eine Plattendicke des Verbindungselements von mindestens 2 cm.

In einer Weiterbildung kann die Vorrichtung aufweisen:

- eine mit dem Stromleiterelement in Kontakt stehende erste Verbindungsfläche des Verbindungselements und
- eine mit der Schaltungsträgerplatte in Kontakt stehende zweite Verbindungsfläche des Verbindungselements,
- wobei die erste Verbindungsfläche zur zweiten Verbindungsfläche senkrecht steht.

In einer weiteren Ausführungsform kann das Verbindungselement ausgebildet sein, den elektrischen Strom um 90 Grad umzulenken.
In einer Weiterbildung kann die Vorrichtung aufweisen:

- ein erstes Verbindungsmittel, das ausgebildet ist, das Verbindungselement mit dem Stromleiterelement elektrisch und mechanisch zu verbinden, und
- ein zweites Verbindungsmittel, das ausgebildet ist, das Verbindungselement mit der Schaltungsträgerplatte elektrisch und mechanisch zu verbinden.

In einer weiteren Ausgestaltung kann das Verbindungselement als Metallplatte ausgebildet sein, die einen zum Rand der Metallplatte hin verjüngenden und an diesem Rand offenen Schlitz aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Verbindungselement aus einem ringähnlich gebogenen, stabförmigen Metallkörper gebildet sein.
In einer weiteren Ausprägung kann das Verbindungselement als eine im Längsschnitt mäanderförmige Struktur ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausgestaltung kann das Verbindungselement aus einem Blech durch Biegen, Schneiden oder Fräsen gefertigt sein.
In einer weiteren Ausgestaltung kann das Verbindungselement durch Fräsen, 3D-Druck, Gießen oder Strangpressen gefertigt sein.
In einer Weiterbildung kann das erste und/oder das zweite Verbindungsmittel eine Verschraubung, eine Schweißung, eine Lötung, eine Klebung, eine Klemmung oder eine Pressung aufweisen.
Die Erfindung beansprucht auch einen Stromrichter mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei in einer Weiterbildung der Stromrichter ein Umrichter sein kann.
Außerdem beansprucht die Erfindung ein Luftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantrieb, wobei das Luftfahrzeug insbesondere ein Flugzeug sein kann.
In einer Weiterbildung kann das Luftfahrzeug aufweisen:

- einen durch den Umrichter mit elektrischer Energie versorgten Elektromotor und
- einen durch den Elektromotor in Rotation versetzbaren Propeller.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:

1: eine Schnittansicht der Vorrichtung mit einem stromoptimierten Verbindungselement,
2: eine Schnittansicht der Vorrichtung mit einem gewichtsoptimierten Verbindungselement,
3: eine Schnittansicht der Vorrichtung mit einem gewichtsoptimierten und mit einer maximalen zweidimensionalen Nachgiebigkeit ausgebildeten Verbindungselement,
4: ein Blockschaltbild eines Umrichters mit der Vorrichtung mit einem Verbindungselement und
5: ein Luftfahrzeug mit einem elektrischen Flugantrieb.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt eine Vorrichtung mit einer Schaltungsträgerplatte 3, beispielsweise einer Leiterplatte, auf der beispielsweise nicht dargestellte Leistungshalbleiter angeordnet sind, und mit einem Stromleiterelement 2, über den der für die Schaltungsträgerplatte 3 benötigte elektrische Strom zugeführt werden kann. Dazu dient das Verbindungselement 1, das den elektrischen Strom überträgt und das Stromleiterelement 2 mit der Schaltungsträgerplatte 3 elektrische verbindet.
Das Verbindungselement 1 ist mit seiner ersten Verbindungsfläche 1.1 mit Hilfe eines ersten Verbindungsmittels 2.1 mit dem Stromleiterelement 2 elektrisch leitend kontaktiert. Das Verbindungselement 1 ist außerdem mit seiner zweiten Verbindungsfläche 1.2 mit Hilfe eines zweiten Verbindungsmittels 3.2 mit der Schaltungsträgerplatte 3 elektrisch leitend kontaktiert. Das erste und das zweite Verbindungsmittel 2.1 und 3.2 können eine Verschraubung, eine Schweißung, eine Lötung, eine Klebung, eine Klemmung oder eine Pressung für eine sichere elektrische Kontaktierung und mechanischen Verbindung aufweisen.
Das Verbindungselement ist plattenartig ausgebildet, bevorzugt aus Kupfer, und weist eine geschlitzte innere Kontur 1.4 auf, die spannungsoptimiert ist, das heißt eine ausreichende Nachgiebigkeit (federnde Wirkung) aufweist, um eine Bewegung des Stromleiterelements 2 (Kraft F) von der Schaltungsträgerplatte 3 weitestgehend zu entkoppeln. Dadurch werden nur geringe Kräfte auf das zweite Verbindungsmittel 3.2 von einer Bewegung des Stromleiterelements übertragen. Thermische Ausdehnungen und mechanische Vibrationen des Stromleiterelements 2 können somit keinen Schaden anrichten.
Der Schlitz 1.3 mit der Kontur 1.4 zeigt im Längsschnitt des Verbindungselements 1 eine stiefelförmige Form, wobei der Stiefelschaft den zur Schaltungsträgerplatte 3 weisenden Rand des Verbindungselements 1 durchstößt. Um eine ausreichende Stromstärke aufnehmen zu können, ist die Dicke des Verbindungselements 1 senkreckt zur Zeichenebene mindestens 2 cm groß.
Das Verbindungselement kann aus einem Blech durch Schneiden oder Fräsen gefertigt werden. Alternativ Möglichkeiten seiner Herstellung sind 3D-Druck, Gießen oder Strangpressen.
2 zeigt eine Vorrichtung mit einer Schaltungsträgerplatte 3, beispielsweise einer Leiterplatte, auf der beispielsweise nicht dargestellte Leistungshalbleiter angeordnet sind, und mit einem Stromleiterelement 2, über den der für die Schaltungsträgerplatte 3 benötigte elektrische Strom zugeführt werden kann. Dazu dient das Verbindungselement 1, das den elektrischen Strom überträgt und das Stromleiterelement 2 mit der Schaltungsträgerplatte 3 elektrische verbindet.
Das Verbindungselement 1 ist mit seiner ersten Verbindungsfläche 1.1 mit Hilfe eines ersten Verbindungsmittels 2.1 mit dem Stromleiterelement 2 elektrisch leitend kontaktiert. Das Verbindungselement 1 ist außerdem mit seiner zweiten Verbindungsfläche 1.2 mit Hilfe eines zweiten Verbindungsmittels 3.2 mit der Schaltungsträgerplatte 3 elektrisch leitend kontaktiert. Das erste und das zweite Verbindungsmittel 2.1 und 3.2 können eine Verschraubung, eine Schweißung, eine Lötung, eine Klebung, eine Klemmung oder eine Pressung für eine sichere elektrische Kontaktierung und mechanischen Verbindung aufweisen.
Das Verbindungselement ist plattenartig ausgebildet, bevorzugt aus Kupfer, und weist eine in der Seitenansicht längliche und gebogene Kontur 1.4 auf, die spannungsoptimiert ist, das heißt eine ausreichende Nachgiebigkeit (federnde Wirkung) aufweist, um eine Bewegung des Stromleiterelements 2 (Kraft F) von der Schaltungsträgerplatte 3 weitestgehend zu entkoppeln. Dadurch werden nur geringe Kräfte auf das zweite Verbindungsmittel 3.2 von einer Bewegung des Stromleiterelements übertragen. Thermische Ausdehnungen und mechanische Vibrationen des Stromleiterelements 2 können somit keinen Schaden anrichten.
Die Kontur 1.4 und der Längsschnitt des Verbindungselements 1 zeigen eine ovale Form, die zwischen der ersten und der zweiten Verbindungsfläche 2.1 und 3.2 durchrennt ist und einen Spalt aufweist. Um eine ausreichende Stromstärke aufnehmen zu können, ist die Dicke des Verbindungselements 1 senkreckt zur Zeichenebene mindestens 2 cm stark.
Das Verbindungselement kann aus einem Blech durch Schneiden, Biegen oder Fräsen gefertigt werden. Alternativ Möglichkeiten seiner Herstellung sind 3D-Druck, Gießen oder Strangpressen.
3 zeigt eine Vorrichtung mit einer Schaltungsträgerplatte 3, beispielsweise einer Leiterplatte, auf der beispielsweise nicht dargestellte Leistungshalbleiter angeordnet sind, und mit einem Stromleiterelement 2, über den der für die Schaltungsträgerplatte 3 benötigte elektrische Strom zugeführt werden kann. Dazu dient das Verbindungselement 1, das den elektrischen Strom überträgt und das Stromleiterelement 2 mit der Schaltungsträgerplatte 3 elektrische verbindet.
Das Verbindungselement 1 ist mit seiner ersten Verbindungsfläche 1.1 mit Hilfe eines ersten Verbindungsmittels 2.1 mit dem Stromleiterelement 2 elektrisch leitend kontaktiert. Das Verbindungselement 1 ist außerdem mit seiner zweiten Verbindungsfläche 1.2 mit Hilfe eines zweiten Verbindungsmittels 3.2 mit der Schaltungsträgerplatte 3 elektrisch leitend kontaktiert. Das erste und das zweite Verbindungsmittel 2.1 und 3.2 können eine Verschraubung, eine Schweißung, eine Lötung, eine Klebung, eine Klemmung oder eine Pressung für eine sichere elektrische Kontaktierung und mechanischen Verbindung aufweisen.
Das Verbindungselement ist plattenartig ausgebildet, bevorzugt aus Kupfer, und weist eine in der Seitenansicht mäanderförmige Kontur 1.4 und Struktur auf, die spannungsoptimiert ist, das heißt eine ausreichende Nachgiebigkeit (federnde Wirkung) aufweist, um eine Bewegung des Stromleiterelements 2 (Kraft F) von der Schaltungsträgerplatte 3 weitestgehend zu entkoppeln. Dadurch werden nur geringe Kräfte auf das zweite Verbindungsmittel 3.2 von einer Bewegung des Stromleiterelements übertragen. Thermische Ausdehnungen und mechanische Vibrationen des Stromleiterelements 2 können somit keinen Schaden anrichten.
Die Kontur 1.4 und der Längsschnitt des Verbindungselements 1 zeigen eine eckig mäandrierte Form 1.5, die zwischen der ersten und der zweiten Verbindungsfläche 2.1 und 3.2 einen Spalt aufweist. Die gewählte Kontor 1.4 und eckige Mäandrierung 1.5 sorgen für einen sogenannten „Ziehharmonika-Effekt“. Um eine ausreichende Stromstärke aufnehmen zu können, ist die Dicke des Verbindungselements 1 senkreckt zur Zeichenebene mindestens 2 cm stark.
Das Verbindungselement kann aus einem Blech durch Schneiden, Biegen oder Fräsen gefertigt werden. Alternativ Möglichkeiten seiner Herstellung sind 3D-Druck, Gießen oder Strangpressen.
4 zeigt ein Blockschaltbild eines Umrichters 4 mit einer Vorrichtung mit einem Verbindungselement 1 nach 1 bis 3. Der Umrichter 4 weist eine Schaltungsträgerplatte 3 auf, die mit Hilfe des Verbindungselemente 1 mit dem Stromleiterelement 2 elektrisch verbunden ist. Der Umrichter 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Stromrichters.
5 zeigt ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Luftfahrzeug 6, beispielweise ein Flugzeug, mit einem Umrichter 4 gemäß 4, der einen Elektromotor 5 mit elektrischer Energie versorgt. Der Elektromotor 5 treibt einen Propeller 6.1 an.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Verbindungselement
1.1: erste Verbindungsfläche
1.2: zweite Verbindungsfläche
1.3: Schlitz
1.4: spannungsoptimierte Kontur
1.5: eckige Mäandrierung
2: Stromleiterelement
2.1: erstes Verbindungsmittel
3: Schaltungsträgerplatte
3.2: zweites Verbindungsmittel
4: Umrichter
5: Elektromotor
6: Luftfahrzeug
6.1: Propeller
F: Kraft

Claims

Vorrichtung aufweisend: - eine Schaltungsträgerplatte (3) und - ein Stromleiterelement (2), das ausgebildet ist, einen elektrischen Strom von und/oder zu der Schaltungsträgerplatte (3) zu übertragen, gekennzeichnet durch: - ein die Schaltungsträgerplatte (3) mit dem Stromleiterelement (2) verbindendes, elektrisch leitfähiges, elastisch verformbares, konturiertes, plattenartiges Verbindungselement (1), das ausgebildet ist, eine lokale dynamische Nachgiebigkeit zu schaffen, wodurch eine Kraftübertragung (F) von dem Stromleiterelement (2) auf die Schaltungsträgerplatte (3) reduzierbar ist, und - eine Plattendicke des Verbindungselements (1) von mindestens 2 cm.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: - eine mit dem Stromleiterelement (2) in Kontakt stehende erste Verbindungsfläche (1.1) des Verbindungselements (1) und - eine mit der Schaltungsträgerplatte (3) in Kontakt stehende zweite Verbindungsfläche (1.2) des Verbindungselements (1), - wobei die erste Verbindungsfläche (1.1) zur zweiten Verbindungsfläche (1.2) senkrecht steht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (1) ausgebildet ist, den elektrischen Strom um 90 Grad umzulenken.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: - ein erstes Verbindungsmittel (2.2), das ausgebildet ist, das Verbindungselement (1) mit dem Stromleiterelement (2) elektrisch und mechanisch zu verbinden, und - ein zweites Verbindungsmittel (3.2), das ausgebildet ist, das Verbindungselement (1) mit der Schaltungsträgerplatte (3) elektrisch und mechanisch zu verbinden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (1) als Metallplatte ausgebildet ist, die einen zum Rand der Metallplatte hin verjüngenden und an diesem Rand offenen Schlitz (1.3) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (1) aus einem ringähnlich gebogenen, stabförmigen Metallkörper gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (1) als eine im Längsschnitt mäanderförmige Struktur (1.5) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (1) aus einem Blech durch Biegen, Schneiden oder Fräsen gefertigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (1) durch Fräsen, 3D-Druck, Gießen oder Strangpressen gefertigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Verbindungsmittel (2.1, 3.2) eine Verschraubung, eine Schweißung, eine Lötung, eine Klebung, eine Klemmung oder eine Pressung aufweist.
Stromrichter mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Stromrichter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter ein Umrichter (4) ist.
Luftfahrzeug (6) mit einem Stromrichter (4) nach Anspruch 11 oder 12 für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantrieb.
Luftfahrzeug (6) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfahrzeug (6) ein Flugzeug ist.
Luftfahrzeug (6) nach Anspruch 13 und 14, gekennzeichnet durch: - einen durch den Umrichter (4) mit elektrischer Energie versorgten Elektromotor (5) und - einen durch den Elektromotor (5) in Rotation versetzbaren Propeller (6.1).