DE102019203125A1

DE102019203125A1 - Elektrische Kontaktanordnung, Stromrichter und Luftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019203125A1
Application number: DE102019203125.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kübel; Uwe Waltrich
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2020-09-10

Abstract

Die Erfindung gibt eine elektrische Kontaktanordnung mit einer Leiterplatte (2) aufweisend mindesten einen kreisförmigen Durchbruch an. Die Anordnung umfasst des Weiteren eine elektrisch leitfähige, ringförmige Klemmbrille (1), die in dem Durchbruch oder auf dem Durchbruch mit der Leiterplatte (2) fest verbunden angeordnet ist.Ein Stromrichter (7) mit einer derartigen Anordnung sowie ein Fahrzeug (8) mit einem Stromrichter (7) werden ebenfalls angegeben.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Kontaktanordnung mit einer Leiterplatte, die mindesten einen kreisförmigen Durchbruch aufweist. Die Erfindung betrifft auch einen Stromrichter mit einer derartigen Kontaktanordnung sowie ein Luftfahrzeug mit einem Stromrichter.
Hintergrund der Erfindung
Zur Ansteuerung von Halbleiterbauelementen, beispielweise bei Stromrichtern, werden Treiberschaltungen eingesetzt. Diese sind nach dem Stand der Technik auf Leiterplatten realisiert und über Löt- oder Federkontakte mit einem Leistungsmodul, das die Halbleiterbauelemente enthält, verbunden.
1 zeigt eine Seitenansicht einer gattungsgemäßen Anordnung. Ein auf einer Kühlplatte 6 (= Kühlkörper) sitzendes Leistungsmodul 5 ist über Kontaktstifte 3 mit einer eine Treiberschaltung aufweisenden Leiterplatte 2 elektrisch verbunden.
Bei schnellschaltenden Halbleiterbauelementen ist eine niederinduktive bzw. niederohmige Anbindung der Leiterplatte an die Halbleiterbauelemente vorteilhaft, um die erforderlichen Schaltgeschwindigkeiten erreichen zu können. D.h. die Treiberschaltung muss sehr nahe an das Leistungsmodul angebracht werden, was freies Volumen innerhalb eines Stromrichters erzeugt.
Üblicherweise werden die Signalanschlüsse über Federkontakt-Pins des Leistungsmoduls und korrespondierende Kontakt-Pads auf der Treiberplatine hergestellt. Dabei handelt es sich um einen Berührungskontakt, der über die Federkraft der Pins aufrechterhalten wird. Da üblicherweise drei Phasen über eine Treiberplatine angesteuert werden, sind Form- und Lagetoleranzen aller Kontaktpartner maßgeblich für den sicheren und zuverlässigen Betrieb eines Stromrichters notwendig. Beispielsweise stellen bei einem Gerät der Anmelderin einundzwanzig Pins die Signalanschlüsse sicher. Geht ein oder gehen sogar mehrere Kontakte verloren, kann das zum kompletten Ausfall eines Stromrichters führen, was zum Beispiel im Bereich der Luftfahrt zum Ausfall der Antriebseinheit führen könnte.
Eine alternative Variante der Signalanschlussverbindung sind Press- und Lötverbindungen. Diese sind ausfallsicherer hinsichtlich des Kontaktverlustes. Allerdings sind diese im dynamischen Umfeld (z.B. bei Luftfahrtanwendung) ebenfalls weniger geeignet, da diese Spannungen in Bauteilen aufbauen können, was wiederrum zu einem Versagen führen könnte.
Bei Fahrzeugen, insbesondere bei Luftfahrzeugen, werden zudem zusätzlich hohe Anforderungen an die Robustheit bezüglich thermischer Wechselbelastung sowie dynamischen Beschleunigungen gestellt.
Beide beschriebenen Verbindungstechniken können diese nicht ausreichend erfüllen.
Aus der Offenlegungsschrift EP 308598 A1 ist eine Klemmbrille für eine mechanische Halterung einer Lagerwelle bekannt. Die Klemmbrille weist einen von einem Bodenabschnitt ausgehenden Klemmrand und entgegengesetzt zur Einsteckrichtung radial nach innen gerichtete Federlappen auf, die dem Bodenabschnitt gegenüberliegen und vom Klemmrand aus radial nach innen verlaufen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, die elektrische Kontaktverbindungen des Stands der Technik, insbesondere für die Anwendung bei Stromrichtern in der Luftfahrt, verbessert.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Ein erster Aspekt der Erfindung besteht darin, in die Treiberplatine (= Leiterplatte) Bohrungen mit integrierten Klemmbrillen (auch als selbstsperrende Ringe bezeichenbar) an den Kontaktstellen zu den Kontaktstiften (= Pins) einer Leistungselektronik einzubringen. Dabei sind diese Ringe elektrisch an die Steuerelektronik angeschlossen bzw. mit dieser verlötet.
Die Vorteile liegen dabei in der sicheren elektrischen Verbindung, der einfachen Montage und dem hohen Toleranzausgleich während der Montage aber auch während des Betriebs. Zusätzlich ergibt sich damit eine kostengünstige Anschlussvariante.
Die Erfindung beansprucht eine elektrische Kontaktanordnung, aufweisend eine Leiterplatte mit mindesten einem kreisförmigen Durchbruch (ist ein gestanztes oder gebohrtes Loch), wobei eine elektrisch leitfähige, ringförmige Klemmbrille in dem Durchbruch oder auf dem Durchbruch mit der Leiterplatte fest verbunden angeordnet ist. Die feste Verbindung kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass die Klemmbrille in den Durchbruch gesteckt wird und/oder mit dem Durchbruch oder der Oberfläche der Leiterplatte verklebt oder verlötet ist.
In einer Weiterbildung kann die Klemmbrille aus Metall sein. Dadurch kann eine gute leitfähige Verbindung hergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Klemmbrille um eine zentrale Öffnung kreisförmig angeordnete, zueinander beabstandete Nasen aufweisen. Zwischen den Nasen können Nuten sich befinden.
In einer Weiterbildung kann eine auf der Leiterplatte angeordnete Steuerelektronikschaltung, mit der die Klemmbrille elektrisch verbunden ist, angeordnet sein. Die Steuerelektronikschaltung kann auch als Treiberschaltung bezeichnet werden.
In einer weiteren Ausgestaltung kann ein Leistungsmodul mit mindesten einem Kontaktstift, der vorzugsweise einstückig ist, ausgebildet sein, wobei der Kontaktstift in der Klemmbrille kraftschlüssig geklemmt ist. D.h. der Kontaktstift ist durch den Durchbruch in die Öffnung der Klemmbrille geschoben. Bevorzugt weist der Kontaktstift einen runden Querschnitt auf.
In einer Weiterbildung kann mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement in dem Leistungsmodul ausgebildet sein, wobei das Leistungshalbleiterbauelement mit dem Kontaktstift elektrisch verbunden ist.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein wichtiger Einsatz der Kontaktanordnung angegeben.
Di Erfindung beansprucht einen Stromrichter, insbesondere einen Umrichter, mit einer erfindungsgemäßen Kontaktanordnung.
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.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Kontaktanordnung in einem Fahrzeug, insbesondere einem Luftfahrzeug, eingesetzt.
Die Erfindung beansprucht ein Fahrzeug, insbesondere ein Luftfahrzeug, wie beispielsweise ein Flugzeug, mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Antrieb.
Unter Fahrzeug wird jede Art von Fortbewegungs- oder Transportmittel, sei es bemannt oder unbemannt, verstanden. Ein Luftfahrzeug ist ein fliegendes Fahrzeug.
In einer Weiterbildung weist das Fahrzeug einen durch den Stromrichter mit elektrischer Energie versorgten Elektromotor und einen durch den Elektromotor in Rotation versetzbaren Propeller auf.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine Seitenansicht einer gattungsgemäßen Anordnung mit einem Leistungsmodul,
2 eine Seitenansicht einer Anordnung mit einem Leistungsmodul und Klemmbrillen,
3 eine Seitenansicht einer weiteren Anordnung mit einem Leistungsmodul und Klemmbrillen,
4 eine Seitenansicht einer Klemmbrille,
5 eine Draufsicht auf eine Klemmbrille,
6 ein Blockschaltbild eines Stromrichters mit einer Kontaktanordnung und
7 ein Luftfahrzeug mit einer elektrischen Schuberzeugungseinheit.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
2 und 3 zeigen jeweils eine Seitenansicht einer elektrischen Kontaktanordnung mit einer Leiterplatte 2, auf der eine Steuerelektronikschaltung 4 angeordnet ist. In der Leiterplatte 2 befinden sich Durchbrüche, in denen Klemmbrillen 1 ausgebildet sind. Die Klemmbrillen 1 dienen zur kraftschlüssigen elektrischen Kontaktierung von Kontaktstiften 3 zweier Leistungsmodule 5. Die Leistungsmodule 5 besitzen Leistungshalbleiterbauelemente 5.1, beispielsweise in einer Vollbrückenschaltung, die von der Steuerelektronikschaltung 4 auf der Leiterplatte 2 angesteuert werden.
2 zeigt eine Ansicht, bei der die Kontaktstifte 3 keinen Kontakt mit der Leiterplatte 2 aufweisen. D.h. die Leistungsmodule 5 sind noch nicht mit der Leiterplatte 2 elektrisch verbunden.
3 zeigt dieselbe Anordnung aber mit den in den Klemmbrillen 1 eingeschobenen und geklemmten Kontaktstiften 3.
4 zeigt eine Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer Klemmbrille 1. Die Klemmbrille 1 ist kreisförmig ausgebildet und weist eine zentrale runde Öffnung 1.3 auf. Mehrere im Kreis angeordnete, in Richtung der Öffnung 1.3 zeigende, federnde Nasen 1.1, die von Nuten 1.3 getrennt werden, bilden den Mechanismus zum Klemmen des nicht dargestellten Kontaktstifts 3. Der Kontaktstift 3 ist im Querschnitt bevorzugt rund ausgebildet, um in der Öffnung 1.3 sicher geklemmt zu werden.
5 zeigt die Draufsicht (= Ansicht von oben) der beispielhaften Ausführungsform der Klemmbrille 1 nach 4. Die Klemmbrille 1 ist kreisförmig ausgebildet und weist eine zentrale Öffnung 1.3 auf. Mehrere im Kreis angeordnete, in Richtung der Öffnung 1.3 zeigende, federnde Nasen 1.1, die von Nuten 1.3 getrennt werden, bilden den Mechanismus zum Klemmen des nicht dargestellten Kontaktstifts 3. Die Öffnung 1.3 ist somit sternförmig ausgebildet. Die Klemmbrille 1 ist vorteilhaft einstückig und aus Metall gefertigt.
Je nach Ausbildung des Kontaktstifts 3 kann die Klemmbrille 1 auch eine andere Form aufweisen. Beispielsweise kann ein im Querschnitt quadratischer Kontaktstift 3 in eine quadratische Öffnung 1.3 eingeklemmt werden.
6 zeigt ein Blockschaltbild eines Stromrichters 7, insbesondere eines Umrichters, mit einer Kontaktanordnung 7.1 gemäß 1 bis 5.
7 zeigt ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Luftfahrzeug 8, insbesondere ein Flugzeug, mit einem Stromrichter 7 gemäß 6, der einen Elektromotor 8.1 mit elektrischer Energie versorgt. Der Elektromotor 8.1 treibt einen Propeller 8.2 an. Beide sind Teil einer elektrischen Schuberzeugungseinheit.
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: Klemmbrille
1.1: Nase
1.2: Nut
1.3: Öffnung
2: Leiterplatte
3: Kontaktstift
4: Steuerelektronikschaltung
5: Leistungsmodul
5.1: Leistungshalbleiterbauelement
6: Kühlplatte
7: Stromrichter
7.1: Elektrische Kontaktanordnung
8: Luftfahrzeug
8.1: Elektromotor
8.2: Propeller

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 308598 A1 [0009]

Claims

Elektrische Kontaktanordnung, aufweisend eine Leiterplatte (2) mit mindesten einem kreisförmigen Durchbruch, gekennzeichnet durch: - eine elektrisch leitfähige, ringförmige Klemmbrille (1), die in dem Durchbruch oder auf dem Durchbruch mit der Leiterplatte (2) fest verbunden angeordnet ist.
Elektrische Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmbrille (1) aus Metall gebildet ist.
Elektrische Kontaktanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmbrille (1) um eine zentrale Öffnung (1.3) kreisförmig ausgebildete, zueinander beabstandete, zur Öffnung (1.3) zeigende Nasen (1.1) aufweist.
Elektrische Kontaktanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch: - eine auf der Leiterplatte (2) angeordnete Steuerelektronikschaltung (4), mit der die Klemmbrille (1) elektrisch verbunden ist.
Elektrische Kontaktanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: - ein Leistungsmodul (5) mit mindesten einem Kontaktstift (3), wobei der Kontaktstift (3) in der Klemmbrille (1) kraftschlüssig geklemmt ist.
Elektrische Kontaktanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktstift (3) einstückig ausgebildet ist.
Elektrische Kontaktanordnung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch: - mindestens ein Leistungshalbleiterbauelement (5.1) in dem Leistungsmodul (5), wobei das Leistungshalbleiterbauelement (5.1) mit dem Kontaktstift (3) elektrisch verbunden ist.
Stromrichter (7) mit einer elektrischen Kontaktanordnung (7.1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Stromrichter (7) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (7) ein Umrichter ist.
Fahrzeug mit einem Stromrichter (7) nach Anspruch 8 oder 9 für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Antrieb.
Fahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Luftfahrzeug (8) ist.
Fahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftfahrzeug (8) ein Flugzeug ist.
Fahrzeug nach Anspruch 11 und 12, gekennzeichnet durch: - einen durch den Stromrichter (7) mit elektrischer Energie versorgten Elektromotor (8.1) und - einen durch den Elektromotor (8.1) in Rotation versetzbaren Propeller (8.2).