DE102019212084B4 - Converter for an electrical machine - Google Patents
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Abstract
Stromrichter (100, 101) für eine elektrische Maschine, der folgendes aufweist:
ein Gehäuse mit einem Gehäuserahmen (10) und einem Gehäusedeckel (11);
eine Phasenstromschiene (1) zur Kontaktierung einer Phasenwicklung der elektrischen Maschine;
ein Magnetflussführungselement (2) aus einem ferromagnetischen Material mit einem Rücken und zwei Schenkeln, wobei die Phasenstromschiene (1) zwischen den zwei Schenkeln des Magnetflussführungselements (2) angeordnet ist;
ein Hall-Element (4), welches zwischen den zwei Schenkeln des Magnetflussführungselements (2) angeordnet ist, zur Erfassung eines Magnetfelds, welches durch einen elektrischen Strom verursacht ist, der durch die Phasenstromschiene (1) fließt;
einen Schaltungsträger (3), auf dem das Hall-Element (4) befestigt ist; dadurch gekennzeichnet, dass
das Magnetflussführungselement (2) zumindest teilweise in den Gehäuserahmen (10) oder Gehäusedeckel (11) integriert ist, wobei das Hall-Element (4) zwischen dem Rücken des Magnetflussführungselements (2) und dem Schaltungsträger (3) angeordnet ist.
Converter (100, 101) for an electrical machine, which has the following:
a housing with a housing frame (10) and a housing cover (11);
a phase busbar (1) for contacting a phase winding of the electrical machine;
a magnetic flux guide element (2) made of a ferromagnetic material with a back and two legs, the phase busbar (1) being arranged between the two legs of the magnetic flux guide element (2);
a Hall element (4), which is arranged between the two legs of the magnetic flux guide element (2), for detecting a magnetic field which is caused by an electric current which flows through the phase busbar (1);
a circuit carrier (3) on which the Hall element (4) is attached; characterized in that
the magnetic flux guide element (2) is at least partially integrated into the housing frame (10) or housing cover (11), the Hall element (4) being arranged between the back of the magnetic flux guide element (2) and the circuit carrier (3).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromrichter für eine elektrische Maschine.The present invention relates to a power converter for an electrical machine.
Stand der TechnikState of the art
Elektrische Maschinen wie Generatoren oder Elektromotoren weisen in der Regel einen oder mehrere Stromrichter zur Wandlung von Gleichstrom in Wechselstrom oder umgekehrt auf. Zur Steuerung der elektrischen Maschine kann eine Strommessung eines oder mehrerer Phasenströme vorgesehen sein, beispielsweise an einer Phasenstromschiene, mittels welcher eine Phasenwicklung des Stators mit dem Stromrichter verbunden wird.Electrical machines such as generators or electric motors usually have one or more power converters for converting direct current into alternating current or vice versa. To control the electrical machine, a current measurement of one or more phase currents can be provided, for example on a phase busbar, by means of which a phase winding of the stator is connected to the converter.
Zur Strommessung kann ein Stromsensor verwendet werden. Man kann einen geeigneten Stromsensor mit einem Magnetflussführungselement aus einem ferromagnetischen Material und einem Hall-Element bereitstellen. Das Magnetflussführungselement hat die Aufgabe, das Magnetfeld, welches durch den Phasenstrom innerhalb der Phasenstromschiene erzeugt wird, zu verstärken und zu dem Hall-Element zu führen und gleichzeitig dieses vor magnetischen Störungen abzuschirmen. Die Position des Magnetflussführungselements zum Hall-Element ist entscheidend für die Genauigkeit der Messung. Das Magnetflussführungselement kann beispielsweise aus einer Nickel-EisenLegierung bestehen.A current sensor can be used to measure the current. A suitable current sensor with a magnetic flux guide element made of a ferromagnetic material and a Hall element can be provided. The magnetic flux guide element has the task of amplifying the magnetic field that is generated by the phase current within the phase busbar and guiding it to the Hall element and at the same time shielding it from magnetic interference. The position of the magnetic flux guide element in relation to the Hall element is decisive for the accuracy of the measurement. The magnetic flux guide element can consist of a nickel-iron alloy, for example.
Aus der
Es kann ein Bedarf bestehen, die Genauigkeit der Strommessung mit einfachen Mitteln kostengünstig zu verbessern. Weiterhin kann ein Bedarf bestehen, ein universell einsetzbares, kostengünstiges Magnetflussführungselement bereitzustellen.There may be a need to improve the accuracy of the current measurement inexpensively by simple means. Furthermore, there may be a need to provide a universally usable, inexpensive magnetic flux guide element.
Aus der Patentschrift
Aus der Offenlegungsschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Stromrichter für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Der Stromrichter weist auf:
- -- ein Gehäuse mit einem Gehäuserahmen und einem Gehäusedeckel;
- -- eine Phasenstromschiene zur Kontaktierung einer Phasenwicklung der elektrischen Maschine;
- -- ein Magnetflussführungselement aus einem ferromagnetischen Material mit einem Rücken und zwei Schenkeln, wobei die Phasenstromschiene zwischen den zwei Schenkeln des Magnetflussführungselements angeordnet ist;
- -- ein Hall-Element, welches zwischen den zwei Schenkeln des Magnetflussführungselements angeordnet ist, zur Erfassung eines Magnetfelds, welches durch einen elektrischen Strom verursacht ist bzw. wird, der durch die Phasenstromschiene fließt;
- -- einen Schaltungsträger, auf dem das Hall-Element befestigt ist.
- - A housing with a housing frame and a housing cover;
- - A phase busbar for contacting a phase winding of the electrical machine;
- a magnetic flux guide element made of a ferromagnetic material with a back and two legs, the phase busbar being arranged between the two legs of the magnetic flux guide element;
- a Hall element, which is arranged between the two legs of the magnetic flux guide element, for detecting a magnetic field which is caused by an electric current which flows through the phase busbar;
- - A circuit carrier on which the Hall element is attached.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird das Magnetflussführungselement in das Gehäuse, also entweder in den Gehäuserahmen oder in den Gehäusedeckel, integriert.According to one aspect of the invention, the magnetic flux guide element is integrated into the housing, that is to say either into the housing frame or into the housing cover.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Hall-Element von einem dieses tragenden Schaltungsträger erhöht zwischen Schenkeln des Magnetflussführungselements angeordnet, so dass eine Sensorebene des Hall-Elements einen Abstand von 0 mm bis 5 mm, vorzugsweise mindestens 1 mm, weiter vorzugsweise mindestens 2 mm, vorzugsweise höchstens 4 mm, weiter vorzugsweise höchstens 3 mm, von einer mit den freien Schenkelenden des Magnetflussführungselements bündigen Ebene (im Folgenden Schenkelendenebene) hat, insbesondere in Richtung des Rückens. Somit kann der Abstand z.B. von der Schenkelendenebene in Richtung des Rückens des Magnetflusselements gemessen werden. Diese Lösung eignet sich besonders für Stromrichter mit keramischen Schaltungsträgern (z.B. „Direct Bonded Copper“-Schaltungsträger (DBC), „Low Temperature Cofired Ceramics“-Schaltungsträger (LTCC)), da dort im Unterschied organischen Schaltungsträgern bzw. Schaltungsträgern aus Kunststoff (z.B. Leiterplatten („Printed Circuit Board“ (PCB), gedruckte Schaltung)) Durchführungsöffnungen für das Magnetflussführungselement nur sehr aufwendig vorgesehen werden können.According to a further aspect of the invention, the Hall element is arranged raised by a circuit carrier carrying it between legs of the magnetic flux guide element, so that a sensor plane of the Hall element is at a distance of 0 mm to 5 mm, preferably at least 1 mm, more preferably at least 2 mm , preferably at most 4 mm, more preferably at most 3 mm, from a plane flush with the free limb ends of the magnetic flux guide element (hereinafter limb end plane), in particular in the direction of the back. Thus, the distance can be measured e.g. from the leg end plane in the direction of the back of the magnetic flux element. This solution is particularly suitable for power converters with ceramic circuit carriers (e.g. "Direct Bonded Copper" circuit carriers (DBC), "Low Temperature Cofired Ceramics" circuit carriers (LTCC)), since there are organic circuit carriers or circuit carriers made of plastic (e.g. printed circuit boards ("Printed Circuit Board" (PCB))) Feedthrough openings for the magnetic flux guide element can only be provided with great effort.
Die Erfindung schafft vorteilhafte Möglichkeiten, die Relativposition von Magnetflussführungselement bzw. dessen freien Schenkelenden und Hall-Element - insbesondere auch bei keramischen Schaltungsträgern - sehr genau festzulegen, um auf diese Weise eine möglichst optimale Messung zu ermöglichen. Grundsätzlich ist die Erfindung natürlich auch für organische Schaltungsträger, wie Leiterplatten, geeignet, wobei dort jedoch auch ohne größeren Aufwand Löcher für das Magnetflussführungselement gebohrt werden können.The invention creates advantageous possibilities of defining the relative position of the magnetic flux guide element or its free leg ends and Hall element - especially also in the case of ceramic circuit carriers - very precisely, in order to enable the best possible measurement in this way. In principle, the invention is of course also suitable for organic circuit carriers such as printed circuit boards, although holes for the magnetic flux guide element can also be drilled there without great effort.
Der Sensor befindet sich insbesondere zentral zwischen den Schenkeln des Magnetflussführungselements, was die Messgenauigkeit verbessert. Abweichungen von bis zu 4 mm von der zentralen Anordnung sind möglich, aber in der Regel unerwünscht.In particular, the sensor is located centrally between the legs of the magnetic flux guide element, which improves the measurement accuracy. Deviations of up to 4 mm from the central arrangement are possible, but generally undesirable.
Das Magnetflussführungselement kann dabei besonders einfach ausgestaltet sein: es kann z.B. lediglich aus dem Rücken und den beiden vom Rücken im Wesentlichen senkrecht abragenden Schenkeln ausgebildet sein. Die Schenkel können jeweils an ihrer vom Rücken abgewandten Seite ein freies Ende aufweisen. Es kann somit die Form eines „U“ bzw. eines umgedrehten „U“ annehmen. Besonders vorteilhaft sind die beiden Schenkel als einfache, gerade Stücke ausgebildet. Der Rücken kann z.B. als ebenes, gerades Stück ausgebildet sein. Im Querschnitt kann das Magnetflusselement somit ausgestaltet sein, wie drei Seiten eines Rechtecks. Das Magnetführungselement kann einstückig hergestellt sein (z.B. als Spritzgussteil oder als Gussteil oder als ein Element, bei welchem der zwischen den Schenkeln verbleibende freie Raum herausgeschnitten wurde). Es ist jedoch auch denkbar, dass das Magnetführungselement aus den Einzelteilen Rücken und zwei Schenkeln zusammengesetzt wird, z.B. durch Löten oder Schweißen.The magnetic flux guiding element can be designed in a particularly simple manner: it can, for example, only consist of the back and the two legs protruding substantially perpendicularly from the back. The legs can each have a free end on their side facing away from the back. It can therefore take the form of a "U" or an upside-down "U". The two legs are particularly advantageously designed as simple, straight pieces. The back can be designed as a flat, straight piece, for example. In cross section, the magnetic flux element can thus be designed like three sides of a rectangle. The magnet guide element can be produced in one piece (e.g. as an injection molded part or as a cast part or as an element in which the free space remaining between the legs has been cut out). However, it is also conceivable that the magnetic guide element is assembled from the individual parts of the back and two legs, e.g. by soldering or welding.
Auf diese Weise ist das Magnetführungselement besonders einfach herstellbar. Es entfällt die Notwendigkeit, an den freien Enden der beiden Schenkel Enden anzuordnen bzw. auszubilden, die jeweils dem anderen Schenkel entgegengestreckt sind. Dadurch kann z.B. das Einbringen eines eng definierten Schlitzes in einen zunächst herzustellenden geschlossenen Ring entfallen. Falls die Schenkel mit einander entgegenragenden Enden an den Rücken montiert würden (somit also kein zunächst geschlossener Ring vorliegt) kann ein PrüfSchritt entfallen, der die Toleranz des entstehenden Schlitzes überprüft.In this way, the magnet guide element is particularly easy to manufacture. There is no need to arrange or design ends at the free ends of the two legs which are respectively stretched towards the other leg. This means that, for example, there is no need to make a narrowly defined slot in a closed ring that has to be produced first. If the legs would be mounted on the back with opposite ends (so there is no initially closed ring), a test step that checks the tolerance of the resulting slot can be omitted.
Durch die Ausführungsform in „U“-Form wird vorteilhaft bewirkt, dass bei der Montage des Magnetflusselements über dem Hall-Element das Risiko einer Beschädigung des Hall-Elements verringert wird. Denn die Aufnahmeöffnung für das Hall-Element ist deutlich größer im Vergleich zu einem Magnetführungselement mit an den Schenkelenden einander zugewandten Enden.The “U” -shaped embodiment has the advantageous effect that when the magnetic flux element is installed above the Hall element, the risk of damage to the Hall element is reduced. This is because the receiving opening for the Hall element is significantly larger compared to a magnet guide element with ends facing one another at the leg ends.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.Advantageous refinements are the subject matter of the subclaims and the description below.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Magnetflussführungselement mit dem Gehäuserahmen oder dem Gehäusedeckel zumindest teilweise bzw. abschnittsweise umspritzt. Dies stellt eine besonders einfache und robuste Möglichkeit der Integration dar. Als Materialien eignen sich hierfür insbesondere Kunststoffe, da diese gleichzeitig eine elektrische Isolierung bereitstellen.According to an advantageous embodiment, the magnetic flux guide element with the housing frame or the housing cover is at least partially or in sections overmolded. This represents a particularly simple and robust option for integration. Plastics are particularly suitable as materials for this, since they also provide electrical insulation.
Vorzugsweise bildet der Gehäuserahmen einen Kühlkörper. Auf diese Weise kann die Wärmeabfuhr verbessert werden. Er kann beispielsweise Kupfer oder Aluminium aufweisen.The housing frame preferably forms a heat sink. In this way, the heat dissipation can be improved. It can, for example, comprise copper or aluminum.
Insbesondere sind das Magnetflussführungselement und die Phasenstromschiene gemeinsam umspritzt. Alternativ ist auch möglich, die Phasenstromschiene mit dem Gehäuse zu verkleben, insbesondere mit dem Teil des Gehäuses, mit welchem das Magnetflussführungselement umspritzt ist. Durch die gemeinsame Umspritzung oder Klebung der Phasenstromschiene und des Magnetflussführungselements ist eine besonders einfache Montage bei gleichzeitiger gegenseitiger elektrischer Isolierung möglich. Die Phasenstromschiene und das Magnetflussführungselement können durch die gemeinsame Umspritzung oder Klebung in einen festen Abstand zueinander gebracht werden, so dass das Hall-Element besonders einfach dazu positionierbar ist.In particular, the magnetic flux guide element and the phase busbar are encapsulated together. Alternatively, it is also possible to glue the phase busbar to the housing, in particular to the part of the housing with which the magnetic flux guide element is overmolded. The joint extrusion coating or gluing of the phase busbar and the magnetic flux guide element enables particularly simple assembly with simultaneous mutual electrical insulation. The phase busbar and the magnetic flux guide element can be brought into a fixed distance from one another by means of the joint extrusion coating or gluing, so that the Hall element can be positioned particularly easily for this purpose.
Wenn das Magnetflussführungselement zumindest teilweise in den Deckel des Gehäuses integriert ist, kann das Hall-Element - insbesondere zusammen mit dem dieses tragenden Schaltungsträger - an dem Gehäuserahmen befestigt werden und der Deckel mit dem Magnetflussführungselement kann beim Zusammenbau über das Hall-Element gestülpt werden. Aber auch eine gemeinsame Integration von Magnetflussführungselement und Hall-Element in den Gehäuserahmen ist denkbar.If the magnetic flux guide element is at least partially integrated into the cover of the housing, the Hall element can be attached to the housing frame - especially together with the circuit carrier carrying it - and the cover with the magnetic flux guide element can be slipped over the Hall element during assembly. However, a common integration of the magnetic flux guide element and Hall element in the housing frame is also conceivable.
Zweckmäßigerweise ist das Magnetflussführungselement derart in den Deckel integriert, dass die zwei Schenkel des Magnetflussführungselements aus dem Deckel herausragen und bei der Montage über das Hall-Element stülpbar sind. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise eine einfache Montage und eine gute Positionier-Genauigkeit gewährleistet sind.The magnetic flux guide element is expediently integrated into the cover in such a way that the two legs of the magnetic flux guide element protrude from the cover and can be slipped over the Hall element during assembly. This is advantageous because simple assembly and good positioning accuracy are ensured in this way.
Zweckmäßigerweise wird der Abstand der Sensorebene des Hall-Elements von der Schenkelendenebene durch eine beabstandete Anordnung des Hall-Elements von einer Haupterstreckungsebene des Schaltungsträgers erzeugt. Ein Abstand der Sensorebene zu einer Haupterstreckungsebene des Schaltungsträgers beträgt vorzugsweise 2 bis 6 mm.The distance between the sensor plane of the Hall element and the leg end plane is expediently determined by a spaced arrangement of the Hall element from one Main plane of extent of the circuit carrier generated. A distance between the sensor plane and a main plane of extent of the circuit carrier is preferably 2 to 6 mm.
Zweckmäßigerweise wird der Abstand der Sensorebene des Hall-Elements von der Schenkelendenebene durch einen zwischen Hall-Element und Schaltungsträger angeordneten Sockel bereitgestellt. Dies ist eine besonders einfache und robuste Möglichkeit, das Hall-Element in einem festgelegten Abstand zu der Schenkelendenebene des Magnetflussführungselements zu positionieren.The distance between the sensor plane of the Hall element and the leg end plane is expediently provided by a base arranged between the Hall element and the circuit carrier. This is a particularly simple and robust way of positioning the Hall element at a fixed distance from the leg end plane of the magnetic flux guide element.
Insbesondere ist das Hall-Element auf dem Sockel aufgelötet. Dies stellt eine besonders einfache und stabile Verbindung dar.In particular, the Hall element is soldered onto the base. This is a particularly simple and stable connection.
Bevorzugt ist der Sockel aus Kupfer ausgebildet. Dadurch kann der Sockel gleichzeitig sowohl als Abstandshalter als auch als einer der elektrischen Kontakte des Hall-Elements fungieren. Des Weiteren ergeben sich thermische Vorteile, da Kupfer eine gute Wärmeleitfähigkeit hat und optimal die Wärme spreizen kann. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Lebensdauer des Hall-Elements und der Lötstelle aus.The base is preferably made of copper. As a result, the base can function both as a spacer and as one of the electrical contacts of the Hall element at the same time. Furthermore, there are thermal advantages, since copper has good thermal conductivity and can optimally spread the heat. This has a beneficial effect on the service life of the Hall element and the solder joint.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform wird der Abstand der Sensorebene des Hall-Elements von der Schenkelendenebene durch Kontaktbeinchen des Hall-Elements bereitgestellt. Dies ist vorteilhaft, da kein zusätzlicher Abstandshalter erforderlich ist und durch die Kontaktbeinchen eine nachträgliche Positionierung bzw. Ausrichtung möglich ist.In another advantageous embodiment, the distance between the sensor plane of the Hall element and the leg end plane is provided by contact pins of the Hall element. This is advantageous because no additional spacer is required and subsequent positioning or alignment is possible due to the contact pins.
Insbesondere ist eine Kombination der beiden Aspekte der Erfindung denkbar. Durch eine Integration des Magnetflussführungselements in den Gehäuserahmen oder den Gehäusedeckel in Kombination mit einer beabstandeten Montage des Hall-Elements von der Schenkelendenebene lässt sich eine besonders genaue Positionierung verbunden mit einer einfachen Montage erzielen. In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schaltungsträger ein DBC-Substrat oder ein LTCC-Substrat ist. Dadurch kann der Stromrichter vorteilhaft besonders widerstandsfähig gegenüber hohen Temperaturen ausgebildet sein.In particular, a combination of the two aspects of the invention is conceivable. By integrating the magnetic flux guide element in the housing frame or the housing cover in combination with a spaced installation of the Hall element from the leg end plane, a particularly precise positioning combined with a simple installation can be achieved. In a further embodiment it is provided that the circuit carrier is a DBC substrate or an LTCC substrate. As a result, the converter can advantageously be designed to be particularly resistant to high temperatures.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Stromrichter einen zweiten Schaltungsträger aufweist, auf dem eine Logikschaltung zur Auswertung der Signale des Hall-Elements angeordnet ist. Auf diese Weise können vorteilhaft verschiedene Funktionalitäten des Stromrichters auf jeweils dafür maßgeschneiderten Schaltungsträgern angeordnet sein. Beispielsweise können so Bauelemente, die besonders schüttelempfindlich sind oder besonders hohe Abwärme produzieren auf einem besonders stabilen und hitzeresistenten Schaltungsträger angeordnet werden während andere Bauelemente auf einem besonders flexiblen und kostengünstigen Schaltungsträger angeordnet sind.In a further embodiment it is provided that the converter has a second circuit carrier on which a logic circuit for evaluating the signals of the Hall element is arranged. In this way, various functionalities of the converter can advantageously be arranged on circuit carriers that are tailored for this purpose. For example, components that are particularly sensitive to shaking or produce particularly high levels of waste heat can be arranged on a particularly stable and heat-resistant circuit carrier, while other components are arranged on a particularly flexible and inexpensive circuit carrier.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schaltungsträger ein DBC-Substrat ist und dass der zweite Schaltungsträger ein LTCC-Substrat oder ein PCB-Substrat ist.In a further embodiment it is provided that the circuit carrier is a DBC substrate and that the second circuit carrier is an LTCC substrate or a PCB substrate.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and embodiments of the invention emerge from the description and the accompanying drawing.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.The invention is shown schematically in the drawings using exemplary embodiments and is described below with reference to the drawings.
FigurenlisteFigure list
-
1 zeigt einen Ausschnitt eines Stromrichters gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;1 shows a section of a converter according to a first preferred embodiment of the invention; -
2 zeigt einen Ausschnitt eines Stromrichters gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;2 shows a section of a converter according to a second preferred embodiment of the invention; -
3 zeigt einen Ausschnitt eines Stromrichters gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.3 shows a section of a converter according to a third preferred embodiment of the invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In
Der Ausschnitt zeigt eine beispielhafte gegenseitige Anordnung einer Phasenstromschiene
Zur Führung des Magnetfelds und Abschirmung externer Magnetfelder ist das Magnetflussführungselement
Damit die Magnetfelderfassung durch das Hall-Element
Zur weiteren Verbesserung der Magnetfelderfassung ist das Hall-Element
Der Schaltungsträger
In
Der Stromrichter weist zwei Schaltungsträger
Der erste Schaltungsträger
Die Erfindung zeigt hier eine Lösung, wie ein verpacktes Bauelement (Hall-Element
Wie auch in
Auf dem zweiten Schaltungsträger
Claims (14)
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