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Die Erfindung betrifft eine Elektronikeinheit für ein Nebenaggregat eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Nebenaggregat mit einer solchen Elektronikeinheit. Das Nebenaggregat ist insbesondere ein elektrischer Kältemittelantrieb, beispielsweise ein Kältemittelverdichter oder Kältemittelkompressor.
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Bei Kraftfahrzeugen sind regelmäßig Klimaanlagen eingebaut, die mit Hilfe einer einen Kältemittelkreislauf bildenden Anlage den Fahrzeuginnenraum klimatisieren. Derartige Anlagen weisen grundsätzlich einen Kreislauf auf, in dem ein Kältemittel geführt ist. Das Kältemittel, beispielsweise R-134a (1,1,1,2-Tetrafluorethan) oder R-744 (Kohlenstoffdioxid), wird an einem Verdampfer erwärmt und mittels eines (Kältemittel-)Verdichters beziehungsweise Kompressors verdichtet, wobei das Kältemittel anschließend über einen Wärmetauscher die aufgenommene Wärme wieder abgibt, bevor es über eine Drossel erneut zum Verdampfer geführt wird.
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In derartigen Anwendungen sind beispielsweise Scroll-Maschinen als Kompressoren beziehungsweise Verdichter für das Kältemittel grundsätzlich möglich. Derartige Scrollverdichter weisen typischerweise zwei relativ zueinander bewegbare Scroll-Teile auf, die im Betrieb nach Art einer Verdrängerpumpe arbeiten. Die beiden Scroll-Teile sind hierbei typischerweise als ein ineinander verschachteltes (schneckenförmiges) Spiralen- oder Scrollpaar ausgeführt. Mit anderen Worten greift eine der Spiralen zumindest teilweise in die andere Spirale ein. Die erste (Scroll-)Spirale ist hierbei in Bezug auf ein Verdichtergehäuse feststehend (stationärer Scroll, Stator Scroll, engl.: fixed scroll), wobei die zweite (Scroll-)Spirale (beweglicher Scroll, Rotorscroll, engl.: movable/orbiting scroll) mittels eines Elektromotors innerhalb der ersten Spirale orbitierend angetrieben ist.
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Zum elektrischen oder elektromotorischen Antrieb des Verdichterkopfs ist in der Regel ein bürstenloser Elektromotor vorgesehen. Ein insbesondere bürstenloser Elektromotor als elektrische (Drehstrom-)Maschine weist üblicherweise einen mit einer mehrphasigen Feld- oder Statorwicklung versehenen Stator auf, welcher koaxial zu einem Rotor mit einem oder mehreren Permanentmagneten angeordnet ist.
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Bei einem bürstenlosen Elektromotor wird der zur Speisung der Statorwicklung vorgesehene Wechselstrom üblicherweise von einem Umrichter (Wechselrichter) erzeugt. Bei kleineren Elektromotoren ist dieser Umrichter zusammen mit einer zugeordneten (Steuer-)Elektronik häufig in einem Elektronikgehäuse, welches beispielsweise als Elektronikfach in ein Motor- oder Antriebsgehäuse integriert ist, aufgenommen. Die elektronischen Komponenten der Elektronik sind hierbei beispielsweise auf einer Leiterplatte (printed circuit board, PCB) angeordnet, welche in das Elektronikgehäuse eingesetzt ist. Das Antriebsgehäuse weist typischerweise eine integrierte Gehäusezwischenwand als druckdichte Trennwand auf, welche den Bauraum der Elektronik von dem Bauraum des Elektromotors trennt. Die Trennwand bildet hierbei beispielsweise einen Boden des Elektronikfachs.
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Im elektromotorischen Betrieb werden aufgrund von Umschaltvorgängen Wechselströme in den Leitungen der (Motor-)Elektronik sowie in der Drehfeldwicklung erzeugt. Diese Wechselströme erzeugen entsprechende elektromagnetische Störfelder, welche hinsichtlich einer Einhaltung von EMV-Richtlinien (elektromagnetische Verträglichkeit) als kritisch zu bewerten sind. Zur Erfüllung der EMV-Anforderungen ist es beispielsweise möglich sogenannte Entstörkondensatoren einzusetzen. Beispielsweise werden hierbei Y-Kondensatoren verwendet, welche elektrisch zwischen einer (Motor-)Phase und dem berührbaren, schutzgeerdeten Elektronikgehäuse angeschlossen werden. Dadurch wird eine elektrische Kontaktierung des Elektronikgehäuses notwendig.
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Zur elektrischen Kontaktierung mit dem Elektronikgehäuse weist die Leiterplatte zum Beispiel Durchgangslöcher auf, welche ober- und unterseitig mit Kupfer umrandet werden und dann mittels Schrauben an das Elektronikgehäuse elektrisch und mechanisch angebunden werden. Dies stellt zumeist eine kostengünstige Variante der Masseanbindung dar, da Schrauben zur Befestigung der Leiterplatte an ein Gehäuse häufig verwendet werden und daher keine zusätzlichen Kosten für die Anbindung anfallen.
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Nachteilig an der vorstehend beschriebenen Ausführung ist allerdings, dass die Durchgangslöcher in der Leiterplatte, welche nicht für die Masseanbindung aber für die mechanische Anbindung verwendet werden, nicht mit Kupfer umrandet sind. Bei der Montage der Leiterplatte in das Elektronikgehäuse haben die unterschiedlichen Höhenniveaus der Leiterplatten-Auflageflächen zur Folge, dass es im Zuge des Schraubprozesses zu einer lokalen Verbiegung oder Verspannung der Leiterplatte kommt. Eine solche Biegung oder Verspannung der Leiterplatte resultiert in einem mechanischen Stress, welcher auf die Elektronikkomponenten wirkt.
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Der Stress auf die Elektronikkomponenten bei der Montage einer Leiterplatte in ein Elektronikgehäuse darf typischerweise über alle Prozesse summiert oder für einen einzelnen Prozess maximal 500 ppm (parts per million) pro mm (Millimeter), also 0,05% pro mm, betragen. Hier trägt eine Leiterplatte mit unterschiedlichen Höhenniveaus signifikant zu dem Stresswert bei.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Elektronikeinheit für ein Nebenaggregat eines Kraftfahrzeugs anzugeben. Insbesondere soll eine möglichst niedrige mechanische Belastung auf die elektronischen Komponenten der Elektronik wirken. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Nebenaggregat anzugeben.
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Hinsichtlich der Elektronikeinheit wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Nebenaggregats mit den Merkmalen des Anspruchs 9 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die im Hinblick auf die Elektronikeinheit angeführten Vorteile und Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Nebenaggregat übertragbar und umgekehrt.
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Die erfindungsgemäße Elektronikeinheit ist für ein Nebenaggregat eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, sowie dafür geeignet und eingerichtet. Bei dem Nebenaggregat handelt es sich insbesondere um einen elektrischen Kältemittelantrieb, vorzugsweise um einen Kältemittelverdichter.
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Die Elektronikeinheit weist ein Elektronikgehäuse mit einem topfartigen Elektronikfach und mit einem Elektronikfachdeckel auf. Das Elektronikfach weist einen (Topf-)Boden und einen umlaufenden (Gehäuse- oder Topf-)Mantel als Gehäusewand auf. In dem Elektronikfach ist ein Bauraum zur Aufnahme einer Elektronik gebildet, welcher mittels des stirnseitig aufgesetzten Elektronikfachdeckels verschlossen ist. In das Elektronikfach beziehungsweise in den darin gebildeten Bauraum ist eine Elektronik mit einer Leiterplatte (Platine, engl.: Printed Circuit Board, PCB) eingesetzt, auf welcher elektrische oder elektronische Bauteile beziehungsweise Komponenten angeordnet sind. Die Bauteile oder Komponenten der Elektronik beziehungsweise Leiterplatte bilden eine Schaltung, beispielsweise eine Umrichter- oder Wechselrichterschaltung.
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Der Boden des Elektronikfachs weist eine Anzahl von etwa axial oder senkrecht emporstehenden Abstandselementen auf. Die beispielsweise zylinder- oder bolzenförmigen Abstandselemente weisen an deren Freienden jeweils eine stirnseitige Auflagefläche auf, auf welchen eine der Anzahl der Abstandselemente entsprechende Anzahl von Auflagepunkten der Leiterplatte aufgelegt ist. Dies bedeutet, dass im Montagezustand auf jedem Abstandselement ein zugeordneter Auflagepunkt aufgesetzt ist. Durch die Abstandselemente ist die Leiterplatte beabstandet und im Wesentlichen parallel zum Boden des Elektronikfachs angeordnet. Die Abstandselemente sind somit als lokale Gehäuseauflageflächen des Elektronikgehäuses für die Leiterplatte ausgebildet. Die Abstandselemente weisen hierbei vorzugsweise alle die gleiche Höhe auf, dies bedeutet, dass die freiendseitigen Auflageflächen im Wesentlichen alle den gleichen Abstand zum Boden aufweisen.
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Eine der Auflagepunkte ist als eine Massenanbindung der Leiterplatte zum Elektronikgehäuse ausgeführt, und weist hierbei eine Durchführöffnung und einen diese umgebenden Metallring auf. Dies bedeutet, dass durch die Massenanbindung eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Elektronikgehäuse realisiert ist. Vorzugsweise ist hierbei ein Y-Kondensator mit der Massenanbindung kontaktiert.
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Erfindungsgemäß sind hierbei die anderen - nicht als Massenanbindung ausgebildeten - Auflagepunkte und/oder die zugeordneten Abstandselemente derart ausgeführt, dass ein einheitliches Höhenniveau mit der Massenanbindung realisiert ist. Mit anderen Worten weisen beispielsweise die Massenanbindung und die übrigen Auflagepunkte eine gleiche (axiale) Höhe auf, so dass bei der Anordnung der Leiterplatte auf den Abstandselementen eine ebene und homogene Auflage über alle Abstandselemente realisiert ist.
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Die Konjunktion „und/oder“ ist hier und im Folgenden derart zu verstehen, dass die mittels dieser Konjunktion verknüpften Merkmale sowohl gemeinsam als auch als Alternativen zueinander ausgebildet sein können.
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Durch das gleichmäßige Höhenniveau der Leiterplatte im Bereich der Abstandselemente wird bei einer Befestigung oder Montage der Leiterplatte im Elektronikgehäuse ein mechanischer Stress auf die Leiterplatte beziehungsweise auf die Elektronikkomponenten vollständig vermieden oder zumindest reduziert. Dadurch ist eine besonders geeignete Elektronikeinheit realisiert. Insbesondere ist somit eine stressoptimierte Montage ermöglicht.
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Unter „axial“ oder einer „Axialrichtung“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung parallel (koaxial) zu den Abstandselementen, also etwa senkrecht zu den Stirn-seiten des Elektronikfachs verstanden. Entsprechend wird hier und im Folgenden unter „radial“ oder einer „Radialrichtung“ insbesondere eine senkrecht (quer) zur Längsachse der Abstandselemente orientierte Richtung entlang eines Radius des Elektronikfachs beziehungsweise der Leiterplatte verstanden. Unter „tangential“ oder einer „Tangentialrichtung“ wird hier und im Folgenden insbesondere eine Richtung entlang des Umfangs des Elektronikfachs oder der Leiterplatte (Umfangsrichtung, Azimutalrichtung), also eine Richtung senkrecht zur Axialrichtung und zur Radialrichtung, verstanden.
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Die Elektronik ist beispielsweise eine Leistungselektronik. An der Leiterplatte ist insbesondere eine Anzahl an elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen angebunden, sodass mittels der Leiterplatte und der Bauteile eine elektrische Schaltung realisiert ist. Beispielsweise umfasst die Elektronik lediglich die Leiterplatte oder auch eine weitere Leiterplatte. Die Leiterplatte ist zweckmäßigerweise aus einem glasfaserverstärkten Epoxidharz gefertigt, an dem außenseitig Leiterbahnen befestigt und/oder in das diese eingebettet sind. Die Leiterplatte weist Leiterbahnen zur Kontaktierung und Verschaltung der elektronischen Bauteile auf, welche zweckmäßigerweise aus einem Kupfer erstellt sind, beispielsweise mittels Ätzen. Zweckmäßigerweise ist die Leiterplatte parallel zu der Trennwand oder zumindest einem Teil der Trennwand angeordnet.
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Das Elektronikfach ist im Montagezustand mittels des Elektronikfachdeckels verschlossen. Der Elektronikfachdeckel ist ein separates Bauteil, welches beispielsweise an dem Elektronikfach angebunden ist, vorzugsweise lösbar, zum Beispiel mittels Schrauben. Geeigneterweise ist der Elektronikfachdeckel mit dem Elektronikfach verschraubt. Beispielsweise ist der Elektronikfachdeckel zumindest teilweise auf einen umlaufenden Rand des Elektronikfachs aufgesetzt, der insbesondere mittels der Wand des Elektronikfachs zumindest teilweise bereitgestellt ist. Hierfür weist der Elektronikfachdeckel geeigneterweise eine entsprechende Ausnahme auf, beispielsweise eine umfangsseitig umlaufende U-förmige Rillen oder dergleichen. Insbesondere ist im Montagezustand zwischen dem Elektronikfachdeckel und dem Elektronikfach ein Dichtelement, beispielsweise Dichtungsmasse, angeordnet, sodass ein Eintritt von Fremdkörpern, beispielsweise eine Flüssigkeit oder dergleichen vermieden ist.
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Der Elektronikfachdeckel ist zweckmäßigerweise parallel zur Trennwand oder zumindest einem Abschnitt der Trennwand und/oder senkrecht zur Rotations-achse des Elektromotors angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Elektronikfachdeckel im Wesentlichen senkrecht zu zumindest einer der Wände oder der Wand des Elektronikfachs angeordnet. Zumindest schließt bevorzugt der Elektronikfachdeckel mit der Wand Winkel zwischen 45° und 135° oder zwischen 60° und 120° ein.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist die Leiterplatte an den Auflagepunkten mit den jeweils zugeordneten Abstandselementen schraubbefestigt. Insbesondere ist die Leiterplatte mittels der Schraubbefestigung der Massenanbindung elektrisch und mechanisch an das Elektronikgehäuse angebunden. Dies bedeutet, dass die Abstandselemente als Befestigungs- oder Schraubstellen ausgeführte Schaubdome ausgestaltet sind. Dies bedeutet, dass alle Auflagepunkte der Leiterplatte zur Schaubanbindung an das Elektronikgehäuse verwendet werden. Dadurch ist eine stabile und zuverlässige Befestigung der Leiterplatte realisiert.
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In einer geeigneten Ausgestaltung sind die Auflagepunkte der Leiterplatte derart ausgeführt, dass im schraubbefestigten Zustand der Leiterplatte eine mechanische Belastung kleiner 500 ppm/mm realisiert ist. Dadurch werden Kundenanforderungen zuverlässig eingehalten. Insbesondere werden regelmäßige StressMessungen in der Fertigungslinie vermieden. Weiterhin werden Risiken bei der Zuverlässigkeit der Elektronik und der Kundenakzeptanz vorteilhaft reduziert.
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Der Stress wird mit beispielsweise Hilfe von Sensoren gemessen. Der Sensor wird bei den Stressmessungen gedehnt oder gestaucht, wobei der Prozentsatz der resultierenden Längenänderung dem Messwert entspricht.
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Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass der Boden des Elektronikfachs als eine druckdichte Trennwand ausgeführt ist. Dies bedeutet, dass der Boden des Elektronikfachs zumindest teilweise, beispielsweise vollständig, als eine druckdichte Trennwand ausgeführt ist, welche den Bauraum der Elektronik von einem benachbarten Bauraum trennt. Die Trennwand ist vorzugsweise im Wesentlichen eben.
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Mittels der Trennwand sind bei Betrieb, insbesondere sofern das Nebenaggregat ein Kältemittelverdichter ist, zweckmäßigerweise zwei Bereiche mit unterschiedlichen statischen Drücken voneinander getrennt. Beispielsweise herrscht innerhalb des Elektronikfachs ein Atmosphärendruck, der vorzugsweise kleiner als der Druck auf der gegenüberliegenden Seite der Trennwand ist. Auf dieser Seite befindet sich insbesondere eine Niederdruckseite, wobei dieser Druck größer als der Druck innerhalb des Elektronikfachs ist.
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Beispielsweise ist bei einem elektrischen Kältemittelverdichter als Nebenaggregat ein Antriebsgehäuse vorgesehen, welches über eine integrierte Gehäusezwischenwand als druck- und fluiddichte Trennwand in das Elektronikgehäuse und ein den Elektromotor aufnehmendes Motorgehäuse getrennt ist. In dem Motorbauraum ist beispielsweise ein Elektromotor, insbesondere ein bürstenloser Elektromotor, aufgenommen. Vorzugs-weise ist die Trennwand im Wesentlichen senkrecht zu einer Rotationsachse des Elektromotors und/oder dem Verlauf des Antriebsgehäuses angeordnet. Die Trennwand ist als Gehäusezwischenwand ein Bestandteil des Antriebsgehäuses und vorzugsweise einstückig, also einteilig oder monolithisch, mit diesem. Geeigneterweise wird die Trennwand mit weiteren Bestandteilen des Antriebs- oder Elektronikgehäuses, beispielsweise den Wänden des Elektronikfachs und/oder weiteren Bestandteil des Antriebs- oder Elektronikgehäuses urgeformt. Insbesondere verlaufen die Wände oder zumindest eine Wand des Elektronikfachs im Wesentlichen parallel zu einer Rotationsachse des Elektromotors. Geeigneter-weise ist mittels der Wände des Elektronikfachs eine im Wesentlichen hohlzylindrische Struktur bereitgestellt.
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Das Elektronikfach weißt hierbei im Betrieb insbesondere einen Normaldruck auf, wobei das Motorgehäuse einen erhöhten Druck von mehreren Bar aufweisen kann. Der Motorbauraum ist beispielsweise von einem Kältemittel durchspült, so dass die Trennwand als eine Wärmesenke oder als ein Kühlkörper für das Elektronikgehäuse wirkt.
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In einer möglichen Ausgestaltung sind die Abstandselemente, welche nicht als Massenanbindung ausgeführt sind, mechanisch nachbearbeitet um ein einheitliches Höhenniveau zu gewährleisten. Mit anderen Worten werden die Auflageflächen im Elektronikgehäuse bei der Herstellung oder Montage so bearbeitet, dass diese die unterschiedlichen Höhenniveaus bei der Leiterplatten-Auflage berücksichtigen.
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In einer zusätzlichen oder alternativen Ausführung ist es vorgesehen, dass jeder Auflagepunkt, welcher nicht zur Massenanbindung dient, ebenfalls einen eine Durchführöffnung umgebenden Metallring aufweist. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der oder jeder Metallring als ein Kupferring ausgeführt. Mit anderen Worten sind alle Auflagepunkte effektiv nach Art der Massenanbindung ausgeführt, so dass sich ein einheitliches Höhenniveau für alle Auflagepunkte, und somit für die Leiterplatte, ergibt. Durch die Kupferringe ist weiterhin eine thermische Anbindung der Schraubelemente mit der Leiterplatte beziehungsweise mit dem Elektronikgehäuse realisierbar.
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Die Kupferringe sind beispielsweise als ringförmige Lötstellen ausgeführt. Dies bedeutet, dass anstelle von Unterlegscheiben zum Niveauausgleich der Leiterplatte an und/oder zwischen den Schraubpunkten ringförmige Lötstellen auf der Leiterplatte platziert sind, welche insbesondere auch als zusätzliche Masse bzw. Erde verwendbar sind.
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Besonders bevorzugt sind die Kupferringe als Aufkupferung der Leiterplatte ausgeführt.
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In einer denkbaren Ausführung ist der oder jeder Metallring mit einer Schutzschicht zum Oxidationsschutz versehen. Bei einem Metallring aus Kupfer wird beispielsweise eine dünne Schicht Zinn oder eine Nickel-Gold-Legierung aufgebracht.
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Das erfindungsgemäße Nebenaggregat weist eine vorstehend beschriebene Elektronikeinheit auf. Dadurch ist eine zuverlässige und stressreduzierte Befestigung der Leiterplatte gewährleistet, wodurch die Herstellung und Montage des Nebenaggregats vereinfacht wird.
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Beispielsweise ist das Nebenaggregat eine Pumpe, insbesondere ein Wasser- oder Ölpumpe, wie eine Schmiermittelpumpe. In einer Alternative hierzu ist das Nebenaggregat ein Verstellantrieb, wie eine Lenkunterstützung also eine sog. Servolenkung, ein Fensterheber oder eine elektrische Sitzverstellung. Geeigneterweise ist das Nebenaggregat im Montagezustand mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs elektrisch kontaktiert und wird mittels dessen bestromt. Insbesondere ist das Nebenaggregat hierfür geeignet. Beispielswiese ist das Bordnetz des Kraftfahrzeugs ein Niedervoltbordnetz und führt zum Beispiel eine elektrische Spannung von 12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt. Alternativ hierzu beträgt die elektrische Spannung die bei Betrieb an dem Nebenaggregat anliegt bzw. die das Bordnetz des Kraftfahrzeugs aufweist, 288 Volt, 450 Volt, 650 Volt oder 830 Volt. Beispielsweise ist das Nebenaggregat im Einbauzustand signaltechnisch mit einem BUSSystem gekoppelt, insbesondere einem LIN- oder CAN-Bus.
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Besonders bevorzugt weist das Nebenaggregat eine elektrische Maschine auf, die beispielsweise ein Generator oder ein Elektromotor ist. Der Elektromotor ist beispielsweise ein bürstenbehafteter Kommutatormotor. Besonders bevorzugt jedoch ist der Elektromotor bürstenlos ausgestaltet und geeigneterweise ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC). Der Elektromotor ist zum Beispiel ein Asynchronmotor oder ein Synchronmotor.
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Besonders bevorzugt ist das Nebenaggregat ein elektrischer Kältemittelantrieb, der insbesondere ein elektromotorischer Kältemittelverdichter ist. Der elektromotorische Kältemittelverdichter ist geeigneterweise ein Bestandteil eines Kältemittelkreislaufs des Kraftfahrzeugs, mittels dessen bei Betrieb beispielsweise eine Temperierung des Innenraums des Kraftfahrzeugs und/oder eine Abkühlung eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs erfolgt. Insbesondere umfasst der elektromotorische Kältemittelverdichter einen Verdichterkopf, beispielsweise einen Scrollverdichter. Besonders bevorzugt wird mittels des elektromotorischen Kältemittelverdichters ein Kältemittel verdichtet, zum Beispiel ein chemisches Kältemittel, wie R134a oder R1234yf. Alternativ wird als Kältemittel CO2 herangezogen.
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Das Nebenaggregat weist ein Antriebsgehäuse auf, das ein Elektronikfach und ein weiteres Fach als Motorraum umfasst. Vorzugsweise ist das Antriebsgehäuse aus einem Metall, wie einem Aluminium, also reinem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, erstellt, insbesondere als Aluminiumdruckgussteil. Zweckmäßigerweise ist das Antriebsgehäuse einstückig.
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Das Elektronikfach und das weitere Fach sind mittels einer Trennwand druckdicht voneinander getrennt. Somit ist es ermöglicht, in dem Elektronikfach einen von dem weiteren Fach abweichenden statischen Druck zu verwenden. Mit der Trennwand werden zweckmäßigerweise die beiden Fächer begrenzt, sodass sich die Trennwand zwischen den beiden Fächern befindet und an diese anstößt. Zweckmäßigerweise begrenzt die Trennwand das Elektronikfach und/oder das weitere Fach. Insbesondere sind das Elektronikfach und/oder das weitere Fach mittels weiterer Bestandteile des Antriebsgehäuses und/oder weiterer Bestandteil des Nebenaggregats umgeben, sodass zumindest eines der Fächer, vorzugsweise beide Fächer, im Wesentlichen geschlossen ist. Die Trennwand ist vorzugsweise im Wesentlichen plan. Beispielsweise ist das Gehäuse im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgestaltet, wobei die Trennwand zweckmäßigerweise im Wesentlichen senkrecht zur Zylinderachse angeordnet ist. Das Elektronikfach ist vorzugsweise an einem Ende des Antriebsgehäuses angeordnet und mittels eines stirnseitig aufgesetzten Elektronikfachdeckels zu dem Elektronikgehäuse verschlossen.
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Mittels der Trennwand sind bei Betrieb, insbesondere sofern das Nebenaggregat ein Kältemittelverdichter ist, zweckmäßigerweise zwei Bereiche mit unterschiedlichen statischen Drücken voneinander getrennt. Beispielsweise herrscht innerhalb des Elektronikfachs ein Atmosphärendruck, der vorzugsweise kleiner als der Druck auf der gegenüberliegenden Seite der Trennwand ist. Auf dieser Seite befindet sich insbesondere eine Niederdruckseite, wobei dieser Druck größer als der Druck innerhalb des Elektronikfachs ist.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in perspektivischer Darstellung einen elektrischen Kältemittelantrieb,
- 2 in perspektivischer Darstellung ein Elektronikfach des Kältemittelantriebs mit einer schraubmontierten Leiterplatte,
- 3 in perspektivischer Darstellung die Leiterplatte, und
- 4 in perspektivischer Draufsicht das Elektronikfach ohne die Leiterplatte.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Nebenaggregat 2 in Form eines elektrischen Kältemittelantriebs, welcher beispielsweise als Kältemittelverdichter in einem nicht näher dargestellten Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs verbaut ist. Das nachfolgend auch als Kältemittelverdichter bezeichnete Nebenaggregat 2 ist beispielsweise modular aufgebaut, und weist einen elektrischen (elektromotorischen) Antrieb (Antriebsmodul) 4 und einen mit diesem gekoppelten Verdichterkopf (Verdichtermodul) 6 auf. Zwischen dem Antrieb 4 und dem Verdichterkopf 6 ist ein A-seitiges Lagerschild (Center Plate) 8 als mechanische Schnittstelle vorgesehen, mittels welchem der Verdichterkopf 6 antriebstechnisch an den Antrieb 4 angebunden ist.
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Das Lagerschild 8 bildet eine Zwischenwand zwischen einem Antriebsgehäuse 10 und einem Verdichterkopfgehäuse 12. Der Verdichterkopf 6 ist mittels umfangsseitig verteilten, sich in eine Axialrichtung A des Scrollverdichters 2 erstreckenden Flanschverbindungen 14 mit dem Antrieb 4 verbunden (gefügt, geschraubt), welche in den Figuren lediglich beispielhaft mit Bezugszeichen versehen sind.
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Ein verdichterseitiger Gehäuseteilbereich des Antriebsgehäuses 10 ist als ein Motorgehäuse 10a zur Aufnahme eines nicht näher gezeigten Elektromotors ausgebildet und einerseits durch eine, integrierte Gehäusezwischenwand als Trennwand 16 (4) zu einem mit einem Elektronikfachdeckel 18 versehenen Elektronikfach 20 mit einer den Elektromotor ansteuernden Elektronik (Motorelektronik) 22, und andererseits durch die Center Plate 8 verschlossen. Das Elektronikfach 20 und der Elektronikfachdeckel 18 bilden ein Elektronikgehäuse 10b des Antriebsgehäuses 10, wobei die Elektronik 22 und das Elektronikgehäuse 10b eine Elektronikeinheit 24 des Kältemittelantriebs 2 ausbilden. Die Trennwand 16 bildet eine druckdichte Trennung zwischen dem Motorgehäuse 10a und dem Elektronikgehäuse 10b. Das Elektronikgehäuse 10b beziehungsweise das Elektronikfach 20 weißt hierbei im Verdichterbetrieb insbesondere einen Normaldruck auf, wobei das Motorgehäuse 10b einen erhöhten Druck von mehreren Bar aufweisen kann.
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Das Antriebsgehäuse 10 weist im Bereich des Elektronikgehäuses 10b einen Anschlussabschnitt 26 zur elektrischen Kontaktierung der Elektronik 22 an ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs auf.
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Der Kältemittelverdichter 2 weist einen (Kältemittel-)Einlass oder (Kältemittel- )Zulauf 28 zum Anschluss an den Kältemittelkreislauf und einen (Kältemittel- )Auslass 30 auf. Der Einlass 28 ist in einem dem Elektronikgehäuse 10b zugewandten Bereich des Motorgehäuses 10a angeformt. Der Auslass 30 ist an einem Boden eines Verdichterkopfgehäuses 12 angeformt. Im angeschlossenen Zustand bildet der Einlass 28 die Niederdruck- oder Saugseite (Sauggasseite) und der Auslass 30 die Hochdruck- oder Pumpseite (Pumpenseite) des Kältemittelverdichters 2.
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Die 2 zeigt das Elektronikgehäuse 10b mit abgenommenen Elektronikfachdeckel 18. Die Elektronik 22 weist eine mit elektronischen Komponenten bestückte Leiterplatte 32 auf, welche im Montagezustand in das Elektronikfach 20 des Elektronikgehäuses 10b eingesetzt ist. Die 2 zeigt die Leiterplatte 32 mit Blick auf eine der Trennwand 16 abgewandten (Leiterplatten-)Oberseite, wobei die 3 die Leiterplatte 32 mit Blick auf die der Trennwand 16 zugewandte (Leiterplatten- )Unterseite darstellt.
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Auf der Unterseite der Leiterplatte 32 ist eine Anzahl von Halbleiterschaltern 34 angeordnet sind. Insbesondere sind die Halbleiterschalter 34 ein Bestandteil einer Brückenschaltung, beispielsweise einer B4- oder B6-Schaltung, der Elektronik 22, welche insbesondere dem Betrieb des Elektromotors dient. Die Halbleiterschalter 34 sind beispielsweise als DirectFETs ausgeführt.
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Vorzugsweise sind die Halbleiterschalter 34 mit der Trennwand 16 wärmeleittechnisch gekoppelt. Hierzu sind vorzugsweise nicht näher dargestellte thermische Koppelmaterialien vorgesehen, beispielsweise in Form von mit Wärmeleitpaste verbundenen Wärmeleitpads, welche zwischen den Halbleiterschaltern 34 und der Trennwand 16 angeordnet sind.
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Die Leiterplatte 32 weist eine etwa mittige oder zentrale Aussparung 36 als Durchführöffnung für einen axial orientierten (Crash-)Dom 38 der Trennwand 16 auf. Die Leiterplatte 32 weist in dieser Ausführung sechs Halbleiterschalter 34 auf, welche paarweise gruppiert um die Aussparung 36 beziehungsweise den Dom 38 angeordnet sind.
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Die Leiterplatte 32 weist in dieser Ausführung neun Auflagepunkte 40, 40' zur mechanischen, thermischen und/oder elektrischen Kopplung der Leiterplatte 32 mit der Trennwand 16 auf. Die Auflagepunkte 40, 40' sind derart an der Leiterplatte 32 angeordnet, dass im Montagezustand eine möglichst thermisch-, mechanisch- und stressoptimierte Anbindung und Befestigung im Elektronikgehäuse 10b realisiert ist.
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Hierzu sind die Halbleiterschalterpaare tangential beidseitig von jeweils einem Auflagepunkt 40 der Leiterplatte 32 flankiert. Dies bedeutet, dass je Halbleiterschalterpaar zwei seitliche Auflagepunkte 40 vorgesehen sind. Einer der Auflagepunkte 40' ist als eine Massenanbindung der Leiterplatte 32 ausgeführt. Dies bedeutet, dass durch die Schraubbefestigung des Auflagepunkt 40' eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Leiterplatte 32 und dem Elektronikgehäuse 10b realisiert ist, wobei vorzugsweise ein Y-Kondensator der Elektronik 22 mit der Massenanbindung 40' kontaktiert ist.
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Die Auflagepunkte 40, 40' sind im Wesentlichen durch jeweils eine Durchführöffnung 42 für ein Schraubenelement 44 ausgeführt. Die Auflagepunkte 40, 40' weisen hierbei jeweils einen die Durchführöffnungen 42 umgebenden Metallring 46 aus Kupfer auf. Die Metallringe 46 sind hierbei als Aufkupferung der Leiterplatte 32 ausgeführt. Die Metallringe 46 sind beispielsweise mit einer Schutzschicht zum Oxidationsschutz, zum Beispiel eine Zinn- oder eine Nickel-Gold-Legierungsschicht, versehen.
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An der Trennwand 16 eine der Anzahl der Auflagepunkte 40, 40' entsprechende Anzahl von Abstandselementen 48 als Schraubdome angeformt (4). Die Abstandselemente 48 sind hierbei bezogen auf den Dom 38 im gleichen Rastermaß oder Abstand wie die Auflagepunkte 40, 40' um die Aussparung 36 angeordnet. Dadurch liegen die Auflagepunkte 40, 40' bei der Montage axial fluchtend auf den Abstandselementen 48 auf. Die etwa zylindrischen Abstandselemente 48 weisen jeweils eine Gewindebohrung auf, wobei der obere Rand der Gewindebohrung im Montagezustand mit dem jeweils zugeordneten Metallring 46 einen Berührungskontakt aufweist. Dadurch wird die Halterung und Abstützung der Leiterplatte 32 verbessert, wodurch im Verdichterbetrieb weniger Vibrationen auftreten und somit eine Geräuschentwicklung reduziert wird.
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Die Abstandselemente 48 sind somit als lokale Gehäuseauflageflächen der Trennwand 16 für die Leiterplatte 32 ausgebildet. Die Abstandselemente 48 weisen hierbei vorzugsweise alle die gleiche (axiale) Höhe auf, dies bedeutet, dass die freiendseitigen Auflageflächen der Abstandselemente 48 im Wesentlichen alle den gleichen Abstand zum Boden 16 des Elektronikfachs 20 aufweisen.
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Die Auflagepunkte 40 weisen aufgrund der Metallringe 46 ein einheitliches Höhenniveau mit der Massenanbindung 40' auf. Dadurch weist die Leiterplatte 32 bei der Auflage auf den Abstandselementen 48 das gleiche Höhenniveau an allen Auflagepunkten 40, 40' auf, so dass eine stressoptimierte Schraubmontage der Leiterplatte ermöglicht ist. Insbesondere ist im schraubbefestigten Zustand der Leiterplatte 32 eine mechanische Belastung kleiner 500 ppm/mm realisiert.
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Das in 4 einzeln dargestellte Elektronikfach 20 der Elektronikeinheit 24 weist einen im Wesentlichen durch die Trennwand 16 gebildeten (Topf-)Boden und einen umlaufenden (Gehäuse- oder Topf-)Mantel als Gehäusewand 50 auf. In dem Elektronikfach 20 ist der Bauraum zur Aufnahme der Elektronik 22 gebildet, wobei der Bauraum im Montagezustand mittels des stirnseitig aufgesetzten Elektronikfachdeckels 18 verschlossen ist.
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Wie anhand der 4 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, sind der Dom 38 und die Abstandselemente 48 etwa axial oder senkrecht emporstehend in Richtung der Leiterplatte 32 beziehungsweise des Elektronikfachdeckels 18 an die Trennwand einstückig angeformt. Der Dom 38 und die Abstandselemente 52 verlaufen beispielsweise im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse des Elektromotors.
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Im Verdichterbetrieb ist Motorbauraum des Motorgehäuses 10a von einem Kältemittel oder Sauggas durchspült. Hierbei tritt das Kältemittel als Fluid über den seitlichen Einlass 28 in das Innere des Motorgehäuses 10b. Im Betrieb fließt daher kaltes Kältemittel vom Einlass 28 entlang der etwa zylindrischen Gehäusewand des Motorgehäuses an der Trennwand 16 vorbei und transportiert von dort Wärme aus dem Elektronikgehäuse 10b ab.
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Während der Montage der Leiterplatte 32 in das Elektronikgehäuse 10b wird die Leiterplatte 32 mit über die Abstandselemente 48 mit der Trennwand 16 verschraubt.
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Die Trennwand 16 weist weiterhin drei druckdichte Durchkontaktierungen 52 für drei axial emporstehende Phasenanschlüsse 54 der Motor- oder Statorwicklung auf, welche im Montagezustand mit der Brückenschaltung der Elektronik 22 gekoppelt sind.
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Die Gehäusewand 50 weist an einer Stelle eine radial nach innen ragende Nase 56 als einstückig angeformten Fortsatz auf, welche in eine randseitige Aufnahme oder Aussparung 58 der Leiterplatte 32 als Verdrehsicherung formschlüssig eingreift.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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So ist es zusätzlich oder alternativ zu den Metallringen 46 der Auflagepunkte 40 ebenso denkbar, dass die Abstandselemente 48 bearbeitet sind, um ein einheitliches Höhenniveau bei der Leiterplattenmontage zu gewährleisten. Beispielsweise sind die Abstandselemente 48 der Auflagepunkte 40 gegenüber dem Abstandselement 48 des Auflagepunkts 40' um die Höhe des Metallrings 46 erhöht. Ebenso denkbar ist beispielsweise, dass das Abstandselement 48 des Auflagepunkts 40' um die Höhe des Metallrings 46 reduziert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Nebenaggregat
- 4
- Antrieb
- 6
- Verdichterkopf
- 8
- Lagerschild
- 10
- Antriebsgehäuse
- 10a
- Motorgehäuse
- 10b
- Elektronikgehäuse
- 12
- Verdichterkopfgehäuse
- 14
- Flanschverbindung
- 16
- Trennwand/Boden
- 18
- Elektronikfachdeckel
- 20
- Elektronikfach
- 22
- Elektronik
- 24
- Elektronikeinheit
- 26
- Anschlussabschnitt
- 28
- Einlass
- 30
- Auslass
- 32
- Leiterplatte
- 34
- Halbleiterschalter
- 36
- Aussparung
- 38
- Dom
- 40
- Auflagepunkt
- 40'
- Auflagepunkt/Massenanbindung
- 42
- Durchführöffnung
- 44
- Schraubenelement
- 46
- Metallring
- 48
- Abstandselement
- 50
- Gehäusewand
- 52
- Durchkontaktierung
- 54
- Phasenanschluss
- 56
- Nase
- 58
- Aufnahme
