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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Inverter für Hochvoltapplikationen.
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Inverter für Hochvoltapplikationen umfassen zumeist einen Hochvoltleistungsanschluss für einen Spannungsbereich von über 100 V Gleichstrom. Entsprechend arbeitet ein zugehöriger EMV-Filter ebenfalls in einem Spannungsbereich von mehr als 100 V Gleichstrom. Die zugehörige Kommutierungszelle des Inverters arbeitet in einem Arbeitsbereich von über 100 V Gleichstrom und über 100 V Wechselstrom.
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Der Inverter ist dabei oftmals in abgeschlossene Bereiche, sog. EMV-Zonen, unterteilt. Durch eine EMV-Zone wird ein faradayscher Käfig gebildet. Eine Signal- und Rechenelektronik arbeitet typischerweise in einem Spannungsbereich von 0 bis 12 V und dabei eine Niederspannungselektronik. Eine Leiterplatte und zugehörige Steckverbinder der Signal- und Rechenelektronik ist typischerweise auch vollständig in einer EMV-Zone angeordnet.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Inverter für Hochvoltapplikationen umfasst eine Steuereinheit und Kommutierungszelle. Die Kommutierungszelle ist in einem ersten metallischen Gehäuse angeordnet, von welchen die Kommutierungszelle umschlossen wird. Die Steuereinheit ist in einer Kunststoffgehäuseschale angeordnet, wobei die Kunststoffgehäuseschale mit einer ersten Seite auf das erste metallische Gehäuse aufgesetzt ist und einen formschlüssigen Abschluss mit dem ersten metallischen Gehäuse bildet, wobei das erste metallische Gehäuse in einem von der Kunststoffgehäuseschalte überdeckten Bereich eine Durchgangsöffnung aufweist, durch die eine elektrische Verbindung zwischen der Steuereinheit und der Kommutierungszelle geführt ist. Die Kommutierungszelle umfasst eine Leistungselektronik, welche insbesondere mehrere Leistungstransistoren umfasst. Insbesondere sind die Leistungstransistoren der Kommutierungszelle derart verschaltet, dass durch diese ein Gleichstrom geschaltet wird, um einen Wechselstrom zu erzeugen. Durch das Schalten hoher Spannungen entsteht dabei eine elektromagnetische Abstrahlung, welche durch das erste metallische Gehäuse begrenzt wird.
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Die Steuereinheit ist in der Kunststoffgehäuseschale angeordnet. Die Kunststoffgehäuseschale ist dabei insbesondere eine auf der ersten Seite geöffnete Schale, wobei die Steuereinheit innerhalb dieser Schale angeordnet ist. Die Kunststoffgehäuseschale ist auf eine Oberfläche des ersten metallischen Gehäuses aufgesetzt und bildet mit diesem einen formschlüssigen Abschluss. Das bedeutet, dass durch die Kombination der Kunststoffgehäuseschale und der Oberfläche des ersten metallischen Gehäuses die Steuereinheit eingeschlossen wird. Die Steuereinheit ist dabei jedoch nicht beidseitig in ein metallisches Gehäuse eingeschlossen, wie das für die Kommutierungszelle der Fall ist.
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Das erste metallische Gehäuse weist in dem von der Kunststoffgehäuseschale überdeckten Bereich eine Durchgangsöffnung auf, durch welche eine elektrische Verbindung zwischen der Steuereinheit und der Kommutierungszelle geführt ist. Dadurch, dass die Durchgangsöffnung somit ebenfalls von der Kunststoffgehäuseschale überdeckt wird, wird verhindert, dass Flüssigkeiten oder Verschmutzungen über die Durchgangsöffnung in das erste metallische Gehäuse eindringen können.
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Durch die Kombination des ersten metallischen Gehäuses und der Kunststoffgehäuseschale kann sowohl die Kommutierungszelle als auch die Steuereinheit von einem zugehörigen Gehäuse geschützt werden, wobei jedoch ein minimaler Aufwand von metallischen Materialien benötigt wird. Dies führt u.a. auch zu einem Kostenvorteil.
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Durch den erfindungsgemäßen Inverter wird somit ein Kunststoffanteil an einem Gehäuse gegenüber herkömmlichen System erhöht.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Es ist vorteilhaft, wenn in der Durchgangsöffnung ein erster Steckverbinder angeordnet ist, über den die elektrische Verbindung zwischen der Steuereinheit und der Kommutierungszelle bereitgestellt ist. Der erste Steckverbinder weist dabei bevorzugt einen äußeren Umfang auf, der einem inneren Umfang der Durchgangsöffnung entspricht. Das bedeutet mit anderen Worten, dass die Durchgangsöffnung bevorzugt vollständig von dem ersten Steckverbinder aufgefüllt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass die Durchgangsöffnung eine minimale Größe hat, wodurch ein minimaler Aus- oder Eintritt von elektromagnetischen Wellen durch die Durchgangsöffnung erfolgen kann. Dabei ist ein Steckerinterface, also Stecker oder Buchse, des Steckverbinders direkt auf einer Leiterplatte der Steuereinheit angebracht, welche bevorzugt auch eine Signalelektronik der Steuereinheit umfasst.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn an der Kunststoffgehäuseschale ein zweiter Steckverbinder angeordnet ist, über den externe Steuersignal und/oder Messsignale zu der Steuereinheit geleitet werden. Ein Steckerinterface des zweiten Steckerverbinders ist komplett in die Kunststoffgehäuseschale integriert. Das bedeutet, dass die Kunststoffgehäuseschale keine Durchgangsöffnung für den zweiten Steckverbinder aufweist, sondern dass das Steckerinterface des zweiten Steckverbinders zumindest anteilig durch die Kunststoffgehäuseschale geformt ist. Es können somit externe Steuersignale und/oder Messsignale zu der Steuereinheit geleitet werden, ohne dass diese durch das erste metallische Gehäuse geführt werden müssen. Auch ist eine Dichtheit der Kunststoffgehäuseschale gewährleistet, da keine Spalte zwischen der Kunststoffgehäuseschale und dem Steckerinterface auftreten.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn in der Kunststoffgehäuseschale ein dritter Steckverbinder angeordnet ist, über den eine Spannungsversorgung der Steuereinheit bereitgestellt wird. Ein Steckerinterface des dritten Steckverbinders ist komplett in die Kunststoffgehäuseschale integriert. Das bedeutet, dass die Kunststoffgehäuseschale keine Durchgangsöffnung für den dritten Steckverbinder aufweist, sondern dass das Steckerinterface des dritten Steckverbinders zumindest anteilig durch die Kunststoffgehäuseschale geformt ist. Es kann somit der Steuereinheit eine Spannungsversorgung bereitgestellt werden, die nicht über die Kommutierungszelle bereitgestellt wird. Die Spannungsversorgung ist dabei insbesondere eine Niederspannungsversorgung für Signal und Steuerelektronik sowie Steuersignalanbindung (CAN BUS/FLEXRAY BUS) aus einem übergeordnetem Fahrzeugsystem.
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Der zweite Steckverbinder und/oder der dritte Steckverbinder sind auch deshalb vorteilhaft, da diese typischerweise vergleichsweise niedrige Spannungen führen. Eine aufwendige Abschirmung dieser Steckverbinder durch ein metallisches Gehäuse ist somit nicht notwendig.
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Es ist vorteilhaft, wenn das erste metallische Gehäuse aus Aluminium gefertigt ist. Dadurch wird unter anderem ein Gewichtsvorteil erreicht. Da Aluminium jedoch aufwendig in der Fertigung sein kann, ist es vorteilhaft, wenn die Anteile an Aluminium an dem Inverter minimiert werden, was durch die Kunststoffgehäuseschale ermöglicht wird.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Inverter eine Filtereinheit umfasst, wobei die Filtereinheit in einem zweiten metallischen Gehäuse angeordnet ist. Die Filtereinheit ist dabei insbesondere ein EMV-Filter. Das zweite metallische Gehäuse ist dabei bevorzugt bündig mit dem ersten metallischen Gehäuse angeordnet, steht also im Kontakt mit dem ersten metallischen Gehäuse. Dadurch, dass die Kommutierungszelle und die Filtereinheit in unterschiedlichen metallischen Gehäusen angeordnet sind, kann eine Einstreuung von elektromagnetischen Interferenzen zwischen den beiden Komponenten verhindert werden.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Kunststoffgehäuseschale mit einem Metall bedampft ist oder aus einem elektrisch leitenden Kunststoff gefertigt ist. Somit wird ermöglicht, dass auch die Kunststoffgehäuseschale eine Schirmung für die Steuereinheit bildet. Da außerhalb des Inverters typischerweise keine hohen Spannungen geschaltet werden, ist eine solche Schirmung typischerweise hinreichend. Eine Schirmung gegenüber dem Inverter wird durch das erste metallische Gehäuse erreicht. Gleichzeitig wird von der Steuereinheit lediglich ein schwaches elektromagnetisches Feld abgestrahlt, welches durch einen elektrisch leitenden Kunststoff oder einen mit Metall bedampften Kunststoff abgeschirmt wird.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn durch die Kommutierungszelle Spannungen von mehr als 100 Volt geschaltet werden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit mit einer Spannung zwischen 0 V und 12 V betrieben wird.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Inverters in einem Querschnitt,
- 2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Inverters, und
- 3 eine schematische Darstellung einer Kunststoffgehäuseschale mit darin geordneter Steuereinheit aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Inverter 1 für Hochvoltapplikationen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist der Inverter 1 in einer vereinfachten Darstellung in einem Querschnitt gezeigt. Der Inverter 1 ist auch in 2 dargestellt, wobei der Inverter 1 in einer dreidimensionalen Ansicht dargestellt ist.
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Der Inverter 1 ist dabei dafür ausgelegt, einen Gleichstrom von über 100 Volt in einen Wechselstrom von über 100 Volt umzusetzen. Der Inverter 1 umfasst eine Steuereinheit 2 und eine Kommutierungszelle 3. Die Kommutierungszelle 3 wird durch die Steuereinheit 2 angesteuert. Das bedeutet, dass insbesondere die Schaltvorgänge der Kommutierungszelle 3 durch die Steuereinheit 2 ausgelöst werden. Die Steuereinheit 2 umfasst dafür beispielsweise einen Prozessor 13, durch welchen eine Signalverarbeitung erfolgt und die notwendigen Steuersignale für die Kommutierungszelle 3 bereitgestellt werden. Zusätzliche Treibereinheiten können ebenfalls durch die Steuereinheit 2 bereitgestellt werden. Die Steuereinheit 2 ist dabei eine Signal- und Rechenelektronik, welche auf einer Platine angeordnet ist. Die Signal- und Rechenelektronik wird auch als ELMAR bezeichnet.
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Die Kommutierungszelle 3 ist in einem ersten metallischen Gehäuse 4 angeordnet. Dabei wird die Kommutierungszelle 3 von dem ersten metallischen Gehäuse 4 umschlossen. Das erste metallische Gehäuse ist aus Aluminium gefertigt. Das erste metallische Gehäuse umfasst beispielsweise eine metallische Schale 4a, die auf einer metallischen Bodenplatte 4b aufgesetzt ist.
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Dadurch, dass die Kommutierungszelle 3 von dem metallischen Gehäuse umschlossen wird, wird durch das erste metallische Gehäuse 4 ein faradayscher Käfig geschaffen, durch welchen elektromagnetische Wellen, die bei einem Schaltvorgang der Kommutierungszelle 3 erzeugt werden, abgeschirmt werden. Die Steuereinheit 2 ist außerhalb des ersten metallischen Gehäuses 4 angeordnet. So ist aus 1 ersichtlich, dass die Steuereinheit 2 in einer Kunststoffgehäuseschale 5 angeordnet ist. Die Kunststoffgehäuseschale 5 ist dabei als eigenständiges Bauteil auf einer Seite offen. Über die offene Seite der Kunststoffgehäuseschale 5 wird die Steuereinheit 2 in die Kunststoffgehäuseschale 5 eingeführt und in dieser befestigt. So erstreckt sich beispielsweise eine Gehäusefläche der Kunststoffgehäuseschale 5, welcher als ein Boden der durch die Kunststoffgehäuseschale 5 geformten Schale betrachtet werden kann, in einer XZ-Ebene. Eine Gehäusewandung erstreckt sich in einer Y-Richtung und umläuft die Gehäusefläche. Die Steuereinheit 2 ist auf der Höhe der die Kunststoffgehäuseschale 5 umlaufenden Wandung angeordnet. Die Steuereinheit 2 wird über mehrere Plastikstege 14, 15 in der Kunststoffgehäuseschale 5 gehalten. Die Kunststoffgehäuseschale 5 bildet somit mit der Steuereinheit 2 eine bauliche Einheit, die auf das erste metallische Gehäuse 4 aufgesetzt wird. In 2 ist die Kunststoffgehäuseschale 5 zusammen mit der Steuereinheit 2 gezeigt, bevor diese auf dem ersten metallischen Gehäuse aufgesetzt werden.
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Die Kunststoffgehäuseschale 5 wird mit einer ersten Seite, welche in 1 unten dargestellt ist, auf das erste metallische Gehäuse 4 aufgesetzt. Die Fläche des ersten metallischen Gehäuses 4, auf welche die Kunststoffgehäuseschale 5 aufgesetzt wird, ist bei der in 2 dargestellten Orientierung des Inverters 1 oben gelegen. Bei entsprechender Ausrichtung des Inverters wird eine Unterseite der Kunststoffgehäuseschale 5, also die erste Seite der Kunststoffgehäuseschale 5, auf die Oberseite des ersten metallischen Gehäuses 4 aufgesetzt. Dadurch wird die durch die Kunststoffgehäuseschale 5 gebildete Schale durch eine Oberfläche des ersten metallischen Gehäuses 4 verschlossen. Somit ist auch die Steuereinheit 2 in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet, welches zum einen aus der Kunststoffgehäuseschale 5 und zum anderen aus einer Oberfläche des ersten metallischen Gehäuses 4 gebildet wird. Damit ein geschlossenes Gehäuse gebildet wird, ist das erste metallische Gehäuse 4 derart geformt, dass dieses mit der Kunststoffgehäuseschale 5 formschlüssig abschließt.
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Das erste metallische Gehäuse 4 weist in einem von der Kunststoffgehäuseschale 5 überdeckten Bereich eine Durchgangsöffnung 6 auf, durch die eine elektrische Verbindung zwischen der Steuereinheit 2 und der Kommutierungszelle 3 geführt ist. Dazu ist auf einer in 2 oben gelegenen Fläche des ersten metallischen Gehäuses 4 die Durchgangsöffnung 6 angebracht, in welcher ein erster Steckverbinder 7 angeordnet ist. Die Durchgangsöffnung 6 weist dabei im Wesentlichen die minimale Dimension auf, die von dem ersten Steckverbinder 7 benötigt. Ein Stecker des ersten Steckverbinders 7 ist dabei eine Komponente der Kommutierungszelle 3. Eine Buchse des ersten Steckverbinders 7 ist dabei eine Komponente der Steuereinheit 2. Die Zuordnung des Steckers und der Buchse können vertauscht sein. Wird die Steuereinheit 2 zusammen mit der Kunststoffgehäuseschale 5 auf das erste metallische Gehäuse 4 aufgesetzt, so werden bei diesem Aufsetzvorgang auch die Buchse und der Stecker des ersten Steckverbinders 7 verbunden. Über den ersten Steckverbinder 7 wird es ermöglicht, dass Steuersignale von der Steuereinheit 2 zu der Kommutierungszelle 3 geleitet werden.
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In der Kunststoffgehäuseschale 5 ist ferner ein zweiter Steckverbinder 8 und ein dritter Steckverbinder 9 angeordnet, wobei zumindest einzelne Komponenten des zweiten und dritten Steckverbinders 8, 9 einteilig mit der Kunststoffgehäuseschale 5 geformt sind. So sind beispielsweise die Stecker der Steckverbinder 8, 9 direkt integriert in Kunststoffdeckel, also in die Kunststoffgehäuseschale 5. Eine Montage einer Leiterplatte der Steuereinheit 2 in die Stecker erfolgt über gleichzeitiges Verbinden der Leiterplatte mit den Steckern sowie dem Kunststoffgehäuse.
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Über den zweiten Steckverbinder 8 werden externe Steuersignale und/oder Messsignale für eine Verarbeitung durch die Steuereinheit 3 bereitgestellt. Über den dritten Steckerbinder 9 wird eine Spannungsversorgung von 12 V der Steuereinheit 3 bereitgestellt. Über den zweiten Steckverbinder 8 und/oder den dritten Steckverbinder 9 werden optional Steuersignale eines übergeordneten Systems kommuniziert.
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In 3 ist eine Detailansicht der Steuereinheit 3 abgebildet, wobei die Steuereinheit 3 in der Kunststoffgehäuseschale 5 eingesetzt ist. Es ist ersichtlich, dass der erste Steckverbinder 7 auf der offenen Seite der Kunststoffgehäuseschale 5 gelegen ist, damit dieser in die Durchgangsöffnung 6 des ersten metallischen Gehäuses 4 eingeführt werden kann, wenn die Kunststoffgehäuseschale 5 mit der Steuereinheit 2 auf das erste metallische Gehäuse 4 aufgesetzt wird. Die in 3 dargestellten Abbildungen der Kunststoffgehäuseschale 5 mit der Steuereinheit 2 bilden diese Einheiten in zwei unterschiedlichen Ansichten ab. So ist in 3 links die Seite der Kunststoffgehäuseschale 5 und der Steuereinheit 2 abgebildet, die dem ersten metallischen Gehäuse 4 zugewandt sind, also die erste Seite, und in 3 rechts ist die Seite der Kunststoffgehäuseschale 5 dargestellt, die dem ersten metallischen Gehäuse 4 abgewandt ist. In 3 rechts ist dabei die Steuereinheit 2 nicht erkenntlich, da diese von der Kunststoffgehäuseschale 5 verdeckt wird. Dabei ist jedoch der zweite Steckverbinder 8 und der dritte Steckverbinder 9 sichtbar.
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Der Inverter 1 umfasst eine Filtereinheit 10, wobei die Filtereinheit 10 ein EMV-Filter ist. Die Filtereinheit 10 ist in einem zweiten metallischen Gehäuse 11 angeordnet. Das zweite metallische Gehäuse 11 ist aus Aluminium gefertigt. Das zweite metallische Gehäuse 11 umfasst ein schalenförmiges Oberteil 11 a, welches auf der Basisplatte 4b angeordnet ist. Die Basisplatte 4b bildet somit mit einem Abschnitt einen Teil des ersten metallischen Gehäuses 4 und mit einem anderen Abschnitt einen Teil des zweiten metallischen Gehäuses 11. Durch das schalenförmige Oberteil 11a und die Basisplatte 4b wird die Filtereinheit 10 eingeschlossen. Somit erstreckt sich das zweite metallische Gehäuse 11 in Y-Richtung entlang der Seitenwandung der Kunststoffgehäuseschale 5. Die Filtereinheit 10 ist über einen Verbinder 16 elektrisch mit der Kommutierungszelle 3 verbunden.
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Das zweite metallische Gehäuse 11 weist eine in 1 obenliegende Durchgangsöffnung auf, in der ein Hochvoltleistungsanschluss 12 angebracht ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Hochvoltleistungsanschluss 12 in anderen Ausführungsformen auch zur Seite und nach unten ausgerichtet sein kann. Über den Hochvoltleistungsanschluss 12 wird dem Inverter 1 eine Gleichstromeingangsspannung von mehr als 100 Volt bereitgestellt. Diese wird durch die Filtereinheit 10 gefiltert und der Kommutierungszelle 3 bereitgestellt. Eine entsprechend elektrische Verbindung zwischen der Kommutierungszelle 3 und der Filtereinheit 10 ist von einem Inneren des zweiten metallischen Gehäuses 11 zu einem Inneren des ersten metallischen Gehäuses 4 geführt. Durch die Kommutierungszelle 3 wird gemäß der Steuersignale der Steuereinheit 2 der Gleichstrom geschaltet und als ein Wechselstrom über mehrere Ausgangsleitungen 17 von dem Inverter 1 ausgegeben. Dabei ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht relevant, wie viele Phasen der ausgegebene Wechselstrom aufweist.
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Der Inverter 1 wird beispielsweise in einem automotiven Umfeld eingesetzt. Gerade in einem solchen Umfeld kann es zu erheblichen elektromagnetischen Einstrahlungen kommen, wodurch es vorteilhaft ist, dass die Steuereinheit 2 ebenfalls gegenüber externer Störeinflüsse abgeschirmt ist. Dazu ist die Kunststoffgehäuseschale 5 optional aus einem elektrisch leitenden Kunststoff gefertigt oder mit Metall bedampft. Somit wird auch die Kunststoffgehäuseschale 5 elektrisch leitfähig und es kann eine elektrische Abschirmung erfolgen, da in Kombination mit der Oberfläche des ersten metallischen Gehäuses 4 ein faradayscher Käfig gebildet wird.
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Die Steuereinheit 3 wird somit in einem separat ausgeführten halboffenen Gehäuse aus Kunststoff aufgenommen. Dabei können insbesondere auch weitere Schnittstellen, insbesondere Niedervoltschnittstellen, in die Kunststoffgehäuseschale 5 integriert sein. Durch den erfindungsgemäßen Inverter 1 wird eine effizient geschützte, insbesondere EMV-geschützte, Signalverbindung zwischen der Steuereinheit 2 und der Kommutierungszelle 3 bereitgestellt. Durch den erfindungsgemäßen Inverter 1 wird ein Montageaufwand bei einer Endmontage des Inverters 1 reduziert. Gleichzeitig wird ein erhöhter Kunststoffanteil am Invertergehäuse gegenüber bisher bekannten Invertern 1 erreicht. Somit erfolgt auch eine Materialeinsparung bei der Fertigung des Gehäuses des Inverters 1. Insbesondere ist ein erfindungsgemäßer Inverter 1 auch dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumgehäusewand des ersten metallischen Gehäuses 4 unterhalb der Steuereinheit 2 und somit unterhalb einer zugehörigen Signal- und Rechenelektronik gelegen ist. Dabei ist durch die Durchgangsöffnung 6 in der in dem metallischen Gehäuse 4 ein kleiner Durchbruch im Gehäuse für eine Schnittstelle zwischen Steuereinheit 2 und Kommutierungszelle 3 geschaffen.
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In alternativen Ausführungsformen ist das erste metallische Gehäuse 4 mit dem zweiten metallischen Gehäuse 11 zu einem einzelnen Gehäuse zusammengefasst. Dies ist beispielhaft in 4 dargestellt
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Nebst obenstehender Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der 1 bis 4 verwiesen.
