DE102022102408A1 - Electrical System and Electric Drive Unit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein elektrisches System mit optimierter Wärmeableitung und eine elektrische Antriebseinheit, die das elektrische System umfasst.Das elektrisches System umfasst eine Stromschiene (1), ein Maschinenelement (20) sowie ein Wärmeleitelement (40), welches die Stromschiene (1) wärmeleitfähig kontaktiert, wobei das Maschinenelement (20) an einer der Stromschiene (1) zugewandten Seite zumindest bereichsweise ein von einer äußeren Erstreckungsebene (21) hervorstehendes Formelement (30) umfasst, welches eine Anlagefläche (31) ausbildet, und wobei das Wärmeleitelement (40) mit einem bodenseitigen Anlageelement (41) an der Anlagefläche (31) wärmeleitfähig anliegt und mit einem Ummantelungselement (42) das hervorstehende Formelement (30) ummantelt.Mit dem hier vorgeschlagenen elektrischen System und der damit ausgestatteten elektrischen Antriebseinheit werden Einrichtungen zur Verfügung gestellt, welche eine optimierte Wärmeabfuhr bei geringem Bauraumbedarf gewährleisten.The invention relates to an electrical system with optimized heat dissipation and an electrical drive unit that includes the electrical system. The electrical system includes a busbar (1), a machine element (20) and a heat-conducting element (40) that makes thermally conductive contact with the busbar (1). , wherein the machine element (20) on a side facing the conductor rail (1) comprises at least in regions a shaped element (30) which protrudes from an outer extension plane (21) and forms a contact surface (31), and wherein the heat-conducting element (40) has a bottom-side contact element (41) bears against the contact surface (31) in a thermally conductive manner and encases the protruding shaped element (30) with a encasing element (42). With the electrical system proposed here and the electric drive unit equipped with it, devices are made available which optimize heat dissipation guarantee with little space requirement.
Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches System mit optimierter Wärmeableitung und eine elektrische Antriebseinheit, die das elektrische System umfasst.The invention relates to an electrical system with optimized heat dissipation and an electrical drive unit that includes the electrical system.
In elektrischen Systemen, insbesondere in solchen, die mit Hochspannung betrieben werden, kommen als Stromleiter oftmals Stromschienen, auch Busbar genannt, zum Einsatz.In electrical systems, in particular in those that are operated with high voltage, current rails, also known as busbars, are often used as current conductors.
Aufgrund der anliegenden hohen Ströme kommt es häufig zu widerstandsbedingten Erwärmungen, auch der Stromschienen. Um widerstandsbedingte Verluste zu verringern und/oder um die Stromschiene selbst bzw. auch andere, angrenzende Komponenten zu schützen ist es oftmals notwendig bzw. aus Gründen der Sicherheit angebracht, Wärme von der Stromschiene abzuleiten. Insbesondere in Ausgestaltungen, bei denen die Stromschiene mit einem Modul elektrisch leitfähig gekoppelt ist, welches selbst an seiner Außenseite ein Kunststoffgehäuse aufweist bzw. eine Kunststoff-Ummantelung, ist jedoch eine Wärmeübertragung auf ein derartiges Modul in nur verringerter Weise möglich bzw. ebenfalls mit der Gefahr der Beschädigung des Kunststoffs des Moduls verbunden.Due to the high currents present, resistance-related heating often occurs, including the busbars. In order to reduce resistance-related losses and/or to protect the busbar itself or also other adjacent components, it is often necessary or appropriate for safety reasons to dissipate heat from the busbar. However, particularly in configurations in which the busbar is electrically conductively coupled to a module which itself has a plastic housing or a plastic casing on its outside, heat transfer to such a module is only possible to a reduced extent or is also dangerous damage to the plastic of the module.
Zur Ableitung von Wärme existieren beispielsweise sogenannte Gap Pads, also im Wesentlichen zweidimensionale Körper, welche aus Wärmeleitmaterial bestehen, um in Luftspalten Wärmeschnittstellen zwischen elektronischen Bauelementen und Kühlkörpern zu realisieren.To dissipate heat, there are, for example, so-called gap pads, that is to say essentially two-dimensional bodies which consist of thermally conductive material in order to create thermal interfaces between electronic components and heat sinks in air gaps.
Derartige Gap Pads müssen jedoch die elektrischen Anforderungen hinsichtlich einer ausreichenden Luftstrecke und Kriechstrecke erfüllen. Bei zweidimensional geformten Gap Pads ist dies nur möglich, wenn das Gap Pad ausladende Bereiche aufweist, welche über eine Anlagefläche, an dem das Gap Pad wärmeleitfähig anliegt, hinausragen. Diese Ausführungsform bedingt jedoch einen recht großen Bauraumbedarf, da aufgrund der notwendigen Einhaltung einer ausreichenden Luftstrecke der Randbereich des Gap Pads ausreichend weit von einem benachbarten stromführenden Teil angeordnet sein muss. Allerdings steht insbesondere bei benachbarten Stromschienen unterschiedlicher Polarität oftmals nicht genügend Bauraum zur Verfügung, um Gap Pads an beiden Stromschienen mit ausladenden Randbereichen anzuordnen, da diese oftmals relativ dicht nebeneinander angeordnet sind.However, such gap pads must meet the electrical requirements with regard to a sufficient clearance and creepage distance. In the case of two-dimensionally shaped gap pads, this is only possible if the gap pad has expansive areas which protrude beyond a contact surface on which the gap pad bears in a thermally conductive manner. However, this embodiment requires a large amount of installation space, since the edge area of the gap pad must be arranged sufficiently far from an adjacent current-carrying part due to the need to maintain a sufficient air gap. However, particularly in the case of adjacent busbars of different polarity, there is often not enough installation space available to arrange gap pads on both busbars with protruding edge regions, since these are often arranged relatively close together.
Zudem besteht bei einem derartig ausgeführten Gap Pad das Risiko, dass ein derartiger ausladender Randbereich in Schwingung gerät und dabei akustische Emissionen erzeugt und/oder an benachbarte Bauteile anschlägt.In addition, with a gap pad designed in this way, there is a risk that such a protruding edge region will vibrate and thereby generate acoustic emissions and/or hit neighboring components.
Zur Behebung der genannten Nachteile könnten Anlageflächen an Maschinenelementen, in die Wärme von der jeweiligen Stromschiene geleitet werden soll, kleiner ausgestaltet werden, um die auskragenden Bereiche eines jeweiligen Gap Pads ausreichend weit darüber hinaus zuführen. Dies wiederum bedingt eine verringerte Fläche, über die Wärme übertragen werden kann, was entsprechend den Wärmeableitungseffekt verringert.To eliminate the disadvantages mentioned, contact surfaces on machine elements into which heat is to be conducted from the respective busbar could be made smaller in order to lead the projecting areas of a respective gap pad sufficiently far beyond. This in turn results in a reduced area over which heat can be transferred, correspondingly reducing the heat dissipation effect.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches System und eine damit ausgestattete elektrische Antriebseinheit zur Verfügung zu stellen, welche eine optimierte Wärmeabfuhr mit einem geringen Bauraumbedarf gewährleisten.Proceeding from this, the object of the present invention is to provide an electrical system and an electrical drive unit equipped therewith, which ensure optimized heat dissipation with a small installation space requirement.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das elektrische System gemäß Anspruch 1 sowie durch die elektrische Antriebseinheit gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen des elektrischen Systems sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 angegeben.This object is achieved by the electrical system according to
Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.The features of the claims can be combined in any technically meaningful way, with the explanations from the following description and features from the figures also being able to be used for this purpose, which include supplementary configurations of the invention.
Die Erfindung betrifft ein elektrisches System mit optimierter Wärmeableitung, welches eine Stromschiene, ein Maschinenelement sowie ein Wärmeleitelement umfasst, das die Stromschiene wärmeleitfähig kontaktiert. Das Maschinenelement umfasst an einer der Stromschiene zugewandten Seite zumindest bereichsweise ein von einer äußeren Erstreckungsebene hervorstehendes Formelement, welches eine Anlagefläche ausbildet. Das Wärmeleitelement liegt mit einem bodenseitigen Anlageelement an der Anlagefläche wärmeleitfähig an und ummantelt mit einem Ummantelungselement das hervorstehende Formelement.The invention relates to an electrical system with optimized heat dissipation, which comprises a busbar, a machine element and a heat-conducting element that makes thermally conductive contact with the busbar. On a side facing the conductor rail, the machine element comprises, at least in regions, a shaped element which protrudes from an outer plane of extension and which forms a contact surface. The heat-conducting element bears with a base-side contact element on the contact surface in a thermally conductive manner and encases the protruding shaped element with a sheathing element.
Die äußere Erstreckungsebene des Maschinenelements ist eine Ebene, in der die Außenseite einer der Stromschiene zugewandten Begrenzungswand verläuft, außerhalb des jeweiligen hervorstehenden Formelements.The outer extension plane of the machine element is a plane in which the outside of a boundary wall facing the busbar runs, outside of the respective protruding shaped element.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Stromschiene, auch Busbar genannt, ein Leistungsmodul sowie einen Kondensator elektrisch leitfähig verbindet.In one embodiment, it is provided that the conductor rail, also known as a busbar, electrically conductively connects a power module and a capacitor.
Das Leistungsmodul und der Kondensator können Bestandteile einer Leistungselektronik sein, die einen Hochvolt-Zwischenkreis ausbildet, zwischen einer Batterie bzw. einem elektrischen Energiespeicher und einer elektrischen Antriebsmaschine, insbesondere eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Der Kondensator kann dabei ein Element eines Umrichters sein, der dazu eingerichtet ist, von der Batterie bereitgestellte Gleichspannung bzw. Gleichstrom schnell dem Leistungsmodul über die Stromschiene zuzuführen, welches diese in Wechselspannung umwandelt.The power module and the capacitor can be components of power electronics that form a high-voltage intermediate circuit between a battery or an electrical Ener giespeicher and an electric drive machine, in particular an electrically driven motor vehicle. In this case, the capacitor can be an element of a converter which is set up to quickly feed direct current or direct current provided by the battery to the power module via the busbar, which converts this into alternating current.
Wärme von der Stromschiene wird entsprechend von der Stromschiene über das Wärmeleitelement in das Maschinenelement übertragen. Ein derartiges Wärmeleitelement wird auch als Gap Pad oder als Thermal Interface Material (TIM) bezeichnet.Heat from the busbar is correspondingly transferred from the busbar to the machine element via the heat-conducting element. Such a heat-conducting element is also referred to as a gap pad or thermal interface material (TIM).
Auf Grund dessen, dass das Maschinenelement ein großvolumiges Bauteil größerer Masse ist, insbesondere wenn es ein Gehäuseelement oder Gehäuse ist, ist dessen spezifische Wärmekapazität hoch und seine Flächen zur Umgebungsluft sind groß, so dass das Maschinenelement viel Wärme aufnehmen kann und/ oder über die Flächen über Konvektion an die Umgebung abgeben kann. Bei wärmeleitfähiger Verbindung des Maschinenelements mit weiteren Aggregaten wird dieser Effekt weiter verstärkt. Erfindungsgemäß wird also erreicht, dass die Wärme der Stromschiene nicht in der Stromschiene verbleiben muss bzw. nicht über ein wenig thermisch leitfähiges Kunststoffgehäuse abgeführt werden muss.Due to the fact that the machine element is a large-volume component of greater mass, especially if it is a housing element or housing, its specific heat capacity is high and its surfaces to the ambient air are large, so that the machine element can absorb a lot of heat and / or over the surfaces can give off to the environment via convection. If the machine element is connected to other units in a thermally conductive manner, this effect is further intensified. According to the invention, it is thus achieved that the heat of the busbar does not have to remain in the busbar or does not have to be dissipated via a slightly thermally conductive plastic housing.
Dadurch ergibt sich eine konstruktiv optimierte Entwärmung der Stromschiene.This results in a constructively optimized heat dissipation of the busbar.
Das Wärmeleitelement deckt das hervorstehende Formelement nicht nur an der Anlagefläche, insbesondere vollständig, ab, sondern bedeckt das hervorstehende Formelement auch an seitlichen Begrenzungsflächen des hervorstehenden Formelements, wenn dieses im Querschnitt ein Polygon ausbildet, bzw. an der einen seitlichen Begrenzungsfläche, wenn dieses einen runden Querschnitt aufweist. The heat-conducting element not only covers the protruding shaped element on the contact surface, in particular completely, but also covers the protruding shaped element on the lateral boundary surfaces of the protruding shaped element if this forms a polygon in cross section, or on one lateral boundary surface if it is round has cross section.
Lediglich der Bereich bzw. die Seite des hervorstehenden Formelements, in dem bzw. an der das hervorstehende Formelement am Maschinenelement angeschlossen ist, ist nicht vom Wärmeleitelement bedeckt.Only the area or the side of the protruding shaped element in which or on which the protruding shaped element is connected to the machine element is not covered by the heat-conducting element.
Eine seitliche Begrenzungsfläche des hervorstehenden Formelements ist dabei eine Fläche, die im Maschinenelement die Verbindung zwischen der Ebene, in der die Außenseite einer der Stromschiene zugewandten Begrenzungswand verläuft, und der Anlagefläche des Maschinenelements, an dem das Wärmeleitelement anliegt, realisiert.A lateral boundary surface of the protruding shaped element is a surface that realizes the connection in the machine element between the plane in which the outside of a boundary wall facing the busbar runs and the contact surface of the machine element on which the heat-conducting element rests.
Entsprechend ist vorgesehen, dass das Wärmeleitelement dreidimensional geformt ist, im Wesentlichen wie ein Topf oder Napf, mit einem bodenseitengen Anlageelement als Boden des Topfs, und mit dem Ummantelungselement als Topfwand. Das Ummantelungselement kann dabei ebenfalls wärmeleitfähig an der einen seitlichen Begrenzungsfläche oder an mehreren seitlichen Begrenzungsflächen des hervorstehenden Formelements anliegen. In einer alternativen Ausführungsform ist ein minimaler Abstand zwischen dem Ummantelungselement und der einen seitlichen Begrenzungsfläche bzw. mehreren seitlichen Begrenzungsflächen realisiert. Das Maschinenelement kann insbesondere ein Gehäuseelement sein, oder auch ein komplettes Gehäuse einer Baueinheit.Accordingly, it is provided that the heat-conducting element is shaped three-dimensionally, essentially like a pot or bowl, with a contact element on the bottom side as the bottom of the pot, and with the casing element as the pot wall. The encasing element can likewise rest in a thermally conductive manner on one lateral boundary surface or on a plurality of lateral boundary surfaces of the protruding shaped element. In an alternative embodiment, a minimum distance is realized between the encasing element and the one lateral boundary surface or multiple lateral boundary surfaces. The machine element can in particular be a housing element, or also a complete housing of a structural unit.
Das hervorstehende Formelement kann auch als Kühlplateau bezeichnet werden, welches von dem Ummantelungselement des Wärmeleitelements umschlossen ist. Das Wärmeleitelement bildet an der Anlagefläche anliegend ein bodenseitiges Anlageelement aus, das mit dem Ummantelungselement fest und wärmeleitfähig verbunden ist. Insbesondere sind das bodenseitige Anlageelement sowie das Ummantelungselement integrale Bestandteile des Wärmeleitelements. Die Dreidimensionalität des Wärmeleitelements dient zur Vergrößerung der Oberfläche zwecks Abgabe von Wärme an die Umgebung mittels Konvektion, sowie zur Verbesserung der Wärmeübertragung an das Maschinenelement, sowie zur Verlängerung der Kriechstrecke, ohne wesentliche Bauraumnutzung.The protruding shaped element can also be referred to as a cooling plateau, which is surrounded by the casing element of the heat-conducting element. The heat-conducting element forms a base-side contact element lying against the contact surface, which contact element is firmly and thermally conductively connected to the casing element. In particular, the base-side contact element and the encasing element are integral components of the heat-conducting element. The three-dimensionality of the heat-conducting element serves to enlarge the surface for the purpose of dissipating heat to the environment by means of convection, as well as to improve the heat transfer to the machine element and to extend the creepage distance without significantly using the installation space.
Das Wärmeleitelement kann in einer einfachen Ausführungsform mittels Spritzgusses hergestellt sein, wobei jedoch auch eine Herstellung mittels additiver Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel 3D-Druck nicht ausgeschlossen ist.In a simple embodiment, the heat-conducting element can be produced by means of injection molding, although production by means of additive manufacturing processes, such as 3D printing, is not ruled out.
In einer Ausführungsform des elektrischen Systems ist vorgesehen, dass wenigstens eine seitliche Begrenzungsfläche des hervorstehendes Formelements in einem Winkel von 60° bis 120° in Bezug zur Anlagefläche angeordnet ist.In one embodiment of the electrical system, it is provided that at least one lateral delimiting surface of the protruding shaped element is arranged at an angle of 60° to 120° in relation to the contact surface.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Anlagefläche eben ist. Entsprechend bildet das hervorstehende Formelement im Wesentlichen die Form eines Vorsprungs mit einer stirnseitigen Anlagefläche und dem Querschnitt eines Polygons oder auch mit einem runden Querschnitt aus, wobei das Ummantelungselement des Wärmeleitelements um eine Längsachse des hervorstehenden Formelements, welche im Wesentlichen senkrecht zur Anlagefläche verläuft, um das hervorstehende Formelement herum ausgebildet ist.In an advantageous embodiment it is provided that the contact surface is flat. Accordingly, the protruding shaped element essentially forms the shape of a projection with a front contact surface and the cross section of a polygon or also with a round cross section, with the casing element of the heat conducting element around a longitudinal axis of the protruding shaped element, which runs essentially perpendicular to the contact surface, around the protruding molding is formed around.
Das Maschinenelement kann aus einem Material bestehen, welches eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 40 W/mK aufweist. Insbesondere kann das Maschinenelement aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sein, wie z.B. Stahlguss oder Gusseisen.The machine element can consist of a material which has thermal conductivity of at least 40 W/mK. In particular, the machine element can be made of a metallic material, such as cast steel or cast iron.
Das Wärmeleitelement kann aus einem Material bestehen, welches eine Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 1,6 W/mK aufweist.The heat-conducting element can consist of a material which has a thermal conductivity of at least 1.6 W/mK.
Insbesondere kommt als Werkstoff für das Wärmeleitelement ein Silikon mit Keramik- und/ oder Glasfaserzusätzen in Frage.In particular, a silicone with ceramic and/or glass fiber additives comes into consideration as a material for the heat-conducting element.
Gleichzeitig sollte das Material des Wärmeleitelements eine elektrisch isolierende Wirkung aufgrund einer Durchschlagfestigkeit von mindestens 12 kV/mm aufweisen. In einer Ausführungsform des elektrischen Systems ist vorgesehen, dass der Abstand As zwischen der Stromschiene und der Anlagefläche des hervorstehenden Formelements maximal 3 mm beträgt.At the same time, the material of the heat-conducting element should have an electrically insulating effect due to a dielectric strength of at least 12 kV/mm. In one embodiment of the electrical system, it is provided that the distance As between the busbar and the contact surface of the protruding shaped element is at most 3 mm.
Entsprechend dick ist das dazwischenliegende, bodenseitige Anlageelement des Wärmeleitelements ausgeführt, wobei das bodenseitige Anlageelement mit einer leichten Presspassung zwischen der Stromschiene und der Anlagefläche angeordnet sein kann. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Abstand nicht mehr als 2 mm, gegebenenfalls nicht mehr als 1 mm beträgt. Das bedeutet, dass sich ein jeweiliges hervorstehendes Formelement, welches als Anlagefläche ein sogenanntes Plateau ausführt, bis auf eine minimale Distanz zur Stromschiene an diese heranreicht.The intermediate, bottom contact element of the heat conducting element is designed to be correspondingly thick, it being possible for the bottom contact element to be arranged with a slight press fit between the busbar and the contact surface. In an advantageous embodiment it is provided that the distance is not more than 2 mm, optionally not more than 1 mm. This means that a respective protruding shaped element, which forms a so-called plateau as a contact surface, reaches up to a minimal distance from the busbar.
Das Verhältnis eines Abstandes aE der äußeren Erstreckungsebene des Maschinenelements zur Stromschiene zum Abstand aS zwischen der Stromschiene und der Anlagefläche des hervorstehenden Formelements ist in einer vorteilhaften Ausführungsform aE/aS > 4.The ratio of a distance aE of the outer extension plane of the machine element to the busbar to the distance aS between the busbar and the contact surface of the protruding shaped element is aE/aS > 4 in an advantageous embodiment.
Das bedeutet, dass ein hervorstehendes Formelement von der äußeren Erstreckungsebene relativ weit in Richtung auf die Stromschiene vorsteht. In dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass lediglich an den Stellen des Maschinenelements, an denen ein Wärmeleitelement anzuordnen ist, auch ein hervorstehendes Formelement durch das Maschinenelement ausgebildet ist.This means that a protruding shaped element protrudes relatively far from the outer extension plane in the direction of the conductor rail. In this embodiment, it can be provided that a protruding shaped element is also formed through the machine element only at the points of the machine element at which a heat-conducting element is to be arranged.
Das hervorstehende Formelement kann mit einer an der der Stromschiene zugewandten Seite offenen Kavität ausgeführt sein.The protruding shaped element can be designed with an open cavity on the side facing the busbar.
Die offene Kavität in dem hervorstehenden Formelement hat insbesondere bei Herstellung des Maschinenelements in Gusstechnik technologische Vorteile, insbesondere bei der Entformung des Maschinenelements. Zudem können Einschlüsse im Guss, wie z.B. Poren oder Lunker, durch gussgerechte Wandstärken reduziert werdenThe open cavity in the protruding mold element has technological advantages, particularly when the machine element is produced using casting technology, particularly when the machine element is removed from the mold. In addition, inclusions in the casting, such as pores or blowholes, can be reduced by wall thicknesses suitable for casting
Obwohl also ein hervorstehendes Formelement bei Ausgestaltung mit Kavität eine im Vergleich zu einem aus Vollmaterial hergestellten hervorstehenden Formelement verringerte Anlagefläche aufweist und demzufolge einen erhöhten thermischen Widerstand bei einer Wärmeleitung in das hervorstehende Formelement bewirkt, so lässt sich doch durch die vergrößerte Anlagefläche mittels des Ummantelungselements des Wärmeleitelements wiederum eine Verringerung des thermischen Widerstandes bewirken, sodass letztendlich ein jeweiliges hervorstehendes Formelement gusstechnisch optimiert sein kann und trotzdem für eine ausreichende Wärmeleitung in das hervorstehende Formelement bzw. in das Maschinenelement gesorgt ist.Although a protruding molded element designed with a cavity has a reduced contact surface compared to a protruding molded element made of solid material and consequently causes increased thermal resistance when heat is conducted into the protruding molded element, the enlarged contact surface means that the encasing element can be used to reduce the heat-conducting element in turn bring about a reduction in the thermal resistance, so that ultimately a respective protruding shaped element can be optimized in terms of casting and nevertheless sufficient heat conduction into the protruding shaped element or into the machine element is ensured.
Das elektrische System kann derart ausgestaltet sein, dass das Wärmeleitelement mit wenigstens einem inneren Auskragungselement an einer inneren Seitenfläche des hervorstehenden Formelements, die die Kavität begrenzt, anliegt.The electrical system can be designed in such a way that the heat-conducting element rests with at least one inner projection element on an inner side surface of the protruding shaped element, which delimits the cavity.
Das elektrische System kann einen Umrichter aufweisen, wobei das Maschinenelement das Gehäuse oder ein Teil eines Gehäuses des Umrichters ist. The electrical system may include a converter, with the machine element being the housing or a part of a housing of the converter.
Weiterhin kann das elektrische System mehrere hervorstehende Formelemente aufweisen, und das Wärmeleitelement kann mehrere Ummantelungselemente sowie mehrere bodenseitige Anlageelemente aufweisen, mit denen jeweils ein hervorstehendes Formelement ummantelt und bedeckt ist, wobei die Ummantelungselemente und bodenseitigen Anlageelemente miteinander mechanisch durch jeweilige Übergangsbereiche verbunden sind.Furthermore, the electrical system can have a plurality of protruding moldings, and the heat-conducting element can have a plurality of encasing elements and a plurality of base-side abutment elements, each of which encases and covers a protruding molding element, with the encasing elements and bottom-side abutment elements being mechanically connected to one another by respective transition regions.
Das bedeutet, dass ein jedes der Ummantelungselemente mit jedem weiteren Ummantelungselement mechanisch, gegebenenfalls indirekt, verbunden ist. Dasselbe trifft auf die bodenseitigen Anlageelemente zu.This means that each of the encasing elements is mechanically, possibly indirectly, connected to each additional encasing element. The same applies to the floor-side contact elements.
Ein Wärmeleitelement bildet somit mehrere Topf-artige Gebilde aus, die jeweils ein Ummantelungselement sowie ein bodenseitiges Anlageelement aufweisen.A heat-conducting element thus forms a plurality of pot-like structures, each of which has a casing element and a base-side contact element.
Die mehreren Ummantelungselemente und die diesen Ummantelungselementen zugeordneten bodenseitigen Anlageelemente können in Reihe angeordnet sein, wobei das elektrische System mehrere Stromschienen umfassen kann, die im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Eine Längsachse der Reihenanordnung kann dabei quer in Bezug zur Längsrichtung der Stromschienen verlaufen, so dass an wenigstens zwei der Stromschienen jeweils ein bodenseitiges Anlageelement des Wärmeleitelements anliegt.The plurality of casing elements and the bottom contact elements associated with these casing elements can be arranged in series, with the electrical system being able to comprise a plurality of busbars which are aligned essentially parallel to one another. A longitudinal axis of the row arrangement can be transverse in relation to the longitudinal direction of the busbars run, so that in each case a bottom-side contact element of the heat-conducting element rests on at least two of the busbars.
Die Stromschienen können unterschiedlich gepolt sein.The busbars can have different poles.
Der quere Richtungsverlauf kann dabei beispielsweise in einem Winkelbereich von 30°-150° zwischen der Längsachse der Reihenanordnung in Bezug zur Längsrichtung der Stromschienen erfolgen.The transverse course of the direction can take place, for example, in an angular range of 30°-150° between the longitudinal axis of the row arrangement in relation to the longitudinal direction of the busbars.
Durch die Ummantelung bzw. Einhüllung von wenigstens einem hervorstehenden Formelement durch ein Ummantelungselement wird weiterhin eine Fixierung des Wärmeleitelement in Bezug zum Maschinenelement in wenigstens zwei translatorischen Freiheitsgraden und zwei Rotationsfreiheitsgraden realisiert.The encasing or encasing of at least one protruding shaped element by a encasing element also fixes the heat-conducting element in relation to the machine element in at least two translatory degrees of freedom and two rotational degrees of freedom.
Die Länge eines jeweiligen Ummantelungselements, im Wesentlichen senkrecht zum bodenseitigen Anlageelement gemessen, kann auf das jeweilige elektrische System angepasst werden, sodass eine notwendig lange Kriechstrecke durch das Ummantelungselement gewährleistet ist.The length of a respective casing element, measured essentially perpendicularly to the base-side bearing element, can be adapted to the respective electrical system, so that the necessary long creepage distance through the casing element is ensured.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Antriebseinheit, die wenigstens eine elektrische Rotationsmaschine und eine Leistungselektronik zur Steuerung und/ oder Stromversorgung der elektrischen Rotationsmaschine umfasst, sowie ein erfindungsgemäßes elektrisches System als Bestandteil der Leistungselektronik aufweist.A further aspect of the present invention is an electric drive unit, which comprises at least one electric rotary machine and power electronics for controlling and/or power supply of the electric rotary machine, and has an electric system according to the invention as part of the power electronics.
Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in
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1 : das elektrische System in einer Schnittansicht, -
2 :das Wärmeleitelement 40 in einer ersten perspektivischen Ansicht, und -
3 :das Wärmeleitelement 40 in einer zweiten perspektivischen Ansicht.
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1 : the electrical system in a sectional view, -
2 : the heat-conductingelement 40 in a first perspective view, and -
3 : the heat-conductingelement 40 in a second perspective view.
Das in
Die Stromschiene 1 verbindet einen Kondensator 70, der beispielsweise eine Kunststoff-Ummantelung aufweisen kann, mit einem Leistungsmodul 60.The
Unterhalb der Stromschiene 1 befindet sich ein Maschinenelement 20, welches ein Gehäuse oder einen Teil eines Gehäuses eines Umrichters 80 des elektrischen Systems ausbildet.Below the
Das Maschinenelement 20 umfasst ein von einer äußeren Erstreckungsebene 21, welche generell eine Außenseite des Maschinenelements 20 ausbildet, hervorstehendes Formelement 30. Das hervorstehende Formelement 30 bildet eine Anlagefläche 31 aus, mit der das hervorstehende Formelement 30 an einem Wärmeleitelement 40 wärmeleitfähig anliegt. Das Wärmeleitelement 40 wiederum liegt am ersten Teil 11 der Stromschiene 1 wärmeleitfähig an.The
Entsprechend lässt sich Wärme von der Stromschiene 1 über das Wärmeleitelement 40 in das hervorstehende Formelement 30 bzw. in das Maschinenelement 20, im Wesentlichen entlang des skizzierten Wärmeflusses 90, übertragen.Correspondingly, heat can be transferred from the
Um die Wärmeleitung von der Stromschiene 1 in das Maschinenelement 20 zu verbessern sowie um die Kriechstrecke zu verlängern, umfasst das Wärmeleitelement 40 ein Ummantelungselement 42, welches sich von einem bodenseitigen Anlageelement 41, das sich zwischen Stromschiene 1 und Maschinenelement 20 befindet, erstreckt.In order to improve the conduction of heat from the
Das Ummantelungselement 42 liegt dabei an einer äußeren seitlichen Begrenzungsfläche 34 des hervorstehenden Formelements 30 an. Das bodenseitige Anlageelement 41 liegt an der Anlagefläche 31 des hervorstehenden Formelements 30 an. Sowohl über das Ummantelungselement 42 als auch über das bodenseitige Anlageelement 41 kann Wärme von der Stromschiene 1 in das Wärmeleitelement 40, und von diesem in das Maschinenelement 20 übertragen werden.The encasing
Das Ummantelungselement 42 erstreckt sich von der Ebene der Anlagefläche 31 in Richtung auf die äußere Erstreckungsebene 21 des Maschinenelements 20.The
Das hervorstehende Formelement 30 ist mit einer Kavität 32 ausgestaltet, die in der Anlagefläche 31 eine Öffnung 33 ausbildet.The protruding shaped
Entsprechend könnte alternativ oder hinzukommend auch wenigstens ein Auskragungselement vorhanden sein, welches sich entlang der inneren Seitenfläche 35 des hervorstehenden Formelements 30 erstreckt und an dieser anliegt, um Wärme in das hervorstehende Formelement 30 einzuleiten.Correspondingly, alternatively or additionally, at least one projection element could also be used be present, which extends along and abuts the
Es ist ersichtlich, dass der Abstand aS zwischen der Stromschiene 1 und der Anlagefläche 31 sehr viel geringer ist als der Abstand aE zwischen der Stromschiene 1 und der äußeren Erstreckungsebene 21 des Maschinenelements 20. Das bedeutet, dass das hervorstehende Formelement 30 einen deutlich größeren Beitrag zur Überbrückung der Distanz zwischen der äußeren Erstreckungsebene 21 des Maschinenelements 20 liefert als das Wärmeleitelement 40.It can be seen that the distance aS between the
Die hier beschriebenen Elemente sind Bestandteile einer Leistungselektronik, insbesondere einer Leistungselektronik für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug.
Es ist ersichtlich, dass ein jeweiliges bodenseitiges Anlageelement 41 zusammen mit einem jeweiligen Ummantelungselement 42 im Wesentlichen eine Topf-Form ausbildet, wobei das bodenseitige Anlageelement 41 den Topf-Boden ausbildet, und das Ummantelungselement 42 die Topf-Wand.It can be seen that a respective base-
Weiterhin ist ersichtlich, dass die bodenseitigen Anlageelemente 41 sowie die Ummantelungselemente 42 integrale Bestandteile desselben Bauteils sind, bzw. aus demselben Material gefertigt sind.Furthermore, it can be seen that the
Mit dem hier vorgeschlagenen elektrischen System und der damit ausgestatteten elektrischen Antriebseinheit werden Einrichtungen zur Verfügung gestellt, welche eine optimierte Wärmeabfuhr bei geringem Bauraumbedarf gewährleisten.With the electrical system proposed here and the electrical drive unit equipped with it, devices are made available which ensure optimized heat dissipation with a small installation space requirement.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Stromschienepower rail
- 1111
- Erster Teil der StromschieneFirst part of the power rail
- 1212
- Zweiter Teil der StromschieneSecond part of the power rail
- 2020
- Maschinenelementmachine element
- 2121
- äußere Erstreckungsebeneouter extension plane
- 3030
- hervorstehendes Formelementprominent feature
- 3131
- Anlageflächecontact surface
- 3232
- Kavitätcavity
- 3333
- Öffnungopening
- 3434
- seitliche Begrenzungsfläche äußere Seitenfläche des hervorstehenden Formelementslateral boundary surface outer side surface of the protruding shape element
- 4040
- Wärmeleitelementheat conducting element
- 4141
- bodenseitiges Anlageelementground-side attachment element
- 4242
- Ummantelungselementsheathing element
- 4343
- Übergangsbereichtransition area
- 6060
- Leistungsmodulpower module
- 7070
- Kondensatorcapacitor
- 8080
- Umrichterconverter
- 9090
- Wärmeflussheat flow
- aSaS
- Abstand zwischen der Stromschiene und der AnlageflächeDistance between the conductor rail and the contact surface
- aEaE
- Abstand zwischen der Stromschiene und der äußeren ErstreckungsebeneDistance between the conductor rail and the outer extension plane
Claims (10)
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-
2023
- 2023-01-27 WO PCT/DE2023/100064 patent/WO2023147816A1/en unknown
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