DE102022206795A1

DE102022206795A1 - Sammelschienenvorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Sammelschienenvorrichtung

Info

Publication number: DE102022206795A1
Application number: DE102022206795.9A
Authority: DE
Inventors: Birgit Lipp; Michael Wadsack; Thomas Schnabel
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2022-07-04
Filing date: 2022-07-04
Publication date: 2024-01-04
Also published as: CN117353116A; US20240007013A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter mit einer Sammelschienenvorrichtung, ein Verfahren zum Herstellen einer Sammelschienenvorrichtung und eine Sammelschienenvorrichtung (1) zum Führen und Verteilen von elektrischen Strömen mit mindestens einem Ferritkernfilter (5) und mit mindestens zwei zueinander elektrisch isoliert beabstandeten Sammelschienen (2), wobei die Sammelschienen (2) unterschiedliche elektrische Potentiale aufweisen können, sodass die Sammelschienen (2) einen einer Schienenquerschnittsfläche angemessenen elektrischen Strom führen können, und wobei die Sammelschienen (2) mindestens einmal durch mindestens eine Durchgangsöffnung (7) des Ferritkernfilters (5) geführt sind. Eine Aufgabe der Erfindung eine Sammelschiene mit einer verbesserten Stromtragfähigkeit bereitzustellen, ohne dabei konstruktive Einbußen zu haben, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Sammelschienen (2) jeweils einstückig sind, wobei die Sammelschienen (2) in einem Durchgangsbereich (6) der Durchgangsöffnung (7) durch Biegeumformen umgeformt sind und wobei eine Durchgangsquerschnittsfläche der Sammelschienen (2) in dem Durchgangsbereich (6) mindestens genauso groß ist wie die Schienenquerschnittsfläche, sodass die Sammelschienen (2) entlang ihres Verlauf denselben elektrischen Strom führen können.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter mit einer Sammelschienenvorrichtung, ein Verfahren zum Herstellen einer Sammelschienenvorrichtung und eine Sammelschienenvorrichtung zum Führen und Verteilen von elektrischen Strömen mit mindestens einem Ferritkernfilter und mit mindestens zwei zueinander elektrisch isoliert beabstandeten Sammelschienen, wobei die Sammelschienen unterschiedliche elektrische Potentiale aufweisen können, sodass die Sammelschienen einen einer Schienenquerschnittsfläche angemessenen elektrischen Strom führen können, und wobei die Sammelschienen mindestens einmal durch mindestens eine Durchgangsöffnung des Ferritkernfilters geführt sind.
Aus der Praxis sind Sammelschienen (engl. busbars) bekannt, mit denen zum Teil hohe elektrische Ströme verteilt werden können. Dementsprechend werden Sammelschienen in Stromrichtern dazu verwendet, einen kapazitiven Zwischenkreis, der mit Kondensatoren bestückt ist, mit einer DC- und AC-Seite des Stromrichters elektrisch leitend zu verbinden. Dabei ist die Sammelschiene so aufgebaut, dass sie die in den Stromrichter eingespeisten Ströme der DC-Seite möglichst niederinduktiv und niederohmig zur AC-Seite leiten kann. Insoweit die Ströme von dem Stromrichter durch Halbleiterschalter geschaltet werden, um sie in eine gewünschte Frequenz und Spannung zu überführen, entstehen zwangsläufig elektromagnetische Störungen, die gefiltert werden müssen, damit der Stromrichter nicht andere angeschlossene und umliegende elektromagnetisch empfindliche Geräte stören kann.
Üblicherweise weisen die aus der Praxis bekannten Sammelschienen auf der DC-Seite ferromagnetische Ferritkernfilter auf, die, um ihre filternde Funktion zu erfüllen, alle Sammelschienen gemeinsam umfassen müssen.
Aus der Druckschrift DE 10 2020 111 801 A1 ist eine Sammelschiene mit verbesserten Eigenschaften bekannt. Die Sammelschiene umfasst eine erste Schnittstelle, eine zweite Schnittstelle und eine erste Schiene zwischen der ersten Schnittstelle und der zweiten Schnittstelle. Die erste Schiene umfasst einen zentralen Abschnitt mit einer Metallplatte und ein dielektrisches Material, das den zentralen Abschnitt zumindest teilweise bedeckt.
Aus der Druckschrift EP 3 619 800 B1 ist ein Inverter mit einer ersten Stromschiene zum Anschluss an einen Pluspol einer Batterie und mit einer zweiten Stromschiene zum Anschluss an einen Minuspol der Batterie und mit einem Filter zur Verminderung von Gleich- und Gegentaktstörungen bekannt, welcher einen die erste und die zweite Stromschiene umgebenden Ringkern aus einem ferromagnetischen Material umfasst. In einem vom Ringkern umgebenen und zwischen den beiden Stromschienen gebildeten Zwischenraum ist ein Kern aus einem weiteren ferromagnetischen Material vorgesehen, wobei die Stromschienen zueinander weisende Ausnehmungen aufweisen, welche den Kern abschnittsweise umgeben. Insoweit sollen die Ausnehmungen den zusätzlichen aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Kern mechanisch festhalten und arretieren, wobei der zusätzliche Kern eine Filterwirkung des Ringkerns verbessern soll.
Obwohl Sammelschienen unterschiedliche Funktionen haben, besteht ihre Hauptaufgabe darin, elektrische Ströme zu führen und zu verteilen. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung eine Sammelschiene mit einer verbesserten Stromtragfähigkeit bereitzustellen, ohne dabei konstruktive Einbußen zu haben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach Patentanspruch 7 gelöst, wobei nach einem Verfahren zum Herstellen einer Sammelschienenvorrichtung zur Führung und Verteilung von elektrischen Strömen mit mindestens einem Ferritkernfilter und mit mindestens zwei zueinander elektrisch isoliert beabstandeten Sammelschienen, wobei die einstückigen Sammelschienen in einem ersten Schritt durch Biegeumformen umgeformt werden, und wobei die Sammelschienen in einem nachfolgenden Schritt durch einen Durchgangsbereich einer Durchgangsöffnung des Ferritkernfilter geführt werden, sodass eine Durchgangsquerschnittsfläche der Sammelschienen in dem Durchgangsbereich einer Schienenquerschnittsfläche der Sammelschienen außerhalb des Durchgangsbereichs entspricht.
Die Aufgabe wird auch erfindungsgemäß mit einer Sammelschienenvorrichtung nach Patentanspruch 1 gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Sammelschienen jeweils einstückig sind, wobei die Sammelschienen in einem Durchgangsbereich der Durchgangsöffnung durch Biegeumformen umgeformt sind und wobei eine Durchgangsquerschnittsfläche der Sammelschienen in dem Durchgangsbereich mindestens genauso groß ist wie die Schienenquerschnittsfläche, sodass die Sammelschienen entlang ihres Verlauf denselben elektrischen Strom führen können.
Einstückige Sammelschienen haben den Vorteil, dass die Sammelschiene jeweils aus einem Blech kostengünstig gestanzt werden kann. Wobei die gestanzte Sammelschiene vor ihrer Verwendung noch beispielsweise durch Biegeumformen in eine entsprechende Form gebracht werden kann. Obwohl es verschieden große Ferritkernfilter zu kaufen gibt, und diese üblicherweise auch zugekauft werden, ist es konstruktiv vorteilhaft, wenn die Ferritkernfilter möglichst klein sind. Insoweit ist die Durchgangsöffnung der Ferritkernfilter begrenzt, sodass die gestanzte Sammelschiene in dem Durchgangsbereich eine reduzierten Durchgangsquerschnittsfläche aufweist, damit die Sammelschiene durch die Durchgangsöffnung geführt werden kann. Nachteilig dabei ist, dass dadurch die Sammelschiene auch nur eine reduzierte Stromtragfähigkeit in dem Durchgangsbereich aufweist und die von der Sammelschiene leitbaren Ströme insbesondere durch die Durchgangsquerschnittsfläche begrenzt werden, was üblicherweise nachteilig in Kauf genommen wird.
Erfindungsgemäß werden die Sammelschienen in dem Durchgangsbereich durch Biegeumformen umgeformt und gefaltet, wodurch die Durchgangsquerschnittsfläche der Sammelschienen durch das Falten erhöht werden kann. Durch vorteilhaftes Falten kann die Durchgangsquerschnittsfläche auf die Größe der restlichen Schienenquerschnittsfläche außerhalb des Durchgangsbereichs erhöht werden, sodass die Sammelschiene insgesamt keine stromtragenden Engstellen aufweist. Erfindungsgemäß vorteilhaft ist somit, dass die Sammelschienen in dem Durchgangsbereich des Ferritkernfilters nicht übermäßig durch die in diesem Abschnitt fließenden Ströme erwärmt werden, ohne dabei einen entsprechend größeren Ferritkernfilter einsetzen zu müssen.
Besonders vorteilhaft kann sich der Einsatz der Erfindung auswirken, wenn nach einer Ausgestaltung der Sammelschienenvorrichtung vorgesehen ist, dass der Ferritkernfilter einstückig ausgestaltet ist und entlang einer Umfangslinie um die mindestens zwei Stromschienen geschlossen ist. Optional kann erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Sammelschienen entlang des Durchgangsbereichs von dem mindestens einen Ferritkernfilter umschlossen werden. Oftmals werden in der Praxis mehrstückige - üblicherweise zweistückige - Ferritkernfilter eingesetzt. Diese weisen jedoch eine schlechtere Filterwirkung auf, da die Teile der mehrstückigen Ferritkernfilter zwangsläufig durch mindestens einen Luftspalt beabstandet sind. Vorteilhafter dagegen ist es, den Ferritkernfilter geschlossen auszugestalten, wobei erfindungsgemäß die Sammelschienen durch Biegeumformen derart angepasst werden können, dass sie leicht durch die Durchgangsöffnung des Ferritkernfilters geführt werden können.
Nach einer vorteilhaften und niederinduktiven Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Sammelschienen mindestens abschnittsweise parallel zueinander verlaufend angeordnet sind. Ein paralleler Verlauf mit möglichst geringer Beabstandung der Sammelschienen zueinander ist technisch vorteilhaft, da dadurch eine Fläche, die die Sammelschienen gemeinsam aufspannen, klein gehalten werden kann, wodurch im Ergebnis eine parasitäre Induktivität der Sammelschienenvorrichtung ebenfalls reduziert werden kann.
Um eine verbesserte elektrisch isolierte Beabstandung zu erreichen, kann nach einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Sammelschienen durch ein aus einem Kunststoffmaterial bestehendes Element elektrisch isoliert und beabstandet zueinander angeordnet sind. Optional ebenfalls vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Sammelschienen nach dem ersten Schritt des Biegeumformens von einem Kunststoffmaterial ummantelt werden, bevor die Sammelschienen in dem nachfolgenden Schritt durch die Durchgangsöffnung des Ferritkernfilters geführt werden. Technisch vorteilhaft ist eine möglichst geringe Beabstandung der Sammelschienen zueinander. Dem steht entgegen, dass die Sammelschienen ein elektrisches Potential aufweisen können und zwischen ihnen eine elektrische Spannung entstehen kann. Um einen elektrischen Durchbruch und einen Kurzschluss zu vermeiden, kann zwischen den Sammelschienen ein Isolationselement aus einem dielektrischen Material angeordnet werden. Eine Kunststofffolie, eine Ummantelung der Sammelschienen mit Kunststoff oder eine Kunststoffelement bietet sich dafür besonders an, denn Kunststoff wirkt elektrisch isolierend und lässt sich sowohl einfach auf die Sammelschienen auftragen als auch zwischen ihnen anordnen.
Um den Platzbedarf innerhalb des Durchgangsbereich weiter zu reduzieren, kann nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Sammelschienen in dem Durchgangsbereich um mindestens 90° durch Biegeumformen umgeformt sind, wobei die umgeformten Sammelschienen mindestens entlang des Durchgangsbereichs v- oder u-förmig verlaufen. Optional vorteilhaft kann auch vorgesehen sein, dass die mindestens zwei Sammelschienen jeweils entlang des Durchgangsbereichs v- oder u-förmig durch Biegeumformen umgeformt werden. Bei der einstückigen Sammelschiene bietet es sich an, diese v- bis u-förmig biegeumzuformen, sodass ein durch den Durchgangsbereich geführter Abschnitt der Sammelschiene in eine kompakte Form gebracht werden kann und somit leichter durch die Durchgangsöffnung geführt werden kann. Eine Faltung der Sammelschienen in dem Durchgangsbereich ist weiter vorteilhaft, da dadurch die stromtragende Durchgangsquerschnittsfläche im Vergleich zu der restlichen Sammelschienenquerschnittsfläche nicht reduziert werden muss - ein in Form stanzen der Sammelschiene führt dagegen zwangsläufig zu einer Reduktion der Durchgangsquerschnittsfläche und somit im Falle eines Stromflusses zu einer Erwärmung der Sammelschiene in dem Durchgangsbereich.
Die Erfindung umfasst auch einen Stromrichter mit mindestens einem Halbleiterschalter und mindestens einer kapazitiven oder induktiven Zwischenkreiseinrichtung, wobei der Halbleiterschalter und die Zwischenkreiseinrichtung mit einer elektrischen Energieversorgungseinrichtung elektrisch leitend verbunden sind, und wobei die Energieversorgungseinrichtung mittels einer erfindungsgemäßen Sammelschienenvorrichtung mit der Zwischenkreiseinrichtung elektrisch leitend verbunden ist.
Nachfolgend sind exemplarisch schematische Darstellungen der Erfindung gezeigt. Es zeigt:

1 eine Sammelschienenvorrichtung mit zwei Sammelschienen und einem geschlossenen Ferritkernfilter in einer perspektivischen Darstellung und
2 nur die zwei Sammelschienen ohne den Ferritkernfilter in einer anderen perspektivischen Darstellung.

1 und 2 zeigen die erfindungsgemäße Sammelschienenvorrichtung 1 mit den zwei Sammelschienen 2, wobei die Sammelschienen 2 an zwei DC-Anschlusskontaktstellen 3 mit einer elektrischen Energieversorgungseinrichtung und an zwei AC-Anschlusskontaktstellen 4 mit elektrischen Halbleiterschaltern elektrisch leitend verbunden werden können. In einem aktiven Betriebszustand kann die Sammelschienenvorrichtung 1 elektrische Ströme von der Energieversorgungseinrichtung zu den Halbleiterschaltern führen und auch umgekehrt.
Nahe den DC-Anschlusskontaktstellen 3 sind die Sammelschienen 2 von dem ferromagnetischen Ferritkernfilter 5 umfasst, wobei der Ferritkernfilter 5 gleichgerichtete, hochfrequente durch die Sammelschienen 2 fließende Störströme dämpfen und somit filtern kann. Um seine Gleichtaktstörungen filternde Wirkung entfalten zu können, muss der Ferritkernfilter 5 deshalb beide Sammelschienen 2 zugleich umfassen. Dazu weist der Ferritkernfilter 5 in einem Durchgangsbereich 6 eine Durchgangsöffnung 7 auf, durch die die zwei Sammelschienen 2 geführt werden können.
Die Sammelschienen 2 weisen einen Zwischenkreisanschlussbereich 8 auf, in dem Zwischenkreiskondensatoren elektrisch leitend mit den Sammelschienen 2 verbunden werden können. Damit die Sammelschienenvorrichtung 1 eine möglichst kleine parasitäre Induktivität aufweist und die Zwischenkreiskondensatoren über die Sammelschienen 2 und die AC-Anschlusskontaktstellen 4 möglichst niederinduktiv mit Halbleiterschaltern elektrisch leitend verbunden werden können, sind die Sammelschienen 2 in dem Zwischenkreisanschlussbereich 8 parallel und möglichst wenig beabstandet zueinander geführt. Um die Beabstandung der Sammelschienen 2 zueinander möglichst gering zu halten, sind die Sammelschienen 2 mit einer Kunststofffolie 9 und einem Kunststoffelement 10 elektrisch isoliert voneinander beabstandet.
Um entlang der Stromschienen 2 eine möglichst gleichbleibende Stromtragfähigkeit der Sammelschienen 2 zu erreichen, weisen die Sammelschienen 2 jeweils in dem Durchgangsbereich 6 und in der Durchgangsöffnung 7 eine v- bzw. u-förmige biegeumgeformte Faltung 11 auf, mit der sich eine Durchgangsquerschnittsfläche der Sammelschienen 2 verdoppelt und mindestens so groß ist wie eine Schienenquerschnittsfläche außerhalb der Durchgangsbereichs 6, wobei beide Querschnittsflächen durch eine Schienendicke 12 und eine Schienenbreite 13 bestimmt sind. Die biegeumgeformte Faltung 11 der Sammelschienen 2 bewirkt, dass die Sammelschienen 2 mit einer erhöhten Durchgangsquerschnittsfläche durch die rechteckförmige Durchgangsöffnung 7 geführt werden können. Im Ergebnis kann dadurch erfindungsgemäß eine Stromtragfähigkeit der Sammelschienen 2 in dem Durchgangsbereich 6 und der Durchgangsöffnung 7 auf dasselbe Niveau wie außerhalb der Durchgangsbereich 6 gesteigert werden.
In einem Gleichspannungsanschlussbereich 14 der Sammelschienenvorrichtung 1 sind die Sammelschienen 2 zudem zu den DC-Anschlusskontaktstellen 3 hin u- bzw. v-förmig geöffnet, sodass auch die DC-Anschlusskontaktstellen 3 direkt aus den Sammelschienen 2 heraus durch Biegeumformen ausgestaltet und umgeformt werden können. Das ist erstens produktionstechnisch vorteilhaft und zweitens haben nach dieser Ausgestaltung die DC-Anschlusskontaktstellen 3 dieselbe Schienenquerschnittsfläche wie die übrigen Abschnitte der Sammelschienen 2.
Bezugszeichenliste

1: Sammelschienenvorrichtung
2: Sammelschiene
3: DC-Anschlusskontaktstellen
4: AC-Anschlusskontaktstellen
5: Ferritkernfilter
6: Durchgangsbereich
7: Durchgangsöffnung
8: Zwischenkreisanschlussbereich
9: Kunststofffolie
10: Kunststoffelement
11: Faltung
12: Schienendicke
13: Schienenbreite
14: Gleichspannungsanschlussbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020111801 A1 [0004]
EP 3619800 B1 [0005]

Claims

Sammelschienenvorrichtung (1) zum Führen und Verteilen von elektrischen Strömen mit mindestens einem Ferritkernfilter (5) und mit mindestens zwei zueinander elektrisch isoliert beabstandeten Sammelschienen (2), wobei die Sammelschienen (2) unterschiedliche elektrische Potentiale aufweisen können, sodass die Sammelschienen (2) einen einer Schienenquerschnittsfläche angemessenen elektrischen Strom führen können, und wobei die Sammelschienen (2) mindestens einmal durch mindestens eine Durchgangsöffnung (7) des Ferritkernfilters (5) geführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelschienen (2) jeweils einstückig sind, wobei die Sammelschienen (2) in einem Durchgangsbereich (6) der Durchgangsöffnung (7) durch Biegeumformen umgeformt sind und wobei eine Durchgangsquerschnittsfläche der Sammelschienen (2) in dem Durchgangsbereich (6) mindestens genauso groß ist wie die Schienenquerschnittsfläche, sodass die Sammelschienen (2) entlang ihres Verlauf denselben elektrischen Strom führen können.
Sammelschienenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ferritkernfilter (5) einstückig ausgestaltet ist und entlang einer Umfangslinie um die mindestens zwei Stromschienen (2) geschlossen ist.
Sammelschienenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelschienen (2) mindestens abschnittsweise parallel zueinander verlaufend angeordnet sind.
Sammelschienenvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Sammelschienen (2) durch ein aus einem Kunststoffmaterial bestehendes Element (8, 9) elektrisch isoliert und beabstandet zueinander angeordnet sind.
Sammelschienenvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelschienen (2) in dem Durchgangsbereich (6) um mindestens 90° durch Biegeumformen umgeformt sind, wobei die umgeformten Sammelschienen (2) mindestens entlang des Durchgangsbereichs (6) v- oder u-förmig verlaufen.
Sammelschienenvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelschienen (2) außerhalb des Durchgangsbereichs (6) in einem Gleichspannungsanschlussbereich (14) der Sammelschienenvorrichtung (1) um mindestens 90° durch Biegeumformen umgeformt sind, wobei die umgeformten Sammelschienen (2) in dem Gleichspannungsanschlussbereich (14) v- oder u-förmig verlaufen sowie v- oder u-förmig in Richtung von mindestens zwei DC-Anschlusskontaktstellen (3) geöffnet sind.
Stromrichter mit mindestens einem Halbleiterschalter und mindestens einer kapazitiven oder induktiven Zwischenkreiseinrichtung, wobei der Halbleiterschalter und die Zwischenkreiseinrichtung mit einer elektrischen Energieversorgungseinrichtung elektrisch leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinrichtung mittels einer Sammelschienenvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit der Zwischenkreiseinrichtung elektrisch leitend verbunden ist.
Verfahren zum Herstellen einer Sammelschienenvorrichtung (1) zur Führung und Verteilung von elektrischen Strömen mit mindestens einem Ferritkernfilter (5) und mit mindestens zwei zueinander elektrisch isoliert beabstandeten Sammelschienen (2), wobei die einstückigen Sammelschienen (2) in einem ersten Schritt durch Biegeumformen umgeformt werden, und wobei die Sammelschienen (2) in einem nachfolgenden Schritt durch einen Durchgangsbereich (6) einer Durchgangsöffnung (7) des Ferritkernfilter (5) geführt werden, sodass eine Durchgangsquerschnittsfläche der Sammelschienen in dem Durchgangsbereich (6) einer Schienenquerschnittsfläche der Sammelschienen außerhalb des Durchgangsbereichs (6) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Sammelschienen (2) jeweils entlang des Durchgangsbereichs (6) v- oder u-förmig durch Biegeumformen umgeformt werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Sammelschienen (2) entlang des Durchgangsbereichs (6) von dem mindestens einen Ferritkernfilter (5) umschlossen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Sammelschienen (2) nach dem ersten Schritt des Biegeumformens von einem Kunststoffmaterial ummantelt werden, bevor die Sammelschienen (2) in dem nachfolgenden Schritt durch die Durchgangsöffnung (7) des Ferritkernfilters (5) geführt werden.