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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb.
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Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Ein prominentes Beispiel für solche Elektronikmodule stellen DC/AC-Wechselrichter (Inverter) dar, die dazu dienen, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Elektronikmodule eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden.
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In bisher bekannten Anordnungen von Invertern sind Leistungshalbleiter, also Halbleiterleistungsschalter in Form von Highside-Schaltern HS bzw. Lowside-Schaltern LS, die zusammen eine Halbbrücke bilden, ausgehend von dem Zwischenkreis-Kondensator hintereinander angeordnet. Das heißt, sie sind nicht nebeneinander angeordnet, sondern liegen sich mit ihren elektrischen Kontaktanschlüssen, an denen der AC-Strom abgenommen wird, gegenüber, so dass z.B. der elektrische Kontaktanschluss des HS näher am Zwischenkreis ist als der des LS.
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Inverter im Automobilbau müssen an verschiedene Leistungsklassen im Fahrzeug angepasst werden. Dies führt dazu, dass unterschiedliche Ströme durch den Inverter bereitgestellt werden müssen. Es ist in vielen Fällen ökonomisch nicht sinnvoll, für jede Leistungsklasse ein angepasstes Modul mit der zugehörigen Leistungselektronik zu entwerfen. Aus diesem Grund werden entweder diskrete Leistungsschalter oder mehrere Leistungsmodule parallel verwendet, um die benötigte Leistungsklasse zu erreichen. Beispielsweise werden mehrere Halbbrücken, z.B. vier je elektrischer Phase, nebeneinander angeordnet, so dass der Inverter insgesamt zwölf Halbbrücken „lang“ wird.
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Um die benötigten Ströme zu tragen, müssen die Stromschienen gekühlt werden. Hierzu sind die Stromschienen groß dimensioniert. Auch kann zur zusätzlichen Kühlung eine thermische Anbindung zum Gehäuse des Inverters vorgesehen sein. Da es hier aber noch Verbesserungsbedarf gibt, liegt der Erfindung daher die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Kühlung der Stromschienen bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Inverteraufbau eines Inverters eines Leistungselektronikmoduls und die Verwendung eines solchen in einem Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Vorgeschlagen wird ein Inverteraufbau eines Inverters eines Leistungselektronikmoduls zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Kraftfahrzeugs, aufweisend einen Kühlkörper mit einer Kühlplatte, und mindestens eine Phase, wobei je Phase vorgesehen ist: mindestens eine auf einer Oberseite der Kühlplatte angeordnete Halbbrücke, und auf der mindestens einen Halbbrücke übereinander gestapelte DC- und AC-Stromschienen, die durch Isolationselemente voneinander elektrisch isoliert sind, wobei Abgriffe der DC-Stromschienen und der AC-Stromschiene auf einander gegenüberliegenden Seiten des Leistungselektronikmoduls vorgesehen sind. Ferner ist vorgesehen: mindestens ein auf Seite der DC-Stromschienen und zwischen diesen und der Kühlplatte angeordnetes und mit der DC-Stromschiene, die der Kühlplatte näher ist, und der Kühlplatte konduktiv verbundenes, erstes Leitungselement aus einem thermisch leitenden Material, und/oder mindestens ein auf Seite der AC-Stromschiene und zwischen dieser und der Kühlplatte angeordnetes und mit AC-Stromschiene und Kühlplatte konduktiv verbundenes, zweites Leitungselement aus einem thermisch leitenden Material.
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In einer Ausführung ist das Leitungselement einstückig aus der Kühlplatte heraus gebildet, oder als separates Bauteil gebildet und mit der Kühlplatte thermisch leitend verbunden.
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In einer Ausführung ist auf der mit der Stromschiene konduktiv verbundenen Oberseite des Leitungselements ein elektrisch isolierendes Wärmeleitmaterial vorgesehen.
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In einer Ausführung weist die Stromschiene in einem Bereich, an dem sie konduktiv mit der Oberseite des Leitungselements verbundenen ist, ein elektrisch isolierendes Isolationselement auf.
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In einer Ausführung ist ein als elektrisch isolierendes Isolationselement gebildeter Rahmen oberhalb der obersten Stromschiene angeordnet und dazu eingerichtet, als Fixierung und Positionierung der Stromschienen und der Leitungselemente zu dienen.
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Ferner wird die Verwendung eines Inverteraufbaus eines Inverters in einem Leistungselektronikmodul zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Kraftfahrzeugs vorgeschlagen.
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Ferner wird ein Leistungselektronikmodul mit einem Inverter mit dem beschriebenen Inverteraufbau vorgeschlagen. Ebenso werden ein elektrischer Antrieb, insbesondere elektrischer Achsantrieb, für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer elektrischen Maschine, einer Getriebeeinrichtung und dem Leistungselektronikmodul, sowie ein Kraftfahrzeug mit dem elektrischen Antrieb vorgeschlagen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt eine schräge Ansicht eines Leistungselektronikmoduls von der DC-Seite gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt eine schräge Ansicht eines Leistungselektronikmoduls von der AC-Seite gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt eine Draufsicht eines Leistungselektronikmoduls ohne Stromschienen gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt eine Draufsicht eines Leistungselektronikmoduls mit Stromschienen gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
- 5 zeigt ein Kraftfahrzeug mit einem Inverter und einem Leistungselektronikmodul gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In bisherigen Invertern 1 werden die Stromschienen DC1, DC2 und AC (auch als Busbars bezeichnet), welche vom Zwischenkreiskondensator zu den Modulen hinführen und in AC Richtung wegführen nicht aktiv/konduktiv gekühlt, so dass diese großzügig dimensioniert werden müssen, um die notwendigen Ströme zu tragen. Des Weiteren erfolgt die Kühlung der Stromschienen DC1, DC2 und AC über das Gehäuse des Inverters, wenn diese thermisch zu stark belastet werden. Die trifft speziell auf die Dauerleistung des Inverters 1 zu. Deshalb ist es, wie bereits eingangs erwähnt, ein Ziel dieser Erfindung, eine verbesserte Kühlung der Stromschienen DC1, DC2 und AC bereitzustellen.
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Zuerst wird der grundsätzliche Aufbau des Leistungselektronikmoduls 100 unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschrieben. Das Leistungselektronikmodul 100 weist einen Kühlkörper 10 auf, der mindestens eine Kühlplatte 11 aufweist. Das in den Figuren dargestellte Gehäuse 12 dient in der gezeigten Ausführung dazu, die Kühlplatte 11 aufzunehmen und die Kühlflüssigkeit zu führen. Die Kühlplatte 11 kann im Falle mehrerer zusammengeschalteter Leistungselektronikmodule 100 (mehrerer Phasen) für jede Phase einzeln vorgesehen sein, oder als eine über alle Phasen reichende Kühlplatte 11 gebildet sein (wie beim B6-Modul).
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Auf der Oberseite der Kühlplatte 11 ist mindestens eine Halbbrücke 20 mit zugehörigen, in dieser Ausführung parallel geschalteten Leistungshalbleitern (Highside-Schaltern 21 oder Lowside-Schaltern 22) vorgesehen, wie in 3 gezeigt. Die Anordnung der Leistungshalbleiter ist allerdings nicht auf die gezeigte Ausführung begrenzt. Vielmehr können die Leistungshalbleiter auch in einer anderen Reihenfolge angeordnet sein, je nach Ausführung.
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Oberhalb der Halbbrücken 20 und mit den zugehörigen Kontakten davon verbunden, sind DC-Stromschienen DC1, DC2 (DC-Minus und DC-Plus) und eine AC-Stromschiene AC übereinander gestapelt angeordnet, wie insbesondere in 1 zu sehen. Dabei kann entweder die DC-Minus-Stromschiene unterhalb der DC-Plus-Stromschiene angeordnet sein, oder andersherum, je nach Anwendung.
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Wie in 1 zu sehen, sind die Stromschienen DC1, DC2 und AC durch Isolationselemente 30-32 elektrisch voneinander isoliert. Die Isolationselemente 30-32 sind in der Regel aus einem Kunststoff gebildet, der keine besonders gute thermische Leitfähigkeit aufweist.
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Die Abgriffe der DC-Stromschienen DC1, DC2 weisen zu einer anderen Seite des Leistungselektronikmoduls 100 als die Abgriffe der AC-Stromschiene AC, wie in den Figuren (insbesondere 4) zu sehen ist. Die Abgriffe liegen vorteilhaft auf einander gegenüberliegenden Seiten des Leistungselektronikmoduls 100.
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An einem nicht von den Halbbrücken 10 oder anderen Bauteilen belegten Bereich zwischen Oberseite der Kühlplatte 11 und der untersten DC-Stromschiene DC1 auf DC-Seite und/oder der AC-Stromschiene AC auf der AC-Seite ist jeweils ein Leitungselement 110 vorgesehen, wie in 1 und 2 zu sehen. Dieses ist aus einem thermisch gut leitenden Material (besser leitend als der Kunststoff der Isolationselemente 30-32) wie Kupfer oder Aluminium gebildet. Das Leitungselement 110 kann einstückig aus der Kühlplatte 11 heraus gebildet sein, oder als separates Leitungselement 110 auf der Kühlplatte 11 angebunden sein, z.B. mittels GapPads, Gapfillern, Verpressen, Verschweißen oder ähnlichen Verfahren.
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In einer Ausführung sind die Stromschienen DC1, AC im Bereich des Leitungselements 110 nicht von einem Isolationselement 32 umgeben. In diesem Fall ist zwischen Stromschiene DC1, AC und Leitungselement 110 ein elektrisch isolierendes Wärmeleitmaterial 40, 41 vorgesehen. Sofern das Isolationselement 32 eine ausreichende thermische Leitfähigkeit aufweist, kann auch das Isolationselement 32 als Wärmeleitmaterial 40, 41 verwendet werden.
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Durch das Leitungselement 110 unterhalb der AC-Stromschiene AC wird AC seitig (2) mit Hilfe eines elektrisch isolierenden Wärmeleitmaterials 40 wie einem (in 2 gezeigten) GapPad oder einer Isolationsfolie mit einem Gapfiller die konduktive Leitung in die Kühlplatte 11 realisiert, um die AC-Stromschiene AC zu kühlen.
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Auf der DC Seite (1) wird ebenfalls mit Hilfe eines elektrisch isolierenden Wärmeleitmaterials 41 eine direkte konduktive Kühlung der untersten DC-Stromschiene DC1 realisiert. Auch hier können ein GapPad oder eine (in 1 gezeigte) Isolationsfolie mit einem Gapfiller verwendet werden. Die Isolationsfolie wird dabei vorteilhaft nicht nur auf der Oberseite des Leitungselements 110 angeordnet, sondern umfasst dieses auch an dessen Seitenbereichen, wie in 3 zu sehen, und zwar so weit, dass sichergestellt ist, dass kein elektrischer Kontakt zwischen Leitungselement 110 und Kühlplatte 11 entstehen kann. Außerdem kann durch den Verbund der DC-Stromschienen DC1, DC2, eine gute, flächige, indirekte Kühlung der DC-Stromschiene DC2 durch die Isolationsebene (Isolationselement 32) zwischen den DC-Stromschienen DC1, DC2 realisiert werden.
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In einer alternativen Ausführung kann auch das Isolationselement 32, welches in der Regel eine Moldmasse ist, als elektrische Isolierung dienen, so dass kein Wärmeleitmaterial 40, 41 verwendet werden muss.
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Durch die Positionierung der Leitungselemente 110 oberhalb der Kühlplatte 11 ist der Wärmepfad bis zu der Kühlstruktur (der Kühlplatte 11) in jedem Fall deutlich besser ist als bei einer Kühlung an dem Gehäuse des Inverters 1, welches nur einen sehr indirekten Kühlpfad zum Kühlmittel realisieren kann.
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Vorteilhaft ist diejenige DC-Stromschiene DC1 oder DC2 direkt konduktiv mit dem Leitungselement 110 verbunden, die innerhalb des Leistungselektronikmoduls 100 thermisch schlechter angebunden ist (dies ist über den inneren Aufbau des Leistungselektronikmoduls 100 bestimmbar). In der gezeigten Ausführung ist dies die DC-Stromschiene DC1.
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Durch die DC seitige konduktive Kühlung wird auch eine sehr gute Entwärmung des Zwischenkreiskondensators ermöglicht, welcher üblicherweise,direkt an das Leistungselektronikmodul 100 auf der DC-Seite anschließt.
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Ein oberstes Isolationselement 30, welches gleichzeitig als Rahmen, wie in 4 gezeigt, zum Fixieren der Stromschienen DC1, DC2, AC dient, kann auch als Niederhalter dienen, um eine bessere Kontaktierung der Stromschienen AC und DC1 (in dieser Ausführung) zu ermöglichen. Es ermöglicht dabei die Positionierung der Stromschienen DC1, DC2, AC und der konduktiven Kühlanbindungen (Leitungselemente 110 und Wärmeleitmaterial 40, 41) zueinander. Vorteilhaft ist das Isolationselement 30 mittels Schrauben über von der Oberseite des Isolationselements 30 bis zur Kühlplatte 11 reichende Dome an der Kühlplatte 11 befestigt.
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Die Highside-Schalter 21 bzw. Lowside-Schalter 22 der Halbbrücken 20 umfassen einen oder mehrere Leistungshalbleiterbauteile, wie IGBT oder MOSFET. Die aus den Halbbrücken 20 gebildete Brückenschaltung ist auf einer Leiterplatte aufbringbar, sodass die Leistungsschalter mittels auf der Bestückungsseite der Leiterplatte vorhandener elektrischer Kontakte mit einem Steuergerät wie einem Electronic Control Unit (ECU) des Kraftfahrzeugs 200 elektrisch und/oder signaltechnisch verbindbar sind. Das Steuergerät ist daher in der Lage, die Leistungsschalter 21 bzw. 22 zwecks Betreiben des Elektroantriebs, insbesondere zwecks Bestromen der E-Maschine, eines mit einem entsprechenden Antrieb ausgestatteten Kraftfahrzeugs 200 anzusteuern. Die Leiterplatte kann eine Platine (z. B. PCB) oder eine flexible Leiterplatte aufweisen.
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In den Figuren ist eine Ausführung eines Aufbaus eines Leistungselektronikmoduls 100 mit einer Phase und sieben Halbbrücken 20 dargestellt, um das Prinzip der Erfindung zu verdeutlichen. Es können aber auch mehrere Phasen vorgesehen sein, z.B. zwei oder drei oder ein Vielfaches davon, z.B. sechs, neun, zwölf etc. Auch kann ein B6-Modul realisiert werden. Auch können mehr oder weniger Halbbrücken 20 vorgesehen sein.
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Ferner können verschiedene Leistungshalbleiter verwendet werden, z.B. Si-IGBT, SiC-MOSFET, SiC Kaskode, GaN. Ebenso können mehrere unterschiedliche Halbleitertypen gleichzeitig innerhalb des Leistungselektronikmoduls 100 eingesetzt werden, z.B. Si-IGBT und SiC-MOSFET.
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Das dargestellte Leistungselektronikmodul 100 weist je elektrischer Phase ein Halbleitermodul auf. Jedes Halbleitermodul weist mindestens eine Halbbrücke 20 auf, die aus jeweils einem elektrisch beidseitig kontaktierbaren Highside-Schalter 21 und einem parallel dazu angeordneten und geschalteten, sowie elektrisch beidseitig kontaktierbaren Lowside-Schalter 22 gebildet ist. Je Phase erfolgt die DC-Stromversorgung über die DC-Stromschienen DC1 und DC2 von einer Seite der Leistungsschalter 21 bzw. 22 (in 4 von der linken Seite). Die Abnahme des erzeugten Wechselstroms erfolgt über eine AC-Schiene AC auf der anderen Seite der Leistungsschalter 21 bzw. 22 (in 4 auf der rechten Seite).
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Ein Leistungselektronikmodul 100 im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektromotors eines mittels Akkumulator oder Brennstoffzelle angetriebenen Kraftfahrzeugs 200, wie in 5 angedeutet. Das Kraftfahrzeug 200 ist insbesondere ein Nutzfahrzeug wie ein LKW oder ein Bus, oder ein Personenkraftwagen. Das Leistungselektronikmodul 100 umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter 1). Es kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Leistungselektronikmodul 100 zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen. Ein DC/DC-Wandler dient beispielsweise dazu, einen von einer Brennstoffzelle kommenden Gleichstrom in einen von dem Antrieb nutzbaren Gleichstrom zu wandeln (hochzusetzen).
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DC/DC-Wandler und Inverter 1 für elektrische Antriebe (kurz Elektroantriebe) von Kraftfahrzeugen 200, insbesondere PKW und NKW, sowie Bussen, sind für den Hochvoltbereich ausgelegt und sind insbesondere in einer Sperrspannungsklasse von ab ca. 650 Volt ausgelegt.
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Anwendung findet die beschriebene Inverteranordnung beispielsweise in Kraftfahrzeugen 200. Das Kraftfahrzeug 200 kann insbesondere eine elektrisch angetriebene Achse aufweisen. Das Kraftfahrzeug 200 kann grundsätzlich als rein verbrennungsmotorisches Kraftfahrzeug 200, als Hybrid-Kraftfahrzeug oder als Elektrofahrzeug ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Inverter
- 100
- Leistungselektronikmodul
- 200
- Kraftfahrzeug
- DC1, DC2
- DC-Stromschienen
- AC
- AC-Stromschiene
- 10
- Kühlkörper
- 11
- Oberseite/Kühlplatte
- 110
- konduktives Leitungselement
- 12
- Gehäuse
- 20
- Halbbrücke
- 21
- Highside-Schalter (HS)
- 12
- Lowside-Schalter (LS)
- 30-32
- Isolationselemente Stromschienen
- 40, 41
- Wärmeleitmaterial
