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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine flexible Konstruktion eines Gussteils für ein Gehäuse eines Leistungswandlers. Die flexible Konstruktion erlaubt es dem Leistungswandler, die Anforderungen an den Antriebsstrang für eine Produktlinie von Maschinen zu erfüllen, ohne für jede Anwendung ein neues Gussteil konstruieren und ein Formwerkzeug dafür bauen zu müssen.
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Hintergrund
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Leistungswandler werden üblicherweise verwendet, um AC-Leistung von einem Generator in DC-Leistung umzuwandeln, und dann DC-Leistung in AC-Leistung zur Verwendung durch einen Motor. Die Leistungswandlung kann das Schalten hoher Ströme mit hoher Geschwindigkeit durch Leistungshalbleiteranordnungen erfordern, etwa durch IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode). Eine Anwendung in elektrischen Traktionsantrieben umfasst typischerweise sowohl die AC/DC-Wandlung, um Leistung von einem Generator zu empfangen, als auch die DC/AC-Wandlung, um einen Motor mit Leistung zu versorgen. Der Generator wird typischerweise durch einen Motor angetrieben.
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Unterschiedliche Leistungswandleranwendungen können auch unterschiedliche Anforderungen bezüglich der Anordnung der Anschlüsse nach außen aufweisen. Solche Anschlüsse können DC-Anschlüsse, AC-Anschlüsse, Kühlmittelanschlüsse, Steuerungsanschlüsse und Zugangsanschlüsse umfassen. Leistungswandler können an unterschiedlichen Positionen an einer Maschine verwendet werden, und jede Position kann unterschiedliche Positionierungen für die Anschlüsse erfordern. Zum Beispiel kann ein Leistungswandler mit einem Generator oder einem Motor verbunden sein, die beide jeweils an einem anderen Teil der Maschine angeordnet sind. In ähnlicher Weise kann ein Leistungswandler, wenn die Maschine zwei oder mehr Antriebsmotoren aufweist, unterschiedliche Positionierungen für die Anschlüsse erfordern. Motoren an der Vorder- und Rückseite oder der linken und rechten Seite der Maschine können zum Beispiel Anschlusspositionen erfordern, die spiegelbildlich zueinander angeordnet sind. Dies würde normalerweise erfordern, für jede Position einen neuen Leistungswandler zu entwickeln.
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Die Kosten für die Konstruktion eines Leistungswandlers sind beträchtlich. Ein beträchtlicher Entwicklungszeitaufwand für die richtige Führung der Sammelschienen, die Platinenlayouts, die Gehäusekonstruktion und die Leistungsmodulkonstruktion fällt dabei an. Die Entwicklungskosten für Leistungsmodule sind besonders hoch. Auch der Formwerkzeugbau ist eine wichtige Überlegung. Die Werkzeugkosten für eine einzelne Gehäusekonstruktion können dabei mehr als 100.000 $ betragen. Jedes Mal, wenn ein neuer Leistungswandler für eine neue Anwendung entwickelt wird, wird ein neues Formwerkzeug benötigt. Typischerweise kann eine einzelne Gehäusekonstruktion nicht für unterschiedliche Leistungswandlerkonstruktionen verwendet werden.
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Dementsprechend stellt der Leistungswandler einen beträchtlichen Anteil an den Kosten für einen elektrischen Antriebsstrang dar. Entsprechende Produktionsmengen sind notwendig, um die Kosten zu drücken, um elektrische Antriebsstränge für mehrere Anwendungen in einer Produktlinie brauchbar zu machen. Daher ist es wünschenswert, ein Leistungswandlerpaket zu konstruieren, das für eine große Anzahl von Konfigurationen geeignet sein kann, während nur eine minimale Anzahl von Komponenten ausgetauscht werden muss. Somit kann die Leistungswandlerkonstruktion die Anforderungen einer ganzen Produktlinie elektrischer Antriebsstränge erfüllen und dadurch die einmaligen Entwicklungs- und Werkzeugbaukosten einsparen, die mit der Schaffung neuer Konstruktionen für jede Anwendung einhergehen.
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Die US-Patentanmeldung Nr. 20060120001 an Weber et al., erteilt am 8. Juni 2006, mit dem Titel "Modulare Stromversorgungsanordnung," wird im Folgenden als das Weber-Patent bezeichnet. Das Weber-Patent offenbart ”einen modularen Leistungswandler, der leicht an eine lange Reihe von Anwendungen angepasst werden kann…”. Das Weber-Patent folgt jedoch einem ganz unterschiedlichen Ansatz als die vorliegende Offenbarung und gibt an, dass ”ein grundlegender Ansatz der vorliegenden Konstruktion darin besteht, die Antriebswandlerfunktion (AC/DC) und die DC/AC-Wandlerfunktion in separate Baugruppen zu trennen”. Unterschiedliche Teile des Einbaurahmens oder Gehäuses werden ausgetauscht, um eine Anpassung an unterschiedliche Anwendungen vorzunehmen. Die Anzahl der unterschiedlichen Teile erfordert eine große Anzahl von Konstruktionen, um die Anforderungen dieser Anwendungen zu erfüllen. Darüber hinaus berücksichtigt die von Weber et al. offenbarte Kühlkörperkonstruktion keine Kühlmittelanschlüsse an unterschiedlichen Seiten des Leistungswandlers.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Gussteil für ein Leistungswandlergehäuse wird offenbart. Das Gussteil umfasst eine Vorderseite, eine Rückseite, die der Vorderseite gegenüberliegt und ein Leistungsfach aufweist, eine Oberseite sowie eine Unterseite, die der Oberseite gegenüberliegt. Das Gussteil umfasst des Weiteren eine rechte Seite sowie eine linke Seite, die der rechten Seite gegenüberliegt. Ein Leistungsfach befindet sich an der Rückseite und weist eine Ausnehmung auf, die dazu ausgebildet ist, einen Kühlkörper aufzunehmen, der in einer von zwei Orientierungen montiert ist. Der Kühlkörper umfasst ein erstes Ende und ein zweites Ende, wobei das erste Ende Kühlmittelanschlüsse, die dazu ausgebildet sind, Kühlmittel zu empfangen, sowie einen Satz von Befestigungsmerkmalen aufweist, die dazu ausgebildet sind, mit einem Satz von Befestigungslöchern in dem Gussteil ausgerichtet zu werden, wenn der Kühlkörper in einer von zwei Orientierungen montiert wird. Der Gussteil umfasst des Weiteren eine erste Kühlkörperorientierung, die Kühlmittelanschlüsse an der rechten Seite des Gehäuses bereitstellt, und eine zweite Kühlkörperorientierung, die Kühlmittelanschlüsse an der linken Seite des Gehäuses bereitstellt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine perspektivische Ansicht eines Gehäuses gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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2 ist eine Stirnansicht eines Gehäuses gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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3 ist eine Rückansicht eines Gehäuses gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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4 ist eine Rückansicht eines Gehäuses gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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5 ist eine Ansicht eines Kühlkörpers gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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6 ist eine Ansicht eines Kühlkörpers, der an einem Gehäuse montiert ist, gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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7 ist eine Konfigurationstabelle gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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8 ist eine Antriebsstrangkonfiguration gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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9 zeigt Gussmerkmale, die in dem Gussteil gemäß der vorliegenden Offenbarung enthalten sind.
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10 zeigt Merkmale, die an einem Gehäuse gemäß der vorliegenden Offenbarung vorhanden sind.
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Detaillierte Beschreibung
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Das Leistungswandlerpaket 10 umfasst ein Gehäuse 20. Das Gehäuse besteht aus Metall und ist gegossen und/oder maschinell gefertigt. Das Gehäuse weist eine Stirnseite 30 und eine vordere Abdeckung 32 auf, die ein vorderes Fach 34 abdeckt. Das vordere Fach 34 enthält eine Schnittstellenplatine 200, die mit einem Steuergerät 202 durch ein Steuerungs-Verbindungselement 140 verbunden ist. Die Schnittstellenplatine 200 stellt die Signalverarbeitung zwischen dem Steuergerät 202 und den Gate-Treiberplatinen 110 und Sensoren etc. in dem Leistungswandlerpaket 10 bereit. Das Gehäuse 20 umfasst Vorkehrungen, um zu ermöglichen, dass das Steuerungs-Verbindungselement 140 entweder an der linken oder der rechten Seite montiert werden kann. Das Gehäuse 20 umfasst auch Vorkehrungen, um zu erlauben, dass ein DC-Anschlusskasten entweder an der linken oder der rechten Seite montiert werden kann.
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Das Gehäuse 20 hat auch eine Rückseite 40 und eine rückseitige Abdeckung 42, die ein rückseitiges Fach 44 abdeckt. Das rückseitige Fach 44 weist Vorkehrungen zum Befestigen eines Filterkondensators 70, eines Kühlkörpers 50 und eines Zugangs-Verbindungselements 160 auf. Das Gehäuse 20 umfasst Vorkehrungen, um zu ermöglichen, dass das Zugangs-Verbindungselement 160 entweder an der linken oder der rechten Seite montiert werden kann.
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An dem Gehäuse 20 sind auch Vorkehrungen vorgesehen, die es erlauben, dass der DC-Anschlusskasten 120, das Steuerungs-Verbindungselement 140 sowie das Zugangs-Verbindungselement 160 entweder an der linken oder der rechten Seite montiert werden können. Zum Beispiel sind Gussmerkmale 330 wie etwa Befestigungsansätze sowohl an der linken als auch an der rechten Seite vorgesehen, um die Befestigung des DC-Anschlusskastens 120 zu ermöglichen. Die endgültige maschinelle Bearbeitung, Bohren und Einschneiden von Gewinden kann dann in einer der Positionen erfolgen, wo der DC-Anschlusskasten 120 für eine bestimmte Anwendung montiert werden muss. Gussmerkmale 330 sind auch vorgesehen, um eine DC-Anschlussöffnung 122 in dem Guss 15 zu erlauben, um zu ermöglichen, dass die DC-Anschlüsse von der DC-Zugangsschiene 130 zu dem DC-Anschlusskasten 120 durchreichen. Die Anwendung kann einen, zwei oder keinen DC-Anschlusskasten 120 erfordern. Gussmerkmale 340 für das Steuerungs-Verbindungselement 140 umfassen eine Flachstelle, die maschinell eingearbeitet werden kann, sowie Befestigungsansätze, die eine Montage an der rechten oder der linken Seite erlauben. In ähnlicher Weise sind Gussmerkmale 350 dafür vorgesehen, das Zugangs-Verbindungselement 160 an der linken oder an der rechten Seite zu montieren.
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Das Gehäuse 20 umfasst ein AC-Anschlussfach 180 an einem Ende. Der AC-Anschlusskasten 180 bietet den Zugang für einen AC-Leistungsanschluss von außerhalb des Gehäuses 20 zu den Komponenten im Inneren des Gehäuses 20. Anschlüsse von den AC-Kabeln 190 zu einem Anschlussklemmenblock 80 sind in Form von Ösen-/Überwurfmutter-Verbindern vorgesehen. Der Zugang wird durch eine vordere AC-Anschlussplatte 170, eine hintere Anschlussplatte 172, und eine untere AC-Anschlussplatte 174 bereitgestellt. Die AC-Anschlussplatten sind an dem Gehäuse 20 über Montageflansche befestigt. Jede der AC-Anschlussplatten kann mit Kabelöffnungen 176 ausgebildet sein, die das Durchführen von AC-Kabeln 190 erlauben. Auf diese Weise können AC-Kabel 190 zu dem Leistungswandlerpaket 10 von vorne, von hinten oder von unten zugeführt werden.
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Der Kühlkörper 50 ist durch Schrauben innerhalb des rückseitigen Gehäusefachs 44 an dem Gehäuse 20 befestigt. Das rückseitige Gehäusefach 44 umfasst eine Ausnehmung 46, die dazu ausgebildet ist, den Kühlkörper 50 aufzunehmen. Eine Oberfläche des Kühlkörpers 50 ist maschinell abgeflacht und umfasst Leistungsmodul-Befestigungslöcher 52 zum Befestigen einer Vielzahl von Leistungsmodulen 60. Kühlmitteldurchgänge sind vorgesehen, die durch den Kühlkörper 50 verlaufen, um durch die Leistungsmodule 60 erzeugte Wärme zu entfernen. Der Kühlkörper 50 und das Gehäuse 20 sind so ausgebildet, dass der Kühlkörper 50 mit den Kühlmittel-Einlass-/Auslassanschlüssen 150 entweder an der linken oder der rechten Seite montiert werden kann. Das Gehäuse 20 umfasst eine Gehäuseschnittstelle 56, die hinzugefügt ist, um das Ende des Kühlkörpers 50 unterzubringen und Öffnungen für Kühlmittel-Einlass-/Auslassanschlüsse 150 vorzusehen. Das Gussteil 15 umfasst ein erstes Gussmerkmal 320, das erlaubt, die Gehäuseschnittstelle 56 entweder an der linken oder der rechten Seite des Gussteils 15 anzuordnen.
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Der Kühlkörper umfasst Befestigungsmerkmale oder Befestigungslöcher 54 für die Schrauben, die den Kühlkörper 50 an dem Gehäuse 20 befestigen; diese sind symmetrisch um die Links-Rechts-Achse 210 angeordnet, was erlaubt, dass der Kühlkörper 50 in einer von zwei Orientierungen an dem Gehäuse angebracht wird. Auf diese Weise kann das Leistungswandlerpaket 10 Kühlmittel-Einlass-/Auslassanschlüsse 150 an der linken oder der rechten Seite bereitstellen, wobei dasselbe Gehäuse 20 und derselbe Kühlkörper 50 verwendet werden. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung sind die Leistungsmodul-Befestigungslöcher 52, die die Leistungsmodule 60 an dem Kühlkörper 50 befestigen, in einer Symmetrie um die Links-Rechts-Achse 210 des Leistungswandlerpakets 10 konfiguriert, was die korrekte Montage der Leistungsmodule 60 in beiden Montagekonfigurationen erlaubt. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung sind die Leistungsmodul-Befestigungslöcher 52, die sich in dem Kühlkörper 50 befinden, um eine Links-Rechts-Achse des Kühlkörpers 50 symmetrisch.
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Die Leistungsmodule 60 umfassen typischerweise paarweise vorhandene siliziumbasierte Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) und Freilaufdioden. Die IGBTs sind in ein Gehäuse eingeschlossen und elektrisch mit Anschlussklemmen verbunden. Die Anschlussklemmen sind auch zur Verbindung der IGBT-Gates mit einer Gate-Treiberplatine 110 vorgesehen. Eine Trägerplatte ist thermisch mit den IGBTs und den Dioden verbunden. Durch die IGBTs während des Schaltens erzeugte Wärme wird durch die Tärgerplatte und in den Kühlkörper 50 geleitet, wo sie durch Umwälzen eines Kühlmittels entfernt werden kann. Durch das Gehäuse und die Trägerplatte hindurch sind Befestigungslöcher zum Befestigen der Leistungsmodule 60 an dem Kühlkörper 50 vorgesehen.
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Das Leistungswandlerpaket 10 gemäß der vorliegenden Offenbarung ist konstruiert, um sowohl mit Induktions-/PM- als auch geschalteter Reluktanz-Technologie (SR oder switched reluctance) zu arbeiten. Die Induktions-/PM- und die SR-Technologie benötigen jeweils Leistungsmodule 60 mit unterschiedlichen Konfigurationen. Ein Induktions-/PM-Leistungsmodul 62 ist so ausgebildet, dass beide IGBTs in Reihe geschaltet sind. Typischerweise werden drei Induktions-/PM-Leistungsmodule 62 in einem Satz von Leistungsmodulen 66 verwendet, um einen dreiphasigen Wechselstrom bereitzustellen, der an einer Ständerwicklung einer Induktions-/PM-Maschine wie etwa eines Motors oder Generators anliegt. Ein SR-Leistungsmodul 64 ist so ausgebildet, dass beide IGBTs parallelgeschaltet sind, und stellt Leistung für eine Ständerwicklung einer SR-Maschine wie etwa eines Motors oder Generators bereit. Die SR-Leistungsmodule 64 in einem Satz von Leistungsmodulen 66 können kombiniert werden, um AC-Leistung an mehrphasige SR-Maschinen zu liefern.
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Obwohl es möglich wäre, ist es von den Kosten und den Raumanforderungen her dennoch ineffizient, eine Induktions-/PM-Konfiguration zur Versorgung einer SR-Maschine zu verwenden. Somit sind Leistungswandler typischerweise nicht dazu konstruiert, sowohl die Induktions-/PM- als auch die SR-Technologie gleichzeitig unterzubringen. Ein Leistungswandlerpaket 10, das sowohl Induktions-/PM- als auch SR-Technologie aufnehmen kann, würde ein Leistungsmodul 60 erfordern, das sowohl in Induktions-/PM- als auch in SR-Konfigurationen verfügbar ist. Dieses Leistungsmodul 60 ist als ein Induktions-/PM-Leistungsmodul 62 und als ein SR-Leistungsmodul 64 erhältlich, und zwar ausschließlich von Infineon Industrial Power Division, Lebanon, New Jersey. Das Induktions-/PM-Leistungsmodul 62 und das SR-Leistungsmodul 64 weisen identische Befestigungs- und DC-Anschlusskonfigurationen auf und sind daher mechanisch austauschbar, mit Ausnahme der Start-/Stop- und AC-Anschlüsse.
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Filterkondensatoren 70 sind in dem rückseitige Gehäusefach 44 montiert und sind elektrisch über Schraubanschlüsse mit der DC-Sammelschiene 90 verbunden. Die Montageanordnung der Filterkondensatoren 70 ist dazu konstruiert, Umgebungen mit starken Schwingungen auszuhalten. Die Filterkondensatoren 70 stellen die notwendige Gesamtkapazität bereit, die zur Glättung der Welligkeit des Stroms erforderlich ist, die an der DC-Verbindung auftritt, die das Leistungswandlerpaket 10 mit Lasten oder unterschiedlichen Leistungswandlungsstufen verbindet. Die Gesamtkapazität dient auch dazu, Oberwellenanteile und Spannungsspitzen der DC-Verbindungsspannung herauszufiltern. Folienkondensatoren sind oft die bevorzugte Wahl für mobile Anwendungen und können in einer Reihe von Wegen gepackt und montiert werden.
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Das Leistungswandlerpaket 10 umfasst einen Anschlussklemmenblock 80, der die AC-Sammelschienen 100 mit den AC-Kabeln 190 verbindet. Anschlussösen an dem Anschlussklemmenblock 80 erstrecken sich in das AC-Anschlussfach 180, wo sie mit den AC-Kabeln 190 über Ösen-Überwurfmutter-Verbinder verbunden sind. Der Anschlussklemmenblock 80 umfasst eine gedruckte Schaltungsplatte (PCB) mit einem eingelöteten Hall-Effekt-Stromsensor und einem Kunststoffisolator mit Leitern. Die Teile sind als eine Baugruppe zusammengebaut und werden dann in das Leistungswandlerpaket 10 eingebaut. Die Anordnung ist in der Lage, Strom für eine beliebige Anzahl von Leitern zu leiten und zu erfassen, wie dies für die Leistungswandleranwendung erforderlich ist. Die Kombination aus Hall-Effekt-Sensor und Leiteranordnung führt zu einer kleineren und kostengünstigeren Lösung als der Standardansatz der Industrie.
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Der Anschlussklemmenblock 80 ist in Konfigurationen mit zwei, drei oder vier Anschlussösen konstruiert. Die drei Konfigurationen oder Kombinationen der drei Konfigurationen der Anschlussklemmenblöcke 80 ist ausreichend, um alle erforderlichen Anwendungen des Leistungswandlerpakets abzudecken.
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Die DC-Sammelschiene 90 verbindet die positiven und negativen DC-Anschlussklemmen des Leistungsmoduls 60 mit den jeweiligen Anschlussklemmen des Filterkondensators 70. Die DC-Sammelschiene 90 wird durch Laminieren zweier Leiter miteinander gebildet, wobei jeder der Leiter einzeln von dem anderen Leiter isoliert ist.
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Vorkehrungen zum Anschließen der DC-Sammelschiene 90 an ein Zusatzverbindungselement 160 und eine DC-Zugangsschiene 130 sind geschaffen. Diese Vorkehrungen können in Form von Gewinde-Anschlussklemmen, Crimpösen oder dergleichen vorliegen. Die DC-Sammelleitung hat symmetrische Eigenschaften um die Links-Rechts-Achse 210 und weist Vorkehrungen auf, um mit der DC-Sammelschiene 90 mit einem Zugangs-Verbindungselement 160 und einer DC-Zugangsschiene 130 an der linken und rechten Seite verbunden zu werden.
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Die DC-Zugangsschiene 130 ist eine aus zwei Leitern laminierte Sammelschiene, die die DC-Sammelschiene 90 mit dem DC-Anschlusskasten 120 verbindet. Ein erstes Ende der DC-Zugangsschiene 130 kann mit der DC-Sammelschiene 90 an einer von zwei Stellen verbunden werden. Das zweite Ende der DC-Zugangsschiene 130 schließt an einen DC-Anschlussklemmenblock an, der am Boden des DC-Anschlusskastens 120 montiert ist. Die DC-Zugangsschiene hat symmetrische Eigenschaften und ist konstruiert, um mit dem DC-Anschlusskasten 120 verbunden zu werden, egal ob der DC-Anschlusskasten 120 an der linken oder an der rechten Seite des Gehäuses 20 montiert ist.
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Der DC-Anschlusskasten 120 ist ein Anschlusskasten, der an der linken, rechten oder an beiden Seiten des Gehäuses 20 angeordnet sein kann. Der DC-Anschlusskasten 120 bieten den Zugang für einen DC-Leistungsanschluss von außerhalb des Gehäuses 20 zu den Komponenten im Inneren des Gehäuses 20. Der DC-Anschlusskasten 120 umfasst einen DC-Anschlussklemmenblock, der an dem Gehäuse an der Basis des DC-Anschlusskastens montiert ist, und ist elektrisch mit der DC-Zugangsschiene 130 verbunden. Anschlüsse von den DC-Kabeln 192 zu dem DC-Anschlussklemmenblock sind in Form von Ösen-/Überwurfmutter-Verbindern vorgesehen. In manchen Anwendungen kann eine externe DC-Sammelschiene anstelle der DC-Kabel 192 verwendet werden.
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Die Gate-Treiberplatine 110 ist dazu ausgebildet, Befehle von einem Steuergerät 202 über die Schnittstellenplatine 200 zu erhalten und Schaltbefehle für die Leistungsmodule 60 zu erzeugen. Schaltbefehle werden an die Leistungsmodule 60 über Anschlüsse übergeben, die Steuer-Spannungssignale transportieren. Die Gate-Treiberplatine 110 der vorliegenden Offenbarung ist in zwei Konfigurationen ausgebildet. Die erste Konfiguration unterstützt ein einzelnes Leistungsmodul 60. Die zweite Konfiguration unterstützt zwei Leistungsmodule 60, die parallel angeschlossen sind. Beide Konfigurationen sind in der Lage, ein Induktions-/PM-Leistungsmodul 62 oder ein SR-Leistungsmodul 64 zu unterstützen.
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Das Leistungswandlerpaket 10 der vorliegenden Offenbarung ist dazu ausgebildet, an eine große Anzahl von Konfigurationen angepasst zu werden, während nur eine minimale Anzahl von Komponenten geändert werden muss. Das Leistungswandlerpaket 10 ist daher konfigurierbar, um die Bedürfnisse einer gesamten Produktlinie elektrischer Antriebsstränge 310 zu erfüllen, wobei die Notwendigkeit zur Entwicklung und Anpassung und der damit verbundenen Kosten für alle Komponenten jeder Anwendung vermieden wird.
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Zum Beispiel sind das Gehäuse 20, der Kühlkörper 50, der Filterkondensator 70 und die DC-Sammelschiene 90 allen Konfigurationen des Leistungswandlerpakets 10 gemeinsam. Darüber hinaus dient nur ein einziger Fußabdruck des Leistungsmoduls 60 für alle Konfigurationen des Leistungswandlerpakets 10.
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Dabei ist Symmetrie ein Hauptfaktor für viele Komponenten, darunter das Gehäuse 20, den Kühlkörper 50, das Leistungsmodul 60, die DC-Sammelschiene 90, den DC-Anschlusskasten 120 und die DC-Zugangsschiene 130. Symmetrie in der Form und der Befestigungskonfiguration erlaubt es, solche Komponenten in unterschiedlichen Positionen innerhalb des Leistungswandlerpakets 10 zu montieren, bzw. versetzt die Komponenten in die Lage, mit unterschiedlichen Versionen anderer Komponenten ohne Abwandlung kombiniert zu werden.
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Die Tabelle in 7 zeigt die Konfigurationen, die durch das Leistungswandlerpaket 10 erfüllt werden können, einschließlich ihrer Topologien und Hauptkomponenten. Die Haupttopologien werden im Folgenden kurz beschrieben.
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9 zeigt verschiedene Gussmerkmale des Gussteils 15. 10 zeigt das Gehäuse 20 nach mehreren maschinellen Bearbeitungsschritten.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Das Leistungswandlerpaket 10 der vorliegenden Offenbarung ist dazu ausgebildet, an eine große Anzahl von Konfigurationen angepasst zu werden, während nur eine minimale Anzahl von Komponenten geändert werden muss. Das Leistungswandlerpaket 10 ist daher konfigurierbar, um die Bedürfnisse einer gesamten Produktlinie elektrischer Antriebsstränge 310 zu erfüllen, um Traktion für eine Maschine 5 bereitzustellen. Dies spart einmalige Entwicklungs- und Werkzeugkosten, die mit der Schaffung neuer Konstruktionen für jede Anwendung einhergehen. Des Weiteren erhöht die Verwendung eines einzelnen Leistungswandlerpakets 10 für eine gesamte Produktlinie die Stückzahlen, was die Kosten des Leistungswandlerpakets 10 durch Verteilung der einmaligen Entwicklungs- und Werkzeugkosten auf eine höhere Stückzahl senkt. Da der Leistungswandler einen beträchtlichen Anteil der Kosten eines elektrischen Antriebsstrangs 310 ausmachen kann, erlaubt dies, elektrische Antriebsstränge 310 in mehrere Anwendungen zu integrieren.
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Dazu sind das Gehäuse 20, der Kühlkörper 50, der Filterkondensator 70 und die DC-Sammelschiene 90 allen Konfigurationen des Leistungswandlerpakets 10 gemeinsam. Darüber hinaus ist das Leistungswandlerpaket 10 dazu konstruiert, einen Fußabdruck des Leistungsmoduls 60 zu verwenden, der sowohl die SR- als auch die Induktions-/PM-Technologie unterstützt. Diese Fähigkeit erlaubt es, das Leistungswandlerpaket 10 entweder mit einem SR- oder einem Induktions-/PM-Motor oder -Generator zu verbinden, während nur eine minimale Anzahl von Komponenten geändert werden muss.
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8 zeigt ein weiteres Beispiel eines elektrischen Antriebsstrangs 310 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die gezeigten Leistungswandlerpakete 10 entsprechen dem Typ der SR-Parallel-Topologie 270. Das erste Leistungswandlerpaket 10 ist mit einem SR-Generator 230 durch einen ersten Satz von sechs AC-Kabeln 190 verbunden. Der Generator 230 wird durch eine Antriebsmaschine wie etwa einen Verbrennungsmotor angetrieben. Die AC-Kabel 190 von dem Generator 230 sind elektrisch mit einem ersten Satz von Leistungsmodulen 66 aus sechs parallel konfigurierten SR-Leistungsmodulen 64 verbunden. Ein SR-Motor 220 ist mit einem zweiten Leistungswandlerpaket 10 durch einen zweiten Satz von sechs AC-Kabeln 190 verbunden. Die AC-Kabel 190 von dem Motor 220 sind elektrisch mit einem zweiten Satz von Leistungsmodulen 66 aus sechs SR-Leistungsmodulen 64 verbunden. Das erste und das zweite Leistungswandlerpaket 10 sind durch DC-Kabel 192 verbunden. Der elektrische Antriebsstrang 310 ist so ausgebildet, dass im Normalbetrieb Leistung von dem Generator 230 durch das erste Leistungswandlerpaket 10 zu dem zweiten Leistungswandlerpaket 10 und zu dem Motor 220 fließt. Der elektrische Antriebsstrang 310 ist so ausgebildet, dass Leistung auch von dem Motor 220, durch das zweite Leistungswandlerpaket 10 und das erste Leistungswandlerpaket 10 und zu dem Generator 230 fließen kann. Die SR-Dual-Topologie 270 ist, wie in 8 dargestellt, typischerweise für etwa 650 VDC und 1400 A effektiv ausgelegt.
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Der elektrische Antriebsstrang 310 in 8 zeigt den DC-Anschlusskasten 120, das Steuerungs-Verbindungselement 140, die Kühlmittel-Einlass-/Auslassanschlüsse 150 und das Zugangs-Verbindungselement 160 an einer Seite des Leistungswandlerpakets 10. Es sollte angemerkt werden, dass alle der vorhergehenden Merkmale an der linken oder der rechten Seite in beliebiger Kombination positioniert werden können, wie dies für die konkrete Anwendung erforderlich ist. Des Weiteren könnten die AC-Kabel 190 zur Vorderseite, Rückseite oder Unterseite des Leistungswandlerpakets 10 geführt werden.
