DE19964169A1 - Anordnung zur Strommessung in einer elektrischen Maschine - Google Patents

Abstract

Anordnung zur Strommessung, mit einer Stromschiene in der ein Strom gemessen werden soll, wobei die Stromschiene wenigstens einen Teilbereich mit einer Ausformung aufweist und daß dieser Teilbereich mit einer Strommeßeinrichtung verbindbar ist, wobei die Strommeßeinrichtung einen Sensor und eine mit diesem verbundene Auswerteeinrichtung aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Strommessung in einer elektri­ schen Maschine.

Stromschienen dienen in der Regel dazu, elektrische Bauelemente miteinander zu verbinden und diese mit dem notwendigen Strom zu versorgen. Beispielsweise werden derartige Stromschienen insbesondere in Leistungselektroniken zum Steuern von elektrischen Maschinen verwendet.

Solche elektrischen Maschinen sind unter anderem Synchronmaschinen zur Er­ zeugung von elektrischer Energie. Die erzeugte elektrische Energie wird dann ver­ schiedensten Verbrauchern zur Verfügung gestellt. Diese Verbraucher sind übli­ cherweise in elektrischen Netzen zusammengefaßt. Solche elektrischen Netze werden beispielsweise als Bordnetze für Fahrzeuge verwendet. Insbesondere, wenn eine elektrische Maschine in einem Fahrzeug verwendet wird, steht übli­ cherweise nur ein geringer Bauraum zur Verfügung, so daß für die elektrische Maschine sowie die für die elektrische Maschine benötigten Komponenten, zu denen auch die Leistungselektronik gehört, nur ein begrenzter Bauraum zur Ver­ fügung steht. Die einzelnen Komponenten müssen daher möglichst kompakt und platzsparend ausgestaltet werden. Gleichzeitig müssen die einzelnen Komponen­ ten, und hier insbesondere die Leistungselektronik, besonders leistungsfähig sein. Dies gilt insbesondere im Bereich der Fahrzeugindustrie, wo immer neue elektri­ sche Komponenten eingeführt werden.

Die Leistungselektronik dient dazu, eine elektrische Maschine anzutreiben. Des­ halb wird die Leistungselektronik während ihres Betriebs von hohen Strömen durchflossen, die zur Regelung und Überwachung der elektrischen Maschine ge­ messen werden müssen.

Bisher werden für diese Strommessungen separate Strommeßeinrichtungen ein­ gesetzt. Diese Strommeßeinrichtungen bestehen in der Regel aus einem Sensor und einer mit diesem verbundenen Auswerteeinrichtung. Zur Durchführung der Strommessung wird der Sensor mit einem Leiter verbunden, der von dem zu messenden Strom durchflossen ist. In einer bekannten Ausführungsform zur Strommessung ist es erforderlich, daß der Leiter, in dem der Strom gemessen wird, als eigenständiges Bauelement vorliegt. Dieser Leiter muß dann auf einer entsprechenden Basisstruktur montiert werden. Nachteilig bei einer solchen Aus­ führungsform ist jedoch, daß eine Vielzahl von Bauelementen benötigt werden, die nacheinander alle miteinander kontaktiert werden müssen. So muß zunächst der zur Strommessung dienende Leiter auf der Basisstruktur montiert werden. Anschließend muß der Sensor montiert und mit diesem Stromleiter kontaktiert werden. Dadurch wird die Herstellung einer solchen Anordnung zur Strommes­ sung konstruktiv aufwendig und damit kostenintensiv, was sich insbesondere negativ im Bereich der Massenfertigung und im Bereich der Automobilindustrie auswirkt.

In einer weiteren bekannten Ausführungsform zur Strommessung ist vorgesehen, daß der zur Strommessung dienende stromführende Leiter auf einer Platine auf­ gebracht ist. Dieser Stromleiter wird dann mit dem Sensor der Strommeßeinrich­ tung kontaktiert. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß die Stromfähigkeit von Plati­ nen beschränkt ist und daß deshalb eine Strommessung nur bis zu einer kleinen Stromklasse möglich sind. Auch diese bekannte Strommeßeinrichtung ist deshalb für eine wie oben beschriebene Leistungselektronik, in der hohe Ströme gemes­ sen werden müssen, nicht geeignet.

Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, um die oben be­ schriebenen Nachteile zu vermeiden. Insbesondere sollen eine Stromschiene, eine Anordnung zur Strommessung und eine Leistungselektronik bereitgestellt wer­ den, mit der/denen auf einfache und kostengünstige Weise auch große Ströme gemessen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Patentanspruch 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung zur Strommessung wird es auf einfache - insbesondere konstruktiv einfache - und kostengünstige Weise möglich, Ströme, vor allem hohe Ströme, über geeignete Strommeßverfahren zu messen. Zu den Vorteilen, Wirkungen, Effekten und der Funktionsweise der Anordnung wird auf die vorstehenden Ausführungen zur erfindungsgemäßen Stromschiene vollinhalt­ lich Bezug genommen und hiermit verwiesen.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Vorteilhaft ist der Sensor zur Messung des Stroms in räumlicher Nähe zum we­ nigstens einen Teilbereich mit einer Aussparung der Stromschiene angeordnet. Dabei ist es nicht erforderlich, daß der Sensor direkt mit dem Teilbereich verbun­ den ist. Vielmehr können die beiden Bauelemente räumlich getrennt und ohne direkte Verbindung vorgesehen sein. Wichtig ist lediglich, daß der Sensor zur Messung des Stroms in der Stromschiene geeignet ist, beispielsweise indem er von den elektrischen und/oder magnetischen Feldern in der Stromschiene durch­ drungen werden kann.

In anderer Ausgestaltung ist der Sensor mit dem wenigstens einen Teilbereich mit einer Ausformung der Stromschiene verbunden, beispielsweise über eine ge­ eignete elektrische Verbindung.

Vorteilhaft ist der Sensor zur Messung eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes ausgebildet.

In weiterer Ausgestaltung kann der Sensor als Sensorelement auf magnetore­ sistiver Basis oder auf Hall-Effekt-Basis ausgebildet sein. Natürlich sind auch an­ dere Sensorelemente denkbar, so daß die Erfindung nicht auf die beiden be­ schriebenen Beispiele beschränkt ist.

Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise an Hand eines Ausführungsbei­ spiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Fig. 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht der erfin­ dungsgemäßen Leistungselektronik.

In Fig. 1 ist eine Leistungselektronik 10 zum Steuern einer elektrische Maschine dargestellt, wobei es sich bei der elektrischen Maschine um einen Starter- Generator für ein Fahrzeug handelt, der als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet ist.

Die Leistungselektronik 10 weist ein Gehäuse 19 auf, das als Aluminium- Tiefziehteil hergestellt ist. Das Gehäuse 19 ist bis auf eine Gehäuseöffnung in der Stirnseite allseitig geschlossen. Dadurch wird verhindert, daß Verunreinigungen oder Feuchtigkeit von außen in die Leistungselektronik 10 eindringen und diese beschädigen können. Das Gehäuse 19 kann auch zwei Gehäuseöffnungen auf­ weisen, die jeweils in dessen Stirnseiten vorgesehen sind. Die Gehäuseöff­ nung(en) ist/sind über ein Deckelelement 20 verschlossen, wobei das Deckelele­ ment 20 lösbar mit dem Gehäuse 19 verbunden ist. Dadurch können die im Ge­ häuse 19 befindlichen Bauelemente, etwa zu Wartungs- oder zu Reparaturzwe­ cken leicht aus dem Gehäuse 19 herausgenommen werden. Um ein Eintreten von Schmutz oder Feuchtigkeit über die Gehäuseöffnung in das Gehäuse 19 zu ver­ hindern, ist zwischen dem Deckelelement und dem Gehäuse 19 vorteilhaft ein geeignetes Dichtungselement vorgesehen. Das Deckelelement 20 weist eine An­ zahl von Öffnungen auf, durch die eine Anzahl von Anschlußelementen 16, 17 hindurchgeführt sind. Das Deckelelement 20 fungiert somit als Anschlußplatte der Leistungselektronik 10.

Wie aus Fig. 1 weiterhin zu ersehen ist, weist die Leistungselektronik 10 einen Leistungsteil 11 auf. Der Leistungsteil 11 verfügt über eine Anzahl von Konden­ satoren 13. Die Kondensatoren 13 sind über eine Schraubverbindung 14 mit ei­ ner Stromschiene 30 verbunden. Weiterhin weist der Leistungsteil 11 eine An­ zahl von Leistungshalbleitern 12 auf, die über Laschen 15 ebenfalls mit der Stromschiene 30 verbunden sind. Die Laschen sind beispielsweise über eine Löt­ verbindung oder dergleichen mit dieser verbunden. Natürlich sind auch andere Verbindungsmöglichkeiten für die Leistungshalbleiter 12 an der Stromschiene 30 denkbar. Zu nennen sind hier unter anderem Krimpverbindungen, Verbindungen mittels Hülsen, Schweißverbindungen, wie beispielsweise das Ultraschallschwei­ ßen, oder dergleichen. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Verbindungsarten beschränkt.

Bei den Leistungshalbleitern handelt es sich im vorliegenden Fall um MOSFETs. Sowohl die Kondensatoren 13, als auch die Leistungshalbleiter 12 sind über die Stromschiene 30 verschaltet.

Die Kondensatoren 13 sind in einer Reihe mittig im Gehäuse 19 angeordnet und werden von zwei Reihen Leistungshalbleitern 12 flankiert, so daß sich die Leis­ tungshalbleiter 12 zwischen der Seitenwand des Gehäuses 19 und den Konden­ satoren 13 befinden.

Um die während des Betriebs der Leistungselektronik 10 in den Leistungshalblei­ tern 12 und den Kondensatoren 13 entstehende Verlustwärme abführen zu kön­ nen, ist eine Kühlvorrichtung 18 vorgesehen. Dabei ist die Kühlvorrichtung 18 derart mit den genannten Elementen verbunden, daß zwischen diesen und der Kühlvorrichtung 18 ein thermischer Austausch stattfindet oder stattfinden kann.

Die Kühlvorrichtung 18 ist als Aluminium-Tiefziehprofil oder -Strangpreßprofil ausgebildet und weist einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf. Natür­ lich sind je nach Bedarf und Anwendungsfall auch andere Querschnitte, wie bei­ spielsweise ein L-förmiger Querschnitt oder dergleichen für die Kühlvorrichtung 18 denkbar. Bei U-förmiger Ausgestaltung verfügt die Kühlvorrichtung 18 über zwei Seitenschenkel sowie einen Basisbereich. Die Kondensatoren 13 sind in ei­ nem von den Seitenschenkeln und dem Basisbereich gebildeten Raum angeord­ net, so daß eine Kühlung sowohl in seitlicher Richtung, als auch nach unten und von unten erfolgen kann. Die Leistungshalbleiter 12 sind vorzugsweise außerhalb der Seitenschenkel von der Kühlvorrichtung 18 angeordnet. Somit ist eine seitli­ che Kühlung der Leistungshalbleiter 12 über die Seitenschenkel gewährleistet, ohne daß es im Hinblick auf die Kühlung zu einer Behinderung zwischen den Kondensatoren 13 und den Leistungshalbleitern 12 kommen kann.

Zur Unterstützung der Kühlwirkung durch die Kühlvorrichtung 18 sind in den Sei­ tenschenkeln und im Basisbereich der Kühlvorrichtung 18 Kühlkanäle 21 vorge­ sehen. Die Kühlkanäle 21 werden von einem geeigneten Kühlmedium durch­ strömt. Dazu sind die Kühlkanäle 21 mit einer nicht dargestellten Quelle für ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser oder dergleichen, verbunden. Wenn die Leis­ tungselektronik 10 wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Verbindung mit einem Starter-Generator für ein Fahrzeug verwendet wird, kann die Quelle für das Kühlmedium der konventionelle Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors sein. Ein Anschlußelement der Kühlvorrichtung ist dann mit dem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors verbunden, so daß das im Verbrennungsmotor zirkulierende Kühlwasser auch die Kühlvorrichtung 18 der Leistungselektronik durchströmt.

Dadurch können zusätzliche Kühler, Pumpen oder dergleichen für die Kühlvorrich­ tung 18 wegfallen, was besondere Vorteile im Hinblick auf die Kosten sowie den Platzbedarf der Leistungselektronik 10 hat.

Zum Betrieb der Leistungselektronik 10 sind weiterhin zwei Steuerplatinen 22 vorgesehen, die vorzugsweise in SMD-Technik ausgeführt ist, und die sämtliche Steuerungs-, Überwachungs- und Regelungsfunktionen einschließlich der Ansteu­ erung der Leistungshalbleiter 12 übernehmen. Auf den Steuerplatinen 22 befin­ den sich unter anderem Signalbahnen für die Leistungshalbleiter 12.

Weiterhin ist in der Leistungselektronik 10 eine Stromschiene 30 vorgesehen, über die die Kondensatoren 13 und die Leistungshalbleiter 12 verschaltet sind. Die Stromschiene 30 hat die Aufgabe, die mit ihr verschalteten Bauelemente mit Strom zu versorgen. Dazu weist die Stromschiene 30 eine Anzahl von Anschlüs­ sen 37 auf. Die Stromschiene 30 besteht aus einer Anzahl von Lagen 31, die aus massivem Kupfer gebildet sind.

Die Stromschiene 30 weist eine T-förmige Struktur auf. Dazu besteht sie zum einen aus einer plattenartigen, viereckigen Grundstruktur 32. An einer ihrer Stirn­ seiten 34 weist die Stromschiene einen querliegenden Bereich 33 auf.

Im querliegenden Bereich 33 ist auf beiden Seiten jeweils ein Teilbereich 35 mit einer Ausformung vorgesehen. Dieser Teilbereich 35 hat eine im wesentlichen U- förmige Konfiguration 38, wobei der Zwischenraum zwischen den beiden Schen­ keln des "U" durch einen Schlitz 26 gebildet wird. Dieser und weitere in Fig. 1 dargestellte Schlitze 36 haben die Funktion, die stromführenden Bahnen der Stromschiene 30 gezielt zu unterteilen.

Schließlich sind in der Stromschiene 30 noch verschiedene Kontaktierungen 39 vorgesehen.

Über die Stromschiene 30 ist es möglich, die in der Leistungselektronik 10 be­ findlichen hohen Ströme zu messen. Die Strommessung erfolgt über die entspre­ chend ausgebildeten Teilbereiche 35. Dabei wird der Strom mittels der Schlitze 36 in diese Teilbereiche 35 geführt.

Unterhalb der Teilbereiche 35 ist auf der Steuerplatine 22 in räumlicher Nähe zu den Teilbereichen 35 jeweils ein Sensor einer nicht dargestellten Strommeßein­ richtung vorgesehen, der von den elektrischen und/oder magnetischen Feldern in der Stromschiene 30, beziehungsweise im Teilbereich 35, durchdrungen wird. Die Meßwerte werden an eine Auswerteeinrichtung der Strommeßeinrichtung weitergeleitet, die ebenfalls auf der Steuerplatine 22 angeordnet ist. Dadurch las­ sen sich mit den bekannten und üblichen Strommeßverfahren auch bei der im Hochstrombetrieb arbeitenden Leistungselektronik auf einfache und kostengün­ stige Weise die Ströme messen.

Claims (5)

1. Anordnung zur Strommessung in einer elektrischen Maschine, mit einer Stromschiene in der ein Strom gemessen werden soll, wobei die Stromschie­ ne wenigstens einen Teilbereich mit einer Ausformung aufweist und daß dieser Teilbereich mit einer Strommeßeinrichtung verbindbar ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strommeßeinrichtung einen Sensor und eine mit die­ sem verbundene Auswerteeinrichtung aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor zur Messung des Stroms in räumlicher Nähe zum wenigstens einen Teilbereich (35) mit einer Ausformung der Stromschiene (30) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor mit dem wenigstens einen Teilbereich (35) mit einer Ausformung der Strom­ schiene (30) verbunden ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor zur Messung eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes ausgebildet ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor als Sensorelement auf magnetoresistiver Basis oder auf Hall- Effekt-Basis ausgebildet ist.