Elektrische Schaltungseinheit
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungseinheit, insbesondere eine Einheit, die als Pulswechselrichter zur Steuerung und/oder Regelung einer elektrischen Maschine dient. Derartige Einrichtungen sind besonders dann erforderlich, wenn eine elektrische Maschine, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, sowohl als Stromerzeuger als auch als Antriebsmaschine dienen soll. Solche Anordnungen in Verbindung mit Brennkraftmaschinen befinden sich beispielsweise in sogenannten Hybridfahrzeugen.
Aus der DE 198 46 156 Cl ist eine derartige gattungsbildende elektrische Schaltungseinheit bekannt, die dort als mehrphasiger Umrichter bezeichnet ist. Dort ist zunächst eine, als Träger bezeichnete Kühlvorrichtung offenbart, die im Wesentlichen aus einem sechseckigen Prisma besteht. Dieses sechseckige Prisma weist in seinem Zentrum einen zylindrischen Hohlraum auf, in den ein Kondensator eingesetzt ist. Dieser im
Grunde genommene prismatische Ring weist mehrere Kühlkanäle auf, die zur Kühlung des in das Prisma eingesetzten Kondensators dienen. An den Außenflächen des Prismas sind insgesamt sechs Schaltungseinheiten angeordnet. Die beschriebene Vorrichtung ist schließlich von einem verschlossenen, topfförmigen Behälter umgeben. Aus dem Behälterboden ragen sowohl die Anschlüsse des Kondensators als auch drei Leitungen, die zur Stromversorgung der dort nicht gezeigten elektrischen Maschine dienen. Bei dieser Ausführung ist nachteilig, dass aufgrund der gewählten Bauform diese elektrische Schaltungseinheit kaum in ein Gehäuse der elektrischen Maschine integriert werden kann.
Die erfindungsgemäße elektrische Schaltungseinheit, insbesondere Einheit, die als Pulswechselrichter zur Steuerung und/oder Regelung einer elektrischen Maschine dient, hat den Vorteil, dass durch die Entwärmung des Kondensators mittels seiner Anschlusskontakte über die Stromleiter, welche durch die Kühlvorrichtung gekühlt sind, einerseits eine sehr gute Kühlung des zumindest einen Kondensators erreicht wird und andererseits eine deutlich größere Gestaltungsfreiheit für diese elektrische Schaltungseinheit besteht. Die Schaltungseinheit kann durch diese Wahl deutlich schlanker aufgebaut werden und lässt sich somit deutlich besser in ein Gehäuse einer elektrischen Maschine integrieren. Das zur Verfügung zu stehende Gehäuse der elektrischen Maschine benötigt keinen oder kaum mehr axialen Platz im Bezug auf die axiale Erstreckung der elektrischen Maschine. Somit lässt sich ein praktisch einstückiges Modul aus elektrischer Maschine mit elektrischer Schaltungseinheit darstellen. Verbindungsprobleme zwischen elektrischer Maschine und elektrischer Schaltungseinheit lassen sich von vorne herein vermeiden. Zeitaufwändige Verbindungsherstellungen zwischen beiden Geräten bei der Endfertigung eines Fahrzeugs sind vermeidbar und damit auch verbundene Fehlerquellen. Des Weiteren sind logistische Vorteile damit verbunden, da diese beiden zusammenwirkenden Geräte als ein Bauteil verschickt werden können.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen der elektrischen Schaltungseinheit nach dem Hauptanspruch möglich. Eine besonders gute Kühlung wird dadurch erreicht, indem die Kühlvorrichtung, die Stromleiter und die Anschlusskontakte des zumindest einen Kondensators als Stapel ausgebildet sind. Zudem ist die Montage vereinfacht.
Eine besonders gute Verbindung und ein besonders günstiger Wärmeübergang wird dadurch erreicht, indem der Stapel mittels Halteelementen, vorzugsweise Schrauben, an der Kühlvorrichtung befestigt ist.
Weist ein Stromleiter zur Aufnahme eines Anschlusskontaktes eine Aussparung in
Richtung zu seinem benachbarten Stromleiter auf, so lässt sich der Anschlusskontakt im Wesentlichen bündig zwischen den Stromleitern aufnehmen. Dieser Bereich der Konstruktion kann somit besonders kompakt aufgebaut werden.
Sind die Stromleiter als Stromschienen mit im wesentlichen rechteckigen Querschnitt ausgebildet, so lässt sich ein besonders kompakter und vom Wärmeübergang her besonders günstiger Stapel bilden.
Sind die Stromleiter abschnittsweise an die unterschiedliche Kontur der Kühlvorrichtung angeschmiegt, so ergibt sich über die gesamte bzw. die angeschmiegte und somit über eine besonders große Länge der Stromleiter eine gute Wärmeanbindung und überhaupt Wärmeabgabemöglichkeit an die Kühlvorrichtung selbst. Auch die Kondensatoren werden dadurch besonders gut gekühlt.
Sind die Anschlusskontakte der Kondensatoren als Anschlussfahnen ausgebildet, d.h. bildet man die Anschlusskontakte als Bleche aus, so lässt sich ein besonders großflächiger Wärmeübergang von dem Anschlusskontakt an einen Stromleiter verwirklichen. Zudem wird der Stromübergang vom Kondensator auf den Stromleiter nicht an einer Stelle konzentriert, sondern findet großflächig statt. Auch dadurch wird eine ungleichmäßige Erwärmung und Entwärmung der Stromleiter vermieden.
Einen besonders guten Wärmeübergangseffekt und Kühleffekt erreicht man dann, wenn das Längenverhältnis zwischen der Breite der Anschlussfahnen und der Kondensatorbreite in etwa eins ist. Ist der zumindest eine Kondensator hinter bzw. unter der Kühlvorrichtung angeordnet - d. h. auf der der Oberfläche 19 abgewandten Seite - , so wird dadurch ein besonders kompakter Aufbau begünstigt. Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Kühlvorrichtung stabartig ausgebildet ist und in ihrem Inneren durchströmbare Hohlräume, insbesondere längliche, rohrartige Hohlräume aufweist. Sie ermöglicht beispielsweise die Fertigung der Kühlvorrichtung als Strangprofil. Damit bestünde beispielsweise die Möglichkeit, die Kühlvorrichtung nicht nur als gerades Profil zu gestalten, sondern darüber hinaus - und über das in den hier dargestellten Figuren dargestellte - auch als bogenförmige Kühlvorrichtung zu gestalten. Dies ermöglichte eine noch bessere Anpassung der elektrischen Schaltungseinheit an die Kontur der elektrischen Maschine.
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Zeichnungen
In den Zeichnungen ist ein Ausfuhrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungseinheit dargestellt. Es zeigen:
Figur 1 eine räumliche Ansicht auf eine erfindungsgemäße Schaltungseinheit,
Figur 2 ausschnittweise eine Draufsicht auf die Leistungsendstufen der Schaltungseinheit,
Figur 3 einen Querschnitt nach Linie III - III in Figur 2,
Figur 4 eine detailierte Darstellung des durch die Kühlvorrichtung, die Stromleiter und des die Anschlusskontakte gebildeten Stapels,
Figur 5 eine vergrößerte Draufsicht auf den Stapel.
Beschreibung
In Figur 1 ist eine räumliche Ansicht der elektrischen Schaltungseinheit 10 dargestellt.
Diese elektrische Schaltungseinheit 10 ist hier als Einheit ausgebildet, die als Pulswechselrichter zur Steuerung und/oder Regelung einer elektrischen Maschine dient. Derartige Maschinen werden, wie eingangs bereits erwähnt, dazu verwendet, um elektrische Maschinen entweder generatorisch oder motorisch betreiben zu können. Als Anwendung kommt hier beispielsweise ein Hybridfahrzeug in Frage, bei dem zusätzlich zu einer Brennkraftmaschine eine elektrische Maschine als Antrieb vorgesehen ist. Diese elektrische Schaltungseinheit 10 hat als zentralen Träger ein stabartiges Kühlrohr, das hier auch als Kühlvorrichtung 13 bezeichnet wird. Diese Kühlvorrichtung 13 erstreckt sich länglich, und weist an ihren beiden Enden rechts bzw. links im Bild je einen Einlass E bzw. einen Auslass A auf. Diese Kühlvorrichtung 13 bzw. dieses Kühlrohr weist im
Inneren zumindest einen durchströmbaren Hohlraum auf. Die Kühlvorrichtung 13 hat in diesem Ausführungsbeispiel einen rechteckigen Querschnitt. Auf einer ersten Oberfläche 19 dieser Kühlvorrichtung sind eine bestimmte Anzahl an Leistungsendstufen 16 angebracht. Die Anzahl der Leistungsendstufen 16 ist davon abhängig, mit wie vielen Phasen bzw. Strängen die elektrische Maschine betrieben wird.
Rechtwinklig zu dieser ersten Oberfläche 19 befindet sich eine Seitenfläche 22. An diese längliche Seitenfläche 22 schmiegen sich in diesem Ausführungsbeispiel zwei Stromleiter 25 bzw. 28 an. An diese beiden Stromleiter 25 bzw. 28 schließen sich in diesem Ausführungsbeispiel ein Anschlusskontakt 31 bestimmter Polarität eines Kondensators 34 an. Die Stromleiter 25 bzw. 28 sind als Stromschienen ausgebildet und weisen einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf.
Wie im Bereich des Einlasses E zu erkennen ist, schmiegen sich die Stromleiter 25 bzw. 28 an die unterschiedliche Kontur der Kühlvorrichtung 13 an. Die Kühlvorrichtung 13, im Wesentlichen quaderförmig, ist im Bereich des Einlasses damit im Bereich der sich stark ändernden Kontur der Kühlvorrichtung von den beiden Stromleitern 25 bzw. 28 umgeben.
Das Längenverhältnis zwischen der Breite Bl der Anschlussfahne bzw. eines
Anschlusskontakts 31 oder 43 und der Kondensatorbreite B2 in Längsrichtung der Kühlvorrichtung 13 ist in etwa 1.
In Figur 2 ist eine Draufsicht gemäß der in Figur 1 angegebenen Weise dargestellt. Deutlich erkennbar sind hier eine Leistungsendstufe 16, die mit ihrer vernickelten
Kupfergrundplatte 37 auf der Kühlvorrichtung 13 befestigt ist. Dazu dienen Laschen 40, mittels derer die Kupfergrundplatte 37 an der Kühlvorrichtung 13 befestigt ist. Auf der Kupfergrundplatte befinden sich verschiedene, nicht näher bezeichnete elektronische Bauteile, die zusammen eine Leistungsendstufe 16 bilden. Deutlich erkennbar ist hier, dass die Kühlvorrichtung 13, die Stromleiter 25 bzw. 28 und zwei Anschlusskontakte 31 bzw. 43 des Kondensators 34 als Stapel 46 ausgebildet sind.
Es ist somit eine elektrische Schaltungseinheit 10, insbesondere eine Einheit, die als Puls- Wechsel-Richter zur Steuerung und/oder Regelung einer elektrischen Maschine dient, vorgesehen. Diese elektrische Schaltungseinheit 10 weist zumindest eine
Leistungsendstufe 16 auf, die mittels einer Kühlvorrichtung 13 kühlbar ist. Zumindest ein Kondensator 34 ist Teil der elektrischen Schaltungseinheit 10. Die Anschlusskontakte 31 bzw. 43 des zumindest einen Kondensators 34 sind einerseits sowohl mit Stromleitern 25 bzw. 28 elektrisch verbunden, andererseits ist der Kondensator 34 mittels dieser, durch
die Kühlvorrichtung 13 gekühlten Stromleiter 25 bzw. 28 über die Anschlusskontakte 31 bzw. 43 entwärmbar bzw. kühlbar.
Der Stapel 46 ist mittels Halteelementen 49, die vorzugsweise als Schrauben ausgeführt sind, an der Kühlvorrichtung 13 befestigt.
In Figur 3 ist gemäß der Schnittlinie III - III in Figur 2 der entsprechende Querschnitt durch die elektrische Schaltungseinheit 10 dargestellt. Auf der ersten Oberfläche 19 ist die Kupfergrundplatte 37 mit der Leistungsendstufe 16 angeordnet. Zur Rechten und damit an der Seitenfläche 22 sind die beiden Stromleiter 25 bzw. 28 angeordnet. Die beiden Stromleiter 25 bzw. 28 nehmen zwischen sich den Anschlusskontakt 43 auf. Zur Rechten des Stromleiters 25 befindet sich der Anschlusskontakt 31. Der Stapel wird zusammen gehalten durch das Halteelement 49, das seine Haltekraft über eine Unterlegscheibe 52 überträgt. Zwischen dem zumindest einen Kondensator 34 und einer Leistungsendstufe 16 ist die Kühlvorrichtung 13 angeordnet. Die beiden
Anschlusskontakte 31 bzw. 43 des Kondensators 34 sind als so genannte Anschlussfahnen ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Anschlusskontakte 31 bzw. 43 als relativ großflächige Bleche ausgebildet sind. Zudem sind die Anschlusskontakte 31 bzw. 43 im Bezug zu einer in Figur 3 angedeuteten Mittelebene P asymmetrisch bzw. einseitig aus dem Kondensator 34 herausgeführt. Zur verbesserten Wärmeleitung kann vorgesehen sein, zwischen dem Kondensator 34 und der Kühlvorrichtung 13 eine Wärmeleitpaste o. ä. einzubringen und somit den Wärmeübergang weiter zu verbessern.
Die beiden Stromleiter 25 bzw. 28 sind mittels so genannter Dickdrahtbonds 53 jeweils mit bestimmten Bereichen der Leistungsendstufe 16 oder den Leistungsendstufen 16 kontaktiert. Um eine besonders gute Anbindung zu erhalten, sind die beiden Stromleiter 25 bzw. 28 mit Podesten 54 versehen. Beim Herausstanzen der im wesentlichen zunächst geradlinigen Stromleiter 25 bzw. 28 sind bestimmte Bereiche derart berücksichtigt, dass eben diese Podeste 54 entstehen. Die Stanzkanten der Stromleiter 25 bzw. 28 sind somit nicht gerade, sondern weisen als Vorsprünge die Podeste 54 auf. Für Bondverbindungen können die Podeste 54 zusätzlich bearbeitet sein, um besonders gute Verbindungen zu ermöglichen.
In Figur 4 ist der Stapel in einer vergrößerten Darstellung gezeigt. Der Stapel ist insgesamt aus der Kühlvorrichtung 13, einer ersten Isolationsschicht 55, dem Stromleiter
28, dem Anschlusskontakt 43, einer weiteren Isolierlage 58, dem Stromleiter 25 und schließlich dem Anschlusskontakt 31 gebildet. Somit ist die Kühlvorrichtung 13 von den Stromleitern 25 bzw. 28 elektrisch isoliert und je ein Anschlusskontakt 43 bzw. 31 kontaktiert einen Stromleiter 28 bzw. 25.
In Figur 5 ist erkennbar, dass der Stromleiter 28 zur Aufnahme des Anschlusskontakts 43 eine Aussparung 70 aufweist, die auf der Seite des Stromleiters 28 angeordnet ist, die in Richtung zu dem anderen Stromleiter 25 gerichtet ist. Die Aussparung 70 weist in Stapelrichtung eine Tiefe auf, die in etwa der Materialstärke des Anschlusskontakts 43 entspricht.