WO2022200418A1 - Elektrische verbindungsvorrichtung mit planarer drossel - Google Patents

Elektrische verbindungsvorrichtung mit planarer drossel Download PDF

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WO2022200418A1
WO2022200418A1 PCT/EP2022/057615 EP2022057615W WO2022200418A1 WO 2022200418 A1 WO2022200418 A1 WO 2022200418A1 EP 2022057615 W EP2022057615 W EP 2022057615W WO 2022200418 A1 WO2022200418 A1 WO 2022200418A1
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connection
connecting device
spiral
forms
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Manfred DÖHMEN
Martin Helsper
Marc-Andre OCKLENBURG
Andreas Rühl
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Siemens Mobility GmbH
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    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections

Definitions

  • the invention relates to an electrical
  • Connecting device a method for producing such a connecting device and a vehicle, in particular a rail vehicle with such a connecting device.
  • power semiconductor switches or power transistors based on semiconductors with a larger band gap than silicon in particular based on silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN), in power converters, particularly in rail vehicles, means that due to the possible higher switching frequencies, decoupling is more functional Units of a power converter which are electrically connected to one another, for example via a DC link, require chokes with a comparatively small inductance for the AC component on the one hand, but which should not be saturated by a DC component on the other hand.
  • the invention is therefore based on the object of specifying an electrical connection device which satisfies the requirements and can be produced at low cost.
  • this object is achieved by a connecting device with a planar throttle according to the features of independent patent claim 1 .
  • Refinements of the connecting device are specified in the dependent patent claims.
  • the planar choke of the electrical connection device comprises a spiral device, wherein the spiral device comprises a first and a second planar busbar, each configured in the form of a spiral, wherein the busbars are spaced apart in parallel and arranged one above the other, wherein the first busbar spirals inwards along a predetermined direction of rotation starting from an outer connection of the connecting device and forms an inner connection in an inner region of the spiral device, wherein the outer connection of the first busbar forms a first terminal of the connecting device, wherein the second busbar, starting from an inner terminal in the inner area of the spiral device, spirals outwards along the same direction of rotation and forms an outer terminal of the connecting device, wherein the outer terminal of the second busbar forms a second terminal of the connecting device, and wherein the inner terminals of the first and second bus bars are electrically connected by means of a connecting element.
  • planar busbars used for the choke advantageously enable a cost-effective and space-efficient design.
  • a cost-effective and reliably reproducible design is made possible by the fact that commercially available flat busbars, such as those already used for low-inductance electrical connections between modules of power semiconductor switches in a power converter, can be used.
  • the choke is also advantageously constructed in the form of a so-called air coil without a magnetizable core, which avoids saturation due to a direct current component.
  • the structure of the choke according to the invention advantageously achieves a comparatively small inductance value of, for example, in the range between 1 mH and 20 mH, in particular in the range from 1 mH to 10 mH. It can therefore be used, for example, as an inductive decoupling element which generates only a small amount of thermal power loss during operation.
  • Connection device is therefore particularly suitable for to be used in switching arrangements with fast-switching power semiconductor switches, for example SiC power transistors, for example at the output of DC/DC controllers that are equipped with such power semiconductor switches.
  • power semiconductor switches for example SiC power transistors
  • an electrically insulating intermediate element in particular an electrically non-conductive plate, a foil or a coating.
  • an intermediate element can advantageously serve to stabilize the spiral device and, in particular, prevent the busbars from being deformed under the influence of external mechanical force and compressed to form an electrical short circuit if they were only electrically insulated from one another by a distance or a layer of air would.
  • the two busbars forming the spiral device are preferably each coated, in particular laminated, with a non-conductive material on their side facing away from the respective other busbar, in order to ensure mutual electrical insulation.
  • the busbars or the metal sheets used to produce the busbars preferably have a thickness of between 0.5 and 10 mm, a thickness of between 2 and 6 mm or specifically a thickness of 4 mm being particularly preferred. Copper and aluminum are particularly suitable as the material for the sheet metal used.
  • the two busbars can be configured identically, with one of the busbars being rotated through 180 degrees during assembly, so that the sides that are the same in the initial position are opposite one another.
  • it must be ensured that the described Continuity of the spiral directions of rotation is maintained after assembly.
  • the electrical connecting element forms a mechanical spacer which connects the inner connections of the first and second busbars in the interior area of the
  • connection device the first and the second connection are arranged on a common connection side of the connection device.
  • the connecting device or the spiral device thus forms a two-pole in the form of an inductor with two connections, one of which is formed by the outer connection of the first busbar and the other by the outer connection of the second busbar.
  • the connecting device comprises a third planar busbar, the outer connection of the first busbar being arranged on a first connection side of the connecting device and the outer connection of the second busbar being arranged on a second connection side of the connecting device opposite the first connection side, and wherein a first connection of the third busbar is arranged on the first connection side and a second connection of the third busbar is arranged on the second connection side of the connecting device.
  • connection device forms a quadrupole with four connections on a first and a second connection side, with an electrical connection between the connection sides being established via the spiral device, while another electrical connection between the connection sides being established via the third busbar.
  • the third busbar can be designed in such a way that it influences the magnetic field of the spiral device in a desired manner, so that the resulting inductance of the spiral device can be implemented reproducibly within narrow tolerance ranges.
  • the third busbar lies in the same plane as the first or the second busbar of the spiral device.
  • a metal sheet used to manufacture the third busbar may be the same as that of the first and second busbars.
  • a first spiral-shaped flat busbar and a second spiral-shaped flat busbar are produced, the first and the second busbar are arranged parallel to one another at a distance one above the other in such a way that the first busbar rotates spirally inwards along a predetermined direction of rotation starting from an outer connection and in a Inner area of the spiral device forms an inner connection, wherein the outer connection of the first busbar forms a first connection of the connecting device, and that the second busbar, starting from an inner connection in the inner area of the spiral device, spirals outwards along the same direction of rotation and forms an outer connection , wherein the outer terminal of the second busbar has a second terminal of
  • Connecting device forms, and the inner terminals of the first and second busbars are electrically connected by means of a connecting element.
  • a connecting element in particular an electrically non-conductive plate, film or paint.
  • the first conductor rail is formed by stamping or cutting, in particular laser cutting, a first metal sheet
  • the second conductor rail is formed by stamping or cutting, in particular laser cutting, a second metal sheet and, if there is one in the connecting device, the third busbar produced by stamping or cutting, in particular laser cutting, a third sheet.
  • the connecting element is designed as a screw or a rivet, with which the inner connections are mechanically connected.
  • a vehicle in particular a rail vehicle, which has at least one connecting device according to the invention and/or at least one connecting device produced using the method according to the invention.
  • the vehicle has a DC voltage intermediate circuit, which includes a first current conductor and a second current conductor, and at least one connecting device according to the invention is electrically integrated in the DC voltage intermediate circuit in the first and/or second current conductor.
  • the connecting device forms a four-terminal network, it divides the DC link into a first link section and a second link section, in such a way that the first link section is connected to the first connection side of the Four-pole network and the second intermediate circuit section is connected to the second connection side of the four-pole network.
  • the first intermediate circuit section is connected, for example, to a DC/DC converter on the side facing away from the four-terminal network
  • the second intermediate circuit section is connected, for example, to an inverter of a converter on the side facing away from the four-terminal network.
  • the DC/DC converter can be a step-up converter, for example.
  • Figures 1-4 a first embodiment of a connecting device according to the invention and method steps for producing this connecting device
  • FIGS 5-8 a second embodiment of a connecting device according to the invention and method steps for producing this connecting device
  • Figure 12 shows a rail vehicle with a
  • Figure 13 shows a rail vehicle with a
  • FIGS. 1 to 4 a method for producing a first exemplary embodiment of a spiral device according to the invention is explained below by way of example.
  • FIG. 1 shows a first conductor rail which is designed as a flat sheet metal spiral 10 and which has been produced by stamping or cutting, preferably laser cutting, sheet metal.
  • the first sheet metal spiral 10 spirals inwards in a clockwise direction and forms an inner spiral connection 12 of the first sheet metal spiral 10 in the inner area of the spiral.
  • FIG. 2 shows a second conductor rail which is also designed as a flat sheet metal spiral 20 and which has also been produced by stamping or cutting, preferably laser cutting, a piece of sheet metal.
  • the second sheet metal spiral 20 Starting from an inner spiral connection 22, the second sheet metal spiral 20 also rotates clockwise in a spiral outward and forms an outer spiral connection 21 on the outside.
  • the two sheet metal spirals 10 and 20 are positioned one above the other and by means of an electrical connecting element 30 in the area of the inner spiral connections 12 and 22 to form a
  • the electrical connection element 30 is preferably a screw that screws the two metal sheets together, but a rivet can also be used as an alternative.
  • the electrical connection element 30 advantageously has a dual function.
  • the connecting element 30 connects the two sheet metal spirals 10 and 20 in the inner area of the spiral; to keep distance.
  • the spatial arrangement of the two sheet metal spirals 10 and 20 can be seen from the cross section in FIG.
  • the distance between the two metal spirals 10 and 20 is identified by the reference character A.
  • the first sheet metal spiral 10 is located in a first lower level E10 and the second sheet metal spiral 20 in a second level E20 located above it.
  • the two outer spiral connections 11 and 21 are in different planes in the exemplary embodiment according to FIGS.
  • Such bending can be advantageous for connection reasons, for example.
  • the design of the two sheet metal spirals 10 and 20 and the described arrangement of the sheet metal spirals one above the other with the described orientation of the directions of spiral rotation ensures that the direction of spiral rotation for a current I flowing through the spiral device is always identical and that a magnetic field generated in the first sheet metal spiral 10 has the same field alignment has like a magnetic field generated in the second sheet metal spiral 20 and the magnetic fields are superimposed constructively, ie not destructively.
  • the two sheet metal spirals 10 and 20 can advantageously be identical. If, for example, the first sheet metal spiral 10 according to Figure 1 is also to be used as the second sheet metal spiral 20 according to Figure 2, then during assembly by rotating the sheet metal spiral by 180 degrees around the longitudinal direction L in Figure 1 it must only be ensured that the described continuity of the spiral directions of rotation according to of assembly above one another.
  • FIG. 5 shows a first busbar or first sheet metal spiral 10, which is identical to the first sheet metal spiral 10 according to FIG. 1, for example.
  • Figure 6 shows a second busbar or second sheet metal spiral 20 and, in addition, a third busbar or a third sheet metal part 50.
  • the two sheet metal spirals 10 and 20 are positioned one above the other and connected to one another by means of an electrical connecting element 30 and form a spiral device 40, as above has been explained in connection with Figures 1 to 4.
  • the electrical connecting element 30 keeps the two sheet metal spirals 10 and 20 at a distance, so that they are at a spatial distance A from one another, as shown in FIG.
  • the first sheet metal spiral 10 is again in the first lower level E10 and the second sheet metal spiral 20 is in the second level E20 above it.
  • the third sheet metal part 50 is placed on the first sheet metal spiral 10 by means of an electrically non-conductive intermediate element 60 and is thus electrically insulated from the latter.
  • FIG. 7 shows the resulting spiral device 60 in a top view and FIG. 8 shows a cross section.
  • the design of the two sheet metal spirals 10 and 20 also ensures in the second exemplary embodiment that the spiral direction of rotation for a current I flowing through the spiral device 40 is always identical and the magnetic field generated in the first sheet metal spiral 10 has the same field orientation as in the second sheet metal spiral 20 generated magnetic field.
  • the two sheet metal spirals 10 and 20 are electrically short-circuited with one another outside of their connection area or outside of the connecting element 30, in the first and
  • an electrically non-conductive intermediate element can be inserted between the two sheet metal spirals 10 and 20, which is shown by way of example in FIG.
  • the outer sides of the two metal spirals 10 and 20 are coated on the outside with a non-conductive material.
  • the outer sides of the two sheet metal spirals 10 and 20 can be laminated with a foil, as shown by way of example in FIG. 10 and identified by reference number 80.
  • FIG. 12 shows an exemplary embodiment of a rail vehicle 100 which is equipped with an electrical intermediate DC voltage circuit 110 .
  • the DC voltage intermediate circuit 110 connects a DC/DC converter 120 and a converter or inverter 130.
  • the converter 130 can be connected to drive components not shown in Figure 12 for reasons of clarity, in particular one or more drive motors of the rail vehicle 100 keep in touch.
  • the spiral device 40 according to FIGS. 1 to 4 is interposed between the intermediate DC circuit 110, for example the current conductor 111 at the top in FIG. 12 with a positive voltage potential.
  • the spiral device forms a dipole, which divides the current conductor 111 into two sections 111a and 111b.
  • the spiral device 40 serves as a choke, which interacts electrically with capacitors CI and C2 or so-called intermediate circuit capacitors.
  • the capacitors CI and C2 can be arranged as separate components in the DC voltage intermediate circuit 110, as shown by way of example in FIG.
  • FIG. 13 shows a further exemplary embodiment of a rail vehicle 100, in which the connecting device according to FIGS.
  • the spiral device 40 forms a four-terminal network 210, which electrically subdivides the DC voltage intermediate circuit 110 into a first intermediate circuit section 110a and a second intermediate circuit section 110b.
  • the upper current conductor 111 is again connected to the spiral device 40 with a positive voltage potential
  • the lower current conductor 112 is connected to the third sheet metal part 50 or the third busbar, for example with a negative or ground potential.
  • the connecting device can thus advantageously be integrated in a simple manner into the two current conductors 111, 112 of the DC voltage intermediate circuit.
  • the four-pole network 210 forms a first connection 211a on the first connection side 211 of the four-pole network 210 on the left in Figure 13 and with an outer spiral connection of the other of the two sheet metal spirals a first connection 212a of the four-pole network 210 on the right , Second connection side 212.
  • a second connection 211b on the first connection side 211 of the four-pole network 210 and a second connection 212b on the second connection side 212 of the four-pole network 210 are connected by the third sheet metal part 50, according to Figures 5 to 8, formed or at least connected to each other.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)
  • Connections Arranged To Contact A Plurality Of Conductors (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Verbindungsvorrichtung mit planarer Drossel, wobei die planare Drossel eine Spiraleinrichtung umfasst, wobei die Spiraleinrichtung eine erste und eine zweite j eweils spiralförmig ausgestaltete planare Stromschiene umfasst, wobei die Stromschienen parallel beabstandet und übereinander angeordnet sind, wobei sich die erste Stromschiene entlang einer vorgegebenen Drehrichtung ausgehend von einem äußeren Anschluss der Verbindungsvorrichtung spiralförmig nach innen dreht und in einem Innenbereich der Spiraleinrichtung einen inneren Anschluss ausbildet, wobei der äußere Anschluss der ersten Stromschiene einen ersten Anschluss der Verbindungsvorrichtung bildet, wobei sich die zweite Stromschiene ausgehend von einem inneren Anschluss in dem Innenbereich der Spiraleinrichtung entlang derselben Drehrichtung spiralförmig nach außen dreht und einen äußeren Anschluss der Verbindungsvorrichtung ausbildet, wobei der äußere Anschluss der zweiten Stromschiene einen zweiten Anschluss der Verbindungsvorrichtung bildet, und wobei die inneren Anschlüsse der ersten und der zweiten Stromschiene mittels eines Verbindungselements elektrisch verbunden sind.

Description

Beschreibung
Elektrische Verbindungsvorrichtung mit planarer Drossel Die Erfindung betrifft eine elektrische
Verbindungsvorrichtung, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Verbindungseinrichtung sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug mit einer solchen Verbindungseinrichtung .
Der Einsatz von Leistungshalbleiterschaltern bzw. Leistungstransistoren auf Basis von Halbleitern mit einem größeren Bandabstand als Silizium, insbesondere auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN), in Stromrichtern von insbesondere Schienenfahrzeugen führt aufgrund der möglichen höheren Schaltfrequenzen dazu, dass für eine Entkopplung funktionaler Einheiten eines Stromrichters, welche beispielsweise über einen Gleichspannungszwischenkreis elektrisch miteinander verbunden sind, Drosseln mit einer einerseits vergleichsweise kleinen Induktivität für den Wechselstromanteil benötigt werden, die andererseits jedoch nicht durch einen Gleichstromanteil gesättigt werden sollen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Verbindungsvorrichtung anzugeben, welche den Anforderungen genügt und kostengünstig herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Verbindungsvorrichtung mit einer planaren Drossel gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen der Verbindungsvorrichtung sind in abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß umfasst die planare Drossel der elektrischen Verbindungsvorrichtung eine Spiraleinrichtung, wobei die Spiraleinrichtung eine erste und eine zweite jeweils spiralförmig ausgestaltete planare Stromschiene umfasst, wobei die Stromschienen parallel beabstandet und übereinander angeordnet sind, wobei sich die erste Stromschiene entlang einer vorgegebenen Drehrichtung ausgehend von einem äußeren Anschluss der Verbindungsvorrichtung spiralförmig nach innen dreht und in einem Innenbereich der Spiraleinrichtung einen inneren Anschluss ausbildet, wobei der äußere Anschluss der ersten Stromschiene einen ersten Anschluss der Verbindungsvorrichtung bildet, wobei sich die zweite Stromschiene ausgehend von einem inneren Anschluss in dem Innenbereich der Spiraleinrichtung entlang derselben Drehrichtung spiralförmig nach außen dreht und einen äußeren Anschluss der Verbindungsvorrichtung ausbildet, wobei der äußere Anschluss der zweiten Stromschiene einen zweiten Anschluss der Verbindungsvorrichtung bildet, und wobei die inneren Anschlüsse der ersten und der zweiten Stromschiene mittels eines Verbindungselements elektrisch verbunden sind.
Vorteilhaft wird durch die für die Drossel verwendeten planen Stromschienen ein kostengünstiger und raumeffizienter Aufbau ermöglicht. Insbesondere wird ein kostengünstiger und verlässlich reproduzierbarer Aufbau dadurch ermöglicht, dass handelsübliche flächige Stromschienen, wie sie beispielsweise für niederinduktive elektrische Verbindungen zwischen Modulen von Leistungshalbleiterschaltern in einem Stromrichter bereits eingesetzt werden, verwendet werden können. Vorteilhaft wird die Drossel zudem in Form einer so genannten Luftspule ohne magnetisierbaren Kern aufgebaut werden, wodurch eine Sättigung aufgrund eines Gleichstromanteils vermieden wird.
Der erfindungsgemäße Aufbau der Drossel verwirklicht vorteilhaft einen vergleichsweise kleinen Induktivitätswert von beispielsweise im Bereich zwischen 1 mH und 20 mH, insbesondere im Bereich von 1 mH bis 10 mH. Sie ist damit beispielsweise als ein induktives Entkopplungselement, welches im Betrieb eine nur geringe thermische Verlustleistung generiert, einsetzbar. Die
Verbindungsvorrichtung ist somit insbesondere dazu geeignet, in Schaltanordnungen mit schnell schaltenden Leistungshalbleiterschaltern, beispielsweise SiC- Leistungstransistoren, eingesetzt zu werden, beispielsweise am Ausgang von DC/DC-Stellern, die mit solchen Leistungshalbleiterschaltern ausgestattet sind.
Gemäß einer Weiterbildung der Verbindungsvorrichtung sind einander zugewandte Seiten der ersten und der zweiten Stromschiene durch ein elektrisch isolierendes Zwischenelement, insbesondere eine elektrisch nichtleitende Platte, eine Folie oder eine Lackierung, mechanisch verbunden. Ein solches Zwischenelement kann neben der elektrischen Isolierung vorteilhaft der Stabilisierung der Spiraleinrichtung dienen und insbesondere vermeiden, dass die Stromschienen, wenn diese nur durch einen Abstand bzw. eine Luftschicht elektrisch voneinander isoliert wären, bei äußerer mechanischer Krafteinwirkung deformiert und unter Bildung eines elektrischen Kurzschlusses zusammengedrückt werden würden.
Die beiden die Spiraleinrichtung bildenden Stromschienen sind vorzugsweise jeweils auf ihrer von der jeweils anderen Stromschiene abgewandten Seite mit einem nichtleitenden Material beschichtet, insbesondere laminiert, um eine gegenseitige elektrische Isolierung zu gewährleisten.
Die Stromschienen bzw. die zur Herstellung der Stromschienen verwendeten Metallbleche weisen vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,5 und 10 mm auf, wobei besonders bevorzugt eine Dicke zwischen 2 und 6 mm bzw. speziell eine Dicke von 4 mm Verwendung findet. Als Material für das verwendete Metallblech sind Kupfer und Aluminium besonders geeignet.
Insbesondere können die beiden Stromschienen identisch ausgestaltet sein, wobei bei der Montage eine der Stromschienen um 180 Grad gedreht wird, sodass die in der Ausgangslage gleichen Seiten gegenüber liegen. Dabei muss jedoch darauf geachtet werden, dass die beschriebene Kontinuität der Spiraldrehrichtungen nach der Montage erhalten bleibt.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Verbindungsvorrichtung bildet das elektrische Verbindungselement einen mechanischen Abstandshalter, der die inneren Anschlüsse der ersten und der zweiten Stromschiene in dem Innenbereich der
Spiraleinrichtung mechanisch und elektrisch verbindet und auf Abstand hält.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Verbindungsvorrichtung sind der erste und der zweite Anschluss an einer gemeinsamen Anschlussseite der Verbindungsvorrichtung angeordnet.
Die Verbindungsvorrichtung bzw. die Spiraleinrichtung bildet somit einen Zweipol in Form einer Induktivität mit zwei Anschlüssen, von denen einer durch den äußeren Anschluss der ersten Stromschiene und der andere durch den äußeren Anschluss der zweiten Stromschiene gebildet wird.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Verbindungsvorrichtung umfasst die Verbindungsvorrichtung eine dritte plane Stromschiene, wobei der äußere Anschluss der ersten Stromschiene an einer ersten Anschlussseite der Verbindungsvorrichtung und der äußere Anschluss der zweiten Stromschiene an einer der ersten Anschlussseite gegenüber liegenden zweiten Anschlussseite der Verbindungsvorrichtung angeordnet sind, und wobei ein erster Anschluss der dritten Stromschiene an der ersten Anschlussseite und ein zweiter Anschluss der dritten Stromschiene an der zweiten Anschlussseite der Verbindungsvorrichtung angeordnet sind.
Die Verbindungsvorrichtung bildet dabei einen Vierpol mit vier Anschlüssen an einer ersten und einer zweiten Anschlussseite, wobei eine elektrische Verbindung zwischen den Anschlussseiten über die Spiraleinrichtung besteht, während eine andere elektrische Verbindung zwischen den Anschlussseiten über die dritte Stromschiene besteht. Insbesondere kann die dritte Stromschiene derart ausgestaltet werden, dass sie das magnetische Feld der Spiraleinrichtung in einer gewünschten Weise beeinflusst, sodass die resultierende Induktivität der Spiraleinrichtung reproduzierbar in engen Toleranzbereichen verwirklicht werden kann.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Verbindungsvorrichtung liegt die dritte Stromschiene in derselben Ebene wie die erste oder die zweite Stromschiene der Spiraleinrichtung.
Vorzugsweise kann ein für die Herstellung der dritten Stromschiene verwendetes Metallblech dem der ersten und zweiten Stromschienen entsprechen.
Die Aufgabe wird ebenfalls durch ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsvorrichtung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung, gelöst. Dabei werden eine erste spiralförmige plane Stromschiene und eine zweite spiralförmige plane Stromschiene hergestellt, die erste und die zweite Stromschiene parallel beabstandet zueinander übereinander angeordnet, derart, dass sich die erste Stromschiene entlang einer vorgegebenen Drehrichtung ausgehend von einem äußeren Anschluss spiralförmig nach innen dreht und in einem Innenbereich der Spiraleinrichtung einen inneren Anschluss ausbildet, wobei der äußere Anschluss der ersten Stromschiene einen ersten Anschluss der Verbindungsvorrichtung bildet, und dass sich die zweite Stromschiene ausgehend von einem inneren Anschluss in dem Innenbereich der Spiraleinrichtung entlang derselben Drehrichtung spiralförmig nach außen dreht und einen äußeren Anschluss ausbildet, wobei der äußere Anschluss der zweiten Stromschiene einen zweiten Anschluss der
Verbindungsvorrichtung bildet, und die inneren Anschlüsse der ersten und der zweiten Stromschiene mittels eines Verbindungselements elektrisch verbunden. Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens werden einander zugewandte Seiten der ersten und der zweiten Stromschiene durch ein elektrisch isolierendes Zwischenelement, insbesondere eine elektrisch nichtleitende Platte, Folie oder Lackierung, mechanisch verbunden.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens werden die erste Stromschiene durch Stanzen oder Schneiden, insbesondere Laserschneiden, eines ersten Blechs, und die zweite Stromschiene durch Stanzen oder Schneiden, insbesondere Laserschneiden, eines zweiten Blechs, und, sofern eine solche in der Verbindungsvorrichtung vorhanden ist, die dritte Stromschiene durch Stanzen oder Schneiden, insbesondere Laserschneiden, eines dritten Blechs hergestellt.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens ist das Verbindungselement als eine Schraube oder eine Niete ausgestaltet, mit der die inneren Anschlüsse mechanisch verbunden werden.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug gelöst, welches zumindest eine erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung und/oder zumindest eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Verbindungsvorrichtung aufweist.
Gemäß einer Weiterbildung des Fahrzeugs weist dieses einen Gleichspannungszwischenkreis auf, der einen ersten Stromleiter und einen zweiten Stromleiter umfasst, und ist in den Gleichspannungszwischenkreis zumindest eine erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung elektrisch in den ersten und/oder zweiten Stromleiter integriert.
Sofern die Verbindungsvorrichtung einen Vierpol bildet, unterteilt sie den Gleichspannungszwischenkreis in einen ersten Zwischenkreisabschnitt und einen zweiten Zwischenkreisabschnitt, und zwar derart, dass der erste Zwischenkreisabschnitt an die erste Anschlussseite des Vierpols und der zweite Zwischenkreisabschnitt an die zweite Anschlussseite des Vierpols angeschlossen ist.
Der erste Zwischenkreisabschnitt ist auf der dem Vierpol abgewandten Seite beispielsweise an einen DC/DC-Steller und der zweite Zwischenkreisabschnitt auf der dem Vierpol abgewandten Seite beispielsweise an einen Wechselrichter eines Stromrichters angeschlossen. Bei dem DC/DC-Steller kann es sich beispielsweise um einen Hochsetzsteller handeln.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen beispielhaft
Figuren 1-4 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung sowie Verfahrensschritte zur Herstellung dieser VerbindungsVorrichtung,
Figuren 5-8 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung sowie Verfahrensschritte zur Herstellung dieser VerbindungsVorrichtung,
Figuren 9-11 Ausführungsvarianten für die beiden Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 1-8,
Figur 12 ein Schienenfahrzeug mit einer
Verbindungsvorrichtung gemäß den Figuren 1-4, und
Figur 13 ein Schienenfahrzeug mit einer
Verbindungsvorrichtung gemäß den Figuren 5-8.
In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet. Im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 4 wird nachfolgend beispielhaft ein Verfahren zum Herstellen eines ersten Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Spiraleinrichtung erläutert.
Die Figur 1 zeigt eine als eine plane Blechspirale 10 ausgestaltete erste Stromschiene, die durch Stanzen oder Schneiden, vorzugsweise Laserschneiden, eines Blechs hergestellt worden ist. Die erste Blechspirale 10 dreht sich ausgehend von einem äußeren Spiralanschluss 11 im Uhrzeigersinn spiralförmig nach innen und bildet im Spiralinnenbereich einen inneren Spiralanschluss 12 der ersten Blechspirale 10.
Die Figur 2 zeigt eine ebenfalls als eine plane Blechspirale 20 ausgestaltete zweite Stromschiene, die ebenfalls durch Stanzen oder Schneiden, vorzugsweise Laserschneiden, eines Blechs hergestellt worden ist. Die zweite Blechspirale 20 dreht sich ausgehend von einem inneren Spiralanschluss 22 ebenfalls im Uhrzeigersinnes spiralförmig nach außen und bildet außen einen äußeren Spiralanschluss 21.
Die beiden Blechspiralen 10 und 20 werden übereinander positioniert gesetzt und mittels eines elektrischen Verbindungselements 30 im Bereich der inneren Spiralanschlüsse 12 und 22 unter Bildung einer
Spiraleinrichtung 40 miteinander verbunden, wie es in Figur 3 dargestellt ist. Bei dem elektrischen Verbindungselement 30 handelt es sich vorzugsweise um eine Schraube, die die beiden Bleche miteinander verschraubt, alternativ kann jedoch ebenso eine Niete Verwendung finden.
Das elektrische Verbindungselement 30 weist in vorteilhafter Weise eine Doppelfunktion auf. Zum einen verbindet das Verbindungselement 30 die beiden Blechspiralen 10 und 20 im Spiralinnenbereich, zum anderen dient es dazu, die beiden Blechspiralen 10 und 20 außerhalb des Verbindungsbereichs bzw. außerhalb der inneren Spiralanschlüsse 12 und 22 auf Abstand zu halten. Die räumliche Anordnung der beiden Blechspiralen 10 und 20 ist aus dem Querschnitt der Figur 4 ersichtlich. Der Abstand zwischen den beiden Blechspiralen 10 und 20 ist mit dem Bezugszeichen A gekennzeichnet. Die erste Blechspirale 10 befindet sich dabei in einer ersten unteren Ebene E10 und die zweite Blechspirale 20 in einer darüber befindlichen zweiten Ebene E20.
Aufgrund der räumlichen Anordnung der beiden Blechspiralen 10 und 20 übereinander befinden sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 bis 4 die beiden äußeren Spiralanschlüsse 11 und 21 in unterschiedlichen Ebenen. Alternativ ist es möglich, einen der beiden äußeren Spiralanschlüsse oder beide äußeren Spiralanschlüsse im Endbereich zu verbiegen, wenn erreicht werden soll, dass die beiden äußeren Spiralanschlüsse 11 und 21 in derselben Ebene angeordnet sind. Ein solchen Verbiegen kann beispielsweise aus Anschlussgründen vorteilhaft sein.
Durch die Ausgestaltung der beiden Blechspiralen 10 und 20 und die beschriebene Anordnung der Blechspiralen übereinander mit der beschriebenen Orientierung der Spiraldrehrichtungen wird sichergestellt, dass die Spiraldrehrichtung für einen durch die Spiraleinrichtung fließenden Strom I stets identisch ist und ein in der ersten Blechspirale 10 erzeugtes Magnetfeld dieselbe Feldausrichtung aufweist wie ein in der zweiten Blechspirale 20 erzeugtes Magnetfeld und sich die Magnetfelder konstruktiv, also nicht destruktiv, überlagern.
Die beiden Blechspiralen 10 und 20 können in vorteilhafter Weise identisch sein. Soll beispielsweise die erste Blechspirale 10 gemäß Figur 1 auch als zweite Blechspirale 20 gemäß Figur 2 eingesetzt werden, so ist bei der Montage durch Drehen der Blechspirale um 180 Grad um die Längsrichtung L in Figur 1 nur zu gewährleisten, dass die beschriebene Kontinuität der Spiraldrehrichtungen nach der Montage übereinander erhalten bleibt. Im Zusammenhang mit den Figuren 5 bis 8 wird nachfolgend ein zweites Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung erläutert. Die Figur 5 zeigt eine erste Stromschiene bzw. erste Blechspirale 10, die mit der ersten Blechspirale 10 gemäß Figur 1 beispielhaft identisch ist. Die Figur 6 zeigt eine zweite Stromschiene bzw. zweite Blechspirale 20 sowie ergänzend eine dritte Stromschiene bzw. ein drittes Blechteil 50. Die beiden Blechspiralen 10 und 20 werden übereinander positioniert und mittels eines elektrischen Verbindungselements 30 miteinander verbunden und bilden eine Spiraleinrichtung 40, wie dies vorstehend im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 4 erläutert worden ist.
Das elektrische Verbindungselement 30 hält die beiden Blechspiralen 10 und 20 auf Abstand, so dass diese, wie in Figur 8 gezeigt, einen räumlichen Abstand A zueinander aufweisen. Die erste Blechspirale 10 befindet sich dabei wieder in der ersten unteren Ebene E10 und die zweite Blechspirale 20 in der darüber befindlichen zweiten Ebene E20. Das dritte Blechteil 50 wird mittels eines elektrisch nichtleitenden Zwischenelements 60 auf die erste Blechspirale 10 aufgesetzt und damit gegenüber dieser elektrisch isoliert.
Die Figur 7 zeigt die resultierende Spiraleinrichtung 60 in einer Draufsicht und die Figur 8 einen Querschnitt.
Durch die Ausgestaltung der beiden Blechspiralen 10 und 20 wird auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sichergestellt, dass die Spiraldrehrichtung für einen durch die Spiraleinrichtung 40 fließenden Strom I stets identisch ist und das in der ersten Blechspirale 10 erzeugte Magnetfeld dieselbe Feldausrichtung aufweist wie ein in der zweiten Blechspirale 20 erzeugtes Magnetfeld.
Um zu vermeiden, dass aufgrund äußerer Einflüsse, beispielsweise mechanischer Belastung, die beiden Blechspiralen 10 und 20 außerhalb ihres Verbindungsbereichs bzw. außerhalb des Verbindungselements 30 miteinander elektrisch kurzgeschlossen werden, kann bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel zwischen die beiden Blechspiralen 10 und 20 ein elektrisch nichtleitendes Zwischenelement eingesetzt werden, das beispielhaft in der Figur 9 gezeigt und dort mit dem Bezugszeichen 70 gekennzeichnet ist.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, die Außenseiten der beiden Blechspiralen 10 und 20 außenseitig mit einem nichtleitenden Material zu beschichten. Beispielsweise können die Außenseiten der beiden Blechspiralen 10 und 20 mit einer Folie laminiert werden, wie sie beispielhaft in der Figur 10 gezeigt und mit dem Bezugszeichen 80 gekennzeichnet ist.
Auch ist es möglich, alternativ oder zusätzlich zu dem in Figur 9 gezeigten Zwischenelement 70, eine Beschichtung, beispielsweise in Form einer nichtleitenden Folie, auf der Innenseite der beiden Blechspiralen 10 und 20 vorzusehen, um einen Kurzschluss außerhalb des Bereichs des elektrischen Verbindungselements 30 zu vermeiden. Eine solche innenseitige Beschichtung in Form einer nichtleitenden Folie 90 ist beispielhaft in der Figur 11 gezeigt.
Die Figur 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Schienenfahrzeug 100, das mit einem elektrischen Gleichspannungszwischenkreis 110 ausgestattet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 12 verbindet der Gleichspannungszwischenkreis 110 einen DC/DC-Steller 120 und einem Umrichter bzw. Wechselrichter 130. Der Umrichter 130 kann mit aus Gründen der Übersicht in der Figur 12 nicht gezeigten Antriebskomponenten, insbesondere einem oder mehreren Antriebsmotoren des Schienenfahrzeugs 100 in Verbindung stehen.
In einen der beiden Stromleiter des
Gleichspannungszwischenkreises 110, beispielsweise den in der Figur 12 oberen Stromleiter 111 mit einem positiven Spannungspotenzial, ist die Spiraleinrichtung 40 gemäß den Figuren 1 bis 4 zwischengeschaltet. Die Spiraleinrichtung bildet einen Zweipol, der den Stromleiter 111 in zwei Abschnitte lila und 111b unterteilt.
Die Spiraleinrichtung 40 dient als Drossel, die elektrisch mit Kondensatoren CI und C2 bzw. so genannten Zwischenkreiskondensatoren zusammenwirkt. Die Kondensatoren CI und C2 können separate Komponenten in dem Gleichspannungszwischenkreis 110 angeordnet sein, wie beispielhaft in der Figur 12 gezeigt, oder als Bestandteile des DC/DC-Stellers 120 bzw. des Umrichters 130 ausgebildet sein.
Die Figur 13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Schienenfahrzeug 100, bei dem die Verbindungseinrichtung gemäß den Figuren 5 bis 8 zwischen die beiden Stromleiter 111 und 112 des Gleichspannungszwischenkreises 110 geschaltet ist. Die Spiraleinrichtung 40 bildet einen Vierpol 210, der den Gleichspannungszwischenkreis 110 elektrisch in einen ersten Zwischenkreisabschnitt 110a und in einen zweiten Zwischenkreisabschnitt 110b unterteilt. Dabei ist wiederum der obere Stromleiter 111 mit einem positiven Spannungspotenzial mit der Spiraleinrichtung 40 verbunden, während der untere Stromleiter 112 mit beispielsweise einem negativen oder Massepotenzial mit dem dritten Blechteil 50 bzw. der dritten Stromschiene verbunden ist. Die Verbindungsvorrichtung kann damit vorteilhaft in einfacher Weise in die beiden Stromleiter 111, 112 des Gleichspannungszwischenkreises integriert werden.
Der Vierpol 210 bildet mit einem äußeren Spiralanschluss einer der beiden Blechspiralen einen ersten Anschluss 211a auf der in der Figur 13 linken, ersten Anschlussseite 211 des Vierpols 210 und mit einem äußeren Spiralanschluss der anderen der beiden Blechspiralen einen ersten Anschluss 212a des Vierpols 210 auf der rechten, zweiten Anschlussseite 212. Ein zweiter Anschluss 211b auf der ersten Anschlussseite 211 des Vierpols 210 und ein zweiter Anschluss 212b auf der zweiten Anschlussseite 212 des Vierpols 210 werden durch das dritte Blechteil 50, entsprechend den Figuren 5 bis 8, gebildet oder zumindest miteinander verbunden.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Verbindungsvorrichtung mit planarer Drossel, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Drossel eine Spiraleinrichtung (40) umfasst,
- wobei die Spiraleinrichtung (40) eine erste und eine zweite jeweils spiralförmig ausgestaltete planare Stromschiene (10, 20) umfasst,
- wobei die Stromschienen (10, 20) parallel beabstandet und übereinander angeordnet sind,
- wobei sich die erste Stromschiene (10) entlang einer vorgegebenen Drehrichtung ausgehend von einem äußeren Anschluss (11) spiralförmig nach innen dreht und in einem Innenbereich der Spiraleinrichtung (40) einen inneren Anschluss (12) ausbildet, wobei der äußere Anschluss (11) der ersten Stromschiene (10) einen ersten Anschluss der Verbindungsvorrichtung bildet,
- wobei sich die zweite Stromschiene (20) ausgehend von einem inneren Anschluss (22) in dem Innenbereich der Spiraleinrichtung (40) entlang derselben Drehrichtung spiralförmig nach außen dreht und einen äußeren Anschluss (21) ausbildet, wobei der äußere Anschluss (21) der zweiten Stromschiene (20) einen zweiten Anschluss der Verbindungsvorrichtung bildet, und
- wobei die inneren Anschlüsse (12, 22) der ersten und der zweiten Stromschiene (10, 20) mittels eines Verbindungselements (30) elektrisch verbunden sind.
2. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass einander zugewandte Seiten der ersten und der zweiten Stromschiene (10, 20) aneinander liegen und durch ein elektrisch isolierendes Zwischenelement (70), insbesondere eine elektrisch nichtleitende Platte, Folie oder Lackierung, getrennt sind.
3. Verbindungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Verbindungselement (30) einen mechanischen Abstandshalter bildet, der die inneren Anschlüsse ersten und der zweiten Stromschiene (10, 20) in dem Innenbereich der Spiraleinrichtung (40) mechanisch verbindet und auf Abstand hält.
4. Spiraleinrichtung (40) nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der erste und der zweite Anschluss an einer gemeinsamen
Anschlussseite der Verbindungseinrichtung angeordnet sind.
5. Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Verbindungseinrichtung eine dritte plane Stromschiene (50) umfasst,
- wobei der äußere Anschluss (11) der ersten Stromschiene (10) an einer ersten Anschlussseite (211) der Verbindungsvorrichtung und der äußere Anschluss (21) der zweiten Stromschiene (20) an einer der ersten Anschlussseite gegenüber liegenden zweiten Anschlussseite (212) der Verbindungsvorrichtung angeordnet sind, und
- wobei ein erster Anschluss der dritten Stromschiene (50) an der ersten Anschlussseite (211) und ein zweiter Anschluss der dritten Stromschiene (50) an der zweiten Anschlussseite (212) der Verbindungsvorrichtung angeordnet sind.
6. Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die dritte Stromschiene (50) in derselben Ebene liegt wie die erste oder die zweite Stromschiene (10, 20).
7. Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsvorrichtung, insbesondere einer Verbindungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - eine erste spiralförmige plane Stromschiene (10) und eine zweite spiralförmige plane Stromschiene (20) hergestellt werden,
- die erste und die zweite Stromschiene (10, 20) parallel beabstandet zueinander übereinander angeordnet werden, derart, dass sich die erste Stromschiene (10) entlang einer vorgegebenen Drehrichtung ausgehend von einem äußeren Anschluss (11) spiralförmig nach innen dreht und in einem Innenbereich der Spiraleinrichtung (40) einen inneren Anschluss (12) ausbildet, wobei der äußere Anschluss (11) der ersten Stromschiene (10) einen ersten Anschluss der Verbindungsvorrichtung bildet, und dass sich die zweite Stromschiene (20) ausgehend von einem inneren Anschluss (22) in dem Innenbereich der Spiraleinrichtung (40) entlang derselben Drehrichtung spiralförmig nach außen dreht und einen äußeren Anschluss (21) ausbildet, wobei der äußere Anschluss (21) der zweiten Stromschiene (20) einen zweiten Anschluss der Verbindungsvorrichtung bildet,, und
- die inneren Anschlüsse (12, 22) der ersten und der zweiten Stromschiene (10, 20) mittels eines Verbindungselements (30) elektrisch verbunden werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass einander zugewandte Seiten der ersten und der zweiten Stromschiene (10, 20) durch ein elektrisch isolierendes Zwischenelement (70), insbesondere eine elektrisch nichtleitende Platte, Folie oder Lackierung, mechanisch verbunden werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- die erste Stromschiene (10) durch Stanzen oder Schneiden, insbesondere Laserschneiden, eines ersten Blechs, und
- die zweite Stromschiene (20) durch Stanzen oder Schneiden, insbesondere Laserschneiden, eines zweiten Blechs, und, sofern vorhanden, - die dritte Stromschiene (50) durch Stanzen oder Schneiden, insbesondere Laserschneiden, eines dritten Blechs hergestellt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Verbindungselement (30) als eine Schraube oder eine Niete ausgestaltet ist, mit der die inneren Anschlüsse (12, 22) mechanisch verbunden werden.
11. Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug (100), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Fahrzeug zumindest eine Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder zumindest eine Verbindungsvorrichtung, die nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10 hergestellt worden ist, aufweist.
12. Fahrzeug nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- das Fahrzeug einen Gleichspannungszwischenkreis (110) aufweist, der einen ersten Stromleiter (111) und einen zweiten Stromleiter (112) umfasst, und
- in den Gleichspannungszwischenkreis (110) zumindest eine Verbindungsvorrichtung elektrisch in den ersten und/oder zweiten Stromleiter (111, 112) integriert ist.
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