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Die Erfindung betrifft eine Leistungssteuerung für eine Drehfeldmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung die Unterdrückung von Störfeldern an der Leistungssteuerung.
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Eine Drehfeldmaschine, beispielsweise eine permanenterregte Synchron-Drehfeldmaschine, umfasst mehrere Stränge, deren Ströme mittels elektronischer Steuerelemente gesteuert werden. Dabei kann die Drehfeldmaschine wahlweise als Motor oder als Generator betrieben werden. Beispielsweise kann die Drehfeldmaschine als elektrischer Startergenerator für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Um den Verbrennungsmotor anzulassen, wird die Drehfeldmaschine als Motor gesteuert und wenn der Verbrennungsmotor läuft, kann eine benötigte elektrische Leistung durch die in Generatorbetrieb laufende Drehfeldmaschine bereitgestellt werden. Die Leistungssteuerung für die Drehfeldmaschine ist dabei mit einem Gleichspannungszweig verbunden.
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Der aus dem oder zu dem Gleichspannungszweig fließende elektrische Strom kann beim Betrieb der Drehfeldmaschine hochfrequente elektromagnetische Störfelder verursachen. Zur Unterdrückung solcher Störfelder bzw. zur Herstellung einer elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) wird üblicherweise eine Entstörung mittels einer Drossel und/oder einem Kondensator unmittelbar an Anschlüssen der Leistungssteuerung durchgeführt. Dabei kann eine erhebliche elektrische Leistung durch die Entstörmaßnahmen abgebaut und in Wärme umgesetzt werden, sodass die zur Entstörung verwendeten Elemente hohe Temperaturen erreichen können.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Leistungssteuerung für eine Drehfeldmaschine bereitzustellen. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels einer Leistungssteuerung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Eine Leistungssteuerung für eine Drehfeldmaschine umfasst eine Leiterplatte mit einem elektronischen Steuerelement zur Steuerung eines Stroms durch die Drehfeldmaschine, einen elektrischen Anschluss der Leiterplatte, einen Kühlkörper, der wärmeleitfähig mit dem Steuerelement verbunden ist, und eine Drossel am elektrischen Anschluss zur Unterdrückung von Störabstrahlung. Dabei ist die Drossel wärmeleitfähig mit dem Kühlkörper verbunden.
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Da das elektronische Steuerelement üblicherweise nicht verlustfrei arbeitet, ist das Verwenden eines Kühlkörpers üblicherweise geboten. Vorteilhafterweise kann der gleiche Kühlkörper dazu verwendet werden, die Drossel zu kühlen, sodass diese in verbesserter Weise Störabstrahlung im Bereich des elektrischen Anschlusses unterdrücken kann. Die Drossel kann dadurch bei gleicher Dimensionierung belastbarer sein oder bei gleicher Leistungsfähigkeit schwächer dimensioniert werden. Produktionskosten können dadurch gesenkt werden. Eine Leistungsfähigkeit der Drossel kann gesteigert sein.
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Bevorzugterweise ist die Drossel als Ringkerndrossel um den elektrischen Anschluss ausgeführt. Dabei kann der elektrische Anschluss entlang der Stromrichtung von der Ringkerndrossel umschlossen sein. Wird der durch den Anschluss fließende Strom nur einmal durch den Innenraum der Ringkerndrossel geführt, so können die Drossel und der elektrische Anschluss mechanisch einfach aufgebaut sein. Diese Ausführungsform kann dazu beitragen, Herstellungskosten zu senken.
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Bevorzugterweise ist der Ringkern mehrteilig aufgebaut. Dadurch kann der Ringkern auf einfache Weise nachträglich an dem geradlinig oder gebogen geführten elektrischen Anschluss angebracht werden. Insbesondere kann der Ringkern mehrere U-förmige Segmente umfassen, beispielsweise Halbschalen. Die Segmente können sich in gerundeter oder polygonaler Form um den Innenraum der Ringkerndrossel erstrecken.
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Zwischen der Drossel und dem Kühlkörper kann ein elektrisch isolierendes Wärmeleitelement angebracht sein. Das Wärmeleitelement kann beispielsweise eine Wärmeleitpaste, eine Wärmeleitfolie oder eine geeignete Vergussmasse umfassen. In einer weiteren Ausführungsform ist der Ringkern um den Anschluss umspritzt. Dadurch kann der Wärmewiderstand zwischen der Drossel und dem Kühlkörper herabgesetzt werden, sodass die Temperatur der Drossel verbessert gesenkt werden kann. Durch die elektrisch isolierende Wirkung des Wärmeleitelements kann verhindert werden, dass Störstrahlung über den Kühlkörper abgegeben wird. Außerdem kann der Kühlkörper elektrisch leitfähig mit dem elektronischen Steuerelement verbunden werden. Dabei kann der Kühlkörper als Zuleitung oder als Potentialausgleich zwischen mehreren Steuerelementen verwendet werden.
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In einer Ausführungsform weist der elektrische Anschluss einen rechteckigen Querschnitt mit zwei kurzen und zwei langen Seiten auf, wobei die Drossel im Bereich einer langen Seite wärmeleitfähig mit dem Kühlkörper verbunden ist. Dabei kann der Querschnitt der Drossel dem Querschnitt des elektrischen Anschlusses folgen. Eine zur Wärmeleitung zur Verfügung stehende Oberfläche der Drossel kann dadurch vergrößert sein, wodurch der Wärmeaustausch zwischen der Drossel und dem Kühlkörper verbessert sein kann.
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In einer Ausführungsform ist der elektrische Anschluss als Leiterbahn auf der Leiterplatte ausgebildet. Dadurch kann der Anschluss kostensparend integriert mit der Leiterplatte ausgebildet sein. Insbesondere kann der elektrische Anschluss den oben beschriebenen rechteckigen Querschnitt aufweisen, wobei die Dicke einer Leiterbahn üblicherweise nur einige zehntel Millimeter beträgt, wogegen die Breite mehrere Millimeter oder über einen Zentimeter betragen kann. Das Seitenverhältnis des rechteckigen Querschnitts ist dabei stark ungleich, sodass die Oberfläche des elektrischen Anschlusses im Bereich der langen Seite des rechteckigen Querschnitts – also an der Ober- und Unterseite der Leiterbahn – eine große Oberfläche bietet. Folgt die Form der Drossel im Querschnitt der Form der Leiterbahn im Querschnitt, so kann eine vorteilhaft große Oberfläche zum Wärmetransport zwischen der Drossel und dem Kühlkörper verwendet werden.
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In einer anderen Ausführungsform ist der elektrische Anschluss als separates Element ausgebildet, das elektrisch mit der Leiterplatte verbunden ist. Überkreuzungen von Leiterbahnen können dadurch verhindert werden. Die Form der Leiterplatte kann dadurch kompakter gehalten sein, wodurch die Leiterplatte kostengünstiger hergestellt oder leichter gehandhabt werden kann.
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Bevorzugterweise umfasst die Drossel Ferrit. Ist die Drossel mehrteilig aufgebaut, so können mehrere Ferritelemente eingesetzt sein. Die Ferritelemente können elektrisch leitfähig aneinander anliegen oder voneinander getrennt sein, beispielsweise wenn die Elemente einzeln in schützenden Umhüllungen vorgesehen sind.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Leiterplatte zwei elektrische Anschlüsse zur Führung zueinander korrespondierender Gleichströme aufweist, wobei die Drossel als symmetrische Ringkerndrossel um beide elektrische Anschlüsse ausgeführt ist. Dadurch kann eine gute Unterführung von Störstrahlung bei einfachem Aufbau erzielt werden.
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In einer anderen Ausführungsform ist die Drossel als asymmetrische Ringkerndrossel um nur einen der beiden elektrischen Anschlüsse ausgeführt. Dadurch kann die Drossel einfacher und kompakter aufgebaut sein.
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Es sind auch Kombinationen möglich. Beispielsweise können zwei einzelne Drosseln an den beiden elektrischen Anschlüssen vorgesehen sein oder es können an einem Anschluss eine asymmetrische Ringkerndrossel und an beiden Anschlüssen gemeinsam zusätzlich eine symmetrische Ringkerndrossel vorgesehen sein.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 eine elektrische Leistungssteuerung in einer ersten Ausführungsform;
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2–4 schematische Darstellungen der elektrischen Leistungssteuerung von 1 in weiteren Ausführungsformen; und
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5 die Leistungssteuerung von 1 in noch einer weiteren Ausführungsform
darstellt.
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1 zeigt eine elektrische Leistungssteuerung 100 in einer beispielhaften Ausführungsform. Die Leistungssteuerung 100 ist dazu eingerichtet, einen Strom zwischen einem Gleichspannungszweig 105, beispielsweise eines Bordnetzes an Bord eines Kraftfahrzeugs und einer Drehfeldmaschine 110 (nicht dargestellt) zu steuern. In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform ist die Leistungssteuerung 100 dazu eingerichtet, in einem radialen Innenbereich der Drehfeldmaschine 110 angebracht zu werden. Die Drehfeldmaschine 110 kann insbesondere einen elektrischen Startergenerator für einen Verbrennungsmotor an Bord des Kraftfahrzeugs oder einen Hybrideinsatz umfassen. Der Gleichspannungszweig 105 kann eine vorbestimmte Gleichspannung von beispielsweise ca. 48 V oder einem anderen ganzzahligen Vielfachen von ca. 12V betragen. Wird die Drehfeldmaschine 110 als Elektromotor betrieben, insbesondere um den Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs anzulassen, so können zwischen der Leistungssteuerung 100 und dem Gleichspannungszweig 105 Ströme von mehreren 100 A ausgetauscht werden, beispielsweise bis zu ca. 800 A. Größere oder kleinere Dimensionierungen in Abhängigkeit der Größe des Verbrennungsmotors sind ebenfalls möglich.
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Die Leistungssteuerung 100 umfasst eine Leiterplatte 115 mit einem elektronischen Steuerelement 120, einen elektrischen Anschluss 125, einen Kühlkörper 130, der transparent dargestellt ist, und eine Drossel 135 (nicht dargestellt) im Bereich des elektrischen Anschlusses 125. Das elektronische Steuerelement 120 kann insbesondere einen Halbleiter umfassen, der elektrisch zwischen dem Anschluss 125 und einem Anschluss eines Strangs der Drehfeldmaschine 110 liegt. Das Steuerelement 120 ist wärmeleitfähig mit dem Kühlkörper 130 verbunden. Bevorzugterweise sind zwei elektrische Anschlüsse 125 zur Führung unterschiedlicher Gleichspannungspotentiale des Gleichspannungszweigs 105 vorgesehen. Es können auch noch mehr elektrische Anschlüsse 125 vorgesehen sein.
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Es wird vorgeschlagen, die Drossel 135 im Bereich wenigstens eines Anschlusses 125 so auszuführen, dass sie wärmeleitfähig mit dem Kühlkörper 130 verbunden ist. Dabei kann die Drossel 135 insbesondere einen Ringkern 140 umfassen, der beispielsweise aus Ferrit gebildet sein kann. Der Ringkern 140 umfasst einen Innenraum, durch den der elektrische Anschluss 125 wenigstens einmal verläuft. In einer anderen Ausführungsform kann der elektrische Anschluss 125 auch mehrfach um den Körper des Ringkerns 140 gewunden sein, sodass er den Innenraum mehrfach durchläuft. Die Drossel 135 (engl. „choke“) wirkt dämpfend auf hochfrequente Wechselfelder und schwächt eine elektromagnetische Abstrahlung, sodass eine elektromagnetische Verträglichkeit der Leistungssteuerung 100 erhöht sein kann.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der elektrischen Leistungssteuerung 100 von 1 in einer weiteren Ausführungsform. Im linken oberen Bereich ist eine Draufsicht auf die Leiterplatte 115 mit zwei Anschlüssen 125 und im rechten unteren Bereich ein Querschnitt der Leiterplatte 115 im Bereich der Anschlüsse 125 dargestellt. Die Anschlüsse 125 sind hier beispielhaft integriert mit der Leiterplatte 115 ausgeführt. Dabei ist der elektrische Teil des elektrischen Anschlusses 125 als Leiterbahn auf der Leiterplatte 115 ausgebildet, die als mechanischer Untergrund dient. Der Ringkern 140 der Drossel 135 kann auf den Anschluss 125 aufgeschoben werden, bevor der elektrische Anschluss 125 mit dem Gleichspannungszweig 105 verbunden wird. In einer anderen Ausführungsform ist der Ringkern 140 mehrteilig ausgeführt, beispielsweise in Form von U-förmigen oder schalenförmigen Elementen, die um den Anschluss 125 herum montiert werden können, auch wenn der Anschluss 125 bereits mit dem Gleichspannungszweig 105 oder einem anderen Element verbunden ist.
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Ein Querschnitt des Anschlusses 125, insbesondere dessen elektrischen Teils, ist hier rechteckig mit einem stark asymmetrischen Seitenverhältnis. Die Form des Ringkerns 140 folgt im Querschnitt diesem sehr flachen und breiten Rechteck, sodass an zwei gegenüberliegenden Seiten große Flächen des Ringkerns 140 gebildet sind, die zu Anlage an den Kühlkörper 130 zur Verfügung stehen. Zwischen dem Ringkern 140 und dem Kühlkörper 130 kann ein Wärmeleitelement 205 vorgesehen sein, das bevorzugterweise elektrisch isolierend wirkt.
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In der dargestellten Ausführungsform ist die Drossel 135 als asymmetrisches Filter ausgebildet, das heißt, dass von den zwei vorgesehenen elektrischen Anschlüssen 125 nur einer durch den Innenraum des Ringkerns 140 verläuft und so mit diesem die Drossel 135 bildet.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform, die sich an die von 2 anlehnt. Im Unterschied dazu ist hier die Drossel 135 als symmetrisches Filter im sogenannten Common Mode vorgesehen, in dem beide zum Gleichspannungszweig 105 führenden elektrischen Anschlüsse 125 durch den Innenraum des Ringkerns 140 verlaufen und so die Drossel 135 gemeinsam bilden. Optional kann der Ringkern 140 einen Steg zwischen den elektrischen Anschlüssen 125 aufweisen, sodass zwei miteinander gekoppelte Drosseln 135 an den einzelnen Anschlüssen 125 gebildet sind. Ferner können zwei separate asymmetrische Drosseln 135 entsprechend der Ausführungsform von 2 an jeweils einem der Anschlüsse 125 eingesetzt werden.
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4 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Leistungssteuerung 100, die eine Kombination der Ausführungsformen der 2 und 3 umfasst. Ein erster Ringkern 140 wird nur von einem elektrischen Anschluss 125 durchlaufen und bildet mit diesem eine erste Drossel 135. Ein zweiter Ringkern 140 wird von beiden Anschlüssen 125 durchlaufen und bildet eine zweite Drossel 135.
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5 zeigt die Leistungssteuerung 100 von 1 in noch einer weiteren Ausführungsform. Hier ist der elektrische Anschluss 125 nicht als Leiterbahn auf der Leiterplatte 115, sondern als separates Element 505 ausgebildet, das elektrisch mit der Leiterplatte 115 verbunden ist. Die Drossel 135 im Bereich des Anschlusses 125 ist wieder so ausgeführt, dass sie wärmeleitfähig mit dem Kühlkörper 130 verbunden ist. Auch in dieser Ausführungsform ist bevorzugt, dass ein Querschnitt des Anschlusses 125 derart ist, dass eine dem Kühlkörper 130 zugewandte Oberfläche möglichst groß ist. Der Querschnitt des Ringkerns 140 folgt der Form dieser Oberfläche, um eine möglichst große Anlagefläche zum Wärmeaustausch mit dem Kühlkörper 130 zu realisieren. Das Element 505 kann beispielsweise ein Blech umfassen, das mittels Schweißen, Löten oder Nieten mit der Leiterplatte 115 verbunden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- elektrische Leistungssteuerung
- 105
- Gleichspannungszweig
- 110
- Drehfeldmaschine
- 115
- Leiterplatte
- 120
- elektronisches Steuerelement
- 125
- elektrischer Anschluss
- 130
- Kühlkörper
- 135
- Drossel
- 140
- Ringkern
- 205
- Wärmeleitelement
- 505
- Element (elektrischer Anschluss)
