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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs, mit elektrischen Spulen, die zu einer Anzahl an elektrischen Phasen zusammengefasst sind, und mit einem Umrichter, der eine Brückenschaltung zur Bestromung der elektrischen Phasen aufweist. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise ein Elektromotor und geeigneterweise ein Bestandteil eines Kältemittelverdichters. Die Erfindung betrifft ferner einen Kältemittelverdichter mit einer derartigen elektrischen Maschine.
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Kraftfahrzeuge weisen üblicherweise eine Klimaanlage auf, mittels derer eine Temperierung eines Innenraums des Kraftfahrzeugs erfolgt. Bei mittels eines Elektromotors angetriebenen Kraftfahrzeugen werden die benötigten Energiespeicher, wie eine Hochvoltbatterie, mittels einer Klimaanlage gekühlt. Die Klimaanlage weist einen Kältemittelkreislauf auf, der einen Kältemittelverdichter und diesem nachgeschaltet einen Kondensator sowie diesem fluidtechnisch nachgeschaltet einen Verdampfer umfasst. Diesem ist fluidtechnisch ein weiterer Wärmetauscher nachgeschaltet, der in thermischem Kontakt mit etwaigen Energiezellen des Hochvoltenergiespeichers oder mit einer Gebläseleitung ist, die in den Innenraum des Kraftfahrzeugs führt. Der Kältekreislauf ist mit einem Kältemittel befüllt, wie R134a, R1234yf oder CO2.
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Bei Betrieb wird mittels des Kältemittelverdichters ein Druck des Kältemittels erhöht, was zu einer Temperaturerhöhung des Kältemittels führt. Dieses wird zu dem Kondensator geleitet, der in thermischem Kontakt mit einer Umgebung des Kraftfahrzeugs ist. Hierbei erfolgt eine Temperaturerniedrigung des Kältemittels, welches in dem nachgeschalteten Verdampfer wiederum auf den ursprünglichen Druck entspannt wird, weshalb die Temperatur des Kältemittels weiter verringert wird. In dem nachgeschalteten Wärmetauscher wird von dem mit dem Wärmetauscher thermisch kontaktierten Bauteil thermische Energie auf das Kältemittel übertragen, was zu einer Abkühlung des Bauteils und einer Erwärmung des Kältemittels führt. Das erwärmte Kältemittel wird zum Schließen des Kältemittelkreislaufs erneut dem Kältemittelverdichter zugeführt.
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Der Kältemittelverdichter wird üblicherweise mittels eines Riemenantriebs von einer Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs angetrieben und weist einen Verdichterkopf auf, der beispielsweise ein Scrollverdichterkopf ist. Sofern die Klimaanlage ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs ist, das keine Verbrennungskraftmaschine umfasst, weist der Kältemittelverdichter einen Elektromotor auf, mittels dessen der Verdichterkopf angetrieben ist. Hierbei wird die Drehzahl des Antriebs und somit die Kühlleistung der Klimaanlage anhand einer Temperatureinstellung eines Benutzers des Kraftfahrzeugs oder einer realisierten Temperatur der Hochvoltbatterie eingestellt.
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Der Elektromotor ist meist bürstenlos ausgestaltet, wobei die einzelnen elektrischen Spulen mittels einer Brückenschaltung bestromt werden. Bei einer hohen Leistungsanforderungen und vergleichsweise kleinen Drehzahlen sind die resultierenden benötigten elektrischen Ströme vergleichsweise groß. Die Brückenschaltung weist Halbleiterschalter auf, die mittels einer PWM-Ansteuerung betätigt werden. Mit anderen Worten werden die Halbleiterschalter getaktet betrieben, wobei beispielsweise eine Frequenz von 20 kHz verwendet wird. Aufgrund des quasi digitalen Schaltverhaltens der Halbleiterschalter und aufgrund der Induktivitäten der elektrischen Spulen sowie aufgrund deren elektrischen Widerstande wird in die elektrischen Ströme ein sogenannter Ripplestrom eingebracht, der bei hohen Leistungsanforderungen mehrere Ampere betragen kann. Infolgedessen ist eine Belastung des Bordnetzes und/oder weitere elektrischer Komponenten erhöht und ein Wirkungsgrad verringert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs sowie einen besonders geeigneten Kältemittelverdichter eines Kraftfahrzeugs mit einer elektrischen Maschine anzugeben, wobei insbesondere ein Wirkungsgrad und geeigneterweise eine elektromagnetische Verträglichkeit erhöht und vorzugsweise eine Belastung eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs reduziert sind.
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Hinsichtlich der elektrischen Maschine wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Kältemittelverdichters durch die Merkmale des Anspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Die elektrische Maschine ist ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs und bevorzugt ein Elektromotor, insbesondere ein bürstenloser Elektromotor, vorzugsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC). Beispielsweise dient der Elektromotor dem Antrieb des Kraftfahrzeugs, welches somit insbesondere ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug ist. Bevorzugt jedoch ist die elektrische Maschine ein Bestandteil eines Nebenaggregats des Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Verstellantriebs, wie eines Lenkungsmotors einer sog. Servolenkung, eines elektrischen Fensterhebers oder einer elektrischen Sitzverstellung.
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Besonders bevorzugt ist die elektrische Maschine ein Bestandteil eines Kältemittelverdichters, der somit ein elektromotorischer Kältemittelverdichter ist. Der elektromotorische Kältemittelverdichter ist insbesondere ein Bestandteil eines Kältemittelkreislaufs des Kraftfahrzeugs, mittels dessen bei Betrieb beispielsweise eine Temperierung des Innenraums des Kraftfahrzeugs und/oder eine Abkühlung eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs erfolgt. Insbesondere umfasst der elektromotorische Kältemittelverdichter einen Verdichterkopf, beispielsweise einen Scroll-Verdichter. Besonders bevorzugt wird mittels des elektromotorischen Kältemittelverdichters ein Kältemittel verdichtet, zum Beispiel ein chemisches Kältemittel, wie R134a oder R1234yf. Alternativ wird als Kältemittel CO2 herangezogen.
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Die elektrische Maschine weist elektrische Spulen auf, wobei jede der elektrischen Spulen ist hierbei beispielsweise aus einem Kupferlackdraht oder einem Aluminiumlackdraht gewickelt und ein Bestandteil eines Elektromagneten ist. Die elektrischen Spulen sind zu einer Anzahl an elektrischen Phasen zusammengefasst und somit auf die elektrischen Phasen aufgeteilt, wobei jede der elektrischen Phasen vorzugsweise die gleiche Anzahl an elektrischen Spulen umfasst. Die elektrischen Spulen jeder elektrischen Phase sind zweckmäßigerweise in einer Reihenschaltung miteinander elektrische kontaktiert. Alternativ sind die elektrischen Spulen jeder elektrischen Phase zueinander elektrisch parallel geschaltet.
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Die elektrischen Phasen selbst sind beispielsweise in einer Dreiecks- oder Sternschaltung miteinander elektrisch kontaktiert. Mit anderen Worten sind zumindest jeweils zwei der elektrischen Phasen direkt miteinander elektrische kontaktiert. Die elektrischen Phasen sind vorzugsweise ein Bestandteil eines Stators der elektrischen Maschine, und ein Rotor der elektrischen Maschine weist geeigneterweise eine Anzahl an permanenten Magneten auf. insbesondere umgibt der Stator den Rotor umfangsseitig. Mit anderen Worten handelt es sich um einen Innenläufer. Alternativ hierzu umgibt der Rotor den Stator nach Art eines Außenläufers.
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Die elektrische Maschine weist ferner einen Umrichter auf, mittels dessen bei Betrieb eine Bestromung der einzelnen elektrischen Phasen erfolgt. Bei einem generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine wird mittels des Umrichters die an den elektrischen Phasen anliegende elektrische Spannung geeignet transformiert. Der Umrichter selbst weist eine Brückenschaltung auf, die eine zur Anzahl der elektrischen Phasen korrespondierende Anzahl an Brückenzweigen umfasst. Insbesondere ist die Anzahl der Brückenzweige gleich der Anzahl der elektrischen Phasen, die mittels des Umrichters bestromt werden. Jeder der Brückenzweige weist geeigneterweise ein Schaltelement auf, mittels dessen die Bestromung der jeweiligen elektrischen Phase gesteuert/geregelt werden kann. Insbesondere ist jeder der Brückenzweige jeweils endseitig gegen eine Gleichstromseite des Umrichters geführt. Beispielsweise liegt bei Betrieb an der Gleichstromseite des elektrischen Umrichters eine elektrische Spannung zwischen wenigen Volt bis etwa 1000 Volt an.
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Jedem der Brückenzweige ist eine Zwischenkreiskapazität zugeordnet. Mit anderen Worten weist der Umrichter genauso viele Zwischenkreiskapazitäten auf wie Brückenzweige. Beispielsweise erfolgt die Zuordnung der einzelnen Zwischenkreiskapazitäten zu den Brückenzweigen mittels (weiteren) Schaltelementen und/oder Dioden. Jeder der Brückenzweige weist somit einen Energiespeicher (Zwischenkreiskapazität) auf, weswegen bei einem Speisen der jeweiligen elektrischen Phase aus dem Brückenzweig zunächst die Zwischenkreiskapazität verwendet werden kann, und insbesondere verwendet wird. Infolgedessen ist ein vergleichsweise geringer elektrischer Widerstand bei einem Beginn der Bestromung vorhanden, wobei ein Einfluss auf weitere Brückenzweige vergleichsweise gering ist. Auch ist somit ein elektrischer Widerstand vergleichsweise gering, weswegen ein Wirkungsgrad erhöht ist.
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Beim Rückspeisen hingegen wird die jeweilige Zwischenkreiskapazität zunächst zur Aufnahme der mittels der Induktivitäten gespeicherten Energie herangezogen, sodass ein Ausbilden eines Rippelstroms unterbunden oder zumindest verringert ist, was eine Belastung eines Bordnetzes des Kraftfahrzeugs verringert. Auch wird auf diese Weise die elektromagnetische Verträglichkeit erhöht. Aufgrund der Zuordnung der Zwischenkreiskapazitäten zu dem jeweiligen Brückenzweig kann hierbei zudem die Länge der verwendeten elektrischen Leitungen verringert werden, was die Vorteile weiter verstärkt. Auch ist aufgrund der Zuordnung von unterschiedlichen Zwischenkreiskapazitäten zu den jeweiligen Brückenzweigen keine Bereitstellung eines vergleichsweise großen und teuren Zwischenkreiskondensators erforderlich, der gemeinsam von sämtlichen Brückenzweigen verwendet wird. Auch wird aufgrund der Anzahl an Zwischenkreiskapazitäten eine Verlustwärme, die beim Laden / Entladen der Zwischenkreiskapazitäten entstehet, dezentral verteilt, was eine thermische Belastung einer einzigen bestimmten Stelle des Umrichters vermeidet. Vorzugsweise sind die Zwischenkreiskapazitäten mechanische zueinander beabstandet, wobei der Abstand vorzugsweise größer als 1cm, 2 cm oder 5cm ist.
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Insbesondere weist der Umrichter eine Gleichstromseite auf, die geeigneterweise mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs elektrisch kontaktiert ist. Mit anderen Worten ist im Montagezustand der Umrichter auf der Gleichstromseite mit einem positiven Pol und einem negativen Pol des Bordnetzes des Kraftfahrzeugs elektrisch kontaktiert. Mittels des Umrichters wird bei motorischen Betrieb zweckmäßigerweise ein gleichstromseitig anliegender Gleichstrom in einen Wechselstrom gewandelt, wobei jede der elektrischen Phase mit einem bestimmten Wechselstrom beaufschlagt wird. Jeder Brückenzweig weist vorzugsweise zwei in Reihe geschaltete Halbleiterschalter auf, wobei jedes Ende jeder Reihenschaltung zweckmäßigerweise jeweils gegen einen der Pole der Gleichstromseite des Umrichters geführt ist. Insbesondere sind sämtliche Brückenzweige zueinander parallel geschaltet.
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Vorzugsweise umfasst der Umrichter eine Ansteuerschaltung mittels dessen der Schaltzustand der Halbleiterschalter verändert wird. Insbesondere erfolgt dies mittels einer pulsweiten Modulation (PWM). Mit anderen Worten sind bei Betrieb die Halbleiterschalter mit einer PWM-Ansteuerung der Ansteuerschaltung beaufschlagt, in Abhängigkeit derer die Halbleiterschalter von einem elektrische leitenden in einen elektrisch nicht leitenden Zustand versetzt werden. Hierbei ist der Schaltzustand der beiden Halbleiterschalter des gleichen Brückenzweiges beispielsweise gleich oder unterschiedlich, je nach Ansteuersignal der Ansteuerschaltung. Die Halbleiterschalter sind vorzugsweise vorgesehen und eingerichtet, eine elektrische Stromstärke von mindestens 1 Ampere, 2 Ampere, 5 Ampere oder 10 Ampere zu tragen und/oder zu schalten. Insbesondere liegt bei Betrieb an den Halbleiterschaltern, sofern diese sich im elektrisch nichtleitenden Zustand befinden, eine elektrische Spannung an, die dem dafür vorgesehenen Spannungsbereich der elektrischen Maschine zugedacht ist. Diese können elektrische Spannungen von wenigen Volt bis etwa 1000 Volt sein.
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Beispielsweise weist jeder Brückenzweig vier Halbleiterschalter auf, wobei jeweils zwei der Halbleiterschalter zueinander elektrisch parallel geschaltet sind. Die auf diese Weise gebildeten Paare von Halbleitern sind in Reihe geschaltet. Auf diese Weise wird mittels jedes Halbleiterschalters ein verringerter elektrischer Strom geschaltet, weswegen vergleichsweise kostengünstig Halbleiterschalter herangezogen werden können.
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Die beiden in Reihe geschalteten Halbleiterschalter bzw. die beiden in Reihe geschalteten Halbleiterschalterpaare sind mittels der jeweils zugeordneten Zwischenkreiskapazität gleichstromseitig überbrückt. Mit anderen Worten ist die Zwischenkreiskapazität parallel zu den beiden in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern geschaltet, wobei die beiden Pole der beiden Zwischenkreiskapazität gegen die gleichstromseitigen Pole des Umrichters geführt ist. Folglich liegt bei Betrieb der elektrischen Maschine an den Zwischenkreiskapazitäten im Wesentlichen ein Gleichstrom/Gleichspannung an. Somit wird mittels der jeweiligen Zwischenkreiskapazität ein Rückstrom gepuffert, unabhängig über welchen der beiden Halbleiterschalter der Rückstrom geführt wird.
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Vorzugsweise ist zwischen den Halbleiterschaltern jedes Brückenzweigs ein Abgriff gebildet. Mit anderen Worten ist jeder der beiden Halbleiterschalter jedes Brückenzweigs mit dem jeweiligen Abgriff elektrisch kontaktiert, insbesondere direkt. Mit dem Abgriff ist ferner die jeweilige elektrische Phase elektrisch kontaktiert. Mit anderen Worten ist jede der elektrischen Phasen gegen den Abgriff jeder der elektrischen Phasen geführt. Somit ist ermöglicht, die jeweilige elektrische Phase mittels geeigneter Ansteuerung der Halbleiterschalter entweder gegen den positiven oder den negativen Pol der Gleichstromseite des Umrichters zu führen, also mit diesem elektrisch zu kontaktieren.
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Beispielsweise weist jeder der Halbleiterschalter eine Diode auf, oder ist mittels einer Diode überbrückt, die folglich parallel zu dem jeweiligen Halbleiterschalter/dem schaltbaren Teil des Halbleiterschalters geschaltet ist, sodass ein Stromfluss in eine Richtung von bzw. zu der elektrischen Phase stets ermöglicht ist, unabhängig von dem Schalterzustand des jeweiligen Halbleiterschalters. Aufgrund der Dioden ist somit stets ein Stromfluss von der jeweiligen Zwischenkreiskapazität zu der jeweiligen elektrischen Phase entgegen der Sperrrichtung der Dioden ermöglicht. Beispielsweise sind die Halbleiterschalter IGBTs oder Feldeffekttransistoren (FET). Besonders bevorzugt sind die Halbleiterschalter DirectFETs, was den Bauraum reduziert.
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Vorzugsweise ist der Abstand zwischen den Halbleiterschaltern und der jeweiligen Zwischenkapazität kleiner als 2cm. Hierbei ist vorzugsweise die Länge der elektrischen Leitung zwischen den Halbleiterschaltern und der jeweiligen Zwischenkapazität geringer als die 2cm, wobei die elektrische Leitung beispielsweise mittels einer Leiterbahn einer Leiterplatte bereitgestellt ist. Mit anderen Worten ist die Länge der Leitung zwischen einem Anschluss eines des Halbleiterschalters des Brückenzweiges und der Zwischenkreiskapazität kleiner oder gleich 2cm. Vorzugsweise ist hierbei zwischen dem verbleibenden Halbleiterschalter und dem weiteren Anschluss der Zwischenkreiskapazität der Abstand ebenfalls kleiner oder gleich 2cm. Besonders bevorzugt ist der Abstand zumindest zwischen einem der Halbleiterschalter, vorzugsweise zwischen beiden der Halbleiterschalter, und der jeweiligen Zwischenkreiskapazität kleiner als 1cm oder 0,5cm. Somit ist eine induktive Wirkung der elektrischen Leitung zwischen den Halbleiterschaltern und der Zwischenkreiskapazität verringert, die aufgrund der verringerten Länge zudem einen vergleichsweise geringen ohmschen Wiederstand aufweist. Infolgedessen ist ein Wirkungsgrad erhöht. Auch ist ein Ausbreiten von Rippelströmen aufgrund der vergleichsweise kurzen elektrischen Verbindung zwischen den Halbleiterschaltern und der Zwischenkreiskapazität verringert, die als Puffer wirkt. Insbesondere ist der Abstand zwischen dem Abgriff, sofern dieser vorhanden ist, und der jeweiligen Zwischenkreiskapazität kleiner als 3cm, 2cm, 1cm oder 0,5cm. Hierbei ist der Abstand jeder der beiden Anschlüsse der Zwischenkreiskapazität vorzugsweise geringer als eben der Wert.
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Beispielsweise ist jede Zwischenkreiskapazität mittels eines Kondensators gebildet, insbesondere mittels eines Elektrolytkondensators (ELKO). Besonders bevorzugt jedoch weist jede Zwischenkreiskapazität eine Anzahl an Kondensatoren auf, also mindestens zwei Kondensatoren. Insbesondere sind die Kondensatoren der jeweiligen Zwischenkreiskapazität zueinander parallel oder in Reihe geschaltet. Vorzugsweise sind die Kondensatoren der Zwischenkreiskapazität jeweils Elektrolytkondensatoren. Geeigneterweise weist die Zwischenkreiskapazität weniger als fünf Kondensatoren auf, und besonders bevorzugt drei derartige Kondensatoren. Auf diese Weise können vergleichsweise kostengünstige Kondensatoren herangezogen werden, wobei die Kosten aufgrund der vergleichsweise geringen Anzahl nicht übermäßig erhöht sind. Zweckmäßigerweise besteht jede der Zwischenkreiskapazitäten aus den drei Kondensatoren, die parallel oder in Reihe miteinander verschaltet sind. Insbesondere sind alle Zwischenkreiskapazitäten baugleich, weswegen vergleichsweise viele Gleichteile verwendet werden können. Geeigneterweise weist jeder der Kondensatoren der Zwischenkreiskapazität eine Kapazität zwischen 20µF und 50µF, und insbesondere gleich 33µF auf. Zweckmäßigerweise ist eine maximal an den Kondensator anlegbare elektrische Spannung zwischen 50 Volt und 100 Volt und geeigneterweise gleich 63 Volt. Auf diese Weise können vergleichsweise kostengünstige Kondensatoren verwendet werden.
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Zweckmäßigerweise weist der Umrichter gleichstromseitig der Brückenschaltung eine Pufferkapazität auf, die insbesondere parallel zu der Brückenschaltung und folglich parallel zu sämtlichen Brückenzweigen geschaltet ist. Die Pufferkapazität ist vorzugsweise parallel zu sämtlichen Zwischenkreiskapazität geschaltet. Mittels der Pufferkapazität ist somit eine weitere elektrische Kapazität bereitgestellt, mittels derer beispielsweise Schwankungen im Versorgungsnetz des Umrichters ausgeglichen werden können. Auch ist mittels der Pufferkapazität ein Abfangen von Rippelströmen ermöglicht, die beispielsweise mittels der jeweiligen Zwischenkapazität aufgrund der begrenzten elektrischen Kapazität nicht abgefangen werden können. Vorzugsweise ist die Pufferkapazität baugleich zu jeder der Zwischenkreiskapazitäten und weist insbesondere eine Anzahl an Kondensatoren auf, vorzugsweise Elektrolytkondensatoren. Geeigneterweise umfasst die Pufferkapazität drei Kondensatoren und ist insbesondere aus drei Kondensatoren gebildet, die beispielsweise parallel oder in Reihe miteinander verschaltet sind.
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Somit weist der Umrichter vorzugsweise um eins mehr elektrische Kapazitäten, nämlich die Pufferkapazität, auf als elektrische Phasen vorhanden sind. Mittels der Pufferkapazität ist ein kurzzeitiger elektrischer Spannungs- oder Stromeinbruch im Versorgungsnetz abfangbar. Aufgrund der Baugleichheit ist es ermöglicht, vergleichsweise viele Gleichteile zu verwenden, was Herstellungskosten reduziert. Auch ist ein Platzbedarf und somit ein Bauraum nicht übermäßig vergrößert.
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Beispielsweise ist die Brückenschaltung mittels zweier oder dreier Brückenzweige gebildet. Geeigneterweise jedoch umfasst die Brückenschaltung sechs Brückenzweige, und besteht vorzugsweise hieraus (B12-Schaltung). Der Elektromotor weist folglich sechs elektrische Phasen auf. Auf diese Weise ist der mittels jeder der elektrischen Phasen sowie der Brückenzweige geführte elektrische Strom verringert, weswegen vergleichsweise kostengünstige Bauteile verwendet werden können, wobei die elektrische Maschine dennoch bei vergleichsweise großen Leistungen eingesetzt werden kann. Alternativ oder in Kombination hierzu ist die Brückenschaltung vorgesehen und eingerichtet gleichstromseitig mit dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs elektrisch kontaktiert zu werden. Insbesondere wird zur Montage der Umrichter mit dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs elektrische kontaktiert. Hierfür weist der Umrichter geeigneterweise einen Stecker auf. Beispielsweise ist das Bordnetz des Kraftfahrzeugs ein Niedervoltbordnetz und führt beispielsweise eine elektrische Spannung von 12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt. Alternativ hierzu beträgt die elektrische Spannung die bei Betrieb an dem Umrichter anliegt bzw. die das Bordnetz des Kraftfahrzeugs aufweist, 288 Volt, 450 Volt, 650 Volt oder 830 Volt.
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Insbesondere ist der Umrichter nach Art eines Doppelumrichters gebildet, der somit zwei B6-Schaltungen aufweist, von denen jede jeweils drei Brückenzweige umfasst. Insbesondere werden diese mittels einer geeigneten Ansteuerungsschaltung mit einer PWM angesteuert, wobei hiermit die Drehzahl der Maschine eingestellt wird. Insbesondere sind zumindest zwei der Brückenzweige um 180° phasenverschoben angesteuert. Da jeder der Brückenzweige einer Zwischenkreiskapazität zugeordnet ist, weist der Umrichter bei einer Bestromung der elektrischen Phasen/Spulen einen vergleichsweise geringen Innenwiederstand auf, der bei einer Abkommutierung die in der jeweiligen elektrischen Phase induktiv gespeicherte Energie aufnehmen kann. Aufgrund des vergleichsweise geringen Abstands der jeweiligen Zwischenkreiskapazität zu dem Abgriff ist der ohmsche Wiederstand vergleichsweise gering, wobei ferner eine induktive Wirkung ebenfalls vergleichsweise gering ist, weswegen vergleichsweise wenig Blindstrom erzeugt wird. Hierbei sind die entstehenden Leitungsverluste, also die Verluste, die aufgrund der elektrischen Leitung zwischen dem Abgriff und der Zwischenkreiskapazität entstehen, auf ein Minimum reduziert.
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Der Kältemittelverdichter ist ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs und umfasst eine elektrische Maschine als Antrieb. Der Kältemittelverdichter ist somit ein elektromotorischer Kältemittelverdichter (eKMV). Die elektrische Maschine ist beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC). Vorzugsweise ist der Kältemittelverdichter, insbesondere die elektrische Maschine, mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs elektrisch kontaktiert/kontaktierbar und/oder mit einer elektrischen Spannung von wenigen Volt bis zu 1000V betrieben/betreibbar, insbesondere mit einer elektrischen Spannung von 12V, 24V, 48V, 288V, 450V, 650V oder 830V. Mittels des Kältemittelverdichters wird bei Betrieb ein Kältemittel komprimiert. Das Kältemittel ist beispielsweise ein chemisches Kältemittel, wie R134a oder R1234yf. Alternativ ist das Kältemittel CO2. Vorzugsweise ist der Kältemittelverdichter derart ausgelegt, dass mittels dessen das jeweilige Kältemittel komprimiert werden kann, wobei beispielsweise eine Druckerhöhung zwischen 5bar und 20bar erfolgt. Der Kältemittelverdichter ist insbesondere ein Bestandteil eines Kältekreislaufs, der beispielsweise der Klimatisierung eines Innenraums oder der Abkühlung eines Energiespeichers des Kraftfahrzeugs dient, wie einer Hochvoltbatterie. Beispielsweise ist der elektromotorische Kältemittelverdichter signaltechnisch mit einem BUS-System gekoppelt, insbesondere einem LIN- oder CAN-Bus.
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Die elektrische Maschine weist elektrische Spulen, die zu einer Anzahl an elektrischen Phasen zusammengefasst sind, und einen Umrichter auf. Der Umrichter umfasst eine Brückenschaltung zur Bestromung der elektrischen Phasen, wobei die Brückenschaltung eine zu der Anzahl der elektrischen Phasen korrespondierende Anzahl an Brückenzweigen umfasst. Jedem Brückenzweig ist eine Zwischenkreiskapazität zugeordnet. Jeder Brückenzweig weist beispielswiese zwei in Reihe geschaltete Halbleiterschalter auf, insbesondere Leistungshalbleiterschalter. Die Leistungshalbleiterschalter sind vorgesehen und eingerichtet, einen elektrischen Strom mit einer Stromstärke von mindestens 1A, 2A, 5A oder 10A zu schalten. Die Leistungshalbleiterschalter sind vorzugsweise Feldeffekttransistoren (FET) oder IGBTs. Insbesondere sind jeweils zwei Leistungshalbleiterschalter zueinander parallel geschaltet, sodass jeder Brückenzweig vier derartige Leistungshalbleiterschalter umfasst. Auf diese Weise ist ein mit dem jeweiligen Leistungshalbleiterschalter getragener elektrischer Strom verringert, was Herstellungskosten reduziert.
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Der Kältemittelverdichter ist geeigneterweise ein Bestandteil eines Kältemittelkreislauf mit einem (Klima-)Kondensator, sowie mit einem Verdampfer, und mit dem Kältemittelverdichter. Der Kondensator ist fluidtechnisch zwischen den Kältemittelverdichter und den Verdampfer geschaltet. Vorzugsweise umfasst der Kältemittelkreislauf einen weiteren Wärmetauscher, der zwischen den Verdampfer und den Kältemittelverdichter geschaltet ist, und der vorzugsweise thermisch mit einem weiteren Bauteil des Kraftfahrzeugs kontaktiert ist, wie einer Gebläseleitung einer Klimaanlage oder einem Energiespeicher, wie einem Hochvoltenergiespeicher. Der Kältemittelkreislauf ist insbesondere mit einem Kältemittel befüllt, beispielsweise einem chemischen Kältemittel, wie R134a, R1234yf, oder mit CO2.
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Mittels des Kältemittelverdichters wird bei Betrieb ein Druck des Kältemittels erhöht, welches im Anschluss zu dem Kondensator geleitet wird, der vorzugsweise in thermischem Kontakt mit einer Umgebung des Kraftfahrzeugs ist. Vorzugsweise erfolgt mittels des Kondensators eine Temperaturangleichung des Kältemittels an die Umgebungstemperatur oder zumindest eine Temperaturerniedrigung des Kältemittels. Mit dem nachgeschalteten Verdampfer wird das Kältemittel entspannt, weshalb die Temperatur des Kältemittels weiter verringert wird. In dem nachgeschalteten weiteren Wärmetauscher wird von dem mit dem weiteren Wärmetauscher thermisch kontaktierten Bauteil thermische Energie auf das Kältemittel übertragen, was zu einer Abkühlung des Bauteils und einer Erwärmung des Kältemittels führt. Das erwärmte Kältemittel wird zum Schließen des Kältemittelkreislaufs vorzugsweise erneut dem Kältemittelverdichter zugeführt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelverdichter,
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2 in einer Schnittdarstellung schematisch vereinfacht den Kältemittelverdichter,
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3 in einer Draufsicht eine Leiterplatte mit einem Umrichter,
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4 die Leiterplatte in einer Unteransicht, und
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5 schematisch vereinfacht den Schaltplan des Umrichters.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch vereinfacht ein Kraftfahrzeug 2 mit zwei Vorderrädern 4 und zwei Hinterrädern 6 dargestellt. Zumindest zwei der Räder 4, 6 sind mittels eines nicht näher gezeigten Hauptantriebs angetrieben, beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine, einem Elektromotor oder einer Kombination hieraus. Das Kraftfahrzeug 2 umfasst einen Kältemittelkreislauf 8, der ein Bestandteil einer Klimaanlage ist. Der Kältemittelkreislauf 8 ist mit einem Kältemittel 10 befüllt, beispielsweise CO2, R1234yf oder R134a. Mittels eines (elektromotorischen) Kältemittelverdichters (eKMV) 12 wird das Kältemittel 10 verdichtet und einem fluidtechnisch nachgeschalteten Kondensator 14 zugeführt, der mit Umgebungsluft beaufschlagt ist, was zu einer Temperaturabsenkung des Kältemittels 10 führt. Der Druck und somit die Temperatur des Kältemittel 10 wird mittels eines nachgeschalteten Verdampfers 16 erniedrigt, der einen nicht näher dargestellten weiteren Wärmtauscher umfasst, der mit einer Gebläseleitung der Klimaanlage thermisch gekoppelt ist. Die Gebläseleitung fördert in Abhängigkeit einer Benutzereinstellung gekühlte Luft in einen Innenraum des Kraftfahrzeugs 2.
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Der elektromotorische Kältemittelverdichter 12 ist mittels eines Bus-Systems 18, das ein CAN-Bus-System oder ein Lin-Bus-System ist, signaltechnisch mit einer Kraftfahrzeugsteuerung 20 gekoppelt, wie einem Bordcomputer. Mittels eines (elektrischen) Bordnetzes 22, welches die jeweilige elektrische Spannung, beispielsweise 48V, führt und mittels einer Batterie 24 gespeist ist, wird der elektromotorische Kältemittelverdichter 12 bestromt. Das Bordnetz 22 umfasst ferner eine Sicherungseinrichtung 26, mittels derer ein elektrischer Stromfluss zwischen der Batterie 24 und dem Kältemittelverdichter 12 unterbunden werden kann. Hierfür weist die Sicherungseinrichtung 26 beispielsweise einen Last- und/oder Schutzschalter auf. Die Sicherungseinrichtung 26 ist mittels des Bus-Systems 18 signaltechnisch mit der Kraftfahrzeugsteuerung 20 verbunden, sodass mittels der Kraftfahrzeugsteuerung 20 der Last- bzw. Schutzschalter betätigt und somit der elektrische Stromfluss unterbunden werden kann.
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2 zeigt den elektromotorischen Kältemittelverdichter 12 in einer Schnittdarstellung entlang einer Drehachse 28 eines Elektromotors 30 des Kältemittelverdichters 12. Der Elektromotor 30 ist ein bürstenloser Gelichstrommotor (BLDC) und weist einen zylindrischen Rotor 32 auf, der umfangsseitig mittels eines hohlzylindrischen Stators 34 umgeben ist. Der Stator 34 weist eine Anzahl von elektrischen Spulen 35 auf, in dem gezeigten Beispiel zwölf elektrische Spulen 35. Der Rotor 32 umfasst eine Anzahl an Permanentmagneten und ist mittels einer Welle 36 drehbar um die Drehachse 28 gelagert. An der Welle 36 ist freiendseitig ein Verdichterkopf 38 drehfest angebunden, beispielsweise ein Scrollverdichter. Der Stator 34 wird mittels einer Elektronik 40 des Elektromotors 30 bestromt, die mit dem Bus-Systems 18 und dem Bordnetz 22 verbunden ist.
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Der Stator 34, der Rotor 32, der Verdichterkopf 38 und die Elektronik 40 sind in einem Gehäuse 42 aus einem Aluminiumdruckguss angeordnet, das eine im Wesentlichen hohlzylindrische Form aufweist und konzentrisch zur Drehachse 28 ist. Das Gehäuse 42 umfasst einen Zulauf 44 über den das Kältemittel 10 in das Gehäuse 42 eintritt und entlang des Rotors 32/ Stators 34 zu dem Verdichterkopf 38 gesaugt wird, mittels dessen eine Druckerhöhung erfolgt. Das mittels des Verdichterkopfs 38 komprimierte Kältemittel 10 wird mittels eines Ablaufs 46 aus dem Gehäuse 34 befördert.
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Das Gehäuse 42 umfasst eine Trennwand 48, mittels dessen ein Elektronikgehäuse 50 von dem von dem Kältemittel 10 durchströmten Teil des Gehäuses 42 abgetrennt ist. Innerhalb des Elektronikgehäuses 50 ist die Elektronik 40 angeordnet. Die Trennwand 48 weist Durchkontaktierungen 52 auf, die druckdicht sind, und über die die Bestromung des Stators 34 erfolgt. Auf der der Trennwand 48 in axialer Richtung, also parallel zur Drehachse 28, gegenüberliegenden Seite umfasst das Elektronikgehäuse 50 einen aus einem Metall gefertigten Gehäusedeckel 54, der mittels Schrauben an weiteren Bestandteilen des Elektronikgehäuses 50 lösbar befestigt ist, und welcher eine Öffnung des Elektronikgehäuses 50 verschließt. Die Elektronik 40 weist eine Leiterplatte 56 und eine weitere Leiterplatte 58 auf, die in Axialrichtung, also parallel zur Drehachse 28, übereinander angeordnet sind. Die Leiterplatte 56 ist parallel zur Trennwand 48 sowie zum Gehäusedeckel 54 angeordnet, ebenso wie die weitere Leiterplatte 58. Hierbei ist die Leiterplatte 56 zwischen der weiteren Leiterplatte 58 und der Trennwand 48 angeordnet.
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Die Leiterplatten 56 ist perspektivisch in 3 in einer Draufsicht und in 4 in einer Unteransicht von Seiten der Trennwand 48 her gezeigt. Die Leiterplatte 56 ist ein Bestandteil eines Umrichters 60 der Elektronik 40, dessen schematisch vereinfachter Schaltplan in 5 gezeigt ist. Der Umrichter 60 weist eine Brückenschaltung 62 mit sechs zueinander parallel geschalteten Brückenzweigen 64 auf. Parallel zu den Brückenzweigen 64 ist eine Pufferkapazität 66 geschaltet. Die beiden Elektroden der Pufferkapazität 66 sind gegen einen positiven Pol 70 und einen negativen Pol 72 geführt und bildet somit im Wesentlichen eine Gleichstromseite 74 des Umrichters. Diese ist über das Bordnetz 22 mit der Batterie 24 elektrisch kontaktiert. Zusammenfassend ist der Umrichter 60 mittels der Gleichstromseite 74 mit dem Niedervoltbordnetz 22 des Kraftfahrzeugs 2 elektrisch kontaktiert.
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Jeder der Brückenzweige 64 weist vier Halbleiterschalter 76 auf. Die Halbleiterschalter 76 hierbei DirectFETs, also Feldeffekttransistoren. Jeweils zwei der Halbleiterschalter 76 sind zueinander parallel geschaltet. Die beiden auf diese Weise gebildeten Paare sind miteinander elektrisch in Reihe geschaltet, wobei die beiden Anschlüsse dieses Paares elektrisch gegen den positiven Pol 70 bzw. den negativen Pol 72 geführt sind. In 5 sind die beiden zueinander parallel geschalteten Halbleiterschalter 76 jeweils mittels eines einzigen Schaltelements dargestellt. Aufgrund der Parallelschaltung der beiden Halbleiterschalter 76 ist ein mittels der jeweiligen Halbleiterschalter 76 zu schaltender elektrischer Strom um im Wesentlichen die Hälfte reduziert.
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Zwischen den in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern 76 ist jeweils ein Abgriff 78 vorhanden. Jeder Abgriff 78 ist mittels eines Anschlusses gebildet, der elektrisch gegen eine jeweilige Durchkontaktierung 52 geführt ist. Zu der Reihenschaltung der Halbleiterschalter 76 ist jeweils eine Zwischenkreiskapazität 80 geschaltet, so dass die Reihenschaltung der Halbleiterschalter 76 mittels der jeweils zugeordneten Zwischenkreiskapazität 80 überbrückt ist. Der Abstand zwischen den Halbleiterschaltern 76 und der jeweiligen Zwischenkreiskapazität 78 ist hierbei kleiner als 0,5cm. Mit anderen Worten ist die Länge der Anschlüsse zwischen der jeweiligen Zwischenkreiskapazität 80 und beidseitig zu den jeweiligen Halbleiterschaltern 76 geringer als 0,5cm. Die Zwischenkreiskapazitäten 80 sind baugleich zur Pufferkapazität 66. Jede Zwischenkreiskapazität 80 sowie die Pufferkapazität 66 ist mittels dreier zueinander elektrisch parallel geschaltetem Kondensatoren 82 gebildet. Die elektrischen Kondensatoren 82 sind Elektrolytkondensatoren, die eine Kapazität von 33µF bei einer Spannung von 63 Volt aufweisen.
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Jeweils zwei der elektrischen Spulen 35 sind zueinander parallel geschaltet und zu einer elektrischen Phase 84 zusammengefasst, so dass der Stator 34 sechs elektrische Phasen 84 aufweist. Hierbei sind jeweils drei der insgesamt sechs elektrischen Phasen 84 in einer Sternschaltung miteinander elektrisch kontaktiert, wobei der Sternpunkt beispielsweise gegen Masse geführt ist, die insbesondere das gleiche elektrische Potential wie der negative Pol 72 aufweist. Die jeweils verbleibenden Anschlüsse der jeweiligen elektrischen Phasen 84 sind jeweils gegen einen der Abgriffe 78 elektrisch geführt. Somit ist jedem der Abgriffe 78 genau eine der elektrischen Phasen 84 zugeordnet.
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Die weitere Leiterplatte 58 weist eine Bus-Schnittstelle auf, an der das Bussystem 18 angeschlossen ist. Mit der Busschnittstelle ist ein Mikroprozessor der weiteren Leiterplatte 58 signaltechnisch gekoppelt, der eine Ansteuerschaltung für den Umrichter 60 aufweist. Hierbei werden die Halbleiterschalter 76 mittels einer Pulsweiten-Modulation angesteuert und somit in einen elektrisch leitenden bzw. elektrisch nicht leitenden Zustand versetzt. Aufgrund der beiden Leiterplatten 56, 58 ist die Ansteuerschaltung von den Halbleiterschaltern 76 galvanisch getrennt.
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Bei Betrieb werden mittels der Ansteuerschaltung die Halbleiterschalter 76 mittels Pulsweiten-Modulation angesteuert und somit ein pulsweites moduliertes Stromsignal in die jeweiligen elektrischen Phasen 84 eingeleitet. Jede der Zwischenkreiskapazitäten 80 bildet für die der jeweilige Brückenzweig 64 zugeordneten elektrische Phase 64 eine vergleichsweise niederohmige Stromquelle, die beim abkommutieren, also beim Ändern des Schaltzustands der Halbleiterschalter 76, die induktiv in der jeweiligen elektrischen Phase 84 gespeicherte elektrische Energie aufnimmt. Aufgrund des vergleichsweise geringen Abstandes der jeweiligen Zwischenkreiskapazität 80 ist ein vergleichsweise geringer ohmscher Widerstand vorhanden, weswegen ein elektrischer Verlust verringert ist. Auch wird auf diese Weise lediglich eine vergleichsweise geringe parasitäre Induktivität bereitgestellt.
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Zusammenfassend wird aufgrund des vergleichsweise geringen Abstandes der Zwischenkreiskapazitäten 80 zu der jeweiligen elektrischen Phase 84 ein vergleichsweise geringer Blindstorm erzeugt, sodass der Wirkungsgrad vergleichsweise groß ist. Zudem ist die elektromagnetische Verträglichkeit erhöht. Auch ist eine Belastung des Bordnetzes 22 aufgrund von sogenannten Rippelströmen verringert, die lediglich in vergleichsweise geringem Maße auftreten. Dies wird ferner aufgrund der Pufferkapazität 66 vermindert, die zudem Leistungseinbrüche innerhalb des Bordnetzes 22 kurzzeitig abfangen kann. Auch wird aufgrund der Verteilung der Kondensatoren 82 über eine vergleichsweise große Fläche der Leiterplatte 56 eine Verlustwärme vergleichsweise großflächig verteilt, was eine Belastung von Komponenten des Elektromotors 30 verringert. Mit anderen Worten ist die Lastverteilung auf der Leiterplatte 56 aufgrund der vergleichsweise kurzen Anbindung der Strompfade sowie der geringeren Verlustinduktivitäten verbessert. Auch ist aufgrund der vergleichsweise großen Anzahl an Kondensatoren 82 eine vergleichsweise Spannung auf der Gleichstromseite 74 des Umrichters 60 vorhanden, da zudem der elektrische Stromfluss im zeitlichen Mittel reduziert ist.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Vorderrad
- 6
- Hinterrad
- 8
- Kältemittelkreislauf
- 10
- Kältemittel
- 12
- Kältemittelverdichter
- 14
- Kondensator
- 16
- Verdampfer
- 18
- Bus-System
- 20
- Kraftfahrzeugsteuerung
- 22
- Bordnetz
- 24
- Batterie
- 26
- Sicherungseinrichtung
- 28
- Drehachse
- 30
- Elektromotor
- 32
- Rotor
- 34
- Stator
- 35
- elektrische Spule
- 36
- Welle
- 38
- Verdichterkopf
- 40
- Elektronik
- 42
- Gehäuse
- 44
- Zulauf
- 46
- Ablauf
- 48
- Trennwand
- 50
- Elektronikgehäuse
- 52
- Durchkontaktierung
- 54
- Gehäusedeckel
- 56
- Leiterplatte
- 58
- weitere Leiterplatte
- 60
- Umrichter
- 62
- Brückenschaltung
- 64
- Brückenzweig
- 66
- Pufferkapazität
- 70
- positiver Pol
- 72
- negativer Pol
- 74
- Gleichstromseite
- 76
- Halbleiterschalter
- 78
- Abgriff
- 80
- Zwischenkreiskapazität
- 82
- Kondensator
- 84
- elektrische Phase
