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Die Erfindung betrifft eine EMV-Filtervorrichtung für eine Steuerungselektronik einer elektrischen Maschine, welche elektrischen Maschine bevorzugt als eine Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeuges eingesetzt ist. Ferner betrifft die Erfindung die Steuerungselektronik aufweisend die EMV-Filtervorrichtung. Zudem betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit dieser Steuerungselektronik.
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Filtervorrichtungen, die die elektromagnetische Verträglichkeit verbessern, sind insbesondere aus dem Kfz-Bereich bereits bekannt, in welchem Gebiet eine relativ hohe Anforderung an eine Störentkopplung gestellt wird. Bei den bekannten Systemen hat es sich jedoch gezeigt, dass sie primär für relativ kleine Spannungen, insbesondere für 12 V, ausgelegt sind. Für die zunehmend eingesetzten höheren Spannungen (z.B. 48 V) sind die bekannten Filtervorrichtungen schlicht nicht ausreichend dimensioniert. Es besteht aufgrund des begrenzten Bauraumbedarfs im Kfz-Bereich das Problem, dass die einzelnen Komponenten der Filtervorrichtung nicht einfach größer dimensioniert werden können.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine EMV-Filtervorrichtung zur Verfügung zu stellen, die auch für höhere elektrische Leistungen ausgelegt ist, zugleich jedoch einen möglichst kompakten Aufbau aufweist.
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Dies wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Diesbezüglich ist eine EMV-Filtervorrichtung für eine Steuerungselektronik einer elektrischen Maschine beansprucht, die zwei voneinander elektrisch entkoppelte Stromschienen, einen Kern, durch den die beiden Stromschienen hindurchverlaufen, und mehrere zwischen den Stromschienen unmittelbar und/oder zwischen der jeweiligen Stromschiene und einem Gehäuse eingesetzte Kondensatoren aufweist, wobei der Kern stoffeinteilig und monokristallin ausgebildet ist.
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Durch die Ausbildung des Kerns ist es möglich, die EMV-Filtervorrichtung möglichst kleinbauend auszugestalten, wobei zugleich eine effiziente Filterwirkung auch bei höheren elektrischen Spannungen besteht.
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Weitergehende vorteilhafte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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Demnach ist es weiterhin von Vorteil, wenn zumindest ein erster Kondensator auf einer einem Eingang (vorzugsweise als Stecker / Steckeraufnahme ausgebildet) der EMV-Filtervorrichtung zugewandten Seite des Kerns zwischen den Stromschienen wirkend eingesetzt ist und/oder ein zweiter Kondensator auf einer einem Ausgang der EMV-Filtervorrichtung zugewandten Seite des Kerns zwischen den Stromschienen wirkend eingesetzt ist. Dadurch kommt es zu einem möglichst einfachen Aufbau der EMV-Filtervorrichtung.
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Für eine geeignete Filterwirkung ist es weiterhin zweckmäßig, wenn der erste Kondensator und/oder der zweite Kondensator als X-Kondensator (das heißt als Funk-Entstörkondensator der Klasse X) ausgebildet sind/ist.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn auf einer dem Ausgang zugewandten Seite des Kerns ein dritter Kondensator zwischen einer ersten Stromschiene der beiden Stromschienen und einem ersten Masseanschluss des Gehäuses wirkend eingesetzt ist und/oder ein vierter Kondensator zwischen einer zweiten Stromschiene der beiden Stromschienen und einem zweiten Massenanschluss des Gehäuses wirkend eingesetzt ist. Dadurch kommt es ebenfalls zu einem möglichst einfachen Aufbau und einer optimalen Filterwirkung der EMV-Filtervorrichtung.
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Für eine geeignete Filterwirkung ist es dabei zudem zweckmäßig, wenn der dritte Kondensator und/oder der vierte Kondensator als Y-Kondensator ausgebildet sind/ist.
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Ist der Kern (unmittelbar) an einem aus Kunststoff bestehenden Aufnahmebereich des Gehäuses befestigt, findet eine Aufnahme des Kerns mit möglichst einfachen Mitteln statt. Zudem wird die Herstellbarkeit der EMV-Filtervorrichtung vereinfacht. Besonders bevorzugt ist der Kern an Kunststofflaschen des Gehäuses angebracht.
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Für eine optimale Filterwirkung ist es von Vorteil, wenn der Kern aus Ferrit besteht.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn die beiden Stromschienen in einem den ringförmig umlaufenden Kern durchdringenden Erstreckungsbereich um 3 mm +/- 1 mm zueinander beabstandet sind. Damit ist eine möglichst kompakte Anordnung, jedoch zugleich eine ausreichende Entkopplung der einzelnen Bestandteile voneinander gewährleistet. Bevorzugt ist jener Spalt zwischen den Erstreckungsbereichen der beiden Stromschienen mit einem Kunststoffmaterial gefüllt.
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Für eine optimale Leistung ist es von Vorteil, wenn der Eingang als ein 48 V-Anschluss ausgebildet ist.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Steuerungselektronik mit einer in einem Elektronikgehäuse integrierten, erfindungsgemäßen EMV-Filtervorrichtung nach zumindest eine der zuvor beschriebenen Ausführungen.
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Auch betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, aufweisend einen Stator und einen Rotor sowie eine die Bestromung des Stators oder des Rotors steuernden Steuerungselektronik nach der zuvor erläuterten Ausführung.
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Es ist dabei besonders bedeutsam, dass das Gehäuse des nanokristallinen Kerns aus Kunststoff besteht oder daraus aufgebaut ist. Um den Filter in einem kleinen Bauraum unter zu bringen, besitzt das Kunststoffgehäuse Laschen, insbesondere um dieses mechanisch an das Steuergerätegehäuse anzubinden. Diese Verlängerung (Laschen) soll genutzt werden, um die Stromschienen mittels Einpressmuttern und Schrauben oder mittels Einpressbolzen und Muttern miteinander zu verbinden. Das Kunststoffgehäuse wird in der Erfindung mit den Stromschienen mittels Kleben verbunden.
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Die X-Kondensatoren sitzen sowohl vor als auch nach dem nanokristallinen Kern direkt am Kern und werden auf einem Fortsatz (Blech) der Busbars kurz angebunden.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße EMV-Filtervorrichtung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei der mechanische Aufbau der EMV-Filtervorrichtung dargestellt ist,
- 2 eine schematische Darstellung der EMV-Filtervorrichtung der 1, in der der elektronische Aufbau gut zu erkennen ist, sowie
- 3 einen Prinzipaufbau einer elektrischen Maschine aufweisend eine Steuerungsvorrichtung mit der EMV-Filtervorrichtung nach 1 und 2.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Dieselben Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Bei Betrachtung der 3 wird zunächst der bevorzugte Einsatzbereich einer nachfolgend näher beschriebenen erfindungsgemäßen EMV-Filtervorrichtung 1 der 1 und 2 ersichtlich. Die EMV-Filtervorrichtung 1 ist in einer der Übersichtlichkeit halber lediglich schematisch dargestellten Steuerungselektronik 2 / Leistungselektronik einer elektrischen Maschine 3 eingesetzt. Die Steuerungselektronik 2 weist auf typische Weise neben der EMV-Filtervorrichtung 1 einen Inverter 22 auf, der über einen entsprechenden DC-Link bzw. Zwischenkreiskondensator 21 mit der EMV-Filtervorrichtung 1 elektrisch verbunden ist.
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An einem elektrischen Leistungseingang der Steuerungselektronik 2, der direkt durch einen Eingang 12 der EMV-Filtervorrichtung 1 mit ausgebildet ist, ist im Betrieb eine 48V-Versorgung 19 / 48V-Spannungsquelle angeschlossen. Die Steuerungselektronik 2 weist jedoch auch einen weiteren elektrischen Leistungseingang 24 auf, an den im Betrieb eine 12V-Versorgung 20 / 12V-Spannungsquelle angeschlossen ist.
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Ein elektrischer Leistungsausgang 25 der Steuerungselektronik 2 ist mit der elektrischen Maschine 3, nämlich auf typische Weise mit einer Spule eines hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten Stators derselben, alternativ auch mit Spulen eines Rotors derselben, elektrisch verbunden. Der Leistungsausgang 25 wird dabei unmittelbar durch einen Ausgang des Inverters 22 ausgebildet.
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Während die EMV-Filtervorrichtung 1, wie bereits erwähnt, mit ihrem Eingang 12 mit der 48V-Versorgung 19 im Betrieb verbunden ist, ist sie mit ihrem Ausgang 14 über den DC-Link 21 mit dem Inverter 22 elektrisch verbunden. Ein Elektronikgehäuse 18 der Steuerungselektronik 2 ist in 3 ebenfalls angedeutet. Dabei ist ein Gehäuse 7 der EMV-Filtervorrichtung 1 mit diesem Elektronikgehäuse 18 verbunden.
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Der nähere Aufbau der EMV-Filtervorrichtung 1 wird schließlich in Verbindung mit den 1 und 2 deutlich. Hieraus ist ersichtlich, dass die EMV-Filtervorrichtung 1 ihren Eingang 12 in Form eines Verbindungselementes 23, wie eines Steckers oder einer Steckeraufnahme, ausbildet. Das Verbindungselement 23 bildet somit den Eingang 12 unmittelbar aus. Im Betrieb ist das Verbindungselement 23 unmittelbar an die 48V-Versorgung 19 angeschlossen.
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Von dem Verbindungselement 23 gehen zwei Stromschienen 4, 5 ab, wovon jene DC+ Schiene als die erste Stromschiene 4 bezeichnet ist und jene DC- Schiene als die zweite Stromschiene 5 bezeichnet ist. Beide Stromschienen 4, 5 ragen durch einen Kern 6 hindurch. Jener Kern 6, wie in 1 zu erkennen, ist als stoffeinteiliger, das heißt integraler, monokristalliner Kern 6 aus Ferrit umgesetzt.
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Die Stromschienen 4, 5, wie ebenfalls in 1 gut zu erkennen ist, erstrecken sich in einem Erstreckungsbereich 16a, 16b durch diesen Kern 6, d.h. durch einen zentralen Durchgang des im Wesentlichen ringförmigen Kerns 6 hindurch. Die Erstreckungsbereiche 16a, 16b der ersten und zweiten Stromschienen 4, 5 verlaufen insbesondere in jenem den Kern 6 durchdringenden Abschnitt parallel zueinander. Die beiden Stromschienen 4, 5 sind an ihren Erstreckungsbereichen 16a, 16b um 3 mm zueinander beabstandet, wie durch den Spalt 17 gekennzeichnet.
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Des Weiteren sind mehrere Kondensatoren 8, 9, 10, 11 vorgesehen, die die Stromschienen 4, 5 relativ zueinander und zu einem Gehäuse 7 (unter Ausbildung einer Masse) entkoppeln.
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Ein erster Kondensator 8 ist auf einer dem Eingang 12 zugewandten Seite des Kerns 6 vorgesehen und zwischen der ersten Stromschiene 4 und der zweiten Stromschiene 5 wirkend eingesetzt. Der erste Kondensator 8 ist als ein X-Kondensator umgesetzt.
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Ein weiterer zweiter Kondensator 9 ist auf einer dem Eingang 12 abgewandten / einer dem Ausgang 14 zugewandten Seite des Kerns 6 angeordnet und zwischen der ersten Stromschiene 4 und der zweiten Stromschiene 5 wirkend eingesetzt. Dieser zweite Kondensator 9 ist ebenfalls als X-Kondensator realisiert.
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Ferner ist ein dritter Kondensator 10 und ein vierter Kondensator 11 zwischen einer der Stromschienen 4, 5 einerseits und einem Masseanschluss 13a, 13b am Gehäuse 7 andererseits wirkend eingesetzt. Ein zwischen der ersten Stromschiene 4 und einem ersten Masseanschluss 13a des Gehäuses 7 wirkend eingesetzter dritter Kondensator 10 ist als Y-Kondensator ausgeführt. Ein zwischen einer zweiten Stromschiene 5 und einem zweiten Masseanschluss 13b des Gehäuses 7 wirkend eingesetzter vierter Kondensator 11 ist ebenfalls als Y-Kondensator ausgebildet. Sowohl der dritte Kondensator 10 als auch der vierte Kondensator 11 sind auf einer dem Ausgang 14 zugewandten Seite des Kerns 6 angeordnet.
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Ferner sei noch darauf hingewiesen, dass das Gehäuse 7 der EMV-Filtervorrichtung 1 prinzipiell aus einem Kunststoff besteht. Es ist bevorzugt, den Kern 6 an einem hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten Aufnahmebereich 15 des aus Kunststoff bestehenden Gehäuses 7, weiter bevorzugt an Laschen des Gehäuses 7, anzubinden.
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Zudem wird darauf hingewiesen, dass zwischen Erstreckungsbereichen 16a, 16b in dem Spalt 17 ein Kunststoffmaterial eingebracht ist. Dieses Kunststoffmaterial ist insbesondere in dem den Kern 6 durchdringenden Abschnitt der Erstreckungsbereiche 16a, 16b eingebracht. Das Kunststoffmaterial ist hier als separat zu dem Gehäuse 7 ausgeformtes Leistenelement ausgebildet, kann jedoch auch prinzipiell als stoffeinteilig mit dem Gehäuse 7 verbundener Gehäuseabschnitt ausgebildet sein.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, ist erfindungsgemäß ein Filter (EMV-Filtervorrichtung 1) mit nanokristallinem Kern 6 vorgeschlagen. Dabei wird insbesondere auf die mechanische Integration des Filters in den kleinen Bauraum, unter Berücksichtigung der speziellen Anforderungen an einen hohen Strom sowie der Details der Filterschaltung (Filterstruktur) hingewiesen. Vorteile genau dieser Ausführung des Filters sind es Bauraum zu sparen und den hohen Stromanforderungen gleichzeitig Stand zu halten.
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Die Filterstruktur besteht, bei Betrachtung ausgehend von dem 48V-DC-Stecker (Verbindungselement 23) aus X-Kondensator (erster Kondensator 8), nanokristallinem Kern 6, X-Kondensator (zweiter Kondensator 9), Y-Kondensatoren (von DC+ und DCgegen Gehäuse 7 und Elektronikgehäuse 18 des Steuergerätes (Steuerungselektronik 2); hier als dritter Kondensator 10 und vierter Kondensator 11 bezeichnet). Y-Kondensatoren sind damit nicht am Eingang des Filters angeordnet, da dies die Wirkung des Kerns 6 umgehen (Bypass) könnte. Die Filterstruktur ist so auf möglichst wenige Komponenten optimiert, um den Bauraum nicht zu überschreiten.
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Beide Stromschienen DC+ (erste Stromschiene 4) und DC- (zweite Stromschiene 5) werden durch den Kern 6 geführt, um eine Dämpfung der Common-Mode-Störungen zu erreichen.
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Die DC+ und DC- Stromschiene werden zudem nebeneinander im Abstand von 3 mm (+- 1 mm) durch den Kern 6 geführt, um die Anforderungen an die Isolationsfestigkeit zu erfüllen.
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Das Gehäuse 7 des nanokristallinen Kerns 6 besteht aus Kunststoff. Um das Filter im kleinen Bauraum unterzubringen, besitzt das Kunststoffgehäuse (Gehäuse 7) Laschen, um dieses mechanisch an das Steuergerätegehäuse (Elektronikgehäuse 18) anzubinden. Diese Verlängerung (Laschen) wird genutzt, um die Stromschienen 4, 5 mittels Einpressmuttern und Schrauben oder mittels Einpressbolzen und Muttern miteinander zu verbinden. Das Kunststoffgehäuse ist mit den Stromschienen 4, 5 mittels Kleben verbunden.
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Der erste Kondensator 8 sitzt vor dem nanokristallinen Kern 6, direkt am Kern 6, während der zweite Kondensator 9 nach dem Kern 6, direkt am Kern 6, sitzt. Beide Kondensatoren - sowohl der erste Kondensator 8 als auch der zweite Kondensator 9 - sind auf einem Fortsatz 26 (Blech) der Stromschienen 4, 5 kurz angebunden.
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Der dritte Kondensator 10 und der vierte Kondensator 11 sind mit einer kurzen breiten Lasche direkt auf dem „Case-Ground“ (Gehäuse 7) angebunden, um eine niederimpedante Anbindung auch für hohe Frequenzen zu gewährleisten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- EMV-Filtervorrichtung
- 2
- Steuerungselektronik
- 3
- elektrische Maschine
- 4
- erste Stromschiene
- 5
- zweite Stromschiene
- 6
- Kern
- 7
- Gehäuse
- 8
- erster Kondensator
- 9
- zweiter Kondensator
- 10
- dritter Kondensator
- 11
- vierter Kondensator
- 12
- Eingang
- 13a
- erster Masseanschluss
- 13b
- zweiter Masseanschluss
- 14
- Ausgang
- 15
- Aufnahmebereich
- 16a
- erster Erstreckungsbereich
- 16b
- zweiter Erstreckungsbereich
- 17
- Spalt
- 18
- Elektronikgehäuse
- 19
- 48V-Versorgung
- 20
- 12V-Versorgung
- 21
- DC-Link
- 22
- Inverter
- 23
- Verbindungselement
- 24
- Leistungseingang
- 25
- Leistungsausgang
- 26
- Fortsatz
- 27
- Lasche