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Title:
ARRANGEMENT OF ELECTRICAL MODULES, CONVERTER AND AIRCRAFT WITH AN ARRANGEMENT OF THIS KIND AND ALSO METHOD FOR PRODUCING THE ARRANGEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/214944
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention specifies an arrangement having at least one electrical module (2) which is arranged on a heat sink (3). The arrangement has: - first deflection elements (4) which are formed in or on the electrical module (2), - second deflection elements (5) which are formed in or on the heat sink (3), and - at least one flexible, cable- or strip-like tensioning element (1), - which is arranged between the first and second deflection elements (4, 5) under tension (F) in such a way that the electrical module (2) is pressed onto the heat sink (3). A converter and an aircraft having an arrangement of this kind and also a method for producing an arrangement of this kind are likewise specified.

Inventors:
WALTRICH, Uwe (Nägelsbachstraße 58, Erlangen, 91052, DE)
Application Number:
EP2019/060489
Publication Date:
November 14, 2019
Filing Date:
April 24, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H01L23/367; B64D27/24; H01L23/40; H02M1/00; H05K7/20
Foreign References:
JP2015225940A2015-12-14
JP2013207199A2013-10-07
DE102011076879A12012-02-02
DE102015114341A12016-03-03
JPH11284125A1999-10-15
JPH11284125A1999-10-15
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Claims:
Patentansprüche

1. Anordnung mit mindestens einem auf einem Kühlkörper (3) angeordneten elektrischen Modul (2),

gekennzeichnet durch :

in oder an dem elektrischen Modul (2) ausgebildete erste Umlenkelemente (4),

in oder an dem Kühlkörper (3) ausgebildete zweite Umlen kelemente (5) und

mindesten ein biegsames, seil- oder bandartiges Spannele ment ( 1 ) ,

das derart zwischen den ersten und zweiten Umlenkelementen (4, 5) unter Zug (F) angeordnet ist, dass das elektrische Modul (2) auf den Kühlkörper (3) gepresst ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass das elektrische Modul (2) ein elektrisches Bauelement oder ein Leistungsmodul mit Leistungshalbleitern ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass die ersten und zweiten Umlenkelemente (4, 5) eine Öff nung, eine Öse, eine Durchführung oder eine Umlenkrolle sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Spannelement (1) ein Spannband, ein Spannriemen, ein Spanngurt, ein Seil oder ein Kabel ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Spannelement (1) um die ersten und zweiten Umlen kelemente (4, 5) derart mehrfach gewickelt ist, dass ein Fla schenzug gebildet ist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

gekennzeichnet durch:

einen auf oder in dem Kühlkörper (3) ausgebildeten ersten und einen zweiten Befestigungspunkt (6, 7), die ausgebil det sind, das Spannelement (1) unter Zug (F) zu halten.

7. Stromrichter mit einer Anordnung nach einem der vorherge henden Ansprüche.

8. Stromrichter nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Stromrichter ein Umrichter (8) ist.

9. Luftfahrzeug (9) mit einem Stromrichter (8) nach Anspruch 7 oder 8 für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantrieb .

10. Luftfahrzeug (9) nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Luftfahrzeug (9) ein Flugzeug ist.

11. Luftfahrzeug (9) nach Anspruch 10 und 8,

gekennzeichnet durch:

einen durch den Umrichter (8) mit elektrischer Energie versorgten Elektromotor (10) und

einen durch den Elektromotor (10) in Rotation versetzbaren Propeller (11).

12. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch

6,

gekennzeichnet durch:

Bereitstellen eines Kühlkörpers (3) ,

Bereitstellen mindestens eines elektrischen Moduls (2), Bereitstellen mindesten eines Spannelements (1),

Platzieren des elektrischen Moduls (2) auf dem Kühlkörper (3) ,

Einfädeln des Spannelements (1) in die ersten und zweiten Umlenkelemente (4, 5), Fixieren des einen Endes des Spannelements (1) in dem ers ten Befestigungspunkt (6),

Spannen des Spannelements (1) derart, dass es unter Zug (F) steht, und

Fixieren des anderen Endes des unter Zug (F) stehenden Spannelements (1) in dem zweiten Befestigungspunkt (7).

Description:
Beschreibung

Anordnung elektrischer Module, Stromrichter und Luftfahrzeug mit einer derartigen Anordnung sowie Verfahren zur Herstel lung der Anordnung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem auf einem Kühlkörper angeordneten elektrischen Modul, einen Stromrich ter mit einer derartigen Anordnung sowie ein Luftfahrzeug dem Stromrichter. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Anordnung.

Hintergrund der Erfindung

Leistungsmodule (= Module mit Leistungshalbleitern) für bei spielsweise Stromrichter oder andere verlustleistungsbehafte te elektrische Module werden häufig auf Kühlköper gepresst. Zum Ausgleich der Verformungen, Durchbiegungen oder Rauheiten zwischen beiden Kontaktpartnern (Kühlkörper und Leistungsmo dul) werden Wärmeleitpasten oder Wärmeleitfolien verwendet.

Bei einer Parallelschaltung mehrerer Leistungsmodule auf ei nem einzigen Kühlköper werden die Module in der Regel mit Hilfe eines gemeinsamen Spannrahmens niedergehalten. Der Ab stand der Leistungsmodule zu den Befestigungspunkten des Spannrahmens ist konstruktiv bedingt meistens unterschied lich, wodurch unterschiedliche Anpresskräfte auf die einzel nen Leistungsmodule wirken. Um ein möglichst gleichmäßiges Anpressen zu erreichen, ist ein hoher mechanischer Aufwand notwendig, der das Gesamtgewicht des Systems erhöht.

Unterschiedliche Anpresskräfte bzw. -drücke auf die Leis tungsmodule führen zu unterschiedlichen thermischen Wider ständen. Dies hat eine ungleichmäßige Stromaufteilung und da mit eine ungleichmäßige Belastung der Leistungsmodule zur Folge. Damit sinkt die Gesamteffizienz und verringert die Le- bensdauer eines Gesamtsystems, beispielsweise eines Umrich ters .

Um diese Höhen- und Lagetoleranzen auszugleichen, werden heutzutage Druckausgleichsmaterialien (z.B. Silikonmatten) zwischen den Leistungsmodulen und dem Spannrahmen eingesetzt. Allerdings ergeben sich durch unterschiedliche Abstände der Leistungsmodule zu den Verschraubungspunkten des Spannrahmens unterschiedliche, resultierende Kräfte auf die Leistungsmodu le. Eine gleichmäßige Kräfteaufteilung kann nur durch einen hohen konstruktiven Aufwand gelöst werden, wobei ein 100 % gleichmäßiges Anpressen der einzelnen Leistungsmodule mittels bekannter Spannrahmenkonzepte nicht gewährleistet werden kann .

Zusammengefasst ergeben sich folgende Probleme: hohe Kosten und hoher technischer Aufwand, eine Überdimensionierung durch Parallelschaltung identi scher Leistungsmodule, ein höheres Gewicht durch den hohen konstruktiven Aufwand und ein größeres Volumen (= Bauraum) .

Als Umrichter, auch Inverter genannt, wird ein Stromrichter bezeichnet, der aus einer Wechselspannung oder Gleichspannung eine in der Frequenz und Amplitude veränderte Wechselspannung erzeugt. Häufig sind Umrichter als AC/DC-DC/AC-Umrichter oder DC/AC-Umrichter ausgebildet, wobei aus einer Eingangswechsel spannung oder einer Eingangsgleichspannung über einen Gleich- spannungszwischenkreis und getakteten Halbleitern eine Aus gangswechselspannung erzeugt wird.

Die Offenlegungsschrift JP 11284125 A offenbart eine mehr schichtige Struktur, die auf beiden Seiten eine Druckauf- bringplatte und eine Stützplatte aufweist. Die Platten sind mit radialen Vorsprüngen versehen, um die elastische Isolier bänder gespannt sind, die die beiden Platten verbinden. Wenn durch Schrauben eines Bolzens Druck ausgeübt wird, verringert sich der Durchmesser des Bandes. Eine Tellerfeder ist zwi schen den beiden Platten angeordnet, die bei Druckbeaufschla gung zusammengedrückt werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung für eine bauraummi nimierte und gewichtsparende Verbindung von elektrischen Mo dulen, wie zum Beispiel Leistungsmodulen, mit einem Kühlkör per anzugeben.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Anord nung, dem Stromrichter, dem Luftfahrzeug und dem Verfahren entsprechend der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vor teilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben .

Erfindungsgemäß erfolgt ein Anpressen von elektrischen Modu len auf einen Kühlkörper über reiß- und kriechfeste Spannele mente, wie Kabel, Schnüre, Seile oder Riemen, die durch

Durchführungen (= Öffnungen) , zum Beispiel in Form von Ösen oder Umlenkrollen, an den elektrischen Modulen und der Kühl fläche des Kühlkörpers geführt werden.

Durch die geeignete Wahl der Anordnung der Durchführungen an beiden Kontaktpartnern kann ein sehr gleichmäßiges Anpressen des elektrischen Moduls auf die Kühlfläche erreicht werden. Die Durchführungen an den elektrischen Modulen können bei spielsweise an einem innenliegenden Rahmen befestigt sein, um punktuell die Kraft innerhalb des elektrischen Moduls aufzu bringen .

Eine derartige Art des Anpressens kann bei jeglichen elektri schen Komponenten, wie beispielsweise auch bei Zwischenkreis- kondensatoren, verwendet werden, sofern Durchführungen an diesen Komponenten vorhanden sind.

Durch eine geeignete Anordnung der Durchführungen und des Verlaufs des Spannelements können Flaschenzüge realisiert werden, um die aufzubringende Zugkraft zu minimieren.

Die Erfindung bietet folgende Vorteile: eine homogene Krafteinleitung und ein damit gleichmäßiger Anpressdruck auf elektrische Bauteile, eine Einsparung eines schweren Spannrahmens (=> Leicht bau) , eine Vereinfachung der Spannvorrichtungen bei gebogenen Kontaktflachen bzw. Freiformflächen, eine Einsparung von Schraubpunkten und damit von Bauvolu men, eine Einsparung von Druckausgleichsmaterialien und ein flexibel einsetzbares Spannsystem.

Die Erfindung beansprucht eine Anordnung mit mindestens einem auf einem Kühlkörper angeordneten elektrischen Modul. Die An ordnung weist außerdem auf:

in oder an dem elektrischen Modul ausgebildete erste Um- lenkelemente,

in oder an dem Kühlkörper ausgebildete zweite Umlenkele mente und

mindesten ein biegsames, seil- oder bandartiges Spannele ment,

das derart zwischen den ersten und zweiten Umlenkelementen unter Zug angeordnet ist, dass das elektrische Modul auf den Kühlkörper gepresst wird. In einer Weiterbildung kann das elektrische Modul ein elekt risches Bauelement oder ein Leistungsmodul mit Leistungshalb leitern sein.

In einer weiteren Ausgestaltung können die ersten und zweiten Umlenkelemente eine Öffnung, eine Öse, eine Durchführung oder eine Umlenkrolle sein.

In einer weiteren Ausprägung kann das Spannelement ein Spann band, ein Spannriemen, ein Spanngurt, ein Seil oder ein Kabel sein .

In einer Weiterbildung kann das Spannelement um die ersten und zweiten Umlenkelemente derart mehrfach gewickelt sein, dass ein Flaschenzug gebildet wird. Dadurch können höhere An pressdrücke erzeugt werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Anordnung einen auf oder in dem Kühlkörper ausgebildeten ersten und einen zweiten Befestigungspunkt auf, um das Spannelement unter Zug zu halten.

Die Erfindung beansprucht auch einen Stromrichter, insbeson dere einen Umrichter, mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Die Erfindung beansprucht auch ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug, mit einem erfindungsgemäßen Stromrichter für einen elektrischen oder hybrid-elektrischen Flugantrieb.

Das Luftfahrzeug kann aufweisen:

einen durch den Umrichter mit elektrischer Energie ver sorgten Elektromotor und

einen durch den Elektromotor in Rotation versetzbaren Pro peller .

Außerdem beansprucht die Erfindung ein Verfahren zur Herstel lung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit den Sachritten:

Bereitstellen eines Kühlkörpers, Bereitstellen mindestens eines elektrischen Moduls, Bereitstellen mindesten eines Spannelements,

Platzieren des elektrischen Moduls auf dem Kühlkörper, Einführen des Spannelements in die Umlenkelemente,

Fixieren des einen Endens des Spannelements in dem ersten Befestigungspunkt,

Spannen des Spannelements derart, dass es unter Zug steht, und

Fixieren des anderen Endes des unter Zug stehenden Spann elements in dem zweiten Befestigungspunkt.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.

Es zeigen:

Fig. 1: eine Seitenansicht einer Anordnung mit einem Span nelement,

Fig. 2: eine Draufsicht auf eine Anordnung mit einem Span nelement,

Fig. 3: ein Blockschaltbild eines Umrichters mit einer An ordnung mit Spannelement und

Fig. 4: ein Luftfahrzeug mit einem elektrischen Flugan

trieb .

Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Fig . 1 zeigt eine Seitenansicht einer Anordnung mit einem seilähnlichen Spannelement 1. Auf einem Kühlkörper 3 sind elektrische Module 2 angeordnet. Elektrische Module 2 können beispielsweise einzelne elektrische/elektronische Bauelemente oder aber auch ganze elektrische Baugruppen sein. Die elektrischen Module 2 weisen seitlich angeordnete oder ausgebildete erste Umlenkelemente 4 auf, mit Hilfe derer das Spannelement 1 umgelenkt werden kann. Dabei wird das elektri sche Modul 2 kraftschlüssig senkrecht auf die Oberfläche des Kühlkörpers 3 gepresst, wenn das Spannelement 1 unter Zug steht. Als Gegenelemente zu den ersten Umlenkelementen 4 und zum Spannen dienen die zweiten Umlenkelemente 5, die auf oder in dem Kühlkörper 3 ausgebildet sind.

Die ersten und zweiten Umlenkelemente 4 und 5 sind zueinander räumlich versetzt angeordnet, so dass das unter Zug stehende Spannelement 1 die elektrischen Module 2 fest auf die Ober fläche des Kühlkörpers 3 drückt. Dazu ist das Spannelement 1 im Wesentlichen abwechselnd durch ein erstes und ein zweites Umlenkelement 4 und 5 geführt.

Das Spannelement 1 ist mit einem Ende an einem ersten Befes tigungspunkt 6 auf dem Kühlkörper 3 befestigt. Das andere En de des Spannelements 1 ist an einem zweiten Befestigungspunkt 7 unter Zug befestigt. Die Spannung wird durch Ziehen des Spannelements 1 in Richtung der Zugkraft F aufgebracht, ehe das Spannelement 1 an dem zweiten Befestigungspunkt 7 befes tigt wird.

Die ersten und zweiten Umlenkelemente 4 und 5 können bei spielswiese drehbare oder feststehende Rollen oder Ösen sein. Durch geeignete Anordnung der ersten und zweiten Umlenkele mente 4 und 5 und der Führung des Spannelements 1 kann eine Flaschenzugwirkung erzeugt werden. Das Spannelement 1 ist be vorzugt ein Band oder ein Seil.

Fig . 2 zeigt korrespondierend zu der Seitenansicht der Anord nung nach Fig . 1 eine Ansicht von oben auf die Anordnung mit dem Spannelement 1.

Auf dem Kühlkörper 3 sind die elektrische Module 2 angeord net. Die elektrischen Module 2 weisen beidseitig seitlich an geordnete oder ausgebildete erste Umlenkelemente 4 auf, mit Hilfe derer das Spannelement 1 umgelenkt werden kann. Dabei werden die elektrischen Module 2 kraftschlüssig senkrecht auf die Oberfläche des Kühlkörpers 3 gepresst, wenn das Spannele ment 1 unter Zug (mit Zugkraft F) steht. Als Gegenelemente zu den ersten Umlenkelementen 4 und zum Spannen dienen die zwei ten Umlenkelemente 5, die auf oder in dem Kühlkörper 3 ausge bildet sind.

Die ersten und zweiten Umlenkelemente 4 und 5 sind zueinander räumlich versetzt angeordnet, so dass das unter Zug (mit Zug kraft F) stehende Spannelement 1 die elektrischen Module 2 fest auf die Oberfläche des Kühlkörpers 3 drückt. Dazu ist das Spannelement 1 im Wesentlichen abwechselnd durch ein ers tes und ein zweites Umlenkelement 4 und 5 geführt. Das Spann element 1 wird von einer Seite der elektrischen Module 2 auf die andere Seite der elektrischen Module 2 geführt, so dass für eine beidseitige Fixierung lediglich ein einziges Spann element 1 gebraucht wird. Alternativ ist für jede Seite ein eigenes Spannelement 1 vorgesehen.

Das Spannelement 1 ist mit einem Ende an einem ersten Befes tigungspunkt 6 auf dem Kühlkörper 3 befestigt. Das andere En de des Spannelements 1 ist an einem zweiten Befestigungspunkt 7 unter Zug befestigt. Die Spannung wird durch Ziehen des Spannelements 1 in Richtung der Zugkraft f aufgebracht, ehe das Spannelement 1 an dem zweiten Befestigungspunkt 7 befes tigt wird.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Umrichters 8 mit einer Anordnung mit einem Spannelement 1 nach Fig. 1 und Fig. 2.

Der Umrichter 8 weist elektrische Module 2 auf, die mit Hilfe des Spannelements 1 auf die Oberfläche des Kühlkörpers 3 ge presst werden. Der Umrichter 8 ist eine bevorzugte Ausfüh rungsform eines Stromrichters.

Fig. 4 zeigt ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Luft fahrzeug 9, beispielweise ein Flugzeug, mit einem Umrichter 8, der einen Elektromotor 10 mit elektrischer Energie ver sorgt. Der Elektromotor 10 treibt einen Propeller 11 an.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und ande re Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1 Spannelement

2 elektrisches Modul

3 Kühlkörper

4 erstes Umlenkelement

5 zweites Umlenkelement

6 erster Befestigungspunkt

7 zweiter Befestigungspunkt

8 Umrichter

9 Luftfahrzeug

10 Elektromotor

11 Propeller

F Zugkraft