Modulare Anordnung eines Umrichters und Luftfahrzeug mit ei ner derartigen Anordnung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine modulare Anordnung eines Umrich ters zur elektrischen Versorgung eines mehrphasigen Elektron motors. Die Erfindung betrifft auch ein Luftfahrzeug mit ei ner derartigen Anordnung.

Hintergrund der Erfindung

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.

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines beispielhaften AC/DC- DC/AC Umrichters 1 dargestellt, bei dem eine dreiphasige Ein gangsspannung Ui in eine dreiphasige Ausgangsspannung U ₂ zum Antrieb eines Elektromotors 2 gebildet wird. Der Umrichter 1 weist eine Gleichrichterschaltung 3, einen Zwischenkreis 4 und eine Wechselrichterschaltung 5 auf. Die Gleichrichter schaltung 3, der Zwischenkreis 4 und die Wechselrichterschal tung 5 werden durch eine Steuerkreiseinheit 6 gesteuert. In der Offenlegungsschrift DE 10 2015 206 627 Al ist ein derar tiger Umrichter 1 offenbart.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines üblichen DC/AC- Umrichters 1 mit einem Gehäuse 7 oder einem konstruktiven Rahmen, in dem die Bauteile untergebracht sind. Die wesentli chen konstruktiven leistungselektronischen Bauteile umfassen die Leistungshalbleiterschalter 8, den Zwischenkreis 4 und die Steuerungslogikschaltung 9. Die Leistungshalbleiterschal ter 8 sind niederinduktiv und damit räumlich sehr nahe an den Zwischenkreis 4 angebunden. Pro Umrichter 1 gibt es einen Zwischenkreis 4, der wiederum aus mehreren verschalteten Kon densatoren bestehen kann, um alle Spannungs- und Stromtragan forderungen zu erfüllen, die Einzelkondensatoren für sich ge nommen nicht erfüllen können.

Die Einzelkomponenten von Umrichtern 1 befinden sich in der Regel innerhalb eines die Umgebung hermetisch abgrenzenden Gehäuses 7. Anwendungen bei elektrisch angetriebenen Luft fahrzeugen verlangen eine hohe Ausfallsicherheit der Umrich ter 1.

In einer parallelen, nachveröffentlichten Patentanmeldung mit demselben Anmeldetag wird vorgeschlagen, eine Umrichter- Endstufe in phasenselektive Kommutierungszellen mit Phasen- zwischenkreisen aufzutrennen. Optional können mittels eines Sammelzwischenkreises die Phasenzwischenkreise zusammenge führt werden. Die getrennten Einzelkomponenten können vor teilhaft als konstruktive Einzelelemente aufgebaut und mitei nander verschaltet sein.

Der Zwischenkreis wird in mehrere voneinander getrennte (und damit elektrisch bezüglich der Funktionalität eines einzelnen großen Zwischenkreiskondensators entkoppelte) Einzelzwischen- kreise zerlegt. Jede Phase des Elektromotors bekommt seinen „eigenen" Zwischenkreis. Ein Sammelzwischenkreis kann die Einzelphasenzwischenkreise parallelisieren, so dass von der Hochspannungsbatterie kommend es wie bisher nur „einen" Zwi schenkreis mit einem Hochspannungsanschluss gibt. Je nach An forderung kann auch auf den Sammelzwischenkreis verzichtet werden .

Zusammenfassung der Erfindung Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung für Umrichter und deren Betrieb anzugeben, die eine hohe Ausfallsicherheit bei geringem Gewicht sicherstellt.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der modu laren Anordnung und dem Luftfahrzeug der unabhängigen Patent ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Aus der Auftrennung des Zwischenreises bei Umrichtern ergibt sich erfindungsgemäß folgendes: Die Einzelphasen sind kon struktive Einzelmodule (= Endstufenmodul) mit einem eigenen Gehäuse, die u.a. radial angeordnet werden können. Für alle einzelnen Phasenmodule (= Endstufenmodule) existiert eine ebenfalls in einem Extragehäuse untergebrachte Steuereinheit (= Steuerungslogikmodul) , die sich innerhalb des durch die radial angeordneten Einzelphasen bildenden äußeren Ringes be finden kann.

Die Erfindung beansprucht eine modulare Anordnung eines Um richters zur elektrischen Versorgung eines mehrphasigen Elektromotors, aufweisend:

mehrere, jeweils ein separates erstes Gehäuse aufweisende Endstufenmodule,

wobei für jede Phase des Elektromotors ein Endstufenmodul vorhanden ist und

wobei das Endstufenmodul eine Phasenzwischenkreisschaltung und eine Wechselrichterschaltung aufweist, die gemeinsam eine Kommutierungszelle bilden,

wobei die Phasenzwischenkreisschaltung gleichspannungsver sorgt und elektrisch mit der Wechselrichterschaltung ver bunden ist.

Die Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die modulare An ordnung ein Umrichter mit einer hohen Ausfallsicherheit bei optimiertem Gewicht bereit gestellt werden kann. In einer Weiterbildung können die Endstufenmodule auf der Mantelfläche eines gedachten Zylinders angeordnet sein. Da durch kann die Anordnung der äußeren Form eines Elektromotors angepasst werden.

In einer weiteren Ausgestaltung können die Stirnflächen der Endstufenmodule in einer gemeinsamen Ebene liegen und auf der Mantelfläche gleichmäßig verteilt sein. Dadurch ist ein An schluss an die einzelnen Phasen eines Elektromotors einfach möglich .

In einer Weiterbildung kann das Endstufenmodul auf einer Au ßenseite des ersten Gehäuses eine Kühleinheit, vorzugsweise mit Kühlrippen, aufweisen. Dadurch ist eine optimale Kühlung des Moduls möglich.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die Anordnung auf:

ein ein zweites Gehäuse aufweisendes Sammelzwischenkreis- modul ,

wobei an das Sammelzwischenkreismodul die Phasenzwischen- kreismodule elektrisch parallel angeschaltet sind.

In einer Weiterbildung kann das Sammelzwischenkreismodul ringförmig ausgebildet sein. Dadurch ist es an die Form eines Elektromotors anpassbar.

In einer Weiterbildung kann der Innendurchmesser des ringför migen Sammelzwischenkreismoduls gleich dem Durchmesser des gedachten Zylinders sein.

In einer weiteren Ausgestaltung kann die Anordnung aufweisen: ein ein drittes Gehäuse aufweisendes Steuerungslogikmodul, das ausgebildet und programmiert ist, die Wechselrichter schaltung zu steuern,

wobei das Steuerungslogikmodul elektrisch, optisch oder elektrisch-optisch mit den Endstufenmodulen verbunden ist. In einer weiteren Ausprägung kann das Steuerungslogikmodul zylinderartig ausgebildet sein und die Endstufenmodule können auf der Außenseite des Steuerungslogikmoduls angeordnet sein.

In einer Weiterbildung kann das Steuerungslogikmodul in Achs- richtung einen Durchbruch aufweisen, durch den ein Vor-und Rücklauf einer Kühlung eines Elektromotors führbar ist.

Die Erfindung weist auch eine Anordnung auf mit:

einem zylinderförmigen Elektromotor,

an dessen Stirnseite die Endstufenmodule und das Steue rungslogikmodul angeordnet sind und

wobei das Sammelzwischenkreismodul an der dem Elektromotor abgewandten Seiten der Endstufenmodule angeordnet ist.

In einer weiteren Ausgestaltung kann die Zylinderachse des gedachten Zylinders mit der Rotationsachse des Elektromotors zusammenfallen .

Die Anordnung weist außerdem auf:

eine Triebwerksgondel (= Nacelle) , in der der Elektromo tor, die Endstufenmodule, das Sammelzwischenkreismodul und das Steuerungslogikmodul angeordnet sind.

Die Erfindung beansprucht auch ein Luftfahrzeug mit einer er findungsgemäßen Anordnung, wobei mindestens ein durch die An ordnung versorgtes, elektrisch angetriebenes Triebwerk ausge bildet ist.

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

Es zeigen:

Fig. 1: ein Blockschaltbild eines AC/DC-DC/AC-Umrichters gemäß Stand der Technik, Fig. 2: ein Blockschaltbild eines DC/AC-Umrichters gemäß

Stand der Technik,

Fig. 3: ein Blockschaltbild eines DC/AC-Umrichters mit

Phasenzwischenkreisen und mit einem Sammelzwi- schenkreis ,

Fig. 4: ein Blockschaltbild eines DC/AC-Umrichters mit

Phasenzwischenkreisen,

Fig. 5: eine Explosionsseitenansicht einer modularen An ordnung eines Umrichters,

Fig. 6: eine Seitenansicht einer modularen Anordnung eines

Umrichters ,

Fig. 7: ein Blockschaltbild eines Endstufenmoduls einer modularen Anordnung eines Umrichters,

Fig. 8: eine Schnittansicht eines Endstufenmoduls einer modularen Anordnung eines Umrichters,

Fig. 9: eine Schrägansicht eines Endstufenmoduls einer mo dularen Anordnung eines Umrichters,

Fig. 10: eine Vorderansicht eines Zwischenkreismoduls einer modularen Anordnung eines Umrichters,

Fig. 11: eine Rückansicht eines Zwischenkreismoduls einer modularen Anordnung eines Umrichters,

Fig. 12: eine Schrägansicht eines Zwischenkreismoduls einer modularen Anordnung eines Umrichters,

Fig. 13: eine Vorderansicht eines Steuerungslogikmoduls ei ner modularen Anordnung eines Umrichters, Fig. 14: eine Seitenansicht eines Steuerungslogikmoduls ei ner modularen Anordnung eines Umrichters,

Fig. 15: eine Schrägansicht eines Steuerungslogikmoduls ei ner modularen Anordnung eines Umrichters und

Fig. 16 ein Blockschaltbild eines elektrisch angetriebenen

Luftfahrzeugs .

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Erfindungsgemäß wird die Endstufenpaarung der Zwischenkreis- Leistungshalbleiter des Umrichters in mehrere Einzelelemente aufgeteilt. Jedes Einzelelement entspricht einer Kommutie rungszelle für eine Motorphase. Dabei kann die Kommutierungs zelle als Halbbrückenschaltung (Fig. 3) oder als H- Brückenschaltung (Fig. 4) ausgeführt werden. Ein Sammelzwi- schenkreis verbindet anschließend die einzelnen Kommutie rungszellen zu einem Gesamtzwischenkreis aus Sicht der Hoch spannungsquelle. Eine zentrale Kontrollkomponente (= zentrale Steuerungseinheit) steuert die Kommutierungszellen.

Die Einzelkapazitäten (= erste Kondensatoren) der Kommutie rungszellen werden klein gehalten, um Gewicht und Volumen zu sparen. Die Funktion der Einzelkapazitäten besteht in der Re alisierung einer schwach induktiven Kommutierungszelle der jeweiligen Phase. Es gibt keine Rippeispannungsanforderungen innerhalb des Umrichters, die zu einer Erhöhung der Einzelka pazitäten führen würden. Die Sammelkapazität (= zweiter Kon densator) puffert die einzelnen Phasenrippel ab und dient als Hochspannungsbus, der einen Anschluss mit einem vorgebbaren maximalen Rippel gegenüber +DC und -DC realisiert. Die Ge samtkapazität aus den Parallelschaltungen des zweiten Konden sators und den ersten Kondensatoren soll einer Gesamtkapazi- tät von üblichen Umrichtern ähnlich groß sein.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Umrichters 1, der mit der Gleichspannung +DC, -DC, beispielsweise einer wiederauf- ladbaren Batterie, elektrisch versorgt wird. Eine Sammelzwi- schenkreisschaltung 15 mit einem oder mehreren zweiten Kon densatoren 12 verteilt die Gleichspannung +DC, -DC auf die Kommutierungszellen 14 der drei Phasen. Jede Kommutierungs zelle 14 weist eine Phasenzwischenkreisschaltung 13 und eine damit verbundene Wechselrichterschaltung 5 auf. Die Phasen zwischenkreisschaltung 13 weist mindestens einen ersten Kon densator 11 auf. Die Wechselrichterschaltung 5 weist die Leistungshalbleiterschalter 8 in Form einer Halbbrücke zur Bildung der Wechselspannungen ~U, ~V und ~W auf.

Mit den Wechselspannungen ~U, ~V und ~W können die drei Pha sen eines Elektromotors versorgt werden. Die Wechselrichter schaltungen 5 werden mit Hilfe einer Steuerungslogikschaltung 9 versorgt, die u.a. die Leistungshalbleiterschalter 8 ein- und ausschaltet. Die Steuerungslogikschaltung 9 ist mit einer nicht dargestellten zentralen Steuerungseinheit 10 verbunden.

Vor den Phasenzwischenkreisschaltungen 13 können jeweils Si cherungsschaltungen 16 geschaltet sein, die im Fehlerfall in nerhalb einer solchen aufzutrennenden Phase eine Phase schlagartig von der Gleichstromversorgung +DC, -DC trennen können .

Fig. 4 zeigt Blockschaltbild eines Umrichters 1, der mit der Gleichspannung +DC, -DC, beispielsweise einer wiederaufladba ren Batterie, elektrisch versorgt wird. Die Gleichspannung +DC, -DC wird (ohne Sammelzwischenkreisschaltung) auf die Kommutierungszellen 14 der drei Phasen verteilt. Jede Kommu tierungszelle 14 weist eine Phasenzwischenkreisschaltung 13 und eine damit verbundene Wechselrichterschaltung 5 auf. Die Phasenzwischenkreisschaltung 13 weist mindestens einen ersten Kondensator 11 auf. Die Wechselrichterschaltung 5 weist die Leistungshalbleiterschalter 8 in Form einer H-Brücke zur Bil dung der Wechselspannungen ~U, ~V und ~W auf.

Mit den Wechselspannungen ~U, ~V und ~W können die drei Pha- sen eines Elektromotors versorgt werden Die Wechselrichter- Schaltungen 5 werden mit Hilfe einer Steuerungslogikschaltung 9 versorgt, die u.a. die Leistungshalbleiterschalter 8 ein- und ausschaltet. Die Steuerungslogikschaltung 9 ist mit einer nicht dargestellten zentralen Steuerungseinheit 10 verbunden.

Vor den Phasenzwischenkreisschaltungen 13 können jeweils Si cherungsschaltungen 16 geschaltet sein, die im Fehlerfall in nerhalb einer solchen aufzutrennenden Phase eine Phase schlagartig von der Gleichstromversorgung +DC, -DC trennen können .

Fig. 5 bis Fig. 15 zeigen Darstellungen von Einzelkomponenten eines modular aufgebauten Umrichters 1, wobei die Einzelkom ponenten an der Stirnseite eines Elektromotors 2 kreisförmig um eine virtuell verlängerte Rotationsachse des Elektromotors 2 angeordnet sind. Eine derartige Anordnung wird bevorzugt für den Einbau in Triebwerksgondeln (auch Nacelle genannt) bei Luftfahrzeugen eingesetzt.

Fig. 5 zeigt eine Explosionsansicht des Umrichters 1, der ei nen dreiphasigen Elektromotor 2 mit elektrischer Energie ver sorgt. Zu sehen sind zwei der drei Phasen. Der Elektromotor 2 weist einen außenliegenden Stator 23 und einen innenliegenden Rotor 24 auf. Durch den Anschluss X13 kann ein Kühlmedium in den Elektromotor 2 gelangen (= Vorlauf) . Durch den Anschluss X14 kann das erwärmte Kühlmedium den Elektromotor 2 verlassen (= Rücklauf) .

Die Endstufenmodule 20 sind auf der Mantelfläche eines ge dachten Zylinders 29 gleichmäßig verteilt angeordnet, wobei die Stirnseiten der Endstufenmodule 20 in einer Ebene liegen. Der Durchmesser des gedachten Zylinders 29 ist derart ge wählt, dass die Endstufenmodule 20 einfach an die Stirnseite des Elektromotors 2 anschließbar sind. Die Endstufenmodule 20 besitzen ein nach außen hermetisch versiegeltes erstes Gehäu se 25, auf dem außenliegend Kühleinheiten 28 (vorzugsweise mit Kühlrippen) angeordnet sind. Die Endstufenmodule 20 weisen jeweils eine wie in Fig. 3 und Fig. 4 beschriebene, in Fig. 5 nicht sichtbare Phasenzwi- schenkreisschaltung 13 und eine nicht sichtbare Wechselrich terschaltung 5 auf, die gemeinsam eine Kommutierungszelle 14 bilden. Die Endstufenmodule 20 werden über die Stecker X3 und X6 mit positiver Spannung und über die Stecker X4 und X5 mit negativer Spannung vom Sammelzwischenkreismodul 21 versorgt. Über die Stecker X9 und X10 sind die Endstufenmodule 20 an ein Steuerungslogikmodul 22 angeschlossen.

Das Sammelzwischenkreismodul 21 weist ein hermetisch dichtes zweites Gehäuse 26 auf. Das Sammelzwischenkreismodul 21 ist ringförmig ausgebildet, wobei sein Innendurchmesser in etwa dem Durchmesser des gedachten Zylinders 29 entspricht. Der Außendurchmesser ist an die Größe der Endstufenmodule 20 an gepasst. Über den Stecker XI wird das Sammelzwischenkreismo dul 21 mit positiver Spannung +DC und über den Stecker X2 mit negativer Spannung -DC einer Gleichspannungsquelle, beispiel weise einer wiederaufladbaren Batterie, versorgt.

Das Steuerungslogikmodul 22 ist zylinderförmig ausgebildet und weist die Stecker X9 und X10 zum Anschluss an die Endstu- fenmodule 20 auf. Die Anschlüsse können elektrisch, optisch oder optisch-elektrisch ausgeführt sein. Mit dem Stecker Xll wird eine Verbindung zu einer nicht dargestellten zentralen Steuerungseinheit 10 hergestellt. Mit dem Stecker X12 wird diese Verbindung redundant hegestellt. Das Steuerungslogikmo dul 22 weist ein hermetisch dichtes drittes Gehäuse 27 auf.

Fig. 6 zeigt die Anordnung aus Fig. 5 in einem zusammengebau ten Zustand. Zu erkennen sind der Umrichter 1 mit den Endstu fenmodulen 20, dem Sammelzwischenkreismodul 21 und dem Steue rungslogikmodul 22. Der modulare Umrichter 1 sitz auf der Stirnseite eines mehrphasigen Elektromotors 2. Beide passen so ideal in eine nicht dargestellte zylinderförmige Trieb werksgondel 30. Zu sehen sind auch die Stecker XI, X2, Xll und X12 sowie die Anschlüsse X13 und X14 für die Kühlung des Elektromotors 2. Fig. 7 bis Fig. 9 zeigen ein Endstufenmodul 20 einer modula ren Anordnung eines Umrichters 1 in einer bevorzugten Ausfüh rung. Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild des Endstufenmoduls 20, Fig. 8 eine Schnittansicht und Fig. 9 eine Schrägansicht. Es handelt sich dabei um eine fehlertolerante Architektur, die insbesondere für luftgekühlte Nacelle-Antriebe geeignet ist. Dabei ist das jeweilige Endstufenmodul 20 selbst nicht Gegenstand einer Fehlertoleranz. Die Fehlertoleranz bezieht sich stets auf den gesamten Antrieb oder das Gesamtantriebs system eines Fahrzeugs im Falle mehrerer, verteilter geeigne ter Einzelantriebe.

Fig. 7 zeigt das Blockschaltbild des mit +DC und -DC gleich spannungsversorgte Endstufenmodul 20. Die Spannungsversorgung kann bei Bedarf, beispielsweise im Fehlerfall, durch die Si cherungsschaltung 16 (beispielsweise eine Sprengsicherung) schlagartig unterbrochen werden. Die Spannung wird mit dem Spannungsmesser 36 ermittelt. Über die Phasenzwischenkreis- schaltung 13 werden die Leistungshalbleiterschalter 8 mit Gleichspannung versorgt.

Die Leistungshalbleiter 8 befinden sich auf einem ersten Keramiksubstrat 31 (z.B. KERAMIKMODUL = Direct Coppe Bonded) .

Auf einem zweiten Keramiksubstrat 32 befindet sich ein autar kes selbstanlaufendes Netzteil 35, Treiber 33 zum Ansteuern der Leistungshableiterschalter 8 sowie Logik und Übertrager 34. Die Leistungshalbleiterschalter 8 geben eine einphasige Wechselspannung ~U ab. Der modulierte Phasenstrom wird mit dem Strommesser 37 gemessen. Die Leistungshalbleiterschalter 8 werden durch die Kalibrier- und Messschaltung 38 überwacht.

Über den Eingang PW gelangen die Pulsweiten-modulierten Sig nale zum Ansteuern der Leistungshalbleiterschalter 8 in das Endstufenmodul 20. Über den Eingang TR erfolgt die Triggerung der Sicherheitsschaltung 16. Logik und Übertrager 34 geben über den Ausgang FS Mess- und Fehlersignale aus. Alle wichtigen Bauteile sind direkt mit der nicht dargestell ten Kühleinheit 28 über das erste und das zweite Keramikmodul 31, 32 verbunden. Bevorzugt sind daher alle Logikschaltungen auf Keramikmodulen aufzubringen. Vorteilhaft ist es, ASICs dafür zu verwenden, um die Anzahl der Logikbauteile und folg lich auch der Lötstellen zu minimieren. Es kann eine oder zwei Keramikmodule geben.

Dargestellt sind zwei Keramikmodule, wobei Logik 34 und Leis tungshalbleiterschalter 8 auf voneinander getrennten

Keramikmodulen angeordnet sind. Ein einziges Keramikmodul kann vorteilhaft sein, da so Verbindungen (z.B. Bonds) zwi schen den Keramikmodulen vermieden werden. Messsensoren kön nen auf beiden Keramikmodulen untergebracht sein, je nach Notwendigkeit der Anordnung und vorteilhafter räumlicher Nähe zu einem Messort. Vorteilhaft ist es, die Messsensoren auf dem zweiten Keramikmodul 32 bei der Logik 34 unterzubringen. Bei getrennten DBCs können diversifizierte Fertigungsprozesse realisiert werden, beispielsweise das erste Keramikmodul 31 sintern, und das zweite Keramikmodul 32 löten.

Der sich ergebende Innenraum des Endstufenmoduls 20 wird geo metrisch minimiert. Der minimierte Innenraum ist hermetisch dicht und vollständig mit Öl oder einem anderen Isoliermedium gefüllt. Dadurch werden keine Silikonvergussmassen benötigt. Alternativ kann auch Luft als Füllmedium verwendet werden. Dann werden aber ein Druckausgleichsventil und eine Silikon masse benötigt. Alternativ können weitere Schaltungen vorhan den sein, insbesondere die Kalibrier- und Messschaltung 38 für die Durchführung der Vce-T-Methode zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur der Leistungshalbleiterschalter 8, um ihren Lebensdauerverbrauch daraus ableiten zu können.

Fig. 8 zeigt eine Schnittansicht durch ein Endstufenmodul 20 mit einer Schaltungsanordnung nach Fig. 7. Dargestellt ist das erste Gehäuse 25 mit einer darauf sitzenden Kühleinheit 28. Im Inneren des ersten Gehäuses 25 befinden sich die bei den Keramikmodule 31 und 32 sowie der erste Kondensator 11. Auf dem ersten Keramikmodul 31 befinden sich die Leistungs halbleiterschalter 8, auf dem zweiten Keramikmodul 32 ein ASIC 40. Die beiden Keramikmodule 31 und 32 sind mit einer Verbindung 39 (z.B. Bond) verbunden. Mit dem Stecker X9 wird die Verbindung zum nicht dargestellten Steuerungslogikmodul 22 hergestellt. Das Endstufenmodul 20 ist in seiner äußeren Form als Teilringsegment ausgeführt.

Fig. 9 zeigt eine räumliche Ansicht des Endstufenmoduls 20 nach Fig. 8. Das Endstufenmodul 20 weist ein erstes Gehäuse 25 mit den Steckern X3, X4, X7 und X9 auf. Auf dem Gehäuse 26 sitz eine Kühleinheit 29 mit Kühlrippen. Für jede Phase ist ein Endstufenmodul 20 ausgebildet, wobei die Endstufenmodule 20 voneinander räumlich getrennt sind, aber vorzugsweise identisch ausgeführt sind.

Fig. 10 bis Fig. 12 zeigen Ansichten eines Zwischenkreismo duls 21 einer modularen Anordnung eines Umrichters 1. Fig. 10 zeigt eine Vorderansicht, Fig. 11 eine Rückansicht und

Fig. 12 eine räumliche Ansicht. In allen drei Darstellungen ist das zweite Gehäuse 26 des Sammelzwischenkreismoduls 21 zu erkennen. In Fig. 10 und Fig. 12 sind die Stecker XI und X2 zu sehen, die die Verbindung zur Gleichspannungsversorgung +DC und -DC hersteilen. Mit Hilfe der Stecker X3, X4, X5, X6, X5 ' und X6' wird das Endstufenmodul 20 mit Gleichspannung aus dem Sammelzwischenkreismodul 21 versorgt. Jeweils zwei Ste cker sind für eine Phase zuständig.

Das Sammelzwischenkreismodul 21 ist derart kreisringförmig ausgebildet, dass es an die Endstufenmodule 20 angeschlossen werden kann. Der innere Durchmesser des Sammelzwischenkreis moduls 21 ist in etwa gleich dem Durchmesser des gedachten Zylinders 29 (Fig. 5). Der Außendurchmesser des Sammelzwi schenkreismoduls 21 ist so gewählt, dass die Anordnung in ei ne Nacelle passt.

Der zweite Kondensator 12 des Sammelzwischenkreismoduls 21 ist vorteilhaft ebenfalls ringförmig ausgebildet. Die Kapazi- tat des zweiten Kondensators 12 ist nur eine Teilkapazität der gesamten Kapazität, wie weiter oben beschrieben.

Es ist vorteilhaft für Luftfahrtanwendungen, in denen Nacell- fähige Antriebslösungen relevant sind, dass der äußere Ring durchmesser des Sammelzwischenkreismoduls 21 ungefähr dem des Motoraußendurchmessers und der innere Ringdurchmesser unge fähr dem des Rotordurchmessers entspricht. Für Luftkühlsyste- me sind Kühlrippen am Außenradius ausgebildet, die bei ange messener Kontaktierung zum inneren Kern des zweiten Kondensa tors 12 die Kühlung verbessern können.

Fig. 13 bis Fig. 15 zeigen Ansichten eines Steuerungslogikmo duls 22 einer modularen Anordnung eines Umrichters 1. Fig. 13 zeigt eine Vorderansicht, Fig. 14 eine Seitenansicht und

Fig. 15 eine räumliche Ansicht. Das Steuerungslogikmodul 22 besitzt ein Gehäuse 27 sowie die Stecker Xll und X12 zur re dundanten Verbindung mit einer zentralen Steuerungseinheit. Mit den Steckern X9, X10 und X10' wird die Verbindung zu den Endstufenmodulen 20 hergestellt.

Das Steuerungslogikmodul 22 ist zylinderförmig ausgebildet und passt durch das Sammelzwischenkreismodul 21 hindurch in die kranzförmig angeordneten Endstufenmodule 20. Das Steue rungslogikmodul 22 weist einen Durchbruch in Längsrichtung auf, durch den Kühlschläuche zum Elektromotor 2 geführt wer den können.

Dies ist eine vorteilhafte Ausführung zum Plug-and-Play Auf bau eines modularen Umrichters 1. Die Steuerungslogik ist vollständig thermisch entkoppelt von den Leistungshalblei tern. Damit kann eine günstigere elektrische Auslegung er reicht werden. Desweiteren ist sie im Fehlerfall von den End stufenmodulen 20 räumlich geschützt. Die Baugruppe ist aus schließlich mit Niederspannung betrieben. Es wird keine

Trennstelle benötigt. Dies ermöglicht sehr kleine Luft- und Kriechstrecken, da diese dem Konzept nach in den Endstufenmo dulen 20 vollständig realisiert sind. Folglich ist eine mini- male Bauform möglich. Im Wartungsfall können das Steuerungs logikmodul, die Endstufenmodule 20 und das Sammelzwischen- kreismodul 21 selektiv getauscht werden. Fig. 16 zeigt ein Blockschaltbild eines Luftfahrzeugs 18, beispielsweise eines Flugzeugs, mit einer Umrichter-Anordnung nach Fig. 3 bis Fig. 15, wobei die Schaltungsanordnung des Umrichters 1 ein elektrisch angetriebenes Triebwerk 17 mit elektrischer Energie versorgt. Das Triebwerk 17 ist vorteil- haft in einer Triebwerksgondel 30 (= Nacelle) untergebracht.

Auch der Umrichter 1 und der Elektromotor 2 befinden sich in der Triebwerksgondel 30.

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 Umrichter

2 Elektromotor

3 Gleichrichterschaltung

4 Zwischenkreis

5 Wechselrichterschaltung

6 Steuerkreiseinheit

7 Gehäuse

8 Leistungshalbleiterschalter

9 Steuerungslogikschaltung

10 zentrale Steuerungseinheit

11 erster Kondensator

12 zweiter Kondensator

13 Phasenzwischenkreisschaltung

14 Kommutierungszelle

15 Sammelzwischenkreisschaltung

16 Sicherungsschaltung

17 Triebwerk

18 Luftfahrzeug

19 Rotationsachse des Elektromotors 2

20 Endstufenmodul

21 Sammelzwischenkreismodul

22 Steuerungslogikmodul

23 Stator

24 Rotor

25 erstes Gehäuse

26 zweites Gehäuse

27 drittes Gehäuse

28 Kühleinheit

29 gedachter Zylinder

30 Triebwerksgondel

31 erstes Keramikmodul

32 zweites Keramikmodul

33 Treiberschaltung

34 Logik und Übertrager

35 Netzteil

36 Spannungsmesser 37 Strommesser

38 Kalibrier-und Messschaltung

39 Verbindung

40 ASIC

+DC positive Eingangsgleichspannung

-DC negative Eingangsgleichspannung

FS Fehlersignal

PW PWM Signal

TR Trigger Sicherungsschaltung

Ui EingangsSpannung

U ₂ AusgangsSpannung

~U ausgangsseitige Wechselspannung erste Phase

~V ausgangsseitige Wechselspannung zweite Phase

~w ausgangsseitige Wechselspannung dritte Phase

XI Stecker für +DC

X2 Stecker für -DC

X3 Stecker für die positive Spannungsversorgung eines

Endstufenmoduls 20

X4 Stecker für die negative Spannungsversorgung eiens

Endstufenmoduls 20

X5 Stecker für die negative Spannungsversorgung eines weiteren Endstufenmoduls 20

X5 ' Stecker für die negative Spannungsversorgung eines weiteren Endstufenmoduls 20

X6 Stecker für die positive Spannungsversorgung eines weiteren Endstufenmoduls 20

X6 ' Stecker für die positive Spannungsversorgung eines weiteren Endstufenmoduls 20

X7 Stecker für einen Phasenabgang zu einem Elektromotor

1

X8 Stecker für einen weiteren Phasenabgang zu einem

Elektromotor 1

X9 Stecker für die Verbindung zum Steuerungslogikmodul

22 einer Phase

X10 Stecker für die Verbindung zum Steuerungslogikmodul

22 einer weiteren Phase

X10 Stecker für die Verbindung zum Steuerungslogikmodul 22 einer weiteren Phase

Xll Stecker des Steuerungslogikmoduls 22 zum Anschluss an eine zentrale Steuerungseinheit 10

X12 Stecker des Steuerungslogikmoduls 22 zum redundanten

Anschluss an eine zentrale Steuerungseinheit 10 X13 Anschluss für Vorlauf Kühlmedium

X14 Anschluss für Rücklauf Kühlmedium