Dichtunqsummantelunq; elektrische Antriebsmaschine; sowie Herstellverfahren

Die Erfindung betrifft ein Leistungselektronikmodul für eine elektrische Antriebsma schine eines rein elektrisch oder hybridisch angetriebenen Kraftfahrzeuges, wie eines Pkws, Lkws, Busses oder sonstigen Nutzfahrzeuges, mit mehreren Stromschienen so wie einem die Stromschienen beabstandet sowie elektrisch isoliert voneinander ab stützenden Vergusskörper, wobei jede Stromschiene an einem ersten Anschlussbe reich und einem, dem ersten Anschlussbereich gegenüberliegenden, zweiten An schlussbereich zur weiteren Kontaktierung zur Umgebung des Vergusskörpers hin freiliegt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Antriebsmaschine mit die sem Leistungselektronikmodul sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Leistungs elektronikmoduls.

Ein aus dem Stand der Technik prinzipiell bekanntes Leistungselektronikmodul 1 ist mit Fig. 9 dargestellt. Dieses Leistungselektronikmodul 1 weist mehrere Stromschie nen 2 auf, die in einem Vergusskörper 3 angeordnet und von diesem Vergusskörper 3 umschlossen sind. Das Leistungselektronikmodul 1 ist in seinem antriebsmaschi nenseitig verbauten Zustand mit einem Teil in einem Trockenraum und mit einem an deren Teil in einem von dem Trockenraum abgedichteten Nassraum eines Gehäuses der elektrischen Antriebsmaschine angeordnet. Zur Abdichtung des Nassraums ge genüber dem Trockenraum ist in einem Spaltbereich zwischen einem Aufnahmeloch des Gehäuses und einer Außenseite des Vergusskörpers 3 eine umlaufende Dich tung 15 an dem Vergusskörper 3 angeordnet.

Als Nachteil dieser aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen hat es sich jedoch herausgestellt, dass trotz der an der Außenseite angeordneten Dichtung über eine bestimmte Betriebszeit hinweg zu einem Eindringen einer Flüssigkeit aus dem Nassraum in das Innere des Leistungselektronikmoduls kommen kann. Dabei kommt es aufgrund der herrschenden Kapillarkräfte zu einem stetigen Eintritt an Flüssigkeit in die Spalten zwischen den Stromschienen und dem Vergusskörper. Dies führt dazu, dass Flüssigkeit gar in den Trockenraum nach einem Durchdringen des Leistungs elektronikmoduls eintreten kann. Dieser Effekt wird durch die stark schwankenden Umgebungstemperaturen verstärkt, da Stromschienen und Vergusskörper unter schiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik be kannten Nachteile zu beheben und insbesondere ein zwischen einem Trocken. Und einem Nassraum einer elektrischen Antriebsmaschine einsetzbares Leistungselektro nikmodul zur Verfügung zu stellen, das eine verlässlichere Abdichtung dieser Räume über die Lebensdauer der elektrischen Antriebsmaschine bewirkt.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Stromschienen jeweils an einem, in einer gemeinsamen Aussparung des aus einem (ersten) Kunststoffmaterial gegos senen Verbundkörpers angeordneten Längsabschnitt zwischen ihren beiden An schlussbereichen mit einer separat zu dem Vergusskörper aufgebrachten Dichtungs ummantelung versehen sind, welche Dichtungsummantelung über eine Haftvermittler schicht an der Stromschiene haftet.

Dadurch wird eine innere Dichtung innerhalb des Leistungselektronikmoduls auf kom pakte und einfach herstellbare Weise zur Verfügung gestellt, die im Betrieb einen Übertritt an einer durch Kapillarkräfte transportierte Flüssigkeit von einem Nassraum in einen Trockenraum der elektrischen Antriebsmaschine verhindert. Das Leistungs elektronikmodul ist folglich zum Umsetzen einer langlebigeren elektrischen Antriebs maschine ausgebildet.

Weitere vorteilhafte Ausführungen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.

Demnach ist es des Weiteren vorteilhaft, wenn die Stromschienen in dem von der Haftvermittlerschicht umgebenen Längsabschnitt oberflächenaktiviert sind. Dadurch wird die Haftkraft zwischen der Dichtungsummantelung / der Haftvermittlerschicht und der Stromschiene weiter erhöht. Auch ist es von Vorteil, wenn drei Stromschienen vorgesehen sind, die jeweils mit ih rem Längsabschnitt innerhalb der Aussparung angeordnet sind (und weiterhin auf üb liche Weise über eine Haftvermittlerschicht mit der Dichtungsummantelung gekoppelt sind). Dadurch lässt sich ein kompakter Aufbau des Leistungselektronikmoduls dar stellen.

Ist die Aussparung als ein den Vergusskörper durchdringendes Durchgangsloch aus gebildet, ist deren Herstellung besonders einfach in gängigen Gießverfahren, vorzugs weise Spritzgießverfahren, umsetzbar.

Zudem ist es von Vorteil, wenn das Durchgangsloch an seinem von den Stromschie nen beabstandeten Endbereich durch einen Deckel abgeschlossen ist. Dadurch wird die Herstellung der Dichtungsummantelung weiter vereinfacht.

Somit ist es besonders vorteilhaft, wenn die Dichtungsummantelung unmittelbar eine in die Aussparung eingegossene (aus einem zweiten Kunststoffmaterial bestehende) Füllung umgesetzt ist.

Zudem ist es zweckmäßig, wenn an einer Außenseite des Vergusskörpers, auf einer den zweiten Anschlussbereichen zugewandten Seite der Aussparung, eine um den Vergusskörper herum verlaufende Dichtung aufgenommen ist. Dadurch ergibt sich eine platzsparende relative Anordnung zwischen der inneren Dichtung und der äuße ren Dichtung.

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahr zeug, mit einem Gehäuse, wobei das Gehäuse einen einen Stator aufnehmenden Nassraum sowie einen relativ zu dem Nassraum abgedichteten Trockenraum auf weist, und mit einem erfindungsgemäßen Leistungselektronikmodul nach zumindest eine der zuvor beschriebenen Ausführungen, wobei die ersten Anschlussbereiche der Stromschienen in dem Trockenraum angeordnet sind und die zweiten Anschlussbe reich der Stromschienen, die mit Wicklungen des Stators weiter verbunden sind, in den Nassraum angeordnet sind. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungselektronik moduls für eine elektrische Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeuges, wobei in einem ersten Schritt mehrere Stromschienen derart von einem ersten Kunststoffmaterial (vorzugsweise in einem Spritzgießverfahren) umgossen werden, dass die Stromschie nen nach dem Aushärten des einen Vergusskörper bildenden ersten Kunststoffmateri als beabstandet sowie elektrisch isoliert voneinander gehalten sind und jeweils mit ei nem Längsabschnitt innerhalb einer zur Umgebung hin frei liegenden Aussparung des Vergusskörpers angeordnet sind, in einem zweiten Schritt (nach dem Schritt a), d.h. nach dem vollständigen Aushärten des Vergusskörpers) eine Haftvermittlerschicht auf den Längsabschnitt jeder Stromschiene aufgebracht wird und in einem dritten Schritt ein zweites Kunststoffmaterial in die Aussparung eingefüllt wird, sodass das zweite Kunststoffmaterial nach seinem Aushärten als Dichtungsummantelung über die Haft vermittlerschicht an dem Längsabschnitt jeder Stromschiene haftet.

In anderen Worten ausgedrückt, ist erfindungsgemäß eine Öldichtheit einer Hochvolt komponente gewährleistet. Neben einer gewöhnlichen (äußeren) Dichtung zwischen der Leistungselektronik (Leistungselektronikmodul) und dem E-Drive / elektrischen Antrieb (elektrische Antriebsmaschine) ist eine kleine Kammer (Aussparung) in das Kunststoffgehäuse (Vergusskörper) eingegossen, durch welche Kammer die Kupfer schienen (Stromschienen) zwischen dem Elektromotor (Stator) und der Elektronik hin durch verlaufen. Die Kupferschienen sind mit einem Haftvermittler (/ Primer) behan delt, um deren Haftung zu erhöhen. Die Kammer wird anschließend mit einer Guss komponente Dichtungsummantelung gefüllt.

Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Leistungselektronikmoduls nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei neben einer an einer Außenseite eines Vergusskörpers aufgenommenen äußeren Dichtung eine Aussparung zu erkennen ist, innerhalb derer eine mehrere Stromschienen umgebende Dichtungsummantelung transparent dargestellt ist, Fig. 2 eine perspektivische Detailansicht der die Dichtungsummantelung (transpa rent dargestellt) aufnehmenden Aussparung von außen,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des gesamten Leistungselektronikmoduls nach Fig. 1 ,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer teilweise geschnittenen elektrischen Antriebsmaschine mit dem erfindungsgemäßen Leistungselektronikmodul nach den Fign. 1 bis 3, wobei neben einem Nassraum ein relativ zu diesem Nassraum abgedichteter Trockenraum gut zu erkennen ist,

Fig. 5 eine Unteransicht des Leistungselektronikmoduls nach Fig. 1 , wobei ein die Aussparung zu einer Unterseite hin abschließender Deckel zu erkennen ist,

Fig. 6 eine perspektivische Detailansicht der mit Fig. 5 bereits dargestellten Unter seite mit einer explodierten Darstellung des Deckels sowie der Dichtungs ummantelung von dem übrigen Vergusskörper,

Fig. 7 eine teilweise transparente Darstellung des nach Fig. 5 von der Unterseite dargestellten Leistungselektronikmoduls,

Fig. 8 eine teilweise transparente Darstellung des nach Fig. 1 von der Oberseite dargestellten Leistungselektronikmoduls, sowie

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekann ten Leistungselektronikmoduls.

Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Ver ständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen ver sehen.

Ein erfindungsgemäßes Leistungselektronikmodul 1 ist in alleiniger Darstellung über sichtlich mit den Fign. 1 , 3, 5, 7 und 8 zu erkennen. Das Leistungselektronikmodul 1 , wie weiter in Fig. 4 zu erkennen, ist in seinem bevorzugten Anwendungsbereich in ei ner elektrischen Antriebsmaschine 10 eines Kraftfahrzeuges eingesetzt. Die elektrische Antriebsmaschine 10 ist auf übliche Weise als ein einen Stator 17 und ein hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten Rotor aufweisender Elektromotor umgesetzt. Die elektrische Antriebsmaschine 10 dient bevorzugt zum Antrieb eines hybriden Kraftfahrzeuges, weiter bevorzugt zum Antrieb eines rein elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges. Die elektrische Antriebsmaschine 10 ist so mit bevorzugt in einem Hybridmodul (Antriebsmodul mit Kupplungen) oder einer e- Achse (elektrische Antriebsachseinheit) integriert.

Wie des Weiteren in Fig. 4 zu erkennen, ist die elektrische Antriebsmaschine 10 sei tens ihres Stators 17 unmittelbar / direkt flüssigkeitsgekühlt umgesetzt. Die elektrische Antriebsmaschine 10 weist demnach einen, den Stator 17 mit aufnehmenden Nass raum 18 sowie einen relativ zu diesem Nassraum 18 abgedichteten Trockenraum 19 auf. Nassraum 18 und Trockenraum 19 bilden Teilräume innerhalb eines gemeinsa men Gehäuses 16 der elektrischen Antriebsmaschine 10. In dem Trockenraum 19 sind dann auf typische Weise weitere Elektronikkomponenten angeordnet, die nicht von einer durch den Nassraum 18 im Betrieb strömenden Kühlflüssigkeit umströmt sind. Das erfindungsgemäße Leistungselektronikmodul 1 ist nun als Verbindungsglied zwischen Wicklungen 21 des Stators 17 und den der Übersichtlichkeit halber nicht nä her dargestellten Elektronikkomponenten ausgebildet.

Die weitere prinzipielle Ausbildung des Leistungselektronikmoduls 1 ist besonders gut in Fig. 3 zu erkennen. Das Leistungselektronikmodul 1 weist von außen erkennbar ei nen als Kunststoffgehäuse ausgebildeten Vergusskörper 3 auf. Der Vergusskörper 3 ist im Sinne einer Kunststoffummantelung um mehrere, hier drei, Stromschienen 2a, 2b, 2c herumgespritzt und anschließend ausgehärtet, sodass er die Stromschienen 2a, 2b, 2c zueinander beabstandet sowie elektrisch voneinander entkoppelt aufnimmt. Jede Stromschiene 2a, 2b, 2c ist seitens eines ersten Anschlussbereiches 4 in dem Trockenraum 19 zur Umgebung des Leistungselektronikmoduls 1 hin freigelegt. Ein dem jeweiligen ersten Anschlussbereich 4 gegenüberliegender zweiter Anschlussbe reich 5 der jeweiligen Stromschiene 2a, 2b, 2c ist zu dem in dem Nassraum 18 ange ordneten Bereich des Vergusskörpers 3 hin freigelegt und mit den Wicklungen 21 des Stators 17 weiter verbunden. Zwischen den Anschlussbereichen 4, 5 ist jede Strom schiene 2a, 2b, 2c vollständig von Kunststoffmaterial ummantelt.

Zwischen den beiden Anschlussbereichen 4, 5 ist an einer Außenseite 14 des Ver gusskörpers 3, in einer ringförmigen Nut, eine Dichtung 15 angeordnet. Diese als äu ßere Dichtung des Leistungselektronikmoduls 1 wirkende Dichtung 15 dient unmittel bar zum Abdichten eines zwischen dem Gehäuse 16 der elektrischen Antriebsma schine 10 und dem Vergusskörper 3 gebildeten Spalt 22 (Fig. 4). Wie zu erkennen, ist diese Dichtung 15 mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt im Sinne ei nes O-Rings ausgebildet. Zusätzlich weist die Dichtung 15 in einem Umfangsbereich eine Verdrehsicherungsnase 20 auf, die in dem Vergusskörper 3 formschlüssig aufge nommen ist. Somit kommt es zu einer verlässlichen Abdichtung des Trockenraums 19 relativ zum Nassraum 18 durch das Leistungselektronikmodul 1.

Um die innere Dichtheit des Leistungselektronikmoduls 1 zu optimieren, ist erfin dungsgemäß eine Dichtungsummantelung 9 in einer Aussparung 6 des Vergusskör pers 3 umgesetzt. Wie diesbezüglich zunächst in Fig. 2 detailliert zu erkennen, sind die Stromschienen 2a, 2b, 2c in einem beschränkten Längsabschnitt 8 zwischen je dem ersten und zweiten Anschlussbereich 4, 5 von dieser Dichtungsummantelung 9 umgeben. Die Dichtungsummantelung 9 ist als ein separat zu dem (ersten) Kunststoff material des Vergusskörpers 3 hergestelltes / gegossenes (zweites) Kunststoff mate rial realisiert. Bei der Herstellung wird zunächst in einem ersten Schritt bei einem Gie ßen des Vergusskörpers 3 eine Aussparung 6 in Form eines Durchgangsloches 11 freigehalten, durch welche Aussparung 6 sich die Stromschienen 2a, 2b, 2c mit ihrem Längsabschnitt 8 erstrecken.

Die Dichtungsummantelung 9 ist erfindungsgemäß über eine Haftvermittlerschicht 7 an der Außenoberfläche der jeweiligen Stromschiene 2a, 2b, 2c an dem Längsab schnitt 8 befestigt. In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Herstellverfah rens wird somit eine Haftvermittlerschicht 7 auf dem jeweiligen Längsabschnitt 8 der Stromschienen 2a, 2b, 2c aufgebracht. Zuvor wurde die Oberfläche des Längsab schnittes 8 bevorzugt oberflächenaktiviert. Im Anschluss, in einem dritten Schritt, wird das zweite Kunststoffmaterial, das die Dichtungsummantelung 9 im ausgehärteten Zu stand bildet, in die Aussparung 6 eingefüllt, bis die Längsabschnitte 8 vollständig von der Dichtungsummantelung 9 umgeben sind. Wie dabei in den Fign. 5 und 6 gut zu er kennen ist, dient auf einer Unterseite des Vergusskörpers 3 ein Deckel 13 zum Ab schließen der Aussparung 6. Der Deckel 13 ist an einem von den Stromschienen 2a, 2b, 2c beabstandeten Endbereich 12 der Aussparung 6 positioniert. Somit ist die Dich tungsummantelung 9 als eine innere Dichtung des Leistungselektronikmoduls 1 umge setzt.

Wie des Weiteren in den Fign. 7 und 8 zu erkennen, erstrecken sich die einzelnen Stromschienen 2a, 2b, 2c zwischen ihren Anschlussbereichen 4, 5 durchgängig voll ständig isoliert voneinander innerhalb des Vergusskörpers 3. Während jeder erste An schlussbereich 4 als eine Steckeraufnahme ausgeformt ist, ist jeder zweite Anschluss bereich 5 mit zwei Pins versehen. Die erste Stromschiene 2a verläuft im Wesentlichen parallel zu der zweiten Stromschiene 2b; die dritte Stromschiene 2c verläuft im We sentlichen parallel zu der ersten Stromschiene 2a sowie der dritten Stromschiene 2c.

In anderen Worten ausgedrückt, wird im vorliegenden Anwendungsfall ein Hochvolt terminal (Leistungselektronikmodul 1 ) genutzt, um zwei Schnittstellen zu kontaktieren. Die eine Schnittstellte ist zur Leistungselektronik, die andere zur E-Maschine 10. Der Bereich der Leistungselektronik wird auch Trockenraum und der Bereich der E-Ma- schine 10 Nassraum genannt, da dieser aktiv mit einem entsprechenden Öl gekühlt wird. Beide Räume werden von außen über eine separate Dichtung 15 abgedichtet.

Bei dem vorliegenden System handelt sich um ein Hochvoltterminal 1 , welches aus Kupferschienen 2a, 2b ,2c besteht, die mit einem entsprechenden Kunststoff umspritzt werden.

Die erfinderische Lösung besteht darin, einen zusätzlichen Verguss (Dichtungsum mantelung 9) zu verwenden, um eine zusätzliche Barriere für das entlangkriechende Öl zu generieren. Zuerst werden die Stromschienen 2a, 2b, 2c mit einem sogenannten Primer (Haftvermittlerschicht 7) behandelt, um die Haftung des Vergusses 9 auf der Kupfer-Kunststoffverbindung zu erhöhen. In einem weiteren Prozessschritt wird das Vergussmittel eingefüllt und unter Temperatur ausgehärtet. Die nun entstandene 3er- Verbindung aus Verguss-Kunststoff-Kupfer ist um ein vielfaches ÖL-Dichter, als das Ursprungssystem.

In Fig. 3 ist gut zu erkennen, dass nun hinter der Dichtung 15 im Trockenraum 19 eine zusätzliche Vergusskammer 6 eingeführt wurde. Diese Vergusskammer 6 wird wie oben beschrieben genutzt, um eine Barriere für das entlangkriechende Öl zu generie ren.

In der Vorderansicht / Draufsicht nach Fig. 1 ist das FIV-Terminal 1 von oben gezeigt. Zu sehen sind die drei Stromschienen 2a, 2b, 2c. In der Rückansicht / Unteransicht nach Fig. 5 ist erkennbar, dass der Boden mit einem Abschlussdeckel 13 versehen wird. Dieser wird benötigt, damit beim Vergussprozess das Vergussmaterial nicht da vonläuft. Unter Temperatur dehnen sich Kunststoff und Kupfer unterschiedlich aus.

Der Verguss selbst, weißt ebenfalls einen anderen Ausdehnungskoeffizienten aus. Durch Verwendung des Primers 7, eines Haftmittels, kann der Verguss 9 eine haf tende Verbindung mit dem Kupfer 2a, 2b, 2c und dem Kunststoff 3 eingehen. So wird eine ausreichende Dichtigkeit innerhalb der Baugruppe generiert.

Die Stromschienen 2a, 2b, 2c werden entsprechend vorgebogen und in ein Spritz gusswerkzeug eingelegt und mit einem geeigneten Material umspritzt. Dabei wird wie in Fig. 2 ein Bereich (Vergussbereich) entsprechend ausgelassen, um so eine Leer kammer 6 zu erzeugen. Diese Leerkammer 6 wird von einer Seite mit dem separaten Deckel 13 verschlossen. So bleibt eine Öffnung übrig, die entsprechend für den Füll prozess genutzt werden kann.

In Fig. 4 ist der Einbauzustand im Gesamtsystem gezeigt. Klar ersichtlich wird die Dichtungsschnittstelle zum Gehäuse 16. In den Figuren 6 bis 8 sind weitere Darstel lungen veranschaulicht, wie eine transparente Sichtweise, um den Verlauf der Strom schienen 2a, 2b, 2c besser ersichtlich zu machen, sowie eine Explosionsdarstellung. Bezuqszeichenliste

1 Leistungselektronikmodul

2a erste Stromschiene 2b zweite Stromschiene

2c dritte Stromschiene

3 Vergusskörper

4 erster Anschlussbereich

5 zweiter Anschlussbereich 6 Aussparung

7 Haftvermittlerschicht

8 Längsabschnitt

9 Dichtungsummantelung

10 elektrische Antriebsmaschine 11 Durchgangsloch

12 Endbereich

13 Deckel

14 Außenseite

15 Dichtung 16 Gehäuse

17 Stator

18 Nassraum

19 Trockenraum

20 Verdrehsicherungsnase 21 Wicklung

22 Spalt