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Die Erfindung betrifft eine Leistungselektronik für einen Elektromotor, insbesondere einen Radnabenmotor, umfassend einen Stator und einen Rotor, wobei die Leistungselektronik zumindest eine Leistungszelle, zumindest ein Zwischenkreisboard und zumindest ein Controlboard umfasst und wobei der Elektromotor mittels mindestens eines Kühlkörpers kühlbar ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Es sind aus dem Stand der Technik Leistungselektroniken für einen Elektromotor bekannt, die abhängig ihres Einsatzbereiches, also applikationsspezifisch entwickelt werden und aufgebaut werden. Durch den applikationsspezifischen Aufbau derartiger Leistungselektroniken ist es notwendig, die jeweiligen Bauelemente aufwändig zu konstruieren und miteinander zu der gewünschten Leistungselektronik zusammenzubauen, wodurch sich vor allem die Herstellungszeit verlängert und dadurch die Kosten erhöht werden. Darüber hinaus wird durch diese aufwändige Konstruktion sehr viel Bauraum alleine für die verwendete Leistungselektronik verbraucht.
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Darüber hinaus ist es nötig, die Leistungselektronik zu kühlen, um eine bestmögliche Effizienz, also den Wirkungsgrad, der Leistungselektronik zu erzielen, die durch die optimale Arbeitstemperatur der Leistungselektronik beeinflusst wird. Eine effiziente Kühlung beeinflusst auch die Lebensdauer der Leistungselektronik, da für die Leistungselektronik und deren Bauteile kritische Temperaturen, die diese beschädigen könnte, vermieden werden können. Bisher wurden für die Leistungselektronik separate Kühlvorrichtungen zusätzlich zu den Kühlvorrichtungen für den Elektromotor verwendet, wodurch ein erhöhter Platzbedarf nötig ist. Ferner wird durch diese zusätzliche Kühlung das gesamte Gewicht und der Bauraum des Elektromotors erhöht, was einen erhöhten Materialeinsatz und eine verlängerte Herstellungsdauer zur Folge hat.
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Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Nachteile zu überwinden. Insbesondere wird der Aufbau des Elektromotors und insbesondere der Leistungselektronik vereinfacht sowie dadurch die Effizienz des Kühlsystems optimiert und der vorhandene Bauraum optimal ausgenutzt.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Die Aufgabe wird gelöst mittels einer Leistungselektronik für einen Elektromotor, insbesondere für einen Radnabenmotor, umfassend einen Rotor und eine Statorbaugruppe mit einen im Wesentlichen zylinderförmigen Stator und einen Kühlkörper, wobei die Leistungselektronik zumindest eine Leistungszelle, zumindest ein Controlboard und zumindest ein Zwischenkreisboard umfasst, wobei die Leistungselektronik an dem mindestens einen Kühlkörper befestigbar ist und durch den mindestens einen Kühlkörper kühlbar ist.
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Unter einem Radnabenmotor ist hierbei ein Motor zu verstehen, der zumindest teilweise in einem Rad, das vorzugsweise an einem Fahrzeug montiert ist, eingebaut ist und gleichzeitig die Radnabe des Rades trägt. Es ist daher für derartige Motoren besonders wichtig, dass der antreibende Motor ein möglichst geringes Gewicht aufweist und auch der vorhandene Bauraum optimal ausnutzt wird.
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Denkbar für einen Radnabenmotor sind sowohl Innen- als auch Außenläufer. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Radnabenmotor um einen Außenläufer, das heißt, dass sich der Stator innenliegend befindet und von einem Rotor, dem Läufer, umschlossen wird.
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Insbesondere für derartige Radnabenmotoren, die als Außenläufer ausgestaltet sind, ist eine effiziente Kühlung von besonderer Bedeutung. Die Wärme, die durch den Elektromotor produziert wird, entsteht hauptsächlich einerseits in der Leistungselektronik und andererseits im Stator, insbesondere in den Wicklungen, die im Stator angeordnet sind. Da der Rotor um den Stator bzw. um die Statorbaugruppe herum angeordnet ist, entsteht innerhalb des Rotors ein Wärmestau, so dass eine effiziente, aber dennoch bauplatzsparende und gewichtsreduzierende Kühlung besonders vorteilhaft ist.
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Allgemein wird unter dem Begriff „Leistungselektronik“ ein Bauteil verstanden, das mit Steuerung, Umformung und/oder dem Schalten von elektrischer Energie mit elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen zu tun hat. Bezogen auf die vorliegende Erfindung umfasst die Leistungselektronik zumindest eine Leistungszelle, zumindest ein Controlboard und zumindest ein Zwischenkreisboard.
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Mit dem Begriff „Zwischenkreisboard“ ist eine Platine zu verstehen, wobei die Platine an sich wie eine Schaltung von einem oder mehreren Kondensatoren wirkt. Das Zwischenkreisboard wird also als eine Art Energiepuffer verwendet, um mindestens ein Umschalten der Leistungselektronik und insbesondere eines Leistungshalbleiters in einer Leistungszelle puffern zu können. Dies ist notwendig, da jede elektrische bzw. elektronische Verbindung eine Induktivität darstellt und diese Induktivitäten zu einem Spannungseinbruch während eines Umschaltens führen. Das Zwischenkreisboard dient also zur Kompensation von Induktivitäten und ermöglicht so eine möglichst fehlerfreie Verwendung der gesamten Leistungselektronik.
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Unter der Begrifflichkeit „Controlboard“, auch Steuerplatine genannt, wird eine Platine derart verstanden, dass diese den Stromfluss bzw. den Spannungsabfall der Leistungszelle regelt sowie die Leistungszelle ansteuert. Vorzugsweise ist das Controlboard elektrisch und/oder elektronisch mit einer Platine, auch Gateboard genannt, der Leistungszelle verbunden. Vorzugsweise ist das Controlboard auf einem Supply-Board, auch Trägerboard oder Trägerplatine genannt, angeordnet.
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Unter der „Leistungszelle“ sind vorliegend ein oder mehrere Leistungshalbleiter zu verstehen, die mittels einer Platine, einem sogenannten Gateboard, gesteuert werden. Leistungshalbleiter können dabei FET, MOSFET, TRIAC oder IGBT sein, wobei vorzugsweise ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) verwendet wird. Vorteile eines IGBT sind ein gutes Durchlassverhalten, eine hohe Sperrspannung und eine nahezu leistungslose Ansteuerung.
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Durch das notwendige wiederholte Schalten des IGBT, also eine Ein- bzw. Ausschaltung zur Kontrolle und Steuerung des Stroms bzw. der Spannung, wird eine erhebliche Wärmemenge produziert, die von der Leistungselektronik abgeführt werden muss, um die jeweiligen Bauteile nicht zu beschädigen und akzeptabel bedienen zu können.
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Um gleichzeitig Bauraum und Materialkosten einzusparen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Leistungselektronik über den bereits vorhandenen Kühlkörper der Statorbaugruppe gekühlt wird. Somit wird kein weiterer, separater Kühlkörper für die Leistungselektronik benötigt.
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Die durch die Leistungselektronik erzeugte Wärmemenge kann besonders vorteilhaft abgeführt werden, wenn zwischen der zumindest einen Leistungszelle und dem mindestens einen Kühlkörper ein flächig ausgebildeter Kontaktbereich ausgebildet ist.
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Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da der größte Anteil der erzeugten Wärme in der Leistungszelle, insbesondere in dem Leistungshalbleiter, beispielsweise einem IGBT, erzeugt wird. Die erzeugte Wärme kann darüber hinaus umso besser abtransportiert werden, je größer die Fläche des Kontaktbereiches ist. Vorzugsweise ist die gesamte Fläche der Leistungszelle und insbesondere des IGBT, die zum Kühlkörper gerichtet ist, mit dem Kühlkörper in Wirkkontakt. Es ist darüber hinaus möglich, die auf den Kühlkörper gerichtete Fläche der Leistungszelle, insbesondere der Fläche des IGBT, auf den Kühlkörper aufzudrucken und/oder aufzuwachsen und so einen möglichst großen Kontaktbereich zu erhalten. Vorteilhaft weist eine derartige Verbindung eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit auf.
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Ein besonders vorteilhafte Ausführungsform ist es, wenn der Kühlkörper in radialer Richtung der Statorbaugruppe bzw. des Elektromotors gesehen zwischen dem Stator und der Leistungselektronik, insbesondere der mindestens einen Leistungszelle, angeordnet ist.
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Durch diese Anordnung kann der vorhandene Kühlkörper besonders vorteilhaft sowohl den Stator als auch die Leistungselektronik kühlen, da der Kühlkörper von dem Stator als auch von der Leistungselektronik eingeschlossen wird, so dass eine über eine möglichst große Fläche Wärme durch den Kühlkörper aufgenommen werden kann und somit von der Leistungselektronik als auch von dem Stator abtransportiert werden kann.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die zumindest eine Leistungszelle an der innenliegenden Mantelfläche der Statorbaugruppe angeordnet ist. Dies ist besonders dann sinnvoll, wenn es sich bei dem beschriebenen Radnabenmotor um einen Außenläufer handelt. Radial von innen nach außen gesehen sind also die Leistungselektronik, die Statorbaugruppe und der Rotor angeordnet und bilden somit den Elektromotor. Durch diesen Aufbau kann der vorhandene Bauraum optimal genutzt werden.
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Noch vorteilhafter kann der Bauraum genutzt werden, wenn der zumindest eine Kühlkörper zumindest eine Aufnahme derart aufweist, dass die zumindest eine Leistungszelle aufnehmbar ist. Bei der Aufnahme kann es sich beispielsweise auch um eine Ausnehmung des Kühlkörpers handeln, in der zumindest die Leistungszellen der Leistungselektronik aufgenommen werden können. Vorzugsweise kann die Leistungselektronik, insbesondere die Leistungzelle, mit dieser Aufnahme verbunden werden, beispielsweise mittels einer Verschraubung oder dergleichen. Vorzugsweise handelt es sich hier um eine lösbare Verbindung, so dass im Schadensfall eine leichte Austauschbarkeit des jeweiligen Bauteils gewährleistet werden kann.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist es zur besseren Ausnutzung des vorhandenen Bauraums besonders vorteilhaft, wenn das zumindest eine Zwischenkreisboard und/oder das zumindest eine Controlboard an der Grundfläche des Stators angeordnet ist.
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Dies ist dahingehend sinnvoll, da die Leistungselektronik nicht über die Längserstreckung des Stators bzw. der Statorbaugruppe ausgebildet ist, sondern eben an der Grundfläche des Stators bzw. der Statorbaugruppe und somit nur zu einem geringen Teil in der Längsausdehnung der Statorbaugruppe ausgebildet ist. Weiter kann der Einbau der erfindungsgemäßen Leistungselektronik bei zugleich verbesserter Ausnutzung des Bauraums verbessert werden, wenn das an der Grundfläche angebrachte zumindest eine Zwischenkreisboard und/oder das zumindest eine Controlboard und/oder das Trägerboard im Wesentlichen kreisförmig ausgestaltet sind, also der zylindrischen Geometrie der Statorbaugruppe, insbesondere der Grundfläche der Statorbaugruppe, angepasst sind.
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Unter dem Begriff „kreisförmig“ ist hierbei zu verstehen, dass das jeweilige Bauteil innerhalb eines Kreises angeordnet ist und mindestens eine Ecke auf dem Umfang dieses Kreises angeordnet ist. Beispielhaft kann das Zwischenkreisboard als regelmäßiges n-Eck ausgebildet sein, dessen Ecken auf einer Kreislinie liegen.
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Hierdurch kann auch die verwendbare Fläche des jeweiligen Boards maximiert werden, so dass auf möglichst geringen Bauraum die auf dem jeweiligen Board benötigten Bauteile angebracht werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Einbau und der Aufbau der Leistungszelle zur besseren Bauraumnutzung und auch der vereinfachten Kühlung noch weiter verbessert werden, wenn die zumindest eine Leistungszelle radial um das zumindest eine Zwischenkreisboard und/oder senkrecht um zumindest dem einem Zwischenkreisboard angeordnet ist.
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Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn durch die eine Leistungszelle oder die Leistungszellen ein flächiger Kontakt mit dem Kühlkörper der Statorbaugruppe ausgebildet ist. Die längere Ausdehnung, also beispielsweise die Längsausdehnung oder die Breitenausdehnung, der zumindest eine Leistungszelle erstreckt sich durch den zuvor beschriebenen Aufbau und Einbau der Leistungselektronik vorteilhafterweise in der Längserstreckung der Statorbaugruppe, wodurch weniger auf die Krümmung des im Wesentlichen zylinderförmigen Stators bzw. der Statorbaugruppe geachtet werden muss und die Leistungszellen leichter an dem Kühlkörper befestigt werden können.
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Darüber hinaus ist an der Grundfläche der Statorbaugruppe zumindest das zumindest eine Zwischenkreisboard der Leistungselektronik angeordnet.
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Insgesamt kann also durch diese Anordnung des Zwischenkreisboards und/oder des Controlboards an der Grundfläche des Stators und der zumindest einen Leistungszelle radial um das Zwischenkreisboard sowie vorzugsweise senkrecht zum Zwischenkreisboard die ausgebildete Kontaktfläche zwischen Kühlkörper und Leistungszelle besonders vorteilhaft ausgebildet werden, was insbesondere die Kühlung der Leistungselektronik verbessert. Darüber hinaus wurde der vorhandene Bauraum der Statorbaugruppe optimal ausgenutzt, so dass noch weiterer Bauraum für andere Komponenten oder Bauteile vorhanden ist.
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Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform kann der Bauraum des Elektromotors ausgenutzt werden, wenn die Form der Leistungselektronik an die im Wesentlichen zylindrische Form der Statorbaugruppe angepasst ist. Es ist daher besonders vorteilig, wenn das zumindest eine Zwischenkreisboard und/oder das zumindest eine Controlboard im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet sind.
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Die Kühlung der Leistungselektronik bzw. die Kühlung des Elektromotors kann gemäß einer Ausführungsform verbessert werden, wenn der zumindest eine Kühlkörper der Statorbaugruppe mindestens einen Kühlkanal aufweist. In diesem Kühlkanal bzw. in diesen Kühlkanälen ist ein Kühlmedium eingebracht. Vorteilhaft ist dieses Kühlmedium ein flüssiges Kühlmedium, beispielsweise Wasser oder dergleichen, so dass die erzeugte Wärme effektiv aufgenommen und abtransportiert werden kann.
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Vorteilhaft sind mehrere Kühlkanäle vorgesehen, die in dem Bereich des Kühlkörpers angeordnet sind, an dem die Leistungselektronik, insbesondere die Leistungszellen, mit dem Kühlkörper verbunden sind, so dass ein möglichst geringer Weg für den Wärmetransport zurückgelegt werden muss.
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Es ist auch denkbar, die Kühlkanäle radial gesehen entlang eines Umfangs der Statorbaugruppe über die ganze Statorbaugruppe zu verteilen. Die Verteilung kann dabei zufällig oder auch regelmäßig sein.
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Die Kühlkanäle sind vorteilhaft in Längserstreckung der Statorbaugruppe ausgebildet, wodurch ein guter Wärmeabtransport gewährleistet wird.
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Vorteilhaft ist eine Pumpe vorgesehen, mittels welcher das Kühlmittel bewegt werden kann. Die Pumpe kann dabei auch außerhalb des Motors angeordnet sein. Weiter vorteilhaft ist der Kühlkreislauf des Motors mit einem außerhalb des Motors liegenden Wärmetauscher verbunden, so dass die durch das Kühlmittel aufgenommene Wärmemenge an die Umwelt oder andere Komponenten des Fahrzeuges abgegeben werden können.
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Die Leistungselektronik kann gemäß einer weiteren Ausführungsform weiter vorteilhaft zur Einsparung von Bauraum aufgebaut werden, wenn das zumindest eine Controlboard parallel zu dem zumindest einem Zwischenkreisboard angeordnet ist. Ein derartiger Aufbau ist vorteilhaft, da die Höhenausdehnung der Leistungselektronik somit weiter minimiert werden kann.
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Weiter vorteilhaft ist die zumindest eine Leistungszelle mit dem zumindest einen Zwischenkreisboard als auch mit dem zumindest einen Controlboard elektrisch und/oder elektronisch verbunden. So kann ein betriebssicherer Betrieb der Leistungselektronik besonders vorteilhaft aufrechterhalten werden.
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Die Herstellungskosten einer derartigen Leistungselektronik können gesenkt werden, wenn die Leistungselektronik modular aus zumindest einer Leistungszelle, zumindest einem Zwischenkreisboard und zumindest einem Controlboard zusammensetzbar ist.
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Durch einen derartigen modularen Aufbau ergeben sich weitere Vorteile. Durch einen derartigen modularen Aufbau der Leistungselektronik kann beispielsweise die Statorbaugruppe, insbesondere der Kühlkörper derart ausgeformt sein, dass bereits Aufnahmen vorhanden sind, in die Bauteile, insbesondere die Leistungszellen, der Leistungselektronik eingesetzt werden und befestigt werden können. Vorteilhaft sind die Aufnahmen so gefertigt, dass die Leistungszellen lösbar mit dem Kühlkörper verbunden werden können, etwa beispielsweise durch eine simple Verschraubung der Leistungszelle(n) mit dem Kühlkörper.
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Darüber hinaus kann durch den modularen Aufbau der Leistungselektronik die Leistungselektronik auf den jeweiligen Einsatzbereich skaliert werden. So kann beispielsweise durch einfaches Austauschen der Boards und/oder durch Hinzufügen oder Herausnehmen von Leistungszellen die Leistungselektronik schnell, einfach und kostengünstig auf den jeweiligen Einsatz aufgebaut werden. Noch kostengünstiger kann dies geschehen, wenn auf bereits bestehende Technologie zurückgreifbar ist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Weitere Ziele, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der vorliegenden Erfindung sind der nachfolgenden von der Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung zu entnehmen. Hierbei zeigen:
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1A eine perspektivische Ansicht eines Elektromotors
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1B den Schnitt entlang A-A des Elektromotors gemäß 1A
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1C den Schnitt entlang B-B des Elektromotors gemäß 1A
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2 eine Leistungselektronik gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht
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3A die Leistungselektronik gemäß 2 in einer Draufsicht
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3B die Leistungselektronik gemäß 2 in einer Seitenansicht
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4 eine Ausschnitt einer in einen Elektromotor eingebauten Leistungselektronik
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5A Explosionsdarstellung einer Leistungszelle
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5B Draufsicht eines Schnittes einer eingebauten Leistungszelle
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In der 1A wird ein Motor 15, insbesondere eine Elektromotor 15 als gesamte Einheit, umfassend einen Rotor 2, eine Statorbaugruppe 3 (hier nicht gezeigt) sowie eine erfindungsgemäße Leistungselektronik 1 (hier nicht gezeigt), gezeigt. Hierbei handelt es sich um einen Radnabenmotor, der insbesondere als ein Außenläufer ausgebildet ist. Der Rotor 2 umfasst bzw. umschließt hierbei also die Statorbaugruppe 3.
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Die 1B zeigt dabei den Schnitt entlang der Linie A-A, wie in der 1A aufgezeigt ist. Dabei sind deutlich der außenliegende Rotor 2, die weiter innen liegende Statorbaugruppe 3 umfassend einen Stator 4 und einen Kühlkörper 5 sowie die Leistungselektronik 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zu erkennen.
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Die Leistungselektronik 1 umfasst hierbei zumindest eine Leistungszelle 6, ein Controlboard 7 sowie ein Zwischenkreisboard 8, wobei sowohl das Controlboard 7 als auch das Zwischenkreisboard 8 eine im Wesentlichen kreisrunde Ausnehmung 21 aufweisen. Das Controlboard 7 sowie das Zwischenkreisboard 8 sind ebenso im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet.
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Das Zwischenkreisboard 8 dient vorliegend als ein Energiespeicher, um Spannungseinbrüche durch vorhandene Induktivitäten, wie Leitungen und Schaltelemente, kapazitiv auszugleichen. Weiter ist dieses Zwischenkreisboard 8 am Stator 2 und insbesondere an der Statorgrundfläche 13 mittels Befestigungselemente 18 befestigt. Diese Befestigungselemente verbinden die Statorgrundfläche 13 und das Zwischenkreisboard 8 vorzugsweise lösbar miteinander. Denkbar für eine derartige lösbare Verbindung sind Schraubverbindungen.
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Durch die im Wesentlichen kreisförmigen Ausnehmungen 21 des Zwischenkreisboards 8 und des Controlboards 7, die vorteilhaft zentriert um eine Mittelachse 16 angeordnet sind, erstreckt sich eine Welle 19 zusammen mit einer Radnabe 44 und einer zugehörigen Radnabenlagerung 22, wobei der Rotor 2 an der Radnabe 44 gelagert ist. Die Welle 19 wird dabei zumindest teilweise von der Radnabe 44 bzw. der Radnabenlagerung 22 umschlossen Vorteilhaft ist die Welle 19 derart in der Radnabenlagerung 22 angeordnet, dass die Welle 19 im Wesentlichen senkrecht zur Statorgrundfläche 13 ist. Die Radnabenlagerung 22 umfasst dabei vorzugsweise ein Kugellager 20 oder dergleichen, um möglichst wenig Reibung und Spiel aufzuweisen. Selbstverständlich sind auch andere Lagerungen der Welle 19 denkbar, die hier jedoch nicht weiter ausgeführt werden. Darüber hinaus ist die Welle 19 mit dem Rotor 2 kraft- und/oder formschlüssig verbunden.
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Um zu verhindern, dass der Rotor 2 durch eine Unwucht, die beispielsweise durch die Welle 19 hervorgerufen wird, sich unvorteilhaft um die Statorbaugruppe 3 bewegt, umfasst der Stator 2 einen Bereich 23, der den Rotor 2 zusätzlich stabilisiert. Dafür sind ein Endbereich 24 des Rotors 2 und ein Endbereich 25 des Stators miteinander wirkverbunden.
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Darüber hinaus ist in dem Bereich 23 ein Radialdichtring 26 vorgesehen, wobei der Endbereich 25 des Stators Fixierelemente 27 zur Montage des Radialdichtrings 26 aufweist. Diese Fixierelemente 27 sind dabei ein einem Winkel zur Statorgrundfläche 13 angeordnet, vorzugsweise in einem Winkel von 90°. Vorteilhaft weist der Radialdichtring 26 einen Steg 29 auf, der in eine Vertiefung 28 der Statorgrundfläche eingebracht werden kann, wodurch eine bessere und sichere Montage möglich ist.
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Wie weiter aus der 1B gut zu erkennen ist, ist die Statorbaugruppe 3 aus einem Stator 4 und einem Kühlkörper 5 aufgebaut. Der Stator 4 umfasst dabei die Wicklungen 17 des Elektromotors, wobei der Kühlkörper 5 im vorliegenden Fall Kühlkanäle 14 aufweist. Vorteilhaft ist der Stator 4 mit dem Kühlkörper 5 verbunden und steht so zumindest mit dem Kühlkörper 5 in Wärmeaustausch. Vorzugsweise umschließt der Stator 4 den Kühlkörper 5 in radialer Richtung gesehen, so dass also einfach gesagt der Kühlkörper 5 weiter innenliegend angeordnet ist.
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Zwischen dem Stator 4 und dem Kühlkörper 5 ist vorteilhaft eine Kontaktfläche 30 ausgebildet, mittels welcher besonders gut Wärme, die insbesondere von den Wicklungen 17 des Stators 4 erzeugt wird, vom Stator 4 zum Kühlkörper 5 abgeführt werden kann und anschließend von einem in den Kühlkanälen vorhandenen Kühlmedium (hier nicht gezeigt) abtransportiert werden kann.
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Erfindungsgemäß ist die im Elektromotor 15 vorhandene Leistungselektronik 1 ebenfalls mit dem Kühlkörper 5 verbunden und wird durch diesen gekühlt. Vorzugsweise befindet sich die Leistungselektronik 1 in radialer Richtung gesehen noch weiter innenliegend als der Kühlkörper 5. Von der Mittelachse 16 in radialer Richtung gesehen ist also zuerst die Leistungselektronik 1, dann der Kühlkörper 5, der Stator 4 samt Wicklungen 17 und abschließend der Rotor 2 angeordnet.
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Hierdurch wird also der Kühlkörper 5 bivalent, also auf beiden Seiten zur Kühlung verwendet. Auf der radial nach innen gerichteten Seite wird die Leistungselektronik 1 gekühlt, auf der radial nach außen gerichteten Seite der Stator umfassend die Wicklungen 17.
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Durch diese besonders einfache Konstruktion kann so auf einen zusätzlichen Kühlkreislauf, der die Leistungselektronik 1 kühlt, verzichtet werden. Anstelle dessen wird die bereits vorhandene Kühlung bestehend aus dem Kühlkörper 5 zusammen mit den Kühlkanälen 14 zur Kühlung des Elektromotors 15 auch für die Kühlung der Leistungselektronik 1 verwendet. Durch diesen besonders vorteilhaften Aufbau des Elektromotors 15, insbesondere der Leistungselektronik 1, dem Kühlkörper 5 und dem Stator 4 wird eine besonders einfache Kühlgeometrie geschaffen, die auf geringen Raum und geringen Materialeinsatz sowohl die Leistungselektronik 1 sowie den Stator 4 gemeinsam kühlen kann.
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Durch diese Kühlgeometrie kann ebenso der Druckverlust zwischen dem Ein- und Auslass des Kühlmediums minimiert werden sowie das Gewicht des Motors 15 durch ein vermindertes Volumen für das Kühlmedium bei effektiver Wärmeabfuhr reduziert werden.
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Insbesondere kann der Wärmeabtransport von der Leistungselektronik 1 dadurch verbessert werden, wenn zwischen den Leistungszellen 6 und dem Kühlkörper 5 ein flächig ausgebildeter Kontaktbereich 9 ausgebildet ist.
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Dieser Kontaktbereich 9 wird insbesondere dann ausgebildet, wenn der Kühlkörper 5 Aufnahmen 12 aufweist, in der zumindest die Leistungszellen 6 aufgenommen werden können. Besonders vorteilhaft können die Leistungszellen 6 mit der Aufnahme 12 verbunden werden, beispielsweise über eine Schraubverbindung.
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Die Leistungszellen 6 umfassen jeweils einen Leistungshalbleiter, vorliegend beispielsweise ein IGBT-Modul, wobei eben dieser Leistungshalbleiter hauptsächlich Wärme durch Schaltvorgänge und dergleichen Abwärme produziert. Es ist daher sinnvoll, wenn dieser Leistungshalbleiter den flächigen Kontaktbereich 9 mit dem Kühlkörper 5 ausbildet.
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Wie vorliegend aus der 1B ebenso zu erkennen ist, ist das Controlboard 7 parallel zum Zwischenkreisboard 8 und vorteilhaft auch parallel zur Statorgrundfläche 13 ausgebildet, wodurch weiterer Bauraum innerhalb des Elektromotors eingespart werden kann.
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Weiter sind die Leistungszellen 6 an der inneren Mantelfläche 11 der Statorbaugruppe 3 angeordnet, wodurch zwischen den Leistungszellen 6 und dem Kühlkörper 5 ein möglichst großer flächiger Kontaktbereich ausgebildet werden kann, insbesondere dann, wenn die größte Längserstreckung der Leistungszellen 6 parallel zur Längserstreckung der Statorbaugruppe 3 ist. Dies hat also insgesamt die Folge, dass die Leistungszellen 6 im Wesentlichen senkrecht zum Controlboard 7 und/oder senkrecht zum Zwischenkreisboard 8 angeordnet sind.
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Insgesamt wird die Bauhöhe der Statorbaugruppe 3 hauptsächlich durch die Vorgaben an die Leistung bzw. an das zu leistende Drehmoment bestimmt. Diese Forderungen geben die maximale Bauhöhe der Leistungselektronik 1 an, so dass es nötig sein kann, dass die Leistungselektronik 1 möglichst den vorhandenen Bauraum nicht zusätzlich vergrößert. Vielmehr ist es wünschenswert, wenn die Leistungselektronik 1 in den minimal benötigten Bauraum verbaubar ist.
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Weiter vorteilhaft kann der vorhandene Bauraum weiter optimal ausgenutzt werden, wenn außerdem die Leistungszellen 6 im Wesentlichen um den Umfang des Controlboards 7 und/oder um den Umfang des Zwischenkreisboards 8 angeordnet sind.
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In der 1C ist ein Schnitt entlang B-B (siehe 1A) gezeigt. Hierbei ist insbesondere zu erkennen, dass der Leistungshalbleiter, also vorliegend das IGBTModul, über ein oder mehrere am IGBT-Modul befestigte, im Wesentlichen Z-förmige, Kontaktbleche 45 mittels leitender Kontaktschrauben 46 mit dem Zwischenkreisboard 8 zumindest elektrisch verbunden sind.
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2 zeigt eine nicht eingebaute Leistungselektronik 1 gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform. Das Controlboard 7 ist in dieser Figur auf einem Supply-Board 41 montiert. Hier sind zusätzlich zu den Leistungszellen 6, dem Zwischenkreisboard 8 und dem Controlboard diverse Anschlüsse 31, 34, 35 der Leistungszellen zu verschiedenen Bauteilen des Elektromotors zu erkennen.
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Die Leistungszellen 6 sind hierbei elektrisch und/oder elektronisch mittels Anschlüsse 34, 35 über das Supply-Board 41 mit dem Controlboard 7 und mittels Anschlüsse 45, 46 mit dem Zwischenkreisboard 8 verbunden. Außerdem weisen die Leistungszellen 6 Stromausgänge 31 auf, die vorzugsweise mit dem Stator 4 verbunden sind, insbesondere mit den Wicklungen 17.
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Die Stromversorgung der Leistungselektronik 1 wird mittels eines Stromeingangs 37, der mit der Batterie des Fahrzeugs verbunden sein kann, gewährleistet, wobei die Kontakte hierzu vorzugsweise zuerst am Zwischenkreisboard 8 angeordnet sind, so dass die kapazitive Wirkung des Zwischenkreisboards 8 ständig in Kontakt mit der Stromversorgung steht und diese Versorgung auch durch Strom- und/oder Spannungseinbrüche bei Schaltvorgängen des Leistungshalbleiters, dem IGBT 33 der Leistungszellen 6, nicht unterbrochen wird.
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Die Leistungselektronik 1 der 2 ist in der 3A in einer Draufsicht und in der 3B in einer Seitenansicht dargestellt.
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Wie gut aus der 3A zu entnehmen ist, sind das Zwischenkreisboard 8 sowie das Controlboard 7 im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet. Vorzugsweise, wie in der 3A gezeigt, sind die Boards 7, 8 mit mehreren Eckpunkten versehen, die jedoch im Wesentlichen auf einer Kreisbahn angeordnet sind. Deutlich in der Draufsicht ist auch die Ausnehmung 21 für die Welle 19 zu erkennen.
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Wie weiter klar zu erkennen ist, sind die Leistungszellen 6 radial um zumindest eines der Boards 7, 8 herum angeordnet, also entlang des Umfangs des entsprechenden Boards 7, 8 oder der beiden Boards 7, 8.
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Die Leistungszellen 6 können dabei mit dem Zwischenkreisboard 8 und/oder dem Controlboard 7 einen Winkel zwischen 0° und 180° einschließen, wobei der Winkel besonders bevorzugt 90° beträgt, also senkrecht zu dem jeweiligen Board 7, 8 angeordnet ist, da hierdurch der ausgebildete Kontaktbereich zwischen der Leistungszelle 6 und dem Kühlkörper 5 möglichst groß ausgebildet werden kann.
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Zudem ist zu beachten, dass die Leistungszellen nicht äquidistant, also gleichmäßig um zumindest eines der Boards 7, 8 angeordnet sein müssen, eine unregelmäßige Anordnung ist denkbar. Auch ist eine Anordnung möglich, wie sie in der 3A zu sehen ist. Die Leistungszellen 6 sind auf dem Umfang eines der Boards 7, 8. 41 angeordnet, allerdings ist auf dem Supply-Board 41 zwischen zwei Leistungszellen 6 ein Freibereich 47 vorgesehen, in dem das Controlboard 7 angeordnet ist. Vorteilhaft ist dieser Bereich 41 jedoch von Leistungszellen oder anderen Bauteilen freizuhalten, da, wie in 2 und 3B zu erkennen ist, in diesem Bereich der Stromeingang 37 sowie das Controlboard 7 angeordnet ist und somit die Auswirkungen des Stromeingangs 37 auf die Bauteile, insbesondere die Leistungszellen 6, minimiert werden.
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Die Leistungselektronik gemäß 2 oder 3A ist in der 3B in einer Seitenansicht dargestellt. Gleiche Bauteile haben dabei die gleichen Bezugszeichen.
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In der 4 wird ein Ausschnitt einer Leistungselektronik in einem eingebauten Zustand in einer Draufsicht gezeigt. Zu erkennen ist hierbei eine Leistungszelle 6, ein Teil des Kühlkörpers zusammen mit Kühlkanälen 14 sowie Wicklungen 17 des Stators. Die Leistungszelle 6 ist innerhalb einer Aufnahme 12 des Kühlkörpers 5 mit dem Kühlkörper 5 verbunden, so dass ein flächig ausgebildeter Kontaktbereich 9 zwischen Kühlkörper 5 und Leistungszelle 6, insbesondere dem IGBT-Modul 33 ausgebildet ist.
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Der Kühlkörper 6 ist also in radialer Richtung 10 gesehen zwischen der gegenüber dem Kühlkörper 6 weiter innenliegenden Leistungselektronik 1 und dem gegenüber dem Kühlkörper weiter außenliegenden Stator 4 angeordnet. Der Kühlkörper kühlt somit sowohl den Stator 4 als auch die Leistungselektronik 1, was einer bivalenten Kühlung durch den Kühlkörper 5 entspricht.
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Durch diese vorteilhafte Anordnung des Kühlkörpers 5 kann das Gewicht des Elektromotors 15 verringert werden, da kein zusätzlicher Kühlkreislauf für die Leistungselektronik 1 nötig ist, wodurch auch die Menge an benötigten Kühlmedium, dass sich in den Kühlkanälen 14 befindet, reduziert werden kann.
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In den 5A und 5B wird der Aufbau einer Leistungszelle 6 und einer der Leistungszelle 6 entsprechende Aufnahme 12 des Kühlkörpers 5 aufgezeigt.
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In der 5A ist eine Leistungszelle 6 in einer Explosionsdarstellung gezeigt, wobei die Leistungszelle 6 ein Gateboard 32, eine Halterplatte 38, ein Zwischenbauteil 39 sowie ein IGBT-Modul 33 umfasst. Die insgesamte Leistungszelle 6 ist dabei mit einer Aufnahme 12 des Kühlkörpers 5 verbindbar.
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Das Gateboard 32 ist mittels Kontakte 40 mit dem Leistungshalbleiter, insbesondere dem IGBG-Modul 33 elektronisch verbunden, wobei das Gateboard 32 mittels des Anschluss 34 und mittels des Anschluss 35 mit dem Controlboard 7 elektrisch und/oder elektronisch verbunden ist. Das Gateboard 32 steuert den Strom- bzw. Spannungsverlauf des IGBT-Moduls 33, wobei beispielsweise der Anschluss 34 zur Steuerung im LV-Bereich (Low-Voltage Bereich) und der Anschluss 35 zur Steuerung im HV-Bereich (High-Voltage Bereich) vorgesehen sind.
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Die zwischen dem Gateboard 32 und dem IGBT-Modul Halterplatte dient dazu, die Leistungszelle 6 dann in der Aufnahme 12 mit dem Kühlkörper zu verbinden, vorzugsweise lösbar und beispielsweise über Schrauben 42. Die Aufnahme 12 bzw. der Kühlkörper 5 weisen dabei die entsprechenden Schraubenaufnahmen 43 auf.
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Vorzugsweise ist zwischen der Halterplatte 38 und dem IGBT-Modul 33 ein Zwischenbauteil 39 angeordnet, dass zur besseren Montierung der Leistungszelle 6 an sich vorgesehen ist.
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Die 5B zeigt hierbei einen Schnitt durch die eingebaute Leistungszelle 6 in einer Draufsicht.
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Wie auch aus den Figuren, zu erkennen ist, ist es vorteilhaft wenn die Leistungselektronik 1 modular aufgebaut ist, also aus bereits bestehenden Bauteilen Leistungszellen 6, Controlboard 7 und Zwischenkreisboard 8 aufgebaut ist. Hierdurch ist ein besonders einfacher Aufbau der Leistungselektronik 1 möglich, wobei die entsprechenden Komponenten abhängig des Einsatzgebietes des Elektromotors 15 ausgetauscht werden können.
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Vorteilhaft kann die Leistungselektronik 1 wie folgend beschrieben in den Stator 4 bzw. die Statorbaugruppe 3 eingebaut werden. Ausgehend von den bereits vorhandenen und verfügbaren Modulteilen Leistungszelle 6, Controlboard 7 und Zwischenkreisboard 8 wird zunächst vorteilhaft das Zwischenkreisboard 8 an die Statorgrundfläche 13 angebracht. Danach werden die Leistungszellen 6 an die vorzugsweise innere Mantelfläche 11 der Statorbaugruppe 3 angeordnet und die Leistungszellen 6 an dem Zwischenkreisboard 8 angeschlossen. Nachfolgend wird das Controlboard 7 vorzugsweise parallel zum Zwischenkreisboard 8 in die Statorbaugruppe 3 eingebracht und die Leistungszellen 6 ebenso an dem Controlboard 7 angeschlossen.
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Vorteilhaft ist es auch denkbar, die Leistungselektronik 1 bereits vorab zu montieren und als eine Einheit in den Stator 4 bzw. die Statorbaugruppe 3einzubringen. Vorteilhaft weist die Statorbaugruppe 3 und insbesondere der Kühlkörper 5 Aufnahmen 12 auf, in die die Leistungselektronik, insbesondere die Leistungszellen 6, eingebracht werden können.
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Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leistungselektronik
- 2
- Rotor
- 3
- Statorbaugruppe
- 4
- Stator
- 5
- Kühlkörper
- 6
- Leistungszelle
- 7
- Controlboard
- 8
- Zwischenkreisboard
- 9
- Kontaktbereich
- 10
- radiale Richtung
- 11
- innenliegende Mantelfläche
- 12
- Aufnahme
- 13
- Grundfläche
- 14
- Kühlkanal
- 15
- Elektromotor
- 16
- Mittelachse
- 17
- Wicklung
- 18
- Befestigungselement
- 19
- Welle
- 20
- Kugellager
- 21
- Ausnehmung
- 22
- Fassung
- 23
- Bereich
- 24
- Endbereich des Rotors
- 25
- Endbereich des Stators
- 26
- Gleitelement
- 27
- Fixierelement
- 28
- Vertiefung
- 29
- Steg
- 30
- Kontaktfläche
- 31
- Stromausgang
- 32
- Gateboard
- 33
- IGBT
- 34
- Anschluss Zwischenkreisboard
- 35
- Anschluss Controlboard
- 36
- Verbindungselement
- 37
- Stromeingang
- 38
- Halterplatte
- 39
- Zwischenbauteil
- 40
- Kontakt
- 41
- Supply-Board
- 42
- Schraube
- 43
- Schraubenaufnahme
- 44
- Radnabe
- 45
- Kontaktblech
- 46
- Kontaktschraube
- 47
- Freibereich