CN108605415B - 包括用于开关柜的基板的配电板及其采用3d打印工艺的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明总体涉及一种开关柜，该开关柜包括具有至少一个基板的至少一个配电板，电气开关元件设置于基板上并且互相电气连接。特别地，本发明涉及一种用于制造该类型开关柜的方法。根据本发明，尽量采用三维打印技术制造开关柜或其电气部件。

Description

包括用于开关柜的基板的配电板及其采用3D打印工艺的制造 方法
技术领域
本发明总体涉及一种开关柜，该开关柜包括具有至少一个基板的至少一个配电板，用于将电能输送和/或分配到至少一台设备的电气开关元件设置于基板上并且互相电气连接。在这方面，本发明尤其涉及一种用于制造该开关柜的方法。
背景技术
以前制造开关柜的方法包括许多手工处理程序，例如给电路板钻孔、固定电子部件以及连接部件的个别电连接器。这些手工处理程序容易出错并且成本高。此外，在广泛的技术领域内，通常在专门用于制造和组装目的的操作过程中制造和组装开关柜，然后将其运输至使用地点，最大限度的预组装，然后在使用地点通常只将外部组件或设备(诸如由开关柜控制的发动机)连接到起重机(诸如工程起重机、港口起重机或海洋起重机等)。这通常导致较高的运输成本。
在这方面，该开关柜通常包括多个配电板，该配电板水平地和/或竖直地容纳于开关柜外壳中。在这方面，多个开关元件通常安装在基板上，元件彼此之间电连接或有线连接以实现电路逻辑。在这方面，该电路元件或设备可为多种类型，例如开关、按键、诸如显示器或指示灯的显示元件、测量设备、诸如触摸屏、按钮、拨动开关等的输入设备，。特别地，电力电子部件也可用作基板上的开关元件，例如变频器等。保险丝或试验开关也可以为配电板的一部分。
因此该开关柜通常形成或包括在相应空壳内的低压开关装置组合件，其中在大部分情况下，该开关装置组合件包括辅助电路形式的控制部分和主电路形式的电源部分，例如该电源部分包括必需的监测(如保险丝等)。因此，开关柜包括一个或多个低压开关设备与用于控制、测量、报告、保护和管理的相关设备，与所有内部电子机械连接以及设计部分的组合。
在这方面，开关柜具有以下任务：在接收过程中从一个或多个供电方接收电能，以及通过一个或多个电缆或电线将电能分配给其他设备。在这方面，上述主电路包括位于用于输送电能的电路中的开关装置组合件的所有导电部分，而辅助电路包括位于不是上述主电路并且不用于输送任何电能的电路中的开关装置组合件的所有导电部分，用于控制、测量、报告、管理和数据处理。
由专利文献DE 89 02 022 U1、US 2015/0201499 A1、WO 2014/2009994 A2和DE10 2011 100 555 A1可知，采用3D打印和其它涂层工艺制造电路板(至少部分)形式的电子组件。然而与开关柜相比，这样的电路板仅是用于数据处理和控制的电子组件，其不接收电能和将电能输送或分配给相应的用电方。该电路板形式的电子组件最初使用模拟技术制造，然后该技术进一步发展，逐渐地发展到数字技术以及之后的微控制器技术。
与开关柜相比，这样的电路板和电子组件中的电压和功率范围小得多。在用于数据处理和控制的电路板和相似的电子组件中，由于在电子组件中盛行小电压和小功率范围，考虑诸如接触安全、电击或电弧事故等问题是无意义的，而相同的问题在开关柜中通常必须考虑。一方面，由于用于数据处理和控制的电路板和电子组件和用于将电能分配和输送到其他操作组件的开关柜(其中某些具有威胁生命的电压、电击风险和电弧事故)之间的本质差异，另一方面，制造开关柜时需要特别注意和安全措施以应对开关柜的特别风险。特别地，各低压开关设备一个接一个单独被安装和分别被插入。此外，考虑到上述特别风险，采用具有分离安装板和支撑轨的内部结构的特殊构造，并且划分主电路和辅助电路。然而，这由于具有许多部件使得制造复杂，还导致开关柜的装配工人疲劳。
发明内容
本发明基于说明上述类型的改进开关柜及其改进的制造方法的任务，可避免现有技术的缺陷并且利用有利方式进一步改进该技术。特别地，假设可避免与开关柜制造和组装有关的工作和误差敏感性，并且假设使分散制造开关柜成为可能。
根据本发明，该任务通过根据权利要求1的方法和通过根据权利要求15的开关柜实现。本发明的优选实施例是从属权利要求的内容。
因此，建议最大可能使用三维打印技术制造开关柜，该开关柜包括具有用于输送和/或分配电能的开关柜电子组件的开关柜主电路。根据本发明，采用3D打印机利用3D打印方法制造至少一个基板，该基板具有至少一个设置于其上用于输送和/或分配电能的开关元件。在这方面，所述基板和所述开关元件可组合为层结构，其中材料层可使用能量束逐层相继液化和/或固化。例如，可逐层涂覆一层或多层粉状物和/或糊状物和/或液状物材料，并可采用激光束或电子束或等离子束和/或硬化和/或化学反应相应地逐层融化或固化，以形成硬化层。令人惊奇地，采用3D打印技术以足够安全的方式制造功率输送开关设备是可能的，通过功率输送开关设备从一个或多个供电方接收电功率并分配给用电方，以应对开关柜的特殊风险(如电击、过热、爆炸或电弧)。对应之前的期望，甚至具有应该传输电能的电流的开关设备组合件也可以通过3D打印方法按照所需质量要求进行制造。
通过使用3D打印方法的制造方法，可以在或接近使用的地方直接制造打印开关柜或其部分，因为不再需要运输整个开关柜或其基板和/或开关元件，而只传输3D打印所需的制造数据，因此使大幅度地减少运输成本成为可能。此外，可淘汰各种手工组装和制造步骤，尤其与布线相关的步骤，因此可避免相关敏感误差。此外，在配线板的概念和架构中具有明显更大的设计自由。
特别地，在本发明的进一步改进中，开关逻辑可整合入基板中。因此，可避免或者至少极大地减少固定到基板上的电气开关元件的过多接线，因此还可消除与其相关的误差敏感性。特别地，用于连接电气开关元件和设备的电连接线可整合到基板中，其中可采用3D打印机形成所述开关逻辑或所述电连接导体，同时形成基板，这样可在一个工作步骤中制造电路逻辑和基板主体。此外，不仅诸如电阻器、电感器或电容器的较小逻辑部件，而且诸如支撑件、导引件或定位件的电子或机械连接器和结构零件可整合入基板中并采用3D打印制成。
在3D打印过程中连接线的整体构造的替代或附加，通道和/或适应通道可在基板的3D打印过程中形成为腔，电缆、导体或其他电子组件可随后插入该腔内。
根本上，在这方面，只有基板及整合入其中的电路逻辑可通过3D打印机形成，因此代替目前通用的电缆通道建立了硬连接线基板，硬连接线基板可采用自动化方式制造并具有用于信号传输的内部线路。可将市场上买到的开关设备与该基板一起使用，其中，可使用导线产生开关设备与所述基板的连接。然而，可替代地，开关设备或开关元件，特别地，功率传输部件(至少部分)可采用3D打印方式制造，这在下文中将进行解释。
作为本发明的进一步改进，基板可构造成利用3D打印方法由不同材料组成的复合材料板，其中，特别地，目标结构形式的信号传导材料和/或导电材料可嵌入非导电基体材料中。例如，在成品基板中用作导体的铜结构可嵌入非导电基体材料(例如陶瓷材料)中，其中与铜结构一起形成的板主体可逐层构造形成。为此，例如基体材料可以粉状物形式分布在每一层中，具有引导至期望位置的铜颗粒或铜粉，这样在之后的能量束处理中形成层，在该层中铜结构与局部界限同时形成。之后局部界限部分与其下面的层中的铜结构和其上面的待形成的层中的铜结构连接，以形成导体状或线状传导结构等。
基本上开关柜可具有互相连接的多个基板，每个基板具有至少一个开关装置组合件，其中，具有其开关装置组合件的所述基板可水平或竖直地被安装于开关柜中。代替多个基板，也可使用一个大基板，所有的开关元件设置在该大基板上。
如使用多个基板，例如多个基板可形成用作电缆通道的垂直或竖直空间，那么有利地，多个基板可具有用于电连接的终端或其他元件，通过终端或其他元件所述基板可互相连接，其中特别地，所述电连接器可包括信号连接器和/或导电连接器。所述基板的所述电连接部分采用三维打印技术形成是有利的，其中，然而，随后将所述电连接器固定到采用某一其他方式的3D打印形成的基板上也是可能的。所述基板上的所述电连接部分被构造成互相匹配或互相补充，例如阳连接器和阴连接器的形式，以使得在开关柜的组装过程中可将多个基板在电连接部分连接到一起。
有利地，例如还可提供诸如插座连接或终端连接的电气连接，该电气连接位于基板和设置于其上的开关元件之间，特别地，以匹配的连接器(如形成在基板上的插座连接和至少一个电气开关元件)方式连接，并且至少一个电气开关元件可通过与电连接器的简单连接来与基板连接。
有利地，采用3D打印机也可在基板和/或电气开关元件上形成所述电连接器，特别地，在同一工作步骤中还进一步形成基板主体和/或开关元件主体。然而，基本上，可以用传统方式在开关元件上制造电连接器并将其与采用3D打印制造的基板上的电连接器连接，或者反之亦然，可以采用其他制造技术在基板上制造电连接器并将其与采用3D打印制造的开关元件连接。
有利地，不止基板并且至少一个开关元件，优选地以及设置于基板上的几个或所有开关元件，可采用3D打印机利用三维打印方法制造，其中特别地，甚至功率传输开关元件(至少部分)可利用3D打印制造。基于开关元件，采用3D打印制造开关元件还可以只涉及开关元件的一部分，或者如果可行，整个开关元件可采用该方式制造。
如果采用3D打印将开关元件构造成由多种材料组成的复合材料主体是有利的，其中，至少目标结构中的一种信号传导材料和/或热导材料和/或电导材料可以被嵌入到非导电基体材料中。例如，保险丝可被制作成3D打印部件，在该保险丝中电导体被嵌入到非导电基体材料中并逐层构建形成。可代替或附加地，例如压电开关也可以利用3D打印方法制成，在压电开关中在电流作用下发生变形的压电元件采用相应方式逐层被构建。
在本发明的进一步改进中，可采用3D打印将基板和至少一个开关元件中的每一个作为单独部件被制造，随后将其部件相互组装，尤其采用上述的电连接部分进行组装。
在可替代的进一步改进中，还可以提供基板和至少一个开关元件利用3D打印工艺过程逐层构建为一整体，这样固定到基板上的开关元件从基板可以说逐层伸出，和/或基板在开关元件上逐层生长。
使用3D打印技术使得将传导结构引入基板和/或相应开关元件成为可能，基板和/或相应开关元件结构的扩展脱离其嵌入的基体的层结构。特别地，相对于层平面倾斜延伸的导体可以蛇形上下起伏引出，或者也可以穿过多个复合材料层倾斜上升。相对于分层技术，可引入信号传导结构和/或热导结构和/或电导结构，这些结构可在所有三个维度弯曲和/或根据其扩展改变。
附图说明
以下利用示例性实施例和相关附图来对本发明进行详细说明，其中：
图1为内部容纳有配电板的开关柜的立体示意图，每个配电板包括设置在基板上的多个电气开关元件，以及
图2为具有三个开关元件的基板的截面图，该截面图表示容纳在基板内部的开关元件之间的连接导体。
具体实施方式
如图1所示，开关柜1可包括形成为块状的外壳2，例如，如适用的话具有门3，多个配电板4可容纳于该外壳中。其中，可在外壳2内部水平或竖直设置配电板4。
每个配电板4包括基板5，在该基板上设置有多个开关元件6，其中该开关元件6可按照上文描述的方式配置，并且可实现开关技术和/或电力电子学的不同功能。特别地，该开关元件6一起可形成主电路的开关装置组合件，例如，该主电路接收来自于诸如发电机或网络的供电端的电能并将其例如以发动机的形式输送和/或分配给的一个或多个用电方。因此特别地，该开关元件6还可以为功率传送部件。此外，开关元件6也可以形成辅助电路中的开关装置组合件，该辅助电路用于控制、测量、报告、管理和/或数据处理。
如图2所示，特别地，可采用3D打印机利用3D打印技术将基板5构造在多层结构中，其中，例如可以粉状物和/或糊状物和/或液状物的形式逐层涂覆一种或多种材料，并且可以某一其他方式(例如采用诸如激光束的能量束)对该材料进行液化和/或固化和/或烧结和/或化学转化和/或硬化。如图2所示，在这方面包括电连接线9的开关逻辑8可被整合或嵌入到非导电基体材料层7中，其中，该开关逻辑8或其连接导体9以及另外诸如分流器等的开关逻辑元件12(如果适用)可由诸如铜的信号传导材料和/或导电材料，在3D打印过程中形成，之后例如被引导至位于电连接线结构的期望位置处的铜粉轨迹，然后在激光束的能量作用下融化。因此开关逻辑8或其连接线9可逐层形成。
在这方面，电连接器10以有利方式形成在基板5中，还可采用3D打印技术形成在基板5的表面上，并且被构造为与连接导体9连接，其中，该电连接器10可由插座和/或突出插头和/或终端等构成。
待固定到基板5上的开关元件6可具有常规属性，但是如果开关元件6(至少部分)也采用3D打印技术制造则是有利的，其中，电连接器11也可以采用3D打印技术形成在开关元件6上。在这方面，基板5的电连接器10和开关元件6的电连接器11被构造成相互匹配，使得它们可以彼此直接互联以产生连接。在这方面，根据它们的孔型可提供具有不同轮廓和/或尺寸和/或特殊构型的插入式连接器或终端连接器，这样特殊的开关元件6可以只在特殊的位置插入基板或连接基板的特殊的电连接器10，以便正确连接和自动实现开关逻辑。如果后续与线连接的终端固定在两个基板上，为了最小化线路的可能误差，如果各终端的位置使得它们可以通过并联的线路连接则是有利的。
作为该电连接器的替代，则在3D打印制造过程中将至少一个开关元件6与基板5制造为一整体也是可能的。
在这方面，不仅电连接器可设置在开关元件6和相应的基板5之间，而且可替代的或除此之外，相应的电连接器可设置在多个基板5之间，以使得来自多个基板的配电板4可放在一起。在这方面，整合水平安装的基板5和竖直安装的基板5也是可能的。

Claims (16)

1.一种用于制造开关柜(1)的方法，所述开关柜(1)包括：
至少一个具有基板(5)的配电板(4)，用于将电能输送和/或分配到至少一台设备的电力传输元件(6)设置于所述基板(5)上并且互相电气连接；
主电路，所述主电路包括形成至少一个电力传输元件的开关装置组合件并用于从供电方接收电能和将电能输送和/或分配到用电方；
辅助电路，所述辅助电路包括形成开关逻辑的开关装置组合件并用于控制所述主电路，
其特征在于，
所述基板(5)、所述辅助电路的开关逻辑和所述主电路的至少一个电力传输元件采用3D打印机利用3D打印方法形成，其中
所述基板(5)采用3D打印形成为由不同材料组成的复合材料板，目标结构形式的导电材料被嵌入到非导电基体材料中，所述开关逻辑集成到所述基板(5)中，所述开关逻辑在形成基板(5)的同时通过使用3D打印机形成，并且
通过使用3D打印机在所述基板(5)上形成至少一个电连接器，通过使用3D打印机在所述主电路的所述至少一个电力传输元件上形成至少一个电连接器，并且通过将所述电连接器互相连接在一起而将主电路的所述至少一个电力传输元件与基板(5)相连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述供电方为发电机或电网，所述用电方为电动机。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述辅助电路用于控制、测量、报告、管理和/或数据处理。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，将用于连接所述电力传输元件(6)的电连接线(9)整合到基板(5)中，其中在形成基板(5)的同时采用所述3D打印机形成所述电连接线。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述开关柜包含多个互相连接的基板(5)，其中互相匹配的电气连接采用所述3D打印形成在所述基板(5)上，所述基板(5)在所述开关柜组装期间连接到一起。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，采用所述3D打印机将所述基板(5)和其上设置的至少一个电力传输元件(6)形成为一整体。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，至少一个所述电力传输元件(6)采用3D打印形成为的由不同材料组成的复合材料主体，其中目标结构中的至少一个信号传导和/或热导和/或电导材料被嵌入非导电基体材料中。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，所述电力传输元件包括电源转换器、变频器。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述电力传输元件还包括与所述基板(5)连接的至少一个保险丝。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，采用所述3D打印机利用所述3D打印技术制造所述开关柜的外壳的至少一部分，其中采用3D打印而为所述外壳的所述至少一部分提供用于支撑至少一个基板(5)的至少一个支撑件和/或用于引导至少一个基板(5)的至少一个引导件。
11.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，采用分层施工工艺逐层形成至少一个所述基板(5)和/或至少一个所述电力传输元件(6)，其中采用激光束和/或电子束和/或等离子束液化和/或固化所述基板(5)和/或至少一个所述电力传输元件(6)的材料层。
12.一种开关柜，所述开关柜包括：
至少一个具有基板(5)的配电板(4)，在所述基板(5)上设置有电力传输元件(6)，所述电力传输元件(6)用于输送和/或分配电能并且互相电气连接，
主电路，所述主电路包括形成至少一个电力传输元件的开关装置组合件并用于从供电方接收电能和将电能输送和/或分配到用电方；
辅助电路，所述辅助电路包括形成开关逻辑的开关装置组合件并用于控制所述主电路，
其特征在于，
所述基板(5)、所述辅助电路的开关逻辑和所述主电路的至少一个电力传输元件通过3D打印方法使用3D打印机形成，其中
所述基板(5)采用3D打印形成为由不同材料组成的复合材料板，目标结构形式的导电材料嵌入在非导电基体材料中，所述开关逻辑集成到所述基板(5)中，所述开关逻辑在形成基板(5)的同时通过使用3D打印机形成，并且
在至少一个基板(5)上通过采用3D打印而形成有至少一个电连接器，在所述主电路的所述至少一个电力传输元件上通过采用3D打印而形成有至少一个电连接器，并且主电路的所述至少一个电力传输元件与基板(5)之间的连接是通过将所述电连接器互相连接在一起而实现的。
13.根据权利要求12所述的开关柜，其中，所述供电方为发电机或电网，所述用电方为电动机，所述电力传输元件包括电源转换器、变频器。
14.根据权利要求12所述的开关柜，至少一个所述电力传输元件形成为由不同材料组成的复合材料主体，其中目标三维结构中的信号传导和/或导电材料被嵌入非导电基体材料中，其中所述信号传导和/或导电材料的目标三维结构具有从所述非导电基体材料的层结构脱离出的扩展部分。
15.根据权利要求14所述 的开关柜，其中，所述信号传导和/或导电材料的目标三维结构至少在其某些部分具有纵向延展，所述纵向延展与所述非导电基体材料的层平面呈锐角倾斜。
16.根据权利要求12-15中任一项所述的开关柜，其中，所述主电路的至少一个电力传输元件至少部分形成为多层体，所述至少一个电力传输元件的材料层逐层分别固化，集成有所述辅助电路的开关逻辑的所述基板(5)至少部分形成为分层结构，所述基板(5)的材料层逐层分别固化。
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