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Die
Erfindung betrifft ein Gerät.
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Aus
der
DE 197 04 226
A1 ist ein Umrichtermotor bekannt, der einen Kühlköper mit
Kühlfingern zur
Kühlung
der Leistungshalbleiter aufweist.
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Aus
der
DE 196 02 943 sind
Kühlkörper aus Schalenprofilen
bekannt, die ineinander verzahnt ausgeführt sind und daher keine Platte
aufnehmen können.
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Ebenso
aufwendige und ähnlich
kompliziert geformte Kühlkörper sind
aus der
DE 88 15 600 bekannt.
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Aus
der
DE 196 46 004 ist
ein Schaltgerät bekannt,
das zwei Kühlkörper zeigt.
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Aus
der
DE 100 36 234 ist
ein Umrichter mit zwei Kühlkörpern bekannt.
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Unter
Leistungselektronik werden im Folgenden stets Elektronik-Komponenten
verstanden, die Wärme
produzieren.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Gerät die Entwärmung zu
verbessern.
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Unter
Entwärmung
ist in der vorliegenden Schrift Wärmeabfuhr zu verstehen, insbesondere
im Endeffekt vom Objekt an die Umgebung. Darüber hinaus umfasst der Begriff
nicht nur passive Wärmeabfuhr
sondern auch Vorrichtungen und Verfahren, die eine aktive Wärmeabfuhr
zum Inhalt haben, wie beispielsweise ein zwischen das wärmeerzeugende
Objekt und die Umgebung angeordnetes Peltier-Element.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei dem Gerät
nach den in Anspruch 1 oder 2 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wesentliche
Merkmale der Erfindung bei dem Gerät sind, dass es einen Verbraucher
und eine elektronische Schaltung zur Versorgung des Verbrauchers
umfasst,
wobei das Gerät
einen Anschlusskasten umfasst,
wobei die elektronische Schaltung
Signalelektronik und Leistungselektronik umfasst,
wobei zur
Kühlung
der Leistungselektronik zwei Kühlkörper wärmeleitend
verbunden sind,
wobei zwischen einem ersten, die Leistungselektronik
umfassenden Raumbereich und einem dritten, die Signalelektronik
umfassenden Raumbereich eine Wärmesperre
vorgesehen ist,
wobei zwischen dem dritten Raumbereich und
den Kühlkörpern für die Leistungselektronik
eine Wärmesperre
vorgesehen ist.
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Von
Vorteil ist, dass der Anschlusskasten einen Raumbereich bietet,
um die von außen
kommenden Leitungen oder entsprechende Steckverbinder zum Verbinden
mit solchen Leitungen aufzunehmen. Die weiteren Bereiche müssen also
bei der Installation des Gerätes
in einer Anlage nicht geöffnet
werden. Der Raumbereich kann also sogar abgedichtet von den anderen
Bereichen ausgeführt
werden. Besonderer Vorteil ist, dass ein oder mehrere andere Bereiche
vergossen ausgeführt
werden können.
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Von
Vorteil ist bei der Erfindung auch, dass zwei Kühlkörper verbunden sind und somit
zwischen die beiden Kühlkörper eine
Platine einbringbar und montierbar ist. Daher sind ganz andere Geometrieen ermöglicht als
mit einer einstückigen
Ausgestaltung der Kühlkörper. Insbesondere
kann durch die Ausformung der Kühlkörper Signalelektronik
zumindest teilweise gehäusebildend
umfasst und geschützt
werden und trotzdem die Signalelektronik auf einer größeren Leiterplatte
angeordnet werden als in den umfassten Raumbereich hineinpasst.
Bei einer einstückigen
Ausführung
wäre dies
unmöglich
montierbar. Außerdem
kann nun auf der gleichen großen
Leiterplatte auch Leistungselektronik zusätzlich montiert werden. Da
die Raumbereiche getrennt sind, ist die Entwärmung ebenfalls getrennt möglich. Somit
sind die beiden Sorten von Elektroniken auf verschiedenen Temperaturniveaus
haltbar.
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Dass
die Platine zwischen den Kühlkörpern angeordnet
ist, ermöglicht
es, dass die Platine mechanisch gehalten wird, wenn die beiden Kühlkörpern verbunden
werden. Sie kann sozusagen beispielsweise eingeklemmt werden zwischen
den beiden Kühlkörpern.
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Somit
erfüllen
die beiden Kühlkörperteile nicht
nur Wärmeabfuhr-Funktion
für die
Leistungselektronik der zwischen ihnen angeordneten Platine sondern
auch mechanische Haltefunktion und darüber hinaus sogar teilweise
Gehäuse-Funktion.
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Dass
die Platine zur Aufnahme der Leistungselektronik und der Steuerelektronik
ausgeführt ist,
ermöglicht
es, dass eine besonders kostengünstige
und einfache Fertigung sowie Montage ermöglicht ist. Dabei ist es besonders
vorteilhaft, wenn die Leistungselektronik als Leistungsmodul ausgeführt ist,
das die elektronischen Leistungshalbleiterschalter umfasst. Beispielsweise
sind dies die IGBT und Leistungsdioden eines Spannungszwischenkreisumrichters.
Das Modul ist direkt wärmeleitend
ankoppelbar an die beiden Kühlkörper. Selbstverständlich sind alternativ
auch Einzelhalbleiter verwendbar und direkt ankoppelbar an die jeweiligen
Kühlkörper zur Entwärmung der
Leistungselektronik.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein zwischen Verbraucher und
elektronischer Schaltung angeordneter Anschlusskasten vom Gerät umfasst, der
zum Verbraucher hin eine Wärmesperre
umfasst, insbesondere eine Wärmesperre
gegen konvektiv transportierte Wärme
und gegen Strahlungswärme. Von
Vorteil ist dabei, dass der Wärmebereich
des Verbrauchers und der Elektronik trennbar sind und somit keine
Beeinflussung der maximal umsetzbaren Leistung erfolgt.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst ein erster der Kühlkörper zur
Kühlung
der Leistungselektronik zum Verbraucher hin gerichtete Kühlelemente.
Von Vorteil ist dabei, dass der zur Verfügung stehende Platz gut ausgenutzt
wird und bei Anregung von Luftströmen durch Erwärmung des
Verbrauchergehäuses
auch ein Luftstrom durch diesen Kühlkörper angeregt und/oder verstärkt wird.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der zweite Kühlkörper zur
Kühlung
der Leistungselektronik vom Verbraucher weg orientierte Kühlelemente
und/oder weitere Kühlelemente
an Seitenwänden.
Von Vorteil ist dabei, dass alle Gehäusebereiche zur Kühlung verwendbar
sind und somit die Oberfläche
zur Umgebungsluft möglichst
groß ausführbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Gehäuseteil, insbesondere ein Deckel,
zur Kühlung der
Signalelektronik vorgesehen, wobei zwischen Deckel und erstem Kühlkörper eine
Wärmesperre angeordnet
ist. Von Vorteil ist dabei, dass der Deckel ebenfalls mit Kühlelementen
in geeigneter Weise ausstattbar ist und somit eine gute Kühlung der
Signalelektronik erreichbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kühlelemente als Kühlrippen
und/oder Kühlfinger ausgeführt. Von
Vorteil ist dabei, dass isotrop wirkende Kühlelemente verwendbar sind.
Denn bei Kühlfingern
bildet sich unabhängig
von der Ausrichtung des Geräts
ein fast gleich großer
Luftstrom aus und die Kühlung
ist bei allen Orientierungsrichtungen ähnlich gut.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Wärmesperren Dichtungen zum Herstellen von
dichten Verbindungen, also Verbindungen in hoher Schutzart, zwischen
gehäusebildenden
Teilen. Von Vorteil ist dabei, dass keine zusätzlichen Teile zum Herstellen
von Dichtheit, also auch hoher Schutzart notwendig sind und somit
eine möglichst kompakte
und kostengünstige
Bauweise erreichbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind im Gehäuse des Anschlusskastens Kabelverschraubungen
und/oder Steckverbinderteile vorgesehen. Von Vorteil ist dabei,
dass die elektrischen Versorgungskabel in diesem Bereich verbindbar
sind mit den Leitungen zum Verbraucher hin und/oder mit den Leitungen
zur Elektronik hin. Außerdem
ist eine Schnittstelle geschaffen zur Verbindung von Leitungen von
der Leistungselektronik mit Leitungen des Verbrauchers.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Signalelektronik und Leistungselektronik
auf derselben Leiterplatte angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass keine
weiteren Leiterplatten notwendig sind und die Fertigung und der
Einbau der Elektronik schnell und einfach ausführbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Verbraucher einen
Elektromotor und die Elektronik einen Umrichter. Von Vorteil ist
dabei, dass ein Umrichtermotor mit den genannten Vorteilen ausbildbar
ist.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Wesentlicher
Unterschied zur
DE 100 36 234 ist
bei der vorliegenden Erfindung, dass die Signalelektronik über den
Deckel
1 entwärmt
wird. Die Kühlkörper
9 und
6 entwärmen beide
die Leistungselektronik. Zusätzlich
ist die Platine zur Aufnahme der Leistungselektronik zwischen diese
beiden Kühlkörper eingeklemmt
gehalten. Hingegen wird die Leistungselektronik bei der
DE 100 36 234 von nur einem einzigen
und die Signalelektronik ebenfalls von einem Kühlkörper entwärmt. Einen „Deckel
1" zur Entwärmung im
Sinne der vorliegenden Erfindung gibt es dort nicht.
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Die
Erfindung wird nun mit Beschreibung und unter Verwendung von Abbildungen
näher erläutert:
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In
der 1 ist ein Querschnitt durch den Umrichterbereich
eines erfindungsgemäßen Geräts, beispielhaft
eines Umrichtermotors, schematisch derart skizziert, dass die wesentlichen
Temperaturzonen ersichtlich sind, wobei der unter dem Anschlusskasten
sich befindende Motorbereich weggelassen ist. Dabei sind Einzelheiten
weggelassen. Der Motorbereich weist einen Temperaturbereich auf
und ist unterhalb des Temperaturbereiches 5 der 1 vorgesehen.
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In 4 ist
eine Explosionszeichnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. 3 zeigt einen
zugehörigen
Querschnitt und 2 einen dazu senkrecht angeordneten
Schnitt. Dabei sind nur wesentliche oder große elektronische Bauteile angedeutet.
Elektrische Leitungen sind ausgeblendet.
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Der
Umrichter speist den Motor und ist mit Drehstrom versorgt.
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Der
Deckel 1 ist über
das Kunststoffteil 2 mit angespritzter Dichtung thermisch
vom Kühlkörper 3 entkoppelt.
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Der
Deckel 1 dient zur Entwärmung
der in der Signalelektronik 41 entstehenden Verlustleistung und
ist mit Kühlrippen
ausführbar.
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Die
Deckelinnenseite ist vorzugsweise nicht mit einem thermischen Isolator
beschichtet, um über natürliche Konvektion
den Bereich der Temperaturzone 3 besser entwärmen zu
können,
also den Bereich um die Signalelektronik herum.
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Die
Temperaturzonen sind als Raumbereiche in 1 dargestellt.
Dabei umfasst die Temperaturzone 4 den Deckel 1,
die Temperaturzone 5 den Innenbereich des Anschlusskastens,
also Klemmenkastens. Die Temperaturzone 1 umfasst die Leistungselektronik
und weist somit die höchste
Temperaturen auf. Temperaturzone 2 bezieht sich auf den Kühlkörper zur
Entwärmung
der Leistungselektronik. Die Signalelektronik ist in der Temperaturzone 3 angeordnet.
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Die
Temperaturzone 1 ist für
Leistungselektronik vorgesehen, also Bauteile mit Temperaturzulassung
bis 125°C.
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Die
Temperaturzone 2 ist für
die Kühlkörper, welche
zur Entwärmung
der Leistungselektronik vorgesehen sind, vorgesehen.
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Die
Temperaturzone 3 ist für
Signalelektronik vorgesehen, also Bauteile mit Temperaturzulassung bis
85°C.
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Die
Temperaturzone 4 ist für
Entwärmung der
Signalelektronik vorgesehen. Der Deckel führt dabei gleichzeitig gehäusebildende
und einem Kühlkörper entsprechende,
wärmeabführende Funktion aus.
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Die
Temperaturzone 5 ist für
Anschlusselemente, wie Kabel, Steckverbinderteile und dergleichen,
vorgesehen.
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Das
Kunststoffteil 2 isoliert die Signalelektronik, die sich
in der Temperaturzone 3 befindet, thermisch von den zur
Entwärmung
des Endstufenmoduls verwendeten Kühlrippen des Kühlkörpers 3.
Die Wände
des Kunststoffteiles 2 sitzen auf der Platine 4 mit
Signalelektronik 41 auf, wodurch ein geschlossener Luftraum
gebildet wird, der der Luft nur eine Zirkulation zwischen Signalelektronik
und Innenseite des Deckels 1 ermöglicht.
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Das
Kunststoffteil 2 weist eine eingespritzter Dichtung auf
und vereint damit einerseits die genannte Bildung eines Luftraumes
für die
Signalelektronik und andererseits die Dichtungsfunktion für das dichte Verbinden
des Deckels 1 mit dem Kühlkörper 3,
also die Ausführung
des Umrichtermotors in hoher Schutzart.
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Die
Platine 4 wird mit nach oben gerichtetem Endstufenmodul 11 am
Hauptkühlkörper 3 montiert und
thermisch mit geringem Wärmeübergangswiderstand
verbunden. Das Endstufenmodul enthält Leistungshalbleiter, die
eine große
Verlustwärme
erzeugen. Daher muss die Verbindung thermisch gut ausgeführt sein.
Zusätzlich
werden ein oder zwei Brems-Chopper-Halbleiter
thermisch gut an den Hauptkühlkörper angeschlossen.
Mittels der Brems-Chopper
ist die Zwischenkreisspannung des Umrichters beeinflussbar. Zur
Kühlung
dieser Brems-Chopper-Halbleiter kann der von der Endstufe genutzte
Seitenbereich 9, die Vorderseitenbereich 10 oder
es können
diese beiden Seiten gemeinsam genutzt werden.
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Das
Kunststoffteil 5 mit Dichtung dient ebenfalls zur thermischen
Entkopplung der Temperaturzone 3, die Dichtung ist aber
so ausgeführt,
dass der Kühlkörper 6 thermisch
gut an den Hauptkühlkörper 3 angebunden
ist. Dazu ist am Kunststoffteil 5 ein Bereich 22 der
Dichtung dünn
gestaltet. Auf diese Weise ist der Wärmeübergangswiderstand zwischen
den beiden Kühlkörpern 3 und 6 gering.
In einem anderen Bereich 23 der Dichtung des Kunststoffteils 5 ist
eine größere Dicke
vorgesehen, die eine sichere Abdichtung ausführbar macht. Eine weitere Dichtung 20 ist darunter
angebracht am Kunststoffteil 5.
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Das
Kunststoffteil 5 weist wiederum Seitenwände 21 auf, die die
Platine 4 der Signalelektronik 41 von unten berühren und
somit auch keine Luftzirkulation zwischen Signalelektronik 41 und
Kühlkörper 6 bewirken.
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Die
Kühlrippen
oder Kühlfinger
des Kühlkörpers 6 sind
nach unten, also zum Motorgehäuse
hin, gerichtet und scheinen durch die Orientierung nach unten auf
den ersten Blick nicht wirksam zu sein. Durch den Sog des Luftstroms
der seitlichen Rippen trägt
aber das zwischen dem Motor und dem Kühlkörper 3 entstehende
Volumen spürbar
zur Entwärmung bei.
Die Kühlkörper 3 und 6 könnten aus
kühltechnischer
Sicht als ein zusammenhängendes
Element konstruiert sein. Durch die Trennung von 3 und 6 ist aber
eine bessere Montagemöglichkeit
der Teile 4 und 5 erreicht. Außerdem ist die Herstellung
der Kühlkörper 3 und 6 in
Aluminium-Sandguss oder -Druckguss technisch und wirtschaftlich
von Vorteil. Auch der Klemmenkastenrahmen 7 ist auf diese
Weise herstellbar.
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Der
Klemmenkastenrahmen 7 und die Klemmenkastengrundplatte 8 bilden
die Temperaturzone 5, die durch die berippte oder unberippte
Außenfläche des
Klemmenkastens gekühlt
wird. Dabei ist Klemmenkasten eine andere Bezeichnung für Anschlusskasten.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
dient dieser Anschlusskasten zur Aufnahme von Anschlussvorrichtungen
für die
Verbindung der elektrischen Leitungen des als Elektromotor ausgeführten Verbrauchers
mit den von außen
in oder an den Anschlusskasten herangeführten elektrischen Leitungen.
Dabei umfassen die Leitungen Versorgungsleitungen und je nach Motor
Leitungen zur Versorgung der elektromagnetisch betätigbaren
Bremse des Motors. Die Erfindung betrifft also auch Geräte, die
sich in der Art des Motors unterscheiden.
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Wesentlich
ist also bei der Erfindung, dass die Kunststoffteile Lufträume schaffen
und daher der Luftaustausch zwischen verschiedenen Temperaturzonen
behindert wird. Außerdem
sind zur Kühlung der
Endstufe zwei Kühlkörper vorgesehen,
die miteinander thermisch gut leitend verbunden sind. Dabei weist
der erste Kühlkörper Kühlfinger
zum Motor hin auf und der zweite Kühlkörper weist Kühlfinger nach
oben auf sowie Kühlrippen
an den Seitenwänden.
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Mittels
der Wärmesperren
ist eine Einhaltung der zulässigen
Maximaltemperaturen erreichbar. Mit den Wärmesperren sind gleichzeitig
Dichtungsfunktionen ausführbar.
Somit sind keine zusätzlichen
Dichtungselementen notwendig.
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Der
erfindungsgemäße Umrichtermotor
ist somit als sehr kompaktes Gerät
ausbildbar. Dabei ist der Motor als Drehstrom-Asynchronmotor ausgeführt und
der Umrichter mit Drehstrom versorgt. Der Umrichter versorgt den
Motor unter Verwendung eines spannungsgeführten Pulsweitenmodulationsverfahren.
In weiteren Ausführungsbeispielen
sind auch andere Motoren, wie Synchronmotoren, einsetzbar. Es sind
als Umrichter auch Direktumrichter oder Spannungszwischenkreisumrichter
verwendbar.
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Bei
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
ist der Verbraucher nicht direkt unter dem Anschlusskasten montiert
sondern weit weg in der Anlage vorgesehen. Somit ist der Anschlusskasten
dann nach unten geschlossen ausbildbar und die elektrischen Verbindungen
sind durch Ausnehmungen im Gehäuse
des Anschlusskastens, insbesondere im Anschlusskastenrahmen, hindurchführbar – vorteiligerweise
durch PG-Verschraubungen. Der Begriff des Geräts ist in diesem Fall also
sehr weit zu sehen.
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Bei
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
ist das Endstufenmodul nach unten in Richtung des Kühlkörpers (6)
montiert.
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Bei
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
mit einer Zwei-Modul-Lösung,
also zwei Endstufenmodulen, oder mit einer diskreten Realisierung
der Endstufen-Halbleiter anstatt eines integrierten Moduls werden
der Kühlkörper 3 an
den Seiten 9 und 10 sowie der Kühlkörper 6 gleichzeitig
als Kontaktfläche
genutzt, um die Wärme
besser spreizen und die Halbleitertemperaturen damit senken zu können. Bei
der Zwei-Modul-Lösung
kann ein Modul auf dem Hauptkühlkörper 3,
das zweite Modul auf dem Kühlkörper 6 montiert
werden. Beim diskreten Aufbau der Endstufenansteuerung kann eine
Aufteilung der Leistungshalbleiterschalter auf die Kühlkörper 3 und 6 erfolgen.
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In
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
ist der Deckel 1 auch mit Kühlfingern ausführbar. Außerdem ist
der Wärmeübergangswiderstand
zwischen Signalelektronik 41 und Innenseite des Deckels 1 verringerbar,
indem ein Lüfter
eingebracht wird, der die Luft zwischen Deckelinnenseite und Signalelektronik 41 verwirbelt
und somit den Wärmetransport
weiter verbessert.
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Bei
weiteren ertindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
ist statt eines Umrichtermotors auch eine andere Vorrichtung verwendbar,
die auf einem Anschlusskasten aufgesetzt wird und Signal- und Leistungselektronik
umfasst. Statt des Elektromotors kann auch ein anderer Motor, beispielsweise
Verbrennungsmotor, oder eine andere Komponente unter dem Anschlusskasten
angeordnet werden.
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Statt
auf Umrichtermotoren ist die Erfindung auch auf weitere, völlig verschiedene
Geräte
anwendbar, die Leistungs- und Signalelektronik umfassen sowie Kühlkörper. Dadurch,
dass die Leiterplatte zwischen die Beiden Kühlkörpern anordenbar ist, ist es
nun ermöglicht,
dass eine mechanische Haltefunktion für die Leiterplatte und eine
Kühlfunktion
für die
Leistungselektronik-Bauelemente von den selben Kühlkörpern ausgeführt werden,
wobei die Leistungselektronik-Bauelemente auf der Leiterplatte selbst
angeordnet und gehalten sind. Insbesondere ist dabei einer der Kühlkörper auf
der einen Seite der Leiterplatte anordenbar und der andere auf der
anderen Seite. Auf diese Weise ist auch eine beidseitige Entwärmung der
Leistungselektronik-Bauelemente ausführbar. Unterhalb des unteren
Kühlkörpers ist dann
ein Anschlusskasten anordenbar, der mechanisch zwischen dem Verbraucher
und dem unteren Kühlkörper angeordnet
ist. Der Verbraucher ist beliebig ausführbar, beispielsweise als Pumpe,
Elektromotor, Ventil, Linearantrieb, Elektromagnet oder elektromagnetisch
betätigbare
Bremse oder dergleichen.
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- 1
- Deckel
- 2
- Kunststoffteil
- 3
- Kühlkörper
- 4
- Platine
- 5
- Kunststoffteil
mit Dichtung
- 6
- Kühlkörper
- 7
- Klemmenkastenrahmen
- 8
- Klemmenkastengrundplatte
- 9
- Seitenbereich
- 10
- Vorderseitenbereich
- 11
- Endstufenmodul
- 20
- Dichtung
- 21
- Isolierwand
- 22
- Dichtung,
dünn ausgeführt
- 23
- Dichtung,
dicker ausgeführt
- 30
- Kabeldurchführung
- 41
- Signalelektronik