-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Steuergerät und insbesondere
einen elektronischen Stromrichter. Der Begriff Stromrichter wird
dabei als Überbegriff
für beispielsweise Wechselrichter,
Gleichrichter, Umrichter oder dergleichen verstanden.
-
Derartige
Steuergeräte
sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt. Dabei ist es
auch bekannt, dass Halbleiterkomponenten dieser Steuergeräte eine
hohe Wärmeentwicklung
aufweisen und daher gekühlt
werden müssen.
Solche Steuergeräte, die
auch als HCS01.1-Geräte
bezeichnet werden, können
dabei in den unterschiedlichsten Bereichen zum Einsatz kommen. Daher
werden an diese Geräte
unterschiedliche Anforderungen gestellt, die teilweise auch zu unterschiedlichen
Wärmeentwicklungen
der jeweils beteiligten elektronischen Komponenten führen.
-
Um
auf diese Weise die unterschiedlichsten Anforderungen abdecken zu
können,
wäre es
wünschenswert,
derartige Steuergeräte,
insbesondere einschließlich
ihres Gehäuses,
so auszuführen,
dass mit wenigen unterschiedlichen Teilen verschiedene Kühlungsmöglichkeiten
und Schutzklassen abgedeckt werden können. So wäre es beispielsweise wünschenswert,
die Kühlung
etwa eines Transistermoduls auf unterschiedliche Weise zu erreichen,
beispielsweise auch die Schutzklasse IP54 anstatt der Schutzklasse
IP20 zu erreichen und dies insbesondere mit wenig anderen bzw. zusätzlichen
Bauteilen. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
derartige elektronische Steuergeräte möglichst vielseitig, insbesondere
im Hinblick auf unterschiedliche Kühl- und Schutzklassen, zu konfigurieren.
-
Dies
wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand von Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Ein
erfindungsgemäßes elektronisches Steuergerät und insbesondere
ein Stromrichter weist ein Gehäuse
und eine Vielzahl von innerhalb des Gehäuses angeordneten elektronischen
Bauelementen auf. Weiterhin ist im Inneren des Gehäuses ein
Halbleiterelemente aufweisendes Steuermodul vorgesehen, wobei dieses
Steuermodul in elektrischem Kontakt mit wenigstens einem außerhalb
des Steuermoduls und gleichzeitig innerhalb des Gehäuses angeordneten
elektronischen Bauelement steht und derart in dem Gehäuse angeordnet
ist, dass es mit einem außerhalb
des Gehäuses
vorgesehenen Kühlkörper in
thermischen Kontakt bringbar ist. Erfindungsgemäß sind das Gehäuse und
das Steuermodul derart ausgebildet, dass sie mit unterschiedlichen
Kühlkörpern verbindbar
und in thermischen Kontakt bringbar sind.
-
Es
wird damit erfindungsgemäß vorgeschlagen,
dass viele oder die meisten Bauteile für alle unterschiedlichen Geräteklassen
einer Leistungsstufe gleich bleiben und nur wenige unterschiedliche
Bauteile verwendet werden. Vorzugsweise ist das besagte Steuermodul
in einem Randbereich des Gehäuses angeordnet,
um auf diese Weise den Kühlkörper thermisch
kontaktierten zu können.
Dieses Steuermodul ist dabei insbesondere ein Transistermodul, welches
im Betrieb eine hohe Wärmeentwicklung aufweist.
Bei dem Kühlkörper kann
es sich dabei um unterschiedliche Kühlkörper handeln, beispielsweise Kühlrippen
aufweisende Kühlkörper, Kühlplatten
und dergleichen. Durch diese variable Einsetzbarkeit kann eine Anpassung
des Gerätes
an unterschiedlichste Anforderungen erreicht werden.
-
Vorteilhaft
ist an dem Steuermodul unmittelbar eine Kontaktplatte angeordnet,
die in einer zu einer Kontaktebene zwischen der Kontaktplatte und dem
Steuermodul parallelen Ebene einen größeren Querschnitt aufweist
als das Steuermodul. Dies bedeutet, dass die Kontaktplatte bereits
eine gewisse Kühlfläche zur
Verfügung
stellt und unmittelbar mit dem Steuermodul, beispielsweise über eine Schraubverbindung,
verbunden ist. Insbesondere stehen daher das Steuermodul und die
Kontaktplatte in thermischem Kontakt miteinander.
-
Vorzugsweise
ist dabei die Kontaktplatte zumindest teilweise und bevorzugt vollständig von
Rändern
des Gehäuses
eingefasst. Dies bedeutet, dass die Ränder die besagte Kontaktplatte,
die wiederum Bestandteil eines Trägers sein kann, umgeben und vorzugsweise
auch an dieser Kontaktplatte von allen Seiten her anliegen.
-
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Kontaktplatte
an einem Träger
ausgebildet, der einen größeren Querschnitt
aufweist, als die Kontaktplatte selbst. Dabei weist bevorzugt der
Träger
auch einen größeren Querschnitt
auf als das Gehäuse.
Dies bedeutet, dass das Gehäuse
beispielsweise mit Rändern
an dem Träger
anliegen kann und gleichzeitig die oben erwähnte Kontaktplatte aufnimmt.
Vorzugsweise ist die Kontaktplatte einteilig mit dem Träger ausgebildet,
so dass auf diese Weise ein besonders günstiger Wärmeübertrag von der Kontaktplatte
in den Träger
möglich
ist. Vorzugsweise ist die Kontaktplatte vollständig von dem Träger eingefasst
bzw. der Träger
steht nach allen Richtungen in der Ebene der Kontaktplatte oder
parallel zu dieser Ebene über
die Kontaktplatte hinaus.
-
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist an dem Träger einteilig
ein Kühlelement angeordnet.
Bei diesem Kühlelement
kann es sich, wie oben erwähnt,
um ein Kühlrippen
aufweisendes Element oder auch einen plattenartigen Kühlkörper handeln.
-
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Träger an einer
Halterung angeordnet. Diese Halterung kann dabei beispielsweise
zur Wandmontage dienen, an dieser Halterung können jedoch auch andere Elemente,
wie beispielsweise Bremswiderstände
angeordnet sein.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform weist
der besagte Träger
oder die Halterung ein Loch auf, durch welches ein Bereich des Trägers führbar ist.
Dabei weist vorzugsweise dieses Loch einen solchen Querschnitt auf,
dass ein Abschnitt des Trägers durch
dieses Loch führbar
ist und ein anderer Abschnitt des Trägers nicht durch dieses Loch
führbar ist.
Vorzugsweise ist der Bereich des Trägers, an dem die Kontaktplatte
anliegt, nicht durch das Loch führbar,
jedoch der eigentliche Kühlkörper ist
durch dieses Loch führbar,
so dass eine räumliche
Trennung zwischen dem oben erwähnten
Gehäuse
und dem Kühlkörper. (insbesondere
durch den Träger)
erreicht wird. Dabei ist vorzugsweise die besagte Halterung vollständig außerhalb
des Gehäuses
angeordnet.
-
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist an der Halterung
auch ein Bremswiderstand angeordnet. Bei dem Bremswiderstand handelt es
sich um ein Bauteil, welches im Falle einer Bremsung Ströme aufnehmen
kann und sich dadurch erwärmt.
Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, auch diesen Bremswiderstand
außerhalb
des Gehäuses und
bevorzugt auch in der Nähe
des Kühlkörpers anzuordnen.
-
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist an der Halterung
ein weiterer Träger zum
Halten von außerhalb
des Gehäuses
angeordneten Bauteilen angeordnet. Bei diesen weiteren Bauteilen
kann es sich beispielsweise um Lüfter
handeln, aber auch um Kontaktstellen, um das Gehäuse bzw. die elektronischen
Bauelemente innerhalb des Gehäuses
von außen
elektronisch kontaktieren zu können.
-
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist an der Halterung
eine Abdeckung angeordnet, welche das Gehäuse vollständig umgibt. Durch diese Abdeckung
kann ein verbesserter Schutz für
die Bauelemente und auch zusätzliche
außerhalb
des Elektronikgehäuses
angeordnete Bauteile erreicht werden.
-
Weitere
Vorteile und Ausführungsformen
ergeben sich aus den beigefügten
Zeichnungen:
-
Darin
zeigen:
-
1a–1c ein
elektrisches Steuergerät in
einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
-
2a–2g unterschiedliche
Montagestufen eines erfindungsgemäßen Steuergeräts in einer
zweiten (1a–1c ist
die erste!) Ausführungsform;
-
3a–3e unterschiedliche
Montagestufen eines erfindungsgemäßen Steuergeräts in einer
dritten Ausführungsform;
-
4a–4e unterschiedliche
Montagestufen eines Steuergeräts
in einer vierten Ausführungsform.
-
Die 1a–1c zeigen
ein erfindungsgemäßes Steuergerät 1 in
einer ersten Ausführungsform.
Dieses Steuergerät 1 weist
ein Gehäuse 2 auf, in
dessen Innerem elektronische Bauteile und insbesondere auch Halbleiterelemente
angeordnet sind. Dieses Gehäuse 2 ist
dabei an einer Halterung 20 angeordnet und diese Halterung 20 wiederum
weist auch eine Kühleinrichtung 14 auf.
Damit entspricht dieses Gerät
einem Kühlsystem
und einer Schutzklasse.
-
Bei
der in den 1a bis 1c gezeigten Ausführungsform
sind die gleichen Gehäuseschalen wie
bei den anderen Ausführungen
eingesetzt und damit werden Gleichteile verwendet. Die Platinen und
das Transistormodul sind ebenfalls Gleichteile. Das Steuergerät weist
weiterhin eine (nicht gezeigte) Kontaktplatte sowie ein (nicht gezeigtes)
Halteelement (welches das Gehäuse
bzw. elektronische Elemente gegenüber dem Träger hält) auf. Diese sind bei dieser
Ausführung
ebenfalls am Kühlkörper vorhanden.
-
Bei
der in den 1a–1c gezeigten Ausführungsform
handelt es sich um eine Geräteausführung in
Schutzklasse IP20 (für
Schaltschrankeinbau). Das Kühlsystem
besteht aus dem Kühlkörper 14 mit
Rippen, einem Lüfter
und einem Lüfterhalter
bzw. Lüftergehäuse. Zusätzlich ist
an den Kühlkörper 14 (hier
rückseitig)
ein Bremswiderstand in IP20-Ausführung
angeschraubt.)
-
Die 2a–2g zeigen
ein erfindungsgemäßes Steuergerät 1 in
unterschiedlichen Montagestufen. Dabei bezieht sich auch hier das
Bezugszeichen 2 (vgl. 2f) auf
ein Gehäuse,
in dessen Innerem elektronische Bauteile angeordnet sind. Zu diesen
elektronischen Bauteilen gehört
u. a. ein Steuermodul 6 bzw. Transistormodul, welches eine
hohe Wärme
entwickelt. Damit ist eine Kühlung
insbesondere dieses Steuermoduls 6 (vgl. 2d)
erforderlich.
-
Weiterhin
ist es möglich,
für die
unterschiedlichsten Geräte
und Bauklassen jeweils die gleichen Gehäuse 2 anzusetzen und
jeweils nur unterschiedliche Ausführungsform hinsichtlich der
Halterungen oder Kühlkörper zu
verwenden. So zeigt 2a eine Halterung 20,
welche Montageelemente bzw. Öffnungen 32, 33 aufweist,
um die Halterung 20 beispielsweise an einer Wand anzuordnen.
-
Das
Bezugszeichen 28 bezieht sich auf Verbindungselemente,
um an der Halterung 20 weitere Bauteile, wie beispielsweise
ein Kühlelement 14 (vgl. 2b),
anzuordnen. Das Bezugszeichen 26 bezieht sich auf einen
Bremswiderstand, der ebenfalls an der Halterung 20 angeordnet
ist und zwar derart, dass im zusammengebauten Zustand dieser Bremswiderstand 26 außerhalb
des Gehäuses
und in dem gekühlten
Bereich der Halterung angeordnet ist. Das Bezugszeichen 22 bezieht
sich auf eine in der Halterung angeordnete Öffnung zum Durchführen eines
in 2b gezeigten Kühlelementes 14.
-
Das
Kühlelement 14 ist
wiederum an einem Träger 12 angeordnet
und weiterhin ist an diesem Träger 12 eine
Kontaktplatte 8 angeordnet, welche im zusammengebauten
Zustand das in 2d gezeigte Steuermodul 6 kontaktiert.
Genauer ist im zusammengebauten Zustand die Kontaktplatte 8 mit dem
Steuermodul 6 verschraubt. Das Bezugszeichen 13 bezieht
sich auf Halteelemente, welche das Gehäuse bzw. elektronische Elemente
gegenüber dem
Träger
halten.
-
2c zeigt
einen Zustand, in dem der Träger 12 in
die Halterung 20 eingebaut ist. Das Bezugszeichen 40 bezieht
sich auf eine flexible Flachdichtung z. B. aus Perbunan oder Viton.
Das Bezugszeichen 34 kennzeichnet in die Halterung 20 eingepresste
Gewindebuchsen, an denen elektrische Anschlüsse z. B. Schutzleiter PE oder
Schirmanschluss von Ableitströmen
angeschraubt werden können.
Die Gewindebuchsen führen
dabei die Flachdichtung 40 mit Hilfe von 2 Bohrungen in
der Flachdichtung 40.
-
Man
erkennt auch hier seitliche Ausnehmungen 38, welche, wie
oben gezeigt, dazu dienen, um das Gehäuse 50 und die aufgelegte
Flachdichtung 40 seitlich zu führen. Das Bezugszeichen 34 bezieht sich
auf Gewindebuchsen, welche auch zum Anordnen einer aufgelegten Flachdichtung 40 (vgl. 2e) dienen.
Bei der in 2d gezeigten Montagestufe ist auch
das Steuergerät 1 selbst
bereits an der Halterung, genauer an dem Träger 12, angeordnet.
Ein Gehäuse 2 ist
dabei jedoch nur teilweise dargestellt.
-
Das
gezeigte Gehäuse 2 besteht
aus zwei Teilen, genauer, einer linksseitigen Gehäuseschale und
einer rechtsseitigen Gehäuseschale.
In 2d ist nur die linksseitige Gehäuseschale
dargestellt. In einem nächsten
Montageschritt würde
dann die rechtsseitige Gehäuseschale
aufgeclippt werden. Man erkennt, dass das Gehäuse 2 bzw. untere
Ränder 2a des
Gehäuses 2 die
Kontaktplatte 8 in Umfangsrichtung vollständig umgeben.
Dies bedeutet, dass die Kontaktplatte 8 gleichzeitig das
Gehäuse 2 nach
unten hin abschließt.
-
In 2e ist
ein Zustand gezeigt, in dem auch das Gehäuse 2 verschlossen
ist und die Ränder 2a des
Gehäuses 2 an
der Kontaktplatte 8 bereits anliegen. Gleichzeitig ist
diesem Zustand bereits die Flachdichtung 40 angeordnet.
In 2f ist ein Zustand gezeigt, in dem an einem weiteren
Träger 40 drei
zusätzliche
Elemente wie ein Lüfter 44 und
zwei Kabeleinführungsleisten 42 angeordnet
sind.
-
In 2f ist
ein Träger
aus gebogenem Stahlblech dargestellt. Dieser trägt die Kabeleinführungsleisten 42 und
den Lüfter 44 und
weist eine Blechlasche 46 auf, an welcher die Anschlusskabel befestigt
und zugentlastet werden können.
Die Bezugszeichen 42 bezeichnen genauer 2 getrennt montierbare
Kabeleinführungsleisten,
um die Kabel abzudichten, damit keine Feuchtigkeit und Schmutz eindringen
können.
-
Die 2a bis 2g beziehen
sich ausschließlich
auf Schutzklasse IP54 und ein Kühlsystem,
welches durch freie Konvektion, also ohne außen liegenden Lüfter, den
Kühlkörper und
den Bremswiderstand kühlt.
Der Lüfter 44 liegt
im Inneren des Gerätes,
also „im
Trockenen” und
dient zur Luftumwälzung
innerhalb des Gehäuses 50 oder
saugt nur eine sehr geringe Luftmenge über entsprechende Labyrinthe
bzw. kleine Öffnungen
am unteren Rand des Gerätes
an und bläst
diese über
ein weiteres Labyrinth am oberen Rand des Gerätes nach außen. In Serie wird bevorzugt
nur eine der beschriebenen Ausführungen
ausgeführt
werden, abhängig
von der Temperaturentwicklung im Gehäuse.
-
Bei
der in 2g gezeigten Darstellung ist zusätzlich noch
ein Gehäuse 50 an
der Halterung 20 angeordnet, wobei dieses Gehäuse 50 hier
an den Eckbereichen jeweils mit Schrauben 54 verschraubt ist.
Dieses Gehäuse
weist weiterhin einen Sichtbereich 52 auf, durch den hindurch
bestimmte elektronische Bauteile betrachtet werden können. (Genauer gesagt
sollen die Status-, Betriebs- und Fehleranzeigen des Displays und
die LEDs in der Frontplatte des Stromrichters sichtbar sein.) Das
Bezugszeichen 38 bezieht sich auf seitliche Ausnehmungen
bzw. Belüftungsöffnungen
in der Halterung 20.
-
Die 3a–3e zeigen
eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Steuergeräts. Auch
hier ist ein Gehäuse 2 vorgesehen,
welches dem in den 2a–2g (und 1a–1c)
gezeigten Gehäuse
entspricht. Der Unterschied zu den in den 2a–2g gezeigten Ausführungsformen
besteht in der Ausgestaltung des Kühlelements. Auch hier ist der
Träger 12 erkennbar, der
jedoch in seiner Gesamtheit an einer Unterseite eine flache Oberfläche 12a aufweist
und beispielsweise an einem Schaltschrank (nicht gezeigt) angeordnet
wird. Eine Kühlung
erfolgt durch einen thermischen Kontakt zwischen diesem Schaltschrank
und dem Träger 12.
-
Bei
einer bevorzugten Anordnung kann die Platte des Schaltschrankes
an die des Geräts
geschraubt werden, und beispielsweise mit einem Kühlmedium
(z. B. Wasser) durchflutet werden („Coldplate”), oder auf der gegenüberliegenden
Seite Kühlrippen
aufweisen, um die Kühlwirkung
zu verbessern. Bei Geräten
geringer Leistung könnte
jedoch auch eine einfache ebene Platte zur Kühlung aufgrund der Oberflächenvergrößerung ausreichen.
-
3d zeigt
eine detailliertere Darstellung des besagten Trägers. Auch in diesem Falle
weist dieser Träger 12 eine
Kontaktplatte 8 auf, welche wiederum das in 3e gezeigte
Steuermodul 6 kontaktiert. Auch hier ist diese Kontaktplatte 8 mit dem
Steuermodul 6 verschraubt und das Gehäuse 2 umgibt die Kontaktplatte 8 vollständig, so
dass auch hier die Kontaktplatte 8 das Gehäuse 2 nach
unten hin abschließt.
Bei der in 3e gezeigten Darstellung ist
wiederum das Innenleben des Gehäuses,
d. h. die elektronischen Bauteile mit einer Vielzahl von Platinen 5 dargestellt.
-
Das
in 3a dargestellte Gerät könnte auch noch mit einer dickeren
Platte ausgeführt
werden, durch welche Kanäle
verlaufen können.
Mit Hilfe eines Zu- und eines Ablaufes (z. B. Schlauchstutzen) könnte diese
Platte direkt mit einem Kühlmedium durchflutet
werden.
-
Die 4a–4e zeigen
eine weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Steuergeräts. Bei
dieser Ausführungsform
ist ein Kühlelement 14 vorgesehen,
welches sich durch den Träger 12 hindurch
erstreckt. Das Gehäuse 2 ist
dabei wieder in der gleichen Weise ausgeführt wie in den vorangegangen
Figuren. Man erkennt hier, dass der in 4d gezeigte
Träger 12 wiederum
die Kontaktplatte 8 und die Verbindungselemente 13 aufweist. Dabei
ist es möglich,
dass um das Kühlelement 14 eine
umlaufende Dichtungseinrichtung 17 angeordnet ist, welche
das Kühlelement
gegenüber
einer nicht dargestellten Schaltschrankrückwand abdichtet.
-
Bei
dieser Ausführungsform
sind der Träger 12 und
das Kühlelement 14 als
einteiliges Druckgussteil ausgeführt.
Die Dichtungseinrichtung 17 dichtet das Gerät gegen
die Schaltschrankrückwand ab.
Hier handelt es sich um ein sogenanntes „Durchsteck”-Gerät. Die Schaltschrankrückwand des
Kunden hat einen rechteckigen Durchbruch, durch welchen die Kühlrippen
des Gerätes
nach außen
ragen. Dieser Durchbruch muss mit der Dichtungseinrichtung 17 abgedichtet
werden, damit keine Feuchtigkeit und Schmutz in den Schaltschrank
gelangen können.
Die Kühlrippen
der Kühleinrichtung
erhitzen hier also nicht das Innere des Schaltschrankes, sondern
die Umgebungsluft außerhalb
des Schaltschrankes.
-
Bei
diesem Dichtelement kann es sich beispielsweise um ein gummiartiges
Element handeln. Auch bei der in den 4a–4e gezeigten
Ausführungsform
kontaktiert das Steuermodul direkt die Kontaktplatte 8,
welche wiederum in thermischen Kontakt mit den Kühlelement 14 steht.
Dabei ist es auch möglich,
dass das Kühlelement 14 einteilig
mit der Kontaktplatte 8 ausgeführt ist.
-
Durch
die erfindungsgemäße Vorgehensweise
ist es möglich,
viele unterschiedliche Geräte
mit wenigen unterschiedlichen Teilen zu bauen. Auf diese Weise kann
eine hohe Variantenvielfalt erreicht werden. Genauer gesagt bleiben
die meisten Bauteile für
alle Geräte
einer Leistungsstufe gleich und umgekehrt müssen nur wenige Bauteile unterschiedlich ausgeführt werden.
Insbesondere die Kühlung
des Steuer- bzw. Transistormoduls 6 kann auf unterschiedliche
Weise erfolgen, so dass sowohl eine Schutzklasse IP54 als auch eine
Schutzklasse IP20 mit wenigen anderen oder zusätzlichen Bauteilen erreicht
werden kann.
-
Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich
beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem
Stand der Technik neu sind.
-
- 1
- Steuergerät
- 2
- Gehäuse
- 2a
- Ränder
- 5
- Platinen
- 6
- Steuermodul
- 8
- Kontaktplatte
- 12
- Träger
- 12a
- (ebene)
Oberfläche
des Trägers 12
- 13
- Halteelemente
- 14
- Kühlelement
- 15
- Gewindebohrung
- 17
- Dichtungseinrichtung
- 20
- Halterung
- 22
- Öffnung
- 26
- Bremswiderstand
- 28
- Verbindungselemente
- 32,
33
- Montageelemente
bzw. Öffnungen
- 34
- elektrische
Anschlüsse,
Gewindebuchsen
- 38
- seitliche
Ausnehmungen
- 40
- flexible
Flachdichtung
- 42
- Kabeleinführungsleiste
- 46
- Blechlasche
- 44
- Lüfter
- 50
- Gehäuse
- 52
- Sichtbereich
- 54
- Schrauben