DE102009049641B3

DE102009049641B3 - Electrical device e.g. static frequency changer, has electronic circuit electrically connected to sensor and designed to influence power dissipation of electrical component dependent on determined angle of inclination

Info

Publication number: DE102009049641B3
Application number: DE200910049641
Authority: DE
Inventors: Michael Kiesel
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2009-10-15
Filing date: 2009-10-15
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2029-10-16

Abstract

The device has an electrical component i.e. semiconductor switch, producing heat due to power dissipation. A cooling body exhausting the heat to a surrounding medium is heat-conductively connected to the component. A sensor detects an angle of inclination of the device. An electronic circuit is electrically connected to the sensor, and is designed to influence the power dissipation of the component dependent on the determined angle of inclination. The body has cooling fins are arranged parallel to each other and a cooling finger arranged in a regular lattice structure. An independent claim is also included for a method for operating an electrical device.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät und ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Gerätes.The invention relates to an electrical device and a method for operating an electrical device.

Als Verlustwärme erzeugende Bauteile sind elektronische Halbleiterschalter, wie MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter, bekannt, die häufig in elektronischen Schaltungen als leistungselektronische Bauelemente verwendet werden.As loss-heat-generating components are known electronic switches such as MOSFET switches or IGBT switches, which are often used in electronic circuits as power electronic components.

Aus der nachveröffentlichten DE 10 2009 018 076 B3 ist ein elektrisches Gerät mit einer elektrischen Komponente bekannt, die aufgrund der Verlustleistung Wärme erzeugt, und einem damit Wärme leitend verbundenen Kühlkörper zum Abführen der Wärme an ein umgebendes Medium aufweist. Weiterhin weist die DE 10 2009 018 076 B3 einen Sensor zum erfassen des Neigungswinkels des Geräts und eine mit dem Sensor elektrisch verbundene elektronische Schaltung auf, die eingerichtet ist, abhängig von dem ermittelten Neigungswinkel die Kühlleistung zu beeinflussen.From the post-published DE 10 2009 018 076 B3 an electrical device with an electrical component is known, which generates heat due to the power loss, and a heat conductively connected thereto heat sink for dissipating the heat to a surrounding medium. Furthermore, the DE 10 2009 018 076 B3 a sensor for detecting the inclination angle of the device and an electronic circuit electrically connected to the sensor, which is adapted to influence the cooling power depending on the determined inclination angle.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Kühlleistung einer Vorrichtung zu optimieren.The invention is therefore based on the object to optimize the cooling capacity of a device.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit dem Gerät nach den im Anspruch 1 und mit dem Verfahren nach den im Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst.According to the invention the object is achieved with the device according to claim 1 and with the method according to the features specified in claim 7.

Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Gerät sind, dass sie mit einem wärmeerzeugenden Bauteil und einem Kühlkörper zum Abführen von Verlustwärme des Bauteils ausgestattet ist,
wobei der Kühlkörper mit dem Bauteil wärmeleitend verbunden ist, insbesondere wobei der Wärmeübergangswiderstand zwischen Bauteil und Kühlkörper kleiner ist als zwischen Bauteil und sonstigen Bauteilen oder der Umgebung,
wobei die Vorrichtung einen Sensor zum Erfassen eines Neigungswinkels der Vorrichtung, insbesondere des Neigungswinkels gegenüber der Gravitationsrichtung,
wobei die Vorrichtung eine mit dem Sensor elektrisch verbundene elektronische Schaltung umfasst, mit welcher die Verlustwärme des Bauteils beeinflussbar ist, insbesondere die maximale Leistung auf einen Wert begrenzbar ist.Important features of the invention in the apparatus are that it is equipped with a heat-generating component and a heat sink for dissipating heat loss of the component,
wherein the heat sink is thermally conductively connected to the component, in particular wherein the heat transfer resistance between the component and heat sink is smaller than between component and other components or the environment,
the device comprising a sensor for detecting a tilt angle of the device, in particular the angle of inclination with respect to the direction of gravity,
wherein the device comprises an electronic circuit electrically connected to the sensor, with which the heat loss of the component can be influenced, in particular the maximum power can be limited to a value.

Von Vorteil ist dabei, dass eine montagelagenabhängige, also einbaulagenabhängige Begrenzung oder Verminderung der Leistung der Vorrichtung ausführbar ist und somit die Kühlleistung auf den maximal erreichbaren Wert bringbar ist. Dabei ist die Erfassung des Winkelwertes in einfacher Weise ermöglicht und somit eine einfache Steuerung der Begrenzung der Kühlleistung ausführbar. Je nach Einbaulage wird also ein maximaler Wert an Kühlleistung erreicht. Eine Überhitzung des Kühlkörpers beziehungsweise des Bauteils ist somit vermeidbar und die Vorrichtung somit besser geschützt.The advantage here is that a montagelagenabhängige, so installation position-dependent limitation or reduction of the performance of the device is executable and thus the cooling capacity can be brought to the maximum achievable value. In this case, the detection of the angle value is made possible in a simple manner, and thus a simple control of the limitation of the cooling capacity executable. Depending on the mounting position so a maximum value of cooling capacity is achieved. Overheating of the heat sink or the component is thus avoidable and the device thus better protected.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bauteil ein elektronisch ansteuerbarer Halbleiterschalter, insbesondere ein pulsweitenmoduliert ansteuerbarer. Von Vorteil ist dabei, dass die Verlustleistung steuerbar ist. Insbesondere ist der Wert der maximal abführbaren Wärmeleistung auch vom Regelkreis der Steuerelektronik berücksichtigbar.In an advantageous embodiment, the component is an electronically controllable semiconductor switch, in particular a pulse width modulated controllable. The advantage here is that the power loss is controllable. In particular, the value of the maximum dissipated heat output can also be taken into account by the control circuit of the control electronics.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die elektronische Schaltung die Funktionalität einer Umrichterelektronik oder Wechselrichterelektronik auf. Von Vorteil ist dabei, dass die Antriebsleistung eines von dem Umrichter beziehungsweise Wechselrichter versorgten Elektromotors reduzierbar ist oder begrenzbar, so dass der maximal erlaubte Kühlleistungswert nicht überschritten wird.In an advantageous embodiment, the electronic circuit has the functionality of a converter electronics or inverter electronics. The advantage here is that the drive power of an electric motor supplied by the inverter or inverter can be reduced or limited, so that the maximum permitted cooling power value is not exceeded.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die erfassten Sensorsignale einem Regler zugeführt, dessen Stellgröße die Ansteuersignale derart beeinflusst, dass die Leistung des Bauteils beeinflussbar oder zumindest die maximale Leistung des Bauteils begrenzbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass beispielsweise die Fahrgeschwindigkeit einer Maschinenachse, die von einem umrichtergespeisten Elektromotor angetrieben wird, oder die Fördergeschwindigkeit eines Fließbandes oder eines Hubwerks, die von einem umrichtergespeisten Elektromotor angetrieben wird, begrenzbar oder verminderbar ist in Abhängigkeit vom Neigungswinkel, also von der Einbaulage. Der erfasste Wert des Neigungssensors ist sogar über eine Datenaustauschverbindung von der elektronischen Schaltung weitermeldbar an einen zentralen Rechner, der dann Bewegungsabläufe innerhalb der Anlage derart verlangsamt, dass die maximal erlaubte Kühlleistung nicht überschritten wird.In an advantageous embodiment, the detected sensor signals are fed to a controller whose manipulated variable influences the drive signals such that the power of the component can be influenced or at least the maximum power of the component can be limited. The advantage here is that, for example, the driving speed of a machine axis, which is driven by a converter-fed electric motor, or the conveying speed of a conveyor belt or a hoist, which is driven by a converter-fed electric motor, can be limited or reduced depending on the inclination angle, ie from the installation position , The detected value of the inclination sensor is even via a data exchange connection from the electronic circuit can be forwarded to a central computer, which then slows down movements within the system so that the maximum allowable cooling capacity is not exceeded.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die erfassten Sensorsignale einem Temperaturregelgreis der Vorrichtung zugeführt. Von Vorteil ist dabei, dass die maximale Kühlleistung vom Regelkreis berücksichtigbar ist.In an advantageous embodiment, the detected sensor signals are fed to a temperature control loop of the device. The advantage here is that the maximum cooling capacity of the control loop is taken into account.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kühlkörper parallel zueinander verlaufende Kühlrippen auf. Von Vorteil ist dabei, dass eine besonders effektive Kühlung dann erreichbar ist, wenn der konvektiv angetriebene Luftstrom oder Strom des umgebenden Mediums parallel zu den Kühlrippen verläuft und somit eine möglichst laminare Strömung ausbildbar ist. Hingegen ist eine turbulente, also keine laminare, Strömung ausbildbar, wenn der konvektiv angetriebene Luftstrom oder Strom des umgebenden Mediums senkrecht zu den Kühlrippen verläuft.In an advantageous embodiment, the heat sink has mutually parallel cooling fins. The advantage here is that a particularly effective cooling is then achievable when the convection-driven air flow or current of the surrounding medium is parallel to the cooling fins and thus a laminar as possible flow can be formed. By contrast, a turbulent, that is not laminar, flow can be formed if the convection-driven air flow or flow of the surrounding medium is perpendicular to the cooling fins.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kühlkörper Kühlfinger auf, die einer regelmäßigen Gitterstruktur entsprechend angeordnet sind. Von Vorteil ist dabei, dass eine möglichst isotrope Kühlleistung zur Verfügung steht, wobei bei einer endlichen Gitterstruktur bei gitterstrukturabhängigen Winkelwerten eine höhere Kühlleistung erreichbar ist bei Vorzugswinkelwerten der Neigung im Vergleich zu anderen.In an advantageous embodiment, the heat sink on cooling fingers, which are arranged according to a regular grid structure. The advantage here is that a possible isotropic cooling capacity is available, wherein in a finite lattice structure with lattice-structure-dependent angle values, a higher cooling capacity can be achieved at preferred angles of inclination compared to others.

Wichtige Merkmale bei dem Verfahren sind, dass die Wärme über einen Kühlkörper an ein umgebendes Medium, wie Luft, Öl oder Wasser, abgegeben wird, wobei die Neigung der Vorrichtung erfasst wird und die Verlustleistung des Bauteils beeinflusst oder zumindest begrenzt wird.Important features in the method are that the heat is released via a heat sink to a surrounding medium, such as air, oil or water, whereby the inclination of the device is detected and the power loss of the component is influenced or at least limited.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Neigung die Neigung gegenüber der Gravitationsrichtung oder die Neigung gegenüber einer mittleren Strömungsrichtung oder Fließrichtung des umgebenden Mediums bestimmt, insbesondere das die Kühlleistung vom Kühlkörper aufnimmt. Von Vorteil ist dabei, dass mittels Bestimmung der Neigung eine korrespondierende maximal abführbare Kühlleistung bestimmbar ist.In an advantageous embodiment, the inclination is the inclination relative to the gravitational direction or the inclination relative to a mean flow direction or flow direction of the surrounding medium, in particular that absorbs the cooling power from the heat sink. The advantage here is that by means of determining the inclination a corresponding maximum dissipatable cooling capacity can be determined.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kühlkörper eine Vorzugsrichtung auf, bei welcher die abführbare Wärme maximal ist, insbesondere bei gleicher maximal erlaubter Temperatur des Kühlkörpers. Von Vorteil ist dabei, dass die Neigung der Vorzugsrichtung gegen die Gravitationsrichtung die maximal abführbare Kühlleistung bestimmt und somit diese Kühlleistung wiederum über Bestimmung der Neigung bestimmbar ist.In an advantageous embodiment, the heat sink on a preferred direction, in which the heat dissipated maximum, especially at the same maximum allowable temperature of the heat sink. The advantage here is that the inclination of the preferred direction against the direction of gravity determines the maximum dissipatable cooling capacity and thus this cooling capacity can be determined in turn by determining the inclination.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Neigungswert einem Temperaturregelkreis der Vorrichtung zugeführt wird. Von Vorteil ist dabei, dass abhängig vom Neigungswert die Temperatur geregelt wird.In an advantageous embodiment, the inclination value is fed to a temperature control loop of the device. The advantage here is that depending on the slope value, the temperature is controlled.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Further advantages emerge from the subclaims.

Die Erfindung wird nun näher erläutert:
Das erfindungsgemäße Gerät weist einen Kühlkörper mit Kühlrippen auf, welche parallel verlaufen. Wenn nun die Orientierung des Geräts nach Einbau in einer Anlage derart ist, dass die Kühlrippen vertikal, also in oder entgegen der Gravitationsrichtung verlaufen, ist eine hohe Kühlleistung realisierbar, da konvektiv angetriebene Luftströmung in vertikaler Richtung entlang der Rippen strömt und somit ein großer Wärmefluss vom Kühlkörper an die Umgebungsluft erreichbar ist.The invention will now be explained in more detail:
The device according to the invention has a heat sink with cooling fins which run parallel. Now, if the orientation of the device after installation in a system is such that the cooling fins run vertically, ie in or against the gravitational direction, a high cooling capacity is realized because convectively driven air flow flows in a vertical direction along the ribs and thus a large heat flow from Heat sink to the ambient air is reached.

Prinzipiell darf die Temperatur des Kühlkörpers einen Maximalwert nicht überschreiten, da ansonsten eine Gefährdung der Vorrichtung besteht. Dieser Maximalwert ist unabhängig von der räumlichen Orientierung, also Einbaulage der Vorrichtung in einer Anlage, und beschränkt somit die Kühlleistung auf den maximalen Wert.In principle, the temperature of the heat sink must not exceed a maximum value, otherwise there is a risk to the device. This maximum value is independent of the spatial orientation, ie installation position of the device in a system, and thus limits the cooling capacity to the maximum value.

Wird die Orientierung derart verändert, dass die Rippen in horizontaler Richtung verlaufen, verläuft die konvektiv angetriebene Luftströmung senkrecht zu den Rippen und ist somit turbulent. Daher ist dann die maximal erreichbare Kühlleistung verringert.If the orientation is changed so that the ribs extend in the horizontal direction, the convective driven air flow is perpendicular to the ribs and thus turbulent. Therefore, then the maximum achievable cooling capacity is reduced.

Bei entsprechend geneigten Orientierungen ist eine jeweils von der Orientierung abhängige maximale Kühlleistung erreichbar.In accordance with inclined orientations depending on the orientation maximum cooling capacity can be achieved.

Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel weist das Gerät einen Neigungssensor auf, mit dem die Orientierung im Raum oder zumindest die Winkellage der Vorrichtung zur Gravitationsrichtung detektierbar ist.In one embodiment of the invention, the device has a tilt sensor with which the orientation in space or at least the angular position of the device can be detected to the gravitational direction.

Der erfasste Neigungswert, also Wert der Winkellage, wird einer elektronischen Schaltung zugeführt, mit welcher die über den Kühlkörper abzuführende Leistung, also Kühlleistung, verminderbar ist.The detected inclination value, that is the value of the angular position, is supplied to an electronic circuit with which the power to be dissipated via the heat sink, that is to say cooling power, can be reduced.

Beispielsweise umfasst die elektronische Schaltung hierzu ansteuerbare Halbleiterschalter, deren Verlustwärme im Wesentlichen an den Kühlkörper abgeführt wird, indem sie mit diesem wärmeleitend verbunden sind.For example, the electronic circuit for this purpose comprises controllable semiconductor switches, the heat loss is dissipated substantially to the heat sink by being connected to this heat-conducting.

Die Halbleiterschalter werden dabei pulsweitenmoduliert angesteuert, wobei die Ansteuersignale von einem Regler der elektronischen Schaltung erzeugt oder zumindest beeinflusst werden. Dabei bewirkt die Stellgröße des Reglers eine Veränderung der Verlustleistung und somit der über den Kühlkörper abzuführenden Kühlleistung.The semiconductor switches are controlled pulse width modulated, wherein the drive signals are generated by a controller of the electronic circuit or at least influenced. The manipulated variable of the regulator causes a change in the power loss and thus the cooling power to be dissipated via the heat sink.

Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel umfasst die elektronische Schaltung einen Temperaturregelkreis, dem der erfasste Neigungswert und somit eine entsprechende maximal abführbare Kühlleistung zugeführt werden, so dass eine entsprechende Leistungsreduzierung ausführbar ist.In a further embodiment according to the invention, the electronic circuit comprises a temperature control loop to which the detected slope value and thus a corresponding maximum dissipatable cooling power are supplied, so that a corresponding power reduction can be carried out.

Vorzugsweise ist die elektronische Schaltung ein Umrichter, der einen Elektromotor speist. Die Reduzierung der Antriebsleistung entspricht dann einer Reduzierung der Leistung des Motors.Preferably, the electronic circuit is an inverter that powers an electric motor. The reduction of the drive power then corresponds to a reduction in the power of the engine.

Claims

Electrical device with an electrical component, which generates heat due to the power loss, and thus a heat conducting connected heat sink for dissipating the heat to a surrounding medium, characterized in that the device comprises a sensor for detecting a tilt angle of the device and an electrically connected to the sensor electronic circuit which is arranged, depending on the determined angle of inclination, the power loss of the electrical component to influence.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the electrical component is a semiconductor switch.

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the electrical device is a converter or an inverter.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cooling body has a preferred direction, in which the laxative heat is maximum.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cooling body has mutually parallel cooling fins.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cooling body has arranged in a regular grid structure cooling fingers.

A method for operating an electrical device, which has an electrical component which generates heat due to the power loss, and a heat conductively connected heat sink for dissipating the heat to a surrounding medium, characterized in that a tilt angle of the device is determined by means of a sensor and Depending on the determined angle of inclination, the power loss of the electrical component is influenced.

A method according to claim 7, characterized in that is determined as the angle of inclination of the angle relative to the direction of gravity.

A method according to claim 7, characterized in that is determined as the angle of inclination of the angle to the flow direction of a surrounding medium, which receives the heat from the heat sink.

Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that the determined angle of inclination is fed to a control loop whose manipulated variable influences the control signals of the electrical component, so that its power is influenced.

Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that the determined angle of inclination is fed to a temperature control loop.

Method according to one of claims 7 to 11, characterized in that a cooling power requirement is determined for the determined inclination angle.