DE102019131651A1

DE102019131651A1 - Elektrische arbeitsmaschine mit halbleiterelement, das einen stromweg zu einem motor schliesst oder unterbricht

Info

Publication number: DE102019131651A1
Application number: DE102019131651.0A
Authority: DE
Inventors: Akihiro Nakamoto
Original assignee: Makita Corp
Current assignee: Makita Corp
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2020-05-28
Also published as: CN111230815B; CN111230815A; JP7153544B2; JP2020082299A; US11777377B2; US20200169148A1

Abstract

Eine elektrische Arbeitsmaschine (12) weist auf: einen Motor (40); ein Halbleiterelement (86), das in einem Stromweg zu dem Motor vorgesehen ist und den Stromweg schließt oder unterbricht; eine Leiterplatte (80), auf der das Halbleiterelement montiert ist, bei der eine Steuerungsschaltung (54), die das Halbleiterelement zum Steuern von Energiezufuhr zu dem Motor ein- und ausschaltet, an der Leiterplatte angebracht ist; und einen Kühlkörper (90) zum Ableiten von Wärme von dem Halbleiterelement. Das Halbleiterelement ist an dem Kühlkörper über eine metallbasierte Platte angebracht.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine elektrische Arbeitsmaschine mit einem Halbleiterelement, das einen Stromweg zu einem Motor schließt oder unterbricht.
In einer elektrischen Arbeitsmaschine ist ein Halbleiterelement, das einen Stromweg zu einem Motor schließt oder unterbricht, auf einer Leiterplatte, an der eine Steuerungsschaltung angebracht ist, montiert. Die Steuerungsschaltung schaltet das Halbleiterelement zum Steuern einer Energiezufuhr zu dem Motor ein und aus.
Da das Halbleiterelement elektrischen Strom zum Ansteuern des Motors passieren lässt, wird leicht Wärme erzeugt. Aus diesem Grund ist das Halbleiterelement an einem Kühlkörper zur Wärmeableitung angebracht und ist dazu angepasst, Wärme effizient über den Kühlkörper abzuleiten (siehe beispielsweise WO 2016/098564 ).
ZUSAMMENFASSUNG
Im Allgemeinen ist ein Kühlkörper aus einem leitenden Metall, wie beispielsweise Aluminium, ausgebildet. Daher wird, wenn ein Halbleiterelement an dem Kühlkörper angebracht wird, ein isolierendes Blatt zum Isolieren zwischen dem Halbleiterelement und dem Kühlkörper zwischen dem Kühlkörper und dem Halbleiterelement eingefügt.
Jedoch ist das isolierende Blatt aus einem gering leitenden Material ausgebildet. Somit weist das isolierende Blatt im Allgemeinen eine schlechte thermische Leitfähigkeit auf und kann nicht effizient Wärme von dem Halbleiterelement an den Kühlkörper übertragen.
In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist es wünschenswert, eine elektrische Arbeitsmaschine vorzusehen, in der thermische Leitfähigkeit zu einem Kühlkörper von einem Halbleiterelement, das einen Stromweg (Strompfad) zu einem Motor schließt oder unterbricht, verbessert ist, so dass das Halbleiterelement effizient Wärme ableiten kann.
Die elektrische Arbeitsmaschine in einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist auf: einen Motor; ein Halbleiterelement, das in einem Stromweg zu dem Motor vorgesehen ist und den Stromweg schließt oder unterbricht; und eine Leiterplatte, auf der das Halbleiterelement montiert ist. Eine Steuerungsschaltung, die das Halbleiterelement zum Steuern einer Energiezufuhr zu dem Motor ein- und ausschaltet, ist an der Leiterplatte angebracht.
Das Halbleiterelement ist an einem Kühlkörper, der zum Ableiten von Wärme (Hitze) von dem Halbleiterelement dient, über eine metallbasierte Platte (Tafel, Brett, Platine, Leiterplatte) angebracht.
Gemäß der elektrischen Arbeitsmaschine der vorliegenden Offenbarung kann Wärme von dem Halbleiterelement über die metallbasierte Platte, die eine höhere thermische Leitfähigkeit als ein isolierendes Blatt aufweist, effizient an den Kühlkörper übertragen werden. Wärmeableitungscharakteristiken des Halbleiterelements durch den Kühlkörper können verbessert werden. Daher ist es möglich, einen Temperaturanstieg des Halbleiterelements und einen Schaden an dem Halbleiterelement aufgrund von Wärme (Hitze) zu unterdrücken.
Die metallbasierte Platte kann mit einem Temperaturerfassungselement versehen sein. Durch Koppeln des Temperaturerfassungselements an die Steuerungsschaltung, die an der Leiterplatte angebracht ist, kann die Temperatur des Halbleiterelements, das auf der metallbasierten Platte vorgesehen ist, auf der Steuerungsschaltungsseite überwacht werden. Wenn das Halbleiterelement in einen überhitzten Zustand eintritt, kann das Halbleiterelement ausgeschaltet werden. Somit kann ein Schaden an dem Halbleiterelement aufgrund von Wärme (Hitze) besser unterdrückt werden.
Die metallbasierte Platte kann mit einem Leitungsmuster (Verdrahtungsmuster) zum Koppeln des Temperaturerfassungselements an die Leiterplatte versehen sein. Dies erlaubt ein Koppeln des Temperaturerfassungselements an das Leitungsmuster der metallbasierten Platte und ein Koppeln des Temperaturerfassungselements an die Leiterplatte über das Leitungsmuster. Das Temperaturerfassungselement kann leicht an die Leiterplatte gekoppelt werden.
Das Leitungsmuster und die Leiterplatte können über einen Leitungsdraht (Anschlussdraht) zum Koppeln oder über einen Anschluss, der auf der metallbasierten Platte vorgesehen ist, gekoppelt sein.
Wenn zwei oder mehr Halbleiterelemente auf der metallbasierten Platte vorgesehen sind, können die Temperaturerfassungselemente nahe jedem Halbleiterelement vorgesehen sein. Da jedoch die metallbasierte Platte eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, kann ein (einziges) Temperaturerfassungselements für die metallbasierte Platte vorgesehen sein.
In diesem Fall kann durch Anordnen des Temperaturerfassungselements unter (zwischen, inmitten) den Halbleiterelementen die Temperatur jedes Halbleiterelements stabiler erfasst werden.
Das Halbleiterelement kann mit einem isolierenden Material auf der metallbasierten Platte beschichtet (ummantelt) sein. Dies kann das Halbleiterelement vor Wasser, Eisenpulver, Staub usw. schützen und einen Kurzschluss eines Anschlusses des Halbleiterelements, der an die Leiterplatte gekoppelt ist, unterdrücken.
Wenn die metallbasierte Platte mit dem Temperaturerfassungselement versehen ist, kann das Temperaturerfassungselement ebenfalls mit dem isolierenden Material beschichtet sein. Dies erlaubt dem Temperaturerfassungselement, die Temperatur der metallbasierten Platte und des Halbleiterelements zu erfassen, ohne durch Außenluft beeinträchtigt zu werden.
Auch kann, wenn der Kühlkörper mit einem Raum (Hohlraum) zur Wärmeableitung versehen ist, das Halbleiterelement auf entgegengesetzten Seiten des Kühlkörpers mit dem dazwischen eingefügten Raum vorgesehen sein. Dies erlaubt eine effiziente Ableitung von Wärme von dem Halbleiterelement, das auf entgegengesetzten Seiten des Kühlkörpers vorgesehen ist, durch Außenluft, die durch den Raum des Kühlkörpers passiert.
Figurenliste
Eine Beispielausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird nachfolgend in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen:

1 eine perspektivische Ansicht ist, die eine Ausgestaltung einer gesamten elektrischen Arbeitsmaschine einer Ausführungsform zeigt;
2 eine Seitenansicht eines Hauptkörpers der elektrischen Arbeitsmaschine aus einer lateralen Richtung gesehen ist;
3 ein Blockschaubild ist, das eine Schaltungsausgestaltung eines gesamten Motoransteuerungssystems einer elektrischen Arbeitsmaschine zeigt;
4 eine perspektivische Ansicht ist, die eine Leiterplatte und einen Kühlkörper des Motoransteuerungssystems und der umgebenden elektronischen Komponenten zeigt;
5A eine Vorderansicht des Kühlkörpers aus einer Richtung eines Pfeils A in 4 gesehen ist;
5B eine Rückansicht des Kühlkörpers aus einer Richtung eines Pfeils B in 4 gesehen ist,
5C eine Seitenansicht des Kühlkörpers aus einer Richtung eines Pfeils C in 4 gesehen ist, und
6 eine perspektivische Ansicht ist, die die Leiterplatte und die elektronischen Komponenten in 4 mit einem isolierenden Material beschichtet zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Ausführungsform stellt einen handgehaltenen (handgeschobenen) elektrischen Rasenmäher als eine elektrische Arbeitsmaschine dar.
Wie in 1 gezeigt ist, weist ein elektrischer Rasenmäher 10 einen Hauptkörper 12 und einen Griff 13 auf. Der Hauptkörper 12 ist mit Vorderrädern 14L, 14R und Hinterrädern 16L, 16R (Hinterrad 16R ist nicht gezeigt) versehen. Auf einer Rückseite des Hauptkörpers 12 ist eine Mähbox 18 zum Aufbewahren gemähten Grases lösbar (abnehmbar) vorgesehen.
Der Griff 13 ist so vorgesehen, dass er sich schräg zu einer oberen Rückseite des Hauptkörpers 12 über die Mähbox 18 erstreckt. Der Griff 13 ist in einer U-Form ausgebildet, und ein rechtes und ein linkes Ende davon sind respektive über eine rechte und eine linke Befestigungsschraube 20L, 20R an dem Hauptkörper 12 befestigt. Daher kann der Griff 13 auf der Oberseite des Hauptkörpers 12 aufbewahrt werden, indem die Befestigungsschrauben 20L, 20R gelöst werden und der Griff 13 auf den Hauptkörper 12 gedreht wird.
Ein Halteabschnitt 15 für einen Benutzer zum Ergreifen ist in der Mitte, d.h. auf einem rückseitigen Abschnitt, des Griffs 13 vorgesehen. Der Benutzer kann den Halteabschnitt 15 des Griffs 13 auf der Rückseite des elektrischen Rasenmähers 10 ergreifen und den Hauptkörper 12 zum Durchführen einer Mäharbeit vorwärts schieben.
Ein Schalthebel 22 ist an der Rückseite des Griffs 13 vorgesehen. Der Schalthebel 22 ist in einer U-Form ausgebildet, und ein rechtes und ein linkes Ende davon sind auf beiden Seiten des Griffs 13 so abgestützt (gelagert), dass sie innerhalb eines bestimmten Bereichs in einer Oben-unten-Richtung kippen können.
Eine Schaltvorrichtung 24 ist auf der rechten Seite des Griffs 13 in einem Stützabschnitt an dem rechten Ende des Schalthebels 22 vorgesehen. Der Benutzer kann den Schalthebel 22 mit einer Fingerspitze der Hand, die den Halteabschnitt 15 des Griffs 13 ergreift, zum Ein- und Ausschalten eines Betätigungsschalters (Betriebsschalters) 25 (siehe 3) in der Schaltvorrichtung 24 nach oben und nach unten kippen.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der Betätigungsschalter 25 eingeschaltet, wenn der Schalthebel 22 nach unten gekippt wird, und ausgeschaltet, wenn der Schalthebel 22 nach oben gekippt wird. Der Schalthebel 22 ist durch eine Feder (nicht gezeigt) zu jeder Zeit zu einer Ausschaltposition vorgespannt.
Wenn der Betätigungsschalter 25 eingeschaltet wird, wird sein Signal an eine Steuerung 50 (siehe 3) des Hauptkörpers 12 über eine Verdrahtung (Verkabelung) 26 eingegeben, und ein Motor 40 (siehe 3) wird durch die Steuerung 50 angetrieben.
Wie in 2 gezeigt ist, ist der Hauptkörper 12 mit einem Verdeck (Deck) 28 und einer Verkleidung 30 versehen. Das Verdeck 28 umgibt die Oberseite und den Umfang eines in der Figur durch eine gepunktete Linie angegebenen Schneidblatts (einer Schneidklinge) 37, was ein sogenanntes Schneidgehäuse ist. An vier Ecken auf der Vorderseite, Rückseite, rechten und linken Seite des Verdecks 28 sind Vorderräder 14L, 14R und Hinterräder 16L, 16R angeordnet. Die Verkleidung 30 ist an dem Verdeck 28 zum Abdecken der Oberseite des Verdecks 28 angebracht.
Wie durch eine gepunktete Linie in der Figur angegeben ist, ist der Motor 40 an einer zentralen Oberseite des Verdecks 28 angebracht. Der Motor 40 ist in einer Stellung nach unten mit einer einer Straßenoberfläche (Bodenoberfläche) zugewandten Ausgangswelle 40A angeordnet.
Der Motor 40 ist in einer Motoraufbewahrungskammer, die ein Raum zwischen dem Verdeck 28 und der Verkleidung 30 ist, angeordnet. Die Motoraufbewahrungskammer bringt Außenluft ein und lässt Luft, die den Motor 40 gekühlt hat, ab. Der Motor 40 kann in einem abgedichteten Motorgehäuse aufbewahrt werden.
Das Schneidblatt 37 ist an der Ausgangswelle 40A des Motors 40 in einer zu der Straßenoberfläche parallelen Weise angebracht. Das Schneidblatt 37 dreht sich horizontal mit der Ausgangswelle 40A, so dass es Gras und dergleichen mäht.
Eine Höhe (ein Abstand) des Schneidblatts 37 von der Straßenoberfläche ist eine Schnitthöhe (Schneidhöhe) des Grases. Die Schnitthöhe kann durch einen Schnitthöheneinstellmechanismus 39, der auf der linken Seite des Hauptkörpers 12 vorgesehen ist, eingestellt werden.
Der Schnitthöheneinstellmechanismus 39 ist mit einem Schnitthöheneinstellhebel 38 versehen. Wenn der Benutzer den Schnitthöheneinstellhebel 38 in einer Vorne-Hinten-Richtung betätigt, werden die Vorderräder 14L, 14R und die Hinterräder 16L, 16R über einen Verbindungsmechanismus (nicht gezeigt) in der Oben-unten-Richtung versetzt. Diese Betätigung stellt eine Höhe des Verdecks 28, d.h. die Schnitthöhe, ein. Eine detaillierte Beschreibung des Schnitthöheneinstellmechanismus 39 wird nicht angegeben.
Ein Batterieanschluss 32, an dem jede von zwei Batterien (Akkus) 42A, 42B (siehe 3) lösbar (abnehmbar) angebracht werden kann, ist in der Mitte einer oberen Oberfläche der Verkleidung 30 ausgebildet. Eine Batterieabdeckung 34, die eine obere Oberflächenöffnung des Batterieanschlusses 32 abdeckt, ist in der Verkleidung 30 vorgesehen. Daher werden die Batterien 42A, 42B, die an dem Batterieanschluss 32 angebracht sind, in der Batterieabdeckung 34 aufbewahrt und geschützt.
Die Batterieabdeckung 34 ist an der Verkleidung 30 über ein Scharnier zum Öffnen und Schließen des Batterieanschlusses 32 angebracht. Daher können die Batterien 42A, 42B leicht an dem Batterieanschluss 32 angebracht und davon gelöst (abgenommen) werden, indem die Batterieabdeckung 34 geöffnet wird.
Wie in 3 gezeigt ist, sind positive Seiten der Batterien 42A, 42B, die an dem Batterieanschluss 32 angebracht sind, respektive über Leistungszufuhrleitungen (Stromzufuhrleitungen) 44A, 44B als Leistungszufuhrwege (Stromzufuhrwege) an die Steuerung 50 gekoppelt. Auch sind negative Seiten der Batterien 42A, 42B an die Masse der Steuerung 50 gekoppelt, so dass sie dasselbe Potential wie die Masse aufweisen.
Die Steuerung 50 weist eine Ansteuerungsschaltung 52 und eine Steuerungsschaltung 54 auf. Die Ansteuerungsschaltung 52 steuert den Motor 40 durch elektrische Leistung (elektrischen Strom), die von den Batterien 42A, 42B über die Leistungszufuhrleitungen 44A, 44B zugeführt wird, an. Die Steuerungsschaltung 54 steuert Motorstrom, der von der Ansteuerungsschaltung 52 dem Motor 40 zugeführt wird.
Der Motor 40 ist durch einen dreiphasigen bürstenlosen Motor ausgebildet. Die Ansteuerungsschaltung 52 weist eine Wechselrichterschaltung auf, die elektrischen Strom, der durch jede Phasenwicklung des dreiphasigen bürstenlosen Motors fließt, steuern kann.
Die Wechselrichterschaltung weist drei hochseitige Schalter (High-Side-Schalter), die zwischen einer positiven Leistungszufuhrleitung (Stromzufuhrleitung) 56 in der Steuerung 50 und drei Anschlüssen des Motors 40 vorgesehen sind, und drei niederseitige Schalter (Low-Side-Schalter), die zwischen den drei Anschlüssen des Motors 40 und der Masse vorgesehen sind, auf.
Die hochseitigen Schalter und die niederseitigen Schalter sind Schaltelemente, die jeweils durch einen Leistungs-MOSFET ausgebildet sind. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine Leitungskomponente/Anschlusskomponente mit einer Leitung/einem Anschluss für Platinenmontage (Plattenmontage) für den Leistungs-MOSFET verwendet, um zum Erleichtern einer Wärmeableitung an einem später beschriebenen Kühlkörper angebracht zu werden.
Wenn der Betätigungsschalter 25 eingeschaltet ist, steuert die Steuerungsschaltung 54 elektrischen Strom, der über die Wechselrichterschaltung in der Ansteuerungsschaltung 52 zu dem Motor 40 fließt, und dreht den Motor 40 bei einer gewünschten Drehzahl.
Die Steuerung 50 weist eine Erfassungsschaltung, die verschiedene Zustände, wie beispielsweise elektrischen Strom, der dem Motor 40 von der Ansteuerungsschaltung 52 zugeführt wird, eine Temperatur der Ansteuerungsschaltung 52 usw., erfasst, zusätzlich zu Erfassungsschaltungen 58A, 58B, die Batteriespannungen, die über die Leistungszufuhrleitungen 44A, 44B zugeführt werden, erfassen, auf.
Die Steuerungsschaltung 54 überwacht einen Ansteuerungszustand des Motors 40 und einen Zustand der Steuerung 50 basierend auf Erfassungssignalen von diesen Erfassungsschaltungen. Die Steuerungsschaltung 54 stoppt ein Ansteuern des Motors 40, wenn sie eine Fehlfunktion, wie beispielsweise einen Überstrom und eine Überhitzung, erfasst.
In der Steuerung 50 sind Leistungszufuhrleitungen 55A, 55B vorgesehen, die respektive die Leistungszufuhrleitungen 44A, 44B von den Batterien 42A, 42B und die Leistungszufuhrleitung 56 in der Steuerung 50 koppeln. Mit anderen Worten, die Batterien 42A, 42B sind über die Leistungszufuhrleitungen 44A und 55A, 44B und 55B parallel an die Leistungszufuhrleitung 56, die an die Ansteuerungsschaltung 52 gekoppelt ist, gekoppelt.
Daher wird der Ansteuerungsschaltung 52 elektrische Leistung direkt von den Batterien 42A, 42B, die an dem Batterieanschluss 32 angebracht sind, zugeführt. Selbst wenn lediglich eine der Batterien 42A, 42B an dem Batterieanschluss 32 angebracht ist, kann der Motor 40 angetrieben werden.
Die Leistungszufuhrleitungen 55A, 55B sind respektive mit elektronischen Schaltern 57A, 57B versehen. Die Schalter unterbrechen die entsprechenden Leistungszufuhrleitungen 55A, 55B, wenn die Batterien 42A, 42B nicht an dem Batterieanschluss 32 angebracht sind, oder wenn Entladeerlaubnissignale nicht von den angebrachten Batterien 42A, 42B ausgegeben werden.
Jeder der elektronischen Schalter 57A, 57B ist ausgebildet, indem zwei Schaltelemente, die jedes durch einen Leistungs-MOSFET ausgebildet sind, in Reihe gekoppelt sind. Ähnlich den Schaltelementen in der Ansteuerungsschaltung 52 werden Leitungskomponenten/Anschlusskomponenten, die mit Leitungen/Anschlüssen für eine Platinenmontage (Plattenmontage) versehen sind, für die Leistungs-MOSFETs, die die elektronischen Schalter 57A, 57B darstellen, verwendet, um zum Erleichtern einer Wärmeableitung an dem später beschriebenen Kühlkörper angebracht zu werden.
Die Batterien 42A, 42B sind mit Überwachungsschaltungen (nicht gezeigt), die überwachen, ob die Batterien 42A, 42B entladbar sind, und Entladeerlaubnissignale ausgeben, wenn sie entladbar sind, versehen. Die Steuerungsschaltung 54 empfängt auch die Entladeerlaubnissignale.
Die Steuerungsschaltung 54 schaltet, wenn das Entladeerlaubnissignal von der Batterie 42A ausgegeben wird und der elektronische Schalter 57B ausgeschaltet ist, den elektronischen Schalter 57A ein. Auch schaltet die Steuerungsschaltung 54, wenn das Entladeerlaubnissignal von der Batterie 42B ausgegeben wird und der elektronische Schalter 57A ausgeschaltet ist, den elektronischen Schalter 57B ein.
Mit anderen Worten, die Steuerungsschaltung 54 schaltet selektiv einen der elektronischen Schalter 57A, 57B ein, wenn die Batterien 42A, 42B an dem Batterieanschluss 32 angebracht sind und die beiden entladbar sind.
Infolgedessen kann, wenn die entladbaren Batterien 42A, 42B an dem Batterieanschluss 32 angebracht sind, die Leistungszufuhrleitung 55A oder 55B zum Zuführen elektrischer Leistung zu der Ansteuerungsschaltung 52 leitend (stromführend) sein/gemacht werden.
Zudem ist die Steuerung 50 mit einer Leistungszufuhrschaltung (REG) 59, die eine Leistungszufuhr von den Batterien 42A, 42B über Leistungszufuhrleitungen 45A, 45B, die von den Leistungszufuhrleitungen 44A, 44B abgezweigt sind, und über Rückflussunterdrückungsdioden DA, DB aufnimmt und eine Leistungszufuhrspannung erzeugt, versehen. Die Steuerungsschaltung 54 nimmt zum Arbeiten die Leistungszufuhrspannung, die in der Leistungszufuhrschaltung (REG) 59 erzeugt wird, auf.
In dem elektrischen Rasenmäher 10 der vorliegenden Ausführungsform, der wie oben ausgebildet ist, wird, wenn mindestens eine der Batterien 42A, 42B an dem Batterieanschluss 32 angebracht ist, die Steuerungsschaltung 54 betriebsbereit. Wenn der Betätigungsschalter 25 in diesem Zustand eingeschaltet wird, wird der Motor 40 angetrieben.
Daher fließt, selbst falls der Betätigungsschalter 25 entgegen der Absicht des Benutzers eingeschaltet wird, wenn mindestens eine der Batterien 42A, 42B an dem Batterieanschluss 32 angebracht ist, elektrischer Strom zu dem Motor 40, und das Schneidblatt 37 dreht sich.
Somit sind in dem elektrischen Rasenmäher 10 der vorliegenden Ausführungsform die Leistungszufuhrleitungen 44A, 44B, die sich von den Batterien 42A, 42B, die an dem Batterieanschluss 32 angebracht sind, erstrecken, auf ihrem Weg zu der Steuerung 50 abgeschnitten (getrennt), und eine Einfügung eines Schlüssels 70 (siehe 1 und 2) an den Schnitten (Trennungen) erlaubt den Leistungszufuhrleitungen 44A, 44B, durch die Schnitte leitend (stromführend) gemacht zu werden.
In den Leistungszufuhrleitungen 44A, 44B sind die Schnitte näher an der Steuerung 50 als Abzweigungspunkte der Leistungszufuhrleitungen 45A, 45B. Daher wird elektrische Leistung direkt von den Batterien 42A, 42B, die an dem Batterieanschluss 32 angebracht sind, über die Leistungszufuhrleitungen 45A, 45B der Leistungszufuhrschaltung (REG) 59 in der Steuerung 50 zugeführt.
Wie in 1 und 2 gezeigt ist, ist in dem elektrischen Rasenmäher 10 der vorliegenden Ausführungsform ein Anbringungspunkt des Schlüssels 70 ein hinteres Ende der rechten Seite des Batterieanschlusses 32, der mit der Batterieabdeckung 34 bedeckt ist, auf der oberen Oberfläche der Verkleidung 30. Somit kann der Schlüssel 70 durch Öffnen der Batterieabdeckung 34 an dem elektrischen Rasenmäher 10 angebracht und davon abgenommen werden.
Auch ist, wie in 3 gezeigt ist, ein Anschlussabschnitt 60 zum Anbringen des Schlüssels 70 in den Schnitten der Leistungszufuhrleitungen 44A, 44B vorgesehen. Der Anschlussabschnitt 60 ist an dem Anbringungspunkt des Schlüssels 70, d.h. einem rechten hinteren Ende des Batterieanschlusses 32, befestigt. Kontaktpunkte 46A, 46B, die respektive an entgegengesetzte Enden der Schnitte der Leistungszufuhrleitungen 44A, 44B gekoppelt sind, sind in dem Anschlussabschnitt 60 aufbewahrt.
Der Schlüssel 70 ist mit Kopplungsstücken 76A, 76B, die an dem Anschlussabschnitt 60 angebracht sind, zum Koppeln der Kontaktpunkte 46A-46A, 46B-46B auf den entgegengesetzten Enden der Schnitte der Leistungszufuhrleitungen 44A, 44B versehen und erlaubt den Leistungszufuhrleitungen 44A, 44B, durch die Schnitte leitend (stromführend) gemacht zu werden.
Somit kann, wenn der elektrische Rasenmäher 10 nicht in Verwendung ist, der Benutzer den Schlüssel 70 von dem Anschlussabschnitt 60 entfernen, so dass die Leistungszufuhrwege von den Batterien 42A, 42B zu der Ansteuerungsschaltung 52 in der Steuerung 50, und ferner zu dem Motor 40 physikalisch unterbrochen werden. In diesem Zustand fließt elektrischer Strom nicht zu dem Motor 40, so dass eine Drehung des Motors 40 unterdrückt werden kann.
Eine Ausgestaltung der Steuerung 50 wird in Bezug auf 4 bis 6 beschrieben.
Wie in 4 gezeigt ist, wird die Steuerung 50 durch Montieren verschiedener elektronischer Komponenten 82, wie beispielsweise der Ansteuerungsschaltung 52, der Steuerungsschaltung 54, der Erfassungsschaltungen 58A, 58B, der elektronischen Schalter 57A, 57B, der Leistungszufuhrschaltung 59 und dergleichen, und verschiedener Anschlüsse 84 auf einer Leiterplatte 80 ausgebildet.
Die Leiterplatte 80 ist eine gedruckte Leiterplatte mit einem Leitungsmuster für eine Schaltungsausgestaltung. Unter den verschiedenen elektronischen Komponenten 82, die auf der Leiterplatte 80 montiert sind, ist ein Halbleiterelement 86, durch das ein Zufuhrstrom zu dem Motor 40 fließt, und das leicht Wärme erzeugt, über eine Schraube 87 an einem Kühlkörper 90 angebracht.
Das Halbleiterelement 86, das an dem Kühlkörper 90 angebracht ist, weist sechs Schaltelemente, die die Wechselrichterschaltung ausbilden, vier Schaltelemente, die die elektronischen Schalter 57A, 57B ausbilden, und ein Schaltelement für eine Stoßspannungsabsorption auf. Mit anderen Worten, elf Leistungs-MOSFETs mit Leitungen/Anschlüssen sind an dem Kühlkörper 90 als die Halbleiterelemente 86 angebracht.
In jedem der elf Halbleiterelemente 86 ist der Umfang eines Schraubenlochs, durch das die Schraube 87 eingefügt ist, mit einem isolierenden Harz ausgebildet (geformt, spritzgegossen). In diesem Fall wird eine Metallschraube als die Schraube 87 verwendet, da es keinen Bedarf gibt, eine Isolierung zwischen der Schraube 87 und dem Halbleiterelement 86 zu berücksichtigen.
Abhängig von der Art des Halbleiterelements 86 kann jedoch ein Schraubenteil aus demselben Metall wie ein Anschlussteil auf der Rückseite des Halbleiterelements 86 ausgebildet sein. In derartigen Fällen wird eine nicht leitende Harzschraube oder eine Metallschraube, die mit einer Harzhülse isoliert ist, als die Schraube 87 verwendet, so dass das Halbleiterelement 86 nicht elektrisch an den Kühlkörper 90 gekoppelt ist.
Wie in 5 gezeigt ist, wird durch Befestigen des Kühlkörpers 90 an der Leiterplatte 80 die Leitung/der Anschluss in ein Loch, das in der Leiterplatte 80 gebohrt ist, eingefügt und mit einer Anschlussfläche, die um das Loch vorgesehen ist, verlötet. Infolgedessen ist jedes der Halbleiterelemente 86 auf der Leiterplatte 80 montiert.
Der Kühlkörper 90 ist beispielsweise aus Aluminium ausgebildet und weist eine longitudinale Form auf, so dass die Halbleiterelemente 86 entlang einer Platinenoberfläche (Plattenoberfläche) der Leiterplatte 80 angeordnet sein können. Sechs Halbleiterelemente 86 sind an einer Oberfläche (nachfolgend vordere Oberfläche) in einer longitudinalen Richtung des Kühlkörpers 90 angebracht, und fünf Halbleiterelemente 86 sind an der anderen Oberfläche (nachfolgend hintere Oberfläche) angebracht.
Der Kühlkörper 90 weist einen Raum 91 zum Einbringen von Außenluft zwischen der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche, an denen die Halbleiterelemente 86 angebracht sind, auf. Eine Seite des Raums 91 entgegengesetzt zu einer Anbringungsoberfläche der Leiterplatte 80 ist geöffnet. Wie in 5C gezeigt ist, weist der Kühlkörper 90 aus einer lateralen Richtung, die von Anbringungsoberflächen der Halbleiterelemente 86 verschieden ist, gesehen eine U-Form auf. Da die Außenluft innerhalb der U-Form eintritt, wird Wärme leicht abgeleitet.
Der Kühlkörper 90 ist mit metallbasierten Platten 88A, 88B respektive auf der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche, an denen die Halbleiterelemente 86 angebracht sind, versehen. Die Halbleiterelemente 86 sind auf isolierenden Schichten oder isolierenden Beschichtungen (Ummantelungen) der metallbasierten Platten 88A, 88B befestigt.
Zwischen den metallbasierten Platten 88A, 88B und dem Kühlkörper 90, und zwischen den metallbasierten Platten 88A, 88B und den Halbleiterelementen 86 ist zum effizienten Übertragen von Wärme Silikonfett aufgetragen.
Jede der metallbasierten Platten 88A, 88B kann durch Stapeln einer isolierenden Schicht auf einer Plattenoberfläche einer Metallplatte, die beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer ausgebildet ist, und Stapeln einer leitenden Schicht, die aus Kupfer oder dergleichen ausgebildet ist, zum Ausbilden eines Leitungsmusters darauf ausgebildet sein. In der vorliegenden Ausführungsform wird dieselbe Aluminiumplatte wie jene des Kühlkörpers 90 als Basismaterial der metallbasierten Platten 88A, 88B verwendet.
Wie oben sind in der vorliegenden Ausführungsform die Halbleiterelemente 86, die Leistungs-MOSFETs sind, an dem Kühlkörper 90 über die metallbasierten Platten 88A, 88B angebracht.
Daher kann im Vergleich zu einem Fall eines Vorsehens von isolierenden Blättern zwischen den Halbleiterelementen 86 und dem Kühlkörper 90 Wärme der Halbleiterelemente 86 effizient an den Kühlkörper 90 übertragen werden, und eine Wärmeableitungswirkung der Halbleiterelemente 86 durch den Kühlkörper 90 kann verbessert werden.
Auch ist es möglich, da der Kühlkörper 90 den Raum 91 zur Wärmeableitung aufweist, eine Wärmeableitungsfläche des Kühlkörpers 90 zum effizienteren Ableiten von Wärme von den Halbleiterelementen 86, die auf der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche des Kühlkörpers 90 vorgesehen sind, zu vergrößern.
Auch wird beispielsweise, wenn ein Gebläseventilator zum Strömen/Leiten von Kühlungsluft zu dem Raum 91 des Kühlkörpers 90 verwendet wird, Wärme besser abgeleitet.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann ein Überhitzen der Halbleiterelemente 86, die sogenannte Leistungstransistoren sind, die an dem Kühlkörper 90 angebracht sind, unterdrückt werden, und eine Beschädigung der Halbleiterelemente 86 durch Wärme (Hitze) kann unterdrückt werden.
In den metallbasierten Platten 88A, 88B können Leitungsmuster auf den Plattenoberflächen, auf denen die Halbleiterelemente 86 vorgesehen sind, ausgebildet sein. Die metallbasierten Platten 88A, 88B sind mit Temperatursensoren 92A, 92B zum Erfassen von Temperaturen der Halbleiterelemente 86 versehen.
Die Temperatursensoren 92A, 92B sind durch Chipteile ausgebildet, auf denen die Leitungsmuster direkt angelötet werden können, und sind zwischen zwei Halbleiterelementen 86 in der Mitte in einer longitudinalen Richtung der metallbasierten Platten 88A, 88B vorgesehen.
Daher sind Leitungsmuster 93A, 93B, die an die Temperatursensoren 92A, 92B gekoppelt sind, zum Herausnehmen von Erfassungssignalen von den Temperatursensoren 92A, 92B auf den metallbasierten Platten 88A, 88B ausgebildet.
Die Leitungsmuster 93A, 93B sind von Mitten der metallbasierten Platten 88A, 88B, wo die Temperatursensoren 92A, 92B vorgesehen sind, zu Seiten eines Endes (Seite linken Endes in der Figur) in der longitudinalen Richtung der metallbasierten Platten 88A, 88B vorgesehen.
Auf zu den Temperatursensoren 92A, 92B entgegengesetzten Enden der Leitungsmuster 93A, 93B sind Pinköpfe/Stiftköpfe 94A, 94B mit Anschlüssen (Pins) zum Koppeln der Leitungsmuster 93A, 93B an das Leitungsmuster auf der Leiterplatte 80 vorgesehen.
Infolgedessen sind die Temperatursensoren 92A, 92B, die auf den metallbasierten Platten 88A, 88B montiert sind, an das Leitungsmuster auf der Leiterplatte 80 gekoppelt, und sind an die Steuerungsschaltung 54 der Leiterplatte 80 über das Leitungsmuster gekoppelt.
Daher kann die Steuerungsschaltung 54 Temperaturen der Halbleiterelemente 86, die auf den metallbasierten Platten 88A, 88B vorgesehen sind, überwachen und den Stromweg zu dem Motor 40 unterbrechen, wenn die Temperatur eines der Halbleiterelemente 86 eine bestimmte maximale Temperatur erreicht, so dass dadurch ein Schaden an den Halbleiterelementen 86 unterdrückt wird.
Ein Temperatursensor 92A und ein Temperatursensor 92B sind respektive zwischen den zwei Halbleiterelementen 86 in der Mitte in der longitudinalen Richtung der metallbasierten Platte 88A und der metallbasierten Platte 88B vorgesehen. Dies ist der Fall, da die metallbasierten Platten 88A, 88B Aluminiumplatten sind und eine exzellente thermische Leitfähigkeit aufweisen.
Mit anderen Worten, in der vorliegenden Ausführungsform sind ein Temperatursensor 92A und ein Temperatursensor 92B respektive in der Mitte der metallbasierten Platte 88A und der metallbasierten Platte 88B vorgesehen, so dass ein Überhitzen mindestens eines der Halbleiterelemente 86 erfasst werden kann.
Somit kann, wenn es notwendig ist, die Temperaturen der Halbleiterelemente 86 genau und individuell zu erfassen, ein Temperatursensor in einer Umgebung jedes der Halbleiterelemente 86 vorgesehen sein.
Wie in 4 gezeigt ist, wird die Leiterplatte 80, an der der Kühlkörper 90 angebracht ist, wie oben beschrieben wurde, in einem flachen Harzgehäuse 100, das eine Öffnung zum Aufbewahren der Leiterplatte 80 aufweist, aufbewahrt. Die Leiterplatte 80 wird derart aufbewahrt, dass der Kühlkörper 90 auf der Öffnungsseite des Gehäuses 100 ist.
Wenn die Leiterplatte 80 in dem Gehäuse 100 aufbewahrt wird, wie in 6 gezeigt ist, sind die gesamten Anbringungsoberflächen der Halbleiterelemente 86 auf den metallbasierten Platten 88A, 88B mit isolierenden Materialien 96A, 96B, die aus Haftmittel/Klebstoff und Formmaterial (Gussmaterial) ausgebildet sind, beschichtet.
Nachdem die Leiterplatte 80 in dem Gehäuse 100 aufbewahrt ist, wird beispielsweise durch Gießen von Harz von einer Seite einer oberen Oberfläche der Leiterplatte 80, an der der Kühlkörper 90 angebracht ist, der Umfang der Leiterplatte 80 ebenfalls mit isolierendem Material 98 beschichtet.
Infolgedessen ist die gesamte Steuerung 50 einschließlich der Halbleiterelemente 86 und der Temperatursensoren 92A, 92B, die an dem Kühlkörper 90 angebracht sind, mit den isolierenden Materialien bedeckt und vor Wasser, Eisenpulver, Staub usw. geschützt.
Die Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist im Obigen beschrieben worden. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, und verschiedene Abwandlungen können vorgenommen werden.
Beispielsweise sind in der zuvor genannten Ausführungsform die Halbleiterelemente 86 auf sowohl der vorderen Oberfläche als auch der hinteren Oberfläche des Kühlkörpers 90 mit der dazwischen eingefügten metallbasierten Platte 88A, 88B vorgesehen.
Jedoch kann, wenn der Kühlkörper 90 dasselbe Potential wie jenes der positiven Leistungszufuhrleitung 56 aufweist, ein Halbleiterelement, dessen Drain an die Leistungszufuhrleitung 56 gekoppelt ist, wie beispielsweise ein Halbleiterelement, das als ein hochseitiger Schalter einer Wechselrichterschaltung verwendet wird, usw., direkt an dem Kühlkörper 90 angebracht sein.
Dies ist der Fall, da ein FET mit einer Leitung, der das Halbleiterelement 86 ausbildet, im Allgemeinen einen Drain auf einer Anbringungsoberfläche an einem Kühlkörper und dergleichen aufweist.
Daher sind die Halbleiterelemente, deren Drains an die Leistungszufuhrleitung 56 gekoppelt sein können, direkt an einer Seite des Kühlkörpers 90 angebracht, und die verbleibenden Halbleiterelemente können an der anderen Seite des Kühlkörpers 90 mit dazwischen eingefügten metallbasierten Platten angebracht sein.
In der zuvor genannten Ausführungsform weist der Kühlkörper 90 den Raum 91, der die Seite der vorderen Oberfläche und die Seite der hinteren Oberfläche trennt, auf. Jedoch ist es nicht immer notwendig, den Raum 91 vorzusehen. Auch kann zum Erhöhen einer Wärmeableitungsleistung des Kühlkörpers 90 eine Lamelle zur Wärmeableitung innerhalb des Raums 91 oder auf der oberen Oberfläche des Kühlkörpers 90 vorgesehen sein.
In der zuvor genannten Ausführungsform sind die Halbleiterelemente 86 auf sowohl der vorderen Oberfläche als auch der hinteren Oberfläche des Kühlkörpers 90 vorgesehen. Die Halbleiterelemente 86 können in einer Reihe auf einer Seite des Kühlkörpers 90 vorgesehen sein.
In der zuvor genannten Ausführungsform ist ein Beispiel der elektrischen Arbeitsmaschine der vorliegenden Offenbarung ein elektrischer Rasenmäher. Jedoch ist die elektrische Arbeitsmaschine der vorliegenden Offenbarung nicht auf einen elektrischen Rasenmäher beschränkt. Beispielsweise kann eine elektrische Arbeitsmaschine, wie beispielsweise ein elektrisches Kraftwerkzeug, in dem ein Halbleiterelement, das in einem Stromweg zu einem Motor vorgesehen ist, an einem Kühlkörper angebracht ist, dieselbe Wirkung durch Anwenden der vorliegenden Offenbarung in derselben Weise wie in der zuvor genannten Ausführungsform aufweisen.
Funktionen einer Komponente in einer der zuvor genannten Ausführungsformen können durch zwei oder mehr Komponenten umgesetzt werden, und eine Funktion einer Komponente kann durch zwei oder mehr Komponenten umgesetzt werden. Funktionen zweier oder mehr Komponenten können durch eine Komponente umgesetzt werden, und eine Funktion, die durch zwei oder mehr Komponenten umgesetzt wird, kann durch eine Komponente umgesetzt werden. Ein Teil der Ausgestaltung einer der zuvor genannten Ausführungsformen kann weggelassen werden. Mindestens ein Teil der Ausgestaltung einer der zuvor genannten Ausführungsformen kann zu der Ausgestaltung der anderen der Ausführungsformen hinzugefügt werden oder durch die Ausgestaltung der anderen der Ausführungsformen ersetzt werden.
Es wird explizit erklärt, dass alle Merkmale, die in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbart sind, dazu bestimmt sind, separat und unabhängig voneinander sowohl für den Zweck der ursprünglichen Offenbarung als auch für den Zweck der Beschränkung der beanspruchten Erfindung unabhängig von der Zusammenstellung der Merkmale in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen offenbart zu werden. Es wird explizit erklärt, dass alle Wertebereiche oder Angaben von Gruppen von Objekten jeden möglichen Zwischenwert oder jedes mögliche dazwischen liegende Objekt sowohl für den Zweck der ursprünglichen Offenbarung als auch für den Zweck der Beschränkung der beanspruchten Erfindung, insbesondere zur Bestimmung der Grenzen von Wertebereichen offenbaren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016/098564 [0003]

Claims

Elektrische Arbeitsmaschine (12) mit: einem Motor (40); einem Halbleiterelement (86), das in einem Stromweg zu dem Motor vorgesehen ist und dazu ausgebildet ist, den Stromweg zu schließen oder zu unterbrechen; einer Leiterplatte (80), auf der das Halbleiterelement montiert ist, bei der eine Steuerungsschaltung (54), die dazu ausgebildet ist, das Halbleiterelement zum Steuern von Energiezufuhr zu dem Motor ein- und auszuschalten, an der Leiterplatte angebracht ist; und einem Kühlkörper (90) zum Ableiten von Wärme von dem Halbleiterelement, bei der das Halbleiterelement an dem Kühlkörper über eine metallbasierte Platte (88A, 88B) angebracht ist.
Elektrische Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, bei der die metallbasierte Platte mit einem Temperaturerfassungselement versehen ist, und das Temperaturerfassungselement an die Steuerungsschaltung, die an der Leiterplatte (80) angebracht ist, gekoppelt ist.
Elektrische Arbeitsmaschine nach Anspruch 2, bei der die metallbasierte Platte mit einem Leitungsmuster zum Koppeln des Temperaturerfassungselements an die Leiterplatte versehen ist.
Elektrische Arbeitsmaschine nach Anspruch 2 oder 3, bei der die metallbasierte Platte mit zweien oder mehr der Halbleiterelemente versehen ist, und das Temperaturerfassungselement inmitten der Halbleiterelemente angeordnet ist.
Elektrische Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Halbleiterelement mit einem isolierenden Material auf der metallbasierten Platte beschichtet ist.
Elektrische Arbeitsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Kühlkörper mit einem Raum (91) zur Wärmeableitung versehen ist, und das Halbleiterelement auf entgegengesetzten Seiten des Kühlkörpers mit dem dazwischen eingefügten Raum vorgesehen ist.