DE102021123971A1

DE102021123971A1 - Motorvorrichtung mit thermisch integrierter Servoantriebseinheit

Info

Publication number: DE102021123971A1
Application number: DE102021123971.0A
Authority: DE
Inventors: Simon Fischinger; Andrija Feher; Nathanael Peltzer; Florian Kock
Original assignee: Synapticon GmbH
Current assignee: Synapticon GmbH
Priority date: 2021-09-16
Filing date: 2021-09-16
Publication date: 2023-03-16
Also published as: WO2023042055A1; CN117916990A; EP4381588A1

Abstract

Die Offenbarung betrifft eine integrierte Motorvorrichtung (1) mit einer Motoreinheit (2) und einer an der Motoreinheit (2) angebrachten Servoantriebseinheit (3), wobei die Servoantriebseinheit (3) eine erste Leiterplatte (4) mit einem oder mehreren leistungswandelnden Wechselrichterelementen (5) umfasst; wobei die Servoantriebseinheit (3) mindestens einen Encoder-Lesekopf (6) eines Encodersystems (7) umfasst, das zum Bereitstellen von Informationen über eine Position einer Motorwelle (8) der Motoreinheit (2) konfiguriert ist; und die erste Leiterplatte (4) näher an einem Körper (9) der Motoreinheit (2) ist als der Encoder-Lesekopf (6), um das Problem der thermischen Leistungsverminderung in der integrierten Motorvorrichtung (1) zu reduzieren oder zu überwinden.

Description

Einführung
Die Offenbarung betrifft eine Motorvorrichtung mit einer Motoreinheit und einer an der Motoreinheit angebrachten Servoantriebseinheit, wobei die Servoantriebseinheit eine erste Leiterplatte mit einem oder mehreren leistungswandelnden Wechselrichterelementen umfasst.
Integrierte Motorvorrichtungen oder -geräte, die auch als Umrichtermotoren oder integrierte Motoren bezeichnet werden, d. h. Motoren mit integriertem Um- bzw. Wechelrichter und integrierter Steuerelektronik, leiden in der Regel unter einer thermisch bedingten Leistungsminderung („Derating“). Das bedeutet, dass der maximal zulässige Dauerstrom, das Drehmoment und die Leistung niedriger sind als beim gleichen Basismotor ohne integrierten Wechselrichter, d. h. der Motoreinheit ohne Servoantriebseinheit. Dieser Effekt reduziert den maximal zulässigen Dauerstrom, das Drehmoment und die Leistung typischerweise um etwa 30 bis 40 % im Vergleich zum Basismotor als solchem.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass die elektronischen Steuerelemente, die in der Servoantriebseinheit der integrierten Motorvorrichtung verwendet werden, in der Regel niedrigere Betriebstemperaturen zulassen als die Motoreinheit selbst. Die maximalen Motorwicklungstemperaturen und damit die maximal zulässige Temperatur der Motoreinheit liegen häufig im Bereich von 130 bis 155°C. Die Sperrschichttemperaturen der Schaltelemente, d. h. die maximal zulässigen Temperaturen der leistungswandelnden Wechselrichterelemente in der Servoantriebseinheit, liegen in vielen Fällen bei etwa 150 °C. Die Elemente der Logikelektronik, d. h. die elektronischen Steuerelemente der Servoantriebseinheit, sind jedoch häufig für eine Sperrschichttemperatur von 125 °C oder noch niedrigeren Temperaturen ausgelegt.
Darüber hinaus ist die Wärmeleistung, die von den genannten Wärmequellen, insbesondere den Wechselrichterelementen, die in der Regel Hochleistungs-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOS-FETs) umfassen, abgeführt werden muss, beträchtlich und muss über einen wohldefinierten Wärmepfad an die Umgebung abgegeben werden. Ein solcher wohldefinierter Wärmepfad kann als ein Netzwerk von oder eine Reihe von Wärmedurchgangswiderständen betrachtet werden. Je geringer diese Widerstände sind, desto mehr Wärme kann abgeleitet werden, und desto mehr Leistung, Drehmoment und Strom kann in der Motorvorrichtung umgesetzt werden.
Um die thermischen Gesamtwiderstände niedrig zu halten, wurden im Stand der Technik mehrere Strategien angewandt. Zum einen werden große Außenflächen für die jeweiligen Gehäuse verwendet, um den Wärmewiderstand bei der Konvektion von Wärme in die Umgebung zu verringern. Daher hat die Servoantriebseinheit in vielen Fällen einen größeren Querschnitt als die Motoreinheit. Zweitens sind Motoreinheit und Servoantriebseinheit thermisch voneinander isoliert, was dazu führt, dass die Motoreinheit mit einer höheren Temperatur arbeitet als die Servoantriebseinheit. Drittens ist die Servoantriebseinheit in zwei thermisch isolierte Abschnitte unterteilt, einen ersten Wechselrichterabschnitt und einen zweiten Logik-/Steuerabschnitt, wobei die Betriebstemperatur des Wechselrichterabschnitts höher ist als die des Steuerabschnitts.
Alle diese Strategien ermöglichen es jedoch nicht, die Motoreinheit an der thermischen Grenze des Basismotors zu betreiben. Würde in einem solchen Fall die Motoreinheit an der thermischen Grenze des Basismotors betrieben, würde die Temperaturdifferenz zwischen den leistungswandelnden Wechselrichterelementen auf der einen Seite und den Motorwicklungen auf der anderen Seite nicht ausreichen, um eine ausreichende Wärmemenge von den leistungswandelnden Wechselrichterelementen auf die Motoreinheit zur Abfuhr zu übertragen, oder sogar zu einer Wärmeübertragung in die falsche Richtung führen, wodurch sich die Wechselrichterelemente zusätzlich erwärmten. Gleichzeitig wäre die Oberfläche des Gehäuses der Servoantriebseinheit nicht groß genug, um genügend Wärme direkt an die Umgebung abzugeben um eine Überhitzung der leistungswandelnden Um- oder Wechselrichterelemente zu vermeiden.
All dies gilt insbesondere für integrierte Motorvorrichtungen mit vergleichsweise hohem Bemessungsstrom, zum Beispiel mehr als effektiv 10 A (10 A_rms), mehr als effektiv 20 A oder mehr als effektiv 30 A Dauerphasenstrom, bei einer Niederspannungs-Gleichstromversorgung mit maximal 120V. Daraus ergeben sich maximale Dauerleistungen zwischen 400 W und 10 kW.
Folglich sind solche in die Niederspannungs-Gleichstromversorgung integrierten Motorvorrichtungen nur mit einer erheblichen Leistungsminderung im Vergleich zu den entsprechenden Basismotoren erhältlich.
Darüber hinaus enthält eine integrierte oder wechselrichtergesteuerte Motorvorrichtung typischerweise ein Rückmeldesystem, d. h. ein Drehgeber- bzw. Encodersystem, das so konfiguriert ist, dass es Informationen über die Position einer Motorwelle des Motors, d. h. einen Winkel der Motorwelle, liefert. Das Encodersystem muss den Rotor des Motors abtasten und ist daher direkt an der Motoreinheit angebracht bzw. ist das Element der Servoantriebseinheit, das der Motoreinheit im Vergleich zu anderen Elementen der Servoantriebseinheit am nächsten liegt.
Das typische Drehgebersystem ist eine dedizierte Einheit. In der Regel handelt es sich um eine vollständig geschlossene Einheit, die einen Stator als Teil eines Lesekopfes, einen Rotor als Geber bzw. Target sowie ein Lager in einem Gehäuse oder einer integrierten Struktur vereint. Alternativ dazu besteht es aus einer separaten Leiterplatte mit dem Lesekopf und einem Target, die nacheinander an der Motoreinheit montiert werden. In beiden Fällen erfüllt das Geber- bzw. Encodersystem keine zusätzlichen Funktionen, d. h. es liefert lediglich Informationen über die Position der Motorwelle und treibt die Motoreinheit nicht selbst an oder steuert sie.
EP 31 83 800 B1 zeigt eine integrierte Motorvorrichtung mit einer Motoreinheit und einer an der Motoreinheit angebrachten Servoantriebseinheit, wobei die Servoantriebseinheit zwei Temperaturzonen aufweist: Eine heiße Zone in der Nähe der Motoreinheit und eine kühlere Temperaturzone weiter entfernt von der Motoreinheit. In einem zentralen Bereich der heißen Zone, nahe der Motorwelle, befindet sich ein kühlerer zentraler Bereich, der durch einen radialen Hitzeschild von der nahen heißen Zone abgeschirmt ist. In diesem kühleren Mittelbereich ist das Gebersystem oder Encodersystem angeordnet.
Die DE 10 2005 037 488 B4 zeigt eine Servoantriebseinheit für eine integrierte Motorvorrichtung mit einem Wechselrichterteil und einem Steuerteil. Beide Teile sind thermisch voneinander entkoppelt. Darüber hinaus weist der Wechselrichterteil zwei Kühlkörper auf, die mechanisch aneinander gekoppelt werden können.
EP 2 238 817 B1 beschreibt eine integrierte Motorvorrichtung, bei der die Servoantriebseinheit eine gefaltete Leiterplatte aufweist, wobei verlustarme Elemente nahe einer Außenfläche des Gehäuses aus Kunststoff angeordnet sind und leistungsstarke Elemente über eine Außenfläche des Gehäuses aus Metall gekühlt werden. Außerdem ist die Servoantriebseinheit thermisch von der Motoreinheit entkoppelt.
DE 10 2010 055 869 A1 beschreibt eine integrierte Motorvorrichtung, bei der eine erste Leiterplatte mit Steuerelementen parallel zur Motorwelle und eine zweite Leiterplatte parallel zur Motorwelle senkrecht zur ersten Leiterplatte angeordnet ist.
Bei allen vorgeschlagenen Lösungen verbleibt jedoch eine große thermisch bedingte Leistungsminderung, ein großes „thermal derating“. Außerdem ist das Gehäuse der Servoantriebseinheit, d. h. die Endkappe, die der Motoreinheit hinzugefügt wird, wenn diese zu einer integrierten Motorvorrichtung wird, vergleichsweise groß. Dies liegt an der Funktion der Endkappe als Kühlkörper für die elektronischen Elemente, d. h. die elektronischen Steuerelemente sowie die leistungswandelnden Elemente. Das Gehäuse der Servoantriebseinheit ist also so konzipiert, dass es den größten Teil, wenn nicht sogar die gesamte von der Servoantriebseinheit erzeugte Wärme an die Umgebung abführt. Dies erfordert jedoch die besagte große Oberfläche. Zwar werden im Stand der Technik die Gehäuse der Servoantriebseinheiten mit Kühlrippen versehen, um die Wärmeabfuhr zu erhöhen. Dies führt jedoch in bestimmten Umgebungen und Anwendungen, z. B. in der Lebensmittelindustrie, zu hygienischen Problemen.
Das zu lösende technische Problem kann daher darin bestehen, das Problem der thermische bedingten Leistungsminderung in integrierten Motorgeräten zu verringern oder zu überwinden.
Dieses Problem wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Beschreibung
Ein Aspekt betrifft eine Motorvorrichtung, eine integrierte Motorvorrichtung oder eine Wechselrichter-Motorvorrichtung, mit einer Motoreinheit und einer an der Motoreinheit angebrachten Servoantriebseinheit. Motoreinheit und Servoantriebseinheit haben jeweils ein eigenes Gehäuse und sind somit in sich geschlossene Einheiten. Die Motoreinheit ist also mechanisch als separate Einheit funktionsfähig, ebenso wie die Servoantriebseinheit. Die Servoantriebseinheit umfasst eine erste Leiterplatte, PCB, mit einem oder mehreren leistungswandelnden Wechselrichterelementen, der Leistungselektronik. Die Servoantriebseinheit umfasst mindestens einen Encoder-Lesekopf eines Encodersystems, das zum Bereitstellen von Informationen über eine Position einer Motorwelle der Motoreinheit ausgebildet ist. Das entsprechende Encoder-Target des Encodersystems kann Teil der Motoreinheit sein. In diesem Fall verbleibt das Encoder-Target bei der Motoreinheit, wenn die Servoantriebseinheit von der Motoreinheit entfernt wird, und der Encoder-Lesekopf wird mit der Servoantriebseinheit entfernt. Außerdem befindet sich die erste Leiterplatte näher am Gehäuse der Motoreinheit als der Encoder-Lesekopf. So ist die erste Leiterplatte in einer durch die Motorwelle bestimmten axialen Richtung mit einem geringeren Abstand zum Gehäuse der Motoreinheit angeordnet als der Encoder-Lesekopf. Die erste Leiterplatte ist somit zwischen der ersten Ebene, die durch den Encoder-Lesekopf verläuft, und einer zweiten Ebene, die durch den Körper der Motoreinheit verläuft, insbesondere durch den Schwerpunkt der Motoreinheit, angeordnet. Die erste Leiterplatte kann im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse der Motoreinheit angeordnet sein, also senkrecht oder senkrecht mit einer bestimmten Abweichung. Die Abweichung kann mit maximal 15°, maximal 5° oder maximal 2° angegeben werden. Bei der Motorvorrichtung kann es sich um eine Motorvorrichtung handeln, die für eine bestimmungsgemäße Verwendung mit einer Gleichstromversorgungsspannung von 120 V oder weniger konfiguriert ist, vorzugsweise mit maximalen Motorphasen-Dauerströmen über 10 A. Insbesondere kann die Motorvorrichtung für Dauerleistungen zwischen 400W und 10kW ausgelegt sein.
Dies hat den Vorteil, dass der größte Teil der von der Servoantriebseinheit erzeugten Wärme sehr nahe an der Motoreinheit entsteht, insbesondere sehr nahe am Körper und Gehäuse der Motoreinheit, und gleichzeitig der empfindliche Lesekopf (und, wie unten beschrieben, elektronische Steuerelemente) weiter von den heißesten Wärmequellen entfernt sind. Durch diese Anordnung wird ein Design ermöglicht, bei dem die Wärme entlang eines definierten thermischen Pfades von der Leistungselektronik zu Gehäuse und Körper der Motoreinheit übertragen wird. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die zur Kühlung zur Verfügung stehende Oberfläche der Motoreinheit wesentlich größer ist als die der Servoantriebseinheit. Somit kann das Gehäuse der Motoreinheit tatsächlich als Kühlkörper für die Servoantriebseinheit dienen. Da die Wärmeleistung der Motoreinheit typischerweise etwa siebenmal größer ist als die Wärmeleistung der Servoantriebseinheit (z. B. 200W im Vergleich zu 30W), hat die zusätzliche Wärme der Servoantriebseinheit keinen wesentlichen Einfluss auf die thermische Auslegung der Motoreinheit. Da das Geber- oder Encodersystem, insbesondere der Geber- bzw. Encoder-Lesekopf mit der sensiblen Elektronik, in einer Ebene angeordnet ist, die von der Motoreinheit weiter entfernt ist als die Ebene, in der sich die leistungswandelnden Wechselrichterelemente befinden, ist ein reduzierter thermischer Durchgangswiderstand von den Wechselrichterelementen zur Motoreinheit möglich: Zum Beispiel durch eine großflächige, direkte thermische Verbindung zwischen der Leistungselektronik, also der ersten Leiterplatte mit den leistungswandelnden Wechselrichterelementen, und der Motoreinheit, insbesondere dem Gehäuse oder Körper der Motoreinheit. Weiterhin kann die Wirkung dieses niederresistiven Wärmepfades dadurch verbessert werden, dass die leistungswandelnden Wechselrichterelemente, die Schaltelemente, für eine Sperrschichttemperatur von mehr als 150°C, vorzugsweise mehr als 160°C, in einigen Fällen mehr als 170 Grad Celsius, spezifiziert sind und dann bei diesen Temperaturen betrieben werden.
Um den Vorteil des letzten Absatzes zu fördern, können Motoreinheit und Servoantriebseinheit so ausgestaltet sein, dass eine Betriebstemperatur der Motorwicklungen der Motoreinheit im kontinuierlichen Nominalbetrieb oder Dauer-Nennbetrieb unterhalb einer Betriebstemperatur der leistungswandelnden Wechselrichterelemente der Servoantriebseinheit liegt. Insbesondere können die Motorwicklungen so ausgelegt sein, dass sie bei kontinuierlichen Nominalbetrieb der Motoreinrichtung eine Betriebstemperatur von mindestens 120°C aber unter 150°C erreichen. Insbesondere können die leistungswandelnden Wechselrichterelemente so ausgelegt sein, dass sie im kontinuierlichen Nominalbetrieb der Motoreinrichtung eine Betriebstemperatur zwischen 150°C und 200°C erreichen.
Außerdem befindet sich der Encoder-Lesekopf dann im kühleren Bereich der Servoantriebseinheit, also nicht neben dem Motor oder auf der heißen ersten Leiterplatte. Diese Anordnung des Encodersystems, insbesondere des Encoder-Lesekopfes, führt auch zu einer besseren Integration des Encodersystems in den Rest der Servoantriebseinheit. Anstatt ein dediziertes Gerät zu sein, das im Wesentlichen eine geschlossene Einheit darstellt, die irgendwo in der Servoantriebseinheit bzw. der Motoreinheit installiert ist, kann die Positionslesefunktionalität nun in eine bereits vorhandene andere Leiterplatte integriert werden, z. B. in eine zweite Leiterplatte, die ein oder mehrere elektronische Steuerelemente aufweist, d. h. Funktionalitäten wie die Steuerlogik, die Mikrocontroller und funktionale Sicherheitskomponenten besitzt. Dies ermöglicht die kombinierte Nutzung der Spannungswandler sowohl für die elektronischen Steuerelemente als auch für das Encodersystem. Außerdem erfordert das Encodersystem weniger Signalverarbeitung und Datencodierung, da die Positionssignale direkt von dem Mikrocontroller gelesen werden können, der die Algorithmen zur Motorsteuerung ausführt, die auf der zweiten Leiterplatte angeordnet sind. Das spart Platz und vereinfacht die Produktion.
Die elektronischen Komponenten des Encodersystems, insbesondere der Encoder-Lesekopf, können direkt auf der zweiten Leiterplatte montiert werden, vorzugsweise durch eine Lötverbindung. Alternativ können sie auf einer kleinen zusätzlichen Leiterplatte, einer Hilfsleiterplatte, montiert werden, die direkt, vorzugsweise ohne Kabel oder Stecker, mit der zweiten Leiterplatte verlötet wird. Eine solche zusätzliche Leiterplatte wird im Englischen als „Castellated PCB“ bezeichnet. Dadurch, d.h. durch Platzierung oder Nichtplatzierung der Castellated PCB, durch Platzierung oder Nichtplatzierung der Encoderkomponenten, durch verschiedene Varianten der Castellated PCB und durch Verwendung verschiedener Signalverarbeitungsalgorithmen können verschiedene Varianten des Encodersystems realisiert werden, was zu einem modularen Encodersystem führt. So können je nach Anwendungsfall unterschiedliche Funktionalitäten, wie das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Multiturn-Funktionalität, insbesondere einer Multiturn-Funktionalität vom Typ Wiegand, und/oder unterschiedliche Genauigkeitsklassen des Encodersystems und/oder unterschiedliche Stufen funktionaler Sicherheit in Bezug auf das Encodersystem einfach realisiert werden, da sie sich nur auf die Servoantriebseinheit beziehen und durch die Anordnung des Encodersystems im kühleren Bereich der Servoantriebseinheit die Randbedingungen schwach sind.
Der Hauptunterschied der vorgeschlagenen Lösung besteht darin, dass die leistungswandelnden Wechselrichterelemente, die Schaltelemente als Kernkomponenten des Um- bzw. Wechselrichters, aufgrund ihrer Nähe zur Motoreinheit thermisch und mechanisch mit der Motoreinheit verbunden sind, und dass das Encodersystem aufgrund seiner Entfernung von Motoreinheit und Wechselrichterelementen thermisch und mechanisch mit dem kühlen Teil der Servoantriebseinheit verbunden ist. Bei den bekannten Lösungen ist es umgekehrt: Die bekannten Encodersysteme sind eigenständige Systeme, die zur Motoreinheit gehören, während Wechselrichterelemente und elektronische Steuerelemente zusammen als eine Einheit zur Servoantriebseinheit gehören.
So werden die Wechselrichterelemente effektiver gekühlt, da sie durch das Gehäuse der Motoreinheit gekühlt werden können, und die Motoreinheit kann heißer laufen, da die empfindlichen elektronischen Elemente weiter von der Motoreinheit entfernt sind als bei bekannten Entwürfen. Dies führt zu einer höheren maximalen Dauerleistung, einem höheren maximalen Dauerdrehmoment und einem höheren maximalen Dauerstrom. Der insgesamt hohe Integrationsgrad vereinfacht die Montage weiter, und da für die Servoantriebseinheit eine kleinere Außenfläche als beim Stand der Technik erforderlich ist, ist eine kompaktere Bauweise möglich, was sich synergetisch mit dem verbesserten Wärmepfad addiert.
Eine alternative Lösung wäre die Verwendung eines separaten Encodersystems, das dann flach sein und unter sehr hohen Temperaturen arbeiten sollte, und das dann ganz klassisch zwischen der ersten Leiterplatte und der Motoreinheit montiert werden könnte, eventuell direkt auf dem Monitor oder im Motor versenkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Leiterplatte eine Durchgangsbohrung auf, durch die hindurch ein Encoder-Target des Encodersystems mechanisch mit der Motorwelle der Motoreinheit gekoppelt ist, insbesondere über ein an der Motorwelle und dem Encoder-Target angebrachtes Adapterelement oder über die Motorwelle selbst. Die Durchgangsbohrung ist somit eine zentrale Durchgangsbohrung. Somit kann das Encoder-Target durch das Durchgangsloch hindurchgehen oder hindurchreichen, um das Encoder-Target in der Nähe des Encoder-Lesekopfes zu haben, der sich aus Sicht der Motoreinheit hinter der ersten Leiterplatte befindet. Alternativ oder zusätzlich kann die Motorwelle und/oder ein Adapterelement durch das Durchgangsloch hindurchgeführt werden oder hindurchreichen, und das Encoder-Target ist vollständig auf einer von der Motoreinheit abgewandten Seite der ersten Leiterplatte, ihrer abgewandten Seite, angeordnet. Somit ist zumindest eine (Ober-)Fläche, die für die optische und/oder magnetische Kopplung von Encoder-Lesekopf und Encoder-Target verwendet wird, auf der abgewandten Seite der ersten Leiterplatte angeordnet. Somit kann das Encoder-Target, zumindest die genannte Fläche, als zwischen der Haupterstreckungsebene der ersten Leiterplatte und dem Encoder-Lesekopf angeordnet betrachtet werden, während die erste Leiterplatte immer noch der Teil der Servoantriebseinheit mit dem geringsten Abstand zum Körper oder Gehäuse der Motoreinheit ist (mit Ausnahme eventuell des Gehäuses der Servoeinheit selbst, das, wie die erste Leiterplatte, in Kontakt mit der Motoreinheit sein kann und somit den Abstand Null hat). Dies hat den Vorteil, dass das gesamte Encodersystem in der von der Motoreinheit weiter entfernten Ebene angeordnet ist als die erste Leiterplatte (die die Wechselrichter-Leiterplatte ist).
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem einen oder den mehreren leistungswandelnden Wechselrichterelementen der ersten Leiterplatte um oberflächenmontierte Elemente, die üblicherweise auch als oberflächenmontierte Bauelemente (surface mounted devices, SMD) bezeichnet werden, wobei die oberflächenmontierten Elemente auf einer ersten (Ober-)Fläche der ersten Leiterplatte montiert sind, die von der Motoreinheit weg ausgerichtet ist, d. h. zum Rest der Servoantriebseinheit hin. Die erste Fäche ist also zum Encoder-Lesekopf oder zum Inneren der Servoantriebseinheit, z.B. der zweiten Leiterplatte, hin ausgerichtet. Dies hat den Vorteil, dass die zweite (Ober-)Fläche der ersten Leiterplatte, die in die entgegengesetzte Richtung, d. h. zur Motoreinheit hin, ausgerichtet ist, flach ist und somit auf einfache Weise einen großen Bereich bildet, der ideal für die Übertragung von Wärme von der Servoantriebseinheit zum Körper der Motoreinheit ist.
Dabei bildet die zweite Fläche vorzugsweise eine Außenfläche der Servoantriebseinheit. Dies hat den Vorteil, dass kein Teil des Gehäuses zwischen der ersten Leiterplatte und dem Körper der Motoreinheit angeordnet ist, was die Wärmeübertragung auf die Motoreinheit erheblich verbessert.
Insbesondere steht die zweite (Ober-)Fläche zumindest teilweise, vorzugsweise größtenteils, in flächigem Kontakt mit dem Gehäuse der Motoreinheit. Dieser Kontakt kann durch Materialien wie Graphit, eine Wärmeleitpaste oder andere Wärmeleitmaterialien verbessert werden, die auf das Gehäuse der Motoreinheit und/oder die zweite Fläche aufgebracht werden. Zumindest in dem/den Bereich(en) des flächigen Kontakts ist der Abstand zwischen der ersten Leiterplatte und dem Gehäuse, also der Motoreinheit, jedoch im Wesentlichen Null. Dies führt zu einer besonders effizienten thermischen Kopplung der ersten Leiterplatte und des Gehäuses der Motoreinheit.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erste Leiterplatte eine Metallkernleiterplatte, „insulated metallic substrate printed circuit board“, IMS-PCB, mit einer Metallschicht, die die zweite Fläche bildet. So kann der Metallteil der Leiterplatte über einen großen Teil des Querschnitts der Motoreinheit vorteilhaft in direktem flächigen Kontakt mit der Motoroberfläche stehen. Dies führt im Wesentlichen zu einem idealen Wärmeübergang von der ersten Leiterplatte zum Gehäuse der Motoreinheit.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die ein oder mehreren leistungswandelnden Wechselrichterelemente so auf der ersten Leiterplatte angeordnet, dass ihre jeweiligen Abstände zu einer Außenkante der ersten Leiterplatte weniger als 25 %, vorzugsweise weniger als 15 %, besonders bevorzugt weniger als 10 % der Gesamterstreckung der ersten Leiterplatte in Richtung des jeweiligen Abstands betragen. Die Leistungselektronik, insbesondere MOSFETs als Wechselrichterelemente, sind also nahe dem äußeren Rand der ersten Leiterplatte angeordnet. In diesem Bereich ist der Druck zur Motoreinheit hin höher, was zu einer besseren Wärmeleitfähigkeit führt und die Kühlung durch das Motorgehäuse effektiver macht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Servoantriebseinheit ein Stützelement, das auf der Seite der ersten Fläche der ersten Leiterplatte, insbesondere auf der ersten Fläche der ersten Leiterplatte, angeordnet ist und das eine Kraft auf die erste Leiterplatte in axialer Richtung der Motoreinheit in Richtung der Motoreinheit ausübt. Das Stützelement wirkt also wie eine Druckplatte, die dafür sorgt, dass sich die erste Leiterplatte nicht stark durchbiegt, wodurch die thermische Kopplung, wie oben beschrieben, verbessert wird. Folglich kann das Stützelement eine Platte mit einer Haupterstreckungsebene senkrecht zur axialen Richtung sein oder diese umfassen, insbesondere mit Verstärkungsrippen, die die Stabilität in axialer Richtung erhöhen. Das Stützelement kann dazu ausgebildet sein, eine Vorspannung auf die erste Leiterplatte auszuüben, wenn die Servoantriebseinheit noch nicht an der Motoreinheit befestigt ist. Insbesondere kann eine solche Vorspannung durch eine erhöhte Dicke in einem zentralen Bereich in der Nähe einer zentralen Achse der Motoreinheit im Vergleich zu der Dicke in einem äußeren Bereich in der Nähe des Randes der ersten Leiterplatte erreicht werden. Dabei wird die Dicke entlang der axialen Richtung gemessen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen der ersten Leiterplatte und der zweiten Leiterplatte der Servoantriebseinheit ein Isolierelement mit einer Haupterstreckungsebene senkrecht zur Achsrichtung der Motorvorrichtung angeordnet, wobei die zweite Leiterplatte ein oder mehrere elektronische Steuerelemente aufweist und vorzugsweise der Encoder-Lesekopf (wie oben beschrieben) auf der zweiten Leiterplatte montiert ist. Dies hat den Vorteil einer noch stärkeren thermischen Kopplung der ersten Leiterplatte mit dem Gehäuse der Motoreinheit. Darüber hinaus kann das Isolierelement auch das Stützelement sein oder dieses umfassen und somit die Wärmeübertragung von der ersten Leiterplatte zum Gehäuse der Motoreinheit aktiv unterstützen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Gehäuse der Servoantriebseinheit an fünf Seiten geschlossen, weist also fünf Gehäuseseiten auf, und das Isolierelement isoliert die leistungswandelnden Wechselrichterelemente an jeder der fünf Seiten, d.h. an den Gehäuseseiten, zu mindestens 80%, vorzugsweise zu 100%, thermisch vom Gehäuse. Dies kann z.B. durch eine Anordnung der leistungswandelnden Wechselrichterelemente auf einer Seite des Isolierelements und des Gehäuses, zumindest teilweise, z.B. der Endkappe des Gehäuses, auf der anderen Seite des Isolierelements erreicht werden. Das Verhältnis einer 80%- oder 100%-Isolierung kann dadurch erreicht werden, dass z.B. 80% oder 100% des Gehäuses auf der anderen Seite des Isolierelementes angeordnet sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Randbereich der zweiten Leiterplatte, der in mechanischem Kontakt mit einem Gehäuse der Servoantriebseinheit steht, zumindest teilweise aus einem Metall, vorzugsweise Kupfer, hergestellt, um den Wärmedurchgangswiderstand zwischen der zweiten Leiterplatte und dem Gehäuse der Servoantriebseinheit zu verringern. Daraus ergibt sich der Vorteil einer geringeren Temperaturdifferenz zwischen der zweiten Leiterplatte und dem Gehäuse der Servoantriebseinheit, zumindest hinsichtlich des Teils des Gehäuses der Servoantriebseinheit, mit dem der Randbereich in mechanischem Kontakt steht. Auf diese Weise wird ein integriertes thermisches Konzept realisiert, bei dem der Körper bzw. das Gehäuse der Motoreinheit als Kühlkörper für die heißen Komponenten, also Motorwicklungen und Leistungselektronik, und das Gehäuse der Servoantriebseinheit als Kühlkörper für die verlustarmen Komponenten wie elektronische Steuerelemente und Encoder-Lesekopf dient.
Folglich kann das Isolierelement nicht nur die zweite Leiterplatte von der ersten Leiterplatte isolieren, sondern auch einen Hauptteil des Gehäuses der Servoantriebseinheit sowohl von der ersten Leiterplatte als auch von dem Gehäuse der Motoreinheit isolieren. Das Isolierelement kann somit selbst einen kleinen Teil des Gehäuses der Servoantriebseinheit bilden, so dass der Hauptteil des Gehäuses der Servoantriebseinheit nicht in mechanischem Kontakt mit dem Gehäuse der Motoreinheit steht. Zu diesem Zweck kann das Isolierelement einen umlaufenden Rahmen aufweisen, der in mechanischem Kontakt mit dem Hauptteil, der Endkappe, des Gehäuses des Servoantriebs und dem Gehäuse der Motoreinheit steht.
Der Rahmen ist zwischen den Gehäusen der Servoantriebseinheit bzw. der Motoreinheit angeordnet. Dadurch wird das beschriebene vorteilhafte thermische Konzept der Motorvorrichtung weiter gefördert.
Die beschriebenen Merkmale der Motorvorrichtung, insbesondere der Wärmedurchgangswiderstand zwischen Motoreinheit und Servoantriebseinheit und/oder die Leistung der leistungswandelnden Wechselrichterelemente der Servoantriebseinheit und/oder die Leistung der Motoreinheit, können so bemessen sein, dass bei kontinuierlichem Nominalbetrieb der Motoreinrichtung mehr als 50 % der in den leistungswandelnden Elementen entstehenden Abwärme an die Motoreinheit, insbesondere das Gehäuse der Motoreinheit, abgeführt wird.
Ein weiterer Aspekt bezieht sich auf eine Servoantriebseinheit für die Motorvorrichtung einer der beschriebenen Ausführungsformen.
Noch ein weiterer Aspekt bezieht sich auf eine Motoreinheit für die Motorvorrichtung einer der beschriebenen Ausführungsformen.
Die Vorteile und vorteilhaften Ausführungsformen der Servoantriebseinheit und/oder der Motoreinheit entsprechen den Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen der Motorvorrichtung.
Die oben, auch in der Einleitung, beschriebenen Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die in der Figurenbeschreibung oder in den Figuren allein offenbarten Merkmale und Merkmalskombinationen können nicht nur allein oder in der beschriebenen Kombination, sondern auch mit anderen Merkmalen oder ohne einige der offenbarten Merkmale verwendet werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Folglich sind auch Ausführungsformen Teil der Erfindung, die nicht explizit in den Figuren dargestellt und beschrieben sind, die aber durch separate Kombination der in den Figuren offenbarten Einzelmerkmale erzeugt werden können. Daher sind auch Ausführungsformen und Merkmalskombinationen, die nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs umfassen, als offenbart anzusehen. Ferner sind Ausführungsformen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die von den Merkmalskombinationen abweichen oder über die in den Abhängigkeiten der Ansprüche beschriebenen hinausgehen.
Ausführliche Beschreibung
Beispielhafte Ausführungsformen werden im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher beschrieben. Darin zeigt

1 einen Querschnitt durch eine beispielhafte Motorvorrichtung mit einer Motoreinheit und einer an der Motoreinheit angebrachten Servoantriebseinheit;
2 eine perspektivische Ansicht der beispielhaften Servoantriebseinheit von 1;
3 eine Ansicht auf die beispielhafte erste Leiterplatte von 2.

In den verschiedenen Abbildungen haben identische oder funktionsgleiche Merkmale die gleichen Bezugszeichen.
1 zeigt einen Querschnitt einer beispielhaften Ausführungsform einer integrierten Motorvorrichtung 1 mit einer Motoreinheit 2 und einer an der Motoreinheit 2 angebrachten Servoantriebseinheit 3, wobei die Servoantriebseinheit 3 eine erste Leiterplatte 4 mit einem oder mehreren leistungswandelnden Wechselrichterelementen 5 umfasst. Die Servoantriebseinheit 3 umfasst mindestens einen Encoder-Lesekopf 6 eines Encodersystems 7, das zur Bereitstellung von Informationen über eine Position einer Motorwelle 8 der Motoreinheit 2 ausgebildet ist. Die erste Leiterplatte 4 befindet sich näher an einem Körper/Gehäuse 9 der Motoreinheit 2 als der Encoder-Lesekopf 6.
In der vorliegenden Ausführungsform weist die erste Leiterplatte 4 eine Durchgangsbohrung 10 auf, durch die ein Encoder-Target 11 des Encodersystems 7 mechanisch mit der Motorwelle 8 der Motoreinheit 2 gekoppelt ist. Im vorliegenden Beispiel wird diese mechanische Kopplung durch ein Adapterelement 12 erreicht, das an der Motorwelle 8 und dem Encoder-Target 11 angebracht ist. Die leistungswandelnden Wechselrichterelemente 5 der ersten Leiterplatte 4 sind hier allesamt oberflächenmontierte Elemente, die auf einer ersten (Ober-)Fläche 13 der ersten Leiterplatte 4 angebracht sind. Diese erste Fläche 13 ist in positiver x-Richtung von der Motoreinheit 2 fort orientiert, so dass sie im vorliegenden Beispiel einer zweiten Leiterplatte 16 der Servoantriebseinheit 3 zugewandt ist.
In diesem Beispiel ist der größte Teil einer zweiten (Ober-)Fläche 14 der ersten Leiterplatte 4, die der ersten Fläche 13 gegenüberliegt, in planem Kontakt mit dem Gehäuse 9 der Motoreinheit 2. Folglich ist diese zweite Fläche 14 in negativer x-Richtung zur Motoreinheit 2 hin orientiert. Im gezeigten Beispiel ist die erste Leiterplatte 4 eine integrierte metallische Substratplatte, bei der die zweite Oberfläche 14 durch eine entsprechende Metallschicht gebildet wird.
Im gezeigten Beispiel umfasst die Motorvorrichtung 1 auch ein kombiniertes Isolier- und Stützelement 15 mit einer Haupterstreckungsebene in der z-y-Ebene, senkrecht zur axialen x-Richtung, das zwischen der ersten Leiterplatte 4 und der zweiten Leiterplatte 16 der Servoantriebseinheit 3 angeordnet ist, wobei auf der zweiten Leiterplatte 16 ein oder mehrere elektronische Steuerelemente 17 und im vorliegenden Beispiel auch der Encoder-Lesekopf 6 montiert sind. Das Isolierelement 15 entkoppelt außerdem den Körper/das Gehäuse 9 der Motoreinheit 2 thermisch von einer Endkappe 22, die im vorliegenden Beispiel zusammen mit einem Rahmen 21 (2) des Isolierelements 15 das Gehäuse der Servoantriebseinheit 3 bildet.
Das kombinierte Isolier- und Stützelement 15 steht in Kontakt mit der ersten Leiterplatte 4 und übt eine Kraft auf die erste Oberfläche 13 der ersten Leiterplatte 4 aus, die die erste Leiterplatte 4 in negativer x-Richtung zur Motoreinheit 2 hin drückt. Das Isolier- und Stützelement 15 ist in 4 näher beschrieben.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Servoantriebseinheit 3 aus 1 aus der Sicht der Motoreinheit 2. Die zweite Fläche 14 ist eine ebene Fläche, die die thermische Kopplung mit dem Körper/Gehäuse 9 der Motoreinheit 2 optimiert. Das Isolierteil 15 bildet einen umlaufenden Rahmen 21 für das Gehäuse der Servoantriebseinheit 3 und isoliert somit die Endkappe 22 als Hauptteil des Gehäuses der Servoantriebseinheit 3 vom Körper/Gehäuse 9 der Motoreinheit 2 als Teil des Gehäuses der Servoantriebseinheit 3. Darüber hinaus bildet die zweite Fläche 14 eine Außenfläche der Servoantriebseinheit 3 an einer Seite der Servoantriebseinheit 3, an der im vorliegenden Beispiel durch Endkappe 22 und Isolierelement 15 kein Gehäuse vorgesehen ist.
3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der ersten Fläche 13 der ersten Leiterplatte 4. Dort sind die ein oder mehreren leistungswandelnden Wechselrichterelemente 5 auf der ersten Leiterplatte 4 so angeordnet, dass ihre jeweiligen Abstände d1, d2 zu einer Außenkante 18 der ersten Leiterplatte 4 weniger als beispielhaft 10 % der jeweiligen Gesamtausdehnung D1, D2 der ersten Leiterplatte 4 in der jeweiligen y-/z-Richtung betragen, die dem jeweiligen Abstand d1, d2 entspricht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3183800 B1 [0011]
DE 102005037488 B4 [0012]
EP 2238817 B1 [0013]
DE 102010055869 A1 [0014]

Claims

Motorvorrichtung (1) mit einer Motoreinheit (2) und einer an der Motoreinheit (2) angebrachten Servoantriebseinheit (3), wobei Motoreinheit (2) und Servoantriebseinheit (3) jeweils ein einzelnes Gehäuse (9, 21, 22) aufweisen, wobei die Servoantriebseinheit (3) eine erste Leiterplatte (4) mit einem oder mehreren leistungswandelnden Wechselrichterelementen (5) umfasst dadurch gekennzeichnet, dass - die Servoantriebseinheit (3) mindestens einen Encoder-Lesekopf (6) eines Encodersystems (7) umfasst, das zum Bereitstellen von Informationen über eine Position einer Motorwelle (8) der Motoreinheit (2) konfiguriert ist; und - die erste Leiterplatte (4) näher am Gehäuse (9) der Motoreinheit (2) liegt als der Encoder-Lesekopf (6).
Motorvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterplatte (4) eine Durchgangsbohrung (10) aufweist, durch die hindurch ein Encodertarget (11) des Encodersystems (7) mechanisch mit der Motorwelle (8) der Motoreinheit (2) gekoppelt ist, insbesondere über ein an der Motorwelle (8) und dem Encodertarget (11) angebrachtes Adapterelement (12) oder über die Motorwelle (8) selbst.
Motorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren leistungswandelnden Wechselrichterelemente (5) der ersten Leiterplatte (4) oberflächenmontierte Elemente sind, wobei die oberflächenmontierten Elemente auf einer ersten, von der Motoreinheit (2) abgewandten Fläche (13) der ersten Leiterplatte (4) montiert sind.
Motorvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite, der Motoreinheit (2) zugewandte Fläche (14) der ersten Leiterplatte (4) eine Außenfläche der Servoantriebseinheit (3) bildet.
Motorvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fläche (14) zumindest teilweise, vorzugsweise größtenteils, flächig am Gehäuse (9) der Motoreinheit (2) anliegt.
Motorvorrichtung (1) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterplatte (4) eine Metallkernleiterplatte ist, wobei eine Metallschicht die zweite Fläche (14) bildet.
Motorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren leistungswandelnden Wechselrichterelemente (5) auf der ersten Leiterplatte (4) so angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Abstände (d1, d2) zu einem Rand (18) der ersten Leiterplatte (4) weniger als 25 %, vorzugsweise weniger als 15 %, am meisten bevorzugt weniger als 10 % der Gesamterstreckung (D1, D2) der ersten Leiterplatte (4) in der Richtung (y, z) des jeweiligen Abstandes (D1, D2) betragen.
Motorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Servoantriebseinheit (3) ein Stützelement aufweist, das auf der Seite der ersten Fläche (13) der ersten Leiterplatte (4) angeordnet ist und das eine Kraft auf die erste Leiterplatte (4) in axialer Richtung (-x) zur Motoreinheit (2) hin ausübt.
Motorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Leiterplatte (4) und einer zweiten Leiterplatte (16) der Servoantriebseinheit (3) ein Isolierelement (15) mit einer Haupterstreckungsebene senkrecht zur Achsrichtung (-x) angeordnet ist, wobei die zweite Leiterplatte (16) ein oder mehrere elektronische Steuerelemente (17) aufweist und vorzugsweise der Encoder-Lesekopf (6) auf der zweiten Leiterplatte (16) montiert ist.
Motorvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (21, 22) der Servoantriebseinheit (3) an fünf Seiten geschlossen ist und das Isolierelement (15) die leistungswandelnden Wechselrichterelemente an jeder der fünf Seiten zu mindestens 80%, vorzugsweise zu 100%, vom Gehäuse thermisch isoliert.
Motorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei kontinuierlichem Nominalbetrieb der Motorvorrichtung mehr als 50 % der in den leistungswandelnden Elementen entstehenden Abwärme an die Motoreinheit (2), insbesondere das Gehäuse (9) der Motoreinheit (2), abgeführt wird.
Motorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Randbereich der zweiten Leiterplatte (16), der in mechanischem Kontakt mit einer Endkappe (22) der Servoantriebseinheit (3) steht, zumindest teilweise aus einem Metall, vorzugsweise Kupfer, zur Verringerung des Wärmewiderstandes zwischen der zweiten Leiterplatte (16) und dem Gehäuse (22), insbesondere einer Endkappe, der Servoantriebseinheit (3) hergestellt ist.
Motorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motoreinheit (2) und die Servoantriebseinheit (3) so ausgebildet sind, dass im kontinuierlichem Nominalbetrieb eine Betriebstemperatur von Motorwicklungen der Motoreinheit (2) unterhalb einer Betriebstemperatur der leistungswandelnden Wechselrichterelemente (5) der Servoantriebseinheit (3) liegt.
Motorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Encoder-Lesekopf (6) mittels einer Lötverbindung direkt auf der zweiten Leiterplatte (16) der Servoantriebseinheit (3) und/oder mittels einer Hilfsleiterplatte, die mit der zweiten Leiterplatte (16) verlötet ist, indirekt auf der zweiten Leiterplatte (16) angeordnet ist, wobei die Hilfsleiterplatte den Encoder-Lesekopf (6) umfasst.
Servoantriebseinheit (3) und/oder Motoreinheit (2) für die Motorvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.