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Die
Erfindung betrifft eine Elektromotoranordnung mit einem integrierten
Steuergerät.
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Elektromotoranordnungen
mit integrierten Steuergeräten
sind an sich bekannt, wobei typischerweise die Steuergeräte in separaten
Gehäusen
untergebracht und seitlich am Motorgehäuse befestigt sind. Aus der
US 4840222 ist eine lektromotoranordnung
mit einem Steuergerät
bekannt, bei welchem diskrete Bau-Elemente einer Schaltungsanordnung auf
einer Schaltungsplatine angeordnet sind. Einzelne Leistungsbauelemente
sind zusätzlich
mit einem die Schaltungsanordnung rohrförmig umgebenden und auch als
Träger
fungierenden Kühlkörper elektrisch
isoliert, aber gut wärmeleitend
verbunden. Aus der
DE
4001017 A1 oder der
DE 4333387 A1 ist es prinzipiell bekannt,
Leistungshalbleiter auf einem flachen Substrat zu montieren, wobei
das isolierende Substrat jeweils auf einem Träger angeordnet ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte
Elektromotoranordnung mit integriertem Steuergerät anzugeben.
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Die
Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Der
modulare Aufbau des Steuergeräts
mit mehreren Modulen, welche vorzugsweise jeweils verschiedenen
Funktionen zugeordnet sind, führt
zu kleineren Funktionseinheiten. Für ein einen Frequenzumrichter
enthaltendes Steuergerät
können
beispielsweise separate Module für
Gleichrichter, Bremse, eine oder mehrere Halbbrücken etc. vorgesehen sein.
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Die
Module können
jeweils auf einem isolierenden Substrat ein oder mehrere Bauelemente
enthalten. Insbesondere bei Leistungsbauelementen für hohe Spannungen
und/oder hohe Ströme
ist die Abfuhr der in den Bauelementen anfallenden Verlustleistung
von besonderer Wichtigkeit. Die Substrate sind hierfür in gutem
Wärmeleitkontakt
auf einem Träger
montiert, welcher als Wärmesenke
dient. Der Träger
besteht seinerseits vorzugsweise aus gut wärmeleitenden Material und weist
eine gegenüber
der Fläche
eines montierten Substrats große
Oberfläche auf,
so daß eine
große
Wärmeabführfläche zur
Verfügung
steht. Vorzugsweise sind mehrere Module auf einem gemeinsamen Träger angeordnet.
Als Material für
den Träger
ist insbesondere Metall, vorzugsweise Kupfer besonders geeignet
und gleichzeitig preisgünstig
verfügbar.
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Die
geringe Flächenausdehnung
der einzelnen Module, welche einzeln vorteilhafterweise weniger
als 20 %, insbesondere weniger als 15 % der vom Träger quer
zur Wellenachse eingenommenen Fläche
beanspruchen, erlaubt auch bei stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
von Substratmaterial (z. B. Keramik, DCB-Substrate) und Trägermaterial
(z. B. Kupfer) eine gut wärmeleitende
flächige
Verbindung von Substrat und Träger,
insbesondere durch Löten
oder Kleben, ohne daß bei
Temperaturwechseln ein Lösen
der Verbindung oder ein Brechen oder Verbiegen eines keramischen
Substrats zu befürchten
ist.
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Dank
der relativ kleinen Abmessungen der Module kann eine hohe Temperaturwechselfestigkeit erzielt
werden, ohne den Träger
bei Temperaturwechsel wegen verschiedener Längenausdehnungskoeffizienten
nennenswert zu verbiegen. Die Vorspannung in Gegenrichtung von Träger und
Modulsubstraten kann entfallen. Es ist jederzeit eine hohe Wärmekopplung
erzielbar. Dadurch besteht auch ein hohes Maß an Freiheit bei der Wahl
der Materialien für
Träger
und/oder Modul-Substrate.
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Als
Substratmaterial findet vorteilhafterweise eine hochwärmeleitfähige Keramik
Verwendung, welche flächig
in gutem Wärmekontakt
mit dem Träger steht.
Die besonders verlustbehafteten Bauelemente sind wiederum gut wärmeleitend
mit dem Substrat verbunden, so daß eine zuverlässige Wärmeabfuhr von
den Bauelementen an den Träger
gewährleistet ist
und die Junction-Temperatur (Sperrschichttemperatur) von Leistungshalbleitern
innerhalb von Bereichen gehalten werden kann, welche eine lange
Lebensdauer der Bauelemente begünstigt.
Die gute Wärmekopplung
erlaubt auch einen Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen.
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Verbindungsleitungen
zu den Bauelementen sind zu den Bauelementen vorteilhafterweise
auf die Substrate aufgelötet
und haben dadurch einen guten elektrischen Kontakte zu Substratleiterbahnen und/oder
Bauelementen und einen guten Wärmekontakt
zum Substrat. Dies erlaubt wiederum wegen guter Kühlung der
Leitungen über
das Substrat die Verwendung kleiner Drahtquerschnitte und in der
Folge einen besonders platzsparenden Aufbau mit kurzen Leitungen
und guten EMV-Eigenschaften.
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Der
Träger
ist in einer bevorzugten Ausführungsform
als im wesentlichen ebene Scheibe ausgebildet und mit der Scheibenfläche quer
insbesondere senkrecht zur Welle ausgerichtet. Die Scheibe umgibt
die Welle vorteilhafterweise über
einen Winkelbereich von wenigstens 270 °. Vorzugsweise ist die Scheibe
als die Welle vollständig
umgebender Ring ausgeführt.
Eine radiale Aufschlitzung des Rings kann eine seitliche Entnahme
der Scheibe von der Welle ermöglichen
und, auch bei radial nicht durchgehendem Einschnitt, die Gefahr
einer Verwertung der Scheibenfläche
bei flächig
ungleichmäßiger hoher
Verlustwärmezufuhr
weiter verringern.
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Die
geringe Größe der einzelnen
Module, welche vorteilhafterweise eine Diagonalausdehnung von weniger
als 50 mm aufweisen, bringt auch mechanische Vorteile, dahingehend,
daß eine
hohe Stabilität
der Module in sich und der Verbindung mit dem Träger gegen Erschütterungen
und Vibrationen gegeben ist, wodurch zusätzliche Maßnahmen zur mechanischen Stabilisierung
wie Verkleben oder Vergießen
entbehrlich sind.
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Der
Träger
kann zur weiteren Wärmeabfuhr unmittelbar
an dem Motorgehäuse
der Anordnung, insbesondere einem Lagerschild des Gehäuses angeflauscht
sein, wodurch eine Wärmeabfuhr über das
nochmals großflächigere
Motorgehäuse
möglich ist.
Zur Ableitung der Wärme
von dem Träger
ist dieser vorzugsweise einem erzwungenen Strom eines Kühlmediums
ausgesetzt, insbesondere einem von einem Lüfter erzeugten Luftstrom. Vorteilhafterweise wird
hierfür
ein für
die Luftstromkühlung
des Motorgehäuses
ggf. vorhandener Lüfter
mit ausgenützt,
indem die Steuergerätanordnung,
insbesondere der Träger
im Luftstrom vor dem Motorgehäuse
angeordnet wird.
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Neben
der besonders wichtigen hohen Wärmeleitfähigkeit
zur schnellen Wärmeverteilung
im Trägervolumen
ist für
den Träger
ein Material mit guter spezifischer Wärmekapazität, insbesondere Kupfer oder
einer Kupferlegierung vorteilhaft, wodurch der Träger auch
als Wärmeleistungspuffer
dienen und dadurch auch bei plötzlichen
Spitzen der Verlustleistung, beispielsweise hohen Beschleunigungen oder
Verzögerungen
des Motors, die Verlustleistung aufnehmen und verteilen und dadurch
lokale Überhitzungen
bei einzelnen Modulen zuverlässig
verhindern kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
der Träger
gut wärmeleitend
mit einem Kühlkörper verbunden.
Der wärmeleitende
Kontakt ist vorteilhafterweise über
die gesamte, den Modulen abgewandte Seite des Trägers großflächig hergestellt, wofür in an
sich bekannter Weise ein gut wärmeleitendes
Material, beispielsweise eine Wärmeleitpaste,
eine gut wärmeleitende
Folie o. ä.
zwischen Träger
und Kühlkörper eingebracht
sein kann.
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Der
Kühlkörper kann
die Kühlwirkung
vorteilhaft unterstützen
und verbessern und erlaubt insbesondere die separate Optimierung
des Trägers
hinsichtlich hoher Wärmekapazität und schneller
Verteilung von Verlustwärme
einerseits und die großflächige Verteilung
auf eine große
Kühlfläche des
Kühlkörpers, welcher
vorteilhafterweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
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Der
Kühlkörper ist
vorzugsweise von einem Kühlluftstrom
umspült,
welcher vorzugsweise zumindest abschnittsweise überwiegend parallel zur Achse der
Motorwelle verläuft.
Der Kühlkörper weist
vorteilhafterweise zu dieser Achse parallele Kühlflächen auf. Der Kühlkörper kann
beispielsweise topfförmig, insbesondere
mit einer Durchführung
für eine
Motorwelle ausgeführt
sein mit vorzugsweise primär
radial außenliegenden
Kühlflächen. Die
Kühlflächen können auch
an dem Träger
selbst ausgebildet und insbesondere einstückig mit diesem ausgeführt sein.
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Die
Module können
in sich zusätzlich
zu einem unmittelbar auf dem Träger
befestigten Substrat mit einer ersten Schaltungsebene eine oder
mehrere weitere Schaltungsträger
in anderer Position, insbesondere in anderen, zum genannten Substrat
im wesentlichen parallelen Schaltungsebenen in größeren Abständen von
der Trägerfläche aufweisen.
Die Bauelemente mit hoher Verlustleistung sind dann auf dem Substrat
mit guter Wärmekopplung
zum Träger angeordnet,
während
in den vom Träger
weiter beabstandeten Schaltungsebenen geringere Verlustleistungen
anfallen. Die mehreren Ebenen sind untereinander über eine
Mehrzahl elektrischer Leitungen verbunden. Bei wenigstens zwei zusätzlichen
Schaltungsebenen kann eine dem Substrat am nächsten liegende Schaltungsebene
mit ihrem Schaltungsträger
als Wärmeschild
gegen nachfolgende Schaltungsebenen dienen, indem von dem Substrat
bzw. von auf diesem angeordneten Bauelementen hoher Verlustleistung
ausgehende Wärmestrahlung
durch die erste zusätzliche
Schaltungsebene abgeschirmt wird.
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Besonders
temperaturempfindliche Bauelemente werden dann in entfernteren Schaltungsebenen
angeordnet. Es können
auch gesonderte Abschirmebenen zur elektrischen, magnetischen und/oder
thermischen Abschirmung verschiedener Ebenen gegeneinander vorgesehen
sein.
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Die
Module können
einzeln, zu mehreren oder vorzugsweise gesamt durch eine oder ggf.
mehrere weitgehend oder vollständig
geschlossene, insbesondere topfförmige
Hüllen
umgeben sein. Eine solche Hülle
schützt
die umgebene Elektronik gegen Umwelteinflüsse und gegen Verschmutzungen,
welche die Isolationseigenschaften wie Kriechstromfestigkeit oder Überschlagsfestigkeit
herabsetzen können.
Die topfförmige
Hülle kann
vorteilhafterweise zur Erzielung verbesserter EMV-Eigenschaften,
insbesondere verringerter Aufnahme oder Abgabe von Störstrahlung,
aus Metall bestehen oder eine metallisierte Oberfläche aufweisen.
Eine Innenwandung der Hülle
kann auch einen Schaltungsträger,
insbesondere bei mehreren Schaltungsebenen eines Moduls tragen.
Vorzugsweise sind Bauelemente einer solchen bei der Innenwand der
Hülle angeordneten Schaltungsebene
gut wärmeleitend
mit der Hülle
verbunden, beispielsweise wiederum über ein keramisches Substrat,
welches in gutem Wärmekontakt
mit einer metallischen Hülle
steht. Die Hülle
liegt günstigerweise
im Luftstrom einer Zwangsluftkühlung,
vorzugsweise stromaufwärts
dem Luftstrom zugewandt. Ein zusätzlicher
Kühleffekt
tritt an den im wesentlichen parallel zur Wellenlängsachse
verlaufenden Seitenwänden
der Hülle
durch den entlangstreichenden Luftstrom auf.
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Bei
scheibenförmigem
Träger
sind die Module gemäß einer
ersten günstigen
Ausführung
so gruppiert, daß alle
Module einen wellennahen Anschlußbereich aufweisen, so daß alle Module über kurze wellennah
geführte
Leitungen anschließbar
und oder untereinander verbindbar sind. Insbesondere die Zwischenkreispotentiale
einer Frequenzumrichteranordnung können auf diese Weise in geringer
Länge wellennah
geführt
sein. Kurze Leitungen sind insbesondere für die EMV-Eigenschaften des
Steuergeräte
günstig.
Die Abstände
der Module zur Welle variieren vorzugsweise um maximal 30 %. Gemäß einer vorteilhaften
Ausführung
liegen die verschiedenen Module in polar aufeinander folgenden Ringsegmenten
des scheibenförmigen
Trägers
und weisen zur effizienten Nutzung der Trägerfläche ungefähr trapezförmige Modulflächen auf.
Die Abstände
zur Welle sind dabei vorzugsweise für alle Module gleich.
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Gemäß einer
anderen günstigen
Ausführungsform
sind die Leitungen, Steuerleitungen und/oder Versorgungsleitungen,
zu den einzelnen Modulen zumindest teilweise bei größeren Radien zugeführt. Dies
vereinfacht durch den größeren verfügbaren Platz
die Leitungsführung
und Kontaktierung. Ferner entfällt
der Drang zur trapezförmigen Gestaltung
der Module und die Gestaltungsfreiheit ist größer. Die Leitungen zu und zwischen
den Modulen können
sowohl in derselben Schaltungsebene wie die Module geführt sein,
als auch von anderen Schaltungsebenen mit wesentlichen Leitungsabschnitten senkrecht
zur Schaltungsebene der Module verlaufen. Eine Leitungsführung zwischen
zwei parallelen beabstandeten Schaltungsebenen kann insbesondere
durch im wesentlichen senkrecht von einer Schaltungsebene abstehenden
Leiterstegen gebildet sein, welche in korrespondierende Steckverbindungen oder
insbesondere Platinendurchbrüche
mit lötbaren Kontaktflächen der
anderen Schaltungsebene eingreifen. Zum Abfangen mechanischer Belastungen können die
Leiterstege in ihrem Verlauf Dehnschleifen aufweisen.
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Auf
oder an dem Träger
können
neben den genannten Modulen mit elektronischen Schaltungen auch
weitere Komponenten des Steuergeräts befestigt sein. Als wichtige
Komponenten eines Frequenzumrichters sind insbesondere noch Zwischenkreiskondensatoren
(Pufferkondensatoren) zu nennen. Solche typischerweise in größerer Zahl
vorhandene Zwischenkreiskondensatoren sind vorzugsweise als Ring
um den Träger
bzw. die topfförmige
Hülle gruppiert
und/oder in achsialer Richtung versetzt gegen den Träger angeordnet.
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Zur
Entkopplung der zugeführten
Schwachstrom-Steuersignale, welche insbesondere auch Logiksignale
und/oder Digitalsignale sein können,
zu der Steuereinrichtung von der Spannungsversorgung und dem Leistungsausgang
zum Motor sind insbesondere die besonders störempfindlichen Steuersignalleitungen
einerseits und die Leistungsleitungen (Spannungsversorgung, Leistungsausgang)
andererseits radial und/oder achsial entgegengesetzt angeordnet.
Bei Anordnung des Steuergeräts
dicht beim Motorgehäuse
können
die Leistungskabel vorteilhafterweise sehr kurz ausgeführt werden.
Die gesamte Steuereinrichtung, bei einem Frequenzumrichter einschließlich der
Zwischenkreiskondensatoren ist vorteilhafterweise von einer Außenhülle umgeben,
welche sowohl als Luftstromführung
als auch als zum mechanischen und/oder elektromagnetischen Schutz
dienen kann.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei
zeigt
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1 eine
Ansicht einer Frequenzumrichtereinrichtung in Längsrichtung einer Motorwelle.
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2 einen
Querschnitt durch eine Einrichtung nach 1.
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3 einen
Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel.
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Auf
einer als Wärmespreizer
und Wärmesenke
dienenden Trägerplatte
TP in Form einer Kreisringscheibe sind mehrere Schaltungsmodule SM
einer Frequenzumrichtereinrichtung angeordnet. Die Module SM nehmen
polar ge trennte Segmente auf der Kreisringfläche für sich ein und weisen ungefähr trapezförmige Grundrisse
auf. Durch die zentrale Ringöffnung
RO ragt eine Welle W eines Motors. Zwischen der Welle und der Trägerplatte
bleibt ein Ringspalt, durch welchen ein zur Kühlung eingesetzter Luftstrom
KL in Wellenlängsrichtung
durchtreten kann. Um die Trägerplatte
sind in ringförmiger
Gruppierung mehrere Pufferkondensatoren ZK für die Zwischenkreisspannung
des Frequenzumrichters angeordnet. Weitere Pufferkondensatoren ZKP
können auf
der Trägerplatte
angeordnet sein. Durch eine Bohrung oder Aussparung in der Trägerplatte
ist ein mehradriges Leistungskabel (Powerkabel) PK geführt, über welches
eine Betriebswechselspannung dem Frequenzumrichter zugeführt und
der frequenzvariable Antriebsstrom zum Motor geleitet ist. In dem Leistungskabel
oder mit diesem können
je nach Aufbau der Motoranordnung im Einzelfall auch Steuersignalleitungen
geführt
sein. Die Leitungsverbindungen können
anstelle eines durchgeführten
Kabels vorteilhafterweise auch eine Steckverbindung in der Bohrung
der Trägerplatte
oder einer sonstigen Aussparung enthalten, was den Austausch der
Elektronikbaugruppe mit der Trägerplatte
vereinfacht. Andere elektrische Verbindungen wie isolierte elektrische Durchführungen
usw. sind dem Fachmann geläufig.
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Die
Module SM weisen alle ungefähr
den gleichen Abstand zur Welle bzw. zur Ringöffnung RO auf und sind nahe
an diese herangeführt.
Verbindungs- und Versorgungsleitungen für getrennte Module können daher
mit kurzer Leitungslänge
in dem achsnahen Bereich der Module geführt werden. Leitungen sowie
mechanische Mittel zum Zusammenhalt der Einrichtung sind nicht eingezeichnet.
Als mögliche
weitere Schaltungselemente sind an sich bekannte Symmetrierwiderstände eingetragen.
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In
der Querschnittsskizze nach 2 ist der Aufbau
der Steuereinrichtung senkrecht zur Plattenebene veranschaulicht.
In der rechten Bildhälfte
ist ein vorteilhafter interner Aufbau einer Phasen-Halbbrücke eines
Frequenzumrichters als eines der Module SM aus 1 skizziert.
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Auf
der Trägerplatte
ist in gutem Wärmekontakt
ein keramisches Substrat CS montiert, insbesondere aufgeklebt oder
aufgelötet.
Das Substrat CS trägt
auf der der Trägerplatte
abgewandten Seite Bauelemente mit relativ hoher Verlustleistung,
insbesondere Gleichrichter und Zerhacker-Schalter (z. B. IGBTs),
deren Verlustwärme
primär
durch Wärmeleitung über das
Substrat an die Trägerplatte
abgeführt wird.
Die Schalter und Gleichrichter liegen in einer ersten Schaltungsebene
E1. Von dieser beabstandet ist ein Schaltungsträger TR angeordnet, welcher
wie im skizzierten Beispiel beidseitig mit Schaltungselementen in
Schaltungsebenen E2 bzw. E3 bestückt sein
kann. Die Schaltungsebenen E2, E3 können vorteilhafterweise die
Treiberschaltungen für
die Schalter der ersten Schaltungsebene enthalten, wobei je eine
Schaltung für
eines der beiden Umschaltpotentiale High and Low vorgesehen ist.
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Durch
die beidseitige Schaltungsbestückung ergibt
sich eine hohe Symmetrie mit weitgehend identischen Umgebungs- und
Leitungsbedingungen für
die Ansteuerung der Leistungsschalter der Schaltungsebene E1 für die beiden
Potentiale. Der Schaltungsträger
TR ist mechanisch stabil gegen das Substrat CS der Schaltungsebene
E1 abgestützt.
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Weitere
Schaltungselemente sind in einer vierten Schaltungsebene E4 auf
einem Trägersubstrat
angeordnet. Diese vierte Schaltungsebene kann insbesondere Netzteil-Schaltungen
zur Erzeugung von niedrigen Spannungen für die Steuerung von Halbleiterbauelementen
sowie Kleinsignal-Steuerschaltungen, insbesondere mit Logikschaltungen,
Signalformstufen, Generatorschaltungen zur Ansteuerung der Treiberstufen
in Schaltungsebenen E2, E3 u. ä.
enthalten.
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Das
Trägersubstrat
TS zur Schaltungsebene E4 ist an der Innenwandung eines die gesamten elektronischen
Schaltungen umgebenden Topfes TO befestigt, wobei die Befestigung
vorzugsweise einen guten Wärmekontakt
zwischen Trägersubstrat
und Topf TO bildet. Das Trägersubstrat
TS ist seinerseits vorteilhafterweise gut wärmeleitend. Der Topf ist vorzugsweise
gleichfalls gut wärmeleitend,
insbesondere metallisch.
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Für die vierte
Schaltungsebene E4, in welcher nur eine vergleichsweise geringe
Verlustleistung anfällt,
ist damit auch eine gute Wärmeableitung
gegeben, so daß in
dieser Schaltungsebene auch Bauelemente mit geringer Temperaturtoleranz
eingesetzt werden können.
Auch in der Schaltungsebene E3, welche durch den Schaltungsträger gegen
die Leistungsbauelemente abgeschirmt ist, ist die Bauelementbelastung
bereits erheblich reduziert.
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Eine
geringe Temperaturbelastung der Bauelemente der Schaltungsebene
E4 wird auch durch den Schaltungsträger TR mit Schaltungsebenen
E2, E3 bewirkt, welcher die Wärmestrahlung,
die von den Bauelemente der ersten Schaltungsebene E1 und dem Substrat
CS ausgeht, abschirmt.
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Ferner
wirkt ein kühlender
Luftstrom KL, welcher von einem nicht dargestellten Lüfter in
Längsrichtung
der Welle eingeprägt
ist, wirkungsvoll wärmeabführend für die Bauelemente
der Schaltungsebene E4.
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Der
Topf TO ist seitlich geschlossen und umschließt damit die elektronischen
Schaltungen vollständig.
Bei metallischem oder metallisiertem Topf kann dadurch ein gute
Abschirmung gegen Eindringen oder Abstrahlen elektromagnetischer
Störfelder erreicht
werden.
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Der
Topf ist mit der Trägerplatte
verbunden und liegt bei metallischer oder metallisierter Ausführung auf
gleichem Potential wie die Trägerplatte
TP.
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Die
ringförmig
um die Trägerplatte
TP und den Topf TO angeordneten Pufferkondensatoren ZK sind auf
einer Halteplatte KP befestigt. Die Kondensatoren sind von dem Kühlluftstrom
KL umströmt
und dadurch gut gekühlt.
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Ein
Leistungskabel PK, welches auch Steuer- oder Sensorleitungen usw.
umfassen kann, ist wellennah durch eine Bohrung in der Trägerplatte
TP in das Innere des von Trägerplatte
TP und Topf TO gebildeten Bauelementraums geführt. Ein zur Zuführung von
Kleinsignal-Steuersignalen, beispielsweise Logiksignalen, Digitalsignalen
u. ä. zu
den Logikschaltungen der Schaltungsebene E4 dienendes Steuersignalkabel
(Logikkabel) LK ist wellenfern und der Trägerplatte abgewandt, d. h.
achsial und radial dem Leistungskabel PK entgegengesetzt angeordnet,
wodurch störende
Verkopplungen weitgehend ausgeschlossen werden können. Ein polarer Versatz (Winkelversatz)
um vorzugsweise 180° ist
zur Entkopplung besonders vorteilhaft, aus Anschaulichkeitsgründen in
der 2 aber so nicht skizziert.
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Die
Trägerplatte
TP ist vorzugsweise mit ihrer den Modulen abgewandten Seite großflächig mit einem
nicht eingezeichneten Kühlkörper oder
mit einer Flauschplatte des Motorgehäuses zur Wärmeabfuhr verbunden.
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Ein
bevorzugt eingesetzter Kühlkörper kann beispielsweise
eine großflächig mit
der Trägerplatte in
Wärmekontakt
stehende Platte und von dieser ausgehende Kühlflächen, insbesondere von dem Kühlluftstrom
umströmte
Kühlflächen, welche
vorteilhafterweise im wesentlichen parallel zur Welle W verlaufen,
aufweisen.
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Die 3 zeigt
ein anderes vorteilhaftes Beispiel für den Aufbau einer Steuergerätanordnung
als Querschnittskizze in einer die Rotationsachse WA der Welle W
enthaltenden Schnittebene. Die nur im unteren Bildteil eingezeichnete
Welle W ragt wie im vorigen Beispiel durch eine zentrale Öffnung RO
der als Wärmesenke
dienenden Trägerplatte
TP hindurch. Unmittelbar auf der Trägerplatte TP sind wieder die
mehreren Module in Form keramischer Substrate aufgebracht, insbesondere
aufgelötet.
Die Module tragen die Leiterbahnen und Bauelemente der ersten Schaltungsebene
E1, in welcher hauptsächlich
die Bauelemente gruppiert sind, bei welchen im Betrieb relativ hohe
Verlustleistungen anfallen.
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Von
der ersten Schaltungsebene in Richtung der Rotationsachse WA beabstandet
ist ein Schaltungsträger,
welcher in diesem Beispiel als Multi-Layer-Platine ML angenommen sei. Die Platine
ML sei dabei vorzugsweise als einheitliche Platine ausgeführt, welche
die Welle vorteilhafterweise vollständig als Ring oder zumindest
weitgehend umschließt.
Die Platine ML enthält
dabei als gemeinsamer Schaltungsträger Schaltungsbaugruppen, welche
verschiedenen Modulen der ersten Schaltungsebene zugeordnet sein
oder auch gemeinsame übergreifende
Funktionen ausführen
können.
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Die
Platine ML ist im skizzierten Beispiel lediglich einseitig auf der
der ersten Schaltungsebene abgewandten Seite mit Bauteilen bestückt, was
die Fertigung gegenüber
einer zweiseitigen Bestückung vereinfacht.
Die damit einhergehende dichtere Bestückung in der Schaltungsebene
E3 wird dadurch begünstigt,
daß die
Platine durch die flächig
durchgehende einteilige Bauform gegenüber einer modularen Unterteilung
mehr Bestückungsfläche und
mehr Freiheit für
die Bauteilanordnung bietet.
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Eine
weitere Schaltungsebene E4 ist auf der der Platine zuweisenden Innenfläche einer
Abdeckung AD vorgesehen, welche eine dem Topf TO des Beispiels nach 2 ähnliche
Funktion der mechanischen und/oder elektromagnetischen Abschirmung der
mehreren Schaltungsebenen gegen die Umgebung hat. Im skizzierten
Beispiel nach 3 hat diese Abdeckung pilzförmige Gestalt
mit einer Zylinderwand zur Welle hin und einer den die mehreren Schaltungsebenen
enthaltenden Raum abschließenden
Wandungsplatte.
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Die
Abdeckung AD ist hingegen auf der radial nach außen weisenden Seite offen,
was für
den Zusammenbau der vorzugsweise getrennt gefertigten und getesteten
Schaltungsebenen vorteilhaft ist. Die Abdeckung AD wird beim Zusammenbau
fest mit der Trägerplatte
TP verbunden. Die zusammengesetzte Anordnung wird beispielsweise
in die topfförmige
Aufnahme eines Kühlkörpers KK
eingesetzt, dessen Innenwand dann den Raum mit den Schaltungsebenen
seitlich abschließt.
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Die
den Schaltungsebenen abgewandte Seite der Trägerplatte TP liegt an einer
planen Fläche des
Kühlkörpers KK
an, wobei vorzugsweise ein gut wärmeleitendes
Medium wie eine Wärmeleitpaste, eine
wärmeleitende
Folie etc. in dünner
Materialstärke
zwischen Trägerplatte
und Kühlkörperfläche eingefügt ist.
Der Kühlkörper kann
vorteilhafterweise radial nach außen sich fortsetzende Kühlflügel KF zur Wärmeabgabe
an ein Kühlmedium,
insbesondere einen Kühlluftstrom
aufweisen. Weitere Kühlflächen können je
nach Führung
des Kühlmediums
auch an der der Trägerplatte
abgewandten Seite des Kühlkörpers und/oder
um die Welle W vorgesehen sein. Der Kühlkörper kann auch Teil eines Gehäuses sein.
Als Material für
den Kühlkörper ist
insbesondere Aluminium oder eine Aluminiumlegierung vorteilhaft.
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Die
elektrischen Verbindungen zwischen den verschiedenen Schaltungsebenen
können
günstigerweise
durch mehradrige Flachbandkabel FB und/oder durch Leiterstege LS
hergestellt werden, wobei letztere vorteilhafterweise zumindest
in ihren Endbereichen senkrecht zu den Schaltungsebenen verlaufende
Kontaktstifte aufweisen, welche in Aussparungen des Trägers der
gegenüberliegenden Schaltungsebene,
insbesondere der Platine ML der Schaltungsebene E3 eingreifen, wenn
die verschiedenen Schaltungsebenen in achsialer Richtung zusammengesetzt
werden. Die Enden der Leitungsstege werden vorzugsweise mit Kontaktflächen des Schaltungsträgers verlötet. Die
Aussparungen, in welche die Enden der Leiterstege eingeführt werden, sind
vorzugsweise als metallisierte Durchgangslöcher ausgeführt. Für Multi-Layer-Platinen ist
diese Ausführung
an sich bekannt und gebräuchlich.
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Die
Leiterstege zeigen in ihrem Verlauf zwischen aufeinander folgenden
Schaltungsebenen vorteilhafterweise Dehnschleifen oder vergleichbare mechanische
Mittel zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen und Temperaturschwankungen.
Diese Mittel zeigen vorteilhafterweise dämpfende Eigenschaften, so daß keine
Eigenschwingungen überhöht anregbar
sind und insbesondere keine Schwingungen zwischen den Schaltungsebenen übertragen
werden. Randnah positionierte elektrische Verbindungsstege zwischen
den Schaltungsebenen in anderer an sich bekannter Bauform sind mit
LT bezeichnet.
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Die
Leiterstege LS, welche vorzugsweise abgesehen von der elastischen
Verformbarkeit starr sind, können
vorteilhafterweise zugleich als mechanische Haltemittel für die Multi-Layer-Platine
ML oder ggf. weitere Schaltungsträger zwischen der ersten Schaltungsebene
E1 auf der Trägerplatte
TP und der Schaltungsebene E4 an der Innenwand der Wandungsplatte
der Abdeckung AD dienen. Die Platine ML ist in einer solchen Ausführung schwimmend
zwischen den mechanisch festen Schaltungsebenen E1 und E4 aufgehängt. So fern
die dadurch gegebene Schwingungsfähigkeit unerwünscht ist,
kann durch punktuelles, teilweises oder auch vollständiges Vergießen oder
Ausschäumen
des Zwischenraums eine Festlegung oder zumindest eine Schwingungsdämpfung erzielt
werden.
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Für die elektrische
Verbindung zum Motor, welche insbesondere hohe Leistungen führende Versorgungsleitungen,
aber auch andere Leitungen wie z. B. Temperaturfühlerleitungen umfassen kann,
ist in Abwandlung des Beispiels nach 2, wo ein
Kabelstrang durch eine Öffnung
in der Trägerplatte
hindurchgeführt
ist, im Beispiel der 3 eine Steckverbindungseinrichtung
SV in durch Trägerplatte
TP und Kühlkörper reichende Öffnungen
eingesetzt, auf welche einerseits ein an die Multi-Layer-Platine
angeschlossener erster Stecker VI und andererseits ein zum Motor
bzw. einem Anschlußklemmkasten
führender
zweiter Stecker VA aufsteckbar sind. Anstelle der Steckverbindung
kann auch eine isolierte Durchführung
von Lötstiften
oder eine Kombination der beschriebenen oder weiterer bekannter
Techniken vorgesehen sein. Die elektrische Verbindung zwischen Motor
bzw. Anschlußklemmenkasten
und den Leistungsbauelementen der Schaltungsebene E1 erfolgt im
skizzierten Beispiel vorteilhafterweise über die Platine ML, insbesondere über deren
innenliegende Leiterebenen. Die Platine ML kann vorteilhafterweise eine
innenliegende Leiterebene auf Massepotential aufweisen, welche Leistung
führende
Leiterebenen von Steuersignal-Leiterebenen trennt. Es kann ferner eine
Leiterebene als wärmeverteilend
ausgebildet sein.
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Die
Zuführung
von Steuersignalen, insbesondere störempfindlichen Steuersignalen
u. ä. erfolgt
wie im vorigen Beispiel, zumindest überwiegend vorzugsweise über ein
separates Logikkabel LK an einer der Steckverbindung SV abgewandten
Position.
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Die
quer zur Rotationsachse WA verlaufende Wandungsplatte der Abdeckung
AD kann Aussparungen aufweisen, durch welche insbesondere großvolumige
Bauteile wie Relais RE, Kondensatoren EK, Trafos TF etc. einerseits
mit der Schaltungsebene E4 verbunden sein und andererseits außerhalb
der Abdeckung angeordnet sein können.
Auch für
auf der Schaltungsebene E3 der Platine ML oder auf der Schaltungsebene
E1 kontaktierte großvolumige
Bauelemente wie beispielsweise Strommesser SM kann vorgesehen sein,
daß diese
durch Aussparungen der Schaltungsebene E4 und der Wandungsplatte
der Abdeckung AD bzw. zusätzlich
Aussparungen der Schaltungsebene E3 nach außen ragen. Die Aussparungen
können
vorteilhafterweise die durchragenden Bauelemente eng umschließen und
vorzugsweise durch elastische Dichtmittel abgedichtet sein.