DE202005010252U1

DE202005010252U1 - Verschaltungsanordnung für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor

Info

Publication number: DE202005010252U1
Application number: DE202005010252U
Authority: DE
Original assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst Mulfingen GmbH and Co KG
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2015-06-29

Abstract

Verschaltungsanordnung (2) für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, insbesondere für einen Außenläufermotor, mit einem in einem Motorgehäuse (10) befestigten und mit Leistungshalbleitern (12) bestücktem kunststoffumspritzten Stanzgitter (4), das durch angeformte Verbindungselemente (32, 33, 34, 36) elektrisch und mechanisch mit mindestens einer Leiterplatte (6, 8) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Wärmeableitung mindestens ein Stanzbahnabschnitt (50) einer oder mehrerer Stanzbahnen (30) ein Trägerprofil-Querschnitt aufweist, um Gehäuse-Kühlflächen (14) der Leistungshalbleiter (12) mit erhöhter Kraft gegen einen Körper, insbesondere einen Kühlkörper (16) zu pressen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verschaltungsanordnung für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, insbesondere für einen Außenläufermotor, mit einem in einem Motorgehäuse befestigten und mit Leistungshalbleitern bestücktem kunststoffumspritzten Stanzgitter, das durch angeformte Verbindungselemente elektrisch und mechanisch mit mindestens einer Leiterplatte verbunden ist.
Eine derartige Anordnung ist aus der DE 101 19 404 A1 bekannt. Beschrieben ist die Kontaktierung aller Leistungsströme führenden elektronischen Bauelemente, wie Leistungshalbleiter und Entstörkondensatoren, auf einem Stanzgitter. Zudem stellt das Stanzgitter durch angeformte Verbindungselemente die elektrische und mechanische Verbindung zu einer die Steuerelektronik tragenden Leiterplatte und zu der zugeführten Netzgleichspannung dar. Die offenbarte technische Lehre beruht auf der räumlichen Trennung von Leistungsströmen, die in den Leiterbahnen des Stanzgitters geführt werden und Signalströmen, die auf der Leiterplatine fließen. Das Stanzgitter ist in einen Isolierkörper eingebettet, der durch eine Kunststoffumspritzung gebildet sein kann. Durch die Kunststoffumspritzung erfährt das Stanzgitter eine mechanische Stabilität, die zusätzlich die Halterung der Leistungsbauelemente ermöglicht und die Ausübung einer Anpresskraft auf die Gehäuse der Leistungshalbleiter vorzugsweise gegen Kühlflächen, und damit eine Wärmeableitung erlaubt. Alternativ kann die thermische Kopplung von Leistungshalbleitern durch zusätzliche Federelemente verbessert werden.
Als Nachteil derartiger Anordnungen stellt sich heraus, dass die Anpresskraft nicht ausreicht, um durch eine auf diese Weise verbesserte Wärmeabfuhr die zulässige Verlustleistung und damit die maximale Stromstärke der Leistungshalbleiter deutlich erhöhen zu können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ausgehend von dem zitierten Stand der Technik die thermischen Voraussetzungen für eine Führung hoher Leistungsströme zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Verbesserung der Wärmeableitung mindestens ein Stanzbahnabschnitt einer oder mehrerer Stanzbahnen ein Trägerprofil-Querschnitt aufweist, um Gehäuse-Kühlflächen der Leistungshalbleiter mit erhöhter Kraft gegen einen Körper, insbesondere einen Kühlkörper, zu pressen. In einer Querschnittsebene senkrecht zur Stanzgitterebene sind ausgewählte Stanzbahnabschnitte als Trägerprofile ausgeführt. Es entsteht dadurch eine biegesteife Trägerstruktur, die erlaubt, eine erhöhte Anpresskraft auf die Gehäuse der auf dem Stanzgitter montierten Leistungshalbleiter auszuüben. Durch diese einfache Maßnahme wird die Wärmeableitung von den Leistungstransistoren begünstigt, wodurch der Einsatz von Leistungshalbleitern mit größeren zulässigen Lastströmen ermöglicht wird. Zudem erfordert die erfindungsgemäße Lösung keinen zusätzlichen Bauraum.
Von besonderem Vorteil ist eine Anordnung der Leistungshalbleiter auf dem kunststoffumspritzten Stanzgitter derart, dass die Gehäusekühlflächen der Leistungshalbleiter an den kunststoffumspritzten als Trägerprofil ausgebildeten Stanzbahnabschnitten anliegen, so dass auf die Gehäuse-Kühlflächen eine Kraft aufgebracht werden kann, die die gegenüberliegende Seite der Gehäuse-Kühlflächen gegen das als Kühlkörper ausgebildete Motorgehäuse drückt. Die Kraftübertragung von den als Trägerprofil ausgebildeten Stanzbahnabschnitten auf die Leistungshalbleitergehäuse geschieht auf diese Weise äußerst wirksam, da die von dem Trägerprofil eingeleitete Kraft nahezu senkrecht auf den Kühlflächen der Leistungshalbleitergehäuse angreift. Die der Krafteinleitung gegenüberliegenden Seiten der Kühlflächen werden gegen den großflächigen Kühlkörper des Motorgehäuses gepresst.
Der Querschnitt der als Trägerprofil ausgebildeten stromführenden Stanzbahnabschnitten ist vorteilhafterweise L-förmig, um einer hohen Biegebeanspruchung bei vertretbarem Materialaufwand zu widerstehen.
An Hand eines bevorzugten, in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsmerkmalen erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Verschaltungsanordnung mit Unterbaugruppen,
2 eine Querschnittsdarstellung der erfindungsgemäßen Verschaltungsanordnung in einem Motorgehäuse zusammengesetzt,
3 die erfindungsgemäße Verschaltungsanordnung nach 2 in Gesamtdarstellung,
4a ein Stanzgitter mit Blick auf die Leiterplattenseite,
4b das Stanzgitter mit Blick auf die Bestückungsseite,
5 das umspritzte Stanzgitter mit Blick auf die Bestückungsseite,
6 das umspritzte und bestückte Stanzgitter mit Blick auf die Bestückungsseite und
7 eine Querschnittsdarstellung des umspritzten und bestückten Stanzgitters in dem Motorgehäuse.
1 zeigt eine Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Verschaltungsanordnung 2 mit ihren Unterbaugruppen 4, 6 und 8. Die Verschaltungsanordnung 2 setzt sich aus einem Leistungsströme führenden mit Kunststoff umspritzten Stanzgitter 4, einer ersten, eine Steuerelektronik tragenden Leiterplatte 6 und einer zweiten, Entstörfunktionen ausführenden Leiterplatte 8 zusammen. Das Stanzgitter 4 ist auf einer, beim Einbau einem Motorgehäuse 10 zugewandten Seite, mit Leistungshalbleitern 12, 13 und Entstörbauelementen 17 bestückt. Die Leistungshalbleiter 12, 13 weisen zur Wärmeableitung Kühlflächen 14 auf (6). Die erste Leiterplatte 6 trägt die Steuerfunktionen realisierenden SMD-Bauelemente 15 und die zweite Leiterplatte 8 nimmt in manueller Bestückung weitere großvolumige Entstörbauelemente 19 auf der bei Einbau dem Stanzgitter 4 abgewandten Seite auf.
Die Unterbaugruppen 4, 6 und 8 werden in das Motorgehäuse 10, welches teilweise als Kühlkörper 16 ausgebildet ist, eingesetzt, wobei das mit Kunststoff umspritzte Stanzgitter 4 als Träger der ersten Leiterplatte 6 dient und auf diese in einem unbestückten Leiterplattenbereich die zweite Leiterplatte 8 aufgesetzt wird. Die Befestigung des Stanzgitters 4 an dem Motorgehäuse 10 erfolgt durch Schraubverbindungen 11 (7). Aus der Stanzgitterebene senkrecht herausgebogene Verbindungsstifte 34 (4 bis 7) durchstoßen entsprechende Bohrungen 9 der ersten Leiterplatte 6 und der zweiten Leiterplatte 8 und stellen nach Verlötung die elektrische Verbindung und die mechanische Fixierung dieses 3-Schichten-Aufbaus her.
2 verdeutlicht in einem Schnitt entlang der Schnittfläche II in 1 aus Blickrichtung A diesen dreilagigen Aufbau der Verschaltungsanordnung 2. Zu erkennen ist die kompakte Anordnung aus dem Stanzgitter 4, der ersten Leiterplatte 6 und der zweiten Leiterplatte 8 nach Zusammenbau und Integration in das Motorgehäuse 10.
3 zeigt die vollständig auf das Motorgehäuse 10 montierte Verschaltungseinheit 2 zusammen mit einem Wicklungen 20 tragenden Stator 18 eines elektronisch kommutierten Außenläufermotors.
Die 4a, 4b, 5 und 6 zeigen detaillierte Darstellungen des Stanzgitters 4 auf verschiedenen fertigungstechnischen Stufen. In den 4a und 4b ist das nicht umspritzte Stanzgitter 4 in Blickrichtung auf die der Leiterplatte 6 zugewandte Seite (4a) und auf die der Leiterplatte 6 abgewandten Seite (4b) dargestellt. Das Stanzgitter 4 ist aus einem ebenen elektrisch leitfähigen Blech hergestellt, aus dem Stanzbahnen 30 in der Funktion als elektrische Leiterbahnen herausgestanzt werden. Sie dienen der Verschaltung und der Stromführung von Leistungsströmen, die in den Wicklungen 20 und über die Leistungshalbleiter 12, 13 fließen. Die Stanzbahnen 30 sind in ihren Endbereichen als Verbindungselemente in Form von Anschlußfahnen 32, Kontaktzungen 33 oder als Verbindungsstifte 34 ausgebildet und aus der Stanzgitterebene herausgebogen oder sie stellen in Form von Quetschkontakten 36 die elektrische Verbindung zu externen Anschlüssen her. Die Anschlußfahnen 32 und die Kontaktzungen 33 stehen senkrecht auf der beim Einbau dem Motorgehäuse 10 zugewandten Fläche, die der Bestückungsseite des Stanzgitters entspricht; sie werden mit den Anschlüssen der Leistungshalbleiter 12, 13, den Entstörbauelementen 17 und dem Stator elektrisch leitfähig verbunden. In die Verbindungsstifte 34, die zur gegenüberliegenden, den Leiterplatten 6, 8 zugewandten Seite ausgerichtet sind, werden die erste Leiterplatte 6 und die zweite Leiterplatte 8 mit ihren jeweiligen Bohrungen 9 eingesetzt und durch Verlöten kontaktiert und fixiert.
An zwei gegenüberliegenden Außenkanten des Stanzgitters 4 sind etwa mittig zwei Befestigungsösen 38 stufenförmig zur Aufnahme der Schraubverbindungen 11 angeformt. Eine dritte gleichartige Öse 39 in der Stanzgitterebene dient als elektrischer Kontakt und wird nicht mit Kunststoff 51 umspritzt (5, 6). Das Stanzgitter 4 weist zusätzlich Montagebohrungen 40 und Ausnehmungen 42 zur Verschraubung mit dem Motorgehäuse 10 und zur Befestigung der weiteren Leistungshalbleiter 13 auf.
Als wesentliches Merkmal der Erfindung sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die zwischen den Befestigungsösen 38 verlaufenden, aus der Stanzgitterebene herausgeformten Stanzbahnabschnitte 50 zu erkennen. Die Stanzbahnabschnitte 50 weisen in ihrer Querschnittsebene ein L-förmiges Trägerprofil auf. Dadurch entsteht eine biegesteife Trägerstruktur, die erlaubt, bei Montage des Stanzgitters 4 mittels Schraubverbindungen 11, die an den Befestigungsösen 38 und im Bereich der Montagebohrungen 40 eingeleiteten Kräfte wirksam auf die Gehäuse der Leistungshalbleiter 12 zu übertragen. Es ist daher vorteilhaft, die Leistungshalbleiter 12 auf dem umspritzten Stanzgitter 4 derart anzuordnen (6), dass auf die Kühlflächen 14 der Leistungshalbleiter 12 durch die profilierten Stanzbahnabschnitte 50 eine erhöhte Anpresskraft gegen den Kühlkörper 16 des Motorgehäuses 10 ausgeübt wird.
5 zeigt das kunststoffumspritzte Stanzgitter 4. Die Stanzbahnen 30 sind von einer isolierenden Kunststoffummantelung 51 umschlossen, die in den Stanzgitterrandbereichen drei Stützelementpaare 53 für die drei Kontaktzungen 33 und Anbauhalterungen 54 (6) aufweist. In der Kunststoffumspritzung 51 sind in der Stanzgitterebene zwei wannenförmige Aufnahmebereiche 56 ausgeformt, die zur Positionierung der Entstörbauelemente 17 dienen. Weiterhin sind in 5 auf der Bestückungsseite des Stanzgitters 4 die mit der Kunststoffumspritzung 51 versehenen Stanzbahnabschnitte 50 zu erkennen. Durch die vollständige Umspritzung der Stanzbahnabschnitte 50 ist deren L-förmiges Trägerprofil verborgen. Die umspritzten Stanzbahnabschnitte 50 erscheinen als Träger mit Rechteckquerschnitt, voneinander in Längsrichtung getrennt durch die als Hülse ausgespritzte Bohrung 40. Auf die quaderförmige Umspritzung 52 der Stanzbahnabschnitte 50 sind auf der Bestückungsseite Positionierungszapfen 58 ausgeformt, die die Leistungshalbleiter 12 durch Eingriff in deren Gehäusebohrung fixieren. Die Leistungshalbleiter 12 kommen somit gemäß 6, die das bestückte umspritzte Stanzgitter 4 zeigt, in einer geraden Linie entlang den als Trägerprofil ausgebildeten Stanzbahnabschnitten 50 auf deren quaderförmiger Umspritzung 52 zu liegen. Deutlich erkennbar ist, dass die umspritzten Stanzbahnabschnitte 50 exakt auf die Kühlflächen 14 der Leistungshalbleiter 12 drücken und somit eine Anpresskraft auf die Kühlflächen 14 gegen angrenzende Körper, insbesondere Kühlkörper, ausüben. Die Anschlüsse der Leistungshalbleiter 12 sind von röhrenförmigen zusätzlichen Entstörelementen 60 umfasst. Deutlich erkennbar sind weitere Leistungshalbleiter 13 und die in die wannenförmigen Aufnahmebereiche 56 eingebetteten Entstörbauelemente 17.
Verdeutlicht ist die vorteilhafte Anordnung der Leistungshalbleiter in 7. Die 7 zeigt das in das Motorgehäuse 10 montierte Stanzgitter 4 in einem Querschnitt senkrecht zur Stanzgitterebene. Klar erkennbar sind die als L-förmiges Trägerprofil ausgebildeten Stanzbahnabschnitte 50, die äußerlich durch die Umspritzung 51 als Rechteckprofil 52 in Erscheinung treten. Durch Druck der umspritzten Stanzbahnabschnitte 50 können die Kühlflächen 14 der Leistungshalbleiter 12 auf den Kühlkörper 16 des Motorgehäuses 10 gepresst werden. Die Wärmeableitung wird durch Verminderung des Wärmeübergangswiderstandes somit begünstigt.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. Ferner ist die Erfindung bislang auch noch nicht auf die im Anspruch 1 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmalen definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des Anspruchs 1 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern ist der Anspruch 1 lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.

Claims

Verschaltungsanordnung (2) für einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, insbesondere für einen Außenläufermotor, mit einem in einem Motorgehäuse (10) befestigten und mit Leistungshalbleitern (12) bestücktem kunststoffumspritzten Stanzgitter (4), das durch angeformte Verbindungselemente (32, 33, 34, 36) elektrisch und mechanisch mit mindestens einer Leiterplatte (6, 8) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Wärmeableitung mindestens ein Stanzbahnabschnitt (50) einer oder mehrerer Stanzbahnen (30) ein Trägerprofil-Querschnitt aufweist, um Gehäuse-Kühlflächen (14) der Leistungshalbleiter (12) mit erhöhter Kraft gegen einen Körper, insbesondere einen Kühlkörper (16) zu pressen.
Verschaltungsanordnung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuse-Kühlflächen (14) der Leistungshalbleiter (12) an den kunststoffumspritzten als Trägerprofil ausgebildeten Stanzbahnabschnitten (50) anliegen, so dass auf die Gehäuse-Kühlflächen (14) eine Kraft aufgebracht werden kann, die die gegenüberliegende Seite der Gehäuse-Kühlflächen (14) gegen das als Kühlkörper (16) ausgebildete Motorgehäuse (10) drückt.
Verschaltungsanordnung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der als Trägerprofil ausgebildeten Stanzbahnabschnitte (50) L-förmig ist.
Verschaltungsanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das die Verbindungselemente Stanzbahnendabschnitte sind, die aus der Stanzgitterebene zum Motorgehäuse (10) herausgebogen sind und senkrecht zur Stanzgitterebene stehend als Anschlussfahnen (32) zur elektrischen Kontaktierung und mechanischen Halterung der Leistungshalbleiter (12, 13) und von Entstörbauelementen (17) dienen oder als Kontaktzungen (33) zur Kontaktierung der Wicklungsanschlüsse dienen.
Verschaltungsanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente Stanzbahnendabschnitte sind, die aus der Stanzgitterebene auf die den Anschlussfahnen (32) gegenüberliegende Seite herausgebogen sind und senkrecht zur Stanzgitterebene stehend als Verbindungsstifte (34) zur elektrischen Kontaktierung und mechanischen Halterung der Leiterplatte(n) (6, 8) dienen.
Verschaltungsanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kunststoffumspritzung des Stanzgitters (4) Montagebohrungen (40) und Positionierungszapfen (58) zur Befestigung und Ausrichtung der Leistungshalbleiter (12, 13) und Aufnahmebereiche (56) zur Positionierung von Entstörbauelementen (17) ausgeformt sind.
Verschaltungsanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Stanzgitter (4) Montage-Bohrungen (40), Ausnehmungen (42) und Befestigungsösen (38) für Verbindungselemente vorgesehen sind.
Verschaltungsanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Leiterplatte (6) die Steuerelektronik, insbesondere realisiert durch SMD-Bauelemente (15), trägt.
Verschaltungsanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Leiterplatte (8) zur Aufnahme von elektronischen Bauelementen, insbesondere manuell bestückbaren Entstörbauelementen (19) dient.
Verschaltungsanordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stanzgitter (4) angeformte Quetschkontakte (36) zur Verbindung der externen Anschlüsse aufweist.
Stanzgitter (4), gekennzeichnet durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile von einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 10.