DE4412407A1 - Schaltungsanordnung für den Betrieb mindestens eines batteriebetriebenen Elektromotors in einem Flurförderzeug - Google Patents
Schaltungsanordnung für den Betrieb mindestens eines batteriebetriebenen Elektromotors in einem FlurförderzeugInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
für den Betrieb mindestens eines batteriebetriebenen Elek
tromotors in einem Flurförderzeug nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Es ist bekannt, Elektromotoren für den Antrieb und das
Hubsystem von batteriebetriebenen Flurförderzeugen puls
weise zu steuern. Bei der Verwendung von Thyristoren ist
die Steuerfrequenz relativ niedrig. Bei dem Einsatz von
elektronischen Leistungsschaltern, zum Beispiel FET, MOS-
FET, Transistor oder IGBT usw. werden höhere Steuerfre
quenzen bevorzugt, die im Bereich von 7 bis 16 kHz liegen.
Zum Leistungsteil einer Schaltungsanordnung zum Betrieb
eines Elektromotors gehören zum Beispiel elektronische
Leistungsschalter, Freilaufdioden, Kondensatoren und Kühl
körper. Der Aufbau bekannter Leistungsteile mit zum Bei
spiel externer Verbindungstechnik führt zu erheblichen
Streuinduktivitäten und damit zu unter Umständen hohen
Überspannungen und periodischen Spannungsspitzen. Sie be
dingen, daß die Halbleiterschalter entsprechend ausgelegt
werden müssen. Zum Schutz der Einflüsse äußerer Streuin
duktivitäten, d. h. zwischen Batterie und Leistungsteil,
dienen leistungsfähige Kondensatoren, die üblicherweise
als Elektrolytkondensatoren ausgeführt sind.
Die erwähnten Spannungsspitzen haben nicht nur Einfluß auf
die Leistungshalbleiterschalter, sondern können sich auch
nachteilig auf die Funktion des Steuerteils auswirken, das
ebenfalls elektronisch ausgeführt ist. Schließlich können
die Spannungsspitzen auch die Umwelt stören durch zum
Beispiel Funkstörungen, Störungen im Telefonnetz, Funk
tionsstörungen anderer elektronischer Geräte usw.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs
anordnung für den Betrieb mindestens eines batteriebetrie
benen Elektromotors in einem Flurförderzeug zu schaffen,
die kompakt aufgebaut ist und die Belastung oder Beein
trächtigung von mit höheren Frequenzen betriebenen Halb
leiterschaltern durch Spannungsspitzen verringert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß sind mindestens ein Kondensator und ein
Halbleiterschaltermodul auf einem gemeinsamen Trägerbau
teil angeordnet, das nach einer Ausgestaltung der Erfindung
von einem Kühlkörper gebildet sein kann. Halbleiterschal
ter der verwendeten Art werden üblicherweise in Modulen
hergestellt, welche zum Beispiel eine Reihe von Chips ent
halten. Die Verwendung des Begriffs Modul soll jedoch
nicht einschränkend zu verstehen sein. Es kommt lediglich
darauf an, Halbleiterschalter mit elektrisch isolierter
Montagefläche vorzusehen.
Es sind möglicherweise Anwendungen denkbar, bei denen ein
einziger Elektrolytkondensator ausreicht. Üblicherweise
ist jedoch eine Mehrzahl von Elektrolytkondensatoren er
forderlich. Sie bilden mithin eine Kondensatorbatterie.
Erfindungsgemäß ist oberhalb der erwähnten elektrischen
Bauteile eine Plattenanordnung vorgesehen aus zwei paral
lelen, die Bauteile überdeckenden Platten, zwischen denen
sich eine Isolierschicht befindet. Es ist zwar denkbar,
die Platten durch isolierende Abstandshalter im Abstand
zueinander zu halten, wobei der Isolator zwischen diesen
Luft ist. Vorzuziehen ist indessen eine Ausgestaltung der
Erfindung, nach der eine isolierende Folie zwischen den
Platten angeordnet wird. Der Abstand zwischen den Platten
ist daher äußerst gering, zum Beispiel 0,1 mm. Bei zuge
lassenen Betriebsspannungen von z. B. 24 Volt reicht diese
Isolierung jedoch vollständig aus.
Jedes der erwähnten Bauteile besitzt mindestens einen An
schluß, der über die Platten mit einem Plus- oder Minus
potential verbunden ist. Da die Platten mit mindestens
einem Anschluß der Fahrzeugbatterie verbindbar sind, sind
die Pole oder Anschlüsse der elektrischen Bauteile zur
Plattenanordnung hingeführt und mit den beiden Platten
entsprechend verbunden. Zu diesem Zweck weist die den Bau
teilen zugekehrte oder untere Platte Durchbrüche auf wie
auch die Isolierschicht zum Hindurchführen der Anschlüsse
zur äußeren oder oberen Platte. Durch Verwendung von
Schrauben läßt sich gleichzeitig eine mechanische Befesti
gung der Platte an den Bauteilen bzw. umgekehrt vorsehen.
Die erwähnten Platten bilden Stromversorgungsschienen für
die elektrischen Bauteile und sorgen durch ihre Anordnung
gleichzeitig für die Kompensation magnetischer Felder so
wie für eine reduzierte Einkopplung elektromagnetischer
Strahlung in benachbarte Komponenten. Ist die äußere
Platte zum Beispiel am Minuspol angeschlossen, bildet sie
eine wirksame Abschirmung gegenüber unterhalb der Platten
anordnung erzeugte elektromagnetische Wellen, die mithin
nicht nach außen gelangen können. Die Plattenanordnung
bewirkt ferner, daß die Anschlüsse zu den elektrischen
Bauteilen äußerst kurz gestaltet werden können, mithin die
Streuinduktivitäten stark herabgesetzt sind. Auch die
durch die Plattenanordnung selbst gebildete Induktivität
ist wegen der sehr geringen wirksamen Fläche äußerst klein.
Die reduzierte Streuinduktivität führt naturgemäß zu deut
lich verringerten Überspannungen als Belastung der Halb
leiterschalter. Die Halbleiterschalter können daher bis an
ihre Leistungsgrenze gefahren bzw. können in ihrer Lei
stung kleiner ausgelegt werden.
Darüber hinaus ermöglicht die beschriebene Anordnung eine
äußerst kompakte Bauweise, was bei dem Einsatz in Flurför
derzeugen von großem Vorteil ist.
Wie erwähnt, sind normalerweise mehrere Elektrolytkonden
satoren auf dem Trägerkörper anzuordnen. Erfindungsgemäß
ist daher mindestens eine Reihe von Elektrolytkondensato
ren auf dem Trägerkörer angeordnet, wobei die Reihe mit
einer Reihe von Halbleitermodulen parallel angeordnet ist.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß die Batterie
anschlüsse an den Platten an entgegengesetzten Enden der
Kondensatorreihe liegen. Dies bedeutet, daß zum Beispiel
der Plusanschluß eines Kondensators sehr nahe an dem Bat
terieanschluß liegt, während der Minusanschluß diagonal
gegenüberliegend relativ weit entfernt ist und umgekehrt.
Auf diese Weise wird eine symmetrische Stromverteilung
erhalten, die sich zusätzlich günstig auf die angestrebten
Ziele auswirkt.
Elektroförderfahrzeuge weisen häufig zwei Elektromotoren
auf, nämlich für den Fahrbetrieb und das Hubsystem. Nach
einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Kondensatoren
und die Halbleitermodule für beide Elektromotoren gemeinsam
auf dem Trägerkörper angeordnet, wobei alle Kondensatoren
parallelgeschaltet sind. Es können daher die Kondensatoren
wahlweise für den Hubbetrieb oder den Fahrbetrieb einge
setzt werden. Normalerweise wird während des Fahrbetriebs
nicht gehoben oder abgesenkt und während des Hubbetriebs
nicht gefahren. Auf diese Weise kann die Gesamtkapazität,
die für getrennte Leistungsteile erforderlich wäre, ver
ringert werden.
Die Halbleitermodule für die beiden Leistungsteile werden
vorzugsweise gruppenweise auf dem Trägerkörper angeordnet.
Die Höhe der Klemmen an den Kondensatoren, die an deren
oberen Ende angebracht sind, ist wegen der unterschiedli
chen Höhe der beiden Platten der Plattenanordnung ver
schieden auszuführen. Da das Lochmuster in der Plattenan
ordnung nach dem beabsichtigten Anordnungsmuster der Kon
densatoren bzw. deren Klemmen zu fertigen ist, ergibt sich
durch die erfindungsgemäße Ausbildung zugleich ein soge
nannter Verpolungsschutz. Läßt sich zum Beispiel wegen
falscher Anordnung der Kondensatoren die erforderliche
Verbindung mit den Platten nicht herstellen, muß eine ent
sprechende Überprüfung erfolgen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß in die
obere Platte der Plattenanordnung eine großflächige Er
hebung ausgeformt ist, die die untere Platte aufnimmt. Die
Oberplatte kann dann mit Schrauben oder dergleichen am
Rand in geeigneter Weise an den Modulen bzw. den Kondensa
toren befestigt werden.
Der Aufbau des erfindungsgemäßen Leistungsteils ermög
licht, daß nach einer Ausgestaltung der Erfindung eine den
Steuerteil enthaltende Platine auf der äußeren Platte an
gebracht wird. Durch die beschriebene Abschirmung ist eine
Beeinflussung durch von dem Leistungsteil emittierte elek
tromagnetische Wellen auf Bauteile des Steuerteils weit
gehend ausgeschlossen. Dadurch wird die Kompaktheit der
gesamten elektrischen bzw. elektronischen Schaltungsanord
nung zum Betrieb des Motors verringert. Zumeist erfordert
die Steuerung oder Regelung des Elektromotors eine Strom
messung, zum Beispiel des Ankerstroms. Nach einer Ausge
staltung der Erfindung ist ein berührungsloser Stromsensor
an der Platine angeordnet. Der Leistungsausgang ist durch
den Sensor, z. B. ein ringförmiger Stromsensor an der Un
terseite der Platine, auf die Motoranschlußklemme geführt.
Der ringförmige Stromsensor kann beispielsweise von einem
Hallelement gebildet sein. Dadurch erfolgt die Stromsen
sierung berührungslos. Der Stromsensor erfordert keinen
separaten Wartungsaufwand bzw. zusätzliche Schnittstellen.
Wie erwähnt, baut die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
kompakt und reduziert insgesamt vorhandene Streuindukti
vitäten. Sie ermöglicht den Zusammenbau des Steuer- und
Leistungsteils für zwei Elektromotoren oder auch mehr,
falls erforderlich. Auch die Auslegung des Leistungsteils,
d. h. die Anzahl der Module und Elektrolytkondensatoren
kann beliebig geändert werden, ohne am grundsätzlichen
Aufbau etwas zu ändern.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung des Lei
stungsteils einer Schaltungsanordnung nach der Er
findung.
Fig. 2 zeigt die gleiche Darstellung wie Fig. 1, jedoch
bei entfernten Klemmenschrauben.
Fig. 3 zeigt eine ähnliche Darstellung wie Fig. 2, jedoch
für Drehstrombetrieb.
Fig. 4 zeigt schematisch einen Schnitt durch den in den
Fig. 1 bis 3 gezeigten Leistungsteil.
Fig. 5 zeigt die Anordnung einer Platine für einen Steuer
teil auf den Leistungsteil nach Fig. 1.
Fig. 6 zeigt schematisch die Anordnung von Leistungs- und
Steuerteil gemäß Fig. 5.
Fig. 7 zeigt die Frontansicht der Darstellung nach Fig. 6.
Ein in Fig. 1 gezeigter Leistungsteil 10, zum Beispiel für
den Betrieb eines Elektrofahrmotors und eines Elektromo
tors für das Hubsystem eines Flurförderzeugs weist einen
plattenartigen Kühlkörper 12 auf, dessen Oberseite gestuft
ist. Im tiefsten Bereich sind zwei Reihen Kondensatoren,
z. B. Elektrolytkondensatoren, angeordnet (Kondensatorbat
terie), von denen bei 14 bzw. 16 ein zylindrischer Konden
sator erkennbar ist. Auf dem Kühlkörper 12 etwas erhöht
annähernd in der Mitte ist von acht von Halbleiterlei
stungsschaltern bildenden Modulen 18 eine Reihe angeordnet.
Es können alle denkbaren Halbleiterschalter, z. B. MOSFETs,
FETs, Transistoren, IGBTs, SIT o.a. vorgesehen sein. Sie
sind geeignet, mit relativ hoher Frequenz betrieben zu
werden, beispielsweise zwischen 7 und 16 kHz. Oberhalb der
beschriebenen Anordnung von Schaltungsbauteilen ist eine
Plattenanordnung 20 vorgesehen, bestehend aus einer oberen
Platte 22, die sich über die Kondensatorbatterie erstreckt
und teilweise über die Module 18. Unterhalb der Platte 22
erstreckt sich eine weitere Platte 24, von der in Fig. 1
nur ein Ausschnitt zu erkennen ist. Die Platten 22, 24
haben z. B. eine Dicke von 1 mm. Sie ist im übrigen in
einer Erhebung 24a aufgenommen, die durch Abkanten der
oberen Platte 22 in den Randbereichen gebildet ist. Die
obere Platte 22 bildet mit einem Klemmpunkt 26 einen Mi
nus-Anschluß. Die untere Platte 24 bildet mit einem Klemm
punkt 28 den Plus-Anschluß. Die Klemmpunkte 26, 28 sind
fest mit einem Kunststoffteil verbunden, der gleichzeitig
die einzelnen Kondensatoren der Kondensatorbatterie auf
nimmt, das außerdem mit zwei Dornen ausgestattet ist, über
die die Platten 22, 24 mittels Gewindeschrauben befestigt
sind. Das Kunststoffteil wird über Preßzapfen auf dem
Kühlkörper fixiert. Mit Hilfe von Kontaktschrauben 30 bzw.
32 sind die Kondensatoren 14, 16 mit der oberen bzw. un
teren Platte 22, 24 elektrisch leitend verbunden. Auch die
Module 18 sind über Kontaktschrauben 34 bzw. 36 mit den
Platten 22, 24 verbunden. Der grundsätzliche, sandwichar
tige Aufbau der Platten ergibt sich aus Fig. 4. Man er
kennt, daß zwischen den Platten 22, 24 eine Folie 38 aus
elektrisch isolierendem Material angeordnet ist. Die Plat
ten können aus relativ dünnem leitfähigen Metallblech be
stehen, beispielsweise Aluminium oder Kupfer. Die Folie
ist relativ dünn, beispielsweise 0,1 mm. Die in Fig. 1
gezeigten Zuleitungen 40, 42 gehen zu Klemmen der Batterie.
Die Kondensatoren nach Fig. 1 sind lediglich durch ein
Symbol in Fig. 4 angedeutet. Man erkennt, daß Plus- und
Minus-Anschluß an jeweils einer Platte 22, 24 liegen. Das
gleiche trifft auf ein symbolisch dargestelltes Modul 18
zu. Wie erkennbar, müssen die Anschlüsse der Kondensatoren
und der Module jeweils mit beiden Platten 22, 24 verbunden
werden. Damit eine Verbindung mit der oberen Platte 22
stattfinden kann, muß die untere Platte 24 sowie die Folie
38 ein entsprechendes Lochmuster aufweisen zum berührungs
freien Hindurchführen der Anschlüsse. Aus Fig. 3 geht her
vor, daß auch die Oberplatte 22 vergrößerte Löcher auf
weist, wie bei 38 oder 40 dargestellt zum Verbinden der
Anschlüsse mit der unteren Platte 24 mit Hilfe der Schrau
ben 32 bzw. 36. Zum Verbinden der Anschlüsse mit der obe
ren Platte 22 sind hingegen relativ kleine Löcher 42 bzw.
44 erforderlich, die geeignete Schrauben 30 bzw. 34 auf
nehmen.
Wie aus den Fig. 1 und 2 erkennbar, sind auf den Modu
len plattenartige Schienen 46, 48 mit Hilfe von Schrauben
50, 52 angebracht, wobei die Schiene 46 fünf Module und
die Schiene 48 drei Module überdeckt. Die fünf Module, an
denen die Schiene 46 angeschlossen ist, gehören zum Bei
spiel zum Leistungsteil für den Betrieb eines Fahrmotors,
während die Schiene 48 die Module für den Leistungsteil
eines Hubmotors abdeckt. Die Schienen 46, 48 haben Ansätze
52, 54, die zu Anschlußklemmen 56, 58 führen, die mecha
nisch, aber elektrisch isoliert mit dem Kühlkörper 12 ver
bunden sind. Die Schienenansätze 52, 54 können auch flexi
bel ausgeführt sein. Die Anschlußklemmen sind zum Beispiel
mit dem Fahrmotor bzw. dem Hubmotor verbunden.
Der Leistungsteil nach Fig. 3 unterscheidet sich von dem
nach Fig. 2 dadurch, daß mit den Modulen, von denen insge
samt neun vorgesehen sind, drei plattenartige Schienen 60,
62 und 64 mit der Oberseite der Module in der oben be
schriebenen Weise verbunden sind und Ansätze 66, 68, 70
aufweisen, die zu drei Klemmen 72, 74, 76 führen. Das ge
zeigte Modul dient für einen batteriegespeisten Drehstrom
motor. Die übrigen Teile gleichen denen nach Fig. 2.
In Fig. 5 ist perspektivisch eine Schaltplatine 80 darge
stellt, auf der alle Steuerkomponenten und -teile unterge
bracht sind, um beispielsweise Leistungsteile nach den
Fig. 1 bis 4 anzusteuern. Beispielsweise wird ein Elek
tromotor über eine sogenannte Halbbrücke angesteuert, die
wahlweise als Hochsetz- oder Tiefsetzsteller arbeitet je
nach den herrschenden Strombedingungen. Auf die einzelnen
Teile wird nicht eingegangen. Man erkennt an gegenüberlie
genden Seiten der Platine 80 Trägerbleche 82, 84 zur ge
eigneten Befestigung, Steuerschnittstellen 86 sowie zwei
ringförmige Stromsensoren 88, 90. In Fig. 6 ist die Steu
erplatine 80 im Schnitt dargestellt, wie sie auf einem
Leistungsteil, beispielsweise dem nach Fig. 1 angebracht
ist. Man erkennt auch die Anordnung der Kondensatoren 14
und der Halbleitermodule 18 auf dem Kühlkörper 12. Man
erkennt ferner, wie sich der Ansatz 54 der Schiene 46
durch den ringförmigen Sensor 90 hindurcherstreckt.
Die Verbindung der einzelnen elektrischen oder elektro
nischen Bauteile der Steuerplatine 80 mit den Halbleiter
modulen 18 ist nicht dargestellt, ebenso wenig wie die
mechanische Befestigung der Platine 80.
Es sei noch erwähnt, daß die Minusplatte 22 auch die Anker
schiene(n) isoliert überdecken kann.
Claims (12)
1. Schaltungsanordnung für den Betrieb mindestens eines
batteriebetriebenen Elektromotors in einem Flurförder
zeug, die mindestens eine Kondensation und mindestens
einen getakteten Halbleiterschalter aufweist, die auf
einem plattenförmigen Trägerbauteil angeordnet und mit
einem Steuerteil elektrisch verbindbar sind, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens ein Kondensator (14, 16)
und ein Halbleiterschaltermodul (18) auf einem gemein
samen Trägerbauteil (12) angeordnet sind und oberhalb
dieser elektrischen Bauteile diese zumindest teilweise
überdeckend zwei Platten (22, 24) aus elektrisch lei
tendem Material in kleinem Abstand voneinander angeord
net sind, zwischen denen sich eine dünne Isolierschicht
befindet, wobei eine Platte (22) an der Minus- und die
andere an der Plusklemme der Batterie anschließbar ist
und die Klemmen der elektrischen Bauteile mit einem zur
Plattenanordnung weisenden Anschluß mit jeweils einer
Platte (22, 24) verbunden sind, wobei die untere Platte
(24) und die Isolierschicht (38) Durchbrüche aufweisen
zum Hindurchführen der Anschlüsse zur oberen Platte
(22).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß mindestens eine Reihe von Kondensatoren
(14, 16) auf dem Trägerkörper (12) angeordnet ist und
mehrere Halbleitermodule (18) in einer Reihe parallel
dazu angeordnet sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Batterieanschlüsse (26, 28) an den
Platten (22, 24) an den entgegengesetzten Enden der
Kondensatorreihe liegen.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Motor-Anschluß eben
falls als Platte (46, 48) ausgebildet ist, die sich
oberhalb des Moduls (18) erstreckt.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei Elektromotoren am
Flurförderzeug die zugehörigen Kondensatoren (14, 16)
und Halbleitermodule (18) gemeinsam auf dem Trägerkör
per (12) sitzen und an die Plattenanordnung (20) ange
schlossen sind, wobei alle Kondensatoren (14, 18) pa
rallelgeschaltet sind.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß beide Motor-Anschlüsse als platten
artige Schienen (46, 48) ausgebildet sind.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den aus stromlei
tendem Material bestehenden Platten (22, 24) eine Iso
lierfolie (38) angeordnet ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß in die obere Platte (22)
der Plattenanordnung (20) eine großflächige Erhebung
(24a) geformt ist, von der die untere Platte (24) auf
genommen ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Minuspol der
Batterie verbundene Platte (22) an der Oberseite ange
ordnet ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß eine den Steuerteil ent
haltende Platine (80) auf der äußeren oder oberen
Platte (22) angeordnet ist.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein vorzugsweise ringförmiger Stromsen
sor (88, 90) an der dem Leistungsteil zugewandten
Seite der Platine (80) angeordnet ist und ein Ansatz
(54, 56) des mit den Halbleitermodulen (18) verbunde
nen Motor-Anschlusses (46, 48) durch den Stromsensor
(88, 90) hindurchgeführt ist zu einer Anschlußklemme
(58, 56).
12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (12) als
Kühlkörper ausgebildet ist.
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