NL194973C - Regelschakelaar. - Google Patents

Description

1 194973

Regelschakelaar

De uitvinding heeft betrekking op een regelschakelaar voor elektrisch handgereedschap, omvattende een van keramisch materiaal vervaardigde, van geleidende sporen voorziene drager voor elektronische 5 componenten, waarbij een van deze elektronische componenten een voor het dissiperen van warmte ingerichte vermogenscomponent is, waarbij de vermogenscomponent is ingericht voor het regelen van de door de regelschakelaar geregelde stroom tot maximaal een deel van de vollaststroom, waarbij tegen de keramische drager een koelplaat is aangebracht en een groot deel van het oppervlak van de drager met de koelplaat in contact is, waarbij de regelschakelaar in een huis is ondergebracht, en de koelplaat zich ten 10 minste gedeeltelijk buiten het huis uitstrekt.

Een dergelijke regelschakelaar is bekend uit de Europese octrooiaanvrage EP 048343 A2.

Dergelijke regelschakelaars vinden toepassing bij bijvoorbeeld boormachines, schuurmachines en andere vormen van elektrisch handgereedschap. Onder een regelschakelaar wordt hierbij het geheel van elektronische en mechanische componenten verstaan dat noodzakelijk is voor niet alleen het in- en uitschakelen van 15 de tot het elektrische gereedschap behorende motor voor het aandrijven van het gereedschap, doch tevens voor het regelen van het toerental van de elektromotor. Het is immers in een groot aantal gevallen gemakkelijk, wanneer het toerental van het elektrische handgereedschap, regelbaar is over een groot gebied. Dergelijke vormen van elektrisch handgereedschap bestaan in een vorm, waarbij zij door het openbare net worden gevoed door een wisselspanning van 115V, casu quo 230V, doch zij staan evenzeer 20 in een uitvoering, waarbij zij gevoed worden door middel van accu’s die uiteraard een gelijkspanning leveren. Deze gelijkspanning ligt veelal in het gebied tussen circa 6V en 15V.

Het zal duidelijk zijn dat bij een benodigd elektrisch vermogen van enige honderden watts stroomsterkten worden opgewekt in de grootteorde van enige tientallen Ampères, en wel tot maximaal circa 30 A. Dit betekent dat de voor de geleiding van deze stroom in de regelschakelaar aanwezige componenten op deze 25 stroom gedimensioneerd moeten zijn. Dit betreft niet alleen de geleidende, op de keramische drager aangebrachte sporen, doch in het bijzonder de voor het geleiden en het regelen van deze stroom ingerichte componenten, in het bijzonder de vermogenscomponent. Deze regelt de stroom, waarbij in het bijzonder bij door batterijen gevoedde apparaten de stromen relatief hoog zijn, zodat een grote dissipatie in de vermogenscomponent optreedt. Bij tot nu toe bekende regelschakelaars en van deze regelschakelaars 30 voorzien elektrisch handgereedschap moest het vermogen beperkt worden om de dissipatie binnen de vermogenscomponent te begrenzen tot een waarde, waarbij vernieling van de vermogenscomponent werd vermeden.

Ondanks alle maatregelen is, bij de beschikbare ruimte voor het inbouwen van een dergelijke schakelaar, de benodigde ruimte nog steeds groot, terwijl de kostprijs van een dergelijke schakelaar hoog is.

35 De uitvinding beoogt te voorzien in een tegen lage kosten te vervaardigen regelschakelaar met een ruimtebesparende opbouw, die is ingericht voor het regelen van relatief grote stromen. Daartoe heeft een regelschakelaar van de in de aanhef beschreven soort volgens de uitvinding het kenmerk, dat de koelplaat U-vormig is gebogen, het met een poot van de U overeenkomende deel tegen de koelplaat is aangebracht; het met de andere poot van het U overeenkomende deel zich buiten en zich ten minste gedeeltelijk langs 40 het regelschakelaarhuis uitstrekt, waarbij de koelplaat met het regelschakelaarhuis is verbonden door klemwerking van de koelplaat tussen het regelschakelaarhuis en de in het regelschakelaarhuis geplaatste keramische drager.

Door het gebruik van de U-vormig gebogen koelplaat wordt een ruimtebesparende constructie verkregen, waarbij zowel de warmteoverdracht van de keramische drager naar de koelplaat als van de koelplaat naar 45 de omgeving op een effectieve wijze plaatsvindt. Dit biedt, binnen de beschikbare ruimte, de mogelijkheid het toelaatbare vermogen te vergroten.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm is de vermogenscomponent ingericht voor het regelen van de door de regelschakelaar geregelde stroom tot maximaal circa 30% van de vollaststroom, en dat de regelschakelaar is ingericht voor het bij het bereiken van de maximaal geregelde stroom stapsgewijs 50 overschakelen van de vollaststroom.

Hiermee kan het toelaatbare vermogen van de schakelaar verder worden vergroot.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening. Hierin tonen: figuur 1: een schematisch doorsnedeaanzicht van een op een drager aangebrachte vermogens-55 component; figuur 2: een schema van de regelkarakteristiek van een voorkeursuitvoeringsvorm van de regelschakelaar; 194973 2 figuur 3: een perspectivisch, gedeeltelijk weggebroken aanzicht van een regelschakelaar, die is voorzien van een vlakke koelplaat; figuur 4: een gedeeltelijk weggebroken perspectivisch aanzicht van een regelschakelaar, die is voorzien van een U-vormig gebogen koelplaat.

5

In figuur 1 is een drager 1 afgebeeld die bij voorkeur van de warmte goed geleidend materiaal, zoals een keramisch materiaal, vervaardigd is. Uiteraard is deze drager 1 elektrisch isolerend.

Op de drager 2 is een elektronische vermogenscomponent aangebracht die in zijn geheel met 2 wordt aangeduid. Deze elektronische vermogenscomponent 2 wordt gevormd door een bodemplaat 3 van de 10 warmte en elektriciteit goed geleidend materiaal, en een daarop bevestigde halfgeleiderinrichting chip 4. Deze vermogenscomponent wordt bijvoorbeeld gevormd door een transistor, in het bijzonder een veldeffect-transistor of FET, of door een thyristor, of een GTO. Boven op de basisplaat 3 is een chip 4 aangebracht, waarin het eigenlijke elektronische proces plaatsvindt, en waarin dissipering plaatsvindt. Ter bescherming van de chip is op de basisplaat 3 over de chip 4 heen een huis 5 aangebracht. Dit huis is bij voorkeur van 15 kunststof vervaardigd, doch kan evenzeer van een keramisch materiaal zijn vervaardigd.

Voor het maken van verbindingen tussen de chip 4 en op de drager 1 aangebrachte metaalsporen 8 zijn verbindingsdraden 6 aangebracht die zich door in het huis 5 aangebrachte openingen heen uitstrekken. Van deze verbindingsdraden, waarvan het aantal afhangt van het type chip, is er slechts één getekend. Voor het maken van een verbinding tussen de verbindingsdraden 6 en de chip 4 zijn binnen het huis aansluitdraden 20 7 aangebracht. De verbindingsdraden 6 zijn overigens door middel van soldeer 9 met het metaalspoor 8 verbonden.

Bij de in figuur 1 weergegeven uitvoeringsvorm is de basisplaat 3 van elektrisch geleidend materiaal vervaardigd. Deze is zowel thermisch als elektrisch verbonden met het onderliggende metaalspoor op 1 door middel van de soldeerlaag 9. Hierbij vindt via de basisplaat 3 zowel geleiding van de elektriciteit als 25 van warmte plaats, waarbij een goede overdracht van beide fysische grootheden plaatsvindt, en de maximaal toegelaten dissipatie van de chip 4 vergroot kan worden door de verkleining van de thermische weerstand tussen de chip en de omgeving.

Er wordt hierbij op gewezen dat genoemde constructie verder aantrekkelijk is vanwege de goede mechanische verbinding tussen de vermogenscomponent 2 en de keramische drager 1. De keramische 30 drager vormt immers een onderdeel van een elektrische regelschakelaar in een stuk elektrisch handgereed-schap dat veelal aan forse mechanische trillingen onderhevig is. Het is dus van belang dat de mechanische verbinding zo stevig mogelijk is. Dit is in tegenstelling met andere toepassingen van elektronische componenten, waarin dissipatie optreedt, bijvoorbeeld bij elektronische voedingsapparaten of bij audioapparatuur, deze apparatuur is in het algemeen vast opgesteld, zodat de mechanische eisen die daaraan gesteld 35 worden in het algemeen niet zo hoog zijn.

Volgens een andere, niet in de tekeningen weergegeven uitvoeringsvorm is de basisplaat 3 van elektrisch isolerend, maar wel warmte geleidend materiaal, bijvoorbeeld keramisch materiaal, vervaardigd. Het aantal via de draden 6 en 7 te maken verbindingen wordt dan met één vergroot.

In figuur 2 is een diagram getekend dat de relatie toont tussen de door een regelschakelaar geregelde 40 stroom, en de mechanische indrukking van de regelschakelaar. Hierbij wordt verwezen naar figuren 3 en 4, waarbij een mechanische constructie van een dergelijke regelschakelaar is getoond. Bij het verder indrukken van de met 10 aangeduide trekkers van de in figuur 3 afgebeelde regelschakelaar 11 neemt in het algemeen de door de regelschakelaar 11 geregelde stroom toe. Dit is evenzeer in het geval van de regelkarakteristiek van figuur 2.

45 De in figuur 2 weergegeven regelkarakteristiek wijkt echter af door het feit dat het regelbereik van de regelschakelaar dat met de lijn A is aangegeven zich slechts uitstrekt vanaf de stroom 0 tot aan ongeveer de helft van de maximale stroom bij maximale indrukking van de trekker 10. Dit heeft tot gevolg dat slechts de helft van het maximale vermogen door de vermogenscomponent 2 behoeft te worden gedissipeerd, zodat bij een door de in figuur 1 afgebeelde constructie vastgestelde maximale dissipatie het maximale 50 vermogen van de elektromotor van het handgereedschap een factor 2 groter kan zijn. Immers, bij het bereiken van bijna de maximale indrukking van de trekker wordt bij het bereiken van de maximale stroom van de regelaar, zijnde de helft van de maximale stroom van de motor, automatisch doorgeschakeld naar de werkelijke maximale stroom van de motor door kortsluiting van de regelaar. Deze maximale stroom van de motor is een factor 2 groter dan de maximale stroom van de regelaar. In plaats van een factor 2 is het 55 tevens mogelijk andere verhoudingen te kiezen, bijvoorbeeld 30%.

In figuur 3 is een deel van de mechanische constructie van een regelschakelaar 11 afgebeeld. De regelschakelaar wordt gevormd door een huis 12, waarbinnen de diverse onderdelen zijn geplaatst. Van

Claims (2)

3 194973 deze onderdelen is slechts de keramische drager 1 weergegeven, waarbij tevens zichtbaar is dat op één zijde van de keramische drager 1 een vermogenscomponent 2 bevestigd is. De wijze van bevestiging is toegelicht aan de hand van figuur 1. Aan de andere zijde van de keramische drager is een koelplaat 13 aangebracht. Deze koelplaat is van metaal vervaardigd, bijvoorbeeld van koper of 5 van aluminium, waarbij, vanwege het feit dat een groot deel van het oppervlak van de keramische drager wordt bedekt door de koelplaat, een goede thermische overdracht kan plaatsvinden tussen beide lichamen. Ter verhoging van deze overdracht kan een materiaal met een kleine thermische weerstand, bijvoorbeeld een siliconenpasta, zijn aangebracht. Deze metalen koelplaat is bij de getoonde uitvoeringsvorm volledig opgenomen binnen het huis; slechts een kleine strook van deze koelplaat steekt buiten het huis uit. Het is 10 evenzeer mogelijk de positionering van de drager 1 en de koelplaat 13 zodanig te wijzigen, dat de koelplaat met één zijde geheel buiten het huis is gelegen, anders gezegd, dat de koelplaat een deel van de behuizing vormt. Hierdoor wordt het afkoelend oppervlak van deze plaat uiteraard vergroot. Figuur 4 toont een regelschakelaar. Met een koelplaat 14 in een hoofdzakelijk U-vormige configuratie, de koelplaat strekt zich voor een groot 15 deel buiten het huis uit. Slechts een tongachtig deel 15 dat qua vorm overeenkomt met de gehele koelplaat van de voorgaande uitvoeringsvorm, strekt zich uit naast de keramische drager 1. Door toepassing van deze koelplaat met aanzienlijke afmetingen wordt het koelend vermogen aanzienlijk vergroot, zodat de dissipatie van de op de keramische drager aangebrachte component in vergelijking met de voorgaande uitvoeringsvorm eveneens bijzonder kan worden vergroot. De vorm en de constructie van het huis 12 zelf is 20 echter ongewijzigd; dit biedt de mogelijkheid voor regelschakelaars met verschillend vermogen eenzelfde huis toe te passen, waarbij de aanpassing in het vermogen geschiedt door het wijzigen van de toegepaste koelplaat. Dit heeft een belangrijk productietechnisch voordeel. Uiteraard is het verder mogelijk de koeling van de vermogenscomponent verder te verbeteren door bijvoorbeeld de koelplaat niet alleen aan de buitenzijde van het huis van de regelschakelaar aan te brengen, 25 doch door een luchtstroom die bij de aanwezigheid van een elektromotor veelal toch reeds aanwezig is, langs de koelplaat te leiden. Dit leidt tot een verhoging van de effectiviteit van de koeling. Tenslotte is het mogelijk de koelplaat zelfs naar de buitenzijde van het huis van het elektrische handgereedschap te brengen. 30

1. Regelschakelaar voor elektrisch handgereedschap, omvattende een van keramisch materiaal vervaardigde, van geleidende sporen voorziene drager voor elektronische componenten, waarbij een van deze 35 elektronische componenten een voor het dissiperen van warmte ingerichte vermogenscomponent is, waarbij de vermogenscomponent is ingericht voor het regelen van de door de regelschakelaar geregelde stroom tot maximaal een deel van de vollaststroom, waarbij tegen de keramische drager een koelplaat is aangebracht en een groot deel van het oppervlak van de drager met de koelplaat in contact is, waarbij de regelschakelaar in een huis is ondergebracht, en de koelplaat zich ten minste gedeeltelijk buiten het huis 40 uitstrekt, met het kenmerk, dat de koelplaat U-vormig is gebogen, het met een poot van de U overeenkomend deel tegen de koelplaat is aangebracht; het met de andere poot van de U overeenkomende deel zich buiten en ten minste gedeeltelijk langs het regelschakelaarhuis uitstrekt, waarbij de koelplaat met het regelschakelaarhuis is verbonden door klemwerking van de koelplaat tussen het regelschakelaarhuis en de in het regelschakelaarhuis geplaatste keramische drager.

2. Regelschakelaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de vermogenscomponent is ingericht voor het regelen van de door de regelschakelaar geregelde stroom tot maximaal circa 30% van de vollaststroom, en dat de regelschakelaar is ingericht voor het bij het bereiken van de maximaal geregelde stroom stapsgewijs overschakelen naar de vollaststroom. Hierbij 3 bladen tekening