WO2004025812A1 - Anordnung zur unterbringung der leistungs- und steuerelektronik eines elektromotors - Google Patents

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WO2004025812A1
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printed circuit
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Robert Rathmann
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Definitions

  • the invention relates to a housing arrangement for receiving the power and control electronics of an electric motor, wherein this housing arrangement can also include the electric motor itself.
  • the invention relates generally to the field of electronically commutated, brushless DC motors.
  • Such motors can be used in a wide variety of areas, for example in automotive technology for fans, cooling pumps or to support the steering system.
  • Other areas are e.g. Fan blowers in power supplies, or spindle motors in disk drives for data processing systems, to name just a few examples.
  • An electronically commutated, brushless DC motor basically comprises a shaft, a rotor assembly that has one or more permanent magnets arranged on the shaft, and a stator assembly that includes a stator body and phase windings. Two bearings are axially spaced on the shaft to support the rotor assembly and the stator assembly relative to each other.
  • Fig. 1 shows schematically a circuit diagram of a circuit for controlling a three-phase DC motor.
  • the control circuit comprises six power transistors and further control electronics, not shown in the figure, which control the operation of the DC motor.
  • the control electronics for the direct current motor on a printed circuit board as a self-contained unit which is plugged into the motor or is otherwise connected to the motor.
  • the connection between the electronic circuit board and the motor is made via connecting wires and lines that are connected to the Leite ⁇ latte by soldering, plugging or the like. Plug and solder connections as well as the cable lengths between the motor and the electronic circuit boards increase the electrical resistance of the DC motor and thereby reduce the electrical voltage available on the motor windings.
  • the power components of an electric motor in particular a heavily used electric motor in a harsh environment, for example in a motor vehicle, often heat up to temperatures temperatures up to 100 ° C. In order to avoid overheating, it is therefore necessary to cool such power components in order to prevent them from failing prematurely.
  • the invention has for its object to provide an arrangement for receiving the power and control electronics of an electric motor, which meet the requirements on the one hand good heat dissipation of the heat generated in the power components and on the other hand good electrical insulation of both the power components and the control components with a simple , space-saving and inexpensive construction.
  • a housing arrangement according to claim 1 is provided.
  • the task is solved by means of a surprisingly simple and inexpensive construction, whereby, complex conductive plates - Material is used cost-saving only for the second Leite ⁇ latte and not for the first Leite ⁇ latte, which can consist of conventional Leite ⁇ latten plastic, which is well electrically insulated, but dissipates heat poorly.
  • the invention achieves a good thermal connection of the power semiconductors to the cooling body and, on the other hand, has the advantage of extensive thermal decoupling of the power electronics and control electronics.
  • the power electronics which heats up more strongly, cannot influence the operation of the control electronics.
  • there is a very compact design for the entire electronic assembly which is in the electric motor low construction volume claimed.
  • the arrangement according to the invention is also vibration-resistant, in particular since no separate connections via the phase windings and the control lines are necessary.
  • the two Leite ⁇ latten are preferably not connected via the cable connector technology known in the prior art, but by using special power semiconductor housings in which the connecting legs of the power semiconductors can be bent as required.
  • the first lead plate is arranged above the copper layer of the second lead plate at a distance therefrom and essentially parallel to it.
  • the plastic layer of the first Leite ⁇ latte can advantageously be covered on two sides with a copper layer, so that conductor tracks can also be formed on the underside of this Leite ⁇ latte, which saves space and despite the arrangement of the power and control components on different Leite ⁇ latten a simple interconnection of the components of the Opposite conductor tracks of the two Leite ⁇ latten and thus the electronic components.
  • the cooling element which preferably has a thick-walled aluminum plate, is only thermally conductively connected to the second conductor plate, because the control components arranged on the first printed circuit board do not heat up significantly during operation and therefore do not require any special cooling.
  • the second conductive plate is preferably designed as a three-layer structure consisting of a copper layer, a thermally highly conductive, electrically well-insulating ceramic layer and a metal layer, a metal which is a good conductor of heat being used for the metal layer, e.g. Aluminum or an aluminum alloy.
  • a preferred printed circuit board material of this type is described in the company publication mentioned and is commercially available under the name “Thermagon IMpcb”.
  • Figure 1 is a schematic circuit diagram of a three-phase control electronics
  • Figure 2 is a schematic block diagram of the basic structure of the arrangement according to the invention.
  • Figure 3 shows a preferred embodiment of a housing arrangement according to the invention in a partially sectioned representation
  • Figure 4 shows an arrangement of several power transistors as they can be used in the invention.
  • the DC motor comprises three-phase windings U, 112; V, 114; W, 116, which are shown schematically in star connection 110 in FIG. 1.
  • the three windings 112, 1 14, 1 16 are connected between a positive supply rail 118 and a negative supply rail 120.
  • the positive supply rail 118 carries the potential + U BAT
  • the negative supply rail 120 carries the potential -U BAT -
  • the phase windings 1 12, 114, 116 are connected via six power switching components T1, 122; T2, 124; T3, 126; T4, 128; T5, 130; T6, 132 connected to supply rails 118, 120 in accordance with control signals.
  • the power switching components 122 to 132 are preferably power transistors. They have control connections, which are designated by G1 to G6 in FIG. 1. The control connections correspond in particular to the gates of the power transistors. By applying suitable control signals to the gates of the power transistors, the phase windings 112 to 116 of the DC motor are energized in order to control its operation. Methods for controlling a brushless electronically commutated DC motor are described, for example, in DE 100 33 561 AI and US 6,400,109 B1, to which reference is made.
  • FIG. 2 shows schematically in the form of a block diagram the basic structure of the arrangement according to the invention.
  • reference numeral 24 denotes a brushless, electronically direct current motor, 26 a cooling body, 28 the power electronics and 30 the control electronics. Battery leads are labeled 32.
  • the structure shown schematically in FIG. 2 according to the invention is shown in more detail in FIG. 3.
  • the reference numerals 1 denote a motor housing, 2 an electric motor, 3 a cooling body made of aluminum and 4 a receiving space for the power and control electronics of the motor 2.
  • the receiving space 4 is enclosed by a cylindrical wall 5, which protrudes in one piece from the cooling body 3 and ends in an upper ring flange 6, which is tightly screwed to a lower ring flange 7 of the motor housing 1 by means of screws 8.
  • the receiving space 4 has a bottom 9 formed by the cooling body within the cylindrical wall 5 and on its underside evenly distributed cooling fins 10 around the circumference, the spaces 10a of which ambient air flows through.
  • a first Leite ⁇ latte 11 is supported on the floor 9 via spacers 12.
  • This first Leite ⁇ latte 11 has a conventional structure with a substrate layer made of a hard, electrically insulating, the heat poorly conductive plastic, for example PTFE, and a copper coating on one or both sides to form conductor tracks in the usual manner on the top and optionally also on the bottom the substrate layer.
  • the Leite ⁇ latte 1 1 can be stored instead of by the spacer 12 via a base or other holding device which is fixed to the cylindrical wall 5 of theisserkö ⁇ ers 3.
  • the Leite ⁇ latte 11 can be attached to such a base, for example, by a screw.
  • the Leite ⁇ latte 11 could also be received in a corresponding recess in the wall 5. This embodiment has the advantage of a particularly vibration-resistant mounting of the conductive plate 11.
  • the Leite ⁇ latte 1 1 carries on its top control electronics components 12a, 12b, 12c. Furthermore, a capacitor is received in an opening of the Leite ⁇ latte and electrically connected to this via legs 14 which are soldered to the underside of the Leite ⁇ latte 11.
  • the capacitor 13 is supported via a metallic support 15 directly on the metallic bottom 9 of the cooling body 3, so that the heat generated in the capacitor is dissipated directly via the support 15 to the cooling body 3.
  • Leite ⁇ latte 16 is also attached, which has a three-layer structure with an upper copper layer, an insulating layer of electrically insulating, the heat well the ceramic material and a carrier layer made of a heat-conducting metal, such as aluminum or an aluminum alloy.
  • power electronics housing 17 are soldered, which are soldered to the first Leite ⁇ latte 11 via kinked legs 18.
  • the usual power electronics components are encapsulated in the power electronics housings 17.
  • connecting lines 19a, 19b are guided to the motor 2.
  • these include signal lines and power lines.
  • a connector 20 for battery leads 21 is provided on the Leite ⁇ latte 11, which are led out through a wall 22 through the wall 5 from the interior 4.
  • the components which heat up during operation namely primarily the power electronics housing 17 with the power electronics components located therein and the capacitor 13, are cooled by direct connection to the heat sink 3 in such a way that inadmissible overheating of these components is avoided is.
  • control electronics components 12a-12c on a conventional, inexpensive printed circuit board saves expensive printed circuit board material, such as that of the printed circuit board 16.
  • the arrangement of the Leite ⁇ latten 11, 16 as shown and described one above the other in the interior 4 is space-saving.
  • FIG. 4 schematically shows the arrangement of the power transistors, for example the transistors 122 '- 132' from FIG. 1, on a support plate, for example the second lead plate 16.
  • the power transistors each have a power electronics housing and connecting legs which are directly connected to the first lead plate 11 can be connected.
  • the arrangement according to the invention leads to a reliable continuous operation in a compact, insensitive overall construction, even in rough use, for example in a motor vehicle, of the electric motor 2.

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Abstract

Eine Anordnung zur Aufnahme und Unterbringung der Leistungs- und Steuerelektronik eines Elektromotors umfaßt eine erste Leiterplatte (11), die mit Steuerelektronik-Komponenten (12a, 12b, 12c) bestückt ist, eine zweite Leiterplatte (16), die mit Leistungselektronik-Komponenten (17), bestückt ist und ein elektrisch isolierendes, jedoch die Wärme gut ableitendes Substrat aufweist, ein mit dem Substrat der zweiten Leiterplatte wärmeleitend in Kontakt stehendes Kühlelement und ein mit dem Kühlelement verbundenes Motorgehäuse (1). Da die erste Leiterplatte in herkömmlicher Weise aufgebaut sein kann und für eine gute Kühlung der auf der zweiten Leiterplatte angeordneten Leistungselektronik-Komponenten (17) durch Vorsehen der die Wärme zum Kühlelement ableitenden zweite Leiterplatte gesorgt ist, wird eine kompakte, kostensparende, im Betrieb des Elektromotors zuverlässige Gesamtkonstruktion erzielt.

Description

Anordnung zur Unterbringung der Leistungs- und Steuerelektronik eines
Elektromotors
Die Erfindung betrifft eine Gehäuseanordnung zur Aufnahme der Leistungs- und Steuerelektronik eines Elektromotors, wobei diese Gehäuseanordnung auch den Elektromotor selbst mit einbeziehen kann.
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der elektronisch kommutierten, bürstenlosen Gleichstrommotoren. Solche Motoren können in unterschiedlichsten Bereichen zur Anwendung kommen, beispielsweise in der Automobiltechnik für Gebläse, Kühlpumpen oder zur Unterstützung des Lenksystems. Andere Bereiche sind z.B. Lüftergebläse in Netzteilen, oder Spindelmotoren in Plattenlaufwerken für Datenverarbeitungsanlagen, um nur einige wenige Beispiele zu nennen.
Ein elektronisch kommutierter, bürstenloser Gleichstrommotor umfaßt grundsätzlich eine Welle, eine Rotorbaugruppe, die einen oder mehrere auf der Welle angeordneten Permanentmagneten aufweist, und eine Statorbaugruppe, die einen Statorkörper und Phasenwicklungen umfaßt. Zwei Lager sind mit axialem Abstand an der Welle angeordnet, um die Rotorbaugruppe und die Statorbaugruppe relativ zueinander zu lagern.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Schaltbild einer Schaltung zur Ansteuerung eines dreiphasigen Gleichstrommotors. Die Ansteuerschaltung umfaßt bei dem gezeigten Beispiel sechs Leistungstransistoren sowie weitere, in der Figur nicht gezeigte Ansteuerelektronik, die den Betrieb des Gleichstrommotors kontrollieren. Im Stand der Technik ist es üblich, die Ansteuerelektronik für den Gleichstrommotor auf einer gedruckten Leiterplatte als eine in sich abgeschlossene Einheit aufzubauen, die an den Motor angesteckt oder auf andere Weise mit dem Motor verbunden wird. Die Verbindung zwischen der Elektronik-Leiterplatte und dem Motor wird über Anschlußdrähte und Leitungen hergestellt, die mit der Leiteφlatte durch Löten, Stecken oder dergleichen verbunden werden. Steck- und Lötverbindungen sowie die Leitungslängen zwischen dem Motor und der Elektronik-Leiterplatten erhöhen den elektrischen Widerstand des Gleichstrommotors und reduzieren dadurch die an den Motorwicklungen zur Verfügung stehende elektrische Spannung.
Die Leistungskomponenten eines Elektromotors, insbesondere eines hochbeanspruchten Elektromotors in rauher Umgebung, z.B. in einem Kraftfahrzeug, erwärmen sich oft auf Tem- peraturen bis oberhalb 100°C. Um Überhitzung zu vermeiden, ist daher erforderlich, solche Leistungskomponenten zu kühlen, um deren frühzeitigen Ausfall vorzubeugen.
Andererseits besteht die Notwendigkeit, die Leistungskomponenten wie auch die Steuerkomponenten des Elektromotors auf elektrisch isolierenden Leiterplatten unterzubringen und miteinander zu verschalten. Die Substrate herkömmlicher Leiterplatten werden daher gewöhnlich aus einem elektrisch gut isolierenden Kunststoff gefertigt. Ein solcher Kunststoff hat jedoch schlechte Wärmeleitfähigkeit.
Ein Leiterplattenmaterial, das sowohl elektrisch isoliert als auch die Wärme gut ableitet, ist bekannt (Firmendruckschrift „The T-Lam System - T-Guide for Performance", Firma THERMAGON Inc., Ohio/USA, 16.11.1999).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Aufnahme der Leistungs- und Steuerelektronik eines Elektromotors zu schaffen, welche den Anforderungen einerseits einer guten Wärmeabfuhr der in den Leistungskomponenten erzeugten Wärme und andererseits einer guten elektrischen Isolation sowohl der Leistungskomponenten als auch der Steuerkomponenten mit einer einfachen, raumsparenden und kostengünstigen Konstruktion gerecht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Gehäuseanordnung gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
Durch die erfindungsgemäße Trennung der Leistungskomponenten von den Steuerkomponenten und Anordnung dieser beiden Komponentengruppen im Abstand voneinander auf zwei gesonderten Leiterplatten unterschiedlicher Konsistenz sowie Zuordnung eines Kühlelementes nur zu der die Leistungskomponenten tragenden Leiteφlatte ist die Aufgabe mittels einer überraschend einfachen und billigen Konstruktion gelöst, wobei, aufwendiges Leiteφlatten- material kostensparend nur für die zweite Leiteφlatte und nicht für die erste Leiteφlatte eingesetzt ist, welche aus üblichem Leiteφlatten-Kunststoff bestehen kann, welcher zwar gut elektrisch isoliert, jedoch Wärme schlecht abführt.
Die Erfindung erreicht einerseits eine gute thermische Anbindung der Leistungshalbleiter an den Kühlköφer und hat andererseits den Vorteil der weitgehenden thermischen Entkopplung von Leistungselektronik und Steuerelektronik. Die sich stärker erwärmende Leistungselektronik kann somit den Betrieb der Steuerelektronik nicht beeinflussen. Zusätzlich ergibt sich eine sehr kompakte Bauweise für die gesamte Elektronikbaugruppe, die in dem Elektromotor ein geringes Bauvolumen beansprucht. Die erfindungsgemäße Anordnung ist ferner fibrations- fest, insbesondere da keine eigenen Verbindungen über die Phasenwicklungen und die Steuerleitungen notwendig sind.
Die beiden Leiteφlatten werden vorzugsweise nicht über die dem Stand der Technik bekannte Kabelstecker-Technik verbunden, sondern durch Verwendung spezieller Leistungshalbleitergehäuse, bei denen die Anschlußbeine der Leistungshalbleiter nach Bedarf gebogen werden können.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung, ist die erste Leiteφlatte oberhalb der Kupferschicht der zweiten Leiteφlatte mit Abstand davon und im wesentlichen parallel dazu angeordnet ist. Die Kunststoffschicht der ersten Leiteφlatte kann in vorteilhafter Weise zweiseitig mit einer Kupferschicht bedeckt sein, so daß auch auf der Unterseite dieser Leiteφlatte Leiterbahnen ausgebildet sein können, was Platz spart und trotz der Anordnung der Leistungs- und Steuerkomponenten auf verschiedenen Leiteφlatten ein einfaches Zusammenschalten der Komponenten der gegenüberliegenden Leiterbahnen der beiden Leiteφlatten und damit der elektronischen Komponenten ermöglicht.
Das Kühlelement, das vorzugsweise eine dickwandige Aluminiumplatte aufweist, ist nur an die zweite Leiteφlatte direkt wärmeleitend angebunden, weil sich die auf der ersten Leiterplatte angeordneten Steuerkomponenten im Betrieb nicht wesentlich erwärmen und deshalb keiner besonderen Kühlung bedürfen.
Die zweite Leiteφlatte wird bevorzugt als dreilagiger Aufbau aus einer Kupferschicht, einer thermisch gut leitenden, elektrisch gut isolierenden Keramikschicht und einer Metallschicht ausgeführt, wobei für die Metallschicht ein die Wärme gut leitendes Metall einzusetzen ist, z.B. Aluminium oder eine Aluminiumlegierung.
Ein bevorzugtes Leiterplattenmaterial dieser Art ist in der genannten Firmendruckschrift beschrieben und unter der Bezeichnung „Thermagon IMpcb" im Handel erhältlich.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung ist im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. In den Figuren zeigen:
Figur 1 ein schematisches Schaltbild einer Ansteuerelektronik eines dreiphasigen
Gleichstrommotors;
Figur 2 ein schematisches Blockdiagramm des grundsätzlichen Aufbaus der erfindungsgemäßen Anordnung;
Figur 3 eine bevorzugte Ausführungsform einer Gehäuseanordnung gemäß der Erfindung in einer teilweise geschnittenen Darstellung; und
Figur 4 eine Anordnung mehrerer Leistungstransistoren, wie sie in der Erfindung verwendet werden können.
Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Ansteuerelektronik für einen dreiphasigen Gleichstrommotor. Der Gleichstrommotor umfaßt drei Phasen Wicklungen U, 112; V, 114; W, 116, die in Fig. 1 schematisch in Sternschaltung 110 dargestellt sind. Die drei Wicklungen 112, 1 14, 1 16 sind zwischen einer positiven Versorgungsschiene 118 und einer negativen Versorgungsschiene 120 angeschlossen. Die positive Versorgungsschiene 118 führt das Potential +UBAT, und die negative Versorgungsschiene 120 führt das Potential -UBAT- Die Phasenwicklungen 1 12, 114, 116 werden über sechs Leistungs-Schaltbauteile Tl, 122; T2, 124; T3, 126; T4, 128; T5, 130; T6, 132 nach Maßgabe von Steuersignalen mit den Versorgungsschienen 118, 120 verbunden. Die Leistungs-Schaltbauteile 122 bis 132 sind vorzugsweise Leistungstransistoren. Sie weisen Steueranschlüsse auf, die in Fig. 1 mit Gl bis G6 bezeichnet sind. Die Steueranschlüsse entsprechen insbesondere den Gates der Leistungstransistoren. Durch Anlegen geeigneter Steuersignale an die Gates der Leistungstransistoren werden die Phasenwicklungen 112 bis 116 des Gleichstrommotors bestromt, um dessen Betrieb zu steuern. Verfahren zum Steuern eines bürstenlosen elektronisch kommutierten Gleichstrommotors sind beispielsweise beschrieben in DE 100 33 561 AI und U.S. 6,400,109 Bl, auf die Bezug genommen wird.
Fig. 2 zeigt schematisch in Form eines Blockdiagramms den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 24 einen bürstenlosen, elektronisch Gleichstrommotor, 26 einen Kühlköφer, 28 die Leistungselektronik und 30 die Steuerelektronik. Batteriezuleitungen sind mit 32 bezeichnet. Der in Fig. 2 schematisch dargestellte Aufbau gemäß der Erfindung ist mit weiteren Einzelheiten in Fig. 3 gezeigt. In Figur 3 bezeichnen die Bezugszahlen 1 ein Motorgehäuse, 2 einen Elektromtor, 3 einen Kühlköφer aus Aluminium und 4 einen Aufnahmeraum für die Leistungs- und Steuerelektronik des Motors 2.
Der Aufnahmeraum 4 ist von einer zylindrischen Wand 5 umschlossen, welche von dem Kühlköφer 3 einstückig nach oben ragt und in einem oberen Ringflansch 6 endet, der mit einem unteren Ringflansch 7 des Motorgehäuses 1 über Schrauben 8 dicht verschraubt ist.
Der Aufnahmeraum 4 hat einen vom Kühlköφer innerhalb der zylindrischen Wand 5 gebildeten Boden 9 und an seiner Unterseite um den Umfang gleichmäßig verteilte Kühlrippen 10, deren Zwischenräume 10a von Umgebungsluft durchströmt sind.
Innerhalb des Aufnahmeraumes ist eine erste Leiteφlatte 11 über Abstandhalter 12 am Boden 9 abgestützt. Diese erste Leiteφlatte 11 hat herkömmlichen Aufbau mit einer Substratschicht aus einem harten, elektrisch isolierenden, die Wärme schlecht leitenden Kunststoff, zum Beispiel PTFE, und einer ein- oder beidseitigen Kupferbeschichtung zur Ausbildung von Leiterbahnen in üblicher Weise auf der Oberseite und gegebenenfalls auch auf der Unterseite der Substratschicht.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Leiteφlatte 1 1 anstatt durch die Abstandhalter 12 auch über einen Sockel oder eine andere Haltevorrichtung, die fest mit der zylindrischen Wand 5 des Kühlköφers 3 verbunden ist, gelagert sein. Die Leiteφlatte 11 kann beispielsweise über eine Schraube an einem solchen Sockel befestigt werden. Alternativ könnte die Leiteφlatte 11 auch in einer entsprechenden Ausnehmung in der Wand 5 aufgenommen sein. Diese Ausführungsform hat den Vorteil einer besonders vibrationsfesten Lagerung der Leiteφlatte 11.
Die Leiteφlatte 1 1 trägt auf Ihrer Oberseite Steuerelektronik-Komponenten 12a, 12b, 12c. Ferner ist eine Kondensator in einer Öffnung der Leiteφlatte aufgenommen und elektrisch mit dieser über Anschlußbeine 14 verbunden, die mit der Unterseite der Leiteφlatte 11 verlötet sind. Der Kondensator 13 ist über eine metallische Abstützung 15 direkt am metallischen Boden 9 des Kühlköφers 3 abgestützt, so daß die im Kondensator erzeugte Wärme direkt über die Abstützung 15 an den Kühlköφer 3 abgeleitet wird.
Am Boden 9 ist ferner eine Leiteφlatte 16 befestigt, die einen dreilagigen Aufbau mit einer oberen Kupferschicht, einer Isolierschicht aus elektrisch isolierendem, die Wärme gut leiten- dem Keramikmaterial und einer Trägerschicht aus einem die Wärme gut leitenden Metall, wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, hat. Auf die Oberseite dieser Leiteφlatte sind mehrere Leistungselektronik-Gehäuse 17 angelötet, die über abgeknickte Anschlußbeine 18 mit der ersten Leiteφlatte 11 verlötet sind. In den Leistungselektronik-Gehäusen 17 sind die üblichen Leistungselektronik-Komponenten gekapselt untergebracht.
Von der Oberseite der Leiteφlatte 11 sind Anschlußleitungen 19a, 19b zum Motor 2 geführt. Diese umfassen in der Praxis Signalleitungen und Stromleitungen. Ferner ist ein Stecker 20 für Batteriezuleitungen 21 auf der Leiteφlatte 11 vorgesehen, die über eine Durchführung 22 durch die Wand 5 aus dem Innenraum 4 herausgeführt sind.
Mit der beschriebenen Anordnung werden die im Betrieb sich erhitzenden Bauteile, nämlich in erster Linie die Leistungselektronik-Gehäuse 17 mit den darin befindlichen Leistungselektronik-Komponenten und auch der Kondensator 13 durch direkte Anbindung an den Kühlkörper 3 so gekühlt, daß eine unzulässige Überhitzung dieser Komponenten vermieden ist.
Durch die Anordnung der Steuerelektronik-Komponenten 12a - 12c auf einer herkömmlichen, billigen Leiteφlatte ist teures Leiteφlattenmaterial, wie dasjenige der Leiteφlatte 16, eingespart. Die Anordnung der Leiteφlatten 11, 16 wie gezeigt und beschrieben übereinander im Innenraum 4 ist Platz sparend.
Figur 4 zeigt schematisch die Anordnung der Leistungstransistoren, beispielsweise der Transistoren 122' - 132' aus Fig. 1 auf einer Trägeφlatte, beispielsweise der zweiten Leiteφlatte 16. Die Leistungstransistoren weisen jeweils ein Leistungselektronik-Gehäuse und Anschlußbeine auf, die direkt mit der ersten Leiteφlatte 11 verbunden werden können.
Insgesamt führt die Anordnung gemäß der Erfindung zu einer auch in rauhem Einsatz, zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug, des Elektromotors 2 zu einem zuverlässigen Dauerbetrieb in einer kompakten, unempfindlichen Gesamtkonstruktion.
Die in der obigen Beschreibung, der Figur und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein. Minebea Co., Ltd
Bezugszeichenliste
1 Motorgehäuse 110 Sternschaltung
2 Elektromotor 112 Phasenwicklung U
3 Kühlköφer 114 Phasenwicklung V
4 Aufnahmeraum 1 16 Phasenwicklung W
5 zylindrische Wand 118 positive Versorgungsschiene
6 Ringflansch des Kühlköφers 12 negativeVersorgungsschiene
7 Ringflansch des Motorgehäuses 122/122' Leistungs-Schaltbauteil Tl
8 Schrauben 124/124' Leistungs-Schaltbauteil T2
9 Boden 126/126* Leistungs-Schlatbauteil T3
10 Kühlrippen 128/128' Leistungs-Schaltbauteil T4
10a Zwischenräume 130/130' Leistungs-Schaltbauteil T5
1 1 erste Leiteφlatte 132/132' Leistungs-Schaltbauteil T6
12 Abstandshalter Gl Steueranschluß
12a, 12b, 12c Steuerelektronik-Komponenten G6 Steueranschluß
13 Kondensator
14 Anschlußbein
15 metallische Abstützung
16 zweite Leiteφlatte
17 Leistungselektronik-Gehäuse
18 Anschlußbein
19a, 19b Motor-Anschlußleitungen
20 Stecker für Batteriekabel
21 Batteriezuleitungen
22 Durchführung
24 Gleichstrommotor
26 Kühlköφer
28 Leistungselektronik
30 Steuerelektronik
32 Batteriezuleitungen

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Unterbringung der Leistungs- und Steuerelektronik eines Elektromotors (2), umfassend eine erste Leiteφlatte (11), die mit Steuerelektronik-Komponenten (12a- 12c) bestückt ist, eine zweite Leiteφlatte (16), die mit Leistungselektronik-Komponenten (17) bestückt ist und ein elektrisch isolierendes, jedoch die Wärme gut ableitendes
Substrat aufweist; ein mit dem Substrat der zweiten Leiteφlatte (16) wärmeleitend in Kontakt stehendes Kühlelement (3).
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Leiteφlatte (16) einen dreilagigen Aufbau mit einer Kupferschicht, einer damit in Kontakt stehenden Trägerschicht aus einem elektrisch gut isolierenden, Wärme gut leitenden Material und einer Metallschicht aus einem die Wärme gut leitenden Metall aufweist, welche mit der Trägerschicht wärmeleitend verbunden ist, und daß die Metallschicht an das Kühlelement (3) wärmeleitend angebunden ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht aus einem Keramikmaterial besteht, das hohe Wärmeleitfähigkeit und gute dielektrische Isoliereigenschaften besitzt, und daß die Metallschicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement einen Kühlköφer aufweist, der großflächig in wärmeleitendem Kontakt mit der Metallschicht steht und aus Metall besteht, vorzugsweise aus Aluminium.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leiteφlatte (11) eine Kupferschicht auf einer Substratschicht aus elektrisch iso- lierendem Kunststoff aufweist und im Abstand von der zweiten Leiteφlatte (16) angeordnet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leiteφlatte (11) oberhalb der zweiten Leiteφlatte (16) im wesentlichen parallel dazu angeordnet ist.
7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratschicht der ersten Leiterplatte (11) zweiseitig von Kupferschichten bedeckt ist, und daß die auf der unteren Kupferschicht (11a) ausgebildeten Leiterbahnen mit den Leistungselektronik-Komponenten (17) auf der gegenüberliegenden Oberseite (16a) der zweiten Leiteφlatte verschaltet sind.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein an der zweiten Leiteφlatte (16) angelötetes Leistungselektronik-Gehäuse (17) davon abgeknickte Anschlußbeine (18) aufweist, die mit der mit den Steuerkomponenten (12a- 12c) bestückten ersten Leiteφlatte (11) verlötet sind.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leiteφlatte (11) direkt auf dem Kühlköφer (3) mittels Abstandhaltern (12) abgestützt ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Leiterplatte (11) an einer Wand (5) des Kühlköφers (3) unmittelbar abgestützt ist, wobei an der Wand (5) des Kühlköφers (3) Verankerungsmittel für die Leiteφlatte (11) vorgesehen sind.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlköφer (3) einen Aufnahmeraum (4) für die erste (11) und die zweite Leiterplatte (16) einschließlich der darauf befindlichen Komponenten aufweist und über einen umgebenden Flansch (6) mit einem Gegenflansch (7) des Motorgehäuses (1) verbunden ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlköφer (3) Kühlrippen (10) aufweist, deren Zwischenräume von Umgebungsluft durchströmbar sind.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlköφer (3) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
14. Anordnung nach einem der vorangegangen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein mit dem Kühlelement (3) verbundenes Motorgehäuse (1).
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