WO2012104016A1 - Elektrisches gerät - Google Patents

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WO2012104016A1
WO2012104016A1 PCT/EP2012/000158 EP2012000158W WO2012104016A1 WO 2012104016 A1 WO2012104016 A1 WO 2012104016A1 EP 2012000158 W EP2012000158 W EP 2012000158W WO 2012104016 A1 WO2012104016 A1 WO 2012104016A1
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WO
WIPO (PCT)
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circuit board
plastic body
cooling plate
plastic
heat
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2012/000158
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English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Nikola
Martin SCHÖRNER
Hans Jürgen KOLLAR
Dirk Momann
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SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Original Assignee
SEW Eurodrive GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of WO2012104016A1 publication Critical patent/WO2012104016A1/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/14—Mounting supporting structure in casing or on frame or rack
    • H05K7/1422—Printed circuit boards receptacles, e.g. stacked structures, electronic circuit modules or box like frames
    • H05K7/1427—Housings
    • H05K7/1432—Housings specially adapted for power drive units or power converters
    • H05K7/14322—Housings specially adapted for power drive units or power converters wherein the control and power circuits of a power converter are arranged within the same casing
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/209—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure

Definitions

  • the invention relates to an electrical device.
  • converters have as electrical device signal electronics and power electronics. This is powered by the power electronics, a consumer, such as electric motor.
  • Power electronics is discharged to a heat sink and from there to the ambient air or another surrounding cooling medium.
  • the invention is therefore the object of developing an electrical device, the production should be simple and environmental protection should be improved.
  • the object is achieved in the device according to claim 1 or 2
  • the electrical device has a printed circuit board, which is equipped with heat-generating components, wherein the circuit board is arranged in a housing of the device, wherein a plastic body, the circuit board at least partially surrounds and is connected to the assembled circuit board , in particular cohesively and / or positively.
  • the advantage here is that the circuit board, including the assembled components is protected against mechanical effects, such as power surges, vibrations or the like.
  • protruding components are better stabilized against vibrations by means of the plastic body.
  • a safe transportability and storability is ensured, wherein the circuit board is not installed in the housing of the device.
  • CONFIRMATION COPY thermally conductive design of the plastic body is also an improved cooling of the heat generating components reached.
  • the cup-shaped housing part is reusable and can when
  • the electrical device has a circuit board which is equipped with heat-generating components, wherein the circuit board is arranged in a housing of the device, wherein on both sides of the circuit board, a plastic body is arranged and connected to the assembled circuit board, in particular materially and / or positive fit.
  • the plastic body surrounds the circuit board and thus a good mechanical protection guaranteed.
  • the plastic body is composed of at least two mutually positively connected partial bodies, in particular wherein the positive connection is a latching.
  • the body parts are vorfertigbar and thus can be arranged around the circuit board and connected to each other. Thus, the circuit board does not have to be loaded when arranging the part bodies around the circuit board.
  • the plastic body is integrally formed, in particular produced as encapsulation or as a plastic casting.
  • the advantage here is that a particularly cost-effective production is executable, since the circuit board must be introduced only in a mold and then umspritzbar or pourable.
  • the assembled printed circuit board on its surface on a paint in particular a water vapor-repellent paint and / or a water-repellent paint.
  • a paint in particular a water vapor-repellent paint and / or a water-repellent paint.
  • the advantage here is that the circuit board in a mold with Styrofoam balls umbarbar and water vapor is zugebbar, so that in a simple Production method can be produced with styrofoam.
  • Styrofoam is understood to mean any other foamed plastic, in particular which is thermally conductive and electrically insulating and preferably has a flame retardant additive.
  • the plastic is designed as styrofoam or as a foam, in particular as a polyurethane foam.
  • the advantage here is that a cost-effective material is used, which can be equipped by chemical additives with improved thermal conductivity.
  • the plastic has a better thermal conductivity, in particular specific thermal conductivity, as air, in particular wherein the plastic body is made of electrically insulating material.
  • the thermal conductivity is a better thermal conductivity, in particular specific thermal conductivity, as air, in particular wherein the plastic body is made of electrically insulating material.
  • the electrical appliance is a converter, in particular wherein the signal electronics and the power electronics of the converter arranged on the circuit board.
  • Pick and place machine is executable.
  • the connection of the electronic circuit, thus comprising the printed circuit board with a connected cooling plate, with the housing is particularly simple and easy to carry out, since only one insertion of the electronic circuit is to be executed in the cup-shaped housing.
  • a power module is arranged on the circuit board, which is connected to a cooling plate, in particular on a cooling plate containing aluminum, in particular screwed onto this cooling plate and is connected to this heat-conducting for the removal of heat.
  • the cooling plate is arranged outside the plastic body, in particular wherein the power module through a recess of the
  • the plastic body has recesses for components mounted on the printed circuit board, in particular for large components.
  • the advantage here is that in these areas, the heat dissipation to the cooling plate by means of air is executable or - as in the power module - by a contact surface on the cooling plate.
  • the plastic body in particular the second body part, a further recess, which is an air connection between a heat-generating, fitted on the circuit board component and a surface portion of the cooling plate, in particular for the convective dissipation of heat by means of
  • Air connection to the cooling plate is that by means of the respective heat-generating component or the associated bruisenberiech the circuit board associated recess in the plastic body, an airspace area is created, which is at least partially bounded by a surface region of the cooling plate and by a respective heat-generating component or of the associated thereto Surface area of the printed circuit board.
  • convectively driven air flow is formed at temperature differences, so that a heat dissipation to the cooling plate is made possible.
  • Plastic body, in particular of the first part of the body, and the other side of the circuit board is at least partially covered, so covered, of the plastic body, in particular of the second part body, in particular wherein the second part body is annular.
  • the advantage here is that the covered mounted on the circuit board components are protected against environmental influences, such as
  • the plastic body leads so housing-forming functions - as far as the coverage extends. He is, however, more elastic than an aluminum housing. Only after installation in the cup-shaped housing part and closing the same with the lid part is a complete housing - created. In this installed state, the plastic body then takes over heat-dissipating function or meadow creates airspace areas targeted
  • the housing of the device has a cup-shaped housing part, which is closed by a cover part, in particular wherein on the inner wall of the cup-shaped housing part, a contact surface for heat input from the cooling plate is arranged on the housing.
  • a contact surface for heat input from the cooling plate is arranged on the housing.
  • the lid part can be varied accordingly.
  • a high variance can be generated with a small number of components.
  • Cable bushings arranged, in particular for supply lines, a
  • cup-shaped housing is executable with the lowest possible floor, so with high pot side walls.
  • the device has a printed circuit board equipped at least with a power module and further components, in particular with the components and the power module being thus fastened on the printed circuit board, in which
  • the circuit board is at least partially enclosed with a plastic body, in particular
  • a cooling plate connected to the power module, in particular screw-connected in a subsequent method step, a cooling plate connected to the power module, in particular screw-connected, (iii) in a further step, the circuit board including cooling plate and plastic body is inserted into a cup-shaped housing part and the cooling plate is pressed against a contact surface of the inner wall of the housing part is, in particular thermally conductively connected.
  • the advantage here is that the circuit board is surrounded by a protective plastic body and thus protected during transport and storage. After connecting the cooling plate, the protection is increased and the electronic circuit as a unit, in particular cassette, transportable. For final assembly, only the cassette must be inserted into the pot - shaped housing and brought into contact with its cooling plate for
  • the case is made of metal, such as
  • FIG. 1 schematically shows a converter according to the invention with a first and a second foam part.
  • FIG. 2 shows the contour of the recess in the second foam part 4.
  • the housing of the converter has a cup-shaped one piece, preferably made of aluminum housing part 9, which is closed by means of a cover part 8. in the
  • Cable bushings provided so that on the one hand supply cable can be inserted into the interior and on the other hand connection cable to the inverter fed
  • the electric motor is preferably a three-phase motor.
  • the supply cables lead preferably single-phase or three-phase mains AC voltage.
  • a cassette is inserted, which includes the circuit board 12 of the inverter and a cooling plate. 1
  • the entire electronic circuit of the inverter is arranged, so signal electronics and power electronics.
  • a DC link capacitor for smoothing the rectified voltage
  • a power module having half-bridge power semiconductor switches from which the lines feeding the motor are fed.
  • the signal electronics generates pulse width modulated drive signals for the
  • Power semiconductor switch and is connected to the data bus.
  • the circuit board 12 is thus equipped with at least one large component 3 such as the DC link capacitor and power module 5.
  • the circuit board 12 is also equipped with small components 11, such as SMD components.
  • the power module 5 is screwed by means of a connecting screw, comprising a screw head 7, to a cooling plate 1, so that the heat of
  • Power module at the contact surface to the cooling plate 1 can be discharged.
  • the power module 5 has as a contact surface on a ceramized or copper-plated contact surface.
  • the cooling plate 12 is preferably made of aluminum. Thus, a good heat-conducting contact can be produced and the heat effectively dissipated.
  • the cooling plate has a plate area of more than 50%, in particular more than 80% or 90% of the printed circuit board surface. It is even an improved heat dissipation achievable when the plate surface of the cooling plate 1 exceeds the PCB area.
  • cup-shaped housing part surrounds the cassette with the exception of the cover portion.
  • circuit board sits on both sides in this thermally approximately equal temperature having housing part 9. The signal electronics and power electronics are therefore at the same temperature level.
  • the circuit board 12 is surrounded on both sides by foam parts, so to speak wrapped. Only on one side of a cooling plate 1 is arranged, so that only the circuit board 12 but not the cooling plate 1 is packed on both sides.
  • a first foam part 10 is arranged on the first side of the circuit board.
  • the second foam part 4 is arranged on the other side, ie between the cooling plate 1 and circuit board 12.
  • the two foam parts 4 and 10 are connectable by means of a latch. Consequently
  • the second foam part 4 has recesses for the large components 3 and the power module 5. Since remaining webs for reasons of stability must have a minimum wall thickness, resulting in closely arranged large components 3 and
  • Foam part 4 a single large recess 20 as shown in Figure 2.
  • the air arranged in the interstices between the large components and within the second foam part 4 conducts convective heat from hot to cold surface areas, ie in particular to the cooling plate 1.
  • the second foam part 4 is pronounced according to Figure 2 as an annular structure.
  • the locking 2 and 6 of the foam parts 4 and 10 is by the
  • a latching nose is formed on one of the foam parts 4 or 10 and on the other a corresponding recess with locking projection. By engaging behind the projection, so locking, a positive connection can be produced.
  • the foam parts 4 and 10 form a protection for the circuit board against mechanical effects, such as power surges and / or vibrations.
  • the circuit board 12 is securely stored and transported in this packaging formed by the foam parts 4 and 10.
  • cup-shaped housing parts 9 can be connected to the cassette. Likewise are different pronounced
  • Cover parts 8 connectable. In this way, it is possible to produce inverters with a different external appearance and correspondingly different functionalities, without the circuit board having to be designed differently each time. It is only important that the interface to the cassette is compatible, in particular, the interface for connecting the cooling plate 1 to the inner wall of the cup-shaped housing part 9 must be complied with.
  • the locking 2 and 6 is preferably carried out detachable.
  • the spacing of the large components 3 from one another and from the power module 5 is greater than in FIGS. 1 and 2.
  • the second foam part then has a plurality of recesses, each of which is significantly smaller than the recess shown in FIG. But recesses become like that
  • Recesses are formed convective air currents are cooled to the cooling plate 1 out. This configuration of the recesses as convection-operated air areas is particularly advantageous if the thermal conductivity of the foam part material is lower than that of air:
  • the ambient air of the inverter and / or air with a temperature of 20 0 C at 1 bar pressure and a humidity of 30% to understand If the thermal conductivity of the foam material exceeds that of air, is on the recesses for as far as possible avoids convective air areas. Only recesses for the large components 3 and the power module 5 are then provided.
  • a foam material a polyurethane is used or polystyrene.
  • the assembled printed circuit board 12 is not mechanically connected to two foam parts but it is a foam part overmoulded produced or in Styrofoam production. Here is the stocked
  • the heat conduction of the resulting polystyrene is improved by chemical additives such that it is better than that of air.
  • styrofoam another suitable for encapsulating electrically insulating but better than air heat conductive material is used.
  • Manufacturing process is then dispensed painting with water vapor or water-repellent paint.
  • thermal paste is dispensed with in the contact region between the cooling plate and the housing part. The surface is sufficiently large for this, so that the heat is correspondingly effectively spread.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
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Abstract

Elektrisches Gerät, das eine Leiterplatte aufweist, die mit wärmeerzeugenden Bauteilen bestückt ist, wobei die Leiterplatte in einem Gehäuse des Geräts angeordnet ist, wobei beidseitig der Leiterplatte ein Kunststoffkörper angeordnet ist und mit der bestückten Leiterplatte verbunden ist, insbesondere stoffschlüssig und/oder formschlüssig.

Description

Elektrisches Gerät
Beschreibung: Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät.
Es ist bekannt, dass Umrichter als Elektrogerät Signalelektronik und Leistungselektronik aufweisen. Dabei wird von der Leistungselektronik ein Verbraucher, wie Elektromotor, gespeist. Die Wärme, insbesondere die Wärme der Leistungshalbleiterschalter der
Leistungselektronik, wird an einen Kühlkörper abgeführt und von dort an die Umgebungsluft oder ein anderes umgebendes Kühlmedium.
Zur Verbesserung von Wärmeübergängen ist es bekannt, Wärmeleitpaste in den
Wärmeübergangsbereich einzubringen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Gerät weiterzubilden, wobei die Fertigung einfach sein soll und der Umweltschutz verbessert sein soll.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Gerät nach den in Anspruch 1 oder 2
angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem elektrischen Gerät, sind, dass es eine Leiterplatte aufweist, die mit wärmeerzeugenden Bauteilen bestückt ist, wobei die Leiterplatte in einem Gehäuse des Geräts angeordnet ist, wobei ein Kunststoffkörper die Leiterplatte zumindest teilweise umschließt und mit der bestückten Leiterplatte verbunden ist, insbesondere stoffschlüssig und/oder formschlüssig. Von Vorteil ist dabei, dass die Leiterplatte samt der bestückten Bauelemente geschützt ist vor mechanischen Einwirkungen, wie Kraftstößen, Erschütterungen oder dergleichen.
Insbesondere sind auch herausstehende Bauteile gegen Schwingungen besser stabilisierbar mittels des Kunststoffkörpers. Somit ist eine sichere Transportfähigkeit und Lagerfähigkeit gewährleistbar, wobei die Leiterplatte nicht eingebaut ist im Gehäuse des Geräts. Bei
BESTÄTIGUNGSKOPIE wärmeleitender Ausführung des Kunststoffkörpers ist auch eine verbesserte Entwärmung der Wärme erzeugenden Bauelemente erreichbar.
Weiter ist der Umweltschutz verbessert, weil bei defekter Elektronik nur die Kassette auszutauschen ist. Das topfförmige Gehäuseteil ist wiederverwendbar und kann beim
Austausch der Kassette in der Anlage installiert bleiben. Dies verringert auch den
Reparaturaufwand.
Wichtige Merkmale bei dem elektrischen Gerät sind, dass es eine Leiterplatte aufweist, die mit wärmeerzeugenden Bauteilen bestückt ist, wobei die Leiterplatte in einem Gehäuse des Geräts angeordnet ist, wobei beidseitig der Leiterplatte ein Kunststoffkörper angeordnet ist und mit der bestückten Leiterplatte verbunden ist, insbesondere stoffschlüssig und/oder formschlüssig.
Von Vorteil ist dabei, dass der Kunststoffkörper die Leiterplatte umgibt und somit ein guter mechanischer Schutz gewährleistbar. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kunststoffkörper aus mindestens zwei miteinander formschlüssig verbundenen Teilkörpern zusammengesetzt, insbesondere wobei die formschlüssige Verbindung eine Verrastung ist. Von Vorteil ist dabei, dass die Teilkörper vorfertigbar sind und somit um die Leiterplatte anordenbar und miteinander verbindbar sind. Somit muss die Leiterplatte nicht belastet werden beim Anordnen der Teilkörper um die Leiterplatte herum.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kunststoffkörper einstückig ausgebildet, insbesondere als Umspritzung oder als Kunststoffgussteil hergestellt. Von Vorteil ist dabei, dass eine besonders kostengünstige Herstellung ausführbar ist, da die Leiterplatte nur in eine Werkzeugform eingebracht werden muss und dann umspritzbar oder umgießbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die bestückte Leiterplatte an ihrer Oberfläche einen Lack auf, insbesondere einen wasserdampfabweisenden Lack und/oder einen wasserabweisenden Lack. Von Vorteil ist dabei, dass die Leiterplatte in einer Werkzeugform mit Styroporkügelchen umgebbar und Wasserdampf hinzugebbar ist, so dass in einfacher Herstellungsweise eine Ummantelung mit Styropor produzierbar. Unter Styropor wird dabei auch jeder andere geschäumte Kunststoff verstanden, insbesondere welcher wärmeleitend und elektrisch isolierend ist und vorzugsweise einen Flammschutz-Zusatz aufweist. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kunststoff als Styropor oder als Schaumstoff, insbesondere als ein Polyurethanschaum, ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass ein kostengünstiges Material verwendbar ist, das durch chemische Zusatzbestandteile mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit ausstattbar ist. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kunststoff eine bessere Wärmeleitfähigkeit, insbesondere spezifische Wärmeleitfähigkeit, auf als Luft, insbesondere wobei der Kunststoffkörper aus elektrisch isolierendem Werkstoff gefertigt ist. Von Vorteil ist dabei, dass durch entsprechende Zusätze die Wärmeleitfähigkeit
verbesserbar ist. Außerdem ist somit Luft als Wärmetransportmittel verzichtbar und ein direktes Zwischenordnen des Kunststoff körpers zwischen Leiterplatte und Kühlplatte ermöglicht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Elektrogerät ein Umrichter ist, insbesondere wobei die Signalelektronik und die Leistungselektronik des Umrichters auf der Leiterplatte angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass nur eine Leiterplatte zu bestücken ist und somit eine hochautomatisierte Herstellung ermöglicht ist, da das Bestücken durch
Bestückungsautomaten ausführbar ist. Außerdem ist das Verbinden der elektronischen Schaltung, also umfassend die Leiterplatte mit verbundener Kühlplatte, mit dem Gehäuse besonders einfache und leicht ausführbar, da nur ein Einschieben der elektronischen Schaltung ins topfförmige Gehäuse auszuführen ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist auf der Leiterplatte ein Leistungsmodul angeordnet, welches mit einer Kühlplatte, insbesondere auf eine Aluminium enthaltendes Kühlplatte, verbunden ist, insbesondere auf diese Kühlplatte aufgeschraubt ist und mit dieser wärmeleitend verbunden ist zur Abfuhr von Wärme. Von Vorteil ist dabei, dass bei Montage die Kühlplatte über das Leistungsmodul mit der Leiterplatte verbindbar ist. Somit ist mit dem Kunststoffkörper eine erste Seite der Leiterplatte schützbar, also die von der Kühlplatte abgewandte Seite der Leiterplatte, und es ist die andere Seite der Leiterplatte nicht nur durch den restlichen
Teilkörper des Kunststoffkörpers schützbar sondern auch durch die Kühlplatte.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Kühlplatte außerhalb des Kunststoffkörpers angeordnet, insbesondere wobei das Leistungsmodul durch eine Ausnehmung des
Kunststoffkörpers hindurchragt. Von Vorteil ist dabei, dass die Wärmeableitung durch den ansonsten schützenden Kunststoffkörper nicht beeinträchtigt wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kunststoffkörper Ausnehmungen für auf der Leiterplatte bestückte Bauteile, insbesondere für große Bauteile, auf. Von Vorteil ist dabei, dass in diesen Bereichen die Wärmeabfuhr an die Kühlplatte mittels Luft ausführbar ist oder - wie bei dem Leistungsmodul - durch eine Kontaktfläche an der Kühlplatte.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Kunststoffkörper, insbesondere der zweite Teilkörper, eine weitere Ausnehmung auf, die eine Luftverbindung zwischen einem Wärme erzeugenden, auf der Leiterplatte bestückten Bauelement und einem Oberflächenteilbereich der Kühlplatte ist, insbesondere zur konvektiven Ableitung von Wärme mittels der
Luftverbindung an die Kühlplatte. Von Vorteil ist dabei, dass mittels der dem jeweiligen Wärme erzeugenden Bauelement beziehungsweise dem zugehörigen Oberflächenberiech der Leiterplatte zugeordneten Ausnehmung im Kunststoffkörper ein Luftraumbereich geschaffen ist, der zumindest teilweise von einem Oberflächenbereich der Kühlplatte begrenzt wird und von einem jeweiligen Wärme erzeugenden Bauelement beziehungsweise von dem hierzu zugehörigen Oberflächenbereich der Leiterplatte. Somit bildet sich bei Temperaturdifferenzen konvektiv angetriebene Luftströmung aus, so dass eine Wärmeabfuhr an die Kühlplatte ermöglicht ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine erste Seite der Leiterplatte oder zumindest ein Teilbereich dieser Seite, insbesondere lückenlos, bedeckt, also abgedeckt von dem
Kunststoffkörper, insbesondere von dessen erstem Teilkörper, und die andere Seite der Leiterplatte ist zumindest teilweise bedeckt, also abgedeckt, von dem Kunststoffkörper, insbesondere von dessen zweitem Teilkörper, insbesondere wobei der zweite Teilkörper ringförmig ausgebildet ist. Von Vorteil ist dabei, dass die abgedeckten auf der Leiterplatte bestückten Bauelemente geschützt sind vor Umwelteinflüssen, wie
beispielsweise mechanischer Krafteinwirkung. Der Kunststoffkörper führt also gehäusebildende Funktionen aus - soweit die Bedeckung sich erstreckt. Dabei ist er allerdings elastischer als ein Aluminiumgehäuse. Erst nach Einbau in das topfförmige Gehäuseteil und Verschließen desselben mit dem Deckelteil ist ein vollständiges Gehäuse - geschaffen. In diesem eingebauten Zustand übernimmt der Kunststoffkörper dann auch Wärme ableitende Funktion beziehungswiese schafft Luftraumbereiche zur gezielten
Entwärmung von Wärme erzeugenden Bauelementen, wenn seine Wärmeleitfähigkeit geringer als die von Luft ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Gehäuse des Geräts ein topfförmiges Gehäuseteil auf, das von einem Deckelteil verschlossen ist, insbesondere wobei an der Innenwandung des topfförmigen Gehäuseteils eine Kontaktfläche zur Wärmeeinleitung von der Kühlplatte ans Gehäuse angeordnet ist. Von Vorteil ist dabei, dass die von der Kühlplatte ans Gehäuse eingeleitete Wärme aufspreizbar ist über das ganze topfförmige Gehäuseteil. Somit verteilt sich die Wärme auf eine große Oberfläche. Dabei ist allerdings die Kontaktfläche zur Kühlplatte in möglichst guten Wärmekontakt zu bringen. Da die Kühlplatte selbst schon flächig und groß, insbesondere vergleichbar mit der ganzen Leiterplatte, ausführbar ist, ist ein hinreichender Wärmeübergang einfach herstellbar, insbesondere sogar ohne Wärmeleitpaste im Kontaktbereich. Der Einbau der Kassette, bestehend aus Kühlplatte, Kunststoffkörper und Leiterplatte, in das topfförmige Gehäuse ermöglicht auch das Herstellen von verschiedenen Varianten in einfacher Weise. Denn stets dieselbe Kassette ist in verschiedene Gehäuseteile einbaubar. Somit sind
applikationsspezifische oder marktspezifische Besonderheiten durch entsprechend
Modifizierte Gehäuseteile abdeckbar. Die Deckelteil sind entsprechend variierbar. Eine hohe Varianz ist mit einer geringen Anzahl von Bauteilen erzeugbar .
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind zwischen Deckelteil und Gehäuseteil
Kabeldurchführungen angeordnet, insbesondere für Versorgungsleitungen, einen
Verbraucher speisenden Leitungen und Datenbusleitungen. Von Vorteil ist dabei, dass das topfförmige Gehäuse mit möglichst tief liegendem Boden ausführbar ist, also mit hohen Topfseitenwänden.
Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Geräts sind, dass das Gerät eine zumindest mit einem Leistungsmodul und weiteren Bauteilen bestückte Leiterplatte aufweist, insbesondere wobei die Bauteile und das Leistungsmodul somit auf der Leiterplatte befestigt sind, wobei
(i) in einem Verfahrensschritt die Leiterplatte zumindest teilweise mit einem Kunststoffkörper umschlossen wird, insbesondere
- mit Kunststoff zumindest teilweise umspritzt wird zur Bildung des Kunststoffkörpers
- oder zwischen mindestens zwei Teilkörper des zumindest zweistückig
ausgebildeten Kunststoffkörpers eingelegt wird, wobei die Teilkörper nach dem Einlegen miteinander verbunden werden, insbesondere formschlüssig und/oder mittels Verrastung,
(ii) in einem nachfolgenden Verfahrensschritt eine Kühlplatte mit dem Leistungsmodul verbunden, insbesondere schraubverbunden, wird, (iii) in einem weiter nachfolgenden Verfahrensschritt die Leiterplatte samt Kühlplatte und Kunststoffkörper in ein topfförmiges Gehäuseteil eingeschoben wird und die Kühlplatte an einer Kontaktfläche der Innenwandung des Gehäuseteils angedrückt wird, insbesondere wärmeleitend verbunden wird. Von Vorteil ist dabei, dass die Leiterplatte von einem schützenden Kunststoffkörper umgeben wird und somit beim Transport und Lagern geschützt ist. Nach Verbinden der Kühlplatte ist der Schutz erhöht und die elektronische Schaltung als Einheit, insbesondere Kassette, transportierbar. Zur Endmontage muss nur die Kassette in das topfförmige Gehäuse eingeschoben werden und mit ihrer Kühlplatte in Kontakt gebracht werden zur
Wärmeableitung ans topfförmige Gehäuse. Das Gehäuse ist dabei aus Metall, wie
beispielsweise Aluminium, damit die Wärme gut abgeleitet wird und eine hohe mechanische Stabilität gehäusebildend eingesetzt wird.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen
Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe. Die Erfindung wird nun anhand von schematischen Abbildungen näher erläutert:
In der Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Umrichter mit einem ersten und einem zweiten Schaumteil schematisch skizziert.
In der Figur 2 ist die Kontur der Ausnehmung im zweiten Schaumteil 4 gezeigt.
Das Gehäuse des Umrichters weist ein topfförmiges einstückig vorzugsweise aus Aluminium gefertigtes Gehäuseteil 9 auf, das mittels eines Deckelteils 8 verschlossen ist. Im
Zwischenbereich zwischen Deckelteil 8 und topfförmigem Gehäuseteil 9 sind
Kabeldurchführungen vorgesehen, so dass einerseits Versorgungskabel in den Innenraum einführbar sind und andererseits Verbindungskabel zum vom Umrichter gespeisten
Elektromotor, also Verbraucher, herausführbar sind. Außerdem sind auch Datenbuskabel durch eine dortige Kabeldurchführung hindurch in den Innenraum geführt.
Der Elektromotor ist vorzugsweise ein Drehstrommotor. Die Versorgungskabel führen vorzugswiese einphasig oder dreiphasig Netzwechselspannung. Im Innenraum des Umrichters ist eine Kassette eingeschoben, die die Leiterplatte 12 des Umrichters umfasst und eine Kühlplatte 1.
Auf der Leiterplatte ist die gesamte elektronische Schaltung des Umrichters angeordnet, also Signalelektronik und Leistungselektronik. Dabei gehören zur Leistungselektronik zumindest - ein Gleichrichter, welcher die mittels der Versorgungskabel zugeführte
Wechselspannung gleichrichtet,
ein Zwischenkreiskondensator zum Glätten der gleichgerichteten Spannung und ein Leistungsmodul, welches in Halbbrücken angeordnete Leistungshalbleiterschalter aufweist, von welchen die den Motor speisenden Leitungen gespeist werden.
Die Signalelektronik erzeugt pulsweitenmodulierte Ansteuersignale für die
Leistungshalbleiterschalter und ist mit dem Datenbus verbunden.
Die Leiterplatte 12 ist also mit zumindest einem großen Bauteil 3 bestückt wie beispielsweise der Zwischenkreiskondensator und Leistungsmodul 5. Außerdem ist die Leiterplatte 12 auch mit kleinen Bauteilen 11 bestückt, wie SMD-Bauteile. Das Leistungsmodul 5 ist mittels einer Verbindungsschraube, aufweisend einen Schraubenkopf 7, an eine Kühlplatte 1 angeschraubt, so dass die Wärme des
Leistungsmoduls an der Kontaktfläche zur Kühlplatte 1 abführbar ist. Das Leistungsmodul 5 weist als Kontaktfläche eine keramisierte oder mit Kupfer überzogene Kontaktfläche auf. Die Kühlplatte 12 ist vorzugswiese aus Aluminium ausgeführt. Somit ist ein gut wärmeleitender Kontakt herstellbar und die Wärme effektiv abführbar.
Die Kühlplatte weist eine Plattenfläche von mehr als 50%, insbesondere von mehr als 80% oder 90% der Leiterplattenfläche auf. Es ist sogar eine verbesserte Wärmeaufspreizung erreichbar, wenn die Plattenfläche der Kühlplatte 1 die Leiterplattenfläche übersteigt.
Somit ist eine Aufspreizung der vom Leistungsmodul erzeugten Wärme erreicht. Bei Einführen der Kassette ins topfförmige Gehäuseteil 9 wird die Kühlplatte an die
Innenwandung des topfförmigen Gehäuseteils angedrückt, insbesondere zunehmend angedrückt beim Anziehen von entsprechenden Verbindungsschrauben, welche die
Verbindung der Kassette mit dem topfförmigen Gehäuseteil 9 bewirken. Somit wird die Wärme von der Kühlplatte 1 dann an das topfförmige Gehäuseteil 9 übertragen und somit aufgespreizt.
Wichtig ist dabei, dass das topfförmige Gehäuseteil die Kassette mit Ausnahme des Deckelteilbereichs umschließt. Somit sitzt die Leiterplatte beidseitig in diesem thermisch ungefähr gleiche Temperatur aufweisenden Gehäuseteil 9. Die Signalelektronik und Leistungselektronik sind also auf gleichem Temperaturniveau.
Die Leiterplatte 12 ist beidseitig von Schaumteilen umgeben, also sozusagen eingepackt. Nur Auf einer Seite ist eine Kühlplatte 1 angeordnet, so dass nur die Leiterplatte 12 nicht aber die Kühlplatte 1 beidseitig eingepackt ist.
Auf der ersten Seite der Leiterplatte ist ein das erste Schaumteil 10 angeordnet. Auf der anderen Seite, also zwischen Kühlplatte 1 und Leiterplatte 12 ist das zweite Schaumteil 4 angeordnet. Die beiden Schaumteile 4 und 10 sind mittels einer Verrastung verbindbar. Somit
umklammern sie sozusagen die Leiterplatte 12.
Das zweite Schaumteil 4 weist Ausnehmungen auf, für die großen Bauteile 3 und das Leistungsmodul 5. Da verbleibende Stege aus Stabilitätsgründen eine Mindestwandstärke aufweisen müssen, ergibt sich bei eng angeordneten großen Bauteilen 3 und
Leistungsmodul 5 anstatt einzelner voneinander beabstandeter Ausnehmungen im
Schaumteil 4 eine einzige große Ausnehmung 20 wie in Figur 2 gezeigt. Somit leitet die in den Zwischenräumen zwischen den großen Bauteilen und innerhalb des zweiten Schaumteils 4 angeordnete Luft Konvektiv Wärme von heißen zu kalten Oberflächenbereichen, insbesondere also zur Kühlplatte 1 hin.
Das zweite Schaumteil 4 ist gemäß Figur 2 als ringförmige Struktur ausgeprägt. Die Verrastung 2 beziehungsweise 6 der Schaumteile 4 und 10 wird durch deren
Ausformung erreicht, ist also ohne zusätzliche Teile ausführbar. Hierbei wird an einem der Schaumteile 4 oder 10 eine Rastnase ausgeformt und am anderen eine entsprechende Ausnehmung mit Rast-Vorsprung. Durch Hintergreifen des Vorsprungs, also Verrastung, ist eine formschlüssige Verbindung herstellbar.
Die Schaumteile 4 und 10 bilden einen Schutz für die Leiterplatte gegen mechanische Einwirkungen, wie Kraftstöße und/oder Schwingungen. Somit ist die Leiterplatte 12 in dieser durch die Schaumteile 4 und 10 gebildeten Verpackung sicher lagerbar und transportierbar.
Außerdem sind je nach Applikation oder Kundenwunsch verschieden geformte topfförmige Gehäuseteile 9 mit der Kassette verbindbar. Ebenso sind verschieden ausgeprägte
Deckelteile 8 verbindbar. Auf diese Weise lassen sich also Umrichter mit verschiedenem äußeren Erscheinungsbild und entsprechend verschiedenen Funktionalitäten herstellen, ohne dass die Leiterplatte jedesmal anders ausgeführt werden muss. Wichtig ist dabei nur, dass die Schnittstelle zur Kassette hin kompatibel ist, insbesondere muss die Schnittstelle zur Anbindung der kühlplatte 1 zur Innenwandung des topfförmigen Gehäuseteils 9 eingehalten werden.
Die Verrastung 2 und 6 ist vorzugsweise lösbar ausgeführt. ln einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die Beabstandung der großen Bauteile 3 voneinander und vom Leistungsmodul 5 größer als in Figur 1 und 2. Somit weist dann das zweite schaumteil mehrere Ausnehmungen auf, die jeweils deutlich kleiner sind als die in Figur 2 gezeigte Ausnehmung. Dabei werden aber Ausnehmungen derart
dimensioniert und angeordnet, dass heiße Wärmequellen durch die in den jeweiligen
Ausnehmungen sich ausbildenden konvektiven Luftströmungen zur Kühlplatte 1 hin entwärmt werden. Diese Ausbildung der Ausnehmungen als konvektiv betriebene Luftbereiche ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Schaumteilwerkstoffs niedriger ist als die von Luft:
Unter Luft ist bei der vorliegenden Erfindung die Umgebungsluft des Umrichters und/oder Luft mit einer Temperatur von 20 0 C bei 1 bar Druck und einer Feuchtigkeit von 30% zu verstehen, Wenn die Wärmeleitfähigkeit des Schaumteilwerkstoffes diejenige von Luft übersteigt, wird auf die Ausnehmungen für konvektiv betriebene Luftbereiche möglichst verzichtet. Es werden also dann nur Ausnehmungen für die großen Bauteile 3 und das Leistungsmodul 5 vorgesehen. Als Schaumstoffwerkstoff ist ein Polyurethan verwendbar oder auch Styropor.
In einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird die bestückte Leiterplatte 12 nicht mit zwei Schaumteilen mechanisch verbunden sondern es wird ein Schaumteil umspritzend hergestellt oder bei der Styroporherstellung. Hierbei wird die bestückte
Leiterplatte mit einem wasserundurchlässigem oder wasserdampfundurchlässigem Lack lackiert, beispielsweise als Tauschlack. In einem weiteren Herstellschritt wird dann die so lackierte Leiterplatte 12 in eine Werkzeugform eingelegt und dann der verbleibende
Innenbereich der Form mit Styroporkügelchen befüllt. Durch zusätzliches Einführen von heißem Wasserdampf werden die Styroporkügelchen miteinander formschlüssig verbunden, so dass die Schaumteile 4 und 10 einstückig ausgeformt sind und keine zusätzlichen
Ausnehmungen für Luft oder dergleichen enthalten. Dabei ist die Wärmeleitung des entstehenden Styropors durch chemische Zusätze derart verbessert, dass sie besser ist als die von Luft. Statt des Styropors ist auch ein anderer zum Umspritzen geeigneter elektrisch isolierender aber besser als Luft wärmeleitender Werkstoff verwendbar. Je nach
Herstellverfahren ist dann die Lackierung mit wasserdampf- oder wasserabweisendem Lack verzichtbar. Vorzugsweise wird auf Wärmeleitpaste im Kontaktbereich zwischen Kühlplatte und Gehäuseteil verzichtet. Die Fläche ist hierfür genügend groß, so dass die Wärme entsprechend effektiv aufgespreizt ist.
Bezugszeichenliste
1 Kühlplatte
2 Verrastung
3 großes Bauteil, insbesondere Kondensator
4 zweites Schaumteil
5 Leistungsmodul, aufweisen Leistungshalbleiterschalter
6 Verrastung
7 Schraubenkopf einer Verbindungsschraube zum Anschrauben des Leistungsmoduls an die Kühlplatte 1
8 Deckelteil
9 topfförmiges Gehäuseteil
10 erstes Schaumteil
11 SMD-Bauteile oder kleine elektronische Bauteile
12 Leiterplatte

Claims

Patentansprüche:
1. Elektrisches Gerät, das eine Leiterplatte aufweist, die mit wärmeerzeugenden Bauteilen bestückt ist, wobei die Leiterplatte in einem Gehäuse des Geräts angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kunststoffkörper die Leiterplatte zumindest teilweise umschließt und mit der bestückten Leiterplatte verbunden ist, insbesondere stoffschlüssig und/oder formschlüssig.
2. Elektrisches Gerät, das eine Leiterplatte aufweist, die mit wärmeerzeugenden Bauteilen bestückt ist, wobei die Leiterplatte in einem Gehäuse des Geräts angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass beidseitig der Leiterplatte ein Kunststoffkörper angeordnet ist und mit der bestückten Leiterplatte verbunden ist, insbesondere stoffschlüssig und/oder formschlüssig.
3. Gerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kunststoffkörper aus mindestens zwei miteinander formschlüssig verbundenen
Teilkörpern zusammengesetzt ist, insbesondere wobei die formschlüssige Verbindung eine Verrastung ist.
4. Gerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kunststoffkörper einstückig ausgebildet ist, insbesondere als Umspritzung oder als Kunststoffgussteil hergestellt ist.
5. Gerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die bestückte Leiterplatte an ihrer Oberfläche einen Lack aufweist, insbesondere einen wasserdampfabweisenden Lack und/oder einen wasserabweisenden Lack.
6. Gerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kunststoff als Styropor oder als Schaumstoff, insbesondere als ein Polyurethanschaum, ausgeführt ist.
7. Gerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kunststoff eine bessere Wärmeleitfähigkeit, insbesondere spezifische
Wärmeleitfähigkeit, aufweist als Luft, insbesondere wobei der Kunststoffkörper aus elektrisch isolierendem Werkstoff gefertigt ist.
8. Gerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Elektrogerät ein Umrichter ist, insbesondere wobei die Signalelektronik und die
Leistungselektronik des Umrichters auf der Leiterplatte angeordnet ist.
9. Gerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Leiterplatte ein Leistungsmodul angeordnet ist, welches mit einer Kühlplatte, insbesondere auf eine Aluminium enthaltendes Kühlplatte, verbunden ist, insbesondere auf diese Kühlplatte aufgeschraubt ist und mit dieser wärmeleitend verbunden ist zur Abfuhr von Wärme.
10. Gerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühlplatte außerhalb des Kunststoffkörpers angeordnet ist, insbesondere wobei das Leistungsmodul durch eine Ausnehmung des Kunststoffkörpers hindurchragt.
11. Gerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kunststoff körper Ausnehmungen für auf der Leiterplatte bestückte Bauteile,
insbesondere für große Bauteile, aufweist und/oder dass der Kunststoffkörper, insbesondere der zweite Teilkörper, eine weitere Ausnehmung aufweist, die eine Luftverbindung zwischen einem Wärme erzeugenden, auf der Leiterplatte bestückten Bauelement und einem Oberflächenteilbereich der Kühlplatte ist, insbesondere zur konvektiven Ableitung von Wärme mittels der Luftverbindung an die Kühlplatte. für auf der Leiterplatte bestückte Bauteile, insbesondere für große Bauteile, aufweist.
12. Gerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine erste Seite der Leiterplatte oder zumindest ein Teilbereich dieser Seite bedeckt, insbesondere lückenlos bedeckt, ist von dem Kunststoff körper, insbesondere von dessen erstem Teilkörper, und die andere Seite der Leiterplatte zumindest teilweise bedeckt ist von dem Kunststoffkörper, insbesondere von dessen zweitem Teilkörper, insbesondere wobei der zweite Teilkörper ringförmig ausgebildet ist.
13. Gerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse des Geräts ein topfförmiges Gehäuseteil aufweist, das von einem Deckelteil verschlossen ist, insbesondere wobei an der Innenwandung des topfförmigen Gehäuseteils eine Kontaktfläche zur Wärmeeinleitung von der Kühlplatte ans Gehäuse angeordnet ist.
14. Gerät nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen Deckelteil und Gehäuseteil Kabeldurchführungen angeordnet sind, insbesondere für Versorgungsleitungen, einen Verbraucher speisenden Leitungen und Datenbusleitungen.
15. Verfahren zum Herstellen eines Elektrischen Geräts, insbesondere nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Gerät eine zumindest mit einem Leistungsmodul und weiteren Bauteilen bestückte Leiterplatte aufweist, insbesondere wobei die Bauteile und das Leistungsmodul somit auf der Leiterplatte befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass (i) in einem Verfahrensschritt die Leiterplatte zumindest teilweise mit einem Kunststoffkörper umschlossen wird, insbesondere
- mit Kunststoff zumindest teilweise umspritzt wird zur Bildung des Kunststoffkörpers
- oder zwischen mindestens zwei Teilkörper des zumindest zweistückig
ausgebildeten Kunststoffkörpers eingelegt wird, wobei die Teilkörper nach dem Einlegen miteinander verbunden werden, insbesondere formschlüssig und/oder mittels Verrastung,
(ii) in einem nachfolgenden Verfahrensschritt eine Kühlplatte mit dem Leistungsmodul verbunden, insbesondere schraubverbunden, wird,
(iii) in einem weiter nachfolgenden Verfahrensschritt die Leiterplatte samt Kühlplatte und Kunststoffkörper in ein topfförmiges Gehäuseteil eingeschoben wird und die Kühlplatte an einer Kontaktfläche der Innenwandung des Gehäuseteils angedrückt wird, insbesondere wärmeleitend verbunden wird.
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