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Patent Searching and Data


Title:
DRIVE SYSTEM HAVING A CONVERTER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/019429
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a drive system having a converter, comprising an inverter for feeding an electric motor and comprising a mains-fed rectifier, the direct-voltage-side connection of which provides an intermediate circuit voltage for supplying the inverter, wherein the direct-voltage-side connection of the rectifier is connected to the direct-voltage-side connection of the inverter by means of a multi-layer circuit board.

Inventors:
MARAHRENS KLAUS (DE)
Application Number:
PCT/EP2017/025189
Publication Date:
February 01, 2018
Filing Date:
June 29, 2017
Export Citation:
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Assignee:
SEW EURODRIVE GMBH & CO KG (DE)
International Classes:
H02M5/44; H02M7/00; H05K1/00
Foreign References:
US20050174820A12005-08-11
DE102014004800A12015-10-08
DE102012014011A12013-02-07
Other References:
None
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Claims:
Patentansprüche:

1 . Antriebssystem mit Umrichter, aufweisend einen Wechselrichter zur Speisung eines Elektromotors und

einen netzgespeisten Gleichrichter, dessen gleichspannungsseitiger Anschluss eine

Zwischenkreisspannung zur Versorgung des Wechselrichters zur Verfügung stellt, dadurch gekennzeichnet, dass der gleichspannungsseitige Anschluss des Gleichrichters mit dem gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters mittels einer mehrlagigen Leiterplatte verbunden ist.

2. Antriebssystem nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

Leiterbahnen direkt benachbarter Lagen der Leiterplatte unterschiedliches Potential aufweisen, insbesondere jeweils das obere oder das untere Potential der am gleichspannungsseitigen Anschluss vorhandenen Gleichspannung. 3. Antriebssystem nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Schichtdicke der Leiterbahnen jeweils zwischen 70μηι und 200 μηη betragen.

4. Antriebssystem nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

direkt benachbarte Lagen zueinander einen Abstand aufweisen, welcher zwischen 150μηι und 400μηι beträgt, insbesondere zwischen Ι δθμηη und 220 μηη.

5. Antriebssystem nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

ein Bauteil, insbesondere ein Kondensator, auf der Leiterplatte angeordnet ist, wobei die Anschlussdrähte des Bauteils jeweils in einer ersten Durchkontaktierung angeordnet sind.

6. Antriebssystem nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Leiterplatte weitere Durchkontaktierungen aufweist, welche zu einer ersten

Durchkontaktierung jeweils denselben Abstand aufweisen, insbesondere wobei der lichte Durchmesser der ersten Durchkontaktierung größer ist als der lichte Durchmesser der jeweiligen weiteren Durchkontaktierung, insbesondere wobei die weiteren Durchkontaktierungen parallel ausgerichtet sind zur ersten Durchkontaktierung,

7. Antriebssystem nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die weiteren Durchkontaktierungen in Umfangsrichtung, insbesondere bezogen auf die Mittelachse der ersten Durchkontaktierung, regelmäßig voneinander beabstandet sind. 8. Antriebssystem nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

der lichte Durchmesser der weiteren Durchkontaktierungen jeweils kleiner ist als der

Durchmesser des in die erste Durchkontaktierung eingeführten Anschlussdrahts des Bauteils. 9. Antriebssystem nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die metallisierte Wandung der ersten Durchkontaktierung in denjenigen Lagen mit

Leiterbahnen der Leiterplatte verbunden ist, mit welchen auch die, insbesondere von der ersten Durchkontaktierung gleichmäßig beabstandeten, weiteren Durchkontaktierungen mit insbesondere diesen Leiterbahnen der Leiterplatte verbunden ist.

10. Antriebssystem nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die mehrlagige Leiterplatte zwischen fünf und einundzwanzig Lagen aufweist.

Description:
Antriebssystem mit Umrichter

Beschreibung: Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem mit Umrichter.

Es ist allgemein bekannt, dass bei einem Antriebssystem ein Elektromotor von einem

Umrichter speisbar ist, so dass die Drehzahl des Elektromotors regelbar ist. Bei hohen elektrischen Leistungen und somit starken Strömen werden Stromschienen zur Stromführung verwendet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem weiterzubilden, wobei eine einfache Herstellung in kostengünstiger Weise und stabiler und kompakter Art erfolgen soll.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Antriebssystem nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Antriebssystem sind, dass es als Antriebssystem mit Umrichter vorgesehen ist, aufweisend einen Wechselrichter zur Speisung eines Elektromotors und

einen netzgespeisten Gleichrichter, dessen gleichspannungsseitiger Anschluss eine

Zwischenkreisspannung zur Versorgung des Wechselrichters zur Verfügung stellt, wobei der gleichspannungsseitige Anschluss des Gleichrichters mit dem

gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters mittels einer mehrlagigen Leiterplatte verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein einfach herstellbares und kostengünstiges Verbindungsmittel, das auch sehr kompakt ausführbar ist, verwendbar ist. Außerdem ist die Leiterplatte als Verbundteil hergestellt und somit stabiler, insbesondere also weniger zu mechanischen Schwingungen neigend, ausgeführt als ein aus Stromschienen mit zwischengeordneter Isolierfolie. Dabei wird erfindungsgemäß eine mehrlagige Leiterplatte verwendet, also eine Multilayer- Leiterplatte. Diese weist nicht nur an ihrer Oberfläche beidseitig eine Lage mit Leiterbahnen auf sondern sie weist auch zwischengeordnete Lagen, also Zwischenlagen, auf. Somit sind niederinduktive Verbindungen ermöglicht. Denn direkt benachbarte, also nächstbenachbarte Lagen können unterschiedliches Potential mit entgegengesetzt gerichteten aber

betragsgleichen Strömen aufweisen. Die Leiterplatte fungiert somit als niederinduktives Stromführungsmittel. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen Leiterbahnen direkt benachbarter Lagen der Leiterplatte unterschiedliches Potential auf, insbesondere jeweils das obere oder das untere Potential der am gleichspannungsseitigen Anschluss vorhandenen Gleichspannung. Von Vorteil ist dabei, dass der Zwischenkreis des Umrichters in der Leiterplatte führbar ist. Somit sind in direkt benachbarten Lagen

betragsgleiche, aber unterschiedlich, insbesondere entgegengesetzt, gerichtete Ströme leitbar mit niedriger Leitungsinduktivität aber hoher Leitungskapazität. Denn die plattenförmigen Leiterbahnen sind nur gering voneinander beabstandet und mit unterschiedlichem Potential beaufschlagt und bilden daher einen Kondensator. Dieser wirkt dämpfend auf elektrisch sich ansonsten aufbauenden Schwingungen. .

Wichtig ist dabei, dass mehrere Lagen gleiches Potential führen, insbesondere also mehr als zwei. Auf diese Weise fließt in jeder Lage nur ein entsprechender Anteil des Gesamtstromes und die Leitungsinduktivität ist durch die flache Ausführung der zueinander parallelen und eng voneinander beabstandeten Lagen gering.

Vorteiligerweise führen mehr als drei Lagen ein erstes Potential und drei weitere ein anderes Potential. Wenn die Lagen mit verschiedenem Potential sich einander abwechseln, insbesondere in Normalenrichtung zur Leiterplattenebene, ist eine besonders niedrige

Leitungsinduktivität bei ausreichend hoher Leitungskapazität erreichbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung betragen die Schichtdicke der Leiterbahnen jeweils zwischen 70μηι und 200 μηη. Von Vorteil ist dabei, dass eine hohe Stromstärke durchleitbar ist. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen direkt benachbarte Lagen zueinander einen Abstand auf, welcher zwischen 150μηΊ und 400μηΊ beträgt, insbesondere zwischen 180μηι und 350 μηι. Von Vorteil ist dabei, dass hohe Spannungen, beispielsweise 1000 Volt, zwischen den nächstbenachbarten Lagen erlaubt sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Bauteil, insbesondere ein Kondensator, auf der Leiterplatte angeordnet, wobei die Anschlussdrähte des Bauteils jeweils in einer ersten Durchkontaktierung angeordnet sind. Von Vorteil ist dabei, dass eine Zwischenkreiskapazität auf der Leiterplatte bestückbar ist. Somit wird von der Leiterplatte trotz ihrer ungewöhnlich dicken Schichtdicken auch ein Bauteil getragen und die Spannung glättbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Leiterplatte weitere Durchkontaktierungen auf, welche zu einer ersten Durchkontaktierung jeweils denselben Abstand aufweisen, insbesondere wobei der lichte Durchmesser der ersten Durchkontaktierung größer ist als der lichte Durchmesser der jeweiligen weiteren Durchkontaktierung, insbesondere wobei die weiteren Durchkontaktierungen parallel ausgerichtet sind zur ersten Durchkontaktierung. Von Vorteil ist dabei, dass beim Löten Lötzinn nicht nur in der ersten Durchkontaktierung sondern auch in den weiteren Durchkontaktierungen aufsteigt und somit Wärme einträgt. Dabei fließt die eingetragene Wärme für einen gewissen Zeitabschnitt zur ersten Durchkontaktierung hin, solange dort noch eine Temperatur besteht, welche geringer ist die der Wandungen der weiteren Durchkontaktierungen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die weiteren Durchkontaktierungen in

Umfangsrichtung, insbesondere bezogen auf die Mittelachse der ersten Durchkontaktierung, regelmäßig voneinander beabstandet. Von Vorteil ist dabei, dass die Wärme aus allen

Richtungen gleichmäßig einströmt zur ersten Durchkontaktierung hin.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der lichte Durchmesser der weiteren

Durchkontaktierungen jeweils kleiner als der Durchmesser des in die erste Durchkontaktierung eingeführten Anschlussdrahts des Bauteils. Von Vorteil ist dabei, dass die kleinen

Durchmesser der weiteren Kontaktierungen zwar das Aufsteigen von Lötzinn ermöglichen, nicht aber das Einführen eines Anschlussdrahtes des Bauteils. Somit ist auch die Sicherheit beim Herstellen erhöht sowie die Herstellung einfach ausführbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die metallisierte Wandung der ersten

Durchkontaktierung in denjenigen Lagen mit Leiterbahnen der Leiterplatte verbunden, mit welchen auch die, insbesondere von der ersten Durchkontaktierung gleichmäßig

beabstandeten, weiteren Durchkontaktierungen mit insbesondere diesen Leiterbahnen der Leiterplatte verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass die vom Lötzinn eingetragene möglichst direkt zur metallisierten Wandung der ersten Durchkontaktierung gelangt.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die mehrlagige Leiterplatte zwischen fünf und einundzwanzig Lagen auf. Von Vorteil ist dabei, dass somit viele Lagen ein erstes oder zweites Potential führen. 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 Abbildungen näher erläutert:

In der Figur 1 ist eine Draufsicht auf eine mehrlagige Leiterplatte einer erfindungsgemäßen Anordnung gezeigt, wobei eine erste Durchkontaktierung 5 zur Verbesserung der an ihr zu bewirkenden Lötverbindung von weiteren, insbesondere parallel ausgerichteten

Durchkontaktierungen 6 umgeben ist.

In der Figur 2 ist eine zugehörige Schnittansicht gezeigt längs eines Stegs 2. Wie in den Figuren gezeigt, weist die Anordnung die mehrlagige Leiterplatte, also Multilayer- Leiterplatte, auf, um als niederinduktive Zwischenkreisverbindung zu fungieren.

Somit ist die Anordnung in einem Umrichter vorsehbar, welcher einen netzgespeisten

Gleichrichter aufweist, dessen gleichspannungsseitiger Anschluss eine

Zwischenkreisspannung zur Versorgung eines Wechselrichters zur Verfügung stellt, welcher einen Elektromotor speist. Dieser Motor ist somit drehzahlregelbar.

Dabei ist der gleichspannungsseitige Anschluss des Gleichrichters mit dem

gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters verbunden.

Zur Verbindung dieser Komponenten ist die mehrlagige Leiterplatte vorgesehen.

Diese mehrlagige Leiterplatte weist mehrere parallele Lagen auf, deren Leiterbahnen aus Kupferhaltigem Material aufgebaut sind und eine Schichtdicke zwischen 70μηι und 350 μηη aufweisen.

Zwischen den parallel zueinander ausgerichteten Lagen ist Isoliermaterial angeordnet, wobei zwischen nächstbenachbarten Lagen, insbesondere also direkt benachbarten Lagen,

Spannungen von bis zu 1000 Volt auftreten. Das Isoliermaterial weist eine entsprechende Isolationsfestigkeit auf.

Die nächstbenachbarten Lagen der Leiterplatte weisen jeweils unterschiedliches Potential auf. Insbesondere weist die erste Lage ein oberes Zwischenkreispotential auf, wenn die

nächstbenachbarte Lage ein unteres Zwischenkreispotential aufweist. Vorzugsweise sind die Lagen 300 μηι voneinander beabstandet. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist ein Abstand zwischen 150μηι und 400μηι vorteilhaft. Wie in der Figur 2 gezeigt, weist, die Leiterplatte sechs Lagen auf. In anderen

Ausführungsbeispielen beträgt die Anzahl der Lagen zwischen sechs und vierzehn Lagen. Die Gesamtstärke der Leiterplatte beträgt beispielhaft 3mm, insbesondere zwischen etwa 1 ,5mm und 5mm. Zur Glättung der Zwischenkreisspannung ist zumindest ein Kondensator auf der Leiterplatte bestückt. Hierzu sind die Anschlussdrähte des Kondensators in eine erste Durchkontaktierung 5 eingeführt. Dabei ist die Durchkontaktierung 5 als zylindrische Ausnehmung ausgeführt, welche senkrecht ausgerichtet ist zur Leiterplattenebene. Die Wandung der Durchkontaktierung 5 ist mit Kupfer überzogen.

Die Leiterbahnen mehrerer Lagen der mehrlagigen Leiterplatte berühren diese metallisierte Wandung. Die zwischen diesen Lagen angeordneten Leiterbahnen sind von der metallisierten Wandung beabstandet.

Um die erste Durchkontaktierung 5 herum sind weitere Durchkontaktierungen 6 angeordnet. Diese weiteren Durchkontaktierungen 6 sind vorzugsweise gleichmäßig voneinander beabstandet und weisen jeweils den selben Abstand zur ersten Durchkontaktierung 5 auf.

Die weiteren Durchkontaktierungen 6 sind parallel ausgerichtet zur ersten Durchkontaktierung 5 und weisen ebenfalls eine metallisierte Wandung auf, wobei sie mit denselben Leiterbahnen in elektrischem Kontakt stehen wie auch die erste Durchkontaktierung 5.

In Draufsicht auf die Leiterplatte erscheint das Lochbild der weiteren Durchkontaktierungen 6 kreisförmig. Somit sind also die Mittelpunkte der weiteren Durchkontaktierungen 6 auf einem Kreis angeordnet. Dabei durchdringen die Durchkontaktierung 6 jeweils einen Kreisring mit einer Ringbreite in radialer Richtung, welche betragsmäßig größer ist als der jeweilige Durchmesser der weitere Durchkontaktierungen 6. Der Abstand der weiteren Durchkontaktierungen 6 von der ersten Durchkontaktierung 5 ist derart klein, dass beim Eintauchen in ein Lötbad das in den weiteren und der ersten

Durchkontaktierung ((5, 6) aufsteigende Lötzinn die zentrale, also mittig im Kreis angeordnete erste Durchkontaktierung 5 erwärmt. Insbesondere fließt die in der weiteren

Durchkontaktierung 6 aufgenommene Wärme über die Wandung der weiteren

Durchkontaktierungen 6 zu allen Leiterbahnen, welche mit der Wandung der jeweiligen weiteren Durchkontaktierung 6 elektrisch und somit wärmeleitend verbunden sind. Von diesen Leiterbahnen 20 wird die Wärme zu der Wandung der ersten Durchkontaktierung 5 mittels der Leiterbahnen 20 hindurchgeführt. Auf diese Weise fließt weniger Wärme ab sondern es wird zusätzlich zum in den zwischen dem Anschlussbeinchen des Kondensators angeordneten Hohlraum einfließenden Lötzinn und der von diesem transportierten Wärme auch Wärme über die Leiterbahnen 20 von den Wandungen der weiteren Durchkontaktierungen 5 zugeführt. Außerdem wird das Abfließen von Wärme auch in den Leiterbahnen 20 vermindert, indem diese in einer jeweiligen Leiterplattenebene jeweils nur vier, wiederum in Umfangsrichtung nur gleichmäßig beabstandete Stege aufweist. Dabei ist jeder der

Stege in Umfangsrichtung sind weniger als ein Fünftel der Ringbreite des Kreisrings ausgedehnt.

Auf jeden Fall ist der jeweilige Steg derart dünn, dass die beim Durchfahren eines Lötbades kontaktierende Menge an Lötzinn, welche auf dem Kreisring und den dort angeordneten Durchkontaktierungen (5, 6) berührend Wärme an die metallischen Bereiche der Leiterplatte abgibt, ausreicht, um eine genügend hohe Temperatur zu erzeugen, damit eine ausreichend gute Lötverbindung entsteht. Hierzu wirken die Stege für den Wärmeabfluss verhindernd. Somit ist die vom Lötbad an den Kreisring und die dort angeordneten Durchkontaktierungen (5, 6) übertragene Wärme ausreichend, um eine genügend hohe Temperatur zu erreichen. Außerdem bewirken die weiteren Durchkontaktierungen 6, dass das Lötzinn in ihnen aufsteigt und somit die erste Durchkontaktierung 5 von den sie radial umgebenden

Durchkontaktierungen erwärmt wird oder zumindest ein Wärmeabfluss von der ersten Durchkontaktierung 5 weg verhindert oder zumindest geschwächt wird. Daher ist in der ersten Durchkontaktierung 5 beim Löten für eine ausreichend lange Zeitdauer eine genügend hohe Temperatur erreichbar, auch wenn der in der ersten Durchkontaktierung 5 eingeführte Anschlussdraht des Kondensators Wärme ableitet.

Durch die Leiterbahnen 20, welche die metallische Wandung der ersten Durchkontaktierung 5 mit der metallischen Wandung der jeweiligen weiteren Durchkontaktierungen 6 verbinden, ist eine sehr gute Wärmeanbindung der weiteren Durchkontaktierungen 6 an die erste

Durchkontaktierung 5 erreichbar.

Der lichte Durchmesser der ersten Durchkontaktierung 5 ist größer als der jeweilige lichte Durchmesser der weiteren Durchkontaktierungen 6.

Bezugszeichenliste

1 Leiterbahn für oberes Zwischenkreispotential in einer äußeren Lage der Multilayer- Leiterplatte

2 Steg

3 Isoliermaterial, insbesondere GFK Material

4 Ringbereich für Kontaktierung von Lötzinn

5 erste Durchkontaktierung zur Aufnahme von Anschlussfahne oder Anschlussbeinchen eines Kondensators.

6 weitere Durchkontaktierung

20 Leiterbahn für oberes Zwischenkreispotential in einer Zwischenlage der Multilayer- Leiterplatte

21 Leiterbahn für oberes Zwischenkreispotential in einer weiteren Zwischenlage der Multilayer- Leiterplatte

22 Leiterbahn für unteres Zwischenkreispotential in einer anderen Zwischenlage der

Multilayer-Leiterplatte