Modulare Backplaneanordnung

Die Erfindung betrifft einen Backplanemodulsatz zum elektri schen Verbinden elektrischer Bauelemente, eine Backplanean ordnung und einen Schaltschrank .

Unter einer Backplane wird hier ein Träger für elektrische Bauelemente verstanden, der elektrische Leitungen zum

elektrischen Verbinden der elektrischen Bauelemente aufweist. Derartige elektrische Bauelemente sind beispielsweise Nieder- spannungsschaltgeräte wie Schütze, Motorschutzschalter, Mo torstarter, Sanftstarter oder Relais, oder Steuerungseinhei ten oder Eingabe-/Ausgabeeinheiten . In einem Schaltschrank werden elektrische Bauelemente einer technischen Vorrichtung oder Anlage angeordnet. In herkömmlichen Schaltschränken wer den elektrische Bauelemente in der Regel durch Kabel

elektrisch miteinander verbunden. Bei einer Vielzahl elektri scher Bauelemente entsteht dabei ein hoher Verkabelungsauf wand .

DE 10 2016 002 052 Al (Liebherr-Components Biberach GmbH) 22.06.2017 offenbart einen Schaltschrank und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Der Schaltschrank weist zumindest eine Schalttafel mit einer Grundplatte auf, auf der elektrische Schaltelemente angeordnet und miteinander elektrisch verbun den sind. Die zumindest eine Grundplatte und/oder zumindest eines der Schaltelemente wird mittels eines 3D-Druckers in einem 3D-Druckverfahren hergestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere hinsichtlich ihrer funktionellen und räumlichen Anpassbarkeit verbesserte Backplaneanordnung, insbesondere für einen

Schaltschrank, ein Verfahren zu deren Herstellung und einen verbesserten Schaltschrank anzugeben. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Backplanemodul satz mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12, eine Backplaneanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und einen Schaltschrank mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein erfindungsgemäßer Backplanemodulsatz zum elektrischen Verbinden elektrischer Bauelemente umfasst mehrere miteinan der verbindbare Backplanes.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens zwei Backplanes voneinander verschiedene elektrische Leitun gen und/oder elektrische Bauelemente aufweisen.

Die Erfindung ermöglicht es, Backplaneanordnungen modular aus mehreren, insbesondere aus voneinander verschiedenen Backpla nes eines Backplanemodulsatzes zusammenzusetzen. Dadurch kann eine Backplaneanordnung flexibel künden- und anwendungsspezi fischen Anforderungen angepasst werden. Außerdem kann eine Backplaneanordnung erforderlichenfalls in einfacher Weise er weitert oder geändert werden, indem eine oder mehrere Back planes hinzugefügt und/oder durch eine oder mehrere andere Backplanes ersetzt werden. Ferner braucht in einem Fehlerfall nicht unbedingt die gesamte Backplaneanordnung ausgetauscht werden, sondern es genügt unter Umständen, eine oder mehrere defekte Backplanes auszutauschen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass we nigstens eine Backplane mit mehreren anderen Backplanes ver bindbar ist. Diese Ausgestaltung der Erfindung erhöht vor teilhaft die Gestaltungsmöglichkeiten von Backplaneanordnun gen gegenüber dem Fall, dass jede Backplane des Backplanemo dulsatzes mit nur einer anderen Backplane verbindbar ist. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass wenigs tens zwei Backplanes derart miteinander verbindbar sind, dass die beiden miteinander verbundenen Backplanes parallel zuei nander angeordnet sind, und/oder dass wenigstens zwei Back planes derart miteinander verbindbar sind, dass die beiden miteinander verbundenen Backplanes in einem von Null Grad verschiedenen Winkel, insbesondere orthogonal zueinander an geordnet sind. Dabei ist der Winkel zwischen zwei Backplanes als ein Winkel zwischen den Normalenvektoren von vorder- oder rückseitigen Oberflächen der beiden Backplanes definiert. Diese Ausgestaltungen der Erfindung ermöglichen, Backplanes des Backplanemodulsatzes zu zwei- und/oder dreidimensionalen Backplaneanordnungen zusammenzusetzen. Dadurch kann eine Backplaneanordnung insbesondere einem in einem Schaltschrank verfügbaren Bauraum flexibel angepasst werden. Eine Anordnung von Backplanes in einem von Null Grad verschiedenen Winkel ermöglicht außerdem eine besonders platzsparende Nutzung des verfügbaren Bauraums durch einen dreidimensionalen Aufbau der Backplaneanordnung .

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass we nigstens zwei Backplanes miteinander elektrisch verbindbare Schnittstellen aufweisen. Beispielsweise bilden wenigstens zwei miteinander elektrisch verbindbare Schnittstellen eine Steckerverbindung, Kabelverbindung, Folienleiterverbindung, Schraubverbindung, Federzugverbindung, Lötverbindung oder Schweißverbindung. Ferner können wenigstens zwei Backplanes Schnittstellen aufweisen, die durch das Verbinden der beiden Backplanes miteinander elektrisch verbunden werden, und/oder wenigstens zwei Backplanes können Schnittstellen aufweisen, die unabhängig von dem Verbinden der beiden Backplanes mitei nander elektrisch verbindbar sind. Elektrisch verbindbare Schnittstellen von Backplanes ermöglichen, die elektrischen Leitungen und elektrischen Bauelemente der Backplanes

elektrisch zu verbinden. Schnittstellen, die durch das Ver binden der beiden Backplanes miteinander elektrisch verbunden werden, erleichtern die Montage einer Backplaneanordnung. Schnittstellen, die unabhängig von dem Verbinden der beiden Backplanes miteinander elektrisch verbindbar sind, beispiels weise Kabelverbindungen oder Folienleiterverbindungen, haben dagegen den Vorteil, dass die durch sie realisierten elektri schen Verbindungen unterbrechbar sind, ohne die Backplanes voneinander zu lösen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass we nigstens eine Backplane eine Sendeeinheit zum Senden und/oder eine Empfangseinheit zum Empfangen elektromagnetischer Strah lung zur drahtlosen Kommunikation und/oder Energieversorgung aufweist. Insbesondere kann wenigstens eine Backplane eine Sendeeinheit zum Senden und/oder eine Empfangseinheit zum Empfangen von Funkwellen, oder/und eine Sendeeinheit zum Sen den und/oder eine Empfangseinheit zum Empfangen von Licht aufweisen. Diese Ausgestaltung ermöglicht insbesondere, dass Backplanes drahtlos miteinander kommunizieren und/oder draht los mit Energie versorgt werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine der Backplanes dazu ausgebildet ist, wenigstens eine Grund funktion für einen Hauptstromkreis und/oder einen Steuer stromkreis, insbesondere eine Stromversorgung und/oder eine Spannungsversorgung und/oder eine Kommunikation zwischen elektrischen Bauelementen, bereitzustellen. Diese Ausgestal tung der Erfindung berücksichtigt, dass beispielsweise in Schaltschränken bestimmte Grundfunktionen nahezu immer erfor derlich sind. Derartige Grundfunktionen sind beispielsweise neben einer Strom- und/oder Spannungsversorgung eine Kommuni kation mit einer übergeordneten Kommunikationseinheit

und/oder zwischen elektrischen Bauelementen, zentrale Erfas- sungsmodule für Strom, Spannung und/oder Leistung und zentra le Steuer- und/oder Schalteinheiten zum Zu- und Abschalten von Modulen. Deshalb ist es vorteilhaft, derartige Grundfunk tionen auf einer Backplane des Backplanemodulsatzes bereitzu stellen. Auf den weiteren Backplanes des Backplanemodulsatzes werden dann vorzugsweise anwendungsspezifische Spezialfunkti onen bereitgestellt. Auf diese Weise kann eine Backplanean ordnung einer bestimmten Anwendung durch eine anwendungsspe- zifische Erweiterung der die Grundfunktionen bereitstellenden Backplane um weitere Backplanes angepasst werden. Insbesonde re kann eine Backplane als eine Grundfunktion eine Masterkom munikationseinheit aufweisen, und die anderen Backplanes kön nen jeweils eine dazu korrespondierende Slavekommunikations einheit aufweisen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Backplanemodulsatz wenigstens eine als „Grundbackplane" be- zeichnete Backplane umfasst, welche eine Grundfunktion für einen Hauptstromkreis und/oder Steuerstromkreis, insbesondere eine Stromversorgung und/oder eine Spannungsversorgung und/oder eine Kommunikation zwischen elektrischen Bauelemen ten, bereitstellt, und wenigstens eine als „Funktionsbackpla ne" bezeichnete Backplane umfasst, welche eine anwendungs und/oder kundenspezifische Funktion bereitstellt .

Ein Kennzeichen einer sog. Grundbackplane ist, dass sie die jenigen Funktionselemente vereint, die häufig in einem

Schaltschrank vorhanden sind und daher eine hohe Wiederholra te haben, was bedeutet, dass die Grundbackplane mit einem für hohe Stückzahlen geeigneten Herstellungsverfahren hergestellt wird. Dabei kann die Grundbackplane auch additiv gefertigt werden. Die Bezeichnung „Grund-Backplane" leitet sich von der Tatsache her, dass diese Backplane eine oder mehrere Grund- Funktionen erbringt.

An die Grundbackplane schließen sich die sog. Funktionsback planes in modularer Weise an, die aufgrund künden- und/oder applikationsspezifischer Anforderungen in einer im Vergleich zu den Grundbackplanes relativ geringen Stückzahl bereitge stellt werden müssen und somit vorzugsweise auf Basis additi ver Fertigungsverfahren, insbesondere einem 3D-Druck, herge stellt werden. Die Funktionsbackplanes sind so ausgestaltet, dass auch eine Kombination bzw. Verbindung einzelner Funkti onsbackplanes möglich ist. Die Bezeichnung „Funktions- Backplane" leitet sich von der Tatsache her, dass diese Back- plane eine oder mehrere künden- und/oder applikationsspezifi sche Funktionen erbringt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines er findungsgemäßen Backplanemodulsatzes wird wenigstens eine Backplane wenigstens teilweise mit einem additiven Ferti gungsverfahren, beispielsweise mit einem 3D-Druck, gefertigt.

Unter einem 3D-Druck wird ein Verfahren verstanden, bei dem ein dreidimensionales Objekt durch computergesteuertes schichtweises Aufträgen von Material hergestellt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zielt insbesondere darauf, Backplanes, die anwendungsspezifische Spezialfunktionen be reitstellen, additiv zu fertigen. Derartige Backplanes werden typischerweise als Einzelstücke oder in einer geringen Stück zahl benötigt und werden daher zweckmäßigerweise wenigstens teilweise mit einem additiven Fertigungsverfahren wie mit ei nem 3D-Druck gefertigt.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass wenigstens eine Backplane, welche eine Grundfunkti on für einen Hauptstromkreis und/oder Steuerstromkreis, ins besondere eine Stromversorgung und/oder eine Spannungsversor gung und/oder eine Kommunikation zwischen elektrischen Bau elementen, bereitstellt, wenigstens teilweise mit einem für hohe Stückzahlen geeigneten Herstellungsverfahren hergestellt wird und wobei wenigstens eine Backplane, welche eine anwen- dungs- und/oder kundenspezifische Funktion bereitstellt, we nigstens teilweise mit einem 3D-Druck gefertigt wird. Dieses differenzierte Herstellungsverfahren eines Backplanemodulsat zes ist eine vorteilhafte Lösung angesichts der Tatsache, dass es sinnvoll sein kann, Teilfunktionen der Backplane, die in relativ großer Häufigkeit in Schaltschränken Verwendung finden, unter Großserienbedingungen kostengünstig vorzuferti gen und mit kundenspezifischen Teilfunktionen der Backplane, die in geringer Stückzahl mit Hilfe additiver Fertigungsver fahren wie einem 3D-Druck hergestellt werden, zu kombinieren. Eine erfindungsgemäße Backplaneanordnung zum elektrischen Verbinden elektrischer Bauelemente ist aus miteinander ver bundenen Backplanes eines erfindungsgemäßen Backplanemodul satzes zusammengesetzt. Ein erfindungsgemäßer Schaltschrank weist eine erfindungsgemäße Backplaneanordnung auf. Die Ver wendung einer erfindungsgemäßen Backplaneanordung in einem Schaltschrank reduziert vorteilhaft den Aufwand und die Kos ten zum elektrischen Verbinden elektrischer Bauelemente in dem Schaltschrank gegenüber dem herkömmlichen Verbinden elektrischer Bauelemente durch Kabel. Weitere Vorteile einer erfindungsgemäßen Backplaneanordnung und eines erfindungsge mäßen Schaltschranks ergeben sich aus den oben genannten Vor teilen eines erfindungsgemäßen Backplanemodulsatzes.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbei spielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert werden. Dabei zeigen:

FIG 1 eine Draufsicht auf eine Backplane eines Back

planemodulsatzes,

FIG 2 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer Backplaneanordnung,

FIG 3 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Aus führungsbeispiels einer Backplaneanordnung,

FIG 4 einen Schaltschrank mit einem dritten Ausführungs beispiel einer Backplaneanordnung.

Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit densel ben Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Backplane 1 eines Backplanemodulsatzes. Die Backplane 1 weist elektrische Lei- tungen 12, elektrische Bauelemente 14 und Schnittstellen 16, 17 auf.

Die elektrischen Bauelemente 14 sind in einem Mittelbe reich 18 der Backplane 1 angeordnet. Die Schnittstellen 16,

17 sind seitlich in einem um den Mittelbereich 18 herum ver laufenden Randbereich 20 der Backplane 1 angeordnet. Die Schnittstellen 16, 17 sind dazu ausgebildet, die Backplane 1 mechanisch und elektrisch mit anderen Backplanes 2, 3 (siehe Figur 2) des Backplanemodulsatzes zu verbinden. Beispielswei se weisen erste Schnittstellen 16 jeweils einen Einbaustecker auf und zweite Schnittstellen 17 weisen jeweils eine zu einem Einbaustecker einer ersten Schnittstelle 16 korrespondierende Buchse auf. Der Randbereich 20 weist eine rechteckige Kontur auf. An jeder Seite der Kontur ist eine Schnittstelle 16, 17 angeordnet, wobei sich jeweils eine erste Schnittstelle 16 und eine zweite Schnittstelle 17 gegenüberliegen. Die

elektrischen Leitungen 12 verbinden elektrische Bauelemen te 14 und Schnittstellen 16, 17.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbei spiel einer Backplaneanordnung 10. Die Backplaneanordnung 10 weist drei Backplanes 1 bis 3 eines Backplanemodulsatzes auf, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Backplanes 1 bis 3 weisen wie in Figur 1 ausgeführte und angeordnete Schnitt stellen 16, 17 auf, die jeweils seitlich an einer Backplane 1 bis 3 angeordnet sind. Eine erste Backplane 1 ist mit einer zweiten Backplane 2 und mit der dritten Backplane 3 verbun den, wobei eine erste Schnittstelle 16 der ersten Backplane 1 mit einer zweiten Schnittstelle 17 der zweiten Backplane 2 verbunden ist und eine zweite Schnittstelle 17 der ersten Backplane 1 mit einer ersten Schnittstelle 16 der dritten Backplane 3 verbunden ist.

Die Backplanes 1 bis 3 unterscheiden sich voneinander hin sichtlich ihrer elektrischen Leitungen 12 und elektrischen Bauelemente 14. Beispielsweise weist eine erste Backplane 1 elektrische Leitungen 12 und elektrische Bauelemente 14 auf, die Standardfunktionen eines Schaltschranks 30 erfüllen, bei spielsweise wenigstens eine Grundfunktion, insbesondere eine Stromversorgung und/oder eine Spannungsversorgung und/oder eine Kommunikation zwischen elektrischen Bauelementen 14, für einen Hauptstromkreis und/oder einen Steuerstromkreis. Die erste Backplane 1 kann daher in einer großen Stückzahl herge stellt werden. Die anderen Backplanes 2, 3 weisen beispiels weise elektrische Leitungen 12 und elektrische Bauelemente 14 auf, die anwendungsspezifische Spezialfunktionen erfüllen. Diese Backplanes 2, 3 werden daher als Einzelstücke oder in einer geringen Stückzahl hergestellt und vorzugsweise wenigs tens teilweise mit einem additiven Fertigungsverfahren, bei spielsweise mit einem 3D-Druck, gefertigt. Es kann zudem vor gesehen sein, auch die erste Backplane 1 wenigstens teilweise mit einem additiven Fertigungsverfahren, beispielsweise mit einem 3D-Druck, herzustellen.

Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Backplaneanord nung 10, die aus Backplanes 4 bis 7 zusammengesetzt ist, die nicht nur parallel, sondern auch auch in einem von Null Grad verschiedenen Winkel , insbesondere orthogonal, das heißt in einem Winkel von 90 Grad, zueinander angeordnet werden kön nen. Dazu weist wenigstens eine Backplane 4 Schnittstellen 16, 17 auf, die auf einer Vorderseite 22 der Backplane 4, beispielsweise in einem Mittelbereich 18 (siehe Figur 1) der Backplane 4, angeordnet sind. In dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind an einer ersten Backplane 4 eine zweite Backplane 5 und eine dritte Backplane 6 in einem von Null Grad verschiedenen Winkel zu der ersten Backplane 4 angeordnet, und an der dritten Backplane 6 ist eine vierte Backplane 7 parallel zu der dritten Backplane 6 angeordnet.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass jede Backplane 4 bis 7 eines Backplanemodulsatzes sowohl wie in Figur 1 seitlich an der Backplane 4 bis 7 angeordnete Schnittstellen 16, 17 als auch auf der Vorderseite 22 und der Rückseite 23 der Backplane 4 angeordnete Schnittstellen 16, 17 aufweist. Durch in einem von Null Grad verschiedenen Winkel zueinan der anordenbare Backplanes 4 bis 7 kann aus den Backplanes 4 bis 7 eine dreidimensionale Backplaneanordnung 10 zusammenge setzt werden und damit insbesondere der Bauraum eines Schalt schranks 30 besser genutzt werden.

Figur 4 zeigt schematisch einen aufgebrochen dargestellten Schaltschrank 30 mit einer Backplaneanordnung 10, die zwei in einem von Null Grad verschiedenen Winkel zueinander ange ordnete Backplanes 4, 5 aufweist.

Die anhand der Figuren 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsbei spiele von Backplaneanordnungen 10 können auf verschiedene Weisen modifiziert werden. Beispielsweise können alternativ oder zusätzlich zu Schnittstellen 16, 17 mit elektrischen

Steckerverbindungen andere oder weitere miteinander

elektrisch verbindbare Schnittstellen 16, 17 verschiedener

Backplanes 1 bis 7 vorgesehen sein, beispielsweise Schraub verbindungen, Federzugverbindungen, Lötverbindungen, Schweiß verbindungen oder Kontaktbrückenverbindungen wie Kabel- oder Folienleiterverbindungen. Ferner kann vorgesehen sein, dass auf einzelnen Backplanes 1 bis 7 eines Backplanemodulsatzes jeweils elektrische Bauelemente 14 angeordnet sind, die einem gemeinsamen Stromkreis, beispielsweise einem Haupt- oder Hilfsstromkreis, angehören und/oder einem bestimmten Leis tungsbereich zugeordnet sind und/oder eine ähnliche Funktion, beispielsweise eine Sensor-, Auswerte-, Schalt- oder Kommuni kationsfunktion, haben und/oder derselben Baugruppe einer mit der Backplaneanordnung 10 verbundenen Vorrichtung oder Anlage zugeordnet sind.

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.