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Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Motor-Antriebsanordnung, die einen Motor, ein elektronisches Antriebsmodul zum Steuern des Motors und ein Leistungsmodul zum Betreiben des Motors und des elektronischen Antriebsmoduls umfasst, wobei das elektronische Antriebsmodul eine Elektronikstufe und eine Leistungsstufe umfasst, wobei die Leistungsstufe elektrisch mit dem Leistungsmodul verbunden ist, wobei die integrierte Motor-Antriebsanordnung eine erste thermische Umgebung für den Motor und eine zweite thermische Umgebung für das elektronische Antriebsmodul aufweist, um eine erste Arbeitstemperatur für den Motor und eine zweite Arbeitstemperatur für das elektronische Antriebsmodul zu ermöglichen, wobei die zweite Arbeitstemperatur niedriger als die erste Arbeitstemperatur ist.
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WO 2014/188803 A1 offenbart, dass ein Leistungsmodul mit einem Motorgehäuse mittels einer Metallplatte thermisch verbunden ist.
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WO 2014/129037 zeigt und beschreibt einen Motor mit einem Inverter, bei dem das Leistungsmodul mit dem Antriebsgehäuse und einem Motorgehäuse thermisch verbunden ist.
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Aus
US 2014/0125161 A1 ist eine integrierte Motor-Antriebsanordnung bekannt, bei der das Leistungsmodul und eine Leiterplatine thermisch miteinander verbunden sind.
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EP 0 958 646 B2 lehrt eine integrierte Motor-Antriebsanordnung, bei der Motor und Elektronikteile des Antriebs thermisch getrennt sind.
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Eine gute Wärmeabführung ist bei integrierten Motor-Antriebsanordnungen wichtig. Die Nutzungsdauer von integrierten Motor-Antriebsanordnungen ist aufgrund von thermischer Überlastung einzelner Komponenten häufig kurz. Besonders leistungsstarke Komponenten der integrierten Motor-Antriebsanordnung, die eine große Abwärme aufweisen, dürfen daher oft nur mit verringerter Leistung betrieben werden, um andere, wärmeempfindlichere Komponenten nicht überzustrapazieren.
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Die Leistung der integrierten Motor-Antriebsanordnung ist im Wesentlichen durch maximale Arbeitstemperaturen ihrer Komponenten begrenzt. Insbesondere Elektronikbauteile haben im Vergleich mit dem Motor oft eine niedrigere maximale Arbeitstemperatur. Das bedeutet, dass Elektronikbauteile die Ausgabeleistung der gesamten Anordnung, insbesondere des Motors, begrenzen. Beispielsweise muss häufig der Motor unterhalb seiner maximalen Leistung betrieben werden, um die Elektronikbauteile durch die Abwärme des Motors nicht thermisch zu überlasten.
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Die Aufgabe der Erfindung ist daher, eine integrierte Motor-Antriebsanordnung mit langer Nutzungsdauer zu erschaffen, ohne Abstriche bei der Leistung hinnehmen zu müssen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die integrierte Motor-Antriebsanordnung der eingangs genannten Art, bei der erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass das Leistungsmodul thermisch mit einer thermischen Umgebung verbunden ist, die sich von der zweiten thermischen Umgebung unterscheidet, so dass das Leistungsmodul auf einer Arbeitstemperatur betreibbar ist, die sich von der zweiten Arbeitstemperatur unterscheidet.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird erreicht, dass das elektronische Antriebsmodul auf oder unterhalb seiner maximalen Arbeitstemperatur betrieben werden kann, ohne dass das Leistungsmodul in seiner Leistung begrenzt werden müsste. Das Leistungsmodul wird zu diesem Zweck in der ersten thermischen Umgebung oder einer dritten thermischen Umgebung betrieben, in der eine höhere Arbeitstemperatur vorliegt, als in der zweiten thermischen Umgebung. Dies ermöglicht eine effektive thermische Schonung des elektronischen Antriebsmoduls und somit eine lange Nutzungsdauer der integrierten Motor-Antriebsanordnung.
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Es ist bevorzugt, dass die integrierte Motor-Antriebsanordnung ein Barriereelement umfasst, das zwischen dem Motor und dem elektronischen Antriebsmodul angeordnet ist, wobei das Barriereelement einen Wärmefluss vom Motor zum elektronischen Antriebsmodul verringert. Damit kann die erste thermische Umgebung eine andere Temperatur als die zweite thermische Umgebung einhalten. Vorzugsweise ist das Barriereelement eine Trennwand. Bevorzugt ist, dass das Barriereelement einen Luftstrom zwischen dem Motor und dem elektronischen Antriebsmodul reduziert. Das Barriereelement ist daher vorzugsweise luftdicht gestaltet. Vorzugsweise ist das Barriereelement so angeordnet, dass es Metallteile, die dem Motor zugeordnet sind, von Metallteilen, die dem elektronischen Antriebsmodul zugeordnet sind, thermisch voneinander isoliert.
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Bevorzugt ist, dass das Barriereelement ein Durchgangsloch umfasst, durch das hindurch das Leistungsmodul elektrisch mit dem elektronischen Antriebsmodul verbunden ist. Vorzugsweise ist dieses Durchgangsloch auch das Durchgangsloch für die elektronische Anbindung des elektronischen Antriebsmoduls an den Motor, um eine größere Anzahl von Durchgangslöchern zu vermeiden. Vorzugweise ist das Durchgangsloch so abgedichtet, dass kein Luftstrom von der ersten thermischen Umgebung zur zweiten thermischen Umgebung hindurchtreten kann. In einigen Ausführungsformen der Erfindung umgibt das Durchgangsloch radial das Leistungsmodul. In einigen Ausführungsformen sind im Barriereelement ein erstes Durchgangsloch, das das Leistungsmodul umgibt, und ein zweites Durchgangsloch, durch das hindurch das elektronische Antriebsmodul elektrisch mit dem Motor verbunden ist, gebildet.
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Bevorzugt ist, dass das Barriereelement einen Kunststoff umfasst. So kann der Wärmefluss vom Motor zum elektronischen Antriebsmodul verringert werden. Ein bevorzugter Kunststoff hat eine niedrigere thermische Leitfähigkeit als Metall, das in der integrierten Motor-Antriebsanordnung eingesetzt ist, insbesondere in Gehäuseteilen. Vorzugsweise beträgt die thermische Leitfähigkeit des Barriereelements, insbesondere des Kunststoffs, 10% der thermischen Leitfähigkeit einer Gehäusekomponente, die den Motor einhaust. So kann der Wärmefluss zwischen Motor und elektronischem Antriebsmodul wirkungsvoll reduziert werden. Ein bevorzugter Kunststoff ist ein glasfaserverstärkter Kunststoff. Er kann auch dabei helfen, ein besonders stabiles Barriereelement auszubilden.
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Vorzugsweise weist das Barriereelement eine oder mehrere Luftkammern auf. So kann der Wärmefluss vom Motor zum elektronischen Antriebsmodul verringert sein. Luft ist ein relativ schlechter Wärmeleiter, beispielsweise im Vergleich mit Metall. Eine Luftkammer kann daher die Wärmeleitfähigkeit des Barriereelements reduzieren und somit den Wärmefluss vom Motor zum elektronischen Antriebsmodul verringern. Vorzugsweise sind eine oder mehrere Luftkammern innerhalb des Barriereelements ausgebildet. In einigen Ausführungsformen stellt das Barriereelement jedoch im Zusammenwirken mit anderen Komponenten der integrierten Motor-Antriebsanordnung, insbesondere Gehäuseteilen, eine oder mehrere Luftkammern bereit. Vorzugsweise bildet das Barriereelement mit einer Gehäusewand des Motors eine oder mehrere Luftkammern aus.
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Es ist bevorzugt, dass das Barriereelement ein Durchgangsloch umfasst, durch das hindurch das elektronische Antriebsmodul elektrisch mit dem Motor verbunden ist. Bevorzugt ist, dass das Barriereelement die erste thermische Umgebung gegenüber der zweiten thermischen Umgebung hinsichtlich des Luftstroms vollständig abdichtet. Allerdings kann es nötig sein, das elektronische Antriebsmodul durch das Barriereelement hindurch mit dem Motor zu verbinden. Dann ist bevorzugt, das Durchgangsloch insoweit abzudichten, z. B. durch eine Silikonfüllung oder allgemein eine Dichtung, dass der Luftstrom durch das Barriereelement blockiert wird.
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Vorzugsweise ist das Barriereelement eine Barriereplatte oder ein Barriererahmen. Als Platte ist ein Barriereelement besonders einfach herstellbar, insbesondere als ebene, planparallele Platte. Bei einem Rahmen kann auf einfache Weise erreicht werden, dass das Barriereelement mit angrenzenden Komponenten zusammen eine oder mehrere Luftkammern ausbildet.
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Bevorzugt ist, dass die integrierte Motor-Antriebsanordnung ein Motorgehäuse, in dem der Motor eingehaust ist, und ein Antriebsmodulgehäuse, in dem das elektronische Antriebsmodul eingehaust ist, umfasst, wobei das Motorgehäuse die erste thermische Umgebung enthält und das Antriebsmodulgehäuse die zweite thermische Umgebung enthält. Innerhalb des Motorgehäuses lässt sich bevorzugt die erste thermische Umgebung bereitstellen. Die erste thermische Umgebung hat im Betrieb die erste Arbeitstemperatur für den Motor und vorzugsweise eine Temperatur von zwischen –40°C und +150°C. Die erste Arbeitstemperatur stellt sich vorzugsweise durch die Abwärme der Komponenten, die im Motorgehäuse angeordnet sind oder mit diesem thermisch verbunden sind, ein. Vorzugsweise liegt die erste Arbeitstemperatur bei oder unterhalb von 120°C, besonders vorzugsweise bei oder unterhalb von 90°C. Vorzugsweise liegt die erste Arbeitstemperatur bei oder oberhalb von 60°C, besonders vorzugsweise bei oder oberhalb von 100°C.
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Innerhalb des Antriebsmodulgehäuses lässt sich bevorzugt die zweite thermische Umgebung bereitstellen. Die zweite thermische Umgebung hat im Betrieb die zweite Arbeitstemperatur für das elektronische Antriebsmodul von zwischen –40°C und +100°C. Vorzugsweise liegt die zweite Arbeitstemperatur bei oder unterhalb von 85°C. Viele Elektronikbauteile haben eine maximale Arbeitstemperatur von 85°C oder weniger, so dass eine derartige zweite Arbeitstemperatur vorteilhaft sein kann. Besonders vorzugsweise liegt die zweite Arbeitstemperatur bei oder unterhalb von 60°C, weiter bevorzugt bei oder unterhalb von 40°C. Vorzugsweise liegt die zweite Arbeitstemperatur bei oder oberhalb von 30°C, weiter bevorzugt bei oder oberhalb von 50°C.
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Das Motorgehäuse ist vorzugsweise passiv gekühlt. Die Wärmeableitung der darin enthaltenen oder der damit thermisch verbundenen Komponenten erfolgt dann vorzugsweise ausschließlich über Gehäuseteile des Motorgehäuses, insbesondere Gehäusewände, die vorzugsweise aus Metall sind, oder auch Lüftungsschlitze an die Umgebungsluft. Das Antriebsmodulgehäuse ist vorzugsweise passiv gekühlt. Die Wärmeableitung der darin enthaltenen oder der damit thermisch verbundenen Komponenten erfolgt dann vorzugsweise ausschließlich über Gehäuseteile des Antriebsmodulgehäuses, insbesondere Gehäusewände, die vorzugsweise aus Metall sind, oder auch Lüftungsschlitze an die Umgebungsluft.
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Bevorzugt ist, dass das elektronische Antriebsmodul innerhalb des Antriebsmodulgehäuses vergossen ist. Dadurch kann die Wärmeabfuhr weg vom elektronischen Antriebsmodul vergrößert sein. Vorzugsweise ist das elektronische Antriebsmodul mittels eines Harzes oder eines Kunststoffs innerhalb des Antriebsmodulgehäuses vergossen. Durch geschickte Wahl eines Kunststoffs mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann eine gute Wärmeübertragung vom elektronischen Antriebsmodul auf das Antriebsmodulgehäuse erreicht werden.
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Es ist bevorzugt, dass das elektronische Antriebsmodul im Antriebsmodulgehäuse verkapselt ist. Dadurch kann die Wärmeabfuhr weg vom elektronischen Antriebsmodul vergrößert sein. Vorzugsweise ist die Verkapselung durch Dichtungselemente wie Gummi- oder Silikondichtungen bereitgestellt. So kann ein Eindringen von überwarmer Luft, beispielsweise vom Motor kommend, wirkungsvoll verhindert werden.
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Es ist bevorzugt, dass das Antriebsmodulgehäuse auf einer Innenoberfläche einen Anstrich aufweist. Dadurch kann die Wärmeabfuhr weg vom elektronischen Antriebsmodul vergrößert sein. Vorzugsweise ist die Innenoberfläche mit einer wärmeleitfähigen Farbe oder einem wärmeleitfähigen Lack bestrichen. So kann die Ableitung von Wärme vom elektronischen Antriebsmodul auf das Antriebsmodulgehäuse verbessert sein.
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Bei einer bevorzugten integrierten Motor-Antriebsanordnung ist das Barriereelement zwischen dem Motorgehäuse und dem Antriebsmodulgehäuse angeordnet. Das Barriereelement ist dann vorzugsweise so angeordnet, dass es verhindert, dass Gehäuseteile des Motorgehäuses an Gehäuseteilen des Antriebsmodulgehäuses anliegen. Da Gehäuseteile meistens aus Metall bestehen, leiten sie Wärme gut vom Motorgehäuse auf das Antriebsmodulgehäuse über, sofern Kontakt zwischen den Gehäusen besteht. Um die erste Arbeitstemperatur und die dem gegenüber kleinere zweite Arbeitstemperatur bereitstellen zu können, ist diese gute Wärmeleitung zwischen dem Motorgehäuse und dem Antriebsmodulgehäuse unerwünscht. Das Barriereelement zwischen Motorgehäuse und Antriebsmodulgehäuse kann die Wärmeleitung reduzieren. Die Ableitung der Wärme vom Motorgehäuse auf das Antriebsmodulgehäuse und somit auf das elektronische Antriebsmodul findet dank des Barriereelements nur vermindert statt, während ein verhältnismäßig größerer Anteil der Wärmeleitung von den beiden Gehäusen jeweils direkt in die Umgebungsluft erfolgt. Vorzugsweise erfolgen weniger als 50% der Wärmeableitung des Motorgehäuses auf das Antriebsmodulgehäuse. Besonders vorzugsweise erfolgen weniger als 20% der Wärmeableitung des Motorgehäuses auf das Antriebsmodulgehäuse. Weiter bevorzugt erfolgen weniger als 5% der Wärmeableitung des Motorgehäuses auf das Antriebsmodulgehäuse.
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Das Leistungsmodul versorgt sowohl Komponenten im Motorgehäuse als auch Komponenten im Antriebsmodulgehäuse mit Leistung. Vorzugsweise ist das Leistungsmodulgehäuse daher elektrisch mit dem Motor verbunden. Das Leistungsmodul ist elektrisch mit der Leistungsstufe des elektronischen Antriebsmoduls verbunden. Besonders bevorzugt ist weiterhin, dass das Leistungsmodul thermisch mit dem Motorgehäuse verbunden ist. D. h., vorzugsweise ist das Leistungsmodul in der ersten thermischen Umgebung angeordnet und arbeitet somit auf der ersten Arbeitstemperatur, gemeinsam mit dem Motor. Dies ist häufig unproblematisch, da die maximale Arbeitstemperatur des Leistungsmoduls vorzugsweise zwischen 150°C und 175°C betragen kann, so dass ein Betrieb in der thermischen Umgebung des Motors problemlos sein kann.
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Vorzugsweise ist das Leistungsmodul thermisch mit dem Motor verbunden. Es kann somit auf der ersten Arbeitstemperatur, die der des Motors entspricht, betrieben werden. Das Leistungsmodul hat oft eine maximale Arbeitstemperatur, die der des Motors ähnlich ist. So kann die Elektronik des elektronischen Antriebsmoduls vor Abwärme des Leistungsmoduls geschützt werden.
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Weiterhin ist bevorzugt, dass die integrierte Motor-Antriebsanordnung das Barriereelement umfasst, das zwischen dem Motor und dem elektronischen Antriebsmodul angeordnet ist und einen Wärmefluss vom Motor zum elektronischen Antriebsmodul verringert, wobei das Barriereelement ein Durchgangsloch umfasst, durch das hindurch das Leistungsmodul thermisch mit dem Motor verbunden ist. So kann erreicht werden, dass die Abwärme des Motors vom elektronischen Antriebsmodul ferngehalten wird und die Abwärme des Leistungsmoduls in die erste thermische Umgebung und nicht auf das elektronische Antriebsmodul abgeleitet wird.
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Vorzugsweise umfasst das Leistungsmodul eine Grundplatine, wobei die Grundplatine thermisch mit dem Motor verbunden ist. So kann das Leistungsmodul auf der ersten Arbeitstemperatur arbeiten. Eine bevorzugte Grundplatine ist eine PCB-Platine, die Elektronikbauteile des Leistungsmoduls trägt. Die Wärmeabstrahlung der Elektronikbauteile erfolgt dann in die erste thermische Umgebung. Besonders bevorzugt ist, dass die Grundplatine an dem Motorgehäuse mechanisch befestigt ist, vorzugsweise durch Schrauben. So kann ein guter Wärmefluss zwischen Leistungsmodul und Motorgehäuse ermöglicht werden, so dass ein großer Anteil oder die komplette Abwärme des Leistungsmoduls in das Motorgehäuse abgeführt wird, anstelle in das Antriebsmodulgehäuse.
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Vorzugsweise weist die integrierte Motor-Antriebsanordnung für das Leistungsmodul eine dritte thermische Umgebung auf. So kann das Leistungsmodul auf einer dritten Arbeitstemperatur arbeiten, wobei sich die dritte Arbeitstemperatur von der ersten Arbeitstemperatur und von der zweiten Arbeitstemperatur unterscheidet. Die integrierte Motor-Antriebsanordnung umfasst vorzugsweise eine thermische Isolierungsbarriere, die einen Wärmefluss vom Motor zum Leistungsmodul verringert. Vorzugsweise liegt die dritte Arbeitstemperatur zwischen der ersten Arbeitstemperatur und der zweiten Arbeitstemperatur. So können Komponenten der integrierten Motor-Antriebsanordnung, die nicht so wärmeempfindlich sind wie das elektronische Antriebsmodul, aber wärmeempfindlicher als der Motor, auf einer optimalen Arbeitstemperatur betrieben werden. Vorzugsweise ist die thermische Isolierungsbarriere einstückig mit dem Barriereelement gefertigt. Eine bevorzugte thermische Isolierungsbarriere ist aus demselben Material wie das Barriereelement gefertigt. Eine bevorzugte thermische Isolierungsbarriere ist als Platte oder als Rahmen ausgeführt. Bevorzugt ist die thermische Isolierungsbarriere aus Kunststoff, vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff, gefertigt. Die thermische Isolierungsbarriere kann eine oder mehrere Luftkammern aufweisen oder auch dafür ausgebildet sein, eine oder mehrere Luftkammern mit anderen Komponenten der integrierten Motor-Antriebsanordnung auszubilden.
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Es ist bevorzugt, dass die integrierte Motor-Antriebsanordnung eine Bremse umfasst, wobei das Leistungsmodul thermisch mit der Bremse verbunden ist. So können die Bremse und das Leistungsmodul auf der dritten Arbeitstemperatur arbeiten. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Bremse aber stattdessen thermisch mit dem Motor verbunden sein, so dass die Bremse und das mit ihr thermisch verbundene Leistungsmodul beide auf der ersten Arbeitstemperatur betreibbar sind, während das elektronische Antriebsmodul auf der zweiten Arbeitstemperatur betreibbar. Dann kann möglicherweise die dritte thermische Umgebung entfallen und eine integrierte Motor-Antriebsanordnung mit nur zwei thermischen Umgebungen bereitgestellt sein, die zusätzlich zum Motor in der ersten thermischen Umgebung das Leistungsmodul und die Bremse aufweist. Weitere Komponenten einer integrierten Motor-Antriebsanordnung können beispielsweise ein Hauptpositionssensor, eine Niederspannungsversorgung für eine mechanische Bremse, Busantriebe und Funktionssicherheitselemente sein. Sie können alle oder in beliebiger kompatibler Kombination miteinander in der ersten, der zweiten, der dritten oder einer oder mehreren weiteren thermischen Umgebungen der integrierten Motor-Antriebsanordnung angeordnet sein, so dass sie auf einer für sie geeigneten Arbeitstemperatur betreibbar sind, die eine maximale Arbeitstemperatur der jeweiligen Komponenten nicht überschreitet.
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Vorzugsweise umfasst die integrierte Motor-Antriebsanordnung ein Anordnungsgehäuse, das sowohl den Motor als auch das elektronische Antriebsmodul einhaust. Vorzugsweise ist das Barriereelement ein Gehäuseteil des Anordnungsgehäuses.
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Bevorzugt ist, dass sowohl das Motorgehäuse als auch das Antriebsmodulgehäuse im Anordnungsgehäuse eingehaust sind. Bevorzugt ist weiterhin, dass die Wärmeableitung des Motorgehäuses zu einem größeren Teil direkt an das Anordnungsgehäuse erfolgt, als an das Antriebsmodulgehäuse. Dies kann insbesondere dadurch erreicht sein, dass Metallteile des Motorgehäuses an Metallteilen des Anordnungsgehäuses anliegen, so dass mehr Wärme des Motorgehäuses direkt an das Anordnungsgehäuse übertragen wird als über das Barriereelement an das Antriebsmodulgehäuse. Auch Metallteile des Antriebsmodulgehäuses liegen vorzugsweise an Metallteilen des Anordnungsgehäuses an, um eine gute Wärmeableitung von dem elektrischen Antriebsmodul weg zu ermöglichen.
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Es ist bevorzugt, dass die integrierte Motor-Antriebsanordnung einen integrierten Servoantrieb und/oder einen motormontierten Antrieb umfasst. Solche Antriebe weisen häufig empfindliche Elektronikmodule auf, die im Betrieb vor Abwärme des Motors geschützt werden sollten.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren veranschaulicht sind. Es zeigen:
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1 eine schematische seitliche Aufsicht einer integrierten Motor-Antriebsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine detailliertere schematische Seitenansicht der ersten Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine detailliertere Ansicht von Komponenten der ersten Ausführungsform;
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4 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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5 eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Bezugszeichen in der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen sowie in den Schutzansprüchen sollen keinerlei beschränkende Wirkung haben, sondern dienen ausschließlich der Veranschaulichung und besseren Lesbarkeit.
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1 zeigt auf vereinfachte und schematische Weise eine erste Ausführungsform der integrierten Motor-Antriebsanordnung 1 gemäß der Erfindung. Die integrierte Motor-Antriebsanordnung 1 umfasst ein Motorgehäuse 2, das einen Motor (nicht gezeigt) einhaust. Dargestellt ist eine Antriebsachse 3 des Motors. Die integrierte Motor-Antriebsanordnung 1 umfasst ferner ein Antriebsmodulgehäuse 4. In dem Antriebsmodulgehäuse 4 ist ein elektronisches Antriebsmodul eingehaust, das verschiedene Elektronikbauteile umfasst. Weiterhin umfasst die integrierte Motor-Antriebsanordnung 1 ein Barriereelement 5, das zwischen dem Motorgehäuse 2 und dem Antriebsmodulgehäuse 4 angeordnet ist. Das Barriereelement 5 ist somit zwischen dem Motor und dem elektronischen Antriebsmodul angeordnet. Das Barriereelement 5 sorgt dafür, den Wärmefluss vom Motor zum elektronischen Antriebsmodul zu verringern. Auf diese Weise wird innerhalb des Motorgehäuses 2 eine erste thermische Umgebung für den Motor bereitgestellt, um eine erste Arbeitstemperatur für den Motor einzurichten. Ferner wird auf diese Weise innerhalb des Antriebsmodulgehäuses 4 eine zweite thermische Umgebung für das elektronische Antriebsmodul bereitgestellt, um eine zweite Arbeitstemperatur für das elektronische Antriebsmodul einzurichten. Die zweite Arbeitstemperatur ist niedriger als die erste Arbeitstemperatur. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die erste Arbeitstemperatur 120°C. Die zweite Arbeitstemperatur beträgt in diesem ersten Ausführungsbeispiel 85°C.
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Elektronische Komponenten, wie die Elektronikbauteile, die innerhalb des Antriebsmodulgehäuses 4 zum Einsatz kommen, sind häufig für Arbeitstemperaturen von maximal 85°C ausgelegt. Elektronische Komponenten für höhere Temperaturen sind häufig teuer oder auch gar nicht verfügbar. Die Komponenten der integrierten Motor-Antriebsanordnung 1, die sich innerhalb des Motorgehäuses 2 befinden, haben hingegen eine Arbeitstemperatur von bis zu 150°C, beispielsweise der Motor. Durch die Erfindung kann somit sichergestellt werden, dass die elektronischen Komponenten des elektronischen Leistungsmoduls auf der niedrigeren zweiten Arbeitstemperatur betrieben werden können, während dem Motor zugeordnete Komponenten innerhalb des Motorgehäuses 2 auf der relativ zur zweiten Arbeitstemperatur höheren ersten Arbeitstemperatur betrieben werden können. Auf diese Weise kann die Nutzungsdauer der integrierten Motor-Antriebsanordnung 1 verbessert werden, ohne Abstriche bei der Leistung hinnehmen zu müssen. Die elektronischen Komponenten des elektronischen Antriebsmoduls sind innerhalb des Antriebsmodulgehäuses 4 nicht länger der hohen Abwärme der Komponenten, die innerhalb des Motorgehäuses 2 angeordnet sind, ausgesetzt.
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Die integrierte Motor-Antriebsanordnung 1 ist also so ausgebildet, dass sie die erste thermische Umgebung für den Motor und die zweite thermische Umgebung für das elektronische Antriebsmodul bereitstellt, um die erste Arbeitstemperatur für den Motor und die zweite Arbeitstemperatur für das elektronische Antriebsmodul zu ermöglichen, wobei die zweite Arbeitstemperatur niedriger als die erste Arbeitstemperatur ist.
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Das Barriereelement 5, das zwischen dem Motor und dem elektronischen Antriebsmodul angeordnet ist, verringert durch seine Beschaffenheit den Wärmefluss vom Motor zum elektronischen Antriebsmodul, um somit die erste thermische Umgebung und die zweite thermische Umgebung zu ermöglichen. Für diesen Zweck umfasst das Barriereelement 5 einen Kunststoff. In dieser Ausführungsform besteht das Barriereelement 5 aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff. Das Barriereelement 5 stellt mehrere Luftkammern bereit, so dass der Wärmefluss vom Motor zum elektronischen Antriebsmodul verringert ist. Dafür ist das Barriereelement 5 als Barriererahmen ausgeführt. Das Barriereelement 5 bildet mehrere Luftkammern zum Motorgehäuse 2 hin aus.
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Das Kunststoffmaterial des Barriereelements 5 in Verbindung mit den Luftkammern verringert den Wärmefluss vom Motor zum elektronischen Antriebsmodul.
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2 zeigt weitere Details der ersten Ausführungsform. Das Antriebsmodulgehäuse 4 umfasst in seinem Innenraum eine Elektronikstufe 6 und eine Leistungsstufe 7, die Komponenten des elektronischen Antriebsmoduls sind. Das Antriebsmodulgehäuse 4 umschließt die elektronische Antriebsanordnung mittels einer Oberschale 4a und einer damit zusammenwirkenden Unterschale 4b. Die Elektronikstufe 6 ist im Bereich der Oberschale 4a angeordnet. Die Leistungsstufe 7 ist im Bereich der Unterschale 4b angeordnet. Die Leistungsstufe 7 ist somit näher am Motorgehäuse 2 angeordnet als die Elektronikstufe 6.
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Wie in 2 zu sehen ist, umfasst die integrierte Motor-Antriebsanordnung 1 ein Leistungsmodul 8. Das Leistungsmodul 8 ist thermisch mit der ersten thermischen Umgebung verbunden. Das Leistungsmodul 8 arbeitet somit im Betrieb auf der ersten Arbeitstemperatur. Dies ist unproblematisch, da das Leistungsmodul 8 eine maximale Arbeitstemperatur von bis zu 150°C aufweist.
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Um das Leistungsmodul 8 thermisch mit der ersten thermischen Umgebung zu verbinden, ist es über seine Grundplatine mit dem Motorgehäuse 2 verschraubt. Hingegen besteht zur Leistungsstufe 7 nur eine elektrische Verbindung. Das Abführen der Abwärme des Leistungsmoduls 8 erfolgt somit im Wesentlichen auf das Motorgehäuse 2 und somit in die erste thermische Umgebung und nicht in die zweite thermische Umgebung.
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Das Barriereelement 5, das zwischen dem Motorgehäuse 2 und dem Antriebsmodulgehäuse 4 angeordnet ist, bewirkt also, dass weder die Abwärme des Motors noch die Abwärme des Leistungsmoduls 8 in die zweite thermische Umgebung abgegeben werden.
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Das Barriereelement 5 weist ein Durchgangsloch 9 auf, durch das hindurch das Leistungsmodul 8 elektrisch sowohl mit dem elektronischen Antriebsmodul als auch mit dem Motor verbunden ist. Ferner ist das Leistungsmodul 8 durch das Durchgangsloch 9 hindurch physikalisch mit dem Motorgehäuse 2 und somit mit der ersten thermischen Umgebung verbunden. Weiterhin ist das elektronische Antriebsmodul durch das Durchgangsloch 9 hindurch elektrisch mit dem Motor verbunden. Man benötigt also in dieser Ausführungsform ausschließlich das eine Durchgangsloch 9, um sämtliche Verbindungen zwischen den Komponenten zu realisieren. Das Durchgangsloch 9 umgibt radial das Leistungsmodul 8. Um einen Luftstrom von der ersten thermischen Umgebung zur zweiten thermischen Umgebung zu verhindern, ist das Durchgangsloch 9 mit einem Silikonmaterial ausgegossen. Freiräume im Durchgangsloch 9, die nach dem Verbinden aller Komponenten noch bestehen, sind also verschlossen. Somit ist das Leistungsmodul 8 auf der ersten Arbeitstemperatur betreibbar.
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3 zeigt Komponenten der integrierten Motor-Antriebsanordnung 1 gemäß der ersten Ausführungsform in größerem Detail. Gezeigt sind das Motorgehäuse 2 mit der Antriebsachse 3 des Motors und das Antriebsmodulgehäuse 4, das aus der Oberschale 4a und der Unterschale 4b zusammengesetzt ist. Entsprechend ist in das Motorgehäuse 2 der Motor eingehaust und in das Antriebsmodulgehäuse 4 ist das elektronische Antriebsmodul eingehaust. Das elektronische Antriebsmodul umfasst die Elektronikstufe 6 und die Leistungsstufe 7. Wie oben ausgeführt, umfasst die integrierte Motor-Antriebsanordnung 1 die erste thermische Umgebung für den Motor und die zweite thermische Umgebung für das elektronische Antriebsmodul. Dies wird dadurch erreicht, dass die integrierte Motor-Antriebsanordnung 1 das Barriereelement 5 umfasst. Das Barriereelement 5 ist zwischen dem Motor und dem elektronischen Antriebsmodul angeordnet, genauer gesagt zwischen dem Motorgehäuse 2 und dem Antriebsmodulgehäuse 4. Das Barriereelement 5 umfasst, wie in dieser Figur genauer zu erkennen ist, das Durchgangsloch 9. Durch das Durchgangsloch 9 ist die elektrische Verbindung vom Leistungsmodul 8 zur Elektronikstufe 6 des elektronischen Antriebsmoduls und zum Motor hergestellt. Außerdem ist durch das Durchgangsloch 9 das elektronische Antriebsmodul mit dem Motor elektronisch verbunden. Über die Grundplatine ist das Leistungsmodul 8 mit der ersten thermischen Umgebung thermisch verbunden. Die Grundplatine ist mechanisch mit dem Motorgehäuse 2 verbunden.
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Im Motorgehäuse 2 ist ein Bremsabteil 10 gebildet, das eine Bremse umfasst. Die Bremse wird somit ebenfalls in der ersten thermischen Umgebung und somit auf der ersten Arbeitstemperatur betrieben. Da die Bremse ebenfalls eine relativ hohe maximale Arbeitstemperatur aufweist, ist das Betreiben der Bremse in der ersten thermischen Umgebung gemeinsam mit dem Motor unkritisch. Die Bremse ist in diesem Fall also thermisch gleichfalls mit dem Leistungsmodul 8 verbunden, elektronisch jedoch auch mit dem Leistungsmodul 8 und dem elektronischen Antriebsmodul. Dadurch, dass die Bremse nur elektronisch mit dem elektronischen Antriebsmodul verbunden ist, verbleibt die Abwärme der Bremse im Wesentlichen in der ersten thermischen Umgebung innerhalb des Motorgehäuses 2, bis sie an die Umgebungsluft abgegeben wird.
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In 3 ist deutlicher zu erkennen, dass das Barriereelement 5 dadurch, dass es zwischen dem Motorgehäuse 2 und dem Antriebsmodulgehäuse 4 angeordnet ist, verhindert, dass Teile des Antriebsmodulgehäuses 4 Teile des Motorgehäuses 2 berühren, insbesondere metallische Teile, so dass der Wärmefluss vom Motor zum elektronischen Antriebsmodul verringert ist.
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Um die Wärmeabfuhr weg vom elektronischen Antriebsmodul zu vergrößern, ist das elektronische Antriebsmodul innerhalb des Antriebsmodulgehäuses 4 vergossen und verkapselt. Genauer gesagt, ist es mittels eines wärmeleitenden Harzes vergossen und durch Silikondichtungen im Antriebsmodulgehäuse 4 verkapselt. Weiterhin ist das Antriebsmodulgehäuse 4 auf der Innenoberfläche mit einem wärmeleitenden Lack versehen, um die Wärmeabfuhr vom elektronischen Antriebsmodul weg noch weiter zu vergrößern.
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht. Im Unterschied zur vorherigen Ausführungsform ist das Leistungsmodul 8 mittels seiner Grundplatine mechanisch nicht mit dem Bremsenabteil 10 verbunden, sondern mit dem Abschnitt des Motorgehäuses 2, in dem der Motor angeordnet ist. Dies kann Vorteile bei der Verkabelung der Komponenten mit sich bringen. Thermisch sind allerdings auch in dieser Ausführungsform der Motor, das Leistungsmodul 8 und die Bremse im Bremsenabteil 10 in der ersten thermischen Umgebung angeordnet, während das elektronische Antriebsmodul im Antriebsmodulgehäuse 4 in der zweiten thermischen Umgebung angeordnet ist. Die erste thermische Umgebung stellt auch hier eine höhere Arbeitstemperatur als die zweite thermische Umgebung bereit. Dementsprechend sind in der ersten thermischen Umgebung Komponenten angeordnet, die auf der ersten Arbeitstemperatur arbeiten können, während in der zweiten thermischen Umgebung die Komponenten angeordnet sind, die nur bis zur zweiten Arbeitstemperatur zuverlässig arbeiten können. Dadurch steigt die Nutzungsdauer der integrierten Motor-Antriebsanordnung 1, insbesondere der Elektrikbauteile des elektronischen Antriebsmoduls, ohne dass die Leistung der Komponenten in der ersten thermischen Umgebung dafür gedrosselt werden müsste. In dieser Fig. ist zudem veranschaulicht, dass das Leistungsmodul 8 thermisch durch flächiges Anliegen mit dem Motorgehäuse 2 verbunden ist, während es mit der Leistungsstufe 7 über eine Kabelverbindung 11 nur elektrisch verbunden ist. So verbleibt die Abwärme des Leistungsmoduls 8 in der ersten thermischen Umgebung.
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5 zeigt eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier ist vorgesehen, dass die integrierte Motor-Antriebsanordnung 1 für das Leistungsmodul 8 eine dritte thermische Umgebung bereitstellt, so dass das Leistungsmodul 8 auf einer dritten Arbeitstemperatur arbeiten kann, wobei sich die dritte Arbeitstemperatur von der ersten Arbeitstemperatur und von der zweiten Arbeitstemperatur unterscheidet und wobei die integrierte Motor-Antriebsanordnung 1 die thermische Isolierungsbarriere 12 umfasst, die dafür sorgt, den Wärmefluss vom Motor zum Leistungsmodul 8 zu verringern.
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In der dargestellten dritten Ausführungsform haben die Bremse und das Leistungsmodul 8 eine maximale Arbeitstemperatur, die zwischen der ersten Arbeitstemperatur und der zweiten Arbeitstemperatur liegt. Daher ist das Bremsenabteil 10 durch die thermische Isolierungsbarriere 12 vom Motor thermisch isoliert. Die thermische Isolierungsbarriere 12 ist einstückig mit dem Barriereelement 5 ausgeführt. Entsprechend ist die thermische Isolierungsbarriere ebenfalls aus Kunststoff gefertigt. In nicht dargestellten Ausführungsformen kann die thermische Isolierungsbarriere jedoch auch als separate Platte ausgeführt sein. Dies kann den Zusammenbau der integrierten Motor-Antriebsanordnung 1 erleichtern.
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Das Leistungsmodul 8 ist wärmeleitend über seine Außenseite mit der Bremse verbunden, so dass die Bremse und das Leistungsmodul auf der dritten Arbeitstemperatur arbeiten können. Durch die Verwendung von drei oder auch mehr thermischen Umgebungen in der integrierten Motor-Antriebsanordnung 1 kann das Temperaturmanagement somit noch genauer auf die einzelnen maximalen Arbeitstemperaturen der verwendeten Komponenten abgestimmt werden. Man fasst also Komponenten mit einer gemeinsamen maximalen Arbeitstemperatur in einer jeweiligen gemeinsamen thermischen Umgebung zusammen und isoliert diese thermische Umgebung thermisch von anderen thermischen Umgebungen mit einer höheren Arbeitstemperatur. Im Ergebnis können alle Komponenten auf ihrer individuellen maximalen Arbeitstemperatur betrieben werden, ohne dass Komponenten mit geringerer maximaler Arbeitstemperatur davon beeinträchtigt würden. Die Leistung und damit die Abwärme der Komponenten mit der höheren maximalen Arbeitstemperatur muss somit nicht länger herabgeregelt werden.
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Bei allen gezeigten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die integrierte Motor-Antriebsanordnung 1 ein Anordnungsgehäuse umfasst, das sowohl den Motor als auch das elektronische Antriebsmodul einhaust. Aus Darstellungsgründen wurde auf die Abbildung dieses Anordnungsgehäuses verzichtet. Es ist jedoch leicht nachvollziehbar, dass das Anordnungsgehäuse sowohl das Motorgehäuse als auch das Antriebsmodulgehäuse 4 einhaust. Das Antriebsmodulgehäuse 4 und das Motorgehäuse 2 sind über jeweils vorhandene Metallflächen mit Metallflächen des Anordnungsgehäuses thermisch verbunden, liegen beispielsweise an ihnen an, so dass Abwärme aus der ersten thermischen Umgebung und der zweiten thermischen Umgebung direkt an das Anordnungsgehäuse weitergeleitet wird. Dies verhindert, dass sich Abwärme von Komponenten in der ersten thermischen Umgebung in die zweite thermische Umgebung ausbreitet. Das Barriereelement 5 kann in Ausführungsformen der Erfindung ein Gehäuseteil des Anordnungsgehäuses sein.
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Die dargestellten integrierten Motor-Antriebsanordnungen 1 umfassen, wie zu sehen ist, jeweils einen motormontierten Antrieb. Das Antriebsmodulgehäuse 4 bildet also zusammen mit dem Motorgehäuse 2 eine Einheit. In allen drei Fällen ist ein integrierter Servoantrieb vorhanden, da dieser besonders leistungsfähig sein kann.
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Die unterschiedlichen Merkmale der jeweiligen Ausführungsformen können auf beliebige Weise miteinander kombiniert werden und in jeder dieser Kombinationen für die Erfindung wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die voranstehenden beispielhaften Ausführungsformen beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/188803 A1 [0002]
- WO 2014/129037 [0003]
- US 2014/0125161 A1 [0004]
- EP 0958646 B2 [0005]
