DE4412407C2 - Schaltungsanordnung für den Betrieb mindestens eines batteriebetriebenen Elektromotors in einem Flurförderzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für den Betrieb mindestens eines batteriebetriebenen Elek­ tromotors in einem Flurförderzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art sind aus DE-Z: Meidell, K.: "Elektro-Gabelstapler mit Thyristor- Steuerung" in: ASEA-ZEITSCHRIFT 1967, Jahrgang 12, Heft 1, Seiten 3 bis 9 und DE-Z: Bezold, K.-H.: "Regelgerät GEA- PULS für Flurförderfahrzeuge" in: AEG-Mitteilungen 54 (1964), Heft 5/6, Seiten 447 bis 450, bekanntgeworden. Die Gleichstrommotoren der batteriebetriebenen Flurförderzeuge werden pulsweise gesteuert, wobei bei der Verwendung von Thyristoren die Steuerfrequenz relativ niedrig ist. Die einzelnen Schaltungsbauteile sind bei den bekannten Schal­ tungsanordnungen auf einem Trägerbauteil angeordnet.

Zum Leistungsteil einer Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Elektromotors gehören zum Beispiel elektronische Leistungsschalter, Freilaufdioden, Kondensatoren und Kühl­ körper. Der Aufbau in externer Verbindungstechnik kann zu erheblichen Streuinduktivitäten und damit unter Umständen zu hohen Überspannungen und periodischen Spannungsspitzen führen. Sie bedingen, daß die Halbleiterschalter entspre­ chend ausgelegt werden müssen. Zum Schutz der Einflüsse äußerer Streuinduktivitäten, d. h. zwischen Batterie und Leistungsteil, dienen leistungsfähige Kondensatoren, die üblicherweise als Elektrolytkondensatoren ausgeführt sind.

Die erwähnten Spannungsspitzen haben nicht nur Einfluß auf die Leistungshalbleiterschalter, sondern können sich auch nachteilig auf die Funktion des Steuerteils auswirken, das ebenfalls elektronisch ausgeführt ist. Schließlich können die Spannungsspitzen auch die Umwelt stören durch z. B. Funkstörungen, Störungen im Telefonnetz, Funktionsstörun­ gen anderer telefonischer Geräte usw.

Aus DE 32 01 296 ist auch bekanntgeworden, bei einer Tran­ sistoranordnung mehrere parallelgeschaltete Transistoren auf einer als Kollektorelektrode dienenden wärmeleitenden Grundscheibe anzuordnen. Die in der Zuleitung hervorgeru­ fene Induktivität soll dadurch verringert werden, daß die Länge der Anschlußleitung minimal gewählt wird. Die plat­ tenförmigen Kollektor-, Emitter- und Basiszuleitungen, die jeweils eine Isolierstoffzwischenlage aufweisen, bilden einen Kondensator, der bei Betätigung bzw. Aktivierung der Transistoren zunächst einen Kurzschluß verursacht. Dies ist für Schaltungsanordnungen zum Betrieb eines batterie­ betriebenen Elektromotors nicht erwünscht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs­ anordnung zum Betrieb mindestens eines batteriebetriebenen Elektro­ motors in einem Flurförderzeug zu schaffen, die kompakt aufge­ baut ist und die Belastung oder Beeinträchtigung von mit höheren Frequenzen betriebenen Halbleiterschaltern durch Spannungsspitzen verringert.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß sind Kondensatoren und Halbleiterschalter­ module auf einem gemeinsamen Trägerkörper angeordnet, der nach einer Ausgestaltung der Erfindung von einem Kühlkör­ per gebildet sein kann. Halbleiterschalter der verwendeten Art werden üblicherweise in Modulen hergestellt, welche zum Beispiel eine Reihe von Chips enthalten. Die Verwen­ dung des Begriffs Modul soll jedoch nicht einschränkend zu verstehen sein. Es kommt lediglich darauf an, Halbleiter­ schalter mit elektrisch isolierter Montagefläche vorzu­ sehen.

Erfindungsgemäß ist oberhalb der erwähnten elektrischen Bauteile eine Plattenanordnung vorgesehen aus zwei paral­ lelen, die Bauteile überdeckenden Platten, zwischen denen sich eine Isolierschicht befindet. Vorzugsweise ist eine Isolierfolie zwischen den Platten angeordnet. Der Abstand zwischen den Platten ist daher äußerst gering, zum Beispiel 0,1 mm. Bei zuge­ lassenen Betriebsspannungen von z. B. 24 Volt reicht diese Isolierung jedoch vollständig aus.

Jedes der erwähnten Bauteile besitzt mindestens einen An­ schluß, der über die Platten mit einem Plus- oder Minus­ potential verbunden ist. Da die Platten mit mindestens einem Anschluß der Fahrzeugbatterie verbindbar sind, sind die Pole oder Anschlüsse der elektrischen Bauteile zur Plattenanordnung hingeführt und mit den beiden Platten entsprechend verbunden. Zu diesem Zweck weist die den Bau­ teilen zugekehrte oder untere Platte Durchbrüche auf wie auch die Isolierschicht zum Hindurchführen der Anschlüsse zur äußeren oder oberen Platte. Durch Verwendung von Schrauben läßt sich gleichzeitig eine mechanische Befesti­ gung der Platte an den Bauteilen bzw. umgekehrt vorsehen.

Die erwähnten Platten bilden Stromversorgungsschienen für die elektrischen Bauteile und sorgen durch ihre Anordnung gleichzeitig für die Kompensation magnetischer Felder so­ wie für eine reduzierte Einkopplung elektromagnetischer Strahlung in benachbarte Komponenten. Ist die äußere Platte zum Beispiel am Minuspol angeschlossen, bildet sie eine wirksame Abschirmung gegenüber unterhalb der Platten­ anordnung erzeugte elektromagnetische Wellen, die mithin nicht nach außen gelangen können. Die Plattenanordnung bewirkt ferner, daß die Anschlüsse zu den elektrischen Bauteilen äußerst kurz gestaltet werden können, mithin die Streuinduktivitäten stark herabgesetzt sind. Auch die durch die Plattenanordnung selbst gebildete Induktivität ist wegen der sehr geringen wirksamen Fläche äußerst klein. Die reduzierte Streuinduktivität führt naturgemäß zu deut­ lich verringerten Überspannungen als Belastung der Halb­ leiterschalter. Die Halbleiterschalter können daher bis an ihre Leistungsgrenze gefahren bzw. können in ihrer Lei­ stung kleiner ausgelegt werden.

Darüber hinaus ermöglicht die beschriebene Anordnung eine äußerst kompakte Bauweise, was bei dem Einsatz in Flurför­ derzeugen von großem Vorteil ist.

Der Aufbau des erfindungsgemäßen Leistungsteils ermög­ licht, daß eine den Steuerteil enthaltende Platine auf der äußeren Platte an­ gebracht wird. Durch die beschriebene Abschirmung ist eine Beeinflussung durch von dem Leistungsteil emittierte elek­ tromagnetische Wellen auf Bauteile des Steuerteils weit­ gehend ausgeschlossen. Dadurch wird die Kompaktheit der gesamten elektrischen bzw. elektronischen Schaltungsanord­ nung zum Betrieb des Motors verringert. Zumeist erfordert die Steuerung oder Regelung des Elektromotors eine Strom­ messung, zum Beispiel des Ankerstroms.

Wie erwähnt, sind normalerweise mehrere Elektrolytkonden­ satoren auf dem Trägerkörper anzuordnen. Es ist daher mindestens eine Reihe von Elektrolytkondensato­ ren auf dem Trägerkörer angeordnet, wobei die Reihe mit einer Reihe von Halbleitermodulen parallel angeordnet ist. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Batterie­ anschlüsse an den Platten an entgegengesetzten Enden der Kondensatorreihe liegen. Dies bedeutet, daß zum Beispiel der Plusanschluß eines Kondensators sehr nahe an dem Bat­ terieanschluß liegt, während der Minusanschluß diagonal gegenüberliegend relativ weit entfernt ist und umgekehrt. Auf diese Weise wird eine symmetrische Stromverteilung erhalten, die sich zusätzlich günstig auf die angestrebten Ziele auswirkt.

Elektroförderfahrzeuge weisen häufig zwei Elektromotoren auf, nämlich für den Fahrbetrieb und das Hubsystem. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Kondensatoren und die Halbleitermodule für beide Elektromotoren gemeinsam auf dem Trägerkörper angeordnet, wobei alle Kondensatoren parallelgeschaltet sind. Es können daher die Kondensatoren wahlweise für den Hubbetrieb oder den Fahrbetrieb einge­ setzt werden. Normalerweise wird während des Fahrbetriebs nicht gehoben oder abgesenkt und während des Hubbetriebs nicht gefahren. Auf diese Weise kann die Gesamtkapazität, die für getrennte Leistungsteile erforderlich wäre, ver­ ringert werden.

Die Halbleitermodule für die beiden Leistungsteile werden vorzugsweise gruppenweise auf dem Trägerkörper angeordnet.

Die Höhe der Klemmen an den Kondensatoren, die an deren oberen Ende angebracht sind, ist wegen der unterschiedli­ chen Höhe der beiden Platten der Plattenanordnung ver­ schieden auszuführen. Da das Lochmuster in der Plattenan­ ordnung nach dem beabsichtigten Anordnungsmuster der Kon­ densatoren bzw. deren Klemmen zu fertigen ist, ergibt sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung zugleich ein soge­ nannter Verpolungsschutz. Läßt sich zum Beispiel wegen falscher Anordnung der Kondensatoren die erforderliche Verbindung mit den Platten nicht herstellen, muß eine ent­ sprechende Überprüfung erfolgen.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß in die obere Platte der Plattenanordnung eine großflächige Er­ hebung ausgeformt ist, die die untere Platte aufnimmt. Die Oberplatte kann dann mit Schrauben oder dergleichen am Rand in geeigneter Weise an den Modulen bzw. den Kondensa­ toren befestigt werden.

Nach einer Ausge­ staltung der Erfindung ist ein berührungsloser Stromsensor an der Platine angeordnet. Der Leistungsausgang ist durch den Sensor, z. B. ein ringförmiger Stromsensor an der Un­ terseite der Platine, auf die Motoranschlußklemme geführt. Der ringförmige Stromsensor kann beispielsweise von einem Hallelement gebildet sein. Dadurch erfolgt die Stromsen­ sierung berührungslos. Der Stromsensor erfordert keinen separaten Wartungsaufwand bzw. zusätzliche Schnittstellen.

Wie erwähnt, baut die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kompakt und reduziert insgesamt vorhandene Streuindukti­ vitäten. Sie ermöglicht den Zusammenbau des Steuer- und Leistungsteils für zwei Elektromotoren oder auch mehr, falls erforderlich. Auch die Auslegung des Leistungsteils, d. h. die Anzahl der Module und Elektrolytkondensatoren kann beliebig geändert werden, ohne am grundsätzlichen Aufbau etwas zu ändern.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung des Lei­ stungsteils einer Schaltungsanordnung nach der Er­ findung.

Fig. 2 zeigt die gleiche Darstellung wie Fig. 1, jedoch bei entfernten Klemmenschrauben.

Fig. 3 zeigt eine ähnliche Darstellung wie Fig. 2, jedoch für Drehstrombetrieb.

Fig. 4 zeigt schematisch einen Schnitt durch den in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Leistungsteil.

Fig. 5 zeigt die Anordnung einer Platine für einen Steuer­ teil auf den Leistungsteil nach Fig. 1.

Fig. 6 zeigt schematisch die Anordnung von Leistungs- und Steuerteil gemäß Fig. 5.

Fig. 7 zeigt die Frontansicht der Darstellung nach Fig. 6.

Ein in Fig. 1 gezeigter Leistungsteil 10, zum Beispiel für den Betrieb eines Elektrofahrmotors und eines Elektromo­ tors für das Hubsystem eines Flurförderzeugs weist einen plattenartigen als Trägerkörper 12 dienenden Kühlkörper auf, dessen Oberseite gestuft ist. Im tiefsten Bereich sind zwei Reihen Kondensatoren, z. B. Elektrolytkondensatoren, angeordnet (Kondensatorbat­ terie), von denen bei 14 bzw. 16 ein zylindrischer Konden­ sator erkennbar ist. Auf dem Trägerkörper 12 etwas erhöht annähernd in der Mitte ist von acht von Halbleiter­ schaltermodulen 18 eine Reihe angeordnet. Es können alle denkbaren Halbleiterschalter, z. B. MOSFETs, FETs, Transistoren, IGBTs, SIT o.a. vorgesehen sein. Sie sind geeignet, mit relativ hoher Frequenz betrieben zu werden, beispielsweise zwischen 7 und 16 kHz. Oberhalb der beschriebenen Anordnung von Schaltungsbauteilen ist eine Plattenanordnung 20 vorgesehen, bestehend aus einer oberen Platte 22, die sich über die Kondensatorbatterie erstreckt und teilweise über die Halbleiterschaltermodule 18. Unterhalb der Platte 22 erstreckt sich eine weitere Platte 24, von der in Fig. 1 nur ein Ausschnitt zu erkennen ist. Die Platten 22, 24 haben z. B. eine Dicke von 1 mm. Sie ist im übrigen in einer Erhebung 24a aufgenommen, die durch Abkanten der oberen Platte 22 in den Randbereichen gebildet ist. Die obere Platte 22 bildet mit einem Klemmpunkt 26 einen Mi­ nus-Anschluß. Die untere Platte 24 bildet mit einem Klemm­ punkt 28 den Plus-Anschluß. Die Klemmpunkte 26, 28 sind fest mit einem Kunststoffteil verbunden, der gleichzeitig die einzelnen Kondensatoren der Kondensatorbatterie auf­ nimmt, das außerdem mit zwei Dornen ausgestattet ist, über die die Platten 22, 24 mittels Gewindeschrauben befestigt sind. Das Kunststoffteil wird über Preßzapfen auf dem Trägerkörper 12 fixiert. Mit Hilfe von Kontaktschrauben 30 bzw. 32 sind die Kondensatoren 14, 16 mit der oberen bzw. un­ teren Platte 22, 24 elektrisch leitend verbunden. Auch die Module 18 sind über weitere Kontaktschrauben 34 bzw. 36 mit den Platten 22, 24 verbunden. Der grundsätzliche, sandwichar­ tige Aufbau der Platten ergibt sich aus Fig. 4. Man er­ kennt, daß zwischen den Platten 22, 24 eine Isolierfolie 38 aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist. Die Plat­ ten können aus relativ dünnem leitfähigen Metallblech be­ stehen, beispielsweise Aluminium oder Kupfer. Die Folie ist relativ dünn, beispielsweise 0,1 mm. Die in den Fig. 2-4 gezeigten Zuleitungen 40, 42 gehen zu Klemmen der Batterie. Die Kondensatoren nach Fig. 1 sind lediglich durch ein Symbol in Fig. 4 angedeutet. Man erkennt, daß Plus- und Minus-Anschluß an jeweils einer Platte 22, 24 liegen. Das gleiche trifft auf ein symbolisch dargestelltes Halbleiterschaltermodul 18 zu. Wie erkennbar, müssen die Anschlüsse der Kondensatoren und der Module jeweils mit beiden Platten 22, 24 verbunden werden. Damit eine Verbindung mit der oberen Platte 22 stattfinden kann, muß die untere Platte 24 sowie die Folie 38 ein entsprechendes Lochmuster aufweisen zum berührungs­ freien Hindurchführen der Anschlüsse. Aus Fig. 3 geht her­ vor, daß auch die Oberplatte 22 vergrößerte Löcher auf­ weist, wie bei 38 oder 40 dargestellt zum Verbinden der Anschlüsse mit der unteren Platte 24 mit Hilfe der Schrau­ ben 32 bzw. 36. Zum Verbinden der Anschlüsse mit der obe­ ren Platte 2′2 sind hingegen relativ kleine Löcher 42 bzw. 44 erforderlich, die geeignete Schrauben 30 bzw. 34 auf­ nehmen.

Wie aus den Fig. 1 und 2 erkennbar, sind auf den Halbleiter­ schaltermodulen 18 plattenartige Schienen 46, 48 mit Hilfe von Schrauben 50, 52 angebracht, wobei die Schiene 46 fünf Halbleiterschaltermodule 18 und die Schiene 48 drei Halbleiterschaltermodule 18 überdeckt. Die fünf Halbleiterschaltermodule 18, an denen die Schiene 46 angeschlossen ist, gehören zum Beispiel zum Leistungsteil für den Betrieb eines Fahrmotors, während die Schiene 48 die Halbleiterschaltermodule 18 für den Leistungsteil eines Hubmotors abdeckt. Die Schienen 46, 48 haben Ansätze 52a, 54, die zu Anschlußklemmen 56, 58 führen, die mecha­ nisch, aber elektrisch isoliert mit dem Trägerkörper 12 ver­ bunden sind. Die Schienenansätze 52a, 54 können auch flexi­ bel ausgeführt sein. Die Anschlußklemmen sind zum Beispiel mit dem Fahrmotor bzw. dem Hubmotor verbunden.

Der Leistungsteil nach Fig. 3 unterscheidet sich von dem nach Fig. 2 dadurch, daß mit den Halbleiterschaltermodulen 18, von denen insgesamt neun vorgesehen sind, drei plattenartige Schienen 60, 62 und 64 mit der Oberseite der Halbleiterschaltermodule 18 in der oben be­ schriebenen Weise verbunden sind und Ansätze 66, 68, 70 aufweisen, die zu drei Klemmen 72, 74, 76 führen. Das gezeigte Halbleiterschaltermodul 18 dient für einen batteriegespeisten Dreh­ strommotor. Die übrigen Teile gleichen denen nach Fig. 2.

In Fig. 5 ist perspektivisch eine Schaltplatine 80 darge­ stellt, auf der alle Steuerkomponenten und -teile unterge­ bracht sind, um beispielsweise Leistungsteile nach den Fig. 1 bis 4 anzusteuern. Beispielsweise wird ein Elek­ tromotor über eine sogenannte Halbbrücke angesteuert, die wahlweise als Hochsetz- oder Tiefsetzsteller arbeitet je nach den herrschenden Strombedingungen. Auf die einzelnen Teile wird nicht eingegangen. Man erkennt an gegenüberlie­ genden Seiten der Platine 80 Trägerbleche 82, 84 zur ge­ eigneten Befestigung, Steuerschnittstellen 86 sowie zwei ringförmige Stromsensoren 88, 90. In Fig. 6 ist die Steu­ erplatine 80 im Schnitt dargestellt, wie sie auf einem Leistungsteil, beispielsweise dem nach Fig. 1 angebracht ist. Man erkennt auch die Anordnung der Kondensatoren 14 und der Halbleiterschaltermodule 18 auf dem als Kühlkörper dienenden Trägerkörper 12. Man erkennt ferner, wie sich der Ansatz 54 der Schiene 46 durch den ringförmigen Sensor 90 hindurcherstreckt.

Die Verbindung der einzelnen elektrischen oder elektro­ nischen Bauteile der Steuerplatine 80 mit den Halbleiterschalter­ modulen 18 ist nicht dargestellt, ebenso wenig wie die mechanische Befestigung der Platine 80.

Es sei noch erwähnt, daß die am Minus-Anschluß liegende obere Platte 22 auch die Anker­ schiene(n) isoliert überdecken kann.

Claims (10)

1. Schaltungsanordnung für den Betrieb mindestens eines batteriebetriebenen Elektromotors in einem Flurförder­ zeug, die mindestens eine Reihe von Kondensatoren und von getakteten Halbleiterschaltern aufweist, die auf einem Trägerbauteil angeordnet und mit einem Steuerteil elektrisch verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• - mindestens die Kondensatoren (14, 16) und die Halblei­ terschaltermodule (18) auf einem gemeinsamen platten­ förmigen Trägerkörper (12) angeordnet sind,
• - oberhalb dieser elektrischen Bauteile diese zumindest teilweise überdeckend eine obere Platte (22) und eine untere Platte (24) einer Plattenanordnung (20) aus elektrisch leitendem Material in kleinem Abstand von­ einander angeordnet sind, zwischen denen sich eine dünne Isolierschicht (38) befindet,
• - eine der Platten (22, 24) an der Minus- und die an­ dere an der Plusklemme der Batterie anschließbar ist,
• - die untere Platte (24) und die Isolierschicht (38) Durchbrüche aufweisen zur elektrischen Verbindung von Anschlüssen der Kondensatoren (14, 16) und der Halb­ leiterschaltermodule (18) über in der oberen Platte (22) einsitzende Kontaktschrauben (30),
• - die obere Platte (22) und die Isolierschicht (38) Durchbrüche aufweisen für die elektrische Verbindung der anderen Anschlüsse der Kondensatoren (14, 16) und der Halbleiterschaltermodule (18) mit der unteren Platte (24) über durch die Durchbrüche geführte Kon­ taktschrauben (32) und
• - eine den Steuerteil enthaltende Platine (80) auf der oberen Platte (22) angeordnet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Batterieanschlüsse (26, 28) an den Platten (22, 24) an den entgegengesetzten Enden der Kondensatorreihe liegen.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Motor-Anschluß ebenfalls als Platte (46, 48) ausgebildet ist, die sich oberhalb des Halbleiterschaltermoduls (18) erstreckt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei Elektromotoren am Flurförderzeug die zugehörigen Kondensatoren (14, 16) und Halbleitermodule (18) gemeinsam auf dem Trägerkör­ per (12) sitzen und an die Plattenanordnung (20) ange­ schlossen sind, wobei alle Kondensatoren (14, 18) pa­ rallelgeschaltet sind.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß beide Motor-Anschlüsse als platten­ artige Schienen (46, 48) ausgebildet sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (38) zwischen den aus stromleitendem Material bestehenden Platten (22, 24) aus einer Isolierfolie besteht.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die obere Platte (22) der Plattenanordnung (20) eine großflächige Erhebung (24a) geformt ist, von der die untere Platte (24) auf­ genommen ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Platte (22) mit dem Minuspol der Batterie verbunden ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein vorzugsweise ringförmiger Stromsen­ sor (88, 90) an der dem Leistungsteil zugewandten Seite der Platine (80) angeordnet ist und ein Ansatz (54, 56) des mit den Halbleitermodulen (18) verbunde­ nen Motor-Anschlusses (46, 48) durch den Stromsensor (88, 90) hindurchgeführt ist zu einer Anschlußklemme (58, 56).

10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (12) als Kühlkörper ausgebildet ist.