Wärmemanagement

Kompaktere Antriebe durch integrierte Kühlkörper

| Autor / Redakteur: Jan Wettlaufer* / Richard Oed

Neue Wärmemanagementkonzepte: Bild 1 zeigt hochintegrierte Antriebe und die Kühlkörper ihrer Leistungselektronik (orange eingefärbt).
Neue Wärmemanagementkonzepte: Bild 1 zeigt hochintegrierte Antriebe und die Kühlkörper ihrer Leistungselektronik (orange eingefärbt). (Bild: Lenze)

Elektrische Antriebe mit in das Motorgehäuse integrierter Leistungselektronik können durch die Optimierung ihrer Kühlkörper noch kompakter gestaltet werden.

Wechselrichter und hochintegrierte Antriebe können durch funktionale Integration deutlich kompakter gestaltet werden. Hierfür ist es vorteilhaft, die Kühlkörper der Leistungshalbleiter in die Struktur der Gesamtkonstruktion zu integrieren. Eine effektive Kühlung ist hauptsächlich abhängig von einer verteilten Anordnung der Wärmequellen, einer guten Führung der Kühlluft und einer geeigneten Kühlkörpergeometrie.

Integrierte Kühlkörper sind schwer zu analysieren

Die Optimierung von konventionellen Kühlkörpern mit ebener Bodenplatte, wie sie beispielsweise in Schaltschrankumrichtern zum Einsatz kommen, ist Stand der Technik. Der thermische Widerstand dieser Kühlkörper kann mithilfe analytischer Formeln, Datenblattangaben oder kostenlos verfügbarer Auslegungssoftware abgeschätzt werden. Die thermischen Grenzen konventioneller Kühlkörper mit senkrecht zur Bodenplatte angeordneten Rippen sind relativ gut bekannt. Integrierte Kühlkörper erfüllen jedoch nicht die Annahmen, die diesen Untersuchungen zugrunde liegen. Aufgrund der komplexen Geometrien ist es praktisch nicht möglich, analytische Ansätze anzuwenden.

Durch eine Kombination von Rapid-Prototyping-Technologien, Messungen und Simulationen ist aber eine schnelle, zielgerichtete und wirtschaftliche Optimierung möglich. Diese führt sowohl zu einer höheren Leistungsdichte als auch durch niedrigere Temperaturen zu einer erhöhten Zuverlässigkeit und Lebensdauer der optimierten Geräte.

Grundsätzliches Vorgehen beim Gerätedesign

Bild 1 zeigt zwei Antriebe mit vollständig in das geschlossene Motorgehäuse integrierter Elektronik, die Kühlkörper ihrer Leistungshalbleiter sind orange eingefärbt. In diesem Artikel wird dargelegt, wie der thermische Widerstand solch integrierter Kühlkörper ingenieurmäßig optimiert werden kann.

Um eine deutliche Überdimensionierung oder die Zerstörung aufgrund zu hoher Temperaturen zu vermeiden, ist beim Entwurf elektrischer oder mechatronischer Geräte die Temperatur an den kritischen Stellen ausreichend genau abzuschätzen. Ein hochintegrierter Antrieb lässt sich aus thermischer Sicht in zwei Bereiche mit unterschiedlichen Anforderungen einteilen: Den Bereich der elektrischen Maschine und den Bereich der Leistungselektronik.

Mit den nach der Stand der Technik üblichen Isolierstoffklassen für Lackdrähte und den verfügbaren Magnetmaterialien sind die in hochintegrierten Antrieben zu erwartenden Temperaturen für elektrische Maschinen beherrschbar.

Anders sieht es bei der integrierten Elektronik aus. Ihre Kühlung ist eine Herausforderung. Am kritischsten ist dabei die Komponente, welche zuerst ihre zulässige Betriebstemperatur überschreitet oder aufgrund temperaturbedingter Alterungs- mechanismen ausfällt.

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