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Gehäuse Aluminiumdruckguss-Gehäuse schützen, kühlen und schirmen ab

Netzteile für die Spannungsversorgung industrieller Antriebe benötigen eine Umhausung, die mehr kann, als sie gegen Staub und Berührung zu schützen. Aluminiumdruckguss-Gehäuse sorgen für Schutz aber auch für Kühlung und elektromagnetische Abschirmung.

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Das Gehäuse mit elektronischem Innenleben: In den von CTX vorgesehenen Bohrungen in der Längsseite des Gehäuses befinden sich jetzt ein elektrischer Eingang, der Schalter zum An- und Ausschalten sowie zwei elektrische Ausgänge (v.l.n.r.).
Das Gehäuse mit elektronischem Innenleben: In den von CTX vorgesehenen Bohrungen in der Längsseite des Gehäuses befinden sich jetzt ein elektrischer Eingang, der Schalter zum An- und Ausschalten sowie zwei elektrische Ausgänge (v.l.n.r.).
(Bild: CTX Thermal Solutions GmbH)

Die Etasyn GmbH ist spezialisiert auf die Projektierung, Entwicklung, Fertigung und Prüfung applikationsspezifischer Netzteile und kompletter Baugruppen für die Stromversorgung bis 5 kW elektrische Nennleistung. Bei dem Betrieb der Schaltnetzteile entsteht eine Verlustleistung beziehungsweise Wärme, die abgeführt werden muss, um die Funktion des Geräts nicht zu beeinträchtigen. Zudem ist eine gute elektronische Abschirmung erforderlich, um sowohl die Netzteile vor elektrischen und/oder magnetischen Feldern zu schützen, als auch die Umgebung vor den von den Schaltnetzteilen ausgehenden Abstrahlungen zu sichern.

Kühlung inbegriffen

Für die Netzteile zur Spannungsversorgung von industriellen Rollenantrieben und DC-Motoren mit Ausgangsleistungen von 320 W bis 480 W wählte Etasyn daher Gehäuse aus Aluminiumdruckguss. Dieses Material ist leicht, gleichzeitig mechanisch sowie chemisch robust und schirmt Elektronik besonders gut ab. Darüber zeichnet sich Aluminiumdruckguss durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit von 150 W/mK aus. Diese reicht aus, um im Fall der Antriebsnetzteile die entstehende Verlustleistung auch ohne Oberflächen vergrößernde Effekte wie Kühlrippen nur mit natürlicher Konvektion abzuführen. Denn da Etasyn seine Stromversorgungen auf Mikrocontroller-Basis baut, sind die Wirkungsgrade dank minimaler Verlustleistungen sehr hoch. Im Fall der Netzteile für die Rollenantriebe beträgt der Wirkungsgrad 93 %. Bei einem Gerät mit einer Nennleistung von 480 W entspricht dies einer maximalen Verlustleistung von lediglich 35 W – bei einer Umgebungstemperatur von –20 °C bis 40 °C ohne Derating.

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Zusätzliche Dienstleistungen

Lieferant der Gehäuse ist die auf kundenspezifische Kühlkörper und metallische Elektronikgehäuse spezialisierte CTX Thermal Solutions GmbH. Für die Herstellung der Gehäuse aus Aluminiumdruckguss sind spezielle Werkzeuge beziehungsweise Gussformen erforderlich. Deren Anfertigung ist sehr kostenintensiv und lohnt nur, wenn wie im Fall von Etasyn größere Stückzahlen benötigt werden. Die Erzgebirger verbauen pro Jahr mehrere Tausend pulverbeschichtete Druckgussgehäuse, die 222 mm in der Länge, 146 mm in der Breite und 75 mm in der Höhe messen. Der Deckel ist mit einer Polyurethan Dichtung versehen. Damit ist das Gehäuse nicht nur gegen Staub und Berührung, sondern auch gegen Spritzwasser geschützt (IP67). Zudem stattet CTX die Gehäuse nach Zeichnungsvorgabe mit Bohrungen für diverse Anschlüsse aus. Als weitere Dienstleistung übernimmt CTX die Lagerhaltung. „Wir bevorraten bis zu zwei Lieferlose, also maximal 1000 Gehäuse“, erklärt CTX-Projektleiter Thomas Windeck. Etasyn ruft dann monatlich die benötigten Gehäuse in Nettetal ab und verbaut in ihnen Schaltnetzteile verschiedener Leistungsklassen mit Ausgangsspannungen von 24 VDC bis 48 VDC.

Kühlung für jede Art der Elektronik

Da Elektronikgehäuse auch eine kühlende Funktion übernehmen müssen, ist es von Vorteil, wenn der Gehäuselieferant gleichzeitig Spezialist für Elektronikkühlung ist. „Bei der Wahl eines Gehäuses für elektronische Bauteile müssen wir sehr früh wissen, wie hoch die zu erwartenden Verlustleistung ist“, erklärt Thomas Windeck. Danach richtet sich dann die Gestaltung der Elektronikummantelung. Im vorliegenden Fall reichte eine passive Kühlung über die glatte Gehäuseoberfläche aus. Diese arbeitet nach dem Prinzip der natürlichen Konvektion: Die erwärmte Luft steigt unmittelbar an der Grenze „Festkörper/Gas“ auf und wird durch die nachfolgende, kühlere Luft ersetzt. Diese Art der Kühlung laut CTX ist ideal, weil sie die Anzahl der Bauteile in einem elektrischen Gerät und damit den Wartungsaufwand minimiert. Leider reicht dieser Kühleffekt jedoch in vielen Applikationen nicht aus. Um die Temperatur deutlicher zu senken, muss die erwärmte Luft aktiv vom Festkörper weg bewegt und gegen kühlere Luft ausgetauscht werden. Dies geschieht in der Praxis durch auf den Kühlkörper montierte Lüfter. Für viele Anwendungen mit Hochleistungselektronik reicht aber selbst diese Kühlungsart nicht aus. Dann sind Lösungen auf der Basis von Flüssigkeitskühlkörpern gefragt, die die entstehende Wärme mit Hilfe von Flüssigkeit „wegschwemmen“.

Die Auswahl der für den jeweiligen Anwendungsfall infrage kommenden Kühltechnologie erfolgt auf Basis der Kundendaten. Anschließend wird eine thermische Simulation durchgeführt und danach die Entscheidung für die geeignete Kühltechnik getroffen, die dann in Produktion geht. Der Vorteil dieser Vorgehensweise: Der kostspielige Part der Prototypenfertigung entfällt oder wird drastisch reduziert. (sh)

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