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antriebstechnik 7/2020

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antriebstechnik 7/2020

STEUERN UND

STEUERN UND AUTOMATISIEREN TITEL Die Miniaturisierung von Elektromechanik und Elektronik führt zu immer höheren Packungsdichten – das wirkt sich auf die Erwärmung der Elektronik aus. Passive Kühlkörper für die Gehäuseserie ICS von Phoenix Contact erlauben den Geräteeinsatz auch für Motorsteuerungen mit hoher Wärmeentwicklung. Mit umfangreichen Thermosimulationen unterstützt das Unternehmen aus Blomberg Entwickler bei der Hardware- Planung. PASSIV VOR AKTIV Eine Möglichkeit, Wärme abzuführen, besteht darin, die physikalische Strömungsrichtung auszunutzen. Das Gehäuse wird dann mit entsprechenden Lüftungsschlitzen versehen, sodass es auf der Tragschiene per Kamin-Effekt von kühlender Umluft durchströmt wird. Die am Bauteil entstehende Verlustwärme wird nach oben abgeführt. Thermisch beanspruchte Bauteile sollten in der Nähe der unteren Lüftungsschlitze angebracht werden, damit sie mit Dipl.-Ing. Joachim Gräfer ist Leiter Produkt-Marketing Electronics Enclosures und Device Connector Solutions bei Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg „Frischluft“ angeströmt werden. Weitere thermisch empfindliche Bauelemente dürfen allerdings nicht durch diese Hot Spots beeinflusst werden. Beim ICS-Gehäuse (Industrial Case System) von Phoenix Contact können Seitenteile mit Lüftungsschlitzen beliebig platziert werden. Auch die Wahl eines breiteren Gehäuses ist für die Zirkulation der Kühlluft und für die Wärmeabfuhr zur Vermeidung eines Wärmestaus von Vorteil. Die physikalischen Durchströmungseffekte können zudem durch aktive Elemente unterstützt werden – etwa durch einen Lüfter. Dieser bewirkt, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Gehäuse stark steigt und deutlich mehr Wärmeenergie abgeführt werden kann. Nachteil des Lüfters ist das Ausfallrisiko. Außerdem wollen viele Gerätebetreiber keine beweglichen Komponenten in ihren Applikationen. Mit der Kühlluft gelangt zudem ein nicht zu vernachlässigender Schmutzanteil in das Gehäuse, zusätzlich ist der Energiebedarf des Lüfters zu beachten. FLEXIBLES GEHÄUSESYSTEM Diese Betrachtungen hat Phoenix Contact in die Konzeption für das Thermomanagement des ICS-Gehäuses einfließen lassen, das nun in den Breiten 20, 25 und 50 mm zur Verfügung steht. Das Gehäusesystem zeichnet sich durch eine neuartige Führungs- und Einschubtechnik aus. Die bestückte Leiterplatte, auf der die erforder- 01 02 03 04 14 antriebstechnik 2020/07 www.antriebstechnik.de

TITEL STEUERN UND AUTOMATISIEREN liche Anschlusstechnik aufgebracht ist, wird mittels systemeigener Führungstechnik einfach und schnell in das offene Gehäuseunterteil eingeschoben und eingerastet. Beispielhafte Anschlusstechniken sind hier Grundleisten für den Steckeranschluss, RJ45- und USB- Anschlüsse für Industrie-4.0-Anwendungen sowie D-Sub- und Antennenanschlüsse. Das Montagesystem begünstigt die Integration des Kühlkörpers, der in der maximalen Gehäusebreite direkt auf der Leiterplatte platziert und mit dem zu kühlenden Bauelement thermisch leitend verbunden wird. Anschließend wird die bestückte Leiterplatte mit dem festmontierten Kühlkörper als Gesamtpaket in das Gehäuse eingeschoben. Auf diese Weise wird durch Konvektion ein Vielfaches an Wärmeleistung – im Vergleich zu einer Anwendung ohne Kühlkörper – aus einem 50 mm breiten Gehäuse abgeführt. Bei einer Wärmequelle mit 85 °C auf einer Leiterplatte und thermischer Kopplung mit einem Kühlkörper aus Aluminium kann bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C eine Verlustleistung von maximal 28 W abgeführt werden. Bei 40 °C sind es 15 W und bei 60 °C immerhin noch 6 W. Für eine gute Wärmeabgabe sollte der Hotspot am Kühlkörper möglichst mittig platziert sowie thermisch optimal angebunden sein. GEHÄUSEKONFIGURATOR UND SIM-TOOL Aber wie kann das thermische Verhalten eines Gehäuses mittels Software simuliert und im Entwurf des beabsichtigten Hardware- Aufbaus analysiert werden? Die Simulation ermöglicht es, wärmekritische Bauteilpositionierungen zu vermeiden und geeignete Entwärmungsmaßnahmen in den Leiterplatten-Layouts und Geräten zu berücksichtigen. Für die Simulation und Unterstützung bei der Auslegung des Thermomanagements bietet Phoenix Contact dem Entwickler einen abgestuften Service. Bereits die Angaben in den Datenblättern für Elektronik und Leergehäuse geben Aufschluss darüber, ob das Elektronikgehäuse die zu erwartende Verlustleistung ohne zusätzliche Maßnahme abführen kann. Sind Abschätzung und Auslegung auf dieser Basis unzureichend, stellt der Entwickler sein Gehäuse und die gewünschte Anschlusstechnik im Online-Gehäusekonfigurator zusammen – als Ergebnis erhält er die Stückliste, 3D-Daten und PCB-Outline. Im Simulationstool definiert er Lage, Orientierung und Umgebungstemperatur des späteren Gerätes im Schaltschrank. Danach platziert er die einzelnen Hotspots per „drag and drop“ auf der Leiterplatte und definiert die zu erwartende maximale Erwärmung dieser Bauteile. Für eine kostenfreie Simulation kann der Interessent bis zu drei Hotspots eingeben. Alle Informationen einschließlich der Daten für die spätere Kontaktaufnahme werden automatisch in einer XML-Datei hinterlegt und per Internet an das Simulationstool übertragen. Hier werden die Daten eingelesen, verarbeitet, und im vorbereiteten Ausgabeformat an den Anwender versendet. SIMULATION ERSETZT KEINE BERATUNG Außerdem kann ein individueller Simulations-Support in Anspruch genommen werden. Phoenix Contact steht Anwendern als Entwicklungspartner bei der thermischen Optimierung der Applikation zur Verfügung – etwa wenn mehr als drei Hotspots für die Wärmeentwicklung betrachtet werden müssen oder wenn die Wärmeabfuhr in der eingegebenen Konstellation nicht ausreichend ist. Dort wird dann in verschiedenen Simulationsstudien die Position der Hotspots optimiert und eine verbesserte Entwärmungsstrategie empfohlen. Eine Möglichkeit kann hier der Einsatz von Kühlkörpern sein. Fotos: Phoenix Contact GmbH & Co. KG www.phoenixcontact.com 01 Die Gehäusefamilie ICS mit modularer Einschubtechnik hat eine Baubreite von 50 mm (Mitte) und verfügt über einen integrierten Kühlkörper 02 Um die Wärmeabgabe des Hotspots zu kanalisieren, sollte der Kühlkörper möglichst mittig platziert und thermisch optimal angebunden sein 03 Simulationsergebnisse mit zwei Hotspots zeigen: Ohne Kühlkörper konzentriert sich die Hitze auf einen kritischen Bereich 04 Das Wärmebild der Simulation macht deutlich, wie der Kühlkörper das Erhitzungspotenzial gleichmäßig auf der Leiterplatte verteilt DIE IDEE „Gestiegene Packungs- und Leistungsdichten in der Elektronik machen eine effiziente Entwärmung in zahlreichen Elektronikgehäusen erforderlich. Mit einem neuen Simulationstool von Phoenix Contact kann der Gehäuseinteressent Hotspots auf der Leiterplatte platzieren und Eigenschaften definieren. Als Ergebnis der Simulation erhält er das Wärmeprofil seiner Elektronikauslegung. Mit den Simulationsergebnissen kann er Ausfallrisiken analysieren und mit Entwärmungsmaßnahmen gegensteuern.“ Dipl.-Ing. Joachim Gräfer, Leiter Produkt-Marketing Electronics Enclosures und Device Connector Solutions, Phoenix Contact GmbH & Co. KG www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/07 15

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