Mit speziellen Gehäusen den rauen Bedingungen in der Industrie trotzen
Netzteile für die Spannungsversorgung industrieller Antriebe benötigen eine spezielle Umhausung. Zur Pflichtübung gehört, die Elektronik gegen Staub und Berührung zu schützen. Aluminiumdruckgussgehäuse sorgen zudem für Kühlung und elektromagnetische Abschirmung; im direkten Umfeld eines kräftigen Elektromotors ist die EMV-Optimierung die Kür der Gehäusetechnik.
Drebach im Erzgebirge: Hier auf halbem Weg zwischen Chemnitz und der tschechischen Grenze beschäftigt die Firma Etasyn mehr als Mitarbeiter. Die Stromversorgungsspezialisten projektieren, entwickeln, fertigen und prüfen applikationsspezifische Netzteile und komplette Baugruppen für bis 5 kW elektrische Nennleistung. Dabei arbeitet das Unternehmen nach den Anforderungen und Vorgaben seiner Auftraggeber – Etasyn bietet ausschließlich kundenspezifische Produkte an.
Auch sehr effiziente Schaltnetzteile erzeugen im Betrieb eine spürbare Verlustleistung und damit Abwärme, die der Elektronik schaden könnte. Zudem ist eine solide elektrische Abschirmung erforderlich, um sowohl die Netzteile vor elektrischen und/oder magnetischen Feldern zu schützen, als auch die Umgebung vor Abstrahlungen zu sichern, die von den Schaltnetzteilen ausgehen: Unter diesen Randbedingungen ist klar, dass simple Kunststoff-Standardgehäuse nicht ausreichen würden, sondern solide Metallgehäuse nötig sind. Für diesen Zweck arbeitet Etasyn mit CTX zusammen.
<h2>Kühlung inbegriffen</h2>
Für die Netzteile zur Spannungsversorgung von industriellen Rollenantrieben und DC-Motoren mit Ausgangsleistungen von bis W wählte Etasyn daher Gehäuse aus Aluminiumdruckguss. Dieses Material ist leicht, gleichzeitig mechanisch sowie chemisch robust und schirmt die Elektronik besonders gut ab. Darüber hinaus zeichnet sich Aluminiumdruckguss auch durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit von W/m·K aus. Diese genügt, um im Fall der Antriebsnetzteile die entstehende Verlustleistung mit natürlicher Konvektion abzuführen.
Spezielle Maßnahmen wie Kühlrippen, die die Oberfläche vergrößern, sind dabei nicht nötig. Damit kann der Hersteller die Form und Oberflächenstruktur des Gehäuses auf die Anwendung hin optimieren, statt es mit Kühlrippen auszugestalten.
Da Etasyn seine Stromversorgungen auf Mikrocontroller-Basis baut, sind die Wirkungsgrade sehr hoch und damit Verlustleistungen auf einem sehr niedrigen Niveau. Im Fall der Netzteile für die Rollenantriebe beträgt der Wirkungsgrad typisch Prozent. Bei einem Gerät mit einer Nennleistung von W entspricht dies einer maximalen Verlustleistung von lediglich W – bei einer Umgebungstemperatur von °C bis °C ohne Derating.
<h2>Zusätzliche Dienstleistungen</h2>
Lieferant der Gehäuse ist die auf kundenspezifische Kühlkörper und metallische Elektronikgehäuse spezialisierte Firma CTX Thermal Solutions aus Nettetal. gegründet, beschäftigt CTX heute Mitarbeiter und hält gemessen am Umsatz einen nennenswerten Marktanteil in der Kühlkörperbranche. Allein Prozent des Kühlkörpergeschäfts erzielt CTX mit projekt- und applikationsspezifischen Produkten. Um Gehäuse aus Aluminiumdruckguss herzustellen, sind spezielle Werkzeuge beziehungsweise Gussformen erforderlich. Deren Anfertigung ist sehr kostenintensiv und lohnt nur, wenn der Kunde größere Stückzahlen benötigt.
Bei Etasyn ist das der Fall: Die Erzgebirger verbauen pro Jahr mehrere Tausend pulverbeschichtete Druckgussgehäuse, die mm in der Länge, mm in der Breite und 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 gefeit, es erreicht die Schutzart IP. Zudem stattet CTX die Gehäuse nach Zeichnungsvorgabe des Kunden mit Bohrungen für die diversen Anschlüsse aus.
Als weitere Dienstleistung übernehmen die Nettetaler die Lagerhaltung für Etasyn. „Wir bevorraten bis zu zwei Lieferlose, also maximal Gehäuse“, erklärt CTX-Projektleiter Thomas Windeck. Die Drebacher rufen dann monatlich die benötigten Gehäuse in Nettetal ab und verbauen in ihnen Schaltnetzteile verschiedener Leistungsklassen mit Ausgangsspannungen von VDC bis VDC.
<h2>Kühlung für jede Art der Elektronik</h2>
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 ist ideal, weil sie die Anzahl der Bauteile in einem elektrischen Gerät und damit den Wartungsaufwand minimiert.
Leider reicht der Kühleffekt durch freie Konvektion 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 – das Produkt setzt auf erzwungene Konvektion. 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“.
<h2>Spezialist für Kühlung und Gehäuse</h2>
Als Full-Line-Anbieter hält CTX für nahezu jede Aufgabenstellung im Bereich der Hochleistungselektronik die richtige Kühllösung bereit. Basis dafür sind umfassendes Know-how und langjährige Erfahrung in der Konzeption und dem Vertrieb von Kühllösungen für das effektive Wärmemanagement von Hochleistungselektronik. „Bei Elektronikanwendungen gibt es kaum ein thermisches Problem, das wir mit unserem Produktportfolio nicht lösen könnten“, ist sich Thomas Windeck sicher. Die Auswahl der für den jeweiligen Anwendungsfall infrage kommenden Kühltechnologie erfolgt auf Basis der Kundendaten. Anschließend wird eine thermische Simulationen 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. Der Kunde hält seine Lösung damit schneller in Händen – was Firmen wie Etasyn hilft, ebenfalls schneller am Markt zu sein.
Auf einen Blick
Gehäuse und Kühllösung in einem: Diese Doppelfunktion lässt sich mit Aluminiumdruckgussgehäusen umsetzen. CTX fertigt diese Gehäuse exakt nach Kundenvorgaben und bringt auch das eigene Wärmemanagement-Know-how ein: Durch eine thermische Simulation stellen die Nettetaler sicher, dass das Gehäuse seine Aufgaben erfüllt – ohne dafür Prototypen anfertigen zu müssen. Wenn dann Kunden wie der hier genannte Netzteilspezialist Etasyn eine effiziente Elektronik umhausen müssen, reicht die natürliche Konvektion am glatten Alu-Gehäuse aus.
(lei)
