Mivel az elektromos motorok egyre több alkalmazásban játszanak alapvető szerepet, Nico Bruijnis, a Bergquist európai marketingigazgatója áttekinti a fejlesztéseket, és megvitatja az elektromos motorvezérlők hőháztartása kezelésének növekvő fontosságát

Az elektromos motorvezérlők számos alkalmazásban megtalálhatók, a háztartási eszközöktől az ipari rendszerekig éppúgy, mint az autóipar alrendszereiben és az elektromos járművekben. Az új meghajtók által lehetővé vált kifinomult sebesség- és nyomatékvezérlés kiküszöböli a hagyományos be- és kikapcsolást, ami által finomabb működést és nagyobb hatékonyságot érhetünk el. A szabályozható mozgásvezérlők megjelenése jelentős mértékben csökkentette a piacra dobás idejét és egy új, elektromosan vezérelt motor kialakításának költségét, ami által ezek járható utat jelentenek sok költségérzékeny piacon.

A hőelvezetés megoldása sarkalatos kérdés
Az elektromos vezérlő részeként általában MOSFET vagy IGBT tranzisztorokból felépített kapcsolóhidat használnak a motor meghajtásához. Amikor a híd tranzisztorai bekapcsolt állapotban vannak, a „Drain-Source" (MOSFET tranzisztor) vagy a kollektoremitter (IGBT) ellenállás I²R veszteségei hőt állítanak elő a tranzisztor tokozásán belül. A kapcsolás veszteségei is hozzájárulnak ehhez a belül keletkező hőhöz, amit el kell távolítani, hogy megakadályozzuk, hogy a csatlakozás hőmérséklete a gyártó által ajánlott maximális érték fölé emelkedjen. Ahogy a motor fordulatszáma a sebesség vagy a nyomaték növelése érdekében emelkedik, a híd tranzisztorai által generált hő szintén.
Ezért bármely elektromos motorvezérlő tervezőjének számolni kell a hőelvezetésre fordított költségvetéssel. A hőmérsékletgrádienst a hűtőborda felületétől az eszköz illesztéséig kezelni kell, hogy az illesztés hőmérséklete a legrosszabb esetben is a gyártó által meghatározott maximális értéken belül legyen. Ezért a tranzisztor felületétől a hűtőbordáig tartó hatékony hővezető útvonal létfontosságú ahhoz, hogy elegendő hőenergiát adjunk át a hűtőbordának, ahonnan az hatékonyan szétsugárzik, vagy szükség szerint egy hűtőventilátor segítségével eltávozik. Ha a hűtés elégtelennek bizonyul, kompenzálni kell egy nagyobb hűtőborda alkalmazásával, esetleg járulékos hűtőventilátorral, vagy mindkettővel. Ez többletköltséggel jár, ráadásul ellentétes azzal a követelménnyel, hogy a szerkezet minél kisebb helyen férjen el.

Méret- és költségmegkötések
A hűtőborda lehetséges méretének fizikai határa is lehet, főleg az olyan kötött hellyel rendelkező alkalmazás esetén, mint az autóipar. Az egyik megoldás, ha drága anyagból, pl. rézből készült hűtőbordát választunk. A réz hővezető képessége magasabb, mint az azonos méretű és alakú alumíniumé. Mielőtt döntést hoznánk egy ilyen magas költségű alternatívát illetően, a mérnököknek mindenképp meg kell győződniük arról, hogy a MOSFET és a hűtőborda közötti összekapcsolódás a lehető leghatékonyabb. A megfelelő hővezető képességű kitöltő anyagok behelyezése lehetővé teszi az elektromos alrendszer tervezőjének, hogy megfeleljen az autógyártók által meghatározottaknak anélkül, hogy drága hűtőborda-megoldásokhoz nyúlna. Az alumínium hűtőborda könnyebb, mint az azonos paraméterű rézeszköz. Az autóipari környezetben ez jelentős tényező lehet, ami befolyással van a hűtőbordák kiválasztására és méretezésére.
A hűtőbordához vezető út hatékonyságának növelése főleg az útvonal réseinek kiküszöbölésével érhető el. A zárt vagy álló levegőnek jelentősen kisebb a hővezető képessége, mint a tranzisztor tokozásának, az alumínium hűtőbordáknak, vagy akár a szerelőpanel FR4 anyagának. A levegő hővezető képessége 0,02 W/mK körül mozog, ami az alumínium esetében 237 W/mK. A kritikus rések hővezető és elektromosan szigetelt anyaggal való kitöltése alapvető az olyan villamos készülékeknél, mint a széles körben használatos motorvezérlők. A legmegfelelőbb réskitöltő anyag kiválasztása, a hővezető képesség, a kezelési könnyedség és a költség optimális kombinációja fontos részét képezi a hőelvezetés kialakítási folyamatának.

Motorvezérlők a motorháztető alatt
Az egyik gyakorlati példa a jelenlegi trend, hogy elektromos motorvezérlőket alkalmazzunk az autók hűtőventilátoraihoz. Ezáltal a ventilátor sebessége változtatható, és ez rugalmasabb motorhűtési stratégiát tesz lehetővé, valamint az autó elektronikájára fordított költség is jobban kezelhető. A motort hajtó feszültséget kapcsoló meghajtóegységnek szét kell oszlatnia a veszteségeket a ventilátormotor energiájával arányosan.
Egy kisautó esetében ez 300 és 500 W között mozoghat. Nagyobb autóhoz 800 … 1000 W-os motor szükséges.

A nagyobb motor számára szükséges magasabb feszültség eredményeként a tranzisztorokban nagyobb lesz a disszipáció, habár nagyobb hűtőborda használata, vagy a vezérlő máshová helyezése a jobb hűtés érdekében megakadályozható egyéb jármű-kialakítási megszorításokkal. Erőteljesebb ventilátor esetében néhány újabb kialakítás hatékonyabb hőelvezetést igényelt a tranzisztor tokozásától a hűtőbordáig. Ehhez magasabb hővezetési képességű réskitöltő anyagok kellenek. Ezek összetétele és technológiai úttérképe olyan, hogy egyfajta kompromisszum van a hővezető képesség és a költség között. Ezért az olyan tömeggyártás esetén, mint amilyen egy autóipari projekt, a rendszerek tervezői gyakran dolgoznak együtt a hővezető anyagok forgalmazóival, hogy a megoldást egyedivé tegyék.
Ezt jól mutatja két legutóbbi Bergquist-projekt is: két európai autógyártóval együttdolgozva, a Bergquist mérnökei kifejlesztettek egy 1,5 W/mK vezetőképességű réskitöltő anyagot, hogy az megfeleljen a kisautók változó sebességű hűtőventilátorai által támasztott követelményeknek. Nemrégiben egy nagyobb gépjárműhöz kellett kifejleszteni egy speciális, 3 W/mK hővezető képességű autóipari hézagkitöltő anyagot, hogy javuljon a hőáramlás a hűtőborda felé.
Általánosságban elmondható, hogy az elektromos motorok használata főleg a járművekben növekszik.
Széles körű alapvető és összetett feladatokat hajtanak végre, az ülések és a tükrök beállításától kezdve a motor és sebességváltó mű indítószerkezetéig. Másik növekvő alkalmazási területet a kormányműrendszerek jelentenek. A Bergquist látja el hővezető anyagokkal egy vezető autógyár elektromos és elektromoshidraulikus kormányműveit, ahol a csúcsteljesítmény akár 470 ... 695 W is lehet.
Az elektromos meghajtók nagyobb irányíthatóságot eredményeznek, működésük finomabb és költséghatékonyabbak, így a motorvezérlés kialakítása fontos tényező, és megfontolandó a modern gépjárművek számos területén.

Motorvezérlés a gyárban
Egyéb fontos paramétereket is meg kell fontolnunk a hővezető anyagok fejlesztésekor. Az olyan alkalmazásokban, mint az ipari vezérlők, ahol a meghajtó és a vezérlőelemeket gyakran présöntési technológiával készült burkolatba ágyazzák, a burkolaton végzett gépmunka eredményeként gyakran előfordulnak fémszilánkok. Ezek átvághatják a köztes anyagokat, és zárlatot okozhatnak a MOSFET tokozása és a hűtőborda között. Gyakran használják az üvegszálat a többfunkciós hővezető anyagok mechanikai erősségének növelésére. Ez ugyan erős és költséghatékony megoldást eredményez, nem ellenálló viszont az átvágással szemben. Új, filmtípusú anyagok kerülnek előtérbe manapság, amelyek kombinálják az átvágással szembeni nagy ellenállást a mechanikai erősséggel, javítva ezzel az összes köztes anyaggal szemben támasztott tulajdonságot.
Az átvágás lehetősége, annak következményei és a kényszer, hogy ezt elkerüljük, szintén nagyon lényegesek az autóipari alkalmazásokban.

Motorvezérlés az elektromos járművekhez
Bármely motorvezérlő alkalmazásban a motor maximális fordulatszáma idézi elő a legrosszabb hődisszipációt. Az olyan alkalmazásban, mint az elektromos gépjármű, a járművek, amelyek működését a hirtelen gyorsulás és nagy terhek hordozása jellemzi, nagy igényt támasztanak a motor fordulatszámával szemben. Egyik ilyen alkalmazás lehet a targonca, vagy más teherszállító jármű.
A legrosszabb esetben fennálló feltételek biztosítása érdekében, az elektromos járművek motorvezérlőiben a fizikailag nagyméretű alkatrészeket – mint amilyenek a furatszerelt MOSFET-ek, kondenzátorok és sínek – lecserélték olyan hőkapacitású alkatrészekre, hogy a hőmérséklet ellenőrizhető legyen. Az ilyen nagy eszközök összeszerelése költséges, mivel általánosságban nem alkalmasak a nagy sebességű automatizált gyártósoron való szerelésre.
A gyártósor átbocsátóképessége szintén viszonylag lassú, amely csökkenti a termelékenységet, és a jármű építési idejét megnöveli. Olyan hővezető anyagok használata, mint a Bergquist Thermal Clad, lehetővé tette az elektromos járművek gyártói számára, hogy átváltsanak a felületszerelt technológiára, az olyan eszközök esetében is, mint a félvezetők. A felületszerelés nagy sebességű, automatizált, valamint kisebb, alacsonyabb profilú szerelt egységet tesz lehetővé, összehasonlítva a furatszerelési módokkal.
A nagyobb mértékű automatizálás és a teljesítmény lehetővé tette az elektromos járművek gyártói számára, hogy csökkentsék költségeiket, elérjenek akár 50%-os megtakarítást az összeszerelés méretében, és csökkentsék, vagy teljesen kizárják az olyan drága alkatrészeket, mint a hűtőborda, amivel még nagyobb mértékű megtakarítást érhetnek el. Az egyik legutóbbi esetben egy vezető targoncagyártó cég áttervezte a fő motorvezérlő paneljét, hogy használhassa a Thermal Clad szigetelésű fémötvözetet. Ennek során a vezérlő egy hatalmas, kézzel összeszerelt egységből – amely magában foglalt 66 furatszerelt MOSFET-et, 15 magas profilú kondenzátort és 9 magas profilú sínt – egy vékony egységgé alakult át, amely 48 felületszerelt MOSFET-ből, 9 alacsony profilú kondenzátorból és 5 alacsony pro­filú sínből áll. Emellett a panel mérete 50%-kal, az eszköz súlya pedig több mint 75%-kal csökkent! A súly az elektromos autók nagyon fontos paramétere, ami közvetlen hatással van a motor szükséges erejére, a kellő fordulatszámra és az olyan erővezérlő alkatrészekre, mint a MOSFET. Ezen paraméterek csökkentése nem csak költségmegtakarítást eredményez, hanem megnöveli az akkumulátor élettartamát és újratöltési gyakoriságát.

Következtetés
A széles körben alkalmazott elektromos motorok fordulatszám-szabályozásának növekvő igénye miatt, a tranzisztorhidak tervezése – az egyes tranzisztorok belső hőmérsékletének szabályozására – fontos alapelv számos, motorvezérlést tervező számára. Az alkatrészek és a hűtőborda közötti rések megszüntetése alapvető az egészséges hővezető kialakításhoz, és ehhez számos anyag felhasználható.
Egy másik nagyon hatékony technológia a nagy hűtőbordával szerelt alkatrészek esetében, hogy a szabvány áramköri lapanyagot szigetelt fémszerelőpanelra cseréljük. Ez nem csak nagyon rövid útvonalat eredményez a hűtőbordához, de kiküszöböli az egyenkénti hűtőbordák szükségességét – amelyek drágák, növelik a vezérlő méreteit, és időigényes az összeszerelésük –, valamint lehetővé teszi a felületre történő szerelést a kisebb beépítési méretű alkatrészek használatával anélkül, hogy csökkentené a teljesítményt.

A Bergquist Company egy magántulajdonban lévő családi vállalkozás, amely az 1960-as években kezdte el működését az Egyesült Államok középnyugati régiójában elektromos alkatrészek forgalmazójaként. Mára a Bergquist négy részlegből áll: hővezető termékek, membrán kapcsolók, elektromos alkatrészek és érintőképernyők. A Bergquist a világ vezető vállalata a hővezető anyagok fejlesztése és gyártása területén, amelyek olyan termékmegoldásokat eredményeznek, amelyek irányíthatják és kezelhetik az elektromos berendezésekben és a nyomtatott áramköri lapokon keletkezett hőt. A Bergquist központjai és üzemei az Egyesült Államokban, Minnesota és Wisconsin államban találhatók. A Bergquist további üzemekkel rendelkezik Hollandiában, Németországban, az Egyesült Királyságban, Koreában, Japánban, Hong Kong-ban és a kínai Pekingben. Az egész világra kiterjedő értékesítési és támogatási hálózat révén a vállalat nemzetközi ügyfeleinek egyedi igényeit képes kielégíteni. A vállalat sokéves tapasztalattal rendelkezik az autóipar gyártói és beszállítói számára nyújtott megoldások terén, és a QS9000 minősítés birtokosa; a Bergquist azon munkálkodik, hogy a közeljövőben elérje a TS16949 minősítést.