WO2011020812A2 - Intelligent drive unit - Google Patents

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WO2011020812A2
WO2011020812A2 PCT/EP2010/061885 EP2010061885W WO2011020812A2 WO 2011020812 A2 WO2011020812 A2 WO 2011020812A2 EP 2010061885 W EP2010061885 W EP 2010061885W WO 2011020812 A2 WO2011020812 A2 WO 2011020812A2
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WO
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drive unit
control unit
unit according
housing
motor
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/061885
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German (de)
French (fr)
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WO2011020812A3 (en
Inventor
Heiko Söhner
Marcus Gutzmer
Uwe Krause
Uwe Nolte
Martin Riedel
Markus Wenzeis
Jörg Jungbauer
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2011020812A2 publication Critical patent/WO2011020812A2/en
Publication of WO2011020812A3 publication Critical patent/WO2011020812A3/en

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/30—Structural association with control circuits or drive circuits
    • H02K11/33—Drive circuits, e.g. power electronics
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/21—Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/25—Devices for sensing temperature, or actuated thereby
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2211/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to measuring or protective devices or electric components
    • H02K2211/03—Machines characterised by circuit boards, e.g. pcb

Definitions

  • the invention relates to a drive unit comprising a motor and a control unit and at least one power supply, wherein the motor has a rotor and a stator in a housing.
  • a drive unit is used in all fields in which electrical drives are used.
  • brushless DC motors require electronic commutation control.
  • additional functions such as safety-relevant functionalities, can also be taken over by the controller, often with the help of additional external components.
  • additional space is required for the control as well as for any additional components that may be present. This can lead to difficulties especially in tight installation situations, so that possibly also the control and / or the additional components must be physically separated from the engine, resulting u.a. additional costs and additional cabling.
  • the state of the art is to provide, for example, the functionality required for brushless DC motors for commutation (eg block or sinusoidal commutation) by way of an electronic control system to the motor.
  • These drives are usually operated on a DC voltage, in particular a low voltage.
  • at least one electrical interface eg CAN bus
  • Due to the flanging additional space is needed.
  • an additional external actuator for example a converter.
  • the motor itself usually contains only one rotary sensor and possibly an overtemperature shutdown, eg by means of a bimetal.
  • the invention has for its object to propose a drive unit, which requires less space compared to the known solutions.
  • control unit is integrated into the housing by utilizing space available in the housing.
  • the inventive integration of the entire necessary for the operation of the engine electronics in the already existing in the motor housing space can be dispensed with, for example, a flanging or a separate housing of the control unit.
  • the starting point for this is, for example, due to the nature of the winding heads present in the engine or even in a rather angular motor housing due to the circular shape of the rotor and stator in the corners of the housing previously unused or not fully utilized space.
  • a mains supply power supply, eg 230 V AC
  • a mains supply power supply, eg 230 V AC
  • the motor is designed as a DC motor and the control unit has means for electronic commutation. This eliminates the usual in brushless DC motors Flange the control necessary for the electronic commutation (eg block or sine commutation).
  • control unit has at least one communication interface.
  • This may be designed for wired and / or wireless communication, so far an electrical (wired) interface, such as, for example, is more commonly used.
  • a CAN bus via which, for example, commands (for example "on”, "off") or possibly also a parameterization can be transferred to the control unit.
  • control unit has a computer core.
  • a processor core includes a microprocessor, a memory, an interrupt controller and a DMA controller (DMA: "Direct Memory Access”), as well as an internal bus, which enables the control unit to perform even more complex control functions, such as For example, an engine control according to a pre-programmed travel path
  • Control unit goes beyond a pure “control” is insofar a question of realized in the control unit functionalities. The same applies to the subject of the main claim, even if there is no complete computer core in this.
  • control unit to a certain extent means a minimum (pure motor) "control”, but which may also have additional functionalities. This clarifies, however, is used synonymously in the present application, control unit and control (without quotation marks), unless it is particularly pointed out.
  • control unit has a switching power supply, which is designed in a particularly advantageous form of embodiment as a wide-range power supply.
  • Switching power supplies constructed from power semiconductors displace conventional power supplies more and more due to their higher efficiency.
  • the due to the High-frequency switching cycles occurring disturbances are not detrimental to the engine control, but it can also be a filter device provided in the switching power supply for this purpose.
  • control unit has an intermediate circuit.
  • energy can be temporarily stored, for example, for a starting process of the engine, in which significantly more energy is required than for the "steady state".
  • control unit has an output stage. In this way, the input power can be amplified directly to the required output power directly in the drive unit.
  • a rotary sensor with a Drehsensorsignalausnce is arranged in the housing.
  • This can e.g. be implemented as encoders, magnetic encoders, etc., whereby the integration of the evaluation unit in the motor housing in comparison to the known solutions in which only the rotation sensor is integrated, no need for additional space is required.
  • a further advantageous embodiment is in the
  • control unit has means for identifying and storing engine-specific parameters.
  • engine-specific refers to each individual engine - not just one type of engine, even if such a engine-specific parameter (or several) may be the same for all engines - because the control and engine are (virtually) inseparable Form unity.
  • special calibration functions can be realized that are only used during the manufacturing process. An example of this would be a calibration of the torque curve during the production phase, in order to minimize noise during the deployment phase.
  • control unit has means for detecting and storing engine-specific information. These may e.g. Wear information or operating hours of the engine, which in turn (inseparable) can be inseparably connected to the drive unit.
  • engine-specific information e.g. Wear information or operating hours of the engine, which in turn (inseparable) can be inseparably connected to the drive unit.
  • other engine-specific data such as manufacturer, model, machine type, etc. can also be stored here (whereby the detection occurs to a certain extent in the factory), so that the functionality of an electronic nameplate is also available.
  • a temperature sensor is integrated in the housing.
  • the current engine temperature can be reported "to the outside” via the optional communication interface or, in a particularly advantageous manner, also be monitored directly by the control unit itself.
  • control unit has means for self-protection. This includes self-protection against overheating - using an internal or optional additional temperature sensor inherent in the control unit - and / or self-protection against overcurrent - again using an internal or optional additional current sensor.
  • mechanical auxiliary components in a drive train can be reproduced by means of the control unit.
  • the functionality of a slip clutch / overload clutch can be modeled.
  • a structure-borne sound pickup is integrated in the housing.
  • a structure-borne sound measurement can be reported "to the outside" via the optional communication interface or analyzed directly by the control unit itself, thus allowing early diagnosis / wear indication by the drive unit before failure of the relevant component
  • a defined starting ramp may be stored in the control with which the motor is controlled, or different travel paths
  • the position values of the interpolation points can be linearly interpolated, which may result in jumps in the speed and / or acceleration and thus an uneven run in the machine, unless further measures are taken to compensate tion (such as acceleration and / or jerk limitation) are taken.
  • the traverse paths are not particularly complicated - as is usually the case, for example, with opening mechanisms such as doors, gates and the like - even a few support points can suffice for a sufficiently jerk-free and jerk-free movement.
  • a function for an electronic cam can be calculated based on polynomial coefficients for the trajectory control by means of the control unit.
  • Such electronic cams based on functions with different coefficients are nowadays used to provide a continuous To ensure safe and gentle (movement) movement for example opening mechanisms such as elevator and bus doors or the mechanics of machines.
  • a cam disc - whether mechanical or electronic - thus defines a trajectory.
  • Applications such as cross-cutters, tubular bag machines (or production machines in general), require a wide variety of travel profiles for the coordinated operation of several machine parts. These must be generated as gently as possible for the mechanics and the production process and deposited. Efficient controls are needed to calculate the appropriate setpoint values from the functions for the electronic cam during machine operation.
  • control unit in the housing of the drive unit is no efficient and therefore correspondingly expensive external control (such as a PLC, "Programmable Logic Controller", or PLC, "Programmable Logic Controller”) necessary to the electronic curve disc with polynomials for To make available.
  • external control such as a PLC, "Programmable Logic Controller", or PLC, "Programmable Logic Controller”
  • PLC Programmable Logic Controller
  • the communication cycles can be made longer with the drive unit according to the invention, since the time-critical functions for calculating the traverse paths are calculated directly in the drive unit.
  • nM characteristics speed-torque characteristics
  • control unit has means for ensuring a functional safety of the drive unit.
  • a functional safety of the drive unit e.g. an application-related torque limitation, a "safe-set"
  • a self-diagnosis can be carried out by means of the control unit.
  • This self-diagnosis can be started cyclically automatically and / or by an operator from the outside, so that malfunctions can be detected in good time.
  • control unit is designed for communication via at least one power supply.
  • the interface eliminates the wiring and connectors, which not only saves installation and costs, but also eliminates the possibility of errors due to faulty wiring, and in comparison to a wireless communication interface reduces the problem of limited range, which in other factories in other factories Engines and machines in the environment of the drive unit can be strengthened.
  • this is suitable Form of the design very well when the drive unit as such in addition to the at least one power supply requires no further interfaces, since the intelligent control unit usually works without external control signals, but this, for example, with the help of a configuration tool should be configurable.
  • control unit has at least one multi-chip module. It has hitherto been borrowed to apply semiconductor devices - including power semiconductors such as transistors - by means of conventional soldering on printed circuit boards, which are then - as described above - housed in a designated flange. At this time, the semiconductor chips are provided with a corresponding case (e.g., DPAK). In particular power semiconductors are u.a.
  • SMD Surface Mounted Device
  • THT Through Hole Technology
  • At least part of the control unit is designed as a system-in-package.
  • a system-in-package With this high-tech connection technology known from the modern semiconductor industry, it is possible to miniaturize the control unit and to realize a highly integrated mechatronic overall system.
  • the integration of the control unit in the motor housing is also possible in such cases in which only a small space for the control unit is available.
  • SiP System-in-Package
  • SiP is a combination of different active electronic components with different functionalities, which are mounted in one unit.
  • a SiP may also include micro-electro-mechanical systems (MEMS), passive and optical components, or other packages and modules.
  • MEMS micro-electro-mechanical systems
  • passive and optical components or other packages and modules.
  • the system-in-package solutions include various technologies and connection technologies.
  • Chip type for a horizontal arrangement of the wire-bonding type (eg ball-bonding / wedge-bonding with gold, aluminum or copper bonding wires under the action of heat, pressure or ultrasound or a combination thereof) and the flip can be mentioned here Chip type, for a stacked arrangement, various combinations of said types and the so-called “terminal-through-via type” and for embedded structures various complex types, such as “Wafer Level Packaging” (WLP) combined with "chip Likewise, an SiP may also include “traditional packages” such as “system-on-chip” (SoC) or “chip-on-board” (CoB). Also techniques such as the arrangement of the components on a flex circuit board are used here.
  • SoC system-on-chip
  • CoB chip-on-board
  • control unit has at least one chip that is protected against environmental influences and / or at least one arrangement of chips that is protected from environmental influences and that has or has no housing. This is e.g. achieved by applying a protective layer.
  • the housing of the semiconductor chips is an additional thermal resistance and also requires additional space.
  • the substrate is arranged on at least one inner side of the housing.
  • At least one inside of the housing has a surface quality with an emission value close to 1. This is e.g. achieved by applying a corresponding paint, whereby the cooling is further promoted.
  • the rotor is designed such that in an interior of the housing a
  • Air flow can be generated.
  • this forced convection inside the motor housing not only the cooling is further promoted, it is here in particular an embodiment of the semiconductor components without housing advantageous because these caseless components are cooled particularly well by the convection.
  • the drive unit is designed to drive at least one automatically actuated opening mechanism, in particular an elevator door.
  • opening mechanisms are, in addition to doors, gates and the like, skylights, locker flaps, etc.
  • the installation space available for a drive unit is usually very low, eg if the drive is arranged on elevator doors between a car of the elevator and an elevator door should be.
  • FIG. 2 shows a plan view of the motor from FIG. 1 with exploitable installation space
  • FIG. 3 shows a possible arrangement of semiconductor elements in a drive unit according to the invention.
  • Figure 1 shows a cross section of a motor with a rotor 3 which is fixed to a shaft 12, and a stator 4 in a housing 5.
  • the shaft 12 is guided by waveguides 13.
  • the motor is a schematic representation of a high-pole permanent-magnet synchronous motor with drum rotor 3, which is preferably used as a gearless drive (direct drive) is used. This is also the obvious application of the solution according to the invention.
  • a control unit 2 can be arranged between the stator 4, above and below the rotor 3, in the illustration.
  • the control unit 2 which is indicated in the lower area of Figure 1 in the already existing space 7 left and right of the shaft 12 and the shaft guides 13 - the control unit 2 may of course consist of several spatially distributed components - has inter alia, a switching power supply 14 which is connected to a power supply 6.
  • a drive unit 1 is thus realized in which a mains supply 6 (eg 230 V AC) is required in a minimal configuration as the only external connection.
  • the control unit 2 can also be designed for communication via the power supply 6 (so-called "power line communication", PLC).
  • control unit 2 In order to integrate not only the control unit 2, but in addition to this possibly even more (not shown in the figure) components such as rotary and temperature sensor in the existing space 7 in the housing 5, are in the production of the control unit 2 advantageously high-tech manufacturing processes , as previously known only from the modern semiconductor industry, also in the areas of construction and manufacturing of integrated engine electronics to transfer.
  • the technologies to be used are system-in-package (SiP), system-on-chip (SoC), chip on board / bonding, MCM (multi-chip module), flip-chip, flex circuit board, solder bumps, Terminal-through-via, etc.
  • FIG. 2 shows a plan view of the motor from FIG. 1.
  • a round motor with rotor 3, stator 4 and shaft 12
  • an at least substantially angular housing 5 in the four corner regions also not yet exploited Installation space 7, in which a - not shown here - control unit 2 can be integrated (or components of this), so that there is a highly integrated drive unit 1.
  • FIG. 3 shows a schematic representation similar to that in FIG. 1, but in the lower area instead of the control unit 2 (semiconductor) chips 8 are now arranged on a substrate 9. Shown are also the electrical connections 10 from chip 8 to chip 8, chip 8 to substrate 9 and substrate 9 to motor winding (as part of the stator 4 on the right edge of the screen).
  • the substrate 9 is electrically insulating and provided with a good thermal conductivity, so that it provides for the illustrated direct attachment to the housing 5 for a good heat dissipation 11 of the chips 8.
  • the chips 8 or semiconductor modules, in particular the power semiconductors, are executed housing-free, whereby a cooling 11 is further favored.
  • the rotor 3 advantageously generates an air flow in the interior of the housing 5 during operation. This forced convection distributes the heat more uniformly in the interior and can also be conducted to the outside via further housing points.
  • the invention relates to a drive unit of a motor and a control unit and with at least one power supply, wherein the motor has a rotor and a
  • Stator in a housing To provide a drive unit, which requires less space compared to the known solutions, it is proposed to integrate the control unit by utilizing available space in the housing in the housing.
  • the integration of the control unit in the motor housing is also possible in such cases, in which only a small space for the control unit is available.

Abstract

The invention relates to a drive unit consisting of a motor and a control unit and having at least one power feed, wherein the motor comprises a rotor and a stator in a housing. In order to provide a drive unit that requires less installation space relative to known solutions, the invention proposes integrating the controller in the housing, utilizing the installation space present in the housing. Using high-technology connecting means known from the modern semiconductor industry, such as system-in-package, the integration of the control unit in the motor housing is enabled even for housings in which only a small installation space is available for the control unit.

Description

Beschreibung description
Intelligente Antriebseinheit Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit aus einem Motor und einer Steuereinheit sowie mit zumindest einer Stromzuführung, wobei der Motor einen Rotor und einen Stator in einem Gehäuse aufweist. Eine derartige Antriebseinheit kommt auf allen Gebieten zum Einsatz, in denen elektrische Antriebe Verwendung finden. So ist beispielsweise für bürstenlose Gleichstrommotoren eine Steuerung für die elektronische Kommutierung notwendig. Aber auch viele Zusatzfunktionen wie sicherheitsrelevante Funktio- nalitäten können - oft unter Zuhilfenahme zusätzlicher externer Komponenten - von der Steuerung übernommen werden. Zusätzlich zum für den zwangsläufig vorhandenen Motor benötigten Bauraum wird hierbei allerdings sowohl für die Steuerung als auch für eventuell vorhandene Zusatzkomponenten zusätzli- eher Bauraum benötigt. Dies kann insbesondere bei engen Einbausituationen zu Schwierigkeiten führen, so dass ggf. auch die Steuerung und/oder die Zusatzkomponenten räumlich getrennt vom Motor untergebracht werden müssen, woraus u.a. zusätzliche Kosten und ein zusätzlicher Verkabelungsaufwand re- sultiert. The invention relates to a drive unit comprising a motor and a control unit and at least one power supply, wherein the motor has a rotor and a stator in a housing. Such a drive unit is used in all fields in which electrical drives are used. For example, brushless DC motors require electronic commutation control. But many additional functions, such as safety-relevant functionalities, can also be taken over by the controller, often with the help of additional external components. However, in addition to the installation space required for the inevitably existing engine, additional space is required for the control as well as for any additional components that may be present. This can lead to difficulties especially in tight installation situations, so that possibly also the control and / or the additional components must be physically separated from the engine, resulting u.a. additional costs and additional cabling.
Stand der Technik ist es, beispielsweise die bei bürstenlosen DC-Motoren für die Kommutierung (z.B. Block- oder Sinus- Kommutierung) notwendige Funktionalität durch eine Anflan- schung der elektronischen Steuerung an den Motor bereitzustellen. Dabei werden diese Antriebe in der Regel an einer DC-Spannung, insbesondere einer Kleinspannung, betrieben. Ferner existiert meist mindestens eine elektrische Schnittstelle (z.B. CAN-Bus), die der Parametrierung und der Be- fehlsgabe dient. Durch die Anflanschung wird zusätzlicher Bauraum benötigt. Ebenfalls bekannt ist es, Teile der elektronischen Steuerung innerhalb des Motorgehäuses unterzubringen, z.B. einen Drehsensor. So ist es u.a. bei Drehfeldmaschinen sehr weit verbreitet, ein zusätzliches externes Stellglied, beispielsweise einen Umrichter, einzusetzen. Der Motor selbst beinhaltet in diesem Fall meist nur einen Drehsensor und ggf. eine Übertem- peraturabschaltung z.B. mittels Bimetall. The state of the art is to provide, for example, the functionality required for brushless DC motors for commutation (eg block or sinusoidal commutation) by way of an electronic control system to the motor. These drives are usually operated on a DC voltage, in particular a low voltage. Furthermore, there is usually at least one electrical interface (eg CAN bus) which serves for the parameterization and the command input. Due to the flanging additional space is needed. It is also known to accommodate parts of the electronic control within the motor housing, eg a rotary sensor. Thus, it is very widely used, among other things in induction machines, to use an additional external actuator, for example a converter. In this case, the motor itself usually contains only one rotary sensor and possibly an overtemperature shutdown, eg by means of a bimetal.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsein- heit vorzuschlagen, die im Vergleich zu den bekannten Lösungen weniger Bauraum benötigt. The invention has for its object to propose a drive unit, which requires less space compared to the known solutions.
Diese Aufgabe wird bei einer Antriebseinheit der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Steuereinheit unter Aus- nutzung von im Gehäuse vorhandenen Bauraum in das Gehäuse integriert ist. This object is achieved in a drive unit of the type mentioned above in that the control unit is integrated into the housing by utilizing space available in the housing.
Durch die erfindungsgemäße Integration der gesamten für den Betrieb des Motors notwendigen Elektronik in den ohnehin im Motorgehäuse vorhandenen Bauraum kann beispielsweise auf eine Anflanschung oder eine separate Unterbringung der Steuereinheit verzichtet werden. Ausgangspunkt hierfür ist beispielsweise der aufgrund der Ausprägung der im Motor vorhandenen Wickelköpfe entstehende oder auch der bei einem eher eckigen Motorgehäuse aufgrund der Kreisform von Rotor und Stator in den Ecken des Gehäuses bislang ungenutzte oder nicht vollständig ausgenutzte Bauraum. In einer „Minimalkonfiguration,, kann daher als einziger externer Anschluss eine Netzzuleitung (Stromzuführung, z.B. 230 V AC) erforderlich sein. Somit er- hält man mit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit ein kompaktes Antriebssystem als Einkomponentenlösung, woraus die Vorteile eines geringeren Montageaufwands und eines geringeren Bauvolumens resultieren. In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung ist der Motor als Gleichstrommotor ausgebildet und weist die Steuereinheit Mittel für eine elektronische Kommutierung auf. Somit entfällt die insbesondere bei bürstenlosen DC-Motoren übliche Anflanschung der für die elektronische Kommutierung (z.B. Block- oder Sinus-Kommutierung) notwendigen Steuerung. The inventive integration of the entire necessary for the operation of the engine electronics in the already existing in the motor housing space can be dispensed with, for example, a flanging or a separate housing of the control unit. The starting point for this is, for example, due to the nature of the winding heads present in the engine or even in a rather angular motor housing due to the circular shape of the rotor and stator in the corners of the housing previously unused or not fully utilized space. In a "minimum configuration", a mains supply (power supply, eg 230 V AC) may be required as the only external connection. Thus, with the drive unit according to the invention, a compact drive system is obtained as a one-component solution, from which the advantages of a lower assembly outlay and a smaller construction volume result. In an advantageous embodiment of the embodiment, the motor is designed as a DC motor and the control unit has means for electronic commutation. This eliminates the usual in brushless DC motors Flange the control necessary for the electronic commutation (eg block or sine commutation).
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Steuereinheit zumindest eine Kommunikationsschnittstelle auf. Diese kann für eine drahtgebundene und/oder eine drahtlose Kommunikation ausgelegt sein, üblich ist bislang eher eine elektrische (drahtgebundene) Schnittstelle, wie z.B. ein CAN- Bus, über die beispielsweise Befehle (bspw. „ein", „aus") oder ggf. auch eine Parametrierung an die Steuereinheit übergeben werden können. In a further advantageous embodiment, the control unit has at least one communication interface. This may be designed for wired and / or wireless communication, so far an electrical (wired) interface, such as, for example, is more commonly used. a CAN bus, via which, for example, commands (for example "on", "off") or possibly also a parameterization can be transferred to the control unit.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Steuereinheit einen Rechnerkern auf. Zu einem Rechnerkern zählt dabei ein Mikroprozessor, ein Speicher, ein Interrupt- Controller sowie ein DMA-Controller (DMA: „Direct Memory Access") ; ebenso notwendigerweise ein interner Bus. Hiermit ist die Steuereinheit in der Lage, auch komplexere Steuerfunktionen wahrzunehmen, wie z.B. eine Motorsteuerung gemäß eines vorprogrammierten Fahrwegs. Inwieweit in diesem Sinne dieIn a further advantageous embodiment, the control unit has a computer core. A processor core includes a microprocessor, a memory, an interrupt controller and a DMA controller (DMA: "Direct Memory Access"), as well as an internal bus, which enables the control unit to perform even more complex control functions, such as For example, an engine control according to a pre-programmed travel path
„Steuereinheit" gemäß der Erfindung über eine reine „Steuerung" hinausgeht, ist insofern eine Frage der in der Steuereinheit realisierten Funktionalitäten. Dasselbe gilt auch für den Gegenstand des Hauptanspruchs, auch wenn in diesem kein vollständiger Rechnerkern vorhanden ist. Im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet „Steuereinheit" gewissermaßen minimal eine (reine Motor-) „Steuerung", die aber auch darüber hinausgehende Funktionalitäten aufweisen kann. Dieses klarstellend, wird in der vorliegenden Anmeldung allerdings Steu- ereinheit und Steuerung (ohne Anführungszeichen) synonym verwendet, sofern nicht besonders darauf hingewiesen wird. "Control unit" according to the invention goes beyond a pure "control" is insofar a question of realized in the control unit functionalities. The same applies to the subject of the main claim, even if there is no complete computer core in this. For the purposes of the present invention, "control unit" to a certain extent means a minimum (pure motor) "control", but which may also have additional functionalities. This clarifies, however, is used synonymously in the present application, control unit and control (without quotation marks), unless it is particularly pointed out.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Steuereinheit ein Schaltnetzteil auf, das in einer besonders vorteilhaften Form der Ausgestaltung als Weitbereichsschalt- netzteil ausgebildet ist. Aus Leistungshalbleitern aufgebaute Schaltnetzteile verdrängen aufgrund ihres höheren Wirkungsgrades herkömmliche Netzteile immer mehr. Die aufgrund der hochfrequenten Schaltzyklen auftretenden Störungen wirken sich für die Motorsteuerung nicht schädlich aus, es kann aber auch eine Filtervorrichtung im Schaltnetzteil hierfür vorgesehen sein. In a further advantageous embodiment, the control unit has a switching power supply, which is designed in a particularly advantageous form of embodiment as a wide-range power supply. Switching power supplies constructed from power semiconductors displace conventional power supplies more and more due to their higher efficiency. The due to the High-frequency switching cycles occurring disturbances are not detrimental to the engine control, but it can also be a filter device provided in the switching power supply for this purpose.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Steuereinheit einen Zwischenkreis auf. In diesem kann Energie beispielsweise für einen Anfahrvorgang des Motors, bei dem oft deutlich mehr Energie als für den „eingeschwungenen Zu- stand" benötigt wird, zwischengespeichert werden. In a further advantageous embodiment, the control unit has an intermediate circuit. In this case, energy can be temporarily stored, for example, for a starting process of the engine, in which significantly more energy is required than for the "steady state".
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Steuereinheit eine Endstufe auf. Auf diese Weise kann direkt in der Antriebseinheit die Eingangsleistung auf eine erfor- derliche Ausgangsleistung verstärkt werden. In a further advantageous embodiment, the control unit has an output stage. In this way, the input power can be amplified directly to the required output power directly in the drive unit.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist im Gehäuse ein Drehsensor mit einer Drehsensorsignalauswerteeinheit angeordnet. Dies kann z.B. als Encoder, magnetische Geber etc. realisiert sein, wobei durch die Integration auch der Auswerteeinheit in das Motorgehäuse im Vergleich zu den bekannten Lösungen, bei denen nur der Drehsensor integriert ist, kein Bedarf an zusätzlichem Bauraum erforderlich ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in dasIn a further advantageous embodiment, a rotary sensor with a Drehsensorsignalauswerteeinheit is arranged in the housing. This can e.g. be implemented as encoders, magnetic encoders, etc., whereby the integration of the evaluation unit in the motor housing in comparison to the known solutions in which only the rotation sensor is integrated, no need for additional space is required. In a further advantageous embodiment is in the
Gehäuse ein Motorstrom- und/oder -spannungssensor integriert. Auf diese Weise kann - wie auch schon bei der Ausführungsform mit Drehsensor - beispielsweise ein Soll- mit einem Ist-Wert verglichen und eine Abweichung bei der Ansteuerung des Motors ggf. berücksichtigt werden. Housing integrated a motor current and / or voltage sensor. In this way - as in the embodiment with rotary sensor - for example, a target value compared with an actual value and a deviation in the control of the motor optionally be considered.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Steuereinheit Mittel zur Identifizierung und Speicherung motorspezifischer Parameter auf. Dabei bezieht sich „motorspe- zifisch" auf jeden einzelnen Motor - nicht nur auf eine Gattung von Motoren, auch wenn für eine solche ein motorspezifischer Parameter (oder auch mehrere) für alle Motoren gleich sein kann - da Steuerung und Motor eine (quasi) untrennbare Einheit bilden. So können beispielsweise spezielle Kalibrierfunktionen realisiert werden, die nur während des Fertigungsprozesses zum Einsatz kommen. Ein Beispiel hierfür wäre eine Kalibrierung des Drehmomentenverlaufs während der Produkti- onsphase, um in der Einsatzphase die Geräuschentwicklung zu minimieren . In a further advantageous embodiment, the control unit has means for identifying and storing engine-specific parameters. In this case, "engine-specific" refers to each individual engine - not just one type of engine, even if such a engine-specific parameter (or several) may be the same for all engines - because the control and engine are (virtually) inseparable Form unity. For example, special calibration functions can be realized that are only used during the manufacturing process. An example of this would be a calibration of the torque curve during the production phase, in order to minimize noise during the deployment phase.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Steuereinheit Mittel zur Erfassung und Speicherung motorspe- zifischer Informationen auf. Diese können z.B. Verschleißinformationen oder Betriebsstunden des Motors sein, die so wiederum (quasi) untrennbar mit der Antriebseinheit verbunden werden können. Zusätzlich können hiermit auch weitere motorspezifische Daten wie Hersteller, Modell, Maschinentyp etc. gespeichert werden (wobei die Erfassung gewissermaßen im Werk geschieht) , so dass auch die Funktionalität eines elektronischen Typenschildes zur Verfügung steht. In a further advantageous embodiment, the control unit has means for detecting and storing engine-specific information. These may e.g. Wear information or operating hours of the engine, which in turn (inseparable) can be inseparably connected to the drive unit. In addition, other engine-specific data such as manufacturer, model, machine type, etc. can also be stored here (whereby the detection occurs to a certain extent in the factory), so that the functionality of an electronic nameplate is also available.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in das Gehäuse ein Temperatursensor integriert. Hierdurch kann beispielsweise über die optionale Kommunikationsschnittstelle die aktuelle Motortemperatur „nach außen" gemeldet oder in besonders vorteilhafter Weise auch direkt von der Steuereinheit selbst überwacht werden. In a further advantageous embodiment, a temperature sensor is integrated in the housing. As a result, for example, the current engine temperature can be reported "to the outside" via the optional communication interface or, in a particularly advantageous manner, also be monitored directly by the control unit itself.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Steuereinheit Mittel zu einem Selbstschutz auf. Dieser beinhaltet einen Selbstschutz gegen Überhitzung - mithilfe eines der Steuereinheit innewohnenden, internen oder des optiona- len, zusätzlichen Temperatursensors - und/oder einen Selbstschutz gegen Überstrom - wiederum mithilfe eines internen oder des optionalen zusätzlichen Stromsensors. In a further advantageous embodiment, the control unit has means for self-protection. This includes self-protection against overheating - using an internal or optional additional temperature sensor inherent in the control unit - and / or self-protection against overcurrent - again using an internal or optional additional current sensor.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind mittels der Steuereinheit mechanische Hilfskomponenten in einem Antriebsstrang nachbildbar. Auf diese Weise kann elektronisch z.B. die Funktionalität einer Rutschkupplung / Überlastkupplung nachgebildet werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in das Gehäuse ein Körperschallaufnehmer integriert. Hierdurch kann beispielsweise über die optionale Kommunikationsschnittstelle eine Körperschallmessung „nach außen" gemeldet oder in beson- ders vorteilhafter Weise auch direkt von der Steuereinheit selbst analysiert werden. Somit kann eine Frühdiagnose/Verschleißanzeige vor Ausfall der betreffenden Komponente selbständig durch die Antriebseinheit vorgenommen werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mittels der Steuereinheit eine Trajektoriensteuerung des Motors durchführbar. So kann beispielsweise eine definierte Anlauframpe in der Steuerung gespeichert sein, mit der der Motor angesteuert wird, oder unterschiedliche Fahrwege. Hierzu wer- den beispielsweise Stützpunkte in einer Stützpunkttabelle hinterlegt, wobei zwischen den Positionswerten der Stützpunkte linear interpoliert wird. Hieraus können sich Sprünge in der Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung und damit ein unruhiger Lauf in der Maschine ergeben, sofern nicht weitere Maßnahmen zur Kompensation (wie z.B. Beschleunigungs- und/oder Ruckbegrenzung) getroffen werden. Sind die Verfahrwege allerdings nicht sonderlich kompliziert - wie gewöhnlich beispielsweise bei Öffnungsmechanismen wie Türen, Toren und dergleichen - können auch schon wenige Stützpunkte für eine hinreichend stoß- und ruckfreie Bewegung genügen. In a further advantageous embodiment, mechanical auxiliary components in a drive train can be reproduced by means of the control unit. In this way, electronically, for example, the functionality of a slip clutch / overload clutch can be modeled. In a further advantageous embodiment, a structure-borne sound pickup is integrated in the housing. In this way, for example, a structure-borne sound measurement can be reported "to the outside" via the optional communication interface or analyzed directly by the control unit itself, thus allowing early diagnosis / wear indication by the drive unit before failure of the relevant component For example, a defined starting ramp may be stored in the control with which the motor is controlled, or different travel paths The position values of the interpolation points can be linearly interpolated, which may result in jumps in the speed and / or acceleration and thus an uneven run in the machine, unless further measures are taken to compensate tion (such as acceleration and / or jerk limitation) are taken. However, if the traverse paths are not particularly complicated - as is usually the case, for example, with opening mechanisms such as doors, gates and the like - even a few support points can suffice for a sufficiently jerk-free and jerk-free movement.
Zumindest für viele Produktionsmaschinen sind hingegen sehr viele Stützpunkte notwendig, um eine schonende Verfahrbewegung zu generieren. Hierdurch entsteht bei einem Austausch der Stützpunkte zudem ein hohes Datenvolumen, da alle Stützpunkte über eine Schnittstelle geschickt werden müssen. On the other hand, at least for many production machines, a large number of interpolation points are necessary in order to generate a gentle traversing movement. This results in a replacement of the bases also a high volume of data, since all bases must be sent via an interface.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist für die Trajektoriensteuerung mittels der Steuereinheit eine Funktion für eine elektronische Kurvenscheibe basierend auf Polynomkoeffizienten berechenbar. Derartige elektronische Kurvenscheiben, die auf Funktionen mit unterschiedlichen Koeffizienten basieren, werden heutzutage eingesetzt, um eine kontinuierli- che und schonende (Verfahr-) Bewegung für beispielsweise Öffnungsmechanismen wie Aufzugs- und Bustüren oder die Mechanik von Maschinen zu gewährleisten. (Eine Kurvenscheibe - ob mechanisch oder elektronisch - definiert also eine Trajekto- rie.) Anwendungen, wie z.B. Querschneider, Schlauchbeutelmaschinen (oder Produktionsmaschinen allgemein) , benötigen für einen koordinierten Ablauf von mehreren Maschinenteilen unterschiedlichste Verfahrprofile. Diese müssen dabei möglichst schonend für die Mechanik und den Produktionsablauf generiert und hinterlegt werden. Um die entsprechenden Sollwerte aus den Funktionen für die elektronische Kurvenscheibe während des Betriebes der Maschine zu berechnen, werden leistungsfähige Steuerungen benötigt. Durch die erfindungsgemäße Integration der Steuereinheit in das Gehäuse der Antriebseinheit ist keine leistungsfähige und dadurch entsprechend teure externe Steuerung (wie eine SPS, „Speicherprogrammierbare Steuerung", oder PLC, „Programmable Logic Controller") notwendig, um die elektronische Kurven- Scheibe mit Polynomen zur Verfügung zu stellen. Zudem entfällt die zwischen einer externen Steuerung, von der zum Antrieb hin nur noch ein Lagesollwert nach der Kurvenscheibe oder ein Drehzahlsollwert weitergegeben wird, und einem (herkömmlichen) Antrieb (ohne integrierte Steuerung) notwendige schnelle Kommunikation, um eine Konturtreue der Lageregelung zu gewährleisten. Zudem können so die Kommunikationszyklen mit der erfindungsgemäßen Antriebseinheit länger gemacht werden, da die zeitkritischen Funktionen zur Berechnung der Verfahrwege direkt in der Antriebseinheit gerechnet werden. In a further advantageous embodiment, a function for an electronic cam can be calculated based on polynomial coefficients for the trajectory control by means of the control unit. Such electronic cams based on functions with different coefficients are nowadays used to provide a continuous To ensure safe and gentle (movement) movement for example opening mechanisms such as elevator and bus doors or the mechanics of machines. (A cam disc - whether mechanical or electronic - thus defines a trajectory.) Applications, such as cross-cutters, tubular bag machines (or production machines in general), require a wide variety of travel profiles for the coordinated operation of several machine parts. These must be generated as gently as possible for the mechanics and the production process and deposited. Efficient controls are needed to calculate the appropriate setpoint values from the functions for the electronic cam during machine operation. The inventive integration of the control unit in the housing of the drive unit is no efficient and therefore correspondingly expensive external control (such as a PLC, "Programmable Logic Controller", or PLC, "Programmable Logic Controller") necessary to the electronic curve disc with polynomials for To make available. In addition, there is no need for fast communication between an external control, from which only a nominal position value after the cam disk or a speed setpoint is passed on to the drive, and a (conventional) drive (without integrated control) to ensure contour accuracy of the position control. In addition, the communication cycles can be made longer with the drive unit according to the invention, since the time-critical functions for calculating the traverse paths are calculated directly in the drive unit.
Durch die erfindungsgemäße Berechnung der auf Polynomkoeffizienten basierenden Funktion für die elektronische Kurvenscheibe mittels der in das Gehäuse der Antriebseinheit integrierten Steuereinheit erhält man ohne eine externe und teure Steuerung zur Profilgenerierung und Abarbeitung stoß- und ruckfreie Verfahrprofile für schonende Bewegungen im Antrieb. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mittels der Steuereinheit eine Kennliniensteuerung und/oder -projek- tierung durchführbar. Hierdurch sind beliebige n-M-Kennlinien (Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien) emulierbar, z.B. eine Asyn- chronmaschinen-Kennlinie . Dies ermöglicht auch, nur einen Typ Hardware auf Lager zu haben (oder wenige Typen) , und das „customizing" - die Anpassung an die Kunden-Anforderungen - je nach Applikation erst bei Auslieferung vorzunehmen. Dabei können die Kennlinien (wie die Trajektorien) ebenfalls durch Stützpunkte oder durch eine Funktion gegeben sein. The calculation according to the invention of the function based on polynomial coefficients for the electronic cam by means of the control unit integrated in the housing of the drive unit results in shock and jerk-free movement profiles for gentle movements in the drive without an external and expensive control for profile generation and execution. In a further advantageous embodiment, a characteristic control and / or projection can be carried out by means of the control unit. As a result, any desired nM characteristics (speed-torque characteristics) can be emulated, for example, an asynchronous machine characteristic. This also makes it possible to have only one type of hardware in stock (or a few types), and to make the "customizing" - depending on the application - only on delivery, and the characteristic curves (like the trajectories) can also be used be given by vertices or by a function.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Steuereinheit Mittel für eine Sicherstellung einer funktionalen Sicherheit der Antriebseinheit auf. Eine solche ist z.B. eine anwendungsbezogene Drehmomentenbegrenzung, eine „Safe-In a further advantageous embodiment, the control unit has means for ensuring a functional safety of the drive unit. Such is e.g. an application-related torque limitation, a "safe-
Torque-Off"-Funktion, SILl, etc. (Dabei ist SIL - der „Safety Integrity Level" - keine Eigenschaft der Antriebseinheit allein, sondern ermöglicht aufgrund spezieller Eigenschaften der Antriebseinheit eine Klassifizierung des Gesamtsystems gemäß SILn [n=1..4]. Torque-off function, SIL, etc. (SIL - the "Safety Integrity Level" - is not a property of the drive unit alone, but due to special characteristics of the drive unit, allows a classification of the entire system according to SILn [n = 1..4] ,
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mittels der Steuereinheit eine Selbstdiagnose durchführbar. Diese Selbstdiagnose kann dabei zyklisch automatisch und/oder durch einen Bediener von außen gestartet werden, so dass Funktionsfehler rechtzeitig erkannt werden können. In a further advantageous embodiment, a self-diagnosis can be carried out by means of the control unit. This self-diagnosis can be started cyclically automatically and / or by an operator from the outside, so that malfunctions can be detected in good time.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit für eine Kommunikation über zumindest eine Stromzu- führung ausgebildet. Im Vergleich zu einer elektronischenIn a further advantageous embodiment, the control unit is designed for communication via at least one power supply. Compared to an electronic
Schnittstelle entfallen hier die Verkabelung und z.B. Steckverbinder, wodurch nicht nur Montageaufwand und Kosten gespart werden, sondern auch die Fehlermöglichkeiten durch eine fehlerhafte Verkabelung wegfallen, und im Vergleich zu einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle verringert sich hier das Problem der begrenzten Reichweite, das z.B. in Fabrikhallen durch weitere Motoren und Maschinen im Umfeld der Antriebseinheit verstärkt werden kann. Zudem eignet sich diese Form der Ausgestaltung sehr gut dann, wenn die Antriebseinheit als solche neben der zumindest einen Stromzuführung keine weiteren Schnittstellen benötigt, da die intelligente Steuereinheit normalerweise ohne externe Steuersignale arbei- tet, diese jedoch, z.B. mit Hilfe eines Konfigurationstools, konfigurierbar sein soll. The interface eliminates the wiring and connectors, which not only saves installation and costs, but also eliminates the possibility of errors due to faulty wiring, and in comparison to a wireless communication interface reduces the problem of limited range, which in other factories in other factories Engines and machines in the environment of the drive unit can be strengthened. In addition, this is suitable Form of the design very well when the drive unit as such in addition to the at least one power supply requires no further interfaces, since the intelligent control unit usually works without external control signals, but this, for example, with the help of a configuration tool should be configurable.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Steuereinheit zumindest ein Multi-Chip-Modul auf. Gebräuch- lieh ist es bislang, Halbleiterbauelemente - auch Leistungshalbleiter wie Transistoren - mittels konventioneller Löttechnik auf Leiterplatten aufzubringen, die dann - wie oben beschrieben - in einer dafür vorgesehene Anflanschung untergebracht werden. Dabei sind die Halbleiterchips mit einem entsprechenden Gehäuse versehen (z.B. DPAK). Insbesondere Leistungshalbleiter sind u.a. als THT-Elemente ausgeführt (THT: „Through Hole Technology", Durchsteckmontage). Diese werden dann in der Regel in der Anflanschung mit dem Motorgehäuse verschraubt oder geklammert. Ferner werden auch SMD- Teile verwendet (SMD: „Surface Mounted Device", Oberflächenmontage) , die aber im Sinne einer Entwärmung zwar besser als THT-Elemente sind, aber keinen optimalen Aufbau ausbilden. Alternativ dazu gibt es auch bereits integrierte Module, bei denen die Halbleiter/Leistungshalbleiter als Multi-Chip- Module (MCM) ausgeführt sind und die dann aber auf konventionelle Weise wie beschrieben verbaut werden. In a further advantageous embodiment, the control unit has at least one multi-chip module. It has hitherto been borrowed to apply semiconductor devices - including power semiconductors such as transistors - by means of conventional soldering on printed circuit boards, which are then - as described above - housed in a designated flange. At this time, the semiconductor chips are provided with a corresponding case (e.g., DPAK). In particular power semiconductors are u.a. These are then bolted or clamped to the motor housing in the flanges, and SMD parts are also used (SMD: "Surface Mounted Device", surface mount) as THT elements (THT: "Through Hole Technology") ), which are better than THT elements in the sense of heat dissipation, but do not form an optimal structure. Alternatively, there are already integrated modules in which the semiconductor / power semiconductors are designed as multi-chip modules (MCM) and which are then installed in a conventional manner as described.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest ein Teil der Steuereinheit als System-in-Package ausgeführt. Mit dieser aus der modernen Halbleiterindustrie bekannten hochtechnologischen Verbindungstechnik ist es möglich, die Steuereinheit zu miniaturisieren und ein hochintegriertes me- chatronisches Gesamtsystem zu realisieren. Hiermit wird die Integration der Steuereinheit in das Motorgehäuse auch bei solchen Gehäusen ermöglicht, bei denen nur ein geringer Bauraum für die Steuereinheit zur Verfügung steht. System-in-Package (SiP) ist eine Kombination verschiedener aktiver elektronischer Komponenten mit unterschiedlichen Funktionalitäten, die in einer Einheit montiert sind. Ein SiP kann optional auch mikro-elektromechanische Systeme (MEMS), passive und optische Komponenten oder auch weitere „packages,, und Module beinhalten. Zu den System-in-Package-Lösungen zählen dabei verschiedene Technologien und Verbindungstechniken. Zu nennen sind hier insbesondere für eine horizontale Anordnung der Wire-bonding-Typ (z.B. ball-bonding / wedge-bonding mit Gold-, Aluminium- oder Kupfer-Bonddrähten unter Einwirkung von Wärme, Druck oder Ultraschall oder einer Kombination daraus) und der Flip-Chip-Typ, für eine gestapelte Anordnung verschiedene Kombinationen der genannten Typen sowie der so genannte „Terminal-through-via-Typ" und für eingebettete Strukturen verschiedene komplexere Typen, wie z.B. „Wafer Level Packaging" (WLP) kombiniert mit „Chip-on-surface" . Ebenso kann ein SiP auch „traditionelle Pakete" wie „System-on-Chip" (SoC) oder „Chip-on-Board" (CoB) beinhalten. Auch Techniken wie die Anordnung der Bauelemente auf einer Flex-Leiterplatte finden hierbei Verwendung. In a further advantageous embodiment, at least part of the control unit is designed as a system-in-package. With this high-tech connection technology known from the modern semiconductor industry, it is possible to miniaturize the control unit and to realize a highly integrated mechatronic overall system. Hereby, the integration of the control unit in the motor housing is also possible in such cases in which only a small space for the control unit is available. System-in-Package (SiP) is a combination of different active electronic components with different functionalities, which are mounted in one unit. Optionally, a SiP may also include micro-electro-mechanical systems (MEMS), passive and optical components, or other packages and modules. The system-in-package solutions include various technologies and connection technologies. In particular, for a horizontal arrangement of the wire-bonding type (eg ball-bonding / wedge-bonding with gold, aluminum or copper bonding wires under the action of heat, pressure or ultrasound or a combination thereof) and the flip can be mentioned here Chip type, for a stacked arrangement, various combinations of said types and the so-called "terminal-through-via type" and for embedded structures various complex types, such as "Wafer Level Packaging" (WLP) combined with "chip Likewise, an SiP may also include "traditional packages" such as "system-on-chip" (SoC) or "chip-on-board" (CoB). Also techniques such as the arrangement of the components on a flex circuit board are used here.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Steuereinheit zumindest einen vor Umwelteinflüssen geschützten Chip und/oder zumindest eine vor Umwelteinflüssen ge- schützte Anordnung von Chips auf, der bzw. die kein Gehäuse aufweisen bzw. aufweist. Dieses wird z.B. durch Auftrag einer Schutzschicht erreicht. Generell stellt das Gehäuse der Halbleiterchips einen zusätzlichen thermischen Widerstand dar und benötigt darüber hinaus zusätzlichen Bauraum. Durch die Ver- wendung gehäuseloser Komponenten wird also zum Einen die Integration der Steuereinheit in das Motorgehäuse und zum Anderen auch die Entwärmung insbesondere der Leistungshalbleiter begünstigt . In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist dieIn a further advantageous embodiment, the control unit has at least one chip that is protected against environmental influences and / or at least one arrangement of chips that is protected from environmental influences and that has or has no housing. This is e.g. achieved by applying a protective layer. In general, the housing of the semiconductor chips is an additional thermal resistance and also requires additional space. By using housing-less components, the integration of the control unit into the motor housing and, on the other hand, the cooling of the power semiconductors, in particular, is favored on the one hand. In a further advantageous embodiment, the
Steuereinheit Halbleiterbauelemente auf zumindest einem Chip und/oder zumindest einer Anordnung von Chips auf, der bzw. die an einem elektrisch isolierenden und thermisch gut leit- fähigen Substrat angeordnet sind bzw. ist. Auf diese Weise kann die Wärme der Halbleiterelemente - insbesondere der Leistungshalbleiter - gut durch das Substrat abgeleitet werden . Control unit semiconductor components on at least one chip and / or at least one arrangement of chips, which on an electrically insulating and thermally well conductive capable substrate are arranged or is. In this way, the heat of the semiconductor elements - especially the power semiconductors - can be easily dissipated through the substrate.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist dabei das Substrat an zumindest einer Innenseite des Gehäuses angeordnet. Mit der direkten Verbindung mit dem Motorgehäuse, insbesondere mit dem Motordeckel, ist eine besonders vorteilhafte Entwärmung der Leistungshalbleiter verbunden, die für die Integrationsdichte eine Schlüsselrolle spielt. In a further advantageous embodiment, the substrate is arranged on at least one inner side of the housing. With the direct connection to the motor housing, in particular with the motor cover, a particularly advantageous cooling of the power semiconductor is connected, which plays a key role for the integration density.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist zumindest eine Innenseite des Gehäuses eine Oberflächenbeschaffen- heit mit einem Emissionswert nahe 1 auf. Dieses wird z.B. durch Auftrag eines entsprechenden Lackes erreicht, wodurch die Entwärmung weiter begünstigt wird. In a further advantageous embodiment, at least one inside of the housing has a surface quality with an emission value close to 1. This is e.g. achieved by applying a corresponding paint, whereby the cooling is further promoted.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Rotor derart ausgebildet, dass in einem Inneren des Gehäuses einIn a further advantageous embodiment, the rotor is designed such that in an interior of the housing a
Luftstrom erzeugbar ist. Durch diese erzwungene Konvektion im Inneren des Motorgehäuses wird nicht nur die Entwärmung noch weiter begünstigt, es ist hierbei insbesondere eine Ausführung der Halbleiterkomponenten ohne Gehäuse von Vorteil, da diese gehäuselosen Komponenten durch die Konvektion besonders gut gekühlt werden. Air flow can be generated. As a result of this forced convection inside the motor housing not only the cooling is further promoted, it is here in particular an embodiment of the semiconductor components without housing advantageous because these caseless components are cooled particularly well by the convection.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Antriebseinheit zum Antrieb zumindest eines automatisch betä- tigten Öffnungsmechanismus, insbesondere einer Aufzugstür, ausgebildet. Beispiele für derartige Öffnungsmechanismen sind neben Türen, Toren und dergleichen auch Oberlichter, Schließfachklappen etc. Insbesondere bei Aufzugstüren ist der für eine Antriebseinheit zur Verfügung stehende Bauraum gewöhn- lieh sehr gering, z.B. wenn der Antrieb bei Aufzugstüren zwischen einem Fahrkorb des Aufzugs und einer Aufzugstür angeordnet sein soll. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen: FIG 1 einen Querschnitt eines Motors mit ausnutzbarem Bauraum, In a further advantageous embodiment, the drive unit is designed to drive at least one automatically actuated opening mechanism, in particular an elevator door. Examples of such opening mechanisms are, in addition to doors, gates and the like, skylights, locker flaps, etc. Particularly in the case of elevator doors, the installation space available for a drive unit is usually very low, eg if the drive is arranged on elevator doors between a car of the elevator and an elevator door should be. In the following the invention will be described and explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the figures. 1 shows a cross section of an engine with exploitable space,
FIG 2 eine Draufsicht des Motors aus Figur 1 mit ausnutzbarem Bauraum, 2 shows a plan view of the motor from FIG. 1 with exploitable installation space, FIG.
FIG 3 eine mögliche Anordnung von Halbleiterelementen in einer Antriebseinheit gemäß der Erfindung. 3 shows a possible arrangement of semiconductor elements in a drive unit according to the invention.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt eines Motors mit einem Rotor 3, der an einer Welle 12 befestigt ist, und einem Stator 4 in einem Gehäuse 5. Die Welle 12 wird durch Wellenführungen 13 geführt. Der Motor sei eine schematische Darstellung eines hochpoligen permanenterregten Synchronmotors mit Trommelläufer 3, der vorzugsweise als getriebeloser Antrieb (Direktan- trieb) zum Einsatz kommt. Dies ist auch der naheliegende Einsatzbereich der erfindungsgemäßen Lösung. Figure 1 shows a cross section of a motor with a rotor 3 which is fixed to a shaft 12, and a stator 4 in a housing 5. The shaft 12 is guided by waveguides 13. The motor is a schematic representation of a high-pole permanent-magnet synchronous motor with drum rotor 3, which is preferably used as a gearless drive (direct drive) is used. This is also the obvious application of the solution according to the invention.
Zwischen dem Stator 4 befindet sich oberhalb und unterhalb des Rotors 3 in der Darstellung noch nicht ausgenutzter Bau- räum 7, in dem eine Steuereinheit 2 angeordnet werden kann. Die Steuereinheit 2, die im unteren Bereich der Figur 1 im ohnehin vorhandenen Bauraum 7 links und rechts von der Welle 12 und den Wellenführungen 13 angedeutet ist - die Steuereinheit 2 kann natürlich aus mehreren räumlich verteilten Kompo- nenten bestehen - weist u.a. ein Schaltnetzteil 14 auf, das mit einer Stromzuführung 6 verbunden ist. Zusammen wird somit eine Antriebseinheit 1 realisiert, bei der in einer Minimalkonfiguration als einziger externer Anschluss eine Netzzuleitung 6 (z.B. 230 V AC) erforderlich ist. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann allerdings die Steuereinheit 2 auch für eine Kommunikation über die Stromzuführung 6 ausgelegt sein (so genannte „Power Line Communication", PLC) . Um nicht nur die Steuereinheit 2, sondern neben dieser eventuell auch noch weitere (nicht in der Figur dargestellte) Komponenten wie beispielsweise Dreh- und Temperatursensor, in den vorhandenen Bauraum 7 im Gehäuse 5 zu integrieren, sind bei der Herstellung der Steuereinheit 2 vorteilhafterweise hochtechnologische Fertigungsprozesse, wie sie bislang ausschließlich aus der modernen Halbleiterindustrie bekannt sind, auch in die Bereiche Konstruktion und Fertigung von integrierten Motorelektroniken zu übertragen. Beispiele für die anzuwendenden Technologien sind SiP (System-in-Package) , SoC (System-on-Chip) , Chip on board / bonden, MCM (Multi-Chip- Modul), Flip-Chip, Flex-Leiterplatte, Solder bumps, Terminal- through-via etc. Durch den Einsatz dieser Herstellungs- oder Verbindungstechniken wird es wesentlich erleichtert - wenn nicht, abhängig von der Motor- und Gehäusegröße, überhaupt erst möglich - ein so hochintegriertes mechatronisches Gesamtsystem 1 zu realisieren. Between the stator 4, above and below the rotor 3, in the illustration, unused building space 7 is located, in which a control unit 2 can be arranged. The control unit 2, which is indicated in the lower area of Figure 1 in the already existing space 7 left and right of the shaft 12 and the shaft guides 13 - the control unit 2 may of course consist of several spatially distributed components - has inter alia, a switching power supply 14 which is connected to a power supply 6. Together, a drive unit 1 is thus realized in which a mains supply 6 (eg 230 V AC) is required in a minimal configuration as the only external connection. In a particularly advantageous embodiment, however, the control unit 2 can also be designed for communication via the power supply 6 (so-called "power line communication", PLC). In order to integrate not only the control unit 2, but in addition to this possibly even more (not shown in the figure) components such as rotary and temperature sensor in the existing space 7 in the housing 5, are in the production of the control unit 2 advantageously high-tech manufacturing processes , as previously known only from the modern semiconductor industry, also in the areas of construction and manufacturing of integrated engine electronics to transfer. Examples of the technologies to be used are system-in-package (SiP), system-on-chip (SoC), chip on board / bonding, MCM (multi-chip module), flip-chip, flex circuit board, solder bumps, Terminal-through-via, etc. Through the use of these manufacturing or connection techniques, it is much easier - if not, depending on the size of the motor and housing, even possible - to realize such a highly integrated total mechatronic system 1.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht des Motors aus Figur 1. Wie gut zu erkennen ist, ergeben sich bei einem runden Motor (mit Rotor 3, Stator 4 und Welle 12) in einem zumindest im Wesentlichen eckigen Gehäuse 5 in den vier Eckbereichen ebenfalls noch nicht ausgenutzter Bauraum 7, in den eine - hier nicht dargestellte - Steuereinheit 2 integriert werden kann (oder Komponenten von dieser) , so dass sich eine hochintegrierte Antriebseinheit 1 ergibt. FIG. 2 shows a plan view of the motor from FIG. 1. As can be clearly seen, in a round motor (with rotor 3, stator 4 and shaft 12) in an at least substantially angular housing 5 in the four corner regions also not yet exploited Installation space 7, in which a - not shown here - control unit 2 can be integrated (or components of this), so that there is a highly integrated drive unit 1.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung ähnlich wie in Figur 1, in der aber im unteren Bereich anstelle der Steuer- einheit 2 nun (Halbleiter-) Chips 8 auf einem Substrat 9 angeordnet sind. Dargestellt sind auch die elektrischen Verbindungen 10 von Chip 8 zu Chip 8, Chip 8 zu Substrat 9 und Substrat 9 zu Motorwicklung (als Teil des Stators 4 am rechten Bildrand) . Das Substrat 9 ist elektrisch isolierend und mit einer guten thermischen Leitfähigkeit ausgestattet, so dass es durch die dargestellte direkte Anbringung am Gehäuse 5 für eine gute Entwärmung 11 der Chips 8 sorgt. Die Chips 8 bzw. Halbleitermodule, insbesondere die Leistungshalbleiter, sind gehäuselos ausgeführt, wodurch eine Entwärmung 11 weiter begünstigt wird. Um diese noch weiter zu verstärken, erzeugt der Rotor 3 vorteilhafterweise im Betrieb eine Luftströmung im Inneren des Gehäuses 5. Durch diese erzwungene Konvektion verteilt sich die Wärme gleichmäßiger im Inneren und kann auch über weitere Gehäusestellen nach außen geleitet werden. FIG. 3 shows a schematic representation similar to that in FIG. 1, but in the lower area instead of the control unit 2 (semiconductor) chips 8 are now arranged on a substrate 9. Shown are also the electrical connections 10 from chip 8 to chip 8, chip 8 to substrate 9 and substrate 9 to motor winding (as part of the stator 4 on the right edge of the screen). The substrate 9 is electrically insulating and provided with a good thermal conductivity, so that it provides for the illustrated direct attachment to the housing 5 for a good heat dissipation 11 of the chips 8. The chips 8 or semiconductor modules, in particular the power semiconductors, are executed housing-free, whereby a cooling 11 is further favored. In order to further enhance this, the rotor 3 advantageously generates an air flow in the interior of the housing 5 during operation. This forced convection distributes the heat more uniformly in the interior and can also be conducted to the outside via further housing points.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Antriebseinheit aus einem Motor und einer Steuereinheit sowie mit zumindest einer Stromzuführung, wobei der Motor einen Rotor und einenIn summary, the invention relates to a drive unit of a motor and a control unit and with at least one power supply, wherein the motor has a rotor and a
Stator in einem Gehäuse aufweist. Um eine Antriebseinheit anzugeben, die im Vergleich zu den bekannten Lösungen weniger Bauraum benötigt, wird vorgeschlagen, die Steuereinheit unter Ausnutzung von im Gehäuse vorhandenen Bauraum in das Gehäuse zu integrieren. Durch aus der modernen Halbleiterindustrie bekannte hochtechnologische Verbindungstechniken, wie z.B. System-in-Package, wird die Integration der Steuereinheit in das Motorgehäuse auch bei solchen Gehäusen ermöglicht, bei denen nur ein geringer Bauraum für die Steuereinheit zur Ver- fügung steht. Stator in a housing. To provide a drive unit, which requires less space compared to the known solutions, it is proposed to integrate the control unit by utilizing available space in the housing in the housing. By high-tech joining techniques known from the modern semiconductor industry, such as e.g. System-in-package, the integration of the control unit in the motor housing is also possible in such cases, in which only a small space for the control unit is available.

Claims

Patentansprüche claims
1. Antriebseinheit (1) aus einem Motor und einer Steuereinheit (2) sowie mit zumindest einer Stromzuführung (6), wobei der Motor einen Rotor (3) und einen Stator (4) in einem Gehäuse (5) aufweist, A drive unit (1) comprising a motor and a control unit (2) and at least one power supply (6), the motor having a rotor (3) and a stator (4) in a housing (5),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, characterized,
dass die Steuereinheit (2) unter Ausnutzung von im Gehäuse (5) vorhandenen Bauraum (7) in das Gehäuse (5) integriert ist. the control unit (2) is integrated into the housing (5) by utilizing the available space (7) in the housing (5).
2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, 2. Drive unit according to claim 1,
wobei der Motor als Gleichstrommotor ausgebildet ist und die Steuereinheit (2) Mittel für eine elektronische Kommutierung aufweist. wherein the motor is designed as a DC motor and the control unit (2) comprises means for electronic commutation.
3. Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, 3. Drive unit according to claim 1 or 2,
wobei die Steuereinheit (2) zumindest eine Kommunikationsschnittstelle aufweist. wherein the control unit (2) has at least one communication interface.
4. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (2) einen Rechnerkern aufweist. 4. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein the control unit (2) comprises a computer core.
5. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (2) ein Schaltnetzteil (14) aufweist. 5. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein the control unit (2) comprises a switching power supply (14).
6. Antriebseinheit nach Anspruch 5, 6. Drive unit according to claim 5,
wobei das Schaltnetzteil (14) als Weitbereichsschaltnetzteil ausgebildet ist. wherein the switching power supply (14) is designed as a wide-range switching power supply.
7. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (2) einen Zwischenkreis aufweist. 7. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein the control unit (2) has an intermediate circuit.
8. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (2) eine Endstufe aufweist. 8. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein the control unit (2) has an output stage.
9. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Gehäuse (5) ein Drehsensor mit einer Drehsensorsig- nalauswerteeinheit angeordnet ist. 9. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein in the housing (5) a rotary sensor with a Drehsensorsig- nalauswerteeinheit is arranged.
10. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem im Gehäuse (5) angeordneten Motorstrom- und/oder - spannungssensor . 10. Drive unit according to one of the preceding claims with a in the housing (5) arranged motor current and / or - voltage sensor.
11. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (2) Mittel zur Identifizierung und11. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein the control unit (2) means for identification and
Speicherung motorspezifischer Parameter aufweist. Storage engine-specific parameters has.
12. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (2) Mittel zur Erfassung und Speiche- rung motorspezifischer Informationen aufweist. 12. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein the control unit (2) comprises means for detecting and storing engine-specific information.
13. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem im Gehäuse (5) angeordneten Temperatursensor. 13. Drive unit according to one of the preceding claims with a in the housing (5) arranged temperature sensor.
14. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (2) Mittel zu einem Selbstschutz aufweist. 14. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein the control unit (2) comprises means for self-protection.
15. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der Steuereinheit (2) mechanische Hilfskompo- nenten in einem Antriebsstrang nachbildbar sind. 15. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein by means of the control unit (2) mechanical auxiliary components are replicable in a drive train.
16. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem in das Gehäuse (5) integrierten Körperschallaufneh- mer. 16. Drive unit according to one of the preceding claims with a in the housing (5) integrated structure-borne sound receiver.
17. Antriebseinheit nach Anspruch 16, 17. Drive unit according to claim 16,
wobei die Steuereinheit (2) Mittel für eine Körperschallanalyse aufweist. wherein the control unit (2) comprises means for a structure-borne sound analysis.
18. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der Steuereinheit (2) eine Trajektoriensteue- rung des Motors durchführbar ist. 18. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein by means of the control unit (2) a Trajektoriensteue- tion of the engine is feasible.
19. Antriebseinheit nach Anspruch 18, 19. Drive unit according to claim 18,
wobei mittels der Steuereinheit (2) eine Funktion für eine elektronische Kurvenscheibe basierend auf Polynomkoeffizienten berechenbar ist. wherein by means of the control unit (2) a function for an electronic cam can be calculated based on polynomial coefficients.
20. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der Steuereinheit (2) eine Kennliniensteuerung und/oder -Projektierung durchführbar ist. 20. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein by means of the control unit (2) a characteristic control and / or -Projektierung is feasible.
21. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (2) Mittel für eine Sicherstellung einer funktionalen Sicherheit der Antriebseinheit (1) aufweist . 21. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein the control unit (2) comprises means for ensuring a functional safety of the drive unit (1).
22. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels der Steuereinheit (2) eine Selbstdiagnose durchführbar ist. 22. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein by means of the control unit (2) a self-diagnosis is feasible.
23. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (2) für eine Kommunikation über zumindest eine Stromzuführung (6) ausgebildet ist. 23. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein the control unit (2) for communication via at least one power supply (6) is formed.
24. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (2) zumindest ein Multi-Chip-Modul aufweist. 24. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein the control unit (2) has at least one multi-chip module.
25. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der Steuereinheit (2) als System-in- Package ausgeführt ist. 25. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein at least a part of the control unit (2) is designed as a system-in-package.
26. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (2) zumindest einen vor Umwelteinflüssen geschützten Chip (8) und/oder zumindest eine vor Umwelteinflüssen geschützte Anordnung von Chips (8) aufweist, der bzw. die kein Gehäuse aufweisen bzw. aufweist. 26. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein the control unit (2) has at least one protected from environmental influences chip (8) and / or at least one protected from environmental influences arrangement of chips (8) or have no housing or has ,
27. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (2) Halbleiterbauelemente auf zumindest einem Chip (8) und/oder zumindest einer Anordnung von Chips (8) aufweist, der bzw. die an einem elektrisch isolie- renden und thermisch gut leitfähigen Substrat (9) angeordnet sind bzw. ist. 27. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein the control unit (2) has semiconductor components on at least one chip (8) and / or at least one arrangement of chips (8), the or on an electrically insulating and thermally highly conductive Substrate (9) are arranged or is.
28. Antriebseinheit nach Anspruch 27, 28. Drive unit according to claim 27,
wobei das Substrat (9) an zumindest einer Innenseite des Ge- häuses (5) angeordnet ist. wherein the substrate (9) is arranged on at least one inside of the housing (5).
29. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Innenseite des Gehäuses (5) eine Oberflächenbeschaffenheit mit einem Emissionswert nahe 1 auf- weist. 29. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein at least one inside of the housing (5) has a surface finish with an emission value near 1 up.
30. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (3) derart ausgebildet ist, dass in einem Inneren des Gehäuses (5) ein Luftstrom erzeugbar ist. 30. Drive unit according to one of the preceding claims, wherein the rotor (3) is designed such that in an interior of the housing (5), an air flow can be generated.
31. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Antrieb zumindest eines automatisch betätigten Öffnungsmechanismus, insbesondere einer Aufzugstür. 31. Drive unit according to one of the preceding claims for driving at least one automatically operated opening mechanism, in particular an elevator door.
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