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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Umrichtermotor mit einem eigenbelüfteten Elektromotor
und einem Frequenzumrichter.
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Auf
dem Markt haben sich Umrichtermotoren mit zwei unterschiedlichen
Konstruktionen etabliert. Bei der einen Konstruktion ist der Frequenzumrichter axial
am Elektromotor angebaut. Bei der anderen Konstruktion ist der Frequenzumrichter
in einem vergrößerten Klemmkasten
integriert oder als separates Gehäuse am Motorumfang montiert.
Dabei ist die vom Motor her mögliche
Leistungsfähigkeit
bei umrichterintegrierten Systemen häufig wegen Problemen hinsichtlich
einer effektiven Abfuhr der Umrichterverluste eingeschränkt. Die
Verwendung von elektrisch betriebenen Fremdlüftern zur Umrichterkühlung ist
häufig
mit Einschränkung
in der Ausführbarkeit
der Gesamtschutzart und/oder der Lebensdauer der Fremdlüfter verbunden.
Die Ausführungen
der Umrichtermotoren führen
in der Regel zu besonders langgestreckten oder hohen Bauformen,
die von den Normabmessungen eines Standardmotors erheblich abweichen.
Bei vielen Industrieanwendungen steht jedoch nur ein geringer Einbauraum
für den
Umrichtermotor zur Verfügung.
Bei derartigen Industrieanwendungen muss wie allgemein üblich Motor
und Frequenzumrichter räumlich
getrennt aufgebaut werden, wodurch Kosten für Verkabelung und Schaltschrank
entstehen.
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Im
Handel ist ebenfalls ein Umrichtermotor erhältlich, dem A-seitig mit einem
Stirnradgetriebe und B-seitig mit einem Lagegeber, einer Positionselektronik
und einer Leistungsendstufe eines Stellgliedes zur Drehzahlverstellung
eines bürstenlosen
permanenterregten Synchronmotors integriert sind. Diesen Umrichtermotor
gibt es im Leistungsbereich von ca. 50 W. Durch die Integration
dieser Elemente in einem Elektromotor verlängert sich die Bauform des Elektromotors
axial. Ein der artiger Umrichtermotor in einer höheren Leistungsklasse ist nicht
vorhanden. Bei höheren
Leistungsklassen steigt der Aufwand für eine Entwärmung des integrierten Frequenzumrichters.
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Ein
gattungsgemäßer Umrichtermotor
ist aus der
DE 196
34 097 C2 bekannt. Durch die topfförmige Ausgestaltung des B-seitigen
Lagerschildes ist die Integration des Frequenzumrichters in einem
eigenbelüfteten
Elektromotor möglich,
wobei sich die Baulänge
des Umrichtermotors gegenüber
einer bisherigen Ausführungsform
wesentlich verringert hat. Da das B-seitige Lagerschild durch diese
Ausgestaltung nun auch gleichzeitig die Funktion eines Gehäuses für den integrierten
Frequenzumrichter übernimmt,
wird ein separates Umrichtergehäuse
nicht mehr benötigt,
wodurch Kosten eingespart werden. Da nun der Frequenzumrichter Bestandteil
des Elektromotors ist, entfällt
auch der Aufwand für
die Verbindung eines Frequenzumrichters mit einem Elektromotor eines
bisherigen Umrichtermotors. Um die Komponenten des Frequenzumrichters
gut vor der durch den Elektromotor erzeugten Wärmestrahlung abzuschotten,
ist an der Trennstelle zwischen dem Gehäuseteil des Elektromotors und
dem topfförmig ausgebildeten
B-seitigen Lagerschild ein Wärmeschutzschild
angeordnet. Durch die Integration des Frequenzumrichters in den
Elektromotor weist außerdem
der Frequenzumrichter die Schutzart des Motors auf. Somit unterscheidet
sich dieser erfindungsgemäße Umrichtermotor
nicht mehr von einem handelsüblichen
Elektromotor. Nachteilig wirkt sich bei diesem gattungsgemäßen Umrichtermotor
aus, dass die Luft im Inneren des Frequenzumrichters nicht zirkulieren
kann.
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Aus
der DE-OS 1 488 585 ist eine Belüftung elektrischer
Maschinen geschlossener Bauart bekannt. Diese Anordnung zur Belüftung langsam
laufender elektrischer Maschinen geschlossener Bauart weist zwei
Lüfterräder auf,
die auf einer gemeinsamen Buchse befestigt sind, welche ihrerseits
drehbar gegen die Läuferwelle
einerseits und gegen das Lagerschild andererseits gelagert ist.
Diese Buchse wird über
einen Riemenan trieb fremd angetrieben. Diese beiden Lüfterräder erzeugen
einen Innen- und einen Außenluftstrom.
Der Außenlüfter dieser
beiden Lüfterräder saugt
die Umgebungsluft durch die Maschinenhaube an und drückt diese über die äußere Oberfläche der
Kühlrippen
der Maschine. Der Innenlüfter
wälzt die
Innenluft der Maschine um und führt diese
an der inneren Oberfläche
der Kühlrippen
der Maschine.
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Aus
der
EP 0 854 560 A1 ist
ein Entwärmungskonzept
für ein
elektrisches Antriebssystem bekannt. Dieses Antriebssystem weist
einen Motor und eine Antriebselektronik, die auch als Frequenzumrichter
bezeichnet wird, auf. Diese Antriebselektronik ist in ein axial
B-seitig angeordnetes Anbaugehäuse
untergebracht. In diesem Anbaugehäuse ist ein separater Lüftermotor
zum Zwecke der Fremdbelüftung
integriert. Dieser Lüftermotor
weist ein externes Lüfterrad
und ein internes Lüfterrad
auf. Mittels des internen Lüfterrades
wird die Luft im Anbaugehäuse
verwirbelt. Durch die Verwendung zweier Lüfterräder wird eine Fremdbelüftung mit
minimaler Lüfterleistung
geschaffen.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Umrichtermotor
derart weiterzubilden, dass die Entwärmung des Frequenzumrichters
im Motorgehäuse
weiter verbessert wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch
die Anordnung eines zwischen B-seitigem Lagerschild und einem Wicklungsteil
des Elektromotors angeordneten Hilfslüfterrad, der starr mit einer
Motorwelle des eigenbelüfteten
Elektromotors verbunden ist, wird die Luftumwälzung im Inneren des Umrichtermotors
wesentlich verbessert, wodurch eine Zwangskonvektion erreicht wird.
Mittels dieser Zwangskonvektion wird die Wärmeabfuhr von Bauelementen
des Frequenzumrichters an das B-seitige Lagerschild wesentlich verbessert.
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Durch
eine Verwendung einer Isolierscheibe ist der Wicklungsteil des eigenbelüfteten Elektromotors
vom Hilfslüfterrad
räumlich
getrennt. Dadurch erhöht
sich der Wirkungsgrad der Zwangskonvektion, da die von den Bauelementen
des Frequenzumrichters angesaugte Luft von dieser Isolierscheibe
derart umgelenkt wird, dass diese an der Innenseite des B-seitigen
Lagerschildes entlang geführt
wird. Die Außenseite
dieses B-seitigen
Lagerschildes wird wie bei einem handelsüblichen eigenbelüfteten Elektromotor
gekühlt.
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Durch
das Vorsehen einer Luftleitblende, die zwischen Umrichterteil und
Hilfslüfterrad
angeordnet ist, wird in Wellennähe
die erwärmte
Luft im B-seitigen topfförmig
ausgebildeten Lagerschild angesaugt und beschleunigt. Somit wird
die Zwangskonvektion innerhalb des B-seitigen topfförmig ausgebildeten Lagerschildes
weiter verbessert.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Umrichtermotors sind den
Unteransprüchen
2 bis 12 zu entnehmen.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Umrichtermotors
schematisch veranschaulicht ist.
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1 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Umrichtermotor nach der Erfindung, in der
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2 ist
ein Querschnitt durch das B-seitige Lagerschild des Umrichtermotors
nach 1 dargestellt und die
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3 zeigt
eine Draufsicht auf ein Luftleitblech des Umrichtermotors nach 1.
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Der
Umrichtermotor gemäß 1 weist
einen eigenbelüfteten
Elektromotor 2 und einen Frequenzumrichter 4 auf.
Von diesem eigenbelüfteten Elektromotor 2 ist
einerseits ein Aktivteil 6, bestehend aus einen Rotor 8 und
einen Stator 10, und andererseits ein Eigenlüfter 12,
bestehend aus einem Hauptlüfterrad 14 und
einer Lüfterhaube 16,
näher dargestellt.
Ein herkömmlicher
eigenbelüfteter
Elektromotor 2 ist stirnseitig jeweils mit einem Lagerschild
versehen. Dabei wird das Lagerschild antriebsseitig als A-Lagerschild
bzw. A-seitiges Lagerschild bezeichnet. Das diesem A-seitigen Lagerschild
gegenüberliegende
Lagerschild wird als B-Lagerschild bzw. B-seitiges Lagerschild bezeichnet. Dieses
B-seitige Lagerschild 18 ist erfindungsgemäß topfförmig ausgestaltet.
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Im
Inneren dieses B-seitigen topfförmigen Lagerschildes 18 sind
die Bauelemente des Frequenzumrichters 4 angeordnet. Zu
diesen Bauelementen zählen
ein Leistungsteil 20, ein Zwischenkreiskondensator, eine
Netzdrossel 22 und eine Elektronik. Zum Leistungsteil 20 des
Frequenzumrichters 4 gehören Dioden eines netzseitigen
Gleichrichters und abschaltbare Leistungshalbleiter, insbesondere Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT)
eines lastseitigen Wechselrichters. Der Gleichrichter und der Wechselrichter
sind bekanntermaßen
gleichspannungsseitig mittels des Zwischenkreiskondensators elektrisch
leitend verbunden. Netzseitig ist die Netzdrossel 22 dem
Gleichrichter vorgeschaltet. Zur Steuerung des Wechselrichters ist
eine Elektronik vorgesehen, die nicht nur Steuerungs- und Regelungsaufgaben übernimmt.
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Bei
der erfindungsgemäßen Integration
des Frequenzumrichters 4 ist darauf geachtet worden, dass
sich die Baulänge
eines herkömmlichen
Umrichtermotors wesentlich verkürzen
lässt.
Dazu ist der Zwischenkreiskondensator aus mehreren Kondensatoren 24 aufgebaut.
Dadurch werden Kondensatoren 24 mit einer geringeren Kapazität benötigt, die
eine geringere Bauteilegröße aufweisen.
Diese Kondensatoren 24 sind am Boden 26 des topfförmig ausgebildeten
Lagerschildes 18 angeordnet. Um die Integration des Frequenzumrichters 4 zu
erleichtern, sind diese Kondensatoren 24 in Ausnehmungen 28 des Bodens 26 des
topfförmig
ausgebildeten Lagerschildes 18 gesteckt. Zwischenräume können mit
einer Vergussmasse ausgefüllt
werden. Außerdem
ist der Leistungsteil 20 mit seinen verlustleistungserzeugenden
Bauelementen elektrisch isolierend und thermisch leitend mit dem
Boden 26 dieses Lagerschildes 18 verbunden. Die
Bauteile der Elektronik dieses Frequenzumrichters 4 sind
auf wenigstens zwei Steckplatinen 30 verteilt. Durch die
Aufteilung der Bauteile der Elektronik des Frequenzumrichters 4 wird
die Baulänge
des topfförmig
ausgebildeten Lagerschildes 18 begrenzt.
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Damit
diese Steckplatinen 30 innerhalb des topförmig ausgebildeten
Lagerschildes aufgenommen werden können, weist der Boden 26 dieses
Lagerschildes 18 Steckerleisten 32 auf. Außerdem weist
für die
Führung
dieser Steckplatinen 30 die Innenseite 34 des
topfförmig
ausgebildeten Lagerschildes 18 Nuten 36 auf (2).
Gemäß dem Querschnitt
des topfförmig
ausgebildeten Lagerschildes 18 nach 2 sind diese
mehreren Steckplatinen 30 um die durch das Lagerschild 18 gehende
Motorwelle 38 radial angeordnet. Auf den von den gesteckten Steckplatinen 30 aufgespannten
Sektorbereichen sind die schweren Bauteile 20, 22, 24 des
Frequenzumrichters 4 aufgeteilt.
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Zur
besseren Wärmeabfuhr
des integrierten Frequenzumrichters 4, insbesondere der
verlustleistungserzeugenden Bauteile, ist die Außenseite 40 des topfförmig ausgebildeten
Lagerschildes 18 mit einer Anzahl von Kühlrippen 42 versehen.
Dadurch vergrößert sich
die wirksame Kühloberfläche des topfförmig ausgebildeten
Lagerschildes 18 wesentlich. Dieses berippte Lagerschild 18 wird
von dem Eigenlüfter 12 des
eigenbelüfteten
Elektromotors 2 umschlossen. Dadurch wird ein vom Hauptlüfterrad 14 des
Eigenlüfters 12 des
eigenbelüfteten
Motors 2 erzeugter Luftstrom gezielt über die berippte Außenseite 40 des
topfförmig
ausgebildeten Lagerschildes 18 geführt. Damit ein Luftstrom entstehen
kann, ist die Stirnseite 44 dieser Lüfterhaube 16 mit Lufteintrittsschlitzen 46 versehen.
Damit diese Lüfterhaube 16 im
Randbereich beabstandet geführt
werden kann, sind wenigstens zwei Abstandshalter 48 vorgesehen.
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Zwischen
dem integrierten Frequenzumrichter 4 und dem Aktivteil 6 des
Umrichtermotors ist ein Hilfslüfterrad 50 vorgesehen,
das starr mit der Motorwelle 38 verbunden ist. Als Hilfslüfter ist
ein Radiallüfter
vorgesehen. Mittels dieses Radiallüfters wird Luft aus dem Inneren
des Frequenzumrichters 4 gesaugt und radial nach außen geführt. Dabei
stößt dieser Luftstrom
auf die Innenseite des Motorgehäuses 52. Da
die Außenseite
des Motorgehäuses 52 ebenfalls mit
axial verlaufenden Kühlrippen 54 versehen
ist, zwischen denen der vom Eigenlüfter 12 erzeugte Luftstrom
gedrückt
wird, wird die von Bauelemente im Inneren des Frequenzumrichters 4 erzeugte
Wärme an
die Umgebungsluft des Umrichtermotors abgegeben, Mit der Verwendung
dieses Radiallüfters wird
im Inneren des integrierten Frequenzumrichters 4 eine Zwangskonvektion
erzeugt. Gemäß der 2 sind
im Inneren des integrierten Frequenzumrichters 4 die Steckplatinen 30 der
Elektronik des Frequenzumrichters 4 sternförmig um
die Motorwelle 38 angeordnet. Somit wird mittels des Hilfslüfterrades 50 eine Wärmeabfuhr
von der Umrichterelektronik bewirkt.
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Zur
Verbesserung dieser Zwangskonvektion ist der Aktivteil 6 des
eigenbelüfteten
Elektromotors 2 mit einer Isolierscheibe 56 vom
Umrichterteil im Inneren des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes 18 abgetrennt.
Damit diese Isolierscheibe 56 räumlich im Inneren des eigenbelüfteten Elektromotors 2 fixiert
werden kann, ist in dem Motorgehäuse 52 an der
Innenseite eine umlaufende Nut 58 vorgesehen. Beim Einsetzen
dieser Isolierscheibe 56 schnappt der Randbereich dieser
Isolierscheibe 56 in die umlaufende Nut 58 ein.
In diesem eingebauten Zustand der Isolierscheibe 56 wird
der Aktivteil 6 des eigenbelüfteten Elektromotors 2 von
dem integrierten Frequenzumrichter 4 wärmetechnisch abgeschottet.
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Um
eine geschlossene Luftzirkulation im Inneren des Frequenzumrichters 4 zu
erreichen, ist eine Luftleitblende 60 vorgesehen. Eine
Draufsicht auf diese Luftleitblende 60 ist in der 3 näher dargestellt.
Dieser Darstellung kann entnommen werden, dass diese Luftleitblende 60 mit
Klammern 62 versehen ist. Die Anzahl dieser Klammern 62 entspricht
der Anzahl der verwendeten Steckplatinen 30. Im Inneren
dieser Luftleitblende 60 ist ein Durchbruch 64 vorgesehen,
dessen Durchmesser größer ist
als der Durchmesser der durchgehenden Motorwelle 38. Die
Klammern 62 der Luftleitblende 60 schnappen auf
die Enden der vorhandenen Steckplatinen 30 auf. Mit Hilfe
dieser Platinen 30 ist die Luftleitblende 60 im
Inneren des Umrichters 4 zentriert. Außerdem wird die Fixierung der
Steckplatinen 30 zusätzlich
versteift.
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In
der Verbindung mit der Isolierscheibe 56 und dem Hilfslüfterrad 50 des
Radiallüfters
erhält man
für das
Innere des Frequenzumrichters 4 einen geschlossenen Kühlkreislauf.
Mittels des Hilfslüfterrades 50 und
der Luftleitblende 60 wird in Wellennähen aus dem Inneren des Frequenzumrichters 4 die durch
die Bauteilverluste auf den Steckplatinen 30 erwärmte Luft
angesaugt, beschleunigt und radial nach außen geführt. Mittels der Isolierscheibe 56 wird
dieser radiale Luftstrom umgelenkt und an der Gehäuseinnenseite
des topfförmig
ausgebildeten Lagerschildes 18 entlang geführt. Durch
die gekühlte
Außenseite 40 des
topfförmig
ausgebildeten Lagerschildes 18 wird diese erwärmte Luft
heruntergekühlt. Diese
Kühlung
kann dahingehend noch verbessert werden, dass ebenfalls die Innenseite 34 des
topfförmig
ausgebildeten Lagerschildes 18 verrippt ist. Zur Verbesserung
des Wärmeabsorbtionsgrades
empfiehlt sich eine mattschwarze Innenlackierung des topfförmig ausgebildeten
Lagerschildes 18. Am Boden 26 des topfförmig ausgebildeten
Lagerschildes 18 wird wiederum dieser gekühlte Luftstrom
umgelenkt, wodurch dieser entlang der Breite einer jeden Steckplatine 30 geführt wird.
In der Nähe
der Welle wird wieder die angewärmte
Luft aus den Steckplatinen 30 angesaugt, wodurch sich der
Kühlkreislauf geschlossen
hat.
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Mit
der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des
B-seitigen Lagerschildes 18 eines eigenbelüfteten Elektromotors 2 kann
nun ein Frequenzumrichter 4 dahingehend in den Elektromotor 2 integriert
werden, dass deren Bauteile im Inneren des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes 18 angeordnet
werden. Durch das auf der Motorwelle 38 aufgesetzte Hilfslüfterrad 50 erfolgt
eine absolut störungssichere
Innenbelüftung
des Frequenzumrichters 4. Diese wird selbst auch bei kleinen
Luftgeschwindigkeiten bei niedrigen Umdrehungszahlen der Motorwelle 38 aufrechterhalten,
d.h., die erzwungene Konvektion im Inneren des Frequenzumrichters 4 wird
selbst bei niedrigen Umdrehungsdrehzahlen der Motorwelle 38 nicht
unterbrochen. Durch die Integration des Frequenzumrichters 4 wird
die Baulänge
des Umrichtermotors gegenüber
einer bisherigen Ausführungsform des
Umrichtermotors wesentlich verkürzt.
Da der Umrichter 4 kein separates Umrichtergehäuse mehr erfordert,
fallen weniger Dichtstellen an, um den Frequenzumrichter 4 in
der Schutzart des Elektromotors 2 ausführen zu können. Da das Gehäuse des
Frequenzumrichters 4 entfällt, werden zusätzlich Kosten eingespart.
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Mit
der erfindungsgemäßen Ausführung erhält man einen
Umrichtermotor, der sehr kompakt ist und sich kaum von einem handelsüblichen
Elektromotor 2 unterscheidet.