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Die
Erfindung betrifft einen Stromrichter bzw. einen elektrischen Antrieb.
Ein elektrischer Antrieb weist eine elektrische Maschine und einen
Stromrichter auf. Ein elektrischer Antrieb ist beispielsweise aus der
DE 196 36 723 A1 bekannt.
Mittels eines Lüfters ist
sowohl der Stromrichter als auch die elektrische Maschine des elektrischen
Antriebs kühlbar.
Der Stromrichter ist axial an der elektrischen Maschine positioniert.
Zur Kühlung
des Stromrichters weist dessen Gehäuse axial angeordnete Kühlrippen
auf.
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Gerade
für die
elektronischen Bauelemente des Stromrichters ist eine effiziente
Kühlung
von besonderer Bedeutung. Bei guter Kühlung ist beispielsweise die
Lebensdauer der elektronischen Bauelemente verlängerbar.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es die Kühlung bei einem Stromrichter
bzw. bei einem elektrischen Antrieb zu verbessern.
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Die
Lösung
der Aufgabe gelingt bei einem Stromrichter mit den Merkmalen nach
Anspruch 1 bzw. bei einem elektrischen Antrieb mit den Merkmalen
nach Anspruch 8. Die Unteransprüche
2 bis 7 bzw. 9 bis 11 offenbaren ebenfalls erfinderische vorteilhafte
Ausgestaltungen der jeweiligen Vorrichtung.
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Ein
erfindungsgemäßer Stromrichter
weist ein Stromrichtergehäuse
mit Kühlrippen
auf, wobei der Stromrichter zur axialen Anbringung an eine elektrische
Maschine vorgesehen ist. Das Stromrichtergehäuse weist zumindest eine axiale
Stirnseite auf, wobei zumindest eine axiale Stirnseite stirnseitige Kühlrippen
aufweist. Durch die Ausbildung stirnseitiger Kühlrippen ist die Kühlung des
Stromrichters verbessert. Die Verbesserung der Kühlung ist insbesondere dann
gegeben, wenn an der Wand des Stromrichtergehäuses, welche außen stirnseitige
Kühlrippen
aufweist, innen an dieser Wand Leistungshalbleiter-Bauelemente derart
angebracht sind, dass diese Wärme
an die Wand abgeben, welche außen
die stirnseitigen Kühlrippen
aufweist.
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In
einer Ausgestaltung des Stromrichters ist dieser derart mit einer
elektrischen Maschine verbindbar, dass der Stromrichter axial zur
elektrischen Maschine angeordnet ist.
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Bei
einer axialen Anordnung verläuft
die Achse der elektrischen Maschine durch den Umrichter. Die Achse
ist dabei eine geometrische Bezeichnung und kein mechanisches Mittel.
Die Seite des Stromrichters, welche der elektrischen Maschine zugewandt
ist, ist eine Stirnseite des Stromrichters. Die stirnseitigen Kühlrippen
sind vorteilhaft in einem Bereich zwischen dem Stromrichter und
der elektrischen Maschine.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die stirnseitigen Kühlrippen
radial ausgerichtet. Bei einer radialen Ausrichtung verlaufen die
Kühlrippen
z.B. sternförmig,
wobei sich im Zentrum des Sterns in etwa die Achse einer elektrischen
Maschine befindet. Durch die radiale Ausrichtung gelingt es vorteilhafterweise
einen Kühlluftstrom
derart zu leiten, dass dieser beispielsweise von außen nach
innen in Achsrichtung verläuft,
so dass von da aus wiederum der Kühlluftstrom symmetrisch zur
Kühlung
der elektrischen Maschine herangezogen werden kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Stromrichter
eine Luftleiteinrichtung auf, wobei mittels der Luftleiteinrichtung
Kühlluft
in eine bestimmte Richtung führbar
ist. Die Luftleiteinrichtung liegt entweder an den stirnseitigen
Kühlrippen an
oder ist von diesen beabstandet. Durch das Anliegen der Luftleiteinrichtung
an den stirnseitigen Kühlrippen
bzw. auch durch eine beabstandete Anbringung der Luftleiteinrichtung
sind stirnseitige Kühlkanäle ausgebildet.
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Diese
stirnseitigen Kühlkanäle dienen
zur verbesserten Führung
eines mit einem Lüfter
herstellbaren Kühlluftstromes.
Der Lüfter
ist beispielsweise ein Eigenlüfter,
der mittels einer Welle der elektrischen Maschine antreibbar ist
oder ein Fernlüfter, welcher
einen Eigenantrieb aufweist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Stromrichtergehäuse eine
Mantelfläche auf,
wobei die Mantelfläche
z.B. mantelseitige Kühlrippen
aufweist. Die mantelseitigen Kühlrippen
befinden sich beispielsweise auf der Außenseite des Stromrichtergehäuses. Vorteilhafterweise
sind diese mantelseitigen Kühlrippen
axial ausgerichtet, so dass diese einen Kühlluftstrom zunächst in
axialer Richtung leiten. Der Kühlluftstrom
ist nach der axialen Ausbreitung beispielsweise dann in eine radiale Richtung
mittels einer Luftleiteinrichtung leitbar. Die radiale Richtung
wird insbesondere durch die stirnseitigen Kühlrippen vorgegeben.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Stromrichter
mantelseitige Kühlkanäle auf. Diese
mantelseitigen Kühlkanäle sind
mittels der mantelseitigen Kühlrippen
und einer daran anschließenden
Abdeckung ausgebildet. Hierdurch ist der Luftstrom in vorteilhafter
Weise genauer leitbar, weil dadurch die Kühlwirkung verbessert ist.
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In
einer weiteren Ausführung
des Stromrichters weist das Stromrichtergehäuse einen axialen Durchbruch
auf. Der axiale Durchbruch ist zur Durchleitung eines Kühlluftstromes
nutzbar. Das Stromrichtergehäuse,
welches den axialen Durchbruch ausbildet, ist innerhalb des Durchbruchs
vorteilhafterweise mit Kühlrippen
versehen. Zur Verminderung des Strömungswiderstandes für die Kühlluft sind
die Kühlrippen
axial ausgerichtet. Nach Durchtritt der Kühlluft durch den Durchbruch
ist die Kühlluft
mittels einer Luftleiteinrichtung vorteilhafterweise radial ablenkbar,
so dass diese auch zumindest eine Stirnseite des Stromrichtergehäuses überstreicht.
Die Stirnseite des Stromrichtergehäuses weist dabei vorteilhafterweise stirnseitige
Kühlrippen
der bereits beschriebenen Ausführungsform
auf.
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Zur
weiteren Verbesserung der Kühlwirkung weist
der Stromrichter sowohl einen axialen Durchbruch als auch mantelseitige
Kühlrippen
auf. Zusätzlich
ist das Stromrichtergehäuse
an zumindest einer axialen Stirnseite mit stirnseitigen Kühlrippen
versehen.
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Vorteilhafterweise
ist zur verbesserten Kühlung
des Stromrichters ein Fremdlüfter
an dem Stromrichtergehäuse
angebracht.
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Die
Lösung
der Aufgabe gelingt weiterhin bei einem elektrischen Antrieb, welcher
eine elektrische Maschine aufweist, wobei die elektrische Maschine einen
Stator, einen Rotor und ein Maschinengehäuse aufweist. Der elektrische
Antrieb weist einen axial positionierten Stromrichter auf, welcher
wie oben bereits beschrieben, ausbildbar ist. Der axial positionierte
Stromrichter weist insbesondere ein Stromrichtergehäuse mit
Kühlrippen
auf, wobei das Stromrichtergehäuse
zumindest eine axiale Stirnseite aufweist, welcher stirnseitige
Kühlrippen
aufweist.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der elektrische Antrieb
ein Maschinengehäuse
mit axial verlaufenden Kühlrippen
auf, wobei ein Lüfter
zur Kühlung
der elektrischen Maschine vorgesehen ist. Der Lüfter ist beispielsweise ein
Fremd- oder ein Eigenlüfter.
Somit ist mit Hilfe nur eines Lüfters
sowohl der Stromrichter als auch die elektrische Maschine mit Kühlluft kühlbar.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des elektrischen Antriebs weist die
elektrische Maschine eine Bremse auf, wobei die Bremse zwischen
dem Stromrichter und dem Rotor positioniert ist. Die Bremse ist beispielsweise
eine Betriebsbremse oder eine Feststellbremse. Da eine Feststellbremse
weniger häufig auszutauschen
ist wie beispielsweise ein Stromrichter, ist die Position der Bremse
zwischen dem Rotor und dem Stromrichter deswegen vorteilhaft, da
beim Austausch des Stromrichters die Bremse nicht abzumontieren
ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des elektrischen Antriebs ist das Stromrichtergehäuse mit
dem Maschinengehäuse
vorteilhaft in einer Baueinheit ausgebildet. Die Baueinheit ist
derart ausgebildet, dass zumindest ein Teil des Maschinengehäuses auch
als ein Teil des Stromrichtergehäuses
dient und somit einteilig ausgeführt
ist. In einer weiteren Ausgestaltung des elektrischen Antriebs sind
das Maschinengehäuse
und das Stromrichtergehäuse
aneinander aufmontiert.
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Ein
Vorteil der Erfindung liegt in der verbesserten Kühlung. Der
Umrichter befindet sich axial im Luftstrom des Motors, insbesondere
hinter dem Lüfter
und sonstigen Motoranbauten, wie Bremse, Fremdlüfter, Impulsgeber.
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Der
Umrichter ist beispielsweise in einem massiven Gehäuse aus
Aludruckguß untergebracht. Auf
der dem Motor zugewandten Seite und an den Seitenflächen weist
der Stromrichter vorteilhafterweise Rippen zur Verlustwärmeabfuhr
auf. Die zu öffnenden,
dem Motor abgewandte Seite des Stromrichters wird beispielsweise
durch einen Deckel abgeschlossen. Der Deckel kann entsprechende Schnittstellen
zur Energieversorgung (Stecker, Verschraubung, ...) aufnehmen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist eine Anschluss-Schnittstelle beispielsweise in einem zusätzlichen
Anschlussraum oberhalb des Umrichtergehäuses anbringbar. Vorteilhafterweise
ist das Umrichtergehäuse
mit einer Lüfterhaube
oder ähnlichen Bauteilen
zur Luftführung
verbunden. Der Lüfter
(Eigenlüfter
oder Fremdlüfter)
erzeugt einen Luftstrom in der Weise, dass die Kühlluft axial angesaugt wird und über die
Seitenkühlrippen
hinwegströmt
und daran anschließend
die radialen stirnseitigen Kühlrippen überströmt. Die
Seitenkühlrippen
sind die mantelseitigen Kühlrippen.
Hinter dem Lüfter
strömt
die Luft weiter über
die Motoranbauten zum Motor und über
dessen Kühlrippen.
Der Lüfter
kann ein Eigenlüfter,
also ein von der elektrischen Maschine betriebenen Lüfter oder
auch ein Fremdlüfter
sein.
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Die
Anschlussleitungen vom Stromrichter zum Motor werden beispielsweise über geschirmte Leitungen
oder durch Leitungen in einem Metallrohr für elektrische Maschine geführt und
diese dort angeschlossen. Dabei kann durch herkömmliche Anschlusstechnik oder
durch eine Steckerschnittstelle an der elektrischen Maschine, die
beispielsweise ein elektrischer Motor ist, der Anschluss hergestellt
werden. Im Falle einer Streckerlösung
ergibt sich eine komplett steckbare Umrichtereinheit, die problemlos an
der elektrischen Maschine austauschbar ist, da nur die Lüfterhaubenbefestigung
einer Einheit aus Stromrichter und Lüfterhaube zu montieren bzw.
zu demontieren ist. Ein wesentlicher Vorteil der vorgestellten Integration
ist die optimale Kühlung
des gesamten Stromrichtergehäuses
durch optimale Luftführung,
axiale Ansaugung und nahezu komplette Luftkühlung des Stromrichtergehäuses. Der
Stromrichter ist beispielsweise ein Umrichter. Eine Notwendigkeit
des Vergießens
von Bauelementen kann somit u.U. entfallen, so dass dies zur Kostenoptimierung
beiträgt.
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Ein
weiterer Vorteil ist die örtliche
thermische Entkopplung des Stromrichters von der elektrischen Maschine.
Durch Wahl des Lüfters
sind Eigen- und Fremdbelüfter
der Varianten möglich.
Der Nachteil der Verlustwärmeabfuhr
bei niedrigen Drehzahlen kann somit durch einen Fremdlüfter gelöst werden.
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Der
Stromrichter ist modular anbaubar. Bei Bedarf ist dadurch eine Adaption
(z.B. Lüfterhaubenadaption)
auch an unterschiedlichen Achshöhen möglich. Die
Konstruktion der elektrischen Maschine inklusive Anbauten (Bremse,
Impulsgeber, ...) wird vom Anbau des Stromrichters nicht beeinflusst,
wodurch auch auf vorhandene Komponenten bzw. Motoren (Asynchronmotor, Synchronmotor,
Reluktanzmotor, usw.) an/aufgebaut werden kann.
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Weiterhin
ist das Stromrichtergehäuse
beispielsweise rechteckförmig
aufgebaut, welches eine optimale Bauteileverteilung auf den Leiterplatten
gegenüber
einen runden Leiterplattenform ermöglicht. Durch axiale Schichtung
der Leiterplatten ist eine hohle Modularität und leichte Montage möglich, die auch
eine kostengünstige
Lösung
darstellt.
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Eine
gute Tauschbarkeit des Stromrichters ist auch durch modularen Anbau
am Ende der elektrischen Maschine möglich, da dieser einfach mit
einer Haube tauschbar ist. Die Haube entspricht dabei einer Abdeckung.
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Beispielhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Dabei
zeigt
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1 den
Querschnitt eines elektrischen Antriebs mit einem Eigenlüfter,
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2 einen
Querschnitt gemäß 1 mit
einer zusätzlichen
Luftleiteinrichtung,
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3 den
Querschnitt eines elektrischen Antriebs mit einem Fremdlüfter,
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4 den
Querschnitt gemäß 3 mit
einer zusätzlichen
Luftleiteinrichtung,
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5 eine
perspektivische Schnittdarstellung eines elektrischen Antriebs mit
einem Eigenlüfter,
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6 eine
perspektivische Schnittdarstellung eines elektrischen Antriebs mit
einem Fremdlüfter
und eine Bremse,
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7 die
perspektivische Schnittdarstellung eines elektrischen Antriebs mit
Eigenlüfter
und eine Luftleiteinrichtung und
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8 den
Querschnitt eines elektrischen Antriebs mit einem Durchbruch im
Stromrichtergehäuse.
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Die
Darstellung gemäß 1 zeigt
einen elektrischen Antrieb 3. Der elektrische Antrieb 3 weist einen
Stromrichter 1 und eine elektrische Maschine 5 auf.
Die elektrische Maschine 5 weist einen Rotor 17, einen
Stator 13, Wicklungsköpfe 15 und
eine Welle 19 auf. Der Anschluss der elektrischen Maschine 5 erfolgt über einen
Klemmkasten 41. Die elektrische Maschine 5 weist
weiterhin ein Maschinengehäuse 7 auf.
Das Maschinengehäuse 7 weist
seinerseits Kühlrippen 12 auf
der Oberfläche
des Maschinengehäuses 7 auf.
Die elektrische Maschine ist mittels eines Eigenlüfters 36 kühlbar. Der
Eigenlüfter 36 und die
Welle 19 weisen eine gemeinsame Achse 18 auf.
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Zur
elektrischen Maschine 5 axial angeordnet ist der Stromrichter 1.
Der Stromrichter 1 weist ein Stromrichtergehäuse 9 auf.
Das Stromrichtergehäuse 9 weist
eine Abdeckung 33 auf. Mit Hilfe dieser Abdeckung 33 ist
der Stromrichter 1 an dem Maschinengehäuse 7 befestigt. Die
Befestigung erfolgt beispielsweise mittels eines Befestigungsmittels 8,
welches beispielsweise eine Schraubverbindung ist. Der Stromrichter 1 weist
als ein Teil des Stromrichtergehäuses 9 Kühlrippen 11, 25 auf.
Die Kühlrippen 11, 25 sind
als mantelseitige Kühlrippen 11 bzw.
als stirnseitige Kühlrippen 25 ausgebildet.
Die stirnseitigen Kühlrippen 25 sind
einer axialen Stirnseite 21 zuordenbar. Die radiale Ausrichtung
der stirnseitigen Kühlrippen 25 ist
mittels eines Pfeils 27 kenntlich gemacht. Das Stromrichtergehäuse 9 weist
neben einer axialen Stirnseite 21 auch eine axiale Stirnseite 23 auf.
Die axiale Stirnseite 23 ist als Deckel des Stromrichters 1 ausgeführt. Der
Deckel 23 verschließt
einen Einbauraum 55. Im Einbauraum 55 sind elektrische
bzw. elektronische Bauelemente und Schaltungen des Stromrichters 1 einbaubar.
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Die
Darstellung gemäß 2 zeigt
eine Darstellung gemäß 1,
unterscheidet sich von dieser jedoch durch eine Luftleiteinrichtung 43.
Die Luftleiteinrichtung 43 schließt axial stirnseitig an die
Kühlkanäle 11, 25 an.
Durch diese anschließende
Anbringung der Luftleiteinrichtung 43 auf den Kühlrippen 11, 25 bilden
sich Kühlkanäle aus.
Die Kühlkanäle bilden sich
auch durch die Abdeckung 33 auf den Kühlrippen 11 aus. Diese
Kühlkanäle sind
axial ausgerichtet. Die Kühlkanäle, die
sich durch die Luftleiteinrichtung 43 und die axialen Kühlrippen 25 ausbilden,
sind radial ausgerichtet.
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Die
Darstellung gemäß 3 zeigt
einen elektrischen Antrieb 3, welcher im Gegensatz zu den elektrischen
Antrieben gemäß 1 und 2 zusätzlich eine
Bremse 35 und anstelle des Eigenlüfters einen Fremdlüfter 37 aufweist.
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Die
Darstellung gemäß 4 zeigt
einen elektrischen Antrieb gemäß 3,
wobei gemäß 4 eine
Luftleiteinrichtung 45 ausgebildet ist. Die Luftleiteinrichtung 45 ist
von den Kühlrippen 11, 25 beabstandet.
Durch die vorteilhafterweise geringfügige Beabstandung ist es erreichbar,
dass Kühlluft
aus einem axial ausgerichteten Kühlkanal
sowohl durch die stirnseitigen Kühlrippen 25 geleitet
wird, um dort Wärme
aufzunehmen, als auch außerhalb
davon, so dass sich eine Art Bypass bildet. Der Bypass ist insbesondere
dann von Vorteil, wenn der Strömungswiderstand
reduziert werden soll.
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Die
Darstellung gemäß 5 zeigt
perspektivisch einen Schnitt durch einen elektrischen Antrieb 3.
Wie auch in den folgenden 6 und 7,
sind für
Teile, welche den in den 1 bis 4 beschriebenen
Teilen gleichartig sind, gleiche Bezugszeichen verwendet. Durch
die dreidimensionale Darstellung gelingt es insbesondere, die Ausbildung
der Kühlkanäle besser
darzustellen.
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Die
Darstellung gemäß 8 zeigt
einen elektrischen Antrieb 3, welcher einen Stromrichter 1 aufweist,
wobei der Stromrichter 1 einen Durchbruch 53 aufweist.
Der Durchbruch 53 dient zum Durchlass von Kühlluft.
Die Kühlluft
ist im vorliegenden Beispiel durch einen Fremdlüfter 37 erzeugbar.
Einen anderen nicht dargestellten Ausführungsformen ist die Kühlluft beispielsweise
auch mittels eines Eigenlüfters
erzeug bar. Der Vorteil der Vorrichtung gemäß 8 ist es,
dass der Stromrichter 1 auf beiden Stirnseiten stirnseitige
Kühlrippen 25, 26 aufweist.
Hierdurch ist eine verbesserte Kühlung
erreichbar. Um auf der Stirnseite des Stromrichters, welche der
elektrischen Maschine 5 zugewandt ist, die Kühlwirkung zu
verbessern, ist eine Luftleiteinrichtung 44 vorgesehen
mit deren Hilfe die Kühlluft
derart leitbar ist, dass diese über
die stirnseitigen Kühlrippen 25 auf der
Stirnseite des Stromrichters, welche der elektrischen Maschine zugewandt
ist, hinwegströmt.