DE102005032965A1

DE102005032965A1 - Stromrichtermotor

Info

Publication number: DE102005032965A1
Application number: DE102005032965A
Authority: DE
Inventors: Carsten Dr. Rebbereh
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-07-14
Filing date: 2005-07-14
Publication date: 2007-03-22

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromrichtermotor. Erfindungsgemäß weist dessen Ständerwicklung (4) stabförmige Leiter (6) auf, wobei eine erste Stirnseite (8) eines jeden stabförmigen Leiters (6) dieser Ständerwicklung (4) jeweils mit einem Verbindungspunkt (12) zweier elektrisch in Reihe geschalteter abschaltbarer Halbleiterschalter (14, 16) elektrisch leitend verbunden ist, deren weitere Leistungsanschlüsse jeweils mit einem Gleichspannungsleiter (18, 20) elektrisch leitend verbunden sind, und wobei eine Ansteuerschaltung (24) eines jeden Halbleiterschalters (14, 16) auf einer stirnseitig im Motorgehäuse angeordneten kreisringförmigen Leiterplatte (26) angeordnet sind. Somit erhält man einen Stromrichtermotor, bei dem der speisende Stromrichter vollständig im Motorgehäuse integriert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromrichtermotor.
Die Integration eines Umrichters, insbesondere eines Frequenzumrichters, in ein vorhandenes Motorgehäuse ist ein wesentliches Merkmal der dezentralen Antriebstechnik. Wegen des Platzbedarfs und der Forderung nach Kompaktheit sowie des Kostendrucks ist dabei gefordert, möglichst wenig oder preisgünstige Aufbautechniken zu generieren. Bei im Handel erhältlichen Umrichtermotoren wird entweder die axiale oder die radiale Aufbauweise umgesetzt. Dabei wird die Geometrie des Motors nicht speziell auf die Anforderungen angepasst. Es werden in der Regel Motoren aus dem Standardsortiment des jeweiligen Herstellers verwendet.
Bei einem radialen Aufbau wird der Umrichter, der in einem separaten Gehäuse untergebracht ist, statt einem Klemmenkasten auf dem Motor befestigt. Dabei erfolgt die Kühlung des Umrichters je nach Anbieter durch reine Selbstkühlung oder durch Zwangskühlung. Für die Zwangsbelüftung ist entweder der Motor mit einem Motorwellenlüfter versehen oder weist einen Fremdlüfter auf.
Ein auf dem Motor aufgesetzter Umrichter widerspricht der Kompaktheit. Er baut in der Regel sehr hoch auf, was nicht nur ungünstige Auswirkungen auf den Raumbedarf hat, sondern auch eine schwingungstechnisch ungünstige Konstellation ist. Da die Leistungselektronik des Umrichters in der Regel in Sandwich-Bauweise gestapelt ist, erfolgt in den Zwischenräumen keine bzw. nur ungenügende Kühlung, wodurch ein Wärmestau auftreten kann. Interne Lüfter könnten dieses Problem beheben, die weitgehend wegen des Aufwands eines Austausches von Kunden abgelehnt werden.
Im Fall eines axialen Aufbaus wird der Umrichter in axialer Richtung am Motor angebracht. Ein derartiger Umrichtermotor baut sehr lang, vor allem bei Getriebeanwendungen wird die Gesamtlänge inakzeptabel. Die Entwärmung des Motors verschlechtert sich, da dieser mit der vom Umrichter vorgewärmten Kühlluft umspült wird. Außerdem steht die Oberfläche der Stirnfläche (B-seitiges Lagerschild), an welcher der Umrichter angeflanscht ist, nicht als Kühlfläche zur Verfügung. Ein weiterer Nachteil dieses axialen Aufbaus besteht darin, dass kein handelsüblicher Umrichter mit einem handelsüblichen Motor kombiniert werden kann, sondern dass nur ein für den axialen Aufbau vorgesehener Umrichter verwendet werden kann. Bei einem derartigen Umrichter wird die Leistungselektronik auf eine Vielzahl von Leiterplatten verteilt, die auch noch mittels Stecker und/oder Flachkabel miteinander elektrisch leitend verbunden werden müssen. Dadurch verschlechtert sich die Nutzung der Leiterplattenfläche. Ebenfalls leitet die Steifigkeit des Umrichtermotors.

Die Erfindung wird nun die Aufgabe zugrunde gelegt, einen Stromrichtermotor anzugeben, bei dem der speisende Stromrichter im Motorgehäuse dieses Motors integriert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass bei einem Motor Spulen seiner Ständerwicklung durch stabförmige Leiter ersetzt werden, entsteht im Motorgehäuse dieses Motors jeweils stirnseitig durch Wegfall der Wickelköpfe ein freiverfügbarer Raum. Dieser Raum wird für die Integration des speisenden Stromrichters in das Motorgehäuse des Motors genutzt. Durch die Verwendung von stabförmigen Leitern in der Ständerwicklung weist jeder stabförmige Leiter stirnseitig eine Anschlussfläche auf. Mit dieser Anschlussfläche eines jeden stabförmigen Leiters wird ein Verbindungspunkt zweier elektrisch in Reihe geschalteter abschaltbarer Halbleiterschalter elektrisch leitend verbunden, wobei diese Halbleiterschalter außerdem jeweils mit einem Gleichspan nungsleiter elektrisch leitend verbunden sind. Jeder abschaltbare Halbleiterschalter weist eine Ansteuerschaltung auf, die erfindungsgemäß auf einer kreisringförmigen Leiterplatte angeordnet sind. Diese kreisringförmige Leiterplatte ist im Stirnbereich vor den stirnseitigen Anschlussflächen der stabförmigen Leiter der Ständerwicklung des Motors angeordnet, und damit im Motorgehäuse untergebracht. Dieser erfindungsgemäße Stromrichtermotor weist gegenüber einem herkömmlichen Motor anstelle von drei Anschlüssen für eine dreiphasige Ständerwicklung nur noch zwei Anschlüsse, jeweils einen für einen Gleichstromleiter, am Motorgehäuse auf.

Somit ist ein speisender Stromrichter, der funktionell als Wechselrichter betrieben wird, vollständig in dem Motorgehäuse des vom Stromrichter gespeisten Motors integriert. Durch diese erfindungsgemäße Integration des Stromrichters in das Motorgehäuse, verteilen sich die Bauelemente des Stromrichters stirnseitig auf einer kreisringförmigen Leiterplatte. D.h., der Stromrichter als solches ist nicht als ganzes in das Motorgehäuse integriert, sonders ist vor der Integration in seine Bestandteile aufgelöst worden. Das gilt insbesondere für die abschaltbaren Halbleiterschalter, von denen bei einem herkömmlichen Stromrichter mit dreiphasiger Last, sechs abschaltbare Halbleiterschalter benötigt werden, die vorteilhafter Weise in einem Brückenmodul verpackt sind.

Beim erfindungsgemäßen Stromrichtermotor ist jeweils eine Stirnseite eines stabförmigen Leiters mit zwei elektrisch in Reihe geschalteten abschaltbarem Halbleiterschalter elektrisch leitend verbunden. D.h., bei einer Ständerwicklung mit achtzehn stabförmigen Leitern werden sechsunddreißig abschaltbare Halbleiterschalter benötigt, die mit zugehörigen Ansteuerschaltungen auf einer stirnseitig angeordneten kreisringförmigen Leiterplatte angeordnet sind.

Bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Stromrichtermotors sind mehrere Aufbauvarianten möglich:
Eine erste Variante ist die direkte Bestromung aller stabförmigen Leiter der Ständerwicklung des Stromrichtermotors. Bei dieser direkten Bestromung werden beide stirnseitigen Flächen eines jeden stabförmigen Leiters mit einer Reihenschaltung zweier abschaltbarer Halbleiterschalter elektrisch leitend verbunden. Dadurch kann eine Spannung in beiden Richtungen an jeden stabförmigen Leiter der Ständerwicklung angelegt werden, wodurch ein Strom in beide Richtungen eingeprägt werden kann. Diese abschaltbaren Halbleiterschalter werden dann derart angesteuert, dass eine sinusförmige Stromverteilung entlang des Umfangs des Stromrichtermotors sich annähernd einstellt. Dadurch entsteht eine sehr gleichförmige Drehmomententwicklung.

Bei einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Stromrichtermotors werden die stirnseitigen Flächen der stabförmigen Leiter der Ständerwicklung des erfindungsgemäßen Stromrichtermotors, wie bereits erläutert, mit abschaltbaren Halbleiterschaltern versehen, wogegen die gegenüberliegenden stirnseitigen Flächen dieser stabförmigen Leiter mittels eines Leiters, insbesondere eines kreisförmigen Leiters, kurzgeschlossen werden. Deshalb wird ein derartiger kreisringförmiger Leiter auch als Kurzschlussring bezeichnet. Diese Variante verhält sich wie ein mehrsträngiger Motor in Sternschaltung. Entsprechend werden auch die abschaltbaren Halbleiterschalter angesteuert. Aus Symmetriegründen kann bei dieser Variante auch jeder stabförmige Leiter mit jeder gewünschten Spannungs- und Stromrichtung beaufschlagt werden. Gegenüber der ersten Variante des Stromrichtermotors wird bei dieser Variante die Hälfte an abschaltbaren Halbleiterschaltern eingespart.

Bei einer dritten Variante des erfindungsgemäßen Stromrichtermotors werden wenigstens jeweils zwei stabförmige Leiter der Ständerwicklung auf der einen Stirnseite des Stromrichtermotors mittels eines Ringsegments elektrisch zusammengeschaltet, wogegen auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Stromrichtermotors diese stabförmigen Leiter mittels eines Leiters, insbesondere eines kreisringförmigen Leiters, kurzgeschlossen sind. Dadurch werden die abschaltbaren Halbleiterschalter nicht mehr mit den stirnseitigen Flächen eines jeden stabförmigen Leiters, sondern mit einem Ringsegment elektrisch leitend verbunden. Gegenüber der zweiten Variante verringert sich die Anzahl von abschaltbaren Halbleiterschaltern abhängig von der Anzahl der stabförmigen Leiter pro Ringsegment. Ein derartig ausgebildeter Stromrichtermotor entspricht prinzipiell einer in sterngeschalteten Spulenwicklung eines herkömmlichen Motors.

An Stelle des Kurzschlussringes auf einer Stirnseite des erfindungsgemäßen Motors, können auch mehrere Ringsegmente verwendet werden. Dadurch werden die stabförmigen Leiter der Ständerwicklung des Stromrichtermotors in mehrere Gruppen unterteilt. Damit entspricht diese Variante der ersten Variante, wobei die Anzahl der abschaltbaren Halbleiterschalter wesentlich geringer ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Stromrichtermotors sind als abschaltbarer Halbleiterschalter Halbleiterchips vorgesehen. Durch die Verwendung von Halbleiterchips können diese direkt auf die stirnseitigen Flächen der stabförmigen Leiter der Ständerwicklung aufgelötet werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Stromrichtermotors weist die kreisringförmige Leiterplatte jeweils im Bereich einer stirnseitigen Fläche eines stabförmigen Leiters der Ständerwicklung jeweils eine Ausnehmung auf. Dadurch vereinfacht sich die Verdrahtung der auf jeder stirnseitigen Fläche aufgelöteten Halbleiterchips mit Schaltungsteilen auf der Leiterplatte.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Stromrichtermotors sind die abschaltbaren Halbleiterschalter aus Siliziumkarbid. Durch die Verwendung von Siliziumkarbid können die verwendeten abschaltbaren Halbleiterschalter bei einer höheren Temperatur betrieben werden, dass keine zusätzli chen Maßnahmen zur Entwärmung dieser abschaltbaren Halbleiterschalter vorgesehen werden müssen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Stromrichtermotors bilden die beiden Gleichspannungsleiter und die kreisringförmige Leiterplatte eine Baueinheit. D.h., diese beiden Gleichspannungsleiter sind in der Entflechtung der kreisringförmigen Leiterplatte integriert. Dadurch vereinfacht sich die Montage dieses erfindungsgemäßen Stromrichtermotors und die Verdrahtung der abschaltbaren Halbleiterschalter mit einem Gleichspannungsleiter erheblich.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen 10 bis 17 zu entnehmen.

Zur Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Stromrichtermotors schematisch veranschaulicht sind.
1 zeigt ein Ständerblechpaket einer ersten Variante eines Stromrichtermotors nach der Erfindung, die
2 zeigt einen Ausschnitt aus einer elektrischen Schaltung einer ersten Variante eines Stromrichtermotors nach der Erfindung, in der
3 ist ein stabförmiger Leiter einer ersten Variante des Stromrichtermotors nach der Erfindung dargestellt, die
4 zeigt ein Ständerblechpaket einer zweiten Variante des Stromrichtermotors nach der Erfindung, die
5 zeigt einen Ausschnitt aus einer elektrischen Schaltung einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Stromrichtermotors, in der
6 ist ein stabförmiger Leiter einer zweiten Variante des Stromrichtermotors nach der Erfindung veranschaulicht, die
7 zeigt ein Ständerblechpaket einer dritten Variante des Stromrichtermotors nach der Erfindung, die
8 zeigt einen Ausschnitt aus einer elektrischen Schaltung einer dritten Variante des erfindungsgemäßen Stromrichtermotors und in der
9 ist eine Gruppe von stabförmigen Leitern einer dritten Variante des Stromrichtermotors nach der Erfindung dargestellt.
In der 1 ist wegen der Übersichtlichkeit nur ein Ständerblechpaket 2 einer ersten Variante eines Stromrichtermotors nach der Erfindung perspektivisch dargestellt. Dieses Ständerblechpaket 2 weist eine Ständerwicklung 4 auf, die eine Vielzahl von stabförmigen Leitern 6 aufweist. In dieser Darstellung sind als stabförmige Leiter 6 massive Stäbe aus leitendem Material, insbesondere aus Kupfer, vorgesehen. Die stabförmigen Leiter 6 können auch aus mehreren Drahtleitern oder aus mehreren Litzen zusammengesetzt sein. Dabei weisen die stirnseitigen Enden dieser mehreren Drahtleiter bzw. Litzen ein elektrisch leitendes Verbindungselement auf. Als Verbindungselement kann eine Platte oder eine Hülse vorgesehen sein. Mittels dieses Verbindungselementes werden die räumlich parallel verlaufenden Drahtleiter bzw. Litzen elektrisch parallel geschaltet. Gegenüber der Fertigung von stabförmigen Leitern für handelsübliche Motoren existieren keine Unterschiede. Stabförmige Leiter, insbesondere massive Stäbe, werden bei handelsüblichen Motoren überwiegend in Läufern von Asynchronmotoren verwendet. Bei herkömmlichen Motoren weist die Ständerwicklung mehrere Wickelspulen auf, wodurch stirnseitig Wickelköpfe entstehen, die in axialer Richtung des Motors einen nicht zu vernachlässigenden Raum beanspruchen. Durch den Wegfall dieser Wickelköpfe gewinnt man nicht nur den vorher beanspruchten Raum, sondern durch die Verwendung von stabförmigen Leitern, insbesondere massiven Kupferstäben, vereinfacht sich die Herstellung einer Ständerwicklung 4 erheblich.
In der 2 ist ein Querschnitt aus einer elektrischen Schaltung einer ersten Variante des Stromrichtermotors nach der Erfindung veranschaulicht. Dieser Ausschnitt umfasst we gen der Übersichtlichkeit drei stabförmige Leiter 6 der Ständerwicklung 4 des Stromrichtermotors nach der Erfindung. Ein vollständiges Bild dieser Schaltung umfasst alle stabförmigen Leiter 6 der Ständerwicklung 4, die gemäß der 1 achtzehn stabförmige Leiter 6 aufweist. Bei der ersten Variante des Stromrichtermotors nach der Erfindung sind beide stirnseitigen Flächen 8 und 10 eines stabförmigen Leiters 6 jeweils mit einem Verbindungspunkt 12 zweier elektrisch in Reihe geschalteter abschaltbarer Halbleiterschalter 14 und 16 elektrisch leitend verbunden. Jeder dieser beiden elektrisch in Reihe geschalteten Halbleiterschalter 14 und 16 ist mit einem weiteren Leistungsanschluss (Kollektor bzw. Emitter) mit einem Gleichspannungsleiter 18 und 20 elektrisch leitend verbunden. Der Gleichspannungsleiter 18 weist eine positive Gleichspannung DC+ und der Gleichspannungsleiter 20 weist eine negative Gleichspannung DC– auf. Die Gleichspannung die zwischen diesen beiden Gleichspannungsleitern 18 und 20 an jeder Reihenschaltung zweier abschaltbarer Halbleiterschalter 14 und 16 ansteht, ist eine Zwischenkreisspannung U_ZW eines Spannungszwischenkreis-Umrichters. D.h., diese Gleichspannung U_ZW wird von außen an den erfindungsgemäßen Stromrichtermotor mittels zweier Gleichspannungs-Anschlüsse angelegt. Dadurch weist dieser erfindungsgemäße Stromrichtermotor gegenüber einem herkömmlichen Motor nur zwei anstelle von drei Anschlüssen auf. Außerdem handelt es sich bei diesen Anschlüssen nicht um Wechselspannungs-, sondern um Gleichspannungsanschlüsse.
Ein mit herkömmlichen Mitteln aufgebauter Stromrichtermotor bzw. ein stromrichtergespeister Motor, weist einen lastseitigen dreiphasigen Stromrichter, beispielsweise einen Spannungszwischenkreis-Umrichter, ein dreiphasiges Anschlusskabel und einen dreiphasigen Motor auf. Da beim erfindungsgemäßen Stromrichtermotor der lastseitige Stromrichter eines Spannungszwischenkreis-Umrichters in das Innere des Motorgehäuses integriert ist, schrumpft das dreiphasige Anschlusskabel auf eine Länge eines Bonddrahtes 22, der den Verbindungspunkt 12 mit einer stirnseitigen Fläche 8 bzw. 10 eines stabförmigen Leiters 6 elektrisch leitend verbindet. Diese räumliche Ver schmelzung von abschaltbaren Halbleiterschalter 14, 16 und stabförmigen Leiter 6 verringert die Problematik von Spannungsüberhöhungen durch Reflexionen und die damit verbundene mögliche Schädigung der Motorhauptisolation erheblich.
Die 3 zeigt einen stabförmigen Leiter 6 der ersten Variante des Stromrichtermotors nach der Erfindung. Auf die stirnseitigen Flächen 8 und 10 dieses stabförmigen Leiters 6 sind die abschaltbaren Halbleiterschalter 14 und 16 aufgelötet. Eine zugehörige Ansteuerschaltung 24 dieser beiden abschaltbaren Halbleiterschalter 14 und 16 ist auf einer kreisringförmigen Leiterplatte 26 bzw. 28 angeordnet. Im Bereich der stirnseitigen Flächen 8 bzw. 10 des stabförmigen Leiters 6 weist diese kreisringförmige Leiterplatte 26 bzw. 28 eine Ausnehmung 30 bzw. 32 auf. Die Steueranschlüsse 34 und 36 der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter 14 und 16 sind in dieser Darstellung mittels Bonddrähte 38 und 40 mit Steuerausgängen 42 und 44 der Ansteuerschaltung 24 elektrisch leitend verbunden. Ein weiterer Leistungs-Anschluss 46 bzw. 48 des abschaltbaren Halbleiterschalters 14 bzw. 16 ist mittels mehrerer Bonddrähte mit dem Gleichspannungsleiter 18 bzw. 20 elektrisch leitend verbunden. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform dieser ersten Variante des erfindungsgemäßen Stromrichtermotors sind diese Gleichspannungsleiter 18 und 20 Bestandteil der kreisringförmigen Leiterplatte 26, 28. D.h., diese beiden Gleichspannungsleiter 18 und 20 werden jeweils durch Leiterbahnen der Leiterplatte 26, 28 realisiert. Dadurch vereinfacht sich eine Verdrahtung der abschaltbaren Halbleiterschalter 14 und 16 erheblich.
Als abschaltbare Halbleiterschalter 14 und 16 werden gemäß der elektrischen Schaltung gemäß 2 Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) verwendet. Da jeder stabförmige Leiter 6 wenigstens an einer Stirnseite bestromt wird, und die abschaltbaren Halbleiterschalter 14 und 16 direkt mit einer stirnseitigen Fläche 8 bzw. 10 elektrisch leitend verbunden werden, werden abschaltbare Halbleiter-Chips, insbesondere IGBT-Chips, verwendet. Bei im Handel erhältlichen IGBT- Chips bildet ein Leistungsanschluss des IGBT-Chips eine Lötseite des IGBT-Chips. Dieser Leistungsanschluss ist beispielsweise der Kollektoranschluss. Gemäß der elektrischen Schaltung gemäß 2 wird der abschaltbare Halbleiterschalter 16 mit seinem Kollektoranschluss, aber der abschaltbare Halbleiterschalter 14 mit seinem Emitteranschluss mit der stirnseitigen Fläche 8 bzw. 10 des stabförmigen Leiters 6 elektrisch leitend verbunden. D.h., der IGBT-Chip des abschaltbaren Halbleiterschalters 16 wird direkt mit seiner Lötseite auf diese stirnseitigen Flächen des stabförmigen Leiters 6 gelötet. Zwischen der Lötseite des IGBT-Chips des abschaltbaren Halbleiterschalters 14 und der stirnseitigen Fläche 8 bzw. 10 des stabförmigen Leiters 6 muss eine beidseitige kupferkaschierte Isolier-Zwischenlage, insbesondere eine Keramik-Zwischenlage, zur Isolierung dieses IGBT-Chips angeordnet sein. Bei diesem IGBT-Chip wird mittels Bonddrähte die stirnseitige Fläche 8 bzw. 10 des stabförmigen Leiters 6 mit dem Emitteranschluss auf der Oberseite dieses IGBT-Chips elektrisch leitend verbunden. Sind jedoch im Handel IGBT-Chips erhältlich, bei denen entweder der Kollektor- oder der Emitteranschluss eine Lötseite darstellt, so kann auf die Keramik-Zwischenlage verzichtet werden und beide IGBT-Chips können dann direkt auf die stirnseitige Fläche 8 bzw. 10 aufgelötet werden. Eine weitere prinzipielle Alternative ist ein bidirektional leit- und sperrfähiger Halbleiterschalter.
Anstelle des bekannten Bondens der abschaltbaren Halbleiterschalter 14 und 16 mit der kreisringförmigen Leiterplatte 26 bzw. 28, kann auch das bekannte Verfahren der planaren Verbindungstechnologie verwendet werden. Bei dieser planaren Verbindungstechnologie werden planare Folien verwendet, die im Vakuum auflaminiert werden. Ein Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass der Strom über große Leiterquerschnitte geführt wird.
Aufgrund der sehr niedrigen Induktivität des stabförmigen Leiters 6, insbesondere des massiven Stabes, ist es erforderlich, dass die abschaltbaren Halbleiterschalter 14, 16 mit ei ner sehr hohen Schaltfrequenz gepulst werden. Dadurch kann der Strom durch einen abschaltbaren Halbleiterschalter 14 bzw. 16 keine für diesen abschaltbaren Halbleiterschalter 14 bzw. 16 gefährliche Amplitude erreichen. Außerdem treten an diesen stabförmigen Leitern 6 der Ständerwicklung 4 des erfindungsgemäßen Stromrichtermotors hohe Temperaturen auf. Wegen dieser beiden Faktoren werden bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Stromrichtermotors abschaltbare Halbleiterschalter 14, 16 aus Siliziumkarbid verwendet. Es können jedoch auch abschaltbare Halbleiterschalter 14, 16 aus Silizium verwendet werden. Bei der letztgenannten Materialwahl muss die Entwärmung dieser abschaltbaren Halbleiterschalter 14, 16 erfolgen, wie die Entwärmung der Wickelköpfe bei einem herkömmlichen Motor.
Die 4 zeigt ein Ständerblechpaket 2 einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Stromrichtermotors. Dieses Ständerblechpaket 2 unterscheidet sich von dem Ständerblechpaket 2 der ersten Variante des erfindungsgemäßen Motors gemäß 1 dadurch, dass die stabförmigen Leiter 6 mittels eines Leiters 50, der die stirnseitigen Flächen 10 eines jeden stabförmigen Leiters 6 miteinander elektrisch leitend verbindet, kurzgeschlossen werden. Ein derartiger Leiter 50 wird auch als Kurzschlussring bezeichnet. Durch diesen Kurzschlussring 50 verhält sich der erfindungsgemäße Stromrichtermotor wie ein mehrsträngiger Motor in Sternschaltung.
In der 5 ist eine zugehörige elektrische Schaltung Ausschnittsweise dargestellt. Diese elektrische Schaltung unterscheidet sich von der elektrischen Schaltung gemäß 2 dadurch, dass nur eine stirnseitige Fläche 8 eines jeden stabförmigen Leiters 6 mit einem Verbindungspunkt zweier elektrisch in Reihe geschalteter Halbleiterschalter 14, 16 elektrisch leitend verbunden ist. Die stirnseitigen Flächen 10 eines jeden stabförmigen Leiters 6 sind mittels des Kurzschlussringes 50 miteinander elektrisch leitend verbunden. Ein Vergleich dieser beiden elektrischen Schaltungen der Variante 1 (2) und der Variante 2 (5) zeigt, dass die Hälfte an abschaltbaren Halbleiterschaltern 14, 16 eingespart wird.
Die 6 zeigt einen stabförmigen Leiter 6 der zweiten Variante des Stromrichtermotors nach der Erfindung. Bei dieser Variante entspricht die Stirnseite des Stromrichtermotors, die die stirnseitigen Flächen 8 aufweist, der entsprechenden Stirnseite der ersten Variante des Stromrichtermotors gemäß 3. Der Unterschied besteht darin, dass auf der gegenüberliegenden Stirnseite nun bei der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Stromrichtermotors nur noch ein Leiter 50 vorgesehen ist, der alle stirnseitigen Flächen 10 der stabförmigen Leiter 6 elektrisch miteinander verbindet.
Bei einer dritten Variante des erfindungsgemäßen Stromrichtermotors sind gemäß 7 wenigstens jeweils zwei stabförmige Leiter 6 der Ständerwicklung 4 auf der einen Stirnseite des Motors mittels Ringsegmenten 52 elektrisch miteinander verbunden. In dieser 7 ist ein Ständerblechpaket 2 dieser dritten Variante des erfindungsgemäßen Stromrichtermotors näher dargestellt. Dabei ist ebenfalls wie bei der zweiten Variante gemäß 4 auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Motors die stabförmigen Leiter 6 mittels eines Leiters 50, insbesondere eines kreisringförmigen Leiters, kurzgeschlossen. Bei der Darstellung gemäß 7 sind jeweils drei stabförmige Leiter 6 mittels eines Ringsegmentes 52 elektrisch miteinander verbunden.
Die zugehörige elektrische Schaltung ist in der 8 Ausschnittsweise dargestellt. Diese elektrische Schaltung unterscheidet sich von der elektrischen Schaltung gemäß 5 dadurch, dass nicht jede stirnseitige Fläche 8 eines jeden stabförmigen Leiters 6 mit einer Reihenschaltung zweier abschaltbarer Halbleiterschalter 14, 16 elektrisch leitend verbunden ist, sondern nur noch jeder dritte stabförmige Leiter 6. Gemäß der Darstellung des Ständerblechpakets 4 gemäß 7 sind jeweils drei stabförmige Leiter 6 mittels eines Ringsegmentes 52 elektrisch leitend miteinander verbunden. Aus die sem Grund sind in der elektrischen Schaltung die stirnseitigen Flächen 8 von drei stabförmigen Leitern 6 mittels einer Leitung 52 miteinander elektrisch leitend verbunden. Diese Leitung 52 in der elektrischen Schaltung entspricht einem Ringsegment 52 in der Darstellung des Ständerblechpaketes 2 gemäß 7. Da bei dieser Ausführungsform beispielsweise drei stabförmige Leiter auf einer Stirnseite miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wird anstelle von drei Reihenschaltungen zweier abschaltbarer Halbleiterschalter 14, 16 nur noch eine Reihenschaltung benötigt. Somit wird die Anzahl der verwendeten abschaltbaren Halbleiterschalter 14, 16 gemäß der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Stromrichtermotors auf ein Drittel in der dritten dargestellten Variante reduziert.
Eine entsprechende Realisierung dieser dritten Variante gemäß der 7 und 8 ist in der 9 schematisch dargestellt. In dieser Darstellung ist das Ringsegment 52 sehr deutlich zu sehen. Auf diesem Ringsegment 52 ist ein korrespondierendes Segment 54 einer kreisringförmigen Leiterplatte 26 angeordnet. Die Verbindung zwischen diesen Leiterplattensegmenten 54 wird mittels der beiden Gleichspannungsleitungen 18 und 20 hergestellt. Ein Vergleich der dritten Variante des erfindungsgemäßen Stromrichtermotors gemäß 9 gegenüber der ersten Variante gemäß 3 zeigt, dass der Elektronikanteil sich auf sechs Leiterplattensegmenten und sechs Reihenschaltungen zweier abschaltbarer Halbleiterschalter 14, 16 beschränkt. Jede Reihenschaltung zweier abschaltbarer Halbleiterschalter 14 und 16 werden nun direkt auf ein Ringsegment 52 gelötet. Anschließend wird das zugehörige Leiterplattensegment 54 mit seiner Ausnehmung 30 derart auf das Ringsegment 52 platziert, dass die beiden abschaltbaren Halbleiterschalter 14, 16 wenigstens mit ihrer Anschlussebene durch diese Ausnehmung 30 ragen. Die elektrischen Verbindungen dieser Leiterplattensegmente 54 erfolgt am einfachsten dadurch, dass jeweils eine im Leiterplattensegment 54 integrierte Gleichspannungsleitung 18 bzw. 20 mittels einer Verbindungsleitung miteinander verbunden werden. Somit weist diese Variante des erfindungsgemäßen Stromrichtermotors den geringsten Aufwand auf.
Die genannte Aufbautechnik dieses erfindungsgemäßen Stromrichtermotors bietet zahlreiche Vorteile:

– Sehr kompakte Aufbauformen durch dem Wegfall der Wickelköpfe und der mechanischen Trennung zwischen Motor und Umrichter.
– Die Ständernuten haben einen Füllfaktor von 1 (im Gegensatz zu ca. 65% bei normalen Wicklungen), was einen geringeren Nutenquerschnitt und infolge dessen unter der Voraussetzung konstanter Einzelquerschnitte eine Verkleinerung der Maschine erlaubt.
– Die Aufbautechnik erlaubt den gewohnten Anbau aller A- und B-seitigen Optionen am Motor (Bremsen, Fremdlüfter).
– Durch den Einsatz eines massiven Stabes können steile Schaltflanken der abschaltbaren Halbleiterschalter die Windungsisolation nicht schädigen, da eine solche nicht existiert.
– Die räumliche Verschmelzung von Schalter und stabförmigen Leiter verringert die Problematik von Spannungsüberhöhungen durch Reflexionen und die damit verbundene mögliche Schädigung der Motorhauptisolation drastisch.
– Die Durchflutungen werden bei der ersten und zweiten Variante des Stromrichtermotors besser der Sinusform angenähert als dies mit normalen Wicklungen möglich ist, was zu deutlich verbesserter Drehmoment-Qualität führt.
– Bei der ersten und zweiten Variante des Stromrichtermotors sind prinzipiell ungerade Stabzahlen möglich, was zur Vermeidung von Rastmomenten aufgrund der Nutung führt.
– Bei der ersten und zweiten Variante des Stromrichtermotors ist eine Art Polumschaltung realisierbar, in dem bei geeigneter Anzahl von Stäben eine unterschiedliche Anzahl von Stäben zusammen bestromt werden. Diese realisiert entweder hohes Drehmoment und niedrige Drehzahl oder umgekehrt, also eine Art elektrisches Getriebe.
– Die Entwärmung der abschaltbaren Halbleiterschalter über die Stäbe ist sehr gut, da die Kühlfläche Ständerstab sehr gut thermisch angebunden ist. Als Einschränkung verbleibt das absolut gesehen hohe Temperaturniveau.

Claims

Stromrichtermotor, dessen Ständerwicklung (4) stabförmige Leiter (6) aufweist, wobei eine erste Stirnseite (8) eines jeden stabförmigen Leiters (6) dieser Ständerwicklung (4) jeweils mit einem Verbindungspunkt (12) zweier elektrisch in Reihe geschalteter abschaltbarer Halbleiterschalter (14, 16) elektrisch leitend verbunden ist, deren weitere Leistungsanschlüsse jeweils mit einem Gleichspannungsleiter (18, 20) elektrisch leitend verbunden sind, und wobei eine Ansteuerschaltung (24) eines jeden Halbleiterschalters (14, 16) auf einer stirnseitig im Motorgehäuse angeordneten kreisringförmigen Leiterplatte (26) angeordnet sind.
Stromrichtermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Stirnseite (10) eines jeden stabringförmigen Leiters (6) der Ständerwicklung (4) jeweils mit einem Verbindungspunkt (12) einer weiteren Reihenschaltung zweier abschaltbarer Halbleiterschalter (14, 16) elektrisch leitend verbunden ist, deren weitere Leistungsanschlüsse jeweils mit einem Gleichspannungsleiter (18, 20) elektrisch leitend verbunden sind, und wobei eine Ansteuerschaltung (24) eines jeden Halbleiterschalters (14, 16) einer jeden weiteren Reihenschaltung auf einer weiteren stirnseitig im Motorgehäuse angeordneten kreisringförmigen Leiterplatte (28) angeordnet sind.
Stromrichtermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Stirnseite (10) eines jeden stabförmigen Leiters (6) der Ständerwicklung (4) mit einem Leiter (50) elektrisch leitend verbunden sind.
Stromrichtermotor, dessen Ständerwicklung (4) stabförmige Leiter (6) aufweist, wobei eine erste Stirnseite (8) wenigstens zweier stabförmiger Leiter (6) mittels eines Ringsegmentes (52) elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei jedes Ringsegment (52) mit einem Verbindungspunkt (12) zweier elektrisch in Reihe geschalteter abschaltbarer Halbleiterschalter (14, 16) elektrisch leitend verbunden sind, deren weitere Leistungsanschlüsse jeweils mit einem Gleichspannungsleiter (18, 20) elektrisch leitend verbunden sind, wobei eine Ansteuerschaltung (24) eines jeden abschaltbaren Halbleiterschalters (14, 16) auf ein stirnseitig im Motorgehäuse angeordneten Leiterplattensegment (54) angeordnet sind, und wobei eine zweite Stirnseite (10) eines jeden stabförmigen Leiters (6) mittels eines Leiters (50) elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Stromrichtermotor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als abschaltbarer Halbleiterschalter (14, 16) ein Halbleiter-Chip vorgesehen ist.
Stromrichtermotor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kreisringförmige Leiterplatte (26, 28) im Bereich einer Stirnseite (8, 10) eines stabförmigen Leiters (6) jeweils eine Ausnehmung (30, 32) aufweist.
Stromrichtermotor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abschaltbaren Halbleiterschalter (14, 16) jeweils aus Siliziumkarbid sind.
Stromrichtermotor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsleiter (18, 20) und die kreisringförmige Leiterplatte (26, 28) eine Baueinheit bilden.
Stromrichtermotor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Lötseite eines abschaltbaren Halbleiterschalters (14, 16) einer jeden Reihenschaltung und einer Stirnseite (8, 10) eines stabförmigen Leiters (6) der Ständerwicklung (4) eine beidseitig kaschierte Isolier-Zwischenlage angeordnet ist.
Stromrichtermotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolier-Zwischenlage eine Keramik-Zwischenlage ist.
Stromrichtermotor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster abschaltbarer Halbleiterschalter (14, 16) einer jeden Reihenschaltung auf seiner Lötseite einen Kollektor-Anschluss und ein zweiter abschaltbarer Halbleiterschalter (14, 16) einer jeden Reihenschaltung auf seiner Lötseite einen Emitter-Anschluss aufweisen.
Stromrichtermotor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als stabförmiger Leiter (6) ein massiver Stab aus elektrisch leitenden Material vorgesehen ist.
Stromrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als stabförmiger Leiter (6) ein Leiter aus wenigstens zwei Drahtleitern vorgesehen ist, deren stirnseitigen Enden jeweils mit einem elektrisch leitenden Verbindungselement versehen sind.
Stromrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als stabförmiger Leiter (6) ein Leiter aus wenigstens zwei Litzen vorgesehen ist, deren stirnseitigen Enden jeweils mit einem elektrisch leitenden Verbindungselement versehen sind.
Stromrichtermotor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbindungselement eine Hülse aus elektrisch leitendem Material vorgesehen ist.
Stromrichtermotor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbindungselement eine Platte aus elektrisch leitendem Material vorgesehen ist.
Stromrichtermotor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils als abschaltbarer Halbleiterschalter (14, 16) ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistor vorgesehen ist.