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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Umrichtermotor, umfassend einen
Motor, einen Umrichter und eine Fremdlüftereinheit.
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Die
Integration eines Umrichters, insbesondere eines Frequenzumrichters,
in einem Motor 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.
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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.
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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 schwingungstechnische
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.
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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 leidet
die Steifigkeit des Umrichtermotors.
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Bei
beiden Aufbautechniken erfolgt die Kühlung des Motors und des Umrichters
durch einen axialen Lüfteraufbau.
Ein derartiger Lüfteraufbau
ist thermisch problematisch, da die Temperatur des Motors auf der
dem Lüfter
abgewandten Seite wesentlich höher
liegt als auf der Lüfterseite.
Die Auslegung und damit Größe des Motors
wird aber durch die so genannte worst case Temperatur bestimmt.
Außerdem
ergibt sich auch bei einem radial aufgebauten Umrichter durch den
axial auf der Motorwelle angebrachten Lüfter eine axiale Vergrößerung des
Aufbaus eines Umrichtermotors.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen radial aufgebauten
Umrichtermotor mit verbesserter Kühlung anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch,
dass das Gehäuse
des Umrichters jeweils radial verlaufende Kühlrippen aufweisen, wobei die
dem Gehäuse
des Motors zugewandte Seite des Gehäuses des Umrichters U-förmig ausgebildet ist,
und wobei eine Fremdlüftereinheit
radial zu von Motor und Umrichter gebildete Kühlkanäle angeordnet ist, wird nun
der Motor und der Umrichter gleichmäßig über die gesamte Achslänge des
Umrichtermotors gekühlt.
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Durch
die U-förmige
Ausgestaltung des wannenförmigen
Gehäuses
des Umrichters umschließt dieser
bei einer radialen Anordnung auf dem Motor den Motor zangenförmig. Dadurch
kann dieser Umrichter mit minimalem Abstand auf den Motor angeordnet
werden.
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Dadurch,
dass die Fremdlüftereinheit
radial zum Motor und Umrichter angeordnet ist, kann ein Kühlluftstrom
radial über
die gesamte Achslänge
des Umrichtermotors zugeführt
werden.
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Damit
dieser Kühlluftstrom
auch um den Motor und entlang einer dem Motor zugewandten Seite des
Umrichters geführt
werden kann, müssen
beide Vorrichtungen des Umrichtermotors zueinander beabstandet angeordnet
sein. Dadurch entstehen zwischen Umrichter und Motor über die
gesamte Achslänge
des Umrichtermotors ein Kühlkanal.
Da außerdem
die Fremdlüftereinheit
nun radial am Umrichter und nicht axial am Motor angeordnet ist,
ist dieser erfindungsgemäße Umrichtermotor
gegenüber
einem handelsüblichen
radial aufgebauten Umrichtermotor kompakter in axialer Richtung.
Da durch die U-förmige
Ausgestaltung des Gehäuses
des Umrichters seine Elektronik nicht mehr radial gestapelt werden muss,
verringert sich die Bauhöhe
des erfindungsgemäßen Umrichters
wesentlich. Dadurch ist dieser erfindungsgemäße Umrichtermotor schwingungsunempfindlicher.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Umrichtermotors ist die dem Motor zugewandte Seite des Umrichters
mit radial verlaufenden Kühlrippen versehen.
Dadurch kann aus dem Gehäuse
des Umrichters des Umrichtermotors eine höherer Verlustleistung abgeführt werden.
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Bei
eines weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Umrichtermotors
nach der Erfindung ist die Fremdlüftereinheit an einem Schenkel
des U-förmigen
Gehäuses
des Umrichters angeordnet. Durch diese Anordnung wird die Bauform
des Umrichters weder in axialer noch in radialer Richtung vergrößert. Diese
Fremdlüftereinheit
liegt durch die erfindungsgemäße Anordnung
im Schatten eines Schenkels des U-förmigen Gehäuses des Umrichters.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Umrichermotors
nach der Erfindung bilden die Fremdlüftereinheit und ein Schenkel
des U-förmigen
Gehäuses
des Umrichters eine Baueinheit. Dadurch verringert sich der Montageaufwand
für den
Umrichtermotor.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungform des Umrichtermotors
nach der Erfindung greifen die Kühlrippen
des Gehäuses
des Motors und die Kühlrippen
des Umrichters ineinander. Dadurch entspricht die radiale Bauhöhe des Umrichtermotors
annähernd
der Höhe
einer Kühlrippe
des Gehäuses
des Motors oder einer Kühlrippe
des Gehäuses
des Umrichters, wenn dieses Gehäuse
des Motors oder einer Kühlrippe
des Gehäuses
des Umrichters, wenn diese Kühlrippen
unterschiedlich hoch sind.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Umrichtermotors
nach der Erfindung ist als Fremdlüftereinheit ein Radial-Walzenlüfter vorgesehen.
Mittels diesem Radial-Walzen-lüfters wird auf
einfache Art eine angesaugte Umgebungsluft radial über die
gesamte axiale Länge
des Umrichtermotors als Kühlluft
in den vom Umrichter und Motor gebildeten Kühlkanal bzw. in die mehreren
räumlichen nebeneinander
angeordneten Kühlkanälen eingeführte.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
des Umrichtermotors sind den Unteransprüchen 7 bis 9 zu
entnehmen.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Figur Bezug genommen, in der eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Umrichtermotors
schematisch veranschaulicht ist.
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In
dieser Figur sind mit 2 ein Motor, mit 4 ein Umrichter
und mit 6 eine Fremdlüftereinheit
bezeichnet. Bei diesem Motor 2 ist das Gehäuse 8 mit
radial verlaufenden Kühlrippen 12 versehen.
Diese Kühlrippen 12 sind
räumlich
nebeneinander entlang der axialen Motorlänge beanstandet angeordnet.
Jeder Zwischenraum zweier benachbarter Kühlrippen 12 bildet einen
radial verlaufenden Kühlkanal
aus. Da der Umrichtermotor nach der Erfindung eine Fremdlüftereinheit 6 aufweist,
wird als Motor 2 ein nicht eigenbelüfteter Motor verwendet. Dadurch
wird der axiale Platzbedarf für
einen Motorwellenlüfter
mit Lüfterhaube eingespart.
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Das
Gehäuse 14 des
Umrichters 4 besteht aus einem wannenförmigen Teil 16 und
einem Deckel 18. Der wannenförmige Teil 16 besteht
aus einem wärmeleitenden
Material. Der Deckel 18 besteht vorzugsweise aus einem
nicht wärmeleitenden
Material und ist lösbar
mit dem wannenförmigen
Teil 16 verbunden. Die dem Motor 2 zugewandte
Seite 20 des wannenförmigen
Teils 16 des Gehäuses 14 des
Umrichters 4 ist U-förmig
ausgebildet. Dadurch entstehen zusätzliche Räume in den Schenkeln 22 und 24 des
wannenförmigen
Teils 16, in dem Teile einer Umrichterelektronik untergebracht
werden können.
Wegen der Übersichtlichkeit
sind die Teile der Elektronik jeweils nur durch eine Leiterplatte 26, 28 und 30 dargestellt.
Ein wesentlicher Teil der Umrichterelektronik ist auf der Leiterplatte 30 untergebracht,
die direkt auf einem Leistungsmodul 32, insbesondere einem
Brückenmodul,
angebracht und mit Steueranschlüssen von
abschaltbaren Halbleiterschaltern dieses Leistungsmoduls 32 elektrisch
leitend verbunden. Als abschaltbarer Halbleiterschalter werden vorzugsweise Insolated-Gate-Bipolar-Transistoren
(IGBT) verwendet. Diese Leiterplatten 26, 28 und 30 sind
mittels flexibler Verbindungselemente 34 und 36 untereinander elektrisch
leitend verbunden. Das Leistungsmodul 32, insbesondere
IGBT-Leistungsmodul, ist direkt mit dem Boden 38 des wannenförmigen Teils 16 des
Gehäuses 14 des
Umrichters 4 wärmeleitend
verbunden.
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Die
dem Motor 2 zugewandte Seite 20 des wannenförmigen Teils 16 des
Gehäuses 14 des
Umrichters 4 weist in dieses vorteilhaften Ausführungsform
radial verlaufende Kühlrippen 40 auf.
Die Kontur dieser U-förmig
ausgebildeten Seite 20 des wannenförmigen Teils 16 des
Gehäuses 14 des
Umrichters 4 ist derart ausgebildet, dass diese Kontur
räumlich
parallel zur Kontur der Mantelfläche
des Gehäuses 8 mit
dem radial verlaufenden Kühlrippen 12 des
Motors 2 verläuft.
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Die
Fremdlüftereinheit 6 besteht
aus einem Lüftergehäuse 42 und
einem Walzenlüfter 44.
Das Lüftergehäuse 42 mit
dem Walzenlüfter 44 ist
unterhalb des Schenkels 22 des Gehäuses 14 des Umrichters 4 angeordnet.
Da diese Fremdlüftereinheit 6 im
Schatten des Schenkels 22 des Gehäuses 14 des Umrichters 4 angeordnet
ist, wird kein zusätzlicher Platz
beansprucht, der den Umrichermotor in axialer oder radialer Richtung
vergrößert. An
Stelle eines Walzenlüfters 44 können auch
zwei Axiallüfter
im Lüftergehäuse 42 untergebracht
sein. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Umrichtermotors
bilden der Schenkel 22 des Gehäuses 14 des Umrichters 4 und
das Lüftergehäuse 42 eine
Baueinheit. Der Walzenlüfter 44 ist
derart in das Lüftergehäuse 42 angeordnet,
dass eine radial angesaugte Umgebungsluft 46 als Kühlluft 48 radial
in eine bzw. in mehrere über die
gesamte Achslänge
des Umrichtermotors verteilten räumlich
parallel verlaufenden Kühlkanälen 50 eingeleitet
wird. Zur Anschauung des Kühlluftverlaufes
sind der Umrichter 4 und der Motor 2 beabstandet dargestellt.
Bei einem realen Umrichtermotor ist der Umrichter 4 derart
direkt auf den Motor 2 angeordnet, dass sich die Kühlrippen 40 des
Umrichters 4 stirnseitig auf den Stirnseiten der Kühlrippen 12 des
Kühlgehäuses 8 des
Motors 2 abstützen
können.
Bei einem besonders kompakten Umrichtermotor greifen die Kühlrippen 40 des
Gehäuses 14 des
Umrichters 4 und die Kühlrippen 12 des
Gehäuses 8 des
Motors 2 ineinander. Dadurch verringert sich die radiale
Bauhöhe
eines Umrichtermotors nach der Erfindung um die Höhe der Kühlrippe 40 des
Gehäuses 14 des
Umrichters 4 oder um die Höhe der Kühlrippe 12 des Gehäuses 8 des
Motors 2, abhängig
davon, welcher niedriger ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines
Umrichtermotors wird dieser in radialer Richtung sehr kompakt, wobei
der Motor 2 und der Umrichter 4 optimal gekühlt werden.
Bei dieser fosierten Kühlung
wird der Motor 2 und der Umrichter 4 über die
gesamte Achslänge
des Umrichtermotors gleichmäßig gekühlt. Da
die Fremdlüftereinheit 6 im
Schatten eines Schenkels 22 des U-förmigen Gehäuses 14 des Umrichters 4 angeordnet
ist, ist dieser frei zugänglich
und kann ohne großen
Aufwand im Servicefall oder Fehlerfall ausgetauscht werden.