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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Umrichtermotor, umfassend einen
Motor, einen Umrichter und einen Fremdlüfter.
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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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Aus
der
DE 40 15 080 A1 ist
auch ein Umrichtermotor bekannt, wobei der Frequenzumrichter, insbesondere
die Frequenzumrichterelektronik, in einem Klemmenkasten des Elektromotors
angeordnet ist. Damit dieser Klemmenkasten weder in der Gestaltung
noch in der Werkstoffwahl thermodynamischen Bedingungen unterliegt,
weist dieser Klemmenkasten an seiner dem Motor zugewandten Seite eine
Gehäuseunterbrechung
auf, die zum Zwecke der Kühlung
des Leistungsteils des Frequenzumrichters diesen mindestens teilweise
durchsetzt. Dieser Leistungsteil ist auf einem Wärmeverteiler angeordnet, der
mit einem Kühlkörper versehen
ist. Dadurch wird die Verlustwärme
der Fre quenzumrichterelektronik direkt an den Kühlkörper gebracht, ohne den Klemmenkasten
selbst zum Wärmetransport
heranzuziehen, wodurch dieser in der Formgebung und der Materialwahl
einen großen
Gestaltungsfreiraum aufweist.
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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 entsprechend der
DE 90 17 681 U1 wird der
Umrichter in axialer Richtung am Motor angebracht. Auf einer dem
Motor abgewandten Seite des Umrichters ist ein Fremdlüfter angeordnet,
der wie der Umrichter von einem kastenförmigen Gehäuse umschlossen wird. 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,
die vom Fremdlüfter
erzeugt 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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Aus
der
DE 198 01 195
A1 ist ein weiterer Umrichtermotor in axialer Aufbautechnik
bekannt. Bei diesem Umrichtermotor ist der Frequenzumrichter in
axialer Verlängerung
des Elektromotors hinter einem Lüfterraum
angeordnet. Dieser Frequenzumrichter weist einen ringförmigen Kühlkörper auf,
dessen Kühlrippen
in einen axialen Ansaugkanal der Motorlüftung ragen. Die Motorlüftung wird
von einem motoreigenen Lüfter
vorgenommen. Durch diesen axialen Aufbau wird der Umrichtermotor
in axialer Aufbautechnik sehr kompakt.
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Bei
beiden Aufbautechniken erfolgt die Kühlung über einen durch Eigenlüfter oder
Fremdlüfter erzeugten
Volumenstrom. Diese Lösung
stellt hinsichtlich der thermischen Entkopplung zwischen Motor und
Umrichter sowie der Strömungsführung nicht das
Optimum dar.
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Neben
axial verlaufenden Kühlrippen
an einem Gehäuse
eines Elektromotors sind aus der
DE 697 18 457 T2 auch radial verlaufende
Kühlrippen
bei einem Gehäuse
eines Elektromotors bekannt. Bei radial verlaufenden Kühlrippen
wird die Luftzirkulation nach oben, die die Wärme abtransportiert, vergrößert. Dadurch
tritt ein natürliches
Kühlen
auf, ohne dass ein Ventilator erforderlich ist. Um die Wärmeabfuhr
weiter zu steigern, ist aus dieser Übersetzung der europäischen Patentschrift
EP 0 895 666 B1 bekannt,
die Kühlrippen
des Gehäuses
eines Elektromotors in radialer und axialer Richtung zu neigen.
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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 der Motor mit radial verlaufenden Kühlrippen versehen ist und der
radial auf dem Motor angeordnete Umrichter einen Luftschacht aufweist,
dessen Luftaustrittsseite mit einem Lüftführungssystem versehen ist,
wird ein von einem Fremdlüfter,
der in diesem Luftschacht angeordnet ist, erzeugter Kühlluftstrom über die
gesamte axiale Gehäuselänge eingeleitet.
Dadurch sind die beiden Seiten des Motors gleich gekühlt, d.h.,
der Aktivteil des Motors und deren Lagerstellen erhalten gleichzeitig die
eingeleitete Kühlluft.
Bei einer axialen Belüftung ist
eine Seite des Motors immer wärmer
als die andere Seite. Mittels des Luftführungssystems wird die über die
gesamte axiale Gehäuselänge eingeleitete Kaltluft
weitgehend um den Motor geführt.
Gegenüber
der Stelle, an der die Kaltluft eingeleitet wird, tritt die erwärmte Kaltluft
wieder aus. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Umrichtermotors entstehen
keine Strömungswindschatten,
so dass ebenfalls eine Elektronik des radial angeordneten Umrichters
besser gekühlt
wird. D.h., der Umrichter wird durch den Kühlluftstrom thermisch vom Motor entkoppelt.
Ein weiterer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht darin,
dass weitere Komponenten, wie Bremsen oder Tachos, axial problemlos
an einem Lagerschild des Motors angebracht werden können. Außerdem wird
der Umrichtermotor trotz radialem Aufbau kompakter, da der Umrichter
direkt auf den Motor aufgesetzt wird.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Umrichtermotors
ist das Gehäuse
des Umrichters axial in zwei Gehäusehälften geteilt,
die jeweils eine Gehäuseausnehmung
aufweisen. Dadurch entsteht ohne großen Aufwand der Luftschacht
für den
Fremdlüfter.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichtermotors bilden
das Luftführungssystem
und der Umrichter eine Baueinheit. Dadurch vereinfacht sich der
Montageaufwand des Umrichtermotors.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichtermotors sind
die Gehäusehälften des
Umrichters jeweils als Halbschalen aufgebaut. Dadurch vereinfacht
sich der Montageaufwand des Umrichtermotors noch weiter. Außerdem ist
der Motor des Umrichtermotors nun über die gesamte axiale Gehäuselänge gekapselt. Damit
die Kühlluft
an der Lufteintrittsseite gegenüberliegenden
Seite wieder aus treten kann, sind die beiden Halbschalen des Umrichtergehäuses derart
ausgebildet, dass diese der Gehäuseausnehmung
gegenüberliegenden
Seiten einen Luftspalt bilden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichtermotors weisen
die dem Motor zugewandte Seite jeder Gehäusehälfte des Umrichters radial
verlaufende Kühlrippen
auf. Damit der Umrichtermotor kompakt aufgebaut ist, sind diese
radial verlaufenden Kühlrippen des
Umrichters jeweils zwischen zwei radial verlaufenden Kühlrippen
des Motors angeordnet. Dadurch kann nicht nur für den Motor, sondern auch für den Umrichter
des Umrichtermotors die Leistungsausbeute erhöht werden.
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Da
bei diesem erfindungsgemäßen Umrichtermotor
die Belüftung
grundsätzlich
mit einem Fremdlüfter
erfolgt, kann auf einen eigenbelüfteten Motor
verzichtet werden. Dadurch spart man sich den Platz des Eigenlüfters und
der Lüfterhaube
ein, so dass der Umrichtermotor in axialer Ausrichtung extrem kompakt
ist. Außerdem
ist auch das Geräuschniveau
des erfindungsgemäßen Umrichtermotors
wesentlich niedriger. Das liegt zum einen daran, dass ein Fremdlüfter wesentlich
leiser arbeitet, wobei der Wirkungsgrad gegenüber einem Eigenlüfter höher ist.
Zum anderen wird das im Motor und durch die strömende Luft erzeugte Geräusch durch
den um den Motor sitzenden Umrichter mit einem Lüftungsführungssystem, insbesondere
durch die Halbschalen des Gehäuses
des Umrichters, gedämpft.
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Der
wesentliche erfinderische Schritt bei diesem erfindungsgemäßen Umrichtermotor
besteht darin, dass eine axiale durch eine radiale Kühlung des Umrichtermotors
ersetzt wird, wobei eine permanente Fremdbelüftung vorgesehen ist. Dadurch
erhält man
eine thermische Entkopplung von Motor und Umrichter des Umrichtermotors
durch den Kühlluftstrom
zwischen diesen beiden Komponenten des Umrichtermotors. Außerdem kann
nun der Raum um den Motor für
den Umrichter genutzt werden, wodurch ein radial aufgebauter Umrichtermotor
sehr kompakt aufgebaut werden kann bei gleichzeitiger Sicherstellung
einer effizienten Kühlung
beider Komponenten des Umrichtermotors.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen
eines erfindungsgemäßen Umrichtermotors
schematisch veranschaulicht sind.
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1 zeigt
einen Motor eines Umrichtermotors nach der Erfindung, in der
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2 ist
eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Umrichtermotors
schematisch veranschaulicht, die
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3 zeigt
ein Luftführungssystem
des Umrichtermotors nach 2 und die
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4 zeigt
eine zweite Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Umrichtermotors.
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In
der 1 ist ein Motor 2 eines Umrichtermotors 4 gemäß der Erfindung
schematisch dargestellt. Bei diesem Motor 2 handelt es
sich um einen Motor in hoher Schutzart, beispielsweise IP5 oder
höher.
Das Motorengehäuse 6 weist
radial verlaufende Kühlrippen 8 auf.
Von diesem Motor in perspektivischer Ansicht ist das Lagerschild 10 der
Antriebsseite mit einem Wellenende 12 zu sehen.
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Die 2 zeigt
eine erste Ausführungsform eines
Umrichtermotors 4 nach der Erfindung, der einen Motor 2 nach 1 und
einen Umrichter 14 umfasst. Dieser Umrichter 14 ist
radial auf dem Motor 2 aufgesetzt und weist einen Luftschacht 16 auf.
In diesem Luftschacht 16 ist ein Fremdlüfter 18 angeordnet.
Bei dieser Ausführungsform
des Umrichtermotors 4 besteht der Umrichter 14 aus
zwei Gehäusehälften 20 und 22.
Jede Gehäusehälfte 20 bzw. 22 weist
eine Gehäuseausnehmung 24 bzw. 26 auf,
die im aufgesetzten Zustand der Umrichterhälften 20 und 22 auf
dem Motor den Luftschacht 16 bilden. Außerdem weist dieser Umrichtermotor 4 noch
zwei Luftleitbleche 28 und 30 auf, die Bestandteile
eines Luftführungssystems 32 sind,
das in der 3 näher dargestellt ist. In dieser
Ausfüh rungsform
bildet der Umrichtermotor 4 und das Luftführungssystem 32 eine Baueinheit.
Die freien Enden 34 bzw. 36 der Luftleitbleche 28 und 30 bilden
einen Luftspalt 38, der dafür vorgesehen ist, dass die
im Luftschacht 16 zugeführte
Kühlluft
auch wieder aus dem Umrichtermotor 4 austreten kann. Durch
die Aufteilung des Umrichters 14 auf zwei Gehäusehälften 20 und 22 wird
die Montage des Umrichtermotors sehr einfach, insbesondere bei einem
Umrichter 14, dessen dem Motor 2 zugewandte Seiten
mit radial verlaufenden Kühlrippen versehen
sind. Damit diese radial verlaufenden Kühlrippen jeweils zwischen zwei
radial verlaufenden Kühlrippen 8 des
Motors 2 angeordnet werden können, muss das Gehäuse des
Umrichters 14 zweigeteilt sein. Durch diesen radialen Aufbau
wird der Umrichtermotor 4 besonders kompakt.
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In
der 3 ist das Luftführungssystem 32 perspektivisch
näher dargestellt.
Dieses Luftführungssystem 32 weist
einen axial verlaufenden Luftverteiler 34 und zwei radial
verlaufende Luftleitbleche 28 und 30 auf. Diese
Luftleitbleche 28 und 30 sind derart geformt,
dass diese einen Motor 2 derart einschließt, dass
eine im Luftverteiler 34 eingeleitete Kühlluft über die Mantelfläche des
Motorgehäuses des
Motors 2 gemäß 1 geleitet
wird. Die freien Enden 34 und 36 dieser beiden
Luftleitbleche 28 und 30 sind derart zueinander
beabstandet, dass ein Luftspalt 38 gebildet wird. Dieser
Luftspalt 38 wird benötigt,
damit die in das Luftführungssystem 32 zugeführte Kühlluft dieses
System auch wieder verlassen kann. Wie groß dieser Luftspalt 38 sein
muss, hängt von
den Strömungsverhältnissen
ab. Auch die Geräuschentwicklung
hat einen Einfluss auf die geometrischen Abmessungen dieses Luftspalts 38.
Eine Lufteintrittsöffnung 40 des
axialen Luftverteilers 34 ist mit dem Luftschacht 16 verbunden,
in dem der Fremdlüfter
angeordnet ist. Im axialen Luftverteiler 34 können ebenfalls
noch weitere Leitbleche derart angeordnet werden, damit die in der
Lufteintrittsöffnung 40 eingeleitete
Kühlluft
annähernd
konstant über
die gesamte axiale Gesamtlänge
des Motors 2 verteilt wird. Dadurch wird nicht nur der
Motor 2 über sei ne
gesamte axiale Gehäuselänge gleichzeitig
gekühlt,
sondern ebenfalls dessen Lagerschilde.
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Die 4 zeigt
eine zweite Ausführungsform des
Umrichtermotors 4 nach der Erfindung. Diese Ausführungsform
unterscheidet sich von der Ausführungsform
gemäß 2 dadurch,
dass die Gehäusehälften 20 und 22 des
Umrichter 14 als Halbschalen ausgebildet sind. Dadurch
dienen diese beiden halbschalenförmigen
Gehäusehälften 20 und 22 gleichzeitig
als Luftleitbleche zur Führung
der eingeleiteten Kühlluft.
Insbesondere ist die dem Motor 2 zugewandte Seite einer
jeden Halbschale jeweils derart ausgebildet, dass auf ein separates
Luftführungssystem 32 verzichtet
werden kann. Dadurch vereinfacht sich der Montageaufwand für einen
Umrichtermotor 4 nach der Erfindung wesentlich. Nach der
Montage des Umrichters 14 mit dem Motor 2 ist
dieser vollständig
gekapselt. Da bei dieser Ausführungsform des
Umrichtermotors 4 der Umrichter 14 das Bauvolumen
um den Motor 2 ausnutzt, wird der Umrichtermotor 4 besonders
kompakt, ohne dass die Kühlung des
Motors 2 und des Umrichters 14 darunter zu leiden
haben. Die axiale Ausdehnung des Umrichters 14 bezogen
auf die axiale Ausdehnung des Motors 2 kann um wenigstens
beidseitig einer Dicke einer Kühlrippe
des Umrichters 14 länger
sein. D.h., die beiden Lagerschilde des Motors 2 werden
jeweils von einer Kühlrippe
des Umrichters 14 eingeschlossen. Dadurch werden die Lagerschilde
des Motors 2 genauso gut gekühlt wie die gesamte axiale
Gehäuselänge des
Motors 2.
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Da
die Belüftung
des Motors 2 und des Umrichters 14 bei diesem
erfindungsgemäßen Umrichtermotor 4 grundsätzlich mit
einem Fremdlüfter 18 erfolgt,
kann auf eigenbelüftete
Motoren für
den Umrichtermotor 4 verzichtet werden. D.h., es werden
nur Motoren 2 beim erfindungsgemäßen Umrichtermotor 4 verwendet,
die keinen Eigenlüfter
mit Lüfterhaube mehr
aufweisen. Dadurch wird der Umrichtermotor 4 nach der Erfindung
nicht nur in radialer, sondern auch in axialer Richtung sehr kompakt.
Durch die radiale Luftführung
der Kühlluft
koppelt diese Kühlluft
thermisch den Umrichter 14 vom Motor 2.