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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor mit einer Umrichtereinheit.
Aus dem Stand der Technik sind die unterschiedlichsten Arten von
Motoren bekannt. So sind beispielsweise Asynchron-Normmotoren die
gebräuchlichsten
in der Industrie verwendeten Antriebe. Derartige Motoren sind preisgünstig, sehr
robust und laufruhig. Allerdings weisen derartige Asynchronmotoren
auch diverse Nachteile auf, wie beispielsweise eine feste Drehzahl
und Drehrichtung, sowie die Notwendigkeit einer Vorrichtung für den Anlauf.
Daneben ist auch der Wirkungsgrad bei Teillast gering und der Leistungsfaktor
cosphi schlecht. Auch ist keine aktive Bremsung derartiger Motoren
möglich.
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Um
diese Nachteile zu überwinden,
ist man im Stand der Technik dazu übergangen, die Bewährten Asynchronmotoren
mit einem Umrichter zu betreiben, der den Motor speist. Mit Hilfe
dieses Umrichters können
prinzipiell sämtliche
Nachteile ausgeräumt
werden. Daher ist die Tendenz hin zu denjenigen Motoren, die mit
Umrichtern betrieben werden, steigend.
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Andererseits
weist das Vorsehen eines Umrichters auch diverse Nachteile auf,
wie beispielsweise Zusatzkosten, erhöhten Platzbedarf im Schaltschrank,
zusätzliche
Wärmeentwicklung
im Schaltschrank sowie eine Störabstrahlung
durch die Pulsweitenmodulation (PWM) und die dadurch bedingte Notwendigkeit
von Entstörfiltern.
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Andererseits
entfallen bei Einsatz eines Umrichters im Idealfall sämtliche
(teuren) Netzanschaltkomponenten, die bei Normmotoren üblich sind.
So ist beispielsweise kein Motorschutzschalter beziehungsweise Auslösegerät zur Temperaturüberwachung
nötig,
kein Stern/Dreieckanlasser und kein Motorstarter. Daneben ist auch
keine Schätzkombination
für die
Polumschaltung oder Drehrichtungsumkehr nötig und auch kein Netzschütz, wenn
keine betriebsmäßige Spannungsfreischaltung
nötig ist (wenn
der Umrichter über
eine elektronische Anlaufsperre verfügt). Schließlich ist auch kein Gleichstrom-Bremsgerät nötig.
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Im
Stand der Technik werden daher zunehmend Umrichter eingesetzt, sodass
auch häufiger Kombinationen
von Motor und Umrichter (so genannte Umrichtermotoren) angeboten
werden. Eine bekannte Lösung
besteht aus einem Umrichter, der anstelle eines Klemmkastens auf
den Motor geschraubt wird. Dabei ist der Motor ein unveränderter
Normmotor und der Umrichter bildet eine separate funktionsfähige Einheit,
die optional auch neben dem Motor angebracht werden kann. Diese
Kombination kann direkt an das Netz angeschlossen werden, da das Netzfilter
im Umrichter integriert ist.
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Allerdings
wird hierbei eine Trennung und insbesondere ein thermische Trennung
zwischen dem Motor und dem Umrichter vorgenommen, wobei dies damit
begründet
wird, dass bei Ausfall des Umrichters ein Notbetrieb des Motors
direkt am Netz möglich
sein soll. Daher sind entsprechende Motoren in der Regel für Netzspannung
(400 V, 50 Hz) gewickelt. Die Vorteile der Anordnung des Umrichters
direkt am Motor sind, dass im Schaltschrank einerseits der Platzbedarf
verringert und andererseits die Wärmeentwicklung vermieden wird.
Daneben muss das Motorkabel nicht geschirmt sein.
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Der
Nachteil derartiger Systeme liegt darin, dass die Umrichtereinheit
oft ähnlich
groß ist
wie der Motor selbst. Insbesondere bei niedrigen Nennleistungen
ist der Umrichter oft voluminöser
als der Motor selbst ausgeführt.
Der Grund hierfür
liegt zum einen darin, dass der Umrichter über ein eigenes Kühlsystem
verfügt
und zum anderen darin, dass der Umrichter über ein Zwischengehäuse, in
dem sich die Anschlussklemmen befinden, mit dem Motor verbunden
ist.
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Grundsätzlich wird
bei den bekannten Lösungen
ein Wärmeaustausch
zwischen dem Umrichter und dem Motorgehäuse vermieden, in dem auf thermische
Entkopplung geachtet wird. Auch ist die Integration eines Positionsgebers
zur Drehzahl- oder Lageregelung grundsätzlich nicht vorgesehen oder mit
sehr hohem Zusatzaufwand verbunden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Umrichtermotor
zu schaffen, der im Vergleich zu den bestehenden Lösungen weniger
Bauraum benötigt.
Daneben sollte der erfindungsgemäße Umrichtermotor
kostengünstiger
sein, die elektrischen Anschlüsse
erleichtern und auch eine Drehzahlregelung mit Hilfe von geeigneten
Sensoren ermöglichen.
Damit soll ein Umrichtermotor zur Verfügung gestellt werden, der als
zeitgemäßer Ersatz
für die
IEC-Normmotoren, mit oder ohne Umrichter, geeignet ist.
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Diese
Aufgaben werden erfindungsgemäß durch
die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche
1 und 2 sowie durch eine Umrichtereinheit nach Anspruch 18 erreicht.
Vorteilhafte Ausführungsformen
und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
erfindungsgemäße Umrichtermotor weist
eine Motorwelle und eine Umrichtereinheit, welche den Elektromotor
steuert, auf. Die Umrichtereinheit weist eine Vielzahl von Steuerungskomponenten auf
und ist an dem Elektromotor angeordnet. Daneben besitzt der Elektromotor
eine Rückwand.
Erfindungsgemäß ist die
Umrichtereinheit bzw. ein Gehäuse
der Umrichtereinheit an dieser Rückwand
angeordnet und die Umrichtereinheit weist einen Durchgangsbereich
auf, durch welchen das hintere Ende der Motorwelle hindurchtritt.
Bei dem Durchgangsbereich kann es sich um einen Durchbruch handeln.
Es ist jedoch auch möglich,
dass die Motorwelle lediglich die Umrichtereinheit seitlich passiert.
In diesem Fall ist der Durchgangsbereich derjenige geometrische Bereich
neben der Umrichtereinheit, durch den die Durchgangswelle hindurchtritt.
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Alternativ
oder in Ergänzung
zu dem Durchgangsbereich ist die Umrichtereinheit thermisch mit dem
Elektromotor gekoppelt. Der Elektromotor weist bevorzugt ein Motorgehäuse auf,
an dem bzw. an dessen Rückwand
die Umrichtereinheit angeordnet ist. Im Folgenden wird daher auch
auf das Motorgehäuse
Bezug genommen. Prinzipiell ist die Erfindung jedoch auch bei gehäuselosen
Elektromotoren einsetzbar.
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Beide
erfindungsgemäßen Lösungen erlauben
eine Reduzierung des Bauraums und können insbesondere auch miteinander
kombiniert werden.
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Vorzugsweise
sind die Steuerungskomponenten in einem Gehäuse angeordnet, wobei dieses Gehäuse nicht
notwendigerweise ein vollständig
geschlossenes Gehäuse
sein muss.
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Damit
ist die Umrichtereinheit direkt an der Rückwand angeordnet und so kann
durch eine geeignete Dimensionierung der Umrichtereinheit sowie des
Motorgehäuses
insgesamt eine Platzeinsparung erreicht werden. Die oben erwähnte Kombination
aus einem Normmotor mit einer separaten Umrichtereinheit ist ein
in der Entwicklung der Elektromotoren begründetes Zwischenstadium, das
auf der strikten Trennung von Motor und Umrichterentwicklung beruht.
Der erfindungsgemäße Ansatz
beruht darauf, dass günstigere
Umrichtermotoren insbe sondere dadurch konstruiert werden können, dass
der Motor und die Steuerungselektronik wie der Umrichter eine mechatronische
Einheit bilden.
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Im
Gegensatz zu früheren
Umrichtern ist nunmehr die Umrichterelektronik technologisch so ausgereift,
dass sie die Zuverlässigkeit
des Elektromotors nicht mehr beeinträchtigt. So werden beispielsweise
zur Erreichung von Rüttelfestigkeit
und langer Lebensdauer keine Relais und keine Elektrolytkondensatoren
eingebaut sein. Auch ist es mittlerweile nicht mehr notwendig, dass
der Elektromotor für
direkten Netzanschluss ausgelegt wird. Es ist auch nicht unbedingt
erforderlich, dass der Umrichter leicht austauschbar ist. Sehr vorteilhaft
ist es jedoch, wenn der Motor und der Umrichter separat gefertigt und
geprüft
werden können
und auch leicht zusammengefügt
werden können.
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Da
der Elektromotor auch nicht mehr für direkten Netzanschluss ausgelegt
sein muss, können Spannung,
Frequenz und Polpaarzahl frei gewählt werden. Eine etwaige Netzüberspannung
muss bei der Auslegung nicht mehr berücksichtigt werden, wodurch
das Eisen besser ausgenutzt werden kann. Auch ist ein Hochlauf am
Netz nicht mehr von Nöten. Anstelle
eines Asynchronmotors kann jetzt auch ein PM-Synchronmotor oder
ein Reluktanzmotor zum Einsatz kommen. Beide Motoren haben im Vergleich zum
Asynchronmotor kaum Rotorverluste. Der PM-Synchronmotor entwickelt
etwa 50 % mehr Dauerleistung. Damit kann die vorliegende Erfindung grundsätzlich auf
alle Gattungen von Elektromotoren Anwendung finden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
umgibt die Umrichtereinheit eine geometrische Achse der Motorwelle
in der Umfangsrichtung der geometrischen Achse im Wesentlichen vollständig. So
ist es beispielsweise möglich,
dass die Motorwelle selbst durch eine Öffnung der Umrichtereinheit ragt.
Die Umrichtereinheit kann jedoch auch kreissegmentförmig ausgebildet
sein, beispielsweise in Form eines Halbkreises. Durch diese Anordnung
ist eine besonders platzsparende Konstruktion des Umrichtermotors
möglich.
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Bevorzugt
weist die Umrichtereinheit bzw. deren Gehäuse eine Durchgangsöffnung auf,
durch welche die Motorwelle hindurchtritt. Genauer gesagt sind,
wie oben erwähnt,
hierbei die Komponenten der Umrichtereinheit bzw. des Umrichters
in einem geschlossenen Gehäuse
untergebracht, das hinten am Motor befestigt ist und das ein Durchgangsloch
aufweist, durch das die Motorwelle nach hinten durchtritt. Anstelle
eines Durchgangsloches kann auch ein Schlitz oder Spalt vorgesehen
sein. Auf diese Weise ist es möglich,
die Umrichtereinheit, beispielsweise zu Reparaturzwecken, von der
Motorwelle seitlich abzuziehen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die Umrichtereinheit bzw. deren Gehäuse thermisch mit dem Motorgehäuse gekoppelt. Auch
hierdurch wird eine besonders kleinbauende Einheit aus Motor und
Umrichtereinheit erreicht. In dieser Ausführungsform verfügt die Leistungselektronik
des Umrichters über
keine eigene Kühlvorrichtung,
sondern ist thermisch mit dem Motorgehäuse gekoppelt. Daher wirkt
der Motor als Kühlkörper für die Elektronik.
Dies hat einerseits zur Folge, dass die Nennleistung des Motors
wegen der zusätzlichen
Erwärmung
etwas geringer ist (beispielsweise 20 % geringer). Diese Verringerung
kann jedoch durch eine Verlängerung
des Aktivteils oder den Einsatz von verlustarmem Dynamoblech ausgeglichen
werden, wobei der erfindungsgemäße Umrichtermotor
bei gleicher Leistung immer noch erheblich kleiner ist als die aus
dem Stand der Technik bekannten Lösungen.
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Die
Mehrkosten für
den erfindungsgemäßen Motor
sind unerheblich. Da, wie oben erwähnt, die durch den Netzanschluss
bedingten Einschränkungen
wegfallen, kann die Leistung des Motorteils auch durch eine geeignete
Auslegung gesteigert werden. Bei Verwendung eines PM-Synchronmotors
wird der Motorteil trotz der eingeleiteten Umrichterverluste sogar
kleiner als der ursprüngliche
Asynchronmotor.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
weist die Umrichtereinheit bzw. deren Gehäuse eine im Wesentlichen ebene
Basisplatte auf, die in direktem Kontakt mit der Rückwand des
Motorgehäuses
steht. Mit anderem Worten weist die Umrichtereinheit eine Planfläche auf,
mit der die Umrichtereinheit auf eine Planfläche des hinteren Lagerschilds
des Motors montiert ist. Auf diese Weise ist ein besonders günstiger
Wärmeübertrag
möglich.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Umrichtermotor
einen steckbaren Netzanschluss auf und dieser Netzanschluss beziehungsweise
der motorseitige Stecker ist in das Gehäuse der Umrichtereinheit integriert.
Auch auf diese Weise kann eine Raumeinsparung erreicht werden. Bevorzugt
ist die Umrichtereinheit über
einen Steckverbinder elektrisch mit der Wicklung der elektrischen
Maschine, d.h. des Motors verbunden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Umrichtereinheit
bzw. deren Gehäuse
eine metallische Basisplatte mit einem hohen Wärmeleitungsquotienten auf,
wobei diese Basisplatte direkt an der Rückwand des Motorgehäuses angeordnet
ist. Auf diese Weise kann der Wärmeübertrag ebenfalls
verbessert werden.
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Damit
ist die Umrichtereinheit mit einer gut wärmeleitenden Basisplatte einerseits
an einer Planfläche
des Motorgehäuses
befestigt und andererseits wird in diese Basisplatte die Verlustwärme der
Leistungselektronik der Umrichtereinheit eingeleitet.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Umrichtereinheit
erfolgt der thermische Kontakt zum Motorgehäuse direkt über die Bodenplatte des Keramiksubstrats
(DCB), auf dem sich die Leistungshalbleiter befinden. Das Umrichtergehäuse weist
also in der Anlagefläche
einen Durchbruch für
das DCB auf, sodass die Unterseite des DCB direkt am Motor anliegt.
Das DCB ist dabei vorzugsweise beweglich gegenüber dem Umrichtergehäuse und
so vorgespannt, dass es bei montiertem Umrichter an die Planfläche des
Motors gedrückt wird.
Die Verwendung von Wärmeleitpaste
an dieser Stelle ist vorteilhaft.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind temperaturempfindliche Komponenten der Umrichtereinheit thermisch
mit einem von der Basisplatte thermisch isolierten Deckel gekoppelt. Auf
diese Weise kann die in der Leistungselektronik auftretende Hitzeentwicklung
von diesen temperaturempfindlichen Komponenten der Umrichtereinheit ferngehalten
werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist an einem Endabschnitt
der Motorwelle ein Lüfterrad
angeordnet. Genauer gesagt ist vorteilhaft die durch das Loch in
der Umrichtereinheit durchtretende Welle an deren Ende mit einem
Lüfterrad
bestückt,
welches für
die Belüftung
sowohl des Motors als auch der Umrichterteinheit sorgt.
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Vorzugsweise
weist das Lüfterrad
eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen
auf. Genauer gesagt handelt es sich dabei insbesondere um axiale
Durchbrüche,
die bewirken, dass auch im Bereich des unmittelbar vor dem Lüfterrad
befindlichen Umrichterdeckels ein zentrifugal nach außen gerichteter
Luftstrom erzeugt wird und damit die Kühlwirkung verbessert wird.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist an der Motorwelle ein Signalgeber angeordnet und dieser Signalgeber
ist an einem Abschnitt der Motorwelle angeordnet, der durch die
Umrichtereinheit bzw. deren Gehäuse
geführt
wird. Mit anderen Worten ist in Längsrichtung der Motorwelle der
Signalgeber in einem Bereich angeordnet, der zumindest teilweise
von der Umrichtereinheit umgeben wird. Durch diesen Signalgeber
kann die Winkellage der Motorwelle durch mindestens einen in der Umrichtereinheit
vorgesehenen Sen sor berührungslos
erfasst werden.
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Besonders
bevorzugt handelt es sich bei dem Signalgeber um ein ringförmiges Element
und besonders bevorzugt um einen in Umfangsrichtung alternierend
magnetisierten Magneten, dessen Feld mittels Magnetfeldsensoren
in der Umrichtereinheit ausgewertet wird.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der Signalgeber ein ringförmiges
Element, welches in eine Nabe des Lüfterrads integriert ist. Zu
diesem Zweck ist die Nabe des Lüfterrads nach
vorne, d.h. zum Ende der Welle hin verlängert. Damit ist bei dieser
Ausführungsform
der Signalgeber an einem Innenumfang des Lüfterrads vorgesehen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist ein Sensorelement vorgesehen, welches die Temperatur wenigstens
eines Abschnitts der Basisplatte bestimmt. Da der Motor und die
Umrichtereinheit thermisch gekoppelt sind, reicht eine Temperaturüberwachung
der Umrichtereinheitboden- beziehungsweise Basisplatte auf. Hier
wird die Verlustwärme
des Leistungsteils eingespeist und fließt in das Motorgehäuse. Daher
ist die Basisplatte stets heißer
als das Motorgehäuse,
weshalb auf eine separate Erfassung der Motortemperatur verzichtet werden
kann. Zum Schutz der Motorwicklung im Falle von Überlast verfügt die Umrichtereinheit
besonders bevorzugt über
eine an den Motor angepasste i2t-Strombegrenzung.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist der Elektromotor ein Signalgeberelement zur berührungslosen
Erfassung einer Winkelposition der Motorwelle auf, wobei das Sensorelement
hinter der Motorwelle angeordnet ist. Genauer gesagt ist das Sensorelement
in axialer Richtung hinter der Motorwelle im Umrichterteil angeordnet.
In dieser Ausführungsform
befinden sich die Komponenten der Umrichtereinheit ebenfalls in
dem Gehäuse,
das hinten beziehungsweise an der Rückwand am Motor befestigt ist
und zentral hinter der Motorwelle ist der Sensor angeordnet, der
es ermöglicht, die
Winkellage der Motorwelle berührungslos
zu erfassen. Dazu ist es möglich,
das Ende der Motorwelle besonders auszuformen oder mit einem Magneten zu
bestücken
oder es auch mit einer rotativen Maßverkörperung zu versehen.
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Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
ist an der Motorwelle hinter der Umrichtereinheit eine Enkoderscheibe
angeordnet, die berührungslos durch
eine in der Umrichtereinheit eingebaute Sensorik zum Zwecke der
Winkelerfassung abgetastet wird. Es wäre jedoch auch möglich, dass
diese Enkoderscheibe an dem Lüfterrad
befestigt oder ein Teil des Lüfterrads
ist. Bevorzugt wird auch hier die Winkelposition der Motorwelle
berührungslos
erfasst.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich bei dem Umrichter um einen Wechselrichter, der mit
Gleichspannung versorgt wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist weiterhin auf eine Umrichtereinheit für einen
Elektromotor gerichtet, wobei die Umrichtereinheit eine Durchgangsöffnung zum
Durchführen
einer Motorwelle aufweist sowie eine Basisplatte, die an einer Rückwand eines Elektromotors
angeordnet werden kann. Bevorzugt ist die Umrichtereinheit in der
oben beschriebenen Art ausgeführt.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsformen
ergeben sich aus den beigefügten
Zeichnungen.
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Darin
zeigen:
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1a eine
erste Ansicht eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit einer
Umrichtereinheit;
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1b eine
weitere Ansicht des Elektromotors aus 1a;
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2 den
Elektromotor aus 1a, wobei die Lüfterhaube
abgenommen ist;
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3 den
Motor aus 1 ohne das Lüfterrad;
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4 den
Motor aus 1a ohne die Umrichtereinheit;
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5 einen
erfindungsgemäßen Elektromotor
ohne Rückwand
und Umrichtereinheit; und
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6 eine
erfindungsgemäße Umrichtereinheit
für den
Elektromotor.
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Die 1a und 1b zeigen
einen erfindungsgemäßen Umrichtermotor 1 mit
einem Motorgehäuse 3,
an dem eine Umrichtereinheit 6 angeordnet ist. Das Bezugszeichen 8 bezieht sich
auf eine Lüfterhaube
der Umrichtereinheit, welche wiederum an ihrer Rückwand 8a eine Vielzahl
von Öffnungen für die Belüftung aufweist.
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Der
Netzanschluss wird direkt an der Umrichtereinheit 6 gesteckt.
Eine entsprechende Buchse (z.B. DESINA) ist entweder in die Bodenplatte oder
den Deckel 7 des Umrichters (vgl. 4) integriert.
Der Stecker 2 liegt platzsparend am Motor 1 an,
wodurch der Einbauraum für
den Umrichtermotor kleinstmöglich
wird. Die Kabelabgangsrichtung des Steckers 2 kann durch
die Wahl einer diesbezüglich passenden
Steckertülle
beliebig an die geforderten Bedingungen angepasst werden.
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Die
Einheit aus Motor und Umrichtereinheit kann in Schutzart IP 65 ausgeführt werden.
Da die Umrichtereinheit über
ein geschlossenes Gehäuse verfügt, ist
nur darauf zu achten, dass die Anordnung im Bereich des Wicklungsanschlusses
dicht wird, was beispielsweise mit Hilfe eine O-Rings am Umfang
der Planfläche
am Lagerschild des Motors erreicht werden kann.
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2 zeigt
den Umrichtermotor aus 1, wobei hier
die Lüfterhaube 8 abgenommen
ist. Das Bezugszeichen 23 bezieht sich auf ein auf der
Welle beziehungsweise einem Endabschnitt 4a der Welle montiertes
Lüfterrad,
das unabhängig
von der Drehrichtung seinen Zweck erfüllen muss, so dass der Deckel
zumindest zeitweise „im
Windschatten" liegen würde. Die
erwünschte
Luftbewegung im Bereich des Umrichterdeckels, der in 2 durch
das Lüftrad
verdeckt wird, kann dadurch erreicht werden, dass das Lüfterrad
nahe der Welle axiale Durchbrüche 24 aufweist,
die einen zentrifugalen nach außen
gerichteten Luftstrom zwischen dem (nicht gezeigten) Deckel und
dem Lüfterrad
ermöglichen.
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Das
Motorgehäuse 3 weist
Rippen 3a zur Kühlung
auf.
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3 zeigt
den Umrichtermotor aus 2 mit abgenommenen Lüfterrad.
Man erkennt hier, dass die Umrichtereinheit 6 einen Umrichterdeckel 7 aufweist,
und dieser Umrichterdeckel 7 wiederum eine Durchgangsöffnung 14 durch
welche hindurch sich die Motorwelle 4 erstreckt. Das Bezugszeichen 5 bezieht
sich auf Anschlüsse
für Steuersignale.
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4 zeigt
den Umrichtermotor aus den vorangegangenen Figuren, wobei hier die
Umrichtereinheit abgenommen wurde. Dabei bezieht sich das Bezugszeichen 11 auf
die Rückwand
des Motorgehäuses 3,
an der die Umrichtereinheit angeordnet ist. Der erfindungsgemäße Umrichtermotor
ist mit einer Vorrichtung zur Messung der Rotorposition ausgerüstet. Da,
wie oben erwähnt,
die Umrichtereinheit die Motorwelle umschließt, kann in die Umrichtereinheit
ein Sensor integriert werden, der den Drehwinkel der Motorwelle 4 berührungslos
erfasst.
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Eine
mögliche
Lösung
besteht darin, einen alternierend magnetisierten Ringmagneten 26,
der hier als Signalgeber fungiert, einzusetzen. Dieser Ringmagnet
wird auf der Motorwelle befestigt und ist in dem Durchgangsloch 14 der
Umrichtereinheit 6 angeordnet. Genauer gesagt handelt es
sich bei dem Signalgeber hier um einen in Umfangsrichtung alternierend
magnetisierten Ringmagneten, der auf der Welle befestigt und in
dem Durchgangsloch 14 der Umrichtereinheit 6 platziert
ist. Das Magnetfeld dieses Signalgebers 26 wird von zwei
im Winkel von 90° (bezogen
auf die Polteilung) des Magneten angeordneten Hallsensoren gemessen. Über die
arctan-Funktion kann der Drehwinkel bestimmt werden.
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Mit
Hilfe dieses sehr robusten und kostengünstigen Winkelsensors ist mit
allen Drehstrommotoren eine feldorientierte Einprägung des
Stroms und die Regelung der Drehzahl und Lage möglich, die im Gegensatz zu
Verfahren, die ohne Geber arbeiten, unter allen Bedingungen einen
optimalen und stabilen Betrieb gewährleistet. Dies gilt auch im
Stillstand und beim Positionieren ohne Einschränkungen. Aufgrund der geringen
Kosten für
die erfindungsgemäße Positionsmessung
können
geberlose Regelverfahren nicht konkurrieren, weil sie mit hohem
Rechenaufwand nur eine minderwertige Drehzahlregelung erlauben.
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5 zeigt
einen Blick in das Innere des Elektromotors, d.h. nachdem die Rückwand des Elektromotors,
die an dem Gehäuse 3 befestigt
ist und mit diesem eine Einheit bildet, abgenommen wurde. Das Bezugszeichen 12 in 4 bezieht
sich auf einen motorseitigen Gegenstecker zum Anschluss der Motorwicklung.
Mit anderen Worten ist die elektrische Verbindung der Umrichtereinheit
mit der Motorwicklung vorzugsweise steckbar und befindet sich in
einem Durchbruch der Umrichterbasisplatte 16. Der motorseitige
Gegenstecker 12 ist, wie in 4 gezeigt,
in der Rückwand 11 beziehungsweise dem
rückseitigen
Lagerschild befestigt. Auch durch diese Anordnung kann eine weitere
Vereinfachung des Gesamtaufbaus erreicht werden.
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6 zeigt
eine erfindungsgemäße Umrichtereinheit 6.
Dabei bezieht sich das Bezugszeichen 14 wieder auf die
Durchgangsöffnung
zur Durchführung
der Welle. Diese Durchgangsöffnung
ist in der Boden- beziehungsweise Basisplatte 16 der Umrichtereinheit 6 angeordnet.
Das Bezugszeichen 15 bezeichnet den Stecker für den Umrichterausgang,
der mit dem ent sprechenden in 4 gezeigten
Gegenstecker 12 des Elektromotors zusammenwirkt.
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Die
Umrichtereinheit 6 ist damit ringförmig, sodass sie die Motorwelle 4 umschließt und wird
von hinten auf die Rückwand 11 (vgl. 4)
des Elektromotors montiert. Der erwünschte geringe Wärmeübertragungswiderstand
zwischen der Rückwand 11 und
der Umrichtereinheit 6 wird durch ebene Flächen sowohl
der Rückwand
als auch der Basisplatte 16 des Umrichters erreicht. Eine
weitere Verbesserung der Wärmeübertragung
ist durch Verwendung von Wärmeleitpaste
oder einer wärmeleitfähigen Folie möglich. Das
Gehäuse
der Umrichtereinheit wird hier durch die Basisplatte 16 und
den Deckel 7 gebildet.
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Weiterhin
liegt die Umrichtereinheit direkt im Luftstrom des Lüfterrads 23 (vgl. 2)
das, wie oben erwähnt,
vorzugsweise als auf die Motorwelle montiertes Lüfterrad 23 ausgeführt ist.
Zwar ist damit die Wirkung dieses Lüfterrads drehzahlabhängig, es eignet
es sich jedoch gleichwohl gut zur Motorkühlung, weil die drehzahlabhängigen Motorverluste
(Eisenverluste) mit der Drehzahl steigen. Die ebenfalls mit der
Drehzahl steigende Kühlwirkung
kompensiert also die steigenden Verluste. Trotz fehlendem Luftstrom
im Stillstand liefert der Motor ein brauchbares Stillstandsdrehmoment.
Zur weiteren Erhöhung
der Leistung bei niedrigen Drehzahlen kann auch ein Fremdlüfter verwendet
werden.
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Wie 6 zeigt,
ist die erfindungsgemäße Umrichtereinheit
in zwei thermisch voneinander isolierte Zonen aufgeteilt. Auf der
mit dem Motor verschraubten metallischen Basisplatte 16 befindet
sich die Leistungselektronik, die das Temperaturniveau des Motorgehäuses (z.B.
100°C maximal)
annimmt. Der dem Lüfter
zugewandte vorzugsweise ebenfalls metallische Deckel 7 ist
thermisch von der Bodenplatte isoliert. An diesem Deckel sind die
temperaturempfindlichen Schaltkreise (wie Mikroprozessor, Anwenderinterface
und dergleichen) der Umrichtereinheit 6 intern thermisch
angekoppelt. Zwischen der Bodenplatte 16 unter dem Deckel 7 befindet
sich ein Zwischenteil 18 aus Kunststoff, das für die thermische
Isolierung sorgt.
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Damit
erfolgt die Kühlung
der Leistungselektronik an der Umrichtereinheit 6 einerseits
durch Einleitung der Verlustwärme
in das Motorgehäuse 3 über die
Rückwand 11,
wobei die gesamte Motoroberfläche
zur Kühlung
wirksam ist. Andererseits kann die Kühlwirkung des Lüfters vorrangig
für die
Leistungselektronik genutzt werden, indem das hintere Lagerschild
beziehungsweise die Rückwand 11 möglichst viel
Oberflächenanteil
bekommt und auf dem Umfang mit Kühlrippen
versehen wird. Die Kühlung
des Deckels 7 der Umrichtereinheit ist weniger problematisch,
da hier relativ wenig Verlustwärme
eingespeist wird. Auch der Deckel 7 kann mit Kühlrippen
versehen werden, die in den Luftstrom des Lüfters ragen. Eine derartige
Ausführungsform
eignet sich insbesondere in Verbindung mit einem Fremdlüfter.
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Das
Bezugszeichen 25 bezieht sich auf eine Befestigungsschraube,
um die Umrichtereinheit 6 mit dem Motor zu verbinden. Dafür werden
die vier gezeigten Schrauben 25 in entsprechende Gewindebohrungen 27 des
Motorgehäuses
(vgl. 4) geschraubt. Das Bezugszeichen 17 bezieht
sich auf einen Verriegelungsbügel
für einen
Netzstecker.
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Die
Umrichtereinheit 6 wird zur Realisierung der Funktion „sicherer
Halt" zweckmäßig mit
einer elektronischen Anlaufsperre (ohne Relais) ausgestattet, die
einen Anlauf des Motors bei eingeschalteter Energiezufuhr sicher
verhindert. Wenn keine betriebsmäßige Spannungsfreischaltung
erforderlich ist, ersetzt die Anlaufsperre das teure Netzschütz. Die
Netzsicherung reicht in diesem Falle aus.
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Der
erfindungsgemäße Umrichtermotor
soll primär
den bisher gebräuchlichen
Normmotor mit der dazugehörenden
Netzanschaltung ersetzen. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Motors
liegen unter anderem in einer Energieeinsparung durch anpassbare Drehzahl
und durch Absenkung des Magnetisierungsstromes. Daneben ist eine
Funktionserweiterung durch variable Drehzahl und Drehrichtung möglich und
die üblichen
Netzanschaltungen können
eingespart werden. Im Bremsbetrieb ist ein aktives Abbremsen (DC-Bremsung)
statt einem Austrudeln möglich.
Ein Start/Stopbetrieb mit generatorischer Bremsung erfordert entweder
einen Bremswiderstand, der wegen der erheblichen Verlustleistung
separat angeordnet werden müsste,
oder eine Rückspeisung
der Bremsenergie ins Netz, die zum Beispiel bei der Ausführung der
Umrichtereinheit als Matrixumrichter möglich ist. Aus Platzgründen zur
Begrenzung der Umrichterverluste wird davon ausgegangen, dass die
Gleichstrombremsung oder ein vergleichbares Verfahren, bei dem die
Bremsenergie in der Motorwicklung in Wärme umgesetzt wird, in Verbindung
mit dem erfindungsgemäßen Motor
sinnvoll ist. Bei entsprechender Schaltungsausführung ist damit auch eine Abbremsung
bei Netzausfall möglich. Weiterhin
muss der Umrichtermotor für
die Anwendung parametriert und mit Sollwerten versorgt werden. Die
Anbindung des Motors über
einen Feldbus setzt sich auch im Stand der Technik weiterhin durch.
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Sämtliche
in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswe sentlich
beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem
Stand der Technik neu sind.
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- 1
- Elektromotor
- 2
- Stecker
- 3
- Motorgehäuse
- 3a
- Rippen
- 4
- Motorwelle
- 4a
- Endabschnitt
der Motorwelle
- 5
- Anschlüsse für Steuersignale
- 6
- Umrichtereinheit
- 7
- Umrichterdeckel
- 8
- Lüfterhaube
- 8a
- Rückwand der
Lüfterhaube 8
- 11
- Rückwand des
Motorgehäuses
- 12
- Gegenstecker
- 14
- Durchgangsloch
- 15
- Stecker
für Umrichterausgang
- 16
- Basisplatte/Bodenplatte
- 17
- Verriegelungsbügel
- 18
- Zwischenteil
der Umrichtereinheit
- 23
- Lüfterrad
- 24
- Durchbrüche
- 25
- Befestigungsschraube
- 26
- Signalgeber
- 27
- Gewindebohrung 25