DE19704226A1 - Elektromotor mit vorgeschaltetem Frequenzumrichter - Google Patents
Elektromotor mit vorgeschaltetem FrequenzumrichterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit vorgeschal
tetem Frequenzumrichter zur Drehzahlsteuerung, dessen in
einem Gehäuse untergebrachte Signal- und Leistungselek
tronik mit dem Elektromotor eine bauliche Einheit bildet.
Unter einem Umrichter wird ein Umformer verstanden,
welcher die Netzspannung mit konstanter Frequenz und
Spannung in ein Drehspannungssystem mit variabler Fre
quenz und variabler Spannung überführt. Dieses Drehspan
nungssystem wird dem anzutreibenden Drehstrommotor (Asyn
chronmaschine) zugeführt, um so die Drehzahl des Elektro
motors durch entsprechende Wahl der Ausgangsfrequenz des
Umrichters vorzugeben.
Im Gegensatz zur herkömmlichen Anordnung, bei der der
Umrichter als separate Einheit in einem Schaltschrank
angeordnet ist und über eine Motorzuleitung von bis zu
100 m Länge den Elektromotor speist, sind bereits Elek
tromotoren bekannt, bei denen die den Elektromotor steu
ernde Signal- und Leistungselektronik in den Elektromotor
als mechanische Einheit integriert ist. Hierdurch soll
dann der vorher erforderliche Schaltschrankplatzbedarf
eingespart werden und außerdem eine Verringerung der
EMV-Problematik erfolgen, welche bei der herkömmlichen
Anordnung durch Abstrahlung aufgrund der langen Motorzu
leitungen von bis zu 100 m Länge verursacht wird. Zur
Integration des Frequenzumrichters in den Elektromotor
ist dabei zum einen vorgesehen, dessen Elektronik in
einen der Klemmenkästen des Elektromotors einzubauen. Die
Anschlußelemente wie Klemmen und/oder Stecker für Versor
gungs- und Signalleitungen sind auch weiterhin innerhalb
des Klemmenkastens angeordnet. Eine solche Anordnung, bei
der Frequenzumrichter und Elektromotor baulich miteinan
der verbunden sind, hat insbesondere im Hinblick auf die
Fertigungstechnik und die damit verbundenen Herstellungs
kosten zahlreiche Vorteile. Probleme jedoch bereitet die
Kühlung des Frequenzumrichters, da insbesondere die
Leistungsendstufe der Leistungselektronik hohe Verlust
wärme erzeugt. Um diese Verlustwärme des Frequenzumrich
ters abzuleiten, muß an den Elektromotor B-seitig (die
B-Seite ist die dem abtreibenden Motorwellenende abge
wandte Seite) eine separate Sonderlüfterhaube mit Lüfter
angebaut werden, wobei dieser Lüfter durch den Elektromo
tor selber oder aber durch einen zusätzlichen separaten
Lüftermotor angetrieben wird.
Anstelle der Integration des Frequenzumrichters im Klem
menkasten kann das Gehäuse des Frequenzumrichters auch
B-seitig an den Elektromotor angebaut werden. Auch hier
muß zur Ableitung der Verlustwärme des Frequenzumrichters
B-seitig an den Elektromotor ein Lüfter angebaut werden,
welcher auch hier durch den Elektromotor selbst oder aber
einen separaten Lüftermotor angetrieben wird. Bei dieser
Variante sind dann lediglich die Anschlußelemente wie
Klemmen und/oder Stecker für Versorgungs- und Signallei
tungen in einem oder mehreren Klemmenkästen unterge
bracht, so daß diese ihre Standardgröße beibehalten. Je
doch wird durch den Einbau der Elektronik an das B-seiti
ge Ende des Elektromotors nun die Baulänge des Elektro
motors vergrößert. Eine weitere Vergrößerung der Baulänge
erfolgt durch die notwendige Sonderlüfterhaube.
Aufgrund der beschriebenen Sonderteile bei Integration
des Umrichters im Elektromotor kann kein einfacher Stan
dardmotor verwendet werden. Es sind zur Anbringung von
Frequenzumrichter sowie Sonderlüfterhaube und ggf. Lüf
termotor Sonderkonstruktionen am Elektromotor notwendig.
Außer dem durch den zusätzlichen Lüfter verursachten
Platzbedarf treten hier noch zusätzlich störende Lüfter
geräusche auf, und der Energieaufwand für den Lüfter als
aktives Kühlelement ist äußerst hoch. Der für den Lüfter
notwendige separate Motor stellt außerdem ein teures
Bauteil dar.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend
von einem Elektromotor, bei dem der Frequenzumrichter
eine bauliche Einheit mit dem Motor bildet, einen Elek
tromotor zu schaffen, der einfach und kostengünstig
herstellbar ist und bei dem der Frequenzumrichter ohne
aufwendige Sonderteile am Elektromotor integriert werden
kann.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch einen
Elektromotor der eingangs genannten Art dadurch gelöst,
daß das Gehäuse des Frequenzumrichters mit einem Kühlkör
per versehen thermisch vom Elektromotor entkoppelt über
ein Anschlußelemente aufnehmendes, einen Klemmenkasten
ersetzendes Zwischenteil am Elektromotor festlegbar ist.
Beim erfindungsgemäßen Elektromotor mit integriertem
Frequenzumrichter erfolgt zwar nun auch der Anschluß des
Frequenzumrichters über den Klemmenkasten, jedoch sind
das Gehäuse des Frequenzumrichters und das Gehäuse des
Zwischenteils an sich voneinander getrennt. Ein derarti
ger Frequenzumrichter kann entsprechend auch mittels des
Zwischenteils an einem herkömmlichen Elektromotor ange
baut werden, da nun die zusätzlichen Bauteile, wie Lüfter
und separater Lüftermotor, entfallen. Die Kühlung und
damit die Abfuhr der Verlustwärme erfolgt nun mittels
eines am Gehäuse des Frequenzumrichters vorgesehenen
Kühlkörpers. Es ist also nicht mehr die gesamte Motorbau
einheit zum Zwecke der Kühlung des Frequenzumrichters,
insbesondere der Verlustwärme der Leistungsendstufe,
durch Sonderkonstruktionen anzupassen, sondern es sind
lediglich entsprechende Maßnahmen am Gehäuse des Fre
quenzumrichters selbst vorzunehmen, beispielsweise die
Anpassung der wirksamen Kühlfläche des Kühlkörpers an die
Leistungselektronik.
Übliche B-seitige Anbauten von Motoren wie z. B. Lüfter,
Geber, Bremsen und/oder Kombinationen hieraus können
damit ohne Einschränkungen angebaut werden. Der Frequenz
umrichter ist aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestal
tung nicht auf einen zusätzlichen Lüfter oder eine beson
dere Ausführungsform des Lüfters bzw. der Lüfterhaube
angewiesen. Die Anschlußelemente wie Klemmen und/oder
Stecker für Versorgungs- und Signalleitungen sind nun im
Zwischenteil untergebracht und können einfach nach der
Demontage des Gehäuses des Frequenzumrichters erreicht
werden. Um den Bauraumbedarf für den Elektromotor mit
integriertem Frequenzumrichter nicht unnötig zu vergrö
ßern, ist in Weiterbildung vorgesehen, daß das Gehäuse
des Frequenzumrichters das Zwischenteil in Längsrichtung
überragt und der Kühlkörper unterhalb des Gehäuses seit
lich des Zwischenteils angeordnet ist. Vorzugsweise sind
dabei die Signalelektronik des Frequenzumrichters ober
halb des Zwischenteils und die Leistungselektronik ober
halb des Kühlkörpers im Gehäuse angeordnet. Auf diese
Weise kann dann die von der Leistungselektronik, insbe
sondere deren Leistungsendstufe, stammende Verlustwärme
direkt durch Wärmeleitung an den Kühlkörper weitergegeben
wird. Aufgrund der dadurch möglichen Temperaturverhält
nisse im Gehäuse des Frequenzumrichters kann dieses im
Bereich der Signalelektronik, welche äußerst empfindlich
ist, möglichst kühl gehalten werden. Bei den aus dem
Stand der Technik bekannten Elektromotoren mit integrier
tem Frequenzumrichter sind alle Teile gleichwarm, da sie
durch das Aufschrauben und Verwenden von Aluminiumlegie
rungen für das Gehäuse des Frequenzumrichters thermisch
gut gekoppelt sind.
Um den Kühlkörper mit der Leistungsendstufe des Frequenz
umrichters thermisch gut zu koppeln und damit die Ver
lustwärme der Leistungsendstufe abzuleiten, ist der
Kühlkörper vorzugsweise aus einem Material hoher thermi
scher Leitfähigkeit. Entsprechend können dann die Lei
stungshalbleiter der Leistungsendstufe sehr hoch ausge
nutzt werden, ohne daß die Signalelektronik Schaden
nimmt. Auch kann der Kühlkörper hinsichtlich seines
Volumens und seiner wirksamen Kühlfläche sehr kompakt
ausgeführt werden. In Weiterbildung ist vorgesehen, daß
auch das Gehäuse des Frequenzumrichters aus einem Mate
rial hoher thermischer Leitfähigkeit besteht. Entspre
chend erfolgt dann die Ableitung der Verlustwärme des
integrierten Frequenzumrichters zum einen über die Ober
fläche des Gehäuses des Frequenzumrichters, zum anderen
über den Kühlkörper und schließlich mittels natürlicher
Konvektion und Abstrahlung. Insbesondere kann hierdurch
jene Verlustwärme des Frequenzumrichters, welche nicht
über den Kühlkörper abführbar ist, effizient über das
Gehäuse des Frequenzumrichters an die Umgebungsluft
abgegeben werden.
Der Kühlkörper selbst kann zur Vergrößerung seiner Ober
fläche durch eine Vielzahl von Kühlrippen oder aber
Kühlstäben gebildet sein.
Um den Elektromotor schnell und einfach mit dem jeweils
den Einsatzbedingungen angepaßten Frequenzumrichter
versehen zu können, ist es zweckmäßig, eine lösbare
Verbindung zwischen dem Frequenzumrichter und dem Elek
tromotor vorzusehen, so daß jeweils einander zuzuordnende
Einheiten in einfacher Weise, beispielsweise durch eine
Steckverbindung, leitungsverbunden werden können, ohne
daß hierzu besondere Fachkenntnisse erforderlich sind.
Der Frequenzumrichter muß lediglich durch Lösen der
Verbindung vom Motor demontiert bzw. am Motor montiert
werden.
In Weiterbildung sind im Zwischenteil Einrichtungen zur
Funkentstörung eingebaut. Auf diese Weise sind keine
zusätzlichen externen Einrichtungen zu diesem Zweck
notwendig.
In bevorzugter Ausgestaltung wird die thermische Entkopp
lung zwischen Frequenzumrichter und Elektromotor dadurch
erhalten, daß zwischen dem Gehäuse des Frequenzumrichters
und dem Kühlkörper und/oder dem Zwischenteil zumindest
eine Wärmesperre vorgesehen ist. Eine Wärmesperre zwi
schen Gehäuse und Kühlkörper reduziert einerseits den
direkten Wärmetransport vom Kühlkörper zum Gehäuse des
Frequenzumrichters und andererseits auch den indirekten
Wärmetransport durch Verminderung der Luftzirkulation im
Inneren zwischen dem Kühlkörper und dem Gehäuse des
Frequenzumrichters. Ist die Wärmesperre zwischen dem
Gehäuse des Frequenzumrichters und dem Zwischenteil
vorgesehen, so reduziert sie einerseits den direkten
Wärmetransport vom Stator des Motors über das Zwischen
teil zum Gehäuse des Frequenzumrichters und andererseits
auch den indirekten Wärmetransport durch Verminderung der
Luftzirkulation im Inneren zwischen dem Zwischenteil und
dem Gehäuse des Frequenzumrichters. In bevorzugter Ausge
staltung sind dabei separate Wärmesperren zwischen dem
Gehäuse des Frequenzumrichters und dem Kühlkörper einer
seits und dem Zwischenteil andererseits vorgesehen.
Entsprechend können die Wärme sperren dann auch aus einem
unterschiedlichen Material geringer thermischer Leitfä
higkeit ausgeführt sein. Auch ist es von Vorteil, wenn
die Wärmesperren den gesamten Anlagebereich zwischen
Gehäuse des Frequenzumrichters und Zwischenteil bzw.
Kühlkörper flächig abdecken.
In anderer bevorzugter Ausgestaltung ist zwischen dem
Gehäuse des Frequenzumrichters und dem Kühlkörper und/oder
dem Zwischenteil zumindest eine Feuchtigkeitssperre
vorgesehen. Hierdurch wird der Austausch von Feuchtigkeit
zwischen dem Zwischenteil und dem Frequenzumrichter sowie
dem Frequenzumrichter und dem Kühlkörper vermindert.
Vorzugsweise bilden dabei die Wärmesperren und Feuchtig
keitssperren eine Funktionseinheit. Entsprechend kann so
durch die Wärmesperren der Austausch von Feuchtigkeit
zwischen der einen Seite der Wärmesperre und deren ande
rer Seite im gesamten Erstreckungsbereich zuverlässig
vermindert werden.
Anstelle separater Wärmesperren oder aber zusätzlich zu
den Wärmesperren ist es möglich, das Zwischenteil aus
einem Material geringer thermischer Leitfähigkeit zu
fertigen. Auf diese Weise wird nun die Funktion der
Wärmesperre vom Zwischenteil übernommen oder aber der
Wärmetransport weiter reduziert. Es ist auch möglich, das
Gehäuse des Frequenzumrichters als Feuchtigkeitssperre
auszubilden, so daß hierdurch der Austausch von Feuchtig
keit zwischen dem Zwischenteil und dem Frequenzumrichter
vermindert wird.
Um das Gehäuse des Frequenzumrichters auch nach außen hin
abzuschließen, so daß der Einsatz weitgehend unabhängig
von örtlichen Gegebenheiten, wie beispielsweise staub
haltiger Atmosphäre etc., ist, umgeben die Wärme- und/oder
Feuchtigkeitssperren das Gehäuse des Frequenzumrich
ters vorzugsweise dichtend. Durch diese multifunktionale
Ausprägung kann besonders kostengünstig eine hohe Schutz
art gegenüber von außen eindringenden Flüssigkeiten
und/oder Staub erreicht werden.
Ein besonders kostengünstiger und einfach zu demontieren
der bzw. montierter Aufbau läßt sich erreichen, wenn
das Gehäuse des Frequenzumrichters in Form eines Deck
teils ausgebildet ist, welches auf das Zwischenteil als
Unterteil dieses verschließend aufsetzbar ist. So ist ein
einfacher Austausch der Frequenzumrichter einerseits
möglich, und zum anderen kann das Zwischenteil als einfa
cher Klemmenkasten nach Abnahme und Aufsetzen eines
anderen Deckels genutzt werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich
aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschrei
bung, in der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf
die Zeichnung im einzelnen erläutert werden. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungs
gemäßen Elektromotors mit einem
integrierten Frequenzumrichter in
einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Frequenz
umrichter aus Fig. 1;
Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Elektromotor
mit integriertem Frequenzumrichter in
einer zweiten Ausführungsform; und
Fig. 4 in perspektivischer Darstellung einen
vom Zwischenteil gelösten Frequenz
umrichter sowie das Zwischenteil.
Fig. 1 zeigt in einer ersten Ausführungsform einen ge
schlossenen, oberflächen-gekühlten Elektromotor 1, der in
seinem Inneren auf bekannte Weise mit einem Ständer
(Stator) sowie einem Läufer versehen ist. Das Gehäuse 2
weist dabei auf der Außenseite mehrere seine Oberfläche
vergrößernde Kühlrippen auf, um eine bessere Wärmeabgabe
zu erzielen. B-seitig ist innerhalb einer Lüfterhaube 3
zur Belüftung des Elektromotors ein Lüfter angeordnet. An
der A-Seite ist das abtreibende Motorwellenende 4 ange
ordnet.
An der Außenseite des Gehäuses 2 ist zwischen der A-Seite
sowie der B-Seite des Elektromotors 1 ein Zwischenteil 5
angeordnet, welches den dort ansonsten vorgesehenen
Klemmenkasten ersetzt und daher Anschlußelemente wie
Klemmen und/oder Stecker für Versorgungs- und Signallei
tungen aufweist. Das Zwischenteil 5 kann aus einem Mate
rial geringer thermischer Leitfähigkeit bestehen. An der
dem Gehäuse 2 des Elektromotors 1 abgewandten Oberseite
des an den Stator des Elektromotors 1 angebauten Zwi
schenteils 5 ist ein Gehäuse 6 eines Frequenzumrichters 7
vorgesehen, welches in Form eines Deckteils auf die
Oberseite des Zwischenteils 5 dieses verschließend mon
tiert ist. Das Gehäuse 6 überragt das Zwischenteil 5
seitlich in Richtung des B-seitigen Endes des Elektromo
tors 1 und weist an seiner freien Unterseite einen Kühl
körper 8 auf,. der im dargestellten Ausführungsbeispiel
durch Kühlrippen gebildet wird. Zwischen dem Zwischenteil
5 und dem Gehäuse 6 des Frequenzumrichters 7 ist eine
flächige Wärmesperre 9, Gehäuse 6 und Zwischenteil 5
gegeneinander abdichtend, vorgesehen. Gleichermaßen ist
zwischen dem Gehäuse 6 und dem Kühlkörper 8 eine weitere
separate Wärmesperre 10 vorgesehen. Diese Wärmesperren 9
und 10 können dabei gleichzeitig auch als Feuchtigkeits
sperren ausgebildet sein. Es ist auch möglich, zusätzli
che Feuchtigkeitssperren vorzusehen. Die beiden Wärme
sperren 9 und 10 bestehen vorzugsweise aus einem Material
geringer thermischer Leitfähigkeit und sind flächenhaft
ausgebildet.
Wie Fig. 2 zu entnehmen ist, ist oberhalb des Kühlkörpers
8 die Leistungsendstufe 11 der Leistungselektronik des
Frequenzumrichters 7 innerhalb der Wärmesperre 10 ange
ordnet. Die Signalelektronik des Frequenzumrichters 7 ist
entsprechend oberhalb des Zwischenteils 5 angeordnet.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform werden
gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im
Gegensatz zur vorangehenden Ausführungsform ist die
Wärmesperre 12 zwischen dem Gehäuse 6 und dem Zwischen
teil 5 sowie dem Kühlkörper 8 bei der in Fig. 3 darge
stellten Ausführungsform einteilig ausgebildet. Durch
diese Zusammenfassung kann ein besonders kostengünstiger
Aufbau erreicht werden.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
der Deckel bzw. das Gehäuse 6 des Frequenzumrichters vom
Zwischenteil 5 demontiert. Der Kühlkörper 8' wird hier
bei diesem Ausführungsbeispiel zur Vergrößerung seiner
Oberfläche durch eine Vielzahl von Kühlstäben gebildet.
Um eine elektrische Verbindung zwischen dem Frequenzum
richter 7 und dem Zwischenteil 5 zu schaffen, ist ein
Steckverbinder 13, 14 vorgesehen. Der eine Teil 13 des
Steckverbinders ist dabei fest mit dem Frequenzumrichter
7 verbunden und der andere Teil 14 fest mit dem Zwischen
teil 5.
Claims (18)
1. Elektromotor mit vorgeschaltetem Frequenzumrichter
zur Drehzahlsteuerung, dessen in einem Gehäuse
untergebrachte Signal- und Leistungselektronik mit
dem Elektromotor eine bauliche Einheit bildet,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) des
Frequenzumrichters (7) mit einem Kühlkörper (8, 8')
versehen thermisch vom Elektromotor (1) entkoppelt
über ein Schlußelemente aufnehmendes, einen Klem
menkasten ersetzendes Zwischenteil (5) am Elektromo
tor (1) festlegbar ist.
2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß das Gehäuse (6) des Frequenzumrichters (7)
das Zwischenteil (5) in Längsrichtung überragt und
der Kühlkörper (8, 8') unterhalb des Gehäuses (6)
seitlich des Zwischenteils (5) angeordnet ist.
3. Elektromotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Signalelektronik des Frequenzumrichters
(7) oberhalb des Zwischenteils (5) und die Lei
stungselektronik (11) oberhalb des Kühlkörpers (8,
8') im Gehäuse (6) angeordnet sind.
4. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (8, 8') aus einem
Material hoher thermischer Leitfähigkeit ist.
5. Elektromotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß der Kühlkörper (8) durch eine Vielzahl von
Kühlrippen gebildet ist.
6. Elektromotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß der Kühlkörper (8') durch eine Vielzahl von
Kühlstäben gebildet ist.
7. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) des Frequenzum
richters (7) aus einem Material hoher thermischer
Leitfähigkeit ist.
8. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter (7) mit
tels eines Steckverbinders (13, 14) elektrisch mit
dem Zwischenteil (5) verbindbar ist.
9. Elektromotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich
net, daß ein Steckverbinderteil (13) fest mit dem
Frequenzumrichter (7) und das andere (14) fest mit
dem Zwischenteil (5) verbunden ist.
10. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1-9, gekenn
zeichnet durch im Zwischenteil (5) vorgesehene
Einrichtungen zur Funkentstörung.
11. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1-10, gekenn
zeichnet durch zumindest eine zwischen dem Gehäuse
(6) des Frequenzumrichters (7) und dem Kühlkörper
(8) und/oder dem Zwischenteil (5) vorgesehene Wärme
sperre (9, 10, 12).
12. Elektromotor nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch
separate Wärmesperren (9, 10) zwischen dem Gehäuse
(6) des Frequenzumrichters (7) und dem Kühlkörper
(8) einerseits und dem Zwischenteil (5) anderer
seits.
13. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1-12, gekenn
zeichnet durch zumindest eine zwischen dem Gehäuse
(6) des Frequenzumrichters (7) und dem Kühlkörper
(8) und/oder dem Zwischenteil (5) vorgesehene Feuch
tigkeitssperre.
14. Elektromotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich
net, daß die Wärmesperren (9, 10, 12) und Feuchtig
keitssperren eine Funktionseinheit bilden.
15. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1-11 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenteil (5)
aus einem Material geringer Leitfähigkeit ist.
16. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1-12 oder 15,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) des
Frequenzumrichters (7) als Feuchtigkeitssperre
ausgebildet ist.
17. Elektromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme- und/oder
Feuchtigkeitssperren das Gehäuse des Frequenzumrich
ters dichtend umgeben.
18. Elektromotor nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) des
Frequenzumrichters (7) in Form eines Deckteils
ausgebildet ist, welches auf das Zwischenteil (5)
als Unterteil, dieses verschließend, aufsetzbar ist.
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