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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Umrichtermotor, umfassend einen
Motor, einen Umrichter und einen Lüfter.
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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 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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Aus
der
DE 36 42 724 A1 ist
ein Umrichtermotor radialer Bauweise bekannt, dessen Motor mit einem
Lüfter
versehen ist. Der Umrichter ist insgesamt im Klemmenkasten des Motors
angeordnet. Damit dieser Klemmenkasten möglichst nahe über dem
Motorgehäuse
angeordnet werden kann, weist der Motor an dieser Stelle keine Kühlrippen
auf. Dadurch wird der Klemmenkasten vom Kühlluftstrom des Motors gekühlt.
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Aus
der
DE 40 15 080 A1 ist
ebenfalls ein radial aufgebauter Umrichtermotor bekannt. Der Klemmenkasten
des Motors, der den Umrichter aufweist, ist mit einem Wärmeverteiler
versehen. Am zylindrischen Ansatz dieses Wärmeverteilers ist ein Kühlkörper angebracht,
dessen Kühlrippen
derart bemessen sind, dass deren Enden in einer parallel zur Außenseite
des Motors verlaufenden bogenförmig
ausgebildeten Ebene enden.
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Aus
der
DE 197 04 226
B4 ist ein weiterer radial ausgebildeter Umrichtermotor
bekannt, dessen Frequenzumrichter mittels eines Zwischenteils mit dem
Motor verbunden ist. Das Gehäuse
des Frequenzumrichters überragt
seitlich diesen Zwischenteil. Dieser Teil des Gehäuses ist
mit einem Kühlkörper versehen,
dessen Kühlrippen
zum Motor ausgerichtet sind. Zur thermischen Entkopplung zwischen Frequenzumrichter
und Motor ist zwischen Gehäuse des
Frequenzumrichters und dem Zwischenteil des Motors eine Wärmesperre
angeordnet.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen radial aufgebauten
Umrichtermotor derart weiterzubilden, dass die zuvor genannten Nachteile nicht
mehr auftreten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch,
dass eine dem Motor zugewandte Seite des Gehäuses des Umrichters unterschiedlich hohe
Kühlrippen
aufweist, wobei das Gehäuse
des Motors bis auf einen dem Umrichter zugewandten Bereich berippt
ist, kann der Umrichter mit minimalem Abstand direkt auf dem Motor
angeordnet werden. Durch die unterschiedlich hohen Kühlrippen passt
sich der Umrichter mit seinem Kühlkörper der Außenseite
des Motors an, wodurch ein erzeugter Luftstrom vollständig für die Kühlung des
Umrichters verwendet werden kann. Gegenüber einem handelsüblichen
radial aufgebauten Umrichtermotor wird kein Klemmenkastensockel
für die
Montage des Umrichters radial auf dem Motor benötigt. Dadurch ist der erfindungsgemäße Umrichtermotor
kompakter gegenüber
einem handelsüblichen
radial aufgebauten Umrichtermotor. Somit ist der Umrichtermotor nach
der Erfindung gegen Schwingungen unempfindlicher und beansprucht
einen kleineren Raumbedarf.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Umrichtermotor
ist der dem Umrichter zugewandte Bereich des Gehäuses des Motors mit einem thermisch
schlecht leitenden Material versehen. Durch diese zusätzliche Wärmebarriere,
beispielsweise aus Kunststoff, wird die thermische Entkopplung des
Umrichters vom Motor wesentlich verbessert. D. h., der direkte Wärmetransport
vom Stator des Motors zum Gehäuse
des Umrichters wird wesentlich reduziert.
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Beim
Umrichtermotor gemäß der Erfindung ist
die dem Motor zugewandte Seite des Gehäuses des Umrichters mit Befestigungsdomen
versehen. Mittels diesem Befestigungsdomen wird der Umrichter mit
dem Motor lösbar
verbunden. Durch die Verwendung von Dome kann mit einfachen Mitteln
eine hohe Schutzart für
den Umrichtermotor realisiert werden. Durch die Verwendung von Dome
sind die Dichtflächen
sehr klein, die mit kostengünstigen
Standarddichtelementen, beispielsweise Ringdichtungen, abgedichtet
werden können.
Durch die Verwendung von Standardelementen entstehen keine weiteren Kosten,
wie Werkzeugkosten für
Sonderdichtungen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Umrichtermotors gemäß der Erfindung
ist die dem Motor zugewandte Seite des Gehäuses des Umrichters mit einer
Kabeldurchführung
versehen. Mittels dieser Kabeldurchführung kann der Umrichter ohne großen Aufwand
mit dem Motor des Umrichtermotors elekt risch leitend verbunden werden.
Insbesondere ist diese Kabeldurchführung so ausgebildet, dass
die Anforderungen an eine hohe Schutzart erfüllt werden können. Für die elektrisch
leitende Verbindung zwischen Umrichter und Motor können auch
Steckverbindungen verwendet werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den weiteren Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Umrichtermotors
schematisch veranschaulicht ist.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Umrichtermotor,
in der
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2 ist
eine Draufsicht auf das A-seitige Lagerschild einer vorteilhaften
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Umrichtermotors
schematisch dargestellt, die
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3 zeigt
eine dem Motor zugewandte Seite des Gehäuses des Umrichters eines erfindungsgemäßen Umrichtermotors
und in der
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4 ist
eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Umrichtermotors
dargestellt.
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Die 1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Umrichtermotor.
Dieser Umrichtermotor umfasst einen Motor 2 und einen Umrichter 4,
insbesondere einen Frequenzumrichter. Das Gehäuse des Umrichters 4 besteht
aus einem wannenförmigen
Teil 6 und einem Deckel 8. Dieser Deckel 8 verschließt den wannenförmigen Teil 6 und
ist mit diesem lösbar
verbunden. Soll eine möglichst
hohe Schutzart erreicht werden, so ist zwischen dem wannenförmigen Teil 6 und
dem Deckel 8 eine Dichtung vorgesehen, die hier explizit
nicht dargestellt ist. In den wannenförmi gen Teil 6 des
Gehäuses
des Umrichters 4 sind die Komponenten eines herkömmlichen
Frequenzumrichters untergebracht. Dazu gehören die Leistungshalbleiter des
Gleichrichters und des Pulsstromrichters, die Kondensatoren des
Gleichspannungszwischenkreises, der gleichspannungsseitig den Gleichrichter
und den Pulsstromrichter miteinander elektrisch leitend verbindet,
und eine Leistungselektronik, die zumindest eine Regeleinrichtung,
beispielsweise eine feldorientierte Regelung, einen Modulator, beispielsweise
einen Vektormodulator, und eine Ansteuereinrichtung für die Leistungshalbleiter
des Pulsstromrichters umfasst. Da die dem Motor 2 zugewandte
Seite 10 des wannenförmigen
Teils 6 des Gehäuses
des Umrichters 4 mit Kühlrippen 12 versehen
ist, ist es nahe liegend, die Leistungshalbleiter auf der dieser
Seite 10 gegenüberliegenden
Seite 14 des wannenförmigen
Teils 6 anzuordnen, wobei auf eine gute Wärmeleitung
zu achten ist. Aus diesem Grund besteht der wannenförmige Teil 6 des
Gehäuses
des Umrichters 4 aus einem thermisch gut leitendem Material,
beispielsweise Aluminium. Die Kondensatoren des Gleichspannungszwischenkreises
können
mit dieser Seite 14 des wannenförmigen Teils 6 des
Gehäuses des
Umrichters 4 ebenfalls wärmeleitend verbunden sein.
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Erfindungsgemäß sind die
Kühlrippen 12 des Umrichters 4 unterschiedlich
lang. D. h., die stirnseitigen Enden dieser Kühlrippen 12 enden
in einer bogenförmig
ausgebildeten Ebene, die räumlich
parallel zum Umrichter zugewandten Bereich 20 des Motors 2 verläuft. Da
der Motor in diesem Bereich 20 erfindungsgemäß keine
Rippen 28 aufweist, können
die Kühlrippen 12 des
Umrichters 4 unmittelbar vor diesen Bereich des Motors 2 enden.
Da diese Kühlrippen 12 nicht übermäßig hoch
ausfallen, muss der Umrichter 4 unmittelbar radial auf
dem Motor 2 angeordnet sein. D. h., beim erfindungsgemäßen Umrichtermotor
wird kein Klemmenkasten bzw. Klemmenkastensockel mehr benötigt. Dadurch
wird der Umrichtermotor gemäß der Erfindung
kompakter, so dass dieser weniger Raum beansprucht.
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Zur
Kühlung
des Umrichters 4 weist der Motor 2 einen Motorwellenlüfter 16 auf,
der mittels einer Lüfterhaube 18 abgedeckt
ist. Diese Lüfterhaube 18 weist
stirnseitig Öffnungen
auf, durch die Luft angesaugt wird. Der Durchmesser dieser Lüfterhaube 18 entspricht
dem Außen-Durchmesser
des Motors 2. Dadurch wird die angesaugte Luft über die
Außenseite
des Motors 2 zwangsgeführt.
Dadurch liegen die Kühlrippen 28 des
Motors 2 und die Kühlrippen 12 des
Umrichters 4 in diesem erzeugten Kühlluftstrom. Somit handelt
es sich beim Motor 2 um einen eigenbelüfteten Motor 2. Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Umrichters 4 werden keine zusätzlichen Elemente gebraucht,
um wenigstens einen Teil des erzeugten Kühlluftstromes über die
Kühlrippen 12 des
Umrichters 4 führen
zu können.
Nach der Montage des Umrichters 4 liegen seine Kühlrippen 12 direkt
im Luftstrom des Eigenlüfters
des Motors.
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Die 2 zeigt
eine Draufsicht auf das A-seitige Lagerschild einer vorteilhaften
Ausführungsform
des Umrichtermotors nach 1. Diese vorteilhafte Ausführungsform
unterscheidet sich von der Ausführungsform
des Umrichtermotors nach 1 dadurch, dass der dem Umrichter 4 zugewandte
Bereich 20 des Gehäuses
des Motors 2 mit einer Wärmesperre 22 aus einem
thermisch schlecht leitendem Material versehen ist. Mittels dieser
Wärmesperre 22 wird
der direkte Wärmetransport
vom Stator des Motors 2 zum Kühlkörper des Umrichters 4 reduziert.
Dadurch erhält
man eine thermische Entkopplung zwischen Umrichter 4 und
Motor 2. In dieser Sicht ist auch sehr gut zu erkennen,
dass der Bereich 20 des Gehäuses des Motors 2 nicht
berippt ist. Dadurch ist der Umrichter 4 mit der Seite 10 direkt
auf dem Gehäuse
des Motors 2 aufsetzbar. Mittels einer Kabeldurchführung 24 im
wannenförmigen
Teil 6 des Gehäuses
des Umrichters 4 und im Gehäuse des Motors 2 wird
der Motor 2 mit dem Umrichter 4, insbesondere
mit den Ausgängen
des Pulsstromrichters des Umrichters 4, elektrisch leitend
verbunden. Außerdem
ist dieser Darstellung zu entnehmen, dass der Durchmesser der Lüfterhaube 18 derart
gewählt ist,
dass dieser die Rippen 28 des Motors umschließt. Dadurch
wird ein erzeugter Luftstrom über
die Gehäusefläche des
Motors 2 derart geführt, dass
sich seine Rippen 28 vollständig im Luftstrom befinden. Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Umrichters 4 befinden sich die Kühlrippen 12 ebenfalls
in diesem Luftstrom.
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In
der 3 ist die dem Motor 2 zugewandte Seite 10 des
wannenförmigen
Teils 6 des Gehäuses des
Umrichters 4 näher
dargestellt. Dieser Darstellung ist zu entnehmen, dass diese Seite 10,
die eine Außenseite
des Bodens des wannenförmigen
Teils 6 des Gehäuses
des Umrichters 4 ist, mit Kühlrippen 12, einer
Kabeldurchführung 24 und
mit Befestigungsdome 30 versehen ist. Anstelle von Kabeldurchführungen 24 können zur
Kontaktierung des Umrichters 4 mit dem Motor 2 auch
Steckverbindungen verwendet werden. Dieser Darstellung ist zu entnehmen,
dass im Bereich 32 dieser Unterseite 10 des wannenförmigen Teils 6 des
Gehäuses
des Umrichters 4 nicht berippt ist. In diesem Bereich 32 wird
die Lüfterhaube 18 des
eigenbelüfteten
Motors vom Umrichter 4 abgedeckt. Wegen der fehlenden Kühlrippen 12 in
diesem Bereich 32, kann der Abstand zwischen Motor 2 und
radial aufgesetztem Umrichter 4 minimiert werden. Mittels
der Befestigungsdome 30 wird der Umrichter 4 lösbar mit
dem Motor 2 verbunden. Das Anschlusskabel des Motors 2 wird
durch die Kabeldurchführung 24 ins
Innere des Gehäuses
des Umrichters 4 geführt
und dort mit den Ausgängen
des Pulsstromrichters des Umrichters 4 elektrisch leitend verbunden
oder über
eine Steckverbindung mit dem Umrichter realisiert. Durch die Verwendung
von Befestigungsdomen 30 und einer Kabeldurchführung 24 weist
der Umrichter 4 nur kleine Dichtflächen auf, die mit kostengünstigen
Standarddichtelementen, beispielsweise einem Dichtring, abgedichtet
werden können.
Dadurch kann mit einfachen Mitteln eine hohe Schutzart erreicht
werden.
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Die 4 zeigt
den Umrichtermotor gemäß 1 mit
einem Montageflansch 34, der mit dem A-seitigen Lagerschild
des Motors 2 lösbar
befestigt ist. In dieser perspektivischen Seitenansicht sind der Umrichter 4 und
die Lüfterhaube 8 aufgeschnitten. Außerdem ist
in dieser Darstellung der erzeugte Luftstrom veranschaulicht. Dieser
vom Motorwellenlüfter 16 er zeugte
Luftstrom 36 erzeugt oberhalb der Lüfterhaube 18 einen
Nebenluftstrom 38, der axial in Motorlängsrichtung strömt. Dieser
Nebenluftstrom 38 überströmt die Kühlrippen 12 des
Umrichters 4 oberhalb der Lüfterhaube 18 des Motors 2.
Somit werden auch Kühlrippen 12 des
Umrichters 4 gekühlt,
die nicht vom Hauptluftstrom 36 überströmt werden. In diesem Bereich
des wannenförmigen
Teils 6 des Gehäuses
des Umrichters 4 können
vorzugsweise Bauelemente des Umrichters 4 untergebracht
werden, die eine geringere Verlustleistung als die der Leistungshalbleiter
aufweisen. Zu diesen Bauelementen gehören die Kondensatoren, insbesondere
Elektrolydkondensatoren, des Gleichspannungszwischenkreises des
Umrichters 4.
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Ein
wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines radial
aufgebauten Umrichtermotors besteht im einfachen Aufbau und der
effektiven Kühlung
des Umrichtermotors als Ganzes. Der einfache Aufbau ermöglicht eine
schnelle Montage des Umrichters 4, insbesondere des Frequenzumrichters,
auf einen Motor 2. Außerdem
können
mit kostengünstigen
Standarddichtelementen, wie Ringdichtungen, eine hohe Schutzart
sehr leicht realisiert werden. Die effektive Kühlung von Motor 2 und
Umrichter 4 stellt sich durch ein besseres Strömungsverhältnis am
Motor-Umrichter-System ein, das sich durch kleinere Strömungswiderstände und
somit höheren
Volumenströmen
bemerkbar macht. Einen wesentlichen Anteil an der Entstehung des
verbesserten Strömungsverhältnisses
hat die Kabeldurchführung,
die den üblicherweise
vorhandenen Klemmenkastensockel ersetzt.