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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Umrichtermotor, umfassend einen
Motor und einen Umrichter, wobei ein Umrichtergehäuse axial
am B-seitigen Lagerschild des Motors befestigt ist, und wobei Bauelemente
einer Umrichterelektronik auf mehrere Leiterplatten verteilt angeordnet
sind.
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Bei
im Handel erhältlichen
Umrichtermotoren ist der Umrichter entweder radial oder axial am
Motorgehäuse
angeordnet. Bei der axialen Aufbauweise des Umrichtermotors ist
aufgrund der begrenzten Raumverhältnisse
eine Umrichterelektronik auf wenigstens zwei Leiterplatten aufgeteilt,
wobei diese Leiterplatten aufeinander gestapelt sind. Damit diese in
parallelen Ebenen angeordneten Leiterplatten miteinander elektrisch
leitend verbunden sind, werden Steckverbindungen jeweils zwischen
zwei räumlich benachbarten
Leiterplatten verwendet. Für
diese Bestandteile einer jeden Steckverbindung müssten auf den beiden zu verbindenden
Leiterplatten jeweils ein Platz vorgesehen werden. Derartige Steckverbindungen
sind ebenfalls nicht preiswert. Ein weiterer Nachteil eines Leiterplattenstapels
ist der, dass der Montageaufwand kostenintensiv ist. Außerdem ist
eine gleichmäßige Entwärmung aller
Ebenen eines Leiterplattenstapels schwierig, da der Abstand zum
Umrichtergehäuse, über dessen
Außenoberflächen eine anfallende
Verlustleistung an die Umgebung abgeführt wird, meist groß und ungleichmäßig ist
und nur durch aufwendige Zusatzmaßnahmen, wie z.B. einen Lüfter, zu
realisieren ist.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen axial aufgebauten
Umrichtermotor derart weiterzubilden, dass die 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 die mehreren Leiterplatten der Umrichterelektronik mittels
flexibler elektrischer Verbindungselemente einen Leiterplattenstrang
bilden, entfallen zunächst
die kostenintensiven Steckverbindungen, wodurch damit auch der Montageaufwand
geringer wird. Die Leiterplatten dieses gebildeten Leiterplattenstranges
werden erfindungsgemäß gegeneinander
abgekantet, wodurch diese Leiterplatten eine Mantelfläche eines
quaderförmigen Hohlzylinders
bilden. Dadurch beansprucht ein derartiger gebildeter Leiterplattenstrang
gegenüber
einem aus vier Leiterplatten bestehender Leiterplattenstapel einen
geringeren Platzbedarf innerhalb des Umrichtergehäuses. Damit
das Umrichtergehäuse möglichst
kompakt ist, wird dieser hohlzylindrisch ausgebildete Leiterplattenstrang
mit seiner Symmetrieachse radial zur Motorachse im Umrichtergehäuse angeordnet.
Durch die Abkantprozesse der Leiterplatten des gebildeten Leiterplattenstranges,
erhält man
eine fertig hergestellte Umrichterelektronikeinheit, die wie ein
Bauelement im Umrichtergehäuse montiert
werden kann. Dadurch verringert sich nicht nur der Montageaufwand,
sondern auch die Fertigungskosten des Umrichtermotors.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist der gefaltete Leiterplattenstrang im axial am Motor angeordneten
Umrichtergehäuse
derart angeordnet, dass verlustbehaftete Bauelemente der Umrichterelektronik
thermisch leitend mit dem B-seitigen Lagerschild des Motors verbunden
sind. Dadurch werden diese verlustbehafteten Bauelemente über das
Motorgehäuse
des Umrichtermotors mit entwärmt.
Dadurch kann eine B-seitige Stirnfläche, die funktionell ein Deckel
des Umrichtergehäuses
ist, mit minimalem Abstand zu einer Teilmantelfläche des gefalteten Leiterplattenstranges
angeordnet werden. Dadurch wird der Umrichter des Umrichtermotors
und damit die axiale Längsausdehnung
des Umrichtermotors sehr kompakt.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
des Umrichtermotors nach der Erfindung ist der gefaltete Leiterplattenstrang
im axial am Motor angeordneten Umrichtergehäuse derart angeordnet, dass
verlustbehaftete Bauelemente der Umrichterelektronik auf einer Leiterplatte
des gefalteten Leiterplattenstranges thermisch leitend mit der B-seitigen
Stirnfläche des
Umrichtergehäuses
verbunden sind. Bei einer derartigen Anordnung des gefalteten Leiterplattenstranges
ist es vorteilhaft, für
die Entwärmung
der verlustbehafteten Bauelemente, dass diese B-seitige Stirnfläche des Umrichtergehäuses als
Kühlkörper ausgebildet
ist. Um die Entwärmung
dieser verlustbehafteten Bauelemente zu verbessern, wird erfindungsgemäß an der
B-seitigen Stirnfläche
ein Lüfter, insbesondere
ein Radiallüfter,
angeordnet. Dadurch kann jeweils eine anfallende Verlustleistung
optimal an die Umgebung abgeführt
werden.
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Als
verlustbehaftete Bauelemente werden in dieser Anmeldung die abschaltbaren
Leistungshalbleiterschalter des Umrichters, insbesondere eines Frequenzumrichters,
subsummiert. Diese abschaltbaren Halbleiterschalter werden jeweils
in einem netz- und
lastseitigen Stromrichter des Frequenzumrichters verwendet. Dabei
können
diese abhängig von
der Leistungsklasse in einem Brücken-,
einem Zweigpaar- oder einem Einzelmodul verpackt sein. Vorteilhaft
kann als Halbleitermaterial Silizium-Carbid (SiC) eingesetzt werden, da dann
höhere
Temperaturen zulässig
sind, die in unmittelbarer Nähe
zu Motoren üblich
sind.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umrichtermotors sind
die Bauelemente der Umrichterelektronik derart auf den jeweiligen
Leiterplatten des Leiterplattenstranges angeordnet, dass diese überwiegend
in einen Innenraum des gefalteten Leiterplattenstranges ragen. Somit
wird das Innere des gefalteten Leiterplattenstranges mitbenutzt,
so dass der gefaltete Leiterplattenstrang sehr kompakt ausfällt.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
sind den Unteransprüchen
6 bis 10 zu entnehmen.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen
eines Um richtermotors nach der Erfindung schematisch veranschaulicht
sind.
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1 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen im Handel erhältlichen
Umrichtermotor, in der
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2 ist
ein gebildeter Leiterplattenstrang eines Umrichtermotors nach der
Erfindung schematisch dargestellt, und die
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3 zeigt
eine erste Ausführungsform
eines Umrichtermotors nach der Erfindung, wobei in der
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4 eine
zweite Ausführungsform
eines Umrichtermotors nach der Erfindung veranschaulicht ist.
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In
der 1 ist ein Längsschnitt
eines axial aufgebauten Umrichtermotors näher dargestellt. In dieser
Ansicht sind mit 2 der Motor, mit 4 der Umrichter,
mit 6 der Stator des Motors 2, mit 8 der
Läufer
des Motors 2 und mit 10 die Motorwelle bezeichnet.
An beiden Stirnseiten des Motors 2 ist jeweils ein Lagerschild 12 und 14 vorgesehen.
Diese beiden Lagerschilde 12 und 14 stützen sich
jeweils mittels eines Lagers 16 und 18 auf der
Motorwelle 10 ab. Das Lagerschild 12, das einem
Wellenende der Motorwelle 10 zugewandt ist, wird auch als
A-seitiges Lagerschild bzw. als AS-Lagerschild bezeichnet, wobei
das gegenüberliegende
Lagerschild 14 als B-seitiges Lagerschild bzw. als BS-Lagerschild
bezeichnet wird. Mit dem Kennzeichen "A" wird
bei Motoren immer die Antriebsseite bezeichnet, d.h., die Seite
des Motors 2, an der eine Arbeitsmaschine angeschlossen
wird. Der Teil, in dem der Stator 6 des Motors 2 angeordnet ist,
bildet das Motorgehäuse 20,
das mittels der beiden Lagerschilde 12 und 14 verschlossen
ist.
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Bei
diesem axial aufgebauten Umrichtermotor ist der Umrichter 4 axial
am B-seitigen Lagerschild 14 des Motors 2 angeordnet.
Dieser Umrichter 4 weist ein Umrichtergehäuse 22 und
eine aus mehreren Leiterplatten 24, 26 und 28 bestehende
Umrichterelektronik 30 auf, die im Inneren des Umrichtergehäuses 22 aufeinander
gestapelt sind. Diese aufeinander gestapelten Leiterplatten 24, 26 und 28 sind mittels
Steckverbindungen 32 untereinander elektrisch leitend verbunden.
Wie bereits eingangsseitig genannt, weist diese Art der Aufbau-
und Verbindungstechnik mehrere Nachteile auf. Zu diesen Nachteilen
gehört
die nicht gleichmäßige Entwärmung aller
Ebenen des Leiterplattenstapels und die kostenintensive elektrische
Verbindungstechnik der Leiterplatten 24, 26 und 28 untereinander.
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Um
diese Nachteile zu beheben, sind die Leiterplatten 24, 26, 28 und 34 der
Umrichterelektronik 30 des axial am Motor 2 angeordneten
Umrichters 4 zu einem Leiterplattenstrang 36 zusammengefasst, der
in der 2 näher
dargestellt ist. Diese Leiterplatten 24, 26, 28 und 34 sind
jeweils mit einem flexiblen elektrischen Verbindungselement zu diesem Leiterplattenstrang 36 zusammengefügt. Die
beiden Leiterplatten 24 und 26 sind mittels eines
Power Strips 38, die beiden Leiterplatten 26 und 28 mittels eines
PCB-Jumpers 40 und die Leiterplatten 28 und 34 mittels
einer Flex-Leiterplatte 42 miteinander leitend verbunden.
Diese genannten Verbindungsstellen sind mit ➀, ➁ und ➂ bezeichnet.
Die Verbindungsstelle ➃ der Leiterplatte 24 und 34,
die nach Abkantungen der Leiterplatten 34, 28, 26 und 24 aufeinander
treffen, werden erst dann miteinander elektrisch leitend verbunden.
An diesen Verbindungsstellen ➀, ➁ und ➂ wird
die Leiterplatte 34 bzw. 28 bzw. 26 gegenüber der
Leiterplatte 28 bzw. 26 bzw. 24 abgekantet.
Jeder dieser Abkantungen erfolgt solange, bis die beiden Leiterplatten 34, 28 bzw. 28, 26 bzw. 26, 24 einen
rechten Winkel einschließen.
Dadurch erhält man
einen quaderförmigen
Hohlzylinder 60, dessen Mantelfläche von diesen Leiterplatten 24, 26, 28 und 34 gebildet
wird.
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Die
Bauelemente Ansteuerung 44, abschaltbare Leistungshalbleiter 46, 48,
Potentialtrenneinrichtung 50, Pulsmustermodulator 52,
Kondensatoren 54, Spannungsmesseinrichtung 56,
Gatetreiberschaltung 58 mit Strommessung und weitere nicht näher bezeichnete
Bauelemente der Umrichterelektronik 30 sind auf diesen
vier Leiterplatten 24, 26, 28 und 34 des
erstellten Leiterplattenstranges 36 verteilt angeordnet.
Die 2 zeigt beispielhaft eine vorteilhafte Anordnung
der Bauelemente 44 bis 58 der Umrichterelektronik 30,
jedoch sind auch andere Verteilungen der Bauelemente 44 bis 58 möglich und
sinnvoll. Dabei sind diese Bauelemente 44 bis 58 derart auf
diese Leiterplatten 24, 26, 28 und 34 des
Leiterplattenstranges 36 verteilt angeordnet, dass die
Fläche
einer jeden Leiterplatte 24, 26, 28 und 34 optimal ausgenutzt
werden kann. Dabei wird auch darauf geachtet, dass das Durchschleifen
von elektrischen Verbindungsleitungen durch eine Leiterplatte nach Möglichkeit
vermieden werden soll. Diese Bauelemente 44 bis 58 sind überwiegend
auf der einen Seite der Leiterplatten 24, 26, 28 und 34 des
Leiterplattenstranges 36, der sogenannten Bestückungsseite, angeordnet.
In der Darstellung gemäß 2 wird
die sogenannte Bestückungsseite
dargestellt. Die Bauelemente abschaltbarer Leistungshalbleiter 46 und 48 sind,
da es sich hierbei um verlustbehaftete Bauelemente handelt, auf
einer der Bestückungsseite
gegenüber
liegenden Lötseite
dieses Leiterplattenstranges 36 angeordnet.
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Diese
Leiterplatten 24, 26, 28 und 34 werden bei
der Bestückung
mit den erwähnten
flexiblen elektrischen Verbindungselementen 38, 40 bzw. 42 bestückt und
beim anschließenden
Lötprozess
elektrisch leitend mit diesen Leiterplatten 24, 26, 28 und 34 elektrisch
leitend verbunden. Ein besonders vorteilhafter Leiterplattenstrang 36 besteht
aus einem Leiterplattenstrang der mittels flexibler Leiterplattenbereiche
in mehrere Leiterplatten 24, 26, 28 und 34 unterteilt
ist.
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Dem
Bestückungsprozess
und dem Lötprozess
schließt
sich ein Abkantungsprozess an. Bei diesem Abkantungsprozess werden
die Leiterplatten 34, 28, 26 und 24 zur
Leiterplatte 28, 26 und 24 derart abgekantet,
dass jeweils ein rechter Winkel eingeschlossen wird. Am Ende dieses
Abkantungsprozesses stoßen
die beiden Leiterplatten 34 und 24 jeweils mit
einer Kante aneinander, die mittels eines flexiblen elektrischen
Verbindungselementes miteinander elektrisch leitend verbunden werden.
Durch diesen Abkantungsprozess erhält man aus einem gebilde ten Leiterplattenstrang 36 mit
vorbestimmten Abkantbereichen einen quaderförmigen Hohlzylinder 60.
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Eine
erste Einbaumöglichkeit
dieses quaderförmigen
Hohlzylinders 60 in das Gehäuse 22 des Umrichters 4 ist
in der 3 näher
dargestellt. Bei dieser Einbaulage des quaderförmigen Hohlzylinders 60 sind
die verlustbehafteten Bauelemente 46 und 48 der
Umrichterelektronik 30 thermisch leitend mit dem B-seitigen
Lagerschild 14 des Motors 2 verbunden.
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Bei
dieser Einbaumöglichkeit
des quaderförmigen
Hohlzylinders 60 wird die Entwärmung der beiden verlustbehafteten
Bauelemente 46 und 48 mittels der Elemente 14, 20 und 12 des
Motors 2 unterstützt.
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Das
Umrichtergehäuse 22,
das beispielsweise zweiteilig aufgebaut ist, ist axial in Flucht
zum Motorgehäuse 20 des
Motors 2 angeordnet. Beispielsweise entsprechen die Querschnitte
des Motorgehäuses 20 und
des Umrichtergehäuses 22 einander. Bei
dieser Einbaumöglichkeit
des quaderförmigen Hohlzylinders 60 besteht
das zweiteilige Umrichtergehäuse 22 aus
einem quaderförmigen
Hohlzylinder 66 und einem stirnseitigen Deckel 68.
Dieser stirnseitige Deckel 68 wird mit dem quaderförmigen Hohlzylinder 66 entsprechend
einer gewünschten
Schutzart miteinander verbunden. Um die Entwärmung des Innenraums 70 des
Umrichtergehäuses 22 zu
verbessern, bestehen die beiden Teile 66 und 68 des
zweiteiligen Umrichtergehäuses 22 aus
einem wärmeleitenden
Material.
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Eine
zweite Einbaumöglichkeit
des aus den Leiterplatten 24, 26, 28 und 34 bestehenden
Leiterplattenstrang 36 hergestellten quaderförmigen Hohlzylinders 60 ist
der 4 zu entnehmen. Bei dieser Einbaumöglichkeit
sind die verlustbehafteten Bauelemente 46 und 48 der
Umrichterelektronik 30 jeweils mit dem B-seitig angeordneten
Deckel 68 des zweiteiligen Umrichtergehäuses 22 thermisch
leitend verbunden. Da das B-seitige Lagerschild 14 vom
Motor 2 erwärmt
wird, ist der quaderförmige
Hohlzylinder 60 beabstandet zum Lagerschild 14 im
Innenraum 70 des Umrichtergehäuses 22 untergebracht.
Um eine effiziente Entwärmung
der verlustbehafteten Bauelemente 46 und 48 zu
erreichen, kann der Deckel 68 des zweiteiligen Umrichtergehäuses 22 als
Kühlkörper ausgebildet
werden. D.h., die Oberfläche
dieses Deckels 68 wird mittels einer Anzahl von Kühlrippen bzw.
Kühlstiften
vergrößert. Wie
viele solcher Kühlrippen
bzw. Kühlstifte
vorgesehen werden müssen, hängt von
der anfallenden Verlustleistung ab. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind
diese Kühlrippen bzw.
Kühlstifte
nicht näher
dargestellt.
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Eine
weitere Möglichkeit,
die Entwärmung der
verlustbehafteten Bauelemente 46 und 48 zu verbessern,
besteht darin, einen Lüfter 72,
insbesondere einen Radiallüfter,
zu verwenden.
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Dieser
Radiallüfter 72 ist
B-seitig am Deckel 68 des zweiteiligen Umrichtergehäuses 22 angeordnet.
Dieser Radiallüfter 72 weist
ein Lüftergehäuse 74 und
ein Lüfterrad 76 auf.
Wegen einer gewünschten
hohen Schutzart, beispielsweise IP 54, besteht nicht die Möglichkeit,
dass der Radiallüfter
Umgebungsluft in das Umrichtergehäuse 22 einleiten kann. Mittels
diesem Radiallüfter 72 soll
die Entwärmung des
Deckels 68 des zweiteiligen Umrichtergehäuses 22 wesentlich
verbessert werden. Mit der Verbesserung der Entwärmung des Deckels des Umrichtergehäuses 22 verbessert
sich auch die Entwärmung
der verlustbehafteten Bauelemente 46 und 48. Dieser Radiallüfter 72 kann
zusammen mit einem als Kühlkörper ausgebildeten
Deckel 68 des Umrichtergehäuses 22 verwendet
werden, ist jedoch nicht zwingend notwendig.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines
axial aufgebauten Umrichtermotors erhält man eine verbesserte Entwärmung des
Umrichters 4 dieses Umrichtermotors bei sinkenden Montageaufwand
und sinkenden Fertigungskosten.