DE102007034914A1

DE102007034914A1 - Umrichtermotor und Verfahren zur Kühlung eines Umrichtermotors

Info

Publication number: DE102007034914A1
Application number: DE102007034914A
Authority: DE
Inventors: Jochen Pfann; Sven Tesch
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2009-02-05

Abstract

Ein Gehäuse eines Umrichtermotors umfasst zwei ineinandergesteckte rohrförmige Gehäuseteile, die durch radial verlaufende Stege miteinander verbunden sind. Die Motoreinheit des Umrichtermotors ist im Inneren des inneren Gehäuseteils angeordnet, während die Leistungselektronik mit dem äußeren Gehäuseteil verbunden ist. Das innere rohrförmige Gehäuseteil bildet das Gehäuse eines Umrichtermotors, während die Leistungselektronim des Umrichtermotors wärmeleitend mit dem äußeren Gehäuseteil verbunden ist. Zwischen den Gehäuseteilen wird ein Strömungskanal für Kühlluft ausgebildet, durch den das Lüfterrad die Kühlluft bewegt zur Kühlung des Umrichtermotors und der Leistungselektronik.

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichtermotor und ein Verfahren zur Kühlung eines Umrichtermotors. Unter Umrichtermotor wird in dieser Schrift eine elektrisch betriebene Antriebseinheit verstanden, die zumindest eine Motoreinheit und eine elektronische Baugruppe, die Umrichtereinheit, zur Ansteuerung der Motoreinheit, insbesondere zur Regelung der Drehzahl und/oder des Drehmoments, umfasst. Die Motoreinheit kann hierbei einen permanenterregten Rotor, einen Käfigläufer oder eine Kombination von beidem umfassen oder als Außenläufer ausgebildet sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Entwärmung eines Umrichtermotors zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Umrichtermotor nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und bei dem Verfahren zur Kühlung eines Umrichtermotors nach den in Anspruch 22 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung eines Umrichtermotors sind, dass in einem ersten rohrförmigen Gehäuseteil ein Stator angeordnet ist und ein zweiter rohrförmiger Gehäuseteil den ersten rohrförmigen Gehäuseteil radial umgibt, wobei zwischen den Gehäuseteilen ein ringförmiger Strömungskanal für Kühlluft oder für ein Kühlmittel ausgebildet ist. Radial umgeben bedeutet, dass die durch den ersten rohrförmigen Gehäuseteil verlaufenden radialen Strahlen also stets auch durch den zweiten rohrförmigen Gehäuseteil verlaufen. Mit rohrförmig wird in dieser Schrift allgemein ein im Wesentlichen um eine Achse diskret oder kontinuierlich drehsymmetrisch, im Inneren hohl und insgesamt mit einer im Vergleich zum Durchmesser dünnen Wandstärke versehen ausgebildetes Teil bezeichnet. Somit ist die strömende Kühlluft oder das strömende Kühlmittel allseitig mit Gehäuseteilen umgeben, die zur Entwärmung von Bauteilen des Umrichtermotors nutzbar sind. Der Strömungskanals bildet auch eine Wärmesperre zwischen den zwei Gehäuseteilen. Die Gehäuseteile sind also jeweils für sich gut thermisch anbindbar, also mit einem geringen Wärmeübergangswiderstand, an verschiedene Bauteile oder Baugruppen des Umrichtermotors, ohne dass ein nennenswerter Wärmetransport vom den an den einen Gehäuseteil angeschlossenen Bauteilen an die an den anderen Gehäuseteil angeschlossenen Bauteile stattfindet. Die rohrförmige Ausbildung der Gehäuseteile ergibt günstige Strömungsverhältnisse und einen geringen Strömungswiderstand. Weiter ist durch die Anordnung des zweiten rohrförmigen Gehäuseteils vorteilhaft erreicht, dass der Kühlmittelstrom über die volle axiale Länge des ersten rohrförmigen Gehäuseteils, der ein Teil des Statorgehäuses ist, geleitet wird. Somit ist die Kühlung des Umrichtermotors verbessert.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist auf der Rotorwelle ein Lüfterrad angeordnet, wobei der erste rohrförmige Gehäuseteil dicht abgeschlossen ist gegen die vom Lüfterrad bewegte Kühlluft oder das vom Lüfterrad bewegte Kühlmittel. Von Vorteil ist dabei, dass der Stator dicht abgeschlossen ist gegen Verunreinigungen, die durch das Kühlmittel transportiert wird. Insbesondere ist sogar ein flüssiges Kühlmittel verwendbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der erste rohrförmige Gehäuseteil durch einen B-Lagerschild abgeschlossen, wobei zwischen B-Lagerschild und Lüfterrad eine Haltebremse angeordnet ist. Der B-Lagerschild ist derjenige Lagerschild der Motoreinheit, der gegenüber der Abtriebsseite angeordnet ist. Durch den B-Lagerschild wird das Innere des Statorgehäuses geschützt vor dem strömenden Kühlmittel. Das Kühlmittel, Luft oder eine Kühlflüssigkeit, gelangt also nicht an die Statorwicklung und kann dort keine Verschmutzung erzeugen. Durch die Anordnung einer Haltebremse zwischen Motoreinheit und Lüfterrad ist diese ebenfalls kühlbar und somit als Ersatz für einen Bremswiderstand nutzbar, indem der Haltestrom für die Haltespule der Ankerscheibe im generatorischen Betrieb zur Umwandlung von mechanischer Energie in Wärme genutzt wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind erster rohrförmiger Gehäuseteil und zweiter rohrförmiger Gehäuseteil durch radial verlaufende Stege verbunden. Somit ist eine Verbindung der Gehäuseteile bereitgestellt, die mit einem Drehmoment belastbar ist, beispielsweise wenn der zweite rohrförmige Gehäuseteil an einer Unterlage oder einem Gestell befestigt werden soll. Gleichzeitig ist eine Wärmesperre der Gehäuseteile gegeneinander ausgebildet, denn einerseits ist die Verbindungsfläche der Gehäuseteile klein im Vergleich zur Gesamtfläche der Gehäuseteile und andererseits werden die Stege vom Kühlmittel umströmt und gekühlt. Ein Wärmetransport der Abwärme des Stators an den zweiten rohrförmigen Gehäuseteil ist daher sehr gering.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die radial verlaufenden Stege axiale Bohrungen auf, durch die jeweils eine Schraube gesteckt ist, wobei die Schraube den A-Lagerschild mit dem B-Lagerschild des Umrichtermotors verbindet. Der A-Lagerschild ist der Lagerschild das Motors, durch den die Abtriebswelle ragt. Vorzugsweise ist am A-Lagerschild ein Getriebeflansch ausgebildet. Somit sind die zur Verbindung des Statorgehäuses notwendigen Bauteile in den Stegen verborgen und stellen kein Hindernis für die Kühlmittelströmung dar. Insbesondere können die Stege glatt und mit strömungsdynamisch günstiger Form ausgebildet werden, wodurch sich keine Rückstände von Verunreinigungen im Kühlmittel an den Gehäuseteilen festsetzen können. Durch die Ausbildung eines Getriebeflansches am A-Lagerschild ist der erste Gehäuseteil vom zweiten Gehäuseteil bei der Kraftentwicklung in der Motoreinheit entkoppelt. Hierdurch sind die radial verlaufenden Stege entlastet. Sie können somit dünner ausgeführt werden, wodurch sich die Strömungsverhältnisse im Strömungskanal verbessern.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung verbinden zusätzlich radial verlaufende Stege ersten rohrförmigen Gehäuseteil und zweiten rohrförmigen Gehäuseteil, wobei die zusätzlichen radial verlaufenden Stege keine axialen Bohrungen zur Aufnahme einer Schraube aufweisen. Die zusätzlichen Stege sind somit mit einer verringerten Materialstärke ausführbar. Dies verringert das Gesamtgewicht und den Strömungswiderstand des Strömungskanals und bietet dennoch eine ausreichend stabile Verbindung der Gehäuseteile.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der erste rohrförmige Gehäuseteil konzentrisch im zweiten rohrförmigen Gehäuseteil angeordnet. Somit ist eine Strömungskanal ausgebildet, der den Stator von allen Seiten kühlt. Die gesamte Statorgehäusefläche ist somit nutzbar zu Kühlung.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind erster rohrförmiger Gehäuseteil, zweiter rohrförmiger Gehäuseteil und die radial verlaufenden Stege aus einem Gussteil gefertigt. Somit ist ein einfaches, kostengünstiges Herstellungsverfahren angegeben. Vorzugsweise wird Aluminium eingesetzt. Die Gehäuseteile sind an den zum Strömungskanal zeigenden Oberflächen leicht konisch ausgeführt. Zur Bildung des Umrichtermotors wird das Statorpaket in den ersten rohrförmigen Gehäuseteil eingeschoben oder eingepresst, es wird die Motorwelle eingeführt und es werden die Lagerschilde aufgesetzt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist am zweiten rohrförmigen Gehäuseteil ein Anschlusskastenansatz für einen Motoranschlusskasten ausgebildet, wobei der Boden des Anschlusskastenansatzes durch einen Bereich des zweiten rohrförmigen Gehäuseteils gebildet wird. Von Vorteil ist dabei, dass ein Montageplatz für die Elektronik der Umrichtereinheit ausgebildet ist. Durch die turbinenartige Ausgestaltung des Strömungskanals sind die sonst üblichen Kühlrippen an der Motoreinheit verzichtbar. Ein direktes Aufsetzen des Motoranschlusskastens auf das Außengehäuse ist somit möglich. Dies spart Material, den der Motoranschlusskasten muss keinen separaten Boden umfassen, sondern kann das Außengehäuse zu Bodenbildung mitnutzen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der zweite rohrförmige Gehäuseteil und der Anschlusskastenansatz aus einem Gussteil gefertigt. Von Vorteil ist dabei, dass das Gehäuse des Motoranschlusskastens thermisch sehr gut mit den zweiten rohrförmigen Gehäuseteil verbunden ist und somit ebenfalls gekühlt wird. Außerdem kann die Montage des Motoranschlusskastens entfallen. Es ist lediglich ein Deckel zum Abschluss des Innenraums des Motoranschlusskastens aufgesetzt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung enthält der Motoranschlusskasten elektronische Leistungsbauelemente für die Motoransteuerung, wobei der Bereich des zweiten rohrförmigen Gehäuseteils eine plane Fläche aufweist, an welchem die elektronischen Leistungsbauelemente zur Entwärmung angelegt sind. Somit ist eine thermische Anbindung mit geringem Wärmeübergangswiderstand der Hauptwärmequellen zu den Kühlflächen des Kühlsystems, also zur Innenfläche des zweiten rohrförmigen Gehäuseteils, gegeben. Die plane Fläche ist vorzugsweise im Gusskörper ausgebildet und durch Fräsen oder Schleifen oder ein anderes Bearbeitungsverfahren besonders glatt und eben ausgebildet. Leistungsbauelemente, insbesondere Leistungshalbleiter, lassen sich somit gut auflegen zur Entwärmung. Vorzugsweise wird zwischen den Leistungsbauelementen und der plane Fläche zusätzlich Wärmeleitpaste vorgesehen. Die Leistungsbauelemente weisen vorzugsweise eine metallische Kontaktfläche auf, die zur Kontaktierung für die Entwärmung genutzt wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die elektronischen Leistungsbauelemente auf einer Leiterplatte angebracht und werden durch die Eigenspannung der Leiterplatte auf die plane Fläche gedrückt. Somit ist eine einfache Montage der Leistungsbauelemente in der Umrichtereinheit bereitgestellt. Zusätzliche Mittel zur Fixierung der Leistungsbauelemente auf der Kontaktfläche sind verzichtbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die plane Fläche im axialen Bereich des ringförmigen Strömungskanals angeordnet. Somit sind die Hauptwärmequellen der Umrichtereinheit in dem Bereich des Kühlsystems angeordnet, in welchem die Kühlleistung am größten ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist ein radial verlaufender Steg eine Kabeldurchführung auf, durch die ein Motoranschlusskabel verlegt ist, das die Wicklungen des Motors mit der Leistungselektronik verbindet. Von Vorteil ist dabei, dass die Kabel zwischen der Ansteuerungselektronik der Umrichtereinheit und der Motoreinheit kein Hindernis für die Kühlmittelströmung darstellen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der zweite rohrförmige Gehäuseteil auf einer Seite axial durch eine Lüfterabdeckung abgeschlossen. Von Vorteil ist dabei, dass das Lüfterrad geschützt ist gegen versehentliche Berührung von außen. Weiter können keine größeren Teile in den Strömungskanal gelangen und diesen verstopfen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung laufen die radial verlaufenden Stege mit axialer Bohrung im axialen Bereich des Lüfters in axiale Rippen aus, die an ihrem Ende eine Sackbohrung zur Aufnahme von Befestigungsschrauben für die Lüfterabdeckung aufweisen. Somit ist eine Verstärkung des zweiten rohrförmigen Gehäuseteils ausgebildet, die den Strömungswiderstand im Strömungskanal nicht wesentlich erhöht. Die Verstärkung ist nutzbar für die stabile Montage der Lüfterabdeckung oder zur stabilen Befestigung von zusätzlichen Optionen, beispielsweise einem Drehzahlmesser oder einer Drehwinkelmesseinheit oder eines zusätzlichen Fremdlüfters.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist am ersten rohrförmigen Gehäuseteil eine ringförmige Aufnahme ausgebildet, in die ein ringförmiger Einsatz des B-Lagerschilds eingesetzt ist, wobei eine umlaufende Kante der ringförmigen Aufnahme mit einer Anfasung versehen ist, durch die ein umlaufender Zwischenraum zwischen ringförmiger Aufnahme und ringförmigen Einsatz ausgespart wird, wobei in den umlaufenden Zwischenraum ein Gummiring eingelegt ist. Der Gummiring wird vor der Montage auf den Einsatz des B-Lagerschilds aufgespannt. Im Anschluss wird der B-Lagerschild mit dem Gummiring in die Aufnahme eingesetzt. Somit ist eine dichte Verbindung hergestellt. Die Montage kann einhändig erfolgen, ein Aufbringen oder ein Festhalten eines Dichtmittels beim Zusammensetzen des B-Lagerschildes mit dem Statorgehäuse ist nicht notwendig. Der Strömungskanal kann somit enger ausgeführt werden, eine Zugänglichkeit der Verbindungsstelle am ersten rohrförmigen Gehäuseteile ist verzichtbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der zweite rohrförmige Gehäuseteil einen in etwa quadratischen Querschnitt auf, wobei die radial verlaufenden Stege mit axialer Bohrung in den Ecken des quadratischen Querschnitts angeordnet sind und die radial verlaufenden Stege ohne axiale Bohrung in Umlaufsrichtung zwischen den radial verlaufende Stegen mit axialer Bohrung angeordnet sind. Vorzugsweise ist der erste rohrförmige Gehäuseteil mit einem kreisrunden Querschnitt ausgebildet und passt sich der Statorpaketform an. Die radial verlaufenden Stege können somit dünner ausgeführt werden, den sie müssen nur einen geringen Abstand zwischen den Gehäuseteilen überbrücken.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Handlüfthebel der Haltebremse durch eine seitliche Öffnung des zweiten rohrförmigen Gehäuseteils geführt. Von Vorteil ist dabei, dass die Haltebremse im stromlosen Zustand gelüftet werden kann.
Wichtige Merkmale der Erfindung eines Verfahrens zur Kühlung eines Umrichtermotors sind, dass ein Lüfterrad einen Luftstrom oder ein Kühlmittelstrom durch einen Strömungskanal bewegt, wobei der Strömungskanal durch einen inneren Gehäuseteil und einen äußeren Gehäuseteil gebildet und begrenzt wird, die Leistungselektronik des Umrichtermotors Wärme an den äußeren Gehäuseteil abgibt, der innere Gehäuseteil die Motoreinheit des Umrichtermotors umschließt, die Motoreinheit Wärme an den inneren Gebäusteil abgibt und das Lüfterrad durch die Motoreinheit angetrieben wird. Somit ist ein Kühlverfahren angegeben, bei dem die Leistungselektronik und die Motoreinheit gemeinsam gekühlt werden, ohne dass sich die Baugruppen gegenseitig beeinträchtigen. Die Kühlflächen sind nach innen gerichtet, Kühlrippen an den Außenflächen sind verzichtbar. Da der Luftstrom oder der Kühlmittelstrom im Strömungskanal zwischen den beiden Hautwärmequellen des Umrichtermotors, der Motoreinheit einerseits und der Leistungselektronik andererseits, hindurchgeführt wird, stellt er eine effektive Wärmesperre zwischen diesen Hauptwärmequellen dar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umgibt der Strömungskanal den inneren Gehäuseteil ringförmig. Somit ist ein Verfahren angeben, bei dem die gesamte Oberfläche des Statorgehäuses nutzbar ist zur Kühlung. Kühlrippen an der Oberfläche des Statorgehäuses sind daher verzichtbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung verläuft der Strömungskanal in axialer Richtung. Somit ist der Eigenlüfter des Umrichtermotors verwendbar zum Antrieb des Kühlmittels.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das äußere Gehäuseteil mit dem inneren Gehäuseteil durch radial verlaufende Stege verbunden, wobei die Stege eine Wärmesperre zwischen äußerem Gehäuseteil und innerem Gehäuseteil bilden. Es wird somit zur Leitung des Kühlmittelstroms ein turbinenartig geformter Kanal verwendet. Der Kühlmittelstrom trifft daher auf einen möglichst geringen Strömungswiderstand. Es können daher große Mengen von Kühlmittel pro Zeiteinheit an den Kühlflächen der Gehäuseteile vorbeigeführt werden. Dies erhöht die Kühlleistung. Durch die Wärmesperre wird zudem verhindert, dass bei einer Überhitzung der Motoreinheit die Leistungselektronik ebenfalls stark erwärmt wird oder umgekehrt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kühlt der Luftstrom eine Haltebremse, wobei im generatorischen Betrieb eine Spule der Haltebremse mit einer höheren Stromstärke beaufschlagt wird als im motorischen Betrieb. Insbesondere liegt die Stromstärke im generatorischen Betrieb deutlich über der für das Halten der Haltebremse notwendigen Stromstärke, wobei der zusätzlich durch die Spule der Haltbremse fließende Strom aus dem Zwischenkreis der Motoransteuerung gespeist wird. Somit ist ein zusätzlicher Bremswiderstand verzichtbar oder es ist zumindest ein kleinerer Widerstand einsetzbar als es die Anwendung erfordern würde. Der Umrichtermotor ist im vier-Quadranten-Betrieb einsetzbar. Da die Haltebremse auf der Motorwelle angeordnet und mit dem B-Lagerschild der Motoreinheit verbunden ist, bildet die Kühlmittelströmung sogar eine Wärmesperre zwischen Haltebremse und Leistungselektronik. Somit wird die Umrichterelektronik im generatorischen Betrieb vor Überhitzung durch die in Form von Wärme abgegebene Bremsenergie geschützt.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
Es zeigt
1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Motors mit Elektronik und Lüfter,
2 eine weitere Ansicht des Motors aus 1,
3 den Motor aus 1 mit Blick auf die Abtriebswelle,
4 den Motor aus 1 mit Blick auf das Lüfterrad und
5 ein Detail aus 2.
1 zeigt einen Axialschnitt durch einen Motor 1. Der Motor 1 ist als Umrichtermotor ausgebildet und umfasst eine Motoreinheit 50 und eine Umrichtereinheit 51 mit Leistungselektronik.
Die Motoreinheit 50 umfasst eine Motorwelle 2 mit einem Magnetträger 3, auf dem Permanentmagnete 4 aufgeklebt sind. Die Motorwelle 2 ist in einem Lager 8 und deinem Lager 9 festgelegt. Die Motoreinheit 50 umfasst weiter ein Statorblechpaket 5 mit der Statorwicklung. Das Statorblechpaket 5 ist in einem Statorgehäuse 10 eingeklemmt und gehalten. Das Statorgehäuse 10 weist eine rohrförmige Form auf und wird an einem Ende durch einen A-Lagerschild 6 und an dem anderen Ende durch einen B-Lagerschild 7 verschlossen. In den Lagerschilden 6, 7 ist jeweils ein Lager 8, 9 angeordnet. Lagerschilde 6, 7 und Statorgehäuse 10 schließen somit den Statorinnenraum 26 nach außen dicht ab. Zum dichten Abschluss ist an einer dem B-Lagerschild zugewandten ringförmigen Kante des rohrförmigen Statorgehäuses 10 eine Anfasung 25 ausgebildet, die einen ebenfalls ringförmigen Zwischenraum schafft, in den ein Gummiring zur Abdichtung eingelegt ist. Am A-Lagerschild 6 der Motoreinheit 50 ist ein Getriebeflansch ausgebildet.
Auf der Motorwelle 2 ist außerhalb des B-Lagerschildes 7 eine Haltebremse 12 angeordnet. Die Haltebremse 12 umfasst Spulen 48 durch die eine Ankerscheibe 49 gelüftet werden kann. Die Spule 48 werden über eine Bremsenansteuerung 43 angesteuert. Das Kabel der Bremsenansteuerung 43 ist durch den B-Lagerschild 7 in den Statorinnenraum 26 geführt.
Die Haltebremse ist gegen den Außenraum durch einen Wellendichtring 23 und eine Bremsenabdichtung 24 abgedichtet. Die Bremsenabdichtung 24 ist als Gummimanschette ausgeführt, die den Verschiebebereich der Ankerscheibe 49 ringförmig umgibt und die wie die Falte eines runden Faltenbalgs aus zwei kegelstumpfartigen Bereichen gebildet ist. Hierdurch ist eine Längenveränderlichkeit der Bremsenabdichtung 24 ermöglicht.
Weiter ist auf der Motorwelle 2 ein Lüfterrad 11 angeordnet. Somit ist ein Eigenlüfter am Umrichtermotor 1 ausgebildet.
Motoreinheit 50, Haltebremse 12 und Lüfterrad 11 sind von einem Außengehäuse 13 umgeben. Das Außengehäuse 13 weist eine rohrförmige Form auf. Durch die konzentrische, ineinandergesteckte Anordnung von rohrförmigem Statorgehäuse 10 und rohrförmigem Außengehäuse 13 ist ein turbinenartiger Strömungskanal 27 gebildet, durch den das Lüfterrad 11 Kühlluft bewegt. Außengehäuse 13 und Statorgehäuse 10 sind durch einen radial verlaufenden Steg 14 verbunden, der den ringförmigen, turbinenartigen Strömungskanal 27 in einem engen Winkelbereich durchbricht. Der Steg 14 erstreckt sich in axialer Richtung von dem Ansatz des Statorgehäuses 10 für den B-Lagerschild 7 bis zur getriebeseitigen Öffnung des rohrförmigen Außengehäuses 13. Durch den dichten Abschluss des Statorinnenraums 26 und des Innenraums der Haltebremse 12 sind empfindliche Teile des Umrichtermotors 1 vor Verunreinigungen geschützt, die beispielsweise durch die Kühlluft im Strömungskanal 27 transportiert werden. Die Kühlluft kühlt zumindest die Motoreinheit 50 und die Haltebremse 12. Die Kühlluft entweicht durch die getriebeseitige, ringförmige Öffnung des Außengehäuses.
An einer Außenseite der Haltebremse 12 ist ein Geber 35 angebracht, der den Durchlauf von Geberfahnen 36 auf der Innenseite des Lüfterrads 11 detektiert und zählt. Somit ist die Drehzahl und die Winkelposition der Motorwelle 2 bestimmbar.
Das rohrförmige Außengehäuse 13 ist auf der Lüfterseite durch eine Lüfterabdeckung 22 abgeschlossen.
An der Oberseite des Außengehäuses 13 ist ein Anschlusskastenansatz 15 ausgebildet zur Aufnahme der Elektronik der Umrichtereinheit 51 des Umrichtermotors. Der Boden des Anschlusskastenansatzes 15 wird durch das Außengehäuse 13 gebildet, und die Seitenwand des Anschlusskastenansatzes 15 ist einstückig mit dem Außengehäuse 13 ausgebildet. Auf den Anschlusskastenansatz 15 ist ein Deckel 16 aufgesetzt. Der Deckel 16 weist Anschlusslöcher für die Durchführung von Anschlusskabeln, beispielsweise zum Anschluss an eine Energieversorgung oder an einen Kommunikationsbus, auf. Somit umgeben Anschlusskabelansatz 15 und Deckel 16 einen Anschlusskasteninnenraum 52 und bilden ein Gehäuse für die Umrichterelektronik, das nach außen dicht abgeschlossen ist.
Die Umrichterelektronik ist auf einer Leiterplatte 17 angeordnet. Auf der Leiterplatte 17 sind elektronische Leistungshalbleiter 18 sowie weitere elektronische Bauteile 41 und Steckverbinder 21 angebracht. Die Leistungshalbleiter 18 werden aus dem Zwischenkreis der Umrichtereinheit gespeist und erzeugen ein Drehfeld, durch das die Wicklung der Motoreinheit 50 angesteuert wird. Am Boden des Anschlusskastenansatzes 15 ist eine Auflagefläche 19 als plane Fläche ausgebildet, auf welche eine metallische Fläche der Leistungshalbleiter 18 aufgelegt wird. Zwischen Leistungshalbleiter 18 und Auflagefläche 19 wird Wärmeleitpaste zur Verbesserung des thermischen Kontaktes aufgebracht.
Der Steckverbinder 21 ist zum Anschluss der Wicklung des Stators vorgesehen. Hinter dem Steckverbinder 21 ist ein Zwischenkreiskondensator angeordnet. Es ist somit ein Zwischenkreiskondensator in räumlicher Nähe zu den Leistungshalbleitern 18 auf der Unterseite der Leiterplatte 17 angeordnet. Ein Anschlusskanal 20 umgibt den Steckverbinder 21 und den Zwischenkreiskondensator.
5 zeigt in einem Ausschnitt aus 1 einen Leistungshalbleiter 18, der auf der Auflagefläche 19 aufgelegt ist zur thermischen Anbindung. Die Auflagefläche 19 ist als plane, bearbeitete Fläche in der Außenseite des Außengehäuses 13 ausgebildet. Weitere Leistungshalbleiter sind in Blickrichtung hinter dem gezeigten Leistungshalbleiter 18 in gleicher Weise auf der rechteckig ausgebildeten Auflagefläche 19 gemeinsam aufgelegt. Die Auflagefläche 19 wird durch Ansätze 44 seitlich begrenzt, wodurch die Position der Leistungshalbleiter 18 fixiert ist.
Die Leiterplatte 17 in 1 ist als eine ebene Platte ausgebildet und ist auf weitere Auflageflächen 40 am Boden des Anschlusskastenaufsatzes 15 aufgelegt. Durch die elastische Eigenspannung der Leiterpatte werden die Leistungshalbleiter 18 auf die Auflagefläche 19 gedrückt und es entsteht eine gute thermische Anbindung der Leistungshalbleiter 18 an das Außengehäuse 13. Somit werden die Leistungshalbleiter 18 durch das Außengehäuse 13 entwärmt, wobei sich die Wärme über den gesamten Umfang des rohrförmigen Außengehäuses 13 verteilt. Die im Inneren des Außengehäuses 13 durch das Lüfterrad 11 bewegte Kühlluft kühlt somit zusätzlich die Leistungshalbleiter, da die Auflagefläche 19 für die Leistungshalbleiter 18 im axialen Bereich des Strömungskanals 27 angeordnet sind.
Zum Schutz der Elektronik der Umrichtereinheit 51 ist in den Anschlusskastenansatz 15 einen schalenförmigen Befestigungsrahmen 37 eingesetzt. Die Leiterplatte 35 ist durch Nasen an einem Befestigungsrahmen 37 befestigt. Der Befestigungsrahmen 37 deckt die Leiterplatte 17 bis auf einzelne Durchbrüche für Steckverbinder 38 vollständig ab. Der Befestigungsrahmen 37 ist mit dem Boden des Unterteils verschraubt. Somit ist die Elektronik nach oben, also zur Öffnung des Anschlusskastenansatzes hin, gegen versehentliches Berühren oder Beschädigung geschützt. Die Leiterplatte 17 ist nach Einbau im Befestigungsrahmen 37 mit einer wärmeleitenden Vergussmasse vergossen. Diese Vergussmasse stellt eine thermische Ankopplung weiterer elektronischer Bauteile 41 der Leiterplatte 17 mit weiteren plan ausgeführten Auflageflächen 40 im Boden des Anschlusskastens her. Zwischen der Vergussmasse und dem Boden ist eine Schutzfolie eingelegt, die an den Auflageflächen durchbrochen ist.
Am Befestigungsrahmen 37 sind quer über die Oberseite verlaufende Verstärkungen ausgebildet. Somit ist die Anpresskraft nach Anschrauben des Befestigungsrahmens auf die Leiterplatte übertragbar und von dieser weiter auf die Leistungsbauelemente 18. Letztere werden also gegen die Auflagefläche 19 gedrückt und fixiert. Zwischen den Leistungshalbleitern 18 und der Leiterplatte 17 ist jeweils eine Schicht aus einem Elastomer angeordnet, welche die Leistungshalbleiter 18 auf die Auflagefläche 19 drückt. Somit ist eine gute Entwärmung der Leistungsbauelemente 18 über das Außengehäuse 10 bewirkt.
Anschlusskasteninnenraum 52 und Statorinnenraum 26 sind durch einen Anschlusskanal 20 und eine Kabeldurchführung 42 miteinander verbunden zur Durchführung der Kabel für die Motoransteuerung und der Bremsenansteuerung. Im generatorischen Betrieb wird mindestens eine Spule 48 der Haltebremse 12 mit einem Strom aus dem Zwischenkreis beaufschlagt, der größer ist als der zum Halten der Ankescheibe 49 notwendige Strom. Die durch den erhöhten Strom hervorgerufene zusätzliche Wärmeentwicklung in der Haltebremse 12 wird durch die Kühlluft abgebaut.
Am Befestigungsrahmen §/ ist eine Krempe ausgebildet, die Zungen aufweist. In die Krempe ist eine weitere, nicht gezeigte Leiterplatte für Signalelektronik und den Gleichrichter und den Zwischenkreiskondensator des Umrichters einsetzbar. Die Zungen rasten beim Einsetzen der weiteren Leiterplatte mit den Nasen ein, wodurch die weitere Leiterplatte gehalten wird. Die weitere Leiterplatte ist über Steckverbinder mit den Steckverbindern 38 elektrisch an die Leiterplatte 17 angeschlossen. Die weitere Leiterplatte umfasst Mittel zum Anschluss der Starkstromversorgung des Umrichters und Mittel zu Anschluss der Datenkommunikationsleitungen.
2 zeigt eine weitere, teilweise aufgeschnittene Ansicht des Umrichtermotors 1 aus 1. Sichtbar ist ein weiterer Steg 29, der das Außengehäuse 13 mit dem Statorgehäuse 10 verbindet. In den Steg 29 ist eine axial verlaufende Bohrung 30 eingebracht, die sich von einem Ende des rohrförmigen Statorgehäuses 10 zum anderen erstreckt, und durch die eine Schraube 31 gesteckt ist. Die Schraube 31 ist durch eine Bohrung in dem B-Lagerschild 7 gesteckt und mit einem Gewinde 32 in ein Gewindeloch 34 eingeschraubt. Vier weitere derartige Schrauben sind in weiteren Stegen vorgesehen und halten mit der Schraube 31 das A-Lagerschild und B-Lagerschild fest mit dem Statorgehäuse 10 zusammen.
5 zeigt in einem Ausschnitt aus 1 die dichte Verbindung des B-Lagerschilds 7 mit dem Statorgehäuse 10. Ein Verbindungsbereich 54 verbindet das Statorgehäuse 10 mit dem Außengehäuse 13. Der Verbindungsbereich 54 umschließt den Anschlusskanal 20. Am Übergang des Verbindungsbereichs 54 zum Statorgehäuse 10 ist eine ringförmige Aufnahme 47 für einen ringförmigen Einsatz 46 ausgeformt, wobei der ringförmige Einsatz 46 vom B-Lagerschild 7 umfasst wird. Der Einsatz 46 passt in die Aufnahme 47. An der Aufnahme 47 ist an einer ringförmigen Kante eine die Motorwelle 2 umlaufende Anfasung 25 ausgebildet. Diese bildet zusammen mit einer Einkehlung des Einsatzes 46 am B-Lagerschild eine ringförmige Aussparung 45, in die ein die Motorwelle 2 umlaufender Gummiring eingelegt wird. Der Gummiring lässt sich vor dem Einführen des B-Lagerschildes in das Außengehäuse 13 auf den Einsatz 46 aufspannen, wodurch die Abdichtung der Verbindung von B-Lagerschild 7 und Statorgehäuse 10 einhändig herstellbar ist.
Der in 2 ersichtliche Steg 29 läuft axial in eine Verstärkungsrippe 28 aus, die sich bis zum Ende des rohrförmigen Außengehäuses 13 erstreckt. In das Ende der Verstärkungsrippe 28 ist ein Sackloch eingebracht zur Aufnahme einer Schraube 33, durch welche die Lüfterabdeckung 22 gehalten wird.
Auf der Oberseite der Leiterplatte 17 sind Anschlussstecker 38 und 39 angebracht, die durch Aussparungen in der Abdeckung 37 hindurchragen. Somit ist die Starkstromversorgung und ein Kommunikationsanschluss an die Leiterplatte 17 anschließbar, ohne dass die schützende Abdeckung 37 abgenommen werden muss.
3 zeigt den Umrichtermotor 1 von der Getriebeseite mit abgenommenem A-Lagerschild 6. Das Außengehäuse weist einen in etwa quadratischen Querschnitt auf, wobei die Seiten des Quadrats nach außen leicht gebogen sind und wobei die Ecken des Quadrats abgerundet sind. Das Außengehäuse 13 wird in jeder der vier Ecken durch einen Steg 29 mit dem Statorgehäuse 10 verbunden. In jeden Steg 29 ist eine durchgehende axiale Bohrung 30 eingebracht, durch die Schrauben gesteckt werden zur Verbindung des A-Lagerschilds 6 mit dem B-Lagerschild 7. Um Platz für die Bohrungen 30 zu schaffen und um eine Mindeststabilität der Verbindung der Gehäuse zu gewährleisten, erstreckt sich jeder Steg 29 über einen gewissen Winkelbereich. Das Außengehäuse 13 ist durch drei weitere Stege 14 mit dem Statorgehäuse 10 verbunden. Diese Stege 14 weisen keine Bohrungen auf und sind daher dünner ausgeführt als die Stege 29, d. h. sie erstrecken sich in der dargestellten Radialebene über einen geringeren Winkelbereich als die Stege 29. Jeder Steg 14 ist von Stegen 29 benachbart. Der Verbindungsbereich 54, der den Anschlusskanal 20 umschließt, stellt eine weitere Verbindung zwischen Statorgehäuse 10 und Außengehäuse 13 her.
Durch die Stege 14, 29, den Verbindungsbereich 54, das Statorgehäuse 10 und das Außengehäuse 13 werden axial verlaufende Hohlräume gebildet, die zusammen einen turbinenartigen Strömungskanal 27 für Kühlluft ergeben, der sich ringförmig entlang des gesamten Umfangs um das Statorgehäuse 10 erstreckt. Somit wird die Motoreinheit 50 von allen radialen Richtungen entlang der gesamten Außenfläche des Statorgehäuses 10 gekühlt. Das Außengehäuse 13 begrenzt diesen Strömungskanal 27 ebenfalls in allen radialen Richtungen. Somit wird Wärme von den Leistungshalbleitern der Umrichtereinheit 51 entlang des gesamten Umfangs um den Strömungskanal 27 verteilt. Es ergibt sich eine hohe Kühlleistung.
4 zeigt den Umrichtermotor 1 aus 1 mit abgenommener Lüfterabdeckung 22. Der B-Lagerschild mit montierter Bremse 12 ist mit den vier Schrauben 31 am Statorgehäuse 10 befestigt. Die vier Verstärkungsrippen 28 sind verstärkt ausgeführt, d. h. sie weisen in Umfangsrichtung eine Materialstärke auf, welche die Montage von Motor-Zusatzoptionen statt der Lüfterabdeckung 22 erlaubt. Somit ist eine stabile mechanische Schnittstelle geschaffen, auf die standardisiert ausgeführte Zusatzmodule wie beispielsweise ein genauerer Geber montierbar sind.
Durch eine seitliche Öffnung 55 im Außengehäuse 13 ragt ein Handlüfthebel 56.
Außengehäuse 13, Statorgehäuse 10, Anschlusskastenansatz 15 und Stege 14, 29 sind als aus einem einzigen Gussteil gefertigt. Da der A-Lagerschild 6 direkt mit dem Statorgehäuse 10 verbunden ist, stützt sich die Motoreinheit 50 zum Aufbau eines Abtriebsmoments nur über das Statorgehäuse 10 ab. Ebenso ist die Haltebremse 12 am B-Lagerschild 7 montiert und dieser am Statorgehäuse 10. Somit stützt sich auch die Haltebremse 12 im eingefallenen Zustand nur am Statorgehäuse 10 und weiter am Getriebeflansch des A-Lagerschilds 6 ab.
Lediglich bei Montage des Umrichtermotors auf einer Unterlage, die über am Außengehäuse 13 zusätzlich angebrachte Füße erfolgt, sind die Stege 14, 29 in die Drehmomentübertragung einbezogen.

1: Motor
2: Motorwelle
3: Magnetträger
4: Permanentmagnet
5: Statorblechpaket
6: A-Lagerschild
7: B-Lagerschild
8: Lager
9: Lager
10: Statorgehäuse
11: Lüfterrad
12: Haltebremse
13: Außengehäuse
14: Steg
15: Anschlusskastenansatz
16: Deckel
17: Leiterplatte
18: Leistungshalbleiter
19: Auflagefläche
20: Anschlusskanal
21: Steckverbinder
22: Lüfterabdeckung
23: Wellendichtring
24: Bremsenabdichtung
25: Anfasung
26: Statorinnenraum
27: Strömungskanal
28: Verstärkungsrippe
29: Steg
30: Bohrung
31: Schraube
32: Gewinde
33: Schraube
34: Gewindeloch
35: Geber
36: Geberfahne
37: Befestigungsrahmen
38: Anschlussstecker
39: Anschlussstecker
40: Auflagefläche
41: Bauteil
42: Kabeldurchführung
43: Bremsenansteuerung
44: Ansatz
45: Aussparung
46: Einsatz
47: Aufnahme
48: Spule
49: Ankerscheibe
50: Motoreinheit
51: Umrichtereinheit
52: Anschlusskasteninnenraum
53: Öffnung
54: Verbindungsbereich
55: Öffnung
56: Handlüfthebel

Claims

Umrichtermotor, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten rohrförmigen Gehäuseteil ein Stator angeordnet ist und ein zweiter rohrförmiger Gehäuseteil den ersten rohrförmigen Gehäuseteil radial umgibt, wobei zwischen den Gehäuseteilen ein ringförmiger Strömungskanal für Kühlluft ausgebildet ist.
Umrichtermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rotorwelle ein Lüfterrad angeordnet ist, wobei der erste rohrförmige Gehäuseteil dicht abgeschlossen ist gegen die vom Lüfterrad bewegte Kühlluft.
Umrichtermotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste rohrförmige Gehäuseteil durch einen B-Lagerschild abgeschlossen wird und zwischen B-Lagerschild und Lüfterrad eine Haltebremse angeordnet ist.
Umrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass erster rohrförmiger Gehäuseteil und zweiter rohrförmiger Gehäuseteil durch radial verlaufende Stege verbunden sind.
Umrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die radial verlaufenden Stege axiale Bohrungen aufweisen, durch die jeweils eine Schraube gesteckt ist, wobei die Schraube den A-Lagerschild mit dem B-Lagerschild des Umrichtermotors verbindet, insbesondere wobei am A-Lagerschild ein Getriebeflansch ausgebildet ist.
Umrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich radial verlaufende Stege ersten rohrförmigen Gehäuseteil und zweiten rohrförmigen Gehäuseteil verbinden, die keine axialen Bohrungen zur Aufnahme einer Schraube aufweisen.
Umrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste rohrförmige Gehäuseteil konzentrisch im zweiten rohrförmigen Gehäuseteil angeordnet ist.
Umrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass erster rohrförmiger Gehäuseteil, zweiter rohrförmiger Gehäuseteil und die radial verlaufenden Stege aus einem Gussteil gefertigt sind, insbesondere einstückig ausgeformt sind.
Umrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass am zweiten rohrförmigen Gehäuseteil ein Anschlusskastenansatz für einen Motoranschlusskasten ausgebildet ist, wobei der Boden des Anschlusskastenansatzes durch einen Bereich des zweiten rohrförmigen Gehäuseteils gebildet wird.
Umrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite rohrförmige Gehäuseteil und der Anschlusskastenansatz aus einem Gussteil gefertigt sind.
Umrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Motoranschlusskasten elektronische Leistungsbauelemente für die Motoransteuerung enthält, wobei der Bereich des zweiten rohrförmigen Gehäuseteils eine plane Fläche aufweist, an welchem die elektronischen Leistungsbauelemente zur Entwärmung angelegt sind.
Umrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Leistungsbauelemente auf einer Leiterplatte angebracht sind und durch die Eigenspannung der Leiterplatte auf die plane Fläche gedrückt werden.
Umrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die plane Fläche im axialen Bereich des ringförmigen Strömungskanals angeordnet ist.
Umrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein radial verlaufender Steg eine Kabeldurchführung aufweist, durch die ein Motoranschlusskabel verlegt ist, das die Wicklungen des Motors mit der Leistungselektronik verbindet.
Umrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in dem radial verlaufenden Steg mit Kabeldurchführung ein Steckverbinder für das Motoranschlusskabel angeordnet ist.
Umrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem radial verlaufenden Steg mit Kabeldurchführung ein Zwischenkreiskondensator angeordnet ist.
Umrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite rohrförmige Gehäuseteil auf einer Seite axial durch eine Lüfterabdeckung abgeschlossen ist.
Umrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die radial verlaufenden Stege mit axialer Bohrung im axialen Bereich des Lüfters in axiale Rippen auslaufen, die an ihrem Ende eine Sackbohrung zur Aufnahme von Befestigungsschrauben für die Lüfterabdeckung aufweisen.
Umrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten rohrförmigen Gehäuseteil eine ringförmige Aufnahme ausgebildet ist, in die ein ringförmiger Einsatz des B-Lagerschilds eingesetzt ist, wobei eine umlaufende Kante der ringförmigen Aufnahme mit einer Anfasung versehen ist, durch die ein umlaufender Zwischenraum zwischen ringförmiger Aufnahme und ringförmigen Einsatz ausgespart wird, wobei in den umlaufenden Zwischenraum ein Gummiring eingelegt ist.
Umrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite rohrförmige Gehäuseteil einen in etwa quadratischen Querschnitt aufweist, wobei die radial verlaufenden Stege mit axialer Bohrung in den Ecken des quadratischen Querschnitts angeordnet sind und die radial verlaufenden Stege ohne axiale Bohrung in Umlaufsrichtung zwischen den radial verlaufende Stegen mit axialer Bohrung angeordnet sind.
Umrichtermotor nach einem der Ansprüche 1 bis 20 dadurch gekennzeichnet, dass ein Handlüfthebel der Haltebremse durch eine seitliche Öffnung des zweiten rohrförmigen Gehäuseteils geführt ist.
Verfahren zur Kühlung eines Umrichtermotors, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lüfterrad einen Luftstrom oder ein Kühlmittel durch einen Strömungskanal bewegt, wobei der Strömungskanal durch einen inneren Gehäuseteil und einen äußeren Gehäuseteil gebildet wird, die Leistungselektronik des Umrichtermotors Wärme an den äußeren Gehäuseteil abgibt, der innere Gehäuseteil die Motoreinheit des Umrichtermotors umschließt, die Motoreinheit Wärme an den inneren Gebäusteil abgibt und das Lüfterrad durch die Motoreinheit angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal den inneren Gehäuseteil ringförmig umgibt.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal in axialer Richtung verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Gehäuseteil mit dem inneren Gehäuseteil durch radial verlaufende Stege verbunden ist, wobei die Stege eine Wärmesperre zwischen äußerem Gehäuseteil und innerem Gehäuseteil bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom eine Haltebremse kühlt, wobei im generatorischen Betrieb eine Spule der Haltebremse mit einer höheren Stromstärke beaufschlagt wird als im motorischen Betrieb.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke im generatorischen Betrieb deutlich über der für das Halten der Haltebremse notwendigen Stromstärke liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass im generatorischen Betrieb der zusätzlich durch die Spule der Haltbremse fließende Strom aus dem Zwischenkreis der Motoransteuerung gespeist wird.