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Die Erfindung betrifft eine Motoreinheit welche einen Motor, einen Wärmetauscher und einen Umrichter für den Motor umfasst.
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Zurzeit werden Niederspannungsmotoren hauptsächlich als rippengekühlte Maschinen ausgeführt. Derartige Maschinen sind im Netzbetrieb oder am Umrichter im Einsatz.
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Der Umrichter ist hierbei meist ein Schrankgerät, das stationär mehr oder weniger weit weg vor dem Motor positioniert ist. In vielen Fällen sind sehr lange Leitungen vom Umrichter zum Motor erforderlich. Diese Fälle sind wegen auftretender Reflektionen in den Kabeln mit sehr hohen Spannungsspitzen belastet. Derartige Spannungsspitzen können beispielsweise zu Problemen mit der Wicklungsisolierung und zu Problemen mit Lagerströmen führen.
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Ferner ist von Hochspannungsmotoren bekannt, dass ein Wärmetauscher seitlich an den Motor angebracht wird. Hierdurch kann eine verbesserte Kühlung des Motors erfolgen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine kompakte kostengünstige Motoreinheit bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, d. h. durch eine Motoreinheit, welche einen Motor, einen Wärmetauscher und einen Umrichter für den Motor umfasst, wobei der Wärmetauscher dazu ausgebildet ist, sowohl den Motor als auch den Umrichter zu kühlen.
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Dadurch, dass lediglich ein Wärmetauscher sowohl den Motor als auch den Umrichter kühlt, entfällt eine ansonsten benötigte separate Kühlung des Umrichters bzw. des Motors. Insbesondere der Umrichter, welcher vorzugsweise eine Control Unit und ein Power Modul umfasst, kann durch eine entsprechende Anordnung bzw. Integration in einen für den Motor vorgesehenen Wärmetauscher mit gekühlt werden.
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Der Motor, der Wärmetauscher und der Umrichter bilden folglich eine kompakte Motoreinheit, welche bereits bei ihrer Herstellung vollständig verdrahtet und parametriert werden können. Ein Vorteil der sich hierbei ergibt besteht darin, dass der Motor sowie der Wärmetauscher und der Umrichter vollständig nach der Fertigung getestet werden kann und nicht wie üblicher Weise erst beim Kunden verkabelt und getestet werden muss. Die von einem Fachmann durchzuführende Verkabelung des Umrichters mit dem Motor entfällt vollständig für den Endkunden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass dem Endkunden eine kompakte auf sich abgestimmte Motoreinheit angeboten werden kann und dem Endkunde hierdurch ein optimaler Betrieb sowie eine optimale Kühlung des Motors und des Umrichters gewährleistet werden kann.
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Durch die Integration des Umrichters an dem Motor ist ferner eine dezentrale Drehzahlregelung seitens des Kunden möglich.
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Durch eine derartige Motoreinheit kann einem Kunden eine optimal auf sich abgestimmte Motoreinheit angeboten werden und dem Kunden die aufwändige Verkabelungsarbeit für den Umrichter und den Motor abgenommen werden. Ferner kann ein Endanwender durch die kompakte Motoreinheit eine Platzersparnis erzielen, da er keinen separaten Raum für den Umrichter sowie dessen Kühlung vorsehen muss. Durch die parallele Kühlung des Motors sowie des Umrichters durch den Wärmetauscher kann eine äußerst kompakte Motoreinheit bereitgestellt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Motor und dem Umrichter der Wärmetauscher angeordnet und mit dem Motor und dem Umrichter verbunden.
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Durch die Anordnung des Wärmetauschers zwischen dem Motor und dem Umrichter kann eine optimale Kühlung des Motors sowie des Umrichters gewährleistet werden. Die Koppelung des Wärmetauschers mit dem Motor und dem Umrichter erfolgt hierbei vorzugsweise direkt, so dass ein möglichst guter Wärmeübergang zwischen dem Motor und dem Wärmetauscher sowie dem Umrichter und dem Wärmetauscher stattfinden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst das Gehäuse des Wärmetauschers den Umrichter.
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Folglich ist das Gehäuse des Wärmetauschers direkt mit dem Gehäuse des Motors verbunden. Durch die Integration des Umrichters in dem Gehäuse des Wärmetauschers kann insbesondere eine platzsparende Bauweise realisiert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst der Wärmetauscher eine erste Öffnung für eine Zufuhr eines Kühlmediums in das Innere des Wärmetauschers und eine zweite Öffnung für eine Abfuhr des Kühlmediums aus dem Inneren des Wärmetauschers.
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Das Kühlmedium kann hierbei gasförmig, flüssig oder sofern ein Phasenübergang erfolgt gasförmig/flüssig sein. Bei einem flüssigen Kühlmedium, z. B. einer Wasserkühlung erfolgt die Kühlung durch den Wärmetauscher vorzugsweise durch ein eingeschobenes Wasserregister. Ebenso ist es denkbar, dass der Wärmetauscher durch eine Durchzugsbelüftung in IP23 durch entsprechende Kühlaufsätze realisiert ist.
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Das Kühlmedium des Wärmetauschers wird über die erste Öffnung in den Innenraum des Wärmetauschers und über die zweite Öffnung aus dem Wärmetauscher geleitet. Das Kühlmedium wird folglich durch den Wärmetauscher geleitet, so dass eine Kühlung innerhalb des Wärmetauschers erfolgt. Hierbei wird vorzugsweise der gesamte Innenraum des Wärmetauschers gekühlt.
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Vorzugsweise bildet der Wärmetauscher für das Kühlmedium bis auf die erste und zweite Öffnung eine geschlossene Einheit, so dass lediglich über die erste und zweite Öffnung das Kühlmedium in die Motoreinheit eintreten bzw. austreten kann. Eine Öffnung kann hierbei beispielsweise durch eine Gitterstruktur des Gehäuses ausgebildet sein.
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Durch den Wärmetauscher kann eine optimale Kühlung der Motoreinheit gewährleistet werden. Vorzugsweise ist der Umrichter derart mit dem Wärmetauscher verbunden, so dass seitens des Umrichters wärmeverursachende Komponenten möglichst direkt an den Wärmetauscher anschließen. Ebenso sollte der Wärmetauscher mit den wärmekritischen Stellen des Motors in Kontakt treten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist das Kühlmedium gasförmig.
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Hierbei wird der Wärmetauscher vorzugsweise durch eine Luftkühlung realisiert. Vorzugsweise weist der Wärmetauscher einen Lüfter auf, so dass gezielt ein Luftstrom durch das Innere des Wärmetauschers erzeugt werden kann. Über den Lüfter kann zudem die Kühlleistung des Wärmetauschers geregelt werden. Eine gezielte Steuerung des Wärmetauschers hinsichtlich der vorliegenden Motorauslastung kann somit erfolgen. Ebenso kann gezielt auf den zu kühlenden Umrichter eingegangen werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind der Motor und der Wärmetauscher derart ausgebildet, dass Teile des Kühlmediums sowohl direkt durch den Innenraum des Wärmetauschers als auch über den Wärmetauscher teilweise durch den Innenraum des Motors geleitet werden.
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Ein Teil des Kühlmediums wird folglich direkt durch den Innenraum des Wärmetauschers zu der zweiten Öffnung geleitet, ein anderer Teil wird über den Innenraum des Wärmetauschers teilweise in den Innenraum des Gehäuses des Motors geleitet. Das Kühlmedium wird im Innenraum des Gehäuses des Motors vorzugsweise gezielt an die wärmeproduzierenden Stellen geleitet, so dass eine optimale Kühlung herbeigeführt werden kann.
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Dadurch, dass das Kühlmedium teilweise durch den Innenraum des Motors geleitet wird, kann das Befördern des Kühlmediums durch den Wellenlüfter des Motors erfolgen. Auf diese Weise bildet sich automatisch eine Strömung innerhalb des Wärmetauschers, wodurch ein separater Ventilator für den Wärmetauscher eingespart werden kann. Das Kühlmedium, welches somit in das Innere des Motors gelangt, kann somit eine optimale Kühlung des Motors gewährleisten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Umrichter derart ausgebildet und derart zum Wärmetauscher angeordnet, dass ein Teil eines Kühlmediums durch den Umrichter geleitet wird.
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Der Umrichter ist folglich entweder im Wärmetauscher direkt oder an dem Wärmetauscher derart angeordnet, dass ein Teil eines Kühlmediums durch den Umrichter geleitet wird. Der Umrichter ist hierbei vorzugsweise derart ausgebildet, dass ein Teil des Kühlmediums den Umrichter nahezu vollständig durchströmt. Damit der Umrichter von dem Kühlmedium durchströmt werden kann, weist er hierfür entsprechende Öffnungen auf.
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Eine äußerst kompakte Bauweise sowie eine äußerst effiziente Kühlung kann hierdurch erreicht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst der Wärmetauscher einen Luft-Wasser Wärmetauscher.
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Hierdurch kann eine äußerst effektive Kühlung der Motoreinheit erfolgen und somit eine äußerst kompakte Motoreinheit ausgebildet werden. Der Kühlkreislauf für den Luft-Wasser Wärmetauscher kann sowohl innerhalb der Motoreinheit als auch außerhalb der Motoreinheit erfolgen.
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Durch eine Kühlung der Motoreinheit mittels eines Luft-Wasser Wärmetauschers kann ferner ein geschlossenes Gehäuse des Wärmetauschers vorliegen und somit die Sicherheit der Motoreinheit erhöht werden. Es ist aber auch möglich, dass das Gehäuse, insbesondere das Gehäuse des Wärmetauschers, Öffnungen aufweist, so dass eine zusätzliche Kühlung mittels Luft erfolgen kann.
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Der Motor der Motoreinheit ist hierbei vorzugsweise ein Niederspannungsmotor. Durch die erfindungsgemäße Motoreinheit ist es möglich die Verdrahtung zwischen Motor und Umrichter bereits werksseitig durchzuführen und eine komplette Inbetriebsetzung des Systems im Werk durchzuführen. Dies erspart dem Kunden aufwendige eigene Inbetriebsetzungsaktivitäten, wodurch der Kunde wesentliche Zeit- und Kostenvorteile gewinnt.
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Dadurch, dass die Motoreinheit bereits im Werk getestet werden kann, sind weniger Qualitätsprobleme zu erwarten. Ferner kann der Klemmkasten eines Motors entfallen, da die Verdrahtung des Umrichters bereits im Kühler erfolgen kann.
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Im Folgenden werden die Erfindung und Ausführungen der Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform einer schematisch dargestellten Motoreinheit,
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2 eine zweite Ausführungsform einer schematisch dargestellten Motoreinheit,
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3 eine dritte Ausführungsform einer Motoreinheit, welche den Verlauf des Kühlmediums visualisiert,
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4 eine vierte Ausführungsform einer Motoreinheit, wobei der Wärmetauscher einen Lüfter aufweist, und
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5 eine fünfte Ausführungsform einer Motoreinheit, wobei der Wärmetauscher einen Luft-Wasser Wärmetauscher umfasst.
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Gleichbedeutende Komponenten wurden mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer schematisch darstellten Motoreinheit 5. Hierbei ist ersichtlich, dass der Wärmetauscher 2 zwischen dem Umrichter 3 und dem Motor 1 angeordnet ist. Der Motor 1 weist hierbei eine Motorwelle 4 auf. Dadurch, dass der Wärmetauscher 2 zwischen dem Umrichter 3 und dem Motor 1 angeordnet ist, kann mit Hilfe dieses Wärmetauschers 2 sowohl der Umrichter 3 als auch der Motor 1 gekühlt werden. Hierdurch kann eine äußerst kompakte Bauform der Motoreinheit 5 ermöglicht werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch eine werksseitige Fertigung der Motoreinheit 5 bereits die Verkabelung des Umrichters 3 mit dem Motor 1 erfolgen kann. Zudem kann bereits werksseitig eine komplette Inbetriebsetzung der Motoreinheit 5 durchgeführt werden. Qualitätsprobleme können folglich seitens des Kunden vermieden werden.
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Die Anordnung des Wärmetauschers 2 und des Umrichters 3 kann flexibel ausgestaltet sein, siehe beispielsweise 2. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer schematisch dargestellten Motoreinheit 5. Bei dieser Motoreinheit 5 ist der Wärmetauscher 2 sowie der Umrichter 3 seitlich an den Motor 1 angeordnet. Über einen Kanal 11 für ein Kühlmedium kann ebenso der Motor 1 mit dem Kühlmedium des Wärmetauschers 2 versorgt werden. Der Wärmetauscher 2 kann somit für eine Kühlung des Umrichters 3 sowie des Motors 1 sorgen. Durch eine seitliche Anordnung des Wärmetauschers 2 und des Umrichters 3 kann insbesondere auf spezielle Kundenwünsche, z. B. bei begrenzten Platzverhältnissen, eingegangen werden.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Motoreinheit 5, welche den Verlauf des Kühlmediums 12 visualisiert. Die Motoreinheit 5 umfasst hierbei einen Motor 1, den Wärmetauscher 2 sowie ein Gehäuse 13 des Wärmetauschers 2. Das Gehäuse 13 des Wärmetauschers 2 umfasst ferner den Umrichter 3. Das Gehäuse 13 des Wärmetauschers 2 ist direkt mit dem Motor 1 verbunden und wärmetechnisch gekoppelt. Der Motor 1 weist eine Motorwelle 4 sowie einen Rotor 14 auf. Das Gehäuse 13 des Wärmetauschers 2 umfasst eine erste Öffnung 7 und eine zweite Öffnung 8. Über die erste Öffnung 7 kann das Kühlmedium 12 in diesem Beispiel die Luft in den Innenraum 10 des Wärmetauschers 2 eintreten. Das Kühlmedium 12 strömt zum Einen durch den Innenraum 10 des Wärmetauschers 2 teilweise an der Außenseite des Umrichters 3 vorbei, bis es an der zweiten Öffnung 8 aus dem Gehäuse 13 des Wärmetauschers 2 austritt. Ferner kann das Kühlmedium 12 direkt durch den Innenraum 15 des Umrichters 3 strömen. Zudem kann das Kühlmedium 12 über eine weitere Öffnung zwischen dem Wärmetauscher 2 und dem Gehäuse des Motors 1 in den Innenraum 9 des Motors 1 eintreten. Das Kühlmedium 12 durchströmt den Bereich des Rotors 14 und kühlt folglich den Rotor 14 sowie die weiteren Komponenten des Motors 1. Durch eine weitere Öffnung zwischen dem Motor 1 und dem Gehäuse 13 des Wärmetauschers 2 tritt das erwärmte Kühlmedium 12 aus dem Innenraum 9 des Motors in den Innenraum 10 des Wärmetauschers 2. Das erhitzte Kühlmedium 12 kann nun über die zweite Öffnung 8 aus den Innenraum 10 des Wärmetauschers 2 austreten.
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Der Umrichter 3 kann mehrere Eingänge/Ausgänge für das Kühlmedium 12 aufweisen, so dass ein optimaler Wärmeaustausch durch das Kühlmedium 12 zwischen dem Umrichter 3 und dem Wärmetauscher 2 erfolgen kann.
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In 3 wird ein Teil des Kühlmediums 12 direkt durch den Innenraum 10 des Wärmetauschers 2 und ein anderer Teil des Kühlmediums 12 durch den Innenraum 15 des Umrichters 3 zu der zweiten Öffnung 8 geleitet. Die zweite Öffnung 8, welche eine gitterähnliche Struktur aufweist, erstreckt sich hierbei bist zu den Ausgängen des Kühlmediums 12 an der Stirnseite des Umrichters 3. Durch den Kühlkreislauf durch den Umrichter 3 und durch den Wärmetauscher 2 wird insbesondere der Umrichter 3 und der Wärmetauscher 2 an sich, sowie über den Wärmetauscher 2 der Umrichter 3 und der Motor 1 gekühlt. Ferner kann ein Teil des Kühlmediums in den Innenraum 9 des Motors 1 eintreten und eine unmittelbare Kühlung der Komponenten des Motors 1, wie z. B. der Stator oder der Rotor 14 herbeiführen. Durch eine derartige Ausgestaltung der Motoreinheit 5 kann folglich durch einen Wärmetauscher 2 sowohl der Motor 1 als auch der Umrichter 3 optimal gekühlt werden. Mit einer derart ausgebildeten Motoreinheit 5 kann ein optimales Kühlen des Umrichters 3, des Wärmetauschers 2 sowie des Motors 1 erfolgen. Hierbei muss lediglich dafür gesorgt werden, dass es zu einer Strömung des Kühlmediums 12 durch die Motoreinheit 5 kommt. Eine gezielte Steuerung der Strömung des Kühlmediums 12 kann beispielsweise durch einen Lüfter erfolgen.
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Ein Vorteil einer derartigen Ausbildung der Motoreinheit 5 besteht darin, dass der Wellenlüfter des Motors 1 für eine Strömung des Kühlmediums 12 innerhalb des Motors 1 sowie zwischen der ersten Öffnung 7 und der zweiten Öffnung 8 des Wärmetauschers 2 sorgt. Das Kühlmedium 12 wird folglich durch den Wärmetauscher 2 geleitet, so dass eine Kühlung des Umrichters 3 und des Motors 1 erfolgen kann. Ein weiterer Vorteil dieser Motoreinheit 5 besteht in der Integration des Umrichters 3 in das Gehäuse 13 des Wärmetauschers 2. Durch die Integration des Umrichters 3 in das Gehäuse 13 kann bereits werksseitig die Verkabelung zwischen dem Umrichter 3 und dem Motor 1 erfolgen. Eine optimale Abstimmung der beiden Komponenten zueinander kann erfolgen und zudem kann bereits werksseitig die ordnungsgemäße Funktion dieser Komponenten bzw. der Motoreinheit 5 getestet werden.
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4 zeigt eine vierte Ausführungsform einer Motoreinheit 5, wobei der Wärmetauscher 2 einen Lüfter 6 aufweist. Über diesen Lüfter 6 kann die Zirkulation des Kühlmediums 12 innerhalb des Wärmetauschers 2 und folglich im Innenraum 10 des Wärmetauschers 2 selbst, im Innenraum 15 des Umrichters 3 und im Innenraum 9 des Motors 1 gesteuert werden. Das Kühlmedium 12, welches in diesem Beispiel die Umgebungsluft ist, wird durch den Lüfter 6 von der Umgebungsluft in die erste Öffnung 7 angesaugt. Das Kühlmedium 12 tritt folglich in das Gehäuse 13 des Wärmetauschers 2 ein. Hierbei strömt ein Teil des Kühlmediums 12 zum einen unmittelbar durch den Innenraum 15 des Umrichters 3 zu der zweiten Öffnung 8, welche entsprechend der Kühlmediumausgänge des Umrichters 3 angeordnet sind. Ferner strömt ein Teil des Kühlmediums 12 in den Innenraum 10 des Wärmetauschers 2 und strömt hierbei teilweise unmittelbar zu der zweiten Öffnung 8 des Wärmetauschers 2 als auch teilweise über zwei sich zwischen dem Gehäuse 13 des Wärmetauschers 2 und dem Motor 1 befindlichen Öffnungen in den Innenraum 9 des Motors 1. Hierdurch kann eine Kühlung des Rotors 14 oder der Welle 4 als auch anderer Komponenten des Motors 1 erfolgen.
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Mit Hilfe des Lüfters 6 kann somit in Abhängigkeit der Auslastung des Motors 1 oder des Umrichters 3 eine optimale Kühlung der Motoreinheit 5 gewährleistet werden. Liegt eine Hohe Auslastung des Motors 1 und somit ein Wärmeanstieg innerhalb des Motors 1 vor, so kann durch ein Hochregeln des Lüfters 6 die Kühlung mittels des Kühlmediums 12 für den Motor 1 erhöht werden.
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Durch die Integration des Umrichters 3 in das Gehäuse 13 des Wärmetauschers 2 und dem unmittelbaren Verbinden des Gehäuses 13 des Wärmetauschers 2 mit dem Gehäuse des Motors 1 kann eine äußerst kompakte Motoreinheit 5 bereitgestellt werden. Ein üblicherweise notwendiger Installationsaufwand seitens des Endkunden kann durch eine derartige vorinstallierte und parametrierte Motoreinheit 5 für den Endkunden vermieden werden. Dies bildet eine enorme Erleichterung für den Endkunden.
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5 zeigt eine fünfte Ausführungsform einer Motoreinheit 5, wobei der Wärmetauscher 2 einen Luft-Wasser Wärmetauscher 16 umfasst. Der Luft-Wasser Wärmetauscher 16 ist hierbei innerhalb des Wärmetauschers 2 zwischen dem Motor 1 und dem Umrichter 3 angeordnet, so dass er diese direkt kühlen kann. Der Umrichter 3 ist innerhalb des Gehäuses 13 des Wärmetauschers 2 angeordnet. Der Luft-Wasser Wärmetauscher 16 weist eine erste Öffnung 17 für einen Zufluss eines flüssigen Kühlmediums, wie beispielsweise Wasser, auf. Fernern umfasst der Luft-Wasser Wärmetauscher 16 eine zweite Öffnung 18 für einen Abfluss des flüssigen Kühlmediums. Die Kühlung des flüssigen Kühlmediums des Luft-Wasser Wärmetauschers 16 kann hierbei sowohl außerhalb der Motoreinheit 5 als auch innerhalb der Motoreinheit 5, insbesondere innerhalb des Wärmetausches 2 erfolgen.
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Durch den Luft-Wasser Wärmetauscher 16 wird für eine äußerst effiziente Kühlung des Wärmetauschers 2 und insbesondere des angrenzenden Motors 1 und Umrichters 3 gesorgt, so dass eine äußerst kompakte Bauweise der Motoreinheit 5 ermöglicht wird. Bei der Kühlung des Umrichters 3 und des Motors 1 durch den Luft-Wasser Wärmetauscher 16 entstehen primär zwei Kühlkreisläufe, nämlich ein Kühlkreislauf, für den Innenraum 15 des Umrichters 3 und ein Kühlkreislauf für den Innenraum 9 des Motors 1. Die jeweiligen Kühlkreisläufe sind durch die Pfeile des Kühlmediums 12 visualisiert. Das Kühlmedium 12 ist hierbei die Luft. Ebenso ist aber auch denkbar, dass der jeweilige Kühlkreislauf des Motors 1 und des Umrichters 3 durch eine Wasserkühlung realisiert ist. Diese Wasserkühlung kann entweder direkt durch den vorhandenen Luft-Wasser-Wärmetauscher 16 ausgebildet sein oder mit diesem gekoppelt sein.
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Das Gehäuse 13 des Wärmetauschers 2 kann hierbei offen, d. h. luftdurchlässig, oder geschlossen, d. h. luftundurchlässig, ausgebildet sein. Sofern das Gehäuse 13 des Wärmetauchers 2 offen ausgebildet ist, kann zusätzlich eine Kühlung mittels Luft, wie beispielsweise in der Ausführungsform der 3 oder 4 gezeigt, erfolgen. Bei einem geschlossenen Gehäuse 13, kann hingegen die Sicherheit erhöht werden.
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Ein wesentlicher Vorteil der Verwendung des Luft-Wasser Wärmetauschers 16 besteht darin, dass er im Vergleich zu den Luft-Luft Wärmetauschern hohe Kühlleistungen bei sehr geringem Platzbedarf ermöglicht.
