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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem mit einer elektrischen Antriebsmaschine und einem mit der Antriebsmaschine verbundenen Frequenzumrichter sowie einem die Antriebsmaschine und den Frequenzumrichter umfassenden Gehäuse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (
DE 103 45 891 A1 ).
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Aus
US 2008/0191564 A1 ist eine integrierte Motor- und Umrichteranordnung bekannt, bei der ein Lüfter zur Kühlung von Motor und Umrichter vorgesehen ist. Der Lüfter umfaßt ein Axiallüfterrad, das drehfest mit einer Rotorwelle des Motors verbunden und axial zwischen Motor und Umrichter angeordnet ist. Durch das Axiallüfterrad wird während eines Betriebs der integrierte Motor- und Umrichteranordnung ein Kühlluftstrom erzeugt, der sowohl Motor als Umrichter durchquert.
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In
US 2005/0104460 A1 ist eine elektrische Antriebsvorrichtung beschrieben, die einen Generator, einen Umrichter und eine Kühleinheit umfaßt. Dabei sind der Generator und der Umrichter in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Die Kühleinheit ist insbesondere zur Kühlung des Umrichters vorgesehen und umfaßt einen Gebläsemotor, der durch den Generator mit Wechselstrom versorgt wird.
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DE 10 2004 037 079 A1 offenbart einen elektrischen Antrieb bzw. einen Stromrichter, der ein Stromrichtergehäuse mit Kühlrippen aufweist. Dabei ist der Stromrichter zur axialen Anbringung an einer elektrischen Maschine vorgesehen. Das Stromrichtergehäuse weist zumindest eine axiale Stirnseite auf. Diese axiale Stirnseite weist stirnseitige Kühlrippen auf.
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In
DE 10 2004 031 399 A1 ist ein Umrichtermotor mit einem eigenbelüfteten Elektromotor und einem Frequenzumrichter beschrieben, bei dem ein B-seitiges Lagerschild topfförmig ausgebildet ist, in dem die Bauteile des Frequenzumrichters angeordnet sind. Auf diese Weise kann ein sehr kompakter Umrichtermotor realisiert werden.
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Aus
DE 298 07 831 U1 ist ein integriertes elektrisches Antriebssystem mit einem montageoptimiertem Motorelektrik-Aufbau bekannt, bei dem elektrischer Antrieb und Motorelektrik in ein gemeinsames Gehäuse integriert sind. Ein solcher Aufbau ist montagefreundlich und darüber hinaus kostengünstig. Der Motorelektrik-Aufbau ist in Sandwichbauweise durch frei zugänglich aufeinander montierte elektrische Baugruppen realisiert. Durch einen Kühlkörper wird eine Aufbauebene gebildet, wobei ein Lagerschild eines Lüfters als zentrales Befestigungselement dient.
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DE 297 00 643 U1 offenbart ein elektrischen Antriebssystem mit einer Fremdbelüftung zur Entwärmung mit geringer Lüfterleistung und reduziertem Bauvolumen, bei dem ein Lüftermotor in eine Antriebselektronik integriert wird. Der Lüftermotor treibt dabei ein externes Lüfterrad an. Optional ist ein internes Lüfterrad zur Luftverwirbelung innerhalb eines Gehäuses des elektrischen Antriebssystems vorgesehen.
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In
DE 87 09 364 U1 ist ein elektrisches Aggregat beschrieben, das eine elektrische Maschine und einen mit dieser elektrisch verbundenen Stromrichter umfaßt, der regelbare elektronische Schaltelemente aufweist. Sowohl die elektrische Maschine als auch der Stromrichter sind durch einen Kühlluftstrom beaufschlagbar. Zumindest die elektronischen Schaltelemente des Stromrichters sind in einem Steuergehäuse angeordnet, das auf einer Lüfterseite der elektrischen Maschine stirnseitig an ein Maschinengehäuse angebaut und von Kühlluft durchströmbaren ist. Zwischen dem Maschinengehäuse und dem Steuergehäuse ist ein mit einer Rotorwelle verbundener Doppellüfter vorgesehen. Durch den Doppellüfter können getrennte axialgerichtete Kohlluftströme für die Maschine und den Stromrichter erzeugt werden.
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Aus
DE 103 45 891 A1 ist elektrisches Antriebssystem mit einer generatorisch oder motorisch betreibbaren elektrischen Antriebsmaschine bekannt. Mit der Antriebsmaschine ist ein Frequenzumrichter verbunden. Darüber hinaus sind ein die Antriebsmaschine und den Frequenzumrichter umfassendes Gehäuse sowie zumindest ein Lüfterrad vorgesehen.
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In
DE 42 29 038 C2 ist ein Lüfter beschrieben, der mit einer magnetischen Induktionskupplung verbunden ist. Dabei nimmt das zwischen einem antreibenden ersten Kupplungsteil und einem mit dem Lüfter verbundenen zweiten Kupplungsteil übertragene Drehmoment mit steigendendem Schlupf zwischen ersten und zweiten Kupplungsteil zu. Somit ist die Betätigung der Induktionskupplung nicht von einem Betriebszustand der Antriebsmaschine bzw. eines Frequenzumrichters abhängig, sondern von einer Drehmomentbelastung des Lüfters. Darüber hinaus ist der Lüfter unterhalb einer bestimmten Drehzahl vom antreibenden Kupplungsteil abgekoppelt, beispielsweise während eines Schwachwindbetriebs einer Windkraftanlage.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Antriebssystem mit einer elektrischen Antriebsmaschine und einem Frequenzumrichter zu schaffen, das eine kompakte, einfach integrierbare und wirkungsgradoptimierte Kühleinheit für die Antriebsmaschine und den Frequenzumrichter aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektrisches Antriebssystem mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße elektrische Antriebssystem umfaßt eine generatorisch oder motorisch betreibbare elektrische Antriebsmaschine und einen mit der Antriebsmaschine verbundenen Frequenzumrichter. Außerdem ist ein die Antriebsmaschine und den Frequenzumrichter umfassendes Gehäuse vorgesehen, das ein- oder mehrteilig ausgestaltet sein kann. Darüber hinaus ist zumindest ein Lüfterrad vorgesehen, das beispielsweise axial zwischen Antriebsmaschine und Frequenzumrichter angeordnet sein kann. Das Lüfterrad ist mit einer Rotorwelle der Antriebsmaschine mittels einer Kupplung trennbar verbunden, deren Betätigung von einem Betriebszustand der Antriebsmaschine bzw. des Frequenzumrichters abhängig ausgestaltet ist. Zur verbesserten Abfuhr von Restwärme nach Motorstillstand kann die Kupplung beispielsweise eine Schwungmasse umfassen, beispielsweise an einem mit dem Lüfterrad dauerhaft drehfest verbundenes Kupplungselement. Mittels des Lüfterrades kann beispielsweise ein Radiallüfter gebildet sein. Erfindungsgemäß ist die Kupplung derart ausgestaltet, daß das Lüfterrad bei einer über einem vorgebbaren Schwellwert liegenden Rotordrehzahl von der Rotorwelle abgekuppelt ist.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung des ist die Betätigung der Kupplung temperatur- bzw. drehzahlabhängig. Hierzu kann die Kupplung beispielsweise eine Bimetall- oder Visco-Kupplungseinheit umfassen. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Kupplung eine inverse Fliehkraft-Kupplungseinheit umfassen.
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Vorteilhafterweise ist die Kupplung derart ausgestaltet, daß sich das Lüfterrad bei Stillstand der Rotorwelle oder bei einer unter einem vorgebbaren Schwellwert liegenden Rotordrehzahl eine vorgebbare Zeit weiterdreht. Hierzu kann die Kupplung beispielweise ein in Drehrichtung der Rotorwelle wirkendes Federelement umfassen oder reibschlüssig mit dem Lüfterrad verbunden sein. Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems umfaßt das Lüfterrad eine Schwungmasse.
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Darüber hinaus kann die Kupplung derart ausgestaltet sein, daß das Lüfterrad bei einer über einem vorgebbaren ersten Schwellwert liegenden Temperatur drehfest mit der Rotorwelle verbunden ist, und daß das Lüfterrad bei einer unter einem vorgebbaren zweiten Schwellwert liegenden Temperatur von der Rotorwelle abgekuppelt ist.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind ein erstes Lüfterrad und ein zweites Lüfterrad vorgesehen. Dabei ist das erste Lüfterrad mittels Kupplung trennbar mit der Rotorwelle verbunden, während das zweite Lüfterrad drehfest mit der Rotorwelle verbunden ist. Das zweite Lüfterrad weist entsprechend einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems hinsichtlich Flügelanzahl, Flügelsteigung bzw. Durchmesser eine andere Dimensionierung als das erste Lüfterrad auf. Darüber hinaus können das erste Lüfterrad und das zweite Lüfterrad beispielsweise jeweils an einer unterschiedlichen Stirnseite der Antriebsmaschine angeordnet sein. Alternativ dazu sind das erste Lüfterrad und das zweite Lüfterrad axial zwischen Antriebsmaschine und Frequenzumrichter angeordnet und unter Entfall der Kupplung drehfest mit der Rotorwelle verbunden.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
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1 eine Prinzipdarstellung einer ersten Variante eines integrierten elektrischen Antriebssystems,
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2 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Variante eines integrierten elektrischen Antriebssystems,
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3 eine Prinzipdarstellung einer dritten Variante eines integrierten elektrischen Antriebssystems.
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Die in 1 dargestellte erste Variante eines elektrischen Antriebssystems umfaßt eine generatorisch oder motorisch betreibbare elektrische Antriebsmaschine 101 und einen mit der Antriebsmaschine 101 verbundenen Frequenzumrichter 102. Die elektrische Antriebsmaschine 101 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Motor, der zusammen mit dem Frequenzumrichter 102 in einem gemeinsamen Gehäuse 100 angeordnet ist.
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Axial zwischen dem Motor 101 und dem Frequenzumrichter 102 ist ein Lüfterrad 103 abkuppelbar angeordnet. Hierzu ist eine das Lüfterrad 103 mit einer Rotorwelle 111 des Motors 101 trennbar verbindenden Kupplung 131 vorgesehen, deren Betätigung von einem Betriebszustand des Motors 101 bzw. des Frequenzumrichters 102 abhängig ausgestaltet ist. Die Betätigung der Kupplung 131 ist vorzugsweise temperatur- bzw. drehzahlabhängig.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist mittels des Lüfterrades 131 ein Radiallüfter realisiert, durch den jeweils stirnseitig am elektrischen Antriebssystem Kühlluft 104 angesaugt wird, die den Motor 101 bzw. den Frequenzumrichter 102 axial durchströmt und als Abluft 105 am Lüfterrad 131 radial aus dem Gehäuse 100 austritt.
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Zur verbesserten Abfuhr von Restwärme nach Motorstillstand ist die Kupplung 131 vorzugsweise derart ausgestaltet, daß sich das Lüfterrad 103 bei Stillstand der Rotorwelle 111 oder bei einer unter einem vorgebbaren Schwellwert liegenden Rotordrehzahl eine vorgebbare Zeit weiterdreht. Beispielsweise kann die Kupplung 131 ein in Drehrichtung der Rotorwelle 111 wirkendes Federelement umfassen oder reibschlüssig mit dem Lüfterrad 103 verbunden sein. Darüber kann das Lüfterrad 131 eine Schwungmasse umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann ein mit dem Lüfterrad 103 dauerhaft drehfest verbundenes Kupplungselement eine Schwungmasse umfassen.
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Die Kupplung 131 kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, daß das Lüfterrad 103 bei einer über einem vorgebbaren Schwellwert liegenden Rotordrehzahl von der Rotorwelle 111 abgekuppelt ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, daß die Kupplung 131 eine inverse Fliehkraft-Kupplungseinheit umfaßt. Bei einer normalen Fliehkraftkupplung wird ein Kraftschluss hergestellt, indem mit Kupplungsbelägen versehene bewegliche Klappen oder Schieber bei steigender Drehzahl durch Fliehkraft nach außen gezogen werden. Hierdurch wird ein Kontakt zu einer Innenwand eines Kupplungsgehäuses hergestellt. Dagegen wird ein solcher Kontakt bei einer inversen Fliehkraft-Kupplungseinheit unter Fliehkrafteinfluß bei steigender Drehzahl gelöst. Eine fliehkraftgesteuerte Kupplung kann auch auf Grundlage einer Scheiben- oder Lamellenkupplung realisiert werden, die über ein baulich getrenntes belagloses Fliehkraftpendel gesteuert wird
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Darüber hinaus kann die Kupplung 131 kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, daß das Lüfterrad 103 bei einer über einem vorgebbaren ersten Schwellwert liegenden Temperatur drehfest mit der Rotorwelle 111 verbunden ist. Außerdem ist das Lüfterrad 103 in diesem Fall bei einer unter einem vorgebbaren zweiten Schwellwert liegenden Temperatur von der Rotorwelle 111 abgekuppelt. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, daß die Kupplung 131 eine Bimetall- oder Visco-Kupplungseinheit umfaßt.
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Bei einer Visco-Kupplung wird eine Drehbewegung über eine kreisförmige Scheibe bzw. Lamelle an einer Eingangsseite an ein Fluid übertragen. Diese Fluid treibt wiederum eine weitere Lamelle an einer Ausgangsseite an. Auf diese Weise ist sowohl eine Drehmomentübertragung als auch ein Drehzahlausgleich möglich. Mit steigender Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangslamelle wird zunehmend mehr Drehmoment übertragen. Üblicherweise umfaßt eine Visco-Kupplung ein Gehäuse, dessen Innenseite einen Träger für Außenlamellen dient. Zwischen Außenlamellen und Innenlamellen ist ein Fluid vorgesehen. Die Innenlamellen sind an einem Innenlamellenträger angeordnet gehalten, der einen Bestandteil einer Antriebswelle bildet. Als Fluid wird vorzugsweise Silikonöl verwendet, das eine hohe Viskosität und eine relativ geringe Temperaturabhängigkeit aufweist.
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Die in 2 dargestellte zweite Variante eines elektrischen Antriebssystems umfaßt einen Motor 201 und einen mit dem Motor 201 verbundenen Frequenzumrichter 202, die in einem gemeinsamen Gehäuse 200 angeordnet sind. Axial zwischen dem Motor 201 und dem Frequenzumrichter 202 ist ein erstes Lüfterrad 231 abkuppelbar angeordnet. Hierzu ist eine das erste Lüfterrad 231 mit einer Rotorwelle 211 des Motors 201 trennbar verbindenden Kupplung 233 vorgesehen, deren Betätigung wie bei zuvor beschriebener erster Variante abhängig von einem Betriebszustand des Motors 201 erfolgt. Die Betätigung der Kupplung 233 ist wiederum vorzugsweise temperatur- bzw. drehzahlabhängig.
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Zusätzlich zum ersten Lüfterrad 231 ist entsprechend der in 2 dargestellten zweiten Variante ein zweites Lüfterrad 232 vorgesehen, das an einer dem ersten Lüfterrad 231 gegenüberliegenden Stirnseite des Motors 201 angeordnet und drehfest mit der Rotorwelle 211 verbunden ist. Somit sind das erste Lüfterrad 231 und das zweite Lüfterrad 232 an unterschiedlichen Stirnseiten des Motors 201 angeordnet. Mittels des ersten Lüfterrades 231 und des zweiten Lüfterrades 232 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Radiallüfter und ein Axiallüfter realisiert, durch die jeweils stirnseitig am elektrischen Antriebssystem Kühlluft 204 angesaugt wird, die den Motor 201 bzw. den Frequenzumrichter 202 axial durchströmt und als Abluft 205 am ersten Lüfterrad 231 radial aus dem Gehäuse 200 austritt.
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Die in 3 dargestellte dritte Variante eines elektrischen Antriebssystems umfaßt wie die erste und die zweite Variante einen Motor 301 und einen mit dem Motor 301 verbundenen Frequenzumrichter 302, die in einem gemeinsamen Gehäuse 300 angeordnet sind. Im Unterschied zur ersten und zweiten Variante sind entsprechend der dritten Variante axial zwischen dem Motor 301 und dem Frequenzumrichter 302 ein erstes Lüfterrad 331 und ein zweites Lüfterrad 332 angeordnet. Unter Entfall der entsprechend der ersten und der zweiten Variante vorgesehenen Kupplung sind beide Lüfterräder 331, 332 drehfest mit einer Rotorwelle 311 des Motors 301 verbunden. Dabei weist das zweite Lüfterrad 332 beispielsweise hinsichtlich Flügelanzahl, Flügelsteigung bzw. Durchmesser eine andere Dimensionierung als das erste Lüfterrad 331 auf.
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Mittels des ersten Lüfterrades 331 und des zweiten Lüfterrades 332 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Radiallüfter realisiert, durch die jeweils stirnseitig am elektrischen Antriebssystem Kühlluft 304 angesaugt wird, die den Motor 301 bzw. den Frequenzumrichter 302 axial durchströmt und als Abluft 305 an den beiden Lüfterrädern 331, 332 radial aus dem Gehäuse 300 austritt.
