DE112021004339T5

DE112021004339T5 - Elektrischer Motor und Verwendungsverfahren

Info

Publication number: DE112021004339T5
Application number: DE112021004339.0T
Authority: DE
Inventors: Ludovic Andre Chretien; Roger Carlos Becerra
Original assignee: Regal Beloit America Inc
Current assignee: Regal Beloit America Inc
Priority date: 2020-08-18
Filing date: 2021-08-17
Publication date: 2023-06-07
Also published as: CN115885135A; WO2022040178A1

Abstract

Eine Motorsteuerungsbaugruppe für einen Elektromotor. Die Motorsteuerungsbaugruppe ist so konfiguriert, dass sie mit dem Elektromotor gekoppelt werden kann, und umfasst ein drahtloses Kommunikationsmodul, einen Eingangsstromanschluss und ein Wechselrichtermodul. Das drahtlose Kommunikationsmodul ist so konfiguriert, dass es ein drahtloses Signal von einer Systemsteuerung empfängt. Der Eingangsstromanschluss ist so konfiguriert, dass er eine Gleichspannung von einem externen Stromversorgungsmodul empfängt. Das Wechselrichtermodul ist mit dem drahtlosen Kommunikationsmodul und dem Eingangsstromanschluss verbunden. Das Wechselrichtermodul ist so konfiguriert, dass es die Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt, um den Elektromotor entsprechend dem drahtlosen Signal zu betreiben.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung Nr. 15/408,199 , eingereicht am 17. Januar 2017, und die Priorität der US-CIP-Patentanmeldung Nr. 16/996,591 , eingereicht am 18. August 2020; beide mit dem Titel „ELECTRIC MOTOR AND METHOD OF USE“, deren Offenbarungen hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang einbezogen werden.
HINTERGRUND
Das Gebiet der Erfindung bezieht sich allgemein auf Elektromotoren und insbesondere auf einen Elektromotor mit einem modular aufgebauten Steuerungssystem und einem Verfahren zur Verwendung.
Elektromotoren werden in verschiedenen Heizungs-, Lüftungs- und Klimageräten (Öfen, Wärmepumpen und Klimaanlagen) eingesetzt. Ein Elektromotor treibt zum Beispiel einen Ventilator oder ein Gebläse an, um einen Luftstrom durch das Gerät zu erzeugen. Viele bekannte Elektromotoren enthalten eine Motorsteuerungsbaugruppe, die verschiedene elektronische Komponenten zur Aufbereitung der Energie für den Elektromotor, zur Steuerung des Elektromotors und zur Kommunikation zwischen dem Elektromotor und anderen Komponenten des Geräts enthält. Typische Motorsteuerungsbaugruppen sind im Verhältnis zum Elektromotor selbst sehr groß und verlängern die Motorbaugruppe manchmal um bis zu 50 %. Solche Motorsteuerungsbaugruppen können den vom Ventilator erzeugten Luftstrom behindern, was den Wirkungsgrad verringert und die Betriebs- und Wartungskosten des Elektromotors erhöht.
KURZBESCHREIBUNG
In einem Aspekt wird eine Motorsteuerungsbaugruppe für einen Elektromotor bereitgestellt. Die Motorsteuerungsbaugruppe ist so konfiguriert, dass sie mit dem Elektromotor gekoppelt werden kann, und umfasst ein drahtloses Kommunikationsmodul, einen Eingangsstromanschluss und ein Wechselrichtermodul. Das drahtlose Kommunikationsmodul ist so konfiguriert, dass es ein drahtloses Signal von einer Systemsteuerung empfängt. Der Eingangsstromanschluss ist so konfiguriert, dass er eine Gleichspannung von einem externen Stromversorgungsmodul empfängt. Das Wechselrichtermodul ist mit dem drahtlosen Kommunikationsmodul und dem Eingangsstromanschluss verbunden. Das Wechselrichtermodul ist so konfiguriert, dass es die Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt, um den Elektromotor entsprechend dem drahtlosen Signal zu betreiben.
Ein weiterer Aspekt ist die Bereitstellung eines HVAC-Gerätes. Das HVAC-Gerät umfasst ein Stromversorgungsmodul, einen Elektromotor und eine Motorsteuerungseinheit. Das Stromversorgungsmodul ist so konfiguriert, dass es eine Eingangswechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt. Der Elektromotor ist so konfiguriert, dass er einen Ventilator antreibt, um einen Luftstrom durch das HVAC-Gerät zu erzeugen. Die Motorsteuerungsbaugruppe ist mit dem Elektromotor gekoppelt. Die Motorsteuerungsbaugruppe umfasst ein drahtloses Kommunikationsmodul, einen Eingangsstromanschluss und ein Wechselrichtermodul. Das drahtlose Kommunikationsmodul ist so konfiguriert, dass es ein drahtloses Signal von einer Systemsteuerung empfängt. Der Eingangsstromanschluss ist so konfiguriert, dass er die Gleichspannung von dem Stromversorgungsmodul empfängt. Das Wechselrichtermodul ist mit dem drahtlosen Kommunikationsmodul und dem Eingangsstromanschluss verbunden. Das Wechselrichtermodul ist so konfiguriert, dass es die Gleichspannung in eine Motorwechselspannung umwandelt, um den Elektromotor entsprechend dem Funksignal zu betreiben.
In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors für ein HVAC-Gerät bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Umwandlung einer Eingangswechselspannung in eine Gleichspannung an einem Stromversorgungsmodul, das in Bezug auf den Elektromotor entfernt angeordnet ist. Das Verfahren umfasst die Übertragung der Gleichspannung durch einen Eingangsstromanschluss an ein Wechselrichtermodul. Der Eingangsstromanschluss und das Wechselrichtermodul sind am Elektromotor angeordnet. Das Verfahren umfasst die Umwandlung der Gleichspannung durch das Wechselrichtermodul in eine Motorwechselspannung. Das Verfahren umfasst den Betrieb des Elektromotors unter Verwendung der Motorwechselspannung.
Ein weiterer Aspekt ist die Bereitstellung einer Elektromotor-Steuerungsbaugruppe. Die Elektromotorsteuerungsbaugruppe ist so konfiguriert, dass sie mit einem Elektromotor gekoppelt werden kann. Die Elektromotor-Steuerungsbaugruppe umfasst einen Eingangsstromanschluss, der so konfiguriert ist, dass er eine Gleichspannung von einem Stromversorgungsmodul außerhalb der Elektromotor-Steuerungsbaugruppe empfängt, wobei das Stromversorgungsmodul eine Drossel für elektromagnetische Störungen (EMI), einen Gleichrichter und einen Kondensator umfasst. Die Elektromotorsteuerungsbaugruppe umfasst ferner ein Wechselrichtermodul, das mit dem Eingangsstromanschluss verbunden ist, wobei das Wechselrichtermodul so konfiguriert ist, dass es die Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt, um den Elektromotor entsprechend dem Steuersignal zu betreiben. Das Wechselrichtermodul ist so konfiguriert, dass es das Steuersignal von einer Systemsteuerung über den Eingangsstromanschluss und/oder ein drahtloses Kommunikationsmodul empfängt, das mit dem Wechselrichtermodul gekoppelt und für die drahtlose Kommunikation mit der Systemsteuerung konfiguriert ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Heizungs-, Lüftungs- und Klimagerät (HVAC) bereitgestellt. Das HVAC-Gerät umfasst ein Stromversorgungsmodul, das so konfiguriert ist, dass es eine Eingangswechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt, einen Elektromotor, der so konfiguriert ist, dass er ein Gebläse dreht, um einen Luftstrom durch das HVAC-Gerät zu erzeugen, und eine Motorsteuerungsbaugruppe, die mit dem Elektromotor verbunden ist. Die Motorsteuerungsbaugruppe umfasst einen Eingangsstromanschluss, der so konfiguriert ist, dass er die Gleichspannung von dem Stromversorgungsmodul empfängt. Die Motorsteuerungsbaugruppe umfasst ferner ein Wechselrichtermodul, das mit der Eingangsleistung verbunden ist. Das Wechselrichtermodul ist so konfiguriert, dass es die Gleichspannung in eine Motorwechselspannung umwandelt, um den Elektromotor entsprechend dem Steuersignal zu betreiben, und ist ferner so konfiguriert, dass es das Steuersignal von einer Systemsteuerung über den Eingangsleistungsanschluss und/oder ein drahtloses Kommunikationsmodul empfängt, das mit dem Wechselrichtermodul gekoppelt und für die drahtlose Kommunikation mit dem Wechselrichtermodul konfiguriert ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors für ein Heizungs-, Lüftungs- und Klimagerät (HVAC) bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Umwandlung einer Eingangswechselspannung (AC) in eine Gleichspannung (DC) an einem Stromversorgungsmodul, das in Bezug auf eine mit dem Elektromotor gekoppelte Elektromotorsteuerungsbaugruppe entfernt angeordnet ist, wobei das Stromversorgungsmodul eine Drossel für elektromagnetische Störungen (EMI), einen Gleichrichter und einen Kondensator umfasst. Das Verfahren umfasst ferner die Übertragung der Gleichspannung durch einen Eingangsstromanschluss zu einem Wechselrichtermodul innerhalb der Elektromotorsteuerungsbaugruppe, wobei der Eingangsstromanschluss und das Wechselrichtermodul am Elektromotor angeordnet sind. Das Verfahren umfasst ferner das Empfangen eines Steuersignals von einer Systemsteuerung durch das Wechselrichtermodul über den Eingangsstromanschluss und/oder ein drahtloses Kommunikationsmodul, das mit dem Wechselrichtermodul gekoppelt und für die drahtlose Kommunikation mit der Systemsteuerung konfiguriert ist. Das Verfahren umfasst ferner die Umwandlung der Gleichspannung durch das Wechselrichtermodul in eine Motorwechselspannung entsprechend dem Steuersignal. Das Verfahren umfasst ferner den Betrieb des Elektromotors unter Verwendung der Motorwechselspannung.
Figurenliste

1 ist eine Explosionszeichnung eines beispielhaften Elektromotors;
2 ist eine perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten bekannten Motorsteuerungseinheit;
3 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der in 1 und 2 gezeigten bekannten Motorsteuerungseinheit;
4 ist eine zusammengesetzte Ansicht der in 1-3 gezeigten bekannten Motorsteuerungseinheit, die mit dem in 1 gezeigten Motor gekoppelt ist;
5 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Motorsteuerungssystems zur Verwendung mit dem in 1-4 dargestellten Elektromotor;
6 ist eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Motorsteuerungsbaugruppe zur Verwendung in dem in 5 dargestellten Motorsteuerungssystem; und
7 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betrieb des in 5 dargestellten Elektromotors.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen wird auf eine Reihe von Begriffen Bezug genommen, die die folgende Bedeutung haben.
Einige Ausführungsformen beinhalten die Verwendung eines oder mehrerer elektronischer oder rechnergestützter Geräte. Zu solchen Geräten gehören typischerweise ein Prozessor, eine Verarbeitungsvorrichtung oder ein Controller, wie z. B. eine Mehrzweck-Zentraleinheit (CPU), eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU), ein Mikrocontroller, ein RISC-Prozessor (Reduced Instruction Set Computer), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine programmierbare Logikschaltung (PLC), ein FPGA (Field Programmable Gate Array), eine digitale Signalverarbeitungsvorrichtung (DSP) und/oder jede andere Schaltung oder Verarbeitungsvorrichtung, die in der Lage ist, die hier beschriebenen Funktionen auszuführen. Die hierin beschriebenen Verfahren können als ausführbare Anweisungen kodiert werden, die in einem computerlesbaren Medium verkörpert sind, einschließlich, ohne Einschränkung, einer Speichereinrichtung und/oder einer Speichereinrichtung. Solche Anweisungen bewirken, wenn sie von einer Verarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden, dass die Verarbeitungsvorrichtung zumindest einen Teil der hierin beschriebenen Verfahren durchführt. Die obigen Beispiele sind nur beispielhaft und sollen daher in keiner Weise die Definition und/oder Bedeutung der Begriffe Prozessor, Verarbeitungsgerät und Steuergerät einschränken.
In den hier beschriebenen Ausführungsformen kann der Speicher unter anderem ein computerlesbares Medium wie einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und ein computerlesbares nichtflüchtiges Medium wie einen Flash-Speicher umfassen. Alternativ können auch eine Diskette, eine Compact Disc - Read Only Memory (CD-ROM), eine magneto-optische Platte (MOD) und/oder eine Digital Versatile Disc (DVD) verwendet werden. In den hier beschriebenen Ausführungsformen können zusätzliche Eingangskanäle auch Computerperipheriegeräte sein, die mit einer Bedienerschnittstelle verbunden sind, wie z. B. eine Maus und eine Tastatur, sind aber nicht darauf beschränkt. Alternativ können auch andere Computer-Peripheriegeräte verwendet werden, z. B. ein Scanner, ohne darauf beschränkt zu sein. Darüber hinaus können in der beispielhaften Ausführungsform zusätzliche Ausgabekanäle einen Monitor für die Bedienerschnittstelle umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt.
Ausführungsformen der hier beschriebenen Elektromotoren und Elektromotorsteuerungen bieten ein modular aufgebautes Steuerungssystem für HVAC-Geräte. Genauer gesagt, trennt das modular aufgebaute Steuersystem das Steuersystem in zwei diskrete Gehäuse. Ein Gehäuse enthält ein Umrichtermodul und ein zweites Gehäuse enthält ein Stromversorgungsmodul, das als Front-End zum Elektromotor dient. Das Stromversorgungsmodul enthält in der Regel passive Komponenten mit relativ geringen Ausfallraten. Die passiven Komponenten wandeln und konditionieren Wechselstrom von einer Stromquelle in Gleichstrom, um den Elektromotor zu betreiben. In bestimmten Ausführungsformen kann das Stromversorgungsmodul darüber hinaus mit einem Systemcontroller und einem drahtlosen Kommunikationsmodul, z. B. einem für WiFi, Bluetooth oder ein anderes geeignetes drahtloses Kommunikationsprotokoll konfigurierten Funkgerät, zur Fernsteuerung des Elektromotors integriert werden. Das erste Gehäuse, in dem sich das Wechselrichtermodul befindet, enthält aktive Komponenten, wie z. B. Leistungsschalter, einen oder mehrere Prozessoren oder digitale Signalprozessoren (DSPs) und ein drahtloses Kommunikationsmodul. Die Komponenten des Wechselrichtermoduls fallen in der Regel häufiger aus als die Komponenten des Stromversorgungsmoduls. Die modulare Bauweise des Wechselrichtermoduls und des Stromversorgungsmoduls ermöglicht den separaten Austausch der Module. Das Umrichtermodul und sein Gehäuse befinden sich auf dem Elektromotor innerhalb einer Motorsteuerungsbaugruppe. Das Stromversorgungsmodul kann sich innerhalb des HVAC-Geräts befinden, jedoch entfernt vom Elektromotor selbst, so dass der Luftstrom durch die Motorsteuerungsbaugruppe weniger behindert wird. Darüber hinaus ermöglicht das drahtlose Kommunikationsmodul des Wechselrichtermoduls die Fernsteuerung des Wechselrichtermoduls und des Elektromotors über das drahtlose Kommunikationsmodul des Systemreglers und ermöglicht außerdem die Gleichstromverbindungen zwischen dem Stromversorgungsmodul, der Motorsteuerungsbaugruppe und dem Wechselrichtermodul.
1 ist eine Explosionsdarstellung eines beispielhaften Elektromotors 10. Der Motor 10 umfasst ein Steuersystem 11, eine stationäre Baugruppe 12 mit einem Stator oder Kern 14 und eine drehbare Baugruppe 16 mit einem Rotor 18 und einer Welle 20. In der beispielhaften Ausführungsform wird der Motor 10 als Lüfter- und/oder Gebläsemotor in einem System verwendet, das ein Fluid (z. B. Wasser, Luft usw.) bewegt. Beispielsweise kann der Elektromotor 10 in einem Reinraum-Filtersystem, einer Gebläsefiltereinheit, einem System mit variabler Luftmenge, einem Kühlsystem, einem Ofensystem, einer Klimaanlage und/oder einem Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungssystem (HVAC) für Wohn- oder Gewerbegebäude eingesetzt werden. Alternativ kann der Motor 10 auch in jeder anderen Anwendung eingesetzt werden, die es dem Motor 10 ermöglicht, wie hier beschrieben zu funktionieren. Der Motor 10 kann auch zum Antrieb anderer mechanischer Komponenten als eines Ventilators und/oder Gebläses verwendet werden, einschließlich Mischern, Getrieben, Förderanlagen und/oder Laufbändern. In der beispielhaften Ausführungsform ist das Steuersystem 11 in den Motor 10 integriert. Alternativ dazu kann der Motor 10 auch extern und/oder getrennt vom Steuersystem 11 sein.
Der Rotor 18 ist auf der Welle 20, die in konventionellen Lagern 22 drehbar gelagert ist, montiert und mit ihr verkeilt. Die Lager 22 sind in Lagerträgern 24 montiert, die mit einem ersten Endglied 26 und einem zweiten Endglied 28 fest verbunden sind. Die Endglieder 26 und 28 haben nach innen gerichtete Seiten 30 und 32, zwischen denen sich die stationäre Einheit 12 und die drehbare Einheit 16 befinden. Jedes Endelement 26 und 28 hat eine Außenseite 34 und 36, die seiner Innenseite 30 und 32 gegenüberliegt. Zusätzlich hat das zweite Endglied 28 eine Öffnung 38, durch die sich die Welle 20 durch die Außenseite 34 erstreckt.
Der Rotor 18 umfasst einen ferromagnetischen Kern 40 und ist innerhalb des Stators 14 drehbar. Segmente 42 aus Dauermagnetmaterial, die jeweils ein relativ konstantes Flussfeld erzeugen, sind z. B. durch Kleben am Rotorkern 40 befestigt. Die Segmente 42 sind so magnetisiert, dass sie in Bezug auf den Rotorkern 40 radial polarisiert sind, wobei benachbarte Segmente 42 wie angegeben abwechselnd polarisiert sind. Während Magnete auf dem Rotor 18 für die Zwecke der Offenlegung dargestellt sind, ist es in Betracht gezogen, dass andere Rotoren mit unterschiedlichen Konstruktionen und andere Magnete in beiden unterschiedlichen Anzahl, Konstruktion und Flussfelder können mit solchen anderen Rotoren im Rahmen der Erfindung verwendet werden.
Die stationäre Baugruppe 12 umfasst eine Vielzahl von Wicklungsstufen 44, die elektrisch erregt werden können, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen. Die Stufen 44 sind Drahtspulen, die um die Zähne 46 des laminierten Statorkerns 14 gewickelt sind. Die Wicklungsanschlüsse 48 werden durch eine Öffnung 50 im ersten Endglied 26 herausgeführt und enden in einem Motorstecker 52. Während stationäre Baugruppe 12 ist für die Zwecke der Offenlegung dargestellt, ist es in Betracht gezogen, dass andere stationäre Baugruppen von verschiedenen anderen Konstruktionen mit unterschiedlichen Formen und mit unterschiedlicher Anzahl von Zähnen können im Rahmen der Erfindung verwendet werden.
Der Motor 10 umfasst außerdem ein Elektronikgehäuse 54, das am hinteren Teil des Motors 10 befestigt wird und das Steuersystem 11 aufnimmt. Das Elektronikgehäuse 54 und das Steuersystem 11 werden manchmal gemeinsam als Motorsteuerungsbaugruppe 55 bezeichnet. Das Elektronikgehäuse 54 umfasst eine Bodenwand 56 und eine im Wesentlichen ringförmige Seitenwand 57. Das Steuersystem 11 umfasst eine Vielzahl elektronischer Komponenten 58 und einen im Elektronikgehäuse 54 montierten Stecker 59. Das Steuersystem 11 ist über den Motoranschluss 52 mit den Wicklungsstufen 44 verbunden. Das Steuersystem 11 legt an eine oder mehrere der Wicklungsstufen 44 zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Spannung an, um die Wicklungsstufen 44 in einer vorgewählten Reihenfolge umzuschalten und die drehbare Baugruppe 16 um eine Drehachse zu drehen. In einer alternativen Ausführungsform ist das Steuersystem 11 entfernt vom Motor 10 angeordnet und mit diesem kommunikativ verbunden. In einer anderen alternativen Ausführungsform ist das Steuersystem 11 ein zentrales Steuersystem für mehr als einen Elektromotor (z. B. in einem HVAC-System) und kommunikativ mit dem Motor 10 verbunden.
Ein Gehäuse 72 ist zwischen dem ersten Endglied 26 und dem zweiten Endglied 28 angeordnet, um das Umschließen und den Schutz der stationären Einheit 12 und der drehbaren Einheit 16 zu erleichtern.
2 ist eine perspektivische Ansicht der Motorsteuerungsbaugruppe 55. 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer bekannten Motorsteuerungsbaugruppe 55. 4 ist eine montierte Ansicht der bekannten Motorsteuerungsbaugruppe 55, die mit dem Motor 10 gekoppelt ist. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Motorsteuerungsbaugruppe 55 das Elektronikgehäuse 54, in dem das Steuersystem 11 untergebracht ist. Das Steuersystem 11 umfasst ein Stromversorgungsmodul 200 und ein Wechselrichtermodul 210, das physisch vom Stromversorgungsmodul 200 getrennt ist, aber mit diesem in elektrischer Verbindung steht.
Das Stromversorgungsmodul 200 umfasst einen Eingangsanschluss 201, eine Vielzahl elektrischer Bauteile 202 und einen Ausgangsanschluss 203, der auf einer Bauteilplatine, z. B. einer Leiterplatte (PCB) 204, montiert ist. Das Stromversorgungsmodul 200 integriert große durchkontaktierte elektrische Komponenten und Stromanschlüsse des Steuersystems 11. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Leiterplatte 204 mit einer Innenfläche der Bodenwand 56 des Elektronikgehäuses 54 verbunden. Der Eingangsanschluss 201 umfasst Stromeingangsleitungsanschlüsse 205 zur Verbindung mit einer Stromquelle. Der Eingangsverbinder 201 ist über eine Öffnung in der Seitenwand 57 des Elektronikgehäuses 54 mit der Stromquelle verbunden und erhält von dieser die Eingangsleistung. Bei einigen bekannten Motorsteuerungsbaugruppen erfolgt die Stromversorgung über eine Systemsteuerung, z. B. eine HVAC-Systemsteuerung.
Die elektrischen Komponenten 202 des Stromversorgungsmoduls 200, darunter beispielsweise Thermistoren, Drosseln für elektromagnetische Störungen (EMI), Elektrolytkondensatoren und Gleichrichter, sind so konfiguriert, dass sie die von der Stromquelle empfangene Eingangsspannung in eine gewünschte Gleichspannung umwandeln. Das Layout der elektrischen Komponenten 202 ist typischerweise eine Herausforderung in Bezug auf die EMI-Leistung. Über den Ausgangsanschluss 203 gibt das Stromversorgungsmodul 200 die umgewandelte Gleichspannung an das Wechselrichtermodul 210 aus. Der Ausgangsanschluss 203 umfasst zwei Hochspannungsdrähte 208, die die umgewandelte Gleichspannung an das Wechselrichtermodul 210 liefern.
Das Wechselrichtermodul 210 umfasst elektrische Komponenten und einen Eingangs-/Ausgangsanschluss, der so konfiguriert ist, dass er einen Anschluss 211 aufnehmen kann. Das Wechselrichtermodul 210 umfasst außerdem ein Wärmeübertragungspaket 212, das ein isoliertes Metallsubstrat 213 enthält, das mit einem Metallkühlkörper 214 verbunden ist, der in der Seitenwand 57 des Elektronikgehäuses 54 ausgebildet ist. Das Wärmeübertragungspaket 212 beinhaltet eine Minimierung der externen Verbindungen. Zu den Verbindungen mit der äußeren Umgebung gehören auch die Stromanschlüsse. Diese Stromverbindungen umfassen den Gleichstrom vom Stromversorgungsmodul 200 und den dreiphasigen Wechselstrom zum Motor 10. Um die gewünschte Minimierung der Verbindungen zu erreichen, werden die Signalverbindungen über eine drahtlose Verbindung mit der Systemsteuerung hergestellt.
Das Wechselrichtermodul 210 umfasst Leistungshalbleiter, die auf einem Kühlkörper 214 montiert sind, und andere Komponenten erzeugen Wärme, wenn sie Strom zu den Motorwicklungen schalten. Der Eingangs-/Ausgangsanschluss 211 ist mit den Hochspannungsleitungen 208 verbunden, um die umgewandelte Gleichspannung vom Stromversorgungsmodul 200 zu empfangen. Das Wechselrichtermodul 210 wandelt die Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung zum Antrieb des Elektromotors 10 auf der Grundlage von Anweisungen um, die es von einem externen Gerät, z. B. einer HVAC-Systemsteuerung, erhält. Der Eingangs-/Ausgangsanschluss 211 gibt die dreiphasige Wechselspannung über die Ausgangsstromleitungen 215 an die Wicklungsstufen 44 des Motors 10 ab.
In alternativen Ausführungsformen können Leistungshalbleiter-Schaltvorrichtungen beispielsweise und ohne Einschränkung in einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), einem Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), einem Bipolartransistor (BJT), einem Thyristor mit abgeschaltetem Gate (GTO), einem integrierten Thyristor mit kommutiertem Gate (IGCT), einem gesteuerten Metalloxid-Halbleiter-Transistor (MOS) oder einem anderen geeigneten Thyristor oder einer anderen geeigneten Schaltvorrichtung realisiert werden. Darüber hinaus können die oben beschriebenen Halbleiterbauelemente mit jedem geeigneten Material realisiert werden, z. B. und ohne Einschränkung mit Silizium (Si) und Materialien mit großer Bandlücke wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN).
5 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Motorsteuerungssystems 500, das so konfiguriert ist, dass es Eingangsleistung von einer Wechselstromquelle 502 erhält. Das Motorsteuerungssystem 500 umfasst ein Stromversorgungsmodul 200 und ein Wechselrichtermodul 210. Das Stromversorgungsmodul 200 und das Wechselrichtermodul 210 sind modular aufgebaut und ermöglichen die Platzierung des Stromversorgungsmoduls 200 außerhalb der Motorsteuerungsbaugruppe 55 und entfernt vom Wechselrichtermodul 210. Das Motorsteuerungssystem 500 umfasst eine Systemsteuerung 512. Die Systemsteuerung 512 kommuniziert drahtlos mit dem Elektromotor 10 oder einem anderen geeigneten Gerät, das für drahtlose Kommunikation konfiguriert ist, über ein drahtloses Kommunikationsmodul 514, das mit der Systemsteuerung 512 verbunden ist. In bestimmten Ausführungsformen ist das drahtlose Kommunikationsmodul 514 in das Stromversorgungsmodul 200 integriert. Das drahtlose Kommunikationsmodul 514 kommuniziert mit dem Wechselrichtermodul 210 über einen drahtlosen Kommunikationskanal 516 durch ein drahtloses Kommunikationsmodul 518. Zum Beispiel überträgt die Systemsteuerung 512 ein Motorbefehlssignal an das Umrichtermodul 210. Genauer gesagt überträgt die Systemsteuerung 220 ein Motorbefehlssignal über das drahtlose Kommunikationsmodul 514. Das drahtlose Kommunikationsmodul 518 des Wechselrichtermoduls 210 empfängt das Motorbefehlssignal und überträgt den Befehl an den DSP 522, der die Leistungsschalter 520 betätigt, um den Motor 10 entsprechend dem Motorbefehlssignal anzutreiben. In bestimmten Ausführungsformen ist das drahtlose Kommunikationsmodul 518 außerdem so konfiguriert, dass es Sensordaten oder andere Daten in Bezug auf den Betrieb des Antriebsmotors 10 empfängt.
In einer Ausführungsform wird der Motor 10 in einer HVAC-Anwendung für den Wohnbereich eingesetzt, z. B. in einer Klimaanlage, einer Wärmepumpe und/oder einem Ofen. Der Systemregler 512 ist ein OEM-Systemregler mit einem Thermostat. Das drahtlose Kommunikationsmodul 514 ermöglicht die Kommunikation zwischen dem OEM-Systemsteuergerät und dem Thermostat sowie dem drahtlosen Kommunikationsmodul 518 des Wechselrichtermoduls 210. Der Benutzer wählt am OEM-Systemsteuergerät eine Betriebsart aus (d. h. Heizen, Kühlen oder Dauerlüften). Der Thermostat misst die Temperatur und übermittelt sie an den OEM-Systemregler. Basierend auf der gewählten Betriebsart und der gemessenen Temperatur überträgt der OEM-Systemcontroller ein Motorbefehlssignal an den Motor 10.
In einer anderen Ausführungsform ist die Systemsteuerung 512 ein externes Programmiergerät, das ein drahtloses Kommunikationsmodul 514 enthält. Das externe Programmiergerät ist ein mobiles Computergerät, wie z. B. ein Smartphone, ein Tablet oder ein Laptop, und ermöglicht es einem Benutzer, wie z. B. einem OEM oder einem Techniker, den Motor 10 zu konfigurieren, zu programmieren, Diagnoseinformationen zu sammeln und/oder eine Inbetriebnahme vor Ort durchzuführen. Das drahtlose Kommunikationsmodul 514 ermöglicht die Kommunikation zwischen dem externen Programmiergerät und dem drahtlosen Kommunikationsmodul 518 des Wechselrichtermoduls 210. Das externe Programmiergerät überträgt Motorbefehlssignale an den Motor 10. Genauer gesagt, überträgt das externe Programmiergerät in der beispielhaften Ausführungsform ein Motorbefehlssignal über das drahtlose Kommunikationsmodul 514. Das drahtlose Kommunikationsmodul 518 des Wechselrichtermoduls 210 empfängt das Motorbefehlssignal und betätigt die Leistungsschalter 520, um den Motor 10 entsprechend dem Motorbefehlssignal anzutreiben.
In einigen Ausführungsformen ist das Wechselrichtermodul 210 so konfiguriert, dass es mit der Systemsteuerung 512 oder anderen Geräten über eine drahtgebundene Verbindung kommuniziert. In einigen Ausführungsformen ist das Wechselrichtermodul 210 zum Beispiel für eine Ein-Draht-Kommunikation mit der Systemsteuerung 512 konfiguriert. In einer solchen Konfiguration ermöglicht ein einzelner Draht, der zwischen dem Wechselrichtermodul 210 und der Systemsteuerung 512 angeschlossen ist, in Kombination mit einer Gleichstrommasse des Wechselrichtermoduls 210, dass das Wechselrichtermodul 210 beispielsweise ein Steuersignal von der Systemsteuerung 512 empfängt. In einigen Ausführungsformen ist das Wechselrichtermodul 210 so konfiguriert, dass es mit der Systemsteuerung 512 über Gleichstromleitungen kommuniziert, die das Wechselrichtermodul 210 am Anschluss 524 mit Strom versorgen, wobei beispielsweise Hochfrequenz-Kommunikationssignale verwendet werden. In einigen dieser Ausführungsformen ist das Wechselrichtermodul 210 beispielsweise so konfiguriert, dass es ein Steuersignal von der Systemsteuerung 512 über den Anschluss 524 empfängt. In einigen Ausführungsformen ist das Wechselrichtermodul 210 so konfiguriert, dass es mit zusätzlichen Geräten, wie z. B. anderen Motorsteuerungssystemen, kommunizieren kann. Beispielsweise kann ein HVAC-System mehrere Motorsteuerungssysteme 500 umfassen, die so konfiguriert sind, dass sie untereinander kommunizieren.
In der beispielhaften Ausführungsform ist das Stromversorgungsmodul 200 so konfiguriert, dass es über den Anschluss 201 Wechselstrom von der Stromquelle 502 erhält. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Stromquelle 502 ein Wechselstromversorger, der eine einphasige Wechselstrom-Eingangsspannung von 120V/240V/277V bei 50/60 Hz liefert.
In der beispielhaften Ausführungsform umfasst das Stromversorgungsmodul 200 elektrische Komponenten 202, darunter beispielsweise einen Einschaltstrombegrenzer 504 für den Einschaltstromschutz, eine EMI-Drossel 506 zur Verringerung der EMI, einen Gleichrichter 508 zur Umwandlung von Wechselspannung aus der Stromquelle 502 in Gleichspannung und mindestens einen Kondensator 510 zur Minimierung von Spannungstransienten, die während des Leistungsschalterbetriebs auftreten. Die resultierende Gleichspannung wird dem Wechselrichtermodul 210 über einen Anschluss 524 zugeführt. Das Stromversorgungsmodul 200 enthält in der Regel passive Komponenten mit geringer Ausfallrate.
In einigen Ausführungsformen ist das Stromversorgungsmodul 200 so konfiguriert, dass es das Wechselrichtermodul 210 mit mehreren verschiedenen Spannungen mit Strom versorgt. In einigen Ausführungsformen ist das Stromversorgungsmodul 200 beispielsweise so konfiguriert, dass es eine hohe Gleichspannung für die Versorgung der Phasen des Motors 10 und eine niedrige Gleichspannung für die Versorgung der Steuerelektronik des Wechselrichtermoduls 210, wie das drahtlose Kommunikationsmodul 218 und einen digitalen Signalprozessor (DSP) 522, liefert. In einigen dieser Ausführungsformen umfasst das Stromversorgungsmodul eine Niederspannungsversorgung, die die niedrige Gleichspannung bereitstellt. Alternativ kann in einigen Ausführungsformen die Niederspannungsversorgung im Wechselrichtermodul 210 oder als separate Komponente implementiert sein. Bei der Niederspannungsversorgung kann es sich beispielsweise um eine Batterie oder ein photovoltaisches Zellenfeld handeln. In solchen Ausführungsformen kann die Niederspannungsversorgung innerhalb oder außerhalb der Motorsteuerungsbaugruppe 55 angeordnet sein.
Das Wechselrichtermodul 210 ist in der Motorsteuerungsbaugruppe 55 des Elektromotors 10 angeordnet. Das Umrichtermodul 210 umfasst ein drahtloses Kommunikationsmodul 518, Leistungsschalter 520 und einen DSP 522. Das Umrichtermodul 210 erhält Gleichspannung vom Stromversorgungsmodul 200 über den Anschluss 524. Die Leistungsschalter 520 schalten die Gleichspannung zu den Motorphasen und wandeln die Gleichspannung in Wechselspannung um. Zu den Leistungsschaltern gehören z. B. IGBTs oder andere geeignete Halbleiterschalter zum Schalten von Gleichstrom. Der DSP 522 ist ein Mikrocontroller oder ein anderer geeigneter Prozessor zur Ausführung eines Steueralgorithmus für den Betrieb der Leistungsschalter 520. Das Wechselrichtermodul 210 enthält im Allgemeinen aktive Komponenten, die im Vergleich zu den Komponenten des Stromversorgungsmoduls 200 eine höhere Ausfallrate aufweisen.
In einigen Ausführungsformen ist das Wechselrichtermodul 210 so konfiguriert, dass es den Motor 10 in einer dreiphasigen Konfiguration mit Wechselstrom versorgt. Alternativ kann das Wechselrichtermodul 210 den Motor 10 in einer vierphasigen Konfiguration oder einer anderen Konfiguration mit einer beliebigen Anzahl von Phasen mit Wechselstrom versorgen. In einigen Ausführungsformen ist das Wechselrichtermodul 210 als zweiphasiger Wechselrichter konfiguriert, mit Leistungsschaltern 520, die als H-Brücken angeordnet sind.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Umrichtermodul 210 auch eine Vielzahl von Sensoren, die Daten an den DSP 522 liefern. Die Sensoren sind so konfiguriert, dass sie verschiedene Betriebsparameter messen, die mit dem Betrieb des Motors 10 verbunden sind, einschließlich Spannungsmessungen, Strommessungen, Temperaturmessungen, Vibrationsmessungen, Geräuschmessungen und/oder andere bekannte Messungen, die mit dem Betrieb eines Elektromotors oder der Betriebsumgebung verbunden sind. Solche Sensordaten oder beliebige andere Daten können über ein drahtloses Signal zwischen den drahtlosen Kommunikationsmodulen 514 und 518 übertragen werden.
In einigen Ausführungsformen ist das Wechselrichtermodul 210 so konfiguriert, dass es Sensordaten, Diagnosedaten oder andere Daten speichert oder erfasst. In solchen Ausführungsformen können solche Daten vom Wechselrichtermodul 210 über die drahtlosen Kommunikationsmodule 514 und 518 oder über eine andere drahtlose oder drahtgebundene Kommunikationsverbindung abgerufen werden, wie sie hier beschrieben sind.
Die drahtlosen Kommunikationsmodule 514 und 518 umfassen ein drahtloses Kommunikationsgerät, das mit einem oder mehreren entfernten Geräten, wie z. B. externen Geräten, kommuniziert. In der beispielhaften Ausführungsform wandelt das drahtlose Kommunikationsmodul 518 ein empfangenes drahtloses Signal in ein Steuersignal um, das der DSP 522 zur Steuerung des Betriebs des Elektromotors 10 verwendet. Drahtlose Signale können unter anderem Bluetooth, Bluetooth Low Energy, Nahfeldkommunikation (NFC), Infrarot und/oder andere bekannte Arten von drahtlosen Signalen umfassen. Die Verwendung drahtloser Kommunikation zur Kommunikation mit externen Geräten ermöglicht den Verzicht auf festverdrahtete Kommunikationsverbindungen. Solche festverdrahteten Anschlüsse tragen zur Größe der Motorsteuerungsbaugruppe 55 bei, und ihre Beseitigung ermöglicht eine Verringerung der Größe der Motorsteuerungsbaugruppe 55. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der DSP 522 mindestens eine Speichervorrichtung und einen Prozessor, der mit der Speichervorrichtung kommunikativ verbunden ist, um Anweisungen auszuführen. In einigen Ausführungsformen werden ausführbare Befehle in der Speichervorrichtung gespeichert. In der beispielhaften Ausführungsform führt der DSP 522 eine oder mehrere hierin beschriebene Operationen aus, indem er den Prozessor programmiert. Beispielsweise kann der Prozessor programmiert werden, indem eine Operation als eine oder mehrere ausführbare Anweisungen kodiert und die ausführbaren Anweisungen in der Speichereinrichtung bereitgestellt werden.
Der DSP 522 kann eine oder mehrere Verarbeitungseinheiten enthalten (z. B. in einer Multicore-Konfiguration). Darüber hinaus kann der DSP 522 mit einem oder mehreren heterogenen Prozessorsystemen implementiert werden, bei denen ein Hauptprozessor mit sekundären Prozessoren auf einem einzigen Chip vorhanden ist. Ein weiteres anschauliches Beispiel: DSP 522 kann ein symmetrisches Multiprozessorsystem sein, das mehrere Prozessoren desselben Typs enthält. Darüber hinaus kann DSP 522 mit jeder geeigneten programmierbaren Schaltung implementiert werden, einschließlich eines oder mehrerer Systeme und Mikrocontroller, Mikroprozessoren, RISC-Schaltungen (Reduced Instruction Set Circuits), anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (ASIC), programmierbarer Logikschaltungen, FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) und jeder anderen Schaltung, die die hier beschriebenen Funktionen ausführen kann.
In einigen Ausführungsformen ist das Umrichtermodul 210 so konfiguriert, dass es eine oder mehrere eingebettete Softwarefunktionen ausführt, z. B. mithilfe des DSP 522. In einigen Ausführungsformen nutzt das Umrichtermodul 210 beispielsweise Software, um den Motor 10 auf der Grundlage normalisierter (z. B. 0-100 %) Drehzahl-, Drehmoment- oder Luftstrombefehle zu betreiben. Dementsprechend ist das Umrichtermodul 210 in der Lage, mehrere unterschiedliche Leistungsstufen für den Betrieb des Motors 10 zu berücksichtigen und gleichzeitig eine einheitliche Benutzererfahrung zu bieten, z. B. am Systemcontroller 512. Darüber hinaus ermöglichen solche Softwarefunktionen dem Umrichtermodul 210 die Kommunikation mit Systemsteuerungen 512 verschiedener OEMs.
6 ist eine perspektivische Darstellung der in 5 gezeigten Motorsteuerungsbaugruppe 55. Die Motorsteuerungsbaugruppe 55 ist mit dem ersten Endglied 26 verbunden, das wiederum mit dem in 1 dargestellten Gehäuse 72 verbunden ist. Die Motorsteuerungsbaugruppe 55 beherbergt das Wechselrichtermodul 210, einschließlich des drahtlosen Kommunikationsmoduls 518, der Leistungsschalter 520, des DSP 522 und des Eingangsstromanschlusses 524. Das Stromversorgungsmodul 200 befindet sich außerhalb der Motorsteuerungsbaugruppe 55 und ist in Bezug auf den Elektromotor 10 weit entfernt angeordnet.
7 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 700 zum Betrieb eines Elektromotors 10 für ein HVAC-Gerät. Das Verfahren 700 beginnt mit einem Startschritt 710. In einem Gleichrichtungsschritt 720 wird eine Eingangswechselspannung am Stromversorgungsmodul 200 empfangen und in eine Gleichspannung umgewandelt. Das Stromversorgungsmodul 200 befindet sich in Bezug auf den Elektromotor 10 an einem entfernten Ort. Genauer gesagt ist das Stromversorgungsmodul 200 kein Bestandteil der Motorsteuerungsbaugruppe 55 und befindet sich auch nicht innerhalb des Elektronikgehäuses 54. Das Stromversorgungsmodul 200 wandelt die Eingangswechselspannung in eine Gleichspannung um und verwendet dabei überwiegend passive Komponenten mit geringer Ausfallrate.
In einem Übertragungsschritt 730 wird die vom Stromversorgungsmodul 200 erzeugte Gleichspannung an den Elektromotor 10 übertragen. Die Gleichspannung wird an der Motorsteuerungsbaugruppe 55 über den Eingangsstromanschluss 524 empfangen, der die Gleichspannung an das Wechselrichtermodul 210 liefert. Das Wechselrichtermodul 210 ist in der Motorsteuerungsbaugruppe 55 angeordnet, die außerdem mit dem Elektromotor 10 verbunden ist.
In einem Umwandlungsschritt 740 wandelt das Wechselrichtermodul 210 die Gleichspannung in eine Motorwechselspannung um. In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Wechselrichtermodul 210 einen DSP 522, der Leistungsschalter 520 steuert, um die Gleichspannung in die Motorwechselspannung umzuwandeln. Der Elektromotor 10 wird in einem Betriebsschritt 750 mit der Motorwechselspannung betrieben.
In bestimmten Ausführungsformen umfasst das Verfahren 700 außerdem die Übertragung eines drahtlosen Signals durch das drahtlose Kommunikationsmodul 514 an den Elektromotor 10 durch die Systemsteuerung 512. Das drahtlose Signal wird am Wechselrichtermodul 210 über das drahtlose Kommunikationsmodul 518 empfangen. Die drahtlosen Kommunikationsmodule 514 und 518 stellen einen drahtlosen Kanal 516 für die bidirektionale Kommunikation her. Das drahtlose Signal ist zum Beispiel eine Anweisung zum Betrieb des Elektromotors 10. In bestimmten Ausführungsformen empfängt der DSP 522 das drahtlose Signal vom drahtlosen Kommunikationsmodul 518 und steuert die Leistungsschalter 520 entsprechend dem drahtlosen Signal. Die resultierende Motorwechselspannung wird dann zum Betrieb des Elektromotors 10 verwendet. Das Verfahren endet mit einem Endschritt 760.
In der beispielhaften Ausführungsform ist die Speichervorrichtung eine oder mehrere Vorrichtungen, die es ermöglichen, Informationen wie ausführbare Anweisungen und/oder andere Daten zu speichern und abzurufen. Die Speichervorrichtung kann ein oder mehrere computerlesbare Medien umfassen, wie z. B., ohne Einschränkung, einen elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM), einen Standard-EEPROM, einen dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM), einen statischen Direktzugriffsspeicher (SRAM), eine Festkörperplatte und/oder eine Festplatte. Die Speichervorrichtung kann so konfiguriert sein, dass sie ohne Einschränkung Anwendungsquellcode, Anwendungsobjektcode, interessierende Quellcodeteile, interessierende Objektcodeteile, Konfigurationsdaten, Ausfi.ihrungsereignisse und/oder jede andere Art von Daten speichert. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Speichervorrichtung Firmware und/oder anfängliche Motorkonfigurationsdaten für den DSP 522. Darüber hinaus speichert die Speichervorrichtung in der beispielhaften Ausführungsform Diagnosedaten, die mit dem Betrieb des Motors 10 verbunden sind, um sie auf Anfrage an ein oder mehrere externe Geräte zu übertragen. Zu den Diagnosedaten gehören unter anderem: Einschaltzeit, Laufzeit, Laufzeit über 80 % des Bedarfs, Zeit im Drehzahlsperrbereich, Zeit im Temperatursperrbereich, gute Starts, fehlgeschlagene Starts, Zurücksetzen, Stillstand, Anzahl der empfangenen fehlerhaften seriellen Pakete, Watchdog-Abschaltungen, Laufzeit in bestimmten Bedarfsbereichen, Thermoschock-Ereignisse, Temperatur des Leistungsmoduls, Busspannung, Open-Phase-Ereignisse, UL-Verriegelungen, Rückwärtsstartversuche, Wellenleistung und Drehmoment.
Ausführungsformen der hier beschriebenen Elektromotoren und Elektromotorsteuerungen bieten ein modular aufgebautes Steuerungssystem für HVAC-Geräte. Genauer gesagt, trennt das modular aufgebaute Steuersystem das Steuersystem in zwei diskrete Gehäuse. Ein Gehäuse enthält ein Umrichtermodul und ein zweites Gehäuse enthält ein Stromversorgungsmodul, das als Front-End zum Elektromotor dient. Das Stromversorgungsmodul enthält in der Regel passive Komponenten mit relativ geringen Ausfallraten. Die passiven Komponenten wandeln und konditionieren Wechselstrom von einer Stromquelle in Gleichstrom, um den Elektromotor zu betreiben. Das Stromversorgungsmodul kann in bestimmten Ausführungsformen außerdem eine Systemsteuerung und ein drahtloses Kommunikationsmodul, z. B. ein Funkgerät, zur Fernsteuerung des Elektromotors enthalten. Das erste Gehäuse, das das Wechselrichtermodul enthält, umfasst aktive Komponenten, wie z. B. Leistungsschalter, einen oder mehrere Prozessoren oder DSPs und ein drahtloses Kommunikationsmodul, z. B. ein Funkgerät. Die Komponenten des Wechselrichtermoduls fallen in der Regel häufiger aus als die Komponenten des Stromversorgungsmoduls. Die modulare Verpackung des Wechselrichtermoduls und des Stromversorgungsmoduls ermöglicht den separaten Austausch der Module. Das Umrichtermodul und sein Gehäuse befinden sich auf dem Elektromotor innerhalb einer Motorsteuerungsbaugruppe. Das Stromversorgungsmodul kann sich innerhalb des HVAC-Geräts befinden, jedoch entfernt vom Elektromotor selbst, so dass der Luftstrom durch die Motorsteuerungsbaugruppe weniger behindert wird. Darüber hinaus ermöglicht das drahtlose Kommunikationsmodul des Wechselrichtermoduls die Fernsteuerung des Wechselrichtermoduls und des Elektromotors über das drahtlose Kommunikationsmodul des Systemreglers und ermöglicht außerdem die Gleichstromverbindungen zwischen dem Stromversorgungsmodul, der Motorsteuerungsbaugruppe und dem Wechselrichtermodul.
Zu den technischen Effekten der hier beschriebenen Elektromotoren und Elektromotor-Steuerungssysteme gehören zum Beispiel und ohne Einschränkung: (a) Reduzierung der verdrahteten Verbindungen für Steuerung und E/A zwischen den Komponenten des Motorsteuerungssystems; (b) Nutzung der drahtlosen Kommunikation zwischen einer Systemsteuerung und dem Elektromotor; (c) physische Trennung des Stromversorgungsmoduls vom Elektromotor; (d) Verringerung der Größe der Motorsteuerungsbaugruppe am Elektromotor durch physische Trennung des Stromversorgungsmoduls vom Umrichtermodul; (e) Ermöglichung verdrahteter Verbindungen zwischen dem Stromversorgungsmodul und der Motorsteuerungsbaugruppe durch Eliminierung von Steuer- und E/A-Verbindungen; (f) Verringerung der durch die Motorsteuerungsbaugruppe verursachten Luftstromimpedanz durch die Verkleinerung der Motorsteuerungsbaugruppe und die Entfernung sperriger Komponenten aus dem Luftstromweg; (g) Verbesserung des Wirkungsgrads des Systems durch verringerte Luftstromimpedanz; (h) Verringerung der Betriebs- und Wartungskosten des Elektromotors durch verbesserten Wirkungsgrad; (i) Zusammenpacken von Motorsteuerungskomponenten auf der Grundlage durchschnittlicher Ausfallraten; (j) Verringerung des unnötigen Austauschs von Komponenten durch getrennten Austausch des Stromversorgungsmoduls und des Wechselrichtermoduls; (k) Verringerung der Wartungskosten für den Elektromotor durch reduzierte Austauschkomponenten; (1) Verbesserung der EMI- und Wärmeleistung des Elektromotors durch physische Trennung des Stromversorgungsmoduls vom Elektromotor; und (m) Verbesserung der Leistungsdichte des Stromversorgungsmoduls.
Einige der hier beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf Elektromotoren, einschließlich Elektromotoren und elektronische Steuerungen. Die Verfahren und Vorrichtungen sind jedoch nicht auf die hier beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern Komponenten der Vorrichtungen und/oder Schritte der Verfahren können unabhängig und getrennt von anderen hier beschriebenen Komponenten und/oder Schritten verwendet werden. Zum Beispiel können die Methoden auch in Kombination mit jedem Motor verwendet werden und sind nicht auf die Praxis mit den hier beschriebenen Elektromotoren beschränkt. Darüber hinaus kann die beispielhafte Ausführungsform in Verbindung mit vielen anderen Anwendungen implementiert und verwendet werden.
Auch wenn bestimmte Merkmale verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in einigen Zeichnungen dargestellt sind und in anderen nicht, dient dies nur der Übersichtlichkeit. Gemäß den Grundsätzen der Erfindung kann auf jedes Merkmal einer Zeichnung Bezug genommen werden und/oder es kann in Kombination mit jedem Merkmal einer anderen Zeichnung beansprucht werden.
In dieser schriftlichen Beschreibung wird die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsform, anhand von Beispielen offenbart, um den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen oder Systemen und der Durchführung von integrierten Verfahren. Der patentierbare Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die dem Fachmann einfallen. Solche anderen Beispiele sollen in den Anwendungsbereich der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente aufweisen, die sich nicht vom wörtlichen Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie gleichwertige Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum wörtlichen Wortlaut der Ansprüche enthalten.
Bei der Einführung von Elementen/Bestandteilen/etc. der hier beschriebenen und/oder abgebildeten Methoden und Geräte sollen die Artikel „ein“, „eine“, „der“ und „besagte“ bedeuten, dass es ein oder mehrere Elemente/Bestandteile/etc. gibt. Die Ausdrücke „umnfassend“, „einschließlich“ und „mit“ sollen allumfassend sein und bedeuten, dass es neben dem/den aufgeführten Element(en)/Bestandteil(en)/etc. noch weitere Elemente/Bestandteile geben kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 15/408199 [0001]
US 16/996591 [0001]

Claims

Elektromotor-Steuerungsbaugruppe, die so eingerichtet ist, dass sie mit einem Elektromotor gekoppelt werden kann, wobei die Elektromotor-Steuerungsbaugruppe Folgendes umfasst: einen Eingangsstromanschluss, der so eingerichtet ist, dass er eine Gleichspannung von einem Stromversorgungsmodul außerhalb der Elektromotor-Steuerungsbaugruppe empfängt, wobei das Stromversorgungsmodul eine Drossel für elektromagnetische Störungen (EMI), einen Gleichrichter und einen Kondensator enthält; und ein Wechselrichtermodul, das mit dem Eingangsstromanschluss gekoppelt ist, wobei das Wechselrichtermodul so eingerichtet ist, dass es die Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt, um den Elektromotor gemäß einem Steuersignal zu betreiben, wobei das Wechselrichtermodul so eingerichtet ist, dass es das Steuersignal von einer Systemsteuerung über den Eingangsstromanschluss und/oder ein drahtloses Kommunikationsmodul empfängt, das mit dem Wechselrichtermodul gekoppelt und für die drahtlose Kommunikation mit der Systemsteuerung konfiguriert ist.
Elektromotor-Steuerungsbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Wechselrichtermodul einen digitalen Signalprozessor (DSP) und eine Vielzahl von Leistungsschaltern umfasst, wobei der DSP so konfiguriert ist, dass er die Vielzahl von Leistungsschaltern steuert, um die Wechselspannung zur Versorgung des Elektromotors zu erzeugen.
Elektromotor-Steuerungsbaugruppe nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl von Leistungsschaltern eine Vielzahl von bipolaren Transistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBTs) umfasst.
Elektromotor-Steuerungsbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Wechselrichtermodul ferner so eingerichtet ist, dass es ein gleichgerichtetes Leistungssignal über den Eingangsleistungsanschluss empfängt.
Elektromotor-Steuerungsbaugruppe nach Anspruch 1, wobei das Wechselrichtermodul einen digitalen Signalprozessor (DSP) umfasst, der mit dem Eingangsstromanschluss verbunden ist, wobei der DSP so konfiguriert ist, dass er das Steuersignal empfängt, wobei das Steuersignal den Betrieb des Elektromotors anweist.
Elektromotor-Steuerungsbaugruppe nach Anspruch 1, ferner ein Gehäuse umfassend, in dem das Wechselrichtermodul angeordnet ist.
Elektromotor-Steuerungsbaugruppe nach Anspruch 6, wobei der Eingangsstromanschluss weiterhin mit dem Gehäuse verbunden ist.
Heizungs-, Lüftungs- und Klimagerät (HVAC-Gerät), umfassend: ein Stromversorgungsmodul, das so eingerichtet ist, dass es eine Eingangswechselspannung (AC) in eine Gleichspannung (DC) umwandelt; einen Elektromotor, der so eingerichtet ist, dass er ein Gebläse dreht, um einen Luftstrom durch das HVAC-Gerät zu erzeugen; und eine Motorsteuerungsbaugruppe, die mit dem Elektromotor gekoppelt ist, wobei die Motorsteuerungsbaugruppe umfasst: einen Eingangsstromanschluss, der so eingerichtet ist, dass er die Gleichspannung von dem Stromversorgungsmodul erhält; und ein Wechselrichtermodul, das mit dem Eingangsstromanschluss gekoppelt ist, wobei das Wechselrichtermodul so eingerichtet ist, dass es die Gleichspannung in eine Motorwechselspannung umwandelt, um den Elektromotor gemäß einem Steuersignal zu betreiben, und ferner so eingerichtet ist, dass es das Steuersignal von einer Systemsteuerung über den Eingangsstromanschluss und/oder ein drahtloses Kommunikationsmodul empfängt, das mit dem Wechselrichtermodul gekoppelt und für eine drahtlose Kommunikation mit der Systemsteuerung eingerichtet ist.
HVAC -Gerät nach Anspruch 8, wobei das Stromversorgungsmodul in Bezug auf den Elektromotor entfernt angeordnet ist.
HVAC -Gerät nach Anspruch 9, wobei das Stromversorgungsmodul außerdem ein drahtloses Kommunikationsmodul umfasst.
HVAC-Gerät nach Anspruch 8 umfasst ferner die Systemsteuerung, wobei die Systemsteuerung so eingerichtet ist, dass sie das Steuersignal an das Wechselrichtermodul übermittelt.
HVAC-Gerät nach Anspruch 11, wobei die Systemsteuerung ferner so eingerichtet ist, dass sie Diagnosedaten von dem Wechselrichtermodul empfängt.
HVAC-Gerät nach Anspruch 11, wobei die Systemsteuerung ferner das Stromversorgungsmodul umfasst.
HVAC-Gerät nach Anspruch 8, wobei das Stromversorgungsmodul eine Luftstromimpedanz von Null auf den Ventilator einführt.
HVAC-Gerät nach Anspruch 8, das ferner ein Gehäuse umfasst, in dem das Stromversorgungsmodul, der Elektromotor und die Motorsteuerungsbaugruppe angeordnet sind, wobei das Gehäuse einen Plenumraum umfasst, durch den sich der Luftstrom bewegt, und wobei das Stromversorgungsmodul in dem Plenumraum angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors für ein Heizungs-, Lüftungs- und Klimagerät (HVAC), wobei das Verfahren umfasst: Umwandeln einer Eingangswechselspannung (AC) in eine Gleichspannung (DC) an einem Stromversorgungsmodul, das in Bezug auf eine mit dem Elektromotor gekoppelte Elektromotor-Steuerungsbaugruppe entfernt angeordnet ist, wobei das Stromversorgungsmodul eine Drossel für elektromagnetische Störungen (EMI), einen Gleichrichter und einen Kondensator enthält; Übertragen der Gleichspannung durch einen Eingangsleistungsverbinder an ein Wechselrichtermodul innerhalb der Elektromotorsteuerungsbaugruppe, wobei der Eingangsleistungsverbinder und das Wechselrichtermodul am Elektromotor angeordnet sind; Empfangen eines Steuersignals von einer Systemsteuerung durch das Wechselrichtermodul über den Eingangsstromanschluss und/oder ein drahtloses Kommunikationsmodul, das mit dem Wechselrichtermodul verbunden und für die drahtlose Kommunikation mit der Systemsteuerung eingerichtet ist; Umwandeln der Gleichspannung in eine Motorwechselspannung durch das Wechselrichtermodul entsprechend dem Steuersignal; und Betrieb des Elektromotors mit der Motorwechselspannung.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend: Empfangen eines drahtlosen Signals über das mit dem Wechselrichtermodul gekoppelte drahtlose Kommunikationsmodul; und Umwandeln der Gleichspannung in die Motorwechselspannung entsprechend dem Funksignal.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Betreiben des Elektromotors das Betreiben des Elektromotors gemäß dem drahtlosen Signal umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, das ferner das Übertragen des Steuersignals von einer Systemsteuerung an das Wechselrichtermodul umfasst, wobei das Steuersignal den Betrieb des Elektromotors anweist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Umwandlung der Gleichspannung in die Motorwechselspannung die Steuerung einer Vielzahl von Leistungsschaltern durch einen digitalen Signalprozessor (DSP) umfasst, um eine dreiphasige Motorwechselspannung zu erzeugen.