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Die
Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für Kleinaggregate, insbesondere
in einer Spinnanlage gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Eine
derartige Antriebseinheit ist allgemein bekannt und z.B. in der
DE 37 01 077 A1 als
Antrieb für
eine Galette beschrieben. Diese bekannte Antriebseinheit wird auch
zum Antrieb von Überlaufrollen
oder Spinnpumpen eingesetzt. Hierbei werden Drehstrommotoren verwendet,
wobei die Ausführungsformen
als Asynchron-Motor, Synchron-Motor oder Reluktanz-Motor Anwendung
finden. Derartige Antriebseinheiten besitzen jedoch den Nachteil,
daß bedingt
durch den Wicklungsaufbau in dem Drehstrommotor nur Drehzahlen erzeugt
werden, die einem ganzzahligen Teil der Frequenz des speisenden Netzes
entsprechen. Um variable Betriebsdrehzahlen der Antriebseinheit
zu ermöglichen,
müssen
die Drehstrommotoren über
einen Frequenzumrichter angesteuert werden. Hierbei wird der Drehstrommotor
mit einem dreiphasigen Drehstromnetz mit variabler Frequenz versorgt.
Derartige Frequenzumrichter sind in den Leistungsbereichen ab ca.
500 W jedoch getrennt von der Antriebseinheit in Schaltschränken angeordnet,
wie aus "Textilpraxis
International" 1992, Seite
37/38, hervorgeht. Hierbei besteht jedoch der Nachteil, daß die Wechselspannung über sehr
lange störanfällige Motorleitungen
zur Antriebseinheit geführt
werden müssen.
Desweiteren sind die Drehzahlsignale der Antriebseinheit wiederum
auf langen störanfälligen Signalleitungen
zum Schaltschrank zurückzuführen.
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Die
Patentschrift
DE 40
15 080 C2 offenbart einen Klemmenkasten für einen
frequenzumrichtergespeisten Elektromotor, der thermodynamische Bindungen
vermeidet. Dieser Stand der Technik bietet allerdings keine Lösung, um
Schutzanforderungen gegen Feuchtigkeit, Flusen und Staub durch Kapselung
bestimmter Baugruppen zu erfüllen.
Ein solcher Schutz verringert z.B. die Störanfälligkeit der gekappselten Baugruppen.
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Aus
den Druckschriften
DE
44 35 510 C1 und
DE
36 42 724 A1 sind weiterhin Elektromotoren mit Frequenzumrichtern
bekannt, die das Problem der Kühlung
der verwendeten Leistungselektronik berücksichtigen und mittels verschiedener
Möglichkeiten
zur Zwangskühlung
zu lösen
suchen.
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Bezugnehmend
auf den genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung,
eine Antriebseinheit der eingangs genannten Art, insbesondere für höhere Leistungen
von 1 bis 12 kW, derart weiterzubilden, daß der Verkabelungsaufwand sowie die
Störanfälligkeit
minimiert werden.
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Desweiteren
ist es Aufgabe der Erfindung, einen Frequenzumrichter derart auszugestalten,
daß die
Elektronik in der unmittelbaren Umgebung der Kleinaggregate einsetzbar
wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
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Hierbei
ist der Frequenzumrichter schwingungsfest und wärmeübertragend in einem Gehäuse gekapselt,
das aus einem Kopfteil und einem Bodenteil besteht, deren Oberflächen wärmeabführend ausgeführt sind
und die wärmeisoliert
miteinander verbunden sind. Somit können die im Frequenzumrichter
unterschiedlich anfallenden Verluste entsprechend nach außen abgeführt werden
ohne daß die mit
weniger Verlusten empfindlichen Elektronikbauteile zusätzlich erwärmt werden.
So entstehen in einem Frequenzumrichter die wesentlichen Verlustleistungen
in der Leistungsteil-Baugruppe, die gegenüber der Verlustleistung der
im Umrichter enthaltenen Steuerelektronik-Baugruppe um den Faktor
50 höher liegt.
Erfindungsgemäß wird die
Verlustleistung direkt am Entstehungsort in Form von Wärme abgeführt, so daß die zulässige Betriebstemperatur
für die
Elektronik-Baugruppen nicht überschritten
wird. Damit wird eine sehr kompakte Antriebseinheit gebildet, die
den besonderen Vorteil hat, daß die
Wechselspannungsversorgung direkt zur Antriebseinheit führt. Ein
Einbau des Frequenzumrichters nahe dem Drehstrommotor besitzt zudem
den Vorteil, daß die
Drehzahlsignale vom Antrieb zum Umrichter direkt in der Antriebseinheit
auf sehr kurzem Wege übertragen
werden. Damit können
die Betriebsdrehzahlen der Galette sehr präzise eingehalten werden, was
insbesondere bei Streckwerken mit mehreren Galetten von Vorteil
ist.
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Die
Kapselung des Frequenzumrichters ist vorteilhaft so ausge bildet,
daß die
in einem Aggregat auftretenden Schwingungen nicht zu Störungen im Elektronikaufbau
führen.
Desweiteren werden die in Wärme
umgewandelten internen Verluste innerhalb des Umrichters vorteilhaft über das
Gehäuse
abgeführt.
Bei höheren
Leistungen von ca. 500 W treten bereits Verluste von 200 W auf,
die ohne Wärmeabfuhr
sehr schnell zu einer zu hohen Temperatur für die Elektronikbaugruppen
führen
würde.
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Diese
Antriebseinheit besitzt weiterhin den Vorteil, die Elektronik zielgerichteter
und damit kostengünstig
auf die Antriebsart entwickelt und mit geringem Aufwand gefertigt
werden kann.
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Durch
die Wärmeisolierung
zwischen dem Bodenteil und dem Kopfteil wird die Betriebstemperatur
im Innern des Gehäuses
vorteilhaft auf einem zulässigen
Niveau gehalten. Die Ankopplung der Leistungshalbleiter an dem Kopfteil
mit großer
Kühloberfläche und
die Ankopplung der Steuerelektronik an dem Bodenteil mit kleiner
Kühloberfläche ist
besonders für
den gezielten Wärmeübergang
und die Wärmeabfuhr
vorteilhaft.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsvariante der
erfindungsgemäßen Antriebseinheit
ist in dem Gehäuse
des Frequenzumrichters ein Lüfter
angeordnet. Dadurch wird erreicht, daß der Wärmeübergang der Verlustenergie
der Leistungsteil-Baugruppe und die Verlustenergie der Steuerelektronik-Baugruppe
in die Gehäusewandungen
verbessert werden. Außerdem
kann damit die Betriebstemperatur auf ein für die Steuerelektronik zulässiges Niveau selbst
bei höheren
Leistungen von bis zu 12 kW gehalten werden.
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Um
die Verlustwärme
aus dem Inneren des Gehäuses
des Frequenzumrichters herauszuführen, ist
es auch vorteilhaft, wenn der Einbauraum des Gehäuses im Verhältnis zum
Querschnitt des Gehäuses einen
relativen Anteil annimmt, der bevorzugt ca. 1/3 der umhüllenden
Querschnittsfläche
ausmacht. Damit wird ein Optimum der wärmeabgebenden Oberfläche des
Gehäuses
erreicht.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das Gehäuse des
Drehstromrotor und das Gehäuse
des Frequenzumrichters schwingungsentkoppelt verbunden sind, was
besonders hinsichtlich Kompaktheit und Wärmetransfer günstiger
ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Antriebseinheit weist ein
Aggregatgehäuse
auf, daß topfförmig über den
Frequenzumrichter und den Drehstrommotor gestülpt ist. An dem geschlossenen Ende
des Aggregatgehäuses
ist ein Lüfterrad
mit Antriebseinheit gelagert. Hierdurch wird ein Kühlluftstrom
erzeugt, der entlang der Kühlrippen
des Umrichtergehäuses
strömt
und die Wärmeabfuhr
vergrößert. Dies
ist insbesondere bei Antriebseinheiten mit höheren Leistungen vorteilhaft.
Insbesondere wird dadurch erreicht, daß die Gehäuseoberfläche des Frequenzumrichters
mit seinen Kühlrippen
keinerlei Verschmutzungen unterliegt, und somit der Wärmeaustausch
an die Umgebungsluft ungehindert erfolgen kann.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Antriebseinheit sind in
den Unteransprüchen
definiert.
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Im
folgenden werden Ausführungsbeispiele unter
Hinweis auf die beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben.
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Es
stellen dar:
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1 eine
erfindungsgemäße Antriebseinheit
für eine
Galette mit integriertem Antrieb und Frequenzumrichter
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2 einen
Querschnitt durch einen Frequenzumrichter mit Gehäuse
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3 eine
Antriebseinheit für
eine Galette mit integriertem Antrieb und Frequenzumrichter.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Antriebseinheit
für eine
Galette mit integriertem Antrieb und Frequenzumrichter.
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Die
Antriebseinheit besteht aus einem Lagerblock 1, der eine
Bohrung 32 zur Aufnahme der Lager 5 zur Lagerung
einer Rotorwelle 4 aufweist. An der einen Seite des Lagerblocks
sind die Galettenbauteile angeordnet, die durch andere antreibbare Aggregate
ersetzt werden können.
Die Galettenbauteile umfassen eine auskragende rohrförmige Achse, die
koaxial zur Bohrung 32 befesstigt ist, wobei die auskragende
Achse 2 von der Rotorwelle 4 konzentrisch mit
einem Luftspalt durchdrungen wird. Die Rotorwelle 4 ragt
mit ihrem freien Ende über
das freie Ende der rohrförmigen
Achse 2 hinaus. An diesem Ende der Rotorwelle 4 ist
ein Galettenmantel 3 befestigt. Der Galettenmantel 3 ist
topfförmig
ausgebildet, wobei die Stirnwand 9 des Galettenmantels 3 ein Bohrung 10 und
einen Ansatz 9.1 aufweist. Das freie Ende der Rotorwelle 4 hat
einen Konus 7 ausgebildet, auf den der Ansatz 9.1 vom
Galettenmantel 3 aufgestülpt ist und über ein
Spannmittel 8 fest mit der Rotorwelle verbunden ist. Der
Galettenmantel 3 ist über
die auskragende Achse 2 gestülpt, so daß sich zwischen dem Galettenmantel 3 und
der Achse 2 ein Einbauraum 6 bildet. Je nach Anwendung
der Galette kann in dem Einbauraum 6 ein Heizelement zur
Erwärmung
des Galettenmantels vorgesehen sein.
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Auf
der gegenüberliegenden
Seite von den Galettenbauteilen ist an dem Lagerblock 1 der
Antriebseinheit ein Drehstrommotor 30 befestigt. Der Drehstrommotor 30 weist
ein Gehäuse 12 auf.
In dem Gehäuse
ist der Stator mit Wicklung 15 angebracht. Konzentrisch
zum Stator 15 ist die Läuferwicklung 14 auf
einer Läufereindrehung 13 am
anderen Ende der Rotorwelle befestigt. Die Energieversorgung des Drehstrommotors
erfolgt über
die Steckverbindung 19, die einen Frequenzumrichter 31 mit
dem Drehstrommotor 30 verbindet. Der Frequenzumrichter 31 ist
mit seinem Gehäuse 17 direkt
an das Gehäuse 12 des
Drehstrommotors angekoppelt. Zwischen dem Gehäuse 12 und dem Gehäuse 17 ist
zur Schwingungsdämpfung
die Isolierplatte 33 zwischengelegt. Neben dem Leistungshalbleiter 18 ist
eine Steuerelektronik im Gehäuse 17 des
Frequenzumrichters untergebracht. Der Frequenzumrichter 31 ist mittels
der Steckverbindungen 20.1 und 20.2 mit einer
Versorgungsleitung 27 und einer Steuerleitung 28 mit
einer Zentraleinheit oder einem Schaltschrank verbunden.
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Die
Gehäuse 12 und 17 sind
in einem Aggregatgehäuse 11 angeordnet,
wobei das Aggregatgehäuse 11 topfförmig übergestülpt ist
und an dem Lagerblock 1 befestigt ist.
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In
der Axialverlängerung
zum Drehstrommotor und Frequenzumrichter ist an der Stirnwand 34 des
Aggregatgehäuses 11 ein
Lüfterrad
angeordnet. Das Lüfterrad 21 ist
auf einer Lüfterwelle 22,
die in der Stirnwand 34 gelagert ist, befestigt und wird
mittels dem Lüftermotor 23 angetrieben.
Der Lüftermotor 23 ist über eine
Steckverbindung 24 und 25 mit einer Versorgungsleitung 26 verbunden.
Somit ist die Kühlung
des Antriebes der Antriebseinheit unabhängig von der Antriebsversorgung.
Die Steckverbindung (24, 25) kann auch für eine Signalübertragung zum
Drehstrommotor (30) und Frequenzumrichter (31)
vorgesehen sein.
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Im
Betrieb wird der Frequenzumrichter mit Gleichstrom versorgt. Mit
dem vom Umrichter gewandelten Drehstrom wird der Drehstrommotor
angesteuert, so daß die
Rotorwelle 4 mit einer vorgegebenen Drehzahl angetrieben
wird. Die Drehzahl der Rotorwelle 4 wird mittels einem
Drehzahlsensor 29 erfaßt
und über
eine Signalleitung 35 der Steuerelektronik des Umrichters
zugeführt.
Bei dieser kompakten Anordnung ist die Schnittstelle zwischen dem Drehstrommotor
und dem Frequenzumrichter unzugänglich.
Daher wurde zur Überwachung
die Steuerelektronik des Frequenzumrichters derart programmiert,
daß über einen
seriellen Datenanschluß die prozeßrelevanten
Größen Drehzahl
und Strom abgefragt und zur Zentraleinheit geführt werden können.
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In 2 ist
ein Querschnitt des Frequenzumrichters aus 1 gezeigt.
Hierbei ist das Aggregatgehäuse 11 nicht
dargestellt. Das Gehäuse 17 besteht
aus einem Kopfteil 36 und einem Bodenteil 37. Das
Kopfteil 36 und das Bodenteil 37 sind über eine Wärmeisolierung 44 miteinander
verbunden und bilden im Innern die Einbaukammer 41. An
der äußeren Oberfläche des
Kopfteils 36 sind die Kühlrippen 38 ausgebildet.
An der äußeren Oberfläche des
Bodenteils 37 sind die Kühlrippen 39 ausgebildet.
In der Einbaukammer 41 ist eine Leiterkarte 55 der
Leistungsteil-Baugruppe 18 direkt mit einem Transistor 40 mittels
der Befestigungselemente 56 an dem Kopfteil 36 schwingungsfest
befestigt. Die Steuerkarte 43 der Steuerelektronik-Baugruppen
ist dagegen mit dem Bodenteil 37 über die Befestigungsmittel 57 befestigt.
Die Leiterkarte 55 und die Steuerkarte 43 sind über eine
Steckverbindung 58 miteinander verbunden. Zur Verbesserung
der Wärmeübertragung zwischen
der Steuerkarte 43 und dem Bodenteil 37 kann vorteilhaft
der Zwischenraum zwischen Steuerkarte und Bodenteil mit einem gut
wärmeleitenden Material,
das elektrisch isolierend wirkt, zumindest stellenweise ausgefüllt werden.
Da die Leistungshalbleiter den wesentlichen Anteil der Verlustleistung des
Frequenzumrichters abgeben, entsteht in der Einbaukammer ein Temperaturgefälle. So
stellt sich auf der Innenseite des Kopfteiles 36 eine Temperatur von
ca. 130°C
ein und auf der Innenseite des Bodenteils 37 eine Temperatur
von ca. 70°C.
Um zu vermeiden, daß die
Temperatur auf dem Bodenteil durch die Leistungshalbleiter 40 zusätzlich erhöht wird,
ist die Wärmeisolierung 44 zwischen
dem Kopfteil 36 und dem Bodenteil 37 angeordnet.
Desweiteren ist die von den Kühlrippen 38 gebildete
Kühlfläche wesentlich
größer als
die von den Kühlrippen 39 gebildete Kühlfläche. Diese
Anordnung besitzt den Vorteil, daß direkt am Entstehungsort
der Verlustwärme
diese abgeführt
werden kann. Desweiteren wird verhindert, daß die zulässige Temperatur der Elektronikbauteile mit
begrenzter Temperaturbeständigkeit
nicht überschritten
wird.
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Antriebseinheit am Beispiel einer Galette gezeigt. Der mechanische
Aufbau der Galettenbauteile ist identisch zu der Antriebseinheit
in 1, so daß auf
die Beschreibung in 1 Bezug genommen wird. Bei dem
Ausführungsbeispiel
nach 3 wird das Gehäuse 12 des
Drehstrommotors 30 und eine Adapterplatte 45 mittels
Zuganker 46 an dem Lagerblock 1 befestigt. Desweiteren
ist das Umrichtergehäuse 17 und
ein Deckel 47, der auf der vom Drehstrommotor abgewandten
Seite des Umrichters befestigt ist, mittels Zuganker 53 mit
der Adpaterplatte 45 verbunden. An dem Deckel 47 ist
der Lüftermotor 23 mit
der Lüfterwelle 22 und
dem Lüfterrad 21 angebracht.
An der Stirnwand 34 des Galettengehäuses 11 ist ein Klemmkasten 48a vorgesehen.
Die Versorgung der Antriebseinheit wird hierbei über den Steckanschluß 49 und
den Stecker 50 mit einer Leitung 51 gewährleistet.
Die Versorgung und Ansteuerung des Umrichters erfolgt vom Klemmkasten 48a über die Leitung 52 zur
Klemmanschluss 48b. Die Versorgung des Lüftermotors 23 erfolgt
vom Klemmkasten 48a über
die Leitung 54.
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Diese
Anordnung besitzt den Vorteil, daß mittels der Adapterplatte 45 eine
Schwingungsentkopplung zwischen dem Galettenflansch und dem Umrichter
ausgeführt
ist.
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Die
erfindungsgemäße Antriebseinheit
läßt sich
im Spinnprozeß an
jedem Aggregat und den dafür
vorgesehenen Einbaustellen einsetzen. Durch die besondere Gestaltung
des Frequenzumrichters sind die Umgebungsbedingungen hinsichtlich
Temperatur, Verschmutzung und Erschütterung beherrschbar. Ebenso
werden aufgrund der Kapselung des Umrichters die Schutzarten gegen
Feuchtigkeit, Flusen und Staub erfüllt.
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- 1
- Lagerblock
- 2
- Achse
- 3
- Galettenmantel
- 4
- Rotorwelle
- 5
- Lager
- 6
- Einbauraum
- 7
- Konus
- 8
- Spannmittel
- 9
- Stirnwand
- 9.1
- Ansatz
- 10
- Bohrung
- 11
- Aggregatgehäuse
- 12
- Gehäuse
- 13
- Läufereindrehung
- 14
- Läuferwicklung
- 15
- Statorwicklung
- 17
- Gehäuse
- 18
- Leistungsteil-Baugruppe
- 19
- Steckverbindung
- 20
- Steckverbindung
- 21
- Lüfterrad
- 22
- Lüfterwelle
- 23
- Lüftermotor
- 24
- Steckanschluß
- 25
- Stecker
- 26
- Leistungskabel
- 27
- Versorgungsleitung
- 28
- Signalleitung
- 29
- Drehzahlsensor
- 30
- Drehstrommotor
- 31
- Frequenzumrichter
- 32
- Bohrung
- 33
- Isolierplatte
- 34
- Stirnwand
- 35
- Signalleitung
- 36
- Kopfteil
- 37
- Bodenteil
- 38
- Kühlrippen
- 39
- Kühlrippen
- 40
- Transistor
- 41
- Einbaukammer
- 43
- Steuerelektronik-Baugruppe/Steuerkarte
- 44
- Wärmeisolierung
- 45
- Adapterplatte
- 46
- Zuganker
- 47
- Deckel
- 48a
- Klemmkasten
- 48b
- Klemmanschluß
- 49
- Steckanschluß
- 50
- Stecker
- 51
- Leitung
- 52
- Leitung
- 53
- Zuganker
- 54
- Leitung
- 55
- Leiterkarte
- 56
- Befestigungsmittel
- 57
- Befestigungsmittel
- 58
- Steckverbindung