DE202013010288U1

DE202013010288U1 - Frequenzumrichter mit Zwischenkreiskondensator

Info

Publication number: DE202013010288U1
Application number: DE201320010288
Authority: DE
Original assignee: Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2013-11-13
Filing date: 2013-11-13
Publication date: 2013-12-16
Anticipated expiration: 2023-11-14

Abstract

Frequenzumrichter zur elektrischen Ansteuerung eines Elektromotors zum Antrieb einer Vakuumpumpe, mit einem Gehäuse (12), einer in dem Gehäuse (12) enthaltenen und an diesem befestigte, mindestens einen elektrischen Schaltkreis aufweisenden Platine (14) und einem elektrisch mit der Platine (14) verbundenen Zwischenkreiskondensator (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (14) eine Aussparung (18) für den Kondensator (20) aufweist und der Kondensator (20) im Bereich der Aussparung (18) thermisch mit der das Gehäuse (12) außen umgebenden Atmosphäre verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter zur elektrischen Ansteuerung eines Elektromotors zum Antrieb einer Vakuumpumpe.
Frequenzumrichter werden bekanntermaßen dazu eingesetzt, eine vorgegebene Wechselspannung aus einem Spannungsversorgungsnetz in eine geeignete Antriebsspannung zum Steuern des Elektromotors umzuwandeln. Aufgrund der gerade bei Vakuumpumpen entstehenden Schwingungen sind die Frequenzumrichter meist in einem stabilen Gehäuse enthalten. Eine in dem Gehäuse enthaltene Platine weist die Schaltkreise und Elektronik zur Umwandlung der Netzspannung auf. Ein Zwischenkreiskondensator wird dabei als elektrischer Puffer eingesetzt, um eine möglichst stabile Gleichspannung zu erzielen und um zu verhindern, dass die elektrische Spannung bei Schaltvorgängen zusammenbricht oder schwankt.
Der Zwischenkreiskondensator eines Frequenzumrichters für einen Vakuumpumpenantrieb unterliegt einer erheblichen Belastung. Der die Vakuumpumpe antreibende Elektromotor wird typischerweise mit Taktfrequenzen im Bereich von 16 kHz betrieben, woraus ein häufiges Be- und Entladen des Kondensators resultiert. Folglich ist der Zwischenkreiskondensator ein die Lebensdauer des Frequenzumrichters begrenzendes Element. Im Betrieb unterliegt der Zwischenkreiskondensator einer hohen thermischen Belastung. In dem Gehäuse eines Frequenzumrichters herrschen Temperaturen von zum Teil mehr als 70° Celsius.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer eines Frequenzumrichters für den Elektroantrieb einer Vakuumpumpe zu erhöhen.
Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale von Anspruch 1.
Demnach ist die elektrische Platine, mit welcher der Zwischenkreiskondensator elektrisch verbunden ist, im Bereich des Zwischenkreiskondensators mit einer Aussparung derart versehen, dass der Zwischenkreiskondensator thermisch mit der das Gehäuse umgebenden Atmosphäre verbunden ist. In der das Gehäuse umgebenden Atmosphäre herrschen deutlich geringere Temperaturen als innerhalb des Gehäuses. Außerhalb des Gehäuses können typischerweise Zimmertemperatur oder Temperarturen im Bereich von circa 15° Celsius bis 20° Celsius herrschen, während in dem Gehäuse eines Frequenzumrichters während des Betriebs der Vakuumpumpe Temperaturen von über 70° Celsius herrschen können. Die Erfindung ermöglicht es, das der Zwischenkreiskondensator seine Wärmeenergie durch das Gehäuse nach außen hin abgeben kann.
Dabei sind verschiedene Varianten möglich, wie die Abgabe der Wärmeenergie in die das Gehäuse umgebende Atmosphäre erfolgen kann. Zum einen kann der Zwischenkreiskondensator die Gehäuseinnenwand direkt thermisch kontaktieren. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass ein Kontaktmittel mit ausreichend hoher Wärmeleitfähigkeit den Kondensator und die Gehäuseinnenwand thermisch kontaktiert, um Wärme abzuführen. Die Wärmeleitfähigkeit des Kontaktmittels sollte dabei mindestens ein Zehntel und vorzugsweise mindestens ein Fünftel der Wärmeleitfähigkeit der Gehäusewand im Bereich des Kondensators aufweisen. Bei dem Kontaktmittel kann es sich um eine Wärmeleitpaste, um eine Verklebung mit hohen Wärmeleiteigenschaften und/oder um thermoplastische Pads handeln.
Die Gehäusewand besteht im Bereich der thermischen Kontaktierung des Kondensators typischerweise aus einem Metall und weist dadurch einen höheren Wärmeleitwert auf als die Platine. Jedoch ist es auch denkbar, dass die Gehäusewand im Bereich der thermischen Kontaktierung des Kondensators aus einem ausreichend dünnen Kunststoff oder einem anderen Material besteht, dessen Wärmeleitwert geringer ist als derjenige von Metall. Durch eine ausreichend dünne Wandstärke kann dennoch ein guter Wärmeübertrag ermöglicht werden.
Desweiteren ist auch denkbar, dass die Gehäusewand im Bereich des Kondensators eine Aussparung für den Kondensator derart aufweist, dass dieser direkt thermisch mit der das Gehäuse umgebenden Atmosphäre in Kontakt gelangt.
Die Gemeinsamkeit all dieser Varianten besteht darin, dass der Kondensator nicht, wie herkömmlicherweise vorgesehen, mechanisch auf der Platine befestigt ist, sondern aufgrund der Aussparung der Platine seine Wärmeenergie an die Umgebung des Gehäuses abgeben kann. Die thermisch isolierende Wirkung der Platine auf den Kondensator ist dadurch erheblich reduziert. Im Ergebnis ist die Lebensdauer des Kondensators aufgrund dessen geringerer thermischer Belastung erhöht. Dadurch ist auch die Lebensdauer des Frequenzumrichters erhöht, weil der Zwischenkreiskondensator typischerweise das kritische Element für die Lebensdauer des Frequenzumrichters darstellt.
Die Aussparung kann sich in einem Randbereich der Platine befinden. Angrenzend an die Aussparung können Befestigungspunkte für die Befestigung der Platine an dem Gehäuse vorgesehen sein. Beispielsweise können angrenzend an die Aussparung Schraubverbindungen zur Befestigung der Platine an dem Gehäuse vorgesehen sein. Durch die Aussparung ist die thermische Verbindung zwischen Kondensator und Platine zumindest erheblich reduziert, so dass sich der Kondensator während des Betriebs der Pumpe und den dabei auftretenden Schwingungen frei bewegen kann. Die Bewegungsenergie wird nicht auf die Platine oder deren Lötstellen übertragen, so dass die Gefahr einer Beschädigung der Platine reduziert ist. Durch eine Befestigung der Platine an dem Gehäuse im Randbereich der Aussparung für den Kondensator werden mögliche, sich dennoch von dem Kondensator auf die Platine übertragende Schwingungen aufgefangen, weil die Platine mit der höheren Masse des Gehäuses verbunden ist.
Im Folgenden werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels,
2 eine Draufsicht aus Richtung des Pfeils II in 1 und
3 eine Ansicht aus Richtung des Pfeils III in 1,
4 die Ansicht gemäß 2 eines zweiten Ausführungsbeispiels,
5 einen Schnitt durch das zweite Ausführungsbeispiel entlang der Linie V-V in 4,
6 die Ansicht nach 2 eines dritten Ausführungsbeispiels,
7 die Ansicht gemäß 3 eines vierten Ausführungsbeispiels und
8 eine Draufsicht auf ein fünftes Ausführungsbeispiel.
Das Gehäuse 12 des Frequenzumrichters ist in den Figuren im geöffneten Zustand dargestellt. Die elektrische Platine 14 des Frequenzumrichters ist über Innensechskantschrauben 16 fest mit dem Gehäuse 12 verbunden. In einem Randbereich der Platine 14 ist diese mit einer rechteckigen Aussparung 18 versehen. Die äußeren Maße der Aussparung 18 sind jeweils geringfügig größer als die äußeren Maße des Zwischenkreiskondensators 20 in Draufsicht.
Der Zwischenkreiskondensator 20 ist im Wesentlichen zylindrisch und an seinen gegenüberliegenden, stirnseitigen Enden durch elektrische Leiter 22 elektrisch mit der Platine 14 beziehungsweise mit einem auf der Platine 14 enthaltenen elektrischen Schaltkreis verbunden. Dadurch, dass der Kondensator 20 die Platine 14 nicht direkt kontaktiert und die elektrischen Leiter 22 nur vergleichsweise dünn ausgestaltet sind, werden Schwingungen des Kondensators 20 nicht auf die Platine 14 übertragen. Der thermische Kontakt zwischen dem Kondensator 20 und der Platine 14 ist vergleichsweise gering und wird durch die Wärmeleitfähigkeit der Leiter 22 bestimmt.
Der Kondensator 20 beziehungsweise dessen Mittellängsachse ist parallel zur Ebene der Platine 14 angeordnet. Der Kondensator 20 kontaktiert entlang seiner Außenseite die Innenwand des Metallgehäuses 12. Zur Stabilisierung des Kondensators 20 und zur Verbesserung der thermischen Verbindung zwischen dem Kondensator 20 und der das Gehäuse 12 umgebenden Atmosphäre ist ein Kontaktmittel 24 in Form einer Wärmeleitpaste vorgesehen. Das Kontaktmittel 24 bildet gewissermaßen ein an der Innenwand des Gehäuses 12 anliegendes Bett für den Kondensator 20.
Die Wärmeleitfähigkeit der metallischen Gehäusewand im Bereich des Kondensators 20 beträgt circa 200 W / m·K und die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitpaste beträgt circa 10 W / m·K (Watt pro Meter mal Kelvin).
Für die Lebensdauer des Kondensators gilt L = Lr·2^((To – T)/(10))·K^((1 – (I/Io)^2)·(ΔT/10)), wobei Lr die Anzahl gewünschter Betriebsstunden,

K: eine Konstante, z. B. zwei oder vier,
To: die Kondensatortemperatur,
T: die Temperatur der das Gehäuse umgebenden Atmosphäre,
ΔT: die Temperaturerhöhung im Kondensatorkern,
I: ein angewendeter Rippelstrom und
Io: ein geschätzter Rippelstrom ist.

Die Rippelströme I und Io werden bei einer Taktfrequenz von 32 kHz gemessen, beziehungsweise geschätzt. Die gewünschte Anzahl von Betriebsstunden kann beispielsweise die von Hersteller des Frequenzumrichters zu garantierende Betriebsstundenanzahl sein und beispielsweise 3000 Stunden oder 10 Jahre betragen. Die Konstante K wird in Abhängigkeit von dem Rippelstrom gewählt und kann zum Beispiel 2 betragen, wenn der angewendete Rippelstrom I unterhalb einer Schwelle IoArms liegt, und kann 4 betragen, wenn der angewandte Rippelstrom I oberhalb dieses Wertes liegt. Der Temperaturbereich für den Kondensator To beträgt 105° Celsius. Diesen Temperaturwert darf der Kondensator nicht überschreiten. Bei Überschreiten dieser Temperatur wird der Kondensator zerstört. Die Umgebungstemperatur T des Kondensators innerhalb des Gehäuses beträgt typischerweise 65° Celsius. Der Temperaturanstieg ΔT im Kondensatorkern kann 5° Celsius betragen. Der angewandte Rippelstrom I kann 0,99 Ampere betragen und der geschätzte Rippelstrom Io kann 1,748 Ampere betragen.
Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß den 4 und 5 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß den 1–3 dadurch, dass die elektrischen Leiter 22 zur Verbindung des Kondensators 20 mit der Platine 14 in einer Horizontalebene wie in 4 dargestellt abgewinkelt und in einer Vertikalebene wie in 5 dargestellt abgewinkelt sind. Die Winkel in der Horizontalebene und in der Vertikalebene betragen jeweils etwa 90 Grad und können alternativ beliebig gewählt werden. Dies ist möglich, weil Schwingungen des Kondensators 20 nicht auf die Platine 14 übertragen werden und die Leiter 22 keine mechanischen Kräfte des Kondensators 20 beziehungsweise dessen Schwingungen aufnehmen müssen.
Das dritte Ausführungsbeispiel gemäß der vereinfachten schematischen Seitenansicht in 6 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 dadurch, dass beide elektrischen Leiter 22 an derselben Stirnseite des Kondensators 20 angeordnet sind. Dies ist möglich, weil die Leiter 22 keine mechanischen Kräfte oder Schwingungen des Kondensators 20 aufnehmen müssen.
Das vierte und das fünfte Ausführungsbeispiel gemäß den 7 und 8 unterscheidet sich von den vorangehenden Ausführungsbeispielen dadurch, dass der Kondensator vertikal aufragend, das heißt stehend, angeordnet ist. In dem Ausführungsbeispiel nach 7 ist der Kondensator 20 im Bereich eines Teils seiner äußeren Mantelfläche durch das Kontaktmittel 24 in Form eines Klebstoffes mit hohen Wärmeleiteigenschaften mit der angrenzenden Wand des Gehäuses 12 fest verbunden. Die schematische, stark vereinfachte Draufsicht gemäß 8 zeigt, dass der vertikal aufragend angeordnete Kondensator über eine Klebstoffschicht 24 im Bereich eines Teils seiner äußeren Mantelfläche mit einer gekrümmten Gehäusewand 12 fest verbunden ist. Die Krümmung der Gehäusewand 12 vergrößert die Kontaktfläche mit der äußeren Mantelfläche des Kondensators 20.

Claims

Frequenzumrichter zur elektrischen Ansteuerung eines Elektromotors zum Antrieb einer Vakuumpumpe, mit einem Gehäuse (12), einer in dem Gehäuse (12) enthaltenen und an diesem befestigte, mindestens einen elektrischen Schaltkreis aufweisenden Platine (14) und einem elektrisch mit der Platine (14) verbundenen Zwischenkreiskondensator (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (14) eine Aussparung (18) für den Kondensator (20) aufweist und der Kondensator (20) im Bereich der Aussparung (18) thermisch mit der das Gehäuse (12) außen umgebenden Atmosphäre verbunden ist.
Frequenzumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (20) thermisch mit dem Gehäuse (12) verbunden ist, wobei die Gehäusewand im Bereich des Kondensators (20) einen Wärmeleitwert von mindestens 150 W / m·K und vorzugsweise etwa 200 W / m·K aufweist.
Frequenzumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) im Bereich des Kondensators (20) derart frei liegt, dass der Kondensator (20) thermisch direkt mit der das Gehäuse (12) außen umgebenden Atmosphäre verbunden ist.
Frequenzumrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (18) in einem Randbereich der Platine (14) vorgesehen ist.
Frequenzumrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (18) zwischen zwei Befestigungspunkten der Platine (14) mit dem Gehäuse (12) vorgesehen ist.
Frequenzumrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittellängsachse des Kondensators (20) parallel zu der Ebene der Platine (14) und/oder parallel zu der Ebene der von dem Kondensator (20) thermisch kontaktierten Gehäusewand angeordnet ist.
Frequenzumrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine an die äußere Form des Kondensators (20) angepasste Mulde (26) zur Aufnahme und zum Kontaktieren des Kondensators (20) aufweist.
Frequenzumrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (20) über ein Kontaktmittel (24) mit dem Gehäuse (12) verbunden ist, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Kontaktmittels (24) mindestens ein Zwanzigstel und vorzugsweise mindestens ein Zehntel oder mindestens ein Fünftel der Wärmeleitfähigkeit der Gehäusewand aufweist.
Frequenzumrichter nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktmittel (24) eine Wärmeleitpaste, ein Klebstoff mit hohen Wärmeleiteigenschaften und/oder mindestens ein thermoplastisches Pad ist.
Frequenzumrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Lebensdauer des Zwischenkreiskondensators (20) gilt: L = Lr·2^((To – T)/(10))·K^((1 – (I/Io)^2)·(ΔT/10)), wobei Lr die Anzahl gewünschter Betriebsstunden, K eine Konstante, z. B. zwei oder vier, To die Kondensatortemperatur, T die Temperatur der das Gehäuse umgebenden Atmosphäre, ΔT die Temperaturerhöhung im Kondensatorkern, I ein angewendeter Rippelstrom und Io ein geschätzter Rippelstrom ist.