DE3642723C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen in einem Gehäuse eingebauten statischen Frequenzumrichter, insbesondere Frequenzumrich­ ter zur Steuerung und/oder Regelung von Leistungsgrößen, wie Drehzahl und Drehmoment eines Elektromotors, wobei das Gehäuse eine zur Umgebung hin druckfeste und dichte Kapsel bildet und zumindest zum Teil mit einem ein Heat-Pipe-System bildendes Gemisch aus Flüssigkeit und Feststoff gefüllt ist (DE-OS 23 64 773).

Der Antrieb von Arbeitsmaschinen, Werkzeugen und dergleichen durch Elektromotore ist hinsichtlich der Drehzahl und des Drehmomentes von der Motorart und vom elektrischen Ver­ sorgungsnetz abhängig. Da aber eine veränderbare Drehzahl bei vielen Anwendungsbereichen Vorteile bringt, werden Frequenzumrichter eingesetzt.

Die heute üblichen statischen Frequenzumrichter sind volu­ minöse, extern zu installierende Geräte, deren bauliche Ab­ messungen weitgehend durch den erforderlichen Wärmeübergang an die umgebende Luft bestimmt werden. Inzwischen ist es aber gelungen, Frequenzumrichter durch Verwendung hochintegrierter Schaltkreise so zu miniaturisieren, daß sie im oder am Motor bzw. in oder an der vom Motor angetriebenen Arbeitseinheit angebracht werden können. Voraussetzung hierfür und auch für eine geringe Baugröße ist es allerdings weiterhin, daß die Verlustwärme des Frequenzumrichters einwandfrei abgeführt werden kann, um die vorgegebene Temperaturgrenze der Elektronik nicht zu überschreiten.

Im übrigen ist beispielsweise bei Pumpenaggregaten oder Gebläsen, deren Drehzahl und Drehmoment über Frequenzum­ richter gesteuert oder geregelt werden sollen, die Möglich­ keit gegeben, das geförderte Fluid als Wärmesenke zu nutzen, was aber bedeutet, daß bestimmte Vorkehrungen für die Kon­ struktion des Frequenzumrichters getroffen werden müssen.

Aus dem Stand der Technik ist die Anwendung des sogenannten Heat-Pipe-Systems für eine wirksame Kühlung von Halbleiter­ bauelementen bekannt.

So ist es beispielsweise aus der DE-OS 23 64 773 bekannt, ein derartiges Heat-Pipe-System in einer sogenannten Konden­ sationskammer anzuordnen, derart, daß ein poröses Material an einer Seite der Kondensationskammer angebracht ist, auf deren gegenüberliegende Wandung das zu kühlende Halbleiterbau­ element angeordnet ist. Darüber hinaus befindet sich in der Kondensationskammer eine verdampfbare Flüssigkeit. Das poröse Material bildet zusammen mit der verdampfbaren Kühlflüssigkeit das Heat-Pipe-System, welches einen besonders hohen Wirkungs­ grad des Wärmeabtransportes aufweist.

Eine ähnliche Einrichtung zum Kühlen von Wärme erzeugenden Einrichtungen ist aus der DE-OS 20 15 518 ersichtlich.

Den beiden Vorrichtungen aus den vorgenannten Offenlegungs­ schriften ist gemeinsam, daß der zu dem Heat-Pipe-System gehörige Feststoff aus einem vorgeformten Material besteht, das vor dem Einsetzen in die entsprechende Kondensations­ kammer in seinen äußeren Abmessungen den Abmessungen der Kammer angepaßt werden muß.

Aus dem IMB Technical Disclosure Bulletin, Vol. 21, No. 3, August 1978, Seite 1143 bis 1144 ist eine Vorrichtung zum Kühlen eines Halbleiterbauelementes bekannt, bei dem die vom Halbleiterbauelement erzeugte Wärme zunächst auf Kugeln, also auf einen schüttfähigen Feststoff, übertragen wird, wonach die Wärme in die von einer die Kugeln umgebende Metallwolleneinlage gebildeten Wärmesenke abgeführt wird. Da aber bei dieser Kühleinrichtung keine Kühlflüssigkeit zugegeben ist, wird hierbei kein Heat-Pipe-System ausgebildet. Diesem Nachteil steht jedoch die einfachere Herstellbarkeit der Kühleinrichtung gegenüber, die Kugel lediglich in ein dafür vorgesehenes Loch in der Metallrolleneinlage geschüttet werden müssen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Frequenzumrichters, der aufgrund seiner Konstruktion geeignet ist, bei kleiner Bauweise die entstehende Verlustwärme problem­ los abzuführen und leicht herzustellen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird der eingangs erwähnte Fre­ quenzumrichter erfindungsgemäß so ausgebildet, daß der Feststoff aus einem schüttfähigen Gut besteht.

Die Füllung der Kapsel besteht also aus einem schüttfähigen Feststoff und einer Flüssigkeit, die einen Teil der Räume zwischen den Feststoffpartikeln zur Bildung eines Heat-Pipe- Systems ausfüllt, derart, daß die Flüssigkeit am Entstehungs­ bereich der Verlustwärme verdampft und der Dampf unter Abgabe von Kondensationswärme an der Kapselinnenfläche kondensiert. Das Kondensat wird dann wieder im Kreislauf dorthin zurück­ fließen, wo die Verlustwärme entsteht.

Die einfache Herstellbarkeit des erfindungsgemäßen Frequenz­ umrichters resultiert aus der Schüttbarkeit des in der Kapsel befindlichen Feststoffes. Anstelle des recht aufwendigen Anpas­ sens einer Auskleidung der Kapsel, welche die Funktion des festen Teils eines Heat-Pipe-Systems übernimmt, tritt vor­ liegend ein einfaches Schütten des Feststoffes in die Ge­ häusekapsel.

Falls der Frequenzumrichter hohen Umgebungsdrücken ausge­ setzt ist, was etwa bei einem Einsatz in einer Unterwasser- Motorpumpe der Fall sein kann, sollte die wegen eines besse­ ren Wärmetransportes und geringeren Wärmewiderstandes dünn­ wandig ausgebildete Kapsel in ihrer Form mit der Füllung stabilisiert werden, also vollständig mit dem Feststoff ausgefüllt sein.

Frequenzumrichter bestehen im wesentlichen aus einem Ein­ gangs-, Zwischen- und Ausgangskreis. Grundsätzlich können alle drei erwähnten Kreise innerhalb der Kapsel angeordnet werden. Um aber die Baugröße des Frequenzumrichters weiter reduzieren zu können, besteht auch die Möglichkeit, den im wesentlichen aus einem Kondensator und/oder einer Indukti­ vität bestehenden Zwischenkreis räumlich getrennt von den anderen beiden Kreisen anzuordnen, und zwar beispielsweise im Stator- oder Rotorraum eines mit dem Frequenzumrichter gesteuerten Elektromotors. Damit verbleiben nur noch die Verlustwärme erzeugenden Bauelemente im Kapselinneren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher er­ läutert. Es zeigt

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Frequenz­ umrichters,

Fig. 2 einen Schnitt durch den mechanischen Aufbau eines Frequenzumrichters und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Elektromotor mit integriertem Frequenzumrichter.

Der in Fig. 1 gezeigte und an sich bekannte Frequenzum­ richter 1 wird in diesem Fall von einem Drehstromnetz mit drei Phasen gespeist. Eingangsseitig sind ein Entstörungs­ filter 2 und eine Gleichrichterschaltung als AC/DC-Wandler 3 vorgesehen, die den Eingangskreis bilden. Da es sich hier zum Beispiel um einen kombiniert mit Spannungs- und Strom­ speicherung arbeitenden Frequenzumrichter handelt, besteht der Zwischenkreis aus einem Kondensator 4 und einer Induk­ tivität 5. Ein Spannungsspeicherbetrieb würde sich dagegen ergeben, wenn die Induktivität 5 entfällt und durch eine ein­ fache Leitungsverbindung ersetzt wird, während ein Strom­ speicherbetrieb des Frequenzumrichters gegeben ist, wenn der Kondensator 4 mit zugehörigen Leitungsverbindungen entfällt.

Im übrigen besteht der Frequenzumrichter weiter aus einem DC/DC-Wandler 6 und der Steuerung 7, welche die Treiber­ stufen 8, 9 und 10 ansteuert, an denen wiederum paarweise Leistungstransistoren 11-16 angeschlossen sind. Diese Bau­ elemente und Baugruppen bilden den Ausgangskreis des Frequenz­ umrichters und sind in ihrer Art und Funktion bekannt, so daß sie nicht weiter beschrieben werden müssen. Im übrigen ist der Ausgangskreis an den Motor M angeschlossen. Außerdem können dem Frequenzumrichter aber noch interne Sensoren, wie beispielsweise auf Strom, Spannung oder Temperatur ansprechende Sensoren 17, oder externe Sensoren und Stellglieder zugeordnet werden, die an die Steuerung 7 angeschlossen werden. Solche externen Sensoren können beispielsweise auf Druck, Volumenstrom und Temperatur eines Pumpenaggregates ansprechen, dessen Motor mit einem Frequenzumrichter gesteuert oder geregelt wird. Externe Stellglieder können beispielsweise Zeitglieder sein, mit denen bestimmte Betriebsweisen des Frequenzumrichters für vorgegebene Zeiträume ein- oder abgestellt werden können. Schließlich können auch noch Schaltelemente bzw. Schalter 18 vorgesehen werden, mit denen durch Schließen oder Öffnen vorbereitete Stromkreise in der Steuerung 7 beeinflußt werden, um das Ausgangssignal des Frequenzumrichters zu verändern, und zwar beispielsweise hinsichtlich seiner Amplitude und Frequenz.

Entsprechend Fig. 2 besteht die aus zwei Teilen herge­ stellte Kapsel 19 des spannungsgespeichert arbeitenden Frequenzumrichters aus einem topfförmigen Teil 20 und einem Deckel 21, die an ihrer Stoßstelle durch Kleben, Schweißen oder dergleichen flüssigkeitsdicht verbunden sind. Innen auf dem Deckel 21 befindet sich ein Träger 22 für die elektrischen Bauteile des Frequenzumrichters, also für die Teile 2, 3 sowie 8-17 nach Fig. 1, die hier einfach als Kästen 23 dargestellt sind. Weiterhin nimmt die Kapsel 19 gemäß der dargestellten Ausführungsform den Kondensator 4 und die Schaltelemente 18 auf. Schließlich sind am oberen Bereich der Kapsel Kontakte 24, 25 vorgesehen, mit denen eine Steckverbindung zu ortsfesten Kontakten hergestellt werden kann, um so den Frequenzumrichter an seine Energiequelle, an die Enden von Motorwicklungen oder an externe Sensoren anschließen zu können. Die Kontakte 24, 25, von denen in der Darstellung nur zwei sichtbar sind und die als Stifte ausge­ bildet sind, stehen geeignet mit den Ein- und Ausgängen des Frequenzumrichters in Verbindung.

Die Kapsel 19 ist erfindungsgemäß zumindest zum Teil mit einem Gemisch aus Flüssigkeit und einem Feststoff aus einem schütt­ fähigen Gut gefüllt.

Dies ist in Fig. 2 durch Angabe des Pegels 27 angedeutet worden, bis zu dem die Kapsel mit Flüssigkeit aufgefüllt ist.

Diese Flüssigkeit nimmt unten einen Teil der Räume zwischen den Feststoffpartikeln 26 ein und kann in direktem Kontakt mit den die Verlustwärme erzeugenden Bauteilen 23 und deren Verbindungen stehen. Auf diese Weise entsteht ein Wärme­ tauscher nach Art einer sogenannten Heat-Pipe, da die Flüssigkeit im Entstehungsbereich der Verlustwärme ver­ dampfen kann, als Dampf nach oben steigt und entweder schon an den weiter oben befindlichen Feststoffpartikeln oder spätestens an der Kapselinnenfläche unter Abgabe von Kon­ densationswärme kondensieren wird. Das Kondensat fließt dann selbsttätig wieder nach unten dorthin zurück, wo die Verlustwärme entsteht und aufzunehmen ist. Ein Teil der Verlust­ wärme wird auch über den Deckel 21 abfließen.

Die Füllung muß, sofern sie direkt in Kontakt mit den strom- bzw. spannungsführenden Teilen des Frequenzumrichters kommen kann, aus elektrisch isolierendem Material bestehen. Als Feststoffe kommen dann z. B. Kunststoffgranulat, Sand und ähnliche Materialien in Betracht, während unter anderem Öle als flüssige Füllmaterialien geeignet sind.

Um die Oberfläche der Kapsel 19 und damit die verfügbare Wärmeaustauschfläche zur Umgebung hin zu vergrößern, kann der Kapselteil 20 am Außenumfang noch mit Kühlrippen 28, Sicken 29 oder dergleichen versehen werden, wie es schematisch und gestrichelt in der Fig. 2 für jeweils nur eine Kühl­ rippe und eine Sicke angedeutet wurde.

Die Fig. 3 zeigt eine Lösung für die Anordnung eines stromgespeichert betriebenen Frequenzumrichters in einem Asynchron-Naßläufermotor. Dieser ist allgemein bekannt und soll deshalb nur in seinen wesentlichen Bauteilen kurz beschrieben werden. Auf der Welle 30 ist das Rotorblech­ paket 31 montiert. Der Rotorraum 32 ist, wenn der Motor z. B. zu einem Tauchpumpenaggregat gehört, mit Wasser ge­ füllt und mit dem Spaltrohr 33 vom trockenen Statorraum 34 getrennt, der die Motorwicklungen 35 und das Statorblech­ paket 36 aufnimmt.

Das Gehäuse 37 ist der Darstellung entsprechend über den eigentlichen Motorteil hinaus nach unten verlängert, so daß ein weiterer Raum 38 entsteht, der mit dem Rotorraum 32 Verbindung haben kann und ebenfalls mit Wasser gefüllt ist, an das die im Frequenzumrichter entstehende Wärme ab­ gegeben wird.

Die Kapsel mit dem Frequenzumrichter ist im Raum 38 mit seinem Eingangs- und Ausgangskreis angeordnet, während die den Zwischenkreis bildende Induktivität 39 des Frequenz­ umrichters extern im Statorraum 34 angeordnet ist. Die Induktivität hat hier die Form einer Ringspule, deren Eisenkern durch die von ihr umgebenen Motorteile gebildet werden kann. Im übrigen ist es klar, daß die Spule über elektrische Leitungen durch die Kapsel 19 hindurch zwischen den Eingangs- und Ausgangskreis des Frequenzumrichters geschaltet ist.

Eine entsprechende räumliche Trennung von Zwischenkreis sowie Eingangs- und Ausgangskreisen des Frequenzumrichters ist natürlich auch bei einer Ausführungsform nach Fig. 2 möglich, indem der dort gezeigte Kondensator 4 außer­ halb der Kapsel 19 in einem trockenen Raum eines Motors oder einer von diesem angetriebenen Arbeitseinheit an­ geordnet wird.

Claims (3)

1. In einem Gehäuse eingebauter statischer Frequenzumrichter, insbesondere Frequenzumrichter zur Steuerung und/oder Re­ gelung von Leistungsgrößen, wie Drehzahl und Drehmoment eines Elektromotors, wobei das Gehäuse eine zur Umgebung hin druckfeste und dichte Kapsel bildet und zumindest zum Teil mit einem ein Heat-Pipe-System bildendes Gemisch aus Flüssigkeit und Feststoff gefüllt ist, dadurch gekennzeich­ net, daß der Feststoff (26) aus einem schüttfähigen Gut besteht.

2. Frequenzumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel (19) vollständig mit dem Feststoff (26) aus­ gefüllt ist.

3. Frequenzumrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß seine Kreise (2, 3, 6 bis 17) einzeln oder in Gruppen räumlich voneinander getrennt angeordnet sind.