JP4063888B2 - 上流周波数変換器を備える電気モータ - Google Patents

Description

本発明は、速度制御のための周波数変換器を備える電気モータに関し、この周波数変換器のケーシングは冷却器または放散器を備えている。
変換器という用語は、一定の周波数および電圧の幹線電圧を可変周波数および可変電圧の３相電圧システムに変換する変圧器を意味するものと理解される。この３相電圧システムを、駆動すべき３相モータ（非同期機）に与えて、電気モータの速度をこれに対応する変換器の出力周波数を選択することによって予め決めておく。
従来の配置では、変換器はスイッチキャビネットに別個の装置として配置され、電気モータに対しては１００ｍに及ぶ長さのモータリード線によって供給するが、これとは異なり、電気モータ制御信号およびパワーエレクトロニクスを機械的装置として電気モータと一体化させた電気モータが既に知られている。こうすれば以前は必要とされていたスイッチキャビネットの空間が不要になり、かつ、１００ｍに及ぶ長さの長いモータリード線のために放射によって従来の配置において生じていたＥＭＣの問題も軽減される。周波数変換器を電気モータと一体化させるためには、そのエレクトロニクスを電気モータの端子箱の１つに設置する。電源および信号線のための端子および／またはプラグといった接続素子もまた、端子箱内に配置する。特に製造技術およびこれに関連する製造コストについては、周波数変換器および電気モータを構造的に相互接続したこのような配置は多数の利点をもたらす。しかしながら、特にパワーエレクトロニクスのパワー出力段の廃熱レベルが高いために、周波数変換器の冷却についての問題が生じる。周波数変換器の廃熱を放散するためには、電気モータのＢ側（Ｂ側とは駆動されるモータシャフト端部から遠い側である）に、ファンとともにファンパネルを取付ける必要があり、このファンは電気モータまたはさらなる別個のファンモータによって駆動されるものである。
周波数変換器を端子箱に統合する代わりに、周波数変換器のケーシングを電気モータのＢ側に取付けることも可能である。ここでもまた、周波数変換器の廃熱を放散するために、電気モータのＢ側にファンを取付けねばならず、これもまた電気モータまたは別個のファンモータによって駆動される。この変形では、電源および信号線のための端子および／またはプラグなどの接続素子のみが１つ以上の端子箱に収容されるため、標準的なサイズは維持される。しかしながら、エレクトロニクスを電気モータのＢ側端部に取入れると、電気モータの全体の長さは増大してしまう。全体の長さがさらに増大するのは、特別のファンパネルが必要なためである。ファンが与えられないのであれば、エレクトロニクスを高温に対して設計しなければならず、特別な高温に対する抵抗のある電気構成部品を使用する。
上記のように変換器を電気モータと統合するする際に特別な部品を使用すると、簡単な標準モータを使用することは不可能である。周波数変換器、特別のファンパネルおよび任意のファンモータを取付けるためには、電気モータにおいて特別な構造が必要である。さらなるファンによって生じる空間の必要性とは別に、騒がしいファンの雑音がさらに生じ、能動的な冷却要素としてのファンのエネルギコストは非常に高い。ファンに必要な別個のモータもまたコストの高い構成部品である。
したがって、周波数変換器が電気モータとともに構造ユニットを形成する電気モータを基礎とする本発明の課題は、単純で、製造費用が安く、コストの高い特別の部品なしで周波数変換器を電気モータと一体化させることができる、電気モータを提供することである。
本発明に従うと、上記の課題は、端子箱に代わり、接続素子を受ける中間部を特徴とし、この中間部により周波数変換器のケーシングを電気モータに関して熱的に分離して取付ける、上記のタイプの電気モータにより解決される。
従来の電気モータは端子箱またはそのためのコネクタを備えている。一体化した周波数変換器を備えた本発明による電気モータにおいては、周波数変換器は端子箱に代わる中間部により接続され、その結果、周波数変換器のケーシングおよび中間部のケーシングは別個のものとなる。このようにして、こうした周波数変換器を中間部によって従来の電気モータに取付けることができる。なぜなら、ファンおよび別個のファンモータといったさらなる構成部品が不要だからである。冷却つまり廃熱の放散は、周波数変換器のケーシングに設けられた冷却器または放散器によって行なわれる。したがって、モータの構成部品の全体を、特別の構造によって周波数変換器の冷却に、特にパワー出力段の廃熱の放散に適応させる必要はなく、その代わりとして、これに対応する処置を周波数変換器のケーシングに施すだけでよい。たとえば、冷却器の有効冷却面をパワーエレクトロニクスに適応させればよい。
例としてファン、ピックアップ、ブレーキ、および／またはこれらの組合せといった、モータなどの従来のＢ側アタッチメントはしたがって、制限なしで取付けることができる。本発明による設計の結果、周波数変換器がさらなるファンまたはファンもしくはファンパネルの特別の構造を有する必要はない。電源および信号線のための端子および／またはプラグといった接続素子は、中間部に収容され、周波数変換器のケーシングを取外した後に容易にアクセスできる。さらなる変形例に従うと、周波数変換器と一体化した電気モータのために必要な構造空間を不必要に増大させないために、周波数変換器のケーシングを中間部の上に長手方向に突出させると、冷却器をケーシングの下で中間部の横に位置決めすることができる。好ましくは、周波数変換器の信号エレクトロニクスは中間部の上に位置決めされてパワーエレクトロニクスはケーシングにおいて冷却器上に位置決めされる。このようにして、パワーエレクトロニクス特にそのパワー出力段からの廃熱を熱伝導により直接冷却器に運ぶことができる。周波数変換器のケーシングにおいて結果として生じる温度条件のために、非常に感度の高い信号エレクトロニクスの近辺では、非常に低温に保つことができる。先行技術による、一体化された周波数変換器を備える電気モータでは、すべての部品は、ねじ止めで、周波数変換器のケーシングのためにアルミニウム合金を用いて、熱的に十分に結合されているため、同じ熱レベルにある。冷却器を周波数変換器のパワー出力段と熱的に良好に結合し、パワー出力段の廃熱を放散させるために、好ましくは、冷却器を熱伝導率の高い材料から形成する。これに応じて、パワー出力段の半導体のパワーを、信号エレクトロニクスに損傷を与えることなく非常に高くすることができる。冷却器の体積および有効冷却面を非常に小さくすることができる。さらなる変形例に従うと、周波数変換器のケーシングもまた熱伝導率の高い材料からなる。こうすると、一体化させた周波数変換器の廃熱の放散は、第１に周波数変換器のケーシングの表面を介して生じ、第２に冷却器を介して生じ、第３に自然対流および放射によって起こる。このように、冷却器によって放散させることができない周波数変換器の廃熱は、周波数変換器のケーシングを介して周囲空気に効率的に放出することができる。
表面積を増大させるために、冷却器を複数の冷却リブまたは冷却ロッドから形成することが可能である。
電気モータに、特定用途条件に合った周波数変換器を迅速にかつ容易に与えることを可能にするためには、周波数変換器と電気モータとの間に取外し可能な接続を設けることが適切であり、そうすれば、たとえばプラグ接続により、このための特別な知識がなくとも関連する装置の簡単なライン接続が可能である。モータへの接続を解除することによって周波数変換器を解体する、または周波数変換器をモータと組立てるだけでよい。
さらなる変形例に従って、雑音抑制装置を中間部に取付けると、このためにさらに外部装置を設ける必要はなくなる。
好ましい変形例に従うと、周波数変換器と電気モータとの熱的な分離は、周波数変換器のケーシングと冷却器および／または中間部との間に少なくとも１つの熱的または熱バリアを設けることによってもたらされる。ケーシングと冷却器との間の熱バリアは、一方では冷却器から周波数変換器のケーシングへの直接的な熱伝達を減少させるのに対し、他方では、冷却器と周波数変換器のケーシングとの間の内部の空気循環を減少させることによって間接的な熱伝達をも減少させる。熱バリアを周波数変換器のケーシングと中間部との間に設けると、一方ではモータの固定子から周波数変換器のケーシングへの中間部を介した直接的な熱伝達を減少させるのに対し、他方ではまた、中間部と周波数変換器のケーシングとの間の内部の空気循環を減少させることによって間接的な熱伝達をも減少させる。好ましい変形例に従うと、周波数変換器のケーシングと冷却器との間、および周波数変換器のケーシングと中間部との間に別々に熱バリアが配置される。これに応じて、熱バリアを異なる、熱伝導率の低い材料から形成することができる。熱バリアを、周波数変換器のケーシングと中間部または冷却器との間の全係合領域の表面を覆うようにするとまた有利である。
好ましい変形例に従うと、周波数変換器のケーシングと冷却器および／または中間部と間に、少なくとも１つの水分バリアが設けられる。この結果、中間部と周波数変換器との間、および周波数変換器と冷却器との間の水分のやりとりが減少する。好ましくは、熱バリアと水分バリアとが機能ユニットを形成する。これに応じ、熱バリアを通し、全体の延長領域で、熱バリアの一方の側と他方の側との間の水分のやりとりを信頼性高く減じることができる。
別々の熱バリアの代わりに、または熱バリアに加えて、中間部を熱伝導率の低い材料から形成することが可能である。このようにして、熱バリアの機能を中間部が果たすようにする、すなわち熱伝達をさらに減少させる。周波数変換器のケーシングを、水分バリアとして構成することも可能であり、こうすれば、中間部と周波数変換器との間の水分の行き来が減少する。
局所的な状況、たとえば塵を含む大気などといったものからおおむね独立したものとして使用できるように周波数変換器のケーシングを外部に対して封止するために、熱および／または水分バリアが好ましくは封止の態様で周波数変換器のケーシングを囲むようにする。この多機能的な定義により、外部から浸透する液体および／または塵に関し特にコストの低い態様でレベルの高い保護をもたらすことができる。
周波数変換器のケーシングを、下部としての中間部の上にこれを閉じるように設けることができるカバー部分として構成すれば、特にコストが安く容易に解体可能または組立可能な構造を得ることができる。こうすれば、周波数変換器を簡単に交換することができ、中間部を、取外して別の蓋を取付けた後に端子箱として用いることも可能である。
本発明のその他の利点および特徴は、請求の範囲、および添付の図面を参照して行なわれる本発明の実施例についての詳細な説明より理解できる。
図１は、第１の実施例における、一体化した周波数変換器を備えた本発明に従う電気モータの側面図である。
図２は、図１の周波数変換器の断面図である。
図３は、第２の実施例における、一体化した周波数変換器を備えた本発明に従う電気モータである。
図４は、中間部から外した周波数変換器を中間部とともに示す斜視図である。
図１は、既知の態様で固定子および回転子を内部に備える、閉じられた、表面冷却の電気モータ１の第１の実施例を示す。熱の放出をよりよく行なうために、ケーシング２は外側においていくつかの表面拡張冷却リブを有する。ファンパネル３内部のＢ側には、電気モータの通風のためのファンが配置されている。駆動されるモータシャフト端部４はＡ側にある。
ケーシング２の外側では電気モータ１のＡ側とＢ側との間に、中間部が設けられ、この中間部は、これがなければあるはずの端子箱に代わるものであり、したがって、電源および信号線のための端子および／またはプラグといった接続素子を有する。中間部５を熱伝導率の低い材料から形成することができる。電気モータのケーシング２から離れた、電気モータ１の固定子に取付けられた中間部５の側では、周波数変換器７のケーシング６が設けられており、これはカバー部分の形状で中間部５の上部にこれを閉じるように取付けられる。ケーシング６は中間部５の上を横に電気モータ１のＢ側端部の方向に向かって突出しており、下の何もない側で、この代表的な実施例では冷却リブによって形成される冷却器または放散器８を有する。中間部５と周波数変換器７のケーシング６との間には、平らな熱バリア９を設けて、ケーシング６および中間部５を互いに封止する。ケーシング６と冷却器８との間には、さらなる別の熱バリア１０が設けられる。しかしながら、これらの熱バリア９および１０を同時に水分バリアとして構成することもできる。さらなる水分バリアを設けることも可能である。この２つの熱バリア９および１０は、好ましくは熱伝導率の低い材料から形成されかつ平らまたは薄層状である。
図２からわかるように、冷却本体８の上で、周波数変換器７のパワーエレクトロニクスの出力段１１が熱バリア９内に配置される。周波数変換器７の信号エレクトロニクスはこれに応じて中間部５の上に配置される。
図３に示された実施例では、同じ構成要素には同じ参照番号が付されている。前述の実施例と異なり、熱バリア１２は、図３においてはケーシング６と中間部５との間かつケーシング６と冷却本体８との間に１つのものとして構成される。この結果、特にコストの低い構造を得ることができる。
図４に示した実施例では、周波数変換器の蓋またはケーシング６は、中間部５から解体されている。この実施例では、冷却本体８′の表面積を増大させるために、複数の冷却ロッドから冷却本体を形成する。
周波数変換器７と中間部５との間に電気接続を形成するために、プラグコネクタ１３および１４を設ける。プラグコネクタの一方の部分１３は周波数変換器７に固定され、他方の部分１４は中間部５に固定される。

Claims (17)

1. 速度制御のための周波数変換器を備える電気モータ（１）であって、前記電気モータは、前記電気モータ（１）に接続され端子箱に代わる中間部（５）とカバー部分（６）とを含むハウジング（５、６）を有し、前記ハウジング（５、６）には熱伝導率の高い材料からなる冷却素子（８）が設けられ、前記周波数変換器は前記カバー部分内に配置され、前記周波数変換器（７）は、プラグソケットコネクタ（１３、１４）により、接続素子を収容する前記中間部（５）に電気的に接続され、熱バリア（９）が前記周波数変換器（７）を収容するカバー部分（６）と前記中間部（５）との間に設けられおよび／または前記中間部（５）が熱バリアの形であり、前記周波数変換器（７）の信号エレクトロニクスが前記中間部（５）に対向するように配置され、前記周波数変換器（７）のパワーエレクトロニクス（１１）のみが前記冷却素子（８）に熱を伝導する態様で接続される、電気モータ。
2. 電気モータ（１）であって、
   信号エレクトロニクスと、前記電気モータ（１）の速度制御のためのパワー段（１１）を備えたパワーエレクトロニクスとを有する周波数変換器（７）と、
   冷却素子（８）が設けられた前記周波数変換器（７）のハウジング（６）と、
   前記電気モータ（１）に接続され、通常設けられる端子箱に代わり、接続素子を含む中間部（５）と、
   前記中間部（５）に接続されるコネクタ（１４）、および、前記周波数変換器（７）に接続され前記周波数変換器（７）を前記中間部に電気的に接続するためのコネクタ（１３）とを含み、
   前記周波数変換器（７）の前記ハウジング（６）は前記中間部（５）を上側で覆うカバー部分の形状で製造され、
   前記信号エレクトロニクスおよび前記パワーエレクトロニクスは前記周波数変換器の前記ハウジング（６）内に設けられ、
   前記パワーエレクトロニクス（１１）は前記冷却素子に接続され、
   熱バリア（９、１０、１２）が前記周波数変換器を含む前記カバー部分（６）と前記中間部（５）との間に設けられおよび／または前記中間部（５）が熱バリアとして設けられる、電気モータ。
3. 前記周波数変換器（７）の前記カバー部分（６）は前記中間部（５）の上で長手方向に突出し、前記冷却素子（８、８′）は前記カバー部分（６）の下で前記中間部（５）の横に配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の電気モータ。
4. 前記パワーエレクトロニクスは前記カバー部分（６）において前記冷却素子（８、８′）の上方に配置されることを特徴とする、請求項１−３のいずれか１つに記載の電気モータ。
5. 前記冷却素子（８）は複数の冷却フィンから形成されることを特徴とする、請求項１−４のいずれか１つに記載の電気モータ。
6. 前記冷却素子（８′）は複数の冷却ロッドから形成されることを特徴とする、請求項１−３のいずれか１つに記載の電気モータ。
7. 前記周波数変換器（７）の前記ハウジング（５、６）の前記カバー部分（６）は熱伝導率の高い材料からなることを特徴とする、請求項１−５のいずれか１つに記載の電気モータ。
8. 前記プラグソケットコネクタ（１３、１４）の、一方のコネクタ部分（１３）は前記周波数変換器（７）に固定接続され、他方の部分（１４）は前記中間部（５）に固定接続されることを特徴とする、請求項７に記載の電気モータ。
9. 雑音抑制装置が前記中間部（５）に設けられることを特徴とする、請求項１−８のいずれか１つに記載の電気モータ。
10. 熱バリア（９、１０、１２）が前記カバー部分（６）と前記冷却素子（８）との間に設けられることを特徴とする、請求項１−９のいずれか１つに記載の電気モータ。
11. 別々の熱バリア（９、１０）の、一方は前記カバー部分と前記冷却素子（８）との間にあり、他方は前記カバー部分と前記中間部（５）との間にあることを特徴とする、請求項１０に記載の電気モータ。
12. 少なくとも１つの防水手段が前記カバー部分と前記冷却素子（８）および／または前記中間部（５）との間に設けられることを特徴とする、請求項１−１１のいずれか１つに記載の電気モータ。
13. 前記熱バリア（９、１０、１２）および前記防水手段はサブアセンブリを形成することを特徴とする、請求項１２に記載の電気モータ。
14. 前記中間部（５）は熱伝導率の低い材料からなることを特徴とする、請求項１−５のいずれか１つまたは１３に記載の電気モータ。
15. 前記カバー部分（６）は防水手段の形であることを特徴とする、請求項１−１１のいずれか１つまたは１４に記載の電気モータ。
16. 前記熱バリアおよび／または防水手段は前記カバー部分（６）と前記中間部（５）または冷却素子（８）との間の封止を形成するように与えられることを特徴とする、請求項の１−１５のいずれか１つに記載の電気モータ。
17. 前記カバー部分（６）は前記中間部（５）に下部分として取り付けられて前記中間部を封止することを特徴とする、請求項１−１６のいずれか１つに記載の電気モータ。

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