WO2017055134A1 - Antriebseinheit und aggregat mit kühlung - Google Patents

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WO2017055134A1
WO2017055134A1 PCT/EP2016/072247 EP2016072247W WO2017055134A1 WO 2017055134 A1 WO2017055134 A1 WO 2017055134A1 EP 2016072247 W EP2016072247 W EP 2016072247W WO 2017055134 A1 WO2017055134 A1 WO 2017055134A1
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cooling
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pump
drive unit
frequency converter
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PCT/EP2016/072247
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Andreas Guender
Rene HUETTL
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Robert Bosch Gmbh
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    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20927—Liquid coolant without phase change

Definitions

  • the invention relates to a drive unit with a hydrostatic pump, an electric motor and a cooled frequency converter.
  • the invention further relates to an assembly with such a drive unit.
  • a hydrostatic pump which via a hydraulic circuit a hydraulic consumer such. powered by an engine or a cylinder.
  • a frequency converter is provided which produces waste heat.
  • a large part of the waste heat is generated by the power electronics or by the bipolar transistor (s) with insulated gate electrodes (IGBTs) as well as by rectifiers.
  • the frequency converter or the IGBTs and / or the rectifiers are usually screwed directly onto the heat sink.
  • the heat sink is made of a material with high thermal conductivity, such as e.g. Aluminum.
  • a heat conduction paste is provided between the frequency converter or the IGBTs and / or the rectifiers and the heat sink.
  • waste heat is generated at further capacitors in the interior of the frequency converter. Since these are much smaller, there is no need for cooling over a heat sink.
  • the waste heat is transferred to the ambient air either by natural convection or by forced convention using a case fan.
  • Frequency converters are cooled with water-cooled heat sinks, is the device-technical effort for the water cycle.
  • the invention is based on the object to provide a drive unit and an aggregate with cooling, the cooling capacity is comparable to that of the water cooling, the device complexity is to be reduced.
  • the drive unit according to the invention has an electric motor, which is coupled to the drive of a hydrostatic pump to this or preferably coupled.
  • the electric motor is electrically connected to a frequency converter, which is cooled by a cooling device.
  • the cooling device can be cooled by a working pressure medium, in particular can be flowed through, which is either directly in the working circuit operated by the pump, or which is taken from at least this working cycle.
  • the object is achieved by an aggregate with a hydrostatic pump which is drivable via an electric motor which is electrically connected to a frequency converter, wherein the frequency converter is cooled by a cooling device.
  • the cooling device can be cooled by a working pressure medium, in particular can be flowed through, which is either directly in the working circuit operated by the pump, or which is taken from at least this working cycle.
  • cooling the frequency converter according to the invention with the working pressure means is a device-technically simple but effective cooling of the frequency converter and in particular its power electronics and its Bipolar transistors with insulated gate electrodes (IGBTs) and / or rectifier possible, without the need for a special coolant circuit with a special coolant.
  • IGBTs insulated gate electrodes
  • the working pressure agent is a hydraulic oil, its anticorrosive effect can be utilized.
  • the frequency converter has a housing, protection against dust and / or splash water and / or an increase in the protection class can be achieved. This way, a protection class of at least IP54 can be realized.
  • the frequency converter must not be accommodated in a control cabinet, in particular in the development with the housing, but may be spatially associated with the drive unit or the unit according to the invention.
  • a more modular compact drive unit or a modular compact unit can be formed.
  • the frequency converter emits its waste heat in the cabinet, which in turn must be laboriously cooled.
  • the portion of maximum heat generation of the frequency converter e.g. the power electronics, or the insulated gate bipolar transistor (IGBT) and / or the rectifier arranged in close proximity to the heat sink.
  • the frequency converter e.g. the power electronics, or the insulated gate bipolar transistor (IGBT) and / or the rectifier arranged in close proximity to the heat sink.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the heat sink may be a cooling plate or coldplate in a preferred embodiment. This can be circular disk-shaped, with which a compact aggregate can be formed, even if the tank and the housing are circular-cylindrical.
  • an inner cooling water channel can additionally be provided according to a first development.
  • further fins and at least one fan or a fan may be provided according to a second embodiment. By means of the further fins, heat generated by the electric motor can also be released to the ambient air.
  • the frequency converter at a portion of the heat sink (for example, with heat transfer paste provided therebetween heat conduction), in which a channel for the working pressure medium is introduced into the heat sink.
  • a wall thickness between the channel and the frequency converter or the IGBT and / or the rectifier should be minimal.
  • the channel for the working pressure medium forms at least a portion of a return line of a circuit via which a consumer can be supplied by the pump.
  • the channel for the working pressure medium forms at least a portion of a return line from a low-pressure side consumer connection of the unit to a tank of the unit.
  • the channel for the working pressure medium forms at least a portion of a suction line arranged upstream of the pump.
  • the channel for the working pressure medium forms at least a portion of a suction line arranged upstream of the pump, which connects the tank to the pump.
  • the channel for the working pressure medium forms at least a portion of a supply line or pressure line arranged downstream of the pump.
  • the channel for the working pressure medium forms at least a portion of a supply line or pressure line arranged downstream of the pump, which connects the pump to a high pressure side consumer connection.
  • the channel for the working pressure medium forms at least one section of an extra cooling circuit line or a bypass which is connected to the tank at the inlet and outlet ends. In this case, the cooling circuit line or the bypass, a cooling pump and / or a
  • the oil cooler may be an oil-air heat exchanger.
  • the unit is a compact unit, wherein on a first side (top) of the cooling plate of the frequency converter is fixed, while on a second side (bottom) of the cooling plate of the electric motor is attached.
  • the housing for the frequency converter is arranged on the first side, then a protection against dust and / or splash water and / or an increase in the protection class can be achieved.
  • the housing may be designed such that the air of the fan is passed over the disk packs and a lateral evasion of the air is prevented. It can in the area of the second side (bottom) - preferably at one of the
  • Cooling plate side facing away from the electric motor - be arranged and the pump.
  • the compact unit includes the
  • the tank has an annular bottom formed integrally with walls and is closed by the cooling plate.
  • the working pressure medium which according to the invention has absorbed the waste heat of the frequency converter
  • the pressure medium can flow when entering the tank and - especially the previously recorded by the frequency converter - give off heat.
  • the unit may have a frequency control.
  • the pressure in the supply line or pressure line is measured via a pressure sensor, and pass the signal to the frequency converter with integrated PID controller for a constant pressure control. This now regulates the frequency of the power supply of the electric motor. This ensures that, depending on the volume flow in the supply line, which is determined by the hydraulic system, the pressure in the supply line is kept constant. If the consumer requires more volumetric flow, e.g. because a hydraulic cylinder has to move very fast, the frequency converter accelerates the electric motor according to the control circuit (pressure sensor-frequency converter-motor-pump) and keeps the pressure constant.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of an inventive unit according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of an inventive unit according to a third exemplary embodiment
  • Figure 4 in a circuit diagram of an inventive unit according to a fourth embodiment
  • FIG. 5 shows a perspective sectional view of the unit of Figure 1.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of the unit according to the invention according to a first embodiment.
  • the unit has a drive unit with an electric motor M and a hydrostatic pump 1.
  • the electric motor M of the drive unit is with a frequency converter 2 operated.
  • the unit has a tank T for pressure medium, such as hydraulic oil.
  • the frequency converter 2 is connected between an electrical power supply 4 and an electrical line 6, so that via the electrical line 6 of the electric motor M is frequency-controlled and thus supplied speed-controlled. Via a shaft 8 so that the pump 1 is driven by the electric motor M variable speed.
  • the pump 1 sucks via a suction line 10 pressure fluid from the tank T and promotes this via a supply line 12 to a high-pressure side consumer port 14 of the unit.
  • a consumer is connected via valves, the z. B. may be a cylinder. The consumer is shown only symbolically together with the valves and identified by the reference numeral 16.
  • the pressure medium flows from the consumer 16 back into the unit. More specifically, the pressure medium flows from the consumer port 18 via a return line 20 to the tank T.
  • the return line 20 is formed completely or in sections by a channel 22 which is formed in the interior of a cooling plate 24.
  • a channel 22 which is formed in the interior of a cooling plate 24.
  • To the cooling plate 24 of the frequency converter 4 is screwed such that its power electronics 28 are positioned with bipolar transistors with insulated gate electrodes (IGBT's) in the immediate vicinity of the cooling plate 24 and in particular of the channel 22.
  • IGBT's insulated gate electrodes
  • the frequency converter 2 and its power electronics 28 have a housing 26 which is largely tightly connected to the cooling plate 24, so that the protection class IP54 is reached.
  • a constant pressure regulation takes place.
  • a pressure sensor 30 is provided on the supply line 12, whose signal is transmitted via a signal line to the frequency converter 2. This regulates the frequency for the electrical line 6 and for the electric motor M in response to the pressure signal.
  • Figure 2 shows a circuit diagram of the unit according to the invention according to a second embodiment.
  • the decisive difference from the first exemplary embodiment according to FIG. 1 is that the channel 22 formed in the cooling plate 24 forms the supply line 12 or a section of the supply line 12.
  • the frequency converter 2 and in particular its power electronics 28 is cooled by the pressure medium, which is promoted by the pump 1 to the high pressure side consumer port 14 and thus via the valves to the consumer (common reference 16).
  • Figure 3 shows a circuit diagram of a third embodiment of the unit according to the invention.
  • the channel 22 formed in the cooling plate 24 forms the suction line 10 or a portion of the suction line 10 which connects the tank T to an inlet of the pump 1.
  • the frequency converter 2 and in particular its power electronics 28 is cooled by the pressure medium flowing from the tank T to the pump 1.
  • a special refrigeration cycle 30 is provided with a special drive unit for the refrigeration cycle 30, which in turn consists of an electric motor and a pump.
  • the pump of the drive unit 32 sucks the pressure medium for cooling the frequency converter 2 and its power electronics 28 directly from the tank T and conveys it directly back into the tank T.
  • the pressure medium from the pump of the drive unit 32 first flows through a heat exchanger 34, then through a filter 36 and finally through the channel 22 of the cooling plate 24 to which the frequency converter 2 and in particular its power electronics 28 is attached.
  • Figure 5 shows a perspective sectional view of the structural design of the compact unit of Figure 1. It has an approximately circular cylindrical outer periphery, wherein in a central region of the circular disc-shaped cooling plate 24 is provided.
  • the elongated frequency converter 2 On a first side (in Figure 5, the top) of the cooling plate 24 is the elongated frequency converter 2 with the power electronics 28 attached.
  • the frequency converter 2 Along a long side of the frequency converter 2, with which it rests against the cooling plate 24, extends inside the cooling plate 24 from the low-pressure side consumer port 18 to a return filter 38, the channel 22, in its flow the recirculated pressure medium, the waste heat of the frequency converter 2 and in particular receives its power electronics 28.
  • the cooling plate 24 On a second side (in Figure 5, the bottom) of the cooling plate 24 is concentrically via a damping element 40 of the electric motor M and at its side remote from the damping element 40 side of the pump 1 is arranged.
  • the consisting of the electric motor M and the pump 1 drive unit is concentrically on the outer circumference of the tank T includes, which is also attached to the second side (in Figure 5 of the underside) of the cooling plate 24.
  • the cooling plate 24 closes one end of the tank T, while the other end of the tank T is closed by a circular disk-shaped bottom 42 formed integrally with the two circular cylindrical walls.
  • each disc pack 44 consists of a plurality of approximately semicircular individual lamellae.
  • the lamellae of each plate pack 44 are thermally conductively connected via a plurality of heat pipes 46 to further plate packs 48 which are provided on the first side (in FIG. 5 at the top side) of the cooling plate 24.
  • the pressure medium flowing back from the low-pressure-side consumer connection 18 flows through the channel 22 of the cooling plate 24 and absorbs waste heat from the frequency converter 2 and, in particular, its power electronics 28.
  • the pressure medium then flows by gravity over the two disk packs 44 in the direction of the bottom 42 of the tank T and thereby releases the heat to the two disk packs 44.
  • the heat is passed through the heat pipes 46 to the top of the cooling plate 24 to the other plate packs 48, which deliver the heat to the ambient air.
  • the drive unit is located in the middle of the compact unit. Surrounded by the tank T, which contains the pressure medium. The lid of the tank T is as a cooling plate 24 executed.
  • the cooling plate 24 is made of a good thermal conductivity material, such as aluminum.
  • the frequency converter 2 On the cooling plate 24, the frequency converter 2 is mounted. Since the frequency converter 2 used here only has a protection class IP22, it is surrounded by the housing 26. The enclosure increases the protection class for the drive to> IP54.
  • the backflowing pressure medium is cooled here by means of heatpipe cooling.
  • the Heatpipeksselung consists of the disk set 44, which passes through the tank T and absorbs the heat energy from the pressure medium.
  • the heat pipes 44 are preferably designed as heat siphons and transport the heat energy against gravity to the further plate pack 48, which emits the heat to the ambient air.
  • fans (not shown) are additionally installed.
  • the cooling plate 24 is made of a good thermal conductive material, e.g. Aluminum, the thermal resistance for the frequency converter 2 may be too large (thermal resistance from the IGBT via the cooling plate 24 to the heat pipes and finally the outer plate pack 48). Therefore, the returning pressure medium is used to receive and dissipate the heat energy of the frequency converter 2.
  • the returning pressure medium flows (in Figure 5 from the right) into the channel 22 at the bottom of the frequency converter 2 through the cooling plate 24 and in the return filter 38, which is integrated in the cooling plate 24. It does not necessarily have a return filter 38 installed, the pressure medium can pass directly from the top into the tank T after flowing through the cooling plate 24.
  • the electric motor M is also cooled by means of heatpipe cooling. Holes in the direction of gravity are integrated in the housing, into which heat pipes (not shown) have good thermal conductivity, e.g. with thermal paste, are plugged.
  • the heat pipes transport the heat energy of the electric motor M to a further plate pack 50, where it is discharged to the ambient air.
  • the return pressure medium passage 22 is very close to the power electronics 28 (IGBT) of the frequency converter 2.
  • IGBT power electronics 28
  • a frequency converter with cooling for an electric motor that drives a hydrostatic pump The cooling takes place via the working pressure medium that is pumped by the pump.
  • a channel of the cooling form a portion of the hydraulic circuit, which is supplied by the pump, or the working pressure medium is removed from a tank and promoted an extra cooling circuit.

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Abstract

Offenbart ist ein Frequenzumrichter mit einer Kühlung für einen Elektromotor, der eine hydrostatische Pumpe antreibt. Die Kühlung erfolgt über das Arbeitsdruckmittel, das von der Pumpe gefördert wird. Dabei kann ein Kanal der Kühlung einen Abschnitt des hydraulischen Kreises bilden, der von der Pumpe versorgt wird, oder das Arbeitsdruckmittel wird aus einem Tank entnommen und ein eine extra Kühlkreisleitung gefördert.

Description

Antriebseinheit und Aggregat mit Kühlung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit mit einer hydrostatischen Pumpe, einem Elektromotor und einem gekühlten Frequenzumrichter. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Aggregat mit einer derartigen Antriebseinheit.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, über einen Elektromotor eine hydrostatische Pumpe anzutreiben, die über einen hydraulischen Kreis einen hydraulischen Verbraucher wie z.B. einen Motor oder einen Zylinder versorgt. Zwischen einer Stromversorgung und dem Elektromotor ist ein Frequenzumrichter vorgesehen, der Abwärme produziert. Ein Großteil der Abwärme entsteht an der Leistungselektronik bzw. an dem oder den Bipolartransistoren mit isolierten Gate- Elektroden (IGBT's) sowie an Gleichrichtern. Um die Abwärme optimal an einen Kühlkörper weiterzuleiten ist der Frequenzumrichter bzw. sind die IGBTs und/oder die Gleichrichter meistens direkt auf den Kühlkörper geschraubt. Der Kühlkörper ist aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie z.B. Aluminium. Zur Optimierung des Wärmeübergangs ist zwischen dem Frequenzumrichter bzw. den IGBT's und/oder den Gleichrichtern und dem Kühlkörper eine Wärmeleitplaste vorgesehen.
Weitere Abwärme entsteht an weitern Kondensatoren im Innenraum des Frequenzumrichters. Da diese viel kleiner sind, wird dort keine Kühlung über einen Kühlkörper benötigt. Die Abwärme wird entweder über natürliche Konvektion oder über erzwungene Konvention mit Hilfe eines Gehäuselüfters an die Umgebungsluft übertragen.
Alternativ ist es aus dem Stand der Technik bekannt, den Kühlkörper mit einer speziellen Kühlflüssigkeit, z.B. Wasser zu durchströmen. Dies wird durch Bohrungen bzw. Aussparungen im Innenraum des Kühlkörpers geführt. Auch bei wassergekühlten Kühlkörpern werden die IGBT's und/oder die Gleichrichter mit Wärmeleitpaste direkt mit dem Kühlkörper verschraubt, um einen guten Wärmeübergang zu ermöglichen. Meist hat ein Kühlkörper mit Wasserkühlung aufgrund des höheren Wärmeübergangs bzw. der höheren Wärmekapazität von Wasser eine größere Kühlleistung. Nachteilig an derartigen Antriebseinheiten mit Elektromotoren, deren
Frequenzumrichter mit wassergekühlten Kühlkörpern gekühlt werden, ist der vorrichtungstechnische Aufwand für den Wasserkreislauf.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Antriebseinheit und ein Aggregat mit Kühlung zu schaffen, deren Kühlleistung vergleichbar mit derjenigen der Wasserkühlung ist, wobei der vorrichtungstechnische Aufwand reduziert werden soll.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Antriebseinheit mit einer Pumpe und mit einem Elektromotor und mit einem gekühlten Frequenzumrichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Antriebseinheit hat einen Elektromotor, der zum Antrieb einer hydrostatischen Pumpe an diese koppelbar oder vorzugsweise gekoppelt ist. Der Elektromotor ist elektrisch mit einem Frequenzumrichter verbunden, der über eine Kühlvorrichtung gekühlt ist. Die Kühlvorrichtung ist von einem Arbeitsdruckmittel kühlbar, insbesondere durchströmbar, das sich entweder direkt in dem von der Pumpe betriebenen Arbeitskreislauf befindet, oder das zumindest diesem Arbeitskreislauf entnommen ist.
Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Aggregat mit einer hydrostatischen Pumpe, die über einen Elektromotor antreibbar ist, der elektrisch mit einem Frequenzumrichter verbunden ist, wobei der Frequenzumrichter über eine Kühlvorrichtung gekühlt ist. Die Kühlvorrichtung ist von einem Arbeitsdruckmittel kühlbar, insbesondere durchströmbar, das sich entweder direkt in dem von der Pumpe betriebenen Arbeitskreislauf befindet, oder das zumindest diesem Arbeitskreislauf entnommen ist.
Durch die erfindungsgemäße Kühlung des Frequenzumrichters mit dem Arbeitsdruckmittel ist eine vorrichtungstechnisch einfache aber effektive Kühlung des Frequenzumrichters und insbesondere seiner Leistungselektronik und seiner Bipolartransistoren mit isolierten Gate- Elektroden (IGBT's) und/oder Gleichrichter möglich, ohne dass ein spezieller Kühlmittelkreis mit einem speziellen Kühlmittel nötig ist.
Wenn das Arbeitsdruckmittel ein Hydrauliköl ist, kann dessen antikorrosive Wirkung genutzt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben. Wenn der Frequenzumrichter ein Gehäuse hat, kann damit ein Schutz gegen Staub und/oder Spritzwasser und/oder eine Erhöhung der Schutzklasse erreicht werden. So lässt sich eine Schutzklasse von mindestens IP54 realisieren.
Weiterhin muss - insbesondere bei der Weiterbildung mit dem Gehäuse - der Frequenzumrichter nicht in einem Schaltschrank aufgenommen sein, sondern kann räumlich dem erfindungsgemäßen Antriebseinheit bzw. dem erfindungsgemäßen Aggregat zugeordnet sein. So lässt sich eine modularere kompaktere Antriebseinheit bzw. ein modulares kompaktes Aggregat ausbilden. Weiterhin ist es vermieden, dass der Frequenzumrichter seine Abwärme in den Schaltschrank abgibt, der wiederum aufwändig gekühlt werden muss.
Vorzugsweise ist der Abschnitt der größten Wärmeentwicklung des Frequenzumrichters, z.B. die Leistungselektronik, oder der Bipolartransistor mit isolierter Gate- Elektrode (IGBT) und/oder der Gleichrichter in unmittelbarer Nähe zum Kühlkörper angeordnet.
Der Kühlkörper kann bei einer bevorzugten Ausgestaltung eine Kühlplatte oder Coldplate sein. Diese kann kreisscheibenförmig sein, womit sich ein kompaktes Aggregat bilden lässt, wenn auch der Tank und das Gehäuse kreiszylindrisch sind.
Zur Abfuhr der vom Kühlkörper aufgenommen Wärme kann gemäß einer ersten Weiterbildung ergänzend ein innerer Kühlwasserkanal vorgesehen sein. Zur Abgabe der vom Kühlkörper aufgenommen Wärme an die Umgebungsluft können gemäß einer zweiten Weiterbildung weitere Lamellen und zumindest ein Lüfter oder ein Ventilator vorgesehen sein. Über die weiteren Lamellen lässt sich auch von dem Elektromotor erzeugte Wärme an die Umgebungsluft abgeben.
Vorzugsweise ist der Frequenzumrichter an einem Bereich des Kühlkörpers (z.B. mit dazwischen vorgesehener Wärme leitpaste) wärmeleitend befestigt, in dem auch ein Kanal für das Arbeitsdruckmittel in den Kühlkörper eingebracht ist. Eine Wandstärke zwischen dem Kanal und dem Frequenzumrichter bzw. dem IGBT und/oder dem Gleichrichter sollte minimal sein.
Bei einer ersten besonders bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Antriebseinheit bildet der Kanal für das Arbeitsdruckmittel zumindest einen Abschnitt einer Rückleitung eines Kreises, über den von der Pumpe ein Verbraucher versorgbar ist. Bei der entsprechenden besonders bevorzugten ersten Variante des erfindungsgemäßen Aggregats bildet der Kanal für das Arbeitsdruckmittel zumindest einen Abschnitt einer Rückleitung von einem niederdruckseitigen Verbraucheranschluss des Aggregats zu einem Tank des Aggregats. Bei einer bevorzugten zweiten Variante der erfindungsgemäßen Antriebseinheit bildet der Kanal für das Arbeitsdruckmittel zumindest einen Abschnitt einer stromauf der Pumpe angeordneten Saugleitung. Bei der entsprechenden bevorzugten zweiten Variante des erfindungsgemäßen Aggregats bildet der Kanal für das Arbeitsdruckmittel zumindest einen Abschnitt einer stromauf der Pumpe angeordneten Saugleitung, die den Tank mit der Pumpe verbindet.
Bei einer bevorzugten dritten Variante der erfindungsgemäßen Antriebseinheit bildet der Kanal für das Arbeitsdruckmittel zumindest einen Abschnitt einer stromab der Pumpe angeordneten Zuleitung oder Druckleitung. Bei der entsprechenden bevorzugten dritten Variante des erfindungsgemäßen Aggregats bildet der Kanal für das Arbeitsdruckmittel zumindest einen Abschnitt einer stromab der Pumpe angeordneten Zuleitung oder Druckleitung, die die Pumpe mit einem hochdruckseitigen Verbraucheranschluss verbindet. Bei einer bevorzugten vierten Variante des erfindungsgemäßen Aggregats bildet der Kanal für das Arbeitsdruckmittel zumindest einen Abschnitt einer extra Kühlkreisleitung oder eines Bypasses, die oder der eingangs- und ausgangsseitig mit dem Tank verbunden ist. Dabei kann die Kühlkreisleitung oder der Bypass eine Kühlpumpe und/oder einen
Filter und/oder einen Ölkühler aufweisen. Der Ölkühler kann ein Öl-Luft-Wärmetauscher sein.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist das Aggregat ein Kompaktaggregat, wobei an einer ersten Seite (Oberseite) der Kühlplatte der Frequenzumrichter befestigt ist, während an einer zweiten Seite (Unterseite) der Kühlplatte der Elektromotor befestigt ist.
Wenn an der ersten Seite das Gehäuse für den Frequenzumrichter angeordnet ist, kann damit ein Schutz gegen Staub und/oder Spritzwasser und/oder eine Erhöhung der Schutzklasse erreicht werden. Weiterhin kann das Gehäuse derart gestaltet sein, dass die Luft der Lüfter über die Lamellenpakete geleitet wird und ein seitliches Ausweichen der Luft verhindert wird. Dabei kann im Bereich der zweiten Seite (Unterseite) - vorzugsweise an einer von der
Kühlplatte abgewandten Seite des Elektromotors - auch die Pumpe angeordnet sein.
Dabei kann im Bereich der zweiten Seite (Unterseite) auch der Tank angeordnet sein. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Kompaktaggregates umfasst der
Tank den Elektromotor und/oder die Pumpe vollumfänglich.
Vorzugsweise hat der Tank einen einstückig mit Wandungen gebildeten kreisringförmigen Boden und ist von der Kühlplatte verschlossen.
Um das Arbeitsdruckmittel, das erfindungsgemäß die Abwärme des Frequenzumrichters aufgenommen hat, zu kühlen, wird es besonders bevorzugt, wenn im Tank Lamellen angeordnet sind, die wärmeleitend über Heatpipes mit der Kühlplatte verbunden sind. Über dies kann das Druckmittel beim Eintritt in den Tank strömen und - insbesondere die zuvor von dem Frequenzumrichter aufgenommene - Wärme abgeben.
Es wird aus gestaltungstechnischen und fertigungstechnischen Gründen bevorzugt, wenn die Kühlplatte, der Elektromotor, die Pumpe und der Tank des Kompaktaggregats konzentrisch zueinander sind.
Das Aggregat kann eine Frequenzregelung aufweisen. Dabei wird der Druck in der Zuleitung bzw. Druckleitung über einen Drucksensor gemessen, und das Signal an den Frequenzumrichter mit integriertem PID-Regler für eine Konstantdruckregelung weitergeben. Dieser regelt nun die Frequenz der Leistungsversorgung des Elektromotors. Damit wird erreicht, dass je nach Volumenstrom in der Zuleitung, welcher durch das hydraulische System bestimmt wird, der Druck in der Zuleitung konstant gehalten wird. Benötigt der Verbraucher mehr Volumenstrom, z.B. weil ein Hydraulikzylinder sehr schnell verfahren muss, beschleunigt der Frequenzumrichter den Elektromotor entsprechend dem Regelkreis (Drucksensor-Frequenzumrichter-Motor-Pumpe) und hält den Druck konstant.
Mehrere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Aggregats, das eine erfindungsgemäße Antriebseinheit aufweist, sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 in einem Schaltplan eines erfindungsgemäßen Aggregats gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2 in einem Schaltplan eines erfindungsgemäßen Aggregats gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Figur 3 in einem Schaltplan eines erfindungsgemäßen Aggregats gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
Figur 4 in einem Schaltplan eines erfindungsgemäßen Aggregats gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel und
Figur 5 in einer perspektivischen geschnittenen Darstellung das Aggregat aus Figur 1.
Figur 1 zeigt einen Schaltplan des erfindungsgemäßen Aggregats gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Aggregat weist eine Antriebseinheit mit einem Elektromotor M und einer hydrostatischen Pumpe 1 auf. Der Elektromotor M der Antriebseinheit wird mit einem Frequenzumrichter 2 betrieben. Weiterhin weist das Aggregat einen Tank T für Druckmittel, z.B. Hydrauliköl auf.
Der Frequenzumrichter 2 ist zwischen eine elektrische Leistungsversorgung 4 und eine elektrische Leitung 6 geschaltet, so dass über die elektrische Leitung 6 der Elektromotor M frequenzgeregelt und damit drehzahlgeregelt versorgt wird. Über eine Welle 8 wird damit die Pumpe 1 vom Elektromotor M drehzahlvariabel angetrieben. Dabei saugt die Pumpe 1 über eine Saugleitung 10 Druckmittel aus dem Tank T an und fördert dieses über eine Zuleitung 12 zu einem hochdruckseitigen Verbraucheranschluss 14 des Aggregats. An diesen Verbraucheranschluss 14 ist über Ventile ein Verbraucher angeschlossen, der z. B. ein Zylinder sein kann. Der Verbraucher ist zusammen mit den Ventilen nur symbolisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnet.
Über einen niederdruckseitigen Verbraucheranschluss 18 strömt das Druckmittel vom Verbraucher 16 zurück in das Aggregat. Genauer gesagt strömt das Druckmittel vom Verbraucheranschluss 18 über eine Rückleitung 20 zum Tank T.
Erfindungsgemäß wird die Rückleitung 20 komplett oder abschnittsweise von einem Kanal 22 gebildet, der im Innern einer Kühlplatte 24 ausgebildet ist. An die Kühlplatte 24 ist der Frequenzumrichter 4 derart geschraubt, dass dabei seine Leistungselektronik 28 mit Bipolartransistoren mit isolierten Gate- Elektroden (IGBT's) in unmittelbarer Nähe der Kühlplatte 24 und insbesondere des Kanals 22 positioniert sind. Beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 wird der Frequenzumrichter 2 und insbesondere seine Leistungselektronik 28 über das vom Verbraucher 16 zurückströmende Arbeitsdruckmittel gekühlt.
Der Frequenzumrichter 2 und seine Leistungselektronik 28 haben ein Gehäuse 26 das weitgehend dicht mit der Kühlplatte 24 verbunden ist, so dass die Schutzklasse IP54 erreicht ist.
Beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 findet eine Konstantdruckregelung statt. Dazu ist an der Zuleitung 12 ein Drucksensor 30 vorgesehen, dessen Signal über eine Signalleitung zum Frequenzumrichter 2 übermittelt wird. Dieser regelt die Frequenz für die elektrische Leitung 6 und für den Elektromotor M in Abhängigkeit des Drucksignals. Figur 2 zeigt einen Schaltplan des erfindungsgemäßen Aggregats gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Dabei ist der entscheidende Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 darin zu sehen, dass der in der Kühlplatte 24 gebildete Kanal 22 die Zuleitung 12 oder einen Abschnitt der Zuleitung 12 bildet. Damit wird der Frequenzumrichter 2 und insbesondere seine Leistungselektronik 28 vom Druckmittel gekühlt, das von der Pumpe 1 zum hochdruckseitigen Verbraucheranschluss 14 und damit über die Ventile zum Verbraucher (gemeinsames Bezugszeichen 16) gefördert wird. Figur 3 zeigt einen Schaltplan eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Aggregats. Dabei ist der entscheidende Unterschied zu den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen darin zu sehen, dass der Kanal 22, der in der Kühlplatte 24 gebildet ist, die Saugleitung 10 oder einen Abschnitt der Saugleitung 10 bildet, die den Tank T mit einem Eingang der Pumpe 1 verbindet. Damit wird der Frequenzumrichter 2 und insbesondere seine Leistungselektronik 28 durch das Druckmittel gekühlt, das vom Tank T zur Pumpe 1 strömt.
Während bei den ersten drei Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 bis 3 der Frequenzumrichter 2 jeweils mit Druckmittel gekühlt wird, das direkt im Arbeitskreis des erfindungsgemäßen Aggregats strömt, zeigt das vierte Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 eine prinzipiell davon abweichende Lösung. Genauer gesagt ist ein spezieller Kühlkreis 30 mit einer speziellen Antriebseinheit für den Kühlkreis 30 vorgesehen, die wiederum eine aus einem Elektromotor und einer Pumpe besteht. Die Pumpe der Antriebseinheit 32 saugt das zur Kühlung des Frequenzumrichters 2 und seiner Leistungselektronik 28 dienende Druckmittel direkt aus dem Tank T an und fördert es direkt zurück in den Tank T. Dabei strömt das Druckmittel von der Pumpe der Antriebseinheit 32 zunächst durch einen Wärmetauscher 34, dann durch einen Filter 36 und schließlich durch den Kanal 22 der Kühlplatte 24, an dem der Frequenzumrichter 2 und insbesondere seine Leistungselektronik 28 befestigt ist.
Figur 5 zeigt in einer perspektivischen geschnittenen Darstellung die konstruktive Ausgestaltung des Kompaktaggregats aus Figur 1. Es hat einen etwa kreiszylindrischen Außenumfang, wobei in einem mittleren Bereich die kreisscheibenförmige Kühlplatte 24 vorgesehen ist. An einer ersten Seite (in Figur 5 die Oberseite) der Kühlplatte 24 ist der längliche Frequenzumrichter 2 mit der Leistungselektronik 28 befestigt. Entlang einer langen Seite des Frequenzumrichters 2, mit der er an der Kühlplatte 24 anliegt, erstreckt sich im Innern der Kühlplatte 24 von dem niederdruckseitigen Verbraucheranschluss 18 bis zu einem Rücklauffilter 38 der Kanal 22, bei dessen Durchströmung das rückgeführte Druckmittel die Abwärme des Frequenzumrichters 2 und insbesondere seiner Leistungselektronik 28 aufnimmt.
An einer zweiten Seite (in Figur 5 die Unterseite) der Kühlplatte 24 ist konzentrisch über ein Dämpfungselement 40 der Elektromotor M und an dessen vom Dämpfungselement 40 abgewandten Seite die Pumpe 1 angeordnet. Die aus dem Elektromotor M und der Pumpe 1 bestehende Antriebseinheit wird am Außenumfang konzentrisch von dem Tank T umfasst, der ebenfalls an der zweiten Seite (in Figur 5 der Unterseite) der Kühlplatte 24 befestigt ist. Dabei verschließt die Kühlplatte 24 eine Stirnseite des Tanks T, während die andere Stirnseite des Tanks T von einem einstückig mit den beiden kreiszylindrischen Wandungen gebildeten kreisscheibenförmigen Boden 42 verschlossen ist.
Im Innern des Tanks T sind zwei einander gegenüberliegende Lamellenpakete 44 vorgesehen, von denen in Figur 5 nur ein Lamellenpaket 44 gezeigt ist. Jedes Lamellenpaket 44 besteht aus einer Vielzahl von etwa halbkreisförmigen Einzellamellen. Die Lamellen jedes Lamellenpakets 44 sind über mehrere Heatpipes 46 wärmeleitend mit weiteren Lamellenpaketen 48 verbunden, die an der ersten Seite (in Figur 5 an der Oberseite) der Kühlplatte 24 vorgesehen sind.
Das vom niederdruckseitigen Verbraucheranschluss 18 zurückströmende Druckmittel durchströmt den Kanal 22 der Kühlplatte 24 und nimmt dabei Abwärme des Frequenzumrichters 2 und insbesondere seiner Leistungselektronik 28 auf. Das Druckmittel strömt danach der Schwerkraft folgend über die beiden Lamellenpakete 44 in Richtung zum Boden 42 des Tanks T und gibt dabei die Wärme an die beiden Lamellenpakete 44 ab. Von den beiden Lamellenpakten 44 wird die Wärme über die Heatpipes 46 an die Oberseite der Kühlplatte 24 zu den weiteren Lamellenpaketen 48 geleitet, die die Wärme an die Umgebungsluft abgeben.
Die Antriebseinheit befindet sich in der Mitte des Kompaktaggregates. Umgeben ist sie vom Tank T, welcher das Druckmittel beinhaltet. Der Deckel des Tanks T ist als Kühlplatte 24 ausgeführt. Die Kühlplatte 24 ist aus einem gut wärmeleitfähigen Material, z.B. Aluminium gefertigt.
Auf der Kühlplatte 24 ist der Frequenzumrichter 2 montiert. Da der hier verwendete Frequenzumrichter 2 nur eine Schutzklasse IP22 hat, ist er von dem Gehäuse 26 umgeben. Das Gehäuse erhöht die Schutzklasse für den Frequenzumrichter auf >IP54.
Das zurückströmende Druckmittel wird hier mittels Heatpipekühlung gekühlt. Die Heatpipekühlung besteht aus dem Lamellenpaket 44, welches den Tank T durchsetzt und die Wärmeenergie vom Druckmittel aufnimmt. Die Heatpipes 44 sind vorzugsweise als Wärmesiphons ausgeführt und transportieren die Wärmenergie entgegen der Schwerkraft zum weiteren Lamellenpaket 48, welches die Wärme an die Umgebungsluft abgibt. Um den Wärmeübergang vom weiteren Lamellenpaket 48 zur Umgebungsluft zu erhöhen, sind zusätzlich (nicht gezeigte) Lüfter verbaut.
Obwohl die Kühlplatte 24 aus einem gut wärmeleitfähigen Material, z.B. Aluminium, besteht, kann der Wärmewiderstand für den Frequenzumrichter 2 zu groß sein (Wärmewiderstand vom IGBT über die Kühlplatte 24 zu den Heatpipes und schließlich dem äußeren Lamellenpaket 48). Deshalb wird das rücklaufende Druckmittel verwendet, um die Wärmenergie des Frequenzumrichters 2 aufzunehmen und abzuführen. Das rücklaufende Druckmittel strömt (in Figur 5 von rechts) in den Kanal 22 an der Unterseite des Frequenzumrichters 2 durch die Kühlplatte 24 und in den Rücklauffilter 38, welcher in der Kühlplatte 24 integriert ist. Es muss nicht zwingend ein Rücklauffilter 38 verbaut sein, das Druckmittel kann direkt nach dem durchströmen der Kühlplatte 24 von oben in den Tank T gelangen.
Der Elektromotor M wird auch mittels Heatpipekühlung gekühlt. In dessen Gehäuse sind Bohrungen in Schwerkraftrichtung integriert, in welche (nicht gezeigte) Heatpipes gut wärmeleitend, z.B. mit Wärmeleitpaste, gesteckt sind. Die Heatpipes transportieren die Wärmenergie des Elektromotors M zu einem weiteren Lamellenpaket 50, wo diese an die Umgebungsluft abgegeben wird.
Vorzugsweise ist der Kanal 22 für das rücklaufende Druckmittel sehr nahe an der Leistungselektronik 28 (IGBT) des Frequenzumrichters 2. Somit wird der Wärmewiderstand weiter verringert und die Kühlleistung erhöht, bzw. eine Überhitzung des Frequenzumrichters 2 verhindert.
Offenbart ist ein Frequenzumrichter mit einer Kühlung für einen Elektromotor, der eine hydrostatische Pumpe antreibt. Die Kühlung erfolgt über das Arbeitsdruckmittel, das von der Pumpe gefördert wird. Dabei kann ein Kanal der Kühlung einen Abschnitt des hydraulischen Kreises bilden, der von der Pumpe versorgt wird, oder das Arbeitsdruckmittel wird aus einem Tank entnommen und ein eine extra Kühlkreisleitung gefördert.
Bezugszeichenliste:
1 Pumpe
2 Frequenzumrichter
4 elektrische Leistungsversorgung
6 elektrische Leitung
8 Welle
10 Saugleitung
12 Zuleitung
14 hochdruckseitiger Verbraucheranschluss
16 Verbraucher mit Ventilen
18 niederdruckseitiger Verbraucheranschluss
20 Rückleitung
22 Kanal
24 Kühlplatte
26 Gehäuse
28 Leistungselektronik
30 Drucksensor
31 Kühlkreis
32 Antriebseinheit
34 Wärmetauscher
36 Filter
38 Rücklauffilter
40 Dämpfungselement
42 Boden
44 Lamellenpaket
46 Heatpipe
48 weiteres Lamellenpaket
50 weiteres Lamellenpaket
M Elektromotor
T Tank

Claims

Patentansprüche
1. Antriebseinheit mit einem Elektromotor (M), der zum Antrieb einer hydrostatischen Pumpe (1) an diese gekoppelt ist, wobei der Elektromotor (M) elektrisch mit einem
Frequenzumrichter (1) verbunden ist, der über eine mit einer Kühlflüssigkeit gekühlten Kühlkörper gekühlt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit ein Arbeitsdruckmittel der Pumpe (1) ist.
2. Antriebseinheit nach Anspruch 1, wobei der Frequenzumrichter (2) ein Gehäuse
(26) hat.
3. Antriebseinheit nach einem der Anspruch 1 oder 2, wobei der Kühlkörper eine Kühlplatte (24) ist.
4. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper einen inneren Kühlwasserkanal aufweist.
5. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an dem Kühlkörper Lamellen (48, 50) und zumindest ein Lüfter angeordnet sind.
6. Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Kühlkörper ein Kanal (22) für das Arbeitsdruckmittel vorgesehen ist, der eine Rückleitung (20) bildet.
7. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in dem Kühlkörper ein Kanal (22) für das Arbeitsdruckmittel vorgesehen ist, der eine Saugleitung (10) für die Pumpe (1) bildet.
8. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in dem Kühlkörper ein
Kanal (22) für das Arbeitsdruckmittel vorgesehen ist, der eine stromab der Pumpe (1) angeordnete Zuleitung (12) bildet.
9. Aggregat mit einem Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in dem Kühlkörper ein Kanal (22) für das Arbeitsdruckmittel vorgesehen ist, der eine Leitung eines Kühlkreises (31) bildet, der eingangs und ausgangsseitig mit einem Tank (T) verbunden ist.
10. Aggregat nach Anspruch 9, wobei der Kühlkreis (31) eine Kühlpumpe und/oder einen Wärmetauscher (34) und/oder einen Filter (36) aufweist.
11. Aggregat mit einem Antriebseinheit nach Anspruch 3 oder einem darauf rückbezogenen Anspruch, das ein Kompaktaggregat ist, wobei an einer ersten
Seite der Kühlplatte (24) der Frequenzumrichter (2) befestigt ist, und wobei an einer zweiten Seite der Kühlplatte (24) der Elektromotor (M) befestigt ist.
12. Aggregat nach Anspruch 11, wobei die Kühlplatte (24) über das Arbeitsdruckmittel gekühlt ist, das über einen Rücklauffilter (38) in den Tank (T) zurückläuft.
13. Aggregat nach Anspruch 11 oder 12, wobei an der zweiten Seite die Pumpe (1) angeordnet ist.
14. Aggregat nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei an der zweiten Seite ein
Tank (T) angeordnet ist.
15. Aggregat nach Anspruch 14, wobei der Tank (T) den Elektromotor (M) und/oder die Pumpe (1) vollumfänglich umfasst.
16. Aggregat nach Anspruch 14 oder 15, wobei im Tank (T) Lamellen (44) angeordnet sind, die wärmeleitend über Heatpipes (46) mit der Kühlplatte oder mit weiteren Lamellen (48) verbunden sind.
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