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Dokumentenidentifikation DE102004031399B4 12.04.2007
Titel Umrichtermotor
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Leupold, Wilhelm, 97708 Bad Bocklet, DE
DE-Anmeldedatum 29.06.2004
DE-Aktenzeichen 102004031399
Offenlegungstag 16.02.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse H02K 11/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02K 9/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Umrichtermotor mit einem eigenbelüfteten Elektromotor und einem Frequenzumrichter.

Auf dem Markt haben sich Umrichtermotoren mit zwei unterschiedlichen Konstruktionen etabliert. Bei der einen Konstruktion ist der Frequenzumrichter axial am Elektromotor angebaut. Bei der anderen Konstruktion ist der Frequenzumrichter in einem vergrößerten Klemmkasten integriert oder als separates Gehäuse am Motorumfang montiert. Dabei ist die vom Motor her mögliche Leistungsfähigkeit bei umrichterintegrierten Systemen häufig wegen Problemen hinsichtlich einer effektiven Abfuhr der Umrichterverluste eingeschränkt. Die Verwendung von elektrisch betriebenen Fremdlüftern zur Umrichterkühlung ist häufig mit Einschränkung in der Ausführbarkeit der Gesamtschutzart und/oder der Lebensdauer der Fremdlüfter verbunden. Die Ausführungen der Umrichtermotoren führen in der Regel zu besonders langgestreckten oder hohen Bauformen, die von den Normabmessungen eines Standardmotors erheblich abweichen. Bei vielen Industrieanwendungen steht jedoch nur ein geringer Einbauraum für den Umrichtermotor zur Verfügung. Bei derartigen Industrieanwendungen muss wie allgemein üblich Motor und Frequenzumrichter räumlich getrennt aufgebaut werden, wodurch Kosten für Verkabelung und Schaltschrank entstehen.

Im Handel ist ebenfalls ein Umrichtermotor erhältlich, dem A-seitig mit einem Stirnradgetriebe und B-seitig mit einem Lagegeber, einer Positionselektronik und einer Leistungsendstufe eines Stellgliedes zur Drehzahlverstellung eines bürstenlosen permanenterregten Synchronmotors integriert sind. Diesen Umrichtermotor gibt es im Leistungsbereich von ca. 50 W. Durch die Integration dieser Elemente in einem Elektromotor verlängert sich die Bauform des Elektromotors axial. Ein derartiger Umrichtermotor in einer höheren Leistungsklasse ist nicht vorhanden. Bei höheren Leistungsklassen steigt der Aufwand für eine Entwärmung des integrierten Frequenzumrichters.

Ein gattungsgemäßer Umrichtermotor ist aus der DE 196 34 097 C2 bekannt. Durch die topfförmige Ausgestaltung des B-seitigen Lagerschildes ist die Integration des Frequenzumrichters in einem eigenbelüfteten Elektromotor möglich, wobei sich die Baulänge des Umrichtermotors gegenüber einer bisherigen Ausführungsform wesentlich verringert hat. Da das B-seitige Lagerschild durch diese Ausgestaltung nun auch gleichzeitig die Funktion eines Gehäuses für den integrierten Frequenzumrichter übernimmt, wird ein separates Umrichtergehäuse nicht mehr benötigt, wodurch Kosten eingespart werden. Da nun der Frequenzumrichter Bestandteil des Elektromotors ist, entfällt auch der Aufwand für die Verbindung eines Frequenzumrichters mit einem Elektromotor eines bisherigen Umrichtermotors. Um die Komponenten des Frequenzumrichters gut vor der durch den Elektromotor erzeugten Wärmestrahlung abzuschotten, ist an der Trennstelle zwischen dem Gehäuseteil des Elektromotors und dem topfförmig ausgebildeten B-seitigen Lagerschild ein Wärmeschutzschild angeordnet. Durch die Integration des Frequenzumrichters in den Elektromotor weist außerdem der Frequenzumrichter die Schutzart des Motors auf. Somit unterscheidet sich dieser erfindungsgemäße Umrichtermotor nicht mehr von einem handelsüblichen Elektromotor. Nachteilig wirkt sich bei diesem gattungsgemäßen Umrichtermotor aus, dass die Luft im Inneren des Frequenzumrichters nicht zirkulieren kann.

Aus der DE-OS 1 488 585 ist eine Belüftung elektrischer Maschinen geschlossener Bauart bekannt. Diese Anordnung zur Belüftung langsam laufender elektrischer Maschinen geschlossener Bauart weist zwei Lüfterräder auf, die auf einer gemeinsamen Buchse befestigt sind, welche ihrerseits drehbar gegen die Läuferwelle einerseits und gegen das Lagerschild andererseits gelagert ist. Diese Buchse wird über einen Riemenantrieb fremd angetrieben. Diese beiden Lüfterräder erzeugen einen Innen- und einen Außenluftstrom. Der Außenlüfter dieser beiden Lüfterräder saugt die Umgebungsluft durch die Maschinenhaube an und drückt diese über die äußere Oberfläche der Kühlrippen der Maschine. Der Innenlüfter wälzt die Innenluft der Maschine um und führt diese an der inneren Oberfläche der Kühlrippen der Maschine.

Aus der EP 0 854 560 A1 ist ein Entwärmungskonzept für ein elektrisches Antriebssystem bekannt. Dieses Antriebssystem weist einen Motor und eine Antriebselektronik, die auch als Frequenzumrichter bezeichnet wird, auf. Diese Antriebselektronik ist in ein axial B-seitig angeordnetes Anbaugehäuse untergebracht. In diesem Anbaugehäuse ist ein separater Lüftermotor zum Zwecke der Fremdbelüftung integriert. Dieser Lüftermotor weist ein externes Lüfterrad und ein internes Lüfterrad auf. Mittels des internen Lüfterrades wird die Luft im Anbaugehäuse verwirbelt. Durch die Verwendung zweier Lüfterräder wird eine Fremdbelüftung mit minimaler Lüfterleistung geschaffen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Umrichtermotor derart weiterzubilden, dass die Entwärmung des Frequenzumrichters im Motorgehäuse weiter verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Anordnung eines zwischen B-seitigem Lagerschild und einem Wicklungsteil des Elektromotors angeordneten Hilfslüfterrad, der starr mit einer Motorwelle des eigenbelüfteten Elektromotors verbunden ist, wird die Luftumwälzung im Inneren des Umrichtermotors wesentlich verbessert, wodurch eine Zwangskonvektion erreicht wird. Mittels dieser Zwangskonvektion wird die Wärmeabfuhr von Bauelementen des Frequenzumrichters an das B-seitige Lagerschild wesentlich verbessert.

Durch eine Verwendung einer Isolierscheibe ist der Wicklungsteil des eigenbelüfteten Elektromotors vom Hilfslüfterrad räumlich getrennt. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad der Zwangskonvektion, da die von den Bauelementen des Frequenzumrichters angesaugte Luft von dieser Isolierscheibe derart umgelenkt wird, dass diese an der Innenseite des B-seitigen Lagerschildes entlang geführt wird. Die Außenseite dieses B-seitigen Lagerschildes wird wie bei einem handelsüblichen eigenbelüfteten Elektromotor gekühlt.

Durch das Vorsehen einer Luftleitblende, die zwischen Umrichterteil und Hilfslüfterrad angeordnet ist, wird in Wellennähe die erwärmte Luft im B-seitigen topfförmig ausgebildeten Lagerschild angesaugt und beschleunigt. Somit wird die Zwangskonvektion innerhalb des B-seitigen topfförmig ausgebildeten Lagerschildes weiter verbessert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Umrichtermotors sind den Unteransprüchen 2 bis 12 zu entnehmen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Umrichtermotors schematisch veranschaulicht ist.

1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Umrichtermotor nach der Erfindung, in der

2 ist ein Querschnitt durch das B-seitige Lagerschild des Umrichtermotors nach 1 dargestellt und die

3 zeigt eine Draufsicht auf ein Luftleitblech des Umrichtermotors nach 1.

Der Umrichtermotor gemäß 1 weist einen eigenbelüfteten Elektromotor 2 und einen Frequenzumrichter 4 auf. Von diesem eigenbelüfteten Elektromotor 2 ist einerseits ein Aktivteil 6, bestehend aus einen Rotor 8 und einen Stator 10, und andererseits ein Eigenlüfter 12, bestehend aus einem Hauptlüfterrad 14 und einer Lüfterhaube 16, näher dargestellt. Ein herkömmlicher eigenbelüfteter Elektromotor 2 ist stirnseitig jeweils mit einem Lagerschild versehen. Dabei wird das Lagerschild antriebsseitig als A-Lagerschild bzw. A-seitiges Lagerschild bezeichnet. Das diesem A-seitigen Lagerschild gegenüberliegende Lagerschild wird als B-Lagerschild bzw. B-seitiges Lagerschild bezeichnet. Dieses B-seitige Lagerschild 18 ist erfindungsgemäß topfförmig ausgestaltet.

Im Inneren dieses B-seitigen topfförmigen Lagerschildes 18 sind die Bauelemente des Frequenzumrichters 4 angeordnet. Zu diesen Bauelementen zählen ein Leistungsteil 20, ein Zwischenkreiskondensator, eine Netzdrossel 22 und eine Elektronik. Zum Leistungsteil 20 des Frequenzumrichters 4 gehören Dioden eines netzseitigen Gleichrichters und abschaltbare Leistungshalbleiter, insbesondere Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) eines lastseitigen Wechselrichters. Der Gleichrichter und der Wechselrichter sind bekanntermaßen gleichspannungsseitig mittels des Zwischenkreiskondensators elektrisch leitend verbunden. Netzseitig ist die Netzdrossel 22 dem Gleichrichter vorgeschaltet. Zur Steuerung des Wechselrichters ist eine Elektronik vorgesehen, die nicht nur Steuerungs- und Regelungsaufgaben übernimmt.

Bei der erfindungsgemäßen Integration des Frequenzumrichters 4 ist darauf geachtet worden, dass sich die Baulänge eines herkömmlichen Umrichtermotors wesentlich verkürzen lässt. Dazu ist der Zwischenkreiskondensator aus mehreren Kondensatoren 24 aufgebaut. Dadurch werden Kondensatoren 24 mit einer geringeren Kapazität benötigt, die eine geringere Bauteilegröße aufweisen. Diese Kondensatoren 24 sind am Boden 26 des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes 18 angeordnet. Um die Integration des Frequenzumrichters 4 zu erleichtern, sind diese Kondensatoren 24 in Ausnehmungen 28 des Bodens 26 des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes 18 gesteckt. Zwischenräume können mit einer Vergussmasse ausgefüllt werden. Außerdem ist der Leistungsteil 20 mit seinen verlustleistungserzeugenden Bauelementen elektrisch isolierend und thermisch leitend mit dem Boden 26 dieses Lagerschildes 18 verbunden. Die Bauteile der Elektronik dieses Frequenzumrichters 4 sind auf wenigstens zwei Steckplatinen 30 verteilt. Durch die Aufteilung der Bauteile der Elektronik des Frequenzumrichters 4 wird die Baulänge des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes 18 begrenzt.

Damit diese Steckplatinen 30 innerhalb des topförmig ausgebildeten Lagerschildes aufgenommen werden können, weist der Boden 26 dieses Lagerschildes 18 Steckerleisten 32 auf. Außerdem weist für die Führung dieser Steckplatinen 30 die Innenseite 34 des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes 18 Nuten 36 auf (2). Gemäß dem Querschnitt des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes 18 nach 2 sind diese mehreren Steckplatinen 30 um die durch das Lagerschild 18 gehende Motorwelle 38 radial angeordnet. Auf den von den gesteckten Steckplatinen 30 aufgespannten Sektorbereichen sind die schweren Bauteile 20, 22, 24 des Frequenzumrichters 4 aufgeteilt.

Zur besseren Wärmeabfuhr des integrierten Frequenzumrichters 4, insbesondere der verlustleistungserzeugenden Bauteile, ist die Außenseite 40 des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes 18 mit einer Anzahl von Kühlrippen 42 versehen. Dadurch vergrößert sich die wirksame Kühloberfläche des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes 18 wesentlich. Dieses berippte Lagerschild 18 wird von dem Eigenlüfter 12 des eigenbelüfteten Elektromotors 2 umschlossen. Dadurch wird ein vom Hauptlüfterrad 14 des Eigenlüfters 12 des eigenbelüfteten Motors 2 erzeugter Luftstrom gezielt über die berippte Außenseite 40des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes 18 geführt. Damit ein Luftstrom entstehen kann, ist die Stirnseite 44 dieser Lüfterhaube 16 mit Lufteintrittsschlitzen 46 versehen. Damit diese Lüfterhaube 16 im Randbereich beabstandet geführt werden kann, sind wenigstens zwei Abstandshalter 48 vorgesehen.

Zwischen dem integrierten Frequenzumrichter 4 und dem Aktivteil 6 des Umrichtermotors ist ein Hilfslüfterrad 50 vorgesehen, das starr mit der Motorwelle 38 verbunden ist. Als Hilfslüfter ist ein Radiallüfter vorgesehen. Mittels dieses Radiallüfters wird Luft aus dem Inneren des Frequenzumrichters 4 gesaugt und radial nach außen geführt. Dabei stößt dieser Luftstrom auf die Innenseite des Motorgehäuses 52. Da die Außenseite des Motorgehäuses 52 ebenfalls mit axial verlaufenden Kühlrippen 54 versehen ist, zwischen denen der vom Eigenlüfter 12 erzeugte Luftstrom gedrückt wird, wird die von Bauelemente im Inneren des Frequenzumrichters 4 erzeugte Wärme an die Umgebungsluft des Umrichtermotors abgegeben, Mit der Verwendung dieses Radiallüfters wird im Inneren des integrierten Frequenzumrichters 4 eine Zwangskonvektion erzeugt. Gemäß der 2 sind im Inneren des integrierten Frequenzumrichters 4 die Steckplatinen 30 der Elektronik des Frequenzumrichters 4 sternförmig um die Motorwelle 38 angeordnet. Somit wird mittels des Hilfslüfterrades 50 eine Wärmeabfuhr von der Umrichterelektronik bewirkt.

Zur Verbesserung dieser Zwangskonvektion ist der Aktivteil 6 des eigenbelüfteten Elektromotors 2 mit einer Isolierscheibe 56 vom Umrichterteil im Inneren des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes 18 abgetrennt. Damit diese Isolierscheibe 56 räumlich im Inneren des eigenbelüfteten Elektromotors 2 fixiert werden kann, ist in dem Motorgehäuse 52 an der Innenseite eine umlaufende Nut 58 vorgesehen. Beim Einsetzen dieser Isolierscheibe 56 schnappt der Randbereich dieser Isolierscheibe 56 in die umlaufende Nut 58 ein. In diesem eingebauten Zustand der Isolierscheibe 56 wird der Aktivteil 6 des eigenbelüfteten Elektromotors 2 von dem integrierten Frequenzumrichter 4 wärmetechnisch abgeschottet.

Um eine geschlossene Luftzirkulation im Inneren des Frequenzumrichters 4 zu erreichen, ist eine Luftleitblende 60 vorgesehen. Eine Draufsicht auf diese Luftleitblende 60 ist in der 3 näher dargestellt. Dieser Darstellung kann entnommen werden, dass diese Luftleitblende 60 mit Klammern 62 versehen ist. Die Anzahl dieser Klammern 62 entspricht der Anzahl der verwendeten Steckplatinen 30. Im Inneren dieser Luftleitblende 60 ist ein Durchbruch 64 vorgesehen, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser der durchgehenden Motorwelle 38. Die Klammern 62 der Luftleitblende 60 schnappen auf die Enden der vorhandenen Steckplatinen 30 auf. Mit Hilfe dieser Platinen 30 ist die Luftleitblende 60 im Inneren des Umrichters 4 zentriert. Außerdem wird die Fixierung der Steckplatinen 30 zusätzlich versteift.

In der Verbindung mit der Isolierscheibe 56 und dem Hilfslüfterrad 50 des Radiallüfters erhält man für das Innere des Frequenzumrichters 4 einen geschlossenen Kühlkreislauf. Mittels des Hilfslüfterrades 50 und der Luftleitblende 60 wird in Wellennähen aus dem Inneren des Frequenzumrichters 4 die durch die Bauteilverluste auf den Steckplatinen 30 erwärmte Luft angesaugt, beschleunigt und radial nach außen geführt. Mittels der Isolierscheibe 56 wird dieser radiale Luftstrom umgelenkt und an der Gehäuseinnenseite des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes 18 entlang geführt. Durch die gekühlte Außenseite 40 des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes 18 wird diese erwärmte Luft heruntergekühlt. Diese Kühlung kann dahingehend noch verbessert werden, dass ebenfalls die Innenseite 34 des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes 18 verrippt ist. Zur Verbesserung des Wärmeabsorbtionsgrades empfiehlt sich eine mattschwarze Innenlackierung des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes 18. Am Boden 26 des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes 18 wird wiederum dieser gekühlte Luftstrom umgelenkt, wodurch dieser entlang der Breite einer jeden Steckplatine 30 geführt wird. In der Nähe der Welle wird wieder die angewärmte Luft aus den Steckplatinen 30 angesaugt, wodurch sich der Kühlkreislauf geschlossen hat.

Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des B-seitigen Lagerschildes 18 eines eigenbelüfteten Elektromotors 2 kann nun ein Frequenzumrichter 4 dahingehend in den Elektromotor 2 integriert werden, dass deren Bauteile im Inneren des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes 18 angeordnet werden. Durch das auf der Motorwelle 38 aufgesetzte Hilfslüfterrad 50 erfolgt eine absolut störungssichere Innenbelüftung des Frequenzumrichters 4. Diese wird selbst auch bei kleinen Luftgeschwindigkeiten bei niedrigen Umdrehungszahlen der Motorwelle 38 aufrechterhalten, d.h., die erzwungene Konvektion im Inneren des Frequenzumrichters 4 wird selbst bei niedrigen Umdrehungsdrehzahlen der Motorwelle 38 nicht unterbrochen. Durch die Integration des Frequenzumrichters 4 wird die Baulänge des Umrichtermotors gegenüber einer bisherigen Ausführungsform des Umrichtermotors wesentlich verkürzt. Da der Umrichter 4 kein separates Umrichtergehäuse mehr erfordert, fallen weniger Dichtstellen an, um den Frequenzumrichter 4 in der Schutzart des Elektromotors 2 ausführen zu können. Da das Gehäuse des Frequenzumrichters 4 entfällt, werden zusätzlich Kosten eingespart.

Mit der erfindungsgemäßen Ausführung erhält man einen Umrichtermotor, der sehr kompakt ist und sich kaum von einem handelsüblichen Elektromotor 2 unterscheidet.


Anspruch[de]
Umrichtermotor mit einem eigenbelüfteten Elektromotor (2) und einem Frequenzumrichter (4), wobei ein B-seitiges Lagerschild (18) topfförmig ausgebildet ist, in dessen Inneren die Bauteile (20, 22, 24) des Frequenzumrichters (4) angeordnet sind, und wobei zur Eigenbelüftung des Elektromotors (2) B-seitig ein Hauptlüfterrad (14) starr mit der Motorwelle (38) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem B-seitigen Lagerschild (18) und einem Aktivteil (6) des Elektromotors (2) ein Hilfslüfterrad (50) starr mit der Motorwelle (38) des Elektromotors (2) verbunden ist und der Aktivteil (6) mittels einer Isolierscheibe (56) vom Hilfslüfterrad (50) räumlich getrennt ist und dass eine Luftleitblende (60) vorgesehen ist, die zwischen dem Frequenzumrichter (4) und dem Hilfslüfterrad (50) angeordnet ist. Umrichtermotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik des Frequenzumrichters (4) auf wenigstens zwei Steckplatinen (30) aufgeteilt ist, die sternförmig im topfförmig ausgebildeten Lagerschild (18) angeordnet sind. Umrichtermotor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verlustleistungserzeugenden Bauteile (20) des Frequenzumrichters (4) elektrisch isolierend und thermisch leitend mit dem Boden (26) des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes (18) verbunden sind. Umrichtermotor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schweren Bauteile (20, 22, 24) des Frequenzumrichters (4) mechanisch mit dem Boden (26) des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes (18) verbunden sind. Umrichtermotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die schweren Bauteile (20, 22, 24) des Frequenzumrichters (4) in Ausnehmungen (28) des Bodens (26) des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes (18) angeordnet sind. Umrichtermotor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (26) des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes (18) zur Aufnahme der Steckplatinen (30) mit Steckerleisten (32) versehen ist. Umrichtermotor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite (34) des topfförmig ausgebildeten Lagerschildes (18) zu den Steckerleisten (32) korrespondierend angeordnete Nuten (36) aufweist. Umrichtermotor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das topfförmig ausgebildete Lagerschild (18) verrippt ist. Umrichtermotor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das topfförmig ausgebildete Lagerschild (18) innen mattschwarz lackiert ist. Umrichtermotor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Motorgehäuse (52) eine umlaufende Nut (58) zur Aufnahme der Isolierscheibe (56) vorgesehen ist. Umrichtermotor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zwischenkreiskondensatoren (24), Netzdrossel (22) und ein Netzteil die schweren Bauelemente des Frequenzumrichters (4) sind. Umrichtermotor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass B-seitig eine Lüfterhaube (16) mit Lufteintrittsschlitzen (46) derart angebracht ist, dass diese das Hauptlüfterrad (14) und das topfförmig ausgebildete Lagerschild (18) abdeckt.






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