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Title:
DEVICE FOR ACCOMMODATING PERIPHERAL DRIVING COMPONENTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/117236
Kind Code:
A1
Abstract:
Disclosed is an electric motor (3) comprising a system (4) for detecting the motor state and a motor supply system (10, not represented). The aim of the invention is to keep the dimensions of the outer contours of the whole system (1, 3) as small as possible when assembling the electronics (4, 2) and the motor. Said aim is achieved by the fact that a device (1) for accommodating the system (4) detecting the motor state encompasses at least one component (2) of the motor supply system.

Inventors:
Seufert, Alexander (Hofstattstrasse 6, Unterpleichfeld, 97294, DE)
Schüren, Volker (Am Hollerbusch 10, Marktheidenfeld, 97828, DE)
Application Number:
PCT/EP2005/004766
Publication Date:
December 08, 2005
Filing Date:
May 03, 2005
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH REXROTH AG (Heidehofstr. 31, Stuttgart, 70184, DE)
Seufert, Alexander (Hofstattstrasse 6, Unterpleichfeld, 97294, DE)
Schüren, Volker (Am Hollerbusch 10, Marktheidenfeld, 97828, DE)
International Classes:
H02K5/14; H02K5/22; H02K11/00; H02K11/02; H02K17/30; H02K23/66; (IPC1-7): H02K3/12; H02K3/28
Foreign References:
US20010033111A12001-10-25
DE10123626A12002-11-21
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Claims:
•.I ' Ansprüche:
1. Elektromotor mit MotorZustandserfassung (4) und Motor Versorgung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufhahmevorrichtung (1) für die Motor Zustandserfassung (4) wenigstens eine Komponente (2) der Motor Versorgung umfasst.
2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmevorrichtung (1) das Motorgehäuse (3) selbst ist.
3. Elektromotor naph Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmevorrichtung (1) ein separates Gehäuse ist, welches mit dem Motorgehäuse (3) zusammenfassbar ist.
4. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (2) aus. wenigstens einem ringförmigen und/oder zylinderförmigen und/oder rechteckigen Körper gebildet ist.
5. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (2) und wenigstens ein Anschluss von einem als gemeinsamen Träger ausgebildeten Rahmen (7) umfasst ist, wobei der Rahmen (7) eine koaxiale Ausnehmung (10) aufweist.
6. Elektromotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (2) Vförmig am Rahmen (7) angeordnet ist. .
7. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motor Versorgung einen Umrichter bzw. Wechselrichter umfasst und die Komponente (2) die Zwischenkreiskapazität eines Zwischenkreises darstellt. ■ : .
8. Elektromotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreiskapazität (2) mittels wenigstens eines Folienkondensators realisiert ist.
9. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die MotorZustandserfassung (4) eine Feedbackeinrichtung zur Meldung von Drehzahl und/oder der Position und/oder der Drehrichtung an eine Bewegungssteuerung und/oder eine Bewegungsregelung ist.
10. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (2) eine Netzdrossel bzw. ein Netzfilter ist.
Description:
Vorrichtung zur Aufnahme peripherer Antrieb skomponenten

Die Erfindung befasst sich mit einem Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Mit der Unterbringung von elektrischen Komponenten im oder am Gehäuse eines Motors oder Generators befasst sich die Fachwelt schon seit längerer Zeit. So zeigt zum Beispiel die Schrift DE 101 .23 626 Al einen Umrichter für elektrische Maschinen, wobei ein die Maschine umgebender Kondensator vorhanden ist, an dessen Elektroden die Brückenschaltungen über den Umfang der Maschine verteilt angeschlossen sind.. Ziel der Erfindung ist es eine fertigungstechnische Vereinfachung und platzsparende Anordnung zu erreichen. Zur Anwendung kam diese Lösung u.a. bei einem Startergenerator, welcher zwischen einem Getriebe und einem Verbrennungsmotor unterzubringen war, wobei der Motorquerschnitt um ein Vielfaches größer als die Motorlänge war. Nachteil der Anordnung ist, dass der Kondensator die Maschine umgibt und damit die Abmessungen des Querschnittes wesentlich beeinflusst.

Häufig wird jedoch auch ein geringer Querschnitt gefordert. Auch in der elektrischen Antriebstechnik findet demnach zunehmend eine Miniaturisierung und Dezentralisierung statt, wobei ursprünglich separate Komponenten, wie Motorwechselrichter oder Motorumrichter bzw. Motorregelgeräte in den Motor selbst integriert werden müssen. Es sind neue Lösungen erforderlich, die den hohen Anforderungen an einen geringen Platzbedarf gerecht werden.

Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung für die Realisierung einer Zusammenführung von Antriebs-Elektronik und Motor eine mit möglichst geringem Aufwand realisierbare sowie kostengünstige und platzsparenden Lösung zu finden, so dass die Abmessungen der Außenkonturen der Gesamtanordnung möglichst unverändert bleiben. Dies wird zweckmäßig dadurch erreicht, dass bei einem Elektromotor mit Motor- Zustandserfassung und Motor-Versorgung eine Aufnahmevorrichtung für die Motor- Zustandserfassung wenigstens eine Komponente der Motor- Versorgung umfasst. Dabei kann es sich beispielsweise um eine elektrische oder elektromechanische Komponente oder Einrichtung handeln. ■ . Die Motor- Versorung übernimmt dabei die Ansteueruhg der Motorwicklungen mit Strömen geeigneter Spannung und Frequenz, während die Motor-Zustandserfassung Informationen über die charakteristischen Motordaten während des Betriebes mittels geeigneter Sensorik erfasst. Bei der elektrischen Komponente kann es sich um beliebige elektrische Bauteile von Apparaturen handeln, die vom Motorgehäuse umfasst sind oder in dessen Nähe angeordnet sind.

Die Abmessungen der Außenkonturen der Gesamtanordnung werden bestimmt durch das Motorgehäuse selbst, die Aufnahmevorrichtung für die Motor-Zustandserfassung und einem geeigneten Gehäuse für die Motor- Versorgung. Dieses Gehäuse kann am Umfang des Motorgehäuses (Mitnutzung des Motorgehäuses zur Wärmeabfuhr) oder axial (B - seitig) angeordnet sein. Um einer wesentlichen Vergrößerung der Gesamt- Abmessungen durch das Gehäuse der Motor- Versorgung vorzubeugen, wird der bereits ohnehin vorhandene Stauraum im Gehäuse der Motor-Zustandserfassung nun genutzt, indem dieses wenigstens eine elektrische Komponente der Motor- Versorgung umfasst. Es entstehen dadurch kaum Mehrkosten und auch der Realisierungsaufwand hält sich in Grenzen, da lediglich eine stabile Unterbringung der Komponenten und eine Kontaktierung gewährleistet sein muss. Je nach vorhandenem und verfügbarem Volumen im Gehäuse der Motor-Zustandserfassung verringert sich das zusätzlich erforderliche Volumen für die Unterbringung der Motor- Versorgung. Die Kantenlänge eines Motors mit integrierter Leistungselektronik wird damit kaum wesentlich länger als die eines Standardmotors. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich bzgl. der Wärmebelastung . der Komponenten. Im Vergleich mit dem Gesamtgebilde Motor/Motor- . Versorgung/Motor-Zustandserfassung stellt die Motor-Zustandserfassung den kältesten Ort dar. Da elektrische Komponenten in der Regel ein temperaturabhängiges Verhalten bezüglich ihrer Toleranzen und Lebensdauer aufzeigen, lässt sich mittels einer erfmdungsgemäßen Anordnung die Lebensdauer der Komponenten erhöhen.

Zweckmäßigerweise dient das Motorgehäuse selbst als .Aufnahmevorrichtung der Motor-Zustandserfassung, indem es so bemessen wird, dass es neben Ständer und Läufer diese noch aufnimmt. Der Vorteil, der hieraus resultiert, zeigt sich in einer dichten und verbindungslosen Realisierungj die alle Komponenten gleichermaßen vollständig umfasst.

Alternativ bietet sich an, dass die Aufhahmevorrichtung ein separates Gehäuse ist, welches mit dem Motorgehäuse zusammengefasst ist. Dieses Zusatzgehäuse könnte beispielsweise an der B-Seite des Motorgehäuses angeflanscht sein, wobei es sich an die äußeren Konturen des Motors anpassen sollte und damit lediglich die Länge, nicht aber den Querschnitt verändert. Defekte Bauteile oder eine komplette Motor- Zustandserfassung ließen sich damit schnell auswechseln. . . Zweckmäßig sind die Komponenten aus 'wenigstens einem ringförmigen und/oder zylinderförmigen und/oder rechteckigen Körper gebildet. Bei ringförmiger Ausgestaltung könnte die Komponente die Motor-Zustandserfassung innerhalb des Gehäuses zumindest teilweise umfassen. Damit ist eine leichte Unterbringung bei optimaler Platzausbeute gewährleistet. Aber auch mit rechteckigen bzw. zylindrischen Formen lässt sich eine optimale Platzausbeute erzielen. Derartige Bauteile sind in der Regel auch wesentlich preiswerter herzustellen als die zwar materialsparendere aber wesentlich teurere Ringform. Durch geeignete Anordnung von Einzelkomponenten verschiedener Bauformen könnte der vorhandene Platz dann noch besser ausgenutzt werden.

Wird die Komponente mit wenigstens einem Anschluss zur Anbindung eines Steckers oder einer Buchse von einem als gemeinsamen Träger ausgebildeten Rahmen umfasst, wobei der Rahmen eine koaxiale Ausnehmung aufweist, so kann dieser Rahmen um die meist zylindrisch ausgeführte Motor-Zustandserfassung innerhalb des Gehäuses ■ derselben leicht angeordnet werden. Die koaxiale Ausnehmung dient dabei als Aussparung für die räumliche Unterbringung der Motor-Zustandserfassung innerhalb der Rahmentiefe. Somit wäre neben einer sinnvollen Nutzung der vorhandenen Räumlichkeit innerhalb des Gehäuses der Motor-Zustandserfassung auch eine stabile und leicht handhabbare Halterung für die Komponenten gegeben. Der Anschluss kann zum einen zur Anbindung der Motorwicklungen an eine von einem Umrichter bzw. Wechselrichter gelieferte mehrphasige Leistungszuführung dienen sowie die Anschlüsse der Motor-Zustandserfassung und einen lösbaren Anschluss für die Komponente umfassen. Zusätzlich kann der Rahmen als Isolierung gegenüber dem i.d.R. geerdeten Gehäuse dienen, sofern er aus einem nicht leitenden Material, wie beispielsweise Kunststoff, gefertigt ist. Auch können neben den Komponenten und Steckern, die für die Zusammenschaltung der Komponenten erforderlichen Leitungen leicht mittels am Rahmen angebrachter Führungen fixiert werden. Sinnvollerweise ist der Rahmen mit einer Platte versehen, deren Profil identisch mit dem Querschnitt des Gehäuses der Motor-Zuführung ist. Die Platte dient dann gleichzeitig als Abdeckung für das Gehäuse der Motor-Zuführung. Versieht man diese Abdeckung noch mit einer Abdichtung, so sind auch hohe Anforderungen an die Schutzart der Vorrichtung erfüllbar. Der Rahmen als solcher erfüllt demnach eine Mehrfachfünktion, nämlich die einer Isolierung, einer Haltevorrichtung, einer Kabelführung und einer dichten Abdeckung.

Vorteilhaft ist die Komponente V-förmig am Rahmen angeordnet. Diese Anordnung gewährleistet einen geringen Platzbedarf, weil der Zwischenraum zwischen der Motor- Zustandserfassung und der Gehäusesinnenwand optimal genutzt wird, Gleichermaßen wäre auch eine U-förmige Anordnung aus drei oder mehr Kondensatoren denkbar. Favorisiert wird unter anderem eine rechteckige, fahmenartige Anordnung um die Motor-Zuständserfassung herum. Der Rahmen wird hierbei von Blockkondensatoren gebildet.

Besonders zweckmäßig ist . die Erfindung, wenn die Motor- Versorgung einen am Motorgehäuse angebrachten und damit vollständig mit dem Motor integrierten Motor- Umrichter bzw. Motor- Wechselrichter umfasst und die Komponente die Zwischenkreiskapazität des Zwischenkreises darstellt. Aber auch andere in der Nähe des Motors installierte Regelgeräte könnten den vorhandenen Raum für ihre Komponenten nutzen (z.B. Induktivitäten, Netzfilter, Y-Kondensatoren und ähnliche voluminöse bzw. schwere Bauelemente). Dem Umrichter wird mittels eines Gleichspannungszwischenkreises Energie zugeführt: Die Zwischenkreiskapazität dient dabei zur Pufferung und besonders zur Glättung der Zwischenkreisspaϊinung, welche durch Gleichrichtung der Phasen eines Drehstromnetzes erzeugt wurde und Oberwellenanteile enthält. Bei großen Leitungslängen zwischen Schaltschrank mit SPS und Motor wirkt sich die Induktivität der Zwischenkfeisleitung so aus, dass Spannungsspitzen zur Zerstörung der IGBTs im integrierten Umrichter führen können. Daher wird es erforderlich, eine entsprechend dimensionierte Kapazität möglichst nahe, weil induktionsarm, am Umrichter zu platzieren. Diese Kapazität, welche zum Beispiel mittels eines oder mehrerer Elektrolyt-Kondensatoren realisierbar ist, hat je nach Dimension mitunter erhebliche Abmessungen und benötigt dementsprechend viel Stauraum.

Die Erfindung liefert diesen Stauraum, ohne die Außenkontur des Motors zu vergrößern. Die Lebensdauer des Zwischenkreiskondettsators hängt außerdem stark von der Umgebungstemperatur ab, der er ausgesetzt ist. Durch die Montage des Gehäuses in der Nähe der Motör-Zustandserfassung, entfernt von den im Betrieb mitunter sehr heißen Motorwicklungen, efhöht sich die Lebensdauer. • ■ ' Eine Verwendung von Folienkondensatoren anstelle von Elektrolyt-Kondensatoren steigert die Temperaturfestigkeit und damit die Lebensdauer aus den zuvor genannten Gründen weiter. Auf eine Wasserkühlung oder forcierte Luftkühlung oder eine Mischung aus beidem kann damit verzichtet werden. In der Regel sind Folienkondensatoren auch größer von den Abmessungen her. Die Erfindung liefert nun den nötigen Raum, um auch diese hochwertigen Kondensatoren unterzubringen.

Vorteilhafterweise ist die Motor-Zustandserfassüng eine Feedbackeinrichtung zur Meldung von Drehzahl und/oder der Position und/oder der Drehrichtung an . einen Antriebsregler und/oder eine übergeordnete Kontrolleinrichtung. Diese Feedbackeinrichtung könnte zum Beispiel eine mittels optischer Verfahren arbeitende Einrichtung sein, welche z.B. nach dem Multiturnprinzip arbeiten könnte. Derartige Einrichtungen kommen häufig in Verbindung mit Asynchronmaschinen/Synchronmaschinen zum Einsatz, welche mittels Antriebsregler über einen Zwischenkreis und Wechselrichter dreiphasig angesteuert werden. Bevorzugt dienen diese zum Antrieb von Servoachsen und. Hauptspindelantrieben. Oftmals gelten hier sehr strenge Anforderungen an die Abmessungen, da solche Generatoren/Motoren wiederum in Maschinen unterzubringen sind, an welche ebenfalls sehr hohe Anforderungen bezüglich der Abmessungen gestellt werden (Werkzeugmaschinen, Automatisierungsstraßen, Druckmaschinen usw.).

Vorteilhafterweise könnte die Komponente eine Netzdrossel bzw. ein Netzfilter sein, denn diese Komponenten sind meist sehr Voluminös und beanspruchen entsprechend viel Stauraum, der zusätzlich geschaffen werden müsste.

Im Folgenden werden einige Ausgestaltungsformen und prinzipielle Anordnungsmöglichkeiten von Kapazitäten schematisch dargestellt. Gleiche Bezugszeichen beschreiben dabei gleiche Komponenten.

Alle Figuren 1 bis 3 zeigen die Aufnahmevorrichtung 1, die Kapazität 2, das Motorgehäuse 3 und die Motor-Zustandserfassung 4 bzw. den hierfür vorgesehenen Raum 4a und den Abtrieb 5 sowie die Nahtstelle 6.

Die geöffnet dargestellte Aufnahmevorrichtung 1 ist B - . seitig am Motorgehäuse 3 angeflanscht. Durch das Anflanschen entsteht die Nahtstelle 6, welche mittels einer geeigneten Vorrichtung gegen äußere Einflüsse abgedichtet werden kann. Es wäre auch machbar das Motorgehäuse verlängert auszuführen, so dass die Nahtstelle 6 entfällt und eine hermetische Abschottung der inneren Komponenten einfacher realisierbar ist. Die als Abtrieb 5 fungierende Motorwelle ist A - seitig dargestellt. Wegen der fehlenden Abdeckung der Aufnahmevorrichtung 1 ist ein Einblick in den Innenraum möglich. Zu sehen sind die zur Realisierung einer gewünschten Kapazität erforderlichen runden oder eckigen (Figur 2/3) Kondensatoren 2 beziehungsweise ein einziger Ringkondensator 2 (Figur 1). Der Raum 4a (Figur 2) nimmt die oftmals kreisrund und zylindrisch ausgebildete Motor-Zustandserfassung 4 (Figur 1/3) auf. Die optischen Sensoren der Motor-Zustandserfassung stehen in Wirkverbindung mit der Motorwelle 5 und erfassen Werte wie Drehzahl, Beschleunigung und Lage. Der Raum, welchen die Kondensatoren 2 einnehmen, wäre ohne Berücksichtigung der Erfindung ungenutzt. Die Erfindung ermöglicht eine sinnvolle Raumnützung, ohne Veränderung- der äußeren Abmessungen der Gesamtanordnung 1 und 3.

Der Ringkondensator 2 nach Figur 1 gewährleistet eine lückenlose Ausnutzung des vorhandenen Freiraumes um die Motor-Zustandserfassung herum. Der aus zylindrischen Einzelkondensatoren 2 gebildete Ring in Figur 2 gewährleistet eine ähnlich effektive Raumnutzung und ist wesentlich preiswerter realisierbar. Die in Figur 3 gezeigte rechteckförmige Umfassung der Motor-Zustandserfassung ist mittels preiswerter Blockkondensatoren 2 realisiert und nutzt den Raum zwischen den Außenwänden des Gehäuses 1 und der Motor-Zustandserfassung 4 optimal bis in die Gehäuseecken aus.

Zur weiteren Optimierung der Raumnutzung könnten, insbesondere, wenn höhere Kapazitätswerte angestrebt werden, auch beliebige Kondensätorformen miteinander kombiniert werden. $o könnte beispielsweise der Raum zwischen den Blockkondensatoren 2 und der Motor-Zustandserfassung 4 (Fig. 3) noch mittels eines Ringkondensators oder mittels ringförmige angeordneter einzelner zylindrischer Kondensatoren genutzt werden. Auch in den Gehäuseecken wären kleine zylindrische Einzelkondensatoren unterzubringen.

Figur 4 zeigt die konkrete Realisierung eines rahmenförmigen Trägers mit Befestigungsbohrungen 11. Es sind dargestellt der Träger 7 selbst und Ausnehmungen 8, 9 und 10. Die Aussparung 8 dient zur Aufnahme eines Steckers oder einer Kupplung, um die Zwischenkreiskapazität lösbar mit dem Gieichspannungszwischenkreis verbinden zu können. Die V-förmigen Kondensator-Ausnehmungen 9 gewährleisten eine effektive Raumausnutzung. Der Rahmen wird nun bei geöffnetem Gehäuse 1 (Figur 1 bis 3) der Motor- Zustandserfassung, hier das Feedbacksystem eines Syrichronmotors, in dasselbige und koaxial zur Motor-Zustandserfassung 4 bzw. Motorwelle 5 von oben so eingeführt, dass das Feedback in die Ausnehmung 10 eintaucht und in der Endstellung des Trägers von den in die Ausneh'mungen 9 eingelegten Kondensatoren umgeben ist. Mittels eines geeigneten Befestigungsmateriales, wie zum Beispiel mittels Schrauben und Gewindebuchsen, wird die vorzugsweise. aus Kunststoff ausgebildete Trägerplatte 7 am Gehäuse. 1 fixiert. Das Innenleben des Feedback-Gehäuses wird mittels der vom Träger umfassten Abdeckung gegen äußere Einflüsse geschützt. Durch die Verwendung einer Dichtung (z.B. O-Ring in umlaufender Nut am Umfang des Trägers) ergibt sich eine wasserdichte Anordnung. EP-Schutzarten > 65 sind damit leicht realisierbar.

Der in Figur 4 gezeigte Rahmen ist so bemessen, dass er zwei parallel geschaltete Folien-Kondensatoren mit einer Gesamt-Kapazität um 24 μF fassen kann. Beide Kondensatoren sind so dimensioniert, dass die Anordnung abhängig von der dauerhaften Wechselrichterleistung und dem maximal zulässigen Spannungseinbruch bei kurzzeitiger Überlastung bzw. im Nόrmalbetrieb noch gute Glättungs-Ergebnisse liefert. Selbstverständlich sind beliebige Verschaltungen von Kondensatoren (Parallelschaltung/Serienschaltung) denkbar. Zum Einsatz kommt diese Konfiguration bei einer Synchronmaschine mit einer maximalen Drehzahl um 3000 U/min mit einem Drehmoment von ca. 6 Nm und zulässigem SpitzenrEffektivstrom um 15 Ampere pro Phase. Bezugszeichenliste

1 Aufhahmevoπichtung 2 Kapazität(en) 3 Motorgehäuse 4 Motor-Zustandserfassung 4a Raum für Motor-Zustandserfassung 5 Motorwelle 6 Gehäusenahtstelle 7 Trägerrahmenplatte mit Abdeckung 8 Aussparung für elektrischen Anschluss 9 Aussparung für Kondensator , 10 Aussparung für Feedbackschaltung 11 Bohrung(en) .