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Title:
ELECTRIC MOTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/096473
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an electric motor, comprising a rotating hollow shaft (1), connected to a rotor (4) of the electric motor, whereby a converter (11) and a corresponding electronic control circuit (13), for electric supply of the motor, are at least partly integrated in a cavity (2) within the hollow shaft (1), whereby the converter (11) and the control electronic circuit (13) are statically mounted. An electric motor supplied by a converter (11) is thus achieved with limited space requirement.

Inventors:
Heining, Hans-dieter (Grubenweg 4, Bad Neustadt, 97616, DE)
Application Number:
PCT/EP2005/050809
Publication Date:
October 13, 2005
Filing Date:
February 25, 2005
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Wittelsbacherplatz 2, München, 80333, DE)
Heining, Hans-dieter (Grubenweg 4, Bad Neustadt, 97616, DE)
International Classes:
H02K11/04; H02K9/06; H02K29/06; (IPC1-7): H02K11/04
Foreign References:
US20040027016A1
US4431931A
DE10118052A1
DE19957132C1
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34, München, 80506, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Elektromotor umfassend eine mit einem Rotor (4) des Elek¬ tromotors verbundene rotierende Hohlwelle (1) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Versorgung des Mo¬ tors mit elektrischer Energie ein Umrichter (11) und eine zu¬ gehörige Ansteuerelektronik (13) zumindest teilweise in einen Hohlraum (2) innerhalb der Hohlwelle (1) integriert sind, wo¬ bei der Umrichter (11) und die Ansteuerelektronik (13) ruhend befestigt sind.
2. Elektromotor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , dass der Umrichter (11) und die zugehörige Ansteuerelektronik (13) vollständig in den Hohl räum (2) innerhalb der Hohlwelle (1) integriert sind.
3. Elektromotor nach einem der vorherigen Ansprüche, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Umrich¬ ter (11) an einem Lagerschild (6) des Motors befestigt ist.
4. Elektromotor nach einem der vorherigen Ansprüche, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Geber in den Hohlraum (2) innerhalb der Hohlwelle (1) integriert ist.
5. Elektromotor nach Anspruch 4, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , dass mindestens eine Signalspur (9) des Gebers auf der Innenseite der Hohlwelle (1) angeord¬ net ist.
6. Elektromotor nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Geber in Form eines magnetischen, induktiven, optischen oder kapazitiven Gebers ausgebildet ist.
7. Elektromotor nach Anspruch 4, 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Auswerteelektronik (12) des Gebers teilweise oder vollständig in den Hohlraum (2) innerhalb der Hohlwelle (1) integriert ist.
8. Elektromotor nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass an der In¬ nenseite der Hohlwelle (1) des Motors Lüfterschaufeln (8) be¬ festigt sind.
9. Elektromotor nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Umrich¬ ter ein Umrichter ohne Zwischenkreiskondensator insbesondere ein MatrixUmrichter vorgesehen ist.
10. Werkzeug oder Produktionsmaschine mit einem Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Description:
Beschreibung

Elektromotor

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor umfassend eine mit einem Rotor des Elektromotors verbundene rotierende Hohlwel¬ le.

In der Antriebstechnik werden heutzutage in der Regel elekt- rische Motoren mit Hilfe eines Umrichters mit elektrischer Energie versorgt und gesteuert. Dazu sind Umrichter und Sta¬ tor des Motors in geeigneter Weise elektrisch miteinander verbunden. Der Umrichter liegt dabei entweder in Form eines Zwischenkreis-Umrichters, eines Umrichters ohne Zwischenkreis wie z.B. in Form eines Matrix-Umrichters oder auch nur in Form eines Wechselrichters vor. Wobei im Falle des Wechsel¬ richters der zugehörige Gleichstrom von einem örtlich ent¬ fernten Gleichrichter erzeugt wird. Neben den reinen Umrich¬ terkomponenten, die im Wesentlichen durch die Stromrichter- ventile gegeben sind, benötigt jeder Umrichter auch eine zu¬ gehörige Ansteuerelektronik. Diese besteht im einfachsten Fall aus den zum Ein- und Ausschalten der Ventile notwendigen Treiberstufen, kann aber auch zusätzlich z.B. noch eine Schutzelektronik zum Schutz des Umrichters und/oder Regel- kreise zur Regelung des Umrichters umfassen.

Handelsüblich wird heutzutage der Umrichter und die zugehöri¬ ge Ansteuerelektronik in einem eigenen Gehäuse separat an den Motor angebaut oder in dessen örtlicher Nähe befestigt. Diese räumliche Anordnung bedingt einen relativ hohen Platzbedarf. Bei modernen Applikationen, insbesondere im Bereich der Auto¬ matisierungstechnik, werden zunehmend immer höhere Integra¬ tionsdichten der Komponenten gefordert, um Maschinen mit ei¬ nem möglichst geringen Platzbedarf bauen zu können.

Aus der US-Patentschrift 5 424 593 ist ein Generator mit ei¬ ner als Hohlwelle ausgeprägten Antriebswelle bekannt, wobei innerhalb der Hohlwelle ein mit der Hohlwelle rotierender Gleichrichter angeordnet ist. Der Gleichrichter dient zur Steuerung der Erregung des Generators.

Aus der europäischen Patentschrift 0 194 433 Bl ist ein Elek¬ tromotor bekannt, bei dem der Umrichter im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung ringförmig um die Welle des Motors an¬ geordnet ist und von einer glockenförmigen Läufernabe umgeben ist. Diese Konstruktion bietet sich nur für große Motoren an, da dort ausreichend Platz zwischen Welle und Läufernabe ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen von einem Umrichter gespeisten Elektromotor mit geringem Platzbedarf zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Elektromotor umfassend eine mit einem Rotor des Elektromotors verbundene rotierende Hohlwelle, wobei zur Versorgung des Motors mit elektrischer Energie ein Umrichter und eine zugehörige Ansteuerelektronik zumindest teilweise in einen Hohlraum innerhalb der Hohlwelle integriert sind, wobei der Umrichter und die Ansteuerelektro¬ nik ruhend befestigt sind.

Eine erste vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter und die zugehörige Ansteu¬ erelektronik vollständig in den Hohlraum innerhalb der Hohl¬ welle integriert sind. Hierdurch wird eine besonders platz¬ sparende Ausbildung des Elektromotors inklusive Umrichter und Ansteuerelektronik erreicht.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Umrichter an einem Lagerschild des Motors befestigt ist. Die direkte Be¬ festigung des Umrichters an das Lagerschild des Motors ist besonders einfach zu realisieren.

Weiter erweist es sich als vorteilhaft, wenn ein Geber in den Hohlraum innerhalb der Hohlwelle integriert ist. Wenn zusätz- lieh noch der Geber in den Hohlraum integriert ist, kann der sich herkömmlich an Außenseite der Welle befindliche Geber entfallen, was einen zusätzlichen reduzierten Platzbedarf zu Folge hat. Der Geber kann dabei z.B. zur Kommutierung, Strom- regelung, Drehzahlregelung, Lageregelung, Positionierung, 0- berwachung oder zur Anzeigezwecken dienen.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn mindestens eine Signalspur des Gebers auf der Innenseite der Hohlwelle angeordnet ist. Die Hohlwelle stützt die Signalspuren des Ge¬ bers gleichzeitig gegen mechanische Beanspruchung durch Fliehkräfte. Weiterhin lassen sich bedingt durch den größeren Wellendurchmesser der Hohlwelle mehr signalspurbildende Sig¬ nalinkremente auf der Innenseite der Hohlwelle auftragen, wo- durch die Geberauflösung gesteigert werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist da¬ durch gekennzeichnet, dass der Geber in Form eines magneti¬ schen, induktiven, optischen oder kapazitiven Gebers ausge- bildet ist. Magnetische, induktive, optische oder kapazitive Geber sind in der Technik weitverbreitet.

Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Auswerte— elektronik des Gebers teilweise oder vollständig in den Hohl- räum innerhalb der Hohlwelle integriert ist. Hierdurch wird eine weitere Reduzierung des Platzbedarfs erreicht.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn an der Innen¬ seite der Hohlwelle des Motors Lüfterschaufeln befestigt sind. Durch das Anbringen von Lüfterschaufeln an der Innen¬ seite der Hohlwelle wird die Kühlung des Umrichters, der An¬ steuerelektronik und der Auswertelektronik verbessert.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn als Umrichter ein Umrichter ohne Zwischenkreiskondensator insbesondere ein Matrix-Umrichter vorgesehen ist. Matrix-Umrichter zeichnen sich dadurch aus, dass sie gegenüber konventionellen Zwi- schenkreis-Umrichtern keinen temperaturempfindlichen Zwi¬ schenkreis-Kondensator benötigen.

Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, eine Werkzeug- o- der Produktionsmaschine mit dem erfindungsgemäßen Elektromo¬ tor anzutreiben, da insbesondere auf dem technischen Gebiet von Werkzeug— oder Produktionsmaschinen die Antriebssysteme oft nur einen geringen Platzbedarf aufweisen dürfen. Es sei jedoch an dieser Stelle ausdrücklich angemerkt, dass selbst- verständlich der erfindungsgemäße Elektromotor auch auf ande¬ ren technischen Gebieten eingesetzt werden kann.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter dem Begriff Werkzeugmaschinen z.B. ein- oder mehrachsige Dreh-, Fräs-, Bohr- oder Schleifmaschinen verstanden. Zu den Werkzeugma¬ schinen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch noch Bearbeitungszentren, lineare und rotatorische Transfermaschi¬ nen, Lasermaschinen oder Wälz- und Verzahnmaschinen gezählt. Allen gemeinsam ist, dass ein Material bearbeitet wird, wobei diese Bearbeitung mehrachsig ausgeführt werden kann. Zu den Produktionsmaschinen werden im Rahmen der vorliegenden Erfin¬ dung z.B. Textil-, Papier-, Kunststoff-, Holz-, Glas-, Kera¬ mik- oder Steinbearbeitungsmaschinen gezählt. Maschinen der Umformtechnik, Verpackungstechnik, Drucktechnik, Fördertech- nik, Aufzugstechnik, Pumpentechnik, Transporttechnik, Lüfter¬ technik sowie Windkrafträder, Hebewerkzeuge, Kräne, Roboter, Produktions- und Fertigungsstraßen gehören ebenfalls im Rah¬ men der vorliegenden Erfindung zu den Produktionsmaschinen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Dabei zei¬ gen:

FIG 1 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Elektro- motors. In FIG 1 ist in Form eines Ausführungsbeispiels ein Schnitt¬ bild des erfindungsgemäßen Elektromotors dargestellt, wobei in FIG 1 die rechte Seite des Elektromotors mit A und die linke Seite des Motors mit B bezeichnet ist. Der Elektromotor besteht im wesentlichen aus einer Hohlwelle 1, die mit einem Rotor 4 fest verbunden ist, einem Stator 3, der in dem Aus¬ führungsbeispiel gleichzeitig Bestandteil des Motorgehäuses ist und einem Umrichter 11 inklusive einer Ansteuerelektronik 13. Alternativ kann der Stator 3 auch in eine zusätzliches Gehäuse eingebaut sein. Erfindungsgemäß ist der Umrichter 11 und die Ansteuerelektronik 13 zur Ansteuerung des Umrichters 11 in die Hohlwelle 1 des Elektromotors integriert, wobei im Gegensatz zu der in FIG 1 gezeigten Ausführungsform der Um¬ richter 11 und die Ansteuerelektronik 13 nicht unbedingt vollständig in den Hohlraum 2 innerhalb der Hohlwelle 1 in¬ tegriert sein müssen, sondern es können auch Teile der An¬ steuerelektronik 13 und/oder des Umrichters 11 aus dem B- seitigen Teil des Hohlraums 2 herausragen. Der Umrichter 11 und die Ansteuerelektronik 13 sind dabei am B-seitigen Lager- schild 6 ruhend befestigt und rotieren nicht mit der Hohlwel¬ le 1 mit. Die Ansteuerelektronik 13 beinhaltet im einfachsten Fall die Treiber zum Ein- und Ausschalten der Stromrichter¬ ventile des Umrichters 11. Sie kann jedoch im Falle von kom¬ plexeren Ausführungsformen z.B. auch Regelkreise und Schutz- elektronik zum Regeln und Schützen des Umrichters umfassen. Die Hohlwelle 1 ist B-seitig auf Lagern 7 und A-seitig auf Lagern 14 gelagert. Der Elektromotor ist B-seitig mit einem Lagerschild 6 und A-seitig mit einem Lagerschild 5 abge¬ schlossen.

Der Umrichter 11 kann in Form eines Wechselrichters, eines Zwischenkreis-Umrichters oder eines Matrix-Umrichters vorlie¬ gen. Da der Umrichter 11 und insbesondere die Ansteuerelek¬ tronik 13 komplexe empfindliche Bauteile enthalten, dürfen diese nicht mit der Hohlwelle 1, wie dies bei dem einfachen Gleichrichter gemäß der US-Patentschrift 5 424 593 noch mög¬ lich ist, rotieren. Entgegen der Lehre der US-Patentschrift 5 424 593 müssen der Umrichter 11 und die in der US- Patentschrift 5 424 593 nicht in der Hohlwelle integrierte Ansteuerelektronik 13, ruhend innerhalb der Hohlwelle 1 be¬ festigt werden um eine Zerstörung oder ein vorzeitiger Ver- schleiß des Umrichters und/oder der Ansteuerelektronik zu vermeiden.

Die Ansteuerelektronik 13 und der Umrichter 11 sind in dem Ausführungsbeispiel über ein gemeinsames Gehäuse 15, am La- gerschild 6, mittels Schraubverbindungen 16 befestigt. Selbstverständlich kann die Ansteuerelektronik 13 und/oder der Umrichter 11 aber auch an anderen ruhenden Komponenten des Elektromotors befestigt sein. Alternativ können z.B. die Ansteuerelektronik 13 und der Umrichter 11 auch über einen geeigneten Aufbau oder Rahmen am Lagerschild 6 ruhend befes¬ tigt sein.

Soll eine besonders platzsparende Bauweise erreicht werden, so bietet es sich an, auch einen Geber der z.B. in Form eines Lagegebers vorliegen kann und normalerweise an der Welle des Motors befestigt ist, vorteilhaft in die Hohlwelle 1 des Elektromotors zu integrieren. Die Gebersignalspur 9 des Ge¬ bers wird dabei vorteilhaft auf der Innenseite der Hohlwelle gemäß FIG 1 angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Spuren gegen mechanische Beanspruchung durch Fliehkräfte geschützt sind und gleichzeitig in Folge des größeren Durchmessers der Hohlwelle gegenüber dem A-seitigen Durchmesser der Welle mehr Signalinkremente auf die Signalspur aufgebracht werden kön¬ nen, wodurch die Geberauflösung vergrößert wird. Die rotie- rende Signalspur 9 wird von einem ruhenden Sensor 10 erfasst und mit Hilfe einer Auswerteelektronik 12, die teilweise oder wie im Ausführungsbeispiel dargestellt vollständig in den Hohlraum 2 innerhalb der Hohlwelle 1 integriert ist und ru¬ hend befestigt ist, ausgewertet. Anschließend werden die Ge- berinformationen (z.B. Lage der Hohlwelle) z.B. der Ansteuer¬ elektronik 13 oder einer übergeordneten nicht näher darge- stellten Steuerung oder Regelung innerhalb oder außerhalb des Elektromotors zur Verfügung gestellt.

In dem Ausführungsbeispiel ist die Ansteuerelektronik 13, der Umrichter 11 und die Auswerteelektronik 12 innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 15, welches mit dem B-seitigen Lager¬ schild 6 verschraubt ist, untergebracht. Selbstverständlich können die Ansteuerelektronik 13, der Umrichter 11 und die Auswerteelektronik 12 aber auch in getrennten Gehäusen oder auch ohne Gehäuse in die Hohlwelle 1 integriert sein.

Zur Kühlung der Ansteuerelektronik 13, des Umrichters 11 und der Auswerteelektronik 12 sind auf der B-Seite des Elektromo¬ tors Lüfterschaufeln 8 an der Innenseite der Hohlwelle 1 des Motors befestigt. Wenn die Hohlwelle 1 in Rotation versetzt wird, wird durch diese einfache Konstruktion eine sichere Zwangskühlung der Ansteuerelektronik 13, des Umrichters 11 und der Auswerteelektronik 12 erreicht.

Im Rahmen der Erfindung wird unter dem Begriff Lagerschild auch eine Lagerschildabdeckung verstanden.

Insbesondere im Bereich von Werkzeug- oder Produktionsmaschi¬ nen ist der Einsatz eines solchen Elektromotors innerhalb ei- nes Antriebssystems besonders vorteilhaft, da in solchen Ma¬ schinen eine kompakte platzsparende Bauweise mit hoher Integ¬ rationsdichte der einzelnen Komponenten gefordert wird.