CN101159396A - 变流器电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变流器电动机，其变流器单元(6)和电动机(1)构成机电一体化。变流器单元(6)布置在该电动机的后面并与后轴承盖(11)热耦合。变流器单元(6)具有一个通孔(14)，电动机轴的后端穿通该通孔。在该通孔的范围内布置一个无接触的位置探测装置。

Description

变流器电动机

技术领域

本发明涉及一种带有一个变流器单元的电动机。从现有技术中已知各种各样的电动机，其中例如异步标准电动机是工业中最常用的驱动装置。这类电动机价格低、很耐用和运行平稳。但这类异步电动机也有诸多缺点，例如固定的转速和旋转方向，以及需要启动装置。此外，在部分负荷时效率很低，功率因数Cos也变坏。这类电动机也不可能有源制动。

背景技术

为了克服这些缺点，现有技术转向用变流器给电动机供电来开动性能可靠的异步电动机。借助于这种变流器原则上可消除全部缺点。所以用变流器工作的电动机有不断增加的趋势。

另一方面，配置变流器也有各种缺点，例如附加费用、在开关柜内增加占地面积、开关柜内附加的散热以及由于脉宽调制引起的干扰传播和由此引起需要抗干扰滤波器。

另一方面，使用变流器在理想情况中可取消标准电动机通常要用的全部(昂贵的)电网连接器件。例如不需要电动机保护开关或温度监控释放装置，不需要星形/三角形转换开关和不需要电动机启动机。此外，也不需要换极或旋转方向变换用的接触器组合，如果不需要根据运行切断电压时(在变流器配置有电子启动锁定装置时)，也不用功率接触器。最后，也不需要直流制动装置。

所以在现有技术中，不断增加变流器的使用，也常常提供电动机和变流器的组合(即所谓变流器电动机)。一种公知的解决方案由一个变流器组成，该变流器用螺丝拧在电动机上，代替一个接线盒。其中该电动机是一台未改动的标准电动机，而该变流器则构成一个独立的功能单元，该单元也可有选择地装在电动机旁边。这种组合可直接连接电源，因为电源滤波器是集成在变流器中的。

但在这种情况下要进行电动机和变流器之间的隔离和尤其是热隔离。其原因在于，在变流器发生故障时，电动机的应急运行可直接借助电源来进行。所以相应的电动机一般是为电源电压(400伏，50赫兹)绕制的。变流器直接布置在电动机上的优点是，一方面减少了开关柜内的占地面积，另一方面避免了散热。此外，电动机电缆无须屏蔽。

这类系统的缺点是，变流器单元往往象电动机本身那样大，特别是在低的额定功率时，变流器体积常常比电动机本身还大。其原因在于，变流器配有一个自己的冷却系统，其一：另一方面变流器通过一个配有接线柱的中间壳体与电动机连接。

在公知的解决方案中，原则上避免了变流器和电动机外壳之间的热交换，因为在电动机外壳中考虑了绝热问题，原则上也不用配置转速调节或位置调节的位置传感器，否则将付出很高的附加费用。

发明内容

所以本发明的目的在于提出一种比现有解决方案需要较小结构空间的变流器电动机。此外，本发明的变流器电动机比较经济，易于实现电连接，还可借助适当的传感器进行转速调节。这样就提供了一种变流器电动机来适时代替带变流器或不带变流器的IEC标准电动机。

根据本发明，这个目的是通过独立权利要求1和2的变流器电动机以及通过权利要求18的变流器单元来实现的。诸多有利的实施方案和改进可从各项从属权利要求中得知。

本发明的变流器电动机具有一根电动机轴和一个控制该电动机的变流器单元。该变流器单元具有多个控制组件并布置在电动机上。此外，该电动机具有一个后壁，根据本发明变流器单元或其外壳布置在该后壁上，且变流器单元具有一个贯通区，电动机轴的后端穿过该贯通区。这里所指的贯通区可能是一个通孔。但也可能是电动机轴只从边上通过变流器单元。在后一种情况中，该贯通区则指贯通轴穿过的变流器单元旁边的那个几何区域。

贯通区的另一或补充方案是，变流器单元与电动机热耦合。电动机优选具有一个电动机外壳，在该外壳上或其后壁上布置变流器单元。所以在下面也涉及该电动机外壳。原则上本发明也适用于无外壳的电动机。

本发明的两种解决方案都可减少结构空间，而且尤其还可相互组合。

控制元器件最好布置在一个外壳中，该外壳不必是一个完全封闭的外壳。

这样就可把变流器单元直接布置在该后壁上，并由此通过变流器单元及电动机外壳的合适的尺寸选择而可在总体上实现节省占地面积。用一台标准电动机与一个分离的变流器单元的上述组合是电动机发展过程中提出的一个中间阶段，那时电动机和变流器的发展是严格分开的。本发明则基于特别是通过把电动机和变流器那样的电子控制装置设形成机电一体化的单元，可构造更有利的变流器电动机。

确切地说，与先前的变流器截然不同，这里的换流器电路在技术上迈进了一大步，不再损害电动机的可靠性。所以例如不用继电器和电解电容器也可实现耐振动和长的使用寿命。同时也不再需要把电动机设计来直接与电网连接，也不需要变流器的易换性。但如果电动机和换流器可分开制造和检验并容易组合成一体，则是十分有利的。

由于电动机不再设计来直接与电网连接，所以可自由选择电压、频率和极对数。设计时不再需要考虑可能的电网过电压，从而可更好地利用铁心。也不再需要用电网来加快(Hochlauf)。现在也可用永磁式同步电动机或磁阻式电动机来代替异步电动机。与异步电动机比较，这两种电动机几乎都没有转子损耗。永磁式同步电动机发展大约50％以上的持续功率。这样本发明原则上就可用于各种类型的电动机。

在另一个优选的实施方案中，变流器单元基本上在几何轴线的圆周方向上完全包围电动机轴内的一根几何轴，所以例如电动机轴本身可通过变流器单元的一个孔伸出。但变流器单元也可设计成弓形，例如半圆形。通过这种配置可实现变流器电动机的特别节省空间的结构。

变流器单元或其外壳最好具有一个通孔，电动机轴穿通该孔。确切地说，如上所述，变流器单元或变流器的元器件被安放在一个封闭的外壳中，该外壳在后部固定在电动机上并具有一个通孔，电动机轴向后穿通该孔。也可设置槽或缝来代替通孔。这样，例如在检修时，变流器单元就可从电动轴上侧向取下。

在又一个优选的实施方案中，变流器单元或其外壳与电动机外壳热耦合，在这里也实现了由电动机和变流器单元组成的特别小巧的单元。在这个方案中，变流器的功率电子器件没有配置自己的冷却装置，而是与电动机外壳热耦合。所以电动机对电子器件起冷却体和作用。这一方面固然会导致电动机的额定功率由于附加的温升而有所降低(例如降低20％)，但这种降低可通过带电部件的延长或损耗少的电机钢片的使用来补偿，本发明的变流器电动机在相同功率的情况下仍然要比现有技术公知的各种解决方案小得多。

本发明电动机的额外费用是微不足道的，因为如上所述，由于不受电网连接所引起的限制，所以可通过适当的设计来提高电动机部分的功率。在使用永磁式同步电动机时，尽管引入了变流器损耗，但电动机部分甚至小于原来的异步电动机。

在另一个实施方案中，变流器单元或其外壳具有一块大致为平面的基板，该基板与电动机外壳的后壁保持直接接触。换言之，变流器单元具有一个平面，变流器单元用这个平面安装到电动机的后轴承盖的平面上。这样就可达到特别有利的热传导。

在另一个有利的实施方案中，变流器电动机具有一个可插入的电源连接件，这个电源连接件或电动机侧的插头集成在变流器单元的外壳中。这样也可达到节省空间的目的。变流器单元最好通过一个插接连接件与电机即电动机的绕组电连接。

在另一个有利的实施方案中，变流器单元或其外壳具有一块高导热系数的金属基板，该基板直接放置在电动机外壳的后壁上，这样同样可改善热传导。

变流器单元就这样用一块导热好的基板一方面固定在电动机外壳的一个平面上，另一方面变流器单元的功率电子器件的损耗热则被引入这块底板中。

在又一种有利的方案中，变流器单元与电动机外壳的热接触直接通过陶瓷衬底(DCB)的基板来实现，功率半导体设置在该衬底上。所以变流器外壳在贴合面内为DCB设置一个通孔，从而DCB的底面直接贴合在电动机上。DCB最好相对于变流器外壳可移动并进行预应力，使其在安装好变流器的情况下压到电动机的平面上。在这个部位使用导热膏是有利的。

在另一种优选的实施方案中，变流器单元的温度敏感的元器件与一个和该基板绝热的盖热耦合。这样，在功率电子元器件中产生的散热就可与变流器单元的这些温度敏感的元器件隔开。

在另一个有利的实施方案中，在电动机轴的一个端段上布置一个风扇叶轮。确切地说，穿过变流器单元的孔的轴最好在其端部装配一个风扇叶轮，该风扇叶轮既用于电动机又用于变流器单元的通风。

该风扇叶轮最好具有许多通孔。确切地说，特别是轴向通孔，这些通孔在位于风扇叶轮前的变流器盖的范围内也产生一股离心向外的气流并由此改善冷却效果。

在另一个优选的实施方案中，在电动机轴上布置一个信号发生器，这个信号发生器布置在电动机轴的一段上，该段通过变流器单元或其外壳导向。换句话说，该信号发生器布置在电动机轴纵向的一定区域内，该区域至少部分地被变流器单元包围。由于这个信号发生器，电动机轴的角度位置就可通过至少一个设置在变流器单元内的至少一个传感器无接触地测定。

这个信号发生器在这里特别优选指的是一个环形元件、尤指一个在圆周方向内交替磁化的磁铁，其磁场借助变流器单元中的磁场传感器来测定。

在另一种优选实施方案中，该信号发生器是一个集成在风扇叶轮的一个轮毂中的环形元件。为此，风扇叶轮的这个轮毂向前即向轴端方向延长。所以在这个实施方案中，信号发生器设置在风扇叶轮的内圆周上。

在另一个优选实施方案中，设置了一个用来确定基板的至少一段的温度的传感器元件。由于电动机和变流器单元是热耦合的，进行变流器单元的底板或基板的温度监控就够了。在这里，功率部分的损耗热馈入并流到电动机外壳中，所以基板总是比电动机外壳热，因而可取消电动机温度的单独测定。为了在过负荷的情况中保护电动机绕组，变流器单元应特别优选配置一个与电动机匹配的i2t电流限制器。

在又一个优选实施方案中，电动机具有一个用于无接触测定电动机轴角度位置的信号发生器元件，该传感器元件布置在电动机轴的后面。确切地说，该传感器元件在轴向上布置在电动机轴后面在变流器部分内。在这个实施方案中，变流器单元的元器件同样设置在外壳内，而外壳则固定在电动机的后壁后面或其上，并在电动机轴后面中心布置可进行无接触地测定电动机轴的角度位置的传感器。此外，电动机轴的端部可特殊构形，或装配一个磁铁，或配置一个旋转的实物量具。

在另一个优选实施方案中，在变流器单元后面的电动机轴上布置一个编码盘，该编码盘通过一个安装在变流器单元中的传感器无接触地为了得到角度扫描。但这个编码盘也可固定在风扇叶轮上或者是风扇叶轮的一部分。在这里，电动机轴的角度位置也优选用无接触的方式确定。

在又一个优选实施方案中，变流器指的是一个用直流电压供电的逆变器(Wechselrichter)。

此外，本发明涉及电动机的变流器单元，该变流器单元具有一个穿通电动机轴的通孔和一块基板，该基板可布置在电动机的后壁上。该变流器单元优选按上述方式构成。

附图说明

其他的优点和实施方案也可从附图中得知。

附图表示：

图1a  带有一个变流器单元的本发明电动机的第一视图；

图1b  图1a电动机的另一个视图；

图2   取下了风扇罩的图1a所示电动机；

图3   没有风扇叶轮的图1电动机；

图4   没有变流器单元的图1a所示电动机；

图5   没有后壁和变流器单元的本发明电动机；

图6   这种电动机用的本发明的变流器单元。

具体实施方式

图1a和1b表示带有电动机外壳3的本发明变流器电动机1，在该电动机外壳上配置一个变流器单元6。附图标记8表示该变流器单元的风扇罩，该风扇罩在其后壁8a上设置有许多通风孔。

电网连接件直接插在变流器单元6上。相应的插座(例如DESINA)则集成在变流器的底板内或盖7内(图4)。插头2节省位置地紧贴在电动机1上，从而使变流器电动机的安装空间变得尽可能小。插头2的电缆引出方向可通过相应匹配的插头口的选择任意地适应所要求的条件。

由电动机和变流器单元组成的设备可按保护等级IP65设计。由于变流器单元配有一个封闭的外壳，只需注意在绕组连接的范围内进行密封即可，这例如可借助在电动机轴承盖上的平面的圆周范围的设置一个O型密封圈实现。

图2表示图1的变流器电动机，这里取掉了风扇罩8。附图标记23表示一个安装在轴上的或轴的一个端段4a上的风扇叶轮，该风扇叶轮不论旋转方向如何都必须满足它的用途，所以盖至少有时处于“风盲区”。在图2中被风扇叶轮遮盖的变电器盖范围内所希望的空气运动可通过轴附近的风扇叶轮具有通孔24来实现，这些通孔可在(未示出的)盖和风扇叶轮之间产生一股离心的向外作用的气流。

电动机外壳3具有用于冷却的肋3a。

图3表示取下了风扇叶轮的图2所示变流器电动机。可以看出，变流器单元6具有一个变流器盖7，而这个变流器盖7则有一个通孔14，电动机轴4穿过该孔延伸。附图标记5表示控制信号的接口。

图4表示前图所示的变流器电动机，这里取下了变流器单元。图中附图标记11指的是电动机外壳3的后壁，变流器单元就布置在该后壁上。本发明的变流器电动机配有一个转子位置的测量装置。如前所述，变流器单元包围着电动机轴，所以可在变流器单元中集成一个传感器来无接触地测定电动机轴4的旋转角度。

一种可能的解决方案在于使用一个交替磁化的环形磁铁26，该环形磁铁在这里起信号发生器作用。这个环形磁铁固定在电动机轴上并布置在变流器单元6的通孔14内。确切地说，这种信号发生器在这里指的是一个在圆周方向内交替磁化的环形磁铁，该环形磁铁固定在轴上并位于变流器单元6的通孔14中。这个信号发生器26的磁场由两个按磁铁的(相对于极距)90°角布置的霍耳传感器测定。通过arctan函数可确定旋转角度。

借助这个很耐用和很经济的角度传感器，用全部三相交流电动机都可进行电流的场定向的(feldorientiert)注入(Einspraegung)和转速及位置的调节，其与那些不用传感器工作的方法比较，这可在全部条件下保证最佳的和最稳定的运行。这在停车和定位时也是完全适用的。由于本发明的定位测量花费很少，无传感器的调节方法是不能与之竞争的，因为这类方法用高的计算费用只能达到低值的转速调节。

图5表示看到电动机的内部，亦即取下了电动机的后壁，该后壁固定在外壳3上并与该外壳构成一个整体。图4的附图标记12指的是一个用来连接电动机绕组的电动机侧的对应插头。换句话说，变流器单元与电动机绕组的电连接最好是可插接的并位于变流器基板16的一个通孔中。如图4所示，电动机10的对应插头12固定在后壁11或后侧的轴承盖上。通过这种布置方式也可达到进一步简化总体结构的目的。

图6表示本发明的变流器单元6，其中附图标记14又是表示穿通轴用的通孔。这个通孔设置在变流器单元6的底板或基板16内，附图标记15表示变流器输出端的插头，该插头与图4所示的电动机的对应插头12共同作用。

所以变流器单元6是环形的，从而它包围电动机轴4并从后面安装到电动机的后壁11上(见图4)。后壁11和变流器单元6之间的要求尽可能小的热传导阻碍是通过该后壁和变流器的基板的平的表面来实现的。通过使用导热膏或导热膜可进一步改善热传导。变流器单元的外壳在这里是由基板16和盖7构成的。

此外，变流器单元直接位于风扇叶轮23的气流中(见图2)，如上所述，这个风扇叶轮最好作为安装到电动机轴上的风扇叶轮23构成。这样，虽然这个风扇叶轮的效果只取决于转速的，但还是它很适用电动机冷却，因为取决于转速的电动机损耗(铁损)是随转速增加的。所以同样随转速增加的冷却效果补偿了不断增加的损耗。尽管在停车状态中缺少气流，但电动机提供可用的停车转矩。在低转速时，也可用外来扇来进一步提高冷却效果。

图6表示本发明变流器单元被分成两个绝热区域。可假定为电动机外壳的温度水平(例如最高100℃)的功率电子部件位于用螺丝与电动机连接的金属基板16上。面向该风扇的、最好也是金属的盖7与该底板是绝热的。变流器单元6的温度敏感的电路(例如微处理器、用户接口，等等)内部热耦合于该盖上。在底板16和盖7之间设置一个用塑料制成的间隔件18用于保证隔热。

由此变流器单元6上的功率电子部件的冷却一方面损耗热通过后壁11引入电动机外壳3来实现，整个电动机表面可有效地用于冷却，另一方面风扇的冷却效果则主要用于功率电子部件，方式是，后轴承盖或后壁11尽可能有多的表面部分并在其圆周上设置冷却肋。变流器单元的盖7的冷却是问题不大的，因为这里供入的损耗热是相当少的。盖7也可设置冷却肋，这种冷却肋伸入风扇的气流中，这种实施方案特别适用于与外来风机相结合。

附图标记25表示变流器单元6与电动机连接的紧固螺钉。为此，示出的4个螺钉25被拧入电动机外壳的相应螺纹孔27中(见图4)。附图标记17表示电源插头的卡弓。

为了实现“可靠保持”功能，变流器单元6宜配置一个电子启动锁(无继电器)，该启动锁在接通供电时可靠防止电动机的启动。如果不需要根据运行切断电压，则该启动锁可代替昂贵的电子接触器。在这种情况中，电源保险丝足够。

本发明的变流器电动机应首先取代带有相应电源接头的迄今常用的标准电动机。本发明电动机的优点还特别是通过可匹配的转速和降低磁化电流而可达到节能的目的。此外，通过改变转速和旋转方向而可扩大功能，并可节省一般的网络连接部分。在制动状态内，有源制动(直流制动)可代替关掉。启动/停止运行用发电机式的制动则需要一个制动电阻力，其由于相当大的损耗功率而必须单独配置，或者将制动能反馈到电网，例如在变流器单元设计成矩阵变流器时则可进行这种反馈。为了限制变流器损失的占地面积，直流电制动或一种将电动机绕组的制动能转换成热的可比方法与本发明电动机相结合是有意义的。这样，对于相应电路结构也可在停电的情况下进行制动。此外，变流器电动机必须根据使用场合变换参数并提供额定值。电动机的连接也可按现有技术通过现场总路线来进行。

在申请资料中公开的全部特征都作为本发明的重要部分提出权利要求，只要这些单个的或组合的特征与现有技术比较是新的。

附图标记

1    电动机

2    插头

3    电动机外壳

3a   冷却肋

4    电动机轴

4a   电动机轴的端段

5    控制信号的接口

6    变流器单元

7    变流器盖

8    风扇罩

8a   风扇罩8a的后壁

11   电动机外壳的后壁

12   对应插头

14   通孔

15   变流器输出端的插头

16   底板

17   卡弓

18   变流器单元的间隔件

23   风扇叶轮

24   通孔

25   紧固螺钉

26   信号发生器

27   25的螺纹孔

Claims (20)

1.变流器电动机，具有电动机轴(4)和控制电动机(1)的变流器单元(6)，其中变流器单元(6)具有许多控制器件，而且这个变流器单元(6)是布置在该电动机上的，电动机(1)具有后壁(11)，

其特征为，

变流器单元(6)的外壳(8)布置在这个后壁(11)上，而且变流器单元(6)具有贯通区(14)，电动机轴(4)的后端可穿通该区。

2.特别是按权利要求1的变流器电动机，具有电动机轴(4)和控制电动机(1)的变流器单元(6)，其中变流器单元(6)具有许多控制元器件，而且这个变流器单元(6)是布置在该电动机(1)上的，电动机(1)具有后壁(11)，

其特征为，

变流器单元(6)布置在这个后壁(11)上，而且变流器单元(6)与电动机(1)热耦合。

3.按前述权利要求至少一项的变流器电动机，

其特征为，

变流器单元(6)在电动机轴圆周方向上基本上完全包围电动机轴(4)的几何轴线。

4.按前述权利要求至少一项的变流器电动机，

其特征为，

变流器单元(6)具有基本上平的基板(16)，该基板与电动机(1)的后壁(11)直接接触。

5.按前述权利要求至少一项的变流器电动机，

其特征为，

变流器单元(6)具有导热系数高的基板(16)，基板(16)直接布置在电动机(1)的后壁(11)上。

6.按前述权利要求至少一项的变流器电动机，

其特征为，

变流器单元(6)的外壳(8)朝电动机方向有通孔，在该通孔中布置导热元件，该元件被预紧，使其压到电动机(1)的后壁(11)上。

7.按前述权利要求至少一项的变流器电动机，

其特征为，

变流器单元(6)的温度敏感的元器件同与基板(16)绝热的盖(7)热耦合。

8.按前述权利要求至少一项的变流器电动机，

其特征为，

在电动机轴(4)的端段(4a)上布置有风扇叶传输线(23)。

9.按权利要求8的变流器电动机，

其特征为，

风扇叶轮(23)具有多个通孔(24)。

10.按前述权利要求至少一项的变流器电动机，

其特征为，

在电动机轴(4)上布置有信号发生器(26)，该信号发生器(26)布置在电动机轴(4)的由变流器单元(6)导向的区段上。

11.按权利要求10的变流器电动机，

其特征为，

信号发生器(26)是固定在电动机轴上的环形元件。

12.按权利要求10的变流器电动机，

其特征为，

信号发生器(26)是集成在风扇叶轮(23)的轮毂(23a)中的环形元件。

13.按前述权利要求至少一项的变流器电动机，

其特征为，

设置了传感元件，该传感元件确定基板(16)的至少一段的或导热元件的温度。

14.按前述权利要求至少一项的变流器电动机，

其特征为，

电动机(1)具有信号发生器和传感元件用于无接触地探测电动机轴(4)的角度位置，其中该传感元件中心地布置在电动机轴(4)的后面在变流器单元上，而该信号发生器则布置在电动机轴(4)的端上。

15.按权利要求7的变流器电动机，

其特征为，

在变流器单元(6)后面在电动机轴(4)上布置有编码盘。

16.按前述权利要求至少一项的变流器电动机，

其特征为，

变流器单元(6)是可供给直流电的逆变器。

17.按前述权利要求至少一项的变流器电动机，

其特征为，

变流器电动机(1)具有可插接的电源连接件(2)，这个电源连接件(2)集成在变流器单元(6)中。

18.控制电动机用的变流器单元具有许多控制元器件，

其特征为，

变流器单元(6)具有基板(16)，该基板适合布置到电动机外壳的后壁上，变流器单元还具有通孔，电动机(1)的电动机轴(4)可穿过该孔。

19.按权利要求17的变流器单元，

其特征为，

变流器单元(6)具有可插接的电源连接件(2)，这个电源连接件(2)集成在变流器单元(6)中。

20.按权利要求17或18的变流器单元，

其特征为，

变流器单元(6)是一个可供给直流电的逆变器。

Images