变换器电机和方法

专利名称：变换器电机和方法
技术领域：
本发明涉及一种变换器电机/变频电机(Umrichtermotor)和方法。
技术背景由DE 197 04 226已知一种变换器电机，其中变换器/变频器套装在电 机壳体上，在功率电子装置/强电电子装置(Leistungselektronik)与电机 之间设置热屏蔽部。因此可以通过冷却体来实现功率电子装置向外界的散 热。发明内容因此本发明的目的是，改进变换器电机，其中该变换器电机应设计得 尽可能紧凑。根据本发明，该目的由按照权利要求l中给出的特征的变换器电机来 实现。在变换器电机方面，本发明的重要特征是，该变换器电机包括电动机 和为该电动机供电的变换器，该变换器包括信号电子装置/弱电电子装置 (Signalelektronik)和功率电子装置，其中变换器包括至少一个形成壳体的下部部件和至少一个套装在该下 部部件上的形成壳体的上部部件，其中，电动机包括电机壳体，特别是至少一个定子壳体，其中，功率电子装置到电机壳体的热阻小于该功率电子装置到上部部 件以及到下部部件的与外界空气接触的表面区域的热阻。其优点在于由于热量可更好地向外界歉t，所以可将变换器电枳i设计得较紧凑。特别地，可利用电机壳体来代替专门的冷却体。尽管本领域 技术人员首先对此会有所担忧，因为他会认为，电机比功率电子装置热。 然而在设计并利用电机来产生转矩，特别是在产生时间上有限地起作用的 较大转矩的情况下，可以有利地采用本发明。因为在例如用于定位任务时 电机仅在短时间内以全转矩工作。此后接着是电机的停机阶段或部分负荷 状态。现在本发明通过在热工^^支术上利用在其它时间处于闲置状态的可能 的散热途径。对于本发明也很重要的是，定子的热-时间常数有利地比功率 电子装置的加热时间常数大得多。这意味着，相对于很快就达到的功率电 子装置峰值温度，定子峰值温度则在吸收产生的功率后较慢地达到。这里 也很重要的是，定子绕组和定子壳体的热容共同作用，因此出现温度的緩 慢上升。因此在断续运行时形成中间(平均)温度，在该中间温度附近只 出现较小的温度波动。相反功率电子装置的温度上升进行得非常快并且温 度波动大。这便于向定子壳体传热。在一优选实施形式中，在定子壳体与下部部件区域之间设置热屏蔽部。 其优点是，使得信号电子装置的散热尽可能地不受定子壳体及功率电子装 置的温度的影响。在一优选实施形式中，热屏蔽部包括用于将功率电子装置的热量贯通 引导到定子壳体上的凹口。其优点是，电机壳体可用于功率电子装置的散 热。在一优选实施形式中，热屏蔽部还设置在下部部件的内侧或仅设置在 下部部件的内侧上。其优点是，可限制热量流入在下部部件与上部部件之间形成的内腔中。在一优选实施形式中，信号电子装置到上部部件的热阻小于其到下部 部件的热阻，特别是小于其到下部部件的与外界空气接触的表面区域的热 阻。特别地信号电子装置到上部部件的热阻小于其到定子壳体的热阻。其 优点是，4吏得信号电子装置的热量以不同于功率电子装置和定子绕组的热 量的途径歉良。在一优选实施形式中，信号电子装置和功率电子装置设置在相同的线路板上。其优点是，可实现快速简单的安装，特别是可以在一个在具有装 配与钎焊过程的工序中安装。在一优选实施形式中，功率电子装置为了散热与定子壳体导热地连接， 所述连接既可以直接地实现，也可以通过中间体间接地实现和/或通过下部 部件间接地实现。其优点是，使得热量可通过电机壳体向外界散发。在一优选实施形式中，为了减少向下部部件，特别是向下部部件的与 外界空气接触的表面区域的传热，至少在一部分区域内将下部部件的壁厚 设计成变薄的。其优点是，其可以实现类似于用于热量流的阀的作用。热 量流的大部分被导向定子壳体，并在这里向外界M。在一优选实施形式中，将所述部分区域围绕功率电子装置与下部部件 的接触面布置。其优点是，虽然由下部部件实现机械保持功能，但是热量 不会流入或仅以很小的量流入起保持作用的部分。因此可将热量流导向电 机壳体的方向。可以简单经济地实现环绕接触区的壁厚的减小，例如将厚 度减小部设计成槽。在一优选实施形式中，下部部件具有指向变换器内部的拱顶(Dom), 可使功率电子装置接触在该拱顶上，以进行散热。其优点是，该拱顶可特 别地由压铸或注塑方法简单经济地制造。在一优选实施形式中，下部部件和/或上部部件由铝构成，特别是制成 铝压铸件。其优点是，对信号电子装置热量的热量贯通引导非常好。在一优选实施形式中，定子壳体由钢铸制成。其优点是，可经济地实 现定子壳体并使其具有有利的磁特性。在一优选实施形式中，在以最大允许功率持续运行时定子壳体的温度 比功率电子装置的温度高，特别地这时没有热量从功率电子装置通过定子 壳体向外界歉良。特别地，特别是为了实现从功率电子装置向定子壳体散 热，电动机可以按部分负荷地或断续运行地这样工作，即，使定子壳体具 有比功率电子装置的温度低的温度，特别是这时可从功率电子装置通过定 子壳体向外界歉良热量。其优点是，可提供大的转矩，却仍然可采用针对 持续功率优化的电机壳体用于电子装置的散热。此外，定子壳体或不带变换器的整个电机可以用在这样电机系列中，该系列的电^L也可按持续载荷运行工作。因此能够在得到大量变型的情况 下，减小包括三相交流电机和变换器电机的电机系列的构件数量。(本发明的)方法方面的主要特征是，该方法设置成用于运行变换器 电机，其中电机按部分负荷或断续运行这样工作，即，使定子壳体具有低 于变换器的功率电子装置的温度的温度。其优点是，利用了在断续运行或 部分负荷运行时仍具有的通过定子壳体向外界散热的可能性。特别地，用于测量定子壳体温度的传感器与信号电子装置电子地连接。 可选地，也可以特别是根据运行方式，如部分负荷或断续运行来确定定子 壳体温度的模型值/模拟值(Moddlwert),并该模型值在超过一临界值时 一方面特别地通过现场总线向现场总线用户发出警报，另一方面降低电机 功率和/或延长断续运行中的间断时长。其优点是，通过采取适当的措施和 /或发出警报，使得不超过预计的、估计的或测量的定子壳体临界温度。其它优点由从属权利要求得到。附图标记表l定子壳体2转子3轴承4壳体盖5壳体件6热屏蔽7传感器结构8功率模块9电路板IO净皮沟槽包围的拱顶具体实施方式
下面根据附图来详细说明本发明。在

图1中以剖视图示意性示出根据本发明的变换器电机。在图2中以 局部视图示出功率半导体(Leistungshalbleiter)和主要导热部件的布置结 构。转子2通过轴承3支承在定子壳体1内。变换器连同其功率和信号电 子装置套装在电机上。其中该变换器由构成壳体的部件包围，并由此形成 其壳体，所述构成壳体的部件即至少是作为上部部件的壳体盖4和作为下 部部件的壳体件5，该壳体件5设计成替代电机的接线盒。在壳体盖4与壳体件5之间设有热屏蔽6。信号电子装置设置在电路板9上。功率模块8包括变换器的功率电子 装置。该功率模块设置在电路板9上。在电机的轴向末端区域上可安装传感器7。也可以采用一体的结构， 例如在位于轴向输入侧的轴承端盖(Lagerschild)内。壳体件5由铝例如制成为铝压铸件。壳体件5具有一拱顶，即突起部， 该突起部设置成指向变换器内部。功率模块可设置在该突起部上，即在装 配时可使其相互接触。可借助于功率模块与壳体件之间的导热膏体 (WSrmeleitpaste)减小热阻。壳体件5与定子壳体1直接接触。因此热量可以4艮好地向电机壳体方 向絲。指向内部的拱顶10由槽包围。因此壳体件5的壁厚在该槽的区域内具 有局部的最小值。即热量优先向定子壳体l的方向流动，少量热量在壳体 件5内扩散。即现在以此方式将主热量流设置为从功率模块经由拱顶到定子壳体 1，再从该定子壳体l处到外界。在所述围绕拱顶的槽之外的区域内，所述壳体件5设有热屏蔽，该热 屏蔽实现与定子壳体的良好的热力技术上的隔离。在图1和2中，将壳体件5设计为大于壳体盖4的尺寸。在根据本发明另外的实施例中，将壳体盖4设计为比壳体件5大得多。优选可以在壳体件5与壳体盖4之间设置热屏蔽。由此信号电子装置的热 量大部分通过变换器内部区域中的空气传到较冷的壳体盖4上，该壳体盖 4设计为比图1中所示的壳体盖大得多。因此热量可迅速地向外界M。 壳体件5根据槽区域中的壁厚的不同处于略高的温度水平，因此相应地向 外界散发较少的信号电子装置的热量。在才艮据本发明另外的实施例中，以如下方式设计和运行变换器电机， 即信号电子装置具有最高85°C的温度水平，功率模块具有120°C或甚至 140°C的温度水平。其中将电机设计成使其在持续运行和最大允许功率时 可达到最高155。C温度级。然而，根据本发明电机在断续运行或部分负荷 时这样工作，即，电机所达到的温度水平低于120°C，优选低于100°C。 由此热量足够快地从功率模块经由拱顶10流入定子壳体。并从该定子壳体 向外界歉复。即使壳体件5在槽以外具有低于定子壳体的温度，来自拱顶区的热量 流也会有较大的部分被引入定子壳体，而有较小的部分被引入其余的壳体 件5。即由槽实现了类似恒温阀/热敏阀(Warmeventil)的作用。在这种变型中重要的是，电动机可产生高转矩。特别地该电动机是不 是持续运行，而是断续运行的伺服电机。即在各个运行的时间段内可产生 电机的全功率。在间隔的时间段内功率降低或为零。以此方式可实现，电 机不会达到其最大的允许温度水平，而是达到一低得多的温度水平。在本 发明中正是利用这种降低，以使变换器的功率电子装置的热功率通过电机 壳体，特别是定子壳体，向外界散发。在根据本发明另外的实施例中，使槽的区域中的壁厚降低到非常小的 值，最低接近为零。在根据本发明另外的实施例中，通过使功率模块直接与定子壳体接触 或经由导热性非常好的中间件与定子壳体接触，使壁厚达到零。这时由电 路板实现对功率模块的机械保持功能。为此在热屏蔽6的内部以及壳体件 5的内部都设置有凹口，为了填充该凹口，功率模块和/或中间件与壳体件 5密封地连接，所述功率模块和/或中间件布置在壳体件的凹口内。在根据本发明另外的实施例中，由作为弹性元件的电路板附加地实现的弹性压紧 力，从而可将功率模块压靠在该定子壳体上，并可由此改善热接触。特别是在接触部位(Schnittstelle)上设置导热膏体。在改进结构中，也可由弹 性元件实现弹簧力，其中电路板布置成可略微偏转，并由此可实现将功率 模块直接地或通过中间件间接地压靠在定子壳体上的自由度。在根据本发 明另外的实施例中，可通过安装在电路板与壳体盖之间的零件施加弹性力。 在本发明另外的实施例中，以平放的方式将功率半导体设置在电路板 的凹口内，并由设置在壳体盖与功率半导体之间的弹簧件直接地或通过中 间件间接地将功率半导体压靠在定子壳体上。其中，为了承受热应力和机 械应力，功率半导体的插脚具有唯一一个肋部。也可对每个插脚采用多个 肋部。平放安装使得可在装配时采用SMD技术。这意味着，可在一个工 序中安装整个信号电子装置和功率电子装置，并可随后对其进行钎焊。这 里，所述插脚位于一个平面内，并有利地可至少在两侧从功率半导体中伸 出。在本发明另外的实施例中，壳体部件，即例如壳体盖4、壳体件5和/ 或定子壳体l具有冷却装置，如冷却肋和/或冷却条，以改善向外界的热量 输送。在本发明另外的实施例中，如图3所示，在壳体件5内侧上也形成有 热屏蔽6。因此更有效地从功率模块8将热量流引导向电机壳体方向，并 且可限制或至少是可减小在壳体件5与壳体盖4之间的内腔的发热。即使 电机比功率模块热，也可以通过安装在壳体件5内侧上的热屏蔽6限制流 入内腔的热量流。
权利要求
1.变换器电机，包括电动机和为该电动机供电的变换器，该变换器包括信号电子装置和功率电子装置，其中，该变换器包括至少一个构成壳体的下部部件和至少一个套装在该下部部件上的、构成壳体的上部部件，其中，该电动机包括电机壳体，特别是至少一个定子壳体，其特征为所述功率电子装置到电机壳体的热阻小于该功率电子装置到上部部件和该功率电子装置到下部部件的与外界空气接触的表面区域的热阻，特别是，其中这通过相应的热屏蔽来实现。
2. 按上述权利要求中至少一项所述的变换器电机，其特征为 在定子壳体与下部部件的区域之间设有热屏蔽。
3. 按上述权利要求中至少一项所述的变换器电机，其特征为 所述热屏蔽包括凹口，以将功率电子装置的热量贯通引导到定子壳体上。
4. 按上述权利要求中至少一项所述的变换器电机，其特征为 所述热屏蔽还安装在或者仅安装在下部部件的内侧上，特别是用以限制热量向在下部部件与上部部件之间形成的内腔中的流动。
5. 按权利要求l-3中至少一项所述的变换器电机，其特征为 所述信号电子装置到上部部件的热阻小于该信号电子装置到下部部件，特别是到下部部件的与外界空气接触的表面区域的热阻。
6. 按上述权利要求中至少一项所述的变换器电机，其特征为 所述信号电子装置到上部部件的热阻小于该信号电子装置到定子壳体的热阻。
7. 按上述权利要求中至少一项所述的变换器电机，其特征为 将所述信号电子装置和功率电子装置设置在相同的电路板上。
8. 按上述权利要求中至少一项所述的变换器电机，其特征为为了进行散热，所述功率电子装置直接地或通过中间件间接地和/或通 过所述下部部件间接地与定子壳体导热地连接。
9. 按上述权利要求中至少一项所述的变换器电机，其特征为 为了减小向下部部件中，特别是向下部部件的与外界空气接触的表面区域的热量传输，下部部件的壁厚在至少一个部分区域内设计成变薄的。
10. 按上述权利要求中至少一项所述的变换器电机，其特征为 所述部分区域围绕功率电子装置与下部部件的接触面设置。
11. 按上述权利要求中至少一项所述的变换器电机，其特征为 所述下部部件具有指向变换器内部的拱顶，能够使功率电子装置接触在该拱顶上，以进行散热。
12. 按上述权利要求中至少一项所述的变换器电机，其特征为 所述下部部件和/或上部部件由铝特别是作为铝压铸件制成。
13. 按上述权利要求中至少一项所述的变换器电机，其特征为 所述定子壳体由铸钢制成。
14. 按上述权利要求中至少一项所述的变换器电机，其特征为在以最大允许功率持续运行时，定子壳体的温度高于功率电子装置的 温度，特别是此时没有热量从功率电子装置通过定子壳体向外界散发。
15. 按上述权利要求中至少一项所述的变换器电机，其特征为 特别是为了实现从功率电子装置向定子壳体的散热，电动机能够以部分负荷或断续运行地这样工作，即，使定子壳体的温度低于功率电子装置 的温度，特别是这时能够使热量从功率电子装置通过定子壳体向外界散发。
16. 用于运行变换器电机的方法，其特征为使所述电机以部分负荷地或断续运行这样地工作，即，使得定子壳体 的温度低于变换器的功率电子装置的温度。
17. 按权利要求16的方法，其特征为使一传感器与信号电子装置电子地连接，以测量定子壳体的温度。
18. 按权利要求16的方法，其特征为确定定子壳体温度的模拟值，特别是根据运行方式，如部分负荷或断续运行来确定该模拟值，并且在超过一 临界值时一方面触发特别是通过现 场总线向现场总线用户的警报，另一方面降低电机功率和/或延长断续运行 中的中断时长。
全文摘要
本发明涉及一种变换器电机，包括电动机以及为该电动机供电的变换器，该变换器包括信号电子装置和功率电子装置，其中变换器包括至少一个构成壳体的下部部件和至少一个可盖在该下部部件上面的构成壳体的上部部件，其中电动机包括电机壳体，特别地至少一个定子壳体，其中功率电子装置到电机壳体的热阻小于该功率电子装置到上部部件和到下部部件的与外界空气接触的表面区域的热阻。
文档编号H02K11/04GK101253671SQ200680031790
公开日2008年8月27日 申请日期2006年8月1日 优先权日2005年8月30日
发明者B·艾格尔, J·施密特, J·马伦, T·莱希特尔 申请人:索尤若驱动有限及两合公司