CN102195411B - 具有集成电力和控制且包括电流源逆变器的电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有集成电力和控制且包括电流源逆变器的电机。一种机器具有外壳，外壳包括邻近转子定位的多个定子线圈。交换网络包括连接到线圈的多个晶体管和二极管。电流源逆变器由交换网络、定位于电力轨上的一对感应器和换向电容器提供。电流源逆变器和线圈全都定位于所述外壳内。用于交通工具的电力架构具有直流功率源，其通过集成马达驱动器与机器连通。马达驱动器包括与转子相邻定位的至少三个线圈，所述转子用于与集成马达驱动器相关联的马达。储存交换网络定位于线圈下游，且储存交换网络闭合以允许来自线圈的电力驱动该转子，或者打开以允许电力传递到局部储存构件。

Description

具有集成电力和控制且包括电流源逆变器的电机

技术领域

本申请涉及一种电机，其可为起动器/发电机，或者可为马达驱动器，且其中功率开关与马达线圈集成在一起，且电流源逆变器定位于功率源与机器之间。本申请还涉及用于诸如飞机这样的交通工具上的独特功率源架构。

电机是已知的且包括多个线圈。电机可作为马达或发电机操作。包括多个晶体管和二极管的交换网络定位成与线圈串联。已知在单个外壳内集成交换网络与线圈，其给予上文所讨论的益处。

背景技术

在过去，这种机器具备电压源逆变器。电压源逆变器通常包括直流链路电容器作为能量储存装置。当这种电容器合并于外壳中时，产生封装问题，这是由于较大的尺寸和对直流总线上温度和电流波纹的敏感性引起的。

电机与马达驱动器集成到单个外壳内排除了在马达与马达驱动器之间的长电缆，排除了在马达与马达驱动器之间的电压驻波且减小或排除了在马达驱动器输出处的滤波器。

通过集成电机和电压源逆变器（VSI）而取得进步。但是，VSI具有不合需要的特征，包括对于较大尺寸的直流链路电容器作为能量储存装置的需要和直通（shoot-through）问题。可通过利用碳化硅（SiC）功率半导体，诸如SiC MOSFET、SiC JFET、SiC BJT和SiC肖特基二极管来显著改进VSI与马达外壳的集成。高温SiC装置可简化冷却布置。

但是，直流链路电容器在VSI中的使用带来封装挑战，这是由于其较大的尺寸和对于直流总线上的操纵温度和电流波纹的敏感性引起的。膜电容器波纹电流随着温度迅速地降低。VSI的其它缺陷与脉冲宽度调制电压波形相关联，导致高电磁干扰（EMI）噪声，轴承泄漏电流（bearing-leakage current）和马达绝缘上的高应力。

电流源逆变器是已知的，且依靠直流链路感应器作为能量储存装置。但是，这种电流源逆变器尚未合并于如上文所述的带交换网络和马达驱动器线圈的外壳内。

发明内容

机器包括外壳，外壳包括多个定子线圈。定子线圈定位与转子相邻。交换网络包括连接到线圈的多个功率晶体管和二极管。电流源逆变器包括交换网络，定位于正电力轨和负电力轨上的一对感应器，以及一组换向电容器。该感应器对、交换网络和一组换向电容器以及线圈全都定位于所述外壳内。

在单独的特点中，用于交通工具的电力架构具有直流功率源，其通过集成马达驱动器与多个机器连通。马达驱动器包括定位与转子相邻的至少三个线圈，该转子用于与该集成马达驱动器相关联的马达。储存交换网络定位于线圈下游，且储存交换网络闭合以允许来自线圈的电力驱动该转子，或者打开以允许电力不再驱动该转子而是替代地传递到局部储存构件。

通过下文的说明书和附图，本发明的这些和其它特征将会得到最好地理解，下面是附图简述。

附图说明

图1示出集成的起动器/发电机。

图2示出图1的起动器/发电机在发动机起动期间的功率流。

图3示出图1的起动器/发电机在发电模式期间的功率流。

图4示出与如图1所示的起动器/发电机组合的交流功率源的拓扑结构。

图5示出在发动机起动期间的图4的起动器/发电机。

图6示出在发电模式期间的图4的起动器/发电机。

图7示出用于飞机功率系统的单线架构。

图8示出集成的马达驱动器。

图9示出具备三相修改（modified）的二极管桥的集成马达驱动器。

图10示出在局部能量储存装置与中央能量储存装置之间的接口。

图11示出总系统架构。

具体实施方式

在图1中示出起动器/发电机电路20。外壳22示意性地示出被定位成连接到直流功率源或负载24。

由感应器26提供的电流源逆变器将直流功率源/负载24连接到交换网络28，交换网络28具备多个晶体管开关29和二极管131。小换向电容器32连接到网络28。

定子线圈30连接于电容器32的下游且定位与转子31相邻。

图2示出电路20以起动模式操作。自直流功率源24的电力在逆变器感应器26上传递，通过交换网络28且向线圈30加电。继而这驱动转子31，示意性地示出。在一个实施例中，转子31可连接到燃气轮机发动机33。

图3示出电路20以发电模式操作。在这点，发动机33被驱动旋转且因而驱动转子31。然后这发电，电力往回通过交换网络28流动以提供电力给直流功率源/负载24。

将电流源逆变器和感应器26合并于马达外壳22内提供封装益处，如上文所提到的那样。

图4示出电路40，其中外壳44还合并交换网络46，交换网络46包括多个二极管、晶体管、感应器47和换向电容器49，全都在外壳44内。在虚线43的右边的电路可与图1至3中所示的外壳22内的电路相同。特别地，包括虚线43只是为了便于说明，且实际上在电路内可能不存在。

交流功率源/负载42连接到感应器47。在起动模式期间，交流电由交换网络46和感应器47转换成直流，且在发电模式期间，直流电转换成交流电。这有效地提供电流源有源整流器。图5示出在发动机起动模式期间的电路40，而图6示出在发电模式期间的功率流。

图7示出单线架构50，其现可用于在具有图1和图4的本发明的电路20或40的飞机上供电。燃气轮机发动机连接到集成的起动器/发电机51，集成的起动器/发电机51可如前面的图中在20或40处所示。辅助电力单元连接到集成的起动器/发电机52。同样，这结构可如20或40处。存在交流总线53和直流总线54。多个构件55可包括环境控制系统（ECS）马达驱动器（MD）、舱空气压缩机（CAC）MD，且液压泵MD连接成由此系统驱动。

具有外壳61的集成马达驱动器60在图8中示出。同样，直流功率源62通过感应器64、交换网络66和电力驱动线圈70连接用于驱动马达转子71。马达转子71可用于驱动任意数目的构件73。如前面的实施例提供换向电容器68。

图9示出在虚线72左边的图8的集成马达驱动器60。特别地，包括虚线72只是为了便于说明，且实际上在电路中可能不存在。开关76通过操作以接通和断开。当闭合时，它们允许电力从集成马达驱动器60给马达转子75加电。但是，此实施例通过操作以在局部能量储存构件74中存储能量。局部能量储存构件74可为任何类型的能力储存部件。在此实施例中，当开关76全都打开时，电力通过二极管77传递且存储于局部能量储存构件74中。

如图10所示，局部能量储存构件74可具备隔离的双向直流至直流转换器100，其包括电容器82、交换网络84、用于电流分离的变压器86、交换网络88、感应器90和电容器91。所有这些允许局部能量储存构件74传递电力用于在中央能量储存构件92储存。同样，中央能量储存构件92可为任何适当类型的能量储存系统。

如图11所示，公开了总系统电力架构。直流功率源62可提供电力给任意数目的集成马达驱动器96。集成马达驱动器96驱动马达，或者替代地在局部能量储存构件74储存电力。然后双向直流至直流转换器100替代地发送该电力到中央能量储存构件92。如图11所示的系统允许高效地使用来自直流功率源62的电力，以用于给马达加电，或者用于储存于局部能量储存构件74，然后最终储存于中央能量储存构件92。

虽然此实施例被提及为发送来自局部储存构件的电力到中央储存构件，当然，转换器的双向性质将允许电力根据需要从中央储存构件到局部储存构件。在此情况下，晶体管76可连接到虚线72右边的正轨（未图示）。这种布置允许集成马达驱动器的容错能力。当主功率不再可用时，局部能量储存装置可供应电力来驱动该马达。在此情况下，需要闭合在虚线72左边的晶体管。虽然未具体地公开，本领域的普通技术人员应了解如何提供适当控制来提供在本申请的11个图中所公开的所有控制特征。

尽管已经公开了本发明的优选实施例，但本领域的普通技术人员应认识到某些修改将落入本发明的范围。因此，应研究下文的权利要求书来确定本发明的真实精神和范围。

Claims (14)

1.一种机器，其包括：

外壳，其包括多个定子线圈，所述定子线圈定位与转子相邻；

电流源逆变器，其包括：交换网络，所述交换网络包括多个二极管和开关，所述交换网络连接到所述定子线圈；以及，定位于直流电力轨上的一对感应器，一组换向电容器，且所述电流源逆变器和所述定子线圈全都定位于所述外壳内；以及

所述机器交替地作为起动器与发电机操作。

2.根据权利要求1所述的机器，其中，所述一组换向电容器连接到线上，所述线连接所述交换网络和所述定子线圈中的每一个。

3.根据权利要求1所述的机器，其中，交流至直流转换器也定位于所述外壳内，且当所述机器作为起动器操作时将交流电流转换成直流电流，且当所述机器作为发电机操作时将来自所述定子线圈的直流电流转换成交流电流。

4.根据权利要求1所述的机器，其中，所述机器是集成马达驱动器。

5.根据权利要求4所述的机器，其中，三相桥式半控整流电路定位于所述定子线圈与局部能量储存构件之间。

6.根据权利要求4所述的机器，其中，储存交换网络定位于所述定子线圈的下游，且所述储存交换网络可通过操作以交替提供来自所述定子线圈的电力到马达转子，或者替代地发送电力到局部能量储存构件。

7.根据权利要求6所述的机器，其中，所述局部能量储存构件与中央储存构件连通。

8.根据权利要求6所述的机器，其中，三相桥式半控整流电路定位于所述定子线圈与所述局部能量储存构件之间。

9.一种用于交通工具的电力架构，其包括：

直流功率源，所述直流功率源提供电力给集成马达驱动器，其中，每个所述集成马达驱动器包括：

外壳，所述外壳包括线圈组，所述线圈组包括至少三个线圈，所述线圈组定位与马达的转子相邻，该马达与每个所述集成马达驱动器相关联；

电流源逆变器，其包括连接到所述线圈的多个二极管和开关；定位于电力轨上的一对感应器；和一组换向电容器；以及

其中，所述电流源逆变器和所述线圈全部位于所述外壳内；以及

储存交换网络，其定位于每个所述线圈组的下游，且所述储存交换网络可通过操作以闭合从而允许来自所述线圈组的电力驱动所述转子，或者可通过操作以打开来允许电力不再驱动所述转子而是替代地传递到局部能量储存构件。

10.根据权利要求9所述的架构，其中，当所述集成马达驱动器用于驱动所述转子时，所述开关被闭合，且当所述集成马达驱动器向所述局部能量储存构件供电时，所述开关是打开的。

11.根据权利要求9所述的架构，其中，多个所述局部能量储存构件向中央能量储存构件供应储存能量。

12.根据权利要求11所述的架构，其中，双向直流至直流转换器定位于所述局部能量储存构件中的每一个与所述中央能量储存构件之间。

13.根据权利要求12所述的架构，其中，所述双向直流至直流转换器包括高频变压器。

14.根据权利要求13所述的架构，其中，交流发电源生成交流电，所述交流电通过整流器传递，以转成直流电来供应所述直流功率源。