CN102545446A - 最小化电磁干扰的电马达结构 - Google Patents

最小化电磁干扰的电马达结构 Download PDF

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CN102545446A CN2011104618067A CN201110461806A CN102545446A CN 102545446 A CN102545446 A CN 102545446A CN 2011104618067 A CN2011104618067 A CN 2011104618067A CN 201110461806 A CN201110461806 A CN 201110461806A CN 102545446 A CN102545446 A CN 102545446A
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M·R·沙
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Abstract

本发明涉及最小化电磁干扰的电马达结构。一种电马达(128)构造成带有定子芯部组件，其包括具有多个绕组缝的定子芯部。多个定子绕组经过多个绕组缝，其包括构造成提供围绕多个定子绕组的静电屏蔽的缝衬垫。静电屏蔽称为电气位置(124)以降低与电马达(128)相关联的共模电流。

Description

最小化电磁干扰的电马达结构
技术领域
本发明涉及电马达，并且更具体地涉及用于电马达的结构，其使得电马达更难于产生电磁干扰(EMI)。
背景技术
电马达12的定子通过诸如图1中所示的切换逆变器10供能。快速的dv/dt施加到定子绕组时，切换逆变器10具有非常快速的转变。电马达12具有多重电容性路径。主要关心这些电容性路径中的两个。它们包括：在定子绕组与马达框架之间的路径，Cwf，(接地)电容；和定子绕组与转子之间的路径，Cwr，电容。非常迅速的dv/dt施加穿过这些电容，Cwf、Cwr中的每一个，从而导致当逆变器10切换时，电流流过这些电容性路径。
在这些电容性路径中流动的电流导致两个主要问题。这些问题与EMI以及过度轴承电流相关联。如果例如，逆变器10连接到250VDC链(link)，并且半导体开关以50nsec打开和关闭，那么dv/dt将是5×109V/sec。典型的定子绕组到地的电容是大约一(1)nF到大约十(10)nF。从而，假定2nF的电容，10A的峰值电流将流过该路径。这是相当数量的共模电流；并且它要求非常大的、昂贵的重的共模滤波器削弱该电流。流过Cwr路径的电流将通过转子轴承流入地。该电流可导致轴承的退化。
鉴于前述，提供马达结构将是有利且有益的，该马达结构降低EMI问题以及共模电流，其流进转子轴承和通常与传统电马达结构相关联的电气接地结构。
发明内容
本发明涉及电马达结构。根据一个实施例，电马达包括：
包括多个绕组缝的定子芯部；和
多个缝衬垫，各缝衬垫至少部分布置在相应绕组缝内，其中各缝衬垫包括与定子芯部电气绝缘的导电层，并且进一步，其中多个导电层并行地电气连接在一起以提供共用连接点。
根据另一实施例，电马达包括：
包括多个绕组缝的定子芯部；
经过多个绕组缝的多个定子绕组；和
多个缝衬垫，各缝衬垫包括布置在相应定子绕组与定子芯部之间的导电层，各导电层与它的相应定子绕组及定子芯部电气绝缘，其中多个导电层并行电气连接在一起以提供共用连接点。
根据又一实施例，电马达包括：
包括多个绕组缝的定子芯部；
经过多个绕组缝的多个定子绕组；和
多个定子缝衬垫，各缝衬垫构造成提供至少部分围绕相应定子缝绕组的静电屏蔽，其中多个静电屏蔽并行连接在一起以提供共用连接点。
又一实施例包括构造成带有多个定子缝衬垫的电马达，各缝衬垫构造成提供至少部分围绕相应定子绕组的静电屏蔽，其中多个静电屏蔽并行连接在一起并且称为(be referenced to)电气位置(electricallocation)以降低与电马达相关联的共模电流。
附图说明
通过参考以下当认为与附图相关的详细描述，由于本发明的其它方面和特征及本发明的伴随优点中的许多将更好地明白，故它们将更容易理解，在附图中贯穿其中的图，相同附图标记指定相同部件，并且其中：
图1示出传统切换逆变器构造；
图2示出典型电马达定子迭片(lamination)结构；
图3示出带有缝衬垫的典型电马达定子迭片层叠(stackup)结构；
图4示出带有放置在定子缝中的定子绕组的图3中所示的定子迭片层叠结构；
图5示出根据本发明的一个实施例的定子缝衬垫的顶部视图；
图6示出图5中所示的定子缝衬垫的侧视图；
图7示出在根据一个实施例的图5和图6中所示的缝衬垫内的马达定子绕组的侧剖面视图；
图8示出用于覆盖图4中所示的端部绕组的导电端盖；
图9示出用于覆盖图4中所示的端部绕组的另一导电端盖；
图10示出根据一个实施例带有诸如图5和图6中所示的缝衬垫的电马达定子迭片层叠结构；
图11示出根据一个实施例的图10中所示的定子迭片层叠结构，其中定子绕组放置在定子缝中并且缝衬垫电气连接在一起；
图12示出根据一个实施例的切换逆变器系统的等价电路描述，切换逆变器系统构造成带有利用定子缝屏蔽的用于共模电流的线返回路径；
图13是根据一个实施例采用带有缝衬垫的马达的马达控制系统的方框图；
图14是根据一个实施例采用带有缝衬垫的马达的马达控制系统的更详细的方框图；
图15示出根据一个实施例带有EMI缝盖的定子缝的剖面视图；
图16示出根据一个实施例没有EMI缝盖的定子缝的剖面视图；
虽然以上确定的附图陈述了可选实施例，但是本发明的其它实施例也被预期，如在讨论中说明的。在所有情形中，该公开通过代表而非限制的方式给出本发明的所示实施例。本领域技术人员可设计属于本发明的原理的范围和精神内的大量其它修改和实施例。
部件列表
10    切换逆变器
12    电马达
20    电马达定子迭片结构
22    定子绕组缝
30    电马达定子迭片层叠结构
32    定子缝衬垫
40    定子组件
42    定子绕组
50    定子缝衬垫
52    定子缝衬垫屏蔽
54    绝缘层
56    绝缘层
80    导电端盖
82    转子轴孔
90    导电端盖
92    转子轴孔
100   电马达定子迭片层叠结构
102   定子绕组
104   缝衬垫连接线
120   切换逆变器系统
122   共模感应器
124   逆变器共模电流返回路径
126   逆变器
128   电马达
129   缝衬垫串行电阻器
130   马达控制系统
132   电马达
134    功率逆变器级
136    门驱动电子器件
140    电源
142    电源控制器
144    逆变器级输入滤波器
146    逆变器级输出滤波器
150    马达控制系统
152    电马达
154    翼型
156    航空器命令交界面
160    定子缝
162    定子缝绕组
164    带有屏蔽层的定子缝端盖
170    定子缝
172    没有屏蔽层的定子缝端盖
具体实施方式
图2示出典型电马达定子迭片结构20。迭片结构20包括多个绕组缝22。
图3示出典型电马达定子迭片层叠结构30，其包括多个迭片20。迭片层叠结构30还包括多个缝衬垫32。
图4示出典型定子组件40。定子组件40包括图3中所示的定子迭片层叠结构30。定子组件40还包括放置在定子缝22中的定子绕组42。
图5示出根据一个实施例的定子缝衬垫50的顶部展开视图。利用具有诸如图5中所示的结构的定子缝衬垫提供围绕相应电马达的定子绕组42的至少一部分的一个或多个静电屏蔽。定子缝衬垫/屏蔽52提供用于否则将流进电马达定子和转子组件的电容性电流的导电路径。
更尤其地，经由定子缝衬垫50提供的静电屏蔽52允许成问题的共模电流改为流到更佳电气路径，从而大大降低关联EMI问题。该方法还降低共模电流，其可流进马达的轴承并且导致轴承失效。由各缝衬垫50提供的静电屏蔽有利地防止电容性电流流入接地结构及产生共模EMI电流，并且静电屏蔽还防止电容性电流流进轴承组件及导致轴承沟蚀和点蚀问题，从而引起增加的马达轴承寿命。根据一个方面，电容性共模电流重新引导以直接流回逆变器10而不是地。以这种方式，任何所要求的共模滤波器更小，并且系统更不易于产生非故意的电磁辐射。图6示出图5所示的定子缝衬垫50的侧视图。
根据另一实施例，定子缝衬垫50包括静电屏蔽52和仅仅一层绝缘材料。单一层绝缘材料可由层54或层56组成。在该实施例中，缺乏任何绝缘材料的静电屏蔽52的表面依靠绕组绝缘自身来提供在静电屏蔽与任何相应绕组之间的必要绝缘。根据一个实施例，绝缘层54、56可各具有在大约0.001英寸与大约0.05英寸之间的厚度。
图7示出根据一个实施例在图5和图6中所示的缝衬垫50内的马达定子绕组42的侧剖面视图。再看图5和图6，缝衬垫50包括由铜或其它适当电导体，例如铜或铝制成的薄层52，其可包括在大约0.0001英寸与0.005英寸之间的厚度，薄层52夹在两层绝缘材料54、56中间。导电层52可非常薄以充分降低在导电层52中的感应涡电流，并且可包括如本文中所述的在大约0.0001英寸与0.005英寸之间的厚度，同时保持期望的静电屏蔽性质。根据一个方面，在马达定子绕组42与薄导电层52，例如铜箔层之间的绝缘层可包括如本文中所述的在大约0.001英寸与大约0.05英寸之间的厚度，并且由带有低相对介电常数的材料，诸如但不限于，具有大约2.1的相对介电常数的聚四氟乙烯(PTFE)建造。这些性质充分最小化在定子绕组42与铜箔屏蔽/导电层52之间的电容。
如本文中所述，定子缝衬垫50可包括静电屏蔽52和仅仅一层绝缘材料。对于图7中所示的实施例，单一层绝缘材料可仅仅由层56组成。在该实施例中，缺乏任何绝缘材料的静电屏蔽52的内表面依靠绕组绝缘自身来提供在静电屏蔽52与相应绕组之间的必要绝缘。将导电层52夹在中间的绝缘56的剩余层防止导电层52与定子迭片20电气接触。
缝衬垫50然后用于代替传统定子缝衬垫(诸如高熔点芳香族聚酰胺)。各定子缝衬垫50以类似于法拉第屏蔽的方式工作；并且各缝22中的绕组42呈现对相应缝衬垫50的导电层，例如铜箔的电容。
根据一个方面，缝衬垫50放置在各定子缝22内。马达绕组42然后以类似于当安装传统绝缘缝衬垫绕组时采用的方式的方式定位在屏蔽的缝衬垫50内。在定子迭片层叠组件30的组装期间，各缝衬垫50的一侧与剩余缝衬垫50中的每一个的一侧共同地电气连接，使得多个缝衬垫50彼此并行地电气连接。根据一个方面，这些连接可利用电线实现。根据另一方面，这些连接可利用导电环组件实现。在将缝衬垫50连接在一起之后，屏蔽的缝衬垫50可称为电气位置，在该电气位置C*dv/dt电流能流进更佳电气路径124，诸如电气逆变器126的返回节点，从而驱动诸如参考图12在本文中更详细描述的马达128。由于来自定子绕组42的电容性电流现在流进夹在缝衬垫50的绝缘层54、56中间的薄导电薄板52，所以该特征成为可能。
图8示出导电端盖80，其用于覆盖图4中所示的定子组件绕组42的端部绕组部分。由于小电容依然在定子组件绕组42的端部绕组部分与马达框架及转子两者之间，导电端盖80参与回收这些电流。根据一个方面，导电端盖80彻底覆盖定子组件绕组42的端部绕组部分。根据一个实施例，导电端盖80未连接到马达的框架，而是连接到路径以在更不易受EMI影响的更佳EMI路径中返回dv/dt电流，诸如例如连接到图12的节点124。该特征有利地降低从定子绕组42到马达转子的电容，从而导致改进的电磁干扰性能和降低的轴承电流。
图9示出用于覆盖图4中所示的端部绕组的另一导电端盖90。根据一个方面，这些导电端盖80、90可由薄导电材料建造，根据一个实施例，该导电材料可包括在大约0.001英寸与0.05英寸之间的厚度。根据另一方面，这些导电端盖80、90可由导电网状物建造，以允许空气流和如果要求的喷淋油经过盖80、90。
根据一个方面，盖80、90的目的是捕获电容性电流，并且将它们重新引导到更佳电气路径。根据一个实施例，图4中所示的定子组件40采用四(4)个导电端盖，在马达定子组件40的各端部有两个。一个端盖设置在定子绕组42下面，而另一个端盖设置在定子绕组42上面。由于该端盖不能电气连接到马达的任何其它金属部件，所以它需要利用例如并且无限制的非导电支座进行电气绝缘。
各端盖80、90可包括在各自盖的中心的相应孔82、92以接纳在图1中所示的马达12的转子轴。这些端盖80、90然后从绕组42的内部和外部区域完全覆盖定子绕组42的端部绕组部分，以捕获相应电容性电流。各端盖80、90称为优选位置，使得相应C*dv/dt电流可被重新引导。
在总结解释中，已描述电马达结构，其降低共模电流并且降低马达轴承电流。降低的电流有利地导致降低的滤波要求和增加的马达轴承寿命。从而，对大的重的电磁共模滤波器的需求大大降低。根据一个方面，利用薄绝缘铜箔有利地降低马达组件成本，并且提供马达组件，其是可靠的并且对电气瞬态是电气强健的，并且还是简单且与现有马达组装方法是兼容的。所实现的马达结构有利地降低轴承电流而无需昂贵的陶瓷轴承，或者无需利用电气旋转电刷以分流电容性电流以消除流过金属马达轴承的不期望的电流。所实现的马达结构还通过将定子绕组电容性电流重新引导进入电气屏蔽组件，从而允许将这些电流引导到更期望的电气路径来大大降低EMI复杂性。
图10示出根据一个实施例的电马达定子迭片层叠结构100，其带有诸如在图5和图6中所示的缝衬垫50。各缝衬垫50使它的相应导电层52的部分暴露以允许各缝衬垫50的一侧与剩余缝衬垫50中的每一个的一侧共同地电气连接，使得多个缝衬垫50彼此并行地电气连接。根据一个方面，这些连接可利用诸如在图11中为一个实施例所示的电线实现。根据另一方面，这些连接可利用如本文中所述的导电环组件实现。在将缝衬垫50连接在一起之后，屏蔽的缝衬垫50可称为电气位置，在该电气位置C*dv/dt电流可流进诸如电气逆变器的返回节点的更佳电气路径，从而驱动诸如参考图12在本文中更详细描述的马达。如在本文中之前所述，由于来自定子绕组的电容性电流现在流进夹在缝衬垫50的绝缘层54、56中间的薄导电薄板52，所以该特征成为可能。
根据一个实施例，图11示出图10中所示的定子迭片层叠结构100，其中定子绕组102放置在定子缝中并且缝衬垫50利用电线104电气连接在一起。
图12示出根据一个实施例的电马达切换逆变器系统120的等效电路描述，切换逆变器系统120构造成带有利用定子缝衬垫屏蔽52的用于共模电流的线返回路径124，定子缝衬垫屏蔽52诸如在图5到图7中所示。在将缝衬垫静电屏蔽52如在本文中之前所述地并行地电气连接在一起之后，屏蔽52被称为电气位置，在该电气位置C*dv/dt电流能够流进更佳电气路径124，以降低与电马达128相关联的共模电流，诸如流进电气逆变器126的返回节点，从而驱动电马达128，如在本文中之前所述的。根据一个方面，共模感应器122围绕三个马达绕组电源引入线和连接到EMI缝衬垫50的额外共模电流返回路径线124安装，以进一步增强并且促进共模电流的消除和/或降低。根据另一方面，可在从大约0.1Ohm到大约100Ohm范围内的小电阻器129与缝衬垫线124串行放置，以降低在缝衬垫电容与相应线组件的电感之间的任何谐振。
图13是根据一个实施例采用带有缝衬垫的马达132的马达控制系统130的方框图。马达控制系统130包括功率变换器级134、激活可以是AC或DC电源的电源140的门驱动电子器件136、诸如用于控制电源140和马达132的数字信号处理器的控制器142、放置在功率级134的输入和输出处的滤波器144、146、和使各种构件相互连接的电缆。用于马达132的由各马达缝衬垫50/导电层52提供的静电屏蔽有利地防止电容性电流流进接地结构及产生共模EMI电流，并且还防止电容性电流流进轴承组件及导致轴承沟蚀和点蚀问题，从而引起增加的马达轴承寿命。根据一个方面，将电容性共模电流重新引导以直接流回是功率级134的一部分的逆变器而不是地。以这种方式，任何所要求的共模滤波器更小，并且马达控制系统130更不易于产生非故意的电磁辐射。
图14是根据一个实施例采用带有缝衬垫50的马达152的马达控制系统150的更详细的方框图。马达控制系统150构造成响应于经由航空器交界面156接收的命令控制相应翼型154。
现在看图15，定子缝160的剖面视图示出定子缝绕组162，其布置在相应定子缝衬垫50内。在该实施例中，定子缝盖164插入定子缝160的顶部，使得定子缝衬垫50和定子缝盖形成围绕定子缝绕组162的EMI屏蔽。根据一个实施例，定子缝盖164以与定子缝衬垫50类似的方式包括夹在成对绝缘层中间的导电层52。一些实施例可包括仅采用将导电层52与定子芯部电气绝缘的单一层绝缘的缝衬垫和定子缝盖。在这种实施例中，导电层依靠定子绕组绝缘自身以提供导电层与(多个)定子绕组之间的必要绝缘。
图16是定子缝170的剖面视图，其示出布置在相应定子缝衬垫50内的定子缝绕组162。定子缝盖172插入定子缝170的顶部以在定子缝170的敞开缝部分中提供附加绝缘层。在该实施例中的缝盖172不具有任何导电屏蔽层，并且从而仅仅用来提供附加绝缘层。
本文中所述的实施例重要地不使静电屏蔽/导电层52直接地互连到共用马达接地位置，诸如例如马达定子芯部。而是，多个导电层52经由互连线或导电环并行地电气连接在一起，以提供共用连接点，其可称为电气位置，诸如到马达逆变器的返回路径/节点，以降低与电气马达相关联的共模电流。本发明人发现将静电屏蔽52连接到诸如定子芯部的马达接地位置或其它马达接地位置，导致不利地增加与电马达相关联的共模电流。
当本发明参考优选实施例描述时，本领域技术人员将理解可做出各种改变并且等价物可替代其中的元件而不脱离本发明的范围。此外，可做出各种修改以使具体情形或材料适应本发明的示教而不脱离其基本范围。因此，意图本发明不受限于作为预期用于执行本发明的最佳模式公开的具体实施例，而是本发明将包括属于所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种构造成带有多个定子缝衬垫的电马达(128)，各缝衬垫构造成提供至少部分围绕相应定子缝绕组的静电屏蔽，其中，所述多个静电屏蔽经由互连线或导电环并行地连接在一起，并且称为电气位置(124)，以降低与所述电马达(128)相关联的共模电流。
2.根据权利要求1所述的电马达(128)，其特征在于，各缝衬垫经由相应绝缘层与所述定子芯部电气绝缘。
3.根据权利要求2所述的电马达(128)，其特征在于，各相应绝缘层包括在大约0.001英寸与大约0.05英寸之间的厚度。
4.根据权利要求1所述的电马达(128)，其特征在于，还包括多个定子绕组端盖，其构造成降低与所述多个定子绕组相关联的预先确定的电容性电流。
5.根据权利要求4所述的电马达(128)，其特征在于，各端盖与所述电马达(128)的任何金属部分电气绝缘。
6.根据权利要求4所述的电马达(128)，其特征在于，各端盖包括开口以接纳转子轴经过其中。
7.根据权利要求1所述的电马达(128)，其特征在于，还包括多个定子绕组端盖，其构造成捕获与所述定子绕组的端部相关联的电容性电流。
8.根据权利要求1所述的电马达(128)，其特征在于，各静电屏蔽包括导电箔，其具有在大约0.0001英寸与大约0.005英寸之间的厚度。
9.根据权利要求1所述的电马达(128)，其特征在于，还包括围绕所述互连线或导电环的共模感应器。
10.根据权利要求1所述的电马达(128)，其特征在于，还包括与所述互连线或导电环串行的电阻器。
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