CN104040877A - 用于减小电机的电机控制器的尺寸和成本的方法和装置 - Google Patents

用于减小电机的电机控制器的尺寸和成本的方法和装置 Download PDF

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Abstract

描述了包括电子电机控制器的电机。电子电机控制器包括电机管理电路和与电机管理电路在物理上分离的电源电路。电机管理电路包括绝缘金属基板；驱动器部件，其可操作地附接到绝缘金属基板，并且可操作以提供用于施加到电机绕组的输出信号；至少一个电流传感器，其可操作用于感测被施加到电机绕组的电流量；以及至少一个控制设备，其可操作地附接到用于控制驱动器部件操作的绝缘金属基板。电源电路包括复合电路卡以及功率处理部件，该功率处理部件可操作地附接到电路卡并且可操作以将输入电压转换成被供应到电机管理电路的至少一个输出电压。

Description

用于减小电机的电机控制器的尺寸和成本的方法和装置
技术领域
本公开的领域一般涉及电机控制器，并且更具体地涉及用于减小电机的电机控制器的尺寸和成本的方法和装置。
背景技术
在某些电机操作中使用通常已知为电机控制器的设备。例如，对于诸如无刷永磁电机的一些电机技术需要这种电机控制器设备。
通常，电机控制器设备是全部电机驱动器解决方案成本的显著贡献者。当前的电机控制器结构通常横跨行业和地区的范围，其允许永磁电机从固定频率AC电源操作并且具有可调节的输出。这些控制器结构一般由包含单相或多相桥式电路、诸如微控制器或数字信号处理器(DSP)的数字控制元件、低压电源、电解总线电容器、二极管桥和滤波设备的单个电路板组成。有时功率因子校正包括在这些电机控制器中。
采用单个电路板结构，在电机控制器中使用的功率控制部件的形状因素驱动电机控制器部件的其余部分形状因素。
发明内容
在一方面中，提供了包括电子电机控制器的电机。电子电机控制器包括电机管理电路板和与电机管理电路板在物理上分离的电源电路板。电机管理电路板包括绝缘金属基板；多个驱动器部件，其可操作地附接到绝缘金属基板，并且可操作以提供用于施加到电机绕组的输出信号；至少一个电流传感器，其可操作用于感测被施加到电机绕组的电流量；以及至少一个控制设备，其可操作地附接到绝缘金属基板，并且可被编程成控制驱动器部件的操作。电源电路板包括具有复合材料的印刷电路卡以及多个功率处理部件，该功率处理部件可操作地附接到印刷电路卡并且可操作以将输入电压转换成被供应到电机管理电路板的至少一个输出电压。
在另一方面中，提供了用于减小电机的电子电机控制器总体尺寸的方法。该方法包括使用可操作为用于安装在其上的多个部件的散热器的绝缘金属基板来制造电路板；将多个驱动器部件、至少一个电流传感器以及至少一个控制设备附接到电路板，以形成电机管理电路板；使用复合材料来制造与电机管理电路板在物理上分离的印刷电路板；将多个功率处理部件附接到印刷电路板以形成可操作以将输入电压转换成供应到电机管理电路板的至少一个输出电压的电源电路板；以及使用线束将电机管理电路板电耦接到电源电路板。
在又一方面中，提供了用于在电机的电子电机控制器内的热量减少和耗散的方法。该方法包括可操作地将电源电路板的至少一个部件附接到在电机机壳内的散热器，该电源电路板包括具有可操作地附接到其上的多个部件的玻璃纤维电路，该电源电路卡可操作以将输入电压转换成至少一个输出电压；在与电源电路板分离的位置中可操作地将电机管理电路板附接到电机机壳，在绝缘金属基板上的表面安装结构中该电机管理电路板包括多个驱动器部件、电流感测部件以及至少一个控制设备，以向多个驱动器部件、电流感测部件和安装在其上的至少一个控制设备表面提供散热能力；以及提供在电源电路板和电机管理电路板之间的线束，以将至少一个输出电压施加到电机管理电路板。
已经讨论的特征、功能和优点可在各种实施例中独立实现，或可以在其它实施例中组合，其进一步细节可参考下面的描述和附图看出。
附图说明
图1是集成电换向电机(ECM)和控制电路组件的分解视图。
图2是图1的ECM的控制电路组件的图例。
图3是图1的ECM的控制电路组件的框图。
图4是根据与ECM的控制操作组合的一个实施例的电源电路和电机管理电路的图例。
图5是电源电路板和电机管理电路板的框图。
具体实施方式
在此描述的方法、系统和装置有利于电机的有效和经济制造。虽然在此描述为与电机相关联，但是在此描述的方法、系统和装置可同样与发电机相关联。被制造为包括两个单独电路板的电机控制器在此描述，与已知的电机控制器相比，其用于减少生成的热量并且降低成本。
参考附图，并且更特别地参考图1，参考字符11一般代表一个已知的集成电子换向电机和控制电路组件。电机组件11包括具有固定组件15的无刷电子换向DC电机13，该固定组件15包括定子或芯体17，以及包括永磁转子12和轴14的可旋转组件19。要驱动的风扇(未示出)或其它部件(诸如用于通过空气处理系统移动空气的部件)与轴14接合。
转子12被安装在用于在传统轴承16中旋转轴颈的轴14上并且锁到轴14。轴承16安装在与第一端部构件20和第二端部构件22一体的轴承支撑件18中。端部构件20和22基本上是平的并且彼此平行，并且可称为端罩。端部构件20和22具有固定组件15和可旋转组件19位于其间的内部面对侧24、25。每个端部构件20和22具有与其内侧24、25相对的外侧26、27。此外，第二端部构件22具有用于轴14的孔23，以穿过外侧26并且从外侧26延伸出来。
转子12包括铁磁芯体28，并且在定子17的孔内可旋转。在示出的实施例中，例如通过粘接到转子芯体28，将八个基本相同的磁性材料元件或永磁材料相对薄的弧形段30固定，每个磁性材料元件或弧形段30提供相对恒定的磁场。段30被磁化以相对于转子芯体28径向极化，其中如图所示相邻段30交替极化。具有例如安装在芯体28内的内部永磁的电机同样是已知的。
固定组件15包括适于电激励以生成电磁场的多个绕组级32。级32是卷绕在层叠定子芯体17的齿34周围的导线线圈。绕组端部匝数延伸超过定子端部表面，并且绕组端子引线40通过在连接器42中终止的第一端部构件20中的孔41引出。虽然为了公开的目的示出了固定组件15，但是具有不同形状并且采用不同数量的齿的各种其它构造的其它固定组件是已知的。
电机组件11进一步包括盖44，该盖44安装在电机组件11的后部上以在盖44内封闭电机13的控制电路46。盖44和控制电路46有时可统称为电机控制组件。盖44包括基本上环形的侧壁49。当组件完成时，控制部件46位于相邻第一端部构件20的外侧27处。控制电路46包括多个电子部件52和安装在组件板56(诸如印刷电路板)上的连接器(未示出)。控制电路46通过互连连接器42和连接器(未示出)被连接到绕组级32。控制电路46每次施加电压到一个或多个绕组级32，用于以预选的序列将绕组级32换向，以在旋转轴周围旋转可旋转组件19。
如在此提到的，在第一端部构件和盖44之间的接合(有时称为壳体)基本上形成用于电子部件52和部件板56的腔室，该腔室不允许任何空气穿过部件52流动。
为实现该接合，包括多个螺栓的连接元件58穿过在第二端部构件22中的螺栓孔60，在芯体17中的螺栓孔61，在第一端部构件20中的螺栓孔63，以及在盖44中的螺栓孔65。连接元件58的头部67与第二端部构件22接合。连接元件58适于促使第二端部构件22和盖44彼此相向，从而支撑第一端部构件20、固定组件15和在其间的可旋转组件19。此外，壳体或机壳62可定位在第一端部构件20和第二端部构件22之间，用于封闭并且保护固定组件15和可旋转组件10。
如在此使用的，以单数叙述并且以单词“一个”或“一”进行的元件或步骤应该理解为不排除多个元件或步骤，除非这种排除明确叙述。此外，参考本发明的“一个实施例”或“示例性实施例”不旨在解释为排除同样包括叙述特征的额外实施例的存在。
图2是图1的ECM13的控制电路46的图例。如上所述，控制电路46包括多个电子部件52和安装在部件板56(诸如印刷电路板)上的连接器53。同样参考在图3中示出的控制电路46的框图100，电子部件52包括：瞬变保护部件102；电磁接口(EMI)保护部件104，诸如用于减少EMI的电容器和用于减少EMI的共模电感器；桥式整流器106；以及结合大容量电容器的电容器滤波器108，与低压电源110组合的该大容量电容器向从外部源124接收控制信号122的数字控制设备120提供电源电压112。数字控制设备120提供被施加到桥/栅极驱动器128的控制信号126，该桥/栅极驱动器128生成被施加到如在此所描述的ECM13的输出信号130。电流传感器132经由放大器134从输出信号130向数字控制设备120提供反馈。
一般来说，桥式整流器106和电容器滤波器108是相对大的部件，因为它们提供电功率调节功能。因此，这些电部件通常具有更大的占用空间(footprint)，并且被安装到电路板56作为“通孔”部件。因此，在控制电路46内的电子部件的其余部分同样被包括作为通孔部件。控制电路46的许多部件可用为表面安装部件。表面安装部件更小并且产生更少的热量。
图4是根据与ECM(例如ECM13)的控制操作组合的一个实施例的电源电路200和电机管理电路210的说明。如所理解的，电源电路200和电机管理电路210用于将ECM控制电路分成两个子部分。电机管理电路210包括被安装在绝缘金属基板222而不是典型玻璃纤维印刷电路板(诸如部件板56)上的部件220。与在控制电路46中执行相同功能的部件相比，部件220更小。部分地由于通过金属基板222提供的改进热管理，部件220可做得更小。与控制电路46相比，将所得的电机管理电路210小型化并且使用更少的材料，导致成本降低。
在一个实施例中，并且同样参考图5，电机管理电路210包括：连接器230，用于从电源电路200接收功率；功率半导体开关232，用于切换到电机相位的功率；连接器234，用于附接电机相位；栅极驱动器236，允许功率半导体开关232切换；数字控制设备238，用于向开关提供智能；电流传感器240，用于向数字控制设备238提供数据，放大器242，用于从电流传感器240到数字控制设备238放大数据；以及低压电源244，用于从被施加到整个电机管理电路210的更高电压，提供用于数字控制设备238和放大器(未示出)的低压功率。电机管理电路210可同样包括用于接收然后被施加到数字控制设备238的电机控制需求信号的连接器。
电源电路200使用更笨重并且更常见的部件，其不从在绝缘金属基板上的安装热受益，所以这些部件可被安装在更传统的通孔类型基板260上以减少成本。在一个实施例中，电源电路200包括：连接器270，用于连接到主电源；瞬变抑制设备272，用于减少来自主电源的线路瞬变影响；电容器274，用于减少EMI；共模电感器276，用于减少EMI；二极管桥276，用于将AC主电源转换成DC电压；大容量电容器278，在其中AC主电源电压低的期间提供功率“支撑(hold up)”；以及连接器280，向电机管理电路210提供所得的DC功率。
虽然用于图2和图4的两个实施例的功能相同，但是根据图4实施例做出的控制器具有显著成本效益。由于电机管理电路210的尺寸减小，整个控制器在尺寸上减小。由于作为两个单独项安装和封装的电机管理电路210和电源电路200的制造被简化并且改善，所以电机管理电路210可方便地被附接到散热器，而更笨重的电源电路200可位于空间可用的任何地方。
由于在电机管理电路210上更小组件的使用，成本被减少。例如，由于允许在制造期间提高的制程良率的绝缘金属基板的更小表面积，成本被减少。仅发射电磁噪音的部件安装到绝缘金属基板上，所以得到的产品的EMI以最优效率改进。
在电机管理电路210上使用的部件通常具有高成本灵敏度、优良成本可扩展性(即它们在成本上随着体积减少)以及长订单交货时间，而在电源电路上使用的部件是通常不太昂贵、不显著随着体积减少成本的商品类型部件，并且具有更短的订单交货时间。因此，电机管理电路210可跨越产品和应用的范围被标准化。
作为在电机管理电路210和电源电路200之间差的结果，电源电路可快速并且廉价地重新设计用于不同应用，导致对业务的更低成本和用于新产品的缩短的开发时间。此外，可采用几个总体不同的组合的目标产品和应用的体积采购和/或制造标准化电机管理电路210，对于每个目标产品和应用减少在该子部分上使用的部件成本。
所述实施例旨在包括电机管理电路和与电机管理电路在物理上分离的电源电路的电子电机控制器。该电机管理电路包括绝缘金属基板；多个驱动器部件，其可操作地附接到绝缘金属基板，并且可操作以提供用于应用到电机绕组的输出信号；至少一个电流传感器，其可操作用于感测施加到电机绕组的电流量；以及至少一个控制设备，其可操作地被附接到绝缘金属基板并且编程成控制驱动器部件的操作。电源电路包括由复合材料制成的电路卡以及多个功率处理部件，其可操作地附接到电路卡并且可操作以将输入电压转换成被供应到电机管理电路板的至少一个输出电压。
在实施例中，电源电路可操作以将交流电压转换成直流电压；以及电机管理电路包括至少一个DC到DC转换器，该DC到DC转换器可操作以将来自电源电路板的直流电压转换成用于应用到驱动器部件和控制设备的至少一个低压DC电压源。在另一个结构中，电源电路向多个电机管理电路板提供至少一个DC电压。
如上所述，多个驱动器组件一般包括：多个功率半导体开关；以及多个栅极驱动器，其被电连接到控制设备并且可操作用于控制功率半导体开关的切换。在电机管理电路中，由于绝缘金属基板的散热能力，将驱动器部件、电流传感器以及至少一个控制设备中的至少一部分小型化，该绝缘金属基板进一步可操作为用于驱动器部件和至少一个控制设备的散热器。为实现在此所述的改进，电机管理电路利用多个表面安装部件，并且电源电路利用多个通孔安装部件。
实施例产生用于减小用于电机的电子电机控制器的总体尺寸，该方法包括使用可操作为用于安装在其上的多个部件的散热器的绝缘金属基板来制造电路板；将多个驱动器部件、至少一个电流传感器以及至少一个控制设备附接到电路板，以形成电机管理电路板；使用复合材料来制造与电机管理电路板在物理上分离的印刷电路板；将多个功率处理部件附接到印刷电路卡以形成电源电路板，该电源电路板可操作以将输入电压转换成被供应到电机管理电路板的至少一个输出电压；以及使用线束将电机管理电路板电耦接到电源电路板。将多个驱动器部件、至少一个电流传感器以及至少一个控制设备附接到电路板包括将多个表面安装部件附接到绝缘金属基板；以及将多个功率处理部件附接到印刷电路卡包括将多个通孔安装部件附接到复合材料印刷电路板。
此外，一种用于在电机的电子电机控制器内的热量减少和耗散的方法由所述实施例产生，该方法包括：可操作地将电源电路板的至少一个部件附接到在电机机壳内的散热器，该电源电路板包括具有可操作地附接到其上的多个组件的玻璃纤维电路，该电源电路卡可操作以将输入电压转换成至少一个输出电压；在与电源电路板分开的位置中可操作地将电机管理电路板附接到电机机壳，在绝缘金属基板上的表面安装结构中所述电机管理电路板包括多个驱动器部件、电流感测部件以及至少一个控制装置，以向多个驱动器部件、电流感测部件和安装在其上的至少一个控制设备表面提供散热能力；以及提供在电源电路板和电机管理电路板之间的线束，以将至少一个输出电压施加到电机管理电路板。
该书面描述使用示例以公开包括最优模式的各种实施例，以使任何本领域技术人员能够实施那些实施例，包括制作和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括对本领域技术人员存在的其它示例。如果它们具有不与权利要求字面语言不同的结构元件，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等效结构元件，则这些其它示例将处于权利要求范围内。

Claims (19)

1.一种电机，包括电子电机控制器，该电机包括：
电机管理电路，其包括：
绝缘金属基板；
多个驱动器部件，其可操作地附接到所述绝缘金属基板，并且可操作以提供用于施加到所述电机绕组的输出信号；
至少一个电流传感器，其可操作用于感测被施加到所述电机绕组的电流量；以及
至少一个控制设备，其可操作地附接到所述绝缘金属基板并且可被编程为控制所述驱动器部件的控制操作；以及
电源电路，其与所述电机管理电路在物理上分离，所述电源电路包括：
电路卡，其包括复合材料；以及
多个功率处理部件，其可操作地附接到所述电路卡并且可操作以将输入电压转换成被供应到所述电机管理电路的至少一个输出电压。
2.根据权利要求1所述的电机，其中：
所述电源电路可操作以将交流电压转换成直流电压；以及
所述电机管理电路包括至少一个DC到DC转换器，所述DC到DC转换器可操作以将来自所述电源电路的直流电压转换成用于施加到所述驱动器部件和所述至少一个控制设备的至少一个低压DC电压源。
3.根据权利要求1所述的电机，其中所述电源电路被配置成向多个电机管理电路提供至少一个DC电压。
4.根据权利要求1所述的电机，其中所述多个驱动器部件包括：
多个功率半导体开关；以及
多个栅极驱动器，其被电连接到所述至少一个控制设备并且可操作用于控制所述多个功率半导体开关的切换。
5.根据权利要求1所述的电机，其中由于所述绝缘金属基板的散热能力，将所述驱动器部件、所述至少一个电流传感器以及所述至少一个控制设备的至少一部分小型化。
6.根据权利要求1所述的电机，其中所述绝缘金属基板操作为用于所述驱动器部件和所述至少一个控制设备的散热器。
7.根据权利要求1所述的电机，其中：
所述电机管理电路包括多个表面安装部件；以及
所述电源电路包括多个通孔安装部件。
8.根据权利要求1所述的电机，其中所述电源电路包括：
瞬变抑制设备，用于减少线路瞬变影响；
电磁干扰(EMI)滤波器；
桥式整流器；以及
大容量电容器，所述瞬变抑制设备、所述EMI滤波器、所述桥式整流器和所述大容量电容器可组合操作，以将输入功率AC电压转换为用于施加到所述电机管理电路的整流滤波DC电压。
9.根据权利要求1所述的电机，其中所述电机管理电路被配置成接收用于输入到所述至少一个控制设备中的电机控制需求信号。
10.根据权利要求1所述的电机，其进一步包括散热器，所述电机管理电路被附接到所述散热器。
11.一种方法，用于减小电机的电子电机控制器的总体尺寸，所述方法包括：
使用可操作为用于安装在其上的多个部件的散热器的绝缘金属基板来制造电路板；
将多个驱动器部件、至少一个电流传感器以及至少一个控制设备附接到电路板，以形成电机管理电路板；
使用复合材料来制造与电机管理电路板在物理上分离的印刷电路板；
将多个功率处理部件附接到印刷电路卡以形成电源电路板，该电源电路板可操作以将输入电压转换成被供应到电机管理电路板的至少一个输出电压；以及
使用线束将电机管理电路板电耦接到电源电路板。
12.根据权利要求11所述的方法，其中：
将多个驱动器部件、至少一个电流传感器以及至少一个控制设备附接到电路板包括将多个表面安装部件附接到绝缘金属基板；以及
将多个功率处理部件附接到印刷电路卡包括将多个通孔安装部件附接到复合材料印刷电路板。
13.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括将绝缘金属基板附接到散热器。
14.一种方法，用于在电机的电子电机控制器内的热量减少和耗散，所述方法包括：
可操作地将电源电路板的至少一个部件附接到在电机机壳内的散热器，该电源电路板包括具有可操作地附接到其上的多个部件的玻璃纤维电路，该电源电路卡可操作以将输入电压转换成至少一个输出电压；
在与电源电路板分开的位置中可操作地将电机管理电路板附接到电机机壳，在绝缘金属基板上的表面安装结构中该电机管理电路板包括多个驱动器部件、电流感测部件以及至少一个控制设备，以向多个驱动器部件、电流感测部件和安装在其上的至少一个控制设备表面提供散热能力；以及
提供在电源电路板和电机管理电路板之间的线束，以将至少一个输出电压施加到电机管理电路板。
15.一种电子电机控制器，包括：
电机管理电路，其包括：
绝缘金属基板；
多个驱动器部件，其可操作地附接到所述绝缘金属基板，并且可操作以提供用于施加到所述电机绕组的输出信号；
至少一个电流传感器，其可操作用于感测被施加到所述电机绕组的电流量；以及
至少一个控制设备，其可操作地附接到所述绝缘金属基板并且可被编程为控制所述驱动器部件的控制操作；以及
电源电路，其与所述电机管理电路在物理上分离，所述电源电路包括：
电路卡，其包括复合材料；以及
多个功率处理部件，其可操作地附接到所述电路卡并且可操作以将输入电压转换成被供应到所述电机管理电路的至少一个输出电压。
16.根据权利要求15所述的电子电机控制器，其中由于所述绝缘金属基板的散热能力，将所述驱动器部件、所述至少一个电流传感器以及所述至少一个控制设备中的至少一部分小型化。
17.根据权利要求15所述的电子电机控制器，其中所述绝缘金属基板可操作为用于所述驱动器部件和所述至少一个控制设备的散热器。
18.根据权利要求15所述的电子电机控制器，其中：
所述电机管理电路包括多个表面安装部件；以及
所述电源电路包括多个通孔安装部件。
19.根据权利要求15所述的电子电机控制器，其中所述电机管理电路被配置成接收用于输入到所述至少一个控制设备的电机控制需求信号。
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