CN104242682A - 用于电动机或发电机的逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于电动机或发电机的逆变器，包括安装在一元件上的第一装置和第二装置，第一装置包括第一开关、布置为耦合至电源的第一端子的第一触点、第二触点，其中第一开关布置为在第一工作模式使第一触点电耦合至第二触点，在第二工作模式使第一触点与第二触点电隔离；第二装置包括第二开关、布置为耦合至电源的第二端子的第三触点、第四触点，其中第二开关布置为在第一工作模式使第三触点电耦合至第四触点，在第二工作模式使第三触点与第四触点电隔离，其中第一装置和第二装置在元件上安装为使第一装置的第一触点的一部分和第二装置的第三触点的一部分彼此邻近定位在元件的第一区域，第二触点和第四触点布置为耦合至电动机或发电机的线圈绕组。

Description

用于电动机或发电机的逆变器
技术领域
本发明涉及逆变器，特别涉及一种用于电动机或发电机的逆变器。
背景技术
电动机系统通常包括电动机和布置为控制电动机的功率的控制单元。已知类型的电动机的示例包括感应电动机、同步无刷永磁电动机、开关磁阻电动机和线性电动机。在市面上，三相电动机是最常见的一种可用电动机。
三相电动机通常包括三个线圈组，其中每个线圈组布置为生成与交流电压的三个相中的一个相关的磁场。
为了增加形成在电动机内的磁极的数量，每个线圈组通常将具有围绕电动机的外周分布的多个线圈子组，这些线圈子组被驱动以产生旋转磁场。
通过图示的方式，图1示出了典型的三相电动机10，其具有三个线圈组14、16、18。每个线圈组由串联连接的四个线圈子组构成，其中，对于给定的线圈组，由各个线圈子组生成的磁场将具有公共相。
三相电动机的三个线圈组通常被配置为三角形或Y形构造。
用于具有DC电源的三相电动机的控制单元通常将包括三相桥式逆变器，该三相桥式逆变器生成三相电压供给以驱动电动机。各个电压相中的每一个被施加至电动机的相应的线圈组。
三相桥式逆变器包括多个开关装置，例如，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关的电力电子开关，这些开关装置用于从DC电压供给生成交流电压。
然而，通常与DC侧(DC link)电容器结合的控制单元和DC电源，定位得距电动机的距离越大，对于电动机系统内的电流，相关的电流环将越大，其中电流环尺寸的增加将具有增加电动机的电感的效果。
随着整个电动机系统的电感增加，当电流发生变化时，例如，在生成交流电压供给时逆变器开关运行时，电压瞬时值将变大。电动机系统内的电压瞬时值越高，电动机逆变器内的逆变器开关的额定功率需越大，其中，与相应较小的开关装置相比，更高额定功率的开关具有更慢的开关速度以及更大的开关损耗。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种根据随附权利要求所述的逆变器。
本发明具有使得逆变器内的电流环面积最小化的优点。特别地，电流环面积通过如下地构造逆变器开关而被最小化：使得正负功率轨线至逆变器的桥臂的耦合在电路板的一侧彼此邻近地定位，电动机的相绕组在电路板的相反侧耦合至逆变器的桥臂。
附图说明
现将结合附图、通过示例的方式来描述本发明，其中：
图1示出了现有技术的三相电动机；
图2示出了实施本发明的电动机的分解视图；
图3从另一角度示出了图1所示的电动机的分解视图；
图4示出了根据本发明的实施例的电动机；
图5示出了根据本发明的实施例的用于电动机的控制装置；
图6示出了根据本发明的实施例的功率衬底的横截面视图；
图7示出了根据本发明的实施例的逆变器；
图8示出了根据本发明的实施例的逆变器桥臂的电耦合；
图9示出了根据本发明的实施例的逆变器桥臂的尺寸。
具体实施方式
所描述的本发明的实施例针对一种用于电动机的逆变器，其中，电动机用于车辆的车轮。然而，电动机可以位于车辆内的任何位置。电动机是这样一种类型：其具有一组线圈，作为附接至车辆的定子的一部分，并且定子由转子径向环绕，该转子承载一组磁体以附接至车轮。为免存疑，本发明的各个方面同样可应用于具有相同布置的发电机。因而，电动机的定义旨在包括发电机。另外，本发明的一些方面可应用于具有在径向环绕的线圈内在中心安装的转子的布置。本领域技术人员应该意识到，本发明可应用于其它类型的电动机。
为了本实施例的目的，如图2和3所示，轮毂电动机包括定子252，定子252包括：热沉253；多个线圈254；两个控制装置400，其安装在定子的后部上的热沉253上，用于驱动线圈；以及环形电容器(也被称为DC侧电容器)，其安装在定子上、控制装置400的内径之内。线圈254形成在定子齿叠层上以形成线圈绕组。定子盖256安装在定子252的后部，封闭控制装置400以形成定子252，定子252可随后固定至车辆并且在使用时不会相对于车辆旋转。
每个控制装置400包括控制逻辑420和两个逆变器410，控制逻辑420在本实施例中包括处理器，该处理器用于控制逆变器410的操作，其在图4中被示意性地示出。
环形电容器耦合在逆变器410以及电动机的DC电源上，用于降低电动机的供电线(也被称为DC母线)上的电压纹波，以及用于降低在电动机运行期间的电压过冲。为了降低电感，电容器邻近控制装置400安装。
转子240包括前部220和筒形部221，形成基本围绕定子252的盖。该转子包括围绕筒形部221的内部布置的多个永磁体242。为了本实施例的目的，在筒形部221的内部安装有32个磁体对。然而，可以使用任何数量的磁体对。
磁体紧靠定子252上的线圈绕组，以使得线圈所生成的磁场与围绕转子240的筒形部221的内部布置的磁体242相互作用，从而使转子240旋转。由于永磁体242用于生成用以驱动电动机的驱动转矩，永磁体通常被称为驱动磁体。
转子240通过轴承座223附接至定子252。轴承座223可以是在该电动机组件将装配至的车辆中使用的标准轴承座。该轴承座包括两个部分：固定至定子的第一部分和固定至转子的第二部分。该轴承座固定至定子252的壁的中央部253并且还固定至转子240的壳体壁220的中央部225。由此，转子240被旋转地固定至车辆，并且转子240将在其中央部225处经由轴承座223用于车辆。这具有如下的优点：轮缘和轮胎可以随后利用常规车轮螺栓在中央部225处固定至转子240，以使轮缘固定至转子的中央部并且因此牢固地固定至轴承座223的可旋转侧。车轮螺栓可以穿过转子的中央部225装配在轴承座本身中。在转子240和车轮均安装至轴承座223的情况下，在转子和车轮的旋转角度之间具有一一对应的关系。
图3从相反侧示出了图2所示的同一电动机组件的分解视图。转子240包括转子外壁220和周向壁221，磁体242周向地布置在周向壁221内。如前所述，经由轴承座，定子252在转子的中央部和定子壁处连接至转子240。
在转子的周向壁221和定子的外边缘之间设置有V形密封件。
转子还包括用于位置感测的一组磁体227(也被称为换向磁体)，其与安装在定子上的传感器结合，允许对转子磁通角度进行估算。转子磁通角度限定了驱动磁体与线圈绕组的位置关系。可选地，代替一组独立的磁体，转子可以包括具有用作一组独立磁体的多个磁极的磁性材料环。
为了允许换向磁体用于计算转子磁通角度，优选地，每个驱动磁体具有相关的换向磁体，其中，通过校准测量到的换向磁体磁通角度，根据与换向磁体组相关的磁通角度来获得转子磁通角度。为了简化换向磁体磁通角度和转子磁通角度之间的关联性，优选地，该换向磁体组具有相同数量的磁体或磁极对，作为驱动磁体对组，其中，换向磁体和相关的驱动磁体大致径向地彼此对准。因此，为了本实施例的目的，换向磁体组具有32个磁体对，其中每个磁体对与相应的驱动磁体对大致径向地对准。
传感器在本实施例中为霍尔传感器，并且该传感器安装在定子上。传感器定位为使得随着转子旋转，形成换向磁体环的各个换向磁体分别旋转经过传感器。
随着转子相对于定子旋转，换向磁体相应地旋转经过传感器，并且该霍尔传感器输出AC电压信号，其中，该传感器向经过传感器的每个磁体对输出360电度的整个电压周期。
为了改善位置检测，优选地，传感器包括相关的第二传感器，该第二传感器从第一传感器移位90电度。
在本实施例中，电动机包括四个线圈组60，每个线圈组60具有三个线圈子组61、62、63，这些线圈子组以Y形构造耦合以形成三相子电动机，结果得到具有四个三相子电动机的电动机。如下所述，各个子电动机的操作经由两个控制装置400中的一个控制。然而，虽然本实施例描述了具有四个线圈组60(即，四个子电动机)的电动机，但电动机同样可以具有带有相关控制装置的一个或多个线圈组。在优选实施例中，电动机40包括八个线圈组60，每个线圈组60具有三个线圈子组61、62、63，这些线圈子组以Y形构造耦合以形成三相子电动机，结果得到具有八个三相子电动机的电动机。类似地，每个线圈组可以具有任何数量的线圈子组，从而允许每个子电动机具有两个或更多个相。
图4示出了各个线圈组60和控制装置400之间的连接，其中，相应的线圈组60连接至包括在控制装置400上的相应的三相逆变器410。如本领域技术人员公知的，三相逆变器包含六个开关，其中，三相交流电压可以通过六个开关的受控操作来生成。然而，开关的数量将取决于要应用于相应的子电动机的电压相的数量，其中，子电动机可以被构造为具有任何数量的相。
优选地，控制装置400具有模块化构造。图5示出了优选实施例的分解视图，其中，每个控制装置400(也被称为功率模块)包括安装有两个功率衬底组件510的功率用印刷电路板500、控制用印刷电路板520、用于连接至DC电池的四个电源母线530，以及用于连接至相应线圈绕组的六个相绕组母线540。各个控制装置部件安装在控制装置壳体550内，四个电源母线530在控制装置壳体550的相反侧安装至相绕组母线540。
每个功率衬底510布置为安装在形成于功率用印刷电路板500中的相应的孔中。
在图6中示出了优选的功率衬底组件510的横截面，其中，安装在控制装置400中的每个功率衬底510是具有3mm的铜基板600的活性金属铜焊铝衬底，三相逆变器410形成在铜基板600上，其中，每个逆变器410耦合至相应的线圈组60。具有铝背衬620的绝缘元件610被焊接至铜基板600，逆变器410的元件安装在绝缘元件610上，如下所述。
功率用印刷电路板500包括多个部件，包括形成在功率衬底组件510上的、用于逆变器开关的驱动器，其中，该驱动器通常用于将控制信号转换为合适的形式以使逆变器开关接通和断开。
第一对电源母线530用于为形成在一个功率衬底组件510上的逆变器410提供电流源。第二对电源母线530为形成在另一个功率衬底组件510上的逆变器410提供电流源。
对于每一对电源母线530，一个电源母线530位于形成在功率用电路板500的平面之上的第一平面内。另一个电源母线530位于第一平面之上的第二平面内。优选地，每一对电源母线530布置为是基本共面的。
控制装置壳体550布置为使得当控制装置壳体550安装至定子时，每个功率衬底510的底部与定子热沉直接接触地放置，从而允许对每个功率衬底510的基部直接施加冷却。
控制用印刷电路板520布置为安装在控制装置壳体550中、功率用印刷电路板500之上。
控制用印刷电路板520包括处理器，用于控制逆变器开关的操作。另外，每个控制用印刷电路板520包括允许各个控制装置400之间经由通信总线进行通信的接口装置，其中一个控制装置400布置为与安装于电动机外部的车辆控制器进行通信。每个控制装置400上的处理器420布置为处理接口装置上的通信。
各个控制装置400上的处理器420布置为控制安装在控制壳体550内的、相应功率衬底520上的逆变器开关的操作，以允许每个电动机线圈组60被供以三相电压供给，从而允许相应的线圈子组61、62、63生成旋转磁场。如上所述，虽然本实施例将每个线圈组60描述为具有三个线圈子组61、62、63，但本发明不限于此，并且应当意识到，每个线圈组60可以具有一个或多个线圈子组。
在各个处理器420的控制下，每个三相桥式逆变器410布置为在相应的线圈子组61、62、63上提供PWM电压控制，从而在相应的线圈子组中生成电流以通过相应的子电动机提供所需转矩。
PWM控制通过利用电动机电感平均化所施加的脉冲电压以将所需电流驱动至电动机线圈中来工作。利用PWM控制，在电动机绕组上切换所施加的电压。在电动机线圈上切换电压的期间，电动机线圈中的电流以由电动机线圈的电感和所施加的电压所规定的速率增加。PWM电压控制在电流增加至超过所需值之前被关断，从而允许对要实现的电流的精确控制。
对于给定的线圈组60，三相桥式逆变器410开关布置为在线圈子组61、62、63中的每一个上施加单个电压相。
利用PWM切换，多个开关布置为在相应的线圈子组上施加交流电压。电信号的电压包络和相角度通过调制电压脉冲来确定。
逆变器开关可以包括诸如MOSFET或IGBT的半导体装置。在本示例中，开关包括IGBT。然而，可以采用任何合适的已知开关电路来控制电流。这样的开关电路的一个公知示例是三相桥电路，其具有六个开关，配置为驱动三相电动机。六个开关被配置为三组并联的两个开关，其中，每对开关串联以形成三相桥电路的桥臂。单相逆变器将具有串联布置以形成逆变器的两个桥臂的两对开关。
图7示出了对应于三相逆变器的功率衬底510上的逆变器开关布置，其中，三个逆变器桥臂810、820、830形成在功率衬底510上。用于逆变器桥臂810、820、830中的每一个的部件安装在已焊接至功率衬底的铜基板上的相应的绝缘元件610上，其中，每个绝缘元件为大约22.1mm×22.1mm。
各个逆变器桥臂810、820、830具有形成在相应的绝缘元件610上的第一导电区域841、第二导电区域842和第三导电区域843。
第一导电区域841沿着绝缘元件610的一个边缘横向延伸大约20.1mm，第一半导体开关851安装在横向延伸区域的一侧。第一导电区域841的其上安装有第一半导体开关851的部分布置为延伸至绝缘元件610的大致中部，第一二极管861邻近第一半导体开关851安装在所述延伸部分上。
在第一工作模式下，第一半导体开关851布置为使开关851的与第一导电区域841接触的表面、与第一半导体开关851的背面电耦合。在第二工作模式下，第一半导体开关851布置为使开关851的与第一导电区域841接触的表面、与第一半导体开关851的背面电隔离。
第二导电区域842沿着绝缘元件610的其上形成有第一导电区域841的边缘背对的边缘横向延伸大约20.1mm。第二半导体开关安装在横向延伸区域的一侧。第二导电区域842的其上安装有第二半导体开关852的部分布置为延伸至绝缘元件610的大致中部，第二二极管862邻近第二半导体开关852安装在所述延伸部分上。
第一半导体开关851和第二半导体开关852关于它们的位置相对于彼此斜对角地定位在绝缘元件610上。虽然没有接触，但第一导电区域841的延伸部分布置为延伸越过第二导电区域842的延伸部分，从而使得第一导电区域841的延伸部分与第二导电区域842的延伸部分重叠。
在第一工作模式下，第二半导体开关851布置为使开关852的与第二导电区域842接触的表面、与第二半导体开关852的背面电耦合。在第二工作模式下，第二半导体开关852布置为使开关852的与第二导电区域842接触的表面、与第二半导体开关852的背面电隔离。
第三导电区域843位于第二导电区域842的其上安装有第二半导体开关852和第二二极管862的部分、与第一导电区域841的其上未形成第一半导体开关851的横向延伸区域之间，从而使得第三导电区域843邻近第一导电区域841、第一半导体开关851、第二导电区域842和第二二极管862而形成。
第一导电元件871耦合至第一半导体开关851的顶部，耦合至第一二极管861的顶部，并且耦合在第二导电区域842的横向延伸部分上，也就是说，第二导电区域842的未安装第二半导体开关852的区域。
第二导电元件872耦合至第二半导体开关852的顶部，耦合至第二二极管862的顶部，并且耦合在第三导电区域843上。
为了本实施例的目的，第一导电元件871和第二导电元件872是引线接合器，其中优选地，第一导电元件871和第二导电元件872均包括六个引线接合器。优选地，第一导电元件871和第二导电元件872安装为使得它们相对于彼此基本平行。
第一半导体开关851和第一二极管861、与第一导电区域841和第一导电元件871的电耦合，使得第一半导体开关851和第一二极管861并联耦合，第一二极管861和第一半导体开关851的极性相对于彼此相反，从而使第一半导体开关851和第一二极管861的电耦合是反平行的。
第二半导体开关852和第二二极管862、与第二导电区域842和第二导电元件872的电耦合，使得第二半导体开关852和第二二极管862并联耦合，第二二极管862和第二半导体开关852的极性相对于彼此相反，从而使第二半导体开关852和第二二极管862的电耦合是反平行的。
每个功率衬底510以及相应地逆变器桥臂810、820、830在控制装置壳体550中定向为：使得对于各个逆变器桥臂810、820、830，绝缘元件610的其上安装有第一半导体开关851的一侧邻近一对电源母线530定位，并且绝缘元件610的其上安装有第二半导体开关852的一侧邻近相绕组定位，其中，电源母线530和相绕组母线540位于控制装置壳体550的相反侧。
对于每个逆变器桥臂，第一导电区域电耦合至一对电源母线中的一个，第三导电区域电耦合至所述一对电源母线中的另一个。类似地，第二导电区域电耦合至相绕组母线。优选地，对DC电源和DC侧电容器的电源接线被焊接至电源母线530，相绕组母线540被焊接至电动机的相绕组。
在优选实施例中，引线接合器871、872用于将第一导电区域和第三导电区域电耦合至相应的电源母线，来自第一导电区域和第二导电区域的引线接合器871、872布置为基本重叠，如图8所示。各个电源母线的另一端耦合至DC电源，其中优选地，各个电源母线的长度被保持为最小长度，从而将DC电源和DC侧电容器保持为紧靠相应逆变器桥臂的端部。
未直接耦合至逆变器桥臂的各个相绕组母线的端部耦合至相应的线圈组相绕组，其中优选地，各个相绕组母线的长度被保持为最小长度，从而将线圈组相绕组保持为紧靠相应逆变器桥臂的中央。
图9示出了用于逆变器桥臂的部件的大致尺寸，其中，图9a以mm示出了形成在绝缘元件610上的导电区域841、842、843的大致尺寸，并且图9b以mm示出了形成在导电区域841、842上的半导体开关851、852和二极管861、862的大致尺寸。因此，通过使逆变器桥臂的端部和相应逆变器开关彼此邻近地定位，可以将电流环面积保持为较低。
优选地，逆变器桥臂部件的尺寸和方位提供了小于10nH的内部电感。

Claims (18)

1.一种用于电动机或发电机的逆变器的逆变器桥臂，所述逆变器桥臂包括安装在一元件上的第一装置和第二装置，其中，所述第一装置包括第一开关、布置为耦合至电源的第一端子的第一触点、以及第二触点，其中，在第一工作模式下，所述第一开关布置为使所述第一触点电耦合至所述第二触点，并且在第二工作模式下，所述第一开关布置为使所述第一触点与所述第二触点电隔离；所述第二装置包括第二开关、布置为耦合至电源的第二端子的第三触点、以及第四触点，其中，在第一工作模式下，所述第二开关布置为使所述第三触点电耦合至所述第四触点，并且在第二工作模式下，所述第二开关布置为使所述第三触点与所述第四触点电隔离，其中，所述第一装置和所述第二装置在所述元件上安装为：使得所述第一装置的布置为耦合至电源的第一端子的所述第一触点的一部分和所述第二装置的布置为耦合至电源的第二端子的所述第三触点的一部分彼此邻近地定位在所述元件的第一区域上，并且所述第一装置的第二触点和所述第二装置的第四触点布置为耦合至所述电动机或发电机的线圈绕组。
2.根据权利要求1所述的逆变器桥臂，其中，所述第一装置还包括第一二极管并且所述第二装置还包括第二二极管。
3.根据权利要求2所述的逆变器桥臂，其中，所述第一触点安装在所述第一开关和第一二极管的第一侧，并且所述第二触点安装在所述第一开关和第一二极管的第二侧。
4.根据权利要求2或3所述的逆变器桥臂，其中，所述第四触点安装在所述第二开关和第二二极管的第一侧，并且所述第三触点安装在所述第二开关和第二二极管的第二侧。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的逆变器桥臂，其中，所述第一二极管反平行地连接至所述第一开关，并且所述第二二极管反平行地连接至所述第二开关。
6.根据前述权利要求中任一项所述的逆变器桥臂，其中，所述第二触点布置为从所述第一开关沿第一方向延伸离开所述电源的第一端子和第二端子。
7.根据前述权利要求中任一项所述的逆变器桥臂，其中，所述第三触点布置为从所述第二开关沿第二方向朝向所述电源的第一端子和第二端子延伸。
8.根据前述权利要求中任一项所述的逆变器桥臂，其中，所述第二触点的纵轴和所述第三触点的纵轴布置为相对于彼此基本平行。
9.根据前述权利要求中任一项所述的逆变器桥臂，其中，所述第一装置的第二触点和所述第二装置的第四触点布置为：在所述元件的相对于所述第一装置的第一触点至电源的第一端子和所述第二装置的第三触点至电源的第二端子的耦合的相反侧，耦合至所述电动机或发电机的线圈绕组。
10.一种用于电动机或发电机的多相逆变器，三相逆变器包括多个根据前述权利要求中任一项所述的逆变器桥臂。
11.一种用于电动机或发电机的电源模块，所述电源模块包括根据权利要求10所述的多相逆变器、电源的第一端子以及电源的第二端子，其中，所述电源的第一端子安装在用于每个逆变器桥臂的元件的第一侧，并且所述电源的第二端子安装在用于每个逆变器桥臂的元件的第一侧。
12.根据权利要求11所述的电源模块，其中，所述电源的第一端子位于所述元件的平面之上的第一平面内，并且所述电源的第二端子位于所述元件的平面之上的第二平面内，其中，所述第一平面和第二平面相对于彼此是分离的。
13.根据权利要求12所述的电源模块，其中，所述电源的第一端子和所述电源的第二端子布置为是基本共面的。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的电源模块，其中，每个逆变器桥臂的第一触点布置为经由第一引线接合器耦合至所述电源的第一端子，并且每个逆变器桥臂的第三触点布置为经由第二引线接合器耦合至所述电源的第二端子。
15.根据权利要求14所述的电源模块，其中，所述第一引线接合器和所述第二引线接合器在分别耦合至所述电源的第一端子和所述电源的第二端子时基本重叠。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的电源模块，其中，用于多个逆变器桥臂中的每一个的第二装置距所述电源的第一端子的最近点的距离，小于用于多个逆变器桥臂中的每一个的第二装置距所述电源的第一端子的最远距离。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的电源模块，还包括两个根据权利要求10所述的多相逆变器，以及用于调节用以控制逆变器开关的操作的控制信号的驱动器，其中，所述驱动器位于两个三相逆变器之间。
18.一种电动机，包括定子，所述定子具有两个线圈组，布置为生成所述电动机的磁场，每个线圈组包括多个线圈子组；以及控制装置，其中，所述控制装置包括多个根据权利要求10所述的多相逆变器，其中，多个多相逆变器的第一装置的第二触点和第二装置的第四触点布置为耦合至用于第一线圈组的相应的多个线圈子组，所述多个多相逆变器的第一装置的第二触点和第二装置的第四触点布置为耦合至用于第二线圈组的相应的多个线圈子组，并且所述多个逆变器布置为控制相应的多个线圈子组中的电流以在每个线圈子组中生成磁场，以具有与相应的线圈组中的另外的一个或多个线圈子组基本不同的磁相；并且其中，第一控制装置和第二控制装置邻近所述定子安装。
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