CN107078599A - 马达系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种马达系统，该马达系统具有：定子；转子；马达轴，其与转子抗扭地机械联结并且限定马达系统的径向和轴向；产生热量的结构元件(5)，尤其功率半导体；控制机构，其构造成控制马达系统的运行；和壳体(6)，其中，壳体(6)具有：中心的第一室(7)，其中，定子、转子和产生热量的结构元件(5)布置在第一室(7)内，其中，产生热量的结构元件(5)与第一室(7)的外壁(8)相连接；和一定数量的第二室(9)，其中，第二室(9)径向地围绕第一室(7)，并且其中，第二室(9)形成用于引导冷却空气的封闭的通道。

Description

马达系统

技术领域

本发明涉及一种马达系统。

发明内容

本发明目的在于提供一种带有与现有技术相比优化的热特性的马达系统。

本发明通过根据权利要求1的马达系统实现该目的。

该马达系统首先具有定子、转子和马达轴。马达轴与转子抗扭地机械联结。马达轴限定马达系统的径向和轴向。轴向是马达轴的旋转轴线延伸的方向，径向是径向于马达轴的旋转轴线的方向。

定子传统地可用于产生磁旋转场。定子可具有定子极，定子极设有单独绕组。

转子可用于产生相对于转子固定的磁场，其与借助于定子产生的磁旋转场交互作用成使得产生所期望的马达转矩，该马达转矩经由马达轴被向外传递或发出。

马达系统另外具有产生热量的结构元件，例如功率半导体、IGBT-模块、功率模块、操控电子设备、电流传感设备等等。产生热量的结构元件可用于产生磁定子旋转场。

马达系统另外具有控制机构，其构造成控制马达系统的运行。控制机构与产生热量的结构元件有效连接且例如可与其一起形成变频器。

马达系统另外具有壳体。

该壳体具有中心的或内部的尤其柱状的第一室，其中，定子、转子和产生热量的结构元件(以及必要时控制机构)布置在第一室内。

第一室可轴向地分段成一定数量的子室，这些子室例如可借助于隔热层彼此热隔离。对于该情况，例如可将定子和转子布置在第一子室中而可将产生热量的结构元件布置在第二子室中，其中，第一和第二子室彼此轴向错开并且彼此热隔离。

产生热量的结构元件与第一室的外壁或外部的边缘或限制性的侧面尤其导热地相连接或机械地联结。第一室可根据规定的密封等级向外或相对于环境密封。

另外壳体具有一定数量的(例如两个到十个、优选地四个)尤其柱状的和轴向伸延的第二室或通道，其中，第二室或通道部分地或完全地径向在外围绕第一室。换言之，第二室或通道在外侧环绕第一室。例如通过使第一室和第二室具有部分共同的壁区段，第二室或通道尤其导热地与第一室的外壁相连接。第二室形成封闭的轴向伸延的通道用于引导尤其以冷却空气的形式的冷却介质。例如可从外部将冷却空气吹入通道中。

壳体可具有内部的柱体或柱状的区段，其形成第一室，其中，柱体或柱状的区段的侧表面(Mantelflaeche)形成外壁。内部的柱体可轴向地延伸。

壳体可具有一定数量的外部的柱体，其形成该数量的第二室。外部的柱体可轴向地延伸。

壳体可具有柱状的金属-连续浇铸轮廓(Stranggussprofil)或是柱状的金属-连续浇铸轮廓，其轴向地延伸。

马达系统可具有第一和第二轴承盖(Lagerschild)，其中，内部的柱体的底面由第一轴承盖形成而内部的柱体的盖面(Deckflaeche)由第二轴承盖形成。换言之，中心的或内部的第一室由柱体形成，其中，柱体的侧表面在轴向上形成外壁而轴承盖形成端侧的或径向伸延的外壁。

轴承盖的马达轴承(Motorlager)可布置成使得马达轴的旋转轴线共线于或平行于内部的或外部的柱体的轴向延伸。

壳体的径向延伸的或径向的横截面(也就是说在垂直于马达轴的旋转轴线的横截平面中的横截面)可包含中心的主通孔和一定数量的径向地围绕主通孔的副通孔用于引导冷却空气。主通孔的径向的横截面面积可大于副通孔的相应的径向的横截面面积。柱状的壳体区段的通孔的面重心(Flaechenschwerpunkt)中，主通孔的面重心可最靠近整个横截面的面重心。

定子和/或产生热量的结构元件可处于柱状的壳体区段的主通孔的径向延展之内。

产生热量的结构元件可在带有限定的轴向延展(例如l到10cm)的规定的轴向区段内与第一室的外壁导热地相连接。

产生热量的结构元件可在柱状的壳体的轴向区段内分布地布置在主通孔的周缘上。

定子和功率模块可在轴向上依次布置在同一轴向壳体区段的主通孔内。

产生热量的结构元件可与第一室的外壁或柱状的壳体区段导热地相连接成使得这些产生热量的结构元件将其发热量的大部分(也就是说>50%)经由第一室的外壁或柱状的壳体区段导出。

壳体的不同部件可通过隔热层彼此退耦，隔热层布置在部件的接触面之间。

定子的定子极可与第一室的外壁或柱状的壳体区段导热地相连接成使得定子极将其发热量的大部分(也就是说>50%)经由第一室的外壁或柱状的壳体区段导出。

为了减少导热接触阻力(Wärmeleitkontaktwiderstand)可将塑性的改善导热的填料布置在产生热量的结构元件与第一室的外壁或柱状的壳体区段之间。

在热退耦的情况下可使定子极的绕组通电成使得定子的时均运行温度(例如140°C)显著地(直至100K)高于功率半导体的允许的阻隔层温度，也就是说不进行从绕组至产生热量的结构元件的显著的热传递。

尤其对于新型半导体材料(例如碳化硅等)可经由定子极的绕组使产生热量的结构元件去热。在该情况中须避免热退耦。

产生热量的结构元件可直接地或经由至少一个由导热良好的材料构成的中间件与第一室的外壁或柱状的壳体区段机械地联结。

为了减小导热接触阻力，在参与导热的部件处可设置有用于在相应的接触表面之间产生法向力的器件。用于产生法向力的器件可基于弹性结构。可使用例如弹簧环或填充有压缩空气的空心环。也可使用部件本身例如壳体的弹性的材料特性(螺纹连接)。法向力也可通过在轴向压入柱状的壳体中之后的内部的残余应力来产生。

壳体可具有内部的柱体，其形成第一室，其中，柱体的侧表面形成外壁。壳体可具有一定数量的外部的柱体，其形成该数量的第二室。

壳体可具有或是柱状的连续浇铸轮廓，在其中形成柱状的室。

柱状的壳体区段可借助于成形或成型方法或挤出方法制成，例如连续浇铸、挤压成型(Strangpress)等。

壳体或壳体的部分可由导热良好的材料构成，例如由铝合金构成。

第二室或由第二室形成的轴向伸延的封闭的通道可具有增大表面积的结构，例如肋状物。

可通过自然的对流和/或通过强制对流使冷却空气在通道中和在表面处运动。

柱状的壳体可在至少一个轴向端部处通过端件来补充。端件也可设置为用于容纳马达轴承的器件并且例如分别形成轴承盖。端件可具有用于在另外的轴向通孔或由第二室形成的通道的方向上引导至少一个冷却空气流的器件。端件或轴承盖中的一个可具有用于紧固鼓风机的器件。

端件或轴承盖可将主通孔相对于周围的空气和冷却空气流划界，使得污物不能侵入主通孔、也就是说马达内腔中。

鼓风机可基于调温器功能(Thermostatfunktion)来运行。

可使用单线圈操控和/或单相操控来给定子绕组通电(单线圈：例如带有12个所属的操控部的12个绕组；单相例如带有6个所属的操控部的12个绕组，例如经由全桥)。

第一室的径向横截面可以是规则的多边形，或中心的柱状壳体区段的主通孔的横截面可以是规则的多边形。由于规则的多边形，在内部的第一室的外壁上或在内部的柱体的表面上形成平的面，产生热量的结构元件可简单地导热地接触到这些面上。

马达系统可具有卷绕为环的中间回路电容器(Zwischenkreiskondensator)，其可具有用于联接到所谓的汇流排(Busbar)处的接口，其中，汇流排可用于形成中间回路联合。汇流排可具有带有至各个产生热量的结构元件和至少一个另外的电气部件(尤其至功率半导体)的接口的汇流条(Stromschiene)或多个汇流条的连接。

该中间回路电容器可布置在轴向柱状的第一室内。

定子极可与最靠近其的产生热量的结构元件形成机械地相连接的模块化的单元(单个部段(Einzelsegment))。这些相可与定子极的绕组电连接。

定子极组和操控其的产生热量的结构元件可形成一机械单元。

产生热量的结构元件和鼓风机可布置在定子的B侧，其中，鼓风机挤压冷却空气通过通道。产生热量的结构元件备选地可布置在定子的A侧而鼓风机可布置在定子的B侧，其中，鼓风机将冷却空气通过通道抽出。

产生热量的结构元件可以是开关器件、例如IGBT，其中，开关器件具有用于确定接通的电流的器件。这些开关器件可关联有所谓的门驱动器(Gate-Treiber)。

定子绕组可被操控成使得未参与产生马达力矩的绕组被用于在制动时将多余的电能转换成热。用于产生热量的操控可设计成使得提高控制通量的电流(Id)的值。

马达系统可具有磁性地和/或机械地起作用的器件用于将磁旋转场的转速相对于马达系统输出的转速加速/减速。

马达系统可具有(电气-)机械的制动器，其制动鼓或制动盘抗扭地与转子相连接。机电的制动器的接通的绕组可通过来自中间回路的能量来供给。

磁转子场可永磁地或电磁地来产生。

为了产生转矩可使用磁阻效应。

定子绕组可被操控成使得在每个相中施加带有可变频率的电流，其除了基波(Grundwelle)之外包含至少一个高次谐波(Oberwelle)，其中，基波和高次谐波的振幅可含符号地来规定和调节。

定子绕组可被操控成使得在每个相中施加带有可变频率的电流，其除了基波之外包含至少一个次谐波(Subharmonische)，其中，基波和高次谐波的振幅可含符号地来规定和调节。

根据本发明的马达系统可具有包封的、闭合的和柱状的壳体，在该壳体中布置有功率电子设备、定子、转子以及必要时控制电子设备和薄膜电容器。功率电子设备例如布置在空心的挤压成型轮廓或另一空气冷却的马达壳体的内部的柱体的侧表面上。可设置有卷绕为环的薄膜电容器，其带有到功率半导体处的EMV技术上有利的低电阻的且低电感的(短)连结和多个接口。

可在马达活动件(Motoraktivteil)与功率电子设备之间设置有隔热层，例如以作为在壳体中的“中间件”的塑料环的形式。

空气可通过在轴承盖中的开口进入挤压成型轮廓的外部的通道中。

根据本发明的带有集成的变频器的马达系统具有包封的柱状壳体，在该壳体中一方面布置有大量产生热量的电气功率构件以及机电的转换器(转子和定子)。必要时还有控制电子设备和耐热的中间回路电容器(薄膜电容器)。轴承盖封闭壳体，其中，中间回路电容器也可布置在轴承盖之外。

如此，例如功率电子设备可在位置上分布地布置在空心的挤压成型轮廓内或在另一空气冷却的马达壳体(例如标准壳体)内。尤其对于多相系统或单线圈操控可提高功率模块的数量。

中间回路电容器可由带有多个接口的卷绕为环的薄膜电容器构成，该薄膜电容器位于马达轴与壳体之间并且相对于常见的电解质电容器具有更高的耐热性。模拟显示出，马达系统在20°C的环境温度下达到大约60°C的卷圈头温度(Winkelkopftemperatur)(效率大约95%)。接入的半导体直接联接到中间回路电容器处。由此确保了从EMV观点有利的低电感连结。

备选地或附加地也还可将一个或多个电解质电容器连入后部的轴承盖中。

卷圈头温度差不多处于功率半导体的阻隔层温度的水平上。功率半导体的热输入在此差不多相应于在马达绕组中的铜损。

在马达的活动件与功率电子设备之间可布置有隔热层，其中，该阻隔层将第一室划分成单独的彼此轴向错开的子室。当卷圈头温度不允许下降到半导体的阻隔层温度的水平上时，这是有利的。

通风可强制通风地(zwangsbelüftet)经由外部鼓风机(Fremdluefter)实现。对于较小的功率，散热也可仅通过自由对流实现。

在外部通风的情况空气可通过在轴承盖中的开口进入挤压成型轮廓的通道中。不仅功率电子设备而且马达的活动件不与冷却空气或周围环境直接接触。

马达系统可在齿线圈技术(Zahnspulentechnik)上构建为永磁激励的同步机器，其中，每个齿线圈设有自己的功率半导体模块。

与异步机器相比，永磁激励的同步机器在该设计中具有两个优点：

1.其可在齿线圈技术上合适地来构建；

2.在相同的力矩密度下利用永磁激励的同步机器可获得更高的效率。

(1.)导致接入的功率半导体可直接地被与齿线圈相连接，由此不再需要另外连接马达绕组。这降低了装配耗费并且避免了错误。

通过不将线圈汇集在共同的星形汇接点(Sternpunkt)中，由此同样可构建无星形汇接点的机器。在该机器中还可使用所施加的电流的高次谐波以形成恒定的转矩。在无星形汇接点的情况下也不会产生通过星形汇接点的电流，由此由系统引起排除轴承电流(Lagerstrom)等等。

(2.)导致更小的热输入且由此导致整个系统的更高的功率密度或在相同的功率下更紧凑的系统。

根据本发明不再需要设置布置在外部的(频率-)变换器到马达壳体中的电气连接。不再需要用于装到机器壳体处的单独的变换器壳体。电气连接元件(插塞连接器、导线等)的数量和由此装配耗费下降，因为变换器和马达装在一壳体中。功率半导体的热输入的该位置分布导致整个驱动器的更均匀的变热，由此增大有效地起作用的冷却面积。

热输入可在多于3个位置处进行并且由此在位置上不那么集中。

因为布置在第一室中的元件既不经由冷却空气也不经由其他方式与周围环境直接接触，可实现任意高的IP-(International Protection)和还有其他保护等级例如爆炸保护等。

冷却空气在封闭的通道中的引导负责使比在冷却空气从鼓风机被吹过敞开的肋状物的情况(例如对于标准-异步机器和所有至今在市场上可得到的带有外鼓风机的紧凑的伺服驱动器是这种情况)更好地冷却背对鼓风机的部分(大多前面的部分)。

附图说明

接下来参考附图来详细地说明本发明。其中：

图1在纵剖面中示出了根据本发明的马达系统以及

图2以透视图示出了在图1中示出的马达系统的截段。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的马达系统1。

马达系统1首先具有定子2、转子3和马达轴4，马达轴与转子3抗扭地机械联结并且其限定了马达系统1的径向和轴向。轴向意指马达轴纵向或马达轴4的旋转轴线的方向。径向意指垂直于马达轴4的旋转轴线。

另外马达系统1具有以功率半导体或功率模块的形式的产生热量的结构元件5。

另外马达系统1具有以变频器形式的控制机构13，其构造成控制马达系统1的运行。

另外马达系统1具有卷绕为环的中间回路电容器12。

马达系统1容纳在以柱状的挤压成型轮廓的形式的壳体6中。壳体6具有中心的、柱状的、在轴向上延伸的第一室7，其中，定子2、转子3、产生热量的结构元件5和中间回路电容器12布置在第一室7内。产生热量的结构元件5与第一室7的外壁8导热地相连接。

在外壁8与相应的产生热量的结构元件5之间布置有导热的适配器板17，其中，产生热量的结构元件5借助于压力加载件17被压向适配器板17，以便改善热传导。

壳体6具有内部的柱体，其形成第一室7，其中，该柱体的侧表面是外壁8。马达系统1在其端侧处具有第一轴承盖10或第二轴承盖11，其分别带有马达轴轴承14，其中，内部的柱体的底面由第一轴承盖10形成而内部的柱体的盖面由第二轴承盖11形成。

在马达系统1的B侧处设置有鼓风机15，其将冷却空气压到柱状的连续轮廓6的封闭的冷却通道中，对此还参见接下来参考图2的说明。

在B侧处，马达系统1借助于壳盖16可松开地来封闭。

传感器18用于检测转子位置。传感器18尤其是可检测磁场的方向的传感器。由此来测定或评估转子位置。备选地还可使用常见的转子位置探测器(转换器(Resolver)、编码器…)。

控制机构13、传感器18、产生热量的结构元件5或者说功率半导体、定子2、鼓风机15和必要时另外的结构元件可相互有效连接，其中，控制机构13接收和评估传感器信号并且产生合适的操控信号用于执行器。

图2以透视图示出了在图1中示出的马达系统的截段。

如在图2中所示，连续浇铸轮廓6除了中心的、柱状的第一室7之外具有四个第二室9。第二室9径向地或在外侧围绕第一室7。第二室9设有散热片。

第二室9形成封闭的通道用于引导冷却空气，其被鼓风机15压到室9中或通过室9被抽吸。由于在内部的室7的外表面8和通道9和功率半导体5与外表面8的大量接触部位之间的良好的热耦合，可通过通道8导出大量热能。

在图2中所示的实施形式中，壳体6形成为带有内部的柱套(Zylindermantel)8的内部的圆柱，该柱套被外部的柱体包围，该外部的柱体的径向横截面是方形的。外部的和内部的柱体在四个连接部位处相互连接。备选地，外部的柱体也可以是圆柱，其中，对于该情况内部的和外部的圆柱可借助于接片或拱顶相互连接，其中，接片或拱顶限定冷却通道。

Claims (10)

1.一种马达系统(1)，其具有：

-定子(2)，

-转子(3)，

-马达轴(4)，其与所述转子(3)抗扭地机械联结并且所述马达轴限定所述马达系统(1)的径向和轴向，

-产生热量的结构元件(5)，尤其功率半导体，

-控制机构(13)，其构造成控制所述马达系统(1)的运行，和

-壳体(6)，其中，所述壳体(6)具有：

-中心的第一室(7)，其中，所述定子(2)、所述转子(3)和所述产生热量的结构元件(5)布置在所述第一室(7)内，其中，所述产生热量的结构元件(5)与所述第一室(7)的外壁(8)相连接，以及

-一定数量的第二室(9)，其中，所述第二室(9)径向地围绕所述第一室(7)，并且其中，所述第二室(9)形成用于引导冷却空气的封闭的通道。

2.根据权利要求1所述的马达系统(1)，其特征在于，

-所述壳体(6)具有内部的柱体，其形成所述第一室(7)，其中，所述柱体的侧表面形成所述外壁(8)。

3.根据权利要求2所述的马达系统(1)，其特征在于，

-所述壳体(6)具有一定数量的外部的柱体，其形成所述数量的第二室(9)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的马达系统(1)，其特征在于，

-所述壳体(6)具有柱状的连续浇铸轮廓。

5.根据权利要求2到4中任一项所述的马达系统(1)，其特征在于，

-所述马达系统(1)具有第一和第二轴承盖(10，11)，其中，所述内部的柱体的底面由所述第一轴承盖(10)形成并且所述内部的柱体的盖面由所述第二轴承盖(11)形成。

6.根据前述权利要求中任一项所述的马达系统(1)，其特征在于，

-所述定子(2)和所述产生热量的结构元件(5)彼此轴向相间隔地布置。

7.根据前述权利要求中任一项所述的马达系统(1)，其特征在于，

-所述产生热量的结构元件(5)在规定的轴向区段内与所述第一室(7)的外壁(8)导热地相连接。

8.根据前述权利要求中任一项所述的马达系统(1)，其特征在于，

-所述第一室(7)的径向的横截面是规则的多边形。

9.根据前述权利要求中任一项所述的马达系统，其特征在于，

-所述马达系统具有卷绕为环的中间回路电容器(12)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的马达系统，其特征在于

-所述第一室轴向地分段成一定数量的子室，所述子室借助于隔热层彼此热隔离。