CN109716625B - 一种包括转子、定子和电力电子装置的无刷式电机系统 - Google Patents

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Abstract

一种具有集成的功率模块的无刷式电机系统，所述电动机系统包括：转子、定子、多个功率模块和冷却系统，该冷却系统包括：大体上扁平的空心主冷却体，该空心主冷却体被布置为支持在所述空心主体内的冷却介质的流动，以冷却所述主冷却体；基座冷却板，该基座冷却板连接到所述空心主冷却体的第一扁平表面并连接到所述多个功率模块，以在所述多个功率模块与所述基底冷却板之间传递热量；耐热插入件，该耐热插入件连接到所述基座冷却板和所述多个电励磁线圈，以在所述多个线圈和所述基座冷却板之间传递热量，其中，所述耐热插入件提供热导率，从而产生热缓冲，使得相比所述功率模块，所述电励磁线圈通过所述冷却系统冷却得较少。

Description

一种包括转子、定子和电力电子装置的无刷式电机系统
技术领域
本发明涉及无刷式电机系统，更具体地涉及包括定子和转子的无刷式电机系统，该定子具有电励磁线圈和该转子具有多个永磁体，该转子被设置为相对于该定子旋转。
背景技术
通常情况下，无刷式电机是指直流电动机，其中机械刷和换向器已被改进成为电子装置。因此，由于这种无刷式电机不产生磨损、粉尘和电噪声，和具有良好的输出和效率，因此适合用于例如高速旋转型电动机，从而对下一代电动机进行多种研究和发展。
然而，对于该无刷式电机，直流电动机的转子是被线圈缠绕，该转子是用永磁体代替，并且控制速度的方法是从电压控制类型转换为励磁相位控制类型，从而需要功率控制装置形式的驱动电路。
通常，无刷式电机包括转子，该转子包括多个永磁体，定子包括多个电励磁线圈，产生用于与所述多个永磁体形成相互作用的感应场，以使所述转子相对于所述定子旋转。
已知的无刷式电机的缺点是它们不够可靠和安全，特别是当它们被应用在诸如电动汽车之类的领域时。
因此，本发明的目的是提供一种本质上更可靠和安全的无刷式电机系统。
发明内容
为了实现这一目标，本发明在第一方面提供了一种无刷式电机系统，包括：
-转子，该转子包括多个永磁体；
-定子，包括相互相邻放置的至少三组六齿，其中电励磁线圈分别缠绕在每一组所述六齿上，以产生感应场，用于与所述多个永磁体形成相互作用，使所述转子相对于所述定子旋转，其中所述无刷式电机系统采用三个相位(A，B，C)进行控制，其中所述至少三组六齿的每一组被分成三对(A.1-A.2-B.2-B.1-C.1-C.2，A.2-A.1-B.1-B.2-C.2-C.1)双线圈，其中每一组中的齿彼此相邻放置，使线圈以A.1-A.2-B.2-B.1-C.1-C.2或A.2-A.1-B.1-B.2-C.2-C.1形式设置，其中A.1-A.2包括第一相位(A)中的双线圈，其中B.1-B.2包括第二相位(B)中的双线圈，其中C.1-C.2包括第三相位(C)中的双线圈，其中A.2-A.1包括第一相位(A)中的双线圈，其中B.2-B.1包括第二相位(B)中的双线圈，其中C.2-C.1包括第三相位(C)中的双线圈，
-至少九个功率模块(power stage)，如半h桥，每个功率模块被布置为驱动单对(A.1-A.2，B.1-B.2，C.1-C.2，A.2-A.1，B.2-B.1，C.2-C.1)双线圈，使第一线圈(A.1，B.1，C.1)的感应场相反地指向第二线圈(A.2，B.2，C.2)的感应场。
发明人的意图在于为提供具有至少三组相邻放置的六齿的定子，其中电激励线圈分别缠绕在所述十八个齿上，其中所述至少三组六齿中的每一组被分成三对双线圈，其中，每一组中的齿彼此相邻地放置，使线圈在以A.1-A.2-B.2-B.1-C.1-C.2或A.2-A.1-B.1-B.2-C.2-C.1的形式排列。此外，使用单个功率模块来驱动单对双线圈。与传统的无刷式电机系统相比，该无刷式电机系统更可靠、安全和冗余。
根据本发明的无刷式电机系统的另一个优点是，由于上述公开的特性，功率模块、转子和定子可以理解成一个单一的整体部分。
根据本发明，单个功率模块可以包括由两个场效应晶体管组成的半H桥，其中半H桥的输出直接连接到这对线圈。
无刷式电机也称为电子换向电动机，它是同步电动机，该同步电动机由直流电DC电源通过功率模块驱动，产生交流电信号来驱动线圈，从而驱动电动机。在这种情况下，AC(交流电)并不是指正弦波形，而是没有波形限制的双向电流。附加的传感器和电子器件最终控制着功率模块的幅值、波形和频率的输出，即转子转速。
该转子包括多个永磁体，每个永磁体沿所述转子的周围相邻放置，其中所述永磁体的排列方式使得形成面向该电励磁线圈的南北极的交替次序。也就是说，例如，第一永磁体产生面向线圈的北极，与其直接相邻的永磁体产生面向线圈的南极，等等。
基于上述，本发明包括至少三组六齿，其中电励磁线圈分别缠绕在该六齿中的每一齿上。因此，根据本发明，该无刷式电机系统包括至少九对双线圈。如前所述，每对双线圈都有它自身的功率模块，使得所述无刷式电机系统至少包括九个功率模块。因此，双线圈对的数量(amount)与所需功率模块的数量之间存在直接耦合。
此外，本发明还涉及一种无刷式电机系统。根据本发明，所述无刷式电机系统也可用作用于产生电力的发电机。该无刷式电机系统也是将电机与发电机组合在一起使用。
注意到，根据本公开，该定子包括至少十八个齿，因此也包括十八个电励磁线圈。这些至少十八个线圈被分成至少三个组。该无刷式电机系统的优点是，即使当该至少三组中的一组发生故障时也能提供电力。这样，至少有两组仍能正常工作，以确保仍可由无刷式电机系统产生一降低了的功率。因此，本公开的方案是在一定程度上针对冗余的。也就是说，无刷式电机系统即使在其中一组已经发生故障的情况下也能提供电力。在一个示例中，所述无刷式电机系统包括：
-至少一个用于控制所述至少九个功率模块的电力电子装置，其中所述至少一种电力电子装置包括：
-第一驱动器，用于驱动所述至少九个功率模块中的至少两个，其中在所述至少九个功率模块中的至少两个的双线圈对是处于第一相位；
-第二驱动器，用于驱动所述至少九个功率模块中的另外至少两个，其中在所述至少九个功率模块中的另外至少两个的双线圈对是处于第二相位；
-第三驱动器，用于驱动所述至少九个功率模块中的再另外至少两个，其中在所述至少九个功率模块中的再另外至少两个的双线圈对是处于第三相位。
发明人发现通常只需要一个驱动器就可以驱动所有具有在同一相位的线圈的功率模块。由于无刷式电机系统采用三相控制，因此只需要至少三个驱动器。
在一示例中，至少九个功率模块中的每一个包括用于驱动所述双线圈对的单个半H桥。
H桥是能够在任一方向上跨负载施加电压的电子电路。这些电路用于不同类型的领域，以使电机向前和向后运转。这个电子电路的一个变体只是在负载的一侧使用两个FET或晶体管，在这个示例中，负载是一对双线圈，类似于AB类放大器。这种配置也被称为“半桥”。
半H桥是实际应用于驱动绕在定子齿周围的电励磁线圈的。
在另一示例中，每一所述双线圈对都是并行连接的，以及其中所述双线圈对中的每一个线圈是以不同形式缠绕：
-所述双线圈对中的第一线圈(A.1，B.1，C.1)顺时针缠绕，和
-所述双线圈对中的第二线圈(A.2，B.2，C.2)逆时针缠绕，
因此，当被驱动时，所述第一线圈(A.1，B.1，C.1)产生的感应场与所述第二线圈(A.2，B.2，C.2)产生的感应场相反。
如上所述，特定一对线圈缠绕在齿上，线圈是沿定子的周围彼此相邻。为了确保成对的两个线圈所产生的感应场是相反的，每当一个功率模块驱动这些线圈时，发明人发现如果这些线圈平行连接并且这些线圈的缠绕是不同的话，则是有利的。这可以确保根据已知的右手法则，感应磁场的方向是相反的。
应当理解，根据本公开，每个相位可以包括至少双线圈，其中相邻线圈中的每一个是以不同的方式缠绕。这样，每个相位可以包括彼此相邻放置的三个、四个甚至五个线圈，即缠绕在彼此相邻的齿上。
上述示例的优点之一是，由于单对线圈的两个线圈的级联，则可以设置短连接，从而减少任何例如由于电流流过线圈分支而产生的欧姆损耗而造成的损失。另一个优点是在相对较高的功率密度上产生了有效的磁通路径。
在另一示例中，定子包括六组六齿，相应地，十八个功率模块(如半h桥)。因此，定子总共包括三十六个电励磁线圈。每个功率模块被布置成驱动单对双线圈，使得所述对的第一线圈的一极与所述对的第二线圈的一极是相反的。
这个示例是有利的，因为由于冗余的实现，它进一步提高了系统的可靠性。任何电励磁线圈和/或特定功率模块仍可能发生故障，但其余的(即正常工作的)线圈和功率模块将确保无刷式电机系统仍能正常工作。也就是说，无刷式电机系统可能由于线圈或特定功率模块的任何故障而降低了功率，但无刷式电机系统仍能工作。
在另一示例中，该系统包括三个子控制单元，每个子控制单元操作一个电力电子装置，其中每个电力电子装置包括：
-第一驱动器，用于驱动所述十八个功率模块中的两个，其中在两个功率模块中的线圈对是处于第一相位；
-第二驱动器，用于驱动所述十八个功率模块中的另外两个，其中在另外两个功率模块中的线圈对是处于第二相位；
-第三驱动器，用于驱动所述十八个功率模块中的再另外两个，其中在再另外两个功率模块中的线圈对是处于第三相位。
该示例的优点是进一步提高了无刷式电机系统的可靠性。两个子控制单元可以在三个子控制单元中的一个发生故障时确保无刷式电机系统正常工作。然而，无刷式电机系统将以降低的功率工作。
在本发明中，优选地，每个子控制单元包括自己的转子位置传感器，用于确定所述转子相对于所述定子的位置，在这种情况下，子控制单元不依赖于单个转子位置传感器来确定相对于所述定子的转子位置。根据本发明，转子位置传感器是例如霍尔传感器，它是一换能器，能响应磁场而改变其输出电压。霍尔传感器用于近距离切换、定位、速度检测和电流传感应用。
在另一示例中，转子包括四十二个永磁体.发明人发现，四十二个永磁体和三十六个电励磁线圈的结合是无刷式电机系统的最佳实施。
在另一示例中，所述无刷式电机系统还包括主控制单元，所述主控制单元基于在所述主控制单元中与任何速度、转矩、加速和制动信号有关的输入来控制所述三个子控制单元。
本发明的优点是，能够应用不同类型的控件来控制线圈组。
在另一示例中，所述转子包括固体可旋转部分，其中所述永磁体连接到所述可旋转部分，使得所述永磁体相对于所述无刷式电机系统的纵轴倾斜。
在另一示例中，在一组A.1-A.2-B.2-B.1-C.1-C.2中的所述双线圈对的输出和/或一组A.2-A.1-B.1-B.2-C.2-C.1中的所述双线圈对的输出相互连接。
根据本发明，转子可以围绕定子从而获得一外部转子，但该定子也可以围绕转子从而获得一内部转子。
在第二方面，本发明提供了一种操作上述任意示例中的无刷式电机系统的方法。
在第三方面，本发明提供了一电动车辆，该电动车辆包括根据上述任意一个示例的无刷式电机系统。
已知的无刷式电机的另一个缺点是它们不够可靠和安全，特别是当它们被用于诸如电动车辆之类的领域时。
因此，本发明的另一个目标是提供一种具有冷却系统的无刷式电机系统，与现有技术相比，该冷却系统更有效和更简单。
为了实现这一目标，本公开在第一方面提供了一种具有集成的功率模块的无刷式电机系统，所述电机系统包括：
-转子，该转子包括多个永磁体；
-定子，包括彼此相邻放置的多个齿，其中电励磁线圈分别缠绕在每个所述齿上，用于产生感应场以与所述多个永磁体形成相互作用，使所述转子相对于所述定子旋转，
-多个功率模块，例如半H桥，其中每个功率模块被布置为驱动在所述多个齿上缠绕的线圈中的单对双线圈；
-冷却系统，包括：
-大体上扁平的空心主冷却体，其被布置为用于支持冷却介质在所述空心主冷却体内的流动，以冷却所述主冷却体；
-基座冷却板，该基座冷却板连接到所述空心主冷却体的第一扁平表面并连接到所述多个功率模块，以在所述多个功率模块与所述基底冷却板之间传递热量；
-耐热插入件，该耐热插入件连接到所述基座冷却板和所述多个电励磁线圈，以在所述多个线圈和所述基座冷却板之间传递热量，
其中，所述耐热插入件提供热导率，从而产生热缓冲，使得相比所述功率模块，所述电励磁线圈通过所述冷却系统冷却得较少。
发明人的意图是提供一个具有单个大体上扁平的空心主冷却体的冷却系统，该冷却系统是用来冷却电励磁线圈以及功率模块。因此，提供了一个冷却系统来冷却电励磁线圈和功率模块。
发明人注意到在通常情况下，电励磁线圈的工作温度比功率模块的工作温度高得多。因此，在过去，使用了两个冷却系统。一个用于冷却功率模块的冷却系统和一个用于冷却电励磁线圈的冷却系统。
发明人注意到不希望有两个冷却系统，因为在这种情况下，还需要两个泵来泵送冷却介质、两个管道系统以输送冷却介质、两个冷却体、两个冷却板等等。所有这些东西都需要空间，而空间通常是无刷式电机系统中最重要的部分。采用单个冷却系统，进一步改善了电机系统的重量和效率。
本发明的一个方面是在电励磁发线圈和基板之间设置耐热插入件，以改良线圈与基底板之间的热导率。其优点是，与功率模块相比，具有不同工作温度的电励磁线圈可以由相同的主冷却体冷却。因此，使用单个冷却系统，电励磁线圈的工作温度和功率模块的工作温度也可以同时控制，即使这些工作温度是不同。
根据本公开，单个功率模块可以包括由两个场效应晶体管组成的半H桥，其中半H桥的输出直接连接到这对电励磁线圈。
无刷式电机也称为电子换向电动机，它是同步电动机，该同步电动机由直流电DC电源通过功率模块驱动，产生交流电信号来驱动线圈，从而驱动电动机。在这种情况下，AC(交流电)并不是指正弦波形，而是没有波形限制的双向电流。附加的传感器和电子器件最终控制着功率模块的幅值、波形和频率的输出，即转子转速。
该转子通常包括多个永磁体，每个永磁体沿所述转子的周围相邻放置，其中所述永磁体的排列方式使得形成面向该电励磁线圈的南北极的交替次序。也就是说，例如，第一永磁体产生面向线圈的北极，与其直接相邻的永磁体产生面向线圈的南极，等等。
此外，本公开涉及无刷式电机系统。根据本发明，所述无刷式电机系统也可用作用于产生电力的发电机。该无刷式电机系统也是将电机与发电机组合在一起使用。
在一示例中，包括所述多个齿的定子具有预设定的半径，其中所述耐热插入件以圆形的方式连接到所述基座冷却板，该圆形与所述定子具有大体相同的预设定半径，其中所述耐热插入件的数目分别等于电励磁线圈的数目。
因此，每个电励磁线圈使用单个耐热插入件，使得每个电励磁线圈具有自身的插入件，通过该插入件将热量传递到基座冷却板。
在此，多个功率模块可通过在由所述多个耐热插入件环绕形成的圆内的表面区域连接到所述基底冷却板。
这样，功率模块所处的位置使得它们被包括在由线圈环绕形成的圆内，即线圈的中间。这已被证明是放置功率模块的一种有效方法。其优点是无刷式电机系统结构是紧凑的。进一步地，在这里使用单个冷却系统是更有利的，使功率模块与电励磁线圈之间的距离很小。这使得插入件的制造更加简单，因为冷却板可以邻近功率模块放置，也可以邻近电励磁线圈放置。
与现有技术相比，该方案是新的和有创造性的，因为在现有技术中，功率模块不会放置在线圈附近，从而令使用单个冷却系统变得更加困难。发明人发现，功率模块可以放置在靠近电励磁线圈的地方，这样冷却板可以同时冷却线圈和功率模块。为了能到达线圈，并改良线圈的冷却量，使用对着线圈和冷却板放置的插入件。
在一示例中，耐热插入件包括固体间隔块，这些固体间隔块的材料包括铝、不锈钢等中的任意一种。
在此，固体间隔块上可设置用于降低热导率的通孔。
发明人发现，用于耐热插入件的材料类型不需要是隔热体。本发明的关键方面是在线圈和冷却板之间获得热桥，使得线圈与功率模块相比被冷却得较少。根据插入件的长度和插入件的材料类型，可以获得不同的线圈工作温度。
在另一示例中，大体上扁平的空心主冷却体包括入口和出口，两者均设置在所述空心主冷却体的第二扁平表面上，分别用于输入和输出所述介质。
该示例的优点是，例如当使用水作为冷却介质时，入口或出口的泄漏风险不会影响功率模块和/或用于控制功率模块而设置的电子器件，因为这些功率模块和/或电子器件是连接到基底冷却板，该基底冷却板是在主冷却体的第一扁平表面与该主冷却体相连。
当入口和/或出口发生泄漏时，与设置在基底冷却板处相比，入口和出口设置空心主冷却体的另一扁平侧能大大降低水进入功率模块和/或用于控制功率模块而设置的电子设备的风险。
应当注意的是，可以在所述圆的中心点处设置入口。也就是说，可以在线圈/插入件所环绕的圆的中间设置入口。
在一个详细的示例中，大体上扁平的空心主冷却体包括用于支持所述冷却介质在所述入口和所述出口之间的流动通道，其中所述流动通道从所述入口处向外呈放射状延伸。
本文的优点解释如下。冷却介质在大体上扁平的空心主冷却体的中心点处进入，然后向外径向流动。这意味着冷却介质首先接触到功率模块，因为功率模块被放置在由插入件环绕的圆内。这是有利的，因为功率模块比线圈更需要冷却，即功率模块的工作温度低于线圈的工作温度。当然，冷却介质会被功率模块加热到更高的温度。然而，这并不是问题，因为加热的冷却介质仍然能够冷却线圈，因为线圈的工作温度高于功率模块的工作温度。
因此，冷却介质首先接触到功率模块然后接触到线圈，这样是有利的。
冷却系统可包括所述冷却介质，其中所述冷却介质为空气和水中的任意一种。
根据本公开，冷却介质可以是气体或液体。
气体介质的优点是只需要几个部件，因此用于实施的成本效益很高。不需要泵、控制单元、管道和分配系统来冷却电机系统。此外，没有泄漏的风险，因为没有液体存在于冷却系统中。另一个优点是，由于冷却系统中没有移动部件，因此减少了要进行的维护次数。
与气态介质相比，液体介质的优点是，要获得相同程度的冷却，所需的体积较小。液体介质更少依赖于例如环境温度。
在一示例中，所述电动机系统包括三十六个电励磁线圈和十八个功率模块。
在另一示例中，冷却板通过膏体(paste)连接到所述主冷却体，其中所述基底冷却板通过膏体连接到所述多个功率模块，其中所述耐热插入通过膏体连接到所述基底冷却板，其中所述多个电励磁线圈通过膏体连接到所述耐热插入件。
在一详细的示例中，基座冷却板包括散热器。
在一示例中，每个功率模块包括用于驱动电励磁线圈的单个半H桥。
H桥是能够在任一方向上跨负载施加电压的电子电路。这些电路用于不同类型的领域，以使电机向前和向后运转。这个电子电路的一个变体只是在负载的一侧使用两个FET或晶体管，在这个示例中，负载是一对双线圈，类似于AB类放大器。这种配置也被称为“半桥”。
半H桥是实际应用于驱动绕在定子齿周围的电励磁线圈的。
在另一示例中，转子围绕着所述定子。
在第二方面，本公开提供了一种操作上述任意示例中的无刷式电机系统的方法。
在第三方面，本公开提供了一电动车辆，该电动车辆包括根据上述任何一个示例的无刷式电机系统。
又根据本发明的无刷式电机系统、方法和电动车辆组成的不同方面的表述(即用语)，不应按字面意思来理解。这些方面的用语的选择仅仅是为了准确地表达这些方面的实际功能的基本原理。
根据本发明，适用于上述无刷式电机系统示例的不同方面(包括其优点)对应于适用于根据本发明的方法和/或电动车辆的多个方面。
本发明的上述特征以及其他特征和优点将从以下参考附图的描述中得到最好的理解。在附图中，相似的参考数字是指相同的部分或执行相同功能或操作的部分。
附图说明
图1示出了在一示例中的无刷式电机系统的特定实施例的示意图。
图2示出了在一示例中的定子和功率模块的示意图。
图3示出了在一示例中的转子的示意图，该转子适于围绕图2中所示的定子。
图4是根据本发明的无刷式电机系统的示意图。
图5是根据本发明的无刷式电机系统的布局示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明所使用的无刷式电机系统1的特定示例的示意图。系统1的实际定子和转子未示出，而这些部件在图2和图3分别示出。因此，图1示出了电子电路，该电子电路包括功率模块2-7和缠绕在定子的每个齿上的电励磁线圈。
根据图1所示的示例，设置了单个主控制单元18，其是被布置为用于基于所述主控制单元中与速度、转矩、加速器和制动信号中的任意一个有关的输入17来控制三个子控制单元11、12、13。主控制单元18的实施方式是有利的，这种实施方式能够检测主控制单元18本身的任意形式的故障，并且优选地能够修复检测到的任何错误或故障和/或从中恢复。这提高了电机系统1的可靠性和安全性。还可以冗余地实现主控制单元18的功能，以便在系统的一部分发生错误或故障时，系统1的其余部分能够接管相应的功能，从而提高整个系统1的可靠性。
无刷式电机系统1还包括三个子控制单元11、12、13，每个子控制单元操作一个电力电子装置20。每个子控制单元11、12、13分别通过输入14、15、16耦合到自身的转子位置传感器(未示出)，用于确定转子相对于所述定子的位置。这一特征进一步提高了整个系统1的可靠性，因为即使在转子位置传感器发生故障时，电机1仍然能够正常工作。也就是说，转子位置传感器中的一个发生故障将导致子控制单元11、12、13发生故障(即功能不正常)。由于这个电动机1包括三个子控制单元11、12、13，其余的两个子控制单元11、12、13，即运行正常的子控制单元11、12、13将确保马达1至少正常工作。这意味着电机1的可用功率降低了，因为子控制单元11、12、13中的一个没有提供功率。
转子位置传感器通常由霍尔传感器或旋转编码器组成。旋转编码器及其控制器可以用于精确转子相对于定子的角度。例如，霍尔传感器被放置在适当的位置。它能感知到它的前方是北极还是南极。然后，每个霍尔传感器将该信号发送到其相应的子控制单元11、12、13。接着，子控制单元11，12，13将打开或关闭适当的驱动器8，9，10，以提供扭矩。
每个电力电子装置20包括第一驱动器8，用于驱动十八个功率模块中的两个，即附图标记为4和7的功率模块，并包括第二驱动器9，用于驱动所述十八个功率模块中的另外两个，即附图标记为3和6的功率模块，并且还包括第三驱动器10，用于驱动所述十八个功率模块中的再另外两个，即附图标记为2和5的功率模块。
上面的描述是参考子控制单元11中的一个来解释的，也就是说，仅参考附图标记为11的子控制单元。应当理解的是，另外两个子控制单元12、13耦合到电力电子装置，而这些电力电子装置中的每一个是耦合到六个功率模块等。这加起来总共有十八个功率模块，分为九个驱动器、三个子控制单元和一个主控制单元。这样的实施方式有利于整个无刷式电机系统的可靠性。
功率模块2-7和缠绕着定子的齿的线圈是最容易发生故障的。因此，无刷式电机系统1的设计方式使在这些部件中发生的故障不会破坏整个系统1的运行。这是通过本示例的冗余特性来实现的。
因此，发明人的意图就是将一个功率模块耦合到每一对线圈上。例如，由附图标记7指示的功率模块耦合到使用相位A控制的一对线圈A.1、A.2。
每个功率模块2-7包括半H桥，用于驱动线圈对。半H桥是包括两个晶体管或两个场效应晶体管(FET)的电子电路，它是由控制信号控制，使得在提供高控制信号的情况下，负载耦合到高输入电压，并且在提供低控制信号的情况下，负载耦合到低输入电压。驱动器8，9，10中的每一个应该被设计成不能驱动半H桥，令两个FET处于导电状态，使得在高输入电压和低输入电压之间发生短路。
因此，按照上述的推理，当单个半H桥(例如，特定的FET)发生故障时只有一对线圈受到影响。其余的线圈仍然正常工作，从而有助于系统1的可靠性。
一对双线圈中的每一个被驱动，使得第一线圈A.1、B.1、C.1的感应场的指向与第二线圈A.2、B.2、C.2的感应场相反。
这一方面可以通过并行地连接一对的双线圈中的每一个(例如附图标记为A.1和A.2的线圈)来实现，其中该对的双线圈中的每一个是以不同形式进行缠绕。也就是说，第一线圈(例如附图标记为A.1的线圈)顺时针方向缠绕，而第二线圈(即附图标记为A.2的线圈)逆时针缠绕。这实现了当半H桥7驱动线圈A.1和A.2时，这两个线圈产生的感应场的方向是相反的。实际上，磁北极和磁南极就是通过这种方式产生的。
在本示例中，线圈以A.1-A.2-B.2-B.1-C.1-C.2或A.2-A.1-B.1-B.2-C.2-C.1的顺序彼此相邻放置。在此，字母A、B或C后面的数字表示磁场的方向。因此，具有相同数字的字母所指的线圈在同一方向产生一个磁感应场。这意味着，当被驱动时，线圈A.2与线圈B.2和C.2在相同的方向上产生磁感应场。相应地，当被驱动时，线圈A.1与线圈B.1和C.1在相同的方向上产生磁感应场。
此外，转子包括永磁体，这些永磁体具有指向定子线圈的磁北极或磁南极。永磁体的取向方式是磁极交替地排列，即首先是指向线圈的磁北极，然后是指向线圈的磁南极，再是指向线圈的磁北极，等等。上述方案保证转子相对于定子平稳地旋转。
在一组三对线圈19中的线圈的输出是相互连接的，以进一步提高系统1的可靠性。
基于以上，无刷式电机系统1包括在定子的齿上缠绕的三十六个电励磁线圈和由转子组成的四十二个永磁体。
图2示出了根据本示例的定子51和组合功率模块(即，参考附图标记H)的示意图。
在这个特殊的示例中，定子51的设计方式是使得转子围绕该定子51。定子51包括多个齿52，其中电励磁线圈缠绕在这些齿52中的每一个上。在此，定子51精确地包括三十六个齿52，这些齿被分成六个组53，每个组包括六个齿52。这些组以及由这些组53所组成的齿52，在转子51的圆周上彼此相邻地放置(定向)。电励磁线圈，即由A.1-A.2-B.2-B.1-C.1-C.2或A.2-A.1-B.1-B.2-C.2-C.1表示的线圈，产生用于与多个永磁体形成相互作用的磁感应场，这些永磁体是由转子(未示出)组成。这使得转子相对于定子51旋转。
齿52可以包括用于增强产生的磁场的磁芯。任何齿52的形状使得在齿52上缠绕的线圈所产生的磁场是相对于定子51的内轴径向定向的，即指向由转子组成的永磁体。
图3示出了根据本示例的转子81的示意图，该转子81适于围绕图2中所示的定子。在此，该转子包括四十二个凹槽82，其中凹槽82是用来容纳永磁体(未示出)。凹槽彼此隔开83，使得磁体不会影响彼此或者使影响最小化。图2的定子51将被放置在图3所示的转子81的内部。转子81进一步可旋转地安装在定子51上，使转子81能够相对于定子51旋转。
根据本示例，转子81也可以是轴(shaft)或类似物，其中定子51围绕转子81。
图4是根据本公开的无刷式电机系统的布局示意图。
在此，示出了一种具有集成的功率模块的无刷式电机系统101。本发明通过示意图来解释这个功能。系统101的实际定子和转子是未示出的。
该电动机系统包括一转子，该转子包括多个永磁体和一定子，该定子包括彼此相邻放置的多个齿，其中电励磁线圈分别缠绕在每个所述齿上，用于产生感应场以与所述多个永磁体形成相互作用，使所述转子相对于所述定子旋转。
还设置了多个功率模块106，例如半H桥，其中每个功率模块被布置为驱动在所述多个齿上缠绕的线圈中的单对双线圈；在本示例中，电动机系统101包括三十六个电励磁线圈、十八个功率模块106、其中每个功率模块包括单个H桥，因此包括两个金属氧化物半导体(MOS)、场效应晶体管(FET)。这些MOSFET需要被根据本发明的冷却系统有效地冷却。
图4示出了该冷却系统，该冷却系统包括大体上扁平的空心主冷却体110，该空心主冷却体110被布置为用于支持在所述空心主冷却体内的冷却介质的流动，以冷却所述主冷却体；基座冷却板108，该基座冷却板108连接到所述空心主冷却体的第一扁平表面和连接到所述多个功率模块，用于在所述多个功率模块和所述基底冷却板之间传递热量；耐热插入件104，该耐热插入件104连接到所述基底冷却板和所述多个电励磁线圈102，用于在所述多个线圈和所述基底冷却板108之间传递热量，
耐热插入件104提供热导率，从而产生热缓冲，使得相比所述功率模块106，所述电励磁线圈102通过所述冷却系统冷却得较少。
在本示例中，冷却介质的温度接近50摄氏度。MOSFET的工作温度约为60摄氏度。MOSFET的直接连接到基底冷却板108，以获得足够的冷却使MOSFET达到它们的工作温度。线圈的工作温度约为90℃，比MOSFET的工作温度高得多。因此，发明人发现在线圈102和基底冷却板108之间设置插入件104，使得单个冷却系统可以被用于将MOSFET的冷却到大约60摄氏度，线圈102冷却到大约90摄氏度。因此，这些插入件104提供热导率，从而产生热缓冲，使得相比这些功率模块106，这些电励磁线圈102通过所述冷却系统冷却得较少。
膏体103、105、109、107可用于将上述各元件牢固地连接在一起，以改善这些元件之间的热传递。
图5是根据本发明的无刷式电机系统201的布局示意图。在本发明中，空心主冷却体202、基座冷却板204、耐热插入件203、电励磁线圈206、功率模块205是被指示在布局位置上，以明确各元件是如何相互定向的。
功率模块205(即如上所述的MOSFET)被放置在印刷电路板PCB 209上，印刷电路板进一步包括用于控制MOSFET的控制逻辑单元。线圈206缠绕在定子的齿210上，以产生用于与多个永磁体208形成相互作用的感应场，以使转子相对于定子旋转。
条款
条款1一种具有集成的功率模块的无刷式电机系统，所述电动机系统包括：
-转子，该转子包括多个永磁体；
-定子，包括彼此相邻放置的多个齿，其中电励磁线圈分别缠绕在每个所述齿上，用于产生感应场以与所述多个永磁体形成相互作用，使所述转子相对于所述定子旋转，
-多个功率模块，例如半H桥，其中每个功率模块被布置为驱动在所述多个齿上缠绕的线圈中的单对双线圈；
-冷却系统，该冷却系统包括：
-大体上扁平的空心主冷却体，该空心主冷却体被布置为支持在所述空心主体内的冷却介质的流动，以冷却所述主冷却体；
-基座冷却板，该基座冷却板连接到所述空心主冷却体的第一扁平表面并连接到所述多个功率模块，以在所述多个功率模块与所述基底冷却板之间传递热量；
-耐热插入件，该耐热插入件连接到所述基座冷却板和所述多个电励磁线圈，以在所述多个线圈和所述基座冷却板之间传递热量，
其中，所述耐热插入件提供热导率，从而产生热缓冲，使得相比所述功率模块，所述电励磁线圈通过所述冷却系统冷却得较少。
条款2根据条款1所述的无刷式电机系统，其中包括多个齿的所述定子具有预设定的半径，其中所述耐热插入件以圆形的方式连接到所述基座冷却板，该圆形与所述定子具有大体相同的预设定半径，其中所述耐热插入件的数目分别等于电励磁线圈的数目。
条款3根据条款2所述的无刷式电机系统，其中所述多个功率模块是通过在由所述多个耐热插入件环绕形成的圆内的表面区域连接到所述基底冷却板。
条款4根据前面条款中任一项所述的无刷式电机系统，其中所述耐热插入件包括固体间隔块，所述固体间隔块的材料是铝和不锈钢中的任意一种。
条款5根据条款4所述的无刷式电机系统，其中所述固体间距块具有降低其热导率的通孔。
条款6根据前面条款中任一项所述的无刷式电机系统，其中所述大体上扁平的空心主冷却体包括入口和出口，两者均设置在所述空心主冷却体的第二扁平表面上，分别用于输入和输出所述介质。
条款7根据条款6和3所述的无刷式电机系统，其中所述入口大体上设置在所述圆的中心点处。
条款8根据条款7所述的无刷式电机系统，其中所述大体上扁平的空心主冷却体包括用于支持所述冷却介质在所述入口和所述出口之间的流动通道，其中所述流动通道从所述入口处向外呈放射状延伸。
条款9根据前面条款中任一项所述的无刷式电机系统，其中所述冷却系统包括所述冷却介质，其中所述冷却介质是空气和水中的任意一种。
条款10根据前面条款中任一项所述的无刷式电机系统，其中所述电动机系统包括三十六个电励磁线圈和十八个功率模块。
条款11根据前面条款中任一项所述的无刷式电机系统，其中所述基底冷却板通过膏体(paste)连接到所述主冷却体，其中所述基底冷却板通过膏体连接到所述多个功率模块，其中所述耐热插入通过膏体连接到所述基底冷却板，其中所述多个电励磁线圈通过膏体连接到所述耐热插入件。
条款12根据前面条款中任一项所述的无刷式电机系统，其中所述基底冷却板包括散热器。
条款13根据前面条款中任一项所述的无刷式电机系统，其中所述转子围绕所述定子。
条款14一种操作根据前面条款中任一项所述的无刷式电机系统的方法。
条款15一种电动车辆，所述电动车辆包括根据条款1-13中任一项所述的无刷式电机系统。
本发明不限于上述实施例、条款和/或示例，并在不超过如所附权利要求中所公开的发明范围的情况下，可由本领域技术人员改良和增强，而不需要付出创造性劳动。

Claims (15)

1.一种无刷式电机系统，包括：
-转子，所述转子包括多个永磁体；
-定子，包括相互相邻放置的至少三组六齿，其中电励磁线圈分别缠绕在每一组所述六齿的每一个上，以产生用于与所述多个永磁体形成相互作用的感应场，使所述转子相对于所述定子旋转，其中所述无刷式电机系统采用三个相位(A，B，C)进行控制，其中所述至少三组六齿的每一组分成三对双线圈(A.1-A.2-B.2-B.1-C.1-C.2，A.2-A.1-B.1-B.2-C.2-C.1)，其中每一组中的齿彼此相邻放置，使线圈以A.1-A.2-B.2-B.1-C.1-C.2或A.2-A.1-B.1-B.2-C.2-C.1形式设置，其中A.1-A.2包括第一相位(A)中的双线圈，其中B.1-B.2包括第二相位(B)中的双线圈，其中C.1-C.2包括第三相位(C)中的双线圈，其中A.2-A.1包括第一相位(A)中的双线圈，其中B.2-B.1包括第二相位(B)中的双线圈，其中C.2-C.1包括第三相位(C)中的双线圈，
-至少九个功率模块，其中每个功率模块布置为驱动单对双线圈(A.1-A.2，B.1-B.2，C.1-C.2，A.2-A.1，B.2-B.1，C.2-C.1)，使第一线圈(A.1，B.1，C.1)的感应场相反地指向第二线圈(A.2，B.2，C.2)的感应场。
2.根据权利要求1所述的无刷式电机系统，其中所述系统包括：
-至少一个用于控制所述至少九个功率模块的电力电子装置，其中至少一个电力电子装置包括：
-第一驱动器，用于驱动所述至少九个功率模块中的至少两个，其中在所述至少九个功率模块中的至少两个的线圈对是处于第一相位；
-第二驱动器，用于驱动所述至少九个功率模块中的另外至少两个，其中在所述至少九个功率模块中的另外至少两个的线圈对是处于第二相位；
-第三驱动器，用于驱动所述至少九个功率模块中的再另外至少两个，其中在所述至少九个功率模块中的再另外至少两个的线圈对是处于第三相位。
3.根据权利要求1所述的无刷式电机系统(1)，其中所述至少九个功率模块中的每一个都包括半H桥。
4.根据权利要求2所述的无刷式电机系统(1)，其中每一对双线圈都是并行连接的，以及其中所述双线圈中的每一个线圈是以不同形式缠绕：
-所述双线圈中的第一线圈(A.1，B.1，C.1)顺时针缠绕，和
-所述双线圈中的第二线圈(A.2，B.2，C.2)逆时针缠绕，
因此，当被驱动时，所述第一线圈(A.1，B.1，C.1)产生的感应场与所述第二线圈(A.2，B.2，C.2)产生的感应场相反。
5.根据权利要求1所述的无刷式电机系统，其中所述定子包括六组六齿和相应的十八个功率模块，每个功率模块布置为驱动单对(A.1-A.2，B.1-B.2，C.1-C.2，A.2-A.1，B.2-B.1，C.2-C.1)双线圈，使第一线圈(A.1，B.1，C.1)的一极相反地指向第二线圈(A.2，B.2，C.2)的一极。
6.根据权利要求5所述的无刷式电机系统，所述系统包括三个子控制单元，每个子控制单元操作一个电力电子装置，其中每个电力电子装置包括：
-第一驱动器，用于驱动所述十八个功率模块中的两个；
-第二驱动器，用于驱动所述十八个功率模块中的另外两个；
-第三驱动器，用于驱动所述十八个功率模块中的再另外两个。
7.根据权利要求6所述的无刷式电机系统，其中所述子控制单元中的每一个包括对应的转子位置传感器，用于确定所述转子相对于所述定子的位置。
8.根据权利要求1所述的无刷式电机系统，其中所述转子包括四十二个永磁体。
9.根据权利要求6所述的无刷式电机系统，其中所述无刷式电机系统还包括主控制单元，所述主控制单元设置为基于在所述主控制单元中与任何速度、转矩、加速和制动信号有关的输入来控制所述三个子控制单元。
10.根据权利要求1所述的无刷式电机系统，其中所述转子包括固体可旋转部分，其中所述永磁体连接到所述可旋转部分，使得所述永磁体相对于所述无刷式电机系统的纵轴倾斜。
11.根据权利要求1所述的无刷式电机系统，其中在一组A.1-A.2-B.1-B.2-C.1-C.2中的所述双线圈的输出和/或一组A.2-A.1-B.2-B.1-C.2-C.1中的所述双线圈的输出相互连接。
12.根据权利要求1所述的无刷式电机系统，其中所述转子围绕所述定子。
13.根据权利要求1所述的无刷式电机系统，其中所述定子围绕所述转子。
14.一种操作根据前述权利要求中任一项所述的无刷式电机系统的方法。
15.一种电动车辆，所述电动车辆包括根据权利要求1-13中任一项所述的无刷式电机系统。
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