CN113169635B - 具有解耦多重绕组的智能马达的电气滤波系统以及相关的智能马达 - Google Patents

具有解耦多重绕组的智能马达的电气滤波系统以及相关的智能马达 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电气滤波系统(16)，其包括电容器(162)以及配电装置(160)，所述配电装置(160)包括彼此面对并由绝缘层(166)分离的两个导电层(165、167)的堆栈，所述堆栈安装在刚性电绝缘板(164)上，并且电容器(162)安装在配电装置(160)上，刚性板(164)在与这些层(165、166、167)堆栈的方向正交地运行的平面中延伸。配电装置(160)包括多个电连接(168)，所述多个电连接(168)有角度地分布在配电装置(160)的外周边上，并且在与刚性板(164)延伸的平面平行地运行的平面中突出，所述多个电连接(168)从所述配电装置(160)的外周边延伸，所述连接(168)一方面每个都连接到至少一个电容器(162)，并且另一方面用于连接到电逆变器(184)的臂(1840)，所述电逆变器安装在电子控制单元(18)的管形电变换器(180)上。

Description

具有解耦多重绕组的智能马达的电气滤波系统以及相关的智 能马达
技术领域
本发明涉及一种智能马达，特别是航空器的智能马达，更具体地，涉及具有强机械集成的具有多重解耦绕组的马达的架构。
背景技术
特别地，垂直起降的航空器越来越多地用于商品或人员的城市内和城市间的运输。
航空运输的革命催生了对新型航空器的推进系统的日益增长的需求，例如VTOL(“垂直起降”)的航空器。电能是这场革命的主要向量，由于其实施的灵活性、其效率(仅产生必要的能量)，其可靠性(有限的维护)，并且主要由于其相对于传统推进系统(液压或气动能量分配的热能)所产生的质量和体积的潜在减少。另一方面，机载马达的当前功率不允许与单一热机产生的功率竞争；因此，有必要使马达的数目增倍。
因此，很容易理解的是，马达、控制器(功率电子设备和控制电子设备)、滤波和冷却系统装配的机电集成化约束(质量和体积)是该变化的关键问题，特别是对于保持质量和体积很小的推进系统的装配而言。
智能马达的电机由电子控制单元控制，所述电子控制单元特别地包括诸如逆变器的功率电变换器。在智能马达的控制逆变器的设计过程中，必须考虑以下几点：
-必须安装逆变器臂的例如MOS或IGBT型的功率晶体管，从而消除散热器中的整流和传导损耗，从而从热角度确保其耐久性；
-必须最小化在逆变器臂和被提供用于滤波的解耦电容器之间的寄生电感，以便在功率晶体管的阻塞过程中限制过电压，从而从电气角度确保功率晶体管的耐久性。
-滤波设备的解耦电容器必须具有最小值，以保证直流电压母线的稳定性。此外，它们必须被构造成供给有效电流到逆变器。这两个约束意味着解耦电容器的体积相当大。
通常，用于这类应用的高电流电平涉及使用母线或功率印刷电路或PCB来电连接逆变器臂的功率晶体管和滤波设备的电容器。因此，功率晶体管安装在散热器的同一表面上，以限制组装问题，并确保抵抗与振动和/或冲击有关的机械应力。
发明内容
本发明旨在提供一种架构滤波系统解决方案，其允许使滤波系统占据的体积最小化并优化其在智能马达壳体中的安装，同时限制在功率晶体管和滤波解耦电容器之间的寄生电感，并提供相对于冲击和振动的机械装配的耐久性，以及通过避免均衡来简化了装配过程中的机械集成。
在本发明的第一目的中，提出了一种电气滤波系统，其包括电容器以及配电装置，所述配电装置包括彼此面对并由电绝缘层分离的两个导电层的堆栈，所述堆栈安装在刚性电绝缘板上，并且所述电容器安装在所述配电装置上，所述刚性板在与导电层和绝缘层堆栈的方向正交的平面中延伸。
根据本发明第一目的的通用特征，所述配电装置包括多个电连接，所述多个电连接有角度地分布在所述配电装置的外周边上，并且在与所述刚性板延伸的平面平行的平面中突出，以及从所述配电装置的外周边延伸，每个所述连接一方面连接到所述滤波系统的至少一个电容器，并且另一方面用于连接到电逆变器的臂，所述电逆变器安装在所述电子控制单元的管形电变换器上。
所述配电装置的形状允许限制逆变器的不同臂以及滤波系统的解耦电容器之间的漏电感。
根据本发明的滤波系统进一步允许相对于所述电子控制单元的电变换器的逆变器的不同臂共用所述解耦电容器。
优选地，所述电连接每个都包括与所述堆栈集成的端部、与所述集成端部相对的自由端，以及在所述两端之间的柔性部。
在每个电气连接的两端之间提供的所述柔性部允许提供相对于装配和机械应力(例如冲击和振动)的机械自由度。
所述柔性部可以在与刚性支撑延伸的平面正交的平面中具有波形。在所述正交平面中的该波形或非线性形状允许由堆栈和刚性支撑形成的板沿与刚性支撑延伸的平面平行的方向移动。所述正交平面中的该波形还允许由堆栈和刚性支撑形成的板沿与刚性支撑延伸的平面正交的方向移动。
所述滤波系统优选地包括三的倍数的多个连接，以便每个相位都具有一个连接。
根据本发明的另一方面，提出了一种智能马达，其包括电子控制单元，所述电子控制单元包括中空柱体形式的电变换器以及如上所限定并且电连接到电子控制单元的电变换器的电气滤波系统。
根据本发明的另一方面，提出了一种航空器的推进系统，其包括至少一个转子，以及用于每个转子的如上所限定的至少一个智能马达，所述智能马达机械地连接到所述转子。
根据本发明的另一方面，提出了一种航空器，其具有如上所限定的航空器推进系统。
附图说明
参考附图，在通过指示但不限制地阅读以下内容时，将更好地理解本发明，其中：
-图1示意性地示出了配备有根据本发明一个实施例的推进系统的多转子航空器；
-图2示意性地示出了根据本发明第一实施例的图1的推进系统的智能马达的剖面图；
-图3示意性地示出了根据图2的智能马达的电机的第一实施例的电气架构；
-图4示意性地示出了根据本发明一个实施例的滤波系统的配电装置的剖面图；
-图5示意性地示出了图4的配电装置的透视图；
-图6示出了根据本发明第二实施例的滤波系统的配电装置的透视图。
具体实施方式
图1中示意性地示出了一种多转子航空器7，其配备有根据本发明一个实施例的推进系统9。在图1所示的示例中，推进系统9包括分布在多转子虚拟线圆圈上的六个转子1到6。转子1至6形成三对转子，同一对转子相对于对称中心8对称地相对。第一对转子包括转子1和6，第二对转子包括转子2和5，第三对转子包括转子3和4。此外，推进系统9包括用于每个转子1至6的一个智能马达10。
根据本发明第一实施例，图2中示意性地示出了智能马达10的剖视图。
图2所示的智能马达10包括用作机电变换器并且具有限定轴向方向DA和径向方向DR的旋转部的电机12。图2是在包括轴向方向DA和径向方向DR的平面中的剖视图。
智能马达10进一步包括叶轮14、电气滤波设备16、电子控制单元18以及壳体或罩壳20，在所述壳体或罩壳20中容纳有电机12、电子控制单元18和滤波设备16。
叶轮14通过传动轴13机械地耦合到电机12，所述传动轴13允许电机驱动叶轮14。
壳体20具有中空柱形的形状，在图2所示的实施例中具有圆形横截面。壳体20的旋转轴线与电机12的旋转轴线DA一致，所述旋转轴线DA与传动轴13和叶轮14的旋转轴线一致。
壳体20沿轴向方向DA包括第一端201以及与第一端201相对的第二端202。沿轴向方向DA，壳体20在其第一端201处由叶轮14封闭，并且在其第二端202处由盖部22封闭。
壳体20包括安装在壳体20的径向外表面203上的冷却装置24。这里参考智能马达10中的径向方向DR使用术语“内”和“外”以及“内部”和“外部”。
冷却装置24包括一组从壳体20的径向外表面203径向地向外延伸的散热片240，并且因此形成散热器，所述散热器允许散热片240以及跨过冷却装置24的散热片240的气流F之间进行热交换。冷却气流F由电机12所驱动的叶轮14的叶片140产生和进给，并因此自我维持。
在图2所示的实施例中，冷却装置24进一步包括定位在冷却散热片240周围的柱形冷却罩壳245。冷却罩壳245因此与壳体20的径向外表面203一起限定一种冷却流248，在所述冷却流248中冷却气流F被引导。
在一种变型中，智能马达不能包括叶轮和冷却罩壳，从而降低智能马达的质量。然后，将由航空器的转子所产生的气流冷却该智能马达，转子通常包括直接地机械连接到智能马达的机械旋转轴的螺旋桨。
在图2所示的实施例中，其示出了一种根据本发明的智能马达10的所谓“轴向”构造，智能马达10包括一种包括冷却装置的壳体20，一种包括电机12、叶轮14和传动轴13的驱动部，以及一种沿轴向方向与驱动部分隔的电子部，该电子部特别地包括电气滤波设备16和控制单元18。
为了物理地分隔驱动部和电子部，智能马达10包括内壁15，所述内壁15在包括径向方向DR并与轴向方向DA正交的径向平面中延伸，并附接到壳体20的径向内表面204。电机12定位在内壁15上游的壳体20内侧，而电子部的电气滤波设备16和电子控制单元18定位在内壁15的下游。
这里参考所输送的冷却气流的方向，如图2中的箭头F所示，使用了术语“上游”和“下游”。
电子控制单元18包括被构造成为电机12供电的静电变换器180。
电变换器180在智能马达10的壳体20中直接地放置在电机12之后，这允许减少在电变换器180和电机12之间穿过内壁15的电连接的长度，并且省略了相间电感。
在图2所示的实施例中，电变换器180包括六个功率电子板1800，它们被布置在一起以形成具有与电机12同轴的六边形底座的中空柱体。
在一种电变换器将包括八个电子板的变型中，它将形成具有八边形底座的柱体。如果它包括五个电子板，它将形成带有五边形底座的柱体。在电变换器将包括单个电子板的变型中，它可以形成具有圆形底座的中空柱体，其中功率电子板具有环形，可能具有沿与径向方向DR和轴向方向DA正交的方向彼此面对的第一端和第二端。
面对壳体20的内表面204定位该电子板1800，以使电子功率部件的冷却最大化。
滤波设备16包括电子滤波板160，其上安装有电容器162。
在图2所示的实施例中，滤波设备16的电子滤波板160具有六边形，这允许其插入由电子变换器180的电子板1800形成的中空柱体中。电子滤波板160的六边形与由电变换器180的功率电子板1800形成的中空柱体的六边形横截面配合，其允许尽可能接近电子功率板1800地调节电子滤波板160。电容器162和电子滤波板160容纳在电变换器180的中空柱体中。
电变换器180的每个电子板1800包括至少一个连接终端1802，其在包括径向方向DR并与所述轴向方向DA正交的径向平面中延伸，从而允许将电子滤波板160电连接到电变换器180的功率电子板1800。每个连接终端1802包括波纹部，所述波纹部为其提供弹性，所述弹性允许相对于电变换器180为电子滤波板160提供一定的移动自由度。电气滤波在最接近干扰元件，例如电子功率板1800的电源开关的壳体中的集成允许降低布线电感，并且因此减小滤波的质量和体积。
此外，电子控制单元18包括电子控制板182，其被构造成控制电机12的运行。在图2所示的实施例中，电子控制板182包括在径向平面中延伸的六边形，所述径向平面包括径向方向DR并且与轴向方向DA正交以及平行于滤波板160。
智能马达10进一步包括电子监控板26，所述电子监控板26容纳在壳体20内侧并与电子控制板182通信。该电子监控板在径向平面中延伸，所述径向平面包括径向方向DR并且与轴向方向DA正交以及平行于滤波板160。电子监控板26面对盖部22被定位在盖部22和电子控制板182之间。
在该轴向构造中，冷却装置24在电机12和智能马达10的电子部之间共用，所述电子部包括滤波设备16和电子控制单元18。由叶轮14的叶片140输送的冷却气流F沿壳体20的径向外表面203循环并且与冷却装置24的散热片240流体地连通。壳体20的径向外表面203回收由电机12产生的热量以及由电子部产生的热量，特别是由功率变换器180产生的热量，并将这些热量转移到冷却气流F中，特别地经由散热片240，气流F然后在智能马达10外部排出这些热量。
如图3所示，智能马达10的电机12为同步机，其包括永磁转子121和六相定子122，所述六相定子122具有电耦合成星形的三个第一绕组1230的第一三相组件123以及电耦合成星形的三个第二绕组1240的第二三相组件124。
同步电机12的电子控制单元18包括配备有六个独立臂1840的控制逆变器184，每个臂1840都被构造成控制电机12的六相定子的一个相。星形连接绕组的两个三相组件123和124彼此磁解耦和电气解耦。
为了使绕组的第一三相组件123和第二三相组件124彼此电气独立和磁独立，第一三相星形连接组件123的绕组1230缠绕，然后，在第一三相组件123的绕组1230缠绕之后，第二三相星形连接组件124的绕组1240缠绕。
定子122包括齿圈。第一绕组1230和第二绕组1240每个都缠绕齿圈的单个齿，这允许最小化定子122的尺寸，特别是绕组1230和1240每个的头部尺寸。
转子121包括定位在海尔贝克(Halbach)阵列中的磁体，以增加智能马达10的单位质量的转矩。
第一三相组件123的第一绕组1230定位在延伸180机械度的定子的第一角范围上，第二组件124的第二绕组1240定位在延伸180机械度的定子的第二角范围上。第一角范围与第二角范围不同，每个角范围因此都覆盖半圆，这允许使磁解耦最大化并促进这两个三相组件123和124之间的电气隔离。
电子控制单元18进一步包括与其他三相组件124和123独立的在每个三相组件123和124中的电流调节模块，以及转子转速调节模块121。
智能马达10还包括连接接口17，其将直流高压电源总线连接到电子控制单元18的逆变器184的六个臂1840的每一个。连接接口17包括以配备有差动模式电容器的电容解耦级的形式产生的滤波设备16。在图2所示的实施例中，连接接口17与电子滤波板160一致。
在图3所示的实施例中，每个功率电子板1800包括功率晶体管1845、逆变器184的电子保护元件、相电流传感器以及直流高压母线电压传感器。
根据本发明的滤波系统对应于滤波设备16，并且包括与如上所述的电子滤波板160一致的配电装置，以及安装在电子滤波板160上的电容器162。
图4和5中分别示出了滤波设备16的六边形电子滤波板160的第二视图和透视图。为了更加可见，电容器162未示出在图4和5中。
如图所示，电子滤波板160包括电绝缘刚性支撑164，其在平面中延伸并且沿与支撑164的平面正交的方向具有厚度。电子滤波板160进一步包括连续地堆栈在支撑164上的第一导电层165、电绝缘层166和第二导电层167。
电子滤波板160包括连接终端168，所述连接终端168沿支撑164的平面中包括的方向延伸超出刚性支撑164的外周边。每个连接终端168包括与构成配电装置的电子滤波板160集成的第一端1681，以及与第一端1681相对的第二自由端1682。在这两端1681和1682之间，每个连接终端168包括柔性部1683。
柔性部1683在与刚性支撑164延伸的平面正交的平面中，即在图4的剖面平面中，形成波或子波。
图6示出了根据本发明第二实施例的滤波系统的配电装置的透视图。为了更清晰，未在图6中示出电容器162。
在本第二实施例中，滤波系统16’不仅包括六边形电子滤波板160，而且包括正交地定位在六边形电子板160延伸的平面中的六个额外电子滤波板1600。该组额外电子板1600形成具有六边形底座的中空柱体，其内侧定位有电子滤波板160。
在图6所示的实施例中，在第一组连续三个额外电子板1600中，第一额外电子板1600经由第一柔性连接1605耦合到电子滤波板160，所述第一柔性连接1605与连接终端168类似地制造，具有波形形式的柔性部，并且，与第一电子板相邻的两个额外电子板1600经由柔性连接1608连接到第一额外电子板，所述柔性连接1608允许将所述两个额外电子板1600耦合到电子滤波板160。
三个其他额外电子板1600的组还包括在电子滤波板160与该组的第一额外电子板1600之间的柔性连接1605，以及在该组的第一额外电子板1608和与其相邻的两个额外电子板之间的两个柔性连接1608。
在图6所示的该实施例中，滤波系统16’容纳在由智能马达10的电子控制单元18的电变换器180的电子板1800形成的中空柱体内。滤波系统16’包括在电子滤波板160与电变换器180的电子板1800之间和/或在额外电子板1600与电变换器180的电子板1800之间连接的柔性连接终端。
本发明提供了一种滤波系统，在限制在功率晶体管和滤波解耦电容器之间的寄生电感同时，并且在避免均衡的同时通过提供对振动的机械阻抗，所述滤波系统允许使由滤波系统占用的体积最小化并优化其在智能马达壳体中的安装。

Claims (5)

1.一种电气滤波系统(16)，其包括电容器(162)以及配电装置(160)，所述配电装置(160)包括彼此面对并由电绝缘层(166)分离的两个导电层(165、167)的堆栈，所述堆栈安装在刚性电绝缘板(164)上，并且所述电容器(162)安装在所述配电装置(160)上，所述刚性电绝缘板(164)在与导电层(165、167)和电绝缘层(166)堆栈的方向正交的平面中延伸，
其特征在于，所述配电装置(160)包括多个电连接(168)，所述多个电连接(168)有角度地分布在所述配电装置(160)的外周边上，并且在与所述刚性电绝缘板(164)延伸的平面平行的平面中突出，以及从所述配电装置(160)的外周边延伸，每个电连接(168)一方面连接到所述电气滤波系统(16)的至少一个电容器(162)，并且另一方面用于连接到电逆变器(184)的臂(1840)，所述电逆变器安装在电子控制单元(18)的管形电变换器(180)上，所述管形电变换器(180)包括被布置形成中空柱体的电子板(1800)，所述电连接(168)每个都包括与所述堆栈集成的第一端(1681)、与所述第一端(1681)相对的第二自由端(1682)，以及在所述两端(1681、1682)之间的柔性部(1683)。
2.根据权利要求1所述的电气滤波系统(16)，其包括三的倍数的多个电连接(168)。
3.一种智能马达(10)，包括电子控制单元(18)，所述电子控制单元(18)包括中空柱体形式的电变换器(180)，以及根据权利要求1或2之一所述的电气滤波系统(16)，所述电气滤波系统(16)电连接到所述电子控制单元(18)的电变换器(180)。
4.一种航空器(7)的推进系统(9)，包括至少一个转子(1至6)，以及用于每个转子(1至6)的根据权利要求3所述的智能马达(10)，所述智能马达机械地连接到所述转子(1至6)。
5.一种航空器(7)，包括根据权利要求4所述的推进系统(9)。
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