CN114726246A - 包括电机、逆变器和互连器的组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组件(1)，包括：旋转电机(10)；逆变器(30)，电连接到所述旋转电机(10)，并具有：多个功率模块(31)，每个功率模块(31)包括第第一和第二侧向壁(32、33)，散热器(40)，具有设置在所述侧向壁(32、33)中的每一个上的翅片(41)，以及电子模块(50)，用于控制所述多个功率模块(31)，互连器(20)，具有第一面(21)，所述多个功率模块(31)相对于该第一面垂直地固定到该第一面上，其中功率模块(31)全部集中在互连器(20)的角度部分(α)上，所述预定部分(α)小于360°。

Description

包括电机、逆变器和互连器的组件

技术领域

本发明涉及一种组件，特别是用于混合动力车辆的组件，该组件具有旋转电机和逆变器，在这两者之间设有用于电连接这两个部件的互连器。

背景技术

本发明在用于混合动力车辆、特别是机动车辆的旋转电机领域中找到了应用，并且特别是在高功率可逆电机领域中找到了应用，该高功率可逆电机可以在交流发电机模式和马达模式下操作并且与齿轮箱相联接。

以本身已知的方式，旋转电机具有定子和固定到轴上的转子。转子可以固定到驱动轴和/或从动轴上，并且可以属于交流发电机、电马达或能够在两种模式下操作的可逆机器形式的旋转电机。

在某些类型的机动车辆传动系中，高功率可逆旋转电机联接到车辆的齿轮箱或机动车辆的轮轴系统。因此，电机能够在交流发电机模式下操作，以向车辆的电池和/或车载网络提供特定的能量，并且在马达模式下，不仅起动内燃发动机，而且单独地或与内燃发动机结合地向车辆提供机动力。

定子安装在壳体中，该壳体构造成例如通过滚动轴承来旋转轴。转子具有由叠片堆叠体形成的主体，叠片通过合适的固定系统保持为组的形式。转子具有例如由永磁体形成的极，永磁体容纳在设置在转子的磁性块中的腔中。替代地，在被称为“凸极”架构的架构中，极由缠绕在转子的臂周围的线圈形成。

此外，定子具有由形成环的薄叠片堆叠体形成的主体，该主体的内部面设置有朝向内部开口的槽，以便接收相绕组。这些绕组穿过定子主体的槽，并在定子主体的任一侧形成突出的束。相绕组例如由覆盖有搪瓷的连续导线或由通过焊接连接在一起的引脚形式的导电元件获得。这些绕组是星形或三角形连接的多相绕组，其输出连接到电子控制和/或功率模块。

电子控制和功率模块，例如逆变器，通过多相电流系统，例如三相或双三相电流系统，为绕组供电。互连器在逆变器和电机、特别是定子的相之间实现连接，以便在电机的输入/输出信号和逆变器的输入/输出信号之间提供电连接。

例如，在申请US10164504中公开了这种解决方案。在该示例中，功率模块围绕互连器的整个圆周设置，为控制模块留下很小的空间，并且不可能获得紧凑的组件。

发明内容

因此，本发明旨在提供一种包括旋转电机、逆变器和紧凑型互连器的组件。

本发明旨在通过提供一种组件，特别是用于混合动力车辆的组件，有效地克服这些缺点，该组件包括：

旋转电机，具有：

用于产生沿机器的轴向方向流动的强制冷却剂流的装置，

转子，以旋转轴为中心并固定在旋转轴上，旋转轴沿轴线X延伸，

定子，围绕转子并设有主体和具有多个相输入/输出的至少一个绕组，以及

后轴承，安装在转子的一个端部处并接收轴，

逆变器，电连接到旋转电机，并且具有：

多个功率模块，每个功率模块包括具有第一面和第二面的壁，

散热器，具有与所述侧向壁中的每一个相关联的翅片，以及

电子模块，用于控制所述多个功率模块，

互连器，其被构造为将定子的绕组的相连接到所述多个功率模块，并将后者连接到电子控制模块，该互连器具有第一面和第二面，所述多个功率模块相对于所述第一面垂直固定到所述第一面，所述第二面与所述第一面相对并朝向后轴承取向，

其中功率模块全部集中在互连器的角度部分α上，所述预定部分α小于360°，优选小于220°。

因此，本发明使得可以获得紧凑的组件，该组件为组件的其他部件释放了空间。

在说明书和权利要求书中，根据说明书中给出的定义，术语“外部”和“内部”以及“轴向”和“径向”将用于表示转子、定子和/或电机的元件。按照惯例，“径向”取向与轴向取向正交。根据上下文，轴向取向涉及转子、定子和/或电机的旋转轴线。“周向”取向正交于轴向方向并且正交于径向方向。术语“外部”和“内部”用于相对于参考轴线定义一个元件相对于另一元件的相对位置；靠近该轴线的元件因此被描述为“内部”元件，相反，径向位于周边处的为外部元件。

在剩下的描述中，从电机前面到后面的取向对应于图2中从左到右的方向。因此，“前”元件被理解为位于机器的轴的花键端的元件，“后”元件被理解为位于相对侧的元件，也就是说位于互连器或逆变器侧。

根据本发明的一个方面，互连器的第一面具有能够接收所述电子控制模块的预定角度部分β，所述角度部分β等于360°-α。

根据本发明的一个方面，所述多个功率模块分布在至少两个组中，每组独立于其他组固定到互连器的第一面。因此，当电机由于例如功率模块而不操作时，所有需要的是拆卸不操作的功率模块所在的组，以便丢弃它并用新的功率模块替换它。因此，当整个电机或所有功率模块被固定在互连器上时，没有必要丢弃它们，这使得维护更容易。

有利的是，组可以包括单个电源模块，在这种情况下，将有与功率模块一样多的组。

根据本发明的一个方面，每个功率模块包括面向互连器的第一面的第一端部和在所述第一端部的相对侧上的第二端部，所述第二端部没有任何连接。

优选地，每个功率模块包括安装在功率迹线上的多个电子功率开关。

根据本发明的一个方面，所述多个功率模块通过固定装置固定到互连器的第一面，该固定装置也用于功率模块和互连器之间的电连接。

根据本发明的一个方面，互连器包括包覆成型的迹线B+和B-。优选地，所述多个功率模块通过互连器的第一面连接到迹线B+和/或B-上。

根据本发明的一个方面，翅片形成轴向取向的通道，轴向冷却剂流通过所述通道，以便在其整个轴向范围内有效地冷却功率模块。

散热器优选由诸如铝的高导热性金属制成。

根据本发明的一个方面，互连器包括垂直于旋转轴延伸的开口，用于轴向冷却剂流的通过。

根据本发明的一个方面，后轴承包括垂直于旋转轴延伸的开口，用于轴向冷却剂流的通过，所述开口基本上与互连器中的开口对准。

优选地，后轴承包括用于冷却剂的径向出口孔。在一种变型中，后轴承可以没有径向流体出口孔，并且在这种情况下，冷却剂的流动通过传导发生(例如配备有水回路的封闭机器)。

根据本发明的一个方面，电源模块包括设置在其侧向壁的两侧的两个铝制部件，特别是设置在散热器的侧向壁上。这些铝制部件可以提高热力学性能，并加强安装它们的功率模块的结构。

根据本发明的一个方面，绕组可以是双三相类型。

根据本发明的一个方面，逆变器从电机轴向偏移。电机和逆变器轴向相互跟随。

有利的是，转子具有由叠片堆叠体形成的主体，叠片通过合适的固定系统保持为组的形式。转子具有仅由永磁体形成的极，永磁体容纳在转子的磁性块中设置的腔中。以这种方式，磁通量仅由永磁体产生，转子不从外部被激励。

附图说明

通过阅读以下描述并查阅附图，将更好地理解本发明。这些附图仅作为本发明的完全非限制性的说明给出。

[图1]示出了根据本发明第一实施例的组件的透视图。

[图2]示出了可用于图1中的组件的旋转电机的一个示例的纵向剖视图。

[图3]示出了图1中组件的分解图。

[图4]示出了图3中组件的后部的俯视图。

[图5]示出了可以在图3中看到的功率模块的一部分的透视图。

[图6]示出了可以在图3中看到的功率模块的透视图。

[图7]示出了可以在图3中看到的功率模块的仰视图。

具体实施方式

相同、相似或类似的元件从一个图到另一个图保持相同的参考。

图1示出了组件1，其可以集成到机动车辆的驱动结构中，特别是低功率车辆或混合动力车辆。图1中可见的组件1具有旋转电机10和电连接到电机10的逆变器30。有利地，逆变器30设置在旋转电机10的后端面上。

图2更详细地示出了可用于组件1的旋转电机10的例子。电机10具有多相定子11，多相定子11围绕安装在轴13上的具有轴线X的转子12。机器10的定子11围绕转子12，在定子11的内周和转子12的外周之间存在气隙。定子11由设有前轴承17和后轴承18的壳体14承载。轴承17和18各自具有滚动轴承15，用于相对于电机10的壳体14旋转地安装轴13。优选地，轴承17、18由钢或铝制成。

电机10通过固定拉杆从后面组装，用于保持轴承17和18、定子11和转子12的组件。如图3和4所示，优选使用成对间隔开90度±10度角度的四个拉杆。轴承17或18中的一个也可以具有凸耳，用于固定到齿轮箱的元件或机动车辆的另一个元件。

转子12—轴承17和18—固定拉杆组件从电机10的同一侧(从后向前)安装。因此，可以实现简化的、标准的和自动化的安装方法。

轴13配备有花键，该花键是直的、螺旋的或光滑的，带有夹持结构，用于联接到机动车辆的齿轮箱或轴差速器。

该组件1可以用于联接到属于机动车辆传动系的齿轮箱上。因此，组件1能够在交流发电机模式下操作，以向车辆的电池和车载网络提供特定的能量，并且能够在马达模式下操作，以不仅用于起动车辆的内燃发动机，而且单独地或与内燃发动机结合地向车辆提供机动力。机器10的功率可以在4kW至50kW范围内。替代地，电机10可以安装在机动车辆的轮轴上，特别是后轮轴上。

在所讨论的例子中，电机10有利地表现出小于60伏的操作电压，优选为48伏。通常，电机提供的扭矩在30N.m至150N.m范围内。

旋转电机10有利地是可逆类型的，这意味着它能够在马达模式下操作，用于从电池的电能向车轮施加马达扭矩，以及在发电机模式下操作，用于从车轮处获得的机械动力向电池再充电。

更具体地，转子12具有叠片组形式的主体12a，用于减少涡流。永磁体安装在主体12a的开口中。磁体可以安装成V形构造。替代地，磁体径向安装在腔内，两个相邻磁体的相对面具有相同的极性。这就是通量集中构造。取决于机器10的应用和期望功率，磁体可以由稀土或铁氧体制成。在一种变型中，转子可以仅包括用于产生磁通量的永磁体，并且可以不从外部激励。替代地，转子12的极可以由线圈形成。

此外，转子12具有两个凸缘22，每个凸缘22压靠转子12的轴向端面。这些凸缘22将磁体轴向保持在腔内，并且还用于平衡转子12。弹簧也可以插入每个腔内，以便将磁体径向保持在腔内。

此外，定子11具有由一组叠片构成的主体11a，且具有绕组21。主体11a由相互独立的叠片的堆叠体形成，且叠片通过合适的固定系统保持为组的形式。叠片组设有例如半封闭型的槽，槽配备有用于安装定子11的绕组21的槽绝缘体。主体11a设置有成对界定用于安装定子11的绕组21的槽的齿。

绕组21具有多个相输入/输出48，这些相输入/输出穿过定子的主体11a中的槽，并形成在定子11的主体11a的任一侧突出的束25。相输入和输出48每个都包括两个端部，并且在这里从例如通过焊接连接在一起的引脚形式的导电元件获得。这些绕组例如是星形或三角形连接的三相绕组。

在所讨论的例子中，这些相48通过互连器20连接到逆变器30。逆变器向定子11提供多相电流系统。

互连器20固定到后轴承18的面向电机10的外部的面上。因此，互连器20具有远离电机10取向的第一面20a和在所述第一面20a的相对侧上并朝向后轴承18取向的第二面20b。可以提供分度装置来确保互连器20相对于轴承18正确定位，特别是确保多个相输入/输出48。

用于将互连器20固定到轴承18的装置(这些在图中不可见)可以包括固定构件，例如螺钉，其穿过互连器中形成的固定孔并与后轴承18中形成的螺纹孔重合。

互连器20包括迹线B+和B-(在图中不可见)，它们特别是在包覆成型体53中包覆成型。主体53有利地由绝缘材料制成，特别是由塑料制成。主体53具有基本上与轴13同轴的环形形状。

如图3和4所示，逆变器30通过互连器20电连接到电机10。逆变器30具有多个功率模块31和用于控制所述多个功率模块31的电子模块50。

在所讨论的例子中，逆变器30包括三个功率模块31，后者连接到定子绕组21的相48。在本发明的范围内，功率模块31垂直于互连器的第一面20a固定到互连器的第一面20a。每个功率模块包括第一端部34，也称为前端部，其面向其所固定的互连器20的第一面20a，以及第二端部35，也称为后端部，位于第一端部的相对侧并且没有任何电连接。因此，每个功率模块31在其第一和第二端部34、35之间在垂直于互连器20所在平面的平面内延伸。

功率模块31全部集中在互连器20的角度部分α上，所述预定部分α小于360°，优选小于220°。

此外，互连器20具有能够接收所述电子控制模块50的预定角度部分β，所述角度部分β等于360°-α。电子控制模块传送低压控制信号，例如由例如霍尔效应传感器输出的与转子的角位置相关的信号，或者由例如集成到电机10的定子中的传感器输出的温度信号。由于控制部件对于本领域技术人员来说是已知的，因此在本说明书的其余部分中不详细描述它们。

如图4和5所示，每个功率模块31具有:

具有第一和第二侧面32a、32b的第一壁32；

具有第一和第二侧面33a、33b的第二壁33；

集成了四个功率迹线，即迹线B+、迹线B-和两个相迹线Ph1、Ph2的导电支撑件210；

安装在可见功率迹线上的多个电子功率开关202；和

集成信号部件并集成到支撑件中的控制电路。

有利地，每个功率模块31包括两个壁32、33，每个壁具有第一和第二侧面32a、32b、33a、33b。有利的是，同一个功率模块的两个壁32、33彼此平行。

电子功率开关202和信号部件安装在导电支撑件210上。在一个非限制性示例中，电子开关是具有低热阻并且优选基于氮化镓(GaN)的MOSFET型的晶体管。

在所示的例子中，功率模块31具有容纳固定装置36的四个固定孔口，在一个非限制性例子中，固定装置36是固定螺钉。

应该注意的是，固定螺钉36不仅可以将功率模块31机械地保持在互连器20上，还可以在功率模块31和互连器20之间提供电连接。

在所讨论的示例中，所述多个功率模块31分布在三个组31a、31b、31c中，每组独立于其他组固定到互连器20的第一面21。因此，每个功率模块31可以容易地安装在互连器20上和从互连器20上移除，每个功率模块31通过固定螺钉36固定到该互连器20。因此，可以移除一个或多个有缺陷的功率模块31，而不会损坏逆变器30或旋转电机10的其余部分。

此外，应该注意的是，现有技术中通常存在的相的焊接已经被提供电子连接功能的机械装置所代替，因为不再需要特别接近所述相来产生焊接。

因此，在一个非限制性实施例中，为了生产具有三个、五个、六个或七个相的机器，组件1可以具有必要数量的功率模块31(每个模块最多两个相)。几个功率模块31可以被分组在组31a、31b、31c中。例如，可以有三个组，每个组包括两个功率模块31。

在图5所示的一个非限制性实施例中，每个功率模块31可以具有陶瓷，该陶瓷包括电子开关的控制部件(驱动器)和信号部件。电子开关通过软焊和焊线附接到导电支支撑件上。在这种情况下，功率模块31也具有由塑料材料制成的轮廓，其允许功率模块的所有元件机械地保持在一起。在非限制性实施例中，轮廓的塑料材料是PEEK(聚醚醚酮)或PPA(聚邻苯二甲酰胺)。这些塑料是高性能的顶级塑料，可以在高温下使用，例如350℃左右，这在将电子开关铜焊到导电支撑件上的过程中是有利的。

在一种变型中，可以对功率模块31使用被称为“铜镶嵌(copper inlay)”的技术。

在操作中，功率模块31的温度升高，由定子和转子构成的活动部件的温度也升高。必须冷却机器才能正常操作。为此，如图1所示，电机10具有用于产生沿电机的轴向方向流动的强制冷却剂流的装置14。在所讨论的例子中，流产生装置14包括固定在转子12或轴13上的后风扇，该后风扇通过组件1吸入空气。

此外，如图3、4和6所示，用于从功率模块散热的散热器40与功率模块的每个侧面32a、32b、33a、33b相关联。同一个散热器40可以与两个侧面相关联，只需要调整其尺寸。在所讨论的例子中，与面32b和33a相关联的散热器40是与单个面相关联的散热器40的两倍大。因此，由于散热器40被固定到功率模块31，而没有被固定到后轴承18，所以不管后轴承18产生的热量如何，都保证了逆变器的冷却。组件1使得可以实现后轴承18和逆变器30之间的热去耦，使得热量不能通过传导传播。

优选地，每个功率模块31包括两个壁32、33，每个壁具有第一和第二侧面32a、32b、33a、33b，以及包括三个散热器40。第一散热器40与第一壁32的第一面32a相关联，第二散热器与第二壁33的第二面33b相关联，第三散热器与两个侧面32b、33a相关联。

优选地，每个散热器40由诸如铝的金属材料制成。每个散热器40具有垂直于互连器20延伸的冷却翅片41。翅片41因此相对于电机10的旋转轴线X在它们的第一端部34和它们的第二端部35之间轴向延伸。优选地，翅片41在功率模块31的整个侧面上延伸。翅片41有利地为条形，并且是正弦型的波浪形，从而可以增加与空气进行热交换的表面积，而不会以不方便的方式增加散热器40的空间需求。

从图7中可以更清楚地看出，每个散热器40具有翅片41，翅片41界定了相对的拱形部41a、41b的交替，这些拱形部具有基本相同的高度。

第一系列的拱形部41a连接到功率模块31的侧面32a、32b、33a、33b，与第一系列的拱形部41a相对并置于这些拱形部41a之间的第二系列的拱形部41b连接到相对的面。

在所讨论的例子中，第一系列的拱形部41a连接到侧面32b，第二系列的拱形部41b连接到相对的侧面33a(反之亦然)。

另外两个第一系列的拱形部41a连接到侧面32a和33b，而另外两个第二系列的拱形部41b连接到两个金属板45的相对面46。

散热器40固定在两个面之间，即46和32a、32b和33a、33b和46，这两个面基本上彼此平行，并且限定了与拱形部41a、41b的顶部齐平的两个平行接触平面。

优选地，散热器40经由具有良好导热性的接触材料通过压力固定到功率模块31的每个侧向壁。接触材料在组装时是可变形的，以便其自身附着到其要接触的两个表面，即一侧的功率模块的表面和另一侧的散热器的表面。这种材料还可以补偿可能存在的任何不规则性，例如位于组装期间接触的两个表面之间的珠或导电颗粒。

至少在功率模块和散热器之间的整个接触区域上，必须有良好的均匀热接触。作为接触材料，优选使用塑性可变形的糊剂，例如已知的间隙填充糊剂，其也具有良好电绝缘性能的优点。

在一种变型中，散热器40可以在添加或不添加材料的情况下焊接到功率模块31。不添加材料的焊接的例子是超声波焊接，添加材料的例子可以是软焊。

翅片41形成轴向取向的通道，轴向冷却剂流通过该通道，从而通过功率模块31的对流进行冷却。

如图1和3所示，逆变器30包括具有开口71的保护盖37，互连器20包括开口72，后轴承18包括开口73。开口71、72、73垂直于轴线X延伸，并且基本上彼此对准，用于轴向冷却剂流的通过。

这样，由用于产生强制流的装置14产生的冷却剂，特别是空气，在开口71处被引入电机10的后部，然后在由翅片41形成的轴向取向的通道中流通，在通过开口72、73之前冷却动力模块31。在所讨论的例子中，流体通过后轴承18上的孔排出。

当然，以上描述仅通过示例给出，并不限制本发明的领域，通过用任何其他等同物替换各种元件也不会偏离本发明的领域。

此外，本发明的各种特征，变型和/或实施例可以以各种组合彼此组合，只要它们不相互不兼容或不相互排斥即可。

Claims (10)

1.一种组件(1)，尤其用于混合动力车辆，包括：

旋转电机(10)，具有：

用于产生沿机器的轴向方向流动的强制冷却剂流的装置(14)，

转子(12)，在旋转轴(13)上居中并固定到所述旋转轴(13)，所述旋转轴沿轴线(X)延伸，

定子(11)，围绕所述转子，并设有主体和具有多个相输入/输出(48)的至少一个绕组(21)，以及

后轴承(18)，安装在所述转子(12)的一个端部处并接收轴(13)，逆变器(30)，电连接到所述旋转电机(10)，并具有：

多个功率模块(31)，每个功率模块(31)包括壁(32、33)，每个壁具有第一侧面和第二侧面(32a、32b、33a、33b)，

散热器(40)，具有与所述侧面(32a、32b、33a、33b)中的每一个相关联的翅片(41)，以及

电子模块(50)，用于控制所述多个功率模块(31)，

互连器(20)，被构造为将所述定子的绕组的相(48)连接到所述多个功率模块(31)，并将所述多个功率模块连接到所述电子控制模块(50)，所述互连器(20)具有第一面(20a)和第二面(20b)，所述多个功率模块(31)相对于所述第一面垂直地固定到所述第一面，所述第二面与所述第一面相对并朝向所述后轴承(18)取向，

其特征在于，所述功率模块(31)全部集中在所述互连器(20)的角度部分(α)上，所述预定部分(α)小于360°，优选小于220°。

2.根据权利要求1所述组件(1)，其特征在于，所述互连器(20)的第一面(20a)具有能够接收所述电子控制模块(50)的预定角度部分(β)，所述角度部分β等于360°-α。

3.根据前述权利要求中任一项所述的组件(1)，其特征在于，所述多个功率模块(31)分布在至少两个组(31a、31b、31c)中，每个组独立于其他组固定到所述互连器(20)的第一面(20a)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的组件(1)，其特征在于，每个功率模块(31)包括第一端部(34)和第二端部(35)，所述第一端部(34)面向所述互连器(20)的第一面(20a)，所述第一端部(34)固定到所述第一面，所述第二端部(35)位于所述第一端部(34)的相对侧，所述第二端部(35)没有任何连接。

5.根据前述权利要求中任一项所述的组件(1)，其特征在于，所述多个功率模块(31)经由固定装置(36)固定到所述互连器(20)的所述第一面(20a)，所述固定装置也用于所述功率模块(31)和所述互连器(20)之间的电连接。

6.根据前述权利要求中任一项所述的组件(1)，其特征在于，所述互连器(20)包括包覆成型的迹线B+和B-。

7.根据权利要求6所述的组件(1)，其特征在于，所述多个功率模块(31)通过所述互连器(20)的第一面(20a)连接到所述迹线B+和/或B-。

8.根据前述权利要求中任一项所述的组件(1)，其特征在于，所述翅片(41)形成轴向取向的通道，轴向冷却剂流通过所述通道。

9.根据前述权利要求中任一项所述的组件(1)，其特征在于，所述互连器(20)包括垂直于所述轴线(X)延伸的开口(72)，用于所述轴向冷却剂流的通过。

10.根据权利要求9所述的组件(1)，其特征在于，所述后轴承(11)包括垂直于所述轴线(X)延伸的开口(73)，用于所述轴向冷却剂流的通过，所述开口(73)大体与所述互连器(20)中的开口(72)对准。

Images