CN114766075A - 用于电机的滤波器 - Google Patents

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CN114766075A CN202080084892.1A CN202080084892A CN114766075A CN 114766075 A CN114766075 A CN 114766075A CN 202080084892 A CN202080084892 A CN 202080084892A CN 114766075 A CN114766075 A CN 114766075A
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Abstract

本发明涉及用于电机的滤波器。滤波器包括电感器和电容器，该电感器是线圈。线圈具有多个绕组，并且绕组的每个匝包括至少一个被设计成平坦的导体。由于线圈的平坦导体，因此滤波器的电容在线圈本身中形成。在加工中，一个导体的表面被布置成与相邻导体的表面相对。

Description

用于电机的滤波器
技术领域
本发明涉及用于电机的滤波器。
背景技术
电机的操作或控制所需的电力电子器件会产生开关损耗，这因此生成热。为了能够减少这些开关损耗并实现更高的电压，根据现有技术的电机的趋势趋向于使用碳化硅部件(SIC)。
由于低开关损耗以及陡峭的开关脉冲波前，在机器与电力电子器件之间的线缆中发生反射，使得在电机的绕组上发生电压过冲，这对绕组的绝缘具有负面影响并且减少了机器的使用寿命。此外，由于效率缺陷，使用直接脉冲宽度调制(PWM)控制马达不是最优的。
为了减少马达的生命周期风险，可以用滤波器级补充电力电子器件。该补充至少设置一个电感器和一个电容器，所述电感器和电容器作为单独的部件需要额外的安装空间并产生相应的成本。另外，滤波器级中存在损耗，使得必须将这种热耗散在滤波器中。例如，如果使用正弦滤波器，则可以使逆变器的输出电压中的谐波分量最小化，并可以将输出电压转换为几乎正弦的信号，使得可以减少机器中的损耗。
发明内容
因此，本发明的目的是创建用于电机的滤波器，该滤波器包括必要的电感器和电容器，并且如此优化了成本、冷却、安装空间以及电机的绝缘的使用寿命。
该目的通过根据权利要求1的特征的用于电机的滤波器来实现。从属权利要求包含有利的进一步的发展。
根据本发明的用于电机的滤波器包括电感器和电容器，该电感器是线圈。线圈具有多个绕组，其中，线圈的绕组的每个匝包括至少一个被设计成平坦的导体。在这种情况下，线圈本身形成滤波器的电容器，其中，为此目的，导体的一个表面被布置成与相邻导体的表面相对。导体可以被构造为例如铜板或具有矩形截面的线。各个导体通过绝缘材料彼此电绝缘。绝缘膜、清漆层、陶瓷等可以用作绝缘材料。还可以想到，绕组的匝由多个单独的导体组成。导体由其宽度与高度之间的比率而在几何形状(截面)上不同。通过导体的平行和相对的表面产生滤波器的足够高的电容器。
本发明的优势是，通过将滤波器元件(至少滤波器和线圈)集成在电机中或集成在电机上，由电机和滤波器元件制成的系统比现有技术解决方案更加紧凑和具有成本效益。
根据本发明的可能实施方式，线圈包括第一绕组和第二绕组。第一绕组和第二绕组的匝由单个导体构成。
在具有第一绕组和第二绕组的线圈绕芯和限定的旋转轴缠绕的情况下，两个绕组通过绝缘层或绝缘材料彼此绝缘。两个绕组都180°异相通电，以补偿铁芯中的磁通量并避免芯材料中的饱和效应。因此，可以使用紧凑的芯材料。
除了旋转对称的几何形状外，滤波器还可以具有任何构造。绕组的数目也可以变化，并且还可以是多层的。
根据本发明的其他可能的实施方式，第一绕组和第二绕组的匝可以包括多个单独的导体。多个单独的导体在每个匝中一起形成表面，该表面与第一绕组和第二绕组的匝的其他区域一起形成滤波器所需的电容器。
除了具有两个绕组的实施方式外，还可以使用多个绕组。然后，一半的绕组并联或串联连接。这可以减少诸如邻近效应和趋肤效应的效应。为了进一步增加容量，这些绕组还可以在多个层中布置并交错。
根据本发明的其他可能的实施方式，线圈可以由第一绕组、第二绕组、第三绕组和第四绕组构成。每个绕组都包括多个单独的导体，所述多个单独的导体在每个匝中一起形成表面，该表面最终形成滤波器的电容器。
滤波器的线圈的所有绕组的匝绕芯缠绕。每个绕组的导体通过绝缘材料与其他导体绝缘，该绝缘材料使导体彼此电绝缘。
根据本发明的滤波器系统包括至少一个可以根据各种实施方式如上所述构造的滤波器。滤波器以使滤波器经由芯连接至定子环的方式附接至定子环。根据一个可能的实施方式，可以将滤波器朝向定子环的内部取向。根据另一个实施方式，可以将滤波器插入到定子环中，并在定子环的轴的方向上对准。
例如，如果至少三个滤波器被设置在定子环上，则这被称为三相实现变体。电机的定子可以由多个定子环的层叠堆叠组成。具有滤波器的定子环可以直接应用于电机的定子的几何形状。磁路被示出为开放，以确保必要的泄漏通量。
因此，几何形状也可以在多个相中或以闭合磁路实现。根据电机的几何形状和应用，也可以将数倍的这些滤波器元件并联连接以形成一个相。由于滤波器元件与电机的定子的铁的直接连接，因此滤波器元件通过电机的现有冷却直接冷却。
由于绕组的现有端，内部对于集成电力电子器件是理想的。这会创建可以直接附接至马达的紧凑的环。
根据另一个实施方式，电力电子器件可以安装在由定子环限定的内部中。定子环可以与至少一个滤波器一起安装在电机的定子上。定子环也可以与滤波器和内置电力电子器件一起安装在电机的定子上。
根据另一个可能的实施方式，线圈可以由平坦且宽的导体构成。这些导体以多个层位于电机的定子的前侧上。根据另一个实施方式，平坦且宽的导体可以以多个层缠绕在电机的定子的侧表面上。根据这些实施方式，至少一个滤波器和电机的定子表示滤波器元件。
对于多相电机，由平坦且宽的导体制成的线圈必须多次彼此上下放置。这两个实现选项使得其能够用相对大的电容器实现大面积和紧凑的线圈元件。另一个优势是，线圈或滤波器在热方面非常好地连接至电机。
平坦且宽的导体优选地由铜制成。
附图说明
参照附图，现在将借助于示例性实施方式更详细地解释本发明及其优势，而不由此将本发明限制于所示出的示例性实施方式。图中的比例并不总是对应于真实的比例，因为为了更好地说明，一些形状被简化并且其他形状相对于其他元件被放大地示出。
图1示出了电力电子器件、滤波器和电机的根据现有技术的示意图布置。
图2示意性地示出了电力电子器件、滤波器和电机的布置的根据本发明的示例性实施方式。
图3示出了根据本发明的滤波器中使用的线圈(电感器)的截面。
图4示出了沿着图3中所示的截面线A-A的线圈的截面视图。
图5示意性地示出了缠绕滤波器的线圈所用的导体的截面。
图6示出了根据本发明的滤波器的三相实现方式变体，该三相实现方式变体被直接附接至电机的定子。
图7示出了滤波器元件的另一个可能的实施方式变体。
图8另外示出了用于电机的滤波器元件的可能变体。
图9示出了滤波器元件的滤波器的线圈的绕组的可能实施方式的轴向方向上的平面视图。
图10在局部截面中示出了图9中所示的实施方式的侧视图。
图11示出了滤波器元件的滤波器的线圈的绕组的另一个可能实施方式的轴向方向上的平面视图。
图12在局部截面中示出了图11中所示的实施方式的侧视图。
图13示出了用于形成滤波器的线圈的多层绕组的实施方式。
图14示出了用于形成滤波器的线圈的多层绕组的实施方式，其中多个绕组并联连接。
图15示出了用于形成滤波器的线圈的多层绕组的其他实施方式，其中多个绕组并联连接但以偏移方式缠绕。
具体实施方式
相同的附图标记用于本发明的相同或具有相同效果的元件。此外，为了清楚起见，在单个图中仅示出了相应图的描述所必需的那些附图标记。这些图仅表示本发明的示例性实施方式，然而并不将本发明限制为所示出的示例性实施方式。所示出的图没有要求电机(电动马达)的结构的完整性。
图1示出了电力电子器件2和电机1的现有技术的示意图布置。电力电子器件2经由线缆4连接至电机1。可以在电机1与电力电子器件2之间插入滤波器(在此未示出)。滤波器3(参见图2)至少包括一个电感器5和一个电容器6，作为单独的部件，这需要额外的安装空间并产生相应的成本。
图2示出了根据本发明的电力电子器件2、滤波器3和电机1的布置的可能实施方式的示意图布置。电力电子器件2经由线缆4连接至电机1。根据发明，将滤波器3分配给电机1。滤波器3以使其形成电感器5和电容器6的方式设计。在电机1上的根据本发明的滤波器3的根据本发明的布置具有不需要额外的安装空间的优势。
图3示出了通过如在根据本发明的滤波器3中使用的线圈10(电感器)的截面。线圈10具有芯11，第一绕组121和第二绕组122(参见图4)绕其缠绕。
如在图4中所示的实施方式中可以看出的(沿着图3中所示的截面线A-A的线圈10的截面视图)，线圈10由沿着芯11交替的第一绕组121和第二绕组122组成。绝缘层13围绕第一绕组121和第二绕组122的匝9的导体20，并且因此将它们彼此绝缘。在这个实施方式中，绝缘材料13是包围导体20的漆层。两个绕组121和122被180°异相通电，以便补偿芯11(铁芯)中的磁通量，并避免芯11的材料中的饱和效应。这意味着可以在芯11中使用紧凑的材料。
图5示意性地示出了缠绕滤波器3的线圈10所用的导体20的截面。在该实施方式中，导体20类似于电机的漆包线构造，并被绝缘材料13围绕，该绝缘材料13是例如，漆层。还可以想到，绝缘材料13不一定在导体20周围闭合。图5中所示的具有绝缘层的导体20的表示不应被解释为本发明的限制。滤波器3的导体20被设计成为平坦的。这意味着导体20具有宽度B与高度H的比率，使得宽度B大于导体20的高度H。宽度B与高度H之间的比率得到相对的平行的表面F，相对的平行的表面F沿着导体20的长度(未示出)延伸。如图4中所示，在缠绕的线圈10中，-在线圈10中的两个连续的导体20的表面F-彼此相对。因此，在线圈10内形成电容器。因此，将电感器5和电容器6组合在线圈10中。
图6示出了根据本发明的滤波器3的三相实现方式变体，该三相实现方式变体被直接附接至电机1的定子(未示出)。图6的表示是由电机1(未示出)和定子环32构成的结构的侧视图。
除了示出的旋转对称的几何形状外，滤波器3还可以具有任何配置。绕组的数目还可以变化，并且还可以是多层的(参见图13至图15)。图5中已经描述的滤波器3的结构产生关于集成到电机1(未示出)中的优势。与电机1(未示出)类似，可以与电机1(未示出)的定子102(参见图9或图11)类似地构造多相滤波器元件30。
在此处示出的实施方式中，滤波器元件30具有三个相。因此，将三个滤波器3附接至定子环32，该定子环以使滤波器3突出到内部34中的方式形成内部34。因此，每个滤波器3经由线圈10的芯11连接至定子环32。定子环32被直接应用于电机1的定子(未示出)的几何形状。定子环32在图6中被示出为开放磁路，以确保必要的泄漏通量。定子环32还可以用多个相或用闭合磁路实现。根据电机1的几何形状并根据应用，也可以并联连接数倍的这些滤波器元件30以形成一个相。由于与定子的铁的直接连接，滤波器元件30直接通过电机1的现有冷却(未示出)来冷却。
图7示出了滤波器元件30的另一个可能的实施方式。在此，滤波器元件30的设计中设置的内部34被设置有电力电子器件2。内部34对于安装电力电子器件2是理想的，因为已经存在的线圈10的端10E指向内部34。因此，线圈10的端10E可以容易地连接至电力电子器件2。在内部34中安装电力电子器件2会得到紧凑的环，该紧凑的环还可以直接附接至电机1的定子。仅在磁路闭合以避免EMC问题的情况下，电力电子器件2的集成才有意义。
图8示出了用于电机1的滤波器元件30的附加的可能变体。由于图5中所示的导体20的几何形状，因此可以通过导体20的平坦绕组来实现在定子环32或电机1的轴A的方向上短的滤波器3。滤波器3的长度大致对应于定子环32的厚度，并且因此还可以布置成平行于轴A，即垂直于电机1的定子102的铁。在这种情况下，图8示出了各自具有两个并联滤波器3(由虚线指示)的三相径向通量机的可能几何形状。内部34又为电力电子器件(在此未示出)提供了安装空间。由于滤波器元件30与电机1的定子的直接连接，因此可以替换将电机1连接至电力电子器件2的汇流条。
除了图8中所述的用于径向通量机的实现方式外，本发明还可以用于任何变体，例如轴向通量横向通量机或与任何互连，例如星形/三角形的组合。除了用于滤波器元件30的集成的应用外，还可以想到将描述的实施方式用于DC/DC转换器的电感器的集成。
图9示出了用于电机1的滤波器元件20的滤波器3的线圈10的绕组的可能实施方式。电机1包括转子101和定子102。在定子102中形成绕组端部103。优选地由铜制成的平坦且宽的导体20用于缠绕图9和图11中的实施方式的滤波器3的线圈10。在图9中所示的实施方式中，它们直接附接至定子102的端表面104，并绕定子102缠绕。对于多相电机1，这些滤波器3必须若干次彼此上下放置。
图10示出了在局部截面中图9中所示的实施方式的侧视图。可以看出，导体20的多个层81、82、…、8N在定子102上彼此上下放置。这两个实现选项使得其能够实现具有相对较大的容量的大表面和紧凑线圈元件。
图11示出了滤波器元件20的滤波器3的线圈10的绕组的其他可能实施方式的轴向方向上的平面视图。
图12示出了在局部截面中图11中所示的实施方式的侧视图。如已经在图9的描述中所提到的，使用优选地由铜制成的平坦且宽的导体20(也可以由多个部分构成的导电条)来用于缠绕滤波器3的线圈10。在图11中所示的实施方式中，它们以多个层81、82、…、8N缠绕在电机1的定子102的侧表面106周围。对于多相电机1，这些滤波器3也必须多次彼此上下放置。图11在局部截面中示出了图12中所示的实施方式的侧视图。可以看出，在电机1的定子102的外表面106上缠绕导体20的多个层81、82、…、8N。
图9至图12中所示的这两个实现选项的可能性有利于滤波器3包括用于滤波器3或滤波器元件30的大表面和紧凑的线圈10。另外，与具有图5以及图13至图15的实施方式的滤波器3或滤波器元件30的情况相比，可以以更大的容量来实现滤波器3或滤波器元件30。图9和图11的实施方式的另一个优势是，滤波器元件30在热方面非常好地连接至电机1。
图13示出了多层绕组的实施方式，多层绕组由多个绕组121、122、…、12N构造。在此，线圈3由第一绕组121和第二绕组122构成。
图14示出了多层绕组的实施方式，根据在此描述的实施方式的多层绕组由第一绕组121、第二绕组122、第三绕组123和第四绕组124构成。为了形成滤波器3的线圈10，第一绕组121和第二绕组122并联连接。同样，第三绕组123和第四绕组124并联连接。图14中描述的具有第一绕组121、第二绕组122、第三绕组123和第四绕组124的实施方式仅用于描述。多于四个绕组121、122、…、12N也是可能的。绕组121、122、…、12N可以并联连接，这需要偶倍数，或者可以以相移的方式，例如5相即72度异相，或12相即30度异相等控制。
图15示出了多层绕组的另一个实施方式，根据在此描述的实施方式的多层绕组由第一绕组121、第二绕组122、第三绕组123和第四绕组124构成。为了形成滤波器3的线圈10，第一绕组121和第三绕组123并联连接。同样，第二绕组122和第四绕组124并联连接。根据该实施方式，第一绕组121和第三绕组123(半桥)以及第二绕组122和第四绕组124(半桥)并联连接，并180°异相通电。
根据其他实施方式，四个相各自被供应有相移90°的电流(在每种情况下经由半桥)，并且第一绕组121和第三绕组123相对于彼此偏移了180°。
如从图13至图15可以看出的，多个大表面、薄和宽的导体20被设置成用于在可以根据上面提到的实施方式连接的线圈10的多个绕组121、122、…、12N之一中形成滤波器3的线圈10。如已经在图5中所述，D导体20的宽度B与高度H之间的比率是，宽度B大于导体20的高度H(厚度)。因此，平坦的导体20被用于缠绕线圈10。根据本发明，因此最终形成的电容器与滤波器3或滤波器元件30的功能有关。
在这一点上应该提到的是，上面描述中提到的绕组121、122、…、12N的数目仅出于描述的目的，并且不应被解释为本发明的限制。
相信将能够从前述描述中理解本公开内容以及在本公开内容中指出的许多优势。将明显的是，在不脱离所公开的主题的情况下，可以进行部件的形状、构造和布置的各种改变。所描述的形式只是说明性的并且所附权利要求的意图是包括和并入这样的改变。因此，本发明的范围应只受所附权利要求的限制。
附图标记说明
1电机 2电力电子器件 3滤波器 4线缆 5电感器 6电容器 81,82,…8N层 9匝 10线圈 10E端 11芯 121、122、…、12N绕组 13绝缘材料 20导体 30滤波器元件 32定子环 34内部 101转子 102定子 103绕组端部 104端表面 106侧表面 A轴 A-A截面线 B宽度 F表面 H高度

Claims (10)

1.一种用于电机(1)的滤波器(3)，所述滤波器(3)包括电感器(5)和电容器(6)，所述电感器(5)是线圈(10)，
其特征在于，
所述线圈(10)具有多个绕组(121、122、…、12N)，并且所述绕组(121、122、…、12N)的匝(9)包括至少一个被设计成平坦的导体(20)，并且所述线圈(10)本身形成所述滤波器(3)的所述电容器(6)，其中，一个导体(20)的表面(F)被定位成与相邻导体(20)的所述表面(F)相对。
2.根据权利要求1所述的滤波器(3)，其中，所述线圈(10)包括第一绕组(121)和第二绕组(122)，并且所述第一绕组(121)和所述第二绕组(122)的匝(9)由单个导体(20)构成。
3.根据权利要求2所述的滤波器(3)，其中，所述第一绕组(121)和所述第二绕组(122)的匝(9)由在每个匝(9)中一起形成所述表面(F)的多个单独的导体(20)构成。
4.根据权利要求1所述的滤波器(3)，其中，所述线圈(10)包括各自由在每个匝(9)中一起形成所述表面(F)的多个单独的导体(20)构成的第一绕组(121)、第二绕组(122)、第三绕组(123)和第四绕组(124)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的滤波器(3)，其中，用于所述滤波器(3)的所述线圈(10)的所述绕组(121、122、…、12N)的所述匝(9)绕芯11缠绕，并且每个绕组(121、122、…、12N)的所述导体(20)通过绝缘材料(13)与其他导体(20)分开。
6.一种用于电机(1)的滤波器元件(30)，包括至少一个根据权利要求1至5所述的滤波器(3)，其中，所述滤波器(3)以如下的方式附接至定子环(32)：所述滤波器(3)使所述芯(11)以所述滤波器(3)朝向所述定子环(32)的内部(34)取向或者所述滤波器(3)插入到所述定子环(32)中并在所述定子环(32)的轴(A)的方向上对准的方式连接至所述定子环(32)。
7.根据权利要求6所述的滤波器元件(30)，其中，所述定子环(32)限定安装电力电子器件(2)的内部(34)。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的滤波器元件(30)，其中，所述定子环(32)与所述至少一个滤波器(3)一起安装在所述电机(1)的定子(102)上。
9.根据前述权利要求1至4中任一项所述的滤波器(3)，其中，所述线圈(3)由多个层(81、82、…、8N)形式的在所述电机(1)的定子(102)的端表面(104)上的平坦且宽的导体(20)构成，或者由多个层(81、82、…、8N)形式的缠绕到所述电机(1)的定子(102)的侧表面(106)上的平坦且宽的导体(20)构成。
10.一种用于电机(1)的滤波器元件(30)，包括至少一个根据权利要求9所述的滤波器(3)，其中，所述至少一个滤波器(3)和所述电机(1)的定子(102)形成所述滤波器元件(30)。
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