CN114982096A - 具有pcb定子和变频驱动的轴向场旋转能量装置 - Google Patents

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Abstract

一种轴向场旋转能量装置或系统，包括轴、PCB定子和具有相应永磁体的转子。转子相对于PCB定子绕轴旋转。具有VFD部件的变频驱动器(VFD)与轴向场旋转能量装置耦合。外壳包含轴向场旋转能量装置和VFD，使得轴向场旋转装置和VFD一起被集成在外壳内。此外，冷却系统与外壳集成以用于冷却轴向场旋转能量装置和VFD。

Description

具有PCB定子和变频驱动的轴向场旋转能量装置
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2021年1月11日提交的美国专利申请17/145，675的优先权，其为于2020年8月21日提交的美国专利申请16/999，837的延续，其要求享有于2020年1月14日提交的美国临时申请号62/960，974的优先权和利益，其整体通过引用全部并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及电机，并且特别涉及一种用于电动换向电机(ECM)的系统、方法和装置，该ECM包括具有印刷电路板(PCB)定子和变频驱动(VFD)的轴向场旋转能量装置。
背景技术
大多数永磁(PM)电机不被设计为在直接连接到60Hz或50Hz下的交流(AC)电源的情况下运行。一些PM电机可以使用VFD以这种方式运行。通常，PM电机被连接到单独的VFD。在某些情况下，电机和VFD被集成在形成通常被称为ECM或无刷直流(BLDC)电机的共同外壳中。常规的ECM和BLDC电机以带有层压式电工钢定子和预成型或随机缠绕的铜线圈的传统的径向磁通配置来构建。
使用印刷电路板(PCB)定子结构的轴向磁通PM电机，诸如美国专利10141803、10135310、10340760、10141804和10186922(其全部通过引用并入本文)中所述的，也可以使用VFD来运行。由于与常规径向磁通PM电机相比，轴向磁通PM电机的长宽比大不相同(与直径相比，长度大大缩短)，因此轴向磁通PM电机可以以常规径向磁通PM电机无法实现的方式与VFD集成。因此，对轴向磁通量ECM设计的改进仍然令人感兴趣。
发明内容
公开了一种轴向场旋转能量装置或系统的实施例。例如，该系统可以包括轴、PCB定子和具有相应永磁体(PM)的转子。转子可以相对于PCB定子而绕轴旋转。版本可以包括包括与轴向场旋转能量装置耦合的VFD部件的变频驱动(VFD)。外壳可以包含轴向场旋转能量装置和VFD，使得轴向场旋转装置和VFD被集成在外壳内。此外，冷却系统可被集成在外壳内，并被配置为冷却轴向场旋转能量装置和VFD。
鉴于以下结合所附权利要求书和附图的详细描述，这些实施例的前述和其他目的及优点对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。
附图说明
为了实现和更详细地理解实施例的特征和优点的方式，可以通过参考附图中所示的实施例来进行更具体的描述。然而，附图仅示出了一些实施例，并且不应被视为限制范围，因为可以存在其他同等有效的实施例。
应注意的是，为了清晰的目的，本文图纸中所示的一些细节和/或特征可能不按比例绘制。
图1是包括轴向场旋转能量装置和VFD的系统的实施例的示意图。
图2A-2B是分别来自其外壳的非驱动端和驱动端的VFD集成系统的实施例的等距图。
图3是其盖子被拆卸以显示其内部部件的VFD集成系统的实施例的等距图。
图4是示出了其一些部件的VFD集成系统的替代实施例的示意性正视图。
图5是其中装置和VFD位于不同的外壳中的VFD集成系统的实施例的截面等距图。
图6A-6D是示出了VFD模块的VFD外壳的替代实施例的示意性正视图。
图7A-7B是VFD模块之间的连接的实施例的示意图。
图8A-8B是描绘了第一和第二冷却气流配置的图3的VFD集成系统的实施例的截面图。
图9是描绘了一种冷却气流配置的图5的VFD集成系统的实施例的截面图。
图10A-E是描绘了替代冷却配置的图5的VFD集成系统的实施例的示意图。
图11是描绘冷却气流配置的VFD集成系统的实施例的截面图。
图12是描绘了替代冷却气流配置的图11的VFD集成系统的替代实施例的截面图。
图13是用于VFD集成系统的叶轮的实施例的简化正视图。
图14是图3的VFD集成系统的外壳的实施例的局部等距图。
图15是具有空气管道入口和出口的VFD集成系统实施例的示意性等距图。
图16是具有空气管道入口和出口以及热交换器的VFD集成系统的替代实施例的示意等距图。
在不同的图纸中使用相同的参考符号指示相似或相同的项目。
具体实施方式
本公开包括系统的实施例，包括具有永磁体(PM)、至少一个印刷电路板(PCB)定子、变频驱动器(VFD)、输入和输出(I/O)接口，以及物理组装的其他部件(例如，在共同外壳中)的轴向场旋转能量装置。下文中，这些系统可被称为VFD集成系统、电机-VFD组件等。然而，应当理解，这些系统中的轴向场旋转能量装置可以作为电机或发电机运行。
图1示出了VFD集成系统100的实施例的一般示意图。在该图中，PM轴向场旋转能量装置110可以通过线路电感器130与VFD 120的逆变器模块121耦合。在一些实施例中，线路电感器130可以减少供应给装置110的电流中的纹波。在其他版本中，可以不存在线路电感器130，使得轴向场旋转能量装置110可以直接连接到VFD 120的逆变器模块121。尽管图1中所示的示例描绘了连接到三相逆变器的三相电机，但其他相位布置也是可能的，诸如1、2、4、5或6相装置，仅提及了几个选项。
在图1中，VFD 120可以包括整流器模块122、DC总线模块123、逆变器模块121和控制模块124。作为一个示例，整流器模块122可以是具有无源装置(诸如，二极管)或有源开关装置(例如，IGBT、MOSFET等)的全波整流器，以将输入交流电(AC)转换为直流电(DC)。DC总线123可以包括一组电容器，其大小被设置为将稳定的电压提供给逆变器模块121。作为示例，逆变器模块可以具有6脉冲3相电桥，其可以使用由脉宽调制(PWM)方案控制的有源开关装置，诸如IGBT或MOSFET，以由轴向场旋转能量装置110所需的频率将DC转换为AC。然而，可以使用其他逆变器拓扑，诸如3相中性点箝位(NPC)逆变器。尽管到VFD 120的输入通常是60或50Hz下的AC，但是VFD 120的输出频率的范围可以是从例如接近零Hz的频率到数百甚至数千Hz的频率。在一些实施例中，供应给VFD集成系统100的电源可以是DC，在这种情况下，整流器模块122可以不存在。作为示例，在PWM频率较高(例如，高于100kHz)的实施例中，逆变器模块122可以包括宽带隙(WBG)装置，诸如碳化硅或氮化镓MOSFET。
图1所描绘的VFD集成系统100可以包括向VFD 120的各个模块提供信号并从中接收信号的控制模块124。这些信号可以从外部源被接收，诸如数字信号，以打开或关闭VFD，或者可以为系统提供速度参考的模拟电压信号。这些信号可以控制VFD 120的输出频率，并且从而控制轴向场旋转能量装置110的速度。它们还可以控制由VFD 120供应给轴向场旋转能量装置110的电流和电压，以实现所需的扭矩特性，诸如在一定速度范围内以恒定扭矩条件运行。图1分别描绘了控制模块124与逆变器121和整流器122之间的输入和输出连接对125和126。然而，可以有不止一个单输入或输出，或者在一些实施例中，可以不存在输入或输出连接。
在一些实施例中，控制模块124还可以经由单独的一组输入线127与轴向场旋转能量装置100中的传感器连接。传感器可以包括，例如，电阻温度检测器(RTD)、热电偶、振动传感器、编码器和/或VFD集成系统100的其他传感器。在一些实施例中，传感器可以向控制模块124传输一个或多个测量值。控制模块124可以响应于接收和处理一个或多个测量值而运行。例如，温度传感器可以在轴向场旋转能量装置110运行时传输与其温度有关的测量值。如果温度测量值高于阈值温度水平，则控制模块124可以提供信号，以使轴向场旋转能量装置110减少其功率，从而降低其温度。在某些情况下，基于来自传感器的测量值，控制模块124可使轴向场旋转能量装置110停止运行。
控制模块124可以包括存储器装置、处理装置、通信接口装置或其中的一些组合。例如，存储器装置可以存储当由处理装置执行时可以使处理装置执行运行、功能等的指令。例如，这些指令可以实施用于输出信号以控制VFD 120的输出频率的控制方案。
处理装置可以包括一个或多个通用处理装置，诸如微处理器、中央处理单元等。更具体地说，处理装置可以是复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算(RISC)微处理器、超长指令字(VLIW)微处理器，或实施其他指令集的处理器或实施指令集组合的处理器。处理装置还可以是一个或多个专用处理装置，诸如专用集成电路(ASIC)、片上系统、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、网络处理器等。处理装置被配置为执行用于执行本文讨论的任何操作和步骤的指令。
存储器装置可以包括主存储器(例如，只读存储器(ROM)、闪存、固态驱动器(SSD)、动态随机存取存储器(DRAM)，诸如同步DRAM(SDRAM))、静态存储器(例如，闪存、固态驱动器(SSD)、静态随机存取存储器(SRAM))等。
通信接口装置可以实现VFD模块之间的数据通信，VFD模块传输和接收命令VFD电压频率输出的模拟和数字信号，并传送VFD和轴向场旋转能量装置的状态。
控制模块124的一些版本可以通过输入/输出(I/O)模块14 0被连接到外部系统，输入/输出(I/O)模块140提供VFD集成系统100和监测控制和数据采集系统(SCADA)或其他控制系统之间的连接。I/O模块140可以具有可配置的控制接口141，其可以通过一组输入/输出连接142促进与外部控制系统的通信。通信接口的实施例可以包括但不限于以太网和工业以太网(EtherCAT、EtherNet/IP、PROFINET、POWERLINK、SERCOS III、CC-Link IE和Modbus TCP)、RS485、包括WIFI、蜂窝和蓝牙的无线。
可配置的控制接口141还可以具有其他数字和模拟接口，以将VFD集成系统100连接到最终用户控制系统，诸如0-10V或4-20mA模拟端口。I/O模块141的控制部分可以具有在例如安装在标准I/O板顶部的“子板”上实施的附加连接。
I/O模块140的实施例还可以提供电源连接143，以将VFD集成系统100连接到外部电源。如本文所述，图1描绘了与3相AC电源连接的VFD集成系统100的实施例。然而，该系统也可以被连接到单相电源、多相电源或DC电源。I/O模块140可以具有电流和电压传感器以及用于VFD集成系统的其他元件，诸如谐波滤波器。
VFD集成系统100的一些实施例可以将电源连接143直接连接到VFD 120的整流器模块122，从而完全绕过I/O模块140。
然而，图1描绘了VFD集成系统100(例如，具有电机)，可替选地，该系统可以被用作发电机-VFD系统，其中轴向磁通PCB定子PM机器110作为发电机运行，并且VFD 120提供对外部电网的集成。在这种情况下，在一些版本中，VFD的整流器模块122可以具有诸如IGBT或MOSFET的有源开关装置，并且控制模块124可以通过通信端口126提供信号来控制有源整流器。
图2A和2B描绘了可以包括图1中描述的VFD集成系统100，并且还包括外壳200的系统的实施例。外壳200可以包含VFD集成系统100，并且可以在轴向(例如，沿轴210)上相对较薄。当轴向观察时，外壳200也可以基本上为矩形或方形。外壳200的径向宽度可以大于其轴向长度。在一个示例中，外壳200可以约为23平方英寸(即，径向)和3英寸长(即，轴向)。然而，取决于装置的功率和扭矩等级，其他尺寸和长宽比是可能的。例如，径向宽度与轴向长度之比可以在约2：1到约10：1的范围内，或者甚至约15：1或20：1。
图2A示出了外壳200的前侧230，其可以是轴向场旋转能量装置的非驱动端。在该图中，前轴承盖被移除以显示轴210。在一些实施例中，轴210可以具有允许安装第二联轴器或附件(诸如冷却风扇、速度传感器、编码器等)的延伸部。图2A还示出了可以对应于图1中描述的I/O连接142和143的I/O通孔220的位置的示例。在一些实施例中，I/O通孔220可以位于外壳200的一个或多个侧面240上，或者位于轴向场旋转能量装置的相对面，或者可以位于外壳200的不止一个外部部分(例如，一个端口在前侧230上，并且其他端口在一个或多个侧面240上)。尽管图2A所示的实施例在外壳200的四个角上具有散热片块205，但其他实施例可以仅在一个角、两个角或三个角上具有散热片块205，这取决于VFD集成系统100的冷却要求。
图2B描绘了VFD集成系统100的背面，其可以是轴向场旋转能量装置的驱动端。在此视图中，耦合法兰250被示为示例。轴向场旋转能量装置联轴器取决于应用和从动装备的类型，可以具有不同的大小和特征件。
图3示出了VFD集成系统100的实施例，其中整流器模块、DC总线、逆变器模块、控制模块、I/O模块和线路电感器形成单独的组件，这些组件围绕着轴向场旋转能量装置110被安装并基本上位于同一平面内，所有组件均位于共同外壳200中。在本实施例中，逆变器和控制模块被布置在印刷电路板组件(PCBA)128中，并且整流器和DC总线模块被布置在另一个PCBA129中，而I/O模块140位于其自己的PCBA中。线路电感器130可以形成单独的组件，在那里它们通过PCB 135互连。其他模块化布置是可能的，诸如将VFD的每个模块置于单独的PCBA上，或将所有模块组合在一个单个PCBA中，或其任何其他组合。
作为示例，图4示出了VFD集成系统100的实施例，其中VFD的整流器、DC总线、逆变器和控制模块都被组合在一个单个PCBA131中。I/O模块140可以驻留在单独的PCBA上。线路电感器130可以在外壳200中形成单独的组件，并且可以被安装在与轴向磁通PCB定子PM电机110基本相同的平面上。虽然图3和4示出了具有六个线路电感器130的实施例，应当理解，其他实施例可以具有六个以上的线路电感器，其他实施例可以具有六个以下的线路电感器，并且其他实施例仍然可以没有线路电感器。在图3的实施例中，线路电感器130经由PCB互连，以形成具有PCBA135的组件。然而，在其他实施例中，可以不存在PCB 135，并且线路电感器130可以与电缆和/或导线互连。
在图3和4的实施例中，一些I/O通孔220与I/O模块140大致对齐。其他通孔大致与组合整流器和DC总线模块129对齐。其他实施例可以将通孔块放置在其他位置。
虽然图3和4示出了其中VFD模块围绕轴向场旋转能量装置被安装且基本上与其位于同一平面的实施例的示例。其他实施例可以将VFD集成系统集成在一个组件中，其中VFD模块位于与轴向场旋转能量装置所在平面基本不同的平面中。
图5是VFD集成系统100的实施例的截面图。在该示例中，VFD 120被安装在与轴向场旋转能量装置110基本轴向对齐的外壳300中。VFD 120轴向偏移或位于与装置110不同的轴平面内。
图5的实施例可以利用一个或多个支架310将VFD外壳300附接到轴向场旋转能量装置外壳200。支架310可以提供间距，以容纳轴向场旋转能量装置外壳200和VFD外壳300之间的冷却风扇320。在一些实施例中，导管330可以为将轴向场旋转能量装置连接到VFD的电源电缆、线束等提供路径。尽管图5示出了一个导管330，但其他实施例可以具有两个或更多导管。作为示例，实施例可以具有用于电源电缆的第一导管和用于传感器电缆的第二导管。外壳300可以具有接入端口，诸如可拆卸盖302，其可以提供服务于VFD的接入。
作为示例，可以提供图5的VFD集成系统实施例，以按照国际标准EN 60529为VFD外壳300和轴向场旋转能量装置外壳200提供IP55的侵入防护等级。其他实施例可以具有不同的侵入防护等级，诸如IP20、IP22，或按照标准EN60529或其等效国家标准的任何其他防护等级。图5所示的单独的VFD和PM轴向场旋转能量装置外壳配置也允许具有针对轴向场旋转能量装置外壳和VFD外壳的不同的侵入防护等级。示例包括针对VFD外壳的IP55和针对轴向场旋转能量装置外壳的IP44，或其任何其他组合。
图5描绘了容纳在单独的外壳300中的VFD。VFD模块(例如，整流器、DC总线、逆变器、控件、I/O模块、线路电感器等)可以以各种配置进行布置。图6A示出了VFD的一个实施例，其中整流器、DC总线、逆变器、控件和I/O模块在VFD外壳300内被组合为一个单个的PCBA132，并且线路电感器形成单独的组件135。
图6B示出了另一个实施例，其中整流器、DC总线、逆变器和控制模块被组合为一个PCBA 131，而I/O模块140具有其自己的PCBA，该PCBA容纳在外壳300的单独分区301中。在本实施例中，分区301可以具有其自己的接入端口，该接入端口与VFD外壳接入端口(例如，图5中所示的盖302)分离，其可以在不暴露VFD的其他模块的情况下提供对I/O模块140的接入。
图6C示出了另一个实施例，其中逆变器和控制模块被组合为一个PCBA 128，整流器和DC总线模块被组合为另一个PCBA 129，并且I/O模块140具有其自己的PCBA，该PCBA容纳在外壳300的单独分区301中。在本实施例中，分区301可以具有其自己的接入端口，该接入端口与图5所示的VFD外壳盖302分离，以在不暴露VFD的其他模块的情况下提供对I/O模块140的接入。
图6D示出了图6C中所示的VFD集成系统的替代实施例，其中外壳300可以具有与分区301相邻的基本平面300a，其提供了通孔220的安装表面。在该示例中，通孔220a可被用于使电源电缆穿过壳体300以被连接到整流器PCBA129，并且通孔220b可被用于将信号I/O电缆引入分区301以被连接到I/O模块140。平面300a还可以为被连接到I/O模块140的天线144提供安装表面。天线144可以提供到无线网络的连接，从而向VFD集成系统提供无线I/O。
虽然图6A-6D示出了安装在单独外壳300中的VFD的几个实施例，但是其他布置也是可能的。作为示例，VFD可以不具有线路电感器，或者VFD的每个模块都可以具有自己单独的PCBA。
PCB定子和互连线路电感器的PCB之间的连接的实施例可以通过两端具有电气连接器的电缆线束来完成。例如，图7A包括形成具有PCB 135的组件的线路电感器130，该组件经由两端具有电气连接器180的电缆线束170而被连接到PCB定子端子160。然而，在一些应用中，可能需要将电缆线束永久连接到定子PCB或与线路电感器互连的PCB。图7B示出了后者的实施例，其中电缆线束160经由电气连接器180与定子端子160耦合，并经由焊接连接190与电感器PCB 135连接。该连接可以是可以在没有专用工具的情况下断开和重新连接的公-母连接器。也可以使用不易松开的永久性连接，诸如焊接连接或压接连接。类似地，在一种版本中，VFD的逆变器模块的输出和与线路电感器互连的PCBA之间的连接可以经由两端具有连接器的电缆线束来完成，或者仅在一端具有连接器的电缆线束，另一端与电感器PCBA或逆变器模块PCBA永久连接来完成。
应该理解的是，在VFD的各个模块被安装在单独的PCB中的那些实施例中，各个模块之间的连接也可以经由电缆线束来完成，电缆线束的两端都具有连接器。可替选地，电缆线束在一端可以永久连接到第一PCBA，并且在另一端可以用连接器连接到第二PCBA。对于不存在线路电感器的实施例，电缆线束可以将逆变器的输出连接到PCB定子端子。线束在两端或一端可以具有连接器。此外，在一些实施例中，各种VFD模块、线路电感器和定子PCB之间的连接可以通过在每一端焊接和/或耦合的柔性PCB来实现。
图8A示出了图3的VFD集成系统100的实施例的截面图。VFD 120可以位于围绕共同外壳200中的轴向场旋转能量装置110且基本上与其位于同一平面上。在本实施例中，轴向场旋转能量装置可以具有安装在构成转子的两个盘340之间的第一空气循环器，诸如风扇或叶轮315。随着转子旋转，第一叶轮315可以生成第一气流350，该气流350可以通过相对于轴210周向分布在外壳200一端或两端的进气口或通风口355而进入轴向场旋转能量装置。气流可以在两个盘340之间循环，并经过PCB定子115的表面而径向循环。气流可以进入容纳VFD 120的空间305，并最终可以通过外围开口365径向离开外壳200，如图8A所示。
在一些实施例中，第一气流350可以在四个角中的一个或多个处通过散热片块205(图3)中的开口径向离开外壳200。在其他实施例中，第一气流350可以通过位于外壳200外围的其他开口径向离开外壳200，通过外壳200的一个或两个端面上的开口轴向离开外壳200，或其组合。
在一些实施例中，第二系列叶轮345可被安装在转子盘340的背面，如图8A所示。随着转子旋转，第二叶轮345可以生成第二气流360，该气流360可以通过外壳200一端或两端的通风开口355进入轴向场旋转能量装置。通风开口355可以相对于轴210周向分布。气流可以在盘340和外壳200的相邻壁之间循环。气流可以进入容纳VFD 120的空间305，并且可以通过外围开口365径向离开外壳200，如图8A所示。
在一些实施例中，第二气流360可以通过散热片块205(图3)中的开口在四个角中的一个或多个角处径向离开外壳200。在其他实施例中，第二气流360可以通过位于外壳200外围的其他开口径向离开外壳200，通过外壳200的一个或两个端面上的开口轴向离开外壳200，或其组合。
图8B示出了替选实施例，其中叶轮345生成的第二气流360可以通过相对于轴210周向分布的第二组通风开口356进入外壳200，其半径大于通风开口355所在的半径。在一些实施例中，外壳200可以在开口355和356之间具有空气挡板357，以将通过通风开口355进入外壳200的第一气流350与通过通风开口356进入外壳200的第二气流360分离。
图9示出了其中VFD 120可以位于与轴向场旋转能量装置轴向平面不同的轴向平面中的图5的实施例。轴向场旋转能量装置外壳可以具有侵入防护等级为IP55。在本实施例中，轴向场旋转能量装置可以具有被安装在构成转子的两个转子盘340之间的第一叶轮315。随着转子旋转，第一叶轮315可以生成第一气流350，该气流350在转子盘340和固定PCB定子115的表面之间的气隙中径向向外流动。气流可以在转子盘340和外壳200内壁之间的空间中朝向转子中心径向返回，在那里气流通过周向分布的开口370返回到第一叶轮315。
图9所示的实施例可以具有第二叶轮320，其可以包括冷却风扇，该冷却风扇在轴向场旋转能量装置外壳200和VFD外壳300之间的轴向空间中的与轴210耦合。第二叶轮320可以形成第二气流360，该气流360可以径向进入轴向场旋转能量装置外壳200和空气挡板380之间的轴向空间，围绕与轴向场旋转能量装置外壳200附接的散热片390a而流动。气流可以在VFD外壳300的外壁和空气挡板380之间径向向外循环，同时围绕从VFD外壳300延伸的散热片390b流动，从而帮助冷却VFD 120的部件。
取决于VFD集成系统100的冷却需求，对于图5所示的实施例，其他空气循环模式是可能的。例如，这可以通过重新布置冷却风扇320和空气挡板380来实现。在另一示例中，图10A示出了替代空气循环模式，其中冷却风扇320基本上位于轴向场旋转能量装置外壳200附近。在此版本中，冷却风扇320可以生成气流，气流进入VFD外壳300的外径向壁和空气挡板380之间的空间，流过从VFD外壳300延伸的散热片390b。气流可以在轴向场旋转能量装置外壳200的外壁和空气挡板380之间径向向外循环，流过从轴向场旋转能量装置外壳200延伸的散热片390a。
图10B(和反向流动对应物，图10E)示出了图5所示VFD集成系统100的空气循环的其他示例。在这种情况下，空气挡板380可以大致沿轴向场旋转能量装置外壳200的外周并围绕其轴向延伸，从而围绕外壳200形成空气通道。冷却风扇320可大致位于外壳200附近，并可生成气流360，该气流360可进入VFD外壳300的外壁与空气挡板380之间的空间，流经散热片390b。气流可以在外壳200的外壁和空气挡板380之间径向向外循环，并围绕散热片390a流动。在空气挡板380的引导下，气流可以在外壳200和空气挡板380之间的空间中沿外壳200的外周被大致轴向导向。该气流可以围绕从外壳200外围延伸的第二组散热片390c而循环。然后，气流可以在VFD集成系统100的驱动端离开。
图10C示出了图5的VFD集成系统100的空气循环的另一个示例。空气挡板380可大致沿VFD外壳300的外周并围绕其轴向延伸，以围绕VFD外壳300形成空气通道。冷却风扇320可大致位于VFD外壳300附近，并生成气流360，该气流360进入PM轴向场旋转能量装置外壳200的外壁和空气挡板380之间的空间。空气可以围绕散热片390a流动，然后在VFD外壳300的外壁和空气挡板380之间径向向外流动，并且围绕第一组散热片390b流动。气流可由空气挡板380引导，在基本轴向的方向上转弯，并在VFD外壳300和空气挡板380之间的空间中沿VFD外壳300的外周而轴向流动。气流可以围绕从VFD外壳300外围延伸的另一组散热片390d循环，并且然后在VFD集成系统100的非驱动端离开。
图10D示出了图5的VFD集成组件100中空气循环360的另一个示例。空气挡板380可大致沿外壳200和VFD外壳300的外周并围绕其轴向延伸，以围绕两个外壳200、300形成空气通道。冷却风扇320可大致位于VFD外壳300附近，并可生成气流360以进入外壳200的外周和空气挡板380之间的空间。空气可以围绕散热片390c流动，并由空气挡板380引导。空气可以在外壳200和空气挡板380之间径向向内流动，围绕散热片390a流动。然后，空气可以在VFD外壳300和空气挡板380之间径向向外流动，围绕散热片390b流动。在空气挡板380的引导下，空气可以在VFD外壳和空气挡板380之间的空间中沿VFD外壳300的外周转为基本轴向流动。空气可以围绕散热片390d流动，并在VFD集成系统100的非驱动端离开。
图9和10A-10E描述了VFD集成系统100的空气流动的几个可能实施例。然而，应当理解，本文中未描述的具有冷却风扇位置(例如，基本上在外壳200、300附近)和空气挡板几何形状(例如，沿外壳200、300或两者轴向延伸)的不同组合的空气循环的其他实施例是可能的。尽管这些示例包括散热片，但应理解，一些实施例可能仅在外壳200或300上具有散热片，并且散热片仅位于外壳200、300的外周上的变体也是可能的。
图5、9和10A-10D中的示例描绘了VFD集成系统100的实施例，其外壳符合侵入防护等级IP55。可以达到其他侵入防护等级，诸如IP56或IP65。
图11示出了VFD集成系统100的实施例，其中轴向场旋转能量装置110和VFD 120基本上轴向对齐，并且位于不同的平面上。它们可以被集成在侵入防护等级为IP20的共同外壳200中。外壳200可以定义至少两个单独的空间。一个空间可以包含轴向场旋转能量装置110，并且另一个空间可以包含VFD 120。在一些版本中，轴向场旋转能量装置110可以具有被安装在构成转子的两个盘340之间的第一叶轮315。随着转子旋转，第一叶轮315可以形成第一气流350，其可以通过通风开口355a进入轴向场旋转能量装置110，该通风开口355a可以相对于轴210在外壳200驱动端上周向分布。空气可以在两个盘340之间流动，并径向流过PCB定子115的表面。气流可以通过外围开口365径向离开外壳200。在一些实施例中，可以包括第二叶轮320，诸如被安装在轴伸上。随着转子旋转，第二叶轮320可以生成第二气流360，该气流360可以通过相对于轴210在外壳200非驱动端上周向分布的第二组通风口355b而进入外壳200。空气可以流入容纳VFD 120的空间，并且可以通过外围开口365径向离开外壳200。
在图12的替代实施例中，第一叶轮315可以生成两个流中的第一气流。第一流350a可以通过相对于轴210在外壳200的驱动端上周向分布的通风开口355a而进入轴向场旋转能量装置110。第二流350b可以通过相对于轴210在外壳200的非驱动端上周向分布的通风开口355b而进入轴向场旋转能量装置110。这两个流可以在第一叶轮315处合并，可以在两个盘340之间流动，并径向流过PCB定子115的表面，并且可以通过外围开口365径向离开外壳200。当气流通过通风开口355b进入外壳200时，第二叶轮320可以具有将第一气流的第二流350b与第二气流360分开的特征件。
图13示出了具有一些特征件的第二叶轮320的实施例。第二叶轮320可以具有带有轴向孔的轮毂321，用于安装在轴向场旋转能量装置轴伸上。轮毂321可以具有支持与轮毂321同轴的基本圆柱形管323的多个径向散热片322。管323可支持多个径向散热片或叶片324，其可在叶轮320旋转时径向推动空气，从而生成图12中所示的第二气流360。如图12所示，轮毂321和管323之间的周向空间可以为第一气流350b的第二流提供开口325，以从外壳开口355b轴向移动到第一叶轮315。
再次参考图12，由第二叶轮320的叶片324生成的第二气流360可以通过通风开口355b进入外壳200，通风开口355b可以相对于轴210在外壳200非驱动端周向分布。空气可以流入容纳VFD 120的空间，并且可以通过外围开口365径向离开外壳200。
这些实施例可以具有侵入防护等级IP20。也可以实现其他防护等级，诸如IP22、IP32、IP44和其他等级。例如，这些实施例可以包括与通风开口355a和355b相邻的屏幕和/或百叶窗。
这些实施例可以具有第二叶轮320，其可以被安装在轴伸上。其他实施例可以具有由与外壳200附接的电机供电的风扇。风扇可以生成气流360。一些实施例可以不包括第二叶轮320和轴伸。
在一些实施例中，图13所描绘的叶轮320可以具有径向散热片322，其被定形以生成基本上轴向的气流。可替选地，径向叶片324可以被定形为空气箔，以生成基本上径向的气流或其组合。
这些实施例可以在外壳的四个角中的一个或多个角中包括散热片块205(例如，见图2-4和14)。散热片块205可以具有促进和/或对齐其附件的特征件，诸如机械加工表面207(图14)和用于紧固件的螺纹孔208。这些实施例可以具有由导热金属(诸如铝或铜)的模块块形成的散热片块205。例如，它们可以被挤压、铸造或机械加工。散热片块205在其底部可以有开口或狭缝206，其可以允许由转子叶轮生成的气流350离开外壳200。散热片块205中的至少一个可以被拆卸，因此其他元件可以被附接至组件以提供替代冷却方法。
其他实施例可以具有散热片块205，其底部没有狭缝206。当这样的块205被安装到外壳200时，它们可以在角落处密封外壳200的开口。在这些实施例中，如图8A和8B所示的外壳200两端的通风开口355、356可以不存在。在这种情况下，组件可以完全封闭，达到入侵防护等级IP55或IP56。这些版本可以期望用于组件可以被安装在危险环境中的应用，诸如国家电气规范1级1类的位置。
图15示出了其中外壳200在该外壳一侧具有进气口410，允许冷空气进入外壳的实施例。例如，可以将管道420附接至外壳角开口中的两个，以提供出气口430。出气口430可以将来自组件的热空气导向到方便的位置，诸如建筑物的外部或空气室。在一些实施例中，外壳200的其他两个角可以用盖密封。这些实施例的其他变体可以具有连接到外壳的所有四个开口、三个开口或仅一个开口的空气管道。一些实施例可以具有散热片块和空气管道的组合，诸如被安装在外壳角上的那些。还有其他实施例可以将空气管道连接到外壳侧面上的开口，而不是角上。
图16示出了其中第一空气管道420被附接至外壳200的两个角上的VFD集成系统的另一个实施例。它可以将热空气导入热交换器440。第二空气管道425可以将来自热交换器440的冷空气导回外壳。例如，剩下的两个角可以用盖密封。在一些实施例中，热交换器440可以是空气对空气热交换器、水对空气热交换器，或者可以具有任何其他合适的冷却流体来冷却通过组件循环的空气。在一些实施例中，另一组管道可以被安装到外壳的一个或多个角上，例如，其具有与之连接的第二热交换器。其他实施例可以将空气管道连接到外壳侧面上的开口，而不是角上。
这些实施例可以提供具有允许冷却方案和配置的各种组合的结构和外壳的灵活VFD集成系统。所提供的示例只是一小部分可能性。
其他实施例可以包括以下项目中的一个或多个。
1、一种系统，包括：
轴向场旋转能量装置，具有轴、印刷电路板(PCB)定子和转子，所述转子具有相应永磁体(PM)，并且该转子被配置为相对于PCB定子而绕轴旋转；
变频驱动(VFD)，包括与轴向场旋转能量装置耦合的VFD部件；
外壳，包含轴向场旋转能量装置和VFD，使得轴向场旋转装置和VFD一起被集成在外壳内；以及
冷却系统，被集成在外壳内，并且被配置为冷却轴向场旋转能量装置和VFD。
2、所述系统中，其中，冷却系统包括被配置用于冷却系统的叶轮。
3、所述系统中，其中，外壳包括轴向长度、相对于所述轴的大于轴向长度的径向宽度，并且当从轴向观察时，外壳的形状基本上为矩形。
4、所述系统中，其中，径向宽度与轴向长度之比在约2:1至约20:1的范围内，并且当从轴向观察时，外壳的形状基本上为方形。
5、所述系统中，其中，相对于该轴，VFD部件围绕所述轴向场旋转能量装置被安装，并且基本上与轴向场旋转能量装置共面。
6、所述系统中，其中，VFD部件包括整流器模块、直流(DC)母线、逆变器模块、控制模块和输入/输出(I/O)模块。
7、所述系统中，其中，VFD部件包括线路电感器。
8、所述系统中，其中，逆变器模块包括宽带隙开关装置。
9、所述系统中，其中，整流器模块和DC总线包括第一印刷电路板组件(PCBA)，逆变器模块和控制模块包括第二PCBA，I/O模块包括第三PCBA。
10、所述系统中，其中，VFD部件包括线路电感器，作为与第一、第二和第三PCBA分离的组件。
11、所述系统中，其中，I/O模块包括被配置为执行定制通信功能的子PCBA，并且该子PCBA能够被拆卸地耦合到第三PCBA。
12、所述系统中，其中，整流器模块、DC总线、逆变器模块和控制模块包括第一印刷电路板组件(PCBA)，并且I/O模块包括第二PCBA。
13、所述系统中，其中，I/O模块包括被配置为执行定制通信功能的子PCBA，并且该子PCBA能够被拆卸地耦合到第二PCBA。
14、所述系统中，其中，整流器模块、DC总线、逆变器模块、控制模块和I/O模块包括共同印刷电路板组件(PCBA)。
15、所述系统中，其中，I/O模块包括被配置为执行定制通信功能的子PCBA，并且子PCBA能够被拆卸地耦合到共同的PCBA。
16、所述系统中，其中，外壳包括用于轴向场旋转能量装置和VFD的相应壳体。
17、所述系统中，其中，壳体基本上轴向对齐并相互耦合。
18、所述系统中，其中，壳体通过轴向空间而轴向隔开，冷却装置位于轴向空间中，并且VFD壳体包括被配置为提供对VFD的接入的接入端口。
19、所述系统中，其中，冷却装置包括第一叶轮以及第二叶轮，所述第一叶轮位于所述转子之间并且被配置为在用于所述轴向场旋转能量装置的壳体内循环第一气流，所述第二叶轮位于所述壳体之间的所述轴向空间中并且被配置为使径向气流循环进出与所述VFD相邻的所述轴向空间。
20、所述系统中，其中，每个壳体包括延伸到壳体之间的轴向空间中的散热片。
21、所述系统中，其中，冷却装置包括叶轮和挡板，其被配置为循环相对于轴而径向进入和离开壳体之间的轴向空间的气流。
22、所述系统中，其中，空气挡板包括轴向部件，该轴向部件沿着外壳外部在轴向方向上并且围绕外壳外部延伸，以限定轴向部件和外壳之间的轴向空气通道，该空气挡板还具有在壳体之间的轴向空间中在径向方向上延伸的径向部件以限定径向部件和壳体之间的径向空气通道。
23、所述系统中，其中，冷却装置被配置为循环气流，该气流径向进入第一组径向空气通道，流经第二组径向空气通道，并且气流经由轴向空气通道而轴向离开。
24、所述系统中，其中，冷却装置被配置为循环气流，该气流轴向进入轴向空气通道，流经所有径向空气通道，并且该气流径向离开系统。
25、所述系统中，其中，冷却装置被配置为循环气流，该气流轴向进入第一组轴向空气通道，流经径向空气通道，并且该气流轴向离开第二组轴向空气通道。
本文使用的术语仅用于描述特定示例实施例，并不旨在限制。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也可以包括复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包含”、“由……构成”、“包括”和“具有”是包含性的，并且因此规定了所述特征、整数、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、部件和/或其组。本文所述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必然需要按照所讨论或说明的特定顺序执行，除非明确标识为执行顺序。还应理解，可以采用附加或替代步骤。
当元件或层被称为“在”、“接合到”、“连接到”或“耦合到”另一个元件或层时，它可以直接在、接合、连接或耦合到另一个元件或层，或者可以存在中间元素或层。相反，当元素被称为“直接在”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接耦合到”另一个元素或层上时，不存在中间元素或层。用于描述元素之间关系的其他词语应以类似的方式进行解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。如本文使用，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。
尽管本文中可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语只被用于将一个元素、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分区分。除非上下文明确指出，否则诸如“第一”、“第二”和其他数字术语在本文中使用时并不意味着序列或顺序。因此，下面讨论的第一元素、部件、区域、层或部分可以被称为第二元素、部件、区域、层或部分，而不偏离示例实施例的教导。
为了便于描述，本文可以使用空间相对术语，诸如“内部”、“外部”、“下方”、“下部”、“低于”、“高于”、“上方”、“顶部”、“底部”等，来描述一个元素或特征与另一个或多个元素或特征的关系，如图所示。除了图中所示的取向，空间相对术语还旨在涵盖装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果图中的装置被翻转，则被描述为在其他元素或特征“下部”或“下方”的元素将被取向为在其他元素或特征“上方”。因此，示例术语“下部”可以包括上方和下方的取向。装置可以以其他方式取向(旋转角度或其他取向)，并且本文中使用的空间相对描述可以相应地解释。
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Claims (25)

1.一种系统，包括：
轴向场旋转能量装置，具有轴、印刷电路板(PCB)定子和转子，所述转子具有相应永磁体(PM)，并且所述转子被配置为相对于PCB定子而绕轴旋转；
变频驱动(VFD)，包括与所述轴向场旋转能量装置耦合的VFD部件；
外壳，包含所述轴向场旋转能量装置和所述VFD，使得所述轴向场旋转装置和所述VFD一起被集成在所述外壳内；以及
冷却系统，被集成在所述外壳内并且被配置为冷却所述轴向场旋转能量装置和所述VFD。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述冷却系统包括被配置为冷却所述系统的叶轮。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述外壳包括轴向长度、相对于所述轴的大于所述轴向长度的径向宽度，并且当从轴向观察时，所述外壳的形状基本上为矩形。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述径向宽度与所述轴向长度之比在约2:1至约20:1的范围内，并且当从轴向观察时，所述外壳的形状基本上为方形。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，相对于所述轴，所述VFD部件围绕所述轴向场旋转能量装置被安装，并与所述轴向场旋转能量装置基本共面。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述VFD部件包括整流器模块、直流(DC)总线、逆变器模块、控制模块和输入/输出(I/O)模块。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述VFD部件包括线路电感器。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述逆变器模块包括宽带隙开关装置。
9.根据权利要求6所述的系统，其中，所述整流器模块和DC总线包括第一印刷电路板组件(PCBA)，所述逆变器模块和控制模块包括第二PCBA，I/O模块包括第三PCBA。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述VFD部件包括线路电感器，作为与第一PCBA、所述第二PCBA和所述第三PCBA分离的组件。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述I/O模块包括被配置为执行定制通信功能的子PCBA，并且所述子PCBA能够被拆卸地耦合到所述第三PCBA。
12.根据权利要求6所述的系统，其中，所述整流器模块、DC总线、逆变器模块和控制模块包括第一印刷电路板组件(PCBA)，并且所述I/O模块包括第二PCBA。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述I/O模块包括被配置为执行定制通信功能的子PCBA，并且所述子PCBA能够被拆卸地耦合到所述第二PCBA。
14.根据权利要求6所述的系统，其中，所述整流器模块、DC总线、逆变器模块、控制模块和I/O模块包括共同的印刷电路板组件(PCBA)。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述I/O模块包括被配置为执行定制通信功能的子PCBA，并且所述子PCBA被拆卸地耦合到共同的PCBA。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述外壳包括用于所述轴向场旋转能量装置和所述VFD的相应壳体。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述壳体基本上轴向对齐且相互耦合。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述壳体通过轴向空间而轴向隔开，冷却装置位于所述轴向空间中，并且VFD壳体包括被配置为提供对所述VFD的接入的接入端口。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述冷却装置包括第一叶轮以及第二叶轮，所述第一叶轮位于所述转子之间并且被配置为在用于所述轴向场旋转能量装置的壳体内循环第一气流，所述第二叶轮位于所述壳体之间的所述轴向空间中并且被配置为使径向气流循环进出与所述VFD相邻的所述轴向空间。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，每个壳体包括延伸到所述壳体之间的所述轴向空间中的散热片。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述冷却装置包括叶轮和挡板，其被配置为循环相对于所述轴而径向进入和离开所述壳体之间的所述轴向空间的气流。
22.根据权利要求20所述的系统，其中，空气挡板包括沿所述外壳的外部在轴向方向上并围绕所述外壳的外部延伸的轴向部件，以限定所述轴向部件和所述外壳之间的轴向空气通道，所述空气挡板还具有在所述壳体之间的所述轴向空间中在径向方向上延伸的径向部件以限定所述径向部件和所述壳体之间的径向空气通道。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述冷却装置被配置为循环气流，所述气流径向进入第一组径向空气通道，流经第二组径向空气通道，并且所述气流经由所述轴向空气通道而轴向离开。
24.根据权利要求22所述的系统，其中，所述冷却装置被配置为循环气流，所述气流轴向进入所述轴向空气通道，流经所有径向空气通道，并且所述气流径向离开系统。
25.根据权利要求22所述的系统，其中，所述冷却装置被配置为循环气流，所述气流轴向进入第一组轴向空气通道，流经所述径向空气通道，并且所述气流轴向离开第二组轴向空气通道。
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