CN117119724A - 一种航空用高功重比多输出三相电机驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种航空用高功重比多输出三相电机驱动器，包括保护罩与底盖，保护罩的壁面上配合安装有旋变插头、功率插头、数个输出插头和数个输入插头；保护罩的内部配合安装有第一PCB板，第一PCB板上焊接有集成有驱动器母排的电容，保护罩的内部还配合安装有数个用于将直流电转换为三相交流电的功率模块；保护罩的内部还安装控制板和调理板。通过设置保护罩、底盖、功率模块，合理布局电机驱动器的内部结构，使得电机驱动器结构紧凑、质量轻、体积小、布线合理，从而提高其功重比，使得电机驱动器适用于航空航天的场合。

Description

一种航空用高功重比多输出三相电机驱动器
技术领域
本发明涉及电机驱动器技术领域，尤其是一种航空用高功重比多输出三相电机驱动器。
背景技术
自上世纪80年代以来，美国和欧洲先后实施“多电飞机”的研究计划，如美国的“INVENT”计划和欧洲的“Clean Sky”计划。多电无人平台已经成为现代飞机标志性的发展方向，并引领着航空技术的发展。高效率、高功重比、高可靠性的电机驱动系统是多电无人平台核心支撑技术之一。以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体器件具有耐高温高压、开关速度快、导通电阻小等特点，用其制作的器件具有体积更小、效率更高、性能更强等优点，因此第三代半导体为驱动器系统效率和功率密度的提高带来了非常好的契机。
现有技术中的电机驱动器通常采用大型铝基板散热器，其体积大、重量大、散热性能不佳，导致其功重比不高，难以适用于航空航天的场合；同时，传统的驱动器布线复杂，不便于安装和维修。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的航空用高功重比多输出三相电机驱动器，通过设置保护罩、底盖、功率模块，合理布局电机驱动器的内部结构，使得电机驱动器结构紧凑、质量轻、体积小、布线合理，从而提高其功重比，使得电机驱动器适用于航空航天的场合。
本发明所采用的技术方案如下：
一种航空用高功重比多输出三相电机驱动器，包括保护罩，所述保护罩的底部配合安装底盖，所述底盖与保护罩对接内部形成容置空间，保护罩的壁面上配合安装有旋变插头、功率插头、数个输出插头和数个输入插头，保护罩的壁面上还设置有数个散热孔；
所述保护罩的内部配合安装有第一PCB板，所述第一PCB板上焊接有集成有驱动器母排的电容，保护罩的内部还配合安装有数个用于将直流电转换为三相交流电的功率模块，所述功率模块均匀布置在第一PCB板的周围，所述功率模块的一个输出端与三个输出插头对应，单个功率模块的一旁配合安装有数个风扇，所述风扇工作时朝向对应功率模块的散热器件吹风；
所述保护罩的内部还安装有呈盒状的金属屏蔽盒，所述金属屏蔽盒的内部配合安装有间隔布置的控制板和调理板，所述调理板与所述控制板电连接；
单个功率模块与第一PCB板电连接，单个功率模块与调理板电连接。
作为上述技术方案的进一步改进：
单个功率模块的结构为：包括第二PCB板，所述第二PCB板上焊接数个霍尔传感器，第二PCB板的上方间隔安装有功率板，所述功率板上焊接数个汇流条，单个汇流条的端头穿过单个霍尔传感器与三个输出插头对应；
所述功率板的顶部配合安装有数个间隔排列布置的散热翅片，功率板上焊接电压转换组件，所述电压转换组件包括数个功率管，所述功率管均匀贴装在散热翅片的壁面上；
单个功率管电连接驱动板，所述驱动板贴装在功率板的底部。
所述功率管采用SiC MOSFET。
所述电压转换组件采用三相桥，所述三相桥将直流电转换成三相交流电，所述三相桥采用双管并联形式。
所述保护罩和底盖采用外表面涂有金属涂料的碳纤维板材。
所述底盖的结构为：包括第一底板，所述第一底板的顶部配合安装有对称布置的第二底板，单个第二底板的顶部配合安装有向外延伸的第三底板，所述第一底板、第二底板和第二底板合围成对称的凹字型结构。
所述保护罩的结构为：包括上板，所述上板的底部依次配合安装有第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板，所述上板、第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板合围成底部带有敞口的盒状结构；
所述第一侧板和第二侧板呈凸字型，第一侧板的壁面上配合安装有数个输入插头，第二侧板的壁面上配合安装有旋变插头、功率插头、数个输出插头。
所述电容采用高压陶瓷电容。
所述第一PCB板与保护罩之间、控制板和调理板与保护罩之间均通过铜柱配合安装。
所述金属屏蔽盒的侧壁面上开有数个通槽。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过设置保护罩、底盖和功率模块，使得电机驱动器能够在高压高频大功率的工况下稳定工作，有效提高电机驱动器的可靠性和稳定性，提高电机驱动器的功重比，从而满足航空航天的场合的使用需求。
本发明还具有如下优点：
(1)本发明通过合理布置散热孔和风扇的位置，能够加强空气流动性，提高风扇对功率模块的散热效果，能够提高电机驱动器的散热效率，使电机驱动器具有良好的散热性能。
(2)本发明中通过设置金属屏蔽盒，能够有效隔离电机驱动器内部强电对弱电信号的干扰，实现强弱电隔离，提高电机驱动器的工作稳定性。
(3)本发明中保护罩和底盖的各板之间通过六面螺母连接，便于拆装；保护罩和底盖均采用外表面涂有金属涂料的碳纤维板材，相较于传统的铝合金板材，碳纤维板材能够减少30％左右的重量，极大地提高了电机驱动器的功重比，并且碳纤维板材外部喷有金属涂料，能够满足电机驱动器的电磁屏蔽要求，避免外界环境对电机驱动器造成干扰，有效提高电机驱动器的工作稳定性。
(4)本发明中功率模块采用三相桥，三相桥将直流电转换成三相交流电，三相桥采用双管并联形式，从而能够有效降低单个功率管的结温，能够提高功率模块的工作稳定性。
(5)本发明中通过对功率模块、第一PCB板、控制板、调理板进行合理布局，能够有效提高电机驱动器的电磁兼容性，从而提高电机驱动器的功重比和功率密度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的爆炸图一。
图3为本发明的爆炸图二。
图4为图1的侧视图。
图5为图1的后视图。
图6为本发明中壳体内部的结构示意图。
图7为本发明中功率模块的结构示意图。
图8为本发明中功率模块的爆炸图。
图9为图7的主视图。
其中：1、保护罩；2、底盖；3、功率模块；4、输入插头；5、输出插头；6、旋变插头；7、功率插头；8、散热孔；9、风扇；10、第一PCB板；11、电容；12、铜柱；13、控制板；14、调理板；15、金属屏蔽盒；
101、上板；102、第一侧板；103、第二侧板；104、第三侧板；105、第四侧板；
201、第一底板；202、第二底板；203、第三底板；
301、驱动板；302、功率板；303、霍尔传感器；304、汇流条；305、散热翅片；306、功率管；307、第二PCB板。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
本发明的结构和功能如下：
如图1-图9所示，一种航空用高功重比多输出三相电机驱动器，包括保护罩1，保护罩1的底部配合安装底盖2，底盖2与保护罩1对接内部形成容置空间，保护罩1的壁面上配合安装有旋变插头6、功率插头7、数个输出插头5和数个输入插头4，保护罩1的壁面上还设置有数个散热孔8；保护罩1的内部配合安装有第一PCB板10，第一PCB板10上焊接有集成有驱动器母排的电容11，保护罩1的内部还配合安装有数个用于将直流电转换为三相交流电的功率模块3，功率模块3均匀布置在第一PCB板10的周围，功率模块3的一个输出端与三个输出插头5对应，单个功率模块3的一旁配合安装有数个风扇9，风扇9工作时朝向对应功率模块3的散热器件吹风；保护罩1的内部还安装有呈盒状的金属屏蔽盒15，金属屏蔽盒15的内部配合安装有间隔布置的控制板13和调理板14，调理板14与控制板13电连接；单个功率模块3与第一PCB板10电连接，单个功率模块3与调理板14电连接。电机驱动器包括保护罩1、底盖2、功率模块3、输入插头4、输出插头5、旋变插头6、功率插头7、散热孔8、风扇9、第一PCB板10、电容11、铜柱12、控制板13、调理板14、金属屏蔽盒15。
在本发明一实施例中，电机驱动器为九相输出驱动器，设置有三个输出端，单个输出端对应三个输出插头5，用于连接电机并输出驱动电压给电机，能够输出三相交流电，电机驱动器的输入端口连接高压直流电源的正负极；
将输入插头4的数量设置为两个，输出插头5的数量设置为九个，功率模块3的数量设置为三个，风扇9的数量设置为十五个，单个功率模块3的一旁设置五个风扇9，保护罩1、底盖2、旋变插头6、功率插头7、第一PCB板10、控制板13、调理板14、金属屏蔽盒15的数量均设置为一个，铜柱12的数量设置为八个；
散热孔8和电容11设置若干个；
单个电容11采用高压陶瓷电容，并且单个电容11采用驱动器母排一体化集成模式，并焊接在第一PCB板10上，从而使得第一PCB板10能够将接收到的外部直流电流输送给对应的功率模块3；
采用电容与驱动器母排一体化集成模式，能够减轻电机驱动器内部结构的重量、减小其体积，其重量能够减轻30％，体积能够减小一倍以上，能够大幅度提高电机驱动器的输出功率密度；同时，高压陶瓷电容还具有寄生电阻与寄生电感小、纹波电流耐受能力大、发热现象轻的优点；
第一PCB板10由四个铜柱12固定在保护罩1的内部，保护罩1的壁面上开有数个与铜柱12配合安装的安装孔，四个铜柱12均匀分布在第一PCB板10的四角；
控制板13和调理板14分层叠间隔放置，并通过另外四个铜柱12固定在保护罩1的内侧壁和金属屏蔽盒15的内侧壁之间，四个铜柱12均匀分布在控制板13和调理板14的四角，能够有效提高结构稳定性；同时，金属屏蔽盒15采用金属材质，能够有效避免强电对弱电信号造成干扰，金属屏蔽盒15的侧壁面上开有数个通槽，能够便于控制板13和调理板14走线，并能够防止对保护罩1壁面上的插头造成干涉；
三个功率模块3分别排列在第一PCB板10的两侧和下方，排列紧凑，能够有效减小电机驱动器的体积；
对于保护罩1，其通过一块上板101、一块第一侧板102、一块第二侧板103、一块第三侧板104和一块第四侧板105围成底部带有敞口的盒状结构，其中，第一侧板102和第二侧板103呈凸字型，与底盖2的凹字型结构中的缺口对应，第一侧板102的壁面上安装输入插头4，第二侧板103的壁面上安装旋变插头6、功率插头7和输出插头5；
对于底盖2，其通过一块第一底板201、两块第二底板202和两块第三底板合围成对称的凹字型结构，底盖2和保护罩1对接形成封闭的容置空间；
保护罩1和底盖2的各板之间通过六面螺母连接，便于拆装；保护罩1和底盖2均采用外表面涂有金属涂料的碳纤维板材，相较于传统的铝合金板材，保护罩1和底盖2能够减少30％左右的重量，极大地提高了电机驱动器的功重比，并且碳纤维板材外部喷有金属涂料，能够满足电机驱动器的电磁屏蔽要求；
对于单个功率模块3，其采用分立器件，价格低廉且能够减小体积和重量，从而有效提高电机驱动器的功率密度和功重比，单个功率模块3分别设置有一块功率板302和一块第二PCB板307，霍尔传感器303的数量设置为三个，对应地，汇流条305的数量也设置为3个，功率管306的数量设置为十二个，驱动板301的数量设置为六个，散热翅片306的数量设置为六个，六个散热翅片306纵向排列布置，单个散热翅片306的壁面上贴有两个功率管306，两个功率管306横向排列布置，单个驱动板301驱动沿纵向排列的两个功率管306，便于功率模块3布线；
三个霍尔传感器303用于检测功率模块3的输出电流，即电机驱动器输出的输出电流，同时，霍尔传感器303能够起到支撑汇流条304的作用，能够紧凑功率模块303的结构，并提高功率模块303的稳定性。
第二PCB板307的端面上设置有三个沿其长度方向排列间隔布置的异形槽，三个异形槽的一旁还设置有一个腰圆槽；三个异形槽用于使得贴装在功率板302下方的驱动板301能够漏出，防止电磁干扰并增加其散热；腰圆槽内能够安装屏蔽网，从而屏蔽功率板302对霍尔传感器303的干扰；
功率模块3采用三相桥，基于三相桥式逆变电路，电路采用十二个功率管306，并采用双管并联形式，三相桥能够将直流电转换成三相交流电，双管并联形式使得两个并联的功率管306分担电流，从而能够提高单个功率管306的电流承载能力，利于散热，提高功率模块的散热能力，并且能够有效降低单个功率管306的结温，能够提高功率模块3的工作稳定性；
风扇9工作时朝向对应散热翅片305吹风，风扇9对侧的保护罩1壁面上设置有散热孔8，从而能够加强空气流动，提高电机驱动器的散热效率。
本发明的工作过程如下：
将高压直流电源的正负极分别与两个输入插头4连接；
高压直流电源输出的高压电经过第一PCB板10及其上的电容11传输至功率模块3的直流电压输入端，同时，控制板13输出控制信号，经过调理板14对该控制信号进行滤波、放大处理，传输至功率模块3的控制信号输入端；
功率模块3的十二个功率管306对应一个三相桥，其中的功率管306采用双管并联结构；
驱动板301接收经过调理板14处理的控制信号，每个驱动板301将该控制信号传输给对应的功率管306，从而驱动三相桥将高压直流电逆变为高频的三相交流电；
三相桥输出的高频三相交流电通过对应的汇流条304传输至三个对应的输出插头5处，其中的一个插头对应一相；
通过将对应的输出插头5连接三相电机，从而实现对电机的驱动。
在另一个实施例中，九个输出插头5能够连接九相电机，通过对应的驱动板301改变三个功率模块3的输出电压，从而驱动九相电机；
通过采用三个功率模块3半包围在第一PCB板10周围的布局，从而使得电机驱动器能够驱动九相电机，其结构紧凑、布局合理，适用于航空航天的使用场合。
本发明提供一种航空用高功重比多输出三相电机驱动器，其结构紧凑、布局合理，通过设置采用外表面涂有金属涂料的碳纤维板材的保护罩1和底盖2，使得电机驱动器具有抗电磁干扰的功能，通过设置金属屏蔽盒15实现强电与弱电的电磁隔离；同时，电机驱动器整体质量轻、可靠性高，且便于拆装维护，适用于航空航天的使用场合。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种航空用高功重比多输出三相电机驱动器，其特征在于：包括保护罩(1)，所述保护罩(1)的底部配合安装底盖(2)，所述底盖(2)与保护罩(1)对接内部形成容置空间，保护罩(1)的壁面上配合安装有旋变插头(6)、功率插头(7)、数个输出插头(5)和数个输入插头(4)，保护罩(1)的壁面上还设置有数个散热孔(8)；
所述保护罩(1)的内部配合安装有第一PCB板(10)，所述第一PCB板(10)上焊接有集成有驱动器母排的电容(11)，保护罩(1)的内部还配合安装有数个用于将直流电转换为三相交流电的功率模块(3)，所述功率模块(3)均匀布置在第一PCB板(10)的周围，所述功率模块(3)的一个输出端与三个输出插头(5)对应，单个功率模块(3)的一旁配合安装有数个风扇(9)，所述风扇(9)工作时朝向对应功率模块(3)的散热器件吹风；
所述保护罩(1)的内部还安装有呈盒状的金属屏蔽盒(15)，所述金属屏蔽盒(15)的内部配合安装有间隔布置的控制板(13)和调理板(14)，所述调理板(14)与所述控制板(13)电连接；
单个功率模块(3)与第一PCB板(10)电连接，单个功率模块(3)与调理板(14)电连接。
2.如权利要求1所述的一种航空用高功重比多输出三相电机驱动器，其特征在于：单个功率模块(3)的结构为：包括第二PCB板(307)，所述第二PCB板(307)上焊接数个霍尔传感器(303)，第二PCB板(307)的上方间隔安装有功率板(302)，所述功率板(302)上焊接数个汇流条(304)，单个汇流条(304)的端头穿过单个霍尔传感器(303)与三个输出插头(5)对应；
所述功率板(302)的顶部配合安装有数个间隔排列布置的散热翅片(305)，功率板(302)上焊接电压转换组件，所述电压转换组件包括数个功率管(306)，所述功率管(306)均匀贴装在散热翅片(305)的壁面上；
单个功率管(306)电连接驱动板(301)，所述驱动板(301)贴装在功率板(302)的底部。
3.如权利要求2所述的一种航空用高功重比多输出三相电机驱动器，其特征在于：所述功率管(306)采用SiC MOSFET。
4.如权利要求2所述的一种航空用高功重比多输出三相电机驱动器，其特征在于：所述电压转换组件采用三相桥，所述三相桥将直流电转换成三相交流电，所述三相桥采用双管并联形式。
5.如权利要求1所述的一种航空用高功重比多输出三相电机驱动器，其特征在于：所述保护罩(1)和底盖(2)采用外表面涂有金属涂料的碳纤维板材。
6.如权利要求1所述的一种航空用高功重比多输出三相电机驱动器，其特征在于：所述底盖(2)的结构为：包括第一底板(201)，所述第一底板(201)的顶部配合安装有对称布置的第二底板(202)，单个第二底板(202)的顶部配合安装有向外延伸的第三底板(203)，所述第一底板(201)、第二底板(202)和第二底板(202)合围成对称的凹字型结构。
7.如权利要求1所述的一种航空用高功重比多输出三相电机驱动器，其特征在于：所述保护罩(1)的结构为：包括上板(101)，所述上板(101)的底部依次配合安装有第一侧板(102)、第二侧板(103)、第三侧板(104)和第四侧板(105)，所述上板(101)、第一侧板(102)、第二侧板(103)、第三侧板(104)和第四侧板(105)合围成底部带有敞口的盒状结构；
所述第一侧板(102)和第二侧板(103)呈凸字型，第一侧板(102)的壁面上配合安装有数个输入插头(4)，第二侧板(103)的壁面上配合安装有旋变插头(6)、功率插头(7)、数个输出插头(5)。
8.如权利要求1所述的一种航空用高功重比多输出三相电机驱动器，其特征在于：所述电容(11)采用高压陶瓷电容。
9.如权利要求1所述的一种航空用高功重比多输出三相电机驱动器，其特征在于：所述第一PCB板(10)与保护罩(1)之间、控制板(13)和调理板(14)与保护罩(1)之间均通过铜柱(12)配合安装。
10.如权利要求1所述的一种航空用高功重比多输出三相电机驱动器，其特征在于：所述金属屏蔽盒(15)的侧壁面上开有数个通槽。
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