CN117981203A - 配置为向电机供电的电气转换器、包括该转换器的电气模块以及使用该电气模块的方法 - Google Patents

Abstract

一种电气转换器(1)，其配置为电机供电，特别是向用于飞行器的电机供电，所述电机包括环形定子和转子，电气转换器(1)包括多个电力逆变器，每个电力逆变器都包括多个电力装置(3‑1；3‑18)，所述多个电力装置(3‑1；3‑18)配置为与环形定子连接以向电机供电；外壳(10)，其包括多个内浴槽(11)和外浴槽(12)；冷却回路(9)，其配置为向每个内浴槽(11)和每个外浴槽(12)供应冷却剂(F)；电力装置(3‑1；3‑18)，其安装在内浴槽(11)和外浴槽(12)中，以便对所有电力装置(3‑1；3‑18)进行冷却。

Description

配置为向电机供电的电气转换器、包括该转换器的电气模块 以及使用该电气模块的方法

技术领域

本发明涉及对向电机(特别是参与飞行器推进的飞行器的电动机)供电的电气转换器进行冷却的领域。

背景技术

按照已知的方式，电动机可以与电气转换器结合，以便从直流(DC)电压源(例如电池)提供机械能。实际上，电气转换器可以将直流电压转换为交流(AC)电压，特别是转换为三相交流电压。为了实现电转换，电气转换器包括数个电力逆变器，每个电力逆变器都具有三个电力模块，即三相逆变器的每个逆变器分支都有一个电力模块。

为了限制尺寸和减少布线的长度，已经提出将电动机及其转换器组合在同一电气模块中(即组合在同一组件中)。实际上，电气模块安装在恶劣的热环境和振动环境中，这会增加故障的风险。为了降低这种风险，已知的是提供冗余以确保服务的连续性。直接的冗余解决方案是提供两个独立的电气模块，但这样会过度影响尺寸和质量。因此，建议提供一种包括两个独立功能通道的电气转换器。换言之，电气转换器在可单独操作或共同操作的两个功能通道之间共享。为此，转换器可能包括大量的电力模块，以满足所需的电力。

为了形成紧凑的电气模块，已经提出了一种环形转换器，以便限定内部纵向通道，从而可以在所述内部纵向通道中安装电动机的轴。为此，电动机纵向延伸并包括环形定子，在所述环形定子内部安装有与电动机轴连接的转子。电力模块在转换器中以环形方式组织，以直接与电动机的环形定子连接，从而减少电气连接的长度，并因此降低发生故障的风险。

为了实现最佳冷却效果，电力模块位于电气转换器的外围，以最大限度地与电气模块外部进行热交换。然而，由于冗余限制，会存在大量电力模块，冷却需求也很高。

为了能够容纳许多电力模块，直接的解决方案是通过增加电气转换器的直径或长度来增加外表面面积，但是这与减小尺寸和质量的目标背道而驰。

因此，本发明旨在通过提出一种冷却有所改进的电气转换器来克服上述缺陷中的至少一些缺陷，所述电气转换器允许高冗余并限制连接的长度。

专利申请US201901817171A1、US20050180104A1和FR2895845A公开了根据现有技术的冷却系统。

发明内容

本发明涉及一种电气转换器，所述电气转换器配置为向电机(特别是用于飞行器的电机)供电，所述电机包括环形定子和转子，所述电气转换器包括：

·多个电力逆变器，每个电力逆变器都包括多个电力装置，所述多个电力装置配置为与环形定子连接以向电机供电

·外壳，其形状为环形，其沿轴线X纵向延伸，并限定径向内表面和径向外表面，外壳包括多个在径向内表面中形成的冷却浴槽(称为内浴槽)以及在径向外表面中形成的冷却浴槽(称为外浴槽)，

·冷却回路，其配置为向每个内浴槽和每个外浴槽供应冷却剂，和

·电力装置，其安装在内浴槽和外浴槽中，以允许对所有电力装置进行冷却。

得益于本发明，各类装置彼此间隔，并根据内环和外环进行设置，从而限制了热区的形成。内浴槽与外浴槽的存在使得每个槽都能够单独且均匀地使用冷却剂进行冷却。因此，具有大量电力装置的电气转换器可以在保持较小尺寸的同时得实现最佳冷却效果。

优选地，内浴槽和/或外浴槽具有相同的纵向位置。因此，电力装置可以通过相同长度的短电缆连接到环形定子，从而降低电气故障的风险。

根据一个方面，电气转换器包括数量相同的外浴槽和内浴槽。优选地，内浴槽和外浴槽在外壳的外围交替设置。优选地，内浴槽和外浴槽在外壳的外围呈角度分布。这使得能够最佳分配电力装置，以避免局部发热。

根据本发明的一个方面，冷却回路包括入口和出口，所述入口和所述出口是直径相对的并通过至少两个独立的、优选直径相对的冷却分支连接。这样就可以降低流速以及压力损失。

优选地，冷却回路包括延伸穿过外壳的厚度并与内浴槽和外浴槽连接的通道。因此，将冷却回路集成到外壳中，从而限制外壳的尺寸，并使外壳的主体可用于散发电力装置的热量。

优选地，两个相邻的槽通过多个(优选超过10个)独立的通道连接。这样就可以大大减少压力损失。

优选地，至少一个电力装置包括与散热器相关联的电力模块，散热器安装在内浴槽或外浴槽中。通过使用散热器，可以捕获电力模块的热量，从而能够使用冷却剂让热量以最佳方式从浴槽中排出。

优选地，散热器包括位于内浴槽或外浴槽中的翅片，以增加交换表面并优化热量传递。

优选地，电力装置包括锁定构件，所述锁定构件配置为与在外壳中形成的接收构件配合，从而将散热器固定在内浴槽或外浴槽中。优选地，锁定构件允许可拆卸的安装。

本发明还涉及一种电气模块，所述电气模块包括电机(特别是用于飞行器的电机)，所述电机包括环形定子和转子，以及如前所述的电气转换器，所述电气转换器的电力装置与环形定子连接以便为电机供电。优选地，环形定子的直径与电气转换器的外壳基本相同，以便形成短的电气连接。

优选地，电气转换器由直流电压源供电。

根据第一方面，电气转换器包括冷却回路(在下文中称为第一冷却回路)，电机包括冷却回路(在下文中称为第二冷却回路)，冷却剂以串联的方式向第一冷却回路和第二冷却回路供应。低压损失有利地用于将两个冷却回路组合在一起，从而实现更为紧凑。

根据第二方面，电气转换器包括冷却回路(在下文中称为第一冷却回路)，电机包括冷却回路(在下文中称为第二冷却回路)，冷却剂以并联的方式向第一冷却回路与第二冷却回路供应。

本发明还涉及一种使用如前所述的电气模块的方法，包括以下步骤：

·通过电气转换器的电力装置为电机供电，

·在电气转换器的冷却回路中循环冷却剂，以便冷却所述电力装置。

附图说明

通过阅读作为实例给出的以下描述，并参考作为非限制性示例给出的以下附图，将更好地理解本发明，其中相同的附图标记表示相似的物体。

[图1]是根据本发明的一个实施例的电气模块的示意图。

[图2]是[图1]的电气模块的电机的示意性截面图。

[图3]是与电机定子连接的电气转换器的示意图。

[图4]是根据本发明实施例的电气转换器的示意性透视图。

[图5]是具有两个分支冷却回路的电气转换器的示意性截面图。

[图6]是没有电力装置的[图4]的转换器的外浴槽的示意图。

[图7]是在[图6]的外浴槽中安装电力装置的步骤的示意图。

[图8]是电力装置和外浴槽的示意性侧视图。

[图9]是安装在[图6]的外浴槽中的电力装置的示意图。

[图10]是电气模块中冷却回路的第一实施例的示意图。

[图11]是电气模块中冷却回路的第二实施例的示意图。

[图12]是电气模块中冷却回路的第三实施例的示意图。

应当注意，为了实施本发明，附图详细公开了本发明，所述附图当然可以用于在适用的情况下更好地定义本发明。

具体实施方式

参考[图1]，本发明涉及一种特别用于飞行器的电气模块M，所述电气模块M包括电机2和为电机2供电的电气转换器1。

如[图2]所示，电机2包括环形定子21，所述环形定子21内安装有沿着纵向轴线X延伸的转子22。在此实例中，环形定子21限定了具有三个分支的多个电气Y型连接器，电气转换器1向电气Y型连接器供电以便能够驱动转子22。随后将介绍一种作为电动机运行的电机2，但不言而喻，所述电机2也可以作为发电机运行。在此实例中，如图1和图2所示，转子22包括沿着轴线X纵向突出的转子轴23。电机2优选包括冷却回路。这种电机2的总体结构是已知的，并且不再详细介绍。

参考[图5]，电气转换器1包括外壳10，所述外壳10的形状是环形的，其沿着轴线X纵向延伸并限定径向内表面S1以及径向外表面S2。优选地，外壳10的直径与电机2的环形定子21的直径基本相等，以便与环形定子21直接电气连接，下文将对此进行介绍。外壳10限定了中心开口19，转子轴23可以插入其中。优选地，转子轴23可以与例如VTOL或STOL型飞机的螺旋桨螺距调节器相关联。

如[图3]中示意性示出的，电气转换器1还包括多个电力逆变器O1-O6，每个电力逆变器O1-O6都包括电力装置3-1至3-18中的多个，所述电力装置配置为与电机2的环形定子21相连接，以确保冗余。每个逆变器O1-O6都是三相的并且与电力装置3-1至3-18中的三个相关联；此外，如[图3]所示，电气转换器1包括18个电力装置3-1至3-18，所述电力装置由一个或多个电压源(未示出)供电，以便能够向环形定子21供电并驱动转子22旋转。

根据本发明，参照图5和图6，外壳10包括多个冷却浴槽，分别在径向内表面S1(称为内浴槽11)形成以及在径向外表面S2(称为外浴槽12)形成。电气转换器1还包括冷却回路9，所述冷却回路9配置为向每个内浴槽11和每个外浴槽12供应冷却剂F(特别是油或类似的冷却剂)。电力装置3-1至3-18安装在内浴槽11和外浴槽12中，以便对所有电力装置3-1至3-18进行冷却。

得益于本发明，电气转换器1可以通过短连接方便地连接到电机2，同时使得电力装置3-1至3-18冷却效果达到最佳，所述电力装置3-1至3-18有利地分布在外壳10的内表面S1和外表面S2上。因此，电气转换器1的环形形状用于充分利用可用的表面积。现在将详细介绍电气转换器1的不同元件。

在此实例中，外壳10包括在外壳10的厚度中形成的内浴槽11和外浴槽12。换言之，浴槽11、12是直接在电气转换器1的外壳10中形成的空腔，以便限制尺寸并改善冷却。优选地，外壳10由金属材料制成。

如[图6]所示，每个内浴槽11或外浴槽12都具有基本上矩形的形状，以便与电力装置3-1至3-18的形状相对应；但不言而喻，所述内浴槽11或所述外浴槽12也可以是不同的形状。浴槽11、12的深度是根据相对于纵向轴线X的径向方向限定的，并且所述深度根据电力装置3-1至3-18而变化。

内浴槽11和外浴槽12优选在电气转换器1的外壳10的纵向端部形成，该纵向端部旨在连接到电机2。优选地，内浴槽11和外浴槽12处于沿着轴线X限定的相同纵向位置。因此，电力装置3-1至3-18可以通过相同长度的连接件与环形定子21连接，从而降低故障的风险。

内浴槽11和外浴槽12的数量取决于待冷却的电力装置3-1至3-18的数量。在此实例中，参照[图5]，电气转换器10包括数量相同的外浴槽12和内浴槽11。优选地，内浴槽11和外浴槽12在外壳10的外围交替设置，特别地，内浴槽11和外浴槽12在外壳10的外围呈角度分布，这使得有可能获得如图5所示的最佳热分布。

在此实例中，电力装置3-1至3-18都具有相同的纵向位置，但被分成具有两个不同径向位置(内环和外环)的两组。不言而喻，电力装置的纵向位置也可能不同。

如前所述，参考[图5]，电气转换器1包括冷却回路9，所述冷却回路9配置为向每个内浴槽11和每个外浴槽12供应冷却剂F(特别是油)。

在此实例中，仍然参考[图5]，冷却回路9包括配置为向冷却回路9供应冷却剂F的入口9A以及配置为排出冷却剂F的出口9B。优选地，冷却回路9包括单个入口9A和单个出口9B，但不言而喻，入口9A和出口9B的数量可以更多。

在此实例中，入口9A和出口9B是直径相对的，所述入口9A和出口9B由两个独立的冷却分支B1、B2连接，所述冷却分支B1、B2优选也是直径相对的。分支B1、B2是对称的，以便以类似的方式对所有电子装置3-1至3-18进行冷却。与单个分支相比，使用两个分支B1，B2可以降低流速并因此降低压力损失。不言而喻，单个分支也是合适的。

冷却回路9包括在外壳10的厚度上延伸的通道90，以连接内浴槽11和外浴槽12。两个相邻的浴槽(特别是内浴槽11和外浴槽12)优选地通过多个独立的通道90连接，所述多个独立的通道90优选为平行设置。确定独立的通道90的横截面以优化压力损失并降低流速。在此实例中，在每个浴槽11、12之间设置有12个独立的通道。如[图6]和[图8]所示，独立的通道90优选为通向内浴槽11或外浴槽12的侧壁。优选地，每个独立的通道90都在横向于轴线X的平面内延伸，以便允许角向循环。

在此实例中，参照图6至图9，电力装置3-1至3-18是完全相同的，因此仅详细介绍安装在外浴槽12中的电力装置3-3。不言而喻，上述说明同样适用于散热装置在内浴槽11中的安装。

参照图7和图8，电力装置3-3包括电力模块4，所述电力模块4包括形成主要功能元件的电子部件。电力模块4包括电气连接器和导热外壳。电力装置3-3包括散热器5，所述散热器5配置为传导和散发由电力模块4产生的热量(特别是通过传导的方式)。

散热器5定位于电力模块4的下表面。在此实例中，电力装置3-3包括安装在电力模块4和散热器5之间的接口处的传导板6，以促进散热。此类传导板6是可选的。

散热器5包括主板50，从主板50延伸出数个突出的翅片51，所述翅片51配置为增加交换表面，并消散主板50与传导板6接触所接收的热量。优选地，翅片51在安装位置处延伸到外浴槽12中，使得冷却剂F从翅片51的表面带走热量。优选地，每个翅片51都垂9直于主板50延伸并具有方形截面(也称为“菱形”)。翅片51的尺寸和形状是根据每个浴槽11和12中循环的冷却剂F的冷却效果和压力损失的优化来确定的。因此，每个散热器5都安装在内浴槽11或外浴槽12中，以便浸泡翅片51。

参考[图7]，为了确保最佳密封，外浴槽12包括形状与散热器5的主板50的形状互补的凹槽13，以便通过形状配合实现嵌套。凹槽13还包括密封件14(优选为外围密封件)，所述密封件14配置为在安装位置处由散热器5的主板50压紧。

优选地，参考[图7]，电力装置3-3还包括锁定构件7，所述锁定构件7配置为与在外壳10中形成的接收构件15配合，以便将电力装置3-3安装在外浴槽12中(特别是其热交换器5中)。在此实例中，电力装置3-3包括四个锁定构件7(特别是螺钉)，所述四个锁定构件7定位于电力装置3-3具有的形状为衬垫的每个角处。在外壳10中，外浴槽12外部形成有四个接收构件15(例如螺纹孔)。在图9所示的已知安装位置，当锁定构件7与接收构件15配合时，它们一方面确保了对外壳10的机械固定，另一方面也确保了对密封件14的压紧。翅片51浸泡在密封的外浴槽12中。此类电力装置3-3因此能够可拆卸地安装，便于维护。不言而喻，散热器5可以直接焊接到外壳10上。

在组装电气模块M时，先将电气转换器1的电力装置3-1至3-18都安装到外壳10上，然后通过短而直接的连接将所述电力装置3-1至3-18都电气连接至电机2的环形定子21的电气Y型连接件，从而降低发生故障的风险。如[图5]所示，在电力转换器1向电机2供电期间，冷却剂F通过入口9A引入，以便供应到冷却回路9，从而在从出口9B排出之前从散热片51收集热量。冷却剂F在由独立的通道90连接的交替的内浴槽11和外浴槽12之间连续循环，以便冷却电力装置3-1至3-18中的每一个。

参考图10至图12，电气转换器1包括冷却回路9(下文中称为第一冷却回路9)，电机2包括冷却回路(下文中称为第二冷却回路9’)，特别用于对环形定子21进行冷却(见[图2])。

为了优化对电气模块M的冷却，流体源SF的冷却剂F能够以并联的方式向第一冷却回路9和第二冷却回路9’供应，如[图10]所示。

替代地，参考图11和图12，流体源SF的冷却剂F以串联的方式向第一冷却回路9和第二冷却回路9’供应。鉴于第一冷却回路9中的压力损失较小，有利地，可以考虑这种解决方案。第一冷却回路9可以在第二冷却回路9’之前被供应，如[图11]所示，或在[图12]所示之后被供应。[图11]的配置是有利的，因为它允许具有更高冷却要求的电气转换器1首先被冷却。因此，第一冷却回路9和第二冷却回路9’一起形成用于电气模块M的整体冷却回路。

Claims (15)

1.一种电气转换器(1)，所述电气转换器(1)配置为向电机(2)供电，特别是向用于飞行器的电机供电，所述电机包括环形定子(21)和转子(22)，所述电气转换器(1)包括：

·多个电力逆变器(O1-O6)，每个电力逆变器都包括多个电力装置(3-1；

3-18)，所述多个电力装置(3-1；3-18)配置为与环形定子(21)连接以向电机(2)供电，

·外壳(10)，其形状为环形，其沿轴线X纵向延伸，并限定径向内表面(S1)和径向外表面(S2)，外壳(10)包括多个在径向内表面(S1)中形成的称为内浴槽(11)的冷却浴槽，以及在径向外表面(S2)中形成的称为外浴槽(12)的冷却浴槽，

·冷却回路(9)，其配置为向每个内浴槽(11)和每个外浴槽(12)供应冷却剂(F)，和

·电力装置(3-1；3-18)，其安装在内浴槽(11)和外浴槽(12)中，以便对所有电力装置(3-1；3-18)进行冷却。

2.根据权利要求1所述的电气转换器(1)，其中所述内浴槽(1)和/或所述外浴槽(12)的纵向位置相同。

3.根据权利要求1或2所述的电气转换器(1)，其中所述电气转换器(1)包括数量相同的外浴槽(12)和内浴槽(11)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电气转换器(1)，其中所述内浴槽(11)和外浴槽(12)在外壳(10)的外围交替设置。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电气转换器(1)，其中所述内浴槽(11)和外浴槽(12)呈角度地分布在外壳(10)的外围。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电气转换器(1)，其中所述冷却回路(9)包括入口(9A)和出口(9B)，所述入口(9A)和出口(9B)是直径相对的，并且由至少两个独立的冷却分支(B1、B2)连接，所述冷却分支(B1、B2)优选也是直径相对的。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的电气转换器(1)，其中所述冷却回路(9)包括通道(90)，所述通道(90)在外壳(10)的厚度上延伸并连接内浴槽(11)和外浴槽(12)。

8.根据权利要求7所述的电气转换器(1)，其中两个相邻的浴槽(11、12)通过多个独立的通道(90)连接，优选地，超过10个。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的电气转换器(1)，其中至少一个电力装置(3-1；3-18)包括与散热器(5)相关联的电力模块(4)，散热器(5)安装在内浴槽(11)或外浴槽(12)中。

10.根据权利要求9所述的电气转换器(1)，其中所述散热器(5)包括定位于内浴槽(11)或外浴槽(12)中的翅片(51)。

11.根据权利要求9至10中任一项所述的电气转换器(1)，其中所述电力装置(3-1；3-18)包括锁定构件(7)，所述锁定构件(7)配置为与在外壳(10)中形成的接收构件(15)配合，以便将散热器(5)固定在内浴槽(11)或外浴槽(12)中。

12.一种电气模块(M)，其包括：

·电机(2)，特别是用于飞行器的电机，其包括环形定子(21)和转子(22)，和

·根据权利要求1至11中任一项所述的电气转换器(1)，所述电气转换器的电力装置(3-1；3-18)连接到环形定子(21)，以便向电机(2)供电。

13.根据权利要求12所述的电气模块(M)，其中所述电气转换器(1)包括称为第一冷却回路(9)的冷却回路(9)，所述电机(2)包括称为第二冷却回路(9')的冷却回路，冷却剂(F)以串联的方式向第一冷却回路(9)和第二冷却回路(9')供应。

14.根据权利要求12所述的电气模块(M)，其中所述电气转换器(1)包括称为第一冷却回路(9)的冷却回路(9)，所述电机(2)包括称为第二冷却回路(9')冷却回路，冷却剂(F)以并联的方式向第一冷却回路(9)和第二冷却回路(9')供应。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的电气模块(M)的使用方法，包括以下步骤：

·经由电气转换器(1)的电力装置(3-1；3-18)向电机(2)供电，

·使冷却剂(F)在电气转换器(1)的冷却回路(9)中循环，以便对电力装置(3-1；3-18)进行冷却。