RU2656866C1 - Electric machine with built-in converter - Google Patents
Electric machine with built-in converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2656866C1 RU2656866C1 RU2017129633A RU2017129633A RU2656866C1 RU 2656866 C1 RU2656866 C1 RU 2656866C1 RU 2017129633 A RU2017129633 A RU 2017129633A RU 2017129633 A RU2017129633 A RU 2017129633A RU 2656866 C1 RU2656866 C1 RU 2656866C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- converter
- power transistor
- compartment
- electric machine
- transistor modules
- Prior art date
Links
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 41
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 23
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 6
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 5
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 3
- 229910001369 Brass Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000010951 brass Chemical class 0.000 claims description 2
- 150000001879 copper Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 2
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000976 Electrical steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 2
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000003985 ceramic capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 230000009347 mechanical transmission Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 231100000817 safety factor Toxicity 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000013518 transcription Methods 0.000 description 1
- 230000035897 transcription Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
- H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
- H02K11/30—Structural association with control circuits or drive circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
- H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
- H02K5/22—Auxiliary parts of casings not covered by groups H02K5/06-H02K5/20, e.g. shaped to form connection boxes or terminal boxes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Transportation (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к тяговым системам транспортных машин на основе электрических машин с силовыми полупроводниковыми преобразователями.The invention relates to mechanical engineering, mainly to traction systems of transport vehicles based on electrical machines with power semiconductor converters.
Известна коллекторная электрическая машина, конструктивно объединенная с блоком управления (контроллером, преобразователем электрической энергии) этого электродвигателя (DE 4016663 A1, Н02K 11/04; Н02K 9/22; Н02Р 7/288, 20.12.1990; FR 2650131 A1, Н02K 11/04; Н02K 9/22; Н02Р 7/288, 25.01.1991).A known electric collector machine is structurally integrated with a control unit (controller, electric energy converter) of this electric motor (DE 4016663 A1, Н02K 11/04; Н02K 9/22; Н02Р 7/288, 12/20/1990; FR 2650131 A1, Н02K 11 / 04; Н02K 9/22; Н02Р 7/288, 01/25/1991).
Она имеет пониженную надежность и небольшой ресурс работы, что обусловлено наличием коллекторного узла электрической машины.It has reduced reliability and a small service life, which is due to the presence of the collector assembly of an electric machine.
Известен также мехатронный модульный агрегат, содержащий корпус, в котором расположены электрическая машина и элементы силовой электроники, причем корпус выполнен в виде двух герметично соединенных отсеков, в одном из которых расположена электрическая машина, а в другом - элементы силовой электроники. Между отсеками образована полость, сообщающаяся с системой охлаждения агрегата (RU 128036 U1, Н02К 5/20, 21.01.2013).Also known is a mechatronic modular unit containing a housing in which an electric machine and power electronics elements are located, the housing being made in the form of two hermetically connected compartments, one of which is an electric machine, and the other has power electronics elements. A cavity is formed between the compartments, which communicates with the cooling system of the unit (RU 128036 U1, Н02К 5/20, 01/21/2013).
Недостатком этого мехатронного агрегата являются его повышенные габаритные размеры, что обусловлено наличием двух герметично соединенных охлаждаемых отсеков.The disadvantage of this mechatronic unit is its increased overall dimensions, which is due to the presence of two hermetically connected cooled compartments.
Наиболее близким к предложенному техническому решению является тяговый мехатронный модуль, реализованный в виде электрической машины со встроенным силовым преобразователем. Он содержит ротор и статор электрической машины, силовые транзисторные модули с драйверами, датчики тока фазных обмоток, размещенные над силовыми транзисторными модулями, а также низкочастотный и высокочастотный входные емкостные фильтры, каждый их которых расположен на отдельной печатной плате. Силовые транзисторные модули с датчиками тока и драйверами, а также печатные платы емкостных фильтров, размещены последовательно вдоль оси электрической машины. Соединения силовых транзисторных модулей с выводами питания и фазными обмотками выполнены отдельными проводами (RU 2330371 C1, Н02К 11/00, Н02К 19/22, Н02Р 6/00, 27.07.2008).Closest to the proposed technical solution is a traction mechatronic module, implemented in the form of an electric machine with a built-in power converter. It contains the rotor and stator of the electric machine, power transistor modules with drivers, phase winding current sensors located above the power transistor modules, as well as low-frequency and high-frequency input capacitive filters, each of which is located on a separate printed circuit board. Power transistor modules with current sensors and drivers, as well as printed circuit boards of capacitive filters, are placed in series along the axis of the electric machine. The connections of the power transistor modules with power leads and phase windings are made by separate wires (RU 2330371 C1, Н02К 11/00, Н02К 19/22, Н02Р 6/00, 07.27.2008).
Недостатком этого устройства являются повышенные габаритные размеры, что обусловлено применением трехслойной конструкции преобразователя (последовательным расположением двух печатных плат емкостных фильтров и силовых транзисторных модулей) и отдельных проводов для силовых электрических соединений, а также применением крупногабаритных датчиков тока, расположенных над силовыми транзисторными модулями.The disadvantage of this device is the increased overall dimensions, which is due to the use of a three-layer converter design (the sequential arrangement of two printed circuit boards of capacitive filters and power transistor modules) and separate wires for power electrical connections, as well as the use of large current sensors located above the power transistor modules.
Задачей изобретения является уменьшение габаритных размеров электрической машины со встроенным преобразователем.The objective of the invention is to reduce the overall dimensions of an electric machine with a built-in converter.
В электрической машине со встроенным преобразователем, содержащей корпус или станину, статор с фазными обмотками, закрепленный внутри корпуса или станины, ротор, подшипниковые щиты и преобразователь, в состав которого входят силовые транзисторные модули, их драйверы, входной емкостный фильтр, контроллер и датчики тока фазных обмоток, положения ротора и/или температуры, соединенные с сигнальными выводами контроллера, причем выходные выводы силовых транзисторных модулей непосредственно, через диоды или через датчики тока соединены с фазными обмотками, а плюсовой и минусовой выводы этих модулей соединены с выводами входного емкостного фильтра и выводами питания, указанный технический результат достигается за счет реализации по меньшей мере одного из следующих технических решений:In an electric machine with a built-in converter containing a housing or bed, a stator with phase windings, mounted inside the housing or bed, a rotor, bearing shields and a converter, which includes power transistor modules, their drivers, input capacitive filter, controller and phase current sensors windings, rotor position and / or temperature, connected to the signal terminals of the controller, the output terminals of the power transistor modules directly, through diodes or through current sensors connected to the phases windings, and the plus and minus terminals of these modules are connected to the terminals of the input capacitive filter and the power terminals, the specified technical result is achieved through the implementation of at least one of the following technical solutions:
- силовые транзисторные модули и входной емкостный фильтр расположены на одной стенке отсека преобразователя, причем эта стенка образована частью поверхности подшипникового щита, или корпуса, или станины;- power transistor modules and an input capacitive filter are located on the same wall of the transducer compartment, and this wall is formed by a part of the surface of the bearing shield, or housing, or bed;
- контроллер, силовые транзисторные модули и входной емкостный фильтр прикреплены по меньшей мере к одной внутренней стенке отсека преобразователя;- the controller, power transistor modules, and an input capacitive filter are attached to at least one inner wall of the converter compartment;
- отсек преобразователя имеет по меньшей мере один внутренний размер, соответствующий размеру наиболее крупногабаритной составной части преобразователя;- the converter compartment has at least one internal dimension corresponding to the size of the largest component part of the converter;
- драйверы размещены на силовых транзисторных модулях между их выходными выводами и плюсовыми и минусовыми выводами;- drivers are placed on power transistor modules between their output terminals and plus and minus terminals;
- контроллер содержит печатную плату, на которой размещены микроконтроллер и магниточувствительный или светочувствительный элемент датчика положения ротора;- the controller contains a printed circuit board on which the microcontroller and the magnetically sensitive or photosensitive element of the rotor position sensor are located;
- датчик положения ротора содержит постоянный магнит с диаметральным намагничиванием, прикрепленный к торцу вала ротора, и микросхему магнитного датчика угла поворота (энкодера), размещенную на печатной плате контроллера;- the rotor position sensor contains a permanent magnet with a diametral magnetization attached to the end of the rotor shaft, and a microcircuit of a magnetic angle sensor (encoder) located on the controller circuit board;
- по меньшей мере один датчик тока выполнен без кольцевого магнитопровода на основе датчика Холла;- at least one current sensor is made without an annular magnetic circuit based on a Hall sensor;
- соединения силовых транзисторных модулей с фазными обмотками, и/или входным емкостным фильтром, и/или выводами питания выполнены изолированными (ламинированными) шинами, или шинами, имеющими отношение толщины к ширине не менее 1:5, или шинами, выполненными с возможностью отвода тепла от этих шин на поверхность отсека преобразователя;- connections of power transistor modules with phase windings, and / or an input capacitive filter, and / or power terminals are made by insulated (laminated) buses, or buses having a thickness to width ratio of at least 1: 5, or buses made with the possibility of heat dissipation from these tires to the surface of the converter compartment;
- соединения силовых транзисторных модулей с фазными обмотками, и/или входным емкостным фильтром, и/или выводами питания выполнены в виде шин, а силовые транзисторные модули или их транзисторы и/или диоды выполнены неизолированными и без изоляторов установлены на шины, или между шинами, или впрессованы в шины;- the connections of the power transistor modules with phase windings and / or the input capacitive filter and / or power leads are made in the form of buses, and the power transistor modules or their transistors and / or diodes are made non-insulated and without insulators are installed on the buses, or between the buses, or pressed into tires;
- в отсеке преобразователя размещен вентилятор и/или вал ротора, входящий в этот отсек, оснащен крыльчаткой вентилятора, или по меньшей мере одна стенка отсека преобразователя содержит каналы его жидкостного охлаждения;- a fan and / or a rotor shaft included in this compartment is equipped with a fan impeller in the converter compartment, or at least one wall of the converter compartment contains channels for its liquid cooling;
- по меньшей мере один датчик температуры приспособлен для измерения температуры входного емкостного фильтра, или температуры силового транзисторного модуля, или температуры фазной обмотки, или температуры охлаждающей жидкости, или температуры контроллера, или температуры стенки отсека преобразователя, или температуры воздуха в этом отсеке, или температуры провода или шины, подключенного/подключенной к силовому транзисторному модулю, а контроллер выполнен с возможностью формирования сигналов управления драйверами из условия предотвращения превышения измеренной величины температуры ее предварительно установленного максимально допустимого значения.- at least one temperature sensor is adapted to measure the temperature of the input capacitive filter, or the temperature of the power transistor module, or the temperature of the phase winding, or the temperature of the coolant, or the temperature of the controller, or the wall temperature of the converter compartment, or the air temperature in this compartment, or the temperature wire or bus connected / connected to the power transistor module, and the controller is configured to generate driver control signals from the condition of the pre rashchenija measured value exceeding its temperature preset maximum value.
Реализация каждого из указанных альтернативных признаков независимого пункта формулы изобретения, а также одновременная реализация нескольких этих признаков в любом сочетании, приводит к достижению одного и того же технического результата.The implementation of each of these alternative features of an independent claim, as well as the simultaneous implementation of several of these features in any combination, leads to the achievement of the same technical result.
В частности, размещение силовых транзисторных модулей и по меньшей мере части конденсаторов входного емкостного фильтра на одной стенке отсека преобразователя, образованной частью поверхности подшипникового щита, корпуса или станины, предусмотренное признаками первого альтернативного технического решения, обеспечивает повышенную плотность монтажа преобразователя на этой стенке и наиболее эффективный отвод тепла от этих компонентов. В этом случае свободное пространство, оставшееся от заполнения этой стенки силовыми транзисторными модулями, заполняется конденсаторами входного емкостного фильтра. Благодаря этому исключается необходимость установки дополнительной печатной платы с конденсаторами фильтра, а более эффективный отвод тепла от емкостного фильтра позволяет применить в нем более малогабаритные конденсаторы, что обеспечивает уменьшение габаритных размеров электрической машины со встроенным преобразователем.In particular, the placement of power transistor modules and at least part of the capacitors of the input capacitive filter on one wall of the converter compartment, formed by a part of the surface of the bearing shield, housing or bed, provided for by the signs of the first alternative technical solution, provides an increased density of mounting the converter on this wall and the most efficient heat removal from these components. In this case, the free space remaining from filling this wall with power transistor modules is filled with capacitors of the input capacitive filter. This eliminates the need to install an additional printed circuit board with filter capacitors, and a more efficient heat removal from the capacitive filter allows the use of smaller condensers in it, which reduces the overall dimensions of an electric machine with an integrated converter.
Крепление контроллера, силовых транзисторных модулей и входного емкостного фильтра непосредственно к внутренним стенкам отсека преобразователя без применения дополнительных стоек и без объединения этих составных частей преобразователя в пакет, позволяет обеспечить минимальное расстояние между этими составными частями и стенками отсека. В частности, за счет замены воздушных зазоров изоляционными прокладками. Кроме того, непосредственное крепление компонентов (частей преобразователя) к стенкам отсека приводит к улучшению отвода тепла от них и, соответственно, позволяет использовать более малогабаритные компоненты. Благодаря этому реализация второго альтернативного технического решения также обеспечивает уменьшение габаритных размеров электрической машины со встроенным преобразователем.The fastening of the controller, power transistor modules, and the input capacitive filter directly to the inner walls of the converter compartment without the use of additional racks and without combining these converter components into a package allows for a minimum distance between these components and the compartment walls. In particular, by replacing air gaps with insulating gaskets. In addition, the direct fastening of components (converter parts) to the compartment walls leads to improved heat removal from them and, accordingly, allows the use of more small-sized components. Due to this, the implementation of the second alternative technical solution also provides a reduction in the overall dimensions of an electric machine with a built-in converter.
К этому же результату приводит реализация третьего альтернативного технического решения, в котором отсек преобразователя имеет по меньшей мере один внутренний размер, соответствующий размеру наиболее крупногабаритной составной части преобразователя. В этом случае уменьшение габаритных размеров обеспечивается за счет уменьшения размера отсека преобразователя до размера наиболее крупногабаритной составной части преобразователя. Реализация этого технического решения требует выбора таких составных частей преобразователя, которые имеют согласованные размеры, обеспечивающие возможность их плотной компоновки в отсеке.The implementation of the third alternative technical solution in which the converter compartment has at least one internal size corresponding to the size of the largest component part of the converter leads to the same result. In this case, a decrease in overall dimensions is ensured by reducing the size of the converter compartment to the size of the largest component part of the converter. The implementation of this technical solution requires the selection of such components of the transducer, which have agreed dimensions, providing the possibility of their tight arrangement in the compartment.
В четвертом альтернативном техническом решении драйверы размещены на силовых транзисторных модулях или над ними между их выходными выводами и плюсовыми и минусовыми выводами. В этом случае для установки драйверов не требуется дополнительной площади стенки отсека. Не требуется также увеличения высоты отсека преобразователя, поскольку драйверы имеют малую высоту, не превышающую высоту выводов с шинами и крепежными элементами. Благодаря этому также обеспечивается уменьшение габаритных размеров электрической машины со встроенным преобразователем.In a fourth alternative technical solution, the drivers are located on or above power transistor modules between their output terminals and plus and minus terminals. In this case, to install the drivers do not require additional wall area of the compartment. It is also not necessary to increase the height of the converter compartment, since the drivers have a low height that does not exceed the height of the terminals with tires and fasteners. This also ensures a reduction in the overall dimensions of an electric machine with an integrated converter.
Размещение микроконтроллера и магниточувствительного или светочувствительного элемента датчика положения ротора на печатной плате контроллера, предусмотренное пятым отличительным признаком изобретения, исключает необходимость применения отдельного датчика положения ротора, что обеспечивает уменьшение габаритных размеров преобразователя и, соответственно, устройства в целом.The placement of the microcontroller and the magnetosensitive or photosensitive element of the rotor position sensor on the controller circuit board, provided for by the fifth distinguishing feature of the invention, eliminates the need for a separate rotor position sensor, which reduces the overall dimensions of the converter and, accordingly, the device as a whole.
Реализация датчика положения ротора в виде постоянного магнита с диаметральным намагничиванием, прикрепленного к торцу вала ротора, и микросхемы магнитного датчика угла (энкодера), размещенной на печатной плате контроллера, позволяет реализовать наиболее малогабаритный датчик положения ротора. Такая конструкция датчика позволяет также осуществлять измерение положения ротора путем фиксации направления магнитного поля без введения вала ротора в отсек преобразователя. Благодаря этому обеспечивается уменьшение габаритных размеров электрической машины со встроенным преобразователем.The implementation of the rotor position sensor in the form of a permanent magnet with diametral magnetization attached to the end of the rotor shaft, and the microcircuit of the magnetic angle sensor (encoder) located on the controller circuit board, allows for the implementation of the most small-sized rotor position sensor. This design of the sensor also makes it possible to measure the position of the rotor by fixing the direction of the magnetic field without introducing the rotor shaft into the converter compartment. This ensures a reduction in the overall dimensions of an electric machine with a built-in converter.
Силовые транзисторные модули преобразователей тяговых электрических машин рассчитаны на повышенные токи. Это позволяет реализовать седьмое альтернативное техническое решение, в котором датчики тока выполнены на основе датчиков (элементов) Холла без кольцевых магнитопроводов. В этом случае измерение токов в силовых проводах или шинах осуществляется путем фиксации магнитных полей, создаваемых этими токами, непосредственно в воздухе около силовых проводов или шин. Исключение магнитопроводов из состава датчиков тока приводит к существенному уменьшению их габаритных размеров, и соответственно, габаритных размеров всей электрической машины со встроенным преобразователем.Power transistor modules of converters of traction electric machines are designed for increased currents. This allows you to implement the seventh alternative technical solution in which the current sensors are based on Hall sensors (elements) without ring magnetic circuits. In this case, the measurement of currents in power wires or buses is carried out by fixing the magnetic fields created by these currents directly in the air near the power wires or buses. The exclusion of magnetic cores from the composition of current sensors leads to a significant reduction in their overall dimensions, and, accordingly, the overall dimensions of the entire electric machine with an integrated converter.
Выполнение соединений силовых транзисторных модулей с фазными обмотками, входным емкостным фильтром и выводами питания изолированными (ламинированными) шинами; плоскими шинами, имеющими отношение толщины к ширине не менее 1:5; или шинами, выполненными с возможностью отвода тепла от этих шин через поверхность отсека преобразователя, предусмотренное восьмыми альтернативными признаками изобретения, позволяет сократить часть объема отсека преобразователя, необходимого для размещения этих шин и, соответственно, габаритные размеры всей электрической машины со встроенным преобразователем. В том числе, применение изолированных (в частности, ламинированных) шин позволяет уменьшить эти размеры за счет сокращения воздушных зазоров между шинами и стенками отсека преобразователя и его другими компонентами. Применение плоских шин, имеющих отношение толщины к ширине не менее 1:5, позволяет сократить размеры отсека преобразователя в направлении толщины этой шин, а также за счет расположения этих шин в промежутках между компонентами преобразователя. Применение шин, выполненными с возможностью отвода тепла от этих шин через поверхность отсека преобразователя (в частности, шин с теплопроводящим изоляционным покрытием, допускающих возможности их прижатия к поверхности отсека преобразователя), позволяет сократить размеры этого отсека за счет увеличения плотности тока в шинах и, соответственно, уменьшения их сечения и толщины.Making connections of power transistor modules with phase windings, an input capacitive filter and power leads with insulated (laminated) buses; flat tires having a thickness to width ratio of at least 1: 5; or tires made with the possibility of heat removal from these tires through the surface of the converter compartment, provided for by the eighth alternative features of the invention, allows to reduce the part of the converter compartment volume required to accommodate these tires and, accordingly, the overall dimensions of the entire electric machine with an integrated converter. In particular, the use of insulated (in particular, laminated) tires allows these dimensions to be reduced by reducing air gaps between the tires and the walls of the converter compartment and its other components. The use of flat tires having a thickness to width ratio of at least 1: 5 reduces the dimensions of the converter compartment in the direction of the thickness of the tires, as well as by arranging these tires between the components of the converter. The use of tires made with the possibility of heat removal from these tires through the surface of the converter compartment (in particular, tires with a thermally conductive insulating coating, allowing them to be pressed against the surface of the converter compartment), reduces the size of this compartment by increasing the current density in the tires and, accordingly , reducing their cross-section and thickness.
Силовые транзисторные модули имеют, как правило, массивное медное основание, использующееся для отвода тепла от них. Эти основания, в соответствии с девятым альтернативным техническим решением, дополнительно используются в качестве силовых электрических шин. С этой целью силовые транзисторные модули или их диоды и/или транзисторы выполнены неизолированными и без изоляторов установлены на силовые шины, между шинами или впрессованы в них, что приводит к перераспределению тока между силовыми шинами и этими основаниями. Это позволяет уменьшить толщину шин и, соответственно, объем отсека преобразователя и габаритные размеров всей электрической машины с этим преобразователем.Power transistor modules have, as a rule, a massive copper base used to remove heat from them. These bases, in accordance with the ninth alternative technical solution, are additionally used as power busbars. For this purpose, power transistor modules or their diodes and / or transistors are made non-insulated and without insulators are installed on power buses, between buses or are pressed into them, which leads to redistribution of current between power buses and these bases. This makes it possible to reduce the thickness of the tires and, accordingly, the volume of the converter compartment and the overall dimensions of the entire electric machine with this converter.
Размещение в отсеке преобразователя вентилятора, либо установка крыльчатки вентилятора на вал ротора, входящий в этот отсек, реализованное в соответствии с десятыми альтернативными признаками изобретения, обеспечивает улучшение охлаждения всех составных частей преобразователя. Это дает возможность применить в преобразователе более малогабаритные составные части, а также повысить плотность тока в силовых шинах и, соответственно, уменьшить их сечение. Это приводит к уменьшению объема отсека, необходимого для размещения преобразователя, и к уменьшению габаритных размеров всей электрической машины с этим преобразователем. По этим же причинам обеспечивается уменьшение габаритных размеров электрической машины со встроенным преобразователем в случае размещения в одной или в нескольких стенках отсека преобразователя каналов жидкостного охлаждения этого отсека.The placement in the compartment of the fan converter, or the installation of the fan impeller on the rotor shaft included in this compartment, implemented in accordance with the tenth alternative features of the invention, provides improved cooling of all components of the converter. This makes it possible to use more small-sized components in the converter, as well as to increase the current density in power buses and, accordingly, reduce their cross-section. This leads to a decrease in the volume of the compartment required to accommodate the converter, and to a decrease in the overall dimensions of the entire electric machine with this converter. For the same reasons, the overall dimensions of an electric machine with a built-in converter are reduced if this channel is placed in one or several walls of the converter compartment of the liquid cooling channels.
В электрической машине со встроенным преобразователем, реализованной в соответствии с последними альтернативными признаками изобретения, осуществляется контроль и ограничение температуры ее составных частей. Для этого используются датчики температуры входного емкостного фильтра, силовых транзисторных модулей, фазных обмоток, охлаждающей жидкости, контроллера, стенок отсека преобразователя, температуры воздуха в этом отсеке и температуры проводов или шин, подключенных к силовым транзисторным модулям. Реализация контроля температур и их ограничение в процессе работы электрической машины со встроенным преобразователем позволяет уменьшить ее габаритные размеры за счет сокращения коэффициентов запаса ее составных частей по рабочей температуре. В этом случае отсутствует необходимость применения крупногабаритных составных частей, гарантирующих отсутствие их перегрева во всех условиях и режимах их работы. Данное техническое решение позволяет за счет регулирования режимов работы силовых транзисторных ключей применить в преобразователе малогабаритные компоненты, имеющие повышенные плотности мощности и тока и уменьшенные значения запасов по рабочим температурам, причем без ухудшения надежности их работы в малых объемах.In an electric machine with a built-in converter, implemented in accordance with the latest alternative features of the invention, the temperature is controlled and limited by its components. For this, temperature sensors for the input capacitive filter, power transistor modules, phase windings, coolant, controller, converter compartment walls, air temperature in this compartment and the temperature of wires or buses connected to power transistor modules are used. The implementation of temperature control and their limitation during operation of an electric machine with a built-in converter allows to reduce its overall dimensions by reducing the safety factors of its components at the operating temperature. In this case, there is no need to use large-sized components that guarantee the absence of their overheating in all conditions and modes of their operation. This technical solution allows, by regulating the operating modes of power transistor switches, to use small-sized components in the converter having increased power and current densities and reduced values of reserves at operating temperatures, without compromising the reliability of their operation in small volumes.
Из изложенного следует, что реализация как одного (любого) так и одновременно нескольких отличительных признаков изобретения обеспечивает уменьшение габаритных размеров электрической машины со встроенным преобразователем. Дополнительно это показано при описании различных вариантов осуществления данного изобретения.It follows from the foregoing that the implementation of one (any) as well as several distinctive features of the invention reduces the overall dimensions of an electric machine with a built-in converter. This is further shown in the description of various embodiments of the present invention.
На фиг. 1 представлена упрощенная схема одного из возможных вариантов конструктивного исполнения электрической машины со встроенным преобразователем. На фиг. 2 приведена ее электрическая схема, на фиг. 3 - силовой транзисторный модуль с установленным на нем драйвером, на фиг. 4 - схема расположения составных частей преобразователя на заднем подшипниковом щите электрической машины, а на фиг. 5 - рисунок, поясняющий принцип измерения тока в шинах.In FIG. 1 shows a simplified diagram of one of the possible options for the design of an electric machine with a built-in converter. In FIG. 2 shows its electrical circuit, in FIG. 3 - power transistor module with a driver installed on it, in FIG. 4 is a schematic diagram of the arrangement of converter components on a rear bearing shield of an electric machine, and FIG. 5 is a drawing explaining the principle of measuring current in the tires.
Электрическая машина со встроенным преобразователем содержит корпус или станину 1 с подшипниковыми щитами 2, 3. Внутри корпуса или станины размещен статор. На зубцах или в пазах его магнитопровода (сердечника) 4, выполненного из листов электротехнической стали, размещены фазные обмотки 5. Магнитопровод статора закреплен с помощью нажимных шайб 6, 7.An electric machine with an integrated converter comprises a housing or
Если конструкцией электрической машины предусмотрено использование корпуса в качестве не только несущего элемента, но и активной части электрической машины, проводящей магнитный поток, то корпус именуется станиной.If the design of the electric machine provides for the use of the housing as not only the supporting element, but also the active part of the electrical machine conducting the magnetic flux, then the housing is called the bed.
С наружной стороны корпуса или станины установлен наружный кожух 8. Между ними расположен спиральный канал 9 для охлаждающей жидкости Q, которая с помощью внешнего циркуляционного насоса подводиться к электрической машине и отводится от нее через патрубки (штуцеры) 10, 11. Охлаждение этой жидкости осуществляется во внешнем радиаторе. Каналы для охлаждающей жидкости могут быть также расположены между корпусом и статором электрической машины, между катушками его фазных обмоток и т.д. Возможно также применение воздушного естественного, воздушного принудительного или испарительного охлаждения.An outer casing is installed on the outer side of the casing or
Сердечник (магнитопровод) ротора 12 выполнен шихтованным из листовой электротехнической стали и закреплен на валу 13 с помощью шпонки. Нажимные шайбы 14, 15 удерживают его листы в запрессованном состоянии.The core (magnetic circuit) of the
Электрическая машина может быть электрическим двигателем и/или генератором. По своей конструкции она может быть вентильно-индукторной (вентильной реактивной, вентильной индукторно-реактивной) без постоянных магнитов и обмоток на роторе, именуемой в зарубежной технической литературе как «SRM» (Switched Reluctance Motor), синхронной с постоянными магнитами на роторе, именуемой в зарубежной литературе как «PMSM» (Permanent Magnet Synchronous Motor), «BLDC» (Brushless Direct Current Motor) или «РМа-SynRM» (Permanent magnet-assisted synchronous reluctance machines), а также асинхронной.The electric machine may be an electric motor and / or generator. By its design, it can be a valve-inductor (valve reactive, valve inductor-reactive) without permanent magnets and windings on the rotor, referred to in the foreign technical literature as "SRM" (Switched Reluctance Motor), synchronous with permanent magnets on the rotor, referred to in foreign literature like PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor), BLDC (Brushless Direct Current Motor) or PMA-SynRM (Permanent magnet-assisted synchronous reluctance machines), as well as asynchronous.
Преобразователь, встроенный в электрическую машину, может именоваться также силовым коммутатором, инвертором, блоком управления, преобразователем электрической энергии, частотным преобразователем, электронной системой управления и т.п. Он содержит силовые транзисторные модули 16, 17, 18, их драйверы 19, контроллер 20, входной емкостный фильтр 21, датчики тока 22, 23, 24, датчик положения ротора 25, датчики температуры фазных обмоток 5, температуры 26 силовых транзисторных модулей, температуры охлаждающей жидкости в канале 9 и т.д.A converter built into an electric machine can also be called a power switch, an inverter, a control unit, an electric energy converter, a frequency converter, an electronic control system, and the like. It contains
Контроллер 20 может именоваться цифровым вычислителем, схемой управления, информационно-вычислительным блоком или устройством и т.д. Он может быть реализован в виде одной или нескольких печатных плат на основе программируемого микроконтроллера или специализированного цифрового сигнального процессора, предназначенного для цифрового управления электрическими машинами. Контроллер реализован из условия обеспечения возможности быстрого захвата сигналов с датчика положения ротора 25 и датчиков тока 22, 23, 24 в фазных обмотках 5, контроля напряжения на этих обмотках и входного напряжения (UВХ), формирования сигналов управления драйверами 19 силовых транзисторных модулей 16, 17, 18 в ответ на изменения контролируемых параметров электрической машины в реальном масштабе времени, защиты этих модулей и электрической машины от аварийных режимов (от перегрева, превышения тока и напряжения и т.п.), а также решения общих задач в системе, в которой используется данная электрическая машина со встроенным преобразователем, например, в электромеханической трансмиссии.The
Микроконтроллер или цифровой сигнальный процессор, на основе которого реализован контроллер 20, может содержать несколько процессорных ядер, интегрированную оперативную память и Flash-память программ, встроенные аналого-цифровые преобразователи (АЦП), модули формирования широтно-модулированных сигналов (ШИМ) и набор коммуникационных интерфейсов.The microcontroller or digital signal processor, on the basis of which
Для обмена данными между преобразователем и внешними устройствами, входящими, например, в состав электромеханической трансмиссии (с органами управления, приборными панелями и т.д.), в том числе для приема сигналов управления и передачи сигналов о параметрах и режимах работы электрической машины, используется встроенное в контроллер 20 или подключенное к нему устройство ввода/вывода информации, реализующее обмен этими данными в аналоговой форме, или по проводному - LIN (Local Interconnect Network - интерфейс для автомобильных систем), J1850 (SAE), CAN (Controller Area Network), CarLink, VAN, A-bus, RS-232C (COM - порт), RS-232, RS-485 (Recommended Standard 485, «токовая петля», MIDI, MicroLAN, Ethernet, USB и т.д., или по беспроводному - Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, GSM, CDMA и т.д. интерфейсу (протоколу, стандарту).For data exchange between the converter and external devices that are, for example, part of an electromechanical transmission (with controls, dashboards, etc.), including for receiving control signals and transmitting signals about the parameters and operating modes of an electric machine, it is used an information input / output device built into
Входной емкостный фильтр 21 содержит группу пленочных, и/или электролитических, и/или керамических конденсаторов, которые именуются силовыми конденсаторами (DC-Link) и рассчитаны на работу с большими импульсными токами.The
При работе преобразователя происходит нагрев этих конденсаторов. Поэтому, с целью предотвращения перегрева входного емкостного фильтра, в преобразователе может осуществляться контроль температуры какого либо конденсатора этого фильтра, а также реализация с помощью контроллера 20 алгоритма защиты входного емкостного фильтра от перегрева. В частности, путем ограничения частоты и/или амплитуды токов, коммутируемых силовыми транзисторными модулями 16, 17, 18.When the converter is operating, these capacitors are heated. Therefore, in order to prevent overheating of the input capacitive filter, the temperature of any condenser of this filter can be controlled in the converter, as well as the implementation of the
Датчик положения ротора 25 содержит постоянный магнит 27 с диаметральным намагничиванием, прикрепленный к торцу вала ротора 13, и микросхему магнитного энкодера 28, которая может быть размещена на отдельной печатной плате или на печатной плате контроллера 20. Возможна также реализация датчика положения ротора на основе оптического энкодера или дискретных оптических или магнитных переключателей, например трех оптронов с открытым оптическим каналом или датчиков Холла.The
Преобразователь размещен в отсеке, именуемом отсеком преобразователя, по меньшей мере одна стенка которого является поверхностью подшипникового щита 2, корпуса или станины 1. Прочие стенки отсека преобразователя образует защитный кожух 29. Возможна также реализация преобразователя в отдельном корпусе или кожухе, размещенном на подшипниковом щите, корпусе или станине.The converter is located in a compartment called the converter compartment, at least one wall of which is the surface of the
Силовые транзисторные модули 16, 17, 18 содержит группу биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ) (анг. IGBT - Insulated-gate bipolar transistor), полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП - металл-окисел-полупроводник или МДП - металл-диэлектрик-полупроводник), а по англоязычной терминологии - MOS, MOSFET или МОСФЕТ (от сокращения словосочетаний: «Metal-Oxide-Semiconductor» (металл-окисел-полупроводник) и «Field-Effect-Transistors» (транзистор, управляемый электрическим полем) и их транскрипции, или биполярных транзисторов и диодов. Их кристаллы размещены в отдельных корпусах, например, типа ТО-220, ТО-247, ТО-251АА, ТО-3, ТО-3Р и т.п., или общем корпусе, в частности, на медно-керамической подложке DBC (Direct Bond Copper).
Транзисторы и диоды в этих модулях могут быть соединены по схеме симметричного моста, несимметричного моста, полумоста (показано на фиг. 2), а также верхнего или нижнего прерывателя (чоппера).Transistors and diodes in these modules can be connected according to the scheme of a symmetric bridge, an asymmetric bridge, a half-bridge (shown in Fig. 2), as well as an upper or lower chopper (chopper).
Схема соединения силовых транзисторных модулей с фазными обмотками 5 зависит от типа используемой электрической машины (электрического двигателя или генератора). Если используется вентильно-индукторный электродвигатель или генератор (SRM, SRG) с изолированными (не соединенными между собой) фазными обмотками, то каждая из этих обмоток соединена с выводами силовых транзисторных моделей, реализованных по схеме несимметричного моста или пары прерывателей (чопперов) - верхний прерыватель / нижний прерыватель.The connection diagram of the power transistor modules with
Обмотки SRM, SRG, с целью обеспечения возможности применения широко распространенных полумостовых силовых транзисторных модулей, могут быть соединены по схеме треугольника с включением развязывающих диодов 30 последовательно с каждой фазной обмоткой (этот вариант показан на фиг. 2). Эти диоды могут входить в состав силовых транзисторных модулей 16, 17, 18.The windings SRM, SRG, in order to enable the use of widespread half-bridge power transistor modules, can be connected in a triangle circuit with the inclusion of
В случае применения электрической машины с постоянными магнитами на роторе или асинхронной электрической машины, ее фазные обмотки соединяются по схеме «звезда» или «треугольник» и подключаются к выходам силовых транзисторных модулей, выполненным трехфазной симметричной мостовой схеме. Необходимость в установке диодов 30 в этом случае отсутствует.In the case of using an electric machine with permanent magnets on the rotor or an asynchronous electric machine, its phase windings are connected according to the star or delta circuit and connected to the outputs of the power transistor modules made by a three-phase symmetrical bridge circuit. There is no need to install
Выходные выводы силовых транзисторных модулей соединены с фазными обмотками 5 через датчики тока 22, 23, 24. Возможно также применение силовых транзисторных модулей со встроенными датчиками тока, а также установка датчиков тока в цепи (шины, провода) питания преобразователя (+UВХ), -UBХ).The output terminals of the power transistor modules are connected to the
Драйверы 19 транзисторов силовых модулей 16, 17, 18 размещены над этими модулями между их выходными выводами 31 (UВЫХ) и плюсовыми 32 (+UВХ) и минусовыми 33 (-UВХ) выводами (фиг. 3) и выполнены с реализацией функций защиты этих транзисторов от перегрузок по току, по напряжению и от перегрева. Драйверы формируют также сигналы неисправностей транзисторов этих модулей и соединенных с ними фазных обмоток 5 электрической машины. Для обеспечения возможности защиты силовых транзисторных модулей от перегрева в их состав входят датчики температуры 26, соединенные с контроллером 20.
Сигнальные выводы драйверов, соединенные с программируемым микропроцессорным контроллером 20 с помощью электрического разъема 33, имеют гальваническую развязку от напряжения питания электрической машины и высоковольтной части драйверов +UBХ, -UВХ.The signal outputs of the drivers connected to the
Силовые транзисторные модули 16, 17, 18 с их драйверами, а также по меньшей мере часть конденсаторов входного емкостного фильтра 21, расположены на стенке отсека преобразователя, которая образована частью поверхности подшипникового щита 2, корпуса или станины 1, с возможностью передачи тепла на эту стенку.
В частности, основания 35 силовых транзисторных модулей могут быть прикреплены к этой стенке через теплопроводящую пасту (прокладку). Эта стенка (подшипниковый щит, корпус или станина) может содержать каналы жидкостного охлаждения, выполненные, в частности, в виде медной или латунной трубки, впрессованной в выемки этой стенки, и соединенные с каналами жидкостного охлаждения 9 электрической машины. На этой же стенке, если позволяет ее площадь, размещен контроллер и датчики тока 22, 23, 24 (фиг. 4), либо эти датчики размещены на шинах.In particular, the
С целью улучшения температурного режима работы составных частей преобразователя в его отсеке может быть размещен вентилятор, либо на вал ротора, входящий в этот отсек, может быть установлена крыльчатка вентилятора. Благодаря этому обеспечивается более эффективное охлаждение составных частей преобразователя за счет передачи тепла от этих составных частей на стенки отсека преобразователя.In order to improve the temperature regime of operation of the converter components, a fan can be placed in its compartment, or a fan impeller can be installed on the rotor shaft entering this compartment. This ensures more efficient cooling of the components of the Converter due to the transfer of heat from these components to the walls of the compartment of the Converter.
Размеры этого отсека, с целью достижения его максимально полного заполнения, должны быть согласованы с размерами составных частей преобразователя. В частности, этот отсек имеет по меньшей мере один внутренний размер, соответствующий размеру наиболее крупногабаритной составной части преобразователя. Причем под этим соответствием подразумевается выбор размера отсека равным высоте, ширине или длине наиболее крупногабаритной составной части преобразователя, увеличенной на величину зазора (воздушного промежутка или изолятора) между этой составной частью преобразователя и внутренней стенкой отсека.The dimensions of this compartment, in order to achieve its maximum fullness, must be consistent with the dimensions of the components of the converter. In particular, this compartment has at least one internal size corresponding to the size of the largest component of the transducer. Moreover, this correspondence implies the choice of the compartment size equal to the height, width or length of the largest component of the transducer, increased by the amount of clearance (air gap or insulator) between this component of the transducer and the inner wall of the compartment.
Например, если составные части преобразователя размещены на заднем подшипниковом щите 2, то высота наиболее крупногабаритной составной части преобразователя, например входного емкостного фильтра 21 или силовых транзисторных модулей 16, 17, 18 с их драйверами 19, должна соответствовать размеру отсека преобразователя в направлении оси электрической машины. Прочие составные части преобразователя могут размещать в этом отсеке последовательно (один за другим или один над другим), если их суммарная высота с учетом необходимых зазоров (воздушных промежутков) меньше или равна высоте наиболее крупногабаритной составной части преобразователя.For example, if the components of the converter are located on the
Датчики тока могут быть выполнены с кольцевыми магнитопроводами на основе датчиков Холла (фиг. 4), либо, с целью сокращения объема отсека преобразователя, без кольцевых магнитопроводов. В последнем случае датчики Холла 36 обеспечивают измерение магнитных полей, создаваемых в воздухе вокруг этих датчиков токами I, протекающими в проводах или шинах 37, подключенных к выводам 31, 32, 33 силовых транзисторных модулей или фазных обмоток 5 (фиг. 5).The current sensors can be made with annular magnetic circuits based on Hall sensors (Fig. 4), or, in order to reduce the volume of the converter compartment, without annular magnetic circuits. In the latter case,
Датчик Холла 36, выполненный в виде интегральной микросхемы, в случае необходимости увеличения его чувствительности, может быть оснащен ферромагнитный концентратором магнитного поля, который располагается внутри корпуса микросхемы или около нее. Эта микросхема вместе с концентратором магнитного поля через изоляционную прокладку может быть прикреплена к силовой шине 37.The
Соединения силовых транзисторных модулей 16, 17, 18 с выводами фазных обмоток, выводами входного емкостного фильтра 21 и выводами питания, с целью сокращения объема преобразователя, необходимого для размещения этих соединений, выполнены изолированными (ламинированными) шинами, имеющими отношение толщины к ширине не менее 1:5.The connections of the
При этом диоды 30, с целью дальнейшего снижения объема преобразователя, могут быть впрессованы в эти шины или размещены между ними.In this case, the
Изоляционное покрытие шин может быть теплопроводным. В этом случае шины должны быть прижаты к внутренней стенке отсека преобразователя, что обеспечивает улучшение отвода тепла от этих шин.Tire insulation may be thermally conductive. In this case, the tires should be pressed against the inner wall of the converter compartment, which provides improved heat dissipation from these tires.
Силовые транзисторные модули имеют, как правило, медные основания 35. Они могут использоваться в качестве шин. В этом случае транзисторы и диоды силовых транзисторных модулей выполнены неизолированными и установлены непосредственно на шины или впрессованы в эти шины без изоляторов - без использования медно-керамической подложки (DBC). Шины, выполняющие функции оснований силовых транзисторных модулей, через теплопроводящие изоляционные прокладки крепятся к стенкам отсека преобразователя с возможностью передачи тепла на эти стенки.Power transistor modules are usually
Работа устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows.
Внешний сигнал управления UУПР в аналоговой или цифровой форме через устройство ввода/вывода информации, например, через драйвер CAN шины, поступает на контроллер 20.An external control signal U UPR in analog or digital form via an input / output device, for example, via a CAN bus driver, is supplied to the
Этот сигнал задает необходимый уровень выходного напряжения генератора, если электрическая машина представляет собой электрический генератор или электрический двигатель, работающий в режиме генератора, либо необходимую выходную скорость или выходной крутящий момент электрической машины, если она представляет собой электрический двигатель.This signal sets the required level of the output voltage of the generator if the electric machine is an electric generator or an electric motor operating in generator mode, or the required output speed or output torque of an electric machine if it is an electric motor.
При работе в режиме электрического генератора напряжение питания +UВХ, -UВХ преобразователя первоначально подается от внешнего источника постоянного тока, например, от аккумуляторной батареи. Ротор генератора приводится во вращение, например, двигателем внутреннего сгорания.When operating in the electric generator mode, the supply voltage + U BX , -U BX of the converter is initially supplied from an external DC source, for example, from a battery. The generator rotor is driven, for example, by an internal combustion engine.
Контроллер 20, работая по программе, записанной в памяти его микроконтроллера или цифрового сигнального процессора, формирует сигналы на драйверы 19 силовых транзисторных модулей в соответствии с сигналами датчика положения ротора 25. Драйверы 19 в соответствии с полученными импульсами управления формируют напряжения на затворах силовых IGBT или MOSFET транзисторов, либо токи баз биполярных силовых транзисторов, обеспечивая их включение/выключение в соответствующие моменты времени. Силовые транзисторы, входящие в состав силовых транзисторных модулей, попеременно подключают фазные обмотки 5 электрической машины через силовые шины к выводам питания +UВХ, -UВХ, обеспечивая протекание тока по фазным обмоткам 5. Благодаря этому обеспечивается возбуждение электрического генератора, либо создание вращающего момента электрического двигателя.The
При работе устройства в режиме электрического генератора диоды, входящие в состав силовых транзисторных модулей 16, 17 и 18, выполняют роль силового выпрямителя (в примере, показанном на фиг. 2 - трехфазного мостового выпрямителя).When the device is operating in the mode of an electric generator, the diodes included in the
Поскольку информация о положении ротора электрической машины относительно статора представлена в цифровой форме, для коммутации фазных обмоток 5, контроллер 20 реализует алгоритм логического преобразования сигналов датчика положения ротора 25 в сигналы управления драйверами 19 силовых транзисторных модулей, записанный в его Flash-памяти программ. Этот алгоритм может быть представлен, в частности, в виде математических формул или таблиц.Since the information on the position of the rotor of the electric machine relative to the stator is presented in digital form, for switching the
Для регулирования выходного напряжения электрического генератора или крутящего момента электрического двигателя контроллер 20 осуществляет изменение величины тока в фазных обмотках 5 путем изменения длительности или скважности включения этих обмоток, формируя соответствующие импульсные сигналы управления драйверами 19 силовых транзисторных модулей. В простейшем случае это осуществляется путем включения и отключения силовых транзисторных модулей в зависимости о величины токов в фазных обмотках.To regulate the output voltage of the electric generator or torque of the electric motor, the
Под действием этого момента ротор начинает вращаться и через механическую передачу (при ее наличии) приводит в движение, например, колеса или гусеницы транспортной или тяговой машины.Under the influence of this moment, the rotor begins to rotate and, through a mechanical transmission (if any) drives, for example, the wheels or tracks of a transport or traction machine.
После того, когда при работе электрической машины в режиме электрического двигателя скорость вращения вала ротора достигнет заданной величины, или когда при работе в режиме электрического генератора будет достигнута необходимая величина напряжения на нагрузке, подключенной параллельно цепям питания преобразователя, контроллер 20 уменьшает длительности импульсов в сигналах управления драйверами 19, обеспечивая стабилизацию, соответственно, заданной скорости вращения вала электродвигателя или выходного напряжения генератора.After when, when the electric machine is operating in electric motor mode, the rotor shaft rotation speed reaches a predetermined value, or when the required voltage value is reached when operating in the electric generator mode, connected to the converter’s power supply circuits, the
Одновременно контроллер 20 с помощью датчиков температуры, тока и напряжения осуществляет контроль параметров и режимов работы электрической машины и силовой части преобразователя и реализует алгоритмы их защиты от аварийных режимов, в том числе от перегрева входного емкостного фильтра, силовых транзисторных модулей, фазных обмоток и шин (проводов), а также защиту от перегрузок силовых транзисторных модулей по току и по напряжению. Алгоритмы защиты предусматривают отключение сигналов управления силовых транзисторных модулей в случае, если величина контролируемого параметра превышает предварительно установленную максимально допустимую величину.At the same time, the
Для специалистов в данной области техники понятно, что кроме описанных вариантов электрической машины со встроенным преобразователем возможны также иные варианты ее реализации на основе признаков, изложенных в формуле изобретения.For specialists in this field of technology it is clear that in addition to the described options for an electric machine with a built-in converter, other options for its implementation are also possible based on the features set forth in the claims.
Claims (16)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017129633A RU2656866C1 (en) | 2017-08-21 | 2017-08-21 | Electric machine with built-in converter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017129633A RU2656866C1 (en) | 2017-08-21 | 2017-08-21 | Electric machine with built-in converter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2656866C1 true RU2656866C1 (en) | 2018-06-07 |
Family
ID=62560159
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017129633A RU2656866C1 (en) | 2017-08-21 | 2017-08-21 | Electric machine with built-in converter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2656866C1 (en) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2689380C1 (en) * | 2018-09-12 | 2019-05-28 | Владимир Андреевич Коровин | Inductor electric machine with built-in converter |
| RU2694364C1 (en) * | 2018-11-13 | 2019-07-12 | Общество с ограниченной ответственностью "Смартер" | Method for control of inductor machine |
| RU192462U1 (en) * | 2018-12-25 | 2019-09-17 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" (Московский Политех) | AUTONOMOUS CABLE-FREE TRUCK TROLLEY |
| RU2710902C1 (en) * | 2018-09-12 | 2020-01-14 | Владимир Анатольевич Кузнецов | Frameless synchronous rotary electric machine |
| WO2020028144A1 (en) * | 2018-07-31 | 2020-02-06 | Texas Instruments Incorporated | Methods and apparatus to provide an adaptive gate driver for switching devices |
| RU2752780C1 (en) * | 2020-12-15 | 2021-08-03 | Общество с ограниченной ответственностью «ТРАНСМАШ» | Software and hardware solutions for managing igbt modules based on driver on microcontroller |
| CN113767550A (en) * | 2019-07-12 | 2021-12-07 | 帕克-汉尼芬公司 | Electric motor with integrated hydraulic pump and motor controller |
| RU2782339C1 (en) * | 2022-05-20 | 2022-10-26 | Вячеслав Авазович Чукреев | Valve-reluctance motor |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4963778A (en) * | 1986-12-13 | 1990-10-16 | Grundfos International A/S | Frequency converter for controlling a motor |
| RU2330371C1 (en) * | 2007-01-11 | 2008-07-27 | Открытое акционерное общество "АВТОВАЗ" | Drive mechanotronic module |
| JP2012090412A (en) * | 2010-10-19 | 2012-05-10 | Denso Corp | Rotary electric machine |
| RU2453968C2 (en) * | 2010-09-10 | 2012-06-20 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова" | Single-phase valve electric drive |
| RU128036U1 (en) * | 2013-01-21 | 2013-05-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Ё-Инжиниринг" | MECHATRONIC MODULAR UNIT |
| RU2589730C1 (en) * | 2015-07-29 | 2016-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВПО "КубГТУ") | Three-input axial generator plant |
| RU2621410C1 (en) * | 2016-04-28 | 2017-06-05 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Резонанс" | Mechatronic traction module |
-
2017
- 2017-08-21 RU RU2017129633A patent/RU2656866C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4963778A (en) * | 1986-12-13 | 1990-10-16 | Grundfos International A/S | Frequency converter for controlling a motor |
| RU2330371C1 (en) * | 2007-01-11 | 2008-07-27 | Открытое акционерное общество "АВТОВАЗ" | Drive mechanotronic module |
| RU2453968C2 (en) * | 2010-09-10 | 2012-06-20 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова" | Single-phase valve electric drive |
| JP2012090412A (en) * | 2010-10-19 | 2012-05-10 | Denso Corp | Rotary electric machine |
| RU128036U1 (en) * | 2013-01-21 | 2013-05-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Ё-Инжиниринг" | MECHATRONIC MODULAR UNIT |
| RU2589730C1 (en) * | 2015-07-29 | 2016-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВПО "КубГТУ") | Three-input axial generator plant |
| RU2621410C1 (en) * | 2016-04-28 | 2017-06-05 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Резонанс" | Mechatronic traction module |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020028144A1 (en) * | 2018-07-31 | 2020-02-06 | Texas Instruments Incorporated | Methods and apparatus to provide an adaptive gate driver for switching devices |
| US11614368B2 (en) | 2018-07-31 | 2023-03-28 | Texas Instruments Incorporated | Methods and apparatus to provide an adaptive gate driver for switching devices |
| RU2689380C1 (en) * | 2018-09-12 | 2019-05-28 | Владимир Андреевич Коровин | Inductor electric machine with built-in converter |
| RU2710902C1 (en) * | 2018-09-12 | 2020-01-14 | Владимир Анатольевич Кузнецов | Frameless synchronous rotary electric machine |
| RU2694364C1 (en) * | 2018-11-13 | 2019-07-12 | Общество с ограниченной ответственностью "Смартер" | Method for control of inductor machine |
| WO2020101530A1 (en) * | 2018-11-13 | 2020-05-22 | Общество с ограниченной ответственностью "Смартер" | Method for controlling an induction machine |
| RU192462U1 (en) * | 2018-12-25 | 2019-09-17 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" (Московский Политех) | AUTONOMOUS CABLE-FREE TRUCK TROLLEY |
| CN113767550A (en) * | 2019-07-12 | 2021-12-07 | 帕克-汉尼芬公司 | Electric motor with integrated hydraulic pump and motor controller |
| CN113767550B (en) * | 2019-07-12 | 2024-03-08 | 帕克-汉尼芬公司 | Electric motor with integrated hydraulic pump and motor controller |
| RU2752780C1 (en) * | 2020-12-15 | 2021-08-03 | Общество с ограниченной ответственностью «ТРАНСМАШ» | Software and hardware solutions for managing igbt modules based on driver on microcontroller |
| RU2797973C2 (en) * | 2021-01-12 | 2023-06-13 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МО РФ | Electromechanical power supply system |
| RU2782339C1 (en) * | 2022-05-20 | 2022-10-26 | Вячеслав Авазович Чукреев | Valve-reluctance motor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2656866C1 (en) | Electric machine with built-in converter | |
| US10106189B2 (en) | Motor drive control device for electric power steering | |
| JP6240760B2 (en) | Control module for electric motor or generator | |
| JP4293246B2 (en) | Power converter | |
| WO2013080748A1 (en) | Electromechanical electric drive device | |
| US20150292511A1 (en) | High voltage electric device and electric compressor | |
| US10391849B2 (en) | Vehicle drive device | |
| CN110168683B (en) | Capacitor component for an electric motor or generator | |
| JP2010245910A (en) | Electric power conversion apparatus and on-vehicle electric system using the same | |
| JP2009273071A (en) | Device and method of driving semiconductor device | |
| JP5802629B2 (en) | Power converter | |
| JP2015006118A (en) | Rotary electric machine for vehicle | |
| JP6677346B2 (en) | Inverter unit | |
| JP2015006116A (en) | Rotary electric machine for vehicle | |
| JP6243320B2 (en) | Power semiconductor module | |
| Brockerhoff et al. | Highly integrated drivetrain solution: Integration of motor, inverter and gearing | |
| JP2014166043A (en) | Electric power conversion apparatus | |
| JP6277114B2 (en) | Power converter | |
| JP5380097B2 (en) | Power circuit, power converter | |
| JP6272064B2 (en) | Power converter | |
| JP2014057494A (en) | Rotary electric machine for vehicle | |
| RU2689380C1 (en) | Inductor electric machine with built-in converter | |
| JP5798951B2 (en) | Inverter device | |
| JP2021090328A (en) | Inverter controller | |
| RU2698464C1 (en) | Switched reluctance electric machine with switched phase windings |