SE513419C2 - Anordning innefattande en elektrisk maskin med styrutrustning som har kylning - Google Patents

Description

:r tätt 2 513 419 Vid användning av dylika elektriska växelströmsmaskiner i ett fordon innebär denna separata kylning och placering av styrutrustningen en svårighet. I det fall styrutrustningen inte skärmas tillräckligt frän den elektriska maskinen kan problem med elektromagnetisk störning uppstä varvid ett system med ej optimal konstruktion erhålls. För att komma runt denna svärighet har olika förslag framförts för placering av den elektriska styrutrustningen i närheten av eller integrerat med den elektriska maskinen. Fördelarna med dessa förslag har varit begränsade pä grund av att den elektriska maskinen och krafthalvledarna och övriga elektriska komponenter i styrutrustningen inte kylts av ett gemensamt kylsystem.

I US 5,49l,370 beskrivs ett aggregat där en elektrisk maskin och till denna hörande krafthalvledare kyls av ett gemensamt kylsystem. För ästadkommande av kylning av bäde krafthalvledarna och den elektriska maskinen med hjälp av ett och samma kylsystem är krafthalvledarna anordnade i direkt anslutning till det yttre av ett hus som omsluter den elektriska maskinen. I huset är anordnad en spiralformad kylkanal i vilken kylmedel strömmar för kylning av den elektriska maskinen. Till husets utsida och i anslutning till kylkanalen placeras krafthalvledarna. För att säkerställa tillräcklig kylning av krafthalvledarna anordnas dessa företrädesvis till en plan yttre yta hos huset.

Fördelen med den i US 5, 491,37O visade utföringsformen är begränsad eftersom inte direkt kylning av krafthalvledarna erhàlls utan endast en indirekt kylning. För att säkerställa att tillräcklig kylning av krafthalvledarna erhálls krävs speciella arrangemang säsom placering av krafthalvledarna pä en plan yttre yta hos huset.

UPPFINNINGEN, FÖRDELAR Föreliggande uppfinning avser en anordning innefattande en elektrisk maskin och en till denna hörande styrutrustning 3 513 419 och ett förbättrat arrangemang för kylning av dessa. Detta arrangemang ästadkoms med hjälp av de särdrag som anges i den kännetecknande delen av patentkrav l.

Växelströmsmaskinen_ingåšattar i en statorstomme integrerade kylkanaler i vilka kylmedel strömmar. Till statorstommen är anslutet ett lock. Mellan locket och statorstommen är anordnad en modul med krafthalvledare.

Tillsammans med kondensatorer och ett styrkort bildar krafthalvledarmodulen en strömriktare.

Krafthalvledarmodulenwär_anordnad ansluten till kylkanalen pä ett sàdant sätt att krafthalvledarmodulen erhåller en direkt kylning genom det i kylkanalen strömmande kylmedlet.

En fördelaktig användning av den elektriska växelströmsmaskinen enligt uppfinnigen är som drivmotor i ett eldrivet fordon. En annan möjlig användning av den elektriska maskinen enligt uppfinningen är vid mycket höga hastigheter, t ex i ett kraftaggregat där en gasturbin kopplas direkt till en högvarvig generator som via styrutrustningen fär mata aktuell belastning. Denna typ av användning är t ex aktuell vid drivning av ett fordon av hybridtyp. Speciellt vid användning av den elektriska maskinen i fordon ökar kravet pä att dennas vikt och storlek ska minimeras. Maskinen kan alternativt avändas i ett elektrisk spårvagn eller i en eldriven truck.

Fördelen med uppfinningen är att den med styrutrustning integrerade växelströmsmaskinen innefattar ett kylsystem för direkt kylning medelst en vätska av bade krafthalvledare, övriga elektriska komponenter i styrutrustningen och maskinen. Kylmedlet utgörs företrädesvis av vatten med tillsats av frostskyddsmedel.

Den direkta kylningen innebär att kyleffekten ökas samtidigt som aggregatets vikt och storlek kan minskas. Den ökade kyleffekten innebär ocksä att moduler innefattande ett flertal krafthalvledare kan tillátas i växelströmsmaskinen eftersom en tillräcklig kylning av de dessa kan ästadkommas. En annan fördel med föreliggande fluflfOI lO 513 4419 uppfinning är att de i styrutrustningen ingäende elektriska komponenterna inte för säker kylning behöver anordnas pä därför avsedda ytor utan de anordnas i direkt kontakt med det strömmande kylmedlet. Pá detta sätt ökas värmeövergàngen väsentligt mellan styrutrustningens komponenter och kylmedlet. Vidare elimineras behovet av värmeledande pasta eller dylikt.

Tillgängen pä mycket kompakta krafthalvledarmoduler innebär att fördelen med uppfinningen ytterligare ökas med avseende pá vikt- och utrymmesbesparing. I det beskivna utföringsexemplet används en krafthalvledarmodul innefattande ett flertal krafthalvledare av IGBT-typ (Insulated Gate Bipolar Transistor), frihjulsdioder, drivkretsar och skyddsfunktioner.

En fördel med dessa kompakta krafthalvledarmoduler är att utrymme sparas sä att andra elektriska komponenter säsom kondensatorer kan placeras i statorstommen i nära anslutning till kylkanalen eller i direkt kontakt med i denna stömmande kylmedel för kylning.

En annan fördel är att antalet och längden pà de för den elektriska maskinens funktion nödvändiga kopplingskomponenterna, t ex i form av kablar, kan minskas varvid induktansen minskas vilket i sin tur gör att problem med överspänningar minskas. Likasä kan antalet kontaktdon minskas varvid problem med elektromagnetiska störningar kan minskas liksom kostnaderna för dessa.

Anordningen enligt uppfinningen är särskilt fördelaktig i ett drivsystem som förutom den elektriska växelströmsmaskinen med integrerad styrutrustning innefattar en transaxel och en mekanisk transmission. Detta drivsystem kan integreras i mycket hög grad och kan därmed göras mycket kompakt. Med fördel installeras ett sädant drivsystem i ett eldrivet fordon. I det fall fordonet är av hybridtyp är installationen av ett sädant drivsystem extra o! Is L! tas; 513 419 fördelaktigt eftersom kravet pá minimering av dylik utrustning har är extra högt.

RITNINGSFIGURER Uppfinningen ska nu närmare förklaras med hjälp av hänvisning till bifogade ritningsfigurer.

Figur la visar exempel pá hur en elektrisk maskin är ansluten till en kafthalvledarmodul vid motordrift.

Figur lb visar exempel på hur en elektrisk maskin ar ansluten till en kafthagšgedarmodul vid generatordrift. Üeí .

Figur 2 visar i perspektiv en i och för sig kand kafthalvledarmodul ansluten till en skena och till statorlindningsuttag fràn en vaxelströmsmaskin.

Figur 3a visar en delvis snittad med elektronik integrerad elektrisk maskin.

Figur 3b visar i ett %ni;t!A-A i figur 3a ett exempel pà en -ana: :~,~ elektrisk maskin enligt uppfinningen. in mgæ I W. ie.- .";_ Figur 4 visar i ettggëar njtt ett alternativt satt att ekt anslutning till en kylmedelskanal i en statorstomme. bygga in en kondensat Figur 5 visar i ett tvärsnitt en kafthalvledarmodul anordnad till en kylmedelskanal i en statorstomme.

Figur 6a visar i ett_Évärsnitt en alternativ utföringsform av en kafthalvledarmodul anordnad till en kylmedelskanal i en statorstomme.

Figur 5b ViSär en_kaf§halyledarmodul i ett snitt B-B i figur 6a. v »HA l5 513 4169 Figur 7 visar en anordning enligt uppfinningen integrerad med en transaxel och en transmission.

UTFÖRINGSEXEMPEL I figur la visas ett exempel där en växelströmsmaskin 1 innefattande en rotor 2 fungerar som en motor. Likspänning frän en yttre energikälla matas till de respektive + och - anslutningarna hos en skena 3, 4. Likspänningen omvandlas medelst en krafthalvledarmodul 5 till växelspänning.

Växelspänningen matas därefter fràn krafthalvledarmodulen 5 till vardera av de tre faserna, dvs till en växelspänningsanslutning 5a hos en stators lindningsuttag hos den i utföringsexemplet valda elektriska maskinen 1.

Kondensatorer 6 är anordnade i ett likspänningsmellanled för tillfällig energilagring och för reducering av övertoner bildade i likspänningsmellanledet.

Likspänningsmellanledet är anordnat att mata likspänning till krafthalvledarmodulens 5 likspänningsanlutningar 5b.

Till krafthalvledarmodulen 5 är anslutet styrelektronik 24.

I figur lb visas ett exempel där växelströmsmaskinen 1 innefattande rotorn 2 fungerar som en generator. Rotorn 2 kan exempelvis drivas av en gasturbin 8. Värdera lindningsfasen hos den elektriska maskinen 1 är ansluten till växelspänningsanslutningarna Sa hos krafthalvledarmodulen 5. Växelspänningen omvandlas medelst krafthalvledarmodulen 5 till likspänning som matas vidare till skenans 3, 4 respektive + och - anslutningar för vidare matning till aktuell belastning som exempelvis kan vara en drivsystem i ett hybridfordon.

I figurerna la och lb visas styrutrustningar kopplade pà i och för sig känt sätt. Normalt är krafthalvledarmodulen 5 placerad fysiskt àtskild fràn styrelektroniken 24 och de elektriska komponenterna 6. Enligt föreliggande uppfinning är de dock integrerade med varandra i hög grad. Detta framgår ur figur 3. 7 515 419 Figur 2 visar en i och för sig känd krafthalvledarmodul 5 i vilken är anordnade ett flertal krafthalveledare.

Krafthalvledarmodulengä innefattar organen Sa anslutna till växelströmsmaskinens;statorlindningsuttag, och organen 5b för anslutning till skenan 3¿ 4. Kondensatorerna 6 innefattar kondensator Ä V _;tningar 6a för anslutning till skenan 3, 4. Förbindniâgen mellan likspànningsanslutningarna 5b kondensatoranslutningarna 6a görs i skenan 3, Q som:iš§efattar tvà i huvudsak med varandra parallella ko pparplätar som isoleras fràn varandra med ett tunt isolersäšktm§:?§ördelen med denna utföringsform av sken3g¿3¿w4 är att plana platar och isoleringen 9 är enklgkšštítšllverka. Vidare kan induktanserna hàllasïmdšet laga pà grund av de korta ledningarna vilket minskar_ isken för överspänningar. En . . ,;g:ae:ej;-1 I ytterligare fördel är att den elektriska» växelströmsmaskinens l totala bygghöjd ytterligare kan minskas.

I figur 3a och 3b visçÉ:Éš_ešempel pà en elektrisk maskin ' ' " '"*Y~@ ß='f§§zs; Å -»s mass år.. - « 1 enligt uppfinningen¿_%§ elektriska maskinen 1 innefattar -~'; r, f ' rotorn 2 och en statprš%š$g§¿l0. Till statorstommen 10 är ett lock ll anslutet på :tt sådant sätt att ett hálrum 12 bildas.

, “ 'Lif Å? 'eZ-Eff- V_>_ff;f.~ Statorstommen 10 inn fattar ett hälrum som i huvudsak uppfylls av en statorpl tkärna lOa, en statorlindning lOb och rotorn 2. I sta dïïïämmen 10 är integrerad en kylkanal 13 som sträcker sig i en slinga som i huvudsak är anordnad i maskinens 1 axiella led. Ett kylmedel, företrädesvis vatten, är anordnat att stömma i kylkanalen 13. I direkt anslutning till kylkanalen 13 är krafthalvledarkmodulen 5 anordnad. Alternativt kan kylkanalen 13 vara uppdelad i tvà eller flera paralléïïÉ;:(4:jñ2 I en fördelaktig utföringsform är kylkanalen ll anordnad sa att kylmedlet först passerar förbi krafthalvledarmodulen 5 för ástadkommande av god kylning av denna. Därefter kyler kylmedlet resten av deníelektriska maskinen 1. -wlan- 513 É19 Krafthalvledarmodulen 5 innefattar sàsom ovan nämnts ett flertal krafthalvledare. Krafthalvledarna är anordnade pá en gemensam bottenplatta 14. Bottenplattan 14 är utförd i ett material med god värmeledningsförmàga, exempelvis koppar. Den med statorstommen 10 integrerade kylkanalen 13 kyler effektivt bàde växelströmsmaskinen 1 och krafthalvledarmodulen 5.

Vidare framgår ur figur 3a, 3b att kondensatorerna 6 är anordnade delvis i hálrummet 12 delvis i statorstommen 10.

Den visade placeringen av kondensatorerna 6 i nära anslutning till krafthalvledarmodulen 5 innebär ocksà att en làginduktiv krets kan bildas eftersom ledningsdragningen minimeras. Vidare kan genom denna placering av kondensatorerna 6 i statorstommen 10 en effektiv kylning av dessa åstadkommas.

En alternativ placering av kondensatorerna 6 visas i figur 4. I detta fall är den visade kondensatorn 6 anordnad i direkt anslutning till kylkanalen 13 för direkt kylning av denna. För att undvika läckage av kylmedel fràn kylmedelskanalen 13 är kondensatorn 6 anordnad med nagon form av tätning l5a mellan statorstommen 10 och kondensatorn 6. I det valda utföringsexemplet är denna tätning l5a utförd som en 0-ringstätning.

Vidare framgàr ur figur 3a, 3b att locket ll innefattar ett utrymme 16 i vilket är anordnat ett styrkort med styrelektroniken 24 för styrning av krafthalvledarmodulen . Styrkortet, hänvisningssiffran 24, som härefter betecknas med är anordnat att mottaga och omvandla utifràn tillförda styrsignaler. Styrkortet 24 är medelst kontaktdon 24a anordnat att avge de omvandlade signalerna i till krafthalvledarmodulen 5 för att via denna, pa nàgot i och form av, t ex optiska eller elektriska signaler, för sig känt sätt, i beroende av styrsignalerna fràn styrkortet 24 reglera, t ex den elektriska maskinens l avgivna moment och varvtal. Styrkortet 24 är anordnat i utrymmet 16 pà ett sàdant sätt att det är skärmat fràn så 4191 omgivande elektronik) sásom krafthalvledarmodulen 5, för undvikande av elektromagnetiska störningar fràn denna.

Utrymmet 16 begränsas exempelvis av aluminium som utgör en god skärmning av styrkortet 24.

I figur 5 visas krafthalvledarmodulen 5 och kylkanalen 13 mera i detalj. Krafthalvledarmodulen 5 är fast förbunden med statorstommen 10. För att undvika läckage av kylmedel fràn kylmedelskanalen 13 är krafthalvledarmodulen 5 anordnad med någon form av tätning l5b mellan statorstommen och bottenplattan 14. I det valda utföringsexemplet är denna tätning l5b utförd som en O-ringstätning.

Krafthalvledarmodulen 5 är sáledes anordnad i statorstommen och i direkt kontakt med det i kylkanalen 13 strömmande kylmedlet. Utföringsexemplet saknar sàledes en för krafthalvledarmodulen 5 särskilt avsedd kylplatta anordnad mellan kylkanalen 13 och krafthalvledarmodulen 5.

Bottenplattan 14 är istället anordnad i en öppning (ej visad) i kylkanalen 13 pà ett sàdant sätt att den utgör en del av en vägg som omsluter kylkanalen 13.

I figur 6a och 6b visas en alternativ utföringsform av krafthalvledarmödulens 5 bottenplatta 14. Bottenplattan 14 är i det valda utföringsešemplet utförd med kylflänsar 17.

Genom att utforma bottenplattan 14 med kylflänsar 17 erhàlls en ytterligare effektivare kylning av krafthalvledarmodulen 5. Kylflänsarna 17 är utformde som ett flertal med varandra i huvudsak parallella och i huvudsak raka bommar fördelade över bottenplattans 14 yta.

Kylflänsarna 17 är anordnade att sträcka sig inàt i mot kylkanalens 13 centrala del.

I det valda utföringsexemplet är en trefasig växelströmsmaskin 1 visad. Självfallet är uppfinningen även tillämpbar pà elektriska maskiner 1 med bàde färre och fler faser.

I figur 7 visas schematiskt ett drivsystem innefattande den ovan beskrivna med styrutrustning integrerade 513 419 växelströmsmaskinen 1, ett transaxelarrangenmang 18 och en mekansik transmission 19 innefattande en reduktionsvàxel 20 och en differential 21. Detta mycket kompakta drivsystem används med fördel i ett fordon av hybridtyp, symboliserat av drivaxeln 22 och hjulet 23.

Claims (8)

1. t \h«_ lpm. 10 15 20 25 30 35 513 419 ll P ans 9604812-9 1998-03-23 PATENTKRAV l. Anordning innefattande en växelströmsmaskin (l) och en till denna ansluten styrutrustning, styrutrustningen innefattande värmealsQ¿g%Qg_komponenter sasom krafthalvledare (5) och andra elektriska komponenter (6), växelströmsmaskinen (l) innefattande en statorstomme (10) med en i denna integrerad kylkanal (13) för ledning av ett kylmedel för kylning av de värmealstrande komponenterna (5, 6) och av växelströmsmaskinen (1), kännetecknad av att kylkanalen uppvisar en,"” ning mot en ytteryta pà statorstommen, vilken vt eryta begränsar statorstommen i dess radiella riktning;ï§tt àtminstone krafthalvledarna (5) är anordnade i en krafthalvledarmodul (5) med en bottenplatta (14), och att krafthalvledarmodulen är anbringad pà statorstdmmen?över nämnda öppning i kylkanalen sà att bottenplattan utgör en del av en kylkanalen omslutande vägg.

2. Anordning enligt patentkrav 1, kännetecknad av att bottenplattan (14) är utförd med kylflänsar (17) anordnade att sträcka sig inåt mot kylkanalens (13) centrala del.

3. Anordning enligt patentkrav 2, kännetecknad av att kylflänsarna (17) är làngsträckta och anordnade som med varandra i huvudsak parallella och i huvudsak raka bommar.

4. Anordning enligt nägotíav patentkraven 1-3, varvid styrutrustningen innef: r åtminstone en kondensator (6) innefattad i ett lik; ag ngsmellanled för matning av kg ,_ krafthalvledarmoduleàfë fetecknad av att kylkanalen uppvisar en öppning mo çytteryta pà statorstommen, och att kondensatorn är and Wgad vid statorstommen över 10 15 20 513 419 12 nämnda öppning i kylkanalen sá att kondensatorn utgör del av en kylkanalen omslutande vägg.

5. Anordning enligt nàgot av föregående patentkrav, kännetecknad av att kylmedlet utgörs av en vätska, företrädesvis vatten blandat med ett frostskyddsmedel.

6. Anordning enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att ett lock (11) är anslutet till statorstommen (10) och att i ett utrymme (12) bildat mellan locket (ll) och statorstommen (10) är anordnat styrkort (24) för styrning av den elektriska maskinen och krafthalvledarmodulen (S). en ett (1)

7. Drivsystem för drivning av ett fordon, kännetecknat av att det innefattar en anordning enligt nagot av patentkraven 1-6.

8. Drivsystem enligt patentkrav 7, kännetecknat av att det innefattar ett transaxelarrangemang (18) och en mekanisk transmission (19) innefattande en reduktionsväxel (20) och en differential (21).