ТЯГОВЫЙ МЕХАТРОННЫЙ МОДУЛЬ Российский патент 2005 года по МПК H02K11/00 H02K19/22 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам тяги на основе бесконтактных электрических машин, питающихся от силовых полупроводниковых преобразователей в приводах транспортных средств.

Известно устройство (патент Германии, №4016663, кл. Н 02 К 11/00, 1990 г. и патент Франции №2650131, кл. Н 02 К 11/00, 1990 г.), в котором конструктивно объединены электродвигатель и блок управления этим электродвигателем.

Недостатком этого устройства является наличие коллекторного узла у электрической машины, что резко ухудшает энергетические и эксплуатационные показатели, и недостаточно эффективное конструктивное решение по отводу тепла от силовых элементов блока управления.

Известно также устройство (патент Японии №1-243877, кл. Н 02 Р 6/02, 1989 г.), конструктивно объединяющее бесконтактную электрическую машину переменного тока с блоком управления, включающим в себя датчики, систему управления и силовую часть.

Недостатком этого устройства также является недостаточно эффективное конструктивное решение по отводу тепла от силовых элементов блока управления и обмоток электрической машины и отсутствие возможности независимого регулирования потока, столь необходимого для тяговых режимов работы электропривода.

Наиболее близким техническим решением является устройство (патент России №2170487, кл. Н 02 К 19/22, 19/16, 2001 г.), в котором конструктивно объединены бесконтактная синхронная машина с независимым возбуждением и блок управления, включающий в себя датчики, систему управления и силовой преобразователь.

Основным недостатком этого устройства является то, что оно не имеет практической ценности, т.к. предлагаемое 180-градусное управление ключевыми элементами силового преобразователя (см. колонка 19) приведет либо к необходимости устанавливать непомерно большие транзисторные модули из-за пусковых токов в тяговом режиме, либо к необходимости изначально проектировать электрическую машину с высоким сопротивлением фазных обмоток, т.е. с заведомо низкими энергетическими показателями. Кроме того, включение обмоток в треугольник также понизит энергетические показатели за счет появления третьей гармоники.

Следующим существенным недостатком является отсутствие проработки вопросов конструктивного размещения силовых транзисторных модулей на корпусе электрической машины для обеспечения совместного охлаждения и, что также очень существенно для работоспособности, отсутствие проработки вопросов конструктивного размещения высокочастотных фильтрующих конденсаторов в непосредственной близости от выводов силовых транзисторных модулей.

Решение технической задачи направлено на оптимизацию использования габаритов электрической машины и силового преобразователя при их конструктивном объединении в мехатронный модуль.

Для решения поставленной технической задачи в тяговом мехатронном модуле, содержащем бесконтактную электрическую машину с независимым возбуждением, датчики, силовой преобразователь и средства охлаждения, смонтированные в корпусе электрической машины, охлаждение выполнено жидкостным и обеспечивается за счет параллельного протекания теплоносителя по двум полостям, одна из которых охватывает статор электрической машины, а вторая полость расположена с торца и внутренней своей стенкой обеспечивает отвод тепла от обмотки независимого возбуждения электрической машины, а внешней своей стенкой обеспечивает отвод тепла от транзисторных модулей силового преобразователя, при этом она образована двумя герметично сопряженными конструктивными элементами, выполненными в виде кольца, внешний диаметр которого совпадает с внешним диаметром статора электрической машины, а в центре имеется отверстие, обеспечивающее установку датчика положения и сопряжение его с ротором электрической машины, кроме того, оба конструктивных элемента имеют сквозные отверстия для подключения фазных обмоток и обмотки возбуждения, расположенные ближе к внешнему диаметру и непроходящие сквозь вторую полость, при этом оба или один из этих конструктивных элементов имеют внутреннюю кольцевую проточку, за счет которой и образуется вторая полость.

Кроме того, в тяговом мехатронном модуле на внешней стенке второй полости установлены три полумостовых силовых транзисторных модуля, к средним точкам которых подключены фазные обмотки электрической машины, а к плюсовым и минусовым выводам через токопроводящие дистанционные втулки подключены высокочастотные конденсаторы, установленные на две сопряженные односторонние печатные платы, при этом верхняя плата имеет сквозные отверстия для распайки первых выводов высокочастотных конденсаторов и сквозные отверстия увеличенного диаметра для бесконтактного прохождения сквозь нее вторых выводов высокочастотных конденсаторов и распайки их на нижней поверхности второй платы, которая в свою очередь имеет еще и сквозные отверстия увеличенного диаметра напротив мест распайки первых выводов высокочастотных конденсаторов на первой плате, при этом между нижней частью дистанционной втулки и непосредственным выводом модуля подключены силовые шины, соединяющие между собой, соответственно, все плюсовые и минусовые выводы силовых транзисторных модулей с входными клеммами питания тягового мехатронного модуля.

На фиг.1 изображен один из возможных вариантов конструктивного исполнения патентуемого тягового мехатронного модуля; на фиг.2 - дополнительный разрез, поясняющий внутреннее устройство рассматриваемого варианта конструктивного исполнения патентуемого тягового мехатронного модуля; на фиг.3 - дополнительный разрез, поясняющий установку высокочастотных конденсаторов и подключение их к плюсовым и минусовым выводам транзисторных модулей.

Тяговый мехатронный модуль содержит бесконтактную электрическую машину 1 с независимым возбуждением, датчики 2, силовой преобразователь 3 и средства охлаждения, смонтированные в корпусе электрической машины 1, охлаждение выполнено жидкостным и обеспечивается за счет параллельного протекания теплоносителя по двум полостям 4, 5, одна из которых 4 охватывает статор электрической машины 1, а вторая полость 5 расположена с торца и внутренней своей стенкой обеспечивает отвод тепла от обмотки 6 независимого возбуждения электрической машины 1, а внешней своей стенкой обеспечивает отвод тепла от транзисторных модулей 7 силового преобразователя 3, при этом она образована двумя герметично сопряженными конструктивными элементами 8, 9, выполненными в виде кольца, внешний диаметр которого совпадает с внешним диаметром статора электрической машины 1, а в центре имеется отверстие, обеспечивающее установку датчика 10 положения и сопряжение его с ротором 11 электрической машины 1, кроме того, оба конструктивных элемента 8, 9 имеют сквозные отверстия 12 для подключения фазных обмоток 13 и обмотки возбуждения 6, расположенные ближе к внешнему диаметру и не проходящие сквозь вторую полость 5, при этом оба или один из этих конструктивных элементов имеют внутреннюю кольцевую проточку, за счет которой и образуется вторая полость 5.

Кроме того, в тяговом мехатронном модуле на внешней стенке второй полости 5 установлены три полумостовых силовых транзисторных модуля 7, к средним точкам которых подключены фазные обмотки 13 электрической машины 1, а к плюсовым и минусовым выводам через токопроводящие дистанционные втулки 14 подключены высокочастотные конденсаторы 15, установленные на две сопряженные односторонние печатные платы 16, 17, при этом верхняя плата 16 имеет сквозные отверстия 18 для распайки первых выводов 19 высокочастотных конденсаторов 15 и сквозные отверстия 20 увеличенного диаметра для бесконтактного прохождения сквозь нее вторых выводов 21 высокочастотных конденсаторов 15 и распайки их на нижней поверхности второй платы 17, которая в свою очередь имеет еще и сквозные отверстия 22 увеличенного диаметра напротив мест распайки первых выводов 19 высокочастотных конденсаторов 15 на первой плате 16, при этом между нижней частью дистанционной втулки 14 и непосредственным выводом модуля 7 подключены силовые шины 23, 24, соединяющие между собой, соответственно, все плюсовые и минусовые выводы силовых транзисторных модулей 7 с входными клеммами 25, 26 питания тягового мехатронного модуля.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Импульсы управления поступают через входной разъем 27 на управляющие входы силовых транзисторных модулей 7, обеспечивая тем самым включение-выключение в соответствующие моменты времени соответствующих транзисторов, которые попеременно подключают фазные обмотки 13 бесконтактной электрической машины 1 через силовые шины 23, 24 к выходным клеммам 25, 26 питания, обеспечивая тем самым протекание тока по фазным обмоткам 13 и, как следствие, возникновение вращающего момента между статором 28 и ротором 11 бесконтактной электрической машины 1. Под действием этого момента ротор 11 начинает вращаться, приводя во вращение через соответствующую механическую передачу колеса транспортного средства. Для ограничения пусковых токов в тяговом режиме в состав тягового мехатронного модуля введен датчик тока 29, сквозь измерительное отверстие которого проходит плюсовая силовая шина 24. Выходной сигнал датчика тока 29 через разъем 27 поступает в систему управления, которая при превышении выходным сигналом датчика тока 29 предельно допустимого значения осуществляет одновременное отключение всех транзисторов силовых модулей 7, обеспечивая тем самым ограничение тока на допустимом уровне. Повторное включение транзисторов силовых модулей 7 допускается только после уменьшения выходного сигнала датчика тока 29, а следовательно, и тока в фазных обмотках 13 бесконтактной электрической машины 1, до допустимого значения.

Один из возможных примеров конструктивного исполнения предлагаемого устройства приведен на фиг.1-3.

Таким образом, за счет конструктивного объединения бесконтактной электрической машины 1 и силового преобразователя в мехатронный модуль удается объединить их системы охлаждения, что существенно улучшает суммарные массогабаритные показатели, повышает надежность за счет исключения промежуточных шлангов для подвода теплоносителя и исключения промежуточных силовых электрических соединений между выходными клеммами силового преобразователя и фазными обмотками бесконтактной электрической машины. Последнее обстоятельство к тому же существенно улучшает электромагнитную совместимость.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам тяги на основе бесконтактных электрических машин, питающихся от силовых полупроводниковых преобразователей в приводах транспортных средств. Тяговый мехатронный модуль на базе бесконтактной электрической машины с независимым возбуждением содержит датчик положения ротора и силового транзисторного преобразователя с датчиком тока, охлаждение которых выполнено жидкостным и обеспечивается за счет параллельного протекания теплоносителя по двум полостям, одна из которых охватывает статор электрической машины, а вторая полость расположена с торца и внутренней своей стенкой, обеспечивает отвод тепла от обмотки независимого возбуждения электрической машины, а внешней своей стенкой обеспечивает отвод тепла от транзисторных модулей силового преобразователя. Технический результат – оптимизация использования габаритов электрической машины и силового преобразователя при их конструктивном объединении в мехатронный модуль. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Тяговый мехатронный модуль, содержащий бесконтактную электрическую машину с независимым возбуждением, датчики, силовой преобразователь и средства охлаждения, смонтированные в корпусе электрической машины, отличающийся тем, что охлаждение выполнено жидкостным и обеспечивается за счет параллельного протекания теплоносителя по двум полостям, одна из которых охватывает статор электрической машины, а вторая полость расположена с торца и внутренней своей стенкой обеспечивает отвод тепла от обмотки независимого возбуждения электрической машины, а внешней своей стенкой обеспечивает отвод тепла от транзисторных модулей силового преобразователя, при этом она образована двумя герметично сопряженными конструктивными элементами, выполненными в виде кольца, внешний диаметр которого совпадает с внешним диаметром статора электрической машины, а в центре имеется отверстие, обеспечивающее установку датчика положения и сопряжение его с ротором электрической машины, кроме того, оба конструктивных элемента имеют сквозные отверстия для подключения фазных обмоток и обмотки возбуждения, расположенные ближе к внешнему диаметру и не проходящие сквозь вторую полость, при этом оба или один из этих конструктивных элементов имеют внутреннюю кольцевую проточку, за счет которой и образуется вторая полость.2. Тяговый мехатронный модуль по п.1, отличающийся тем, что на внешней стенке второй полости установлены три полумостовых силовых транзисторных модуля, к средним точкам которых подключены фазные обмотки электрической машины, а к плюсовым и минусовым выводам через токопроводящие дистанционные втулки подключены высокочастотные конденсаторы, установленные на две сопряженные односторонние печатные платы, при этом верхняя плата имеет сквозные отверстия для распайки первых выводов высокочастотных конденсаторов и сквозные отверстия увеличенного диаметра для бесконтактного прохождения сквозь нее вторых выводов высокочастотных конденсаторов и распайки их на нижней поверхности второй платы, которая, в свою очередь, имеет еще и сквозные отверстия увеличенного диаметра напротив мест распайки первых выводов высокочастотных конденсаторов на первой плате, при этом между нижней частью дистанционной втулки и непосредственным выводом модуля подключены силовые шины, соединяющие между собой соответственно все плюсовые и минусовые выводы силовых транзисторных модулей с входными клеммами питания тягового мехатронного модуля.