ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА СО ВСТРОЕННЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ Российский патент 2018 года по МПК H02K11/20 H02K11/30 H02K5/22 B60L11/00 

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к тяговым системам транспортных машин на основе электрических машин с силовыми полупроводниковыми преобразователями.

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).

Она имеет пониженную надежность и небольшой ресурс работы, что обусловлено наличием коллекторного узла электрической машины.

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).

Недостатком этого мехатронного агрегата являются его повышенные габаритные размеры, что обусловлено наличием двух герметично соединенных охлаждаемых отсеков.

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).

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.

Задачей изобретения является уменьшение габаритных размеров электрической машины со встроенным преобразователем.

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:

- 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;

- контроллер, силовые транзисторные модули и входной емкостный фильтр прикреплены по меньшей мере к одной внутренней стенке отсека преобразователя;

- отсек преобразователя имеет по меньшей мере один внутренний размер, соответствующий размеру наиболее крупногабаритной составной части преобразователя;

- драйверы размещены на силовых транзисторных модулях между их выходными выводами и плюсовыми и минусовыми выводами;

- контроллер содержит печатную плату, на которой размещены микроконтроллер и магниточувствительный или светочувствительный элемент датчика положения ротора;

- 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;

- по меньшей мере один датчик тока выполнен без кольцевого магнитопровода на основе датчика Холла;

- 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;

- 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;

- 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;

- 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 (U_ВХ), 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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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 (+U_ВХ), -U_BХ).

Драйверы 19 транзисторов силовых модулей 16, 17, 18 размещены над этими модулями между их выходными выводами 31 (U_ВЫХ) и плюсовыми 32 (+U_ВХ) и минусовыми 33 (-U_ВХ) 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 +U_BХ, -U_ВХ.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

При этом диоды 30, с целью дальнейшего снижения объема преобразователя, могут быть впрессованы в эти шины или размещены между ними.

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.

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.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Внешний сигнал управления U_УПР в аналоговой или цифровой форме через устройство ввода/вывода информации, например, через драйвер CAN шины, поступает на контроллер 20.

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.

При работе в режиме электрического генератора напряжение питания +U_ВХ, -U_ВХ преобразователя первоначально подается от внешнего источника постоянного тока, например, от аккумуляторной батареи. Ротор генератора приводится во вращение, например, двигателем внутреннего сгорания.

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 +U_ВХ, -U_ВХ, обеспечивая протекание тока по фазным обмоткам 5. Благодаря этому обеспечивается возбуждение электрического генератора, либо создание вращающего момента электрического двигателя.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Изобретение относится к области машиностроения. Технический результат - уменьшение габаритных размеров. Электрическая машина со встроенным преобразователем содержит корпус, статор с обмотками, ротор, подшипниковые щиты и встроенный преобразователь. В состав преобразователя входят силовые транзисторные модули, их драйверы, входной емкостный фильтр, контроллер и датчики тока фазных обмоток, положения ротора и/или температуры. Силовые транзисторные модули соединены с фазными обмотками и выводами входного емкостного фильтра. Cиловые транзисторные модули и входной емкостный фильтр расположены на одной стенке отсека преобразователя, имеющего размеры, соответствующие наиболее крупногабаритной части преобразователя; драйверы размещены над силовыми транзисторными модулями между их выходными выводами и выводами питания; контроллер содержит печатную плату, на которой размещены микроконтроллер и чувствительный элемент датчика положения ротора, который реализован на основе микросхемы магнитного энкодера; датчики тока выполнены без магнитопроводов на основе элементов Холла; соединения силовых транзисторных модулей выполнены шинами, в том числе изолированными и приспособленными для их охлаждения. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Электрическая машина со встроенным преобразователем, содержащая ее корпус или станину, статор с фазными обмотками, закрепленный внутри корпуса или станины, ротор, подшипниковые щиты и преобразователь, в состав которого входят по меньшей мере силовые транзисторные модули, их драйверы, входной емкостный фильтр, контроллер, выполненный с возможностью приема сигналов управления электрической машиной и формирования сигналов управления драйверами, и по меньшей мере один датчик тока, и/или положения ротора, и/или температуры, соединенный с контроллером, причем выходные выводы силовых транзисторных модулей непосредственно, или 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, при этом в данной электрической машине со встроенным преобразователем реализовано одно или одновременно несколько следующих технических решений:

a) составные части преобразователя или по меньшей мере его силовые транзисторные модули и по меньшей мере часть конденсаторов входного емкостного фильтра расположены на стенке отсека преобразователя, причем эта стенка образована частью поверхности подшипникового щита, или корпуса, или станины;

b) контроллер, силовые транзисторные модули и входной емкостный фильтр прикреплены по меньшей мере к одной внутренней стенке отсека преобразователя;

c) отсек преобразователя имеет по меньшей мере один внутренний размер, соответствующий размеру наиболее крупногабаритной составной части преобразователя;

d) драйверы размещены на силовых транзисторных модулях между их выходными выводами и плюсовыми и минусовыми выводами;

e) контроллер содержит печатную плату, на которой размещены по меньшей мере микроконтроллер и по меньшей мере один магниточувствительный или светочувствительный элемент датчика положения ротора;

i) датчик положения ротора содержит постоянный магнит с диаметральным намагничиванием, прикрепленный к торцу вала ротора, и микросхему магнитного датчика угла поворота, размещенную на печатной плате контроллера;

g) по меньшей мере один датчик тока выполнен без кольцевого магнитопровода на основе датчика Холла;

h) соединения силовых транзисторных модулей с фазными обмотками, и/или входным емкостным фильтром, и/или выводами питания выполнены изолированными шинами, или шинами, имеющими отношение толщины к ширине не менее 1:5, или шинами, выполненными с возможностью отвода тепла от этих шин по меньшей мере на одну стенку отсека преобразователя;

j) 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 установлены между шинами, или впрессованы в шины;

k) в отсеке преобразователя размещен вентилятор, и/или вал ротора, входящий в этот отсек, оснащен крыльчаткой вентилятора, и по меньшей мере одна стенка отсека преобразователя содержит каналы его жидкостного охлаждения;

l) 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.

2. Электрическая машина со встроенным преобразователем по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один внутренний размер отсека преобразователя в направлении оси электрической машины соответствует высоте наиболее крупногабаритной составной части преобразователя, причем указанное соответствие обеспечивается путем выбора указанного внутреннего размера отсека равным высоте наиболее крупногабаритной составной части преобразователя, увеличенной на величину по меньшей мере одного зазора между этой составной частью преобразователя и внутренней стенкой отсека.

3. Электрическая машина со встроенным преобразователем по п. 1, отличающаяся тем, что датчик тока выполнен в виде микросхемы датчика Холла и ферромагнитного концентратора магнитного поля, которые установлены около шины или прикреплены к ней.

4. Электрическая машина со встроенным преобразователем по п. 1, отличающаяся тем, что силовой транзисторный модуль содержит группу биполярных транзисторов с изолированным затвором, или полевых транзисторов с изолированным затвором, или биполярных транзисторов, а также диодов, кристаллы которых размещены в отдельных корпусах или на подложке в общем корпусе, причем указанные транзисторы и диоды соединены по схеме симметричного моста, или несимметричного моста, или полумоста, или верхнего прерывателя, или нижнего прерывателя.

5. Электрическая машина со встроенным преобразователем по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один канал жидкостного охлаждения выполнен в виде медной или латунной трубки, впрессованной в выемки подшипникового шита, или корпуса, или станины, или кожуха отсека преобразователя.