тяговый мехатронный модуль

Формула изобретения

1. Тяговый мехатронный модуль, содержащий электрическую машину, датчики, средства охлаждения, смонтированные в корпусе электрической машины, силовой преобразователь, состоящий из трех полумостовых силовых транзисторных модулей и входного высокочастотного фильтра, образованного группой параллельно соединенных высокочастотных конденсаторов, установленных на две сопряженные односторонние печатные платы, и подключенного к плюсовому и минусовому выводам силовых транзисторных модулей через дистанционные втулки, отличающийся тем, что в центре печатных плат входного высокочастотного фильтра имеется отверстие, сквозь которое проходит датчик положения ротора электрической машины, а дистанционные втулки, подключающие входной высокочастотный фильтр к плюсовому и минусовому выводам силовых транзисторных модулей, выполнены максимально короткими и обеспечивающими установку входного низкочастотного фильтра, образованного группой параллельно соединенных электролитических конденсаторов, также установленных на две сопряженные односторонние печатные платы, и подключенного к плюсовому и минусовому выводам входного высокочастотного фильтра через вновь введенные соответствующие дистанционные втулки, при этом фазные выводы электрической машины подключены к силовым транзисторным модулям через датчики тока, установленные между входным высокочастотным фильтром и корпусом мехатронного модуля в непосредственной близости от соответствующих выводов силовых транзисторных модулей, на управляющие электроды которых установлены драйверы, обеспечивающие включение-отключение силовых транзисторов в соответствии с импульсами управления от центрального контроллера.

2. Тяговый мехатронный модуль по п.1, отличающийся тем, что на верхние концы двух из четырех втулок, крепящих каждый из трех полумостовых силовых транзисторных модулей к внешней стенке полости охлаждения, установлена пластина с датчиком тока, обеспечивающим прохождение сквозь свое измерительное отверстие фазного вывода обмотки статора электрической машины для подключения к средней точке полумостового силового транзисторного модуля.

Описание изобретения к патенту

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. Н02К 11/00, 1990 г. и патент Франции №2650131, кл. Н02К 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. Н02Р 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.

Известно также устройство (патент России №2170487, кл. Н02К 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.

Наиболее близким техническим решением является устройство (патент России №2250548, кл. Н02К 11/00, 19/22, 2003 г.), в котором конструктивно объединены бесконтактная синхронная электрическая машина с независимым возбуждением и силовой преобразователь.

Основным недостатком этого устройства является то, что наличие лишь одного датчика тока, установленного в цепь питания, обуславливает использование в мехатронном модуле только синхронной электрической машины и только в режиме вентильного двигателя (120-градусное управление), что существенно ограничивает область применения изобретения с точки зрения возможных типов электрических машин и занижает энергетические показатели при использовании синхронной электрической машины в двигательном (основном) режиме работы, т.к. при этом ток в каждый момент времени протекает только по двум, а не по трем фазам, т.е. «медь» электрической машины используется лишь на две трети. Для использования электрической машины в синхронном (оптимальном) режиме работы необходимо измерение токов в каждый момент времени в трех ( ) или, как минимум, в двух фазах, т.к. при при соединении фазных обмоток в «звезду», ток в третьей фазе может быть вычислен.

Кроме того, наличие только высокочастотных (пленочных) фильтрующих конденсаторов оказывается недостаточным для компенсации паразитной индуктивности силовых проводов подвода питания от аккумуляторной батареи, которые, иногда, по конструктивным особенностям автомобиля, имеют протяженность более двух метров. Эти конденсаторы способны подавлять лишь короткие коммутационные выбросы, поэтому необходимо наличие еще электролитических конденсаторов достаточно большой емкости для работы на несущей частоте ШИМ.

Еще одним существенным недостатком данного устройства является отсутствие драйверов управления транзисторами силовых модулей, расположенных в непосредственной близости. Дело в том, что цепь управления транзистором силового модуля имеет относительно большую входную емкость, обусловленную конструктивными особенностями IGBT транзисторов. Эта емкость в сочетании с паразитной индуктивностью проводов, подводящих импульсы управления от центрального контроллера, при протяженности более пяти сантиметров уже может вызывать колебательный процесс напряжения на управляющих электродах транзисторов силовых модулей, что резко снижает помехозащищенность и работоспособность силового преобразователя.

Решение технической задачи направлено на конструктивную оптимизацию мехатронного модуля за счет возможности использования любого типа тяговой электрической машины, повышения ее энергетических показателей в тяговом (основном) режиме работы и повышения надежности работы силового преобразователя.

Для решения поставленной технической задачи в тяговом мехатронном модуле, содержащем электрическую машину, датчики, средства охлаждения, смонтированные в корпусе электрической машины, силовой преобразователь, состоящий из трех полумостовых силовых транзисторных модулей и входного высокочастотного фильтра, образованного группой параллельно соединенных высокочастотных конденсаторов, установленных на две сопряженные односторонние печатные платы, и подключенного к плюсовому и минусовому выводам силовых транзисторных модулей через дистанционные втулки, в центре печатных плат входного высокочастотного фильтра имеется отверстие, сквозь которое проходит датчик положения ротора электрической машины, а дистанционные втулки, подключающие входной высокочастотный фильтр к плюсовому и минусовому выводам силовых транзисторных модулей, выполнены максимально короткими и обеспечивающими установку входного низкочастотного фильтра, образованного группой параллельно соединенных электролитических конденсаторов, также установленных на две сопряженные односторонние печатные платы, и подключенного к плюсовому и минусовому выводам входного высокочастотного фильтра через вновь введенные соответствующие составные токопроводящие дистанционные втулки, при этом фазные выводы электрической машины подключены к силовым транзисторным модулям через датчики тока, установленные между входным высокочастотным фильтром и корпусом мехатронного модуля в непосредственной близости от соответствующих выводов силовых транзисторных модулей, на управляющие электроды которых установлены драйверы, обеспечивающие включение-отключение силовых транзисторов в соответствии с импульсами управления от центрального контроллера.

Кроме того, на верхние концы двух из четырех втулок, крепящих каждый из трех полумостовых силовых транзисторных модулей к внешней стенке полости охлаждения, установлена пластина с датчиком тока, обеспечивающим прохождение сквозь свое измерительное отверстие фазного вывода обмотки статора электрической машины для подключения к средней точке полумостового силового транзисторного 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 и электролитических конденсаторов и подключение их к плюсовым и минусовым выводам транзисторных модулей, а на фиг.4 изображена установка датчика тока на шпильки крепления силового модуля.

В рассматриваемом варианте, как в наиболее общем случае, 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. На внешней стенке второй полости 5 установлены три полумостовых силовых транзисторных модуля 7, к выводам средних точек которых подключены фазные обмотки 13 электрической машины 1, а к плюсовым и минусовым выводам через составные токопроводящие дистанционные втулки 14 подключены высокочастотные конденсаторы 15 и электролитические конденсаторы 16, каждые из которых установленны на две сопряженные односторонние печатные платы 17, 18 и 19, 20 соответственно, при этом верхние платы 17, 19 имеют сквозные отверстия 21 для распайки первых выводов 22 высокочастотных конденсаторов 15 и первых выводов 23 электролитических конденсаторов 16, а также сквозные отверстия 24 увеличенного диаметра для бесконтактного прохождения сквозь них вторых выводов 25 высокочастотных конденсаторов 15 и вторых выводов 26 электролитических конденсаторов 16 для распайки их на нижней поверхности вторых плат 18, 20 соответственно, которые, в свою очередь, имеют еще и сквозные отверстия 27 увеличенного диаметра напротив мест распайки первых выводов 22, 23 на первых платах 17, 19 соответственно, при этом между нижней частью составной токопроводящей дистанционной втулки 14 и непосредственным выводом модуля 7 подключены силовые шины 28, 29, соединяющие между собой соответственно все плюсовые и минусовые выводы силовых транзисторных модулей 7 с входными клеммами 30, 31 питания тягового мехатронного модуля.

Кроме того, на управляющие электроды каждого из трех силовых транзисторных модулей 7 установлены драйверы 32, обеспечивающие их включение-отключение в соответствии с импульсами управления от центрального контроллера, а на верхние концы двух из четырех втулок 33, крепящих силовые транзисторные модули 7 к внешней стенке второй полости 5, установлена пластина 34 с датчиком тока 35, обеспечивающим прохождение сквозь свое измерительное отверстие 36 вывода 37 соответствующей фазной обмотки 13 статора 38 электрической машины 1 для подключения к средней точке полумостового силового транзисторного модуля 7.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Импульсы управления через входной разъем 39 поступают на драйверы 32, установленные непосредственно на управляющих электродах силовых транзисторных модулей 7. Эти драйверы в соответствии с импульсами управления формируют положительное или отрицательное напряжение на управляющих электродах силовых транзисторных модулей 7, обеспечивая тем самым включение-выключение в соответствующие моменты времени соответствующих транзисторов, которые попеременно подключают фазные обмотки 13 электрической машины 1 через силовые шины 28, 29 к выходным клеммам 30, 31 питания, обеспечивая тем самым протекание тока по фазным обмоткам 13 и, как следствие, возникновение вращающего момента между статором 38 и ротором 11 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 введены датчики тока 35, сквозь измерительные отверстия которых проходят выводы 37 соответствующих фазных обмоток 13 статора 38. Выходные сигналы датчиков тока 35 через разъем 39 поступает в систему управления, которая при превышении любым из выходных сигналов датчиков тока 35 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 35, а следовательно, и тока в фазных обмотках 13 электрической машины 1 до допустимого значения.

Один из возможных примеров конструктивного исполнения предлагаемого устройства приведен на фиг.1 - 4.

Таким образом, введение низкочастотного фильтра, образованного группой параллельно соединенных электролитических конденсаторов, и установка трех датчиков тока в цепь фазных обмоток машины позволяют снять ограничение по типу электрической машины, используемой в мехатронном модуле, и повысить эффективность ее работы за счет использования не «двухфазного», а «трехфазного» режима работы и снижения пульсаций входного напряжения, обеспечиваемого электролитическими конденсаторами. А установка драйверов управления транзисторами непосредственно на управляющие электроды силовых транзисторных модулей позволяет существенно повысить помехозащищенность и работоспособность силового преобразователя.