CN101834560B - 用于电动机控制器的装置 - Google Patents

Abstract

一种用于电动机控制器的装置，该装置包括多个功率半导体器件(5、7)以及冷却元件(2)，该冷却元件连接至功率半导体器件用于冷却它们，由此功率半导体器件(5、7)以及冷却元件(2)以这样一种方式设置在该装置的中心轴线(9)的周围，即它们从至少三个侧面限定所述中心轴线周围的通道，所述冷却元件的通道冷却表面(8)延伸到至该通道，并且冷却介质能够沿所述中心轴线的方向在该通道中流动入该通道，并且功率半导体器件(5、7)自所述功率半导体器件与所述冷却元件之间的连接基本上远离所述中心轴线的方向延伸，并且所述该装置还进一步包括至少一个扼流圈(1)，其布设置在于中心轴线(9)的周围区别分开的通道(10)内中。

Description

用于电动机控制器的装置

技术领域

本发明涉及一种用于电动机控制器的装置。

背景技术

逆变器是一种电气装置，其能够产生变频电压。逆变器的一个示例是借助于IGB晶体管(IGBT，绝缘栅双极晶体管)或其它功率半导体器件来实现的换流桥。通常，逆变器连同电动机一起用于控制变频电动机或，对应地，当将电功率传送回网络时，由此，该逆变器必须产生频率与网络的频率相对应的电压。这种馈电网络的逆变器通常称为网络逆变器。例如，逆变器也可以是用于控制电动机或其它负载的变频器的一部分。变频器通常由两个换流器组成，即，整流器及逆变器，在它们之间存在直流电压或直流电流中间电路。整流器以及逆变器也可彼此物理分开设置并且一个整流器可经由共用的中间电路馈电若干个逆变器，或者，作为替代，若干个整流器可馈电一个逆变器。整流器的示例是二级管电桥或晶闸管桥。变频器也通常包括一个或多个扼流圈装置。用在变频器中或结合变频器使用的这种扼流圈装置的示例包括输入扼流圈及输出扼流圈，该输入扼流圈连接至变频器的整流器的输入端，该输出扼流圈连接至变频器的逆变器的输出端。

当前使用的变频器结构通常包括输入扼流圈、输入电桥、电容器组以及IGBT模块。结构上特别地，电路也可包含制动功率模块(制动斩波器)以及输出扼流圈(例如LC、LCL或LCR连接)。直到保护级别IP20(进入防护)，机械装置通常设有一个鼓风机，其中将诸如空气的冷却介质的主流借助于它们所需的分配方式输送至功率半导体器件的冷却元件以及其它目标。冷却元件通常是单件式元件或组合元件，这些部件与支撑结构捆束在一起。

在防护等级IP21中或在更高的防护等级中，电子学空间(被称为洁净室)以及用于冷却元件的空间(被称为有尘室)出于应用的原因而通常彼此分开。为了使两个空间均具有合适的空气量，这两个空间通常设有其自身的鼓风机。可能的输入扼流圈常常设置在有尘的一侧上，或者处于单独的气室中或者处于紧随冷却元件之后的空间中。作为替代，可能的交流(AC)输入扼流圈也可由连接至中间电路的直流(DC)扼流圈所取代，但在这种情况下，同样，扼流圈的机械位置处于同一位置中。可能的结构特别的输出扼流圈通常以机械的方式设置在与输入扼流圈相同的位置中。在一些结构中，可能的扼流圈完全设置在装备的外侧，在其所在的情况中，它们由于冷却以及它们本身的支撑结构而在尺寸上大于将它们整合为一体的情况。

当前的逆变器以及变频器结构或，一般来说，电动机控制器结构特别是在装置冷却方面是有问题的。尽管所需的一个或多个冷却元件的尺寸已经由于更加精确的设计、更小的损失或体积更小的功率半导体器件而不断减小，但相对于该装置的外部尺寸而言，还是已经增加了所需的空气量(或其它冷却介质的量)。此外，考虑到鼓风机的功率、噪音以及使用期限，足够的空气量的分配优选地借助于低鼓风速率的大型鼓风机来完成。由于这个原因，相对于装置的尺寸而言，冷却所需的空间在当前使用的解决方案中是相当大的。特别地，这在IP21或更高的防护级别中进一步加重。

发明内容

本发明的目的是以这样一种方式提供一种设备，即能够解决或至少缓和上述问题。本发明的目的利用一种装置及一种电动机控制器来实现，该装置和该电动机控制器以独立权利要求中所陈述的内容为特征。本发明的优选实施方式公开于从属权利要求中。

本发明基于这种思想，即功率半导体器件以及与它们相关联的冷却元件以这样一种方式设置在该装置的中心轴线的周围：它们从至少三个侧面限定中心轴线周围的通道，冷却元件的通道冷却表面延伸至该通道，并且冷却介质能够沿中心轴线的方向在该通道内流动。另外，本发明基于这种思想，即该装置包括设置在中心轴线周围限定的通道中的至少一个扼流圈。

该解决方案的优点是，根据本发明的结构为冷却介质的流动提供了天然的通道，其使得诸如空气的冷却介质能够通过该装置进行受控循环，并且因此使得设置在通道中的所述一个或多个扼流圈能够进行受控冷却。归因于此，该冷却能够被有效地实施同时节省空间。另外，本发明使得该冷却能够在装置的不同部件中均匀地实施。而且，根据本发明的该解决方案能够实现模块化结构，这例如为该装置的生产及维护提供了有利条件。

附图说明

现将参照附图、结合优选的实施方式更详细地描述本发明，其中：

图1示出了从两个不同的方向看到的根据实施方式的装置；

图2示出了根据实施方式的装置；

图3示出了从两个不同的方向看到的根据实施方式的装置；

图4示出了根据实施方式的装置；以及

图5示出了从两个不同的方向看到的与根据实施方式的装置相关联的一种模块化结构。

具体实施方式

本发明能够结合多种电动机控制器解决方案应用并因此并不限于结合任何特定类型的装置使用。在本文中，术语“电动机控制器”通常指的是能够适用于控制电动机的任何装置，诸如逆变器、变频器、整流器或柔性启动器，但本发明并不限于这些示例。电动机控制器馈电的类型、由控制器所控制的负载或它们之间的连接，例如电压电平或相数也与本发明的基本思想并不相关。另外，应用本发明的电动机控制器的内部或外部电连接与本发明并不相关，所以为了清楚起见，将电连接从图中省略掉。本发明并不限制为图中所示的示例，而是还可应用至其它类型的电动机控制器解决方案。

图1示出了从两个不同的方向看到的根据实施方式的装置的立体图。图1所示的装置包括多个功率半导体器件5和7以及连接至它们的冷却元件2。根据本发明，功率半导体器件5和7及冷却元件2以这样一种方式设置在该装置的中心轴线9周围，即冷却元件的冷却表面8自功率半导体器件5和7与冷却元件2之间的连接基本上向中心轴线9延伸，并且功率半导体器件5和7以这样一种方式自功率半导体器件与冷却元件之间的连接基本上远离中心轴线9延伸，即通道10从至少三个侧边被限定在中心轴线的周围，冷却元件的冷却表面8位于该通道10中，并且冷却介质能够沿中心轴线9的方向在该通道10中流动。在图1中的示例的装置中，在中心轴线9的周围限定的通道10从四个侧面予以限定，并且沿中心轴线的方向看去，通道10基本上是方形的，如图2所示，其沿中心轴线9的方向示出了同一系统。四个侧面中的一个也可以是敞开的。通道10因此不必要精确地从所有的侧面予以限定，但是，例如，从三个侧面限定的通道可足以引导诸如空气的冷却介质沿中心轴线9的方向的通过。沿中心轴线9的方向看去，通道10大体上是三角形的或其它形状的，这同样是可行的。

功率半导体器件5和7优选地分为三个组或更多组，由此至少一个冷却元件2与每个组相关联。图1中的示例的装置包括三个功率半导体器件组5，根据实施方式，每组均包括至少两个功率半导体器件开关。例如，组5可以是IGBT模块，每个均包括两个IGB晶体管，由此三个这种包括两个IGB晶体管的组5形成三相交流发电机。图1中的示例的装置还包括由三个二极管模块7组成的功率半导体器件组。例如，二极管模块7均包括两个二极管，由此，例如，三个带有两个二极管的模块7形成三相整流器。该装置还可包括至少一个电容器6，其至少部分地位于通道10中。图1的示例包括六个电容器6，例如，延伸至通道10的中间电路电容器，在通道10中流动的冷却介质因此也冷却电容器6。

每个功率半导体器件组优选地以这样一种方式连接至板状结构4，从而使每组的多个功率半导体器件从板状结构4的一个表面向外延伸，并且对应于该组的至少一个冷却元件2的冷却表面8从该板状结构的相对表面向外延伸。板状结构4可由连续的板或多个组别特定的板彼此附连而成。该板状结构的材料可以是金属片或其它适合的板材。使用的一种材料或多种材料优选地根据本发明的应用的目的的需要进行选择。板状结构4也可作为用于整个结构的支撑结构，由此整个结构也能够借助于它进行组装。在带有多个板的替代方案中，该结构可由根据图5的示例的模块形成，该模块包括一个或多个板4、冷却元件2以及附连至它的功率半导体器件组5。另外，例如，电容器6可附连至板4。图5所示的诸如三个或四个的所需数量的这种模块可彼此附连以形成根据图1的结构。板状结构4可由单独的板或多个板形成或者它可以是一个或多个冷却元件2的一部分。因此，例如图5的示例中所示的板4以及冷却元件2可由连续的结构或彼此附连的分开的部件形成。可能的分开的部件能够通过例如焊接、螺管接头、分开的支撑结构(未示出)、或以其它适合的方式彼此附连。然而，这与本发明的基本思想并不相关。在中心轴线9的周围限定的通道可借助于板状结构4予以限定。

根据实施方式，当沿中心轴线的方向看去时，在中心轴线9的周围限定的通道10基本上是三角形的，也就是说，例如由板状结构4和/或冷却元件2限定了的通道10的最外面的轮廓大体上是三角形的。因此，功率半导体器件组5或7以及与该组相关联的至少一个冷却元件2优选地设置在三角形的每一侧面上。例如，该实施方式对于以这样一种方式实现的逆变器，即将由IGB晶体管、晶闸管或其它功率半导体器件构成的至少一个组5设置在三角形的每个侧面上而言是优选的。

根据另一实施方式，当沿中心轴线的方向上看去时，在中心轴线9的周围限定的通道10基本上是方形的，也就是说，例如由板状结构4和/或冷却元件2限定了的通道10的最外面的轮廓大体上是方形的，并且一组功率半导体器件以及与该组相关联的至少一个冷却元件优选地设置在该方形的三个侧面上。优选地，一组功率半导体器件5设置在该方形的三个侧面上，并且形成整流器的一组功率半导体器件7安置在该方形的一个侧面上。图1的示例示出了根据该实施方式的结构。另外，该装置可包括设置在在中心轴线9的周围限定的通道10中的至少一个扼流圈。所述至少一个扼流圈可以是空心扼流圈。另外，所述至少一个扼流圈1可以是输入扼流圈和/或输出扼流圈。例如，铝或铜的冷却元件2并不与扼流圈1的磁通量大量反应。因此，支撑结构4以及冷却元件2的外部包装(未示出)距离扼流圈1尽可能远，以使得由扼流圈1引起的磁通量不会干扰外部装置或电动机控制器自身的电子仪器。另外，在支撑结构中由该磁通量引起的可能的热量通过直接或间接流经冷却元件2的冷却介质予以处理。如果需要，为扼流圈1及该扼流圈附近的返回磁通量构造机械支撑也是可行的，因为这种支撑结构处于进行极好冷却的空间中，并且，如果需要，在它们中产生的热量能够通过使用相同的冷却元件2传导走。随后，利用冷却元件2在扼流圈的侧面上与功率半导体器件5和7的冷却并非绝对相关的一端，这意味着冷却元件2的热效率改进了。如果需要，扼流圈1的机械结构也防止由磁通量引起的对其余电子仪器以及对该装置的外部的电磁兼容性(EMC)干扰。另外，板状结构4也用作EMC保护，其也被有效地冷却至空气通道。

根据实施方式，该装置包括用于循环通道10中的冷却介质的一个或多个鼓风机3。该冷却介质可以是诸如空气的气态介质，或液态冷却介质。归因于形成在该结构中的通道10，易于设置带有鼓风机3的结构，该结构例如，以图1所示的方式相对于循环经过通道的冷却介质流自然定位。鼓风机3可或者将冷却介质吹到通道10中或者将冷却介质吸出通道10。将形成在该结构中的通道10连接至可能存在于应用本发明的装置中的气流通道等也是可行的。

图3示出了从两个不同的方向看去的根据实施方式的装置的立体图。对于大部分部件而言，图3所示的装置对应于结合图1描述的装置，但是图3的装置不包括由二极管模块形成的整流器，而是在通道10的一侧(或已经保持敞开的侧面)上仅存在板状支撑结构4。例如，该结构适合于用作分开的逆变器或整流器的结构。另外，在图3的示例中，冷却元件2由连续的元件形成。与图1中一样，也能够使用分开的元件。同样，图3的支撑结构4可以是连续的或由分开的部件形成。在图3中，例如，扼流圈1可以是利用LC、LCL或LCR连接实现的扼流圈。在图4中，沿中心轴线9的方向示出了图3的装置以说明该结构。

进一步指出的是，为了清楚起见，已经从与上述示例相关联的图中省略掉可能存在于利用本发明的装置中的许多部件。图中以极为简化的方式示出了该结构的机械附连。出于简化的目的，已经从图中省略掉了能够以多种替代方式实现的功率半导体器件5和7彼此之间的机械连接和电连接以及模块与例如扼流圈1和用户接口(未示出)的电连接。然而，将要提及的是，例如在IGB晶体管5与电容器6之间的低电感母线系统例如在图5所示的模块中是易于实现的。同样，根据图5的模块的控制卡(例如，被称为门极驱动器，未示出)和可能与该模块相关联的电气部件及它们所需要的结构易于实现。

在上述的实施方式内或除它们之外，根据本发明的结构可用在多种另外的实施方式中。例如，根据本发明的结构不仅可用于实现逆变器、整流器或变频器的基本结构也可用于实现变频器的输入电桥或制动斩波器。例如，输入电桥可以这样一种方式来实现，即代替IGBT模块5，存在三个输入电桥模块。制动斩波器又可以这样一种方式来实现，即当整流器模块是空位时，IGBT模块5由更为简单的制动部件所取代。制动斩波器通常使用LC或LR电路用于使DC电压峰值平坦化。该电路或其部件中的一些可自然地定位在扼流圈1的适当位置中。作为替代，扼流圈1的位置是空位，或制动电阻器可放置在其适当位置中。图5所示的模块的电学值(电压、功率、电容以及电容器的感应系数)可自然地变为在相当大的程度上是平稳的。扼流圈1也可与图1所示的情况不同。扼流圈1可具有轭状物而不是空心磁芯。其形状也可以是椭圆形的或者，例如是环形的。空心扼流圈的形状也可不同于图中所示的形状，或者它可由若干个不同的部件组成。扼流圈的数量也可不同于图中所示的三个。然而，通常，由于三相电流，扼流圈的数量是可被3整除的，或者，当涉及到DC扼流圈时，由于直流，扼流圈的数量是可被2整除的。在实际中，图中所示的冷却元件2具有几乎任何形状并且其材料也可变化。冷却元件2可具有一个部件或由位于功率半导体器件中的分开的冷却元件形成。通常，冷却元件由具有良好的热传导性的廉价的金属材料制成，如铝或铜。根据本发明的结构不仅对于空气冷却是优异的而且对于液体冷却也是优异的。随后，根本就不需要鼓风机3。作为替代，气体一液体热逆变器可安装在由冷却元件形成的自然的上部空间中的装置之上。还可将水管集成到同一冷却元件中，由此该装置或者借助于空气鼓风机或者作为替代借助于液体的方式起作用。

当结合多种电气部件使用时，根据本发明的机械结构通常最优地工作在较当前结构宽很多的区域中。归因于此，根据本发明的结构使得能够通过整个装置/一系列装置实现模块化，诸如变频器的该装置不仅包括一个装置也包括其内部结构(如功率单元、扼流圈单元、鼓风机单元、控制单元)。在这个意义上，可将模块化考虑成指的是使每个内部单元的附连点标准化。以这种方式得到的用于制造的全部优点可以是具有重大意义的。

当根据不同的实施方式实施时，根据本发明的结构具有多个优点。当使用铝或铜冷却元件时，可能的扼流圈1可以是优选的空心扼流圈，其尺寸小且制造成本低。多亏了其位置，扼流圈的磁通量不会加热周围的金属结构，也不会干扰其它电气部件(诸如电路板)的功能。如果需要，构造用于扼流圈的盖罩是容易的，这是因为温升能够借助于鼓风机，并且，如果需要，借助于冷却元件消除。该结构的冷却是最佳的，这是因为可能的鼓风机3相对于电容器6、冷却元件2以及扼流圈1的位置是自然的。另外，该结构使得能够使用大型低功率并具有较长使用期限的鼓风机。使用本发明的结构的该装置的IP级别能够根据在每个特定的情况下所要求的防护而进行选择。该结构的中心自然构成有尘侧，而电子学空间能够设计在洁净侧上位于它的周围。另外，该结构为冷却带有自然对流的电子学空间提供了良好的条件，这是因为从功率半导体器件到电子学空间的传导损耗基本上对称分配，并且至该装置(通道10中)的中心的对流面以及至该装置的外侧的对流面与常规结构相比通常是至少四倍或甚至超过八倍。另外，在首先将其拉出其安装位置的情况下，归因于其对称性及模块化，根据本发明的结构能够容易地进行修理。组装利用根据本发明的结构是容易的，并且通过使用旋转夹具或竖直位置来为其调整相位也是简单的。由于其模块化，如果需要，利用根据本发明的结构的每个单元均能够单独进行测试或检查，由此能够更快地发现缺陷。另外，模块化提供了大规模生产的优点。利用根据本发明的结构的装置的总尺寸是小的，并且归因于最佳冷却以及模块化使其能够进行的大规模生产，其制造成本是低的。

对于本领域技术人员显而易见的是，随着技术的进步，可以多种方式来实现本发明的基本想法。本发明及其实施方式因此并不限于上述示例而是可在权利要求的范围内变化。

Claims (15)

1.一种用于电动机控制器的装置，所述装置包括多个功率半导体器件(5、7)以及冷却元件(2)，所述冷却元件连接至所述功率半导体器件用于冷却它们，其特征在于，

所述功率半导体器件(5、7)以及所述冷却元件(2)以这样一种方式设置在所述装置的中心轴线(9)的周围：它们从至少三个侧面在所述中心轴线(9)的周围限定出通道(10)，所述冷却元件的冷却表面(8)延伸至所述通道(10)，并且冷却介质能够沿所述中心轴线的方向在所述通道(10)中流动，并且所述功率半导体器件(5、7)自所述功率半导体器件与所述冷却元件之间的连接基本上远离所述中心轴线延伸，并且

所述装置进一步包括至少一个扼流圈(1)，其设置在限定于所述中心轴线(9)周围的所述通道(10)中。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述功率半导体器件(5、7)被分为三组或更多组，由此至少一个冷却元件(2)与每个组相关联。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置包括三组功率半导体器件(5)，每组功率半导体器件均包括至少两个功率半导体器件开关。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，每组功率半导体器件均以这样一种方式附连至板状结构(4)，即每组功率半导体器件中的功率半导体器件(5、7)从所述板状结构的一个表面向外延伸，并且对应的至少一个冷却元件的所述冷却表面(8)从所述板状结构的相对表面向外延伸。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述板状结构(4)由连续的板或彼此附连的多个组别特定的板形成。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，沿所述中心轴线的方向看去，所述板状结构(4)从至少三个侧面为限定于所述中心轴线(9)周围的所述通道定界。

7.根据权利要求4、5或6所述的装置，其特征在于，所述板状结构(4)是所述一个或多个冷却元件(2)的一部分。

8.根据权利要求2到6中的任一项所述的装置，其特征在于，沿所述中心轴线(9)的方向看去，限定于所述中心轴线周围的所述通道(10)基本上是三角形的，并且一组功率半导体器件和与所述组功率半导体器件相关联的至少一个冷却元件设置在所述三角形的每个侧面上。

9.根据权利要求2到6中的任一项所述的装置，其特征在于，沿所述中心轴线(9)的方向看去，限定于所述中心轴线(9)周围的所述通道(10)基本上是方形的，并且一组功率半导体器件和与所述组功率半导体器件相关联的至少一个冷却元件定位在所述方形的至少三个侧面上。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，一组功率半导体器件(5)定位在所述方形的三个侧面上，并且形成整流器的一组功率半导体器件(7)定位在所述方形的一个侧面上。

11.根据权利要求1到6中的任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个扼流圈(1)是空心扼流圈。

12.根据权利要求1到6中的任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个扼流圈(1)是输入扼流圈和/或输出扼流圈。

13.根据权利要求1到6中的任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括至少一个电容器(6)，其至少部分定位在所述通道(10)中。

14.一种电动机控制器，其包括根据权利要求1到13中的任一项所述的装置。

15.根据权利要求14所述的电动机控制器，其特征在于，所述电动机控制器是逆变器、整流器、变频器或柔性启动器。

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