具有去耦相的旋轉電機的製作方法

2023-09-22 22:29:15 1

專利名稱：具有去耦相的旋轉電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及旋轉電機，具體地涉及用在如機動車輛中的交流發電機起動器。
更具體地，本發明涉及旋轉電機，包括機電組件，被適配為將交流電形
式的電能轉換為機械能。該組件包括n相，其中n至少等於2;逆變器電 路，被適配為傳送所述交流電，該逆變器電路包括n對彼此串聯連接的開關 電路，每對開關電路耦接到該機電組件的各個相。
背景技術：
這樣的旋轉電機的使用是已知的，特別是在交流發電機起動器型的可逆 機器的環境內的使用。在這種旋轉電機中，機電組件包括，例如n相同步電
同步電動機包括定子，具有由繞組形成的多個相；和轉子，被安裝為能夠 相對於該定子移動，並且包括例如永久石茲鐵。
在這種機器處於起動器模式的使用過程期間，該開關電路將由車輛的電 池產生的DC電能轉換為AC電能。由此AC電能，該定子產生旋轉磁場， 以便產生機械力矩，在啟動過程期間提供給該電動機。理想的是，在此操作 模式下產生大力矩。
但是，開關電路的控制可能被電磁信號所幹擾，可能引起電動機的控制 的故障。該電^f茲幹擾可能由工作在該旋轉電機附近的其它設備所產生。
此外，該旋轉電機自身也可能產生電磁幹擾，其能夠證明在周圍區域內 存在其它設備的噪聲幹擾(nuisance)。
因此，期望這種設備符合與EMC(電磁兼容性)標準有關的事物。

發明內容
本發明的目的是通過提供一種對電磁幹擾不敏感的旋轉電機來特別克 服前述缺陷。
為了達到此目的，根據本發明的實施例，討論中的這種旋轉電機包括
第一電容性元件，與每一相應對開關電路並聯連接；和阻尼電路，包括電阻 性元件和第二電容性元件，該阻尼電路與每一相應對開關電路的第一電容性 元件並聯連接。
通過這些構造的優點，提供了每一相的開關電路的去耦。因而較好地保 護該旋轉電機免受電磁幹擾，因此該旋轉電機能夠用在更需要的環境中。此 外，通過這些電容平滑了電流的高頻分量，因而使得可能干擾附近設備的諧 波的幅度降低(傳導和輻射EMC)。
器電路的電纜的電感)形成調諧振蕩電路。為了抑止特別是由開關時的壓降 引起的該振蕩電路內的振蕩，該阻尼電路與每個第一電容性元件並聯耦接。 該阻尼電路的電阻性元件的電阻被選擇為最佳地抑止這些振蕩。
該第二電容性元件的第 一功能是防止DC電源電流被阻尼電路的電阻永 久耗散。這是因為對於DC電流來說，電容作為開路開關，阻止通過該電阻 性元件導電。
根據本發明的一個實施例，該第二電容性元件的電容基本大於該第一電 容性元件的電容。
這是因為，當第二電容性元件的電容大於第一電容性元件的電容時，後 者傳導頻率低於寄生(stmy)振蕩電路的諧振頻率的電流。結果，該第一電容 性元件通過該電阻性元件的電阻^皮分流(shunt),以便抑止振蕩。
更準確地說，該第二電容性元件的電容值例如基本等於或大於該第 一 電 容性去耦元件的電容的三倍。這在部件的尺寸和第 一 電容性元件的高頻時的 分流效率之間構成了良好的折衷，這點事實上已得到了確定。
根據本發明的變體，該逆變器電路通過導電元件耦接到DC電流源，所 述導電元件具有內在寄生電感。
該阻尼電路和該第 一 電容性元件與該導電元件形成振蕩電路。該阻尼電 路的電阻性元件被適配為衰減所述振蕩電路內的振蕩。
因此該電阻性元件的電阻被選擇為該寄生電感和該電容的值的函數，以 使得該振蕩電路被最佳抑止。
有益的是，該電阻性元件的電阻可以被選擇為基本等於糹,其中L
是導電元件的寄生電感的總和，d是第一電容性元件的電容，C2是第二電容 性元件的電容。
這是因為這給定了耦接到寄生電感的每個電容性元件的特有諧振頻率 的幾何平均的區域中的位置。對於接近於此平均的值，阻尼是最佳的。
有益的是，該旋轉電機也可以包括控制電路，其具有n對輸出，用於分
別控制該n對開關電路，並且該控制電路可以包括至少一個連接到所述輸出
的電阻性輸出元件。
這使得能夠限制電容性元件的兩端處的電壓變化速度。這是因為，在開 關期間，電容經受大的電壓變化，這會引起大的電流流動。為了限制這些電 流，從導電狀態到斷開狀態的切換以及從斷開狀態到導電狀態的切換被減 慢。這具有允許使用小尺寸的部件的優點，特別是陶瓷電容器的使用。因此 控制電路的總尺寸減小，其可以被真正地合併到電動機中。但是，注意到， 由於較長的開關時間而引起較大的開關損失。
根據變體實施例，每個電阻性輸出元件與相應開關電路的寄生電容形成
具有給定時間常數的RC電路。該電阻性元件的值為使得該時間常數基本上 為交流電的最小周期的5%時的值。
這種折衷實際上使得能夠很大程度上減小電容性元件的尺寸，而不用開 關電路經受太大的開關損失。
相似地，每個電阻性輸出元件與相應開關電路的寄生電容形成具有給定 時間常數的RC電路。該電阻性元件的值為使得該第一電容性元件的兩端處 的最大電壓變化基本上小於5V/ws時的值。這允許特別是陶瓷電容器的使 用，陶瓷電容器的尺寸小，並且足夠提供電磁去耦效率。


在下面參照附圖描述以非限制示例的方式給出的本發明的實施例之一 的過程中，本發明的其它特性和優點將變得明顯。 在附圖中
圖l是^^艮據本發明的旋轉電機的簡化圖2是圖1的旋轉電機的一個相的布線圖；以及
圖3是描述圖2的相中的開關期間的信號變化的時序圖。
具體實施例方式
在不同的圖中，相同的參考數字指代相等或相似的元件。
如圖1所示，由DC電壓源(例如，電池2)為旋轉電機1供電。旋轉電 機1包括機電組件3，被適配為將電能轉化為機械能。在示出的示例中，其 是三相同步電動機3(n = 3)。如果有關聯，此電動機可以用作交流發電機， 特別是如果旋轉電機1是交流發電機起動器。
此外，該旋轉電機1包括三相逆變器電路4， 一方面通過端子B+和B-耦^接到電池2，另一方面通過相U、 V、 W耦4妻到三相電動才幾3。在示出的 示例中，定子繞組是Y型連接的，也就是說它們具有公共端，中間端N。但 是，也可以使用三角形結構。相似地，相數可以不同。但是優選地為奇數相。
逆變器4包括六個開關電路4a到4f。每對開關電路的公共端子耦接到 一個相應的相。因而，4a-4d對具有連接到定子繞組U的/仝共端U。相似地， 4b-4e對具有連接到定子繞組V的公共端V, 4c-4f對具有連接到定子繞組W 的7>共端W。
為了簡化對本發明的研究，這裡將限於研究一相的開關，例如具有相應 開關電路4a-4d對的相U。圖2以簡化的方式描述了開關電路4a-4d對，以 及開關電路4d的控制電路5的一部分。每個開關電路包括相似的控制電路， 為了筒明，將不再描述這些相似的控制電路。
在所示的示例中，開關電路4a和4d是MOSFET(金屬氧化物半導體場 效應電晶體)。控制電路被適配為利用交流發電機控制塊 6(ALTERN.CONTROL.)以交流發電機模式控制機電組件，以及利用電動機模 式控制塊8(MOT.CONTROL.)以電動機模式控制機電組件。控制信號例如由 兩輸入多路復用器7來多路復用。電阻性輸出元件Rom可以連接在電動機控 制塊8和多路復用器7之間。控制電路5通過電阻器Rl與電晶體4d的柵極 輛接。
根據本發明的其它實施例，第 一電容性元件Q與MOSFET 4a和4d對 並聯連接。該電容性元件使得能夠使連接到端子B+和B-的相和供電臂去耦。 因而，旋轉電機1對電磁幹擾不敏感，而電磁幹擾可以引起MOSFET 4a和 4d對的故障。這是因為，如果沒有此"吸收"高頻的去耦電容，電磁幹擾可 以修改參考電位，例如點B+處的電位，然後引起4a的開關。在這個示例中， 電容C,已被選擇為基本等於220 nF。
但是，第一電容性元件d與由圖2所示的線圏模擬的導電元件的總寄
生電感L形成振蕩電路，其諧振頻率近似等於~~^=。為了抑止此振蕩
電路，將電阻性元件R2與此電容並聯放置。
接著，為了避免此電阻性元件R2永久分流該MOSFET對，將電容性元 件C2與此電阻串聯放置。這是因為，當DC電流對此電容元件充電時，隔斷 電路的此臂，AC電流可以流過此電容性元件C2，並且可以耗散或衰減在電
阻性元件R2的電阻中。
因而，通過將第二電容性元件的電容選擇為大於第一電容性元件d的 電容，可以抑止由振蕩電路Ld產生的振蕩。優選地，電容C2被選擇為基 本等於電容Q的三倍，在此示例中也就是680 nF。這是因為，在這種情況 下，對於接近振蕩電路Ld的諧振頻率的AC電流來說，第二電容性元件
C2基本表現為閉合開關。
然後，電阻性元件R2抑止此振蕩電路中產生的振蕩。為了優化此阻尼
效應，電阻R2被選擇為基本等於〗丄一。因而，在每次開關時刻，由振蕩
引起的過衝具有這樣的幅度其變得如此小使得這些振蕩不能引起MOSFET 4a和4d之一的亂真開關(spurious switching)。此夕卜，能很快達到穩定狀態。
圖3是示出在從MOSFET4d的導電狀態變為斷開狀態期間，圖2的電 路的不同的電壓和電流的變化的時序圖。在初始狀態to,電晶體4a處於斷開 狀態，電晶體4d處於導電狀態。在瞬時時刻tP控制電路在連接到MOSFET 4d的柵極的輸出端處生成低信號。柵極電壓V(j然後開始降低，降低的時間 常數是MOSFET 4d的寄生電容與電阻和的函數。
當此電壓Vcj達到第一閾值時，在瞬時時刻t2，此電壓降低得更慢。此 現象被稱為"米勒平坦效應(Miller Plateau)",其持續時間T,依賴於電阻R！ 和Rout以及MOSFET的寄生電容。在此平坦的"過程"期間，MOSFET 4d 的內部電阻開始增加，MOSFET 4d工作在線性導電模式。由於相U的定子 繞組的電感的原因使得來自此繞組的電流I不能很快變化，所以MOSFET4d 的漏極電壓VD隨著電晶體的內部電阻的增加而增加。
當電壓VD在瞬時時刻t3達到電源電位B+時，MOSFET 4a的體二極體 變為導電，並且來自定子的電流開始經過此二極體。結果，MOSFET 4d中 的電流I1減小，導電元件的寄生電感引起參考電位B-的負變化。此變化是危險的，因為控制電路連接到此參考。
在瞬時時刻t4,生成過電壓，MOSFET 4d處於擊穿(breakdown)模式，
並且在存儲在逆變器4和電池2(圖l)之間的電路的寄生電感中的能量耗散在
電晶體中的時間內，保持在此導電模式。
在此開關期間，電容性元件d和C2的各個端處的電壓變化很快。其直 接後果是在這些部件中形成高電流。為了限制此電流，放置電阻性元件Rout， 以使得此附加電阻引起MOSFET 4d的寄生電容的放電的時間常數的增加。
其結果特別是米勒平坦效應的持續時間Tt的延長。結果，可以限制(！)的
最大值，其中V是電容性元件的兩端的電壓。在此示範性實施例中，此最大 值近似為5V/jlis。此值使得能夠使用尺寸更小的陶瓷電容器，其允許控制電 路組件的更好的集成度。
此外，限制電壓變化使得能夠避免大的過電流，因此延長了整個電路的 服務壽命。
但是，通過這樣延長米勒平坦效應，開關操作被放慢，其導致較大的開 關損失。然而，在此電動機工作模式下，主要目的是提供大的力矩以便啟動 熱引擎。由於電阻性元件放置在多路復用器7和電動機模式控制電路8之間， 因此在交流發電機模式(在此期間，要求具有最佳能量輸出)下不發生這種開 關時間的延長。
利用此結構，可以保留交流發電機模式下機械能轉化為電能的最佳性 能，並且在起動器和交流發電機這兩個模式下可以提供附加的良好去耦效 應。
權利要求
1、一種旋轉電機(1)，包括機電組件(3)，被適配為將交流電形式的電能轉換為機械能，並且包括n相，其中n至少等於2，逆變器電路(4)，被適配為傳送所述交流電，該逆變器電路包括n對彼此串聯連接的開關電路(4a-4f)，每對開關電路耦接到該機電組件的各個相(U、V、W)，其特徵在於，第一電容性去耦元件(C1)與每一相應對開關電路(4a-4f)並聯連接；以及其特徵在於，包括電阻性元件(R2)和第二電容性元件(C2)的阻尼電路與每一相應對開關電路的第一電容性去耦元件並聯連接。
2、 根據權利要求1所述的旋轉電機，其中，該第二電容性元件的電容(C2)基本大於該第一電容性元件的電容。
3、 根據權利要求2所述的旋轉電機，其中，該第二電容性元件的電容(C2)的值基本等於或大於該第一電容性去耦元件的電容(C,)的三倍。
4、 根據前述權利要求中任一權利要求所述的旋轉電機，其中，該逆變 器電路(4)通過導電元件耦接到DC電壓源(2),所述導電元件具有內在寄生電 感，其中，該阻尼電路和該第一電容性元件與該導電元件形成振蕩電路，該阻尼電路的電阻性元件(R2)的值被適配為衰減所述振蕩電路內的振蕩。
5、 根據權利要求4所述的旋轉電機，其中，該電阻性元件的電阻基本其中，L是導電元件的寄生電感的總和，Q是第一電容性元件的電容，C2 是第二電容性元件的電容。
6、 根據前述權利要求中任一權利要求所述的旋轉電機，也包括控制電 路(8),其具有n對輸出，用於分別控制該n對開關電路，以及其中，該控制 電路包括至少一個連接到所述輸出的電阻性輸出元件(Rout)。
7、 根據權利要求6所述的旋轉電機，其中，每個電阻性輸出元件與相 應開關電路(4d)的寄生電容形成具有給定時間常數的RC電路，並且其中， 該電阻性元件的值為使得該時間常數基本大於大約交流電的最大周期的5 % 時的值。
8、根據權利要求6或7所述的旋轉電機，其中，每個電阻性輸出元件 與相應開關電路(4d)的寄生電容形成具有給定時間常數的RC電路，並且其 中，該電阻性元件的值為使得該第一電容性元件的兩端處的最大電壓變化基 本上小於大約5V/jas時的值。
全文摘要
本發明涉及一種旋轉電機，包括具有n相的機電組件，其被適配為將電能轉換為機械能；和靜態轉換器電路，用於提供所述電能，並且包括n對串聯安裝的開關電路。每對開關電路耦接到該機電組件的相應相。第一電容性去耦元件(C1)與每一相應對開關電路(4a，4d)並聯連接，以及包括電阻性元件(R2)和第二電容性元件(C2)的阻尼電路與每一相應對開關電路的第一電容性去耦元件並聯連接。
文檔編號H02M1/12GK101346874SQ200680048764
公開日2009年1月14日 申請日期2006年12月13日 優先權日2005年12月23日
發明者皮埃爾·薩達特 申請人:法雷奧電機設備公司