[發(fā)明專利]高功率密度、高反EMF永磁電機(jī)及其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110457017.6
• 申請日: 2011-11-18
• 公開（公告）號: CN102545774B
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: A·M·F·艾爾-雷菲;R·D·金
• 申請（專利權(quán)）人: 通用電氣公司
• 主分類號: H02P27/06
• 分類號: H02P27/06
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 柯廣華,李家麟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的實(shí)施例通常涉及具有高功率密度的永磁電機(jī)，以及更具體地，涉及一種在高功率密度、高反電動(dòng)勢(emf)永磁電機(jī)中、通過提供包括碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的功率轉(zhuǎn)換器來防止故障狀態(tài)的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

高功率密度和高效率電機(jī)(即，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī))的需求已經(jīng)長期普遍地用于多種應(yīng)用，尤其用于混合和/或電動(dòng)車輛牽引應(yīng)用。出于能源供應(yīng)和環(huán)境的原因，生產(chǎn)既高效又可靠、并且對普通消費(fèi)者來說價(jià)位合理的混合電動(dòng)和/或電動(dòng)車輛的動(dòng)力逐漸增加。然而，可用于混合電動(dòng)和電動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)通常成本極高，從而降低消費(fèi)者的負(fù)擔(dān)能力或制造商的盈利中的一個(gè)(或兩者)。

大部分市售混合電動(dòng)和電動(dòng)車輛依靠內(nèi)部永磁體(IPM)電機(jī)作為牽引應(yīng)用，因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)IPM電機(jī)在很寬的速度范圍上具有高功率密度和高效率，并且也易于裝配在前輪驅(qū)動(dòng)車輛中。然而，為了獲得這種高功率密度，IPM電機(jī)必須使用昂貴的燒結(jié)高能產(chǎn)品磁體。而且，IPM電機(jī)在高速(例如，14,000rpm)操作以獲得最佳功率密度。永磁電機(jī)的功率密度被定義為功率輸出與永磁電機(jī)的體積之比。通常期望相對高的功率密度(如，相對于體積的高功率輸出)。高功率密度允許永磁電機(jī)或者對于給定功率輸出具有更小的整體尺寸，或者對于給定尺寸具有更高的輸出。

隨著永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子速度的提高，定子中產(chǎn)生的電壓(稱作“反emf”)增加。這反過來需要施加越來越高的終端電壓來產(chǎn)生期望的轉(zhuǎn)矩。對于永磁電機(jī)，電機(jī)的反emf與速度成比例。如果在最大速度處的峰值線間反emf比DC鏈路電壓高，并且如果失去功率轉(zhuǎn)換器上的控制，永磁電機(jī)將開始在不受控制的發(fā)電(UCG)模式中操作。UCG發(fā)生在六個(gè)逆變器開關(guān)的控制柵極信號都被關(guān)閉或斷開的情況下。在這種狀況期間，電機(jī)通過逆變器開關(guān)的反并聯(lián)二極管連接到DC電源。反并聯(lián)二極管建立了供電流流過的潛在路徑，這取決于電機(jī)的操作狀態(tài)和DC源電壓。在這種情況下，永磁電機(jī)將作為發(fā)電機(jī)將旋轉(zhuǎn)功率轉(zhuǎn)換成電流，并且通過功率轉(zhuǎn)換器中的反并聯(lián)二極管開始將能量轉(zhuǎn)儲(dump)到DC鏈路中，從而導(dǎo)致DC鏈路電壓增加。如果沒有消耗這種能量，或者如果沒有限制DC鏈路電壓的增長，DC鏈路電壓可能超過功率轉(zhuǎn)換器中的有源器件的額定電壓。

為了最小化或防止UCG模式操作的發(fā)生，通常在電機(jī)的反emf上設(shè)置限制，或者與DC鏈路并聯(lián)地增加附加的鉗位電路或消弧電路。然而，限制電機(jī)的反emf減小了功率或轉(zhuǎn)矩密度及電機(jī)的速度容量。而且，增加消弧電路增加了永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電路的附加成本和復(fù)雜性。也可以通過限制電機(jī)中的磁體的數(shù)量或相對強(qiáng)度來減小電機(jī)的反emf，這也負(fù)面地影響功率或轉(zhuǎn)矩密度。

因此，期望能夠排除設(shè)置電機(jī)反emf限制，和/或排除增加消弧電路，從而使得在UCG模式操作期間器件的額定電壓不被超越。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括具有轉(zhuǎn)子和定子的永磁電機(jī)以及電耦合到永磁電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換器，功率轉(zhuǎn)換器配置成將DC鏈路電壓轉(zhuǎn)換成AC輸出電壓以驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)。該功率轉(zhuǎn)換器包括多個(gè)SiC開關(guān)器件，其具有的額定電壓超過在永磁電機(jī)的最大速度處的永磁電機(jī)的峰值線間反emf。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種制造電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方法，包括提供SiC功率轉(zhuǎn)換器的步驟，該SiC功率轉(zhuǎn)換器具有多個(gè)SiC開關(guān)器件并被耦合到電源。該方法還包括以下步驟：提供永磁電機(jī)，該永磁電機(jī)在最大速度處具有的峰值線間反emf大于電源的DC鏈路電壓；以及將SiC功率轉(zhuǎn)換器耦合到永磁電機(jī)以驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括具有永磁轉(zhuǎn)子和定子的電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括DC鏈路和功率轉(zhuǎn)換器，該功率轉(zhuǎn)換器電耦合在DC鏈路和永磁電機(jī)之間以驅(qū)動(dòng)永磁電機(jī)。該功率轉(zhuǎn)換器包括多個(gè)SiC開關(guān)器件，這些SiC開關(guān)器件的額定操作電壓高于能夠在永磁電機(jī)的定子中產(chǎn)生的最大反emf。

多種其它特征和優(yōu)點(diǎn)將從下面的詳細(xì)描述和附圖中變得明顯。

附圖說明

附圖說明了目前預(yù)期實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施例。

在附圖中：

圖1說明了傳統(tǒng)的永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；

圖2說明了根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的高功率密度永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式