本发明专利技术名称为“高功率密度、高反EMF永磁电机及其制造方法”。一种电力驱动系统，包括具有转子(116)和定子(118)的永磁电机(70)以及电耦合到永磁电机(70)的功率转换器(62)，功率转换器(62)配置成将DC链路电压转换成AC输出电压以驱动永磁电机(70)。功率转换器(62)包括多个碳化硅开关器件(74-84)，其具有的额定电压超过在永磁电机(70)的最大速度处的永磁电机(70)的峰值线间反电动势。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术的实施例通常涉及具有高功率密度的永磁电机，以及更具体地，涉及一种在高功率密度、高反电动势(emf)永磁电机中、通过提供包括碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的功率转换器来防止故障状态的方法和系统。
技术介绍
高功率密度和高效率电机(即，电动机和发电机)的需求已经长期普遍地用于多种应用，尤其用于混合和/或电动车辆牵引应用。出于能源供应和环境的原因，生产既高效又可靠、并且对普通消费者来说价位合理的混合电动和/或电动车辆的动力逐渐增加。然而，可用于混合电动和电动车辆的驱动电机技术通常成本极高，从而降低消费者的负担能力或制造商的盈利中的一个(或两者)。大部分市售混合电动和电动车辆依靠内部永磁体(IPM)电机作为牵引应用，因为已经发现IPM电机在很宽的速度范围上具有高功率密度和高效率，并且也易于装配在前轮驱动车辆中。然而，为了获得这种高功率密度，IPM电机必须使用昂贵的烧结高能产品磁体。 而且，IPM电机在高速(例如，14，OOOrpm)操作以获得最佳功率密度。永磁电机的功率密度被定义为功率输出与永磁电机的体积之比。通常期望相对高的功率密度(如，相对于体积的高功率输出)。高功率密度允许永磁电机或者对于给定功率输出具有更小的整体尺寸，或者对于给定尺寸具有更高的输出。随着永磁电机的转子速度的提高，定子中产生的电压(称作“反emf”)增加。这反过来需要施加越来越高的终端电压来产生期望的转矩。对于永磁电机，电机的反emf与速度成比例。如果在最大速度处的峰值线间反emf比DC链路电压高，并且如果失去功率转换器上的控制，永磁电机将开始在不受控制的发电(UCG)模式中操作。UCG发生在六个逆变器开关的控制栅极信号都被关闭或断开的情况下。在这种状况期间，电机通过逆变器开关的反并联二极管连接到DC电源。反并联二极管建立了供电流流过的潜在路径，这取决于电机的操作状态和DC源电压。在这种情况下，永磁电机将作为发电机将旋转功率转换成电流，并且通过功率转换器中的反并联二极管开始将能量转储(dump)到DC链路中，从而导致 DC链路电压增加。如果没有消耗这种能量，或者如果没有限制DC链路电压的增长，DC链路电压可能超过功率转换器中的有源器件的额定电压。为了最小化或防止UCG模式操作的发生，通常在电机的反emf上设置限制，或者与 DC链路并联地增加附加的钳位电路或消弧电路。然而，限制电机的反emf减小了功率或转矩密度及电机的速度容量。而且，增加消弧电路增加了永磁电机驱动系统的电路的附加成本和复杂性。也可以通过限制电机中的磁体的数量或相对强度来减小电机的反emf，这也负面地影响功率或转矩密度。因此，期望能够排除设置电机反emf限制，和/或排除增加消弧电路，从而使得在 UCG模式操作期间器件的额定电压不被超越。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，一种电力驱动系统，包括具有转子和定子的永磁电机以及电耦合到永磁电机的功率转换器，功率转换器配置成将DC链路电压转换成AC输出电压以驱动永磁电机。该功率转换器包括多个SiC开关器件，其具有的额定电压超过在永磁电机的最大速度处的永磁电机的峰值线间反emf。根据本专利技术的另一方面，一种制造电力驱动系统的方法，包括提供SiC功率转换器的步骤，该SiC功率转换器具有多个SiC开关器件并被耦合到电源。该方法还包括以下步骤提供永磁电机，该永磁电机在最大速度处具有的峰值线间反emf大于电源的DC链路电压；以及将SiC功率转换器耦合到永磁电机以驱动永磁电机。根据本专利技术的另一方面，一种车辆驱动系统，包括具有永磁转子和定子的电机。该驱动系统还包括DC链路和功率转换器，该功率转换器电耦合在DC链路和永磁电机之间以驱动永磁电机。该功率转换器包括多个SiC开关器件，这些SiC开关器件的额定操作电压高于能够在永磁电机的定子中产生的最大反emf。多种其它特征和优点将从下面的详细描述和附图中变得明显。附图说明了目前预期实现本专利技术的实施例。在附图中图1说明了传统的永磁电机驱动系统；图2说明了根据本专利技术的一实施例的高功率密度永磁电机驱动系统。 具体实施例方式图1说明了传统的三相永磁电机驱动系统10。系统10包括DC链路12，其提供DC 输入电压，把DC输入电压转换或逆变为AC波形，从而给永磁电机14提供功率。耦合输入滤波电容器16在DC链路12两端上，用于滤波DC链路12上的电压Vdco当功率从DC链路 12流向AC永磁电机14时，功率转换器18从DC链路12接收输入电压。这种功率流的方向通常被称作操作在“电动”模式。当功率流的方向是从永磁电机14到功率转换器18时， 功率转换器18的输入电压是来自永磁电机14的AC，而功率转换器18的输出是DC链路12 上的DC电压。功率流从AC永磁电机14到功率转换器18的操作通常被称为操作在再生制动模式，例如，在车辆中，当期望在下坡道上维持给定速度值时，或者当车辆减速时，这种模式是有用的。功率转换器18是典型的三相逆变器，其每个相支线(phase leg)具有两个串联连接的开关器件。例如，器件20和22形成第一相支线，器件M和沈形成第二相支线，以及器件28和30形成第三相支线。器件20-30是常规硅半导体开关器件，例如，硅IGBT、M0SFET、 硅双极达林顿(Darlington)功率晶体管、GT0、SCR、或IGCT型器件。二极管32、34、36、38、 40,42以反并联关系被耦合在各个硅开关器件20-30两端上。图2说明了根据本专利技术的实施例的永磁电机驱动系统44。驱动系统44包括具有 DC源电压Vs 48的DC链路46。驱动系统44包括提供DC源电压Vs 48的电源50。驱动系统44优选包括两个接触器(Cl，以)52、54，或至少一个接触器Cl，以将DC链路46耦合到电4源50，或者将DC链路46从电源50断开。在一个实施例中，电源50包括AC源58和整流器 56，配置整流器56以将AC源58的电压转换成DC链路或源电压Vs。在另一个实施例中，电源 50包括DC电源58，例如电池，燃料电池，或者具有关联功率电子转换器的飞轮(flywheel)。 在又一实施例中，电源50包括DC电源58，例如电池，燃料电池，超级电容器，或者具有关联功率电子控制的飞轮，DC电源58耦合到双向DC-DC电压转换器56，双向DC-DC电压转换器 56将源电压提高到DC链路或源电压Vs。DC链路46提供DC输出电压Vdc 60到功率转换器或逆变器62。在正DC轨(rail)66和负DC轨68之间图示了输入滤波电容器64，用来提供对来自电源50的高频电流的滤波功能，以确保正轨和负轨66、68之间的功率质量。如下面详细描述的，功率转换器62从DC链路46接收DC输入电压VDe 60并转换该DC输入电压，以提供AC功率的合适形式来驱动永磁电机70。驱动系统44还包括控制器 72，其包括打开和关闭接触器Cl和C252、54的装置，其中接触器Cl和C2 52,54的打开和关闭是基于来自\ 48，Vdc 60的感测的电压输入、来自电机70的速度传感器输入、加上操作员输入、以及检测的可能在功率转换器62中发生的故障。控制器72还包括控制给双向提升转换器56的提升功率的命令的装置。根据一个实施例，功率本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：A·M·F·艾尔雷菲，R·D·金，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：
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