用于高湿气应用的电动机控制器及制造方法与流程

本发明的领域一般涉及电动机控制系统，且更具体地，涉及用于高湿气(moisture)应用中使用的电动机控制系统的湿气渗透保护。

背景技术：

电动机正被用于具有可接受的可靠性记录的多个不同的采暖(heating)、通风和空气调节(hvac)应用(炉、热泵和空调)。虽然电动机的可靠性多年来一直在稳步增长，但是工业上需要防潮电动机以满足日益增长的对更长保修的需求(例如从1年延长到5至10年)。湿气渗透是电动机控制系统的电子部件故障的主要原因，特别是在通常发生高湿度(humidity)水平的空调和热泵中。连接性(例如，信号连接器的完整性)是故障的另一个主要原因。

至少一些已知的电动机控制系统中的当前封装工艺(packagingprocess)包括安装在印刷电路板(pcb)上的电子部件和用于电力和信号线的电缆连接。电动机控制系统中使用的表面安装厚膜电阻对湿气渗透非常敏感。当湿气渗入硬件电子器件时，电阻端子处的银迁移发生并导致电阻下降，造成短路或断路。用于电力线和信号线的连接器同样提供湿气渗透路径，其影响外壳内侧的电动机驱动电子器件的整体湿气水平。一般来说，电动机控制系统输入和连接的电力线在电动机运行时承载较高的电流水平，因此电缆本身产生的电阻损耗可能降低周围的湿气水平。然而，电动机和hvac系统控制器之间的信号连接通常承载非常低的电流，因此其不能降低周围湿气的水平。因此，湿气渗入低功率信号电平电路，其包括许多湿气敏感部件，并最终导致故障。因此，已知的基于pcb的封装技术在期望的保修时间上不提供湿气渗入的解决方案，这导致消费者和电动机供应商的现场故障和额外费用。

技术实现要素：

在一方面，提供了一种电动机控制系统。该系统包括电源模块，其包括印刷电路板(pcb)和被配置为将输入电压转换成输出电压的多个电力处理部件。该系统同样包括电动机管理模块，其包括用于容纳多个湿气敏感驱动器部件的密封的(encapsulated)热量分摊(heat-sharing)封装(package)，所述多个湿气敏感驱动器部件被配置为转换来自电源模块的输出电压并提供用于施加到电动机的绕组的输出电压。

在另一方面，提供了一种制造被配置为耦接到电动机的电动机控制系统的方法。该方法包括将多个电力处理部件耦接到印刷电路板(pcb)以形成电源模块。电力处理部件被配置为将输入电压转换成输出电压。该方法同样包括耦接在密封的热量分摊封装内的多个湿气敏感驱动器部件以形成电动机管理模块。湿气敏感驱动器部件被配置为转换来自电源模块的输出电压，并提供用于施加到电动机的绕组的输出电压。该方法进一步包括使用高压电线将电源模块电耦接到电动机管理模块。

附图说明

图1是示例性电动机的分解图。

图2是用于控制图1中所示的电动机的操作的示例性电动机控制组件的框图，其包括用于减少对信号部件的湿气损坏的电动机管理模块。

图3是包括电动机管理模块的图1和图2中所示的电动机控制组件的透视图。

图4是图1-3中所示的电动机控制组件的分解透视图。

图5是耦接到图1和图2中所示的电动机的图1-4中所示的电动机控制组件的组装图。

图6是被配置为从ac电源接收输入电力的图2-4中所示的电源模块的框图。

图7是被配置为从dc电源接收输入电力的图2-4中所示的电源模块的框图。

图8是图2-4中所示的电动机管理模块的框图。

图9是图2中所示的系统控制器和外部通信模块的框图。

图10是示出经由图2和图9中所示的外部通信装置在图2和图9中所示的系统控制器与电动机之间的通信的框图。

具体实施方式

图1是示例性电动机10的分解图。电动机10包括控制系统11、包括定子或芯14的固定组件12，以及包括转子18和轴20的可旋转组件16。在示例性实施例中，电动机10被用作流体(例如，水、空气等)移动系统中的风扇和/或鼓风机电动机。例如，电动机10可以用于洁净室过滤系统、风扇过滤器单元、可变风量系统、制冷系统、熔炉系统(furnacesystem)、空气调节系统和/或住宅或商业供暖、通风以及空气调节(hvac)系统。可替代地，电动机10可以在使电动机10能够如在此描述的那样运作的任何应用中实施。电动机10同样可以用于驱动除风扇和/或鼓风机之外的机械部件，包括混合器、齿轮、输送机和/或跑步机。在示例性实施例中，控制系统11与电动机10集成在一起。可替代地，电动机10可以在控制系统11外部和/或与控制系统11分离。

转子18安装在轴20上，并且连接到轴20上，轴20作为轴颈用于在常规轴承22中旋转。轴承22安装在与第一端部构件26和第二端构件28集成为一体的轴承支撑件24中。端部构件26和28具有内向侧(innerfacingside)30和32，固定组件12和可旋转组件16位于其间。每一个端部构件26和28具有与其内侧30和32相对的外侧34和36。另外，第二端构件28具有用于轴20延伸通过外侧34的孔38。

转子18包括铁磁芯40，并且可在定子14内旋转。例如，通过附着粘合到转子芯40来固定永久磁铁材料的段42，每一个段提供相对恒定的磁通场。段42被磁化以相对于转子芯40径向极化，相邻的段42如图所示被交替极化。虽然为了公开的目的示出了转子18上的磁体，但是可设想可采用具有不同结构的其它转子以及在数量、结构和磁通场的方面不同的其它磁体，而这种其它转子在本发明的范围内。

固定组件12包括适于被电激励以生成电磁场的多个绕组级(windingstage)44。级44是卷绕在层叠的定子芯14的齿46周围的线圈。绕组端子引线48通过第一端部构件26中的孔50被带出，终止于电动机连接器52。虽然为了公开的目的示出了固定组件12，但是可设想在本发明的范围内可以采用具有不同形状和不同齿数的各种其它结构的其它固定组件。

电动机10进一步包括安装在电动机10的后部以容纳控制系统11的电子器件外壳54。电子器件外壳54和控制系统11有时可共同被称为电动机控制组件55。电子器件外壳54包括底壁56和基本上环形的侧壁57。控制系统11包括安装在电子器件外壳54内的多个电子部件58和连接器59。控制系统11通过互连电动机连接器52来连接到绕组级44。控制系统11一次对一个或多个绕组级44施加电压，用于以预选顺序对绕组级44整流，以围绕旋转轴线旋转可旋转组件16。在替代实施例中，控制系统11与电动机10远程放置并通信地耦接到电动机10。在替代实施例中，控制系统11是用于多于一个的电动机(例如，在hvac系统中)的中央控制系统，并且通信地耦接到电动机10。

壳体72被放置在第一端构件26和第二端构件28之间，以便封闭和保护固定组件12和可旋转组件16。

图2是用于控制电动机10的操作的示例性电动机控制组件55(在图1中所示)的框图，其包括用于减少对信号部件的湿气损坏的电动机管理模块。图3是包括电动机管理模块的电动机控制组件55的透视图。图4是电动机控制组件55的分解透视图。图5是耦接到电动机10的电动机控制组件55的组装图。在示例性实施例中，电动机控制组件55包括容纳控制系统11的电子器件外壳54。控制系统11包括电源模块200和与电源模块200物理分离但电连接的电动机管理模块210。

电源模块200包括输入连接器201、多个电气部件202以及安装在诸如印刷电路板(pcb)204的部件板上的输出连接器203。电源模块200将大的通孔电气部件和对湿气不敏感的控制系统11的电力连接器集成在一起。在示例性实施例中，pcb204耦接到电子器件外壳54的底壁56的内表面。

在示例性实施例中，输入连接器201包括用于耦接到电源206的电力输入线连接器205。输入连接器201经由电子器件外壳54的侧壁57中的开口与电源206接合并从电源206接收输入电力。在一些实施例中，经由诸如hvac系统控制器的系统控制器220来供电。

电源模块200的电气部件202被配置为将从电源206接收的输入电压转换成期望电平的直流(dc)电压。使用输出连接器203，电源模块200将转换的dc电压输出到电动机管理模块210。输出连接器203包括用于向电动机管理模块210提供转换的dc电压的两条高压电线208。

电动机管理模块210包括输入/输出连接器211和电气部件(在图8中所示)。电动机管理模块210将控制系统11的湿气敏感电气部件容纳在密封的热量分摊封装212内，该密封的热量分摊封装提供防止由于湿气进入电子器件外壳54而引起的损坏和/或故障的保护，如本文更详细描述的。

热量分摊封装212包括耦接到金属散热器214的绝缘金属基板213，该金属散热器214形成在电子器件外壳54的侧壁57中。例如，热量分摊封装212可以包括基于绝缘金属基板(ims)的封装(packaging)或基于厚印刷铜(tpc)的封装，以集成高功率半导体装置和所有湿气敏感部件，诸如集成电路和表面安装电阻。由半导体装置的电损耗生成的热量使安装在热量分摊封装上的元件在相对较高的温度下操作。较高的操作温度使电动机管理模块210附近的湿气蒸发。

热量分摊封装212包括外部连接的最小化。到外部环境中的连接包括电力连接(其自然倾向于防潮)。这些电力连接包括来自电源模块200的dc电力和到电动机10的三相ac电力。为了提供所需的连接最小化，信号连接经由与系统控制器220的无线连接进行。热量分摊封装212包括具有重叠注塑(over-molded)的覆盖物(cover)的绝缘金属基板，该重叠注塑的覆盖物被选择为基本上对内部部件进行防水保护。功率晶体管和信号部件之间的热量分摊通过这些部件与位于所有部件下方的金属绝缘基板的金属部分的公共散热器的紧密接近来保证。依靠该热量分摊来帮助排除最终可能被低电平电压信号电路吸收的湿气。

包括安装在散热器214和其它部件上的功率半导体(igbt、mosfet或其它)的电动机管理模块210在它们向电动机绕组切换电力时产生热量。其它切换元件(诸如dc/dc转换器)的电损耗同样有助于提高封装的温度。热量分摊封装212的高操作温度使电动机管理模块210上的积水蒸发，从而防止水渗入电动机管理模块210内。

输入/输出连接器211耦接到高压电线208，用于从电源模块200接收转换的dc电压。电动机管理模块210将dc电压转换成三相交流(ac)电压，用于基于从外部装置(例如hvac系统控制器)接收的指令来驱动电动机10。输入/输出连接器211经由输出电力线215将三相ac电压输出到电动机10的绕组级44。

在示例性实施例中，外部通信模块230通信地耦接到电动机管理模块210以及系统控制器220。更具体地，在示例性实施例中，外部通信模块230使用通信线可拆卸地耦接到系统控制器220，并且使用无线通信来通信地耦接到电动机管理模块210。然而，外部通信模块230同样可以使用无线通信来通信地耦接到系统控制器220。可替代地，在一些实施例中，外部通信模块230与系统控制器220是一体的。外部通信模块230由诸如原始设备制造商(oem)的用户控制，并且通过向系统控制器220和/或电动机管理模块210发送控制信号来使电动机操作的控制可行。

图6是被配置为从ac电源接收输入电力的示例性电源模块200(图2-4中所示)的框图。在示例性实施例中，电源模块200被配置为从电源260接收ac电力。例如，在示例性实施例中，电源206是提供50/60hz的120v/240v/277v的单相ac输入电压的ac电站或市电600。

在示例性实施例中，电源模块200包括用于连接到市电600的输入连接器201，用于涌入(inrush)电流保护的涌入限制器602，用于降低emi的电磁干扰(emi)滤波器604，用于将来自市电600的ac电压转换为dc电压的整流器606，用于整流器606的雷电或电力浪涌保护的瞬变电压保护装置608，最小化在电力开关操作期间经历的电压瞬变的至少一个直流侧电容器(dc-linkcapacitor)610，以及向电动机管理模块210提供所得的dc电压的输出连接器203。

图7是被配置为从dc电源接收输入电力的示例性电源模块200(图2-4中所示)的框图。在示例性实施例中，电源模块200被配置为从电源206接收dc电力。例如，在示例性实施例中，电源206是提供约380v的dc输入电压的微电网(micro-grid)或纳米电网(nano-grid)700。

在示例性实施例中，电源模块200包括用于连接到dc电网700的输入连接器201，用于涌入电流保护的涌入限制器702，用于提供防止电线错误连接的保护的反向保护器703，用于降低emi的电磁干扰(emi)滤波器704，被配置为提供防止由电力开关操作引起的切换瞬变的局部保护的至少一个直流侧电容器706，用于直流侧电容器706中的雷电或电力浪涌保护的瞬变电压保护装置708，以及向电动机管理模块210提供所得的dc电压的输出连接器203。

图8是示例性电动机管理模块210(图2-4中所示)的框图。在示例性实施例中，电动机管理模块210包括用于从电源模块200接收dc电压的输入/输出连接器211，用于将dc电力切换到作为ac电力的电动机相位(motorphase)的功率半导体开关800，用于实现控制一个或多个栅极驱动器(gatedriver)804以操作功率半导体开关800的算法的微控制器802，用于从施加到整个电动机管理模块210的较高电压向微控制器802提供低电压电力的低电压电源806和相关联的内部电路，以及用于耦接到电动机绕组级的输入/输出连接器211。在示例性实施例中，低电压电源806是向微控制器802和无线通信模块808提供低电压源的dc-dc转换器。

在示例性实施例中，电动机管理模块210同样包括用于向微控制器802提供数据的多个传感器810。传感器810被配置成测量与电动机10的操作相关联的各种操作参数，包括电压测量、电流测量、温度测量、振动测量和/或与操作电动机或操作环境相关联的任何其它已知测量。传感器810被包含在热量分摊封装212内，并且不需要从封装212中穿透出，该透出将造成湿气渗透的可能性。

在示例性实施例中，电动机管理模块210进一步包括用于与外部装置通信以接收电动机控制命令信号的无线通信模块808，该命令信号被微控制器802用来切换功率半导体开关800从而以适当的电平驱动电动机10。无线通信模块808与诸如外部装置的一个或多个远程装置进行通信。在示例性实施例中，无线通信模块808将接收到的无线信号转换成控制信号，微控制器802利用该控制信号来控制电动机10的操作。无线信号可以包括但不限于蓝牙、蓝牙低能耗、近场通信(nfc)、红外线和/或任何其它已知类型的无线信号。使用无线通信与外部装置进行通信使得能够消除硬连线通信连接器。这种硬连线连接器是湿气的常见入口点，因此它们的去除使电动机10更防湿。

在一些实施例中，使用金属来制造壳体72和/或电子器件外壳54，这可能会干扰被发送到微控制器802的无线信号。因此，电动机管理模块210可以被放置成与壳体72或电子器件外壳54中限定的开口814相邻。电动机管理模块210包括在热量分摊封装212的重叠注塑部分内的天线812，使得经由开口814进入电子器件外壳54的无线信号穿透封装212并由天线812接收。天线812使得能够在电动机10的用户(即，电动机10的制造商、使用电动机10的hvac系统制造商、电动机10的技术人员和/或客户拥有的电动机10)与微控制器802之间进行无线通信以定义、改变或覆盖存储在微控制器存储装置中的操作参数。与开口814相邻的定位天线812使无线信号能够由天线812接收并发送到微控制器802。

如上所述，电动机管理模块210包括由绝缘金属基板形成的热量分摊封装212。在操作期间，由功率半导体开关800的电损耗产生的热量使低功率电路在相对较高的温度下操作。较高的操作温度使电动机管理模块210附近的湿气蒸发，从而为电动机管理模块210提供额外的防潮保护。

在示例性实施例中，微控制器802包括至少一个存储器装置816和处理器818，该处理器818通信地耦接到存储器装置816以执行指令。在一些实施例中，可执行指令被存储在存储器装置816中。在示例性实施例中，微控制器802通过编程处理器818来执行在此描述的一个或多个操作。例如，处理器818可以通过将操作编码为一个或多个可执行指令并通过在存储器装置816中提供可执行指令来被编程。

处理器818可以包括一个或多个处理单元(例如，在多核配置中)。此外，可以使用一个或多个异构处理器系统来实现处理器818，其中主处理器与辅助处理器存在于单个芯片上。作为另一说明性示例，处理器818可以是包含相同类型的多个处理器的对称多处理器系统。此外，处理器818可以使用任何合适的可编程电路来实现，该可编程电路包括一个或多个系统和微控制器、微处理器、精简指令集电路(risc)、专用集成电路(asic)、可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(fpga)以及能够执行在此描述的功能的任何其它电路。在示例性实施例中，处理器818控制微控制器802的操作。

在示例性实施例中，存储器装置816是使得能够存储和检索诸如可执行指令和/或其它数据的信息的一个或多个装置。存储器装置816可以包括一个或多个计算机可读介质，诸如但不限于nfc电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、标准eeprom、动态随机存取存储器(dram)、静态随机存取存储器(sram)、固态盘和/或硬盘。存储器装置816可以被配置为存储不限于应用源代码、应用目标代码、感兴趣的源代码部分、感兴趣的目标代码部分、配置数据、执行事件和/或任何其它类型的数据。在示例性实施例中，存储器装置816包括用于微控制器802的固件和/或初始电动机配置数据。此外，在示例性实施例中，存储器装置816存储与电动机10的操作相关联的诊断数据，以便在请求时传输到一个或多个外部装置。诊断数据包括但不限于通电时间、运行时间、超过80％需求的运行时间、减速区域的时间、温度降低区域的时间、良好的启动、失败的启动、复位、停止(stall)、接收的坏串行数据包(serialpacket)的数量、看门狗关机事件、在某些需求范围内的运行时间、热冲击事件、电源模块温度、总线电压、开相事件、ul锁定、反向启动尝试、轴功率(shaftwatts)和转矩。

图9是系统控制器220和外部通信模块230(图2中所示)的框图。在示例性实施例中，外部通信模块230包括天线900、无线模块902、接口电路904以及输出3.3v以向无线模块902供电的低电源906。接口电路904在系统控制器220和无线模块902之间转换信号，并且同样从系统控制器220接收电力(24vac)。

图10是示出经由外部通信装置230在系统控制器220和电动机10之间的通信的框图。在示例性实施例中，系统控制器220向电动机10发送电动机命令信号。更具体地，在示例性实施例中，系统控制器220经由无线模块902发送电动机命令信号。电动机管理模块210的无线模块808接收电动机命令信号，并根据电动机命令信号操作电力开关800以驱动电动机10。

在一个实施例中，电动机10被用于住宅hvac应用中，诸如空调、热泵和/或炉。系统控制器220是具有恒温器的oem系统控制器。外部通信装置230使得能够在oem系统控制器和恒温器以及电动机管理模块210的无线模块808(图8所示)之间通信。用户选择oem系统控制器上的操作模式(即，加热、冷却，或连续风扇)。恒温器测量并向oem系统控制器提供温度。基于选择的操作模式和测量温度，oem系统控制器向电动机10发送电动机命令信号。更具体地，在示例性实施例中，oem系统控制器经由无线模块902发送电动机命令信号。电动机管理模块210的无线模块808接收电动机命令信号，并且根据电动机命令信号操作电力开关800以驱动电动机10。

在另一个实施例中，系统控制器220是包括外部通信装置230的外部编程装置。外部编程装置是诸如智能电话、平板电脑或膝上型计算机的移动计算装置，并且使诸如oem或技术人员的用户能够配置电动机10、编程电动机10、从电动机10收集诊断信息和/或在电动机10上执行现场调试。外部通信装置230使得能够在外部编程装置与电动机管理模块210的无线模块808(在图8中所示)之间通信。外部编程装置监视建筑环境并向电动机10发送电动机命令信号。更具体地，在示例性实施例中，外部编程装置经由无线模块902发送电动机命令信号。电动机管理模块210的无线模块808接收电动机命令信号，并根据电动机命令信号操作电力开关800以驱动电动机10。

在此所述的电动机控制系统和方法提供了用于电动机的电动机控制系统特别是在hvac应用中的双模块封装设计。更具体地，电源模块使用通用印刷电路板(pcb)技术来集成大的通孔电子部件和对湿气不敏感的电力连接器。电动机管理模块使用密封的热量分摊封装来集成高功率半导体装置和所有湿气敏感部件，诸如ic和表面安装电阻。电动机管理模块同样通过使用无线技术来消除用于外部通信装置的所有信号连接器，以防止湿气进入电动机控制系统的渗透路径。此外，由于多个湿气敏感驱动器部件产生的热量使低电源在相对较高的温度下操作并蒸发电动机管理模块附近的湿气，所以密封的热量分摊封装提供额外的湿气保护。通过使湿气敏感部件不易受湿气渗透的影响并且蒸发电动机管理模块附近的湿气，在此所述的电动机控制系统和方法提供更高的可靠性并减少由于湿气渗透引起的电动机故障的量，这导致维护和操作费用的减少。

在此所述的一些实施例涉及包括电动机和电子控制器的电动机。然而，方法和设备不限于在此所述的具体实施例，而是可以独立地和分离于在此所述的其它部件和/或步骤来使用设备的部件和/或方法的步骤。例如，该方法同样可以与任何电动机结合使用，并且不限于采用如在此所述的电动机来实现。此外，可以结合许多其它应用来实现和利用示例性实施例。

虽然本发明的各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出而在其它附图中未示出，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征可以与任何其它附图的任何特征结合起来参考和/或要求保护。

该书面描述使用包括最优模式的示例来公开本发明，并且同样使本领域的任何技术人员能够实现本发明，包括制造和使用任何装置或系统并执行任何并入的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有与权利要求的文字语言没有不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字语言无实质差异的等同的结构要素，则这些其它示例被确定为落入权利要求的范围内。

当引入在此描述和/或示出的方法和设备中的元件/部件等时，冠词“一个”、“一”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或多个元件/部件/等。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包括性的，并且意味着可以存在除了列出的元件/部件/等之外的附加的元件/部件等。