包括具有多层功率和控制印刷电路板组件的功率平面的用于驱动泵或旋转装置的电机组件的制作方法

本申请要求于2016年3月11日提交的临时专利申请62/307,037的权益，该临时专利申请据此以引用方式并入。

背景技术

1.技术领域

本申请涉及用于增加变频驱动器的电子器件的功率密度并降低变频驱动器的电子器件对高温的敏感度以便将变速电子器件安装在电机组件内部的技术；并且更具体地涉及例如使用独特设计的中板和端板来降低变频驱动器的电子器件对高温的敏感度的技术。

2.相关技术简述

在现有技术中，已知的是变频驱动器的电子器件通常对高温敏感，且当与电机组件组合时，若在其最大额定值下操作，则可操作不当或过早失效，并且已知的是电子器件需要容纳在电机封套内的密封外壳，该密封外壳保护电子器件免受恶劣环境和过多热两者的影响。电机通常在比安全电子操作高得多的温度下操作。当组合这两种装置时，从电机操作产生的损失(热)将引起高温条件，这对变频驱动器的操作是不健康的。

从一些角度来看，优级效率电机可达到94-95％的效率。因此，因热损失(相对于瓦损失或热所测得)而浪费了其额定值的5-6％。对于变频驱动器而言，其可能达到96-97％的效率。因此，在50hp系统中，热损失计算可采取以下形式：50hp×746瓦/hp＝37,300瓦，并且37,300瓦×10％＝3,730瓦的废热。具体地讲，4％总驱动损失将分成如下几部分：

端板中所容纳的功率模块中损失大约85％，功率质量滤波器中损失10％，以及电机的其余部分中损失6％。

有鉴于此，本领域需要提供降低变频驱动器的电子器件对高温的敏感度的更好方式，以便在其最大额定值下操作时基本上消除或减少此类变频驱动器的此类电子器件的不当操作或过早失效。

技术实现要素：

本发明的目的是将电子变频驱动器安装在与相同功率额定值的标准美国电气制造商协会(nema)或国际电工委员会(iec)额定电机相同尺寸的封套内，从而允许电机及其控制的任何泵或旋转装置的变速操作。

基本设备

根据一些实施方案，本发明可采取设备的形式，例如，诸如用于驱动泵或旋转装置的电机组件，该电机组件包括具有两个侧面的至少一个板，一个侧面具有中心部分、中间部分和周边部分。

中心部分可包括或被配置有开口以接收所述至少一个板并相对于(例如用于驱动泵或旋转装置的电机的)转子布置所述至少一个板。

中间部分可被配置在中心部分的内圆周与周边部分之间，并且可包括多个内部径向冷却翅片，这些内部径向冷却翅片从中心部分的内圆周延伸并朝周边部分向外发散以将热从中心部分传递到周边部分，从而实现内部热传导能力。

周边部分可包括具有多个外部径向冷却翅片的外圆周表面，这些外部径向冷却翅片远离该板向外发散以将热传递到周围空气，从而实现外部热对流能力。

所述至少一个板可为中板、端板或它们的组合或者采取中板、端板或它们的组合的形式，所述中板、端板或它们的组合形成泵或旋转装置的一部分，这与本文所阐述的相符。

中板实施方案

例如，所述至少一个板可包括中板或者采取中板的形式，该中板具有轴承壳体凸缘部分，该轴承壳体凸缘部分被配置为接收电机轴承组件，并且还被配置有开口以接收电机转子轴。

中板实施方案还可包括下列一个或多个特征：

该设备可为用于驱动泵或旋转装置的电机组件或者采取该电机组件的形式，该电机组件例如包括转子与具有被布置在转子上的轴承组件的电机轴承组件的组合。

这两个侧面中的另一个侧面可为对应中间部分没有内部或外部冷却翅片的平滑侧面。

电机组件可包括绝缘层，该绝缘层相对于中板布置，并且被配置为降低热传递速率，包括来自传导、对流和辐射的所有热传递形式。以举例的方式，绝缘层可由云母制成。

电机组件可包括具有电部件(包括变频驱动器的电子器件)的功率平面，并且中板可被配置为使得平滑侧面面向功率平面

在操作中，热可经由从转子穿过中板和内部径向冷却翅片到外部径向冷却翅片的传导来传递，然后还可经由从外部径向冷却翅片到周围空气的对流来传递。中板可被配置为不仅经由从转子穿过轴承组件的传导，还经由穿过位于电机的空气室中的外部径向冷却翅片的对流来吸收热，包括因电和机械损耗而从电机产生的热，包括从电机端部绕组、阻性电流或涡电流、或两者产生的热，从而引起转子直接传导热以及将热释放到电机的空气室中。

中板可被配置为提供从电机端部绕组到定子外面的空气流的热路径、或从转子穿过轴承组件到达周围环境的热路径、或两者兼有。

电机组件可包括配置在电机轴承壳体的每一侧面上的前护脂圈和后护脂圈。

电机组件可包括配置在中板上的绝缘垫圈组件以使中板与端板之间的热接触最小化。

以举例的方式，中板可由铜、铝或铸铁制成。

中板可包括外部绝缘层，该外部绝缘层限制从中板散热器到具有功率平面的功率转换器区域的热流，并且限制进入形成端板一部分的端板电子器件区域中的热。

中板的内部径向冷却翅片可被配置在中间部分之上和周围，并且彼此基本上均匀且等距地隔开。

中板的外部径向冷却翅片可被配置在周边部分之上和周围，并且彼此均匀且等距地隔开。

以举例的方式，中板可具有多于内部径向冷却翅片的外部径向冷却翅片，包括超过两倍那么多。

端板实施方案

以进一步举例的方式，所述至少一个板可包括端板或者采取端板的形式，其中中心部分的开口被配置为接收并接合电机转子轴。

端板实施方案还可包括下列一个或多个特征：

这两个侧面中的另一个侧面可为对应中间部分没有内部或外部冷却翅片的平滑侧面。

该设备可包括电机组件，该电机组件包括具有电部件(包括变频驱动器的电子器件)的功率平面，端板可被配置有电子器件壳体室，并且功率平面可被配置在电子器件壳体室内，使得平滑侧面面向功率平面。

电机组件可包括电子器件模块，该电子器件模块被布置在电子器件壳体室内的端板的功率平面与平滑侧面之间。

端板的外部径向冷却翅片可被配置在中间部分之上和周围，并且彼此基本上均匀且等距地隔开。

端板的外部径向冷却翅片可被配置在周边部分之上和周围，并且彼此均匀且等距地隔开。

功率平面实施方案

设备(例如，诸如用于驱动泵或旋转装置的电机组件)可包括具有圆形几何形状的功率平面，以便安装在具有类似圆形几何形状的空间封套内部，该空间封套形成在内毂部分与周边部分之间的端板上，该周边部分围绕端板的空间封套沿周向延伸。功率平面可为具有以下几层的多层电路板或组件：

具有用于向电机提供功率的至少一个较高温度功率模块的功率层，

具有用于控制向电机提供的功率的至少一个较低温度控制电子器件模块的控制层，以及

介于功率层与控制层之间的热障和印刷电路板层，其提供功率平面的功率模块与控制层的控制电子器件模块之间的电连接路径，并且还提供功率层与控制层之间的绝缘。

功率平面实施方案还可包括下列一个或多个特征：

功率平面可被配置为至少执行以下动作：

允许所述至少一个功率模块和所述至少一个控制电子器件模块安装在热障的相反侧面上，

提供电连接路径以用于将所述至少一个功率模块和所述至少一个控制电子器件模块互连在一起，以及用于将输入/输出功率连接、所述至少一个功率模块和所述至少一个控制电子器件模块互连，以及

将从所述至少一个功率模块、所述至少一个控制电子器件模块和电机轴中的一者或多者发出的热量绝缘和/或定向到功率平面的外径，在该外径处存在较高的空气流。

功率平面可被配置为环形功率平面印刷电路板或组件以便配合在端板的空间封套中，从而提供用于安装功率层和控制层的最大空间，并且允许电机转子的轴穿过以驱动冷却风扇。

功率层可被配置有较高温度功率模块；控制层可被配置有较低温度控制电子模块和部件及功率质量滤波器部件；并且热障和印刷电路板层可由具有将控制层安装在一个侧面上并将功率层安装在相反侧面上的结构厚度和强度的材料配置，该材料被配置为提供绝缘以减少功率层与控制层之间的热传递。

热障和印刷电路板层可由包括玻璃纤维在内的层压材料构造而成，该层压材料提供结构强度并且充当将功率层的较热的功率半导体与控制层的较冷且敏感的控制电子器件和功率质量电容器分开的绝缘体。

功率层可包括圆形功率模块布置，该圆形功率模块布置被配置在热障和印刷电路板层的一个侧面上以耦接到功率平面低电感输入和集成输出连接，例如附接到端板的中间部分。

所述至少一个功率模块可包括矩阵转换器功率模块，这些矩阵转换器功率模块被配置为矩阵转换器的一部分，以便接收包括具有电压和频率的ac波形的ac输入信令，并且提供包括具有经转换的电压和频率的经转换的ac波形的经转换的ac信令以驱动电机。

控制层可包括被配置为减少电噪声和谐波失真水平的至少一个功率质量滤波器部件。

所述至少一个功率质量滤波器部件可直接附接到热障和印刷电路板层上，并且被配置为物理地靠近或接近矩阵转换器以减少从矩阵转换器中的矩阵转换器电子器件发出的失真的量。

所述至少一个功率模块可包括功率半导体模块；所述至少一个控制电子器件模块可包括功率质量电容器；并且功率平面可包括低电感和电阻输入，该低电感和电阻输入被配置在功率半导体模块与功率质量电容器之间以便减少开关应力和电磁干扰。

功率平面可包括集成在其中的一个或多个紧凑功率质量滤波器。

功率平面可包括内置功率质量滤波器，该内置功率质量滤波器被配置为产生最少谐波失真，并且保护变速驱动器免受大多数功率质量异常的影响。

功率平面可被配置为将功率和控制电路组合成一个集成印刷电路板配置以实现组装的便利性和尺寸的紧凑性。

功率平面可包括以下一者或多者的组合：电流传感器、至少一个栅极驱动器、功率源、箝位电路、功率半导体模块和功率质量电容器；并且电连接路径可被配置为将输入/输出功率连接和以下一者或多者的组合互连：电流传感器、所述至少一个栅极驱动器、功率源、箝位电路、功率半导体模块和功率质量电容器。

电机组件可包括端板；内毂部分可被配置为接收电机转子的轴；并且周边部分可包括散热翅片，该散热翅片被配置为从端板耗散掉所述至少一个功率模块和所述至少一个控制电子模块所产生的热量。

电机组件可包括电机机壳，该电机机壳被配置为用作散热器以允许功率平面的紧凑尺寸和热优化操作。

电机组件可包括旋转装置或泵或者采取旋转装置或泵的形式，例如包括具有被布置在其中的功率平面的端板。

优点

总的来说，本发明提供了增加变频电子器件的功率密度并降低变频驱动器的电子器件对高温的敏感度以便将变速电子器件安装在电机组件内的更好方式；从而在其最大额定值下操作时基本上消除或减少此类变频驱动器的此类电子器件的不当操作或过早失效。

附图说明

附图包括未必按比例绘制的下图：

图1是根据本发明的一些实施方案的设备的分解图，该设备例如为用于驱动泵或旋转装置的电机组件的形式。

图2a和图2b是例如与图1所示的类似或相同的电机组件的一部分的剖视图。

图3示出了根据本发明的一些实施方案的中板-包括图3a和图3b，根据本发明的一些实施方案，图3a示出了中板的电机侧面的透视图，并且图3b示出了图3a所示的中板的功率平面侧面的透视图，该中板例如用于配置在图1或图2所示的电机组件中。

图4示出了根据本发明的一些实施方案的端板-包括图4a和图4b，根据本发明的一些实施方案，图4a示出了端板的风扇侧面的透视图，并且图4b示出了图4a所示的端板的中板侧面的透视图，该端板例如用于配置在图1或图2所示的电机组件中。

图5包括图5a、图5b、图5c和图5d，图5a示出了已标记并标识电机机架、中板、端板、接线盒和风扇的电机组件的照片；图5b示出了包括接线盒的局部分解图的电机组件的透视图；图5c示出了包括电机与中板的组合、端板、风扇和护罩的局部分解图的电机组件的透视图；并且图5d示出了自备式驱动模块组件的分解图，例如全部都根据本发明的一些实施方案。

图6包括图6a，其示出了根据本发明的一些实施方案的用于实现(例如功率平面的)功率功能的某部分的双向开关的示意图；并且还包括图6b，其示出了根据本发明的一些实施方案的用于实现功率功能的某部分的双向开关功率模块的示例的照片。

图7示出了根据本发明的一些实施方案的具有功率平面的电机端板的照片，该功率平面具有被布置在其中的矩阵转换器，例如被配置有主功率源、控制器、栅极驱动层、箝位电容器(cc)和输入滤波电容器(ifc)的示例。

图8示出了40hpemd(亦称变频或变速驱动器)输入电压和电流波形的典型曲线图。

图9包括图9a，其示出了在内毂部分与周边部分之间具有形成于其中的空间封套的端板的顶视图的示意图，该示意图包括表示例如在根据本发明的一些实施方案操作时热量远离内毂部分并朝周边部分流动的箭头；并且包括图9b，其示出了图9a中的端板的侧剖视图的示意图，该示意图具有表示在根据本发明的一些实施方案操作时热量远离端板的内毂部分并朝周边部分流动的对应箭头。

图10包括图10a和图10b，其中图10a是根据本发明的一些实施方案的具有一个可能箝位电阻器实现方式的示例的端板的照片；并且图10b是根据本发明的一些实施方案的圆环形功率平面印刷电路板层的照片，例如包括对三个分流电阻器的连接和栅极驱动器连接的示例。

图11是根据本发明的一些实施方案的设备的分解图，该设备例如为用于驱动泵或旋转装置的电机组件的形式。

图12a和图12b是例如与图11所示的类似或相同的电机组件的一部分的剖视图。

图13示出了根据本发明的一些实施方案的中板-包括图13a(1)、图13a(2)和图13b，根据本发明的一些实施方案，图13a(1)示出了中板的电机侧面的透视图，并且图13a(2)示出了图3a(1)所示的中板的功率平面侧面的透视图，该中板例如用于配置在图11或图12a和图12b所示的电机组件中；并且图13b示出了根据本发明的一些实施方案的中板的一个侧面的照片，该中板例如用于配置在图11或图12a和图12b所示的电机组件中。

图14示出了根据本发明的一些实施方案的端板-包括图14a和图14b，根据本发明的一些实施方案，图14a示出了端板的风扇侧面的透视图，并且图14b示出了图14a所示的端板的中板侧面的透视图，该端板例如用于配置在图11或图12a和图12b所示的电机组件装置中。

图15示出了例如根据本发明的一些实施方案的电机组件的照片，该照片已标记并标识电机机架、中板、端板和风扇。

图16示出了根据本发明的一些实施方案的电机端板的照片，该电机端板具有被布置在其中的功率平面，并且该功率平面被配置有印刷电路板(pcb)和矩阵转换器。

图17包括图17a、图17b和图17c，图17a示出了在内毂部分与周边部分之间具有形成于其中的空间封套的端板的顶视图的示意图，该示意图包括表示例如在根据本发明的一些实施方案操作时热量远离内毂部分并朝周边部分流动的箭头；图17b示出了图17a中的端板的侧剖视图的示意图，该示意图具有表示在根据本发明的一些实施方案操作时热量远离端板的内毂部分并朝周边部分流动的对应箭头；并且图17c示出了根据本发明的一些实施方案的图17b中的端板的侧剖视图的示意图，该端板具有被布置在空间封套中的各种模块和部件，包括圆形功率模块布置、功率平面低电感输入与集成输出连接、低温电子部件(例如安装在功率平面上)以及功率质量滤波电容器。

图18a示出了形成电机组件一部分的功率模块布局，全部都根据本发明的一些实施方案。

图18b示出了根据本发明的一些实施方案的被布置在端板中的矩阵转换器的最终组件的照片，该最终组件例如具有其上组装有栅极驱动器功率源、箝位电路控件、输入滤波电容器箝位电容器以及控制卡的功率平面电路板。

附图包括可能实现方式的示例；并且本发明的范围并非旨在限于其中所示的实现方式。例如，本发明的范围旨在包括除附图所示的之外或以外的其他实现方式，并且设想了使用除附图所示的之外或以外的其他实现方式的实施方案，所述其他实现方式可在本申请中整体公开的本发明的精神内配置。

具体实施方式

基本设备10

图1和图11示出了设备(一般指示为10,10’)，该设备例如可包括用于驱动泵或旋转装置(未示出)的电机组件10或采取该电机组件的形式。电机组件10包括具有其中被布置有定子j(参见图2a、图2b；图12a、图12b)的电机机架mf的电机m；耦接到电机m的转子r；具有轴承壳体凸缘部分a(参见图2a、图2b；图12a、图12b)的中板e；具有轴承组件ba、前b和后c护脂圈的后电机轴承组件(一般指示为h)；风扇f；集成绝缘层g；垫圈组件ga(图11)；端板d；功率平面p(图2a、图2b、图11、图12a、图12b)以及护罩s。电机机架mf还包括接线盒tb，例如如图1和图11所示。功率平面p可被配置为包括电子器件，例如包括变频驱动器，其被配置用于控制电机m的操作，该电机m又用于驱动泵或其他旋转装置。功率平面p将例如相对于图6至图10b以及图16、图17c、图18a和图18b所示来更详细描述。

以举例的方式，根据本发明的一些实施方案，电机组件10可具有或被配置有一种新颖独特的中板e、端板d或它们的组合，例如这与下文相对于图3至图4所阐述的相符。

图3和图13：中板e

例如，图3和图13示出了中板e,e',e”，每个中板具有两个侧面s1,s2，包括具有中心部分e1、中间部分e2和周边部分e3的电机侧面s1。

中间部分e2可被配置在中心部分e1的内圆周e1’与周边部分e3之间，这与3a和13a(1)所示的相符。中间部分e2可包括多个内部径向冷却翅片e2’，这些内部径向冷却翅片从中心部分e1的内圆周e1'的一部分延伸并且朝周边部分e3向外(例如，远离彼此)发散以将热量从中心部分e1传递到周边部分e3，从而实现内部热传导能力。

周边部分e3可包括具有多个外部径向冷却翅片e3”的外圆周表面e3’，这些外部径向冷却翅片远离周边部分e3发散以将热量传递到周围空气，从而实现外部热对流能力。

中心部分e1可包括轴承壳体凸缘部分a(还参见图1至图2a、图2b；图11、图12a、图12b)，该轴承壳体凸缘部分被配置为接收电机轴承组件h，并且还被配置有开口o以接收并接合转子r。电机组件10可包括转子r与被布置在转子r上的电机轴承组件h(图1至图2a、图2b；图11、图12a、图12b)的组合。

图3b、图13a(2)示出了这两个侧面中的功率平面侧面s2，该功率平面侧面例如可为对应中间部分e2,2没有冷却翅片的平滑侧面。

电机组件10可包括热绝缘体ti(图1)或绝缘层g(图12a至图12b)，该热绝缘体或绝缘层相对于中板e和端板d布置，并且被配置为降低热传递速率，包括来自传导、对流和辐射的所有热传递形式。

图13b示出了中板(一般指示为e”)的替代实施方案。图13a、图13b中的类似元件被标记有类似参考标号。以举例的方式，图13a、图13b中分别的中板e'与e”之间的一个差异是中板e’包括轴承壳体凸缘部分a(例如，也在图3a中示出)，而中板e”不包括该部分。设想了具有此类轴承壳体凸缘部分a的中板的实施方案以及不具有该部分的实施方案，并且本发明的范围旨在包括具有此类轴承壳体凸缘部分a的中板以及不具有该部分的实施方案。

与图3所示的相符，内部径向冷却翅片e2’可被配置在中间部分e2之上和周围，并且彼此基本上均匀且等距地隔开。外部径向冷却翅片e3”可被配置在周边部分e3之上和周围，并且彼此基本上均匀且等距地隔开。以举例的方式，与图3所示的相符，中板e可被配置有多于内部径向冷却翅片e2'的外部径向冷却翅片e3”，例如包括超过两倍那么多。在图3a中，中板e被示出为具有30个(例如，相比之下，图13a(1)中的中板e’具有36个)彼此基本上均匀且等距地隔开的内部径向冷却翅片e2’。在图3a中，中板e(1)被示出为具有48个(例如，相比之下，图13a(1)中的中板e’具有94个)彼此基本上均匀且等距地隔开的外部径向冷却翅片e3”。然而，该实施方案的范围并非旨在限于内部径向冷却翅片e2'的数量、外部径向冷却翅片e3”的数量、或内部径向冷却翅片e2’的数量与外部径向冷却翅片e3”的数量之间的数值关系。例如，设想了内部径向冷却翅片e2'的数量和外部径向冷却翅片e3”的数量大于或小于图3所示的数量的实现方式的实施方案，并且本发明的范围旨在包括这些实现方式。还设想了内部径向冷却翅片e2'的数量与外部径向冷却翅片e3”的数量之间的数值关系不同于图3所示的数值关系的实现方式的实施方案，并且本发明的范围旨在包括这些实现方式。

在图3和图13a(1)中，中板e'和e”包括本身可不形成本发明一部分的其他特征，包括被配置有用于接收紧固件(未示出)的孔e5’的外部保持构件e5，例如以将中板e'和e'耦接到电机组件的某个其他部件诸如电机机架mf(图1和图11)，以及包括被配置有用于接收紧固件(未示出)的孔e6'的两个或三个外部保持构件e6，例如以将中板e'和e”耦接到电机组件的某个其他部件诸如电机机架mf(图1和图11)。

实际上，本文所阐述的根据本发明的中板实施方案由具有若干高度工程化的元件的系统组成：

以举例的方式，电机组件10可被配置有特殊设计的电机机壳以提高热效率，该电机机壳由下列元件组成：

1)中板e(也称为电机端板)可由铜、铝或铸铁制成，且后电机轴承或轴承壳体h结合到中板e中。中板e可被优化以远离泵的非驱动端轴承、电机的定子s和转子r传导热量，同时使形成功率平面p一部分的电子器件绝缘。根据本发明的该创新配置将轴承壳体凸缘部分a置于中板e或e'内部(如图1和图11所示)，因此，中板e或e’将有效地成为转子r的结构支撑。

2)特殊散热器翅片e2',e3”可被设计为实现低可听噪声和增加的表面积，从而允许更大的热效率。

3)可实现圆形设计独特几何形状以提供优化的空间和制造的便利性。

4)可实现允许功率电子模块(图1和11)和电子器件(图2和图12a)配置的圆形几何形状，从而允许转子/轴r穿过以对冷却风扇f(图1和图11)供电。

中板e或e’可包括以下的一者或多者：

中板e或e’可被配置用于容纳后电机轴承h；

中板e或e’可相对于功率平面部件p配置；

中板e或e'可被配置有或结合有轴承油/滑脂管。

中板e或e'可被配置为使得热量可径向地而非轴向地重定向。中板e或e'还可被配置为使用径向冷却翅片e2’以将热量从电机m的电机端部绕组重定向到中板e或e'的周边部分或边缘e3。

中板e或e’可被配置为提供从电机端部绕组到定子j外面的空气流的热路径。

中板e或e’可被配置为提供从转子r穿过轴承组件h到达周围环境的热路径。

中板e或e’可被配置为形成并提供转子r的结构支撑。

前b和后c护脂圈还可结合中板e或e'一起使用。

该中板e或e'外面的集成绝缘层g限制从中板散热器到功率转换器区域的热流，并且限制进入端板电子器件区域中的热量。

可经由形成垫圈组件ga一部分的绝缘垫圈g，在中板e或e’与端板d之间实现最小化的热接触。

中板：操作理论

中板e或e’被配置有独特设计，该独特设计将圆形几何形状与内部和外部散热器翅片e2',e3”相结合，例如这与图1和图11所示的相符。内部翅片e2’沿着中板e或e'的内圆周e1’定位，在转子轴承壳体h的中心留下空间。外部翅片e3”分布在中板e或e'的整个外径/圆周中，从而实现外部对流能力，例如这与图1和图11所示的相符。

中板e或e’还具有中板e的电子器件侧面上的薄绝缘层g，该薄绝缘层平滑且没有翅片，例如如图2所示。该薄绝缘层g将允许功率电子模块和电子器件的各种配置，同时仍然允许轴/转子r穿过以对冷却风扇f供电。该设计的主要功能有三方面。中板e或e'充当电机m和电机转子r的结构支撑、非驱动端的散热器以及电子器件室的热绝缘体，该电子器件室例如形成端板d的一部分。

热导体通常由金属制成，这是由于其具有较高的热传导水平以及吸收热量的能力。因此，以举例的方式，中板e或e’可由铝、铜或铸铁制成。与其他特殊材料相比，这些金属具有较高的热传导水平、良好的结构刚度且有成本效益。

在操作中，中板e或e’通过传导和对流来实现其功能，其中传导应理解为彼此接触的固体之间的热传递，并且其中对流应理解为固体与流体之间的热传递。传导将穿过轴承壳体h在轴/转子r与中板e或e'之间发生，而对流在散热器翅片e2',e3”与空气之间发生。

在操作中，风冷式散热器(例如，如元件e3”)可充当冷却机构。它们从与之接触的物体传导热量，并通过对流将热量传递到空气。为了正常工作，散热器必须比环境温度更热，并且表面区域接触应最大化以确保有效的热传递。在本发明电机机壳设计的上下文中，中板e或e’将因电机m的电和机械损耗而产生的热量传导到外面的环境空气。

转子r的损耗可归因于由例如流过位于转子r中的铝棒的电流引起的电损耗(例如，阻性电流和涡电流)。这些损耗使转子r将热量释放到电机的空气室中以及直接传导到轴/转子r中。中板e或e’将不仅通过从轴/转子r穿过轴承组件h进入中板e或e'中的传导，还经由穿过位于电机的内部空气室中的散热器翅片e2’或e3”的对流来吸收该热量。

热绝缘体g的目的是降低两种固体/流体之间的热传递速率。如本领域技术人员将理解的，绝缘体降低所有形式的热传递，它们是或可采取以下的形式：传导、对流和辐射。热绝缘体通常由对热传导具有较高阻力的材料制成，这是由于它们具有排热的能力。因此，绝缘层将由云母、玻璃纤维、热塑性塑料或一些具有低热传导水平和良好结构刚度的低廉材料制成。

该设计通过附接到中板e或e'的附加层来结合在中板e或e’中，例如如图2所示。该绝缘层g可由云母或某种其他最佳绝缘体构成，该绝缘层充当形成功率平面p一部分的电子部件的热绝缘体。该绝缘充当屏障，避开来自电机m的损耗，以便将热量朝散热器翅片e2'或e3”重定向。中板e或e'还容纳轴承壳体h，继而支撑转子和电机轴r。

中板e或e'的总体设计使其成为同时起到多种功能的新型元件。中板e机械地支撑电机m的非驱动端，并且由于中板e或e'中心中含有轴轴承附件，因此允许转子r旋转。中板e或e’将电机热量有效地传导到电机主体的外部，从而允许电机m在有效温度下可靠地运行。第三，绝缘体g使电子器件与升高的电机温度绝缘，并且允许部件在低于其最大额定值的温度下操作。

优点

本发明的优点可包括以下的一者或多者：

1)允许在比现有技术中当前产生的功率电平更大的功率电平下制造嵌入式电子电机驱动器(例如，变频驱动器)。

2)允许在比现有技术中当前产生的功率电平更大的功率电平下在与当前工业电机相同的占用面积中制造变速电机。

3)经由内部和外部散热器翅片e2’或e3”，中板e提供电机绕组热量和非驱动端轴承热量的导热路径。

4)经由集成绝缘，中板e或e’提供屏障以防止来自电机的热量穿过到达敏感的电子器件。

5)由于其具有紧凑尺寸，中板e或e’允许例如矩阵转换器被设计成安装到含有腐蚀物、水分的危险位置以及1类2区危险位置中。

图4和图14：端板d,d'

图4示出了具有两个侧面的端板d,d'的形式的所述至少一个板，其中风扇侧面fs具有中心部分d1、中间部分d2、周边部分d3。

中心部分d1可被配置有开口o以接收端板d,d’并相对于转子r(图1和图11)布置端板d,d'。

中间部分d2可被配置在中心部分d1的内圆周d1'与周边部分d3之间。中间部分d2可包括内部径向冷却翅片d2'，这些内部径向冷却翅片从中心部分d1的内圆周d1’延伸并且朝周边部分d3向外发散以将热量从中心部分d1传递到周边部分d3，从而实现内部热传导能力。

周边部分d3可包括具有外部径向冷却翅片d3”的外圆周表面d3'(如图4b和图14b所指示的那样最佳示出)，这些外部径向冷却翅片远离端板d向外发散以将热量传递到周围空气，从而实现外部热对流能力。

图4b和图14b示出了这两个侧面中的中板侧面mps，该中板侧面例如可为对应中间部分d2,2没有冷却翅片的平滑侧面。

功率平面p可包括电部件，包括变频驱动器的电子器件，并且端板d,d’可被配置为使得平滑侧面mps面向功率平面p，例如如图2所示。电子器件模块em可被布置在功率平面p与平滑侧面mps之间，例如如图2a所示。

与图4和图14所示的相符，内部径向冷却翅片d2’可被配置在中间部分d2之上和周围，并且彼此基本上均匀且等距地隔开。外部径向冷却翅片d3”可被配置在周边部分e3之上和周围，并且彼此基本上均匀且等距地隔开。以举例的方式，与图4所示的相符，端板d,d’可被配置为使得内部径向冷却翅片d2’朝外部径向冷却翅片d3”向外延伸和发散并连接到这些外部径向冷却翅片，如图4a和图14a所示。然而，该实施方案的范围并非旨在限于内部径向冷却翅片d2'的数量、外部径向冷却翅片d3”的数量、或内部径向冷却翅片d2’与外部径向冷却翅片d3”之间的数值或物理关系。例如，设想了内部径向冷却翅片d2’的数量和外部径向冷却翅片d3”的数量大于或小于图4a和图14a所示的数量的实现方式的实施方案，并且本发明的范围旨在包括这些实现方式。还设想了以下实现方式的实施方案，并且本发明的范围旨在包括这些实现方式：内部径向冷却翅片d2’与外部径向冷却翅片d3”之间的物理关系不同于图4和图14所示的物理关系，例如包括内部径向冷却翅片d2’和外部径向冷却翅片d3”不连接的情况，以及在与图4a和图14a所示的数量相比时内部径向冷却翅片d2'的数量大于或小于外部径向冷却翅片d3”的数量的情况。

在图4和图14中，端板d,d’可包括本身可不形成本发明一部分的其他特征，包括被配置有用于接收紧固件(未示出)的孔d5’的外部保持构件d5，例如以将端板d,d'耦接到电机组件的某个其他部件诸如电机机架mf(图1和图11)，以及包括被配置有用于接收紧固件(未示出)的孔d6’的两个或三个外部保持构件d6，例如以将端板d,d’耦接到电机组件的某个其他部件诸如电机机架mf(图1和图11)。

除上文所阐述的以外，以进一步举例的方式，电机组件10的若干其他高度工程化的元件还可包括端板d,d'；并且为容纳电子器件并提高热效率而特殊设计的电机机壳还可包括：

电机端板d,d’例如可由金属(诸如铝)制成。端板d,d’可被优化以远离端板封套内所容纳的电子器件p和/或em传导热量，例如优化方式是具有绝缘垫圈ga以使中板e与端板d,d'之间的热接触最小化。

特殊散热器翅片d2',d3”可被设计为实现低可听噪声和增加的表面积，从而允许更大的热效率。

可实现圆形设计的独特几何形状以提供优化的空间和制造的便利性。

可实现允许功率电子模块和电子器件(图2和图17c)配置的圆形几何形状，从而允许轴r穿过以对冷却风扇f供电。

端板：操作理论

端板d,d'的设计结合了圆形几何形状，其由形成中板侧面上的电子器件壳体室(一般指示为d7)以及端板d的风扇侧面上的散热器翅片d2',d3”组成。(如图4b所示，电子器件壳体室d7形成为端板d,d’的中心部分d1与周边部分d3之间的空心中间部分。)该设计允许电子部件p,em(图2)容纳在端板d的电子器件壳体室d7内，并且因散热器翅片d2',d3”而提供充分冷却。电子器件壳体室d7集成在端板d,d'的一个平滑中板侧面上，其中内径是空心的(如图4b所示)以留出供功率电子模块和印刷电路板安装的空间。散热器翅片d2',d3”以径向布置的方式形成在端板d,d'的风扇侧面上，这些散热器翅片从电机轴中心或中心部分d1延伸，并向外延伸跨越外轴向表面。散热器翅片d2',d3”共用与称为“中板”e,e'的轴承支撑板上所构建的那些散热器翅片相同的基本图案。(图3和图13)。端板d,d’在中心还具有空间以允许轴/转子r穿过以便对冷却风扇f(图1至图2)供电。端板d,d'的功能有两方面：充当从电子器件发出的废热的散热器，以及让电子部件有地方安装并免受恶劣环境影响的密封外壳。

端板d,d’通过传导和对流两者起作用。如本领域技术人员将理解的，与上文所阐述的相符，传导是彼此接触的固体之间的热传递，并且对流是固体与流体之间的热传递。传导将因功率模块(例如em)安装到端板d,d’的内面而发生。电子印刷电路板和部件将在操作中时产生废热。该热量将被端板的散热器特征所吸收。然后所有热量将通过穿过翅片d2',d3”和冷却风扇f的对流来释放。对流将主要在散热器翅片d2',d3”与环境空气之间发生。

作为热导体，该设计在由金属构造时效果可最好。这是由于其具有较高的热传导水平以及吸收热量的能力。因此，端板d,d’通常将由金属(如铝)制成。以举例的方式，针对其结构刚度、极好传导热量的能力以及与其他考虑因素相比的成本效益来选择该材料，但本发明的范围旨在包括现在已知或将来随后开发的其他类型或种类的金属。

端板d,d’可安装在中板e,e'与冷却风扇f之间，如图1至图2和图5所示。通过热绝缘体g来限制中板e,e’与端板d,d'之间的热接触，如图2所示。这会屏蔽电子器件以免受到来自电机和轴承的废热的影响。端板d,d’整体充当部件的外壳并且保护这些部件免受恶劣环境和过多热量的影响。

除屏蔽电子器件以免受到热量的影响之外，该设计还能够将该热量排出到环境空气中并保持可行的操作温度。该功能由散热器翅片d2',d3”和冷却风扇f两者实现。由于翅片d2',d3”沿着端板d,d'的巨大表面积分布；这些翅片能够将热量从功率模块和空气室传导到端板室的外面。一旦在端板室的外面，热量就会通过对流去除。冷却风扇f提供了端板d,d’的金属(例如，铝)翅片的整个表面内的适当空气流，并且有助于保持部件的温度低于其最大额定值。

散热器d2',d3”充当冷却机构。它们从与之接触的物体传导热量，并通过对流将热量传递到空气。为了正常工作，散热器翅片d2’,d3”必须比环境温度更热，并且表面区域接触应最大化以确保有效的热传递。就端板d,d'而言，其将吸收从功率模块和变频驱动器(vfd)的空气室产生的热量，并且将该热量传递到外面的环境空气。

总的来说，端板d,d'的设计允许其在操作期间发挥多种功能。首先，其提供保护外壳以容纳所有电子器件。其次，其充当散热器以去除由部件中的损耗所产生的热量，从而保护这些部件不受过高温度的影响。端板d,d'的独特几何形状允许这些部件放入与额定用于通常危险的区域的标准电动机相同的封套中。最后，散热器翅片d2',d3”和冷却风扇f有助于处理整个端板d,d'中的热分布。利用所有这些特征，端板d,d’允许电子器件在操作期间平稳运行并保持其温度低于最大额定值。

优点：

本发明的优点可包括以下几点：

经由外部散热器翅片d2',d3”，端板d,d’提供功率模块热量的导热路径。

允许电子变速驱动器容纳在当前电动机m的占用面积内。

由于尺寸紧凑，其允许功率电子器件安装到含有腐蚀物或水分的危险位置中。

允许在比当前产生的功率电平更大的功率电平下制造嵌入式电子电机驱动器。

功率电子器件将被容纳在电机端板d,d'中并且被密封在中板e,e'之间。

端板d,d’设计将允许易于从电机拆除并且易于断开功率和通信连接。

组合的端板/中板设计应具有ip66保护。所有接线/电缆穿过以成为中板e到电机m、端板d,d'到中板e,e'、端板功率电子器件处的密封的静态密封件，以便在外径(od)和内径(id)处密封。轴/中板处的动态密封件。

图5a至图5d

图5a和图5b示出了电机组件10，该电机组件具有被布置在其上的主接线盒tb以及接线盒壳体，该主接线盒为电机、电机驱动器、驱动器接口和外部功率接线提供密封的接合点，并且该接线盒壳体具有被布置在其中的功率电感器pi，如图所示。主接线盒tb包括接线盒盖tbc、接线盒垫圈tbg以及用于将接线盒盖附连在接线盒壳体tbh上的接线盒螺钉。

图5c以分解图示出了电机组件，该分解图简要说明了端板(d)对电机机架(mf)的电和机械连接。图5c还示出了端板(d)是如5d所示的完全自备式驱动模块，其提供可移植性以便在旧端板损坏时能在合适环境中维修或快速更换为新端板(d)驱动模块，这就为总体电机组件设计赋予了电机组件领域所独有的“即插即用”样式。以举例的方式，图5c示出了接线盒连接器线cw(例如，其可为比具体所示的更多或更少的线)、连接器盖cc、连接器硬件ch、防尘密封件ds和端板安装硬件mh。

图5d示出了自备式驱动模块组件，例如其包括端板d、接线盒tb、线通道wc、连接器盖cc、连接器盖硬件cch、电子器件模块em(还参见图7和图10b)、端板盖垫圈/绝缘体gi、端板盖ec和端板盖硬件ech。

概括地说，与图5c和图5d所示的相符，拆卸端板d的过程如下：

1)去除护罩硬件(未示出)和护罩s(图5c)，

2)去除风扇固定螺钉/硬件(未示出)和风扇f(图5c)，

3)去除连接器盖硬件cch和连接器盖cc，

4)使端板连接器(未示出)与接线盒连接器线tbcw断开连接，

5)去除端板安装硬件ech和自备式驱动端板(d)模块em。

可更换自备式驱动端板(d)模块em，并且可使用相同步骤重新组装端板d。

图6至图10b：功率平面p

根据一些实施方案，本文所公开的本发明可由例如具有功率平面p或呈功率平面p的形式的系统或设备组成，该功率平面p被配置用于提供功率和控制功能，例如以便操作电机组件，从而驱动泵或旋转装置。功率平面p具有如下若干高度工程化的元件：

以举例的方式，功率平面p可具有圆形几何形状以便安装在具有类似圆形几何形状的空间封套se(图5d和图9b)内，该空间封套形成在内毂部分d1与周边部分d3之间的端板d,d’(例如，参见图1、图4、图9、图11、图14)上，该周边部分围绕端板d,d'的空间封套se(亦称电子器件壳体室d7(参见图4b、图5d和图14b))沿周向延伸。功率平面p可为多层电路板或组件，例如，其具有：功率层、控制层及热障和印刷电路板层p(1)。功率层包括较高温度功率模块，如圆形功率模块p/cm(例如，参见图17c)，以便向(例如，泵或旋转装置的)电机m提供功率。控制层包括较低温度控制电子器件模块，如功率质量滤波电容器ifc(例如，参见图17c)，以便控制向电机m提供的功率。图10b中的热障和印刷电路板层p(1)被配置在功率层与控制层之间，并且提供功率平面的功率模块与控制层的控制电子器件模块之间的电连接路径，并且还提供功率层与控制层之间的热绝缘。

以举例的方式，功率平面p可被配置为至少执行以下动作：

1)允许在热障(例如，诸如图10b所示的元件p(1))的相反侧面上安装功率模块如元件p/cm(例如，参见图10b和图17c)和控制电子器件模块如元件ifc(例如，参见图10b和图17c)；

2)提供电连接路径(例如，参见图7和图18b中的连接c1,c2,c3和栅极驱动器或层连接gdc)以便将功率模块如元件p/cm和控制电子器件模块如元件ifc互连在一起，而且将输入/输出功率连接(参见图18a，了解peek支撑件ps(2)、输入相连接和带连接的输入相线)、功率模块如元件p/cm(例如，参见图17c)和控制电子器件模块如元件ifc(例如，参见图17c)互连，以及

3)将从功率模块如元件p/cm(例如，参见图17c)、控制电子器件模块如元件ifc(例如，参见图17c)和电机m的轴或转子r中的一者或多者发出的热量绝缘和/或定向到功率平面的外径，在该外径处存在较高的空气流，例如这与图9a和图9b所示的相符。

功率平面p可被配置为环形功率平面印刷电路板或组件(如图10b中的元件p(1))以便配合在端板d,d'的空间封套se中，从而提供用于安装功率层和控制层的最大空间，并且允许轴或转子r穿过以对冷却风扇f(参见图1和11)供电。

功率层可被配置有较高温度功率模块(例如，如元件p/cm(图17c))的布置。控制层可被配置有较低温度控制电子部件和功率质量滤波器部件(例如，如元件ifc(图7和图17c))的布置。热障和印刷电路板层p(1)可由具有将控制层安装在一个侧面上并将功率层安装在相反侧面上的结构厚度和强度的材料配置。玻璃纤维材料被配置为提供绝缘以减少功率层与控制层之间的热传递。

应当理解，功率层和控制层可包括本发明精神内的其他模块或部件，例如与本文所公开的相符，包括一个或多个控制卡、箝位电容器、栅极驱动器功率源等，例如如图10b和图18b所示。

操作理论：

实际上，功率平面p(还参见图1和图11)是将安装在端板d,d’(图1和图17b)的空间封套se(例如，参见图17b)内的部件。其共用相同的圆形几何形状，这将允许轴或转子r穿过以对冷却风扇f(图1和图11)供电。以举例的方式，圆形几何形状可采取环形或圆盘状的形式或者可表征为环形或圆盘状，例如这与本文所公开的相符。这还将允许其部件的制造和安装的便利性。功率平面p由若干元件组成，这些元件例如相对于图6至图10b所示和所述。这些元件可包括矩阵转换器功率模块、矩阵转换器控制电子器件、功率质量滤波电容器和印刷电路板，例如这与本文所公开的相符。功率平面p的功能有三方面：

(1)提供允许安装功率模块和控制电子部件的新型几何形状，

(2)为安装在其上的所有模块和部件(包括功率模块和控制电子部件)提供电连接路径，以及

(3)将从所有电子功率模块、控制电子器件和电机轴r(图1和图11)发出的热量绝缘/定向。

矩阵转换器是被配置在功率平面p上的主系统，该主系统例如如图6所示的那样表示，图6包括图6a，其示出了双向开关的示意图，该双向开关例如使用igbt技术来实现所需的功率功能(图6a)；并且还包括图6b，其示出了用于实现所需的功率功能的双向开关功率模块的示例的照片。(如本领域技术人员将理解的，绝缘栅双极型晶体管(igbt)是主要用作电子开关的三端子功率半导体装置，在其被开发时就结合了高效率和快速切换。例如，英飞凌科技公司(infineontechnologiesag)配销了采用此类igbt技术的各种产品。)具有图6a所示的这种电路的目的是允许矩阵转换器将固定电压和频率的ac输入转换为所需的ac输出波形。传统上，在现有技术中，输入ac功率必须在合成到ac输出中之前转换为dc波形。根据本发明的一些实施方案，矩阵转换器可被配置为利用更少部件在更少步骤中执行该过程。在电子模块之中，功率质量滤波器ifc可被配置为主要部件(参见图7)。在这种情况下，其功能是减少电噪声和谐波失真水平，例如这与图8所示的相符。在根据本发明的一些实施方案中，该功率质量滤波器部件可优选地直接附接到印刷电路板(诸如元件p(1))上以尽可能靠近矩阵转换器。这大大改善了其减少从矩阵转换器电子器件发出的失真的量的能力。功率平面p的总体几何形状和尺寸允许功率模块和控制电子器件的制造和安装的便利性。

在图1和图11所示的总体电机组件的该功率平面部分中，热量将从至少两个源发出：功率半导体模块和轴或转子r(图1和图11)。与本文所阐述的相符，功率半导体模块可包括以下的一者或多者：图17c所示的圆形功率模块布置或图18a所示的功率模块布局、图10b中的功率模块和箝位模块布局或图10b中的功率/箝位模块的布局。虽然中板e,e'(例如，参见图1、图2a、图2b和图3；图11、图12a、图12b、图13)可被配置有保护电子器件的绝缘层(如上文所述)，但可能仍将存在来自轴或转子r的余热。这是由于电机组件(图1和图11)的风扇侧面和中板部分之间有温度差。还应当理解，功率平面p中的半导体将在操作期间自然地产生热量。挑战是保持使电子器件正常操作的操作温度，例如使之低于电子器件的失效点。

因此，热绝缘和耗散是功率平面p必须执行的两种功能。与绝缘有关的前者通过本文所公开的多层电路板实现方式来实现。多层电路板可由层压材料(诸如玻璃纤维)构造而成，以举例的方式，这种材料增加其厚度和强度。玻璃纤维已知并应理解为已用于绝缘应用的坚固且轻质的材料。这允许功率平面p充当更热的功率模块、功率质量电容器与控制电子器件之间的热障。

对于后者而言，热量将穿过位于端板d,d'上的散热器翅片d2'和/或d3”(图4和图14)耗散。散热器翅片d2'和/或d3”将为风冷式的并且充当冷却机构。它们通过传导和对流这两种热传递形式操作，其中传导应理解为彼此接触的固体之间的热传递，而对流应理解为固体与流体之间的热传递。首先将在印刷电路板与半导体之间发生热传递。然后其行进到端板d,d'和散热器翅片d2'和/或d3”中。最后，在散热翅片d3”与环境空气之间发生对流，该环境空气例如围绕总体电机组件10(图1)并分散该热量。为了正常工作，翅片d3”必须更冷以吸收热量并且必须升高到足够热的温度以使热量扩散到环境空气中。由于功率平面p还与端板d的中间部分d2共用类似的几何形状，因此热量将沿着该表面均匀地分布。

该多用途功率平面p的总体配置使得其对现有技术起到重要贡献。来自端板d,d'的空间封套se(图4b、图5d、图17b)为总体功率平面p分配空间并且允许其支撑功率模块和控制电子器件两者。另外，功率平面p从端板d接近散热器翅片d2'和/或d3”；从而使其能够在可操作温度下冷却电子器件。层或元件p(1)的玻璃纤维电路板构造充当优异绝缘体；从而将更热的功率半导体与敏感的控制电子器件和功率质量电容器分开。这些组合的部件允许功率平面p有利于操作条件并且保持控制电子器件的温度远低于最高温度水平。

优点

该功率平面实施方案的优点可包括以下的一者或多者：

印刷电路板层p(1)可被配置为充当更热的功率模块与更冷的控制电子器件和功率质量电容器区域之间的热障。

总体功率平面实现方式可被配置为将热量定向到存在较高空气流的外径并远离控制电路，例如如由图9所示的最佳表示。

总体印刷电路板组件在功率质量电容器与功率半导体模块之间提供低电感和电阻输入，从而减少开关应力和电磁干扰，例如这与图8中的曲线图所示的相符。

总体功率平面实现方式可被配置有集成到功率平面p中的独特紧凑功率质量滤波器布置。

总体功率平面实现方式可被配置有内置功率质量滤波器，该内置功率质量滤波器产生最少谐波失真，并且保护变频电子器件免受大多数功率质量异常的影响。

总体功率平面实现方式可被配置有或被配置为独特环形功率平面印刷电路板(pcb)，例如形状类似元件p(1)，以配合在电机端板d的空间封套se中，从而提供最大空间利用率，并且简化构造和制造。(以举例的方式，参见图1和图11所示，以及图7、图16和图18b所示)

该环形允许电机轴或转子r(图1和图11)穿过以对冷却风扇f供电。

总体功率平面实现方式将功率和控制模块、电路或部件组合成一个集成印刷电路板组件，例如如图18b所示，以实现组装的便利性和尺寸的紧凑性。

总体功率平面实现方式例如在需要有限接线和连接器的情况下向输入/输出功率、电流传感器、栅极驱动器gdps、箝位控制电路cc、功率/箝位半导体模块、功率质量电容器ifc提供互连，从而允许稳健且可靠的操作。

总体功率平面实现方式允许在比市场中当前产生的功率电平更大的功率电平下在电动机的空间封套中制造嵌入式电子电机驱动器。

电机机架或机壳mf(图5a和图15)有效地用作散热器以允许功率平面p和矩阵转换器配置的紧凑尺寸和热优化操作。

本发明的范围

应当理解，除非本文另外指明，否则本文针对具体实施方案描述的任何特征、特性、替代方案或变型也可以与本文所述的任何其他实施方案一起应用、使用或结合。另外，本文的附图未按比例绘制。

尽管已经针对其示例性实施方案描述并示出了本发明，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，可以在此对这些实施方案进行前述以及各种其他的添加和省略。