EMI滤波器和包括EMI滤波器的逆变器的制作方法

emi滤波器和包括emi滤波器的逆变器
技术领域
1.本发明涉及一种包括扼流圈的emi滤波器。本发明还涉及包括emi滤波器的用于电动马达的逆变器。


背景技术：

2.电子设备通常不会与其附近的其他设备发生电磁相互作用。然而，实际上，逆变器会产生高电磁干扰(emi)，这是在逆变器中切换半导体时，寄生电容上的电压和寄生电感上的电流的快速变化所产生的。为了减少电磁干扰并增加逆变器与其他电子设备的兼容性，能够切换逆变器中的emi滤波器。
3.电磁干扰由此被分成共模(cm)和差模(dm)。emi滤波器由此能够过滤共模(cm)和差模(dm)中的电磁干扰。出于这个目的，常规的emi滤波器具有与电容器组合的共模扼流圈和差模扼流圈。
4.扼流圈有时由布置在逆变器的导体处的磁芯实现。因此，磁芯能够实现为e形、c形、u形和i形。例如，从us 2009051478 a1和ep 2357727 a1已知包括这种类型磁芯的扼流圈。此外，从cn 111415810 a中已知将两个环形磁芯布置在彼此内部。不利地，这种类型的emi滤波器或这种类型的扼流圈分别具有高的空间要求，这有时是不可用的。此外，这种类型的扼流圈不能用于高直流电流的情况。


技术实现要素：

5.因此，本发明的目的是为emi滤波器和普通类型的逆变器提出一种改进的或至少替代的实施例，其克服了所描述的缺点。emi特别地以节省空间的方式形成。emi滤波器特别适用于高直流电流。
6.根据本发明，该目的通过独立权利要求的主题来解决。有利的实施例是从属权利要求的主题。
7.为逆变器提供emi滤波器(emi：电磁干扰)。逆变器能够提供给电动马达。因此，emi滤波器具有扼流圈，该扼流圈包括磁性内芯、包括磁性外芯并且包括至少一个导体对。至少一个导体对由此具有导电的正导体和导电的负导体。在扼流圈中，内芯、外芯和至少一个导体对的各个导体沿着扼流圈的纵向中心轴线延伸。内芯由此布置在外芯中，并且至少一个导体对的各个导体布置在内芯与外芯之间。相应的相邻导体由此布置为在围绕纵向中心轴线的周向方向上彼此间隔开。此外，内芯和外芯布置成在与纵向中心轴线径向对齐的径向方向上彼此间隔开。因此，在内环、外环与在周向方向上相邻的相应导体之间分别形成间隙。
8.在根据本发明的emi滤波器中，至少一个导体对的各个导体在周向方向上被外芯包围。扼流圈因此适于过滤共模下的电磁干扰。因此，根据相对于导体中共模电流的电流方向的右手定则，共模磁通量被引导到扼流圈周围。此外，根据本发明的emi滤波器中的内芯被布置在至少一个导体对的导体之间，或者在周向方向上分别被至少一个导体对的导体包
围。因此在每个间隙中完成从外芯到内芯的磁路。间隙内的磁通量能够以这种方式相加。扼流圈因此适于过滤差模下的电磁干扰。
9.有利地，至少一个导体对的各个导体能够布置成围绕扼流圈的纵向中心轴线并且绕纵向中心轴线均匀分布。有利地，至少一个导体对的各个导体能够仅在内芯与外芯之间穿过一次。换句话说，至少一个导体对的各个导体既不能围绕内芯缠绕，也不能围绕外芯缠绕。换句话说，围绕内芯和外芯的至少一个导体对的导体的匝数等于一。有利地，至少一个导体对的各个导体能够分别是刚性的或者不是非常柔性的。有利地，至少一个导体对的各个导体能够是板状或扁平汇流条。有利地，至少一个导体对的各个导体能够具有基本上矩形的横截面。有利地，至少一个导体对的各个导体的横截面能够适应所需的电流强度。
10.有利地，间隙是介电的和/或抗磁性的。有利地，该间隙能够是气隙。有利地，间隙在径向方向上的宽度能够设计成使得差模下的电磁干扰以最大滤波水平被过滤。因此，共模下的电磁干扰以适用于差模的最大滤波级的滤波级被过滤。间隙的宽度是外芯和内芯的磁性材料的特性以及dc电流水平的函数。实际上，间隙的宽度还受到外芯和内芯的制造公差和定位公差的影响。
11.在根据本发明的emi滤波器中，扼流圈能够有利地过滤共模和差模下的电磁干扰。扼流圈因此没有任何绕组，使得扼流圈以及emi滤波器以简化和紧凑的方式构造。此外，因为至少一个导体对的各个导体不必是柔性的，因此至少一个导体对的各个导体的横截面也能够自由适应。因此，扼流圈能够以简化的方式适应所需的电流强度。
12.在emi滤波器的有利实施例的情况下，能够规定，内芯是完整的或中空的圆柱体，或者直的、完整的或中空的棱柱，该棱柱包括正多边形底面。外芯则是包括中空的圆柱体，或者包括正多边形底面的直中空棱柱。此外，内芯和外芯同轴地布置在彼此内部，然后至少一个导体对的导体布置在外芯与内芯之间，以便绕扼流圈的纵向中心轴线均匀分布。在该有利实施例的情况下，emi滤波器的扼流圈形成为围绕纵向轴线旋转对称。电流因此能够在扼流圈中对称地分布，并且扼流圈和emi滤波器的电磁特性能够被改进。
13.有利地，该间隙能够是气隙。有利地，至少一个导体对的导体能够借助于板状汇流条形成。有利地，能够规定，内芯和外芯由相同材料或不同材料形成。有利地，材料能够具有高磁导率，以便改进在共模下和在差模下对电磁干扰的过滤。材料的特性影响内芯和外芯的饱和度，因此也影响扼流圈中间隙的最佳宽度。如上所述，间隙的宽度能够被设计为实现在共模下或在差模下电磁干扰的最大滤波水平。
14.有利地，能够规定，emi滤波器具有至少一个x电容器和至少两个y电容器。至少一个x电容器由此与至少一个导体对的导体互连，以形成差模滤波电路。至少两个y电容器各自连接在至少一个导体对的相应导体与逆变器的底座之间，以形成共模和差模滤波电路。有利地，底座能够由金属壳体形成。有利地，y电容器能够通过接地板连接到底座。有利地，至少两个y电容器和至少一个x电容器以及导体能够彼此材料结合，优选地焊接。
15.有利地，能够规定emi滤波器的扼流圈具有至少两个导体对，并且因此具有至少两个正导体和至少两个负导体。各个正导体和各个负导体然后在周向方向上交替。有利地，电流能够被分配到相应导体对的正导体和负导体。因此，高电流能够流过扼流圈。此外，电流在扼流圈中能够对称分布，并且在该有利实施例的情况下，扼流圈和emi滤波器的电磁特性能够得到改进。有利地，扼流圈能够具有恰好两个导体对或恰好三个导体对。然而，也能够
想象扼流圈具有多于三个的导体对。然而，不言而喻，扼流圈中导体对的数量能够受到emi滤波器的期望滤波特性、外芯与内芯之间的可用空间以及周向方向上间隙的最小所需尺寸的限制。此外，扼流圈中导体对的数量会受到逆变器设计的限制。
16.有利地，能够规定，至少一个导体对的导体在径向方向上至少在一些区域中被容纳在外芯的外凹部中和/或至少在一些区域中被容纳在内芯的内凹部中。因此，通过对外凹部沿径向方向的深度的调整，径向方向上的间隙的宽度能够独立于相应导体的宽度来调整。
17.有利地，能够规定emi滤波器具有介电外壳，并且扼流圈在一些区域中被容纳在emi滤波器的介电外壳中。有利地，在一些区域中，emi滤波器的另外的部件能够被容纳在emi滤波器的绝缘外壳中。外壳能够有利地由塑料制成。有利地，外壳能够在铸造过程中形成。有利地，扼流圈能够被铸造到外壳中。有利地，扼流圈的至少一个导体对的导体能够被铸造到外壳中。有利地，emi滤波器的另外的部件能够被铸造到外壳中。
18.本发明还涉及一种用于电动马达的逆变器。因此，逆变器包括包含至少一个电容器的电容器板。在逆变器中，至少一个电容器能够在至少一个导体对的导体之间互连。不言而喻，逆变器还能够包括另外的部件。特别地，逆变器能够包括包含至少两个晶体管的至少一个晶体管板。然后，电容器板和相应的晶体管板能够电互连。根据本发明，逆变器具有上述emi滤波器。emi滤波器由此与逆变器的电容器板进行电切换。有利地，emi滤波器能够具有逆变器的直流电池端子，用于将逆变器与直流电源互连。然后，直流电池端子与逆变器的电容器板电互连。
19.相对于其纵向中心轴线，逆变器能够有利地具有面向马达的开口纵向端部和背离马达的封闭纵向端部。不言而喻，该定义指的是被适当地布置在电动马达上的逆变器。有利地，能够规定，emi滤波器被固定到逆变器的背离马达的封闭纵向端部。
20.有利地，能够规定，emi滤波器的导体材料结合、优选地焊接到逆变器的电容器板的相应铜板。有利地，emi滤波器能够从逆变器的面向马达的开放纵向端部材料结合、优选地焊接到电容器板。因此，emi滤波器到逆变器的组装能够显著简化。
21.有利地，emi滤波器能够以形状配合和/或力配合的方式牢固地连接。有利地，emi滤波器能够螺纹连接到逆变器。有利地，扼流圈的纵向中心轴线能够平行于逆变器的纵向中心轴线对齐，或者能够与逆变器的纵向中心轴线重合。
22.本发明的其他重要特征和优点从从属权利要求、附图以及基于附图的相应附图描述中得出。
23.不言而喻，在不脱离本发明的范围的情况下，上述特征和将在下面描述的特征不仅可以以相应的特定组合使用，还可以以其他组合或单独使用。
附图说明
24.本发明的优选示例性实施例在附图中示出，并将在下面的描述中更详细地描述，在附图中，相同的附图标记表示相同或相似或功能相同的部件。
25.分别示意性地：
26.图1和图2示出了根据本发明的示出为没有外壳的emi滤波器的视图；
27.图3示出了根据本发明的示出为没有外壳的emi滤波器的分解图；
28.图4示出了根据本发明的示出为具有外壳的emi滤波器的视图；
29.图5示出了根据本发明的emi滤波器中的扼流圈的视图；
30.图6示出了根据本发明的emi滤波器的图5所示扼流圈的等效电路图；
31.图7示出了图5中所示的扼流圈的模拟磁通路线的视图；
32.图8至图11示出了用于表征图5和图7所示的扼流圈的图。
具体实施方式
33.图1示出了根据本发明的示出为没有外壳的emi滤波器1的侧视图。
34.图2从底部示出了根据本发明的示出为没有外壳的emi滤波器1的视图。
35.图3示出了根据本发明的emi滤波器1的各个部件的分解图。emi滤波器因此具有扼流圈2、若干x电容器3、若干y电容器4、e型扼流圈5、导电接地板6、导电正极电池端子7a和导电负极电池端子7b。扼流圈2因此包括磁性内芯9、磁性外芯10和分别具有导电的正导体12a和导电的负导体12b的三个导体对11。
36.各个正导体12a和各个正极电池端子7a由此借助于正极元件13a实现，而各个负导体12b和各个负极电池端子7b因此借助于负极元件13b实现。正极元件13a和负极元件13b由此形成为导电的、一体的、板形的且折叠的。各个正导体12a和正极电池端子7a因此是导电的，并且以导电的方式彼此连接。各个负导体12b和负极电池端子7b因此是导电的，并且以导电的方式彼此连接。由此，正导体12a和负导体12b分别形成为扁平或板状，或者分别形成为板状汇流条。
37.在扼流圈2中，内芯9、外芯10、各个正导体12a和各个负导体12b沿着扼流圈2的纵向中心轴线la延伸。导体12a和12b、内芯9和外芯10彼此电绝缘。电绝缘能够通过空气来实现。或者，导体12a、12b、内芯9和外芯10a能够在塑料外壳中模制，以提供电绝缘。各个正导体12a和各个负导体12b由此沿相对于纵向中心轴线la径向对齐的径向方向布置在内芯9与外芯10之间。此外，各个正导体12a和各个负导体12b布置为在围绕纵向中心轴线la的周向方向上交替并且均匀分布。此外，相应的相邻导体12a和12b布置为在周向方向上彼此间隔开，使得在内芯9、外芯10与各个导体12a和12b之间分别形成间隙14，它们在周向方向上相邻。下面将基于图7至图11更详细地描述扼流圈2的有利特性。
38.扼流圈2、x电容器3和y电容器4电互连以形成滤波电路8。此外，接地板6、正极电池端子7a和负极电池端子7b与滤波电路8电互连。x电容器3各自与扼流圈2的相应导体对11的相应导体12a、12b互连，并且y电容器4各自通过接地板6连接在相应导体对11的相应导体12a、12b与逆变器1的底座(这里是金属壳体)之间。从图3中能够特别清楚地看到，e型扼流圈5具有围绕正极元件13a和负极元件13b布置的两个e形磁芯15。e型扼流圈5或磁芯15由此分别布置在扼流圈2或正导体12a以及负导体12b与正极电池端子7a以及负极电池端子7b之间。
39.图4示出了根据本发明的emi滤波器1的视图。图4示出了具有外壳16的emi滤波器1，该外壳至少在一些区域中围住或包围emi滤波器1的部件。外壳16是介电的，并且能够由塑料制成。特别地，外壳16能够在铸造过程中形成，其中然后emi滤波器1的部件可以铸造在外壳中。
40.参考图1至图4，emi滤波器1被提供用于电动马达的逆变器。如果emi滤波器与逆变
器互连，则相应的导体12a和12b以导电方式连接到逆变器的电容器板。正极电池端子7a和负极电池端子7b然后形成逆变器的直流电池端子。
41.图5示出了根据本发明的emi滤波器1中的扼流圈2的视图。如这里能够特别清楚地看到的，正导体12a和负导体12b被布置为在周向方向上交替并且均匀分布。内芯9和外芯10分别均由具有正六边形底面的直中空棱柱示出。六个导体12a或12b中的相应一个导体分别被分配给相应棱镜的六个边/侧面之一。相应的导体12a或12b因此被布置在外芯10的外凹部17中。
42.在扼流圈2中，各个导体12a和12b在周向方向上分别被外芯10在外侧围绕或包围，由此扼流圈2适于过滤共模下的电磁干扰。此外，内芯9在周向方向上分别被相应的导体12a和12b在外侧围绕或包围，使得扼流圈2适于过滤差模下的电磁干扰。此外，扼流圈2具有高对称性，并且电流能够在扼流圈2中对称分布。因此能够特别有效地过滤电磁干扰。
43.下面将基于图6至图11更详细地描述扼流圈2的特性。为此，在模型中示出了扼流圈2。在该模型中，正导体12a和负导体12b在周向方向上用数字1至6一个接一个地连续编号。扼流圈2的相应三个正导体12a由此用数字1、3和5标识。扼流圈2的相应三个负导体12b由此用数字2、4和6标识。
44.单个导体12a与12b之间的磁耦合借助于外芯10在扼流圈2中产生，外芯10分别在外侧围绕或包围导体12a和12b。因此，在单个导体12a与12b之间产生电感。
45.在矩阵中，所产生的共模电感能够组合如下：
[0046][0047]
在矩阵中，所产生的差模电感能够组合如下：
[0048][0049]
在这两种情况下，l_cm/dm_xx因此表示相应导体12a或12b的自感，并且l_cm/dm_yx表示相应导体12a或12b之间相互产生的电感。如果x不等于y，那么l_cm/dm_xy＝l_cm/dm_yx。如果也考虑相应导体12a和12b的电阻r_xx，则得到图6所示的等效电路图。
[0050]
因此，图6示出了根据上述模型的扼流圈2的等效电路图。上面的三个分支由此代表扼流圈2的相应正导体12a。下面的三个分支由此代表扼流圈2的相应负导体12b。
[0051]
在扼流圈2的用1、3和5编号的相应正导体12a的情况下，
[0052]
i_dc
–
标识等效电路图中的扼流圈2中的直流电流；
[0053]
i_dc/3
–
标识等效电路图中的相应正导体12a中的部分直流电流；
[0054]
i_dm11、i_dm33、i_dm55
–
标识在等效电路图中的相应正导体12a中的差模部分直流电流；
[0055]
i_cm11、i_cm33、i_cm55
–
标识等效电路图中的相应正导体12a中的共模部分直流电流；
[0056]
r_11、r_33、r_55
–
标识等效电路图中的相应正导体12a的电阻；
[0057]
l_dm11、l_dm33、l_dm55
–
标识等效电路图中的相应正导体12a的差模自感；
[0058]
l_cm11、l_cm33、l_cm55
–
标识等效电路图中的相应正导体12a的共模自感。
[0059]
在扼流圈2的编号为2、4和6的相应负导体12b的情况下，
[0060]
i_dc
–
标识等效电路图中的扼流圈2中的直流电流；
[0061]
i_dc/3
–
标识等效电路图中的相应负导体12b中的部分直流电流；
[0062]
i_dm22、i_dm44、i_dm66
–
标识等效电路图中的相应负导体12b中的差模部分直流电流；
[0063]
i_cm22、i_cm44、i_cm66
–
标识等效电路图中的相应负导体12b中的差模部分直流电流；
[0064]
r_22、r_44，r_66
–
标识等效电路图中的相应负导体12b的电阻；
[0065]
l_dm22、l_dm44、l_dm66
–
标识等效电路图中的相应负导体12b的差模自感；
[0066]
l_cm22、l_cm44、l_cm66
–
标识等效电路图中的相应负导体12b的共模自感。
[0067]
电阻r_11、r_33、r_55、r_22、r_44、r_66被组合以形成块res_block。差模自感l_dm11、l_dm33、l_dm55、l_dm22、l_dm44、l_dm66被组合以形成块ldm_block。将(l-m)/2应用于该块ldm_block。这里，l指每个导体12a、12b或矩阵[l_dm]中的对角线元素(元素l_dm11、l_dm33、l_dm55、l_dm22、l_dm44、l_dm66)的自感，并且m指两个导体12a、12b或矩阵[l_dm]中的非对角线元素(l_xy)之间的互感，其中x不等于y。共模自感l_cm11、l_cm33、l_cm55、l_cm22、l_cm44、l_cm66被组合以形成块lcm_block。将(l+m)/2应用于该块lcm_block。这里，l指每个导体12a、12b或矩阵[l_cm]中的对角线元素(元素l_cm11、l_cm33、l_cm55、l_cm22、l_cm44、l_cm66)的自感，并且m指两个导体12a、12b或矩阵[l_cm]中的非对角线元素(元素lxy)之间的互感，其中x不等于y。
[0068]
图7示出了扼流圈2的在扼流圈2内具有模拟磁通路线的视图。从图7中能够看出，在每种情况下，内芯9和外芯10中的共模磁通量都倾向于沿相同方向流动。差模磁通量倾向于桥接间隙14。
[0069]
图8示出了用于表征扼流圈2的示意图。该图示出了正导体12a之一与三个负导体12b中的每个之间的差模电感l_dm14、l_dm12、l_dm16。差模电感被定义为承载相反方向电流的两个导体12a、12b之间的电感。因此，只有电感l_dm14、l_dm12、l_dm16与差模滤波相关。因此，描绘出了在直流电流i_dc等于1100a的情况下，相对于以mm表示的间隙宽度的以nh表示的差模电感。由此，在彼此相对且相距最大距离的导体12a与12b之间产生最大差模电感l_dm14。
[0070]
图9示出了用于表征扼流圈2的另一示意图。该图示出了正导体12a之一和相邻负导体12b之间的共模电感l_cm12、l_cm16。由于扼流圈对称，以下等式适用：
[0071]
l_dm14＝l_dm25＝l_dm36
[0072]
l_dm41＝l_dm14
[0073]
l_dm52＝l_dm25
[0074]
l_dm63＝l_dm36.
[0075]
因此，描绘了在直流电流i_dc等于1100a时，以μh表示的共模电感随以mm表示的间隙14的宽度的变化。共模电感l_cm12、l_cm16因此在两对导体12a和12b的情况下是相同的。
[0076]
图10示出了用于表征扼流圈2的另一示意图。该图示出了正导体12a之一与三个负导体12b中的每个之间的差模电感l_dm12、l_dm14、l_dm16。由此，描绘了在间隙14的宽度等于1050μm的情况下，以nh表示的共模电感随以a表示的直流电流i_dc的变化。差模电感l_dm12、l_dm14、l_dm16由此示出了与直流电流i_dc的固定联系，直到内芯9和外芯10饱和。
[0077]
图11示出了用于表征扼流圈2的另一示意图。该图示出了正导体12a之一与以最大距离相对设置的负导体12b之间的共模电感l_cm14。由此，描绘了在间隙14的宽度等于1050μm的情况下，以μh表示的共模电感随以a表示的直流电流i_dc的变化。共模电感l_cm14随着直流电流i_dc的增加而减小。这是由于内芯9和外芯10的磁性材料接近磁饱和，并且材料的磁导率降低。