变流器的模块化的组件和具有这种组件的飞行器的制作方法

本发明涉及用于电地供给多相的电动马达的变流器的模块化的组件。本发明还涉及具有这种组件的飞行器。

背景技术：

整流器（stromrichter）被称为变流器，也被称为换流器，所述整流器从交流电压或直流电压中产生在频率和振幅方面改变了的交流电压。变流器经常构造为ac/dc-dc/ac变流器或dc/ac变流器，其中，从输入交流电压或输入直流电压中通过直流电压中间回路和同步的（getakteten）半导体产生输出交流电压。

在图1中示出示例性的ac/dc-dc/ac变流器1的方框电路图，其中三相的输入电压u1形成到用于驱动电动马达2的三相的输出电压u2中。变流器1具有整流器电路（gleichrichterschaltung）3、中间回路4和逆变器电路5。整流器电路3、中间回路4和逆变器电路5通过控制回路单元6进行控制。在公开文献de102015206627a1中公开了这种变流器1。

图2示出具有壳体7或结构性的框架的通常的dc/ac变流器1的方框电路图，其中安置有结构部件。主要的结构性的功率电子的结构部件包括功率半导体切换件8、中间回路4和控制逻辑电路9。功率半导体切换件8是低电感的并且由此在空间上很靠近地连结到中间回路4处。每个变流器1有一个中间回路4，所述中间回路又能够包括多个连接的电容器，以便满足单个电容器本身不能够满足的所有电压和电流负载要求（stromtraganforderungen）。

变流器1的单个构件通常处于严密地隔开周围环境的壳体7之内。在电驱动的飞行器的情况下的应用要求变流器1的高的故障安全性。

在具有相同申请日的并行的（parallelen）、之后公开的专利申请中提出，变流器末级拆分为具有相位中间回路的相位选择性的换向单元。可选地，能够借助于集合中间回路将相位中间回路集合在一起。分离的单个构件能够有利地构建为结构性的单个元件并且与彼此连接。

中间回路被分解为多个与彼此分离的（并且由此电地关于单个大的中间回路电容器的功能性脱耦的）单个中间回路。电动马达的每个相位获得其“专用的”中间回路。集合中间回路能够与单个相位中间回路并联（parallelisieren），从而来自高电压电池地，如直到现在那样存在仅仅“一个”具有高电压联接部的中间回路。视要求而定也能够放弃集合中间回路。

技术实现要素：

本发明的任务是，说明用于变流器和其运行的解决方案，所述解决方案在小的重量的情况下保证高的故障安全性。

根据本发明，所提出的任务利用独立权利要求的模块化的组件和飞行器解决。有利的改进方案在从属权利要求中说明。

根据本发明，由在变流器的情况下拆分中间回路（zwischenreises）得出如下：单个相位是具有专用的壳体的结构性的（konstruktive）单个模块（=末级模块），其此外能够径向地布置。对于所有单个的相位模块（=末级模块）存在有同样安置在额外壳体中的控制单元（=控制逻辑模块），所述控制单元能够处于通过径向地布置的单个相位形成的外部的环之内。

本发明要求保护用于电地供给多相的电动马达的变流器的模块化的组件，所述组件具有：

-多个分别具有单独的第一壳体的末级模块，

-其中，对于电动马达的每个相位存在有一个末级模块并且

-其中，末级模块具有相位中间回路电路和逆变器电路，其共同形成换向单元，

-其中，相位中间回路电路直流电压供给（gleichspannungsversorgt）并且电地与逆变器电路连接。

本发明提供如下优点，即能够通过模块化的组件在优化了的重量的情况下提供具有高的故障安全性的变流器。

在改进方案中，末级模块能够布置在假想的柱体的外周面上。由此，组件能够匹配电动马达的外部的形状。

在另外的设计方案中，末级模块的端面能够处于共同的平面中并且均匀地分布在外周面上。由此，到电动马达的各个相位处的联接是简单地可行的。

在改进方案中，末级模块能够在第一壳体的外侧上具有冷却单元，优选地带有冷却肋的冷却单元。由此，模块的最佳的冷却是可行的。

在另外的设计方案中，组件具有：

-具有第二壳体的集合中间回路模块，

-其中，相位中间回路模块电地并联地接上到集合中间回路模块处。

在改进方案中，集合中间回路模块能够环形地构造。由此，所述集合中间回路模块能够与电动马达的形状匹配。

在改进方案中，环形的集合中间回路模块的内部直径能够等于假想的柱体的直径。

在另外的设计方案中，组件能够具有：

-具有第三壳体的控制逻辑模块，其构造和编程成用于控制逆变器电路，

-其中，控制逻辑模块电地、光学地或光电学地（elektrisch-optisch）与末级模块连接。

在另外的成型（ausprägung）中，控制逻辑模块能够柱状地构造并且末级模块能够布置在控制逻辑模块的外侧上。

在改进方案中，控制逻辑模块能够沿轴线方向具有断裂部，电动马达的冷却的顺流和回流（vor-undrücklauf）能够被引导通过所述断裂部。

本发明还具有组件，所述组件具有：

-柱形的电动马达，

-在所述电动马达的端侧处布置有末级模块和控制逻辑模块并且

-其中，集合中间回路模块布置在末级模块的背离电动马达的侧处。

在另外的设计方案中，假想的柱体的柱体轴线能够与电动马达的旋转轴线叠合。

此外，所述组件具有：

-驱动机构舱（=引擎机舱（nacelle）），其中布置有电动马达、末级模块、集合中间回路模块和控制逻辑模块。

本发明还要求保护具有根据本发明的组件的飞行器，其中，构造有至少一个通过所述组件供给的、电驱动的驱动机构。

附图说明

本发明的另外的特点和优点能够根据示意性的附图由多个实施例的随后的阐释中看出。

其中：

图1示出根据现有技术的ac/dc-dc/ac变流器的方框电路图，

图2示出根据现有技术的dc/ac变流器的方框电路图，

图3示出具有相位中间回路和具有集合中间回路的dc/ac变流器的方框电路图，

图4示出具有相位中间回路的dc/ac变流器的方框电路图，

图5示出变流器的模块化的组件的分解侧视图，

图6示出变流器的模块化的组件的侧视图，

图7示出变流器的模块化的组件的末级模块的方框电路图，

图8示出变流器的模块化的组件的末级模块的剖切视图，

图9示出变流器的模块化的组件的末级模块的倾斜视图，

图10示出变流器的模块化的组件的中间回路模块的前视图，

图11示出变流器的模块化的组件的中间回路模块的后视图，

图12示出变流器的模块化的组件的中间回路模块的倾斜视图，

图13示出变流器的模块化的组件的控制逻辑模块的前视图，

图14示出变流器的模块化的组件的控制逻辑模块的侧视图，

图15示出变流器的模块化的组件的控制逻辑模块的倾斜视图以及

图16示出电驱动的飞行器的方框电路图。

具体实施方式

根据本发明地，变流器的中间回路功率半导体的末级对（endstufenpaarung）被划分为多个单个元件。每个单个元件相应于用于马达相位的换向单元（kommutierungszelle）。在此，换向单元能够实施为半桥电路（图3）或h型桥电路（图4）。从高电压源看，集合中间回路接着将各个换向单元连接到总中间回路。中央的控制构件（=中央的控制单元）控制换向单元。

换向单元的单个电容（=第一电容器）被保持得小，以便节省重量和体积。单个电容的功能在于实现相应的相位的、弱电感的换向单元。在变流器之内不存在波纹电压要求，所述波纹电压要求会导致单个电容的提高。集合电容（=第二电容器）对各个相位波纹进行缓冲并且用作高电压总线，所述高电压总线实现与相对于+dc和-dc的能够预设的最大的波纹的联接。由第二电容器的并联电路和第一电容器构成的总电容应该与通常的变流器的总电容相似地大。

图3示出变流器1的方框电路图，所述变流器以直流电压+dc、-dc、例如能够充电的电池进行电地供给。具有一个或多个第二电容器12的集合中间回路电路（sammelzwischenkreisschaltung）15将直流电压+dc、-dc分布到三个相位的换向单元14上。每个换向单元14具有相位中间回路电路（phasenzwischenkreisschaltung）13和与其连接的逆变器电路（wechselrichterschaltung）5。相位中间回路电路13具有至少一个第一电容器11。逆变器电路5具有以半桥的形式的功率半导体切换件8用于形成交流电压~u、~v和~w。

电动马达的三个相位能够利用交流电压~u、~v和~w被供给。逆变器电路5借助于控制逻辑电路9进行供给，所述控制逻辑电路此外接通和断开功率半导体切换件8。控制逻辑电路9与未示出的中央的控制单元10连接。

在相位中间回路电路13之前能够分别连接有安全电路16，所述安全电路在故障情况中在这样的要拆分的相位之内能够将一个相位突然地与直流电流供给+dc、-dc分离。

图4示出变流器1的方框电路图，所述变流器以直流电压+dc、-dc、例如能够充电的电池进行电地供给。直流电压+dc、-dc（没有集合中间回路电路）分布到三个相位的换向单元14上。每个换向单元14具有相位中间回路电路13和与其连接的逆变器电路5。相位中间回路电路13具有至少一个第一电容器11。逆变器电路5具有以h型桥的形式的功率半导体切换件8用于形成交流电压~u、~v和~w。

电动马达的三个相位能够利用交流电压~u、~v和~w被供给。逆变器电路5借助于控制逻辑电路9进行供给，所述控制逻辑电路此外接通和断开功率半导体切换件8。控制逻辑电路9与未示出的中央的控制单元10连接。

在相位中间回路电路13之前能够分别连接有安全电路16，所述安全电路在故障情况中能够在这样的要拆分的相位之内将一个相位突然地与直流电流供给+dc、-dc分离。

图5至图15示出模块化地构建的变流器1的单个构件的图示，其中，单个构件在电动马达2的端侧处圆形地绕电动马达2的虚拟地延长的旋转轴线进行布置。这种组件优选地被用于装入到在飞行器中的驱动机构舱（triebwerksgondeln）（还被称为引擎机舱（nacelle））中。

图5示出变流器1的分解视图，所述变流器以电能供给三相的电动马达2。能够看到的是三个相位中的两个。电动马达2具有处于外部的定子23和处于内部的转子24。通过联接部x13，冷却介质能够到达到电动马达2中（=顺流（vorlauf））。通过联接部x14，经加热的冷却介质能够离开电动马达2（=回流（rücklauf））。

末级模块20均匀地分布地布置在假想的柱体29的外周面上，其中，末级模块20的端侧处于一（einer）平面中。假想的柱体29的直径如下地进行选择，使得末级模块20能够简单地联接到电动马达2的端侧处。末级模块20具有向外严密地封上的第一壳体25，在所述第一壳体上处于外部地布置有冷却单元28（优选地具有冷却肋）。

末级模块20分别具有如在图3和图4中描述的、在图5中不能够看到的相位中间回路电路13和不能够看到的逆变器电路5，其共同形成换向单元14。末级模块20通过插头x3和x6以正的电压并且通过插头x4和x5以负的电压由集合中间回路模块21进行供给。通过插头x9和x10，末级模块20联接到控制逻辑模块22处。

集合中间回路模块21具有严密地密封的第二壳体26。集合中间回路模块21环形地构造，其中，其内部直径大约相应于假想的柱体29的直径。外部直径与末级模块20的大小匹配。通过插头x1，集合中间回路模块21以直流电压源、例如能够充电的电池的正的电压+dc并且通过插头x2以直流电压源、例如能够充电的电池的负的电压-dc进行供给。

控制逻辑模块22柱形地构造并且具有插头x9和x10用于联接到末级模块20处。联接（anschlüsse）能够电地、光学地或光电地实施。利用插头x11形成到未示出的中央的控制单元10的连接。利用插头x12冗余地形成该连接。控制逻辑模块22具有严密地密封的第三壳体27。

图6示出来自图5的组件在组装好的状态中。能够识别的是具有末级模块20、集合中间回路模块21和控制逻辑模块22的变流器1。模块化的变流器1处于多相的电动马达2的端侧上。这两者十分理想地配合到未示出的柱形的驱动机构舱30中。还能够看到插头x1、x2、x11和x12以及用于冷却电动马达2的联接部x13和x14。

图7至图9以优选的实施方案示出变流器1的模块化的组件的末级模块20。图7示出末级模块20的方框电路图，图8示出剖切视图并且图9示出倾斜视图。在此涉及容错的（fehlertolerante）架构，其尤其适合于空气冷却的引擎机舱驱动器。在此，相应的末级模块20本身不是容错的对象。容错在多个分布的合适的单个驱动器的情况中始终涉及交通工具的整个驱动器或总驱动系统。

图7示出以+dc和-dc直流电压供给的末级模块20的方框电路图。电压供给能够根据需要、例如在故障情况中通过安全电路16（例如爆炸安全部（sprengsicherung））突然地中断。电压利用电压测量器36进行测定。功率半导体切换件8通过相位中间回路电路13以直流电压进行供给。

功率半导体8处于第一陶瓷基底31（例如陶瓷模块（keramikmodul）=直接敷铜（directcoppebonded））上。在第二陶瓷基底32上存在有自给自足的自动起动的电源件35、驱动件33用于操控功率半导体切换件8以及逻辑件和传送器34。功率半导体切换件8发出单相的交流电压~u。经调制的相位电流利用电流测量器37进行测量。功率半导体切换件8通过校准和测量电路38监控。

用于操控功率半导体切换件8的脉冲宽度调制的信号通过输入端pw到达到末级模块20中。安全电路16的触发通过输入端tr进行。逻辑件和传送器34通过输出端fs输出测量和误差信号。

所有重要的结构部件直接地与未示出的冷却单元28通过第一和第二陶瓷模块31、32连接。因此优选地，所有逻辑电路要被施加到陶瓷模块上。有利的是，asic被应用于将逻辑结构部件和因此还有焊点的数量最小化。能够存在一个或两个陶瓷模块。

示出的是两个陶瓷模块，其中，逻辑件34和功率半导体切换件8被布置在与彼此分离的陶瓷模块上。唯一的陶瓷模块能够是有利的，因为由此在陶瓷模块之间的连接部（例如结合件）被避免。测量传感器能够视布置的必要性和到测量点的有利的空间上的接近而定被安置在这两个陶瓷模块上。有利的是，测量传感器在第二陶瓷模块32上被安置在逻辑件34中。在分离的dbc的情况下，多样化的生产工艺能够被实现，例如将第一陶瓷模块31进行烧结，并且将第二陶瓷模块32进行钎焊。

末级模块20的得出的内部空间在几何上被最小化。经最小化的内部空间是严密地密封的并且完全以油或其它的隔离介质填充。由此，不需要硅浇铸物料。备选地，空气也能够应用为填充介质。但是那么需要压力补偿阀和硅物料。备选地，能够存在有另外的电路，尤其校准和测量电路38用于执行用于确定功率半导体切换件8的阻挡层温度（sperrschichttemperatur）的vce-t方法（vce-t-methode），以便能够从其中导出其寿命消耗（lebensdauerverbrauch）。

图8示出通过具有根据图7的电路组件的末级模块20的剖切视图。示出的是具有处于其上的冷却单元28的第一壳体25。在第一壳体25的内部中存在有这两个陶瓷模块31和32以及第一电容器11。

在第一陶瓷模块31上存在有功率半导体切换件8，在第二陶瓷模块32上存在有asic40。这两个陶瓷模块31和32利用连接部39（例如结合件）连接。利用插头x9建立到未示出的控制逻辑模块22的连接。末级模块20在其外部的形状方面实施为部分环部段。

图9示出根据图8的末级模块20的空间的视图。末级模块20具有带有插头x3、x4、x7和x9的第一壳体25。具有冷却肋的冷却单元29处于壳体26上。对于每个相位构造有末级模块20，其中，末级模块20与彼此在空间上分离，但是优选地相同地实施。

图10至图12示出变流器1的模块化的组件的中间回路模块21的视图。图10示出前视图、图11示出后视图并且图12示出空间的视图。在所有三个图示中，能够识别集合中间回路模块21的第二壳体26。在图10和图12中能够看到插头x1和x2，其建立到直流电压供给+dc和-dc的连接。借助于插头x3、x4、x5、x6、x5'和x6'，末级模块20利用来自集合中间回路模块21的直流电压进行供给。每两个插头负责（zuständig）一个相位。

集合中间回路模块21如下地圆环形地构造，使得其能够联接到末级模块20处。集合中间回路模块21的内部直径大约等于假想的柱体29（图5）的直径。集合中间回路模块21的外部直径如下地选择，使得组件配合到引擎机舱中。

有利地，集合中间回路模块21的第二电容器12同样环形地构造。第二电容器12的电容是总电容的仅仅一个子电容（teilkapazität），如进一步在上面描述的那样。

对于航空应用有利的是，集合中间回路模块21的外部的环直径大约相应于马达外部直径的外部的环直径并且内部的环直径大约相应于转子直径的外部的环直径，在所述航空应用中，具备引擎机舱功能的（nacell-fähige）驱动解决方案是重要的。对于空气冷却系统，冷却肋构造在外部半径处，所述冷却肋能够在适当地接触到第二电容器12的内核的情况下改善冷却。

图13至图15示出变流器1的模块化的组件的控制逻辑模块22的视图。图13示出前视图、图14示出侧视图并且图15示出空间的视图。控制逻辑模块22具有壳体27以及插头x11和x12用于与中央的控制单元冗余地连接。利用插头x9、x10和x10'建立到末级模块20的连接。

控制逻辑模块22柱形地构造并且穿过集合中间回路模块21配合（passt）到圈形地布置的末级模块20中。控制逻辑模块22沿纵向方向具有断裂部，冷却软管能够通过所述断裂部被引导至电动马达2。

这是用于模块化的变流器1的即插即用（plug-and-play）结构性的有利的实施方案。控制逻辑件与功率半导体完全地热解耦。由此，能够实现更有利的电的布局。此外，所述控制逻辑件在末级模块20的故障情况中在空间上得到保护。组合件仅仅以低电压运行。不需要分离点（trennstelle）。这实现了很小的空气距离和爬电距离（luft-undkriechstrecken），因为其根据构思在末级模块20中完全地实现。因此，最小的结构形式是可行的。在维护情况中，控制逻辑模块、末级模块20和集合中间回路模块21能够选择性地被更换。

图16示出飞行器18、例如飞机的方框电路图，具有根据图3至图15的变流器组件，其中，变流器1的电路组件以电能供给电驱动的驱动机构17。驱动机构17有利地被安置在驱动机构舱30（=引擎机舱（nacelle））中。变流器1和电动马达2也存在于驱动机构舱30中。

虽然本发明已经在细节上通过实施例更详细地得到说明和描述，但是本发明不被公开了的示例所限制并且其它的变型方案能够由本领域技术人员从其中导出，而不离开本发明的保护范围。

附图标记列表

1变流器

2电动马达

3整流电路

4中间回路

5逆变器电路

6控制回路单元

7壳体

8功率半导体切换件

9控制逻辑电路

10中央的控制单元

11第一电容器

12第二电容器

13相位中间回路电路

14换向单元

15集合中间回路电路

16安全电路

17驱动机构

18飞行器

19电动马达2的旋转轴线

20末级模块

21集合中间回路模块

22控制逻辑模块

23定子

24转子

25第一壳体

26第二壳体

27第三壳体

28冷却单元

29假想的柱体

30驱动机构舱

31第一陶瓷模块

32第二陶瓷模块

33驱动件电路

34逻辑件和传送器（übertrager）

35电源件

36电压测量器

37电流测量器

38校准和测量电路

39连接部

40asic

+dc正的输入直流电压

-dc负的输入直流电压

fs误差信号

pwpwm信号

tr触发件安全电路

u1输入电压

u2输出电压

~u输出侧的交流电压第一相位

~v输出侧的交流电压第二相位

~w输出侧的交流电压第三相位

x1用于+dc的插头

x2用于-dc的插头

x3用于末级模块20的正的电压供给的插头

x4用于末级模块20的负的电压供给的插头

x5用于另外的末级模块20的负的电压供给的插头

x5'用于另外的末级模块20的负的电压供给的插头

x6用于另外的末级模块20的正的电压供给的插头

x6'用于另外的末级模块20的正的电压供给的插头

x7用于至电动马达1的相位输出（phasenabgang）的插头

x8用于至电动马达1的另外的相位输出的插头

x9用于连接至一个相位的控制逻辑模块22的插头

x10用于连接至另外的相位的控制逻辑模块22的插头

x10'用于连接至另外的相位的控制逻辑模块22的插头

x11用于联接到中央的控制单元10处的控制逻辑模块22的插头

x12用于冗余地联接到中央的控制单元10处的控制逻辑模块22的插头

x13用于冷却介质顺流的联接部

x14用于冷却介质回流的联接部。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.用于电地供给多相的电动马达（2）的变流器（1）的组件，具有

-带有多个分别具有分离的第一壳体（25）的末级模块（20），

-其中，对于所述电动马达（2）的每个相位（~u、~v、~w）存在有一个末级模块（20）并且

-其中，所述末级模块（20）具有相位中间回路电路（13）和逆变器电路（5），所述相位中间回路电路和逆变器电路共同形成换向单元（14），

-其中，所述相位中间回路电路（13）直流电压供给（+dc、-dc）并且电地与所述逆变器电路（5）连接，其特征在于：

具有第三壳体（27）的控制逻辑模块（22），所述控制逻辑模块构造和编程成用于控制所述逆变器电路（5），

-其中，所述控制逻辑模块（22）电地、光学地或光电地与所述末级模块（20）连接，并且其中，

所述控制逻辑模块（22）柱形地构造并且所述末级模块（20）布置在所述控制逻辑模块（22）的外侧上。

2.根据权利要求1所述的组件，

其特征在于，

所述末级模块（20）布置在假想的柱体（29）的外周面上。

3.根据权利要求2所述的组件，

其特征在于，

所述末级模块（20）的端面处于共同的平面中并且均匀地分布在所述外周面上。

4.根据前述权利要求中任一项所述的组件，

其特征在于，

所述末级模块（20）在所述第一壳体（25）的外侧上具有冷却单元（28）。

5.根据前述权利要求中任一项所述的组件，

其特征在于：

-具有第二壳体（26）的集合中间回路模块（21），

-其中，所述相位中间回路模块（13）电地并联地接上到所述集合中间回路模块（21）处。

6.根据权利要求5所述的组件，

其特征在于，

所述集合中间回路模块（21）环形地构造。

7.根据权利要求6和权利要求2至4中任一项所述的组件，其特征在于，

环形的集合中间回路模块（21）的内部直径等于所述假想的柱体（29）的直径。

8.根据前述权利要求中任一项所述的组件，

其特征在于，

所述控制逻辑模块（22）沿轴线方向具有断裂部，电动马达（2）的冷却的顺流和回流（x13、x14）能够被引导通过所述断裂部。

9.具有根据权利要求8和权利要求5所述的组件的组件，

其特征在于：

-柱形的电动马达（2），

-在所述电动马达的端侧处布置有所述末级模块（20）和所述控制逻辑模块（22），并且

-其中，所述集合中间回路模块（21）布置在所述末级模块（20）的背离所述电动马达（2）的侧处。

10.根据权利要求9和权利要求2所述的组件，

其特征在于，

所述假想的柱体（29）的柱体轴线与所述电动马达（2）的旋转轴线（19）叠合。

11.根据权利要求10所述的组件，

其特征在于：

-驱动机构舱（30）），在所述驱动机构舱中布置有所述电动马达（2）、所述末级模块（20）、所述集合中间回路模块（21）和所述控制逻辑模块（22）。

12.具有根据权利要求9至11中任一项所述的组件的飞行器（18），

其特征在于：

-至少一个通过所述组件供给的、电驱动的驱动机构（17）。