[发明专利]高功率密度、高反EMF永磁电机及其制造方法

说明书

本发明名称为“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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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，14,000rpm)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。

发明内容

根据本发明的一个方面，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。

根据本发明的另一方面，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。