一种电机驱动功率板及电机驱动器的制作方法

1.本实用新型涉及驱动技术领域，尤其涉及一种电机驱动功率板及电机驱动器。


背景技术：

2.现有的电动飞行器电机控制器功率板结构较为单一，多数为矩形，一侧为驱动ic，一侧为功率半导体，三相线由板边开窗引出。虽然这种结构布局符合小型无人机需求，容易组装在机臂上，但是不利于散热，功率半导体温升较高使其性能的发挥受到限制，导致功率密度较低。由于大型飞行器较重，动力系统需要输出的功率较大，这种常规布局的缺点尤为突出。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种散热及均流效果好，且便于组装的电机驱动功率板。
4.本实用新型的另一个目的在于提供一种电机驱动器，该电机驱动器采用风冷散热，结构紧凑，且体积小，重量轻。
5.为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
6.一种电机驱动功率板，包括pcb板，还包括：
7.晶体管，多个所述晶体管沿所述pcb板边缘均匀设置；
8.电容，多个所述电容位于所述pcb板上且沿所述晶体管靠近所述pcb板中心的一侧均匀设置；
9.接线柱，多个所述接线柱位于所述pcb板上且沿所述晶体管靠近所述pcb板中心的一侧均匀设置，且设于相邻两个所述电容之间；
10.电源母线正极，电源母线负极及信号线，位于所述pcb板中部。
11.作为一种电机驱动功率板的可选方案，所述晶体管竖置于所述pcb板平面；所述晶体管的散热面垂直于所述pcb板平面；所述晶体管的散热面朝向所述pcb板的外周。
12.作为一种电机驱动功率板的可选方案，所述pcb板为正六边形结构或圆形结构；所述晶体管和所述电容以所述pcb板的中心为原点呈中心对称分布。
13.作为一种电机驱动功率板的可选方案，连接所述晶体管和所述接线柱的覆铜导线上焊有导电条。
14.作为一种电机驱动功率板的可选方案，所述导电条沿所述晶体管的内侧及所述电容的外侧均匀设置。
15.作为一种电机驱动功率板的可选方案，所述晶体管、所述导电条和所述电容以所述pcb板的中心为原点呈中心对称分布。
16.作为一种电机驱动功率板的可选方案，所述pcb板的正背两面均设有所述导电条；所述导电条相对设置于所述pcb板的正背两面。
17.作为一种电机驱动功率板的可选方案，所述导电条为镀锡铜条；所述镀锡铜条与
所述覆铜导线贴合。
18.作为一种电机驱动功率板的可选方案，每个所述接线柱均连接两个桥臂，所述桥臂由数量相同的多个晶体管并联组成。
19.一种电机驱动器，包括电机以及所述电机驱动功率板，所述电机靠近所述电机驱动功率板的中部位置并与所述pcb板上的接线柱电连接，所述电机驱动器内设有气流流通通道，用于为所述pcb板上的功率元件提供散热所用的气流。
20.本实用新型的有益效果：
21.1.本实用新型提供的电机驱动功率板，功率元件按照发热量的高低从内到外逐圈均匀设置，避免热量集中在功率板的中部，有利于提高功率板的散热能力及均流能力。
22.2.本实用新型提供的电机驱动功率板，通过将发热量高的元器件设置于功率板的外缘，降低功率板中部的发热量，使得该驱动器的电机能够靠近功率板的中部进行装配，降低驱动器的组装难度及组装体积。
23.3.本实用新型提供的电机驱动器，电机靠近功率板发热量低的中部位置，功率板外缘的功率元件则通过对流的空气保证散热，相较于水冷的散热方式，该设计大幅降低了电机驱动器结构的复杂程度，并提高了电机驱动器的结构紧凑度，从而降低了驱动器及飞行器的成本、体积以及重量。
附图说明
24.图1是本实用新型所述电机驱动功率板的正面结构示意图；
25.图2是本实用新型所述电机驱动功率板的背面结构示意图；
26.图3是本实用新型所述电机驱动功率板的正面开窗区域示意图；
27.图4是本实用新型所述电机驱动功率板的背面开窗区域示意图。
28.图中：
29.10-pcb板；1-rc吸收电路；2-晶体管；3-电源母线正极；4-电源母线负极；5-信号线；6-电容；7-导电条；8-接线柱；9-安装孔。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。
31.在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
32.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特
征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
33.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
34.现有技术中，为了保证散热，功率元件大多分散设置于功率板上，因此，受板面限制，在布线时难以使功率板上各相电路保持一致，造成各桥臂电流回路的阻抗及发热量不同，形成木桶现象，即功率板的性能由发热量最高的桥臂电路决定，若该桥臂上的晶体管2在功率较高时超出承受温度，从而触发温度保护，会降低晶体管2性能释放，甚至造成晶体管2直接失效。
35.同时，由于电动飞行器的体积限制，功率板难以与电机保持足够的距离用于散热，而飞行器所需要的输出功率较大，因此，为避免功率元件因热量过高影响性能，功率板大多需要通过另行设置水冷装置进行散热，而水冷装置的设置，又大幅度的增加了电动飞行器的体积和重量，电动飞行器的使用性能，同时提高了电动飞行器的复杂程度以及制造成本。
36.为此，本实施例提供一种散热及均流效果好的电机驱动功率板。同时，该功率板能够与电动飞行器的电机匹配安装，安装结构紧凑，且安装后的功率板能够通过风冷方式散热，可大幅降低驱动器及飞行器的体积以及重量。
37.如图1所示，本实施例的电机驱动功率板包括pcb板10、晶体管2、电容6和三个相线的接线柱8，与驱动器直流电源的正负极相连的电源母线正极3和电源母线负极4，以及与驱动器的控制端或控制板等控制模块相连的信号线5，以输送控制信号。该功率板中，晶体管2沿pcb板10边缘均匀设置，电容6位于pcb板10上且沿晶体管2靠近pcb板10中心的一侧均匀设置，接线柱8位于pcb板10上且沿晶体管2靠近pcb板10中心的一侧均匀设置，且设于相邻两个电容6之间。电源母线正极3、电源母线负极4和信号线5则设置在pcb板10的中部。
38.本实施例提供的电机驱动功率板，通过将功率元件晶体管2和电容6按照发热量的高低从内到外排列，并将发热量小电源母线正极3、电源母线负极4和信号线5设置在pcb板10的中部，可以尽可能的使热量分散，避免热量集中于pcb板10内部，以提高功率板的散热能力。同时，将晶体管2和接线柱8沿pcb板10的边缘处均匀分布，使得该线路板中，作为主要电流回路的晶体管2和接线柱8间能够以轮辐状的方式均匀布线，缩小各相回路上的电流及发热量差值，保证该功率板的均流效果。此外，本实施例中，主要发热源和噪声干扰源分布于板边，也可降低对板内电路的干扰。该功率板的中部还设置有用于抗干扰的rc吸收电路1。
39.本实施例所提供的电机驱动功率板，通过将功率元件设置于功率板的外缘处，使本功率板的中部发热量极低，因此，装配驱动器时，驱动器的电机可以靠近功率板的中部进行安装，而功率板发热量高的边缘则分布于电机的外圈，可通过镂空结构保证功率板边缘处的气体流通量，以此达到散热的目的。
40.参考图1，作为优选方案，本实施例中，pcb板10选用正六边形结构或圆形结构，优选更便于加工的正六边形结构，且为双面pcb板结构，正六边形结构在外形上接近圆形，便于配合电机安装以及风道散热；pcb板10的材质可根据需要选用铝基板，铜基板，或导热性
更好的陶瓷基板及新型的复合基板等。本实施例中，pcb板10的六角均设有倒角，且六角处均开设有安装孔9，用于pcb板10的装配固定。
41.可选地，本实施例中，每个相位的接线柱8与其对应的晶体管2在pcb板10上通过覆铜导线连接，由于晶体管2和接线柱8之间为本功率板的主要电流回路，发热量高，因此，本实施例中，在连接晶体管2和接线柱8的覆铜导线上焊有导电条7，导电条7具有一定的宽度和厚度，可以增加电流导体的截面积，提高过流能力，降低发热量，同时，发热量较高的导电条7和晶体管2均匀分布于pcb板10的边缘处，以降低功率板中部热量。
42.参考图1和图2，作为优选方案,本实施例中，pcb板10的正背两面均附有导电条7，且pcb板10正背两面所附导电条7的位置相对；具体的，该导电条7选用长方体镀锡铜条，更具体的，本实施例中，单根长方体镀锡铜条长23mm，宽6mm,厚1.5mm。本实施例通过在pcb板10上开窗加锡，以镀锡铜条与覆铜导线整体贴片焊接的方式连接固定，降低加工难度，并使得镀锡铜条与覆铜导线能够完全贴合。
43.本实施例中，通过在覆铜导线上设置导电条7提升大电流导体的截面积，降低导体内阻，提高导体过电流能力，减小导体发热量，同时，电流导体从覆盖于阻焊层下的覆铜导线变为能够外露的镀锡铜条，降低其发热量的同时，又能够提高其散热能力。而且能够为该条线路上未设导电条7的导线段预留足够的扩大覆铜导线宽度的pcb板10面积，使得该功率板能在保证过电流能力和散热能力的前提下，获得更高的体积利用率及功率密度。具体举例来说，本实施例中，该大型飞行器电机驱动器体积为240mm*209.8mm*60mm，母线电压输入为288v至405v，每一相输出电流峰值可达500a，能量密度相较于一般的电机驱动功率板要高出很多。
44.继续参考图1，本实施例中，晶体管2、导电条7和电容6按照发热量沿层状从外到内逐圈等间隔均匀排列，使功率板形成发热量从内到外逐渐升高的排列规律，以进一步保证功率板的散热效果。
45.可选的，本实施例中，晶体管2选用低emi的绝缘双栅极晶体管(igbt)，该晶体管2能够竖置于pcb板10的边缘处，使其散热面垂直于pcb板10的平面，且该散热面朝向pcb板10外周，以利于热量向pcb板10外分散。实际使用中，该散热面或为晶体管2中作为功率半导体的晶圆所在侧，或为晶体管2的金属散热面所在侧，或为晶体管2面积最大的一面等。
46.作为优选方案，本实施例中，电容6选用直流支撑电容(dc_link)，电容6以首尾相邻的方式排列，相邻电容6间形成扇形的犄角，电容6的正极与电源母线正极3连接，负极与电源母线负极4连接；接线柱8则位于相邻两电容6形成的扇形犄角内。电容6的位置选取除了散热需求，还有体积方面的考虑，电容6集中在内圈使其能够采用体积较大的标准封装dc-link电容，而无需额外定制电容6，且dc-link电容容量以及放电能力较大，可提供余量。
47.作为另一个优选的方案，本实施例中，接线柱8选用圆柱形镀金铜头，且接线柱8贯穿pcb板10的正背两面。以镀金铜头取代现有的板边开窗焊接的连接方式，一来可降低其发热量和制造难度，二来方便功率板与电机之间的拆接。
48.继续参考图2，本实施例中，电容6、导电条7和晶体管2被分成组成结构相同的6组，6组组成结构以pcb板10中心为原点，两两相邻呈60
°
的扇形排列方式均布于pcb板10的6个边缘上，使电容6、导电条7和晶体管2形成整体呈中心对称的布局形式。具体的，本实施例中，电容6的数量为6个，导电条7的数量为6个，晶体管2的数量为36个，以1个电容6、1个导电
条7以及由6个并联的晶体管2组成的桥臂为一组组成结构，整个功率板共包括6个组成结构。本实施例，通过中心对称布局，可以进一步提高功率板三相及6桥臂的电流回路的一致性，保证功率板的均流效果。
49.参考图3和图4，本实施例中，功率板上的六个桥臂均由多个晶体管2并联组成，相邻两桥臂通过导电条7首尾相连，接线柱8位于相连两组导电条7的相接处的内圈，就近与相连两桥臂的相接处相连，每相的接线柱8与驱动电机相连，相连两桥臂的两端则分别与电源母线正极3以及电源母线负极4连接，通过晶体管2可控制三相桥臂的通断。该晶体管2由驱动的控制模块控制，可选择地控制接线柱8与驱动的直流电源模块的连通或关断。该实施例中，通过多晶体管2并联形成的桥臂，可起到电流分流的作用，从而减少单个晶体管2的发热量，避免晶体管2因过热而失效。
50.本实施例还提供了一种电机驱动器，该电机驱动器包含电机以及上述电机驱动功率板，且电机位于pcb板10的背面一侧，靠近电机驱动功率板的中部位置，与pcb板10背面的接线柱8电连接，优选的，该电机的端部尺寸小于功率板的面积，功率板的外缘位于电机的外圈；电机驱动器的外围设置镂空结构，该镂空结构连通驱动器的内外，形成可供气流流通的通道，飞行器运动过程中，气流通过气流流通通道进入驱动器内部腔体，流经功率板的边缘位置，与功率元件进行热交换，实现对功率板边缘降温的目的。
51.该电机驱动器，通过将发热量高的功率元件设置于功率板的外缘，使功率板的中部发热量极低，因此，装配驱动器时，驱动器的电机可以靠近功率板的中部安装，而分布于功率板外缘的功率元件，可通过镂空结构保证功率板边缘处的气体流通量，以此达到散热的目的。而功率元件在功率板上具有最大的分布周长，且边缘位置对气流的阻挡作用较弱，因此，本实施例中，依靠飞行器飞行过程中形成的对流即可使功率板的温度保持在可靠性工作范围内，以替代现有飞行器中的水冷散热结构，大大降低了驱动器的重量、体积及结构的复杂程度，非常适用于电动飞行器的应用。同时，取消了水冷散热结构的同时，电机可以与功率板的中部紧邻安装，可进一步提高电机驱动器的结构紧凑度，降低驱动器的整体体积以及组装难度。
52.显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。