直流電機、斬波電路、直流電動驅動裝置以及電動設備的制作方法

本發明屬于直流電機領域，特別涉及一種大電流的直流電機、與該直流電機連接的斬波電路以及包含直流電機和斬波電路的直流電動驅動裝置以及電驅動設備。

背景技術：

隨著各大城市霧霾天數和持續時間的增加，國家對燃油設備的尾氣排放管理越來越嚴格；在封閉的室內工作環境中，燃油設備基本上是禁止使用的；而且石油這種能源是不可再生的，幾十年后將面臨枯竭。因此，將電作為能源的電動設備如電動汽車、電動工具、室內電動叉車等越來越受到生產商和消費者的青睞，它不但污染小、可以通過可再生能源提供電能，而且，與燃油設備相比它還具有能源利用率高、結構簡單、噪聲小、動態性能好和便攜性高等優點。在石油資源越來越緊張的形勢下，大力發展電驅動裝置，特別是大功率電驅動裝置，對于國防安全具有深遠的意義。

由于交流電機，特別是異步電機結構簡單、運行可靠、重量輕、價格便宜的優點，得到了廣泛的應用。但是，它存在啟動轉矩小，啟動電流很大，調速平滑性差，振動和噪聲大以及控制算法復雜等缺點。即使采用最好的控制算法，依然無法杜絕電機中高次諧波的存在，導致在啟動、制動、調試和低速時電機性能都劣于直流電機。因此，對電動設備的性能要求很高的場合，例如家用變頻空調、升降客梯、電動汽車等等，依然青睞于安裝直流電機的電動設備。

以圖2所示的兩電刷直流電機為例，在兩電刷直流電機控制系統中，如圖2所示，控制器通過觸發信號控制橋式可逆斬波電路橋臂單元上的半導體開關元件的導通和關斷得到大小和方向可控的直流電壓，并將其加載到直流電機電樞繞組中。在整個過程中，控制器通過各種控制策略控制電機的轉速和轉矩等目標。

隨著帶反饋控制的直流電動驅動裝置及電動驅動設備負載的增大，電機的輸入功率也隨著增大。當斬波電路輸入端直流電壓大小因為各種原因的約束而無法隨著負載的增大而增大的情況下，電機的輸入電流必然增大，也就是說，斬波電路的輸出電流必然增大，流過斬波電路功率開關元件的電流必然增大。為了保證系統正常工作，功率開關元件必須選用額定工作電流更大的。

然而，受各種條件的影響，能夠承受大功率電機所要求的大工作電流的功率開關元件價格很高或者無法購買，甚至不存在，在這種情況下，往往選用兩個或兩個以上的總價格偏低，容易購買的額定工作電流相對較小的開關元件代替一個大電流開關元件，一般把這種方法稱之為并聯。

圖3為現有技術中常見的大電流直流電機和斬波電路的連接關系示意圖，由圖3可知，斬波電路采用并聯均流技術，直流電機每一個電刷引出線的線電流都由j個并聯的橋臂共同提供。理論上，每個斬波電路橋臂上的半導體開關元件中所流過的電流值是直流電機電流的j分之一，也就是說，這j個并聯的小電流半導體開關元件共同承擔電機的電流。

由此可知，單獨的一個小電流開關元件無法承擔一個大電流電機的電流，如果出現大電流流過單個的小電流開關元件，超越了小電流開關元件的承受能力，那么小電流開關元件必然損壞。

功率開關元件在完全導通和完全關斷時，特性的一致性一般都很好，能夠保證在所有功率開關元件完全導通時，由它們來平均分擔電機的大電流，均流效果較好；在所有功率開關元件完全關斷時，將不流過電流。然而功率開關元件在導通和關斷過程時，特性的一致性卻很難保證，需要從大量的開關元件中精挑細選才能得到，致使使用成本很高。并聯的開關元件數量越多，成本越是急劇上升。此外，即使挑選出的這些開關元件在使用前的測試過程中一致性高，然而隨著使用環境和器件老化的影響，也難以保證在使用過程中仍然能保持很高的一致性。基于這個考慮，所以并聯開關元件總的額定工作電流要大于電機最大工作電流很多，一般是1.5-2倍。

受各種因素的影響，當開關元件從關斷狀態轉變為導通狀態時，如果并聯的小電流開關元件無法同時導通將導致均流失敗，那么提前導通的單個開關元件將流過很大的電機電流，從而開關元件出現損壞；同樣的道理，當開關元件從導通狀態轉變為關斷狀態時，如果并聯的小電流開關元件無法同時關斷將導致均流失敗，那么最后關斷的那個開關元件也將流過很大的電機電流，從而開關元件出現損壞。

隨著開關元件并聯數量的增長，其開關特性的一致性更加難以保證，致使開關過程中的均流效果越差，從而損壞的可能性越高，問題愈發嚴重。由于該并聯均流技術無法保證任意多個并聯的開關元件同時導通和同時關斷，而嚴重影響和限制了大電流電機電流值的增大，使得大電流電機成為一個很難跨越的障礙。

進一步，在斬波電路電壓由電池供電的情況下，人身安全的要求使得電池電壓幅值受限，遠遠低于交流整流電源供電的情況，致使問題更加嚴重，進而嚴重影響了電池供電的電動工具、電動車尤其重型電動車、電動船，甚至國防上的電動戰車、電動軍艦和電驅動航空母艦的發展。

技術實現要素：

本發明是為解決上述問題而進行的，通過提供一種斬波橋臂獨立、輸出電流互不影響，實現電流完全解耦的斬波電路、包含直流電機以及包含該斬波電路和該直流電機的直流電動驅動裝置和電動設備，取消了開關元件的并聯均流技術，在使用普通的小電流開關元件的情況下，電機的電流值可以任意增大。

為了實現上述目的，本發明采用了下述技術方案：

<結構一>

本發明提供了一種直流電動驅動裝置，設置在電動設備中，用于驅動電動設備，包括：直流電機，具有額定電壓以及額定電流；直流電源，具有與額定電壓相對應的恒定電壓的電源，用于提供與額定電流相對應的電壓恒定的直流電；斬波電路，根據控制信號將該直流電轉換為電壓可控的直流電并提供給直流電機；以及主磁極，為直流電機提供工作磁場，其特征在于：其中，直流電機具有2j個相互獨立并且由m個繞組組成的電樞繞組支路、與繞組連接的2j×m個換向片、分別與直流電機的兩組電源線連接且與換向片相接觸的2組電刷組，每個電刷組包含j個相互獨立的電刷，斬波電路具有與2組電刷組分別相對應的2個橋臂部，每個橋臂部包含與j個電刷一一對應的橋臂單元，每個橋臂單元含有w個斬波橋臂以及與該斬波橋臂反向并聯連接的續流二極管，向對應的電刷提供線電流的，斬波橋臂包含了兩個串聯連接的半導體開關元件，每個半導體開關元件與一個續流二極管反向并聯連接，j和m均為不小于2的正整數，w為2～4之間的正整數。

本發明提供的直流電動驅動裝置還可以具有這樣的技術特征：其中，斬波電路為橋式可逆斬波電路或單極性斬波電路。

本發明提供的直流電動驅動裝置還可以具有這樣的特征，還包括：控制器，其中，w個斬波橋臂的特性一致，每個斬波橋臂含有相互串聯連接的上橋臂半導體開關元件以及下橋臂半導體開關元件，上橋臂半導體開關元件以及下橋臂半導體開關元件分別反向并聯連接一個續流二極管，上橋臂半導體開關元件和下橋臂半導體開關元件具有相同的預定最大輸出電流，控制器根據上橋臂半導體開關元件和下橋臂半導體開關元件之間的預定工作周期、以及根據與上橋臂半導體開關元件或者下橋臂半導體元件在相應的工作時間內的導通電流相對應的脈沖信號，向斬波電路提供控制信號。

本發明提供的直流電動驅動裝置還可以具有這樣的特征：其中，當上橋臂半導體開關元件以及下橋臂半導體開關元件的最大輸出電流為I₁，直流電機的額定電流為I_N時，電樞繞組支路的個數2j滿足下述條件：j＞1.2(I_N÷w I₁)。

本發明提供的直流電動驅動裝置還可以具有這樣的特征：其中，直流電源為電池或交流電源經整流濾波后得到的直流電源。

本發明提供的直流電動驅動裝置還可以具有這樣的特征：其中，電樞繞組的連接方式是疊繞組，主磁極是永磁鐵、他勵、串勵、并勵或復勵。

本發明提供的直流電動驅動裝置還可以具有這樣的特征：其中，電樞繞組支路獨立安裝在一個電樞或多個電樞上，電樞為直流電機的轉子，上橋臂半導體開關元件或下橋臂半導體開關元件為全控型器件，該全控型器件為電力場效應晶體管、門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管、絕緣柵雙極型晶體管以及電力雙極型晶體管中的任意一種。

<結構二>

進一步，本發明還提供了一種斬波電路，與具有額定電壓以及額定電流并且含有2j個相互獨立的電樞繞組支路、2j×m個換向片以及2j個電刷的直流電機，以及具有恒定電壓并且用于提供與額定電流相對應的直流電的直流電源分別相連接，用于根據控制信號將恒定電壓的直流電轉換為電壓可控的直流電并提供給直流電機，具有這樣的特征，包括：與2j個電刷分別相對應的2j個橋臂單元，其中，每個橋臂單元含有w個斬波橋臂以及與該斬波橋臂反向并聯連接的續流二極管，向對應的電刷提供線電流，j和m均為不小于2的正整數，w為2～4之間的正整數。

<結構三>

進一步，本發明還提供了一種具有額定電壓以及額定電流的直流電機，與具有2j個橋臂單元并且根據控制信號通過該2j個橋臂單元將來自于具有恒定電壓的直流電源的直流電轉換為電壓可控的直流電的斬波電路相連接，每個橋臂單元含有w個斬波橋臂向對應的電刷提供線電流，以及與該斬波橋臂反向并聯連接的續流二極管，其特征在于，具有：2j個相互獨立并且由m個繞組組成的電樞繞組支路；2j×m個換向片，與繞組連接；以及2j個電刷，均勻分布在直流電機的由換向片構成的換向器上，與直流電機主磁極的位置相對應，每個電刷至少與一個換向片相接觸，其中，j和m均為不小于2的正整數，w為2～4之間的正整數。

<結構四>

進一步，本發明還提供了一種含有上述直流電動驅動裝置的電動設備。

發明的作用與效果

根據本發明提供的直流電動驅動裝置、電動設備、斬波電路以及多電刷直流電機，由于直流電機具有2j個相互獨立并且由m個繞組組成的電樞繞組支路、與繞組連接的2j×m個換向片、分別位于電樞繞組支路的兩側并且與換向片相接觸的2組電刷組，每個電刷組包含j個相互獨立的電刷，斬波電路具有與2組電刷組分別相對應的2個橋臂部，每個橋臂部包含與j個電刷一一對應的橋臂單元，每個橋臂單元含有w個斬波橋臂以及與該斬波橋臂反向并聯連接的續流二極管，向對應的電刷提供線電流的，斬波橋臂包含了兩個串聯連接的半導體開關元件，每個半導體開關元件與一個續流二極管反向并聯連接，使得每個電樞繞組支路由對應的橋臂單元單獨驅動，相鄰兩個多電刷電樞繞組支路是互不干擾的，進而使得多電刷直流電機的電流可以根據需要任意增大，不僅保留了原來斬波電路的成熟控制算法和直流電機的成熟技術，而且降低了對半導體開關元件性能一致性的要求，使用普通的半導體開關元件即可滿足要求，避免了從大量的半導體開關元件中精挑細選一致性高的開關元件所帶來的大量人力和財力的耗費。

由于每個橋臂部含有w(w為2、3或4)個相互并聯連接的斬波橋臂，在電機的額定電流一定的情況下，相對于僅含有一個逆變橋臂的橋臂部，這種結構能夠在一定程度上增大每個橋臂部的輸出電流，進而能夠相應的減小直流電機中電樞繞組支路的個數j，不僅減少了電刷個數，減少了電機的電源線個數和斬波電路輸出線的個數，減輕了維修和維護難度，而且還適當降低了直流電機和斬波電路的生產成本。

此外，本發明的直流電動驅動裝置能夠打破國外對于大電流驅動裝置的壟斷和封鎖，使得該直流電動驅動裝置不僅能夠取代污染大、啟動速度慢和能源利用率低的燃油發動機而應用于目前無法采用電動機的重型機車上，如卡車、推土機、挖土機等重型機車等，還能夠應用于軍事上需要更大電流的電動戰車、電動軍艦和電驅動航空母艦上，實現了低壓大電流的直流電動驅動裝置的國產化。而且與交流電機驅動裝置相比較，系統性能更加優越。

因此，本發明的直流電動驅動裝置具有結構設計合理、簡單，成本低，性能優越、振動和噪聲小，工作穩定、可靠，使用壽命長、環境適應能力強、平均開關損耗小等優點。

附圖說明

圖1為本發明實施例的直流電動驅動裝置的電路結構示意圖；

圖2為現有技術中的小電流雙電刷直流電機和斬波電路的電路結構示意圖；以及

圖3為現有技術中的大電流雙電刷直流電機和斬波電路的電路結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖來說明本發明的具體實施方式。

圖1是本實施例中的直流電動驅動裝置的電路結構示意圖。

直流電動驅動裝置10設置在電動設備如電動工具、四軸飛行器、電動汽車、電動船舶、工業用電動叉車、電動軍事設備內，用于驅動電動設備。如圖1所示，直流電動驅動裝置10包括直流電機11、直流電源、橋式可逆斬波電路12、主磁極13、控制器14以及觸發電路15。

直流電機11具有額定電壓以及額定電流。直流電機11具有2j個相互獨立的電樞繞組支路16、2j×m個換向片(圖中未顯示)以及2組電刷組17。

電樞繞組支路16獨立安裝在一個電樞或多個電樞上，電樞為直流電機的轉子。電樞繞組支路16是由m個纏繞在電樞上的繞組16a組成的，m為2以上的正整數。電樞繞組支路16中繞組的連接方式是疊繞組。在正常工作時，所有的電樞繞組支路的電流互不影響，相互獨立。

2組電刷組17按照其空間位置所對應的主磁極的極性不同分成兩組，分別連接直流電機的兩組電源線，并且與換向器的換向片相接觸。每個電刷組包含j個相互獨立的電刷18。2j個電刷18均勻分布在直流電機的由換向片構成的換向器上，與直流電機主磁極的位置相對應，每個電刷至少可與一個換向片相接觸。同組的電刷18沿電機的圓周方向均勻分布，異組的電刷18的空間位置對應于同組相鄰的兩個電刷18之間的空隙。在本實施例中，電刷18采用窄電刷，其尺寸略小于換向片的尺寸。在直流電機11中，每個電刷18至少可與一個以上的換向片同時接觸。

直流電源具有與額定電壓相對應的恒定電壓的電源，用于提供與額定電流相對應的電壓恒定的直流電，也為斬波電路12提供直流電。直流電源為電池或交流電源經整流濾波后得到的直流電源，在本實施例中，直流電源選用電池。

斬波電路12是根據控制器14通過觸發電路15發出的控制信號將恒壓直流電轉換為平均電壓可控的直流電提供給直流電機11的。在本實施例中，斬波電路為橋式可逆斬波電路。斬波電路12的直流端電壓為U_dc。

斬波電路12具有與2組電刷組分別相對應的2個橋臂部19。橋臂部19包含與j個電刷一一對應的橋臂單元20。

橋臂單元20含有w個向對應的電刷提供線電流的斬波橋臂21以及與該斬波橋臂反向并聯連接的續流二極管22。w個斬波橋臂的特性一致。其中，w為2～4之間的正整數。

斬波橋臂21含有相互串聯連接的上橋臂半導體開關元件21a以及下橋臂半導體開關元件21b。也就是說，每個電刷引出線電流由4個半導體開關元件構成的2個橋臂單元20(圖中左右兩側的橋臂部19各一個)單獨驅動。

上橋臂半導體開關元件21a以及下橋臂半導體開關元件21b分別并聯連接一個續流二極管22。上橋臂半導體開關元件21a和下橋臂半導體開關元件21b具有相同的預定最大輸出電流。最大輸出電流也稱為最大連續工作電流，或者稱額定工作電流，是半導體開關元件的一個重要參數，只有在這個電流值以下時，半導體開關元件才有可能穩定運行，如果工作電流超過這個電流值，半導體開關元件就會由于過流而被擊穿，從而損壞。

上橋臂半導體開關元件21a或下橋臂半導體開關元件21b為全控型器件，該全控型器件為電力場效應晶體管、門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管、絕緣柵雙極型晶體管以及電力雙極型晶體管中的任意一種。

主磁極13為直流電機11提供工作磁場。主磁極是永磁鐵、他勵、串勵、并勵或復勵。如果主磁極為他勵，則他勵的繞組為單獨供電，與電樞繞組獨立。如果主磁極為并勵，則并勵的繞組由單獨的橋式可逆斬波電路以及與電樞對應的直流電源和觸發電路供電。在本實施例中，主磁極13采用串勵的勵磁方式。

控制器14根據上橋臂半導體開關元件21a和下橋臂半導體開關元件21b之間的預定工作周期、以及根據與上橋臂半導體開關元件21a或者下橋臂半導體元件21b在相應的工作時間內的導通電流相對應的脈沖信號，向觸發電路15提供信號。

觸發電路15可以產生令電機正傳和反轉的兩組不同觸發信號，為左上橋臂單元和右下橋臂單元、左下橋臂單元和右上橋臂單元提供觸發信號，讓其導通或關閉。

當上橋臂半導體開關元件21a以及下橋臂半導體開關元件21b的最大輸出電流為I₁，直流電機11的額定電流為I_N時，電樞繞組支路16的個數2j滿足下述條件：j＞1.2(I_N÷wI₁)，j為不小于2的正整數。

j的確定思路如下：首先選擇合適的半導體開關元件，確定其單元件的連續工作電流值(考慮到各種因素的影響，小于額定工作電流)，然后根據上式計算并向上取整得到j。

把電機電樞繞組群拆分成含有2j個電刷的電樞繞組支路，如果電刷數只有2個，可以利用等效原理，考慮電刷會短接一個到兩個相鄰的換向片而減小電機的有效繞組個數降低電機輸出功率的影響，重新設計電樞繞組為疊繞組排列方式，定義電刷個數。

當然，也可以不根據I₁來確定j，而是直接設定j，然后再來選擇合適的開關元件，只要保證單個橋臂能夠穩定提供電樞電刷引出線的線電流即可。

任意一個斬波橋臂的輸出電流僅僅與其相連接的電刷引出線電流有關系，與其他電刷引出線電流沒有任何電的耦合聯系。即使某一橋臂單元的所有斬波橋臂的開關元件存在開關特性不一致的情況，導致每個電刷對應的電樞繞組所產生的力矩在開關瞬間的大小不一致，由于開關元件導通和關斷過程的時間非常小，而電機及其負載又是一個相對很大的慣性物體，這個力矩不一致的影響微乎其微，完全可以忽略不計。

實施例的作用與效果

根據本實施例提供的直流電機、斬波電路、直流電動驅動裝置以及電動設備，由于直流電機具有2j個相互獨立并且由m個繞組組成的電樞繞組支路、與繞組連接的2j×m個換向片、分別位于電樞繞組支路的兩側并且至少與2j個換向片相接觸的2組電刷組，每個電刷組包含j個相互獨立的電刷，斬波電路具有與2組電刷組分別相對應的2個橋臂部，每個橋臂部包含與j個電刷分別相對應的橋臂單元，每個橋臂單元含有w個斬波橋臂向對應的電刷提供線電流，以及與該斬波橋臂反向并聯連接的續流二極管，使得每個多電刷電樞繞組由對應的橋臂單元單獨驅動，相鄰兩個多電刷電樞繞組支路是互不干擾的，進而使得多電刷直流電機的電流可以根據需要任意增大，不僅保留了原來斬波電路的成熟控制算法和直流電機的成熟技術，而且降低了對半導體開關元件性能一致性的要求，使用普通的半導體開關元件即可滿足要求，避免了從大量的半導體開關元件中精挑細選一致性高的開關元件所帶來的大量人力和財力的耗費。

此外，本實施例的直流電動驅動裝置能夠打破國外對于大電流驅動裝置的壟斷和封鎖，使得該直流電動驅動裝置不僅能夠取代污染大、啟動速度慢和能源利用率低的燃油發動機而應用于目前無法采用電動機的重型機車上，如卡車、推土機、挖土機等重型機車等，還能夠應用于軍事上需要更大電流的電動戰車、電動軍艦和電驅動航空母艦上，實現了低壓大電流的直流電動驅動裝置的國產化。而且與交流電機驅動裝置相比較，系統性能更加優越。

另外，由于每個橋臂部含有w(w為2、3或4)個相互并聯連接的斬波橋臂，在電機的額定線電流一定的情況下，相對于僅含有一個逆變橋臂的橋臂部，這種結構能夠在一定程度上增大每個橋臂部的輸出電流，進而能夠相應的減小直流電機中電樞繞組支路的個數j，不僅減少了電刷個數，減少了電機的電源線個數和斬波電路輸出線的個數，減輕了維修和維護難度，而且還適當降低了直流電機和斬波電路板的生產成本。

此外，從另外一個角度來看，也可以認為，本實施例的直流電動驅動裝置把斬波橋臂的并聯關系和斬波橋臂輸出電流的疊加關系大部分轉移到2j個相互獨立的電樞繞組支路磁動勢的合成關系。由于磁動勢不會導致開關元件過流，從而在充分利用成熟的少數幾個半導體開關元件的并聯技術基礎上，解決了大電流電機的瓶頸問題，從理論上來看，電機可以實現所需要的任意大電流。

在上述實施例中，主磁極采用的是串勵勵磁繞組，勵磁繞組與斬波電路串聯連接。作為本發明的直流電動驅動裝置，主磁極還可以是永磁鐵；勵磁繞組也可以是他勵方式，與電樞繞組相互獨立，由單獨的電壓可調的直流電源供電；勵磁繞組也可以是并勵方式，由單獨的橋式可逆斬波電路以及與電樞對應的直流電源和觸發電路供電；勵磁繞組也可以是包含串勵和并勵繞組的復勵繞組。

當電驅動裝置僅需要單一的運動方向，不需要正反轉控制時，可以采用更加簡潔的單極性斬波電路。

在上述實施例中，電刷是窄電刷，但作為本發明的電刷，也可以是寬電刷。

以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。