电动驱动装置、电动设备、逆变器以及多相交流电机的制作方法

文档序号:12596043阅读:293来源:国知局
电动驱动装置、电动设备、逆变器以及多相交流电机的制作方法

本实用新型属于交流电机领域,特别涉及一种大电流多相交流电机、包含该多相交流电机以及逆变器的交流电机组件以及包含交流电机组件的电动驱动装置及电动驱动设备。



背景技术:

随着环保要求的提高,国家对将燃油作为能量来源的各种设备的尾气排放也管理的越来越严格,因此,将电作为能源的电动设备如电动汽车、电动工具等越来越受到生产商和消费者的青睐。另外,电动设备比燃油设备还具有能源利用率高、结构简单、噪声小、动态性能好和便携性高等优点。

通常,电动设备以电池作为电源。当电动设备的功率较小(不大于800w)时,可以以直流电机作为驱动构件,电池通过斩波器向直流电机供电。但当电动设备的供电电压受限,功率较大时,直流电机的电流自然也就越大,受换向器和电刷的限制,换向器越容易产生火花,从而导致直流电机被烧坏。因此,大功率的电动设备往往选择能够承受较大电流的交流电机。

以三相交流电机为例,在三相交流电机控制系统中,如图2所示,控制器通过触发信号控制三相逆变器桥臂上的半导体开关元件的导通和关断得到对称的三相交流电压,并将其加载到电机绕组中。在整个过程中,控制器通过各种控制策略控制电机的转速和转矩等目标。

随着带反馈控制的电动驱动装置及电动驱动设备负载的增大,电机的输入功率也随着增大。如果电机的功率因数不变,当逆变器输入端直流电压大小因为各种原因的约束而无法随着负载的增大而增大的情况下,电机的输入电流必然增大,也就是说,逆变器的输出电流必然增大,流过逆变器功率开关元件的电流必然增大。为了保证系统正常工作,功率开关元件必须选用额定工作电流更大的。

然而,受各种条件的影响,能够承受大功率电机所要求的大工作电流的功率开关元件价格很高或者无法购买,甚至不存在,在这种情况下,往往选用两个或两个以上的总价格偏低,容易购买的额定工作电流相对较小的开关元件代替一个大电流开关元件,一般把这种方法称之为并联。

图3为现有技术中常见的大电流三相交流电机和逆变器的连接关系示意图,由图3可知,逆变器采用并联均流技术,交流电机每一相的线电流都由j个并联的同相逆变器桥臂共同提供。理论上,每个逆变器桥臂上的半导体开关元件中所流过的电流值是交流电机线电流的j分之一,也就是说,这j个并联的小电流半导体开关元件共同承担电机的一个线电流。

由此可知,单独的一个小电流开关元件无法承担一个大电流电机的线电流,如果出现大电流流过单个的小电流开关元件,超越了小电流开关元件的承受能力的情况,小电流开关元件必然损坏。

在开关特性一致性很高的情况下,并联的半导体开关元件能够同时导通和同时关断,从而在导通期间共同分担电机每一线的大电流,均流效果则会较好。但这种半导体开关元件需要从大量的开关元件中精挑细选才能得到,致使使用成本很高,并联的开关元件越多,成本越急剧上升。此外,即使挑选出的这些开关元件在使用前的测试过程中一致性高,随着使用环境和器件老化的影响,也难以保证在使用过程中仍然能保持这么高的一致性。基于这个考虑,所以并联开关元件总的额定工作电流要大于电机线电流很多,一般是2-3倍。

受各种因素的影响,当开关元件从关断状态转变为导通状态时,如果并联的小电流开关元件无法同时导通将导致均流失败,那么提前导通的单个开关元件将流过很大的电机线电流,从而开关元件出现损坏;同样的道理,当开关元件从导通状态转变为关断状态时,如果并联的小电流开关元件无法同时关断将导致均流失败,那么最后关断的那个开关元件也将流过很大的电机线电流,从而开关元件出现损坏。

随着开关元件并联数量的增长,其开关特性的一致性更加难以保证,致使均流效果越差,从而损坏的可能性越高,问题愈发严重。由于该并联均流技术无法保证任意多个并联的开关元件同时导通和同时关断,而严重影响和限制了大电流电机电流值的增大,使得大电流电机成为一个很难跨越的障碍。

进一步,在逆变器电压由电池供电的情况下,由于电池电压幅值受限,远远低于交流供电的情况,致使问题更加严重,进而严重影响了电池供电的电动工具、电动车尤其重型电动车、电动船,甚至国防上的电动战车、电动军舰和电驱动航空母舰的发展。



技术实现要素:

本实用新型是为解决上述问题而进行的,通过提供一种同一相的逆变桥臂独立且电流解耦的逆变器、包含多个独立安装在电枢上的多相绕组的多相交流电机以及包含该逆变器和该多相交流电机的电动驱动装置和电动设备,取消了开关元件的并联均流技术,在使用普通的小电流开关元件的情况下,电机的电流值可以任意增大。

为了实现上述目的,本实用新型采用了下述技术方案:

<结构一>

本实用新型提供了一种电动驱动装置,设置在电动设备中,用于驱动所述电动设备,包括:多相交流电机,其相数为k,具有额定线电压以及额定线电流;直流电源,具有与额定线电压相对应的恒定电压的电源,用于提供与额定线电流相对应的直流电;逆变器,根据控制信号将直流电转换为交流电并提供给多相交流电机。具有这样的技术特征:其中,多相交流电机具有j个相互独立的多相绕组,逆变器具有与j个多相绕组分别相对应的j个逆变单元,每个逆变单元具有k个相互并列连接的逆变桥臂向对应的多相绕组提供k路线电流,k和所述j均为2以上的正整数。

本实用新型提供的电动驱动装置还可以具有这样的技术特征:每个逆变桥臂含有相互串联连接的上桥臂半导体开关元件以及下桥臂半导体开关元件,上桥臂半导体开关元件和下桥臂半导体开关元件具有相同的预定最大输出电流。该电动驱动装置还包括:控制器,根据上桥臂半导体开关元件和下桥臂半导体元件之间的预定工作周期,以及根据与上桥臂半导体开关元件或者下桥臂半导体元件在相应的工作时间内的导通电流相对应的脉冲信号,向逆变器提供所述控制信号。

本实用新型提供的电动驱动装置还可以具有这样的特征:当上桥臂半导体开关元件以及下桥臂半导体开关元件的最大输出电流为I1,多相交流电机的所述额定线电流为IN时,多相绕组的个数j满足下述条件:

j>I N÷I1

本实用新型提供的电动驱动装置还可以具有这样的特征:直流电源为电池或交流电源经整流滤波后得到的直流电源,多相交流电机的相数大于等于三,多相绕组的相数等于多相交流电机的相数。

本实用新型提供的电动驱动装置还可以具有这样的特征:多相绕组的相数等于三时,三相绕组呈三角形连接,三个逆变桥臂分别与对应的三相绕组的三个首尾接点连接,从而提供线电流。

本实用新型提供的电动驱动装置还可以具有这样的特征:多相绕组呈星形连接,多个逆变桥臂分别与对应的多相绕组的多个端点连接,从而提供线电流。

本实用新型提供的电动驱动装置还可以具有这样的特征:多相绕组独立安装在一个电枢或多个电枢上,电枢为所述多相交流电机的定子或转子。多相交流电机为异步电机、同步电机、开关磁阻电机以及无刷直流电机中的任意一种。半导体开关元件为全控型器件,该全控型器件为电力场效应晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、绝缘栅双极型晶体管以及电力双极型晶体管中的任意一种。

<结构二>

进一步,本实用新型还提供了一种逆变器,含有j个相互独立的具有额定线电压以及额定线电流且相数为k的多相绕组的多相交流电机,以及具有恒定的电源电压并且用于提供与所述额定线电流相对应的直流电的直流电源分别相连接,用于根据控制信号将直流电转换为交流电并提供给所述多相交流电机,具有这样的技术特征:包括与j个多相绕组分别相对应的j个逆变单元。其中,每个逆变单元具有k个相互并列连接的逆变桥臂,从而向对应的所述多相绕组提供k路线电流,k和所述j均为2以上的正整数。

<结构三>

进一步,本实用新型还提供了一种相数为k具有额定线电压以及额定线电流的多相交流电机,与具有j个逆变单元并且根据控制信号通过j个逆变单元将来自于具有恒定电压的直流电源输出的直流电转换为交流电的逆变器相连接,具有这样的技术特征:具有j个相互独立的多相绕组。其中,j个多相绕组分别与j个逆变单元相对应,每个多相绕组接收每个逆变单元中的k个相互并列连接的逆变桥臂提供的k路线电流,k和j均为2以上的正整数。

<结构四>

进一步,本实用新型还提供了一种含有上述电动驱动装置的电动设备。

实用新型的作用与效果

根据本实用新型提供的电动驱动装置、电动设备、逆变器以及多相交流电机,由于多相交流电机具有j个相互独立的多相绕组,逆变器具有与j个多相绕组分别相对应的j个逆变单元,每个逆变单元具有k个相互并列连接的逆变桥臂向对应的多相绕组提供k路线电流,使得每个多相绕组由对应的逆变单元单独驱动,相邻两个多相绕组是互不干扰,进而使得多相交流电机的电流可以根据需要任意增大,不仅保留原来逆变器的成熟控制算法和交流电机的成熟技术,而且降低了对半导体开关元件性能一致性的要求,使用普通的半导体开关元件即可满足要求,避免了从大量的半导体开关元件中精挑细选一致性高的开关元件所带来的大量人力和财力的耗费。

此外,本实用新型的电动驱动装置能够打破国外对于大电流驱动装置的垄断,使得该电动驱动装置不仅能够取代启动速度慢的发动机而应用于目前无法采用电动机的重型机车上,如卡车、推土机、挖土机等重型机车等,还能够应用于军事上需要更大电流的电动战车、电动军舰和电驱动航空母舰上,实现了低压大电流的电动驱动装置的国产化。

因此,本实用新型的电动驱动装置具有结构设计合理、简单,成本低,工作性能稳定、可靠,使用寿命长、环境适应能力强、平均开关损耗小等优点。

附图说明

图1为本实用新型实施例的电动驱动装置的电路结构示意图;

图2为现有技术中的小电流多相交流电机和逆变器的电路结构示意图;

图3为现有技术中的大电流多相交流电机和逆变器的电路结构示意图;

具体实施方式

以下结合附图来说明本实用新型的具体实施方式。

图1是本实施例中的电动驱动装置的电路结构示意图。

电动驱动装置10设置在电动设备如电动工具、四轴飞行器、电动汽车、电动船舶、工业用电动叉车、电动军事设备内,用于驱动电动设备。如图1所示,电动驱动装置10包括直流电源、逆变器12、多相交流电机13、控制器14以及触发电路15。

直流电源为逆变器12提供直流电;逆变器12根据控制器14通过触发电路15发出的控制信号将直流电转换为交流电提供给多相交流电机13。在本实施例中,直流电源为电池或交流电源经整流滤波后得到的直流电源,常选用电池。

多相交流电机13具有独立安装在一个电枢或多个电枢上的j个相互独立的多相绕组131,每个多相绕组131为k相。在本实施例中,k为三,即多相交流电机13为三相交流电机,相应的,多相绕组131为三相绕组,每个三相绕组具有三个呈三角形连接的绕组A、B、C。在本实施例中,电枢为多相交流电机的定子或转子,多相交流电机为异步电机、同步电机、开关磁阻电机以及无刷直流电机中的任意一种。

逆变器12的直流端电压为Udc,包括分别与j个多相绕组相对应的j个逆变单元121,每个逆变单元121具有三个相互并列连接并且结构相同的A相逆变桥臂、B相逆变桥臂以及C相逆变桥臂。

A相逆变桥臂和A相绕组与C相绕组的接点AC连接,B相逆变桥臂和B相绕组与A相绕组的接点BA连接,C相逆变桥臂和C相绕组与B相绕组的接点CB连接,分别向绕组提供线电流。

每个逆变桥臂上含有相互串联连接的上桥臂半导体开关元件121a以及下桥臂半导体开关元件121b。也就是说,每个三相绕组131由六个半导体开关元件构成的逆变单元121单独驱动。

上桥臂半导体开关元件121a和下桥臂半导体开关元件121b具有相同的预定最大输出电流。最大输出电流也称为最大连续工作电流,或者称额定工作电流,是半导体开关元件的一个重要参数,只有在这个电流值以下时,半导体开关元件才有可能稳定运行,如果工作电流超过这个电流值,半导体开关元件就会由于过流而被击穿,从而损坏。

在本实施例中,半导体开关元件为全控型器件,该全控型器件为电力场效应晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、绝缘栅双极型晶体管以及电力双极型晶体管中的任意一种。

控制器14根据上桥臂半导体开关元件121a和下桥臂半导体元件121b之间的预定工作周期,以及根据与上桥臂半导体开关元件121a或者下桥臂半导体元件121b在相应的工作时间内的导通电流相对应的脉冲信号,向触发电路15提供信号。

触发电路15包括A相触发电路、B相触发电路以及C相触发电路,该三相触发电路分别向A相逆变桥臂、B相逆变桥臂以及C相逆变桥臂上的上桥臂半导体开关元件121a和下桥臂半导体元件121b提供触发信号,让其导通或关闭。

本实施例中的多相绕组的个数j为整数,满足如下条件:j>I÷I1。该式中I1为单个桥臂的最大输出电流;I为多相交流电机的额定功率为P时所对应的额定线电流。

j的确定思路如下:首先选择合适的半导体开关元件,确定其单元件的连续工作电流值(考虑到各种因素的影响,小于额定工作电流),然后根据上式计算并向上取整得到j。

把电机绕组群拆分成j个并联的多相绕组时,如果绕组群不是并绕的或难以直接拆分时,可以利用等效原理重新设计绕组,把绕组的并绕数确定为j或j的整数倍。

当然,也可以不根据I1来确定j,而是直接设定j,然后再来选择合适的开关元件,只要保证单个桥臂能够稳定提供三相绕组的线电流即可。

任意一个逆变桥臂的输出电流仅仅与其相连接的多相绕组有关系,与其他的多相绕组及其对应的逆变桥臂输出电流没有任何电的耦合联系。即使某一相的所有逆变桥臂的开关元件存在开关特性不一致的情况,导致每个多相绕组所产生的力矩在开关瞬间的大小不一致,由于开关元件导通和关断过程的时间非常小,而电机及其负载又是一个相对很大的惯性物体,这个力矩不一致的影响微乎其微,完全可以忽略不计。

实施例的作用与效果

根据本实施例提供的电动驱动装置、电动设备、逆变器以及多相交流电机,由于多相交流电机具有j个相互独立的多相绕组,逆变器具有与j个多相绕组分别相对应的j个逆变单元,每个逆变单元具有k个相互并列连接的逆变桥臂向对应的多相绕组提供k路线电流,使得每个多相绕组由对应的逆变单元单独驱动,相邻两个多相绕组互不干扰,进而使得多相交流电机的电流可以根据需要任意增大,不仅保留原来逆变器的成熟控制算法和交流电机的成熟技术,而且降低了对半导体开关元件的性能一致性的要求,使用普通的半导体开关元件即可满足要求,避免了从大量的半导体开关元件中精挑细选一致性高的开关元件的所带来的大量人力和财力的耗费。

此外,本实用新型的电动驱动装置能够打破国外对于大电流驱动装置的垄断,使得该电动驱动装置不仅能够取代启动速度慢的发动机而应用于目前无法采用电动机的重型机车上,如卡车、推土机、挖土机等重型机车等,还能够应用于军事上需要更大电流的电动战车、电动军舰和电驱动航空母舰上,实现了低压大电流的电动驱动装置的国产化。

因此,本实用新型的电动驱动装置具有结构设计合理、简单,成本低,发热量小、工作性能稳定、可靠,使用寿命长、环境适应能力强、平均开关损耗小等优点。

此外,从另外一个角度来看,也可以认为,本实施例的电动驱动装置把逆变桥臂的并联关系和逆变桥臂输出电流的叠加关系转移到j个相互独立的多相绕组磁动势的合成关系。由于磁动势不会导致开关元件过流,从而解决了大电流电机的瓶颈问题,从理论上来看,电机可以实现所需要的任意大电流。

在上述实施例中,三相绕组呈三角形连接,三个逆变桥臂分别与对应的三相绕组的三个首尾接点连接,从而提供线电流。作为本实用新型的电动驱动装置,三相绕组还可以呈星形连接,此时三个逆变桥臂分别与对应的三相绕组的三个端点连接,从而提供线电流。

在上述实施例中,均以三相电机为例对本实用新型进行了详细阐述,但作为本实用新型的电动驱动装置,多相交流电机不限于三相交流电机,还可以是其他相数的电机。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解,本实用新型不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理,在不脱离本实用新型精神和范围的前提下,本实用新型还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

当前第1页1 2 3 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1