无刷直流电机、电动驱动装置以及电动设备的制作方法

1.本发明属于电机领域，特别涉及一种大电流、高性能的无刷直流电机、电动驱动装置以及电动设备。


背景技术：

2.随着环保要求的提高，中国甚至全世界对燃油设备的尾气排放也管理的越来越严格，因此，各种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。
3.在以动力电池供电的电动驱动装置以及电动设备，例如电动摩托车、电动工具等，由于供电电压受限，一般低于48伏，而且电机功率比较大，导致电机电流较大，可达几百安培。从而，逆变器的输出电流必然增大，构成逆变器的功率开关元件也必须选用额定电流更大的。
4.然而，受各种条件的影响，大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、容易购买的小电流的功率开关元件，采用并联均流的方式搭建逆变器。
5.在开关特性一致性很高的情况下，并联的功率开关元件能够同时导通和同时关断，从而能够实现平均分担电流，均流效果较好。但是一致性很高的功率开关元件需要向原厂定制或通过筛选得到，致使成本增加，并联的数量越多，成本越急剧上升。此外，一致性很高的功率开关元件，随着使用环境的影响和时间的老化，也难以长期保证很高的一致性。并联的功率开关元件如果不能平均分担电流，将导致均流失败，出现单个功率开关元件损坏，进而导致逆变器整体损坏。
6.随着功率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电机电流值和功率的增大，使得大电流和大功率的电动驱动装置以及电动设备的发展成为一个很难跨越的障碍。
7.由于中国生产的功率开关元件的一致性较差，导致中国每年都需要进口大量的功率半导体。根据相关资料显示，中国每年进口的功率开关元件金额高达几千亿元。另外，某些特殊领域或特殊产品如果使用进口的功率半导体，都有可能由于功率半导体的短缺导致严重的后果。对进口的严重依赖，也影响了相关的中国生产厂家的发展，削弱了中国产品在国际市场中的影响力。
8.综上，这些问题已经严重影响了大电流和大功率的电动驱动装置以及电动设备，包括电动摩托车、电动摩托艇、电动工具、电动车、电动船等的发展。


技术实现要素：

9.本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种大电流、高性能的无刷
直流电机、电动驱动装置以及电动设备。
10.《结构1》
11.本发明提供了一种无刷直流电机，其特征在于，包括：无刷直流电机的相数为k，具有j个绕组单元，每个绕组单元的相数为k且包含至少k根相线，每个绕组单元包含k个相绕组，每个相绕组包含m个线圈，m个线圈关于电机轴线对称，k为大于2的正整数，j为大于1的正整数，m为大于1的正整数。
12.在本发明提供的无刷直流电机中，还可以具有这样的特征：其中，每个相绕组包含的m个线圈是串联连接或并联连接。
13.在本发明提供的无刷直流电机中，还可以具有这样的特征：其中，每个相绕组包含的m个线圈在定子齿一端所形成的磁极极性相同。
14.在本发明提供的无刷直流电机中，还可以具有这样的特征：其中，每个绕组单元的绕组连接方式为k边形连接或无中性线的星形连接。
15.在本发明提供的无刷直流电机中，还可以具有这样的特征：其中，每个绕组单元的绕组连接方式为带中性线的星形连接，每个绕组单元包含k根相线和一根中性线。
16.《结构二》
17.进一步，本发明还提供了一种含有上述无刷直流电机的电动驱动装置，设置在电动设备中，用于驱动电动设备，包括：无刷直流电机，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，用于提供与额定线电流相对应的直流电；驱动器，根据控制信号输出驱动信号；逆变器，根据驱动信号将直流电转换为交流电并提供给电机，其特征在于：其中，逆变器包含至少k*j个半桥电路，每个半桥电路对应连接一根相线，k为大于2的正整数，j 为大于1的正整数。
18.在本发明提供的电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，每组驱动信号驱动j个半桥电路工作。
19.在本发明提供的电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，每组驱动信号驱动一个半桥电路工作。
20.在本发明提供的电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，每个半桥电路包含一个上桥臂和一个下桥臂，上桥臂包含至少一个功率开关元件，下桥臂包含至少一个功率开关元件，上桥臂和下桥臂包含的功率开关元件数量相等。
21.《结构三》
22.进一步，本发明还提供了一种含有上述无刷直流电机的电动设备。
23.发明的作用和效果
24.根据本发明所涉及的无刷直流电机，其中无刷直流电机的相数为k，具有j 个绕组单元，每个绕组单元的相数为k且包含至少k根相线，每个绕组单元包含 k个相绕组，每个相绕组包含m个线圈，m个线圈关于电机轴线对称，k为大于2的正整数，j为大于1的正整数，m为大于1的正整数，所以，每个相绕组的 m个线圈能够形成力偶矩，无刷直流电机的输出转矩的脉动更小，机械振动和噪声更小，性能更好。
25.根据本发明所涉及的电动驱动装置以及电动设备，其中无刷直流电机的相数为k，具有j个绕组单元，每个绕组单元的相数为k且包含至少k根相线，每个绕组单元包含k个相绕组，每个相绕组包含m个线圈，m个线圈关于电机轴线对称，k为大于2的正整数，j为大于1
的正整数，m为大于1的正整数，无刷直流电机还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，用于提供与额定线电流相对应的直流电；驱动器，根据控制信号输出驱动信号；逆变器，根据驱动信号将直流电转换为交流电并提供给电机，其特征在于：其中，逆变器包含至少k*j个半桥电路，每个半桥电路对应连接一根相线，所以，j个绕组单元没有直接的电路连接，是相互独立的电路结构，电机的电流被j个绕组单元分摊而变小，逆变器每个半桥电路的输出电流也比较小，从而，在每个半桥电路中可以采用小电流的功率开关元件或功率模块，而且j个绕组单元可以实现同步工作，有利于增大电机的动态转矩。另外，k可以等于3，可以直接利用成熟的三相电机控制技术，也可以直接采用三相电机的生产设备和模具等结构，有利于缩短研发过程，减小研发成本和生产成本。
26.综上，本发明的电动驱动装置具有结构设计简单、合理，输出转矩的脉动小，机械振动和噪声小，成本低，故障率低，使用寿命长等优点。对于大电流的电动驱动装置，可以使用中国生产的功率开关元件，且可以安全可靠工作，有利于帮助中国企业实现进口替代，促进中国企业的良性发展，提高相关的中国制造的产品在国际市场中的竞争力。
附图说明
27.图1是本发明的实施例中电动驱动装置的电路结构示意图；以及
28.图2是本发明的实施例中电机绕组的结构示意图。
具体实施方式
29.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
30.电动驱动装置10设置在电动设备如电动工具、电动汽车、电动摩托车、电动摩托艇等设备内，用于驱动电动设备。
31.图1是本发明的实施例中电动驱动装置的电路结构示意图。
32.如图1所示，电动驱动装置10包括无刷直流电机11、直流电源12、指令发送部13、控制器14、驱动器15以及逆变器16。
33.图2是本发明的实施例中电机绕组的结构示意图。
34.如图2所示，无刷直流电机11包含定子铁芯，定子铁芯上有定子齿和定子槽，每个线圈嵌套一个对应的定子齿。
35.无刷直流电机11的相数为k，具有额定线电压以及额定线电流，还具有j 个绕组单元，每个绕组单元的相数为k且包含k根相线。在本实施例中，k为3，j为2。
36.直流电源12为动力电池或整流源。在本实施例中，直流电源12为动力电池，具有携带方便等优点。
37.如图1所示，无刷直流电机11具有2个绕组单元111和112。每个绕组单元的绕组连接方式为k边形连接或无中性线的星形连接。在本实施例中，无刷直流电机11的绕组连接方式为三边形连接，也就是三角形连接。在低压大电流的电动驱动装置中，绕组采用三角形连接，有利于提高直流电源12的电压利用率，在电压不变的情况下增大电机的额定线电流和额定功率。
38.每个绕组单元包含k个相绕组。在本实施例中，每个绕组单元包含3个相绕组且包
含3根相线。如图1所示，绕组单元111包含3个相绕组，即a相绕组 a11a12a31a32、b相绕组b11b12b31b32和c相绕组c11c12c31c32，且包含 3根相线u1、v1和w1；绕组单元112包含3个相绕组，即a相绕组 a21a22a41a42、b相绕组b21b22b41b42和c相绕组c21c22c41c42，且包含 3根相线u2、v2和w2。在相绕组a11a12a31a32中，a11为相绕组的首端， a32为相绕组的末端。其它相绕组的首末端依此类推。u1、u2是u相的相线， v1、v2是v相的相线，w1、w2是w相的相线，
39.每个相绕组包含m个线圈，m个线圈关于电机轴线对称，m为大于1的正整数。在本实施例中，m等于2，每个相绕组包含2个线圈，这2个线圈关于电机轴线对称。每个相绕组包含的m个线圈是串联连接、并联连接或者是先串联后并联、先并联后串联的混合连接。每个相绕组包含的m个线圈在定子齿一端所形成的磁极极性相同。如图1和图2所示，相绕组a11a12a31a32包含2个串联连接的线圈a11a12和线圈a31a32，线圈a11a12和线圈a31a32关于电机轴线对称且在定子齿一端所形成的磁极极性相同，能够产生一对力偶矩。相绕组b11b12b31b32包含2个串联连接的线圈b11b12和线圈b31b32，线圈b11b12 和线圈b31b32关于电机轴线对称且在定子齿一端所形成的磁极极性相同，能够产生一对力偶矩。相绕组c11c12c31c32包含2个串联连接的线圈c11c12和线圈c31c32，线圈c11c12和线圈c31c32关于电机轴线对称且在定子齿一端所形成的磁极极性相同，能够产生一对力偶矩。相绕组a21a22a41a42包含2个串联连接的线圈a21a22和线圈a41a42，线圈a21a22和线圈a41a42关于电机轴线对称且在定子齿一端所形成的磁极极性相同，能够产生一对力偶矩。相绕组b21b22b41b42包含2个串联连接的线圈b21b22和线圈b41b42，线圈 b21b22和线圈b41b42关于电机轴线对称且在定子齿一端所形成的磁极极性相同，能够产生一对力偶矩。相绕组c21c22c41c42包含2个串联连接的线圈 c21c22和线圈c41c42，线圈c21c22和线圈c41c42关于电机轴线对称且在定子齿一端所形成的磁极极性相同，能够产生一对力偶矩。
40.由于2个绕组单元111和112是相互独立的，相互之间没有电路连接，而且它们包含的相绕组个数相同，2个绕组单元每一相的相绕组电阻阻值都相等，所以无刷直流电机11的电流可以被2个绕组单元平均分摊，实现电机内部的均流。
41.直流电源12具有与无刷直流电机11的额定线电压相对应的恒定电压，用于提供与无刷直流电机11的额定线电流相对应的直流电。
42.指令发送部13发送与无刷直流电机11输出的位移、转速或转矩的值相对应的指令信号。
43.控制器14根据指令发送部13的指令信号计算并输出对应的控制信号，该控制信号为pwm(脉冲宽度调制)信号。
44.驱动器15根据pwm信号进行功率放大并输出3组驱动信号。
45.控制器14和驱动器15也可以合并在一个控制单元中，该控制单元可以是一个模块。电路更加简洁，电路板尺寸更小，有利于降低成本。
46.逆变器16根据驱动信号将直流电转换为交流电并提供给无刷直流电机11，逆变器包含至少6个半桥电路，每个半桥电路对应连接一根相线。逆变器16包含2个逆变单元161、162，每个逆变单元具有3个并联连接的半桥电路，总共6 个半桥电路。每个逆变单元的3个半桥电路对应连接1个绕组单元的三根相线。如图1所示，以逆变单元162为例，逆变单元162具有3个并联连接的半桥电路 1621、1622和1623，半桥电路1621、1622和1623对应连接绕组
单元112的3 根相线u2、v2和w2。在图1中，用小圆圈和对应符号表示线路的连接关系。同理，逆变单元161的3个半桥电路对应连接绕组单元111的3根相线u1、v1 和w1。
47.每个半桥电路包含一个上桥臂和一个下桥臂，上桥臂包含至少一个功率开关元件，下桥臂包含至少一个功率开关元件，上桥臂和下桥臂包含的功率开关元件数量相等。在本实施例中，每个半桥电路的上桥臂和下桥臂分别包含一个功率开关元件。
48.无刷直流电机11的电流被2个绕组单元平均分摊，每个绕组单元的相线电流变小，与每根相线对应连接的每个半桥电路的输出电流也比较小，因此，半桥电路中的功率开关元件没有必要采用并联均流技术，采用小电流的功率开关元件也可以满足要求，有利于降低成本、提高可靠性。当上桥臂和下桥臂分别包含两个或两个以上的并联连接的功率开关元件时，有利于增大散热面积，减轻单个功率开关元件的热压力，降低温升，提高可靠性和使用寿命。
49.每个半桥电路可以由一个功率模块构成，每个逆变单元也可以由一个功率模块构成，逆变器也可以由一个功率模块构成。采用的功率模块个数越少，体积越小，可靠性更高。
50.功率开关元件可以为场效应晶体管(mosfet)、门极可关断晶闸管(gto)、集成门极换流晶闸管(igct)、绝缘栅双极型晶体管(igbt)、电力双极型晶体管中(gtr)和门极换流晶闸管(sgct)中的任意一种。在低压的电动驱动装置中，一般采用mosfet，它的优点是输入电阻高，噪声低，热稳定性好，抗干扰能力强，功耗低，成本较低。在高压的电动驱动装置中，一般采用igbt，它的优点是驱动简单，保护容易，不用缓冲电路，开关频率高等优点，成本较低。
51.每组驱动信号具有2个驱动信号，驱动一个半桥电路工作，其中的一个驱动信号驱动对应的上桥臂的功率开关元件导通和关断，另外一个驱动信号驱动对应的下桥臂的功率开关元件导通和关断。
52.当一个绕组单元或一个逆变单元产生故障时，可以通过驱动器屏蔽输出对应的驱动信号，即可将产生故障的绕组单元和逆变单元隔离和屏蔽，另外一个绕组单元和逆变单元还可以继续工作，而且还可以输出力偶矩，避免生产较大的转矩脉动和机械振动。
53.驱动器15包含一个驱动模块或2个相同的驱动模块。当驱动器15包含一个驱动模块时，结构更加简单、外围元器件数量更少，电路板可以做得更小。当驱动器15包含2个驱动模块，这2个驱动模块的生产品牌和型号相同，对于采购来说元器件的种类更少，驱动模块单品的采购数量更多，有利于降低成本，对于进货检验来说，工作量更少，质量更加容易控制，产品质量更加可靠。
54.在本实施例中，每个绕组单元的绕组连接方式也可以为带中性线的星形连接，此时，每个绕组单元包含k根相线和一根中性线，每个逆变器包含(k+1)*j 个半桥电路，每个逆变单元包含k+1个半桥单元，其中一个半桥单元对应连接一根中性线。
55.在本实施例中，每组驱动信号也可以驱动j个半桥电路工作。这个时候，驱动器最少只需要k组驱动信号即可正常工作，需要的资源更少，成本更低。
56.实施例的作用与效果
57.根据本实施例所涉及的无刷直流电机，其中无刷直流电机的相数为k，具有 j个绕组单元，每个绕组单元的相数为k且包含至少k根相线，每个绕组单元包含k个相绕组，每个相绕组包含m个线圈，m个线圈关于电机轴线对称，k为大于2的正整数，j为大于1的正整数，m
为大于1的正整数，所以，每个相绕组的m个线圈能够形成力偶矩，无刷直流电机的输出转矩的脉动更小，机械振动和噪声更小，性能更好。
58.根据本实施例所涉及的电动驱动装置以及电动设备，其中无刷直流电机的相数为k，具有j个绕组单元，每个绕组单元的相数为k且包含至少k根相线，每个绕组单元包含k个相绕组，每个相绕组包含m个线圈，m个线圈关于电机轴线对称，k为大于2的正整数，j为大于1的正整数，m为大于1的正整数，无刷直流电机还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，用于提供与额定线电流相对应的直流电；驱动器，根据控制信号输出驱动信号；逆变器，根据驱动信号将直流电转换为交流电并提供给电机，其特征在于：其中，逆变器包含至少k*j个半桥电路，每个半桥电路对应连接一根相线，所以，j个绕组单元没有直接的电路连接，是相互独立的电路结构，电机的电流被j个绕组单元分摊而变小，逆变器每个半桥电路的输出电流也比较小，从而，在每个半桥电路中可以采用小电流的功率开关元件或功率模块，而且j个绕组单元可以实现同步工作，有利于增大电机的动态转矩。另外，k可以等于3，可以直接利用成熟的三相电机控制技术，也可以直接采用三相电机的生产设备和模具等结构，有利于缩短研发过程，减小研发成本和生产成本。
59.综上，本实施例的电动驱动装置具有结构设计简单、合理，输出转矩的脉动小，机械振动和噪声小，成本低，故障率低，使用寿命长等优点。对于大电流的电动驱动装置，可以使用中国生产的功率开关元件，且可以安全可靠工作，有利于帮助中国企业实现进口替代，促进中国企业的良性发展，提高相关的中国制造的产品在国际市场中的竞争力。
60.以上实施例仅为本发明构思下的基本说明，不对本发明进行限制。而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均属于本发明的保护范围。