直流电机、斩波电路、直流电动驱动装置以及电动设备的制作方法

本发明属于直流电机领域，特别涉及一种大电流的直流电机、与该直流电机连接的斩波电路以及包含直流电机和斩波电路的直流电动驱动装置以及电驱动设备。

背景技术：

随着各大城市雾霾天数和持续时间的增加，国家对燃油设备的尾气排放管理越来越严格；在封闭的室内工作环境中，燃油设备基本上是禁止使用的；而且石油这种能源是不可再生的，几十年后将面临枯竭。因此，将电作为能源的电动设备如电动汽车、电动工具、室内电动叉车等越来越受到生产商和消费者的青睐，它不但污染小、可以通过可再生能源提供电能，而且，与燃油设备相比它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。在石油资源越来越紧张的形势下，大力发展电驱动装置，特别是大功率电驱动装置，对于国防安全具有深远的意义。

由于交流电机，特别是异步电机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜的优点，得到了广泛的应用。但是，它存在启动转矩小，启动电流很大，调速平滑性差，振动和噪声大以及控制算法复杂等缺点。即使采用最好的控制算法，依然无法杜绝电机中高次谐波的存在，导致在启动、制动、调试和低速时电机性能都劣于直流电机。因此，对电动设备的性能要求很高的场合，例如家用变频空调、升降客梯、电动汽车等等，依然青睐于安装直流电机的电动设备。

以图2所示的两电刷直流电机为例，在两电刷直流电机控制系统中，如图2所示，控制器通过触发信号控制桥式可逆斩波电路桥臂单元上的半导体开关元件的导通和关断得到大小和方向可控的直流电压，并将其加载到直流电机电枢绕组中。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。

随着带反馈控制的直流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。当斩波电路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，斩波电路的输出电流必然增大，流过斩波电路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直流电机和斩波电路的连接关系示意图，由图3可知，斩波电路采用并联均流技术，直流电机每一个电刷引出线的线电流都由j个并联的桥臂共同提供。理论上，每个斩波电路桥臂上的半导体开关元件中所流过的电流值是直流电机电流的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，那么小电流开关元件必然损坏。

功率开关元件在完全导通和完全关断时，特性的一致性一般都很好，能够保证在所有功率开关元件完全导通时，由它们来平均分担电机的大电流，均流效果较好；在所有功率开关元件完全关断时，将不流过电流。然而功率开关元件在导通和关断过程时，特性的一致性却很难保证，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。并联的开关元件数量越多，成本越是急剧上升。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，然而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很高的一致性。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最大工作电流很多，一般是1.5-2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，致使开关过程中的均流效果越差，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，在斩波电路电压由电池供电的情况下，人身安全的要求使得电池电压幅值受限，远远低于交流整流电源供电的情况，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：

本发明是为解决上述问题而进行的，通过提供一种斩波桥臂独立、输出电流互不影响，实现电流完全解耦的斩波电路、包含直流电机以及包含该斩波电路和该直流电机的直流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，本发明采用了下述技术方案：

<结构一>

本发明提供了一种直流电动驱动装置，设置在电动设备中，用于驱动电动设备，包括：直流电机，具有额定电压以及额定电流；直流电源，具有与额定电压相对应的恒定电压的电源，用于提供与额定电流相对应的电压恒定的直流电；斩波电路，根据控制信号将该直流电转换为电压可控的直流电并提供给直流电机；以及主磁极，为直流电机提供工作磁场，其特征在于：其中，直流电机具有2j个相互独立并且由m个绕组组成的电枢绕组支路、与绕组连接的2j×m个换向片、分别与直流电机的两组电源线连接且与换向片相接触的2组电刷组，每个电刷组包含j个相互独立的电刷，斩波电路具有与2组电刷组分别相对应的2个桥臂部，每个桥臂部包含与j个电刷一一对应的桥臂单元，每个桥臂单元含有w个斩波桥臂以及与该斩波桥臂反向并联连接的续流二极管，向对应的电刷提供线电流的，斩波桥臂包含了两个串联连接的半导体开关元件，每个半导体开关元件与一个续流二极管反向并联连接，j和m均为不小于2的正整数，w为2～4之间的正整数。

本发明提供的直流电动驱动装置还可以具有这样的技术特征：其中，斩波电路为桥式可逆斩波电路或单极性斩波电路。

本发明提供的直流电动驱动装置还可以具有这样的特征，还包括：控制器，其中，w个斩波桥臂的特性一致，每个斩波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以及下桥臂半导体开关元件分别反向并联连接一个续流二极管，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，控制器根据上桥臂半导体开关元件和下桥臂半导体开关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，向斩波电路提供控制信号。

本发明提供的直流电动驱动装置还可以具有这样的特征：其中，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，直流电机的额定电流为I_N时，电枢绕组支路的个数2j满足下述条件：j＞1.2(I_N÷w I₁)。

本发明提供的直流电动驱动装置还可以具有这样的特征：其中，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。

本发明提供的直流电动驱动装置还可以具有这样的特征：其中，电枢绕组的连接方式是叠绕组，主磁极是永磁铁、他励、串励、并励或复励。

本发明提供的直流电动驱动装置还可以具有这样的特征：其中，电枢绕组支路独立安装在一个电枢或多个电枢上，电枢为直流电机的转子，上桥臂半导体开关元件或下桥臂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，本发明还提供了一种斩波电路，与具有额定电压以及额定电流并且含有2j个相互独立的电枢绕组支路、2j×m个换向片以及2j个电刷的直流电机，以及具有恒定电压并且用于提供与额定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恒定电压的直流电转换为电压可控的直流电并提供给直流电机，具有这样的特征，包括：与2j个电刷分别相对应的2j个桥臂单元，其中，每个桥臂单元含有w个斩波桥臂以及与该斩波桥臂反向并联连接的续流二极管，向对应的电刷提供线电流，j和m均为不小于2的正整数，w为2～4之间的正整数。

<结构三>

进一步，本发明还提供了一种具有额定电压以及额定电流的直流电机，与具有2j个桥臂单元并且根据控制信号通过该2j个桥臂单元将来自于具有恒定电压的直流电源的直流电转换为电压可控的直流电的斩波电路相连接，每个桥臂单元含有w个斩波桥臂向对应的电刷提供线电流，以及与该斩波桥臂反向并联连接的续流二极管，其特征在于，具有：2j个相互独立并且由m个绕组组成的电枢绕组支路；2j×m个换向片，与绕组连接；以及2j个电刷，均匀分布在直流电机的由换向片构成的换向器上，与直流电机主磁极的位置相对应，每个电刷至少与一个换向片相接触，其中，j和m均为不小于2的正整数，w为2～4之间的正整数。

<结构四>

进一步，本发明还提供了一种含有上述直流电动驱动装置的电动设备。

发明的作用与效果

根据本发明提供的直流电动驱动装置、电动设备、斩波电路以及多电刷直流电机，由于直流电机具有2j个相互独立并且由m个绕组组成的电枢绕组支路、与绕组连接的2j×m个换向片、分别位于电枢绕组支路的两侧并且与换向片相接触的2组电刷组，每个电刷组包含j个相互独立的电刷，斩波电路具有与2组电刷组分别相对应的2个桥臂部，每个桥臂部包含与j个电刷一一对应的桥臂单元，每个桥臂单元含有w个斩波桥臂以及与该斩波桥臂反向并联连接的续流二极管，向对应的电刷提供线电流的，斩波桥臂包含了两个串联连接的半导体开关元件，每个半导体开关元件与一个续流二极管反向并联连接，使得每个电枢绕组支路由对应的桥臂单元单独驱动，相邻两个多电刷电枢绕组支路是互不干扰的，进而使得多电刷直流电机的电流可以根据需要任意增大，不仅保留了原来斩波电路的成熟控制算法和直流电机的成熟技术，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。

由于每个桥臂部含有w(w为2、3或4)个相互并联连接的斩波桥臂，在电机的额定电流一定的情况下，相对于仅含有一个逆变桥臂的桥臂部，这种结构能够在一定程度上增大每个桥臂部的输出电流，进而能够相应的减小直流电机中电枢绕组支路的个数j，不仅减少了电刷个数，减少了电机的电源线个数和斩波电路输出线的个数，减轻了维修和维护难度，而且还适当降低了直流电机和斩波电路的生产成本。

此外，本发明的直流电动驱动装置能够打破国外对于大电流驱动装置的垄断和封锁，使得该直流电动驱动装置不仅能够取代污染大、启动速度慢和能源利用率低的燃油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直流电动驱动装置的国产化。而且与交流电机驱动装置相比较，系统性能更加优越。

因此，本发明的直流电动驱动装置具有结构设计合理、简单，成本低，性能优越、振动和噪声小，工作稳定、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为本发明实施例的直流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双电刷直流电机和斩波电路的电路结构示意图；以及

图3为现有技术中的大电流双电刷直流电机和斩波电路的电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

图1是本实施例中的直流电动驱动装置的电路结构示意图。

直流电动驱动装置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，直流电动驱动装置10包括直流电机11、直流电源、桥式可逆斩波电路12、主磁极13、控制器14以及触发电路15。

直流电机11具有额定电压以及额定电流。直流电机11具有2j个相互独立的电枢绕组支路16、2j×m个换向片(图中未显示)以及2组电刷组17。

电枢绕组支路16独立安装在一个电枢或多个电枢上，电枢为直流电机的转子。电枢绕组支路16是由m个缠绕在电枢上的绕组16a组成的，m为2以上的正整数。电枢绕组支路16中绕组的连接方式是叠绕组。在正常工作时，所有的电枢绕组支路的电流互不影响，相互独立。

2组电刷组17按照其空间位置所对应的主磁极的极性不同分成两组，分别连接直流电机的两组电源线，并且与换向器的换向片相接触。每个电刷组包含j个相互独立的电刷18。2j个电刷18均匀分布在直流电机的由换向片构成的换向器上，与直流电机主磁极的位置相对应，每个电刷至少可与一个换向片相接触。同组的电刷18沿电机的圆周方向均匀分布，异组的电刷18的空间位置对应于同组相邻的两个电刷18之间的空隙。在本实施例中，电刷18采用窄电刷，其尺寸略小于换向片的尺寸。在直流电机11中，每个电刷18至少可与一个以上的换向片同时接触。

直流电源具有与额定电压相对应的恒定电压的电源，用于提供与额定电流相对应的电压恒定的直流电，也为斩波电路12提供直流电。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，在本实施例中，直流电源选用电池。

斩波电路12是根据控制器14通过触发电路15发出的控制信号将恒压直流电转换为平均电压可控的直流电提供给直流电机11的。在本实施例中，斩波电路为桥式可逆斩波电路。斩波电路12的直流端电压为U_dc。

斩波电路12具有与2组电刷组分别相对应的2个桥臂部19。桥臂部19包含与j个电刷一一对应的桥臂单元20。

桥臂单元20含有w个向对应的电刷提供线电流的斩波桥臂21以及与该斩波桥臂反向并联连接的续流二极管22。w个斩波桥臂的特性一致。其中，w为2～4之间的正整数。

斩波桥臂21含有相互串联连接的上桥臂半导体开关元件21a以及下桥臂半导体开关元件21b。也就是说，每个电刷引出线电流由4个半导体开关元件构成的2个桥臂单元20(图中左右两侧的桥臂部19各一个)单独驱动。

上桥臂半导体开关元件21a以及下桥臂半导体开关元件21b分别并联连接一个续流二极管22。上桥臂半导体开关元件21a和下桥臂半导体开关元件21b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。

上桥臂半导体开关元件21a或下桥臂半导体开关元件21b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。

主磁极13为直流电机11提供工作磁场。主磁极是永磁铁、他励、串励、并励或复励。如果主磁极为他励，则他励的绕组为单独供电，与电枢绕组独立。如果主磁极为并励，则并励的绕组由单独的桥式可逆斩波电路以及与电枢对应的直流电源和触发电路供电。在本实施例中，主磁极13采用串励的励磁方式。

控制器14根据上桥臂半导体开关元件21a和下桥臂半导体开关元件21b之间的预定工作周期、以及根据与上桥臂半导体开关元件21a或者下桥臂半导体元件21b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可以产生令电机正传和反转的两组不同触发信号，为左上桥臂单元和右下桥臂单元、左下桥臂单元和右上桥臂单元提供触发信号，让其导通或关闭。

当上桥臂半导体开关元件21a以及下桥臂半导体开关元件21b的最大输出电流为I₁，直流电机11的额定电流为I_N时，电枢绕组支路16的个数2j满足下述条件：j＞1.2(I_N÷wI₁)，j为不小于2的正整数。

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。

把电机电枢绕组群拆分成含有2j个电刷的电枢绕组支路，如果电刷数只有2个，可以利用等效原理，考虑电刷会短接一个到两个相邻的换向片而减小电机的有效绕组个数降低电机输出功率的影响，重新设计电枢绕组为叠绕组排列方式，定义电刷个数。

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电枢电刷引出线的线电流即可。

任意一个斩波桥臂的输出电流仅仅与其相连接的电刷引出线电流有关系，与其他电刷引出线电流没有任何电的耦合联系。即使某一桥臂单元的所有斩波桥臂的开关元件存在开关特性不一致的情况，导致每个电刷对应的电枢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直流电机、斩波电路、直流电动驱动装置以及电动设备，由于直流电机具有2j个相互独立并且由m个绕组组成的电枢绕组支路、与绕组连接的2j×m个换向片、分别位于电枢绕组支路的两侧并且至少与2j个换向片相接触的2组电刷组，每个电刷组包含j个相互独立的电刷，斩波电路具有与2组电刷组分别相对应的2个桥臂部，每个桥臂部包含与j个电刷分别相对应的桥臂单元，每个桥臂单元含有w个斩波桥臂向对应的电刷提供线电流，以及与该斩波桥臂反向并联连接的续流二极管，使得每个多电刷电枢绕组由对应的桥臂单元单独驱动，相邻两个多电刷电枢绕组支路是互不干扰的，进而使得多电刷直流电机的电流可以根据需要任意增大，不仅保留了原来斩波电路的成熟控制算法和直流电机的成熟技术，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，本实施例的直流电动驱动装置能够打破国外对于大电流驱动装置的垄断和封锁，使得该直流电动驱动装置不仅能够取代污染大、启动速度慢和能源利用率低的燃油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直流电动驱动装置的国产化。而且与交流电机驱动装置相比较，系统性能更加优越。

另外，由于每个桥臂部含有w(w为2、3或4)个相互并联连接的斩波桥臂，在电机的额定线电流一定的情况下，相对于仅含有一个逆变桥臂的桥臂部，这种结构能够在一定程度上增大每个桥臂部的输出电流，进而能够相应的减小直流电机中电枢绕组支路的个数j，不仅减少了电刷个数，减少了电机的电源线个数和斩波电路输出线的个数，减轻了维修和维护难度，而且还适当降低了直流电机和斩波电路板的生产成本。

此外，从另外一个角度来看，也可以认为，本实施例的直流电动驱动装置把斩波桥臂的并联关系和斩波桥臂输出电流的叠加关系大部分转移到2j个相互独立的电枢绕组支路磁动势的合成关系。由于磁动势不会导致开关元件过流，从而在充分利用成熟的少数几个半导体开关元件的并联技术基础上，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，主磁极采用的是串励励磁绕组，励磁绕组与斩波电路串联连接。作为本发明的直流电动驱动装置，主磁极还可以是永磁铁；励磁绕组也可以是他励方式，与电枢绕组相互独立，由单独的电压可调的直流电源供电；励磁绕组也可以是并励方式，由单独的桥式可逆斩波电路以及与电枢对应的直流电源和触发电路供电；励磁绕组也可以是包含串励和并励绕组的复励绕组。

当电驱动装置仅需要单一的运动方向，不需要正反转控制时，可以采用更加简洁的单极性斩波电路。

在上述实施例中，电刷是窄电刷，但作为本发明的电刷，也可以是宽电刷。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明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发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明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发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。