电动驱动装置、斩波电路、直流电机以及电动设备制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种电动驱动装置、斩波电路、直流电机以及包含电动驱动装置的电动设备，其中电动驱动装置包括：直流电机；直流电源；斩波电路，根据控制信号将直流电并提供给直流电机；以及励磁部，提供工作磁场。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、分别与直流电机两组的电源线连接并且至少与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个电刷一一对应的桥臂单元，每个桥臂单元含有一个向对应的电刷提供线电流的斩波桥臂和反向并联连接的续流二极管，j和m为2以上的正整数。

Electric driving device, chopper circuit, DC motor and electric equipment

The invention provides an electric driving device, chopper circuit, DC motor and electric equipment including electric driving device, wherein the electric driving device comprises a DC power supply; DC motor; chopper circuit, according to the control signal of DC current and provide DC motor; and excitation, provide magnetic field. The DC motor having an armature winding branch, 2J is independent of each other and composed of M winding is connected with the winding of the 2J * m commutator, respectively with the power line of DC motor in two groups with 2 sets of brushes and contact at least 2J commutator, each group contains J independent brush the brush, chopper circuit with 2 bridge arm and 2 groups respectively corresponding to the set of brushes, each bridge arm comprises a bridge arm unit with a corresponding J brush, each bridge arm unit contains a chopper arm and reverse parallel line current connected diode to the corresponding brush J, and M is an integer larger than 2.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于直流电机领域，特别涉及一种电动驱动装置、斩波电路、直流电机以及包含电动驱动装置的电动设备。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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、包含多电刷直流电机以及包含该斩波电路和该多电刷直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，本专利技术采用了下述技术方案：<结构一>本专利技术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，每个桥臂单元含有一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。本专利技术提供的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。本专利技术提供的电动驱动装置还可以具有这样的特征，还包括：控制器，其中，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。本专利技术提供的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IN时，电枢绕组支路的个数2j满足下述条件：j＞IN÷I1。本专利技术提供的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。本专利技术提供的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。本专利技术提供的电动驱动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流电动驱动装置，设置在电动设备中，用于驱动所述电动设备，包括：直流电机，具有额定电压以及额定电流；直流电源，具有与所述额定电压相对应的恒定电压的电源，用于提供与所述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所述直流电机；以及主磁极，为所述直流电机提供工作磁场，其特征在于：其中，所述直流电机具有2j个相互独立并且由m个绕组组成的电枢绕组支路、与所述绕组连接的2j×m个换向片、分别与所述直流电机的两组电源线连接并且与所述换向片相接触的2组电刷组，每个电刷组包含j个相互独立的电刷，所述斩波电路具有与所述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个所述电刷一一对应的桥臂单元，每个所述桥臂单元含有一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，向对应的所述电刷提供线电流，所述斩波桥臂包含了两个串联连接的半导体开关元件，每个所述半导体开关元件与一个所述续流二极管反向并联连接，所述j和所述m均为不小于2的正整数。

【技术特征摘要】
1.一种直流电动驱动装置，设置在电动设备中，用于驱动所述电动设备，包括：直流电机，具有额定电压以及额定电流；直流电源，具有与所述额定电压相对应的恒定电压的电源，用于提供与所述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所述直流电机；以及主磁极，为所述直流电机提供工作磁场，其特征在于：其中，所述直流电机具有2j个相互独立并且由m个绕组组成的电枢绕组支路、与所述绕组连接的2j×m个换向片、分别与所述直流电机的两组电源线连接并且与所述换向片相接触的2组电刷组，每个电刷组包含j个相互独立的电刷，所述斩波电路具有与所述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个所述电刷一一对应的桥臂单元，每个所述桥臂单元含有一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，向对应的所述电刷提供线电流，所述斩波桥臂包含了两个串联连接的半导体开关元件，每个所述半导体开关元件与一个所述续流二极管反向并联连接，所述j和所述m均为不小于2的正整数。2.根据权利要求1所述的直流电动驱动装置，其特征在于：其中，所述斩波电路为桥式可逆斩波电路或单极性斩波电路。3.根据权利要求1所述的直流电动驱动装置，其特征在于，还包括：控制器，其中，每个所述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，所述上桥臂半导体开关元件以及所述下桥臂半导体开关元件分别反向并联连接一个所述续流二极管，所述上桥臂半导体开关元件和所述下桥臂半导体开关元件具有相同的预定最大输出电流，所述控制器根据所述上桥臂半导体开关元件和所述下桥臂半导体开关元件之间的预定工作周期、以及根据与所述上桥臂半导体开关元件或者所述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，向所述斩波电路提供所述控制信号。4.根据权利要求1所述的直流电动驱动装置，其特征在于：其中，当所述上桥臂半导体开关元件以及所述下桥臂半导体开关元件的最大输出电流为I1，所述直流电机的所述额定电流为IN时，所述电枢绕组支路的个数2j满足下述条件：j＞IN÷I1。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：金爱娟，李少龙，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31