本發(fā)明屬于直流電機(jī)領(lǐng)域，特別涉及一種直流電動驅(qū)動裝置以及包含直流電動驅(qū)動裝置的電動設(shè)備。

背景技術(shù)：

隨著各大城市霧霾天數(shù)和持續(xù)時間的增加，國家對燃油設(shè)備的尾氣排放管理越來越嚴(yán)格；另外，在封閉的室內(nèi)工作環(huán)境中，燃油設(shè)備是禁止使用的；此外，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(shè)備如電動汽車、電動叉車等電動設(shè)備越來越受到生產(chǎn)商和消費(fèi)者的青睞。它不但污染小、可以利用可再生能源提供的電能，而且與燃油設(shè)備相比，它還具有能源利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、動態(tài)性能好和便攜性高等優(yōu)點(diǎn)。在石油資源越來越緊張的形勢下，大力發(fā)展電驅(qū)動裝置，特別是大功率電驅(qū)動裝置如電動戰(zhàn)車、電動軍艦、電動飛行器和電驅(qū)動航空母艦等等，對于國防安全具有深遠(yuǎn)的意義。

由于交流電機(jī)，特別是異步電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、重量輕、價格便宜的優(yōu)點(diǎn)，所以它得到了廣泛的應(yīng)用。但是，交流電機(jī)存在啟動轉(zhuǎn)矩小，啟動電流很大，調(diào)速平滑性差，振動和噪聲大以及控制算法復(fù)雜等缺點(diǎn)。即使采用最好的控制算法，依然無法杜絕電機(jī)中高次諧波的存在，導(dǎo)致在啟動、制動、調(diào)速和低速時交流電機(jī)性能都劣于直流電機(jī)。因此，對電動設(shè)備的性能要求很高的場合，例如家用變頻空調(diào)、升降客梯、電動汽車等等，依然青睞于安裝有直流電機(jī)的電動設(shè)備。

在圖2所示的直流電動驅(qū)動裝置中，對功率開關(guān)管的要求極為苛刻，在正常工作時，功率開關(guān)管必須在最大工作溫度、最大工作電流和最大工作電壓以下工作，一旦超過任意一個條件，功率開關(guān)管就會損壞；此外，當(dāng)電子電路中的元器件參數(shù)的變化超出正常工作范圍時，可能會在功率開關(guān)管中產(chǎn)生過電壓或過電流，導(dǎo)致功率開關(guān)管損壞進(jìn)而引起電動設(shè)備故障；另外，隨著工作時間的增加，功率開關(guān)管發(fā)生老化，最大工作溫度、最大工作電流和最大工作電壓等性能指標(biāo)都隨之降低，極易發(fā)生功率開關(guān)管損壞導(dǎo)致斬波器整體失效或短路等故障，進(jìn)而引發(fā)電動設(shè)備故障甚至安全事故。

大功率直流電動驅(qū)動裝置和電動設(shè)備，特別是低壓大電流直流電動驅(qū)動裝置和電動設(shè)備，需要連續(xù)工作電流很大的控制器或斬波器，而相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品被個別國家和公司控制和壟斷，導(dǎo)致價格很高，而且市場上能夠采購到的高性能電機(jī)控制器或斬波器輸出的電流值也僅僅是在一千安培以下。歸根到底，生成制造水平、多個功率開關(guān)管的并聯(lián)均流技術(shù)、控制電路和算法過于復(fù)雜等諸多原因，嚴(yán)重制約和影響了低壓大電流直流電動驅(qū)動裝置和電動設(shè)備的發(fā)展。

綜上，這些問題已經(jīng)嚴(yán)重影響了高性能大功率電動設(shè)備，包括低壓大電流的電動車、電動船，甚至國防上的電動戰(zhàn)車、電動軍艦、電動飛行器和電驅(qū)動航空母艦的發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為解決上述問題而進(jìn)行的，通過提供一種斬波橋臂獨(dú)立、輸出電流互不影響，實現(xiàn)電流完全解耦的斬波電路、包含多電刷直流電機(jī)以及包含該斬波電路和該多電刷直流電機(jī)的直流電動驅(qū)動裝置和電動設(shè)備。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了下述技術(shù)方案：

<結(jié)構(gòu)一>

本發(fā)明提供了一種直流電動驅(qū)動裝置，設(shè)置在電動設(shè)備中，用于驅(qū)動電動設(shè)備，包括：直流電機(jī)，具有額定電壓以及額定電流；直流電壓，具有與額定電壓相對應(yīng)的電壓，用于提供與額定電流相對應(yīng)的直流電；指令發(fā)送部，發(fā)送與直流電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的值相對應(yīng)的指令信號；驅(qū)動器，根據(jù)指令信號產(chǎn)生驅(qū)動信號；以及斬波器，在驅(qū)動信號的作用下將直流電轉(zhuǎn)換為電壓可控的直流電并提供給直流電機(jī)，其特征在于：其中，直流電機(jī)具有2j個相互獨(dú)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、與斬波器相連接并且與換向片相接觸的2j個相互獨(dú)立的電刷，斬波器為半橋斬波器，斬波器具有j個相互獨(dú)立的斬波單元，每個斬波單元的電流輸出線與一個電刷一一對應(yīng)連接，每個斬波單元含有w個并聯(lián)的斬波橋臂以及與w個斬波橋臂反向并聯(lián)連接的續(xù)流二極管，向?qū)?yīng)的電刷提供線電流，斬波橋臂包含兩個串聯(lián)連接的功率開關(guān)管，j和m均為不小于2的正整數(shù)，w為2～4的正整數(shù)。

本發(fā)明提供的直流電動驅(qū)動裝置還可以具有這樣的特征，還包括：控制器，其中，控制器根據(jù)指令信號輸出運(yùn)行控制信號以及電機(jī)控制信號，驅(qū)動器在運(yùn)行控制信號作用下進(jìn)入工作狀態(tài)或停止?fàn)顟B(tài)，在工作狀態(tài)下根據(jù)電機(jī)控制信號產(chǎn)生驅(qū)動信號。

本發(fā)明提供的直流電動驅(qū)動裝置還可以具有這樣的特征，還包括：輸出傳感器，其中，輸出傳感器檢測直流電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩，并發(fā)送對應(yīng)的輸出反饋信號，控制器根據(jù)指令信號以及輸出反饋信號輸出運(yùn)行控制信號以及電機(jī)控制信號。

本發(fā)明提供的直流電動驅(qū)動裝置還可以具有這樣的特征，還包括：電流傳感器，其中，電流傳感器檢測電刷的引出線的電流值，并發(fā)送對應(yīng)的電流反饋信號，控制器根據(jù)指令信號、電流反饋信號和輸出反饋信號計算并輸出運(yùn)行控制信號以及電機(jī)控制信號。

本發(fā)明提供的直流電動驅(qū)動裝置還可以具有這樣的特征：其中，當(dāng)電刷引出線的額定電流為I₁，直流電機(jī)的額定電流為I_N時，電樞繞組支路的個數(shù)2j滿足下述條件：j＞I_N÷I₁，j為不小于2的正整數(shù)。

本發(fā)明提供的直流電動驅(qū)動裝置還可以具有這樣的特征：其中，直流電源為電池組或交流電源經(jīng)整流濾波后得到的整流源，電池組是由至少一個電池單體構(gòu)成的。

本發(fā)明提供的直流電動驅(qū)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，直流電機(jī)的主磁極的勵磁方式是永磁、他勵、串勵、并勵或復(fù)勵。

本發(fā)明提供的直流電動驅(qū)動裝置還可以具有這樣的特征：其中，電樞繞組支路獨(dú)立安裝在直流電機(jī)的至少一個電樞鐵芯上，斬波器是由至少一個智能功率模塊構(gòu)成的或是包含了多個功率開關(guān)管，功率開關(guān)管為電力場效應(yīng)晶體管、門極可關(guān)斷晶閘管、集成門極換流晶閘管、絕緣柵雙極型晶體管、電力雙極型晶體管和門極換流晶閘管中的任意一種。

<結(jié)構(gòu)二>

進(jìn)一步，本發(fā)明還提供了一種含有上述直流電動驅(qū)動裝置的電動設(shè)備。

發(fā)明的作用與效果

根據(jù)本發(fā)明提供的直流電動驅(qū)動裝置以及電動設(shè)備，由于直流電機(jī)具有2j個相互獨(dú)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、與斬波器相連接并且與換向片相接觸的2j個相互獨(dú)立的電刷，斬波器為半橋斬波器，斬波器具有j個相互獨(dú)立的斬波單元，每個斬波單元的電流輸出線與一個電刷一一對應(yīng)連接，每個斬波單元含有w個并聯(lián)的斬波橋臂以及與w個斬波橋臂反向并聯(lián)連接的續(xù)流二極管，向?qū)?yīng)的電刷提供線電流，斬波橋臂包含兩個串聯(lián)連接的功率開關(guān)管，因此任意兩個斬波單元輸出的線電流是相互獨(dú)立、互不干擾的，進(jìn)而使得斬波器的輸出電流可以通過增加斬波單元的個數(shù)而線性增大，理論上可以達(dá)到無窮大。不僅保留了原來斬波器的成熟控制算法和直流電機(jī)的成熟技術(shù)，而且降低了對功率開關(guān)管性能一致性的要求，使用普通的功率開關(guān)管即可滿足大電流的要求，避免了從大量的功率開關(guān)管中精挑細(xì)選一致性高的開關(guān)元件所帶來的大量人力和財力的耗費(fèi)。

由于每個斬波單元含有w(w為2、3或4)個相互并聯(lián)連接的斬波橋臂，在電機(jī)的額定電流一定的情況下，相對于僅含有一個斬波橋臂的斬波單元，這種結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上增大每個斬波單元的輸出電流，進(jìn)而能夠相應(yīng)的減小直流電機(jī)中電樞繞組支路的個數(shù)j，不僅減少了電刷個數(shù)，減少了電機(jī)的電源線數(shù)量和斬波單元輸出線的數(shù)量，減輕了維修和維護(hù)難度，而且還適當(dāng)降低了直流電機(jī)和斬波電路的生產(chǎn)成本。

此外，本發(fā)明的直流電動驅(qū)動裝置能夠打破國外對于大電流驅(qū)動裝置的壟斷和封鎖，使得該直流電動驅(qū)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(fā)動機(jī)而應(yīng)用于目前無法采用電動機(jī)的重型機(jī)車上，如卡車、推土機(jī)、挖土機(jī)等重型機(jī)車等，還能夠應(yīng)用于軍事上需要更大電流的電動戰(zhàn)車、電動軍艦和電驅(qū)動航空母艦上，實現(xiàn)了低壓大電流的直流電動驅(qū)動裝置的國產(chǎn)化。而且與交流電機(jī)驅(qū)動裝置相比較，系統(tǒng)性能更加優(yōu)越。

因此，本發(fā)明的直流電動驅(qū)動裝置具有結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、合理，成本低，發(fā)熱量小，工作性能穩(wěn)定、安全可靠，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的直流電動驅(qū)動裝置的電路結(jié)構(gòu)示意圖；以及

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中的大電流直流電動驅(qū)動裝置的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的具體實施方式。

直流電動驅(qū)動裝置10設(shè)置在電動設(shè)備如電動工具、四軸飛行器、電動汽車、電動船舶、工業(yè)用電動叉車、電動軍事設(shè)備內(nèi)，用于驅(qū)動電動設(shè)備。

圖1是本實施例中的直流電動驅(qū)動裝置的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，直流電動驅(qū)動裝置10包括直流電機(jī)11、直流電源12、指令發(fā)送部13、輸出傳感器14、控制器15、驅(qū)動器18、斬波器19以及電流傳感器20。

直流電機(jī)11具有額定電壓以及額定電流。直流電機(jī)11具有主磁極111和至少一個電樞112。在實施例中，直流電機(jī)具有一個電樞112。電樞112為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子。

主磁極111為電樞112提供工作磁場。主磁極的勵磁方式是永磁、他勵、串勵、并勵或復(fù)勵。如果主磁極為他勵勵磁方式，則他勵的勵磁繞組為單獨(dú)控制，與電樞繞組的控制相互獨(dú)立。如果主磁極為并勵勵磁方式，則并勵的勵磁繞組由單獨(dú)的斬波器以及與直流電源12電壓相同的直流電源和單獨(dú)的驅(qū)動單元191供電。在本實施例中，主磁極111采用串勵的勵磁方式。

電樞112包括轉(zhuǎn)子鐵芯(圖中未顯示)、2j個電樞繞組支路1121、2j×m個換向片(圖中未顯示)以及2組電刷組1122。

電樞繞組支路1121獨(dú)立安裝在電樞112的轉(zhuǎn)子鐵芯上。電樞繞組支路1121是由m個纏繞在轉(zhuǎn)子鐵芯上的繞組所組成的，m為2以上的正整數(shù)。電樞繞組支路1121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(dú)立。

2組電刷組1122按照其空間位置所對應(yīng)的主磁極111的極性不同分成兩組，且分別連接直流電機(jī)11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(dú)立的電刷。2j個電刷均勻分布在直流電機(jī)的由換向片構(gòu)成的換向器上，與直流電機(jī)主磁極的位置相對應(yīng)，每個電刷至少可與一個換向片相接觸。其中的一組電刷沿電機(jī)的圓周方向均勻分布，另一組電刷的空間位置安裝在不同組相鄰的兩個電刷中間。在本實施例中，電刷采用窄電刷，其尺寸略小于換向片的尺寸。在本實施例中，每個電刷可與至少一個換向片接觸。

直流電源12具有與額定電壓相對應(yīng)的電壓，用于提供與額定電流相對應(yīng)的直流電。直流電源12為電池組或交流電源經(jīng)整流濾波后得到的整流源，在本實施例中，直流電源12選用電池組。

指令發(fā)送部13發(fā)送與直流電機(jī)11輸出的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的值相對應(yīng)的指令信號。

輸出傳感器14檢測直流電機(jī)11輸出的轉(zhuǎn)速或力矩并輸出相對應(yīng)的輸出反饋信號。輸出反饋信號被控制器15接收。

電流傳感器20檢測電刷引出線的線電流值，并輸出相對應(yīng)的電流反饋信號。電流反饋信號被控制器15接收。

控制器15根據(jù)指令發(fā)送部13的指令信號、輸出傳感器14的輸出反饋信號以及電流傳感器20的電流反饋信號計算驅(qū)動器的運(yùn)行控制信號16和電機(jī)控制信號17。

驅(qū)動器18在運(yùn)行控制信號16控制下進(jìn)入工作狀態(tài)，并根據(jù)電機(jī)控制信號17產(chǎn)生驅(qū)動斬波器19工作的驅(qū)動信號。

斬波器19在驅(qū)動器18發(fā)出的驅(qū)動信號作用下將恒壓直流電轉(zhuǎn)換為平均電壓可控的直流電并提供給直流電機(jī)11。在本實施例中，斬波器19為半橋斬波器。

斬波器19具有與其中一個電刷組的j個電刷一一對應(yīng)的斬波單元191。每個斬波單元191含有w個斬波橋臂1911以及兩個與該斬波橋臂1911反向并聯(lián)連接的續(xù)流二極管，共同向?qū)?yīng)的電刷提供線電流。w為2～4的正整數(shù)，在本實施例中，w為2。

斬波橋臂1911含有相互串聯(lián)連接的上橋臂功率開關(guān)管以及下橋臂功率開關(guān)管。也就是說，4個功率開關(guān)管和2個二極管構(gòu)成的1個斬波單元191向與它連接的電刷提供線電流。

上橋臂功率開關(guān)管和下橋臂功率開關(guān)管具有相同的預(yù)定最大連續(xù)工作電流，它是功率開關(guān)管的一個重要參數(shù)，只有在這個電流值以下時，功率開關(guān)管才有可能穩(wěn)定運(yùn)行，如果工作電流超過這個電流值，功率開關(guān)管就會由于過流而被擊穿，從而損壞?？紤]到各種不同工作環(huán)境的影響，一般來說，電刷的引出線的額定電流取為最大連續(xù)工作電流的0.4w～0.8w倍。

上橋臂功率開關(guān)管或下橋臂功率開關(guān)管均為全控型的功率開關(guān)管，可采用電力場效應(yīng)晶體管、門極可關(guān)斷晶閘管、集成門極換流晶閘管、絕緣柵雙極型晶體管、電力雙極型晶體管和門極換流晶閘管中的任意一種。在本實施例中，該功率開關(guān)管為電力場效應(yīng)晶體管。

當(dāng)電刷的引出線的額定電流為I₁，直流電機(jī)11的額定電流為I_N時，電樞繞組支路1121的個數(shù)2j滿足下述條件：j＞I_N÷I₁，j為不小于2的正整數(shù)。

實施例的作用與效果

根據(jù)本實施例提供的直流電動驅(qū)動裝置以及電動設(shè)備，由于直流電機(jī)具有2j個相互獨(dú)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、與斬波器相連接并且與換向片相接觸的2j個相互獨(dú)立的電刷，斬波器為半橋斬波器，斬波器具有j個相互獨(dú)立的斬波單元，每個斬波單元的電流輸出線與一個電刷一一對應(yīng)連接，每個斬波單元含有w個并聯(lián)的斬波橋臂以及與w個斬波橋臂反向并聯(lián)連接的續(xù)流二極管，向?qū)?yīng)的電刷提供線電流，斬波橋臂包含兩個串聯(lián)連接的功率開關(guān)管，因此任意兩個斬波單元輸出的線電流是相互獨(dú)立、互不干擾的，進(jìn)而使得斬波器的輸出電流可以通過增加斬波單元的個數(shù)而線性增大，理論上可以達(dá)到無窮大。不僅保留了原來斬波器的成熟控制算法和直流電機(jī)的成熟技術(shù)，而且降低了對功率開關(guān)管性能一致性的要求，使用普通的功率開關(guān)管即可滿足大電流的要求，避免了從大量的功率開關(guān)管中精挑細(xì)選一致性高的開關(guān)元件所帶來的大量人力和財力的耗費(fèi)。

由于每個斬波單元含有w(w為2、3或4)個相互并聯(lián)連接的斬波橋臂，在電機(jī)的額定電流一定的情況下，相對于僅含有一個斬波橋臂的斬波單元，這種結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上增大每個斬波單元的輸出電流，進(jìn)而能夠相應(yīng)的減小直流電機(jī)中電樞繞組支路的個數(shù)j，不僅減少了電刷個數(shù)，減少了電機(jī)的電源線數(shù)量和斬波單元輸出線的數(shù)量，減輕了維修和維護(hù)難度，而且還適當(dāng)降低了直流電機(jī)和斬波電路的生產(chǎn)成本。

此外，本實施例的直流電動驅(qū)動裝置能夠打破國外對于大電流驅(qū)動裝置的壟斷和封鎖，使得該直流電動驅(qū)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(fā)動機(jī)而應(yīng)用于目前無法采用電動機(jī)的重型機(jī)車上，如卡車、推土機(jī)、挖土機(jī)等重型機(jī)車等，還能夠應(yīng)用于軍事上需要更大電流的電動戰(zhàn)車、電動軍艦和電驅(qū)動航空母艦上，實現(xiàn)了低壓大電流的直流電動驅(qū)動裝置的國產(chǎn)化。而且與交流電機(jī)驅(qū)動裝置相比較，系統(tǒng)性能更加優(yōu)越。

另外，在不可逆的工作環(huán)境下，本實施例使用的半橋斬波器相對于全橋斬波器具有更簡潔的電路，更少的器件，更高的可靠性和更低的成本等優(yōu)點(diǎn)。

因此，本實施例的直流電動驅(qū)動裝置具有結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、合理，成本低，發(fā)熱量小，工作性能穩(wěn)定、安全可靠，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

在上述實施例中，直流電動驅(qū)動裝置包括輸出傳感器、電流傳感器以及控制器，但作為本發(fā)明的直流電動驅(qū)動裝置可以不包含上述三個，直接利用指令發(fā)送部生成指令信號，驅(qū)動器根據(jù)指令信號產(chǎn)生驅(qū)動信號；或是僅設(shè)置控制器，控制器根據(jù)指令信號輸出運(yùn)行控制信號以及電機(jī)控制信號，驅(qū)動器在運(yùn)行控制信號作用下進(jìn)入工作狀態(tài)或停止?fàn)顟B(tài)；或是設(shè)置輸出傳感器以及控制器，輸出傳感器檢測直流電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩，并發(fā)送對應(yīng)的輸出反饋信號，控制器根據(jù)指令信號以及輸出反饋信號輸出運(yùn)行控制信號以及電機(jī)控制信號。

在上述實施例中，電刷是窄電刷，但作為本發(fā)明的電刷，也可以是寬電刷。

此外，在上述實施例中，電流傳感器檢測電刷的引出線的線電流值，但作為本發(fā)明的直流電動驅(qū)動裝置以及電動設(shè)備，電流傳感器也可檢測電機(jī)的線電流值。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)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(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。