多相交流电机、逆变器、电驱动组件以及电动装置的制作方法

本发明属于交流电机领域，特别涉及一种大电流多相交流电机、逆变器、包含该多相交流电机以及逆变器的电驱动组件以及包含该电驱动组件的电动装置。

背景技术：

大功率的电动装置通常选择交流电机作为驱动电机。交流电机和逆变器连接，逆变器和直流电源连接，当电机开始启动时，逆变器根据控制器和触发电路发出的控制信号将直流电转换成交流电，提供给交流电机。

对于机车、舰艇或船舶等移动式电动装置而言，直流电源一般选择电池。出于安全的考虑，电池的电压不能太高，一般小于60伏，因此，为了满足大功率电机和负载的需求，逆变器的输出电流势必会非常大，功率开关元件也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。为了实现逆变器向大功率交流电机顺利提供交流电，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2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2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。

由于单独的一个小电流半导体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半导体开关元件，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，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。

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。基于目前的技术，一般能够实现2个开关元件并联，国外只有个别公司可以做到4-5个开关元件并联。

为了解决上述问题，本发明的发明人提出了图3中所显示的三相交流电机和逆变器结构。由图3可知，根据所选择的逆变器22上的半导体开关元件(221a、221b)的额定工作电流，将三相交流电机21的大绕组分成j个独立安装的小绕组211，然后将逆变器22的每相逆变桥臂也分成j个小桥臂，同时将k个不同相的小桥臂进行组合，形成分别和j个小绕组一一对应连接的j个小逆变器221。

每个小逆变器221独立向与之连接的小绕组211供电，其输出电流是电机额定线电流的1/j，只要j足够大，现有的小电流半导体开关元件完全能够承受任意大的电流强度。

但是，图3中的这种结构也使得逆变器的输出电线接头由原来的三根激增成了3j根，交流电机的接头也由原来的三根激增成了3j根，增加了生产过程中分接、安装引出线的复杂程度、难度和成本，以至于工人极容易将接头接错，导致电机无法正常运转；逆变器输出线增多，导致电路板的面积也变大，成本上升；而且在日后的电机和逆变器维护或维修过程中，也很难对接头进行逐个检查，将出现故障的接头找出，造成维护或维修的难度较大。此外，数量如此庞大的接头不仅增加大生产商在接头上的投入，而且交流电机外部的用于容纳这些接头的铝质接线盒的体积也成倍增大，造成交流电机的体积变大，这些都会在一定程度上增加电机和逆变器的生产成本。

技术实现要素：

本发明是为解决上述问题而进行的，采用折衷的方法，以提高多相交流电机、逆变器和电驱动组件的性价比。结合图2和图3中的逆变器以及多相交流电机的优点，提出了一种新的电驱动组件，既克服了半导体开关元件一致性差所带来的低压大电流电机难以实现的缺陷，又避免了图3中的交流电机和逆变器接头过多增加生产和维修的难度和成本。

为了实现上述目的，本发明采用了下述技术方案：

<结构一>

本发明提供了一种电驱动组件，设置在电动装置中，用于驱动电动装置，具有这样的技术特征：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。其中，多相交流电机具有m个相互独立的多相绕组，逆变器具有与m个多相绕组分别相对应的m个逆变单元，每个逆变单元具有k个相互并列连接的桥臂部向对应的多相绕组提供k路线电流，每个桥臂部含有w个相互并联连接的逆变桥臂，k和m均为2以上的正整数，w为2～4之间的正整数。

本发明提供的电驱动组件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。该电驱动组件还包括：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，向逆变器提供上述控制信号。

本发明提供的电驱动组件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，所述多相交流电机的额定线电流为I_N时，多相绕组的个数m满足下述条件：

m＞1.2(I_N÷wI₁)

本发明提供的电驱动组件还可以具有这样的特征：每个桥臂部含有两个相互并联连接的逆变桥臂，上桥臂半导体开关元件和下桥臂半导体开关元件的预定最大输出电流是桥臂部输出电流的0.6-0.8倍。

本发明提供的电驱动组件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，k大于等于三，多相绕组的相数等于所述k。多相绕组呈星形连接，个数等于多相绕组相数的桥臂部分别与对应的多相绕组的多个端点连接，从而提供线电流。

本发明提供的电驱动组件还可以具有这样的特征：k等于三，多相绕组为三相绕组，该三相绕组呈三角形连接，三个桥臂部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。

本发明提供的电驱动组件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，本发明还提供了一种逆变器，与相数为k具有额定线电压以及额定线电流并且含有m个相互独立的多相绕组的多相交流电机、以及具有恒定电压并且用于提供与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：与m个多相绕组分别相对应的m个逆变单元。其中，每个逆变单元具有k个相互并列连接的桥臂部向对应的多相绕组提供k路线电流，每个桥臂部含有w个相互并联连接的逆变桥臂，k和m均为2以上的正整数，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m个逆变单元并且根据控制信号通过该m个逆变单元将来自于具有恒定电压的直流电源的直流电转换为交流电的逆变器相连接，每个逆变单元具有k个相互并列连接的桥臂部向对应的多相绕组提供k路线电流，每个所述桥臂部含有二至四个相互并联连接的逆变桥臂，具有这样的技术特征：具有m个相互独立的多相绕组。其中，该m个多相绕组分别与m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单元提供的k路线电流，k和m均为2以上的正整数。

<结构四>

进一步，本发明还提供了一种含有上述电驱动组件的电动装置。

发明的作用与效果

根据本发明提供的电驱动组件、电动装置、逆变器以及多相交流电机，一方面，由于多相交流电机具有m个相互独立的多相绕组，逆变器具有与m个多相绕组分别相对应的m个逆变单元，每个逆变单元具有k个相互并列连接的桥臂部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、交流电机的成熟技术、成熟的少数几个开关元件并联的技术，而且降低了对很多个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很多个开关元件所带来的大量人力和财力的耗费。

另一方面，由于每个桥臂部含有w(w为2、3或4)个相互并联连接的逆变桥臂，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多相交流电机中多相绕组的个数j，不仅减少了逆变器和多相交流电机接头的个数，减轻了维修和维护难度，而且还降低了多相交流电机和逆变器的生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例的电驱动组件的电路结构示意图；

图2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；

图3为现有技术中针对图2进行改进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发明的具体实施方式。

图1是本实施例中的电驱动组件的电路结构示意图。

电驱动组件10设置在电动装置如电动工具、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，用于驱动电动装置。如图1所示，电驱动组件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，对于机车类、船舶舰艇类、飞行器类的电动装置而言，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m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、同步电机中的任意一种。

逆变器12的直流端电压为U_dc，包括分别与m个多相绕组相对应的m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相桥臂部、B相桥臂部以及C相桥臂部。

A相桥臂部和A相绕组与C相绕组的接点AC连接，B相桥臂部和B相绕组与A相绕组的接点BA连接，C相桥臂部和C相绕组与B相绕组的接点CB连接，分别向相应相的绕组提供线电流。

每个桥臂部有两个相互并联连接的逆变桥臂，即，A相桥臂部由两个A相逆变桥臂组成，B相桥臂部由两个B相逆变桥臂组成，C相桥臂部由两个C相逆变桥臂组成。

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。因此，每个三相绕组131由十二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。

在本实施例中，由于每个桥臂部的上桥臂部分由两个并联连接的上桥臂半导体开关元件221a组成，下桥臂部分由两个并联连接的下桥臂半导体开关元件221b组成，使得流经上桥臂部分以及下桥臂部分的最大输出电流，均为大于图3中的每个桥臂部(仅包含一个逆变桥臂)的电流，一般为图3中电流的1.2～1.6倍。

因此，对于同一型号的三相交流电机，本实施例中的三相绕组的个数m约为图3中的三相绕组个数j的3/5～4/5。当然，m应为正整数，可以在3/5j～4/5j的基础上向上取整。

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m为整数，满足如下条件：m＞1.2(I_N÷2I₁)，该式中I₁为单个桥臂的最大输出电流；I_N为多相交流电机的额定线电流。

同图3中确定多相绕组的个数思路相同，在确定m时，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m。

把电机绕组群拆分成m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m或m的整数倍。

当然，也可以不根据I₁来确定m，而是先根据三相交流电机的额定线电流I_N确定m，得到每个三相绕组的输入电流I_N/m，然后再来选择合适的半导体开关元件。

在本实施例中，选择合适的半导体开关元件的规则如下：按照每个桥臂部的最大工作电流为相对应的三相绕组的线电流的1.2～1.6倍来选择半导体开关元件。例如，三相绕组的线电流(即桥臂部输出电流)是200A，那么每相桥臂部的最大输出电流应该为240A～320A，由于每相桥臂部由两个逆变桥臂组成，因此，每个逆变桥臂上的半导体开关元件的最大输出电流应为120A～160A，即每个半导体开关元件的最大输出电流应为三相绕组的线电流的0.6～0.8倍。

在本实施例中，每个桥臂部含有两个相互并联连接的逆变桥臂，此为优选结构，因为并联连接的逆变桥臂越多，对半导体开关元件的一致性要求越高，成本也就越高。当然在技术成熟，半导体开关元件不易被损坏的情况下，每个桥臂部也可以包括两个以上相互并联连接的逆变桥臂，但最多为四个，超过四个就会使得半导体开关元件的甄选变得非常困难，成本也非常高。

实施例的作用与效果

根据本实施例提供的电驱动组件、电动装置、逆变器以及多相交流电机，一方面，由于多相交流电机具有m个相互独立的多相绕组，逆变器具有与m个多相绕组分别相对应的m个逆变单元，每个逆变单元具有k个相互并列连接的桥臂部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、交流电机的成熟技术和成熟的少数几个开关元件并联的技术，而且降低了对多个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多个开关元件所带来的大量人力和财力的耗费。

另一方面，由于每个桥臂部含有w(w为2、3或4)个相互并联连接的逆变桥臂，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多相交流电机中多相绕组的个数j，不仅减少了逆变器和多相交流电机接头的个数，减轻了维修和维护难度，而且还适当降低了多相交流电机和逆变器的生产成本。

此外，从另外一个角度来看，也可以认为，本实施例的电驱动组件把逆变桥臂的多个开关元件的并联关系和逆变桥臂输出电流的叠加关系所存在的强烈的电流耦合关系适当地降低，把部分耦合关系转移到m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。作为本发明的电驱动组件，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发明进行了详细阐述，但作为本发明的电驱动组件，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。