电动驱动装置以及电动设备的制作方法

本发明属于开关磁阻电机领域，特别涉及一种电动驱动装置以及包含该电动驱动装置的电动设备。

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；另外，在封闭的室内工作环境中，燃油设备是禁止使用的；此外，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、电动叉车等电动设备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，大力发展电动驱动装置，特别是大功率电动驱动装置如电动战车、电动军舰、电动飞行器和电驱动航空母舰等等，对于国防安全具有深远的意义。

在电动设备中，电动驱动装置既是核心技术，也是共性技术。与其它类型电机相比较，开关磁阻电机的结构简单牢固、起动转矩大、调速范围宽、过载能力强、容错性能强、在较宽的工作区域有高的效率等优点使其非常适用于电动驱动装置和电动设备。

随着电动驱动装置及电动设备负载的增大，开关磁阻电机的输入功率也随着增大。如果开关磁阻电机的功率因数不变，当功率变换器输入端直流电源的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，开关磁阻电机的输入电流必然增大，也就是说，功率变换器的输出电流必然增大，流过功率变换器功率开关管的连续工作电流必然增大。对于功率开关管来说，它必须工作在限定的最大连续工作电流以下，一旦超越这个限定条件，功率开关管非常容易损坏。为了保证系统正常工作，功率开关管的最大连续工作电流随之也要增加。

然而，受各种条件的影响，能够承受所要求的大电流功率开关管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、最大连续工作电流相对较小的功率开关管代替一个最大连续工作电流很大的功率开关管，一般把这种方法称之为并联均流技术。

图3为常见的小电流开关磁阻电机和功率变换器的连接关系示意图，图4为现有技术中常见的大电流开关磁阻电机和功率变换器的连接关系示意图，由图4可知，功率变换器的功率变换单元中的功率开关管采用并联均流技术。在图4中，开关磁阻电机每一相的线电流都由j个并联的功率变换管共同提供。理论上，每个功率开关管中所流过的电流值是开关磁阻电机线电流的j分之一，也就是说，这j个并联的小电流功率开关管共同承担了电机的一个线电流。

在并联均流电路中，单独的一个小电流功率开关管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功率开关管，超越了小电流功率开关管的最大连续工作电流的话，小电流功率开关管必然损坏。

在开关特性一致性很高的情况下，并联的功率开关管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。但这种功率开关管需要在大批量中精挑细选才能得到，致使使用成本很高，并联的功率开关管越多，成本越急剧上升。此外，即使挑选出的这些功率开关管在使用前的测试过程中一致性很高，随着使用时间的增加和环境的影响，器件会产生老化、性能变差的现象，难以保证在长期使用过程中一直保持高度的一致性。基于这个考虑，所以并联功率开关管总的连续工作电流一般要大于电机线电流很多，一般是2-3倍。因此，增加了元器件的成本和生产成本。

当功率开关管从关断状态转变为导通状态的导通过程时，如果并联的小电流功率开关管无法同时导通，那么提前导通的功率开关管将流过很大的电机线电流；同样的道理，当功率开关管从导通状态转变为关断状态的关断过程时，如果并联的小电流功率开关管无法同时关断将导致最后关断的功率开关管也将流过很大的电机线电流。虽然导通过程和关断过程的时间很短，但是功率开关管也无法在这个短暂的时间内承受超越最大连续工作电流的电机线电流。

随着功率开关管并联数量的增长，其开关特性的一致性更加难以保证，致使均流效果越差，导致损坏的可能性越高，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功率开关管同时导通和同时关断，而严重影响和限制了大电流功率变换器容量的增大，使得大电流电机的驱动成为一个很难跨越的障碍。影响了包括电动车、电动船、电动飞行器，乃至于国防上的电动战车、电动军舰、电动飞行器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，提供了一种电动驱动装置和电动设备。

<结构一>

本发明提供了一种电动驱动装置，设置在电动设备中，用于驱动电动设备，包括：开关磁阻电机，其电机绕组的相数为k，具有额定线电压以及额定线电流；直流电源，具有与开关磁阻电机的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线电流；指令发送部，发送与开关磁阻电机输出的转速或转矩的值相对应的指令信号；反馈信号，检测电动驱动装置的参数并把信号反馈给控制器；控制器，根据指令信号、反馈信号计算并输出控制信号；驱动器，根据控制信号产生驱动信号；功率变换器，在驱动信号的作用下将线电流提供给开关磁阻电机，其特征在于：其中，电机绕组具有j个相互独立且参数相同的多相绕组单元，功率变换器具有与j个多相绕组单元一一对应连接的j个相互独立且参数相同的功率变换单元，每个功率变换单元具有k个相互并联连接且参数相同的功率变换电路向对应的多相绕组单元提供k路线电流，驱动器具有j个相互独立且参数相同的驱动单元，分别与j个功率变换单元相连接，k为大于2的正整数，j为大于1的正整数。

本发明提供的电动驱动装置还可以具有这样的技术特征：其中，当功率变换单元的单个功率变换电路正常输出的最大连续工作电流平均值为I₁，开关磁阻电机的最大线电流平均值为I_N时，多相绕组单元的个数j满足下述条件：j＞I_N÷I₁，其中，j为大于1的正整数。

本发明提供的电动驱动装置还可以具有这样的技术特征：其中，直流电源是电池或整流电源。

本发明提供的电动驱动装置还可以具有这样的技术特征：其中，电机绕组的并绕根数能被多相绕组单元的个数j整除。

本发明提供的电动驱动装置还可以具有这样的技术特征：其中，功率变换电路的拓扑结构为双开关式、双绕组式、电容分压式、电容储能式、公共开关式、电阻换相式、H桥式中的任意一种。

本发明提供的电动驱动装置还可以具有这样的技术特征：其中，功率变换单元是由智能功率模块构成的或是包含多个类型和参数相同的功率开关管，功率开关管为电力场效应晶体管(Power 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。

<结构二>

进一步，本发明还提供了一种含有上述电动驱动装置的电动设备。

发明的作用与效果

根据本发明提供的电动驱动装置以及电动设备，由于电机绕组具有j个相互独立且参数相同的多相绕组单元，功率变换器具有与j个多相绕组单元一一对应连接的j个相互独立且参数相同的功率变换单元，每个功率变换单元具有k个相互并联连接且参数相同的功率变换电路向对应的多相绕组单元提供k路线电流，驱动器具有j个相互独立且参数相同的驱动单元，分别与j个功率变换单元相连接。因此，每个多相绕组单元由对应的功率变换单元和驱动单元驱动，任意两个多相绕组单元、任意两个功率变换单元都是相互独立的，不存在电流的耦合关系，进而使得开关磁阻电机的电流可以根据需要任意增大，不仅保留原来功率变换器的成熟拓扑和控制算法，以及开关磁阻电机的成熟设计和控制技术，而且降低了对功率开关管性能一致性的要求，即、使用普通的功率开关管即可满足要求，避免了从大量的功率开关管中精挑细选一致性高的功率开关管所带来的大量人力和财力的耗费，成本大幅下降。

不仅如此，本发明的电动驱动装置的实现，有助于打破国外对于大电流驱动装置的垄断和封锁，促进电动设备的发展和壮大，使得该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，如叉车、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、电动飞行器、电动军舰和电驱动航空母舰上，实现了低压大电流的电动驱动装置的国产化。而且与燃油驱动装置相比较，系统性能更加优越，可靠性更高，容错能力更强。

综上，本发明的电动驱动装置具有结构设计简单、合理，成本低，发热量小，工作性能稳定、安全可靠，使用寿命长等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的电动驱动装置的电路结构示意图；

图2为开关磁阻电机的结构示意图；

图3为常见的小电流开关磁阻电机和功率变换器的连接关系示意图；

图4为现有技术中常见的大电流开关磁阻电机和功率变换器的连接关系示意图。

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。

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。

图1是本实施例中的电动驱动装置的电路结构示意图。

如图1所示，电动驱动装置10包括开关磁阻电机11、直流电源12、指令发送部13、反馈信号14、控制器15、驱动器16以及功率变换器17。

开关磁阻电机11具有一组电机绕组，该电机绕组的相数为k，具有额定线电压以及额定线电流。电机绕组具有安装在电枢上的j个相互独立且参数相同的多相绕组单元111，j的个数可以通过开关磁阻电机11绕组的并绕根数进行平均拆分，j的个数大于等于2。拆分前后，开关磁阻电机绕组和j个多相绕组单元的绕组相数、绕组相序、绕组匝数、绕组连接方式、额定电压保持不变。

在本实施例中，k为三，即开关磁阻电机11为三相开关磁阻电机，相应的，多相绕组单元111为三相绕组单元，每个三相绕组单元具有三个独立的绕组A、B、C。

直流电源12具有与开关磁阻电机11的额定线电压相对应的恒定电压，用于提供与电机额定线电流相对应的直流电。在本实施例中，直流电源是电池或整流电源。

指令发送部13发送与开关磁阻电机11输出的转速或转矩的值相对应的指令信号。

反馈信号14检测电动驱动装置10的反馈信号。反馈信号被控制器15接收。

控制器15根据指令发送部13的指令信号、反馈信号14的反馈信号计算输出控制信号。

驱动器16根据控制信号产生驱动功率变换管工作的驱动信号。

功率变换器17在驱动信号的作用下将直流电转换为开关磁阻电机11所需要的电压和电流。功率变换器17包括分别与j个多相绕组单元111相对应的j个功率变换单元171。

每个功率变换单元171具有三个相互并联连接、结构和功率开关管都相同的A相功率变换电路171a、B相功率变换电路171b以及C相功率变换电路171c。A相功率变换电路171a连接着A相绕组单元1111，B相功率变换电路171b连接着B相绕组单元1111，C相功率变换电路171c连接着C相绕组单元1111，分别向对应的多相绕组单元提供线电流。

每个功率变换电路是由两个功率开关管和两个二极管构成的不对称半桥电路。两个功率开关管具有相同的最大连续工作电流。只有在最大连续工作电流以下时，功率开关管才有可能长期稳定运行，如果工作电流超过这个电流值，功率开关管就会由于过流而被击穿损坏。

在本实施例中，功率变换单元171可以由单个智能功率模块构成，也可以包含多个类型和参数相同的功率开关管。

功率开关管为电力场效应晶体管(PowerMOSFET)、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。

在本实施例中，j个相互独立的驱动单元161分别与j个相互独立且参数相同的功率变换单元171相连接并给j个相互独立且参数相同的多相绕组单元111供电。

驱动器16具有j个相互独立且参数相同的驱动单元161，每个驱动单元161同时接收到控制器15发出的相同信号，j个驱动单元161分别与j个功率变换单元171相连接。每个驱动单元161都可以发出A相驱动信号、B相驱动信号以及C相驱动信号，该三相驱动信号分别驱动A相功率变换电路171a、B相功率变换电路171b以及C相功率变换电路171c中的功率开关管，使其导通或关闭。

本实施例中的多相绕组单元的个数j为整数，满足如下条件：j＞I_N÷I₁。该式中I₁为单个功率变换电路在各种不同工况下都可以正常输出的最大连续工作电流值；I_N为开关磁阻电机线电流在各种不同工况下可能出现的最大平均值。

对于功率变换器17来说，任意一个功率变换单元171的输出电流仅仅与其相连接的多相绕组单元有关系，与其他的多相绕组单元及其对应的功率变换单元没有任何电的耦合联系。也就是说，不存在功率开关管并联的现象，因此，消除了大电流电动驱动装置中功率开关管并联均流的问题。

实施例的作用与效果

根据本实施例提供的电动驱动装置以及电动设备，由于开关磁阻电机具有j个相互独立且参数相同的多相绕组单元，功率变换器具有与j个多相绕组单元一一对应连接的j个相互独立且参数相同的功率变换单元，每个功率变换单元具有k个相互并联连接且参数相同的功率变换电路向对应的多相绕组单元提供k路线电流，驱动器具有j个相互独立且参数相同的驱动单元，分别与j个功率变换单元相连接。因此，每个多相绕组单元由对应的功率变换单元和驱动单元驱动，任意两个多相绕组单元、任意两个功率变换单元都是相互独立的，不存在电流的耦合关系，进而使得开关磁阻电机的电流可以根据需要任意增大，不仅保留原来功率变换器的成熟拓扑和控制算法，以及开关磁阻电机的成熟设计和控制技术，而且降低了对功率开关管性能一致性的要求，即、使用普通的功率开关管即可满足要求，避免了从大量的功率开关管中精挑细选一致性高的功率开关管所带来的大量人力和财力的耗费，成本大幅下降。

不仅如此，本实施例的电动驱动装置的实现，有助于打破国外对于大电流驱动装置的垄断和封锁，促进电动设备的发展和壮大，使得该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，如叉车、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、电动飞行器、电动军舰和电驱动航空母舰上，实现了低压大电流的电动驱动装置的国产化。而且与燃油驱动装置相比较，系统性能更加优越，可靠性更高，容错能力更强。

综上，本实施例的电动驱动装置具有结构设计简单、合理，成本低，发热量小，工作性能稳定、安全可靠，使用寿命长等优点。

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。