本發(fā)明屬于直流電機領(lǐng)域，特別涉及一種電動驅(qū)動裝置以及包含該電動驅(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。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的意義。

由于交流電機，特別是異步電機，具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、重量輕、價格便宜的優(yōu)點，所以它得到了廣泛的應(yīng)用。但是，它存在啟動轉(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。即使采用最好的控制算法，依然無法杜絕電機中高次諧波的存在，導(dǎo)致在啟動、制動、調(diào)速和低速時交流電機性能都劣于直流電機。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的電動設(shè)備。

在現(xiàn)行的直流電動驅(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，進而引發(fā)電動設(shè)備故障甚至安全事故。

大功率電動驅(qū)動裝置和電動設(shè)備，特別是低壓大電流電動驅(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，嚴重制約和影響了低壓大電流電動驅(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行的，提供了一種電驅(qū)動裝置和電動設(shè)備。

<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，具有額定電壓以及額定電流；直流電源，具有與額定電壓相對應(yīng)的恒定電壓的電源，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，檢測直流電機輸出的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩，并發(fā)送對應(yīng)的輸出反饋信號；電流傳感器，檢測直流電源的引出線的電流值，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行控制信號以及電機控制信號；驅(qū)動器，在運行控制信號作用下進入工作狀態(tài)或停止?fàn)顟B(tài)，在工作狀態(tài)下根據(jù)電機控制信號產(chǎn)生驅(qū)動信號；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，具有這樣的特征：其中，直流電機具有2j個相互獨立并且由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個相互獨立的電刷，驅(qū)動器具有j個相互獨立的驅(qū)動單元，斬波器具有j個相互獨立的斬波單元，每個驅(qū)動單元分別與一個斬波單元相連接，每個斬波單元分別與一個電刷相連接，j和m均為不小于2的正整數(shù)。

在本發(fā)明提供的直流電動驅(qū)動裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，斬波器為單管斬波器，單管斬波器為降壓斬波器、升壓斬波器或者升降壓斬波器，當(dāng)斬波器為降壓斬波器時，每個斬波單元含有一個功率開關(guān)管以及與該功率開關(guān)管反向串聯(lián)連接的二極管，向?qū)?yīng)的電刷提供線電流。

在本發(fā)明提供的直流電動驅(qū)動裝置中，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)。

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

在本發(fā)明提供的直流電動驅(qū)動裝置中，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。

在本發(fā)明提供的直流電動驅(qū)動裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，電樞繞組支路獨立安裝在直流電機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>

進一步，本發(fā)明還提供了一種含有上述電動驅(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)明提供的電動驅(qū)動裝置以及電動設(shè)備，驅(qū)動器包含了j個相互獨立且參數(shù)相同的驅(qū)動單元，直流電機具有2j個相互獨立并且由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、分別位于電樞繞組支路的兩側(cè)并且與換向片相接觸的2組電刷組，每個電刷組包含j個相互獨立的電刷，斬波器具有j個與對應(yīng)電刷組的j個電刷一一對應(yīng)連接的斬波單元，因此任意兩個斬波單元輸出的線電流是相互獨立、互不干擾的，進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。

每一個驅(qū)動單元對應(yīng)連接著一個斬波單元、一個電刷和兩個電樞繞組支路，當(dāng)任意一個驅(qū)動單元、斬波單元、電刷或電樞繞組支路產(chǎn)生故障時，本發(fā)明的電動驅(qū)動容錯裝置以及電動設(shè)備通過計算電流傳感器檢測到的電流值并判斷出發(fā)生故障的驅(qū)動單元、斬波單元、電刷或電樞繞組支路后，控制器輸出運行控制信號令對應(yīng)的驅(qū)動單元停止工作，從而將損壞的驅(qū)動單元、斬波單元、電刷或電樞繞組支路進行屏蔽隔離，避免故障的進一步擴大，保證電動驅(qū)動裝置和電動設(shè)備可以繼續(xù)正常工作或輕載運行，大幅度地減小了電動設(shè)備、特別是高速運行的電動設(shè)備安全事故發(fā)生的概率。

此外，本發(fā)明的電動驅(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)動機而應(yīng)用于目前無法采用電動機的重型機車上，如卡車、推土機、挖土機等重型機車等，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)了低壓大電流的電動驅(qū)動裝置的國產(chǎn)化。而且與交流電機驅(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。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的電動驅(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)中的大電流電動驅(qū)動裝置的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，以下實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明直流電動驅(qū)動裝置以及電動設(shè)備作具體闡述。

以下結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的具體實施方式。

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，電動驅(qū)動裝置10包括直流電機11、直流電源12、指令發(fā)送部13、輸出傳感器14、電流傳感器15、控制器16、驅(qū)動器19以及斬波器20。

直流電機11具有額定電壓以及額定電流。直流電機11具有主磁極111和至少一個電樞112。在實施例中，直流電機具有一個電樞112。電樞112為直流電機的轉(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控制，與電樞繞組的控制相互獨立。如果主磁極為并勵勵磁方式，則并勵的勵磁繞組由單獨的橋式可逆斬波器以及與直流電源12電壓相同的直流電源和單獨的驅(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個相互獨立的電刷。2j個電刷均勻分布在直流電機的由換向片構(gòu)成的換向器上，與直流電機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)的恒定電壓，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16接收。

電流傳感器15檢測直流電源12與斬波單元201的連接線電流值，并輸出相對應(yīng)的電流反饋信號。電流反饋信號被控制器16接收。

控制器16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15的電流反饋信號計算驅(qū)動器的運行控制信號17和電機控制信號18。

驅(qū)動器19在運行控制信號17控制下進入工作狀態(tài)，并根據(jù)電機控制信號18產(chǎn)生驅(qū)動斬波器20工作的驅(qū)動信號。驅(qū)動器19具有j個相互獨立的驅(qū)動單元191。

斬波器20在驅(qū)動器19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11。斬波器20為單管斬波器。單管斬波器為降壓斬波器、升壓斬波器或者升降壓斬波器。在本實施例中，斬波器20為降壓斬波器。

斬波器20具有與其中一個電刷組中的j個電刷一一對應(yīng)的斬波單元201。每個斬波單元201具有一個功率開關(guān)管2011以及與該功率開關(guān)管反向串聯(lián)連接的二極管2012，共同向?qū)?yīng)的電刷提供線電流。

功率開關(guān)管2011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，功率開關(guān)管2011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)。

本實施例中，預(yù)定控制規(guī)則為：規(guī)定每一個驅(qū)動單元191和對應(yīng)連接的一個斬波單元201、一個電刷和兩個電樞繞組支路1121構(gòu)成一個主電路單元，在j個電流傳感器15中，如果有一個電流反饋信號連續(xù)為零而其它電流反饋信號都為非零時，控制器判斷為對應(yīng)的主電路單元發(fā)生故障，控制器16輸出運行控制信號17使得對應(yīng)的驅(qū)動單元191進入停止?fàn)顟B(tài)；如果有一個電流反饋信號連續(xù)大于其他電流反饋信號平均值的1.5倍以上時，控制器16判斷對應(yīng)的主電路單元為短路故障，控制器16輸出運行控制信號17使得對應(yīng)的驅(qū)動單元191進入停止?fàn)顟B(tài)，從而將故障對應(yīng)的主電路單元進行屏蔽隔離，避免故障的進一步擴大。

實施例的作用與效果

根據(jù)本實施例提供的電動驅(qū)動裝置以及電動設(shè)備，驅(qū)動器包含了j個相互獨立且參數(shù)相同的驅(qū)動單元，直流電機具有2j個相互獨立并且由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、分別位于電樞繞組支路的兩側(cè)并且與換向片相接觸的2組電刷組，每個電刷組包含j個相互獨立的電刷，斬波器具有j個與對應(yīng)電刷組的j個電刷一一對應(yīng)連接的斬波單元，因此任意兩個斬波單元輸出的線電流是相互獨立、互不干擾的，進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。

每一個驅(qū)動單元對應(yīng)連接著一個斬波單元、一個電刷和兩個電樞繞組支路，當(dāng)任意一個驅(qū)動單元、斬波單元、電刷或電樞繞組支路產(chǎn)生故障時，本實施例的電動驅(qū)動容錯裝置以及電動設(shè)備通過計算電流傳感器檢測到的電流值并判斷出發(fā)生故障的驅(qū)動單元、斬波單元、電刷或電樞繞組支路后，控制器輸出運行控制信號令對應(yīng)的驅(qū)動單元停止工作，從而將損壞的驅(qū)動單元、斬波單元、電刷或電樞繞組支路進行屏蔽隔離，避免故障的進一步擴大，保證電動驅(qū)動裝置和電動設(shè)備可以繼續(xù)正常工作或輕載運行，大幅度地減小了電動設(shè)備、特別是高速運行的電動設(shè)備安全事故發(fā)生的概率。

此外，本實施例的電動驅(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)動機而應(yīng)用于目前無法采用電動機的重型機車上，如卡車、推土機、挖土機等重型機車等，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)了低壓大電流的電動驅(qū)動裝置的國產(chǎn)化。而且與交流電機驅(qū)動裝置相比較，系統(tǒng)性能更加優(yōu)越。

另外，在不需要回饋制動工作回路的環(huán)境下，本實施例使用的降壓斬波器相對于半橋和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。

因此，本實施例的電動驅(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。

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。

另外，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，直流電源是一個整體或具有j個與j個斬波單元一一對應(yīng)連接且相互獨立的電源單元。當(dāng)直流電源具有j個相互獨立的電源單元時，每個電源單元的輸出電流相對于直流電源總電流來說較小，電源單元與斬波器之間的連接線、連接線與電源單元的連接件、連接線與斬波器的連接件，對接觸電阻和絕緣的要求較低，不但降低了生產(chǎn)的難度和成本，還有助于提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

當(dāng)電源單元為電池組且具有j個相互獨立的電池單元時，電池單元內(nèi)的電池單體可以不需要并聯(lián)技術(shù)，僅僅采用串聯(lián)技術(shù)即可滿足要求，消除多個電池單體并聯(lián)后產(chǎn)生的電池均衡問題，也免除了為減小多個電池單體的不一致性而產(chǎn)生的費用。在供電方面，由多個相對小容量的串聯(lián)電池單元代替了單個的大容量的串并聯(lián)電池組，在電池單體數(shù)量相同的情況下，減小了電池由于并聯(lián)引起的整體性能衰減，提高了能量密度、功率、性能、耐久性和安全性，可以為電動設(shè)備的續(xù)航和性能提供更好的保障。

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。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，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。