CN111313776A - 永磁式直流电机驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁式直流电机驱动装置，包括：永磁直流电机；直流电源；以及斩波器，其中，斩波器具有m个斩波单元，每个斩波单元包含相互并联联结的第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂包含相互串联联结的第一上桥臂和第一下桥臂，第二桥臂包含相互串联联结的第二上桥臂和第二下桥臂，第一上桥臂、第一下桥臂、第二上桥臂以及第二下桥臂分别包含至少一个功率开关管以及与功率开关管反向并联联结的二极管，m对电源输出端子的输出电流都含有电流纹波，永磁直流电机包括：机壳；m对电刷；定子；以及转子，m对外部接线端子与m对电源输出端子一一对应连接，m为不小于2的正整数。

Description

永磁式直流电机驱动装置

技术领域

本发明属于直流电机领域，特别涉及一种永磁式直流电机驱动装置。

背景技术

永磁直流电动机是由一块或多块永磁体构成磁场的直流电动机，具有体积小、效率高、结构简单以及通过改变电枢电压的方法来方便调速等优点，因而广泛应用在汽车、摩托车、电动自行车、蓄电池车、船舶以及航空中等行业中。

直流电机一般是与斩波器一起使用构成直流电机调速装置的，为了保证系统可靠性，斩波器的最大输出电流一般是电机额定电流的2到3倍。大功率高性能直流电机，特别是低压大电流直流电机，需要连续工作电流很大的斩波器，而相关的技术和产品被个别国家和公司控制和垄断，导致价格很高，而且市场上能够采购到的高性能电机用斩波器的输出电流值也仅仅是在一千安培以下，这严重制约和影响了低压大电流直流电机的发展。

斩波器是采用脉冲宽度调制技术控制功率开关管的导通和关断来改变输出电压和输出电流的，其输出电流纹波的大小与功率开关管的开关频率成反比，功率开关管的开关频率的大小与开关损耗(或温升、故障率)成正比。而电机输出转矩纹波是与电流纹波成正比的。因此，为了减小电机输出转矩纹波或者减小电流纹波，必须提高开关频率；而为了减小开关损耗，又必须降低开关频率。这一个矛盾关系影响了直流电机驱动装置的发展。导致其在数控机床等对转速和转矩纹波要求很高的装置上难以应用。

应用于国防设备中的永磁直流电动机，由于隐身的需求对振动和电磁干扰特别敏感，也就是说对电机输出转矩的纹波和电流的纹波要求特别严格。而目前，应用于大功率国防电动设备的传统型永磁直流电机已经难以应对技术日益发达的侦查技术。

基于上述原因，永磁直流电动机发展受到了制约和影响，影响了经济建设和国防建设。

发明内容

本发明是为解决上述问题而进行的，目的在于提供一种永磁式直流电机驱动装置。

为了实现上述目的，本发明采用了下述技术方案：

本发明提供了一种永磁式直流电机驱动装置，其特征在于，包括：永磁直流电机，具有额定电压；直流电源，具有与额定电压相对应的恒定电压；以及斩波器，根据驱动信号将恒定电压转换为可变电压并提供给永磁直流电机，其中，斩波器具有m个斩波单元，每个斩波单元包含相互并联联结的第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂与相对应的1对第一信号输出端子相连接，第二桥臂与相对应的1对第二信号输出端子相连接，第一桥臂包含相互串联联结的第一上桥臂和第一下桥臂，第二桥臂包含相互串联联结的第二上桥臂和第二下桥臂，第一上桥臂、第一下桥臂、第二上桥臂以及第二下桥臂分别包含至少一个功率开关管以及与功率开关管反向并联联结的二极管，每个斩波单元的第一上桥臂的功率开关管的电流输出端与第一下桥臂的功率开关管的电流输入端相互联结形成第一电源输出端，每个斩波单元的第二上桥臂的功率开关管的电流输出端与第二下桥臂的功率开关管的电流输入端相互联结形成第二电源输出端，所有斩波单元的m个第一电源输出端与所有斩波单元的m个第二电源输出端分别相对应地形成m对电源输出端子，m对电源输出端子的输出电流都含有电流纹波，永磁直流电机包括：机壳；m对电刷，固定在机壳内；定子，设置在机壳内，包含与m对电刷相对应的m对永磁式的主磁极；以及转子，设置在定子内，包含采用预定的联结方式进行相互联结的多个电枢绕组，每一对主磁极含有相邻的S极性主磁极和N极性主磁极，每一对电刷中的2个电刷的位置相邻，每一对电刷含有一个与S极性主磁极相对应的S极对应电刷和一个与N极性主磁极相对应的N极对应电刷，所有S极对应电刷的引出端形成m个第一接线端，所有N极对应电刷的引出端形成m个第二接线端；或者，所有N极对应电刷的引出端形成m个第一接线端，所有S极对应电刷的引出端形成m个第二接线端，m个第一接线端与m个第二接线端分别相对应地形成m对外部接线端子，m对外部接线端子与m对电源输出端子一一对应连接，m为不小于2的正整数。

本发明提供的永磁式直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，m对电源输出端子的输出电流的电流纹波的频率都相同。

本发明提供的永磁式直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，m对电源输出端子的输出电流的电流纹波的相位都相同。

本发明提供的永磁式直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，m对电源输出端子的输出电流的电流纹波的相位依次错开m分之一开关周期。

本发明提供的永磁式直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：驱动部，根据控制信号产生驱动信号，其中，驱动部具有由至少一个驱动单元所构成的m组信号输出端，该m组信号输出端与m个斩波单元一一对应连接。

本发明提供的永磁式直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，驱动部包含1个驱动单元，该驱动单元包含m组信号输出端；或者，驱动部包含相互独立的m个驱动单元，每个驱动单元都包含1组信号输出端并且包含1个使能控制信号输入端。

本发明提供的永磁式直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，第一上桥臂包含1个功率开关管，第一下桥臂包含1个功率开关管，第二上桥臂包含1个功率开关管，第二下桥臂包含1个功率开关管，当所有功率开关管具有相同的最大输出电流I₁，永磁直流电机的最大电流为I_max时，m满足下述条件：m＞I_max÷I₁；或者，第一上桥臂包含相互并联联结的p个功率开关管，第一下桥臂包含相互并联联结的p个功率开关管，第二上桥臂包含相互并联联结的p个功率开关管，第二下桥臂包含相互并联联结的p个功率开关管，当所有功率开关管具有相同的最大输出电流I₁，永磁直流电机的最大电流为I_max，m满足下述条件：m＞I_max÷(k×p×I₁)，p为不小于2的整数，k为并联系数，1/p<k<1。

本发明提供的永磁式直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，直流电源包含1个直流单元，该直流单元包含m对供电输出端子，该m对供电输出端子与m个斩波单元一一对应连接；或者，直流电源包含相互独立的m个直流单元，每一个直流单元包含1对供电输出端子，所有直流单元的m对供电输出端子与m个斩波单元一一对应连接。

本发明提供的永磁式直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，预定的联结方式是单叠、复叠和复波中的任意一种。

本发明提供的永磁式直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，功率开关管为半控型或全控型器件，半控型器件为普通晶闸管，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。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的永磁式直流电机驱动装置，因为所述斩波器具有m个斩波单元，每个所述斩波单元包含相互并联联结的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂与相对应的所述1对第一信号输出端子相连接，所述第二桥臂与相对应的所述1对第二信号输出端子相连接，所述第一桥臂包含相互串联联结的第一上桥臂和第一下桥臂，所述第二桥臂包含相互串联联结的第二上桥臂和第二下桥臂，所述第一上桥臂、所述第一下桥臂、所述第二上桥臂以及所述第二下桥臂分别包含至少一个功率开关管以及与所述功率开关管反向并联联结的二极管，每个所述斩波单元的所述第一上桥臂的所述功率开关管的电流输出端与所述第一下桥臂的所述功率开关管的电流输入端相互联结形成第一电源输出端，每个所述斩波单元的所述第二上桥臂的所述功率开关管的电流输出端与所述第二下桥臂的所述功率开关管的电流输入端相互联结形成第二电源输出端，所有斩波单元的m个第一电源输出端与所有斩波单元的m个第二电源输出端分别相对应地形成m对电源输出端子，所有S极对应电刷的引出端形成m个第一接线端，所有N极对应电刷的引出端形成m个第二接线端；或者，所有N极对应电刷的引出端形成m个第一接线端，所有S极对应电刷的引出端形成m个第二接线端，m个第一接线端与m个第二接线端分别相对应地形成m对外部接线端子，m对外部接线端子与m对电源输出端子一一对应连接，也就是说，永磁直流电机中每对电刷所构成的支路是相互独立的，每条支路的电流也是独立的，每条支路都能够独立工作，并由相对应的一对电源输出端子供电，即：每对电源输出端子只要承担一条支路的工作电流，只有电机额定电流的m分之一。对于额定电流很大的电机，只要m够大，每条支路的工作电流或者每对电源输出端子的输出电流就会相对应的减小，降低每个斩波单元的功率要求，故使用普通的功率开关管即可满足大功率高性能电机的要求，不仅降低了斩波器的成本，还降低了电源输出端子和外部接线端子之间的连接线和连接件，对接触电阻和绝缘的要求，降低了生产制造的难度，有助于提高系统的可靠性和安全性。

进一步，因为每个斩波单元包含第一桥臂和第二桥臂，每个桥臂包含一个功率开关管与一个与功率开关管反向并联联结的二极管，因此任意两个斩波单元输出的电流是相互独立、互不干扰的，并且采用适当的控制方法可以实现将电机在制动过程中产生的能量回馈给电源，还能够改变电流流向从而实现电机正反转，所以，本发明中的斩波器结构可靠，安全性高，实现功能多样，同时达到节约电能的目的。

而且，因为m对电源输出端子的输出电流都含有电流纹波，即输出电流含有高次谐波成分，而且每对电源输出端子的输出电流纹波是相互独立，在永磁直流电机中，输出转矩和转速的纹波又与电流纹波的叠加值相关的，通过适当的控制，每对电源输出端子的电流纹波的相位可以互不相同，引起m个电流纹波叠加后的纹波峰峰值减小，从而减小输出转矩和转速的纹波的峰峰值，进而提高永磁直流电机的性能和寿命。

综上，本发明的永磁式直流电机驱动装置结构简单、连接线短、生产工艺简单，制造容易，维修方便，生产成本和维护成本低，具有结构设计合理、简单、可靠性和安全性高等优点；能够打破国外对于功率模块、控制器和高性能电驱动装置的垄断和封锁，使得该发明不但可以应用于电动汽车、电动搬运车、轨道车、观光游览车、货车、船舶等大负荷电动设备，而且还可以提高电动设备的性能，应用于数控机床和潜艇等高性能电动设备，实现高性能电动驱动装置的国产化。

附图说明

图1为本发明的永磁式直流电机驱动装置的电路连接示意图；

图2为本发明实施例中的永磁式直流电机驱动装置的电路连接示意图；

图3为本发明实施例中的永磁直流电机的纵向剖面示意图；

图4为本发明实施例中的永磁直流电机的横向剖面电路连接示意图；

图5为本发明实施例中的永磁直流电机的电枢绕组单叠联结展开示意图；

图6为传统的永磁直流电机驱动装置的电路连接示意图；

图7为本发明实例中的永磁直流电机三对电刷的输入电流波形图；

图8为本发明实施例中的永磁直流电机的电流和传统的永磁直流电机的电流比较图；

图9为本发明实施例中的永磁直流电机的转矩和传统的永磁直流电机的转矩比较图；

图10为本发明实施例中的永磁直流电机的转速和传统的永磁直流电机的转速比较图；以及

图11为本发明的永磁式直流电机驱动装置的电路连接示意图。

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。

<实施例>

图1为本发明的永磁式直流电机驱动装置的电路连接示意图；图2为本发明实施例中的永磁式直流电机驱动装置的电路连接示意图。

如图1和图2所示，本实施例中的永磁式直流电机驱动装置100包括永磁直流电机10、斩波器20、直流电源30、指令发送部(图未示)、传感部40、控制器50以及驱动部60。

图3为本发明实施例中的永磁直流电机的纵向剖面示意图；图4为本发明实施例中的永磁直流电机的横向剖面电路连接示意图。

如图1至图4所示，永磁直流电机10具有额定电压和额定电流，包括机壳11、定子12、电刷13、转子14以及接线盒(图未示)。如图1所示，根据额定电流的值将电刷13的对数设置为m，m为不小于2的整数。如图2和图4所示，本实施例中m设置为3。

如图3和图4所示，定子12设置在机壳11内，包含m对永磁式的主磁极121。本实施例中，定子12包含3对共6个主磁极121。

如图4所示，每一对主磁极121含有分别由永磁体构成的S极性主磁极1211和N极性主磁极1212。在所有主磁极121中，相邻的2个主磁极121的极性相反。

如图1至图4所示，m对电刷13固定设置在机壳11内，且分别与m对主磁极121相对应。本实施例中，电刷13的数目为3对共6个。

如图2和图4所示，每一对电刷13含有一个与S极性主磁极1211相对应的S极对应电刷131和一个与N极性主磁极1212相对应的N极对应电刷132。每一对电刷13中的2个电刷13的位置相邻；而且，每一对电刷13与相对应的每一对主磁极121的空间位置相对应。

电刷13是窄电刷和宽电刷中的任意一种，本实施例中电刷13是窄电刷。每个电刷13包含一个电刷本体或至少两个沿电机轴向布置并在电气上并联的分开成形的电刷本体；当电刷13包含至少两个电刷本体时，能够使得每个电刷与换向器的实际接触面积增大，从而改善了电刷的换向性能。如图2至图4所示，本实施例中电刷13包含一个电刷本体。

如图1所示，每对电刷13的两个引出端分别形成第一接线端1511和第二接线端1512，所有电刷13的m个第一接线端1511与m个第二接线端1512分别相对应地形成m对外部接线端子151。

本实施例中，如图2和图4所示，第一接线端1511与第二接线端1512相对应地形成1对外部接线端子151，第一接线端1521与第二接线端1522相对应地形成1对外部接线端子152，第一接线端1531与第二接线端1532相对应地形成1对接线端子153。

图5为本发明实施例中的永磁直流电机的电枢绕组单叠联结展开示意图。

如图1至图4所示，转子14设置在定子12内，包含采用预定的联结方式进行相互联结的多个电枢绕组141，电枢绕组141的数目设置为2m×n个，预定的联结方式是单叠、复叠和复波中的任意一种。本实施例中，如图5所示，多个电枢绕组141的联结方式是单叠，相邻2个电刷13连接一条电枢绕组支路，每条电枢绕组支路含有n个电枢绕组141。

接线盒(图未示)固定在机壳11上，如图2和图4所示，3对外部接线端子151、152和153被设置在接线盒内。

如图1所示，斩波器20是根据控制器50通过驱动部60发出的驱动信号将直流电源30的恒压电压转换为平均电压可控的可变电压，并提供给永磁直流电机10。该斩波器20包括与m对电刷13分别相对应的m个斩波单元21。本实施例中，如图2所示，斩波器20包括3个斩波单元21。

每个斩波单元21包含相互串联联结的第一桥臂211和第二桥臂212，第一桥臂211包含相互串联联结的第一上桥臂2111和第一下桥臂2112，第二桥臂212包含相互串联联结的第二上桥臂2121和第二下桥臂2122，第一上桥臂2111包含1个功率开关管21111以及与功率开关管21111反向并联联结的二极管210，第一下桥臂2112包含1个功率开关管21121以及与功率开关管21121反向并联联结的二极管210，第二上桥臂2121包含1个功率开关管21211以及与功率开关管21211反向并联联结的二极管210，第二下桥臂2122包含1个功率开关管21221以及与功率开关管21221反向并联联结的二极管210，当所有第一上桥臂2111的功率开关管21111、所有第一下桥臂2112的功率开关管21121、所有第二上桥臂2121的功率开关管21211以及所有第二下桥臂2122的功率开关管21221具有相同的最大输出电流I₁，永磁直流电机10的最大电流为I_max时，m满足下述条件：m＞I_max÷I₁。最大电流I₁是功率开关管的一个重要参数，只有在这个电流值以下时，功率开关管才有可能稳定运行，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，从而损坏。

在本实施例中，所有功率开关管21111、21121、21211以及21221为半控型或全控型器件，半控型器件为普通晶闸管，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。

如图1所示，每个斩波单元21的第一上桥臂2111的功率开关管21111的电流输出端与第一下桥臂2112的功率开关管21121的电流输入端相互联结形成第一电源输出端2211，每个斩波单元21的第二上桥臂2121的功率开关管21211的电流输出端与第二下桥臂2122的功率开关管21221的电流输入端相互联结形成第二电源输出端2212。所有斩波单元21的m个第一电源输出端2211与所有斩波单元21的m个第二电源输出端2212分别相对应地形成m对电源输出端子221，该m对电源输出端子221与m对外部接线端子151一一对应连接，并且m对电源输出端子221的输出电流都含有电流纹波。

本实施例中，如图2所示，第一电源输出端2211与第二电源输出端2212相对应地形成1对电源输出端子221，第一电源输出端2221与第二电源输出端2222相对应地形成1对电源输出端子222，第一电源输出端2231与第二电源输出端2232相对应地形成1对电源输出端子223，3对电源输出端子221、222和223与3对外部接线端子151、152和153一一对应连接。

如图1和图2所示，直流电源30具有与永磁直流电机10的额定电压相对应的恒定电压，具有与m个斩波单元一一对应连接的m对供电输出端子。本实施例中，直流电源30包含1个直流单元31，该直流单元31包含m个正极供电输出端311和m个负极供电输出端312，m个正极供电输出端311和m个负极供电输出端312分别相对应地形成m对供电输出端子。

指令发送部(图未示)发送与永磁直流电机10输出的位移、转速或转矩相对应的指令信号。

如图1和图2所示，传感部40用于对永磁直流电机10的物理量进行检测并输出反馈信号给控制部50。该传感部40包括输出传感器41以及电流传感器42。

输出传感器41对永磁直流电机10输出的位移、转速或转矩进行检测并输出相对应的输出反馈信号给控制部50。

电流传感器42对永磁直流电机10中的电刷引出线的线电流值进行检测并输出相对应的电流反馈信号给控制部50。

如图1和图2所示，控制器50根据指令发送部的指令信号以及传感部40的输出反馈信号和电流反馈信号计算并输出电机控制信号51和使能控制信号52给驱动部60。该控制器50包含1个电机控制信号输出端以及1个使能控制信号输出端。

如图1和图2所示，驱动部60在使能控制信号52的控制下进入工作状态，并根据电机控制信号51产生驱动斩波器20进行工作的驱动信号。本实施例中，驱动部60包含1个驱动单元61，该驱动单元61包含1个电机控制信号输入端、1个使能控制信号输入端以及m组信号输出端611。

电机控制信号输入端和使能控制信号输入端分别与控制器50的电机信号输出端和使能控制信号输出端相对应连接，m组信号输出端611与m个斩波单元21一一对应连接，具体为：信号输出端6111与相对应的第一上桥臂2111的功率开关管21111相连接，信号输出端6112与相对应的第一下桥臂2112的功率开关管21121相连接，信号输出端6121与相对应的第二上桥臂2121的功率开关管21211相连接，信号输出端6122与相对应的第二下桥臂2122的功率开关管21221相连接，从而实现对每个斩波单元21的电源输出端子221的输出电流的电流纹波进行控制，使得m对电源输出端子221的输出电流的电流纹波的频率和相位都相同，或者m对电源输出端子221的输出电流的电流纹波的频率都相同，但相位依次错开m分之一开关周期。

图6为传统的永磁式直流电机驱动装置连接示意图；图7为本发明实例中的永磁直流电机三对电刷的输入电流波形图；图8为本发明实施例中的永磁直流电机的电流和传统的永磁直流电机的电流比较图；图9为本发明实施例中的永磁直流电机的转矩和传统的永磁直流电机的转矩比较图；图10为本发明实施例中的永磁直流电机的转速和传统的永磁直流电机的转速比较图。

如图6所示，传统的永磁直流电机驱动装置600中的永磁直流电机的外部接线端子只有1对外部接线端子，该1对外部接线端子与斩波器的1对电源输出端子对应电气连接。

在稳定状态下，电流纹波的峰峰值为最大值和最小值之差，纹波系数为峰峰值与平均值的百分比。下面以输出电流的电流纹波的频率都相同但相位依次错开1/3开关周期的三对电源输出端子221、222和223并且斩波器的开关频率为1千赫兹为例，进行说明。

如图7所示，本实施例中的永磁直流电机10的三个电刷A1B1、A2B2和A3B3的输入电流的电流纹波的峰峰值都等于99.32-87.36＝11.96安培，平均值都等于93.33安培，纹波系数都等于11.96/93.33×100％＝12.8％。

如图8所示，在稳定状态下，本实施例中的永磁直流电机10的电流纹波的峰峰值等于281.96-278.00＝3.96安培，平均值等于279.98安培，纹波系数都等于3.96/279.98×100％＝1.41％。传统的永磁直流电机的电流纹波的峰峰值等于297.95-261.99＝35.96安培，平均值等于279.98安培，纹波系数等于3.96/279.98×100％＝12.8％。虽然本实施例中的永磁直流电机10和传统的永磁直流电机的电流平均值相同，但是本实施例中的永磁直流电机10的电流纹波的峰峰值和纹波系数都只有传统的永磁直流电机的九分之一。

已知，永磁直流电机的电磁转矩和运动方程如下

其中，T_em为电磁转矩；C_T为转矩常数；Φ为主磁场的磁通；I_a电枢电流；T_load为负载转矩；J为负载的转动惯量，为常数；Ω为输出角速度。

在本实施例中，永磁直流电机的输入电流等于电枢电流，永磁直流电机的额定电流是电机在额定工作状态下的最大输入电流。

在式(1)中，电磁转矩T_em与电枢电流I_a和主磁场的磁通Φ乘积成正比，直流电机的主磁场是由永磁体激励的，根据式(1)可知，电磁转矩T_em与电枢电流I_a成正比。电枢电流I_a的纹波系数将导致电磁转矩T_em产生更大的纹波系数、输出角速度Ω的脉动或纹波更大，进而导致驱动装置的性能更差。

在本实施例中，在稳定状态下，如图9所示，本实施例中的永磁直流电机10的转矩纹波的峰峰值等于79503.7-77281.1＝2222.6N·m，平均值都等于78390.9N·m，纹波系数都等于2.84％。传统的永磁直流电机的转矩纹波的峰峰值等于88776.6-68639.9＝20136.7N·m，平均值等于78497.4N·m，纹波系数等于25.65％。

如图10所示，在稳定状态下，本实施例中的永磁直流电机10的转速纹波的峰峰值等于1725.5157-1725.5142＝0.0015转/分钟，平均值等于1725.515转/分钟，纹波系数等于0.000087％。传统的永磁直流电机的转速纹波的峰峰值等于1725.535-1725.4949＝0.0401转/分钟，平均值等于1725.515转/分钟，纹波系数等于0.002324％。虽然本实施例中的永磁直流电机10和传统的永磁直流电机的转速平均值相同，但是本实施例中的永磁直流电机10的转速纹波的峰峰值和纹波系数与传统的永磁直流电机的比值为1/26.7。

也就是说，本实施例中的永磁直流电机10尽管和传统的永磁直流电机的转矩平均值基本相同，但是本实施例中的永磁直流电机10的转矩的纹波的峰峰值和纹波系数都只有传统的永磁直流电机的九分之一，减小电机的输出转矩的纹波的峰峰值和纹波系数，进而减小电机输出转速的的纹波的峰峰值和纹波系数，本实施例中的永磁直流电机转速纹波系数只有传统的永磁直流电机的二十六分之一，最终实现减小电机的电磁干扰、振动和噪声，提高永磁直流电机和驱动装置的性能的目的。

实施例作用与效果

根据本实施例所涉及的永磁式直流电机驱动装置，因为斩波器具有m个斩波单元，每个斩波单元包含相互串联联结的上桥臂和下桥臂，上桥臂包含1个功率开关管，下桥臂包含1个二极管，每个斩波单元的上桥臂的电流输出端与下桥臂的电流输出端相互联结形成第一电源输出端，每个斩波单元的下桥臂的电流输入端形成第二电源输出端，所有斩波单元的m个第一电源输出端与所有斩波单元的m个第二电源输出端分别相对应地形成m对电源输出端子，所有S极对应电刷的引出端形成m个第一接线端，所有N极对应电刷的引出端形成m个第二接线端；或者，所有N极对应电刷的引出端形成m个第一接线端，所有S极对应电刷的引出端形成m个第二接线端，m个第一接线端与m个第二接线端分别相对应地形成m对外部接线端子，m对外部接线端子与m对电源输出端子一一对应连接，也就是说，永磁直流电机中每对电刷所构成的支路是相互独立的，每条支路的电流也是独立的，每条支路都能够独立工作，并由相对应的一对电源输出端子供电，即：每对电源输出端子只要承担一条支路的工作电流，只有电机额定电流的m分之一。对于额定电流很大的电机，只要m够大，每条支路的工作电流或者每对电源输出端子的输出电流就会相对应的减小，降低每个斩波单元的功率要求，故使用普通的功率开关管即可满足大功率高性能电机的要求，不仅降低了斩波器的成本，还降低了电源输出端子和外部接线端子之间的连接线和连接件，对接触电阻和绝缘的要求，降低了生产制造的难度，有助于提高系统的可靠性和安全性。

进一步，因为每个斩波单元包含第一桥臂和第二桥臂，每个桥臂包含一个功率开关管与一个与功率开关管反向并联联结的二极管，因此任意两个斩波单元输出的电流是相互独立、互不干扰的，并且采用适当的控制方法可以实现将电机在制动过程中产生的能量回馈给电源，还能够改变电流流向从而实现电机正反转，所以，本发明中的斩波器结构可靠，安全性高，实现功能多样，同时达到节约电能的目的。

而且，因为m对电源输出端子的输出电流都含有电流纹波，即输出电流含有高次谐波成分，而且每对电源输出端子的输出电流纹波是相互独立，在永磁直流电机中，输出转矩和转速的纹波又与电流纹波的叠加值相关的，通过适当的控制，每对电源输出端子的电流纹波的相位可以互不相同，引起m个电流纹波叠加后的纹波峰峰值减小，从而减小输出转矩和转速的纹波的峰峰值，进而提高永磁直流电机的性能和寿命。

综上，本实施例的永磁式直流电机驱动装置结构简单、连接线短、生产工艺简单，制造容易，维修方便，生产成本和维护成本低，具有结构设计合理、简单、可靠性和安全性高等优点；能够打破国外对于功率模块、控制器和高性能电驱动装置的垄断和封锁，使得该发明不但可以应用于电动汽车、电动搬运车、轨道车、观光游览车、货车、船舶等大负荷电动设备，而且还可以提高电动设备的性能，应用于数控机床和潜艇等高性能电动设备，实现高性能电动驱动装置的国产化。

<变形例>

在本变形例中，对于和实施例相同的结构，给予相同的符号并省略相同的说明。

图11为本发明的永磁式直流电机驱动装置的电路连接示意图。

如图11所示，本变形例中的永磁式直流电机驱动装置200包括包括永磁直流电机10、斩波器220、直流电源230、指令发送部(图未示)、传感部40、控制器250以及驱动部260。

如图11所示，斩波器220包括与m对电刷分别相对应的m个斩波单元221。每个斩波单元221包含相互串联联结的第一桥臂2211和第二桥臂2212，第一桥臂2211包含相互串联联结的第一上桥臂22111和第一下桥臂22112，第二桥臂2212包含相互串联联结的第二上桥臂22121和第二下桥臂22122，第一上桥臂22111包含p个功率开关管221111以及与功率开关管221111反向并联联结的二极管210，第一下桥臂22112包含p个功率开关管221121以及与功率开关管221121反向并联联结的二极管210，第二上桥臂22121包含p个功率开关管221211以及与功率开关管221211反向并联联结的二极管210，第二下桥臂22122包含p个功率开关管221221以及与功率开关管221221反向并联联结的二极管210，p为不小于2的整数。在本变形例中，p为2-4，并联的技术成熟、可靠，可以适当减少m的数量，减少生产制造中的工作量和复杂程度，提高产品的性价比。当所有第一上桥臂22111的功率开关管221111、所有第一下桥臂22112的功率开关管221121、所有第二上桥臂22121的功率开关管221211以及所有第二下桥臂22122的功率开关管221221具有相同的最大输出电流I₁，永磁直流电机10的最大电流为I_max，m满足下述条件：m＞I_max÷(k×p×I₁)，k为并联系数，1/p<k<1。

每个斩波单元221的第一上桥臂22111的功率开关管221111的电流输出端与第一下桥臂22112的功率开关管221121的电流输入端相互联结形成第一电源输出端2211，每个斩波单元221的第二上桥臂22121的功率开关管221211的电流输出端与第二下桥臂22122的功率开关管221221的电流输入端相互联结形成第二电源输出端2212。所有斩波单元221的m个第一电源输出端22211与所有斩波单元221的m个第二电源输出端22212分别相对应地形成m对电源输出端子2221，该m对电源输出端子2221与m对外部接线端子151一一对应连接，并且m对电源输出端子2221的输出电流都含有电流纹波。

如图11所示，直流电源230包含相互独立的m个直流单元231，每一个直流单元231都包含1个正极供电输出端2311和1个负极供电输出端2312，m个正极供电输出端2311和m个负极供电输出端2312分别相对应地形成m对供电输出端子，该m对供电输出端子与m个斩波单元221一一对应连接。

如图11所示，控制器250根据直流发送部的指令信号以及传感部40的输出反馈信号和电流反馈信号计算并输出m个电机控制信号251和m个使能控制信号252给驱动部260。

如图11所示，驱动部260包含相互独立的m个驱动单元261，每个驱动单元261都包含1个电机控制信号输入端、1个使能控制信号输入端以及1组信号输出端2611。所有驱动单元261的m个电机信号控制输入端与m个电机控制信号251一一对应连接，所有驱动单元261的m个使能控制信号输入端与m个使能控制信号输出端一一对应连接，驱动单元261的m组信号输出端2611与m个斩波单元221一一对应连接，具体为：信号输出端6111与相对应的第一上桥臂2111的功率开关管21111相连接，信号输出端6112与相对应的第一下桥臂2112的功率开关管21121相连接，信号输出端6121与相对应的第二上桥臂2121的功率开关管21211相连接，信号输出端6122与相对应的第二下桥臂2122的功率开关管21221相连接，从而使得驱动单元261在相对应的使能控制信号252的控制下进入工作状态，并根据相对应的电机控制信号251产生驱动相对应的斩波单元221进行工作的驱动信号。

在本变形例中，因为斩波单元的第一上桥臂、第一下桥臂、第二上桥臂以及第二下桥臂包含相互并联连接的p个功率开关管，p为不小于2的整数，所以，在电机的额定电流一定的情况下，相对于p等于1的情况，特别是p为2-4这种情况，由于技术相对可靠稳定，能够在一定程度上增大每个斩波单元的输出电流，进而能够相应的减小m的数值，不仅可以减少电刷个数，减少电机的电源线数量和斩波单元输出线的数量，减轻维修和维护难度，而且还适当降低生产成本。而且还可以增加散热面积，减小温升，提高可靠性和寿命。

另外，因为直流电源包含m个直流单元，每个直流单元包含1对供电输出端子，所以，当某一个直流单元的供电输出端子或者连接线出现故障时，只需要把故障所在部分屏蔽即可，其他正常部分依然可以工作，不但避免出现传统永磁直流电机的突然失控现象，提高了系统的可靠性和安全性，而且有效输出转矩较大。并且，在供电方面，由多个独立相对小容量的直流单元代替了单个的大容量直流电源，与传统并联电池组相比，在电源单体数量相同的情况下，减小了电源由于并联引起的整体性能衰减，提高了能量密度、功率、性能、耐久性和安全性，可以为电动设备的续航和性能提供更好的保障。

此外，因为驱动部包含m个驱动单元，所以，每一个驱动单元对应连接着一个斩波单元中的桥臂单元、一个电刷和两个电枢绕组支路，当任意一个驱动单元、斩波单元、电刷或电枢绕组支路产生故障时，本发明的永磁式直流电机驱动装置通过计算电流传感器检测到的电流值并判断出发生故障的驱动单元、斩波单元、电刷或电枢绕组支路后，控制器输出运行控制信号令对应的驱动单元停止工作，从而将损坏的驱动单元、斩波单元、电刷或电枢绕组支路进行屏蔽隔离，避免故障的进一步扩大，保证电动驱动装置和电动设备可以继续正常工作或轻载运行，大幅度地减小了电动设备、特别是高速运行的电动设备安全事故发生的概率。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

例如，在上述实施方式中，功率开关管反向并联联结1个二极管。但是，在本发明中，功率开光也可以反向并联联结的多个二极管，在这种情况下，当任意一个二极管发生故障时，其余二极管也可正常工作，有助于提高系统的可靠性和安全性。

又如，当驱动部仅包含一个驱动单元时，若需要本发明的永磁式直流电机驱动系统正常工作，该驱动单元必须处于工作模式，因此，也可以不对驱动部施加使能控制信号。

又如，在对永磁直流电机稳态运行时的电枢电流、转速以及转矩要求精度较高的场合下，m也可根据相应的电枢电流、转速以及转矩纹波的峰峰值与纹波系数设置。

再如，根据实际需要，可以将直流电源230和/或驱动部260应用到驱动装置100中，也可以将直流电源30和/或驱动部60应用到驱动装置200中。

Claims (10)

1.一种永磁式直流电机驱动装置，其特征在于，包括：

永磁直流电机，具有额定电压；

直流电源，具有与所述额定电压相对应的恒定电压；以及

斩波器，根据驱动信号将所述恒定电压转换为可变电压并提供给所述永磁直流电机，

其中，所述斩波器具有m个斩波单元，

每个所述斩波单元包含相互并联联结的第一桥臂和第二桥臂，

所述第一桥臂与相对应的所述1对第一信号输出端子相连接，

所述第二桥臂与相对应的所述1对第二信号输出端子相连接，

所述第一桥臂包含相互串联联结的第一上桥臂和第一下桥臂，

所述第二桥臂包含相互串联联结的第二上桥臂和第二下桥臂，

所述第一上桥臂、所述第一下桥臂、所述第二上桥臂以及所述第二下桥臂分别包含至少一个功率开关管以及与所述功率开关管反向并联联结的二极管，

每个所述斩波单元的所述第一上桥臂的所述功率开关管的电流输出端与所述第一下桥臂的所述功率开关管的电流输入端相互联结形成第一电源输出端，

每个所述斩波单元的所述第二上桥臂的所述功率开关管的电流输出端与所述第二下桥臂的所述功率开关管的电流输入端相互联结形成第二电源输出端，

所有所述斩波单元的m个所述第一电源输出端与所有所述斩波单元的m个所述第二电源输出端分别相对应地形成m对电源输出端子，

所述m对电源输出端子的输出电流都含有电流纹波，

所述永磁直流电机包括：

机壳；

m对电刷，固定在所述机壳内；

定子，设置在所述机壳内，包含与m对所述电刷相对应的m对永磁式的主磁极；以及

转子，设置在所述定子内，包含采用预定的联结方式进行相互联结的多个电枢绕组，

每一对所述主磁极含有相邻的S极性主磁极和N极性主磁极，

每一对所述电刷中的2个所述电刷的位置相邻，

每一对所述电刷含有一个与S极性主磁极相对应的S极对应电刷和一个与N极性主磁极相对应的N极对应电刷，

所有所述S极对应电刷的引出端形成m个第一接线端，所有所述N极对应电刷的引出端形成m个第二接线端；或者，所有所述N极对应电刷的引出端形成m个第一接线端，所有所述S极对应电刷的引出端形成m个第二接线端，

所述m个第一接线端与所述m个第二接线端分别相对应地形成m对外部接线端子，

所述m对外部接线端子与所述m对电源输出端子一一对应连接，

所述m为不小于2的正整数。

2.根据权利要求1所述的永磁式直流电机驱动装置，其特征在于：

其中，所述m对电源输出端子的所述输出电流的所述电流纹波的频率都相同。

3.根据权利要求2所述的永磁式直流电机驱动装置，其特征在于：

其中，所述m对电源输出端子的所述输出电流的所述电流纹波的相位都相同。

4.根据权利要求2所述的永磁式直流电机驱动装置，其特征在于：

其中，所述m对电源输出端子的所述输出电流的所述电流纹波的相位依次错开m分之一开关周期。

5.根据权利要求1所述的永磁式直流电机驱动装置，其特征在于，还包括：

驱动部，根据控制信号产生所述驱动信号，

其中，所述驱动部具有由至少一个驱动单元所构成的m组信号输出端，该m组信号输出端与所述m个斩波单元一一对应连接。

6.根据权利要求5所述的永磁式直流电机驱动装置，其特征在于：

其中，所述驱动部包含1个所述驱动单元，该驱动单元包含m组所述信号输出端；或者，

所述驱动部包含相互独立的m个所述驱动单元，每个所述驱动单元都包含1组所述信号输出端并且包含1个使能控制信号输入端。

7.根据权利要求1所述的永磁式直流电机驱动装置，其特征在于：

其中，所述第一上桥臂包含1个所述功率开关管，所述第一下桥臂包含1个所述功率开关管，所述第二上桥臂包含1个所述功率开关管，所述第二下桥臂包含1个所述功率开关管，当所有所述功率开关管具有相同的最大输出电流I₁，所述永磁直流电机的最大电流为I_max时，所述m满足下述条件：m＞I_max÷I₁；或者，

所述第一上桥臂包含相互并联联结的p个所述功率开关管，所述第一下桥臂包含相互并联联结的p个所述功率开关管，所述第二上桥臂包含相互并联联结的p个所述功率开关管，所述第二下桥臂包含相互并联联结的p个所述功率开关管，当所有所述功率开关管具有相同的最大输出电流I₁，所述永磁直流电机的最大电流为I_max，所述m满足下述条件：m＞I_max÷(k×p×I₁)，所述p为不小于2的整数，所述k为并联系数，1/p<k<1。

8.根据权利要求1所述的永磁式直流电机驱动装置，其特征在于：

其中，所述直流电源包含1个直流单元，该直流单元包含m对供电输出端子，该m对供电输出端子与所述m个斩波单元一一对应连接；或者，

所述直流电源包含相互独立的m个直流单元，每一个所述直流单元包含1对供电输出端子，所有所述直流单元的m对供电输出端子与所述m个斩波单元一一对应连接。

9.根据权利要求1所述的永磁式直流电机驱动装置，其特征在于：

其中，所述预定的联结方式是单叠、复叠和复波中的任意一种。

10.根据权利要求1所述的永磁式直流电机驱动装置，其特征在于：

其中，所述功率开关管为半控型或全控型器件，所述半控型器件为普通晶闸管，所述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。

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