CN113078858A - 他励式直流电机驱动装置以及电动设备 - Google Patents

他励式直流电机驱动装置以及电动设备 Download PDF

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CN113078858A CN202010004342.6A CN202010004342A CN113078858A CN 113078858 A CN113078858 A CN 113078858A CN 202010004342 A CN202010004342 A CN 202010004342A CN 113078858 A CN113078858 A CN 113078858A
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Abstract

本发明提供一种他励式直流电机驱动装置以及电动设备。本发明提供的他励式直流电机驱动装置包括：他励直流电机；直流电源；控制部；电枢斩波器；以及励磁斩波器，其中，电枢斩波器具有m个电枢斩波单元，励磁斩波器具有m个励磁斩波单元，控制部包括控制器以及电枢放大器和励磁放大器，电枢放大器由与m个电枢斩波单元分别相对应的m个电枢放大单元所构成，励磁放大器由与m个励磁斩波单元分别相对应的m个励磁放大单元所构成，电枢控制信号包含分别与m个电枢放大单元相对应的m个电枢开关控制信号，励磁控制信号包含分别与m个励磁放大单元相对应的m个励磁开关控制信号，m为不小于2的正整数。

Description

他励式直流电机驱动装置以及电动设备
技术领域
本发明属于直流电机领域，特别涉及一种他励式直流电机驱动装置以及包含该他励式直流电机驱动装置的电动设备。
背景技术
他励直流电机的励磁绕组与电枢绕组分别由两个斩波器供电，励磁电流单独控制，与电枢电流无关。因而他励直流电机控制方便，容易实现调速、正反转和能量回馈，广泛应用于电动叉车、电动汽车、电动观光车、电动牵引车、大型机床主轴传动系统和船舶等中。
如图12所示，传统的他励式直流电机驱动装置200是由他励直流电机以及电枢斩波器和励磁斩波器构成，他励直流电机的外部接线端子只有一对电枢外部接线端子和一对励磁外部接线端子，一对电枢外部接线端子与电枢斩波器的一对电枢电源输出端子对应电气连接，一对励磁外部接线端子与励磁斩波器的一对励磁电源输出端子对应电气连接。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2～3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，但是，相关斩波器中的开关器件价格昂贵，而且市场上能够采购到的高性能电机用斩波器的最大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。
传统的他励式直流电机驱动装置在长时间的工作过程中，由于直流电源、斩波器、他励直流电机、连接线和接触件都有可能由于发热和老化等问题发生故障，其中的任何一个部件发生故障都将导致传统的他励式直流电机驱动装置无法工作，从而引起故障和事故。例如对于行驶在高速公路上的安装了他励式直流电机驱动装置的电动汽车来说，由于故障引起他励式直流电机驱动装置无法工作将导致电动汽车失控甚至导致重大的人身安全事故。
基于上述原因，他励直流电动机驱动装置中的任何一个部件的故障都将导致他励式直流电机驱动装置无法工作，引起严重的问题和后果，进而影响了包括电动车、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等电动设备的发展。
发明内容
本发明是为解决上述问题而进行的，目的在于提供一种他励式直流电机驱动装置以及包含该他励式直流电机驱动装置的电动设备。
为了实现上述目的，本发明采用了下述技术方案：
<结构一>
本发明提供了一种他励式直流电机驱动装置，其特征在于，包括：他励直流电机，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；控制部，生成电枢控制信号和励磁控制信号；电枢斩波器，基于电枢控制信号将恒定电压转换为电枢可变电压并提供给他励直流电机；以及励磁斩波器，基于励磁控制信号将恒定电压转换为励磁可变电压并提供给他励直流电机，其中，电枢斩波器具有m个电枢斩波单元，励磁斩波器具有m个励磁斩波单元，控制部包括控制器以及电枢放大器和励磁放大器，电枢放大器由与m个电枢斩波单元分别相对应的m个电枢放大单元所构成，励磁放大器由与m个励磁斩波单元分别相对应的m个励磁放大单元所构成，控制器生成电枢控制信号和励磁控制信号，电枢控制信号包含分别与m个电枢放大单元相对应的m个电枢单元控制信号，m个电枢放大单元分别对m个电枢单元控制信号进行放大并对应地提供给m个电枢斩波单元，励磁控制信号包含分别与m个励磁放大单元相对应的m个励磁单元控制信号，m个励磁放大单元分别对m个励磁单元控制信号进行放大并对应地提供给m个励磁斩波单元，每个电枢斩波单元具有第一电枢电源输出端和第二电枢电源输出端，所有电枢斩波单元的m个第一电枢电源输出端与m个第二电枢电源输出端分别相对应地形成m对电枢电源输出端子，每个励磁斩波单元具有第一励磁电源输出端和第二励磁电源输出端，所有励磁斩波单元的m个第一励磁电源输出端与m个第二励磁电源输出端分别相对应地形成m对励磁电源输出端子，他励直流电机包括：m对电刷；定子，包含与m对电刷相对应的m对主磁极并且包含一个励磁绕组部；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S极性主磁极和N极性主磁极，相邻的两个主磁极的极性不同，每一对电刷中的两个电刷的位置相邻，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，励磁绕组部含有m个励磁绕组单元，该m个励磁绕组单元与m对主磁极分别相对应，每一个励磁绕组单元通过由包裹有绝缘层的导体构成的绝缘导体在相对应的一对主磁极上分别制成励磁线圈而形成，每个励磁绕组单元中的绝缘导体具有一端和另一端，每对电刷的两个引出端分别形成第一电枢接线端和第二电枢接线端，所有电刷的m个第一电枢接线端与m个第二电枢接线端分别相对应地形成m对电枢外部接线端子，m对电枢外部接线端子与m对电枢电源输出端子一一对应连接，所有绝缘导体的m个一端形成m个第一励磁接线端，所有绝缘导体的m个另一端形成m个第二励磁接线端，m个第一励磁接线端与m个第二励磁接线端分别相对应地形成m对励磁外部接线端子，m对励磁外部接线端子与m对励磁电源输出端子一一对应连接，m为不小于2的正整数。
本发明提供的他励式直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，每个电枢斩波单元包含电枢上桥臂和电枢下桥臂，电枢上桥臂与电枢下桥臂相互串联连接，电枢上桥臂与直流电源的正极相连接，电枢下桥臂与直流电源的负极相连接，电枢上桥臂包含至少一个电枢功率开关管，电枢下桥臂包含至少一个二极管，第一电枢电源输出端设置在电枢上桥臂与电枢下桥臂之间，第二电枢电源输出端设置在电枢下桥臂与电枢直流电源相连接的端部。
本发明提供的他励式直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，每个电枢斩波单元包含电枢上桥臂和电枢下桥臂，电枢上桥臂与电枢下桥臂相互串联连接，电枢上桥臂与电枢直流电源的正极相连接，电枢下桥臂与电枢直流电源的负极相连接，电枢上桥臂和电枢下桥臂分别包含至少一个电枢功率开关管以及与电枢功率开关管反向并联连接的至少一个二极管。第一电枢电源输出端设置在电枢上桥臂与电枢下桥臂之间，第二电枢电源输出端设置在电枢下桥臂与电枢直流电源相连接的端部。
本发明提供的他励式直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，每个电枢斩波单元包含第一电枢桥臂和第二电枢桥臂，第一电枢桥臂包含相互串联连接的第一电枢上桥臂和第一电枢下桥臂，第二电枢桥臂包含相互串联连接的第二电枢上桥臂和第二电枢下桥臂，第一电枢桥臂与第二电枢桥臂相互并联连接，第一电枢上桥臂和第二电枢上桥臂都与电枢直流电源的正极相连接，第一电枢下桥臂和第二电枢下桥臂都与电枢直流电源的负极相连接，第一电枢上桥臂、第一电枢下桥臂、第二电枢上桥臂以及第二电枢下桥臂分别包含至少一个电枢功率开关管以及与电枢功率开关管反向并联连接的至少一个二极管，第一电枢电源输出端设置在第一电枢上桥臂与第一电枢下桥臂之间，第二电枢电源输出端设置在第二电枢上桥臂与第二电枢下桥臂之间。
本发明提供的他励式直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，每个励磁斩波单元包含励磁上桥臂和励磁下桥臂，励磁上桥臂与励磁下桥臂相互串联连接，励磁上桥臂与励磁直流电源的正极相连接，励磁下桥臂与励磁直流电源的负极相连接，励磁上桥臂包含至少一个励磁功率开关管，励磁下桥臂包含至少一个二极管，第一励磁电源输出端设置在励磁上桥臂与励磁下桥臂之间，第二励磁电源输出端设置在励磁下桥臂与励磁直流电源相连接的端部。
本发明提供的他励式直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，每个励磁斩波单元包含第一励磁桥臂和第二励磁桥臂，第一励磁桥臂包含相互串联连接的第一励磁上桥臂和第一励磁下桥臂，第二励磁桥臂包含相互串联连接的第二励磁上桥臂和第二励磁下桥臂，第一励磁桥臂与第二励磁桥臂相互并联连接，第一励磁上桥臂和第二励磁上桥臂都与励磁直流电源的正极相连接，第一励磁下桥臂和第二励磁下桥臂都与励磁直流电源的负极相连接，第一励磁上桥臂、第一励磁下桥臂、第二励磁上桥臂以及第二励磁下桥臂分别包含至少一个励磁功率开关管以及与励磁功率开关管反向并联连接的至少一个二极管，第一励磁电源输出端设置在第一励磁上桥臂与第二励磁下桥臂之间，第二励磁电源输出端设置在第二电枢上桥臂与第二励磁下桥臂之间。
本发明提供的他励式直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，各个主磁极上的励磁线圈的匝数相同，每一对主磁极与相对应的一对电刷的空间位置相对应，在每个励磁绕组单元中，两个励磁线圈的连接关系是串联和并联中的任意一种，各个励磁绕组单元中的两个励磁线圈的连接关系相同。
本发明提供的他励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。
<结构二>
本发明还提供了一种电动设备，其特征在于，包括：他励式直流电机驱动装置，其中，他励式直流电机驱动装置为<结构一>的他励式直流电机驱动装置。
本发明提供的电动设备，还可以具有这样的特征：其中，电动设备为电动车、电动船、电动飞行器、电动运载设备、电动加工设备、空调中的任意一种。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的他励式直流电机驱动装置以及包含该他励式直流电机驱动装置的电动设备，因为电枢斩波器具有m个电枢斩波单元，励磁斩波器具有m个励磁斩波单元，控制部包括控制器以及电枢放大器和励磁放大器，电枢放大器由与m个电枢斩波单元分别相对应的m个电枢放大单元所构成，励磁放大器由与m个励磁斩波单元分别相对应的m个励磁放大单元所构成，控制器生成电枢控制信号和励磁控制信号，电枢控制信号包含分别与m个电枢放大单元相对应的m个电枢单元控制信号，m个电枢放大单元分别对m个电枢单元控制信号进行放大并对应地提供给m个电枢斩波单元，励磁控制信号包含分别与m个励磁放大单元相对应的m个励磁单元控制信号，m个励磁放大单元分别对m个励磁单元控制信号进行放大并对应地提供给m个励磁斩波单元，每个电枢斩波单元具有第一电枢电源输出端和第二电枢电源输出端，所有电枢斩波单元的m个第一电枢电源输出端与m个第二电枢电源输出端分别相对应地形成m对电枢电源输出端子，每个励磁斩波单元具有第一励磁电源输出端和第二励磁电源输出端，所有励磁斩波单元的m个第一励磁电源输出端与m个第二励磁电源输出端分别相对应地形成m对励磁电源输出端子，他励直流电机包括：m对电刷；定子，包含与m对电刷相对应的m对主磁极并且包含一个励磁绕组部；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S极性主磁极和N极性主磁极，相邻的两个主磁极的极性不同，每一对电刷中的两个电刷的位置相邻，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，励磁绕组部含有m个励磁绕组单元，该m个励磁绕组单元与m对主磁极分别相对应，每一个励磁绕组单元通过由包裹有绝缘层的导体构成的绝缘导体在相对应的一对主磁极上分别制成励磁线圈而形成，每个励磁绕组单元中的绝缘导体具有一端和另一端，每对电刷的两个引出端分别形成第一电枢接线端和第二电枢接线端，所有电刷的m个第一电枢接线端与m个第二电枢接线端分别相对应地形成m对电枢外部接线端子，m对电枢外部接线端子与m对电枢电源输出端子一一对应连接，所有绝缘导体的m个一端形成m个第一励磁接线端，所有绝缘导体的m个另一端形成m个第二励磁接线端，m个第一励磁接线端与m个第二励磁接线端分别相对应地形成m对励磁外部接线端子，m对励磁外部接线端子与m对励磁电源输出端子一一对应连接，m为不小于2的正整数，也就是说，每对电枢外部接线端子连接了一对电刷，并且每对励磁外部接线端子连接了一个励磁绕组单元，所以，每个励磁绕组单元所构成的励磁支路与每对电刷所构成的电枢支路是相互独立的而且每条励磁支路之间和每条电枢支路之间都是相互独立的，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独立供电，即：每对电源输出端子只要承担一条支路的工作电流，只有电机额定输入电流的m分之一，因此，即使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。
而且，因为电枢放大器由相互独立的m个电枢放大单元构成，每一个电枢放大单元对应连接着一个电枢斩波单元，励磁放大器由相互独立的m个励磁放大单元构成，每一个励磁放大单元对应连接着一个励磁斩波单元，所以，当任意一个电枢放大单元、电枢斩波单元、励磁放大单元、励磁斩波单元、连接线以及接触件由于老化与发热等原因发生故障时，本发明的他励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电枢放大单元、励磁放大单元、电枢斩波单元和励磁斩波单元后，控制器输出使能信号令对应的放大单元停止工作，从而将损坏的电枢放大单元、励磁放大单元、电枢斩波单元和励磁斩波单元进行屏蔽隔离，或者，控制器不输出控制信号给故障对应的电枢放大单元或励磁放大单元从而实现故障隔离，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。
此外，他励直流电机还可以根据需要，把m对电枢外部接线端子和m对励磁外部接线端子一一对应串联连接或并联连接，并且使得连接的一对电枢外部接线端子所对应的一对电刷和一对励磁外部接线端子所对应的一对主磁极的空间位置相对应，因此，他励直流电机可以工作在串励直流电机或并励直流电机状态。或者，也可以令空间位置相对应的一对主磁极和一对电刷分别对应的电枢控制信号和励磁控制信号相同，从而使得他励直流电机工作在并励直流电机状态。在这些情况下，当他励式直流电机驱动装置出现部分故障时，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，并且由于非故障部分的励磁绕组单元所激励磁场主要作用于空间相对应的电刷所连接的电枢绕组支路，不但可以避免出现传统电机在故障情况下的突然失控现象，提高系统的可靠性和安全性，而且在故障中，本发明电机还可以输出较大的有效转矩，使其仍维持在较好的工作状态。
综上，本发明的他励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，使得该发明不但可以应用于电动车、电动船、电动飞行器、电动运载设备、电动加工设备、空调等大负荷电动设备，而且还可以应用于数控机床和潜艇等高性能电动设备。
附图说明
图1为本发明实施例一中的他励式直流电机驱动装置的电路连接示意图；
图2为本发明实施例一中m＝3时他励式直流电机驱动装置的电路连接示意图；
图3为本发明实施例一中的他励直流电机的纵向剖面示意图；
图4为本发明实施例一中的他励直流电机的横向剖面电路连接示意图；
图5为本发明实施例一中的他励直流电机的电枢绕组单叠联结展开示意图；
图6为本发明实施例一中的他励直流电机三对电刷的输入电流波形图；
图7为本发明实施例一中的他励直流电机三对励磁绕组的输入电流波形图；
图8为本发明实施例一中的他励直流电机的电枢电流和传统的他励直流电机的电枢电流比较图；
图9为本发明实施例一中的他励直流电机的励磁电流和传统的他励直流电机的励磁电流比较图；
图10为本发明实施例一中他励直流电机的转矩和传统的他励直流电机的转矩比较图；
图11为本发明实施例一中他励直流电机的转速和传统的他励直流电机的转速比较图；
图12为传统的他励直流电机驱动装置的电路连接示意图；
图13为本发明实施例二中m＝3时他励式直流电机驱动装置的电路连接示意图；
图14为本发明实施例三中m＝3时他励式直流电机驱动装置的电路连接示意图；
图15为本发明实施例四中m＝3时他励式直流电机驱动装置的电路连接示意图；
图16为本发明实施例五中m＝3时他励式直流电机驱动装置的电路连接示意图；
图17为本发明实施例六中m＝3时他励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。
<实施例一>
如图1和图2所示，本实施例一中的他励式直流电机驱动装置100设置在电动设备如电动叉车、电动汽车、电动观光车、电动牵引车、大型机床主轴传动系统和船舶内，用于驱动电动设备。该他励式直流电机驱动装置100包括他励直流电机10、直流电源、电枢斩波器20、励磁斩波器60、传感部40以及控制部50，直流电源包含电枢直流电源30和励磁直流电源70。电枢直流电源30和励磁直流电源70可以是不同的两个直流电源，也可以是同一个直流电源。
如图1至图4所示，他励直流电机10具有电枢额定电压、励磁额定电压、电枢额定电流和励磁额定电流，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，根据电枢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，本实施例一中m设置为3。
如图1至图4所示，定子12设置在机壳11内，包含m对主磁极121并且包含一个励磁绕组部122。本实施例一中，如图4所示，定子12包含3对共6个主磁极121。
每一对主磁极121含有S极性主磁极1211和N极性主磁极1212。
励磁绕组部122含有m个励磁绕组单元1221，该m个励磁绕组单元1221与m对主磁极121分别相对应。每一个励磁绕组单元1221通过由包裹有绝缘层的导体构成的绝缘导体在相对应的一对主磁极121上分别制成励磁线圈12211而形成。绝缘导体为漆包线和绝缘铜导条中的任意一种，本实施例一中，绝缘导体为漆包线。本实施例一中，各个主磁极121上的励磁线圈12211的匝数相同，使得电机在正常工作时的磁场均匀，力矩恒定。
每个励磁绕组单元1221中的绝缘导体具有沿励磁线圈12211的预设电流方向而区分的一端和另一端，每一对主磁极121中的S极性主磁极1211和N极性主磁极1212与励磁线圈12211的绕制方向和励磁线圈12211的预设电流方向相对应。相邻两个主磁极121的励磁线圈12211的电流环绕方向相反。
在每个励磁绕组单元1221中，2个励磁线圈12211的连接关系是串联和并联中的任意一种，而且各个励磁绕组单元1221中的2个励磁线圈12211的连接关系相同。本实施例一中，2个励磁线圈12211的连接关系是串联。
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。本实施例一中，如图2和图4所示，电刷13的数目为3对共6个。
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，能够使得电枢绕组中的磁场强度在发生故障时保持最大，从而可以产生最大的力矩。
电刷13是窄电刷和宽电刷中的任意一种，本实施例一中电刷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，本实施例一中电刷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电枢接线端1511和第二电枢接线端1512，所有电刷13的m个第一电枢接线端1511与m个第二电枢接线端1512分别相对应地形成m对电枢外部接线端子。
所有励磁绕组单元1221的绝缘导体的m个一端形成m个第一励磁接线端1611，所有励磁绕组单元1221的绝缘导体的m个另一端形成m个第二励磁接线端1612，m个第一励磁接线端1611与m个第二励磁接线端1612分别相对应地形成m对励磁外部接线端子。
本实施例一中，如图2和图4所示，第一电枢接线端1511与第二电枢接线端1512相对应地形成1对电枢外部接线端子151，第一电枢接线端1521与第二电枢接线端1522相对应地形成1对电枢外部接线端子152，第一电枢接线端1531与第二电枢接线端1532相对应地形成1对电枢接线端子153。
第一励磁接线端1611与第二励磁接线端1612相对应地形成1对励磁外部接线端子161，第一励磁接线端1621与第二励磁接线端1622相对应地形成1对励磁外部接线端子162，第一励磁接线端1631与第二励磁接线端1632相对应地形成1对励磁外部接线端子163。
图5为本发明实施例一中的他励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。本实施例一中，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对电枢外部接线端子151、152、153以及3对励磁外部接线端子161、162、163被设置在接线盒内。
如图1所示，电枢斩波器20是基于控制部50发出的电枢控制信号将电枢直流电源30的电枢恒压电压转换为平均电压可控的电枢可变电压，并提供给他励直流电机10。该电枢斩波器20包括与m对电刷13分别相对应的m个电枢斩波单元21。本实施例一中，如图2所示，电枢斩波器20包括3个电枢斩波单元21。
每个电枢斩波单元21包含相互串联连接的电枢上桥臂211和电枢下桥臂212、以及第一电枢电源输出端2211和第二电枢电源输出端2212。
电枢上桥臂211包含1个电枢功率开关管2111以及电枢开关控制端2110，电枢下桥臂212包含1个续流二极管2121。电枢功率开关管2111具有一个电枢控制极，该电枢控制极形成电枢开关控制端2110。
如图1所示，第一电枢电源输出端2211设置在电枢上桥臂211与电枢下桥臂212之间，第二电枢电源输出端2212设置在电枢下桥臂212与电枢直流电源30相连接的端部。所有电枢斩波单元21的m个第一电枢电源输出端2211与所有电枢斩波单元21的m个第二电枢电源输出端2212分别相对应地形成m对电枢电源输出端子221，该m对电枢电源输出端子221与m对电枢外部接线端子151一一对应连接。
本实施例一中，如图2所示，第一电枢电源输出端2211与第二电枢电源输出端2212相对应地形成1对电枢电源输出端子221，第一电枢电源输出端2221与第二电枢电源输出端2222相对应地形成1对电枢电源输出端子222，第一电枢电源输出端2231与第二电枢电源输出端2232相对应地形成1对电枢电源输出端子223，3对电枢电源输出端子221、222和223与3对电枢外部接线端子151、152和153一一对应连接。
如图1和图2所示，电枢直流电源30具有与他励直流电机10的电枢额定电压相对应的电枢恒定电压，具有与m个电枢斩波单元21一一对应连接的m对电枢供电输出端子。每一对电枢供电输出端子包含正极311和负极312，正极311与对应的电枢斩波器21中的电枢上桥臂211相连接，负极312与对应的电枢斩波器21中的电枢下桥臂212相连接。
如图1所示，励磁斩波器60是基于控制部50发出的励磁控制信号将励磁直流电源70的励磁恒压电压转换为平均电压可控的励磁可变电压，并提供给他励直流电机10。该励磁斩波器60包括与m对主磁极121分别相对应的m个励磁斩波单元61。本实施例一中，如图2所示，励磁斩波器60包括3个励磁斩波单元61。
每个励磁斩波单元61包含相互串联连接的励磁上桥臂611和励磁下桥臂612、以及第一励磁电源输出端6211和第二励磁电源输出端6212。
励磁上桥臂611包含1个励磁功率开关管6111以及电枢开关控制端6110，励磁下桥臂612包含1个续流二极管6121。励磁功率开关管6111具有一个励磁控制极，该励磁控制极形成励磁开关控制端6110。
如图1所示，第一励磁电源输出端6211设置在励磁上桥臂611与励磁下桥臂612之间，第二励磁电源输出端6212设置在励磁下桥臂612与励磁直流电源70相连接的端部。所有励磁斩波单元61的m个第一励磁电源输出端6211与所有励磁斩波单元61的m个第二励磁电源输出端6212分别相对应地形成m对励磁电源输出端子621，该m对励磁电源输出端子621与m对励磁外部接线端子161一一对应连接。
本实施例一中，如图2所示，第一励磁电源输出端6211与第二励磁电源输出端6212相对应地形成1对励磁电源输出端子621，第一励磁电源输出端6221与第二励磁电源输出端6222相对应地形成1对励磁电源输出端子622，第一励磁电源输出端6231与第二励磁电源输出端6232相对应地形成1对励磁电源输出端子623，3对励磁电源输出端子621、622和623与3对励磁外部接线端子161、162和163一一对应连接。
本实施例一中，当所有电枢功率开关管2111具有相同的最大输出电流I1，他励直流电机10的最大电枢电流为Imax1，所有励磁功率开关管6111具有相同的最大输出电流I2，他励直流电机10的最大励磁电流为Imax2时，m满足下述条件：m＞Imax1÷I1且m＞Imax2÷I2。最大输出电流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。
本实施例一中，所有电枢功率开关管和所有励磁功率开关管均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和图2所示，励磁直流电源70具有与他励直流电机10的励磁额定电压相对应的励磁恒定电压，具有与m个励磁斩波单元61一一对应连接的m对励磁供电输出端子。每一对励磁供电输出端子包含正极711和负极712，正极711与对应的励磁斩波器61中的励磁上桥臂611相连接，负极712与对应的励磁斩波器61中的励磁下桥臂612相连接。
如图1和图2所示，传感部40用于对他励直流电机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对他励直流电机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对他励直流电机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，控制部50包括控制器51以及电枢放大器52和励磁放大器53。
控制器51根据从外部接收的与他励直流电机10输出的位移、转速或转矩相对应的外部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枢控制信号511a和电枢使能信号512a给电枢放大器52以及输出励磁控制信号511b和励磁使能信号512b给励磁放大器53。电枢控制信号511a包含分别与m个电枢斩波单元21相对应的m个电枢开关控制信号，电枢使能信号512a用于控制电枢放大器52的工作状态；励磁控制信号511b包含分别与m个励磁斩波单元61相对应的m个励磁开关控制信号，励磁使能信号512b用于控制励磁放大器53的工作状态。
电枢放大器52在电枢使能信号512a的控制下进入工作状态，并对m个电枢开关控制信号进行放大并对应地提供给m个电枢开关控制端2110。该电枢放大器52由相互独立的m个电枢放大单元521构成，该m个电枢放大单元521分别与m个电枢斩波单元21相对应。每个电枢放大单元521具有一个电枢放大信号输出端5211，m个电枢放大信号输出端5211与m个电枢开关控制端2110一一对应连接。
励磁放大器53在励磁使能信号512b的控制下进入工作状态，并对m个励磁开关控制信号进行放大并对应地提供给m个励磁开关控制端6110。该励磁放大器53由相互独立的m个励磁放大单元531构成，该m个励磁放大单元531分别与m个励磁斩波单元61相对应。每个励磁放大单元531具有一个励磁放大信号输出端5311，m个励磁放大信号输出端5311与m个励磁开关控制端6110一一对应连接。
本实施例一中，m个电枢开关控制信号是按照电枢预定相位错开规则而形成的。该电枢预定相位错开规则是m个电枢开关控制信号的相位分别依次错开m分之一开关周期，使得m个电枢斩波单元的电枢电源输出端子的输出电流的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，进而提高他励直流电机的性能和寿命。当然，也可根据需要，在m为偶数时，电枢预定相位错开规则是m个电枢开关控制信号的相位分别依次错开m分之二开关周期，使得空间相对的每两对电刷所对应的每两个电枢斩波单元的电源输出端子的输出电流的电流纹波相同，从而在电机中产生力偶矩，避免由于电机输出转矩纹波不能形成力偶矩所引起的轴与轴承之间的摩擦力矩，减小轴与轴承之间的磨损，提高电机的性能和使用寿命。
本实施例一中，m个励磁开关控制信号是按照励磁预定相位错开规则而形成的。该励磁预定相位错开规则是m个励磁开关控制信号的相位分别依次错开m分之一开关周期，使得m个励磁斩波单元的励磁电源输出端子的输出电流的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，进而提高他励直流电机的性能和寿命。当然，也可根据需要，在m为偶数时，励磁预定相位错开规则是m个励磁开关控制信号的相位分别依次错开m分之二开关周期，使得空间相对的每两对电刷所对应的每两个励磁斩波单元的电源输出端子的输出电流的电流纹波相同，从而在电机中产生力偶矩，避免由于电机输出转矩纹波不能形成力偶矩所引起的轴与轴承之间的摩擦力矩，减小轴与轴承之间的磨损，提高电机的性能和使用寿命。
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开关周期的三对电枢电源输出端子221、222和223、输出电流的电流纹波的频率都相同但相位依次错开1/3开关周期的三对励磁输出端子621、622和623并且电枢斩波器20和励磁斩波器60的开关频率均为1千赫兹为例，进行说明。
如图6所示，本实施例一中的他励直流电机三对电刷A1B1、A2B2和A3B3的输入电流纹波都等于99.31-87.33＝11.99安培，平均值都等于93.32安培，纹波系数都等于11.99/93.32×100％＝12.84％。
如图7所示，本实施例一中的他励直流电机三个励磁绕组单元1221、1222和1223的输入电流纹波都等于61.97-61.37＝0.60安培，平均值都等于61.67安培，纹波系数都等于0.60/61.67×100％＝0.97％。
如图8所示，在稳定状态下，本实施例一中的他励直流电机的电枢电流等于图6中三对电刷A1B1、A2B2和A3B3的电流之和，电枢电流的纹波为281.95-277.98＝3.97安培，平均值等于279.97安培，纹波系数都等于3.97/279.97×100％＝1.42％。传统的他励直流电机的电枢电流纹波等于297.94-261.98＝35.96安培，平均值等于279.97安培，纹波系数等于35.96/279.97×100％＝12.84％。虽然本实施例一中的他励直流电机和传统的他励直流电机的电枢电流平均值相同，但是本实施例一中的他励直流电机的电枢电流纹波和纹波系数都只有传统的他励直流电机的九分之一。
如图9所示，在稳定状态下，本发明实施例一中的他励直流电机的励磁电流等于图7中三个励磁绕组单元1221、1222和1223的电流之和，励磁电流的纹波为185.10-184.90＝0.2安培，平均值等于185.0安培，纹波系数都等于0.2/185×100％＝0.11％。传统的他励直流电机的励磁电流纹波等于185.9-184.1＝1.8安培，平均值等于185.0安培，纹波系数等于1.8/185.0×100％＝0.97％。虽然本实施例一中的他励直流电机和传统的他励直流电机的励磁电流平均值相同，但是本实施例一中的他励直流电机的励磁电流纹波和纹波系数都只有传统的他励直流电机的九分之一。
已知，他励直流电机的电磁转矩和运动方程如下
Figure BDA0002354660780000091
其中，Tem为电磁转矩；CT为转矩常数；Φ为主磁场的磁通；Laf为励磁绕组部和电枢绕组的互感，为常数；If为励磁电流；Ia为电枢电流；Tload为负载转矩；J为负载的转动惯量，为常数；Ω为输出角速度。
在本实施例一中，他励直流电机的输入电流等于电枢电流，他励直流电机的额定输入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Tem与电枢电流Ia和主磁场的磁通Φ乘积成正比，直流电机的主磁场是由斩波器供电的励磁绕组部激励的，根据式(1)可知，电磁转矩Tem与电枢电流Ia和励磁电流If的乘积成正比，励磁电流If的纹波系数和电枢电流Ia的纹波系数将导致电磁转矩Tem产生更大的纹波系数、输出角速度Ω的脉动或纹波更大，驱动装置和电动设备的性能更差。
在本实施例一中，Laf取为1，在稳定状态下，如图10所示，本实施例一中的他励直流的电机转矩纹波等于52188.25-51398.38＝789.87N·m，平均值等于51793.56N·m，纹波系数等于1.53％。传统的他励直流电机的转矩纹波等于55386.15-48229.93＝7156.21N·m，平均值等于51798.89N·m，纹波系数等于13.82％。
如图11所示，在稳定状态下，本实施例一中的他励直流电机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％。传统的他励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％。虽然本实施例一中的他励直流电机10和传统的他励直流电机的转速平均值相同，但是本实施例一中的他励直流电机10的转速纹波的峰峰值和纹波系数与传统的他励直流电机的比值为1/26.7。
也就是说，本实施例一中的他励直流电机10尽管和传统的他励直流电机的转矩平均值基本相同，但是本实施例一中的他励直流电机10的转矩的纹波的峰峰值和纹波系数都只有传统的他励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纹波的峰峰值和纹波系数，本实施例一中的他励直流电机转速纹波系数只有传统的他励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，提高他励直流电机和驱动装置的性能的目的。
因为电枢控制信号包含分别与m个电枢斩波单元相对应并且按照电枢预定相位错开规则而形成的m个电枢开关控制信号，励磁控制信号包含分别与m个励磁斩波单元相对应并且按照励磁预定相位错开规则而形成的m个励磁开关控制信号，所以，每对电枢电源输出端子或励磁电源输出端子的电流纹波的相位互不相同，从而使得引起m个电枢电流或励磁电流的电流纹波叠加后的纹波峰峰值减小，进而减小了他励直流电机的输出转矩和转速的纹波的峰峰值，提高了他励直流电机的性能和寿命。
<实施例二>
在本实施例二中，如图13所示，该他励式直流电机驱动装置100-2包括他励直流电机10、直流电源、电枢斩波器20-2、励磁斩波器60、传感部40以及控制部50-2，直流电源包含电枢直流电源30和励磁直流电源70。他励式直流电机驱动装置100-2除了电枢斩波器20-2和控制部50-2的内部结构和相互之间的连接关系与实施例一不同之外，其他如他励直流电机10、励磁斩波器60、传感部40、电枢直流电源30和励磁直流电源70和实施例一的结构和相互之间的连接关系等均相同，省略相同的说明。
本实施例二中，设置m＝3，电枢斩波器20-2包括3个电枢斩波单元21。
每个电枢斩波单元21包含相互串联连接的电枢上桥臂211和电枢下桥臂212、以及第一电枢电源输出端2211和第二电枢电源输出端2212。
电枢上桥臂211包含1个电枢功率开关管2111、与电枢功率开关管2111反向并联连接的二极管210以及电枢开关控制端2110，电枢下桥臂212包含一个电枢功率开关管2121、与电枢功率开关管2121反向并联连接的二极管210以及电枢下桥臂开关控制端2120。电枢功率开关管2111具有一个电枢控制极，该电枢控制极形成电枢开关控制端2110；电枢功率开关管2121具有一个电枢控制极，该电枢控制极形成电枢开关控制端2120。
第一电枢电源输出端2211设置在电枢上桥臂211与电枢下桥臂212之间，第二电枢电源输出端2212设置在电枢下桥臂212与电枢直流电源30相连接的端部。第一电枢电源输出端2211与第二电枢电源输出端2212相对应地形成1对电枢电源输出端子221，依此类推，第一电枢电源输出端2221与第二电枢电源输出端2222相对应地形成1对电枢电源输出端子222，第一电枢电源输出端2231与第二电枢电源输出端2232相对应地形成1对电枢电源输出端子223，3对电枢电源输出端子221、222和223与3对电枢外部接线端子151、152和153一一对应连接。
控制部50-2包括控制器51以及电枢放大器52-2和励磁放大器53。控制器51和励磁放大器53与实施例一的结构和相互之间的连接关系等均相同，省略相同的说明。
电枢放大器52-2在电枢使能信号512a的控制下进入工作状态，并对每一个电枢单元控制信号中的两个电枢开关控制信号进行放大并对应地提供给两个电枢开关控制端2110、2120。该电枢放大器52-2由相互独立的m个电枢放大单元521构成，该m个电枢放大单元521分别与m个电枢斩波单元21相对应，每个电枢放大单元521具有一个电枢放大信号输出部，每一个电枢放大信号输出部由两个电枢放大信号输出端5211、5212构成。每一个电枢放大信号输出部的两个电枢放大信号输出端5211、5212分别与对应的电枢斩波单元21中的两个电枢开关控制端2110、2120对应连接，具体为：电枢放大信号输出端5211与电枢上桥臂开关控制端2110相连接，电枢放大信号输出端5212与电枢下桥臂开关控制端2120相连接。
本实施例二中，m个电枢单元控制信号是按照电枢预定相位错开规则而形成的。该电枢预定相位错开规则是m个电枢单元控制信号分别对应的m个相位作为m个电枢预定相位依次错开m分之一开关周期，在每一个电枢斩波单元中，电枢上桥臂开关控制端所对应的电枢开关控制信号设定为电枢基准开关控制信号，该电枢基准开关控制信号的相位根据电枢单元控制信号所对应的电枢预定相位而定，电枢下桥臂开关控制端所对应的电枢开关控制信号与电枢基准开关控制信号设定为互反，使得m个电枢斩波单元的电枢电源输出端子的输出电流的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，进而提高他励直流电机的性能和寿命。当然，也可根据需要，在m为偶数时，m个电枢单元控制信号分别所对应的m个相位作为m个电枢预定相位依次错开m分之二开关周期，在每一个电枢斩波单元中，电枢上桥臂开关控制端所对应的电枢开关控制信号设定为电枢基准开关控制信号，该电枢基准开关控制信号的相位根据电枢单元控制信号所对应的电枢预定相位而定，电枢下桥臂开关控制端所对应的电枢开关控制信号与电枢基准开关控制信号设定为互反，使得空间相对的每两对电刷所对应的每两个电枢斩波单元的电源输出端子的输出电流的电流纹波相同，从而在电机中产生力偶矩，避免由于电机输出转矩纹波不能形成力偶矩所引起的轴与轴承之间的摩擦力矩，减小轴与轴承之间的磨损，提高电机的性能和使用寿命。
本实施例二中，m个励磁开关控制信号是按照励磁预定相位错开规则而形成的。励磁预定相位错开规则与实施例一相同，省略相同的说明。
本实施例二的他励直流电机可以工作在如图6至图11的状态下，具有和实施例一相同的作用效果，而且每个电枢斩波单元都为半桥斩波拓扑结构，所以他励直流电机还可以工作在发电机状态，在减速制动时把能量回馈给电源，提高系统性能。
<实施例三>
在本实施例三中，如图14所示，该他励式直流电机驱动装置100-3包括他励直流电机10、直流电源、电枢斩波器20-3、励磁斩波器60、传感部40以及控制部50-3，直流电源包含电枢直流电源30和励磁直流电源70。他励式直流电机驱动装置100-3除了电枢斩波器20-3和控制部50-3的内部结构和相互之间的连接关系与实施例一不同之外，其他如他励直流电机10、励磁斩波器60、传感部40、电枢直流电源30和励磁直流电源70和实施例一的结构和相互之间的连接关系等均相同，省略相同的说明。
本实施例二中，设置m＝3，电枢斩波器20-3包括3个电枢斩波单元21。
每个电枢斩波单元21包含相互第一电枢桥臂211和第二电枢桥臂212、以及第一电枢电源输出端2211和第二电枢电源输出端2212。
第一电枢桥臂211包含相互串联连接的第一电枢上桥臂2111和第一电枢下桥臂2112，第二电枢桥臂212包含相互串联连接的第二电枢上桥臂2121和第二电枢下桥臂2122，第一电枢桥臂211与第二电枢桥臂212相互并联连接。
第一电枢上桥臂2111包含1个电枢功率开关管21111、与电枢功率开关管21111反向并联连接的二极管210以及第一电枢上桥臂开关控制端21110，第一电枢下桥臂2112包含一个电枢功率开关管21121、与电枢功率开关管21121反向并联连接的二极管210以及第一电枢下桥臂开关控制端21120，第二电枢上桥臂2121包含1个电枢功率开关管21211、与电枢功率开关管21211反向并联连接的二极管210以及第二电枢上桥臂开关控制端21210，第二电枢下桥臂2122包含一个电枢功率开关管21221、与电枢功率开关管21221反向并联连接的二极管210以及第二电枢下桥臂开关控制端21220。电枢功率开关管21111具有一个电枢控制极，该电枢控制极形成第一电枢上桥臂开关控制端21110；电枢功率开关管21121具有一个电枢控制极，该电枢控制极形成第一电枢下桥臂开关控制端21120；电枢功率开关管21211具有一个电枢控制极，该电枢控制极形成第二电枢上桥臂开关控制端2210；电枢功率开关管21221具有一个电枢控制极，该电枢控制极形成第二电枢下桥臂开关控制端21220。
第一电枢电源输出端2211设置在第一电枢上桥臂2111与第一电枢下桥臂2112之间，第二电枢电源输出端2212设置在第二电枢上桥臂2121与第二电枢下桥臂2122之间，第一电枢电源输出端2211与第二电枢电源输出端2212相对应地形成1对电枢电源输出端子221。依此类推，第一电枢电源输出端2221与第二电枢电源输出端2222相对应地形成1对电枢电源输出端子222，第一电枢电源输出端2231与第二电枢电源输出端2232相对应地形成1对电枢电源输出端子223，3对电枢电源输出端子221、222和223与3对电枢外部接线端子151、152和153一一对应连接。
控制部50包括控制器51以及电枢放大器52-3和励磁放大器53。控制器51和励磁放大器53和实施例一的结构和相互之间的连接关系等均相同，省略相同的说明。
电枢放大器52-3由相互独立的m个电枢放大单元521构成，该m个电枢放大单元521分别与m个电枢斩波单元21相对应，每个电枢放大单元521具有一个电枢放大信号输出部，每一个电枢放大信号输出部的四个电枢放大信号输出端52111、52112、52121、52122分别与对应的电枢斩波单元21中的四个电枢开关控制端21110、21120、21210、21220对应连接，具体为：电枢放大信号输出端52111与第一电枢上桥臂开关控制端21110相连接，电枢放大信号输出端52112与第一电枢下桥臂开关控制端21120相连接，电枢放大信号输出端52121与第二电枢上桥臂开关控制端21210相连接，电枢放大信号输出端52122与第二电枢下桥臂开关控制端21220相连接。
本实施例三中，m个电枢单元控制信号是按照电枢预定相位错开规则而形成的。该电枢预定相位错开规则是m个电枢单元控制信号分别对应的m个相位作为m个电枢预定相位依次错开m分之一开关周期，在每一个电枢斩波单元中，第一电枢上桥臂开关控制端和第二电枢下桥臂所对应的两个电枢开关控制信号设定为电枢基准开关控制信号，该电枢基准开关控制信号的相位根据电枢单元控制信号所对应的电枢预定相位而定，第一电枢下桥臂开关控制端和第二电枢上桥臂开关控制端所对应的电枢开关控制信号与电枢基准开关控制信号设定为互反，使得m个电枢斩波单元的电枢电源输出端子的输出电流的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，进而提高他励直流电机的性能和寿命。当然，也可根据需要，在m为偶数时，m个电枢单元控制信号分别所对应的m个相位作为m个电枢预定相位依次错开m分之二开关周期，在每一个电枢斩波单元中，第一电枢上桥臂开关控制端和第二电枢下桥臂所对应的两个电枢开关控制信号设定为电枢基准开关控制信号，该电枢基准开关控制信号的相位根据电枢单元控制信号所对应的电枢预定相位而定，第一电枢下桥臂开关控制端和第二电枢上桥臂开关控制端所对应的电枢开关控制信号与电枢基准开关控制信号设定为互反，使得空间相对的每两对电刷所对应的每两个电枢斩波单元的电源输出端子的输出电流的电流纹波相同，从而在电机中产生力偶矩，避免由于电机输出转矩纹波不能形成力偶矩所引起的轴与轴承之间的摩擦力矩，减小轴与轴承之间的磨损，提高电机的性能和使用寿命。
本实施例三中，m个励磁开关控制信号是按照励磁预定相位错开规则而形成的。励磁预定相位错开规则与实施例一相同，省略相同的说明。
本实施例三的他励直流电机可以工作在如图6至图11的状态下，具有和实施例一相同的作用效果，而且每个电枢斩波单元都为全桥斩波拓扑结构，所以他励直流电机可以工作在四个象限中，控制灵活机动。
<实施例四>
在本实施例四中，如图15所示，该他励式直流电机驱动装置100-4包括他励直流电机10、直流电源、电枢斩波器20、励磁斩波器60-4、传感部40以及控制部50-4，直流电源包含电枢直流电源30和励磁直流电源70。他励式直流电机驱动装置100-4除了励磁斩波器60-4和控制部50-4的内部结构和相互之间的连接关系与实施例一不同之外，其他如他励直流电机10、电枢斩波器20、传感部40、电枢直流电源30和励磁直流电源70和实施例一的结构和相互之间的连接关系等均相同，省略相同的说明。
励磁斩波器60-4包括3个励磁斩波单元61。每个励磁斩波单元61包含相互第一励磁桥臂611和第二励磁桥臂612、以及第一励磁电源输出端6211和第二励磁电源输出端6212。
第一励磁桥臂611包含相互串联连接的第一励磁上桥臂6111和第一励磁下桥臂6112，第二励磁桥臂612包含相互串联连接的第二励磁上桥臂6121和第二励磁下桥臂6122，第一励磁桥臂611与第二励磁桥臂612相互并联连接。
第一励磁上桥臂6111包含1个励磁功率开关管61111、与励磁功率开关管61111反向并联连接的二极管610以及第一励磁上桥臂开关控制端61110，第一励磁下桥臂6112包含一个励磁功率开关管61121、与励磁功率开关管61121反向并联连接的二极管610以及第一励磁下桥臂开关控制端61120，第二励磁上桥臂6121包含1个励磁功率开关管61211、与励磁功率开关管61211反向并联连接的二极管610以及第二励磁上桥臂开关控制端61210，第二励磁下桥臂6122包含一个励磁功率开关管61221、与励磁功率开关管61221反向并联连接的二极管610以及第二励磁下桥臂开关控制端61220。励磁功率开关管61111具有一个励磁控制极，该励磁控制极形成第一励磁上桥臂开关控制端61110；励磁功率开关管61121具有一个励磁控制极，该励磁控制极形成第一励磁下桥臂开关控制端61120；励磁功率开关管61211具有一个励磁控制极，该励磁控制极形成第二励磁上桥臂开关控制端61210；励磁功率开关管61221具有一个励磁控制极，该励磁控制极形成第二励磁下桥臂开关控制端61220。
第一励磁电源输出端6211设置在第一励磁上桥臂6111与第一励磁下桥臂6112之间，第二励磁电源输出端6212设置在第二励磁上桥臂6121与第二励磁下桥臂6122之间，第一励磁电源输出端6211与第二励磁电源输出端6212相对应地形成1对励磁电源输出端子621。依此类推，第一励磁电源输出端6221与第二励磁电源输出端6222相对应地形成1对励磁电源输出端子622，第一励磁电源输出端6231与第二励磁电源输出端6232相对应地形成1对励磁电源输出端子623，3对励磁电源输出端子621、622和623与3对励磁外部接线端子161、162和163一一对应连接。
控制部50-4包括控制器51、电枢放大器52和励磁放大器53-4。控制器51和电枢放大器52与实施例一的结构和相互之间的连接关系等均相同，省略相同的说明。
励磁放大器53-4由相互独立的m个励磁放大单元531构成，该m个励磁放大单元531分别与m个励磁斩波单元61相对应。每个励磁放大单元531具有一个励磁放大信号输出端部，每一个励磁放大信号输出部由四个励磁放大信号输出端53111、53112、53121、53122构成。每一个励磁放大信号输出部的四个励磁放大信号输出端53111、53112、53121、53122分别与对应的励磁斩波单元61中的四个励磁开关控制端61110、61120、61210、61220对应连接，具体为：励磁放大信号输出端53111与第一励磁上桥臂开关控制端61110相连接，励磁放大信号输出端53112与第一励磁下桥臂开关控制端61120相连接，励磁放大信号输出端53121与第二励磁上桥臂开关控制端61210相连接，励磁放大信号输出端53122与第二励磁下桥臂开关控制端61220相连接。
在本实施例四中，m个励磁单元控制信号是按照励磁预定相位错开规则而形成的。该励磁预定相位错开规则是m个励磁单元控制信号分别对应的m个相位作为m个励磁预定相位依次错开m分之一开关周期，在每一个励磁斩波单元中，第一励磁上桥臂开关控制端和第二励磁下桥臂所对应的两个励磁开关控制信号设定为励磁基准开关控制信号，该励磁基准开关控制信号的相位根据励磁单元控制信号所对应的励磁预定相位而定，第一励磁下桥臂开关控制端和第二励磁上桥臂开关控制端所对应的励磁开关控制信号与励磁基准开关控制信号设定为互反，使得m个励磁斩波单元的励磁电源输出端子的输出电流的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，进而提高他励直流电机的性能和寿命。当然，也可根据需要，在m为偶数时，励磁预定相位错开规则是m个励磁单元控制信号分别所对应的m个相位作为m个励磁预定相位依次错开m分之二开关周期，在每一个励磁斩波单元中，第一励磁上桥臂开关控制端和第二励磁下桥臂所对应的两个励磁开关控制信号设定为励磁基准开关控制信号，该励磁基准开关控制信号的相位根据励磁单元控制信号所对应的励磁预定相位而定，第一励磁下桥臂开关控制端和第二励磁上桥臂开关控制端所对应的励磁开关控制信号与励磁基准开关控制信号设定为互反，使得空间相对的每两对电刷所对应的每两个励磁斩波单元的电源输出端子的输出电流的电流纹波相同，从而在电机中产生力偶矩，避免由于电机输出转矩纹波不能形成力偶矩所引起的轴与轴承之间的摩擦力矩，减小轴与轴承之间的磨损，提高电机的性能和使用寿命。
本实施例四中，m个电枢开关控制信号是按照电枢预定相位错开规则而形成的。电枢预定相位错开规则与实施例一相同，省略相同的说明。
本实施例四的他励直流电机可以工作在如图6至图11的状态下，具有和实施例一相同的作用效果，而且每个励磁斩波单元都为全桥斩波拓扑结构，所以他励直流电机可以工作在正转或反转状态，控制灵活机动。
<实施例五>
在本实施例五中，如图16所示，该他励式直流电机驱动装置100-5包括他励直流电机10、直流电源、电枢斩波器20-2、励磁斩波器60-4、传感部40以及控制部50-5，直流电源包含电枢直流电源30和励磁直流电源70。他励直流电机10、传感部40、电枢直流电源30和励磁直流电源70和实施例一的结构和相互之间的连接关系等均相同，电枢斩波器20-2和实施例二的结构和相互之间的连接关系均相同，励磁斩波器60-4和实施例四的结构和相互之间的连接关系均相同，控制部50-5包含的控制器51与实施例一的结构和相互之间的连接关系均相同，控制部50-5包含的电枢放大器52-2与实施例二的结构和相互之间的连接关系均相同，控制部50-5包含的励磁放大器53-4与实施例四的结构和相互之间的连接关系均相同，省略相同的说明。
本实施例五中，m个电枢开关控制信号是按照电枢预定相位错开规则而形成的。电枢预定相位错开规则与实施例二相同，省略相同的说明。m个励磁开关控制信号是按照励磁预定相位错开规则而形成的。励磁预定相位错开规则与实施例四相同，省略相同的说明。
本实施例五的他励直流电机可以工作在如图6至图11的状态下，具有和实施例一、二和四相同的作用效果。
<实施例六>
在本实施例六中，如图17所示，该他励式直流电机驱动装置100-6包括他励直流电机10、直流电源、电枢斩波器20-3、励磁斩波器60-4、传感部40以及控制部50-6，直流电源包含电枢直流电源30和励磁直流电源70。他励直流电机10、传感部40、电枢直流电源30和励磁直流电源70和实施例一的结构和相互之间的连接关系等均相同，电枢斩波器20-3和实施例三的结构和相互之间的连接关系均相同，励磁斩波器60-4和实施例四的结构和相互之间的连接关系均相同，省略相同的说明。控制部50-6包含的控制器51与实施例一的结构和相互之间的连接关系均相同，控制部50-6包含的电枢放大器52-3与实施例三的结构和相互之间的连接关系均相同，控制部50-6包含的励磁放大器53-4与实施例四的结构和相互之间的连接关系均相同，省略相同的说明。
本实施例六中，m个电枢开关控制信号是按照电枢预定相位错开规则而形成的。电枢预定相位错开规则与实施例三相同，省略相同的说明。m个励磁开关控制信号是按照励磁预定相位错开规则而形成的。励磁预定相位错开规则与实施例四相同，省略相同的说明。
本实施例六的他励直流电机可以工作在如图6至图11的状态下，具有和实施例一、三和四相同的作用效果。
实施例作用与效果
根据本实施例一至六所涉及的他励式直流电机驱动装置以及包含该他励式直流电机驱动装置的电动设备，因为电枢斩波器具有m个电枢斩波单元，励磁斩波器具有m个励磁斩波单元，控制部包括控制器以及电枢放大器和励磁放大器，电枢放大器由与m个电枢斩波单元分别相对应的m个电枢放大单元所构成，励磁放大器由与m个励磁斩波单元分别相对应的m个励磁放大单元所构成，控制器生成电枢控制信号和励磁控制信号，电枢控制信号包含分别与m个电枢放大单元相对应的m个电枢单元控制信号，m个电枢放大单元分别对m个电枢单元控制信号进行放大并对应地提供给m个电枢斩波单元，励磁控制信号包含分别与m个励磁放大单元相对应的m个励磁单元控制信号，m个励磁放大单元分别对m个励磁单元控制信号进行放大并对应地提供给m个励磁斩波单元，每个电枢斩波单元具有第一电枢电源输出端和第二电枢电源输出端，所有电枢斩波单元的m个第一电枢电源输出端与m个第二电枢电源输出端分别相对应地形成m对电枢电源输出端子，每个励磁斩波单元具有第一励磁电源输出端和第二励磁电源输出端，所有励磁斩波单元的m个第一励磁电源输出端与m个第二励磁电源输出端分别相对应地形成m对励磁电源输出端子，他励直流电机包括：m对电刷；定子，包含与m对电刷相对应的m对主磁极并且包含一个励磁绕组部；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S极性主磁极和N极性主磁极，相邻的两个主磁极的极性不同，每一对电刷中的两个电刷的位置相邻，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，励磁绕组部含有m个励磁绕组单元，该m个励磁绕组单元与m对主磁极分别相对应，每一个励磁绕组单元通过由包裹有绝缘层的导体构成的绝缘导体在相对应的一对主磁极上分别制成励磁线圈而形成，每个励磁绕组单元中的绝缘导体具有一端和另一端，每对电刷的两个引出端分别形成第一电枢接线端和第二电枢接线端，所有电刷的m个第一电枢接线端与m个第二电枢接线端分别相对应地形成m对电枢外部接线端子，m对电枢外部接线端子与m对电枢电源输出端子一一对应连接，所有绝缘导体的m个一端形成m个第一励磁接线端，所有绝缘导体的m个另一端形成m个第二励磁接线端，m个第一励磁接线端与m个第二励磁接线端分别相对应地形成m对励磁外部接线端子，m对励磁外部接线端子与m对励磁电源输出端子一一对应连接，m为不小于2的正整数，也就是说，每对电枢外部接线端子连接了一对电刷，并且每对励磁外部接线端子连接了一个励磁绕组单元，所以，每个励磁绕组单元所构成的励磁支路与每对电刷所构成的电枢支路是相互独立的而且每条励磁支路之间和每条电枢支路之间都是相互独立的，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独立供电，即：每对电源输出端子只要承担一条支路的工作电流，只有电机额定输入电流的m分之一，因此，即使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。
而且，因为电枢放大器由相互独立的m个电枢放大单元构成，每一个电枢放大单元对应连接着一个电枢斩波单元，励磁放大器由相互独立的m个励磁放大单元构成，每一个励磁放大单元对应连接着一个励磁斩波单元，所以，当任意一个电枢放大单元、电枢斩波单元、励磁放大单元、励磁斩波单元、连接线以及接触件由于老化与发热等原因发生故障时，本发明的他励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电枢放大单元、励磁放大单元、电枢斩波单元和励磁斩波单元后，控制器输出使能信号令对应的放大单元停止工作，从而将损坏的电枢放大单元、励磁放大单元、电枢斩波单元和励磁斩波单元进行屏蔽隔离，或者，控制器不输出控制信号给故障对应的电枢放大单元或励磁放大单元从而实现故障隔离，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。
此外，他励直流电机还可以根据需要，把m对电枢外部接线端子和m对励磁外部接线端子一一对应串联连接或并联连接，并且使得连接的一对电枢外部接线端子所对应的一对电刷和一对励磁外部接线端子所对应的一对主磁极的空间位置相对应，因此，他励直流电机可以工作在串励直流电机或并励直流电机状态。或者，也可以令空间位置相对应的一对主磁极和一对电刷分别对应的电枢控制信号和励磁控制信号相同，从而使得他励直流电机工作在并励直流电机状态。在这些情况下，当他励式直流电机驱动装置出现部分故障时，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，并且由于非故障部分的励磁绕组单元所激励磁场主要作用于空间相对应的电刷所连接的电枢绕组支路，不但可以避免出现传统电机在故障情况下的突然失控现象，提高系统的可靠性和安全性，而且在故障中，本发明电机还可以输出较大的有效转矩，使其仍维持在较好的工作状态。
综上，本本实施例一至六的他励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，使得该发明不但可以应用于电动车、电动船、电动飞行器、电动运载设备、电动加工设备、空调等大负荷电动设备，而且还可以应用于数控机床和潜艇等高性能电动设备。
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，在实施例中，若需要本发明的他励式直流电机驱动系统正常工作，电枢放大器和励磁放大器都必须处于工作模式，因此，也可以不对电枢放大器和励磁放大器分别施加电枢使能信号和励磁使能信号。
又如，在对他励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。
又如，在实施例中，每一个电枢单元控制信号相互之间可以设置死区，每一个励磁单元控制信号相互之间可以设置死区。

Claims (10)

1.一种他励式直流电机驱动装置，其特征在于，包括：
他励直流电机，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；
控制部，生成电枢控制信号和励磁控制信号；
电枢斩波器，基于所述电枢控制信号将所述恒定电压转换为电枢可变电压并提供给所述他励直流电机；以及
励磁斩波器，基于所述励磁控制信号将所述恒定电压转换为励磁可变电压并提供给所述他励直流电机，
其中，所述电枢斩波器具有m个电枢斩波单元，
所述励磁斩波器具有m个励磁斩波单元，
所述控制部包括控制器以及电枢放大器和励磁放大器，
所述电枢放大器由与所述m个电枢斩波单元分别相对应的m个电枢放大单元所构成，
所述励磁放大器由与所述m个励磁斩波单元分别相对应的m个励磁放大单元所构成，
所述控制器生成所述电枢控制信号和所述励磁控制信号，
所述电枢控制信号包含分别与所述m个电枢放大单元相对应的m个电枢单元控制信号，所述m个电枢放大单元分别对所述m个电枢单元控制信号进行放大并对应地提供给所述m个电枢斩波单元，
所述励磁控制信号包含分别与所述m个励磁放大单元相对应的m个励磁单元控制信号，所述m个励磁放大单元分别对所述m个励磁单元控制信号进行放大并对应地提供给所述m个励磁斩波单元，
每个所述电枢斩波单元具有第一电枢电源输出端和第二电枢电源输出端，
所有所述电枢斩波单元的m个所述第一电枢电源输出端与m个所述第二电枢电源输出端分别相对应地形成m对电枢电源输出端子，
每个所述励磁斩波单元具有第一励磁电源输出端和第二励磁电源输出端，
所有所述励磁斩波单元的m个所述第一励磁电源输出端与m个所述第二励磁电源输出端分别相对应地形成m对励磁电源输出端子，
所述他励直流电机包括：
m对电刷；
定子，包含与m对所述电刷相对应的m对主磁极并且包含一个励磁绕组部；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S极性主磁极和N极性主磁极，
相邻的两个所述主磁极的极性不同，
每一对所述电刷中的两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，
所述励磁绕组部含有m个励磁绕组单元，该m个励磁绕组单元与m对所述主磁极分别相对应，
每一个所述励磁绕组单元通过由包裹有绝缘层的导体构成的绝缘导体在相对应的一对所述主磁极上分别制成励磁线圈而形成，
每个所述励磁绕组单元中的所述绝缘导体具有一端和另一端，
每对所述电刷的两个引出端分别形成第一电枢接线端和第二电枢接线端，
所有所述电刷的m个所述第一电枢接线端与m个所述第二电枢接线端分别相对应地形成m对电枢外部接线端子，
所述m对电枢外部接线端子与所述m对电枢电源输出端子一一对应连接，
所有所述绝缘导体的m个所述一端形成m个第一励磁接线端，所有所述绝缘导体的m个所述另一端形成m个第二励磁接线端，
所述m个第一励磁接线端与所述m个第二励磁接线端分别相对应地形成m对励磁外部接线端子，
所述m对励磁外部接线端子与所述m对励磁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所述的他励式直流电机驱动装置，其特征在于：
其中，每个所述电枢斩波单元包含电枢上桥臂和电枢下桥臂，
所述电枢上桥臂与所述电枢下桥臂相互串联连接，
所述电枢上桥臂与所述直流电源的正极相连接，所述电枢下桥臂与所述直流电源的负极相连接，
所述电枢上桥臂包含至少一个电枢功率开关管，
所述电枢下桥臂包含至少一个二极管，
所述第一电枢电源输出端设置在所述电枢上桥臂与所述电枢下桥臂之间，所述第二电枢电源输出端设置在所述电枢下桥臂与所述电枢直流电源相连接的端部。
3.根据权利要求1所述的他励式直流电机驱动装置，其特征在于：
其中，每个所述电枢斩波单元包含电枢上桥臂和电枢下桥臂，
所述电枢上桥臂与所述电枢下桥臂相互串联连接，
所述电枢上桥臂与所述电枢直流电源的正极相连接，所述电枢下桥臂与所述电枢直流电源的负极相连接，
所述电枢上桥臂和所述电枢下桥臂分别包含至少一个电枢功率开关管以及与所述电枢功率开关管反向并联连接的至少一个二极管。
所述第一电枢电源输出端设置在所述电枢上桥臂与所述电枢下桥臂之间，所述第二电枢电源输出端设置在所述电枢下桥臂与所述电枢直流电源相连接的端部。
4.根据权利要求1所述的他励式直流电机驱动装置，其特征在于：
其中，每个所述电枢斩波单元包含第一电枢桥臂和第二电枢桥臂，
所述第一电枢桥臂包含相互串联连接的第一电枢上桥臂和第一电枢下桥臂，所述第二电枢桥臂包含相互串联连接的第二电枢上桥臂和第二电枢下桥臂，所述第一电枢桥臂与所述第二电枢桥臂相互并联连接，
所述第一电枢上桥臂和所述第二电枢上桥臂都与所述电枢直流电源的正极相连接，所述第一电枢下桥臂和所述第二电枢下桥臂都与所述电枢直流电源的负极相连接，
所述第一电枢上桥臂、所述第一电枢下桥臂、所述第二电枢上桥臂以及所述第二电枢下桥臂分别包含至少一个电枢功率开关管以及与所述电枢功率开关管反向并联连接的至少一个二极管，
所述第一电枢电源输出端设置在所述第一电枢上桥臂与所述第一电枢下桥臂之间，所述第二电枢电源输出端设置在所述第二电枢上桥臂与所述第二电枢下桥臂之间。
5.根据权利要求1所述的他励式直流电机驱动装置，其特征在于：
其中，每个所述励磁斩波单元包含励磁上桥臂和励磁下桥臂，
所述励磁上桥臂与所述励磁下桥臂相互串联连接，
所述励磁上桥臂与所述励磁直流电源的正极相连接，所述励磁下桥臂与所述励磁直流电源的负极相连接，
所述励磁上桥臂包含至少一个励磁功率开关管，
所述励磁下桥臂包含至少一个二极管，
所述第一励磁电源输出端设置在所述励磁上桥臂与所述励磁下桥臂之间，所述第二励磁电源输出端设置在所述励磁下桥臂与所述励磁直流电源相连接的端部。
6.根据权利要求1所述的他励式直流电机驱动装置，其特征在于：
其中，每个所述励磁斩波单元包含第一励磁桥臂和第二励磁桥臂，
所述第一励磁桥臂包含相互串联连接的第一励磁上桥臂和第一励磁下桥臂，所述第二励磁桥臂包含相互串联连接的第二励磁上桥臂和第二励磁下桥臂，所述第一励磁桥臂与所述第二励磁桥臂相互并联连接，
所述第一励磁上桥臂和所述第二励磁上桥臂都与所述励磁直流电源的正极相连接，所述第一励磁下桥臂和所述第二励磁下桥臂都与所述励磁直流电源的负极相连接，
所述第一励磁上桥臂、所述第一励磁下桥臂、所述第二励磁上桥臂以及所述第二励磁下桥臂分别包含至少一个励磁功率开关管以及与所述励磁功率开关管反向并联连接的至少一个二极管，
所述第一励磁电源输出端设置在所述第一励磁上桥臂与所述第二励磁下桥臂之间，所述第二励磁电源输出端设置在所述第二电枢上桥臂与所述第二励磁下桥臂之间。
7.根据权利要求1所述的他励式直流电机驱动装置，其特征在于：
其中，各个所述主磁极上的所述励磁线圈的匝数相同，
每一对所述主磁极与相对应的一对所述电刷的空间位置相对应，
在每个所述励磁绕组单元中，两个所述励磁线圈的连接关系是串联和并联中的任意一种，
各个所述励磁绕组单元中的两个所述励磁线圈的连接关系相同。
8.根据权利要求1所述的他励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。
9.一种电动设备，其特征在于，包括：
他励式直流电机驱动装置，
其中，所述他励式直流电机驱动装置为权利要求1～8中任意一项所述的他励式直流电机驱动装置。
10.根据权利要求9所述的电动设备，其特征在于：
其中，所述电动设备为电动车、电动船、电动飞行器、电动运载设备、电动加工设备、空调中的任意一种。
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