CN113141134A - 串励直流电机驱动装置以及电动设备 - Google Patents

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CN113141134A CN202010000001.1A CN202010000001A CN113141134A CN 113141134 A CN113141134 A CN 113141134A CN 202010000001 A CN202010000001 A CN 202010000001A CN 113141134 A CN113141134 A CN 113141134A
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Abstract

本发明提供一种串励直流电机驱动装置以及电动设备。本发明提供的串励直流电机驱动装置包括：串励直流电机；直流电源；控制部；以及斩波器，其中，斩波器具有m个斩波单元，控制部包括控制器和放大器，放大器由与m个斩波单元分别相对应的m个放大单元所构成，控制器生成控制信号，该控制信号包含分别与m个放大单元相对应的开关控制信号，m个放大单元分别对该开关控制信号进行放大并对应地提供给m个斩波单元。所述m为不小于2的正整数。

Description

串励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，特别涉及一种串励直流电机驱动装置以及包含该串励直流电机驱动装置的电动设备。
背景技术
串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联在一起，电机转矩与电流的平方成正比例关系，具有转速高、启动力矩大、体积小、重量轻、不容易堵转、适用电压范围很广、可以用调压的方法来调速等优点，能够满足电动汽车快速启动、加速、爬坡、频繁启/停等要求，因而在电动搬运车、轨道车、观光游览车、货车、船舶等大负荷车辆驱动上具有较为明显的优势。
如图10所示，纵观电机发展几百年的历史，传统的串励直流电机驱动装置200是由串励直流电机以及斩波器构成，串励直流电机只有一对外部接线端子，该一对外部接线端子与斩波器的一对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到3倍。大功率高性能串励直流电机，特别是低压大电流串励直流电机，需要连续工作电流很大的斩波器。然而相关斩波器中的开关元器件价格昂贵，且市场上能够采购到的高性能电机所用斩波器的最大输出电流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串励直流电机的发展。
传统的串励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、串励直流电机、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串励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串励直流电机驱动装置的电动汽车来说，由于故障引起串励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，串励直流电机驱动装置任何一个部件的故障都将导致串励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，目的在于提供一种串励直流电机驱动装置以及包含该串励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>
本发明提供了一种串励直流电机驱动装置，其特征在于，包括：串励直流电机，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，生成控制信号；以及斩波器，基于控制信号将恒定电压转换为可变电压并提供给串励直流电机，其中，斩波器具有m个斩波单元，控制部包括控制器和放大器，放大器由与m个斩波单元分别相对应的m个放大单元所构成，控制器生成控制信号，该控制信号包含分别与m个放大单元相对应的开关控制信号，m个放大单元分别对开关控制信号进行放大并对应地提供给m个斩波单元，每个斩波单元具有一对电源输出端子，m个斩波单元具有m对电源输出端子，串励直流电机包括：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，所有绝缘导体的m个一端与所有电刷中的m个S极对应电刷电气连接；或者，所有绝缘导体的m个一端与所有电刷中的m个N极对应电刷电气连接，所有绝缘导体的m个另一端形成m个第一接线端，未与m个一端相连接的m个电刷的引出端形成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。
本发明提供的串励直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，每个斩波单元包含上桥臂和下桥臂、以及第一电源输出端和第二电源输出端，上桥臂与下桥臂相互串联连接，上桥臂与直流电源的正极相连接，下桥臂与直流电源的负极相连接，上桥臂包含至少一个功率开关管，下桥臂包含至少一个二极管，第一电源输出端设置在上桥臂与下桥臂之间，第二电源输出端设置在下桥臂与直流电源相连接的端部，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。
本发明提供的串励直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，每个斩波单元包含上桥臂和下桥臂、以及第一电源输出端和第二电源输出端，上桥臂与下桥臂相互串联连接，上桥臂与直流电源的正极相连接，下桥臂与直流电源的负极相连接，上桥臂和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连接的至少一个二极管，第一电源输出端设置在上桥臂与下桥臂之间，第二电源输出端设置在下桥臂与直流电源相连接的端部，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。
本发明提供的串励直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，每个斩波单元包含第一桥臂和第二桥臂、以及第一电源输出端和第二电源输出端，第一桥臂包含相互串联连接的第一上桥臂和第一下桥臂，第二桥臂包含相互串联连接的第二上桥臂和第二下桥臂，第一桥臂与第二桥臂相互并联连接，第一上桥臂以及第二上桥臂都与直流电源的正极相连接，第一下桥臂以及第二下桥臂都与直流电源的负极相连接，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连接的至少一个二极管，第一电源输出端设置在第一上桥臂与第一下桥臂之间，第二电源输出端设置在第二上桥臂与第二下桥臂之间，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。
本发明提供的串励直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，控制器还生成与m个放大单元分别相对应的m个使能信号。
本发明提供的串励直流电机驱动装置，还可以具有这样的特征：其中，每一个使能信号用于控制对应的放大单元的工作状态。
本发明提供的串励直流电机驱动装置，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。
本发明提供的串励直流电机驱动装置，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：串励直流电机驱动装置，其中，串励直流电机驱动装置为<结构一>中的串励直流电机驱动装置。
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、电动加工设备中的任意一种。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的串励直流电机驱动装置以及包含该串励直流电机驱动装置的电动设备，因为斩波器具有m个斩波单元，控制部包括控制器和放大器，放大器由与m个斩波单元分别相对应的m个放大单元所构成，控制器生成控制信号，该控制信号包含分别与m个放大单元相对应的开关控制信号，m个放大单元分别对开关控制信号进行放大并对应地提供给m个斩波单元，每个斩波单元具有一对电源输出端子，m个斩波单元具有m对电源输出端子，串励直流电机包括：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，所有绝缘导体的m个一端与所有电刷中的m个S极对应电刷电气连接；或者，所有绝缘导体的m个一端与所有电刷中的m个N极对应电刷电气连接，所有绝缘导体的m个另一端形成m个第一接线端，未与m个一端相连接的m个电刷的引出端形成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，也就是说，每对外部接线端子连接了相互串联连接的一个励磁绕组单元和一对电刷，所以，一方面，每个励磁绕组单元和对应连接的一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足够大，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，使得电源输出端子的输出电流可以小到斩波器不需要采用并联均流技术而使用普通的功率开关管或功率模块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，还降低了外部接线端子与电源输出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，因为放大器由相互独立的m个放大单元构成，每一个放大单元对应连接着一个斩波单元，所以，当任意一个放大单元、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，本发明的串励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放大单元和斩波单元后，控制器输出使能信号令对应的放大单元停止工作，从而将损坏的放大单元和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，在电机中的电刷、励磁绕组单元、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，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相对应的电刷所连接的电枢绕组支路，不但可以避免传统串励直流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，串励直流电机还可以输出较大的有效转矩，使其仍维持在工作状态。
综上，本发明的串励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串励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的状态下的串励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串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串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串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串励直流电机三对外部接线端子的输入电流波形图；
图7为本发明实施例一中的串励直流电机的电流和传统的串励直流电机的电流比较图；
图8为本发明实施例一中的串励直流电机的转矩和传统的串励直流电机的转矩比较图；
图9为本发明实施例一中的串励直流电机的转速和传统的串励直流电机的转速比较图；
图10为传统的串励直流电机驱动装置的电路连接示意图。
图11为本发明实施例二在m＝3时的串励直流电机驱动装置的电路连接示意图；
图12为本发明实施例三在m＝3时的串励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，本实施例一中的串励直流电机驱动装置100设置在电动设备如轧钢机、电力机车、大型机床主轴传动系统以及船舶内，用于驱动电动设备。该串励直流电机驱动装置100包括串励直流电机10、斩波器20、直流电源30、传感部40以及控制部50。
如图1至图4所示，串励直流电机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。在所有主磁极121中，相邻的两个主磁极121的极性相反。
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。在每个励磁绕组单元1221中，两个励磁线圈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中的两个励磁线圈12211的连接关系相同。本实施例一中，两个励磁线圈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非对应的其他励磁绕组单元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，所有励磁绕组单元1221的绝缘导体的m个一端与所有电刷13中的m个N极对应电刷132电气连接；所有励磁绕组单元1221的绝缘导体的m个另一端形成m个第一接线端1511，未与m个励磁绕组单元1221的绝缘导体的一端相连接的m个S极对应电刷131的引出端形成m个第二接线端1512，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。当然，也可根据需要，所有励磁绕组单元1221的绝缘导体的m个一端与所有电刷13中的m个S极对应电刷131电气连接，未与m个励磁绕组单元1221的绝缘导体的一端相连接的m个N极对应电刷132的引出端形成m个第二接线端1512。
本实施例一中，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153，3对外部接线端子151、152和153。
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是基于控制部50发出的控制信号将直流电源30的恒压电压转换为平均电压可控的可变电压，并提供给串励直流电机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。本实施例一中，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包含相互串联连接的上桥臂211和下桥臂212、以及第一电源输出端2211和第二电源输出端2212。
上桥臂211包含1个功率开关管2111以及开关控制端2110，下桥臂212包含1个续流二极管2121。功率开关管2111具有一个控制极，该控制极形成开关控制端2110。
当所有功率开关管2111具有相同的最大输出电流I1，串励直流电机10的最大电流为Imax时，m满足下述条件：m＞Imax÷I1。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所示，第一电源输出端2211设置在上桥臂211与下桥臂212之间，第二电源输出端2212设置在下桥臂211与直流电源30相连接的端部。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。
本实施例一中，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具有与串励直流电机10的额定电压相对应的恒定电压，具有与m个斩波单元21一一对应连接的m对供电输出端子。每一对供电输出端子包含正极311和负极312，正极311与对应的斩波单元21中的上桥臂211相连接，负极312与对应的斩波单元21中的下桥臂212相连接。
如图1和图2所示，控制部50接收一个与串励直流电机10输出的位移、转速或转矩相对应的外部指令信号。
传感部40用于对串励直流电机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对串励直流电机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对串励直流电机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。
控制部50包括控制器51和放大器52。
控制器51根据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生成并输出控制信号511和使能信号512给放大器52。控制信号511包含分别与m个斩波单元21相对应的m个开关控制信号，使能信号512用于控制放大器52的工作状态。
放大器52在使能信号512的控制下进入工作状态，并对m个开关控制信号进行放大并对应地提供给m个开关控制端2110。该放大器52由相互独立的m个放大单元521构成，该m个放大单元521分别与m个斩波单元21相对应，每个放大单元521具有一个放大信号输出端521，m个放大信号输出端521与m个开关控制端2110一一对应连接。
m个开关控制信号按照预定相位错开规则而形成。
本实施例一中，预定相位错开规则是m个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个斩波单元的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，进而提高串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，预定相位错开规则是m个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开关周期的三对电刷A1B1、A2B2和A3B3并且斩波器20的开关频率均为1千赫兹为例，进行说明。
如图6所示，本实施例一中的串励直流电机三个接线单元151、152和153的输入电流纹波都等于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7所示，在稳定状态下，本实施例一中的串励直流电机的电流纹波等于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％。传统的串励直流电机的电流纹波等于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％。虽然本实施例一中的串励直流电机10和传统的串励直流电机的电流平均值相同，但是本实施例一中的串励直流电机10的电流纹波和纹波系数都只有传统的串励直流电机的九分之一。
已知，串励直流电机的电磁转矩和运动方程如下
Figure BDA0002348609500000071
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，串励直流电机的输入电流等于电枢电流，也等于励磁电流，串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8所示，本实施例一中的串励直流电机10的转矩纹波等于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％。传统的串励直流电机的转矩纹波等于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9所示，在稳定状态下，本实施例一中的串励直流电机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％。传统的串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串励直流电机10和传统的串励直流电机的转速平均值相同，但是本实施例一中的串励直流电机10的转速纹波的峰峰值和纹波系数与传统的串励直流电机的比值为1/26.7。
也就是说，本实施例一中的串励直流电机10尽管和传统的串励直流电机的转矩平均值基本相同，但是本实施例一中的串励直流电机10的转矩的纹波的峰峰值和纹波系数都只有传统的串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的纹波的峰峰值和纹波系数，本实施例一中的串励直流电机转速纹波系数只有传统的串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，提高串励直流电机和驱动装置的性能的目的。
在本实施例一中，因为斩波单元的上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，因为直流电源具有相互独立的m个直流电源单元，每个直流电源单元引出一对供电输出端子，所以，当某一个直流电源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，不但可以避免传统串励直流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，串励直流电机还可以输出较大的有效转矩，使其仍维持在工作状态。
并且，在供电方面，由多个独立相对小容量的直流电源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，因为控制信号包含分别与m个斩波单元相对应并且按照预定相位错开规则而形成的m个开关控制信号，所以，每对电源输出端子的电流纹波的相位互不相同，从而使得m个电流纹波叠加后的纹波峰峰值减小，进而减小了输出转矩和转速的纹波的峰峰值，提高了串励直流电机的性能和寿命。
<实施例二>
在本实施例二中，如图11所示，串励直流电机驱动装置100-2包括串励直流电机10、斩波器20-2、直流电源30、传感部40以及控制部50-2。串励直流电机10、直流电源30、传感部40和实施例一的结构和连接关系相同，省略相同的说明。
斩波器20-2包括3个斩波单元21。每个斩波单元21包含相互串联连接的上桥臂211和下桥臂212、以及第一电源输出端2211和第二电源输出端2212。
上桥臂211包含1个功率开关管2111、与功率开关管2111反向并联联结的二极管210以及上桥臂开关控制端2110，下桥臂212包含1个功率开关管2121、与功率开关管2121反向并联联结的二极管210以及下桥臂开关控制端2120。
本实施例二中，所有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。
第一电源输出端2211设置在上桥臂211与下桥臂212之间，第二电源输出端2212设置在下桥臂211与直流电源30相连接的端部。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。
控制部50-2包括控制器51和放大器52。
控制器51根据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生成并输出控制信号511和使能信号512给放大器52。控制信号511包含分别与m个斩波单元21相对应的m个单元控制信号，每一个单元控制信号包含与对应的斩波单元21中的两个开关控制端2110、2120相对应的两个开关控制信号521、522。使能信号512用于控制放大器52的工作状态。
放大器52在使能信号512的控制下进入工作状态，对每一个单元控制信号中的两个开关控制信号进行放大并提供给两个开关控制端2110、2120。该放大器52由相互独立的m个放大单元521构成，该m个放大单元521分别与m个斩波单元21相对应，每个放大单元521具有一个放大信号输出部，每一放大信号输出部由两个放大信号输出端521、522构成。每一个放大信号输出部的两个放大信号输出端521、522分别与对应的斩波单元21中的两个开关控制端2110、2120对应连接，具体为：放大信号输出端521与上桥臂开关控制端2110相连接，放大信号输出端522与下桥臂开关控制端2120相连接。
m个单元控制信号按照预定相位错开规则而形成。预定相位错开规则是m个单元控制信号分别对应的m个相位作为m个预定相位依次错开m分之一开关周期，在每一个斩波单元中，上桥臂开关控制端所对应的开关控制信号设定为基准开关控制信号，该基准开关控制信号的相位根据单元控制信号所对应的预定相位而定，下桥臂开关控制端所对应的开关控制信号与基准开关控制信号设定为互反，使得m个斩波单元的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，进而提高串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，预定相位错开规则是m个单元控制信号分别所对应的m个相位作为m个预定相位依次错开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。
本实施例二的串励直流电机可以工作在如图6至图9的状态下，具有和实施例一相同的作用效果，而且每个斩波单元都为半桥斩波拓扑结构，所以串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12所示，串励直流电机驱动装置100-3包括串励直流电机10、斩波器20-3、直流电源30、传感部40以及控制部50-3。串励直流电机10、直流电源30、传感部40和实施例一的结构相同，省略相同的说明。
斩波器20-3包括3个斩波单元21。每个斩波单元21包含的第一桥臂211和第二桥臂212、以及第一电源输出端2211和第二电源输出端2212，第一桥臂211包含相互串联连接的第一上桥臂2111和第一下桥臂2112，第二桥臂212包含相互串联连接的第二上桥臂2121和第二下桥臂2122，第一桥臂211与第二桥臂212相互并联连接。第一上桥臂2111包含一个功率开关管21111、与功率开关管反向并联联结的二极管210以及开关控制端21110，第一下桥臂2112包含一个功率开关管21121、与功率开关管反向并联联结的二极管210以及开关控制端21120，第二上桥臂2121包含一个功率开关管21211、与功率开关管反向并联联结的二极管210以及开关控制端21210，第二下桥臂2122包含一个功率开关管21221、与功率开关管反向并联联结的二极管210以及开关控制端21220。
所有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。
如图所示，第一电源输出端2211设置在第一上桥臂2111与第一下桥臂2112之间，第二电源输出端2212设置在第二上桥臂2121与第二下桥臂2122之间。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。
控制部50-3包括控制器51和放大器52。控制器51根据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生成并输出控制信号511和使能信号512给放大器52。控制信号511包含分别与m个斩波单元21相对应的m个单元控制信号，每一个单元控制信号包含与对应的斩波单元21中的四个开关控制端21110、21120、21210、21220相对应的四个开关控制信号5211、5212、5221、5222。使能信号512用于控制放大器52的工作状态。放大器52在使能信号512的控制下进入工作状态，对每一个单元控制信号中的四个开关控制信号进行放大并提供给四个开关控制端21110、21120、21210、21220。该放大器52具有分别与m个斩波单元21相对应的m个放大信号输出部，每一个放大信号输出部由四个放大信号输出端5211、5212、5221、5222构成。每一个放大信号输出部的四个放大信号输出端5211、5212、5221、5222分别与对应的斩波单元21中的四个开关控制端21110、21120、21210、21220对应连接，具体为：放大信号输出端5211与第一上桥臂开关控制端21110相连接，放大信号输出端5212与第一下桥臂开关控制端21120相连接，放大信号输出端5221与第二上桥臂开关控制端21210相连接，放大信号输出端5222与第二下桥臂开关控制端21220相连接。
m个单元控制信号按照预定相位错开规则而形成。预定相位错开规则是m个单元控制信号分别对应的m个相位作为m个预定相位依次错开m分之一开关周期，在每一个斩波单元中，所述第一上桥臂开关控制端和所述第二下桥臂开关控制端所对应的两个所述开关控制信号设定为基准开关控制信号，该基准开关控制信号的相位根据所述单元控制信号所对应的所述预定相位而定，所述第一下桥臂开关控制端和所述第二上桥臂开关控制端所对应的两个所述开关控制信号与所述基准开关控制信号设定为互反，使得m个斩波单元的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，进而提高串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，预定相位错开规则是m个单元控制信号分别所对应的m个相位作为m个预定相位依次错开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。
本实施例三的串励直流电机可以工作在如图6至图9的状态下，具有和实施例一相同的作用效果，而且每个斩波单元都为全桥斩波拓扑结构，所以串励直流电机可以工作在四个象限中，控制灵活机动。
实施例作用与效果
根据本实施例一至三所涉及的串励直流电机驱动装置以及包含该串励直流电机驱动装置的电动设备，因为斩波器具有m个斩波单元，控制部包括控制器和放大器，放大器由与m个斩波单元分别相对应的m个放大单元所构成，控制器生成控制信号，该控制信号包含分别与m个放大单元相对应的开关控制信号，m个放大单元分别对开关控制信号进行放大并对应地提供给m个斩波单元，每个斩波单元具有一对电源输出端子，m个斩波单元具有m对电源输出端子，串励直流电机包括：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，所有绝缘导体的m个一端与所有电刷中的m个S极对应电刷电气连接；或者，所有绝缘导体的m个一端与所有电刷中的m个N极对应电刷电气连接，所有绝缘导体的m个另一端形成m个第一接线端，未与m个一端相连接的m个电刷的引出端形成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，也就是说，每对外部接线端子连接了相互串联连接的一个励磁绕组单元和一对电刷，所以，一方面，每个励磁绕组单元和对应连接的一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足够大，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，使得电源输出端子的输出电流可以小到斩波器不需要采用并联均流技术而使用普通的功率开关管或功率模块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，还降低了外部接线端子与电源输出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，因为放大器由相互独立的m个放大单元构成，每一个放大单元对应连接着一个斩波单元，所以，当任意一个放大单元、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，本实施例一至三的串励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放大单元和斩波单元后，控制器输出使能信号令对应的放大单元停止工作，从而将损坏的放大单元和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，在电机中的电刷、励磁绕组单元、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，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相对应的电刷所连接的电枢绕组支路，不但可以避免传统串励直流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，串励直流电机还可以输出较大的有效转矩，使其仍维持在工作状态。
综上，本实施例一至三的串励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实施例一至三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，在对串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。
在实施例二和三中，每一个单元控制信号中的开关控制信号相互之间可以设置死区。

Claims (10)

1.一种串励直流电机驱动装置，其特征在于，包括：
串励直流电机，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，生成控制信号；以及
斩波器，基于所述控制信号将所述恒定电压转换为可变电压并提供给所述串励直流电机，
其中，所述斩波器具有m个斩波单元，
所述控制部包括控制器和放大器，
所述放大器由与所述m个斩波单元分别相对应的m个放大单元所构成，
所述控制器生成所述控制信号，该控制信号包含分别与所述m个放大单元相对应的开关控制信号，
所述m个放大单元分别对所述开关控制信号进行放大并对应地提供给所述m个斩波单元，
每个所述斩波单元具有一对电源输出端子，m个所述斩波单元具有m对电源输出端子，
所述串励直流电机包括：
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，
所有所述绝缘导体的m个所述一端与所有所述电刷中的m个所述S极对应电刷电气连接；或者，所有所述绝缘导体的m个所述一端与所有所述电刷中的m个所述N极对应电刷电气连接，
所有所述绝缘导体的m个所述另一端形成m个第一接线端，
未与m个所述一端相连接的m个所述电刷的引出端形成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所述的串励直流电机驱动装置，其特征在于：
其中，每个所述斩波单元包含上桥臂和下桥臂、以及第一电源输出端和第二电源输出端，
所述上桥臂与所述下桥臂相互串联连接，
所述上桥臂与所述直流电源的正极相连接，所述下桥臂与所述直流电源的负极相连接，
所述上桥臂包含至少一个功率开关管，
所述下桥臂包含至少一个二极管，
所述第一电源输出端设置在所述上桥臂与所述下桥臂之间，所述第二电源输出端设置在所述下桥臂与所述直流电源相连接的端部，
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。
3.根据权利要求1所述的串励直流电机驱动装置，其特征在于：
其中，每个所述斩波单元包含上桥臂和下桥臂、以及第一电源输出端和第二电源输出端，
所述上桥臂与所述下桥臂相互串联连接，
所述上桥臂与所述直流电源的正极相连接，所述下桥臂与所述直流电源的负极相连接，
所述上桥臂和所述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连接的至少一个二极管，
所述第一电源输出端设置在所述上桥臂与所述下桥臂之间，所述第二电源输出端设置在所述下桥臂与所述直流电源相连接的端部，
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。
4.根据权利要求1所述的串励直流电机驱动装置，其特征在于：
其中，每个所述斩波单元包含第一桥臂和第二桥臂、以及第一电源输出端和第二电源输出端，
所述第一桥臂包含相互串联连接的第一上桥臂和第一下桥臂，所述第二桥臂包含相互串联连接的第二上桥臂和第二下桥臂，所述第一桥臂与所述第二桥臂相互并联连接，
所述第一上桥臂以及所述第二上桥臂都与所述直流电源的正极相连接，所述第一下桥臂以及所述第二下桥臂都与所述直流电源的负极相连接，
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连接的至少一个二极管，
所述第一电源输出端设置在所述第一上桥臂与所述第一下桥臂之间，所述第二电源输出端设置在所述第二上桥臂与所述第二下桥臂之间，
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。
5.根据权利要求1所述的串励直流电机驱动装置，其特征在于：
其中，所述控制器还生成与所述m个放大单元分别相对应的m个使能信号。
6.根据权利要求5所述的串励直流电机驱动装置，其特征在于：
其中，每一个所述使能信号用于控制对应的所述放大单元的工作状态。
7.根据权利要求1所述的串励直流电机驱动装置，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所述的串励直流电机驱动装置，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：
串励直流电机驱动装置，
其中，所述串励直流电机驱动装置为权利要求1～8中任意一项所述的串励直流电机驱动装置。
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、电动加工设备中的任意一种。
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