CN215580964U - 电动驱动装置以及电动设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有均流功能的电动驱动装置以及电动设备。本发明的电动驱动装置，设置在电动设备中，用于驱动电动设备，包括：电机，其相数为k；直流电源；驱动器，根据控制信号输出k组驱动信号；逆变器，根据驱动信号将直流电转换为交流电并提供给电机，其特征在于：其中，电机具有j个绕组单元，每个绕组单元的相数为k且包含k根相线，逆变器包含至少k个半桥单元，每个半桥单元具有j个并联连接的半桥电路，j个半桥电路对应连接j个绕组单元的同相的相线，每组驱动信号驱动一个半桥单元工作，k为大于2的正整数，j为大于1的正整数。

Description

电动驱动装置以及电动设备

技术领域

本发明属于电机领域，特别涉及一种具有均流功能的电动驱动装置以及电动设备。

背景技术

随着环保要求的提高，中国甚至全世界对燃油设备的尾气排放也管理的越来越严格，因此，各种电动设备如电动汽车、电动工具等越来越受到生产商和消费者的青睐。另外，电动设备比燃油设备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。

在以动力电池供电的电动驱动装置以及电动设备，例如电动摩托车、电动工具等，由于供电电压受限，一般低于48伏，而且电机功率比较大，导致电机电流较大，可达几百安培。从而，逆变器的输出电流必然增大，构成逆变器的功率开关元件也必须选用额定电流更大的。

然而，受各种条件的影响，大电流的功率开关元件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、容易购买的小电流的功率开关元件，采用并联均流的方式搭建逆变器。

在开关特性一致性很高的情况下，并联的功率开关元件能够同时导通和同时关断，从而能够实现平均分担电流，均流效果较好。但是一致性很高的功率开关元件需要向原厂定制或通过筛选得到，致使成本增加，并联的数量越多，成本越急剧上升。此外，一致性很高的功率开关元件，随着使用环境的影响和时间的老化，也难以长期保证很高的一致性。并联的功率开关元件如果不能平均分担电流，将导致均流失败，出现单个功率开关元件损坏，进而导致逆变器整体损坏。

随着功率开关元件并联数量的增长，其开关特性的一致性更加难以保证，致使均流效果越差，从而损坏的可能性越高，问题愈发严重。由于并联均流技术无法保证任意多个并联的开关元件同时导通和同时关断，而严重影响和限制了电机电流值和功率的增大，使得大电流和大功率的电动驱动装置以及电动设备的发展成为一个很难跨越的障碍。

由于中国生产的功率开关元件的一致性较差，导致中国每年都需要进口大量的功率半导体。根据相关资料显示，中国每年进口的功率开关元件金额高达几千亿元。另外，某些特殊领域或特殊产品如果使用进口的功率半导体，都有可能由于功率半导体的短缺导致严重的后果。对进口的严重依赖，也影响了相关的中国生产厂家的发展，削弱了中国产品在国际市场中的影响力。

综上，这些问题已经严重影响了大电流和大功率的电动驱动装置以及电动设备，包括电动摩托车、电动摩托艇、电动工具、电动车、电动船等的发展。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种具有均流功能的电动驱动装置以及电动设备。

<结构1>

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：电机，其相数为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直流电；驱动器，根据控制信号输出k组驱动信号；逆变器，根据驱动信号将直流电转换为交流电并提供给电机，其特征在于：其中，电机具有j个绕组单元，每个绕组单元的相数为k且包含k根相线，逆变器包含至少k个半桥单元，每个半桥单元具有j个并联连接的半桥电路，j个半桥电路对应连接j个绕组单元的同相的相线，每组驱动信号驱动一个半桥单元工作，k为大于2的正整数，j为大于1的正整数。

在本发明提供的电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，还包括控制器，计算并输出控制信号。

在本发明提供的电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，每个绕组单元的绕组连接方式为k边形连接或无中性线的星形连接。

在本发明提供的电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，每个绕组单元的绕组连接方式为带中性线的星形连接，每个绕组单元包含k根相线和一根中性线，逆变器包含k+1个半桥单元，其中一个半桥单元对应连接j个绕组单元的中性线。

在本发明提供的电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，j个绕组单元中同相的j个绕组是并绕的关系。

在本发明提供的电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，每个半桥电路包含一个上桥臂和一个下桥臂，上桥臂包含至少一个功率开关元件，下桥臂包含至少一个功率开关元件，上桥臂和下桥臂包含的功率开关元件数量相等。

在本发明提供的电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，驱动器包含一个驱动模块或k个相同的驱动模块，每组驱动信号具有2个驱动信号。

在本发明提供的电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，每个半桥单元都有2根独立的电源引出线。

在本发明提供的电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，每个半桥单元的j个半桥电路输出的电流相位相同。

<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。

发明的作用和效果

根据本发明所涉及的电动驱动装置以及电动设备，其中的电机，其相数为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直流电；驱动器，根据控制信号输出k组驱动信号；逆变器，根据驱动信号将直流电转换为交流电并提供给电机，其特征在于：其中，电机具有j个绕组单元，每个绕组单元的相数为k且包含k根相线，逆变器包含至少k个半桥单元，每个半桥单元具有j个并联连接的半桥电路，j个半桥电路对应连接j个绕组单元的同相的相线，每组驱动信号驱动一个半桥单元工作，k为大于2的正整数，j为大于1的正整数，所以，j个绕组单元没有直接的电路连接，电机的电流被j个绕组单元分摊，逆变器每个半桥单元的输出电流也被j个半桥电路分摊，从而，在每个半桥电路中可以采用小电流的功率开关元件或功率模块，而且j个绕组单元可以实现同步工作，有利于增大电机的动态转矩。另外，k可以等于3，可以直接利用成熟的三相电机控制技术，也可以直接采用三相电机的生产设备和模具等结构，有利于缩短研发过程，减小研发成本和生产成本。

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，故障率低，使用寿命长等优点。对于大电流的电动驱动装置，可以使用中国生产的功率开关元件，且可以安全可靠工作，有利于帮助中国企业实现进口替代，促进中国企业的良性发展，提高相关的中国制造的产品在国际市场中的竞争力。

附图说明

图1是本发明的实施例中电动驱动装置的电路结构示意图；

图2是本发明的实施例中电机绕组的第一种结构示意图；以及

图3是本发明的实施例中电机绕组的第二种结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，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、电动汽车、电动摩托车、电动摩托艇等设备内，用于驱动电动设备。

图1是本发明的实施例中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包括电机11、直流电源12、指令发送部13、控制器14、驱动器15以及逆变器16。

图2是本发明的实施例中电机绕组的第一种结构示意图，图3是本发明的实施例中电机绕组的第二种结构示意图。

如图2和图3所示，电机11包含定子铁芯，定子铁芯上有定子齿和定子槽，每个线圈嵌套一个对应的定子齿。

电机11的相数为k，具有额定线电压以及额定线电流，电机11具有j个绕组单元，每个绕组单元的相数为k且包含k根相线。在本实施例中，k为3，j为4。

电机11为无刷直流电机、开关磁阻电机、异步电机或同步电机中的任一种。在本实施例中，电机11为无刷直流电机。无刷直流电机既保持了传统直流电机良好的调速性能又具有无滑动接触和换向火花、可靠性高、使用寿命长及噪声低等优点，在各种电动驱动装置和电动设备中广泛使用。

直流电源12为动力电池或整流源。在本实施例中，直流电源12为动力电池，具有携带方便等优点。

如图1所示，电机11具有4个绕组单元111、112、113和114。每个绕组单元的绕组连接方式为k边形连接或无中性线的星形连接。在本实施例中，电机11的绕组连接方式为三边形连接，也就是三角形连接。在低压大电流的电动驱动装置中，绕组采用三角形连接，有利于提高直流电源12的电压利用率，在电压不变的情况下增大电机的额定线电流和额定功率。

每个绕组单元包含3个绕组且包含3根相线。如图1所示，绕组单元111包含3个绕组，即A相绕组A11A12、B相绕组B11B12和C相绕组C11C12，且包含3根相线U1、V1和W1；绕组单元112包含3个绕组，即A相绕组A21A22、B相绕组B21B22和C相绕组C21C22，且包含3根相线U2、V2和W2；绕组单元113包含3个绕组，即A相绕组A31A32、B相绕组B31B32和C相绕组C31C32，且包含3根相线U3、V3和W3；绕组单元114包含3个绕组，即A相绕组A41A42、B相绕组B41B42和C相绕组C41C42，且包含3根相线U4、V4和W4。在绕组A11A12中，A11为绕组的首端，A12为绕组的末端。其它绕组的首末端依此类推。U1、U2、U3和U4都是U相的相线，V1、V2、V3和V4都是V相的相线，W1、W2、W3和W4都是W相的相线，

每个绕组包含至少一个线圈。如图2所示，电机11的极对数为4，每个绕组包含一个线圈。当电机11的极对数为j的m倍，m为正整数时，每个绕组包含m个线圈。在图2中，绕组单元111包含3个绕组A11A12、B11B12和C11C12且对应三个相邻的定子齿；绕组单元112包含3个绕组A21A22、B21B22和C21C22且对应三个相邻的定子齿；绕组单元113包含3个绕组A31A32、B31B32和C31C32且对应三个相邻的定子齿；绕组单元114包含3个绕组A41A42、B41B42和C41C42且对应三个相邻的定子齿。由于4个绕组单元111、112、113和114是相互独立的，相互之间没有电路连接，而且它们包含的绕组个数相同，4个绕组单元每一相的绕组电阻阻值都相等，所以电机11的电流可以被4个绕组单元平均分摊，实现电机内部的均流。

如图3所示，每个绕组包含4个线圈，例如绕组A11A12包含4个串联连接的线圈，对应4个定子齿。绕组A11A12包含的4个线圈也可以是并联连接，或者是每两个并联连接后再串联连接，或者每两个串联连接后再并联连接。在本实施例中，每个绕组包含4个串联连接的线圈，在每相绕组的电阻阻值一定的情况下，构成线圈的漆包线或漆包铜条等导体的横截面积可以更大一点，线圈的定型更好，可以减少定型材料的使用，避免电机工作时线圈振动引起机械噪声，也就是降低成本和提高性能。

在图3中，每个绕组单元都包含k个不同相的绕组，j个绕组单元中同相的j个绕组是并绕的关系。绕组单元111包含3个不同相的绕组A11A12、B11B12和C11C12；绕组单元112包含3个绕组A21A22、B21B22和C21C22；绕组单元113包含3个绕组A31A32、B31B32和C31C32；绕组单元114包含3个绕组A41A42、B41B42和C41C42。绕组A11A12、A21A22、A31A32和A41A42是并绕的关系，也就是说它们并行绕制在相同的定子槽内。同样的，绕组B11B12、B21B22、B31B32和B41B42是并绕的关系，绕组C11C12、C21C22、C31C32和C41C42是并绕的关系.

由于电机工作时温度较高，可达一百多摄氏度，而且电机内部的温度分布不均匀，虽然绕组的电阻阻值与温度有关，但是，同相的j个并绕的绕组所处的温度场相同，所以，同相的j个并绕的绕组的电阻阻值相等，如果电压相同，那么流过绕组的电流也相等，从而达到均流的目的。

直流电源12具有与电机11的额定线电压相对应的恒定电压，用于提供与电机11的额定线电流相对应的直流电。

指令发送部13发送与电机11输出的位移、转速或转矩的值相对应的指令信号。

控制器14根据指令发送部13的指令信号计算并输出对应的控制信号，该控制信号为PWM(脉冲宽度调制)信号。

驱动器15根据PWM信号进行功率放大并输出3组驱动信号。

控制器14和驱动器15也可以合并在一个控制单元中，该控制单元可以是一个模块。电路更加简洁，电路板尺寸更小，有利于降低成本。

逆变器16根据驱动信号将直流电转换为交流电并提供给电机11。逆变器16包含3个半桥单元161、162和163，每个半桥单元具有4个并联连接的半桥电路，每个半桥单元的4个半桥电路对应连接4个绕组单元的同相的相线。如图1所示，以半桥单元163为例，半桥单元163具有4个并联连接的半桥电路1631、1632、1633和1634，半桥电路1631、1632、1633和1634对应连接4个绕组单元111、112、113和114的W相的相线W1、W2、W3和W4。在图1中，用小圆圈和对应符号表示线路的连接关系。半桥单元162的4个并联连接的半桥电路对应连接4个绕组单元111、112、113和114的V相的相线V1、V2、V3和V4。半桥单元161的4个并联连接的半桥电路对应连接4个绕组单元111、112、113和114的U相的相线U1、U2、U3和U4。

每个半桥电路包含一个上桥臂和一个下桥臂，上桥臂包含至少一个功率开关元件，下桥臂包含至少一个功率开关元件，上桥臂和下桥臂包含的功率开关元件数量相等。在本实施例中，每个半桥电路的上桥臂和下桥臂分别包含一个功率开关元件，由于每个半桥单元输出的电流被4个半桥电路所分摊，电流值变小，半桥电路中的功率开关元件没有必要采用并联均流技术，采用小电流的功率开关元件也可以满足要求，有利于降低成本、提高可靠性。当上桥臂和下桥臂分别包含两个或两个以上的并联连接的功率开关元件时，有利于增大散热面积，减轻单个功率开关元件的热压力，降低温升，提高可靠性和使用寿命。

每个半桥电路可以由一个功率模块构成，每个半桥单元也可以由一个功率模块构成，逆变器也可以由一个功率模块构成。采用功率模块，体积更小，可靠性更高。

功率开关元件可以为场效应晶体管(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。在低压的电动驱动装置中，一般采用MOSFET，它的优点是输入电阻高，噪声低，热稳定性好，抗干扰能力强，功耗低，成本较低。在高压的电动驱动装置中，一般采用IGBT，它的优点是驱动简单，保护容易，不用缓冲电路，开关频率高等优点，成本较低。

每组驱动信号驱动一个半桥单元工作，每组驱动信号具有2个驱动信号，其中的一个驱动信号驱动对应的4个上桥臂的功率开关元件导通和关断，另外一个驱动信号驱动对应的4个下桥臂的功率开关元件导通和关断。所以，每个半桥单元的4个上桥臂的功率开关元件同时导通和关断，4个下桥臂的功率开关元件同时导通和关断，每个半桥单元中的4个半桥电路输出的电压相等。如前所述，4个绕组单元同相的绕组电阻阻值相等，所以同一个半桥单元中的4个半桥电路输出的电流也相等，实现了一个半桥单元输出的电流被4个半桥电路均流的效果。

每个半桥单元的j个半桥电路输出的电流不但大小相等，而且相位也相同，那么，电流作用在电机11中所产生的磁通的相位也是相同的，j个绕组单元所产生的电磁转矩也是相同的，电机11的瞬时转矩可以达到最大。

驱动器15包含一个驱动模块或k个相同的驱动模块。当驱动器15包含一个驱动模块时，结构更加简单、外围元器件数量更少，电路板可以做得更小。当驱动器15包含k个驱动模块，这k个驱动模块的生产品牌和型号相同，对于采购来说元器件的种类更少，驱动模块单品的采购数量更多，有利于降低成本，对于进货检验来说，工作量更少，质量更加容易控制，产品质量更加可靠。

如图1所示，每个半桥单元都具有2根独立的电源引出线，可以从其中一根检测到半桥单元输出的电流，也就是说可以检测到电机11的一个线电流。避免通过4根同相的相线，使用4个电流传感器去检测电机的线电流。控制器往往需要电机11的k-1个或k个线电流的反馈值，每个半桥单元都具有2根独立的电源引出线，可以采用较少的电流传感器，有利于降低成本，减小故障率。

在本实施例中，每个绕组单元的绕组连接方式也可以为带中性线的星形连接，此时，每个绕组单元包含k根相线和一根中性线，逆变器包含k+1个半桥单元，其中一个半桥单元对应连接j个绕组单元的中性线。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的电动驱动装置以及电动设备，其中的电机，其相数为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直流电；驱动器，根据控制信号输出k组驱动信号；逆变器，根据驱动信号将直流电转换为交流电并提供给电机，其特征在于：其中，电机具有j个绕组单元，每个绕组单元的相数为k且包含k根相线，逆变器包含至少k个半桥单元，每个半桥单元具有j个并联连接的半桥电路，j个半桥电路对应连接j个绕组单元的同相的相线，每组驱动信号驱动一个半桥单元工作，k为大于2的正整数，j为大于1的正整数，所以，j个绕组单元没有直接的电路连接，电机的电流被j个绕组单元分摊，逆变器每个半桥单元的输出电流也被j个半桥电路分摊，从而，在每个半桥电路中可以采用小电流的功率开关元件或功率模块，而且j个绕组单元可以实现同步工作，有利于增大电机的动态转矩。另外，k可以等于3，可以直接利用成熟的三相电机控制技术，也可以直接采用三相电机的生产设备和模具等结构，有利于缩短研发过程，减小研发成本和生产成本。

另外，本实施例还具有携带方便、提高直流电源的电压利用率、电机和逆变器实现均流、减小机械噪声、降低成本、提高性能、提高可靠性、降低温升、提高使用寿命、减小控制器尺寸、提高品控质量、减小故障率等优点。

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，故障率低，使用寿命长等优点。对于大电流的电动驱动装置，可以使用中国生产的功率开关元件，且可以安全可靠工作，有利于帮助中国企业实现进口替代，促进中国企业的良性发展，提高相关的中国制造的产品在国际市场中的竞争力。

以上实施例仅为本发明构思下的基本说明，不对本发明进行限制。而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电动驱动装置，设置在电动设备中，用于驱动所述电动设备，包括：

电机，其相数为k，具有额定线电压以及额定线电流；

直流电源，具有与所述额定线电压相对应的恒定电压，用于提供与所述额定线电流相对应的直流电；

驱动器，根据控制信号输出k组驱动信号；

逆变器，根据所述驱动信号将所述直流电转换为交流电并提供给所述电机，

其特征在于：

其中，所述电机具有j个绕组单元，每个所述绕组单元的相数为k且包含k根相线，

所述逆变器包含至少k个半桥单元，每个所述半桥单元具有j个并联连接的半桥电路，j个所述半桥电路对应连接j个所述绕组单元的同相的相线，

每组所述驱动信号驱动一个所述半桥单元工作，

所述k为大于2的正整数，

所述j为大于1的正整数。

2.根据权利要求1所述的电动驱动装置，其特征在于：

其中，还包括控制器，计算并输出所述控制信号；

3.根据权利要求1所述的电动驱动装置，其特征在于：

其中，每个所述绕组单元的绕组连接方式为k边形连接或无中性线的星形连接。

4.根据权利要求1所述的电动驱动装置，其特征在于：

其中，每个所述绕组单元的绕组连接方式为带中性线的星形连接，

每个所述绕组单元包含k根相线和一根中性线，

所述逆变器包含k+1个所述半桥单元，

其中一个所述半桥单元对应连接j个所述绕组单元的中性线。

5.根据权利要求1所述的电动驱动装置，其特征在于：

其中，j个所述绕组单元中同相的j个绕组是并绕的关系。

6.根据权利要求1所述的电动驱动装置，其特征在于：

其中，每个所述半桥电路包含一个上桥臂和一个下桥臂，所述上桥臂包含至少一个功率开关元件，所述下桥臂包含至少一个功率开关元件，

所述上桥臂和所述下桥臂包含的功率开关元件数量相等。

7.根据权利要求1所述的电动驱动装置，其特征在于：

其中，所述驱动器包含一个驱动模块或k个相同的驱动模块，

每组所述驱动信号具有2个驱动信号。

8.根据权利要求1所述的电动驱动装置，其特征在于：

其中，每个所述半桥单元都有2根独立的电源引出线。

9.根据权利要求1所述的电动驱动装置，其特征在于：

其中，每个所述半桥单元的j个所述半桥电路输出的电流相位相同。

10.一种电动设备，其特征在于，包括：

权利要求1～9中任一项所述的电动驱动装置。

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