CN217486257U - 多相电机、电动驱动装置以及电动设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大电流、高性能的多相电机、电动驱动装置以及电动设备。本发明的多相电机，用于电能和机械能的转换，包括：定子铁芯，具有多个定子槽，定子绕组，具有j个相互绝缘的绕组单元，其特征在于：其中，每个绕组单元都包含k个相绕组，每个相绕组包含的线圈的数量都相等，绕组部，包含分别一一对应于j个绕组单元的j个相绕组，多相电机具有k个绕组部，每个绕组部中的j个相绕组的线圈嵌入在相同的定子槽中，k为大于2的正整数，j为大于1的正整数。

Description

多相电机、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，特别涉及一种大电流、高性能的多相电机、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，目的在于提供一种大电流、高性能的多相电机、电动驱动装置以及电动设备。

<结构1>

本发明提供了一种多相电机，用于电能和机械能的转换，包括：定子铁芯，具有多个定子槽，定子绕组，具有j个相互绝缘的绕组单元，其特征在于：其中，每个绕组单元都包含k个相绕组，每个相绕组包含的线圈的数量都相等，绕组部，包含分别一一对应于j个绕组单元的j个相绕组，多相电机具有k个绕组部，每个绕组部中的j个相绕组的线圈嵌入在相同的定子槽中，k为大于2的正整数，j 为大于1的正整数。

<结构2>

本发明提供了一种多相电机，用于电能和机械能的转换，包括：定子铁芯，具有多个定子槽，定子绕组，具有k*j个相绕组，其特征在于：其中，每个相绕组包含的线圈的数量都相等，每j个相绕组组成一个绕组部，多相电机具有k个绕组部，每个绕组部中的j个相绕组的线圈嵌入在相同的定子槽中，每个绕组部各取一个相绕组按照预定的连接方法连接成一个绕组单元，多相电机具有j个绕组单元，任意2个绕组单元相互绝缘，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<结构1>或<结构2>多相电机中，还可以具有这样的特征：其中，在两个定子槽中的同一个绕组部的所有线圈的绕制方向相同。

在本发明提供的<结构1>或<结构2>多相电机中，还可以具有这样的特征：其中，在两个定子槽中的同一个绕组部的所有线圈流过的电流方向相同。

在本发明提供的<结构1>或<结构2>多相电机中，还可以具有这样的特征：其中，在相同两个定子槽中的同一个绕组部的所有线圈层层叠加。

在本发明提供的<结构1>或<结构2>多相电机中，还可以具有这样的特征：其中，每个绕组部中的j个相绕组的线圈由至少j根漆包线采用并绕工艺制作而成，j为大于1的正整数。

在本发明提供的<结构1>或<结构2>多相电机中，还可以具有这样的特征：其中，每个线圈的大小都相等，每个线圈的匝数都相等，单匝线圈的横截面积都相等。

<结构3>

进一步，本发明还提供了一种含有上述多相电机的电动驱动装置，设置在电动设备中，用于驱动电动设备，包括：电源，提供直流电；控制器，将直流电转换为交流电并提供给多相电机，其特征在于：其中，每个绕组单元包含k根相线，控制器包含k*j个输出端，控制器的k*j个输出端与多相电机的k*j根相线一一对应连接，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，多相电机的所有相线的导体横截面积都相同。

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，多相电机的每根相线包含的漆包线根数都相等，且每根漆包线的横截面积都相等。

<结构4>

进一步，本发明还提供了一种含有上述多相电机和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多相电机，包括：定子铁芯，具有多个定子槽，定子绕组，具有j个相互绝缘的绕组单元，其特征在于：其中，每个绕组单元都包含k 个相绕组，每个相绕组包含的线圈的数量都相等，绕组部，包含分别一一对应于j个绕组单元的j个相绕组，多相电机具有k个绕组部，每个绕组部中的j个相绕组的线圈嵌入在相同的定子槽中，k为大于2的正整数，j为大于1的正整数，所以，每个绕组单元的电流相互独立互不影响，相对应的逆变器或控制器的输出电流也是相互独立的；每个绕组单元可以独立控制，实现冗余；每个绕组单元的相数相同，可以采用相同的控制方法，也可以采用同一组控制信号，降低控制的难度和成本；每个相绕组所处的温度场和磁场相同，它们的电阻、电感、激励的磁动势和感应电动势等参数相等或与线圈的匝数成线性比例关系。也就是说，每个绕组单元在多相电机中的作用效果相同或与线圈的匝数成线性比例关系，或者说，所有的绕组单元的电流之和等于多相电机的电流，所有的绕组单元的功率之和等于多相电机的功率。对于额定电流或额定功率已知的多相电机，绕组单元的数量越多，每个绕组单元的额定电流或额定功率就越小，与绕组单元相对应的逆变器或控制器的额定电流或额定容量就越小，越容易实现，不必采用并联均流技术，成本低，可靠性高。因此，大电流或大功率的电机，可以由具有多个小电流或小功率的绕组单元的本发明多相电机来实现，解决单个逆变器或控制器的电流或功率难以做大的难题。采用本发明的电动驱动装置，电机的额定电流和额定功率没有上限，可以用多个独立的小电流或小功率的逆变器或控制器来控制如电动航空母舰中的百兆瓦级电机，甚至更大功率等级的电机。

综上，本发明的多相电机具有结构设计简单、合理，成本低，容易生产等优点，有助于额定电流或额定功率很大的电动驱动装置的实现。

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结构示意图1；以及

图3是本发明的实施例中电机绕组的结构示意图2。

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。

<实施例一>

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安装在电动设备中，驱动电动设备工作。电动驱动装置10包括电机11、电源12和控制器，控制器的主要组成部分是逆变部16，控制器还包括驱动部15、控制部14，指令发送部13可以包含在控制器中也可以独立安装在控制器外部。

电机11具有j个相互绝缘的绕组单元，每个绕组单元包含k根相线，j＝2， k＝3。所以，电机11具有6根相线或电源线，分别是电源线U1、V1、W1、U2、 V2、W2。

电源12为动力电池或整流源，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。

控制部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。

驱动部15根据PWM信号进行功率放大并输出驱动信号。

控制部14和驱动部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。

逆变部16根据驱动信号将直流电转换为交流电并提供给电机11。

逆变部16包含6个半桥电路161、162、163、164、165、166。每个半桥电路均包括串联连接的一个上桥臂电路和一个下桥臂电路，每个上桥臂电路和每个下桥臂电路包含至少一个功率开关元件。每个上桥臂电路的一端连接至正极直流母线，每个下桥臂电路的一端连接至负极直流母线，每个桥臂电路中的上桥臂电路的另一端与下桥臂电路的另一端连接所形成的连接点作为输出端。逆变部16 总共有6个输出端U1、V1、W1、U2、V2、W2。9个输出端与电机11的9根相线或电源线一一对应连接。

多相电机11包含定子绕组，定子绕组具有j个绕组单元(在本实施例中，j＝2)，如图1所示，2个绕组单元为111和112。如图1所示，多相电机11具有2个绕组单元111和112。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，多相电机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。

任意2个绕组单元相互绝缘，也就是说，任意2个绕组单元没有电路的直接连接。每个绕组单元都包含k个相绕组(在本实施例中，k＝3)。如图1所示，绕组单元为111包含3个相绕组，分别是A相绕组A11A12、B相绕组B11B12、C 相绕组C11C12；绕组单元为112包含3个相绕组，分别是A相绕组A21A22、B 相绕组B21B22、C相绕组C21C22。

每个绕组单元还包含3根相线。绕组单元为111包含3根相线U1、V1和 W1；绕组单元112包含3根相线U2、V2和W2。

每个相绕组包含的线圈的数量都相等。如图1、2和3所示，相绕组A11A12、 B11B12、C11C12、A21A22、B21B22、C21C22都各自包含4个线圈。

图2是本发明的实施例中电机绕组的结构示意图1，图3是本发明的实施例中电机绕组的结构示意图2。

如图2和图3所示，多相电机11包含定子铁芯、定子绕组、转子，定子铁芯具有多个定子槽和定子齿。定子槽开口可以往外，也可以往内如图2和图3所示。

绕组部，包含分别一一对应于j个绕组单元的j个同名的相绕组，多相电机具有k个绕组部。或者说，绕组部包含分别来自于j个绕组单元的j个同名的相绕组。

如图2和图3所示，多相电机11具有3个绕组部，第一绕组部包含分别来自于2个绕组单元的2个A相绕组A11A12和A21A22，第二绕组部包含分别来自于2个绕组单元的2个B相绕组B11B12和B21B22，第三绕组部包含分别来自于2个绕组单元的2个C相绕组C11C12和C21C22。

在电机内部，由于电机气隙不均匀，每个气隙的磁阻大小相差很多，另外定子铁芯每一片硅钢片的厚度不同、每2片硅钢片之间的绝缘漆厚度不同、硅钢片自身材料的磁导率不均匀都会导致电机内部的磁场密度分布不均，特别是每个定子齿的磁场密度各不相同。只有嵌入在相同的两个定子槽中的线圈，才能保证穿越线圈的磁通量相等。

电机线圈通过电流后会发热，定子铁芯在电机工作时存在磁滞损耗和涡流损耗也会发热。由于电机外壳每个散热片的散热速度不同，定子铁芯的导热系数难以保证处处相等，这些都将导致电机内部的温度不均匀，特别是每个定子槽的温度都不一样。而用于制作线圈的金属如铜等的电阻阻值随着温度的变化而变化。

每个绕组部中的j个相绕组的线圈嵌入在相同的定子槽中。在相同的定子槽中的线圈处在相同的磁场和温度场中，因此，每个相绕组的电阻、电感、激励的磁动势和感应电动势等参数相等或与线圈的匝数成线性比例关系，也就是说，每个绕组单元在多相电机中的作用效果相同或与线圈的匝数成线性比例关系，或者说，所有的绕组单元的电流之和等于多相电机的电流，所有的绕组单元的功率之和等于多相电机的功率。对于额定电流或额定功率已知的多相电机，绕组单元的数量越多，每个绕组单元的额定电流或额定功率就越小，与绕组单元相对应的逆变器或控制器的额定电流或额定容量就越小，越容易实现，不必采用并联均流技术，成本低，可靠性高。因此，大电流或大功率的电机，可以由具有多个小电流或小功率的绕组单元的本发明多相电机来实现，解决单个逆变器或控制器的电流或功率难以做大的难题。采用本发明的电动驱动装置，电机的额定电流和额定功率没有上限，可以用多个独立的小电流或小功率的逆变器或控制器来控制如电动航空母舰中的百兆瓦级电机，甚至更大功率等级的电机。

第一绕组部的2个A相绕组A11A12和A21A22的线圈嵌入在相同的定子槽中，第二绕组部的2个B相绕组B11B12和B21B22的线圈嵌入在相同的定子槽中，第三绕组部的2个相绕组C11C12和C21C22的线圈嵌入在相同的定子槽中。嵌入在相同的定子槽中的同一绕组部的相绕组的名称相同，都是各自绕组单元中的同名相绕组，如第一绕组部的2个A相绕组A11A12和A21A22都是各自绕组单元的A相绕组，第二绕组部的2个B相绕组B11B12和B21B22都是各自绕组单元的B相绕组，第三绕组部的2个C相绕组C11C12和C21C22都是各自绕组单元的C相绕组。

在两个定子槽中的同一个绕组部的所有线圈的绕制方向相同。当同一个绕组部的j个相绕组的电流都从同一端流入时，所有线圈流过的电流方向相同，所有线圈激励的磁动势叠加增强，电机效率高。

在两个定子槽中的同一个绕组部的所有线圈流过的电流方向相同。对线圈的电流直接的要求也是为了所有线圈激励的磁动势叠加增强，电机效率高。

如图2所示，在相同两个定子槽中的同一个绕组部的所有线圈层层叠加。一个线圈一个线圈地叠加嵌入在定子槽中，方便生产和加工，每个线圈之间还可以增加绝缘纸，提高线圈与线圈的绝缘程度。

如图3所示，每个绕组部中的j个相绕组的线圈由至少j根漆包线采用并绕工艺制作而成，j为大于1的正整数。当线圈由漆包线绕制而成时，可以在绕制时，把同一个绕组部中的j个相绕组的线圈同时绕制，也就是说采用并绕的工艺制作，有利于提高绕线的效率。

每个线圈的大小都相等，每个线圈的匝数都相等，单匝线圈的横截面积都相等。所以，每个相绕组的电阻、电感、激励的磁动势和感应电动势等参数相等，也就是说，每个绕组单元在多相电机中的作用效果相同，或者说，每个绕组单元的电流都相等，每个绕组单元的功率都相等，所以，每个绕组单元具有互换性，方便控制器采用相同的功率开关元件，减小采购、生产制造、维修维护的难度，降低成本，提高效率。电机内部线圈的一致性，反映在电机的相线或电源线上，就是所有相线或电源线的导体横截面积都相同。当线圈由漆包线构成时，多相电机的每根相线包含的漆包线根数都相等，且每根漆包线的横截面积都相等。

<实施例二>

本申请的发明内容<结构2>的内容为：“本发明提供了一种多相电机，用于电能和机械能的转换，包括：定子铁芯，具有多个定子槽，定子绕组，具有k*j 个相绕组，每个相绕组包含的线圈的数量都相等，每j个相绕组组成一个绕组部，多相电机具有k个绕组部，每个绕组部中的j个相绕组的线圈嵌入在相同的定子槽中，每个绕组部各取一个相绕组按照预定的连接方法连接成一个绕组单元，多相电机具有j个绕组单元，任意2个绕组单元相互绝缘，k为大于2的正整数，j 为大于1的正整数。”

本实施例二仅对上述内容进行说明和解释。

在本实施例中，k等于3，j等于2。

如图2和图3所示，定子绕组，具有6个相绕组，因为每个相绕组包含的线圈的数量都相等，所以任意取2个相绕组组成一个绕组部，多相电机共组成3个独立的绕组部。每个绕组部中的2个相绕组的线圈嵌入在相同的定子槽中。每个绕组部各取一个相绕组按照预定的连接方法(三角形接法或星形接法)连接成一个绕组单元。在本实施例中，三个绕组部中分别取出一个相绕组并根据其始端和末端的编号命名为相绕组A11A12、B11B12、C11C12并按照三角形绕组连接方法，把各个相绕组的始端和末端连接在一起，也就是说始端A11和末端C12连接在一起，始端B11和末端A12连接在一起，始端C11和末端B12连接在一起，并分别在每个连接点处引出一根相线，分别是相线U1、V1、W1。

同理，三个绕组部中分别取出一个相绕组并根据其始端和末端的编号命名为相绕组A21A22、B21B22、C21C22，也是按照相同的三角形绕组连接方法，把各个相绕组的始端和末端连接在一起，也就是说始端A21和末端C22连接在一起，始端B21和末端A22连接在一起，始端C21和末端B22连接在一起，并分别在每个连接点处引出一根相线，分别是相线U2、V2、W2。

因此，多相电机11具有2个绕组单元，且任意2个绕组单元相互绝缘。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的多相电机，包括：定子铁芯，具有多个定子槽，定子绕组，具有j个相互绝缘的绕组单元，其特征在于：其中，每个绕组单元都包含 k个相绕组，每个相绕组包含的线圈的数量都相等，绕组部，包含分别一一对应于j个绕组单元的j个相绕组，多相电机具有k个绕组部，每个绕组部中的j个相绕组的线圈嵌入在相同的定子槽中，k为大于2的正整数，j为大于1的正整数，所以，每个绕组单元的电流相互独立互不影响，相对应的逆变器或控制器的输出电流也是相互独立的；每个绕组单元可以独立控制，实现冗余；每个绕组单元的相数相同，可以采用相同的控制方法，也可以采用同一组控制信号，降低控制的难度和成本；每个相绕组所处的温度场和磁场相同，它们的电阻、电感、激励的磁动势和感应电动势等参数相等或与线圈的匝数成线性比例关系。也就是说，每个绕组单元在多相电机中的作用效果相同或与线圈的匝数成线性比例关系，或者说，所有的绕组单元的电流之和等于多相电机的电流，所有的绕组单元的功率之和等于多相电机的功率。对于额定电流或额定功率已知的多相电机，绕组单元的数量越多，每个绕组单元的额定电流或额定功率就越小，与绕组单元相对应的逆变器或控制器的额定电流或额定容量就越小，越容易实现，不必采用并联均流技术，成本低，可靠性高。因此，大电流或大功率的电机，可以由具有多个小电流或小功率的绕组单元的本发明多相电机来实现，解决单个逆变器或控制器的电流或功率难以做大的难题。采用本发明的电动驱动装置，电机的额定电流和额定功率没有上限，可以用多个独立的小电流或小功率的逆变器或控制器来控制如电动航空母舰中的百兆瓦级电机，甚至更大功率等级的电机。

综上，本实施例的多相电机具有结构设计简单、合理，成本低，容易生产等优点，有助于额定电流或额定功率很大的电动驱动装置的实现。

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)

1.一种多相电机，用于电能和机械能的转换，包括：

定子铁芯，具有多个定子槽，

定子绕组，具有j个相互绝缘的绕组单元，

其特征在于：

其中，每个所述绕组单元都包含k个相绕组，

每个所述相绕组包含的线圈的数量都相等，

绕组部，包含分别一一对应于j个所述绕组单元的j个所述相绕组，

所述多相电机具有k个所述绕组部，

每个所述绕组部中的j个所述相绕组的所述线圈嵌入在相同的定子槽中，

所述k为大于2的正整数，

所述j为大于1的正整数。

2.一种多相电机，用于电能和机械能的转换，包括：

定子铁芯，具有多个定子槽，

定子绕组，具有k*j个相绕组，

其特征在于：

其中，每个所述相绕组包含的线圈的数量都相等，

每j个所述相绕组组成一个绕组部，

所述多相电机具有k个所述绕组部，

每个所述绕组部中的j个所述相绕组的所述线圈嵌入在相同的定子槽中，

每个所述绕组部各取一个相绕组按照预定的连接方法连接成一个绕组单元，

所述多相电机具有j个所述绕组单元，

任意2个所述绕组单元相互绝缘，

所述k为大于2的正整数，

所述j为大于1的正整数。

3.根据权利要求1或2所述的多相电机，其特征在于：

其中，在两个定子槽中的同一个所述绕组部的所有所述线圈的绕制方向相同。

4.根据权利要求1或2所述的多相电机，其特征在于：

其中，在两个定子槽中的同一个所述绕组部的所有所述线圈流过的电流方向相同。

5.根据权利要求1或2所述的多相电机，其特征在于：

其中，在两个定子槽中的同一个所述绕组部的所有所述线圈层层叠加。

6.根据权利要求1或2所述的多相电机，其特征在于：

其中，每个所述绕组部中的j个所述相绕组的所述线圈由至少j根漆包线采用并绕工艺制作而成，

所述j为大于1的正整数。

7.根据权利要求1或2所述的多相电机，其特征在于：

其中，每个所述线圈的大小都相等，

每个所述线圈的匝数都相等，

单匝线圈的横截面积都相等。

8.一种电动驱动装置，设置在电动设备中，用于驱动所述电动设备，包括：

权利要求1～7中任一项所述的多相电机；

电源，提供直流电；

控制器，将所述直流电转换为交流电并提供给所述多相电机，

其特征在于：

其中，每个所述绕组单元包含k根相线，

所述控制器包含k*j个输出端，

所述控制器的k*j个输出端与所述多相电机的k*j根相线一一对应连接，

所述k为大于2的正整数，

所述j为大于1的正整数。

9.根据权利要求8所述的电动驱动装置，其特征在于：

其中，所述多相电机的所有所述相线的导体横截面积都相同。

10.一种电动设备，其特征在于，包括：

权利要求8-9中任一项所述的电动驱动装置。

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