CN218301052U - 大功率高性能的多相电机、电动驱动装置以及电动设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大功率且高性能的多相电机、电动驱动装置以及电动设备。本发明的多相电机的特征包括：多相电机具有j个绕组单元，每个绕组单元的相数为k，具有k个绕组和k根相线，至少存在2个绕组单元，它们的绕组存在并绕的关系，至少存在2个绕组单元，它们的绕组不存在并绕的关系，k和j都为大于2的正整数。多相电机具有结构设计简单、合理，成本低，故障率低，使用寿命长等优点。

Description

大功率高性能的多相电机、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、大功率且高性能的多相电机。

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。在电动船舶的电驱动系统中，电机的电流高达几千安培。

虽然在申请号为2021219511470的“电动驱动装置以及电动设备”专利中，虽然提到了一种可以实现大电流大功率的方案，逆变器可以采用低压小电流的功率开关元件来实现大功率大电流的输出能力，但是本质上还是多相电机，最典型的是三相电机，电机中的高次谐波和转矩脉动仍然与多相(三相)电机相同。

双三相电机是一种比较成熟的机型，定子有两组完整的三相绕组，在双三相结构中，绕组在空间呈现30度的电角度分布。与六相电机相比较，电机的控制算法更简单，实时性更好，成本更低。与三相电机相比较，电机中的高次谐波的幅值下降，转矩脉动下降，磁动势波形得以改善，性能指标提高。

为了在实现大电流大功率的同时提高电机的性能指标，可以把上述两种结构进行结合得到另外一种新型的电机，从而有利于大功率高性能电机、电动驱动装置以及电动设备，包括电动叉车、电动气垫船、电动车、矿山货梯、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功率高性能的多相电机、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，其特征在于，包括：多相电机具有j个绕组单元，每个绕组单元的相数为k，具有k个绕组和k根相线，至少存在2个绕组单元，它们的绕组存在并绕的关系，至少存在2个绕组单元，它们的绕组不存在并绕的关系，k和j都为大于2的正整数。

在本发明提供的多相电机中，还可以具有这样的特征：其中，至少存在2个绕组单元，它们的绕组在多相电机的空间排列上的电角度小于或等于90/k度，k 为大于2的正整数。

在本发明提供的多相电机中，还可以具有这样的特征：其中，j为大于3的正偶数。

在本发明提供的多相电机中，还可以具有这样的特征：其中，每两个绕组单元之间相互绝缘。

在本发明提供的多相电机中，还可以具有这样的特征：其中，所有的绕组的电阻阻值都相等。

在本发明提供的多相电机中，还可以具有这样的特征：其中，所有的绕组的匝数都相等。

在本发明提供的多相电机中，还可以具有这样的特征：其中，构成绕组的漆包导体的横截面积都相等。

在本发明提供的多相电机中，还可以具有这样的特征：其中，构成绕组的漆包线的并绕根数都相等。

<结构2>

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，其特征在于，包括：电源，给多相电机提供电能；控制器，将电源提供的电能进行变换并提供给多相电机。

<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设备。

发明的作用和效果

根据本发明所涉及的大功率高性能的多相电机、电动驱动装置以及电动设备，多相电机具有j个绕组单元，每个绕组单元的相数为k，具有k个绕组和k 根相线，至少存在2个绕组单元，它们的绕组存在并绕的关系，至少存在2个绕组单元，它们的绕组不存在并绕的关系，k和j都为大于2的正整数，所以，并绕的绕组的额定电流减小，有利于逆变器采用小电流的功率开关元件来实现大电流的输出能力，降低成本；不存在并绕关系的绕组单元，可以组合成相数为k的正整数倍的多相电机或是双k相电机、三k相电机等，有利于减小电机的高次谐波，提高电机效率，进一步提高电机的性能。j个绕组单元存在冗余，在故障、轻载等特殊情况下，可以切除部分绕组单元，让多相电机或电机控制器工作在最佳状态。根据j个绕组单元投入工作的情况，可以对电机进行有级调速，配合控制器的调速，可以令多相电机的调速精度更高。

综上，本发明的多相电机、电动驱动装置以及电动设备，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。

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；以及

图2是本发明的实施例中电机绕组的结构示意图。

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包括多相电机(电机11)、电源12和控制器，控制器包含指令发送部13、控制部14、驱动部15以及逆变器16。电机11是交流电机，可以为无刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、异步电机或同步电机中的任一种。电源12给多相电机提供电能，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。控制器，将电源12提供的电能进行变换并提供给电机11。

图2是本发明的实施例中电机绕组的结构示意图。

多相电机具有j个绕组单元，每个绕组单元的相数为k，具有k个绕组和k 根相线，至少存在2个绕组单元，它们的绕组存在并绕的关系，至少存在2个绕组单元，它们的绕组不存在并绕的关系，k和j都为大于2的正整数。

如图2所示，k＝3，j＝4。电机11包含定子铁芯，定子铁芯上有定子齿和定子槽。电机11具有额定线电压以及额定线电流，电机11具有4个绕组单元 U1V1W1、U2V2W2、U3V3W3和U4V4W4，每个绕组单元都是独立的，相互之间没有直接的连接关系，它们的端点U1、U2、U3、U4、V1、V2、V3、V4、 W1、W2、W3、W4和中性点O1、O2、O3、O4都是相互独立的，没有连接在一起。当端点U1、U2短接，V1、V2短接，W1、W2短接，中性点O1、O2短接，绕组单元U1V1W1、U2V2W2就合并为一个绕组单元了。

每个绕组单元的相数都为3，且都具有3个绕组和3根相线。每一根相线对应一根电源引出线或一个电源接线端，电机11包含k×j＝12个电源接线端。当绕组单元的绕组如图2所示为星形连接时，还可以在中性点O处引出中性线，每一根中性线也分别对应一根电源引出线或一个电源接线端。

绕组单元U1V1W1和绕组单元U2V2W2的绕组存在并绕的关系，其中，绕组U1O1和U2O2存在并绕的关系，也就是说U1O1和U2O2嵌入在相同的定子槽中且绕组的匝数相同，同理，V1O1和V2O2并绕，W1O1和W2O2并绕。另外，绕组单元U3V3W3和绕组单元U4V4W4的绕组也存在并绕的关系。绕组 U3O3和U4O4并绕，V3O3和V4O4并绕，W3O3和W4O4并绕。绕组单元的并绕绕组，它们在电机11中都是同一种相绕组，如果U1O1定义为A相绕组，那么，U2O2也是A相绕组，其它情况依此类推。

并绕的绕组共同分担电机11的相电流或线电流，或者说，存在并绕关系的每个绕组单元的线电流与电机11的线电流比较变小了，相对应地，给绕组单元供电的逆变器就可以采用电流等级较低的功率开关元件来实现。当电机11的线电流远远超过单个功率开关元件所能承受的范围时，一般采用功率开关元件并联的方法，但是这种方法所采用的功率开关元件的数量与电机11的最大线电流不是线性关系，而是快速增长的非线性关系。例如，电机11的最大线电流为400A，单个功率开关元件在安全范围内所能承受的最大电流是200A，那么需要并联的功率开关元件的数量并不是2，而是大于2，一般会采用3-5个功率开关元件并联。这种并联均流的方法还存在均流失败的风险，可靠性差，故障率高，特别是，当电机11的最大线电流大于1000A甚至2000A时，并联均流的方法更是大大增加了故障率。所以，存在并绕关系的绕组单元有利于逆变器采用小电流的功率开关元件来实现大电流的输出能力，降低成本。如图2所示，400A的最大线电流可以被绕组单元U1V1W1和绕组单元U2V2W2平均分摊，从而逆变器中的功率开关元件单个独立使用即可，不需要并联，与并联均流的方法相比较，电机11 配套的逆变器所需要的功率开关元件的总数量减少了，成本降低了，故障率降低了，安全性和可靠性提高了。

当多相电机中至少存在2个绕组单元，它们的绕组不存在并绕的关系时，所以，多相电机的相数可以是k的正整数倍，也可以是双k相电机或三k相等。公知常识，相数较多的多相电机、双k相电机或三k相电机，与传统的三相电机相比较，电机磁场的高次谐波越小，电机效率越高，电机的性能越好。如图2所示，绕组单元U1V1W1和绕组单元U3V3W3的绕组不存在并绕的关系，绕组单元 U1V1W1和绕组单元U4V4W4的绕组不存在并绕的关系，绕组单元U2V2W2和绕组单元U3V3W3的绕组不存在并绕的关系，绕组单元U2V2W2和绕组单元 U4V4W4的绕组不存在并绕的关系。而且，绕组单元U1V1W1和绕组单元 U2V2W2同相，绕组单元U3V3W3和绕组单元U4V4W4同相，且绕组单元 U1V1W1、U2V2W2和绕组单元U3V3W3、U4V4W4在空间排列上的电角度等于90/k＝30度，所以，图2所示是一个双三相电机。

在多相电机中，至少存在2个绕组单元，它们的绕组在多相电机的空间排列上的电角度小于或等于90/k度，k为大于2的正整数。所以，多相电机的可以构成双k相、三k相等。

当j为大于3的正偶数时，存在并绕的绕组单元为偶数。当绕组单元的绕组在多相电机的空间排列上的电角度等于90/k度，电机为双k相，有利于结合成熟的传统的双三相技术，可以减少研发成本和时间。

由于每个绕组单元之间没有直接的电路联系，它们相互独立，每两个绕组单元之间也相互绝缘。

为了让每个绕组单元的线电流或相电流相等，可以令所有的绕组的电阻阻值都相等，有利于提高电机的利用率和性能，逆变器可以采用电流等级相同的功率开关元件，可以得到最佳的性价比。

绕组的电阻阻值是不是相等要通过测量的方法，而且还存在误差。在电机生产上，只要令绕组的匝数都相等，那么也可以得到电阻阻值相等的结果。特别的，当每个绕组也存在并绕根数时，那么令绕组的总匝数相等，也能够得到相同的结果。当然，也可以通过测量，只要构成绕组的漆包导体的横截面积都相等，也能够得到相同的结果。如果电机的漆包线只用一种型号，那么构成绕组的漆包线的并绕根数都相等，效果也相同。

如图1所示，电源12为动力电池或交流电源经整流滤波后得到的整流源。在本实施例中，电源12为动力电池，具有携带方便等优点。

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和磁场都完全相同，如上，同相的j个并绕的绕组的电流存在严格的比例关系，每个绕组单元的线电流和电机11的线电流也可以保持严格的比例关系。而每个绕组单元的相电阻又与相电流存在严格的线性关系，所以，当其中一个绕组单元的相电阻大于其它绕组单元的相电阻时，这个绕组单元的额定相电流或额定线电流明显要小于其他j-1个绕组单元的。通过对这个相电阻较大的绕组单元的线电流的采样就可以通过简单的计算得到电机11的线电流值。如图1所示，传感器115通过对相线U1的检测和计算即可得到电机11的U线电流，也就是所有相线U1、U2、U3和U4电流之和。同理，传感器116通过对相线V1的检测和计算即可得到电机11的电流V线电流，也就是所有相线V1、V2、V3和V4 电流之和；传感器117通过对相线W1的检测和计算即可得到电机11的电流W 线电流，也就是所有相线W1、W2、W3和W4电流之和。

对于低压大电流或大功率电机来说，额定电流一般都较大，可以达到几百或几千安培。所以，一般的多相电机，一个绕组单元的额定线电流也往往大于100 安培，存在电流传感器的选型、采购、价格和精度等困难，往往是对生产厂家不利的。而本申请的结构，可以通过对小电流的检测准确计算得出电机11的线电流，从原理上看，小电流的绕组和电机11的绕组之间相当于一个互感器，所以，对于本申请来说，不但方便采购到合适的电流传感器，而且还可能利用采样电阻进行电流检测，降低了成本。

电机11至少有一个绕组由漆包线绕制而成，也可以是每个绕组都由漆包线绕制而成。所有的漆包线的线径可以相等也可以不等。所有的漆包线的线径相等时，方便于集中采购、生产，成本更低。每个绕组都由漆包线绕制而成时，方便于进行并绕。其中，有一个绕组单元的绕组的并绕根数少于其他j-1个绕组单元的绕组的并绕根数，特别地，有一个绕组单元的绕组的并绕根数等于1，相电阻的值比较大，对应的线电流也比较小。

如图1所示，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把PWM信号进行功率放大并输出至少2k组相位不同的驱动信号。

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6个并联的半桥单元161、162、163、164、165和166，每个半桥单元具有 2个并联连接的半桥电路，每个半桥单元的2个半桥电路的驱动信号相同，每个半桥电路有1个电源输出端，每个半桥单元有2个电源输出端对应连接并绕的两个绕组的电源接线端。

如图1所示，以半桥单元166为例，半桥单元166具有2个并联连接的半桥电路1661和1662，半桥电路1661和1662的2个电源输出端对应连接2个绕组单元U3V3W3和U4V4W4的同一相(W相)的相线W3和W4或对应的电源接线端或电源引出线。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164的2个并联连接的半桥电路对应连接2个绕组单元U3V3W3和U4V4W4 的同一相(V相)的相线V3和V4或对应的电源接线端或电源引出线。半桥单元162的2个并联连接的半桥电路对应连接2个绕组单元U3V3W3和U4V4W4 的同一相(U相)的相线U3和U4或对应的电源接线端或电源引出线。总而言之，控制器或逆变器共有k×j个电源输出端且与多相电机的k×j根相线或电源接线端或电源引出线一一对应连接。

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2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，采用单个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，也可以小幅度地提高半桥电路的最大工作电流。

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，但是价格也更高。

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2个上桥臂的功率开关元件同时导通和同时关断，另外一个驱动信号驱动对应的2个下桥臂的功率开关元件同时导通和同时关断。所以，每个半桥单元中的2个半桥电路输出的电压相等。如前，2个并绕的绕组电阻阻值相等，所以同一个半桥单元中的2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2个半桥电路均流的效果。每组驱动信号也可以具有4个驱动信号，每2个驱动信号驱动对应的1个半桥电路，保证驱动信号有足够的电流或功率能够驱动功率开关元件快速导通和关断。

驱动部15包含一个驱动模块、k个、j个或k×j个相同的驱动模块。当驱动部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。当驱动部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。当驱动部15包含k个、j个或k×j个驱动模块时，驱动能力较强，能够充分保证功率开关元件的快速导通和关断。

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，多相电机包含(k+1)×j个电源接线端，相对应的，逆变器包含(k+1)j个半桥电路，控制器包含(k+1)×j个电源输出端且与多相电机的(k+1)×j个电源接线端一一对应。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的大功率高性能的多相电机、电动驱动装置以及电动设备，多相电机具有j个绕组单元，每个绕组单元的相数为k，具有k个绕组和k 根相线，至少存在2个绕组单元，它们的绕组存在并绕的关系，至少存在2个绕组单元，它们的绕组不存在并绕的关系，k和j都为大于2的正整数，所以，并绕的绕组的额定电流减小，有利于逆变器采用小电流的功率开关元件来实现大电流的输出能力，降低成本；不存在并绕关系的绕组单元，可以组合成相数为k的正整数倍的多相电机或是双k相电机、三k相电机等，有利于减小电机的高次谐波，提高电机效率，进一步提高电机的性能。j个绕组单元存在冗余，在故障、轻载等特殊情况下，可以切除部分绕组单元，让多相电机或电机控制器工作在最佳状态。根据j个绕组单元投入工作的情况，可以对电机进行有级调速，配合控制器的调速，可以令多相电机的调速精度更高。

综上，本实施例的多相电机、电动驱动装置以及电动设备，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。

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，其特征在于，包括：

所述多相电机具有j个绕组单元，

每个所述绕组单元的相数为k，具有k个绕组和k根相线，

至少存在2个所述绕组单元，它们的绕组存在并绕的关系，

至少存在2个所述绕组单元，它们的绕组不存在并绕的关系，

所述k和j都为大于2的正整数。

2.根据权利要求1所述的多相电机，其特征在于：

其中，至少存在2个所述绕组单元，它们的绕组在所述多相电机的空间排列上的电角度小于或等于90/k度，

所述k为大于2的正整数。

3.根据权利要求1所述的多相电机，其特征在于：

其中，所述j为大于3的正偶数。

4.根据权利要求1所述的多相电机，其特征在于：

其中，每两个所述绕组单元之间相互绝缘。

5.根据权利要求1所述的多相电机，其特征在于：

其中，所有的所述绕组的电阻阻值都相等。

6.根据权利要求1所述的多相电机，其特征在于：

其中，所有的所述绕组的匝数都相等。

7.根据权利要求1所述的多相电机，其特征在于：

其中，构成所述绕组的漆包导体的横截面积都相等。

8.根据权利要求1所述的多相电机，其特征在于：

其中，构成所述绕组的漆包线的并绕根数都相等。

9.一种电动驱动装置，其特征在于，包括：

权利要求1～8中任一项所述的多相电机；

电源，给所述多相电机提供电能；

控制器，将所述电源提供的电能进行变换并提供给所述多相电机。

10.一种电动设备，其特征在于，包括：

权利要求1～8中任一项所述的多相电机。

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