[发明专利]电动驱动装置、电动设备、逆变器以及多相交流电机

说明书

技术领域

本发明属于交流电机领域，特别涉及一种大电流多相交流电机、包含该多相交流电机以及逆变器的交流电机组件以及包含交流电机组件的电动驱动装置及电动驱动设备。

背景技术

随着环保要求的提高，国家对将燃油作为能量来源的各种设备的尾气排放也管理的越来越严格，因此，将电作为能源的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。

通常，电动设备以电池作为电源。当电动设备的功率较小(不大于800w)时，可以以直流电机作为驱动构件，电池通过斩波器向直流电机供电。但当电动设备的供电电压受限，功率较大时，直流电机的电流自然也就越大，受换向器和电刷的限制，换向器越容易产生火花，从而导致直流电机被烧坏。因此，大功率的电动设备往往选择能够承受较大电流的交流电机。

以三相交流电机为例，在三相交流电机控制系统中，如图2所示，控制器通过触发信号控制三相逆变器桥臂上的半导体开关元件的导通和关断得到对称的三相交流电压，并将其加载到电机绕组中。在整个过程中，控制器通过各种控制策略控制电机的转速和转矩等目标。

随着带反馈控制的电动驱动装置及电动驱动设备负载的增大，电机的输入功率也随着增大。如果电机的功率因数不变，当逆变器输入端直流电压大小因为各种原因的约束而无法随着负载的增大而增大的情况下，电机的输入电流必然增大，也就是说，逆变器的输出电流必然增大，流过逆变器功率开关元件的电流必然增大。为了保证系统正常工作，功率开关元件必须选用额定工作电流更大的。

然而，受各种条件的影响，能够承受大功率电机所要求的大工作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，容易购买的额定工作电流相对较小的开关元件代替一个大电流开关元件，一般把这种方法称之为并联。

图3为现有技术中常见的大电流三相交流电机和逆变器的连接关系示意图，由图3可知，逆变器采用并联均流技术，交流电机每一相的线电流都由j个并联的同相逆变器桥臂共同提供。理论上，每个逆变器桥臂上的半导体开关元件中所流过的电流值是交流电机线电流的j分之一，也就是说，这j个并联的小电流半导体开关元件共同承担电机的一个线电流。

由此可知，单独的一个小电流开关元件无法承担一个大电流电机的线电流，如果出现大电流流过单个的小电流开关元件，超越了小电流开关元件的承受能力的情况，小电流开关元件必然损坏。

在开关特性一致性很高的情况下，并联的半导体开关元件能够同时导通和同时关断，从而在导通期间共同分担电机每一线的大电流，均流效果则会较好。但这种半导体开关元件需要从大量的开关元件中精挑细选才能得到，致使使用成本很高，并联的开关元件越多，成本越急剧上升。此外，即使挑选出的这些开关元件在使用前的测试过程中一致性高，随着使用环境和器件老化的影响，也难以保证在使用过程中仍然能保持这么高的一致性。基于这个考虑，所以并联开关元件总的额定工作电流要大于电机线电流很多，一般是2-3倍。

受各种因素的影响，当开关元件从关断状态转变为导通状态时，如果并联的小电流开关元件无法同时导通将导致均流失败，那么提前导通的单个开关元件将流过很大的电机线电流，从而开关元件出现损坏；同样的道理，当开关元件从导通状态转变为关断状态时，如果并联的小电流开关元件无法同时关断将导致均流失败，那么最后关断的那个开关元件也将流过很大的电机线电流，从而开关元件出现损坏。

随着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。由于该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大电流电机电流值的增大，使得大电流电机成为一个很难跨越的障碍。

进一步，在逆变器电压由电池供电的情况下，由于电池电压幅值受限，远远低于交流供电的情况，致使问题更加严重，进而严重影响了电池供电的电动工具、电动车尤其重型电动车、电动船，甚至国防上的电动战车、电动军舰和电驱动航空母舰的发展。

发明内容

本发明是为解决上述问题而进行的，通过提供一种同一相的逆变桥臂独立且电流解耦的逆变器、包含多个独立安装在电枢上的多相绕组的多相交流电机以及包含该逆变器和该多相交流电机的电动驱动装置和电动设备，取消了开关元件的并联均流技术，在使用普通的小电流开关元件的情况下，电机的电流值可以任意增大。

为了实现上述目的，本发明采用了下述技术方案：