專利名稱：發(fā)電機(jī)的非正弦電流波形激勵(lì)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及發(fā)電機(jī)，并且更特別地涉及用于激勵(lì)具有分?jǐn)?shù)槽集中繞組和轉(zhuǎn)子場(chǎng)繞組的發(fā)電機(jī)的控制方案。
背景技術(shù)：
電機(jī)在各種工業(yè)中的使用延續(xù)而在許多工業(yè)、商業(yè)和運(yùn)輸工業(yè)中隨時(shí)間變得更盛行。在這樣的電機(jī)的功率電子學(xué)和控制技術(shù)的領(lǐng)域中已經(jīng)有極大的進(jìn)步和巨大的成就，導(dǎo)致增加的能量節(jié)省和控制靈活性。這樣的成就的提供是產(chǎn)生于數(shù)字技術(shù)的計(jì)算機(jī)技術(shù)中的連續(xù)進(jìn)步。數(shù)字技術(shù)引起計(jì)算機(jī)的大小和成本中的非常顯著的減小，允許它們成功地代替舊的、龐大的并且相對(duì)昂貴的機(jī)械系統(tǒng)。盡管數(shù)字增強(qiáng)控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)的能力已經(jīng)進(jìn)步，與這樣的控制系統(tǒng)一起使用的電機(jī)的結(jié)構(gòu)對(duì)于絕大部分仍然未變。例如，例如在發(fā)電站中使用的那些定速發(fā)電機(jī)的大多數(shù)使用在定子上的分布正弦繞組和在轉(zhuǎn)子上的DC場(chǎng)或永磁體來(lái)設(shè)計(jì)。如在圖1中示出的， 現(xiàn)有技術(shù)發(fā)電機(jī)2可配備有整數(shù)槽分布定子繞組4和在轉(zhuǎn)子8上的永磁體6。作為示例，圖 1圖示定子繞組4的M槽重疊分布設(shè)置。在操作中，發(fā)電機(jī)2的永磁體6在轉(zhuǎn)子8和定子繞組4之間的空隙中形成磁場(chǎng)，其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子8并且在定子繞組4中產(chǎn)生電能。然而，根據(jù)在圖1中圖示的發(fā)電機(jī)2的結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)的構(gòu)造(其實(shí)現(xiàn)分布正弦繞組4)遭受與其關(guān)聯(lián)的性能和成本中的缺點(diǎn)。例如，實(shí)現(xiàn)分布正弦繞組的發(fā)電機(jī)苦于由于端部繞組中的電損耗引起的降低的效率。端部繞組長(zhǎng)度貢獻(xiàn)于增加的電阻，由此導(dǎo)致降低發(fā)電機(jī)的效率的更高的歐姆損耗。端部繞組長(zhǎng)度也需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜冷卻系統(tǒng)(例如，液體氫冷卻系統(tǒng))，其引起發(fā)電機(jī)中增加的冷卻成本。此外，永磁體限制發(fā)電機(jī)的功率密度、能量效率、操作溫度、壽命周期和可靠性。除增加的操作成本外，實(shí)現(xiàn)分布正弦繞組和永磁體的例如在圖1中示出的發(fā)電機(jī)構(gòu)造起來(lái)也是更大代價(jià)的。例如，這樣的發(fā)電機(jī)常常包括昂貴的薄定子疊片，其構(gòu)造起來(lái)是昂貴的。此外，用于形成空隙磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)子上的永磁體與包含電磁體或場(chǎng)繞組的發(fā)電機(jī)相比
是昂貴的。因此，設(shè)計(jì)可以采用非正弦定子繞組的發(fā)電機(jī)以便減小與其的生產(chǎn)和操作關(guān)聯(lián)的成本將是可取的。提供用于控制采用非正弦定子繞組的發(fā)電機(jī)的控制方案是進(jìn)一步期望的，其抑制典型地與非正弦繞組關(guān)聯(lián)的另外諧波分量的影響，以便最小化諧波并且維持發(fā)電機(jī)中的高功率密度和高效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例通過(guò)提供用于以瞬時(shí)非正弦電流的方式激勵(lì)具有分?jǐn)?shù)槽集中繞組和轉(zhuǎn)子場(chǎng)繞組的發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)和方法克服前面提到的缺點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，發(fā)電機(jī)包括具有多個(gè)分?jǐn)?shù)槽集中繞組的定子；轉(zhuǎn)子，其安置在該定子內(nèi)以相對(duì)該定子旋轉(zhuǎn)并且具有與其電耦合的場(chǎng)繞組，其配置成響應(yīng)于施加于場(chǎng)繞組的電流而在該定子和轉(zhuǎn)子之間的空隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；以及具有可連接到電源的輸入和可連接到該場(chǎng)繞組的輸出的驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器進(jìn)一步包括配置成控制到該場(chǎng)繞組的電流流量的電路和連接到該電路并且編程為輸入初始DC場(chǎng)電流需求到該電路以使該電路輸出初始DC場(chǎng)電流的控制器，其中該初始DC場(chǎng)電流需求代表會(huì)使具有正弦定子繞組的發(fā)電機(jī)輸出期望的AC電力的DC場(chǎng)電流需求。該控制器進(jìn)一步編程為接收關(guān)于由該初始DC場(chǎng)電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的反饋，基于該反饋確定并且隔離該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的理想基波分量，基于該理想基波分量產(chǎn)生修改的DC場(chǎng)電流需求，并且將該修改的DC場(chǎng)電流需求輸入到該電路， 由此使該電路輸出瞬時(shí)非正弦電流到該場(chǎng)繞組以產(chǎn)生正弦旋轉(zhuǎn)空隙磁場(chǎng)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供用于在具有定子和轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生AC電力的方法，該定子具有多個(gè)分?jǐn)?shù)槽集中繞組，該轉(zhuǎn)子具有多個(gè)場(chǎng)繞組，所述方法包括輸入代表會(huì)使具有正弦定子繞組的發(fā)電機(jī)輸出期望的AC電力的DC場(chǎng)電流需求的測(cè)試DC場(chǎng)電流需求到逆變器并且響應(yīng)于該測(cè)試DC場(chǎng)電流需求在該逆變器中產(chǎn)生初始DC場(chǎng)電流，其中該初始DC場(chǎng)電流輸出到該轉(zhuǎn)子上的多個(gè)場(chǎng)繞組以在該轉(zhuǎn)子和定子之間產(chǎn)生測(cè)試旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。該方法還包括確定該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的基波分量和諧波分量、從該測(cè)試DC場(chǎng)電流需求和該基波分量確定該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的理想基波分量，以及基于該理想基波分量確定期望的電流波形。該方法進(jìn)一步包括基于該期望的電流波形產(chǎn)生修改的DC場(chǎng)電流需求并且將該修改的DC場(chǎng)電流需求輸入到該逆變器，由此使該逆變器輸出非正弦AC電流波形到在該轉(zhuǎn)子上的該多個(gè)場(chǎng)繞組以產(chǎn)生正弦旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，由此在該發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生AC電力。根據(jù)本發(fā)明的再另一個(gè)方面，發(fā)電機(jī)包括具有多個(gè)非正弦集中繞組的定子；轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子安置在該定子內(nèi)以相對(duì)該定子旋轉(zhuǎn)并且具有場(chǎng)繞組，其配置成響應(yīng)于施加于場(chǎng)繞組的電流而在該定子和轉(zhuǎn)子之間的空隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；以及控制從電源到該場(chǎng)繞組的電流流量的驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器配置成基于代表會(huì)使具有正弦定子繞組的發(fā)電機(jī)輸出期望的 AC電力的DC場(chǎng)電流需求的第一電流需求來(lái)提供初始輸入電流到該轉(zhuǎn)子并且接收關(guān)于由該初始輸入電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的反饋。該驅(qū)動(dòng)器進(jìn)一步配置成基于該反饋產(chǎn)生第二電流需求并且基于該第二電流需求提供瞬時(shí)修改的輸入電流到該場(chǎng)繞組以便在空隙中產(chǎn)生正弦旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并且在該發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生AC電力，其中該瞬時(shí)修改的輸入電流包括非正弦電流波形。將從下列詳細(xì)描述和圖使各種其他特征和優(yōu)勢(shì)明顯。


附示目前設(shè)想用于執(zhí)行本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。在圖中圖1是發(fā)電機(jī)的現(xiàn)有技術(shù)定子繞組配置的示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的AC驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的發(fā)電機(jī)的定子繞組配置和場(chǎng)繞組設(shè)置的示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于控制AC驅(qū)動(dòng)器的控制器實(shí)現(xiàn)的技術(shù)的流程圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包含驅(qū)動(dòng)器和發(fā)電機(jī)的用于產(chǎn)生牽引力的設(shè)備的框示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例針對(duì)具有非正弦集中定子繞組的發(fā)電機(jī)和用于提供電流給在轉(zhuǎn)子上的場(chǎng)繞組以在轉(zhuǎn)子和定子之間產(chǎn)生正弦空隙磁場(chǎng)的控制方案。該控制方案處理施加于逆變器/電子處理電路的初始DC場(chǎng)電流需求以便產(chǎn)生瞬時(shí)非正弦電流需求，該瞬時(shí)非正弦電流需求當(dāng)施加到場(chǎng)繞組時(shí)將產(chǎn)生僅具有基波分量的旋轉(zhuǎn)空隙磁場(chǎng)并且消除所有場(chǎng)諧波， 從而導(dǎo)致從轉(zhuǎn)子到定子的最佳能量轉(zhuǎn)換，即以高效率的高輸出功率。本發(fā)明的實(shí)施例針對(duì)包括變速和定速發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)并且針對(duì)用于操作該發(fā)電機(jī)的控制方案。AC驅(qū)動(dòng)器10的一般結(jié)構(gòu)在圖2中根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例示出。該驅(qū)動(dòng)器10可例如配置為可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器(ASD)，其設(shè)計(jì)成接收三相AC電力輸入、將該AC輸入整流并且進(jìn)行該整流部分到供應(yīng)給例如發(fā)電機(jī)等電機(jī)的具有可變頻率和幅度的三相交變電壓的DC/AC轉(zhuǎn)換。根據(jù)備選實(shí)施例，認(rèn)識(shí)到驅(qū)動(dòng)器10可設(shè)計(jì)成接收DC電力輸入并且進(jìn)行該DC電力至供應(yīng)給電機(jī)的具有可變頻率和幅度的多相交變電壓的DC/AC轉(zhuǎn)換。在優(yōu)選實(shí)施例中，該ASD根據(jù)示范性伏特每赫茲特性操作。在這點(diǎn)上，驅(qū)動(dòng)器提供在具有小于3%的總諧波失真、輸出頻率方面為士0. IHz以及在全負(fù)載范圍上的快速動(dòng)態(tài)階躍負(fù)載響應(yīng)的處于穩(wěn)態(tài)的士的電壓調(diào)整。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，三相AC輸入饋入三相整流器電橋14。該輸入線路阻抗在所有三相中是相等的。該整流器電橋14將AC電力輸入轉(zhuǎn)換成DC電力使得在該整流器電橋14和開關(guān)陣列16之間存在DC總線電壓。該總線電壓由DC總線電容器組18平滑。 該開關(guān)陣列16由共同形成逆變器或斬波電路M的一系列IGBT開關(guān)20和反并聯(lián)二極管22 構(gòu)成。該逆變器M根據(jù)由驅(qū)動(dòng)器控制器觀產(chǎn)生的電流需求合成AC電壓波形以用于輸送到例如發(fā)電機(jī)26等電機(jī)，如將在下文更詳細(xì)地說(shuō)明。該控制器觀憑借電流需求信號(hào)和DC 總線電壓與極點(diǎn)電流的感測(cè)(通過(guò)例如電壓傳感器34)聯(lián)接到逆變器M使得可以感測(cè)到 DC總線電壓中的變化。這些電壓變化可以解釋為瞬時(shí)負(fù)載狀況并且在對(duì)逆變器M產(chǎn)生/ 輸入瞬時(shí)電流需求中使用，使得維持近穩(wěn)態(tài)負(fù)載狀況。根據(jù)圖2中示出的實(shí)施例，發(fā)電機(jī)沈采用實(shí)現(xiàn)逆變器M以提供變速操作的變速發(fā)電機(jī)的形式。然而，也認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的實(shí)施例還可以針對(duì)定速發(fā)電機(jī)(例如，交流發(fā)電機(jī))，在該情況下可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化的驅(qū)動(dòng)器10，其中逆變器M由更簡(jiǎn)化的電子處理電路(沒(méi)有示出)代替，該更簡(jiǎn)化的電子處理電路根據(jù)驅(qū)動(dòng)器控制器觀產(chǎn)生的電流需求合成AC電壓波形以用于輸送到發(fā)電機(jī)26。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，發(fā)電機(jī)沈具有例如在圖3中示出的構(gòu)造。如在圖3中示出的，發(fā)電機(jī)26在其中包括具有定子芯40和在該定子芯40上纏繞的繞組42的定子36。該定子芯40具有通過(guò)堆疊大量用電磁鋼制成的環(huán)形薄板形成的芯主體44和提供在該芯主體的軸向端面上的絕緣體(沒(méi)有示出)。該定子芯40提供有沿其圓周方向以預(yù)定節(jié)距的多個(gè)齒狀物46。根據(jù)示范性實(shí)施例，繞組42纏繞在相應(yīng)齒狀物46上，并且從而采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組或“齒狀物繞組”的形式。槽48在沿圓周方向的鄰近齒狀物46之間形成。如在圖 3中示出的，定子36的一個(gè)實(shí)施例包括六個(gè)槽48，具有根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的繞所有齒狀物46纏繞的繞組42的非重疊集中設(shè)置。認(rèn)識(shí)到包括集中繞組的其他設(shè)置的發(fā)電機(jī)沈預(yù)見(jiàn)為可與本發(fā)明的實(shí)施例一起使用，并且從而圖3的繞組設(shè)置是僅示范性的。如在圖3中進(jìn)一步示出的，轉(zhuǎn)子50可旋轉(zhuǎn)地裝入定子36。該轉(zhuǎn)子50具有纏繞在其上的線圈以形成四極點(diǎn)場(chǎng)繞組52，其當(dāng)供應(yīng)有例如在下文更詳細(xì)說(shuō)明的非正弦電流波形等激勵(lì)電流時(shí)將在該轉(zhuǎn)子50上激勵(lì)DC磁場(chǎng)以便在該轉(zhuǎn)子50和定子36之間的空隙M中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。該場(chǎng)繞組52可以例如從逆變器M(圖幻接收根據(jù)由驅(qū)動(dòng)器控制器觀產(chǎn)生的電流需求的這樣的激勵(lì)電流。從而，當(dāng)供應(yīng)電流到場(chǎng)繞組52時(shí)，在該轉(zhuǎn)子和定子之間的空隙M中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使在定子36中產(chǎn)生AC電力，使得發(fā)電機(jī)沈產(chǎn)生AC電力?，F(xiàn)在參照?qǐng)D4，并且繼續(xù)參照?qǐng)D2和3，示出代表例如由控制器觀實(shí)現(xiàn)的用于操作驅(qū)動(dòng)器10的控制方案56的框圖。圖4的控制方案56進(jìn)行與具有分?jǐn)?shù)槽集中定子繞組42 和轉(zhuǎn)子場(chǎng)繞組52的發(fā)電機(jī)W —起使用的電子處理細(xì)節(jié)(EPD)以實(shí)現(xiàn)該發(fā)電機(jī)W和逆變器M兩者的高功率密度、高效率和減小的成本。即，實(shí)現(xiàn)控制方案56以便產(chǎn)生瞬時(shí)非正弦電流需求，其將在轉(zhuǎn)子50上激勵(lì)DC磁場(chǎng)并且產(chǎn)生僅具有基波分量的旋轉(zhuǎn)空隙場(chǎng)并且消除所有場(chǎng)諧波，從而導(dǎo)致從轉(zhuǎn)子50到定子36的最佳能量轉(zhuǎn)換，即以高效率的高輸出功率。最初，控制方案56的框58對(duì)接收的第一輸入電流60和接收的第二輸入電流62 進(jìn)行選擇性的“同步時(shí)間函數(shù)”操作。該第一輸入電流60是響應(yīng)于初始DC場(chǎng)電流需求產(chǎn)生的初始或測(cè)試電流輸入，并且從而稱為初始DC場(chǎng)電流。該初始DC場(chǎng)電流需求代表如果在發(fā)電機(jī)26的定子上使用純正弦繞組則在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生DC磁場(chǎng)需要的電流需求。在初始迭代或測(cè)試/設(shè)置運(yùn)行中，第二輸入電流62是不存在的。第一輸入60響應(yīng)于初始DC場(chǎng)電流需求而通過(guò)框58且不受影響(即，沒(méi)有對(duì)第一輸入60進(jìn)行時(shí)間同步)。第一輸入60從而在框64接收，且框64起作用以根據(jù)例如電流需求值和適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)因子的存儲(chǔ)表格調(diào)節(jié)DC場(chǎng)電流的幅度。例如，如果第一輸入60代表高 DC場(chǎng)電流需求，則調(diào)節(jié)幅度以便避免在定子36中產(chǎn)生高損耗。相反，如果第一輸入60代表非常低的DC場(chǎng)電流需求，需要的DC場(chǎng)電流將適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)(S卩，增加)以便產(chǎn)生可以容易檢測(cè)到的旋轉(zhuǎn)空隙磁場(chǎng)，如將在下文說(shuō)明的。由框64添加的調(diào)節(jié)因子然后存儲(chǔ)以用于以后作為參考回路使用以產(chǎn)生實(shí)際瞬時(shí)電流(即，第二電流回路62)，其用于從發(fā)電機(jī)沈產(chǎn)生純凈的需要的正弦輸出功率，如將在下文說(shuō)明的。當(dāng)應(yīng)用于在框66添加的調(diào)節(jié)DC場(chǎng)電流時(shí)，將在轉(zhuǎn)子50和定子36之間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)空隙磁場(chǎng)，其中該空隙磁場(chǎng)由于定子的集中/同心繞組42而包括不需要的諧波分量。該旋轉(zhuǎn)空隙磁場(chǎng)然后通過(guò)使用集成進(jìn)入電機(jī)沈的高溫霍爾探頭66來(lái)檢測(cè)，且具有的霍爾探頭 66的數(shù)量例如取決于定子內(nèi)徑和下游準(zhǔn)確信號(hào)處理需要的分辨率。備選地，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)選地位于定子36的中心的探查線圈(沒(méi)有示出)，且該探查線圈在定子線圈42的纏繞期間來(lái)添加并且保持在定子槽48內(nèi)部。探查線圈/霍爾探頭66的輸出傳送到框68并且由此作為關(guān)于旋轉(zhuǎn)空隙磁場(chǎng)的強(qiáng)度的反饋而被接收(即，由控制器觀接收)。在框68對(duì)該空隙磁場(chǎng)反饋進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)以確定/分析空隙旋轉(zhuǎn)場(chǎng)的基波分量和諧波分量。即，確定空隙旋轉(zhuǎn)場(chǎng)的基波分量和諧波分量的瞬時(shí)值。在框68確定的空隙旋轉(zhuǎn)場(chǎng)的瞬時(shí)基波分量和瞬時(shí)諧波分量的值傳遞到框70，其用于消除空隙磁場(chǎng)的諧波分量。從而隔離空隙磁場(chǎng)的基波分量并且隨后將該空隙磁場(chǎng)的基波分量傳遞到框72。如在圖4中示出的，空隙磁場(chǎng)的所隔離的瞬時(shí)基波分量與第一輸入 60(即，初始DC場(chǎng)電流)一起輸入到框72。查找表存儲(chǔ)在框72中，其已經(jīng)在其中存儲(chǔ)多個(gè) DC場(chǎng)電流和從該多個(gè)DC場(chǎng)電流中的每個(gè)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的理想基波分量。與每個(gè)需要的DC場(chǎng)電流關(guān)聯(lián)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的“理想”基波分量在查找表中定義為由需要的DC場(chǎng)電流輸入到具有正弦繞組的發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的最高基波分量。第一輸入60的初始DC場(chǎng)電流和空隙磁場(chǎng)的隔離的瞬時(shí)基波分量與在框72中的查找表分析/比較。更具體地，關(guān)于查找表來(lái)分析空隙磁場(chǎng)的瞬時(shí)基波分量和初始DC場(chǎng)電流以確定什么DC場(chǎng)電流需要施加到具有正弦繞組的發(fā)電機(jī)以便產(chǎn)生空隙磁場(chǎng)的瞬時(shí)基波分量?；谠摯_定，對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的瞬時(shí)基波分量應(yīng)用校正，使得實(shí)現(xiàn)需要的DC場(chǎng)電流的理想基波分量。仍然參照?qǐng)D4，當(dāng)確定旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的理想基波分量時(shí)，理想基波分量輸入到框74。同樣在框74中，通過(guò)具有從框64到框74的輸入來(lái)去除之前在框64應(yīng)用到初始DC場(chǎng)電流的調(diào)節(jié)因子以抵消之前進(jìn)行的調(diào)節(jié)。即，框74具有取得從框72產(chǎn)生的基波空隙場(chǎng)的幅度并且確定用于產(chǎn)生它的理想需要的DC場(chǎng)電流的表格。該確定的DC場(chǎng)電流乘以來(lái)自框64的校正因子的倒數(shù)并且與初始DC場(chǎng)電流比較以確保它們是相同的。該基波空隙磁場(chǎng)是在那時(shí)對(duì)于原始DC場(chǎng)電流(其包含時(shí)間和空間諧波兩者)在如同發(fā)電機(jī)沈具有純正弦定子繞組的情況時(shí)基波空隙場(chǎng)的最佳代表?！罢嬲摹被障缎盘?hào)從而從框74輸出并且由框76接收。在框76，對(duì)來(lái)自框74 的信號(hào)進(jìn)行拉普拉斯變換。接著，框78代表電機(jī)中的集中繞組的拉普拉斯傳遞函數(shù)。在到發(fā)電機(jī)26的第一輸入60 ( S卩，初始DC場(chǎng)電流的幅度)和由探查線圈/霍爾探頭測(cè)量的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(即，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的基波)之間獲得框78的該傳遞函數(shù)。這使用標(biāo)準(zhǔn)小信號(hào)攝動(dòng)技術(shù)在發(fā)電機(jī)26的全速范圍上測(cè)量，如在控制工業(yè)中已知的。作為瞬時(shí)空隙磁場(chǎng)的拉普拉斯傳遞的框76的輸出認(rèn)為是框78的輸入，其是分?jǐn)?shù)槽集中繞組的傳遞函數(shù)。接著，在框80，逆拉普拉斯變換應(yīng)用于框78的輸出以重建確切的瞬時(shí)低壓電流波形，其當(dāng)施加于逆變器時(shí)將產(chǎn)生期望的瞬時(shí)電流。用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的理想基波分量的期望電流波形從而從框76、78和80確定?；谄谕碾娏鞑ㄐ?，在框82產(chǎn)生修改的DC場(chǎng)電流需求，其當(dāng)施加于逆變器M時(shí)將產(chǎn)生期望的電流波形以便產(chǎn)生需要的基波空隙場(chǎng)。在框58，第一輸入電流60歸零并且根據(jù)修改的DC場(chǎng)電流需求對(duì)第二電流62進(jìn)行同步時(shí)間函數(shù)操作以便調(diào)節(jié)第二輸入電流的時(shí)序。修改的DC場(chǎng)電流需求到逆變器M的施加產(chǎn)生修改的輸入電流(即，第二電流62)，其采用高功率瞬時(shí)非正弦電流的形式從逆變器24輸出。調(diào)節(jié)的(即，瞬時(shí))非正弦電流施加于轉(zhuǎn)子50的場(chǎng)繞組52以產(chǎn)生正弦空隙磁場(chǎng)，其產(chǎn)生具有極小損耗的高輸出功率，因?yàn)楸M管在定子36上使用集中/同心繞組42 (即， 非正弦繞組)的事實(shí)但在空隙場(chǎng)中沒(méi)有諧波?，F(xiàn)在參照?qǐng)D5，實(shí)現(xiàn)如在圖4中描述的控制方案/電子處理的驅(qū)動(dòng)器84根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例示為包含進(jìn)入混合動(dòng)力電動(dòng)車輛(HEV)AC推進(jìn)系統(tǒng)86，其產(chǎn)生牽引力并且實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。推進(jìn)系統(tǒng)86包括驅(qū)動(dòng)器84、能源88和電機(jī)90，其配置成選擇性作為電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)兩者操作，且該電機(jī)具有分?jǐn)?shù)槽集中繞組或齒狀物繞組。在從系統(tǒng)86產(chǎn)生牽引力時(shí)，能源88產(chǎn)生高DC電壓92并且驅(qū)動(dòng)器84從高DC電壓92產(chǎn)生多相馬達(dá)電壓94，且電機(jī)90從馬達(dá)電壓94產(chǎn)生牽引力。在圖5的實(shí)施例中，能源88配置為混合動(dòng)力電動(dòng)能源，其包括熱機(jī)96、交流發(fā)電機(jī)98、整流器100、牽引/能量蓄電池102和牽引升壓轉(zhuǎn)換器104。牽引升壓轉(zhuǎn)換器104有時(shí)稱為雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，或雙向升壓/降壓轉(zhuǎn)換器，其用以將裝置的輸入和輸出之間的電壓去耦合同時(shí)高效地傳遞電力。 在操作以產(chǎn)生牽引力時(shí)，熱機(jī)96通過(guò)燃燒燃料產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力106。交流發(fā)電機(jī)98從機(jī)械動(dòng)力106產(chǎn)生交變電壓108并且整流器100然后將交變電壓108整流以產(chǎn)生低DC電壓110。 牽引蓄電池102存儲(chǔ)并且輸送從低DC電壓110得到的能量，并且牽引升壓轉(zhuǎn)換器104將低 DC電壓110升壓以產(chǎn)生高DC電壓92。如在本文中關(guān)于DC電壓使用的，“低”和“高”僅是相對(duì)的術(shù)語(yǔ)，并且不暗示特別絕對(duì)的電壓水平。高DC電壓92傳遞到驅(qū)動(dòng)器84，其在其中包括轉(zhuǎn)換器/逆變器112，其接收高DC電壓92并且響應(yīng)于此而從高DC電壓92產(chǎn)生多相AC 馬達(dá)電壓94，其提供給電機(jī)以產(chǎn)生牽引力。另外，轉(zhuǎn)換器/逆變器112配置成在再生制動(dòng)操作期間從多相馬達(dá)電壓94產(chǎn)生高 DC電壓92。即，在再生制動(dòng)操作期間，使電機(jī)90采用作為產(chǎn)生加速的轉(zhuǎn)矩的相反極性的轉(zhuǎn)矩(與產(chǎn)生牽引動(dòng)力的轉(zhuǎn)矩相反的反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩)操作，由此使它使車輛的車輪減速或減慢。當(dāng)在再生制動(dòng)模式中運(yùn)行時(shí)，電機(jī)90充當(dāng)發(fā)電機(jī)，從而產(chǎn)生多相電壓94，其通過(guò)牽引逆變器/ 轉(zhuǎn)換器112饋入牽引蓄電池102。具體地，從馬達(dá)多相電壓94產(chǎn)生的高DC電壓92通過(guò)操作的“降壓”模式從雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器104的高壓側(cè)92流到雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器104的較低電壓側(cè)110。為了在再生制動(dòng)期間控制電機(jī)90以使電機(jī)作為發(fā)電機(jī)操作，驅(qū)動(dòng)器84產(chǎn)生初始 DC場(chǎng)電流需求(即，第一輸入)。如關(guān)于圖4詳細(xì)闡述的，驅(qū)動(dòng)器84 (即，在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器84 中的控制器)傳送初始DC場(chǎng)電流需求到牽引逆變器112以產(chǎn)生用于傳送到電機(jī)90的轉(zhuǎn)子 (沒(méi)有示出)的初始電流。發(fā)電機(jī)90響應(yīng)于初始DC場(chǎng)電流需求產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)空隙磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)器84由此確定基波和諧波分量。消除空隙磁場(chǎng)的諧波分量，并且馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器84將校正應(yīng)用于基波分量以產(chǎn)生理想的基波分量。在發(fā)電機(jī)90中的為了產(chǎn)生理想基波分量所需要的瞬時(shí)電流和當(dāng)施加于轉(zhuǎn)換器112時(shí)將產(chǎn)生需要的瞬時(shí)電流的確切瞬時(shí)低壓電流波形由驅(qū)動(dòng)器84確定?；谄谕碾娏鞑ㄐ危?qū)動(dòng)器84產(chǎn)生瞬時(shí)非正弦DC場(chǎng)電流需求，其當(dāng)施加于轉(zhuǎn)換器/逆變器112時(shí)將產(chǎn)生期望的電流波形。基于來(lái)自驅(qū)動(dòng)器84的瞬時(shí)非正弦DC場(chǎng)電流需求，轉(zhuǎn)換器/逆變器112因此產(chǎn)生并且傳送具有期望的非正弦電流波形的修改的或第二輸入114到電機(jī)90。盡管驅(qū)動(dòng)器84和附隨的電機(jī)90在圖5中描述為包含進(jìn)入HEV系統(tǒng)86，其產(chǎn)生牽引力和通過(guò)再生制動(dòng)產(chǎn)生電力，要認(rèn)識(shí)到配置成實(shí)現(xiàn)用于用瞬時(shí)非正弦電流波形激勵(lì)發(fā)電機(jī)的技術(shù)的驅(qū)動(dòng)器也可應(yīng)用于其他各種類型的電機(jī)。從而，針對(duì)驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)器控制器的本發(fā)明的實(shí)施例可應(yīng)用于許多工業(yè)、商業(yè)和運(yùn)輸工業(yè)中的電機(jī)。該公開的方法和設(shè)備的技術(shù)貢獻(xiàn)是它提供了以發(fā)送到轉(zhuǎn)子場(chǎng)繞組的瞬時(shí)非正弦電流波形的方式激勵(lì)具有集中定子繞組的發(fā)電機(jī)的控制器實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。實(shí)現(xiàn)控制方案，其處理施加于逆變器的初始DC場(chǎng)電流需求以便產(chǎn)生瞬時(shí)非正弦DC場(chǎng)電流需求，其將產(chǎn)生僅具有基波分量的旋轉(zhuǎn)空隙場(chǎng)并且消除所有場(chǎng)諧波，從而導(dǎo)致從轉(zhuǎn)子到定子的最佳能量轉(zhuǎn)換，即以高效率的高功率輸出。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，發(fā)電機(jī)包括具有多個(gè)分?jǐn)?shù)槽集中繞組的定子； 轉(zhuǎn)子，其安置在該定子內(nèi)以相對(duì)該定子旋轉(zhuǎn)并且具有與其電耦合的場(chǎng)繞組，其配置成響應(yīng)于施加于場(chǎng)繞組的電流而在該定子和轉(zhuǎn)子之間的空隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；以及具有可連接到電源的輸入和可連接到該場(chǎng)繞組的輸出的驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器進(jìn)一步包括配置成控制到該場(chǎng)7/7頁(yè)
繞組的電流流量的電路和連接到該電路并且編程為輸入初始DC場(chǎng)電流需求到該電路以使該電路輸出初始DC場(chǎng)電流的控制器，其中該初始DC場(chǎng)電流需求代表會(huì)使具有正弦定子繞組的發(fā)電機(jī)輸出期望的AC電力的DC場(chǎng)電流需求。該控制器進(jìn)一步編程為接收關(guān)于由該初始DC場(chǎng)電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的反饋，基于該反饋確定并且隔離該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的理想基波分量，基于該理想基波分量產(chǎn)生修改的DC場(chǎng)電流需求，并且將該修改的DC場(chǎng)電流需求輸入到該電路，由此使該電路輸出瞬時(shí)非正弦電流到該場(chǎng)繞組以產(chǎn)生正弦旋轉(zhuǎn)空隙磁場(chǎng)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供用于在具有定子和轉(zhuǎn)子的發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生AC電力的方法，該定子具有多個(gè)分?jǐn)?shù)槽集中繞組，該轉(zhuǎn)子具有多個(gè)場(chǎng)繞組，所述方法包括輸入代表會(huì)使具有正弦定子繞組的發(fā)電機(jī)輸出期望的AC電力的DC場(chǎng)電流需求的測(cè)試DC場(chǎng)電流需求到逆變器并且響應(yīng)于該測(cè)試DC場(chǎng)電流需求在該逆變器中產(chǎn)生初始DC場(chǎng)電流，其中該初始DC場(chǎng)電流輸出到該轉(zhuǎn)子上的多個(gè)場(chǎng)繞組以在該轉(zhuǎn)子和定子之間產(chǎn)生測(cè)試旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 該方法還包括確定該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的基波分量和諧波分量，從該測(cè)試DC場(chǎng)電流需求和該基波分量確定該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的理想基波分量，以及基于該理想基波分量確定期望的電流波形。該方法進(jìn)一步包括基于該期望的電流波形產(chǎn)生修改的DC場(chǎng)電流需求并且將該修改的DC場(chǎng)電流需求輸入到該逆變器，由此使該逆變器輸出非正弦AC電流波形到在該轉(zhuǎn)子上的該多個(gè)場(chǎng)繞組以產(chǎn)生正弦旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，由此在該發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生AC電力。根據(jù)本發(fā)明的再另一個(gè)實(shí)施例，發(fā)電機(jī)包括具有多個(gè)非正弦集中繞組的定子； 轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子安置在該定子內(nèi)以相對(duì)該定子旋轉(zhuǎn)并且具有場(chǎng)繞組，其配置成響應(yīng)于施加于場(chǎng)繞組的電流而在該定子和轉(zhuǎn)子之間的空隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；以及控制從電源到該場(chǎng)繞組的電流流量的驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器配置成基于代表會(huì)使具有正弦定子繞組的發(fā)電機(jī)輸出期望的AC電力的DC場(chǎng)電流需求的第一電流需求提供初始輸入電流到該轉(zhuǎn)子并且接收關(guān)于由該初始輸入電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的反饋。該驅(qū)動(dòng)器進(jìn)一步配置成基于該反饋產(chǎn)生第二電流需求并且基于該第二電流需求提供瞬時(shí)修改的輸入電流到該場(chǎng)繞組以便在空隙中產(chǎn)生正弦旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并且在該發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生AC電力，其中該瞬時(shí)修改的輸入電流包括非正弦電流波形。該書面說(shuō)明使用示例以公開本發(fā)明，其包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)和執(zhí)行任何包含的方法。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員想到的其他示例。這樣的其他示例如果它們具有不與權(quán)利要求的書面語(yǔ)言不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括與權(quán)利要求的書面語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件則意在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電機(jī)(沈)，包括具有多個(gè)分?jǐn)?shù)槽集中繞組0 的定子(36)；轉(zhuǎn)子(50)，其安置在該定子(36)內(nèi)以及配置成相對(duì)所述定子(36)旋轉(zhuǎn)，所述轉(zhuǎn)子 (50)具有與其電耦合的場(chǎng)繞組(52)，所述場(chǎng)繞組(5 配置成響應(yīng)于施加于所述場(chǎng)繞組的電流而在所述定子(36)和所述轉(zhuǎn)子(50)之間的空隙(54)中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，以及具有能連接到電源的輸入和能連接到所述場(chǎng)繞組(5 的輸出的驅(qū)動(dòng)器(10)，所述驅(qū)動(dòng)器(10)包括配置成控制到所述場(chǎng)繞組(52)的電流的電路04)；以及控制器( )，其連接到所述電路04)并且編程為輸入初始DC場(chǎng)電流需求到所述電路04)以使所述電路04)輸出初始DC場(chǎng)電流，所述初始DC場(chǎng)電流需求代表會(huì)使具有正弦定子繞組的發(fā)電機(jī)輸出期望的AC電力的DC場(chǎng)電流需求；接收關(guān)于由所述初始DC場(chǎng)電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的反饋； 基于所述反饋確定并且隔離所述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的理想基波分量； 基于所述理想基波分量產(chǎn)生修改的DC場(chǎng)電流需求；以及將所修改的DC場(chǎng)電流需求輸入到所述電路(M)，由此使所述電路04)輸出瞬時(shí)非正弦電流到所述場(chǎng)繞組(52)以產(chǎn)生正弦旋轉(zhuǎn)空隙磁場(chǎng)。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)( )，其中所述控制器08)進(jìn)一步編程為 應(yīng)用調(diào)節(jié)因子到所述初始DC場(chǎng)電流以修改其幅度；以及當(dāng)產(chǎn)生所述理想基波分量時(shí)去除所述調(diào)節(jié)因子。
3.如權(quán)利要求2所述的發(fā)電機(jī)( )，其中所述控制器08)進(jìn)一步編程為進(jìn)行所述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的拉普拉斯傳遞函數(shù)，所述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的拉普拉斯傳遞函數(shù)從所述初始DC場(chǎng)電流和所述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的理想基波分量得到。
4.如權(quán)利要求2所述的發(fā)電機(jī)( )，其中所述控制器08)進(jìn)一步編程為 確定所述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的瞬時(shí)基波分量和瞬時(shí)諧波分量；消除所述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)反饋的瞬時(shí)諧波分量；以及對(duì)所述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的瞬時(shí)基波分量應(yīng)用校正以產(chǎn)生所述理想基波分量。
5.如權(quán)利要求4所述的發(fā)電機(jī)( )，其中所述控制器08)進(jìn)一步編程為對(duì)所述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)反饋進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)以確定所述瞬時(shí)基波分量和瞬時(shí)諧波分量。
6.如權(quán)利要求4所述的發(fā)電機(jī)( )，其中所述控制器08)進(jìn)一步編程為進(jìn)行所述發(fā)電機(jī)06)的分?jǐn)?shù)槽集中繞組0 的拉普拉斯傳遞函數(shù)，所述分?jǐn)?shù)槽集中繞組0 的拉普拉斯傳遞函數(shù)從具有對(duì)其應(yīng)用了所述調(diào)節(jié)因子的初始DC場(chǎng)電流和從所述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的瞬時(shí)基波分量得到；以及將所述瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的拉普拉斯傳遞函數(shù)應(yīng)用于所述分?jǐn)?shù)槽集中繞組0 的拉普拉斯傳遞函數(shù)。
7.如權(quán)利要求6所述的發(fā)電機(jī)( )，其中所述控制器08)進(jìn)一步編程為進(jìn)行所述發(fā)電機(jī)06)的分?jǐn)?shù)槽集中繞組G2)的逆拉普拉斯傳遞函數(shù)以確定所修改的DC場(chǎng)電流需求， 所修改的DC場(chǎng)電流需求使所述電路輸出用于產(chǎn)生所述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的理想基波分量所需要的非正弦電流。
8.如權(quán)利要求4所述的發(fā)電機(jī)( )，其中所述控制器08)進(jìn)一步編程為訪問(wèn)已經(jīng)在其中存儲(chǔ)與多個(gè)DC場(chǎng)電流需求中的每個(gè)關(guān)聯(lián)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的理想基波分量的查找表，所述理想基波分量包括所述多個(gè)DC場(chǎng)電流需求中的每個(gè)的最高基波分量；將關(guān)聯(lián)于所述初始DC場(chǎng)電流需求的瞬時(shí)基波分量與關(guān)聯(lián)于所述初始DC場(chǎng)電流需求的理想基波分量進(jìn)行比較；以及對(duì)所述瞬時(shí)基波分量應(yīng)用校正以產(chǎn)生理想基波分量。
9.如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)( )，其中所述控制器08)進(jìn)一步編程為根據(jù)所修改的DC場(chǎng)電流需求調(diào)節(jié)來(lái)自所述電源的輸入電流的時(shí)序以產(chǎn)生從所述電路04)輸出的非正弦電流。
10.如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)(沈)，其中所述電路04)包括配置成提供所述發(fā)電機(jī)06)的變速操作的逆變器和配置成提供所述發(fā)電機(jī)06)的定速操作的專用電路其中之一，使得所述發(fā)電機(jī)06)起交流發(fā)電機(jī)的作用。
全文摘要
本發(fā)明名稱為發(fā)電機(jī)的非正弦電流波形激勵(lì)的系統(tǒng)和方法。發(fā)電機(jī)(26)包括具有分?jǐn)?shù)槽集中繞組(42)的定子(36)和具有場(chǎng)繞組(52)的轉(zhuǎn)子。提供驅(qū)動(dòng)器(10)，其具有控制到所述場(chǎng)繞組(52)的電流電動(dòng)的電路(24)和輸入初始DC場(chǎng)電流需求到所述電路(24)以使所述電路(24)輸出初始DC場(chǎng)電流的控制器(28)，所述初始DC場(chǎng)電流代表將使具有正弦定子(36)繞組的發(fā)電機(jī)(26)輸出期望的AC電力的DC場(chǎng)電流需求。所述控制器(28)接收對(duì)由所述初始DC場(chǎng)電流產(chǎn)生的所述磁場(chǎng)的反饋，基于所述反饋分離所述磁場(chǎng)的理想基波分量并且產(chǎn)生修改的DC場(chǎng)電流需求，并且將所述修改的DC場(chǎng)電流需求輸入到所述電路(24)，由此使所述電路(24)輸出瞬時(shí)非正弦電流到所述場(chǎng)繞組(52)以產(chǎn)生正弦旋轉(zhuǎn)空隙磁場(chǎng)。
文檔編號(hào)H02K1/26GK102315811SQ20111019142
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月29日
發(fā)明者A·M·F·埃爾-雷菲, A·M·埃爾-安塔布利, R·D·金 申請(qǐng)人:通用電氣公司