Dc電的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種具有大量相的dc電機(jī)。該機(jī)器包括轉(zhuǎn)子（8）和定子組裝件（6）。轉(zhuǎn)子（8）具有Np個(gè)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)磁極。定子（6）具有Ns個(gè)繞組槽，其中Ns/Np是非整數(shù)比值。定子繞組包括接收在繞組槽中的多個(gè)線圈（4），并且定義多個(gè)定子相。功率電子開(kāi)關(guān)組裝件包括能夠連接到外部設(shè)備和多個(gè)開(kāi)關(guān)模塊（2）的第一和第二dc負(fù)載端子。每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊（2）包括功率電子裝置并連接到相應(yīng)的定子線圈。第一比例的開(kāi)關(guān)模塊（2）一起串聯(lián)連接在第一和第二dc負(fù)載端子之間，以及第二比例的開(kāi)關(guān)模塊一起串聯(lián)連接在第一和第二dc負(fù)載端子之間以定義兩個(gè)并聯(lián)dc電路。
【專(zhuān)利說(shuō)明】DC電機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及dc電機(jī)，以及具體地來(lái)說(shuō)涉及具有高轉(zhuǎn)矩密度和高功率密度的機(jī)器，其高效且可靠，并且易于安裝和投入運(yùn)行。
【背景技術(shù)】
[0002]Dc旋轉(zhuǎn)電機(jī)典型地包括被繞線定子包圍的轉(zhuǎn)子。使用連接換向器與扇形銅片的轉(zhuǎn)子和固定的電刷裝置以基于轉(zhuǎn)子的角度位置來(lái)控制轉(zhuǎn)子繞組中的電流換向。電刷換向的dc電機(jī)眾所周知能夠具有高氣隙剪切應(yīng)力，但是它們的實(shí)際轉(zhuǎn)矩密度性能受限于電刷換向過(guò)程。固定電刷裝置和旋轉(zhuǎn)換向器將電機(jī)的dc端子電壓轉(zhuǎn)換成多相ac電壓，其在電樞繞組內(nèi)在一定方向上和以一定速度旋轉(zhuǎn)，從而使得電樞磁動(dòng)勢(shì)(mmf)基本固定且與場(chǎng)磁極正交對(duì)齊。由此，轉(zhuǎn)子mmf和定子場(chǎng)空間諧波譜基本同步，從而有助于平均軸轉(zhuǎn)矩。這是轉(zhuǎn)子與定子空間諧波之間的接近理想的關(guān)系，其允許電刷換向的dc電機(jī)的氣隙圓周大部分以高氣隙剪切應(yīng)力工作。
[0003]但是，dc電機(jī)的電刷換向過(guò)程復(fù)雜且具有某些局限。
[0004]使用電樞線圈電壓來(lái)促成電樞電流換向。這意味著電刷位置必須設(shè)為到引出的換向器片段缺口(segment break)與電刷的尾邊緣接觸的時(shí)間時(shí)允許有足夠的時(shí)間使電流減小到低水平以避免起弧(所說(shuō)的“欠換向”)，并且還避免到引出的換向器片缺口與電刷的尾邊緣接觸的時(shí)間時(shí)的電流減小以及隨后的電流逆轉(zhuǎn)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，以避免起弧(所說(shuō)的“過(guò)換向”)。欠換向和過(guò)換向起弧模式通常都是破壞性的。
[0005]最重要的要求是，引出的換向器片缺口與電刷的尾邊緣接觸后即刻的換向器片之間的電壓必須足夠低以避免擊穿。還有最重要的要求是，電刷電流密度必須低以便于避免過(guò)多發(fā)熱、功率損耗和持續(xù)性起弧擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。
[0006]在最基本電刷換向的dc電機(jī)中，電刷換向的定時(shí)是關(guān)鍵，并且是嚴(yán)重的性能局限，這是因?yàn)槔硐氲碾娝⒔嵌任恢秒S電樞電流和速度兩者而改變，即，對(duì)于電刷裝置，不存在單個(gè)理想角度位置。因此，要接受的是，在此類(lèi)dc電機(jī)中，某些換向器起弧是不可避免的。但是，在大的dc電機(jī)中，可以通過(guò)使用整流極(或換向極)來(lái)緩解起弧和擊穿的風(fēng)險(xiǎn)，整流極(或換向極)用于響應(yīng)電樞電流的變化而使場(chǎng)位置偏移。
[0007]由此，旋轉(zhuǎn)換向器和固定電刷裝置往往很大且復(fù)雜。而且，整流極占據(jù)電機(jī)內(nèi)的空間，此空間本來(lái)可以以其他方式用于增加總氣隙通量和轉(zhuǎn)矩密度。這意味著給定的峰值氣隙剪切應(yīng)力的轉(zhuǎn)矩密度相對(duì)較低。電刷換向的dc電機(jī)固有地為低電壓機(jī)器，例如小于I
kVo
[0008]可以使用負(fù)載換向逆變器(LCI)來(lái)克服電刷換向的一些問(wèn)題。在使用LCI的電機(jī)中，由通常并入無(wú)刷勵(lì)磁的轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生場(chǎng)。電樞繞組位于定子中，并通常使用三相或六相。靜態(tài)頻率變流器替代電刷換向器。可以在遠(yuǎn)處設(shè)置以低切換頻率工作的基本自然換向的功率變流器。此類(lèi)電機(jī)具有提高的轉(zhuǎn)矩密度和高效率，但是眾所周知地產(chǎn)生非期望的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。它們還不能采用上文描述的轉(zhuǎn)子與定子空間諧波之間接近理想的關(guān)系。因此，該平均氣隙剪切應(yīng)力通常小于電刷換向的dc電機(jī)的平均氣隙剪切應(yīng)力。但是，使用LCI的電機(jī)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，可能具有更聞的線電壓額定值，例如聞達(dá)11 kV。
[0009]更成熟的靜態(tài)頻率變流器已被使用，以允許LCI的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)被基本消除，但是這些變流器復(fù)雜且欠效率。隨著線電壓額定值提高，此類(lèi)變流器變得越加地復(fù)雜，并且特別是對(duì)于其額定高于6.6 kV的情況下。
[0010]電子換向的無(wú)刷dc電機(jī)是眾所周知的。GB 2117580公開(kāi)一種無(wú)刷dc電機(jī),其采用電子開(kāi)關(guān)電路，這種電子開(kāi)關(guān)電路使用電樞線圈電壓來(lái)產(chǎn)生晶閘管的自然換向。其他無(wú)刷dc電機(jī)使用輔助功率電路，如GB 2431528中公開(kāi)的那些輔助功率電路來(lái)通過(guò)晶閘管逆向恢復(fù)促成強(qiáng)制性換向。使用半導(dǎo)體功率裝置已經(jīng)優(yōu)于這些電子換向器，半導(dǎo)體功率裝置能夠通過(guò)門(mén)控制，例如門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)來(lái)導(dǎo)通和關(guān)斷。在授予本 申請(qǐng)人:的EP1798847中描述了此類(lèi)電子換向器。電子換向的電機(jī)的可能缺點(diǎn)在于，它們固有性地不適于高電壓dc工作，這是因?yàn)槭褂么?lián)連接半導(dǎo)體功率裝置以及隔離高電壓ac應(yīng)力的電樞繞組的主壁是必要的-注意電樞絕緣中的主要電壓應(yīng)力是ac，這是因?yàn)殡姌欣@組中的每個(gè)端子依次連接到正和負(fù)dc端子。
[0011]EP 2403111描述了一種具有轉(zhuǎn)子和定子的風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)。該定子具有多個(gè)定子線圈，每個(gè)線圈連接到二極管整流器。提供一種發(fā)電機(jī)-公用設(shè)施電網(wǎng)接口，其中將二極管整流器分配到公用設(shè)施電網(wǎng)的每個(gè)相。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明提供一種dc電機(jī)(例如，電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)),其包括:
具有Np個(gè)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)磁極的轉(zhuǎn)子；
具有Ns個(gè)繞組槽的電樞(通常采用定子組裝件的形式)，其中Ns/Np是非整數(shù)比值；
具有接收在繞組槽中的多個(gè)線圈的電樞繞組，所述電樞繞組定義多個(gè)電樞相；以及 功率電子開(kāi)關(guān)組裝件，其包括:
第一 dc負(fù)載端子；
第二 dc負(fù)載端子；以及
多個(gè)開(kāi)關(guān)模塊，每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊具有兩個(gè)ac端子和兩個(gè)dc端子并且包括功率電子裝
置；
其中每個(gè)線圈連接到相應(yīng)開(kāi)關(guān)模塊的ac端子；以及
其中第一比例的開(kāi)關(guān)模塊使得它們的dc端子一起串聯(lián)連接在第一和第二 dc負(fù)載端子之間以及第二比例的開(kāi)關(guān)模塊使得它們的dc端子一起串聯(lián)連接在第一和第二 dc負(fù)載端子之間以定義兩個(gè)并聯(lián)的dc電路。
[0013]Ns/Np的非整數(shù)比值可以表示為η土 δ，其中η是整數(shù)，以及δ可以依據(jù)電機(jī)的物理設(shè)計(jì)和構(gòu)造所確定的游標(biāo)移位(vernier shift)來(lái)定義。
[0014]更具體地來(lái)說(shuō)，在必須具有相對(duì)高數(shù)量磁極(例如，Np>80)以便將定子護(hù)鐵中的通量密度減到最小的大直徑低速機(jī)器中，最方便地通過(guò)相對(duì)于給定槽數(shù)常規(guī)電機(jī)中將常見(jiàn)的并且將提供Ns/Np的整數(shù)比值的磁極數(shù)量增加或減少磁極數(shù)量來(lái)提供游標(biāo)移位。例如，如果要求具有Ns/Np=3的常規(guī)電機(jī)具有360個(gè)槽(Ns=360 )，則它將具有120個(gè)磁極(Np=120 )。根據(jù)此方法，游標(biāo)移位可以表示為與常規(guī)電機(jī)比較時(shí)轉(zhuǎn)子圓周上的±2m個(gè)磁極，其中m是整數(shù)，因此最小可能游標(biāo)移位是轉(zhuǎn)子圓周上的±2個(gè)磁極?；蛘邠Q言之，對(duì)于給定數(shù)量的槽，轉(zhuǎn)子將具有比將在常規(guī)電機(jī)中常見(jiàn)的總磁極數(shù)多2或少2個(gè)的總磁極數(shù)。在上文給定360個(gè)槽的示例中，則具有m=l的最小值的本發(fā)明電機(jī)將具有118或122個(gè)磁極(Np=I 18或Np=122)，這對(duì)應(yīng)于Ns/Np=3.05或Ns/Np=2.95以及δ =0.05。本方法的原則好處在于，其允許保留現(xiàn)有的定子疊片沖孔和線圈的常規(guī)設(shè)計(jì)(可以使用單層或兩層線圈)。將容易地認(rèn)識(shí)至IJ，轉(zhuǎn)子在此過(guò)程中不會(huì)遭到任何代價(jià)(penalty)，因?yàn)榇祟?lèi)大機(jī)器的轉(zhuǎn)子通常具有定制的設(shè)計(jì)。本方法等效地可應(yīng)用于具有每個(gè)磁極相對(duì)較小槽數(shù)的其他大且高磁極數(shù)的機(jī)器。例如，制造Ns/Np=5土 δ (g卩，其中n=5)的電機(jī)將是可能的，雖然每個(gè)磁極使用標(biāo)稱(chēng)5個(gè)槽將并不常見(jiàn)。
[0015]在具有相對(duì)較少磁極(例如，Np < 16)且每個(gè)磁極的槽數(shù)相對(duì)較高(例如，9〈Ns/Np〈15)的較小機(jī)器的情況中，根據(jù)上文本發(fā)明方法的最小游標(biāo)移位可能過(guò)于粗略，并且在此情況中，它等效地可應(yīng)用于使用備選方法通過(guò)相對(duì)于給定磁極數(shù)常規(guī)電機(jī)中將常見(jiàn)的并且將提供Ns/Np的整數(shù)比值的槽數(shù)增加或減少電樞槽的數(shù)量Ns，來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的游標(biāo)移位。根據(jù)此備選方法，游標(biāo)移位可以表示為與常規(guī)電機(jī)比較時(shí)電樞圓周上的±2q個(gè)磁極，其中q是整數(shù)，因此最小可能游標(biāo)移位是電樞圓周上的±2個(gè)磁極。Ns的一些結(jié)果值將排斥采用單層線圈的電樞繞組的使用，但因?yàn)樵搨溥x方法針對(duì)較小的機(jī)器，所以使用能夠容納在任何常規(guī)槽數(shù)中的兩層線圈是可能的。還有，如果電樞中提供離散的槽，而相反每個(gè)線圈纏繞電樞齒(即，與齒為中心的繞組)，則若Nt是齒的數(shù)量，則對(duì)于所有實(shí)際目的，Nt=Ns,并且可以是任何便利的數(shù)量。
[0016]磁極通常均等地圍繞轉(zhuǎn)子圓周分布，并且游標(biāo)移位圍繞電機(jī)的圓周或電樞是一致的。這意味著游標(biāo)移位使得本發(fā)明的電機(jī)具有相對(duì)較高數(shù)量的電樞相。
[0017]具有每個(gè)磁極整數(shù)或非整數(shù)的槽數(shù)的常規(guī)電機(jī)具有互連以在引出端子提供三個(gè)相的多個(gè)內(nèi)部電樞相(其通用要求是在ac域中串聯(lián)連接其基本電壓不同相的線圈)。在具有所說(shuō)的“分?jǐn)?shù)槽繞組”的常規(guī)機(jī)器，即具有每個(gè)磁極非整數(shù)的槽數(shù)的常規(guī)機(jī)器的情況中，強(qiáng)制要求在ac域中串聯(lián)連接其基本電壓不同相的線圈。更具體地來(lái)說(shuō)，與每?jī)蓚€(gè)磁極距的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)同步地重復(fù)常規(guī)電機(jī)的內(nèi)部相序列。在具有分?jǐn)?shù)槽繞組的常規(guī)機(jī)器的情況中，雖然與每?jī)蓚€(gè)磁極距同步重復(fù)內(nèi)部相序列，但是在兩個(gè)磁極距的空間內(nèi)，內(nèi)部相電壓可以是不平衡的，并且引出端子處的相平衡僅通過(guò)將在ac域中多對(duì)磁極距上延伸的線圈組串聯(lián)連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。再者，使用常規(guī)ac域互連的分?jǐn)?shù)槽繞組排斥單層線圈的使用。但是，本發(fā)明的電機(jī)可以具有與Ns —樣多的電樞相(即，P=Ns),因?yàn)檫B續(xù)磁極距中的相序列按根據(jù)游標(biāo)移位的量值和極性的速率前進(jìn)或后退-正的游標(biāo)移位促成前進(jìn)的相序列以及負(fù)游標(biāo)移位促成后退的相序列。這意味著，鑒于常規(guī)機(jī)器中的相序列按有規(guī)律和緊密分隔的間隔圍繞電樞圓周重復(fù)并按與轉(zhuǎn)子相同的方向和相同的速度來(lái)旋轉(zhuǎn)，本發(fā)明的電機(jī)具有這樣的相序列，其中圍繞電樞圓周為寬分隔的間隔的電樞線圈與電相序列相鄰，并且此相序列可以按與轉(zhuǎn)子相同或相反的方向以及不同的速度旋轉(zhuǎn)。電樞相的數(shù)量還取決于電樞線圈的拓?fù)?。例如，?duì)于給定轉(zhuǎn)子拓?fù)?，采用單層線圈的電樞將具有采用兩層線圈的相當(dāng)?shù)碾姌械碾姌邢鄶?shù)一半的數(shù)量。
[0018]下文描述假定電機(jī)設(shè)計(jì)成提供最大數(shù)量的相。但是，根據(jù)磁極的數(shù)量，例如設(shè)計(jì)具有比最大相數(shù)少的電機(jī)在技術(shù)上是可能的。為此原因，下文描述將理解為說(shuō)明性的，并且根據(jù)本發(fā)明的電機(jī)不限于具有指示的相數(shù)P。在使用第一方法來(lái)實(shí)現(xiàn)上文描述的表示為與常規(guī)電機(jī)比較時(shí)的轉(zhuǎn)子圓周上±2m個(gè)磁極的游標(biāo)移位的情況中，當(dāng)將單層線圈與偶數(shù)數(shù)量的槽一起使用時(shí)，則P=Ns/4m，以及當(dāng)將兩層線圈與偶數(shù)數(shù)量的槽一起使用時(shí)，則P=Ns/2m。當(dāng)使用第二方法來(lái)實(shí)現(xiàn)上文描述的游標(biāo)移位時(shí)，在將單層線圈與槽數(shù)Ns —起使用以使Ns/4為整數(shù)時(shí)，則P=Ns/4，以及將兩層線圈與偶數(shù)數(shù)量的槽一起使用時(shí)，則P=Ns/2。在電樞具有奇數(shù)數(shù)量的槽的情況中，則P=Ns,以及必須使用，無(wú)論是兩層線圈還是齒線圈。
[0019]如果對(duì)于其中Ns=360以及Np=I 18或Np=122，其中通過(guò)選擇m=l將游標(biāo)移位設(shè)為δ的最大值，以及其中以兩層線圈纏繞電樞的示例考慮第一方法，則無(wú)論游標(biāo)移位的極性，本發(fā)明的電機(jī)將具有180個(gè)有效電樞相(Ρ=180 )。更精確地來(lái)說(shuō)，該電樞將具有帶2°電相間隔的第一組180個(gè)線圈和與第一組的線圈反相的帶2°電相間隔的第二組180個(gè)線圈-這是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)約定，將線圈和反相線圈考慮為單個(gè)有效電樞相內(nèi)的兩個(gè)元件。但是，如果電樞以單層線圈纏繞，則無(wú)論游標(biāo)移位的極性，本發(fā)明的電機(jī)將具有90個(gè)有效電樞相(Ρ=90)。更精確地來(lái)說(shuō)，該電樞將具有帶4°電相間隔的第一組90個(gè)線圈和與第一組的線圈反相的帶4°電相間隔的第二組90個(gè)線圈。當(dāng)在m=2 (即，Np=116或Np=124)的情況中考慮該示例的派生時(shí)，則具體取決于使用兩層還是單層線圈，電機(jī)將具有分別帶4°或8°電相間隔的90個(gè)或45個(gè)電樞相。在其中電樞具有帶采用兩層線圈或以齒為中心的繞組的奇數(shù)數(shù)量的槽的情況中，則電樞將具有360個(gè)電樞相(P=360)，或更具體地來(lái)說(shuō)，具有帶1°電相間隔的單個(gè)組360個(gè)線圈。在其中電樞具有帶采用以齒為中心的繞組的偶數(shù)數(shù)量的槽(和齒)的情況中，則電樞將具有180個(gè)相(P=180)，或更具體地來(lái)說(shuō)，電樞將具有帶2°電相間隔的第一組180個(gè)線圈和與第一組的線圈反相的帶2°電相間隔的第二組180個(gè)線圈。
[0020]游標(biāo)移位的量值還影響通過(guò)功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的開(kāi)關(guān)模塊能夠?qū)⒕€圈互連的方式以及控制開(kāi)關(guān)模塊的方式。除了其中電機(jī)具有奇數(shù)數(shù)量的線圈和奇數(shù)數(shù)量的電樞相的情況的以外，本發(fā)明的電機(jī)將具有每個(gè)電樞相中偶數(shù)數(shù)量的線圈以及在特定電樞相中的每個(gè)線圈的開(kāi)路電壓波形的模量是大約相等的，以及為了在相等且理想的電磁條件下操作每個(gè)線圈，優(yōu)選為使分別連接到該特定電樞相內(nèi)的線圈的每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊中的開(kāi)關(guān)事件基本同時(shí)地執(zhí)行。換言之，電機(jī)的特定電樞相內(nèi)的所有線圈優(yōu)選地基本以相同的功率因子和諧波結(jié)構(gòu)工作。因此，結(jié)論是如上文描述具有第一和第二組線圈的電機(jī)應(yīng)該按如下方式工作，其中任何特定線圈中的開(kāi)關(guān)事件被圍繞電樞180機(jī)械度位移的線圈中的反相開(kāi)關(guān)事件反映，以使兩個(gè)開(kāi)關(guān)事件在連接到電樞組裝件的直徑方面相對(duì)側(cè)的線圈的兩個(gè)單獨(dú)開(kāi)關(guān)模塊中基本同時(shí)發(fā)生。相似地，具有第一、第二、第三和第四組線圈的電機(jī)必須按如下方式工作，其中任何特定線圈中的開(kāi)關(guān)事件被圍繞電樞180機(jī)械度位移的線圈的線圈中的同一的開(kāi)關(guān)事件反映以及被圍繞電樞90和270機(jī)械度位移的線圈中的兩個(gè)同一反相開(kāi)關(guān)事件反映，以使四個(gè)開(kāi)關(guān)事件在連接到圍繞電樞組裝件均等分隔的線圈的四個(gè)單獨(dú)開(kāi)關(guān)模塊中基本同時(shí)發(fā)生。可以采用任何便利數(shù)量的線圈組和對(duì)應(yīng)的同時(shí)開(kāi)關(guān)事件，但是將容易理解的是，重要的目的在于采用最大數(shù)量的電樞相，同時(shí)簡(jiǎn)化線圈的dc域互連，以及為此原因，將因此常常優(yōu)選為電機(jī)具有最小數(shù)量的線圈組和同時(shí)的開(kāi)關(guān)事件。
[0021]可以使用任何便利形式的常規(guī)線圈，但是將它們一起串聯(lián)連接在dc域中(S卩，開(kāi)關(guān)模塊的dc端子側(cè))以定義至少兩個(gè)并行dc電路。它們優(yōu)選地在ac域中不連接在一起。每個(gè)線圈優(yōu)選地具有連接到控制該線圈電流的對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)模塊的ac端子的ac端子。將容易地認(rèn)識(shí)到，可以將線圈均勻地按大約但非精確地每個(gè)磁極η個(gè)槽來(lái)附設(shè)。在通用布置中，則η=3，但是對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)每個(gè)磁極具有其他數(shù)量的槽是可能的，正如上文提到的。雖然在ac域中將線圈連接在一起不是首選，但是這仍保持技術(shù)上的可能性，仍視為在本發(fā)明的范圍內(nèi)。因此應(yīng)該將開(kāi)關(guān)模塊(或其H橋-參見(jiàn)下文)連接到線圈的任何引述理解為不排斥根據(jù)機(jī)器設(shè)計(jì)連接到兩個(gè)或更多個(gè)線圈的選擇。例如，在具有四的倍數(shù)個(gè)線圈的機(jī)器中，在ac域中將物理上相鄰或至少位置緊密的成對(duì)線圈串聯(lián)連接以及將每對(duì)線圈連接到單個(gè)開(kāi)關(guān)模塊在技術(shù)上將是可能的。如本文其他地方描述的，然后將開(kāi)關(guān)模塊的dc端子互連。與將每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊連接到僅單個(gè)線圈的機(jī)器相比，這種機(jī)器將具有電樞相的數(shù)量的一半，以及開(kāi)關(guān)模塊的數(shù)量的一半。這種線圈的ac互連將導(dǎo)致線圈電壓的相疊加。相應(yīng)地，兩個(gè)串聯(lián)連接的線圈的電壓的疊加基本分量將小于單個(gè)線圈的電壓的基本分量的兩倍。機(jī)器設(shè)計(jì)人員將必須考慮在ac域中將每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊連接到兩個(gè)或更多個(gè)線圈所導(dǎo)致的輸出電壓減小的缺點(diǎn)，并針對(duì)具有更少組件和更低復(fù)雜性的功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行平衡。
[0022]正如上文提到的，線圈可以是兩層線圈(例如，常規(guī)菱形線圈)，其中Ns個(gè)線圈被接收在繞組槽中，并定義最大Ns/2個(gè)電樞相，例如當(dāng)使用游標(biāo)移位的第一方法時(shí)，其中m=l。一個(gè)例外是，當(dāng)Ns個(gè)線圈接收在繞組槽中并定義最大Ns個(gè)電樞相時(shí)在Ns是奇數(shù)時(shí)其中m=l0作為備選，線圈可以是單層線圈，其中Ns/2個(gè)線圈被接收在繞組槽中，并定義最大Ns/4個(gè)電樞相，例如當(dāng)使用游標(biāo)移位的第一方法時(shí)，其中m=l。作為又一個(gè)備選，線圈可以采用以齒為中心的繞組的形式，其中每個(gè)線圈圍繞著電樞齒纏繞。此類(lèi)布置將具有Ns個(gè)線圈，其當(dāng)Ns是奇數(shù)時(shí)定義最大Ns個(gè)電樞相，以及當(dāng)Ns是偶數(shù)時(shí)，定義最大Ns/2個(gè)電樞相。
[0023]電機(jī)的功率電子開(kāi)關(guān)組裝件具有可連接到外部設(shè)備的至少第一和第二 dc負(fù)載端子。例如，單通道機(jī)器具有正dc負(fù)載端子和負(fù)dc負(fù)載端子，而雙通道機(jī)器具有能夠并聯(lián)連接到外部設(shè)備的一對(duì)正dc負(fù)載端子和一對(duì)負(fù)dc負(fù)載端子。實(shí)際中，可以將功率電子開(kāi)關(guān)組裝件劃分成偶數(shù)個(gè)分段，每個(gè)分段具有一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)模塊和第一和第二本地dc端子，例如本地正dc端子和本地負(fù)dc端子。多個(gè)分段的第一和第二本地dc端子可以彼此互連以及與功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的第一和第二 dc負(fù)載端子互連以將這些分段互連。雖然功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的相應(yīng)本地dc端子優(yōu)選地圍繞電樞圓周按規(guī)則間隔設(shè)置，如下文更詳細(xì)的描述，但是可以將dc負(fù)載端子共同設(shè)在適合的端子封裝內(nèi)以利于將電機(jī)容易地連接到外部設(shè)備。
[0024]下文參考圖14A至14D描述一些特定布置，其中功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的個(gè)體的開(kāi)關(guān)模塊由方框示意性表示。圖14A至14D的每個(gè)包括上方圖和下方圖，上方圖示出功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的開(kāi)關(guān)模塊和相應(yīng)分段的本地dc端子如何在物理上圍繞電樞或定子組裝件的圓周布置，以及下方圖以示意方式圖示出開(kāi)關(guān)模塊如何互連。為了簡(jiǎn)明，限制了每個(gè)分段的開(kāi)關(guān)模塊的數(shù)量。
[0025]在圖14A和圖14B所不的第一布置中，電機(jī)具有正dc負(fù)載端子DC+和負(fù)dc負(fù)載端子DC-。功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的開(kāi)關(guān)模塊定義兩個(gè)并聯(lián)dc電路。更具體地來(lái)說(shuō)，將第一比例(例如對(duì)于對(duì)稱(chēng)dc電路和偶數(shù)個(gè)電樞相為50% (B卩，圖14A)或?qū)τ诜菍?duì)稱(chēng)dc電路和奇數(shù)個(gè)電樞相為八％ (S卩，圖14B))的開(kāi)關(guān)模塊串聯(lián)連接在一起以定義在dc負(fù)載端子之間延伸的第一 dc電路，以及將第二比例(例如，對(duì)于對(duì)稱(chēng)dc電路為50%或?qū)τ诜菍?duì)稱(chēng)dc電路為B%=(100-A%))的開(kāi)關(guān)模塊串聯(lián)連接在一起以定義在dc負(fù)載端子之間延伸的第二 dc電路。功率電子開(kāi)關(guān)組裝件因此被劃分成兩個(gè)分段，每個(gè)分段對(duì)應(yīng)于dc電路。第一和第二分段的本地正dc端子Segl+和Seg2+分別彼此緊鄰布設(shè)，并且彼此互連以及互連到正dc負(fù)載端子DC+。相似地，第一和第二分段的本地負(fù)dc端子Segl-和Seg2_分別彼此緊鄰布設(shè)，并且彼此互連以及互連到負(fù)dc負(fù)載端子DC-。因此，將容易地認(rèn)識(shí)到，在第一布置中，功率電子開(kāi)關(guān)組裝件包括總計(jì)4個(gè)本地dc端子，其定義2個(gè)互連的對(duì)。互連的對(duì)的其中一個(gè)連接到正dc負(fù)載端子DC+，以及互連的對(duì)的另一個(gè)連接到負(fù)dc負(fù)載端子DC-。本地dc端子的互連的對(duì)的其中一個(gè)可以定義電樞的圓周基準(zhǔn)線，以及在基準(zhǔn)線的相對(duì)側(cè)(例如，順時(shí)針和反時(shí)針側(cè))上的并聯(lián)dc電路中產(chǎn)生的電壓的量值和極性優(yōu)選地基本平衡。每個(gè)分段的個(gè)體的本地dc端子可以間隔基本180機(jī)械度來(lái)布設(shè)，如圖14A和圖14B所示?？梢韵嗨频貙⒈镜豥c端子的互連的對(duì)間隔基本180機(jī)械度來(lái)布設(shè)。
[0026]在圖14C所示的第二布置中，電機(jī)具有正dc負(fù)載端子DC+和負(fù)dc負(fù)載端子DC-。功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的開(kāi)關(guān)模塊定義四個(gè)并聯(lián)dc電路。更具體地來(lái)說(shuō)，將第一比例(例如，對(duì)于對(duì)稱(chēng)dc電路和偶數(shù)個(gè)電樞相為25%)的開(kāi)關(guān)模塊串聯(lián)連接在一起以定義在dc負(fù)載端子之間延伸的第一 dc電路，將第二比例(例如，對(duì)于對(duì)稱(chēng)dc電路為25%)的開(kāi)關(guān)模塊串聯(lián)連接在一起以定義在dc負(fù)載端子之間延伸的第二 dc電路，將第三比例(例如，對(duì)于對(duì)稱(chēng)dc電路為25%)的開(kāi)關(guān)模塊串聯(lián)連接在一起以定義在dc負(fù)載端子之間延伸的第三dc電路，以及將第四比例(例如，對(duì)于對(duì)稱(chēng)dc電路為25%)的開(kāi)關(guān)模塊串聯(lián)連接在一起以定義在dc負(fù)載端子之間延伸的第四dc電路。因此，功率電子開(kāi)關(guān)組裝件劃分成4個(gè)分段，每個(gè)分段對(duì)應(yīng)于dc電路。第一和第二分段的本地負(fù)dc端子Segl-和Seg2_分別彼此緊鄰布設(shè)并且彼此互連，并互連到負(fù)dc負(fù)載端子DC-。第二和第三分段的本地正dc端子Seg2+和Seg3+分別彼此緊鄰布設(shè)并且彼此互連，并互連到正dc負(fù)載端子DC+。第三和第四分段的本地負(fù)dc端子Seg3_和Seg4_分別彼此緊鄰布設(shè)并且彼此互連，并互連到負(fù)dc負(fù)載端子DC-。第四和第一分段的本地正dc端子Seg4+和Segl+分別彼此緊鄰布設(shè)并且彼此互連，并互連到正dc負(fù)載端子DC+。因此，將容易地認(rèn)識(shí)到在第二布置中，功率電子開(kāi)關(guān)組裝件包括總計(jì)8個(gè)本地dc端子，其定義4個(gè)互連的對(duì)。這些互連的對(duì)的其中兩個(gè)連接到正dc負(fù)載端子DC+，以及互連的對(duì)的其中兩個(gè)連接到負(fù)dc負(fù)載端子DC-。本地dc端子的這些互連的對(duì)其中之一可以定義電樞的圓周基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)線的相對(duì)側(cè)(例如，順時(shí)針和逆時(shí)針側(cè))上的并聯(lián)dc電路中產(chǎn)生的電壓的量值和極性優(yōu)選地得以基本平衡。每個(gè)分段的個(gè)體的本地dc端子可以間隔基本90機(jī)械度來(lái)布設(shè)，如圖14C所示?？梢韵嗨频貙⒈镜豥c端子的互連的對(duì)間隔基本90機(jī)械度來(lái)布設(shè)。更具體的來(lái)說(shuō)，可以相似地將連接到正dc負(fù)載端子的本地dc端子的兩個(gè)互連的對(duì)間隔基本180機(jī)械度來(lái)布設(shè)，同時(shí)可以相似地將連接到負(fù)dc負(fù)載端子的本地dc端子的兩個(gè)互連的對(duì)間隔基本180機(jī)械度來(lái)布設(shè)。
[0027]在圖14D所示的第三布置中，那時(shí)該電機(jī)是雙通道機(jī)器，其中具有正dc負(fù)載端子DCl+和DC2+以及負(fù)dc負(fù)載端子DCl-和DC2-。功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的開(kāi)關(guān)模塊定義4個(gè)并聯(lián)dc電路。更具體地來(lái)說(shuō)，將第一比例(例如，對(duì)于對(duì)稱(chēng)dc電路和偶數(shù)個(gè)電樞相為25%)的開(kāi)關(guān)模塊串聯(lián)連接在一起以定義在第一和第二 dc負(fù)載端子DCl+和DCl-之間延伸的第一 dc電路，將第二比例(例如，對(duì)于對(duì)稱(chēng)dc電路為25%)的開(kāi)關(guān)模塊串聯(lián)連接在一起以定義在第一和第二 dc負(fù)載端子DCl+和DCl-之間延伸的第二 dc電路，將第三比例(例如，對(duì)于對(duì)稱(chēng)dc電路為25%)的開(kāi)關(guān)模塊串聯(lián)連接在一起以定義在第三和第四dc負(fù)載端子DC2+和DC2-之間延伸的第三dc電路，以及將第四比例(例如，對(duì)于對(duì)稱(chēng)dc電路為25%)的開(kāi)關(guān)模塊串聯(lián)連接在一起以定義在第三和第四dc負(fù)載端子DC2+和DC2-之間延伸的第四dc電路。因此，功率電子開(kāi)關(guān)組裝件劃分成4個(gè)分段，每個(gè)分段對(duì)應(yīng)于dc電路。第一和第二分段的本地負(fù)dc端子Segl-和Seg2_分別彼此緊鄰布設(shè)，但是它們不互連到彼此。第二和第三分段的本地正dc端子Seg2+和Seg3+分別彼此緊鄰布設(shè)，但是它們彼此不互連。第三和第四分段的本地負(fù)dc端子Seg3-和Seg4-分別彼此緊鄰布設(shè)，但是它們彼此不互連。第四和第一分段的本地正dc端子Seg4+和Segl+分別彼此緊鄰布設(shè)，但是它們彼此不互連。第一和第三分段的本地正dc端子Segl+和Seg3+分別彼此互連，并互連到第一 dc負(fù)載端子DC1+。第一和第三分段的本地負(fù)dc端子Segl-和Seg3_分別彼此互連，并互連到第二 dc負(fù)載端子DC1-。第二和第四分段的本地正dc端子Seg2+和Seg4+分別彼此互連，并互連到第三dc負(fù)載端子DC2+。第二和第四分段的本地負(fù)dc端子Seg2-和Seg4_分別彼此互連，并互連到第四dc負(fù)載端子DC2-。因此，將容易地認(rèn)識(shí)到在第三布置中，功率電子開(kāi)關(guān)組裝件包括總計(jì)8個(gè)本地dc端子，其定義4個(gè)互連的對(duì)。每個(gè)分段的個(gè)體的本地dc端子可以間隔基本90機(jī)械度布設(shè)，如圖14D所示。但是，不同于第一和第二布置中那樣，定義每個(gè)互連的對(duì)的本地dc端子不彼此緊鄰布設(shè)，而是間隔基本180機(jī)械度來(lái)布設(shè)。本地dc端子的這些緊鄰但不互連的對(duì)其中之一可以定義電樞的圓周基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)線的相對(duì)側(cè)(例如，順時(shí)針和逆時(shí)針側(cè))上的并聯(lián)dc電路中產(chǎn)生的電壓的量值和極性優(yōu)選地得以基本平衡。更具體的來(lái)說(shuō)，此平衡優(yōu)選地基本獨(dú)立于雙通道布置的相應(yīng)通道來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)椴⒙?lián)連接的分段Segl和Seg3間隔基本180機(jī)械度來(lái)布設(shè)，以及并聯(lián)連接的分段Seg2和Seg4間隔基本180機(jī)械度來(lái)布設(shè)。
[0028]一般來(lái)說(shuō)，可以將基準(zhǔn)線設(shè)在圍繞電樞圓周與形成功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的dc電路或分段的其中之一的串聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)模塊串的物理開(kāi)始或結(jié)束處的本地dc端子基本一致的任何位置。當(dāng)每個(gè)dc電路采用相等數(shù)量的線圈時(shí)或利用奇數(shù)個(gè)相且相的數(shù)量很大時(shí)，在此基準(zhǔn)線的任一側(cè)上產(chǎn) 生的電壓將基本平衡，而不管并聯(lián)dc電路或通道的數(shù)量。
[0029]具有對(duì)稱(chēng)dc電路的第一布置可以視為“基準(zhǔn)”布置，其具有平均dc電壓Vdc=Ipu和dc負(fù)載端子電流Idc=lpu。通過(guò)比較,對(duì)于第二布置Vdc=0.5pu和Idc=2pu和對(duì)于第三布置Vdc=0.5pu和Idc=2pu，當(dāng)機(jī)器定義為雙通道機(jī)器，其中兩個(gè)通道實(shí)際由外部設(shè)備并聯(lián)連接時(shí)，每個(gè)通道具有額定值Vdc=0.5pu和Idc=lpu。雖然一般不是首選且未示出，但是第三布置的兩個(gè)通道在原理上能夠通過(guò)將第二 dc負(fù)載端子DCl-連接到第三dc負(fù)載端子DC2+來(lái)串聯(lián)連接，從而在第一和第四dc負(fù)載端子DCl+和DC2-處給出Vdc=Ipu和Idc=lpu。對(duì)于具有非對(duì)稱(chēng)dc電路的第一布置，那時(shí)非對(duì)稱(chēng)程度將通常是最小的，因?yàn)椴捎么罅肯?，并且第一和第二并?lián)dc電路中的電流不足以失衡而成為問(wèn)題。通常，非對(duì)稱(chēng)布置將具有與對(duì)稱(chēng)布置大約相同的模塊總數(shù)，由此Vdc ^ Ipu和Idc ^ Ipu0下文更詳細(xì)地描述對(duì)稱(chēng)性的諧波、可變負(fù)載和故障模式方面。
[0030]如果功率電子開(kāi)關(guān)組裝件包括兩個(gè)分段和四個(gè)本地dc端子，則每個(gè)分段的本地dc端子通常將間隔基本180機(jī)械度來(lái)布設(shè)。如果功率電子開(kāi)關(guān)組裝件包括多于兩個(gè)分段和多于四個(gè)本地dc端子，例如對(duì)于具有四個(gè)分段的單通道機(jī)器或雙通道機(jī)器，則可以將每個(gè)分段的本地dc端子間隔適合的度數(shù)來(lái)布設(shè)。互連的本地dc端子(即，形成本地dc端子的互連的對(duì))可以彼此相鄰設(shè)置或間隔適合度數(shù)來(lái)布設(shè)。可以提供dc電路的不同布置，但是全部滿足上文的要求:至少第一比例的開(kāi)關(guān)模塊一起串聯(lián)連接在第一和第二 dc負(fù)載端子之間，以及第二比例的開(kāi)關(guān)模塊一起串聯(lián)連接在第一和第二 dc負(fù)載端子之間以定義兩個(gè)并聯(lián)dc電路。一般來(lái)說(shuō)，接著可以在第一和第二 dc負(fù)載端子之間提供串聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)模塊的任何便利數(shù)量的附加并聯(lián)dc電路。在雙通道機(jī)器中，提供第三和第四dc負(fù)載端子，其中在第一和第二 dc負(fù)載端子之間以及第三和第四dc負(fù)載端子之間提供任何便利數(shù)量的并聯(lián)dc電路。對(duì)于采用偶數(shù)個(gè)線圈和具有多于兩個(gè)并聯(lián)dc電路的單通道或雙通道機(jī)器，則:(i)每個(gè)dc電路中的線圈數(shù)通常必須相等，(ii)每個(gè)dc電路中通常必須提供相等數(shù)量的直徑方面相對(duì)的線圈，以及(iii)通常必須將開(kāi)關(guān)模塊之間和開(kāi)關(guān)模塊與外部設(shè)備之間經(jīng)由dc負(fù)載端子的互連配置成將線圈間(inter-coil)電壓減到最小。
[0031]在所有布置中，開(kāi)關(guān)模塊將在dc域中互連，以便服從例如正常工作狀況下線圈間電壓最小化的要求，這通過(guò)將相似極性的本地dc端子適當(dāng)?shù)乇舜司o鄰設(shè)置，以便允許它們?cè)赿c域中的直接互連或通過(guò)外部設(shè)備在dc域中的有效互連來(lái)實(shí)現(xiàn)。在正常狀況下工作的雙通道機(jī)器中，外部設(shè)備通常負(fù)責(zé)將線圈間電壓減到最小，即將緊鄰但不互連的本地dc端子對(duì)之間的電壓減到最小。但是，將容易地認(rèn)識(shí)到雙通道機(jī)器具有兩對(duì)電流上獨(dú)立絕緣的dc負(fù)載端子，并且它們能夠在故障狀況下固定在不同的共模電壓處。由此，在彼此緊鄰布設(shè)的相應(yīng)本地dc端子之間可產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的故障電壓。
[0032]線圈的主壁絕緣由dc電壓分量支配，并且在所有工作狀況下，在單通道機(jī)器中將線圈間絕緣要求降到最低，并且在正常工作狀況下，在雙通道機(jī)器中，將線圈間絕緣要求降到最低。主壁絕緣可以是在其中電壓應(yīng)力本質(zhì)上主要是dc且實(shí)質(zhì)上存在較不重要的ac分量的狀況下在其體積內(nèi)和其表面上固有地自應(yīng)力分級(jí)(self stress grading)的。更具體地來(lái)說(shuō)，主壁絕緣可以在整個(gè)體積內(nèi)包含納米顆粒非線性應(yīng)力分級(jí)，從而允許采用相對(duì)較薄的主壁，并且由此減少主壁熱阻同時(shí)提供部分無(wú)放電和低損耗工作。線圈間電壓尤其低，并且包含不足以導(dǎo)致部分放電的dc和ac分量,從而允許簡(jiǎn)化端繞組(endwinding)絕緣。每個(gè)線圈內(nèi)的匝間電壓與常規(guī)電機(jī)中的那些相當(dāng)，并且可以使用常規(guī)匝間絕緣。
[0033]因?yàn)榫€圈在dc域中連接在一起，所以可以提供許多相而無(wú)需使用復(fù)雜的端繞組互連、ac端接和ac絕緣系統(tǒng)。更具體地來(lái)說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的dc電機(jī)可以每個(gè)磁極每個(gè)槽具有多個(gè)相。在永磁發(fā)電機(jī)中，眾所周知的，要限制每個(gè)磁極的槽數(shù)以便減少電樞反應(yīng)的影響和/或減少磁芯徑向深度要求的定子背部，并且本發(fā)明允許保有這些優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)仍具有高數(shù)量的電樞相。常規(guī)永磁發(fā)電機(jī)通常具有每個(gè)磁極三個(gè)槽(n=3 )，并且常態(tài)下將此類(lèi)機(jī)器中常規(guī)ac互連的繞組的電樞相的數(shù)量限制為3或6。但是，根據(jù)本發(fā)明的每個(gè)磁極具有約3個(gè)槽的永磁發(fā)電機(jī)通常將具有多個(gè)(例如，>70個(gè))電樞相。
[0034]可以在dc域中連接這些線圈以提供線圈電壓諧波的相消除，從而將dc端子電壓波動(dòng)(tripple)減到最小以及將第一與第二 dc負(fù)載端子之間的并聯(lián)dc電路中流動(dòng)的循環(huán)電流減到最小，并且在合適情況下，例如在雙通道機(jī)器中其他附加dc負(fù)載端子之間的并聯(lián)dc電路中流動(dòng)的循環(huán)電流減到最小。每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊的dc端子電壓受關(guān)聯(lián)的線圈電壓的第二諧波支配，但是開(kāi)電路線圈電壓和電流/阻抗相關(guān)的電壓諧波將同步地傳遞到每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊的dc端子。由開(kāi)關(guān)模塊執(zhí)行的換向過(guò)程將影響線圈端子電壓諧波，并且還將有助于在每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊的dc端子處的整數(shù)諧波電壓譜。線圈電流的功率因子和諧波譜按下文描述的來(lái)進(jìn)行控制，并且定義為便于允許線圈在基本相等狀況下工作。其結(jié)果是，將線圈端子電壓與開(kāi)關(guān)模塊dc端子電壓譜按定子基本頻率的相間隔進(jìn)行相移。在采用偶數(shù)個(gè)線圈的機(jī)器中，直徑方面相對(duì)的線圈電壓是反相的。但是因?yàn)榫€圈輸出通過(guò)開(kāi)關(guān)模塊整流或反轉(zhuǎn)以便從ac轉(zhuǎn)換到dc或反之亦然，所以兩個(gè)關(guān)聯(lián)且直徑方面相對(duì)的開(kāi)關(guān)模塊的dc端子上的電壓波動(dòng)譜是同相的。因?yàn)榇讼嚓P(guān)系適用于所有直徑方面相對(duì)的成對(duì)線圈以及它們關(guān)聯(lián)的開(kāi)關(guān)模塊，所以其結(jié)果是，在具有兩個(gè)并聯(lián)連接dc電路的機(jī)器的并聯(lián)dc電路中，電壓波動(dòng)完全相同，并且因此在并聯(lián)dc電路之間流動(dòng)的諧波循環(huán)電流最小。在此類(lèi)機(jī)器中，換向電感、線圈電阻和開(kāi)關(guān)模塊裝置“導(dǎo)通”狀態(tài)損耗的大約對(duì)稱(chēng)性促成dc平均循環(huán)電流的最小化，并且均等地從每個(gè)通道抽取負(fù)載功率或?qū)⒇?fù)載功率均等地饋送到每個(gè)通道。相似地，因此，在其中電樞相的數(shù)量P在除以并聯(lián)連接dc電路的數(shù)量時(shí)得到偶數(shù)作為結(jié)果的機(jī)器中，此類(lèi)諧波和dc平均循環(huán)電流最小。當(dāng)任何通道內(nèi)的兩個(gè)并聯(lián)dc電路包括相等數(shù)量的直徑方面相對(duì)線圈并均等地從每個(gè)通道汲取負(fù)載功率或均等地將負(fù)載功率饋送到每個(gè)通道中時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了具有四個(gè)dc負(fù)載端子的雙通道機(jī)器的每個(gè)通道內(nèi)對(duì)稱(chēng)dc電壓波動(dòng)和dc循環(huán)電流的最小化。在這些情況中，第一和第二 dc負(fù)載端子之間的電壓波動(dòng)與第三和第四dc負(fù)載端子之間的電壓波動(dòng)在量值上大約相等，并且與第三和第四dc負(fù)載端子之間的電壓波動(dòng)同相。當(dāng)每個(gè)通道內(nèi)的兩個(gè)并聯(lián)dc電路包含相等數(shù)量的直徑方面相對(duì)線圈并不均等地從每個(gè)通道汲取負(fù)載功率或不均等地將負(fù)載功率饋送到每個(gè)通道中時(shí)，仍在每個(gè)通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)稱(chēng)dc電壓波動(dòng)和dc循環(huán)電流的最小化。盡管電路工作不平衡，但是基本保持電磁對(duì)稱(chēng)性，并且將不產(chǎn)生不平衡的磁引力。但是，第一和第二 dc負(fù)載端子之間的電壓波動(dòng)在量值上將不再與第三和第四dc負(fù)載端子之間的電壓波動(dòng)相等，并且與第三和第四dc負(fù)載端子之間的電壓波動(dòng)不再同相。階2XCXP的諧波循環(huán)電流在并聯(lián)連接dc電路中流動(dòng)，其中P是奇數(shù)以及C是整數(shù)。這些諧波電流和dc循環(huán)電流的量值對(duì)于具有大量電樞相(例如，P>70)的機(jī)器來(lái)說(shuō)可接受地小。如果阻止線圈電壓整流或反轉(zhuǎn)從而將特定開(kāi)關(guān)模塊的dc端子之間的電壓限制于大約O或足夠低而具有為O的效果的水平的故障模式發(fā)生，階2XCXFS的諧波循環(huán)電流在并聯(lián)dc電路中流動(dòng)，其中C是整數(shù)，以及Fs是定子諧波頻率。但是，同樣地，非對(duì)稱(chēng)故障模式的這些諧波電流和dc循環(huán)電流的量值對(duì)于具有大量電樞相(例如，P>70)的機(jī)器來(lái)說(shuō)可接受地小。當(dāng)機(jī)器具有大量電樞相(例如，P>70)時(shí)，即使這無(wú)可避免地導(dǎo)致某種性能退化，此類(lèi)故障模式的多個(gè)實(shí)例的效果也是可接受的。
[0035]每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊可以包括具有ac端子和dc端子的H橋。ac端子連接到對(duì)應(yīng)線圈的ac端子。多個(gè)H橋的dc端子串聯(lián)連接在一起以定義dc電路。
[0036]開(kāi)關(guān)模塊可以由適合的控制系統(tǒng)來(lái)控制。例如，每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊可以與對(duì)應(yīng)的控制器關(guān)聯(lián)。
[0037]每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊可以可選地包括換向能量恢復(fù)電路，其可選地具有儲(chǔ)能電容器。每個(gè)能量恢復(fù)電路可以連接到對(duì)應(yīng)H橋的dc端子和ac端子。僅在H橋作為電流源逆變器工作時(shí)才需要能量恢復(fù)電路，該電流源逆變器采用門(mén)控功率電子裝置以在換向電感高于將使得換向能量的耗散對(duì)于總系統(tǒng)效率或冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可接受的閾值時(shí)中斷線圈電流。
[0038]每個(gè)H橋能夠包括以常規(guī)方式布置的四個(gè)功率電子裝置，并且優(yōu)選地配置為電流源變流器，但是可選地配置為電壓源變流器?？梢允褂萌魏芜m合的功率電子裝置，包括二極管和晶閘管及其功能等效裝置，和能夠通過(guò)門(mén)控導(dǎo)通和關(guān)斷的裝置。因?yàn)樵S多開(kāi)關(guān)模塊串聯(lián)連接在一起，所以其dc端子固有地承載具有疊加的波動(dòng)分量的相同的基本恒定的dc電流，從而利于作為電流源變流器來(lái)工作。但是，通過(guò)并入dc鏈電容器將每個(gè)H橋作為電壓源變流器來(lái)工作同樣地是可能的。還因?yàn)樵S多開(kāi)關(guān)模塊串聯(lián)連接在一起，所以期望采用具有特別低正向電壓降的功率電子裝置，并因此通常首選多數(shù)載流子和單極拓?fù)洹．?dāng)H橋配置為電流源變流器時(shí)，這些裝置必須是反向阻斷類(lèi)型的，以及當(dāng)H橋配置為電壓源變流器時(shí)，這些裝置可以是具有反向并聯(lián)連接的自由輪(freewheel) 二極管的非對(duì)稱(chēng)類(lèi)型的，或反向?qū)?lèi)型的。此類(lèi)反向阻斷裝置的示例將包括二極管、靜態(tài)電感晶體管(SIT)派生物、晶閘管、反向阻斷和背對(duì)背垂直結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(VJFET)和背對(duì)背金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、反向阻斷絕緣柵雙極結(jié)晶體管(RB-1GBT)、對(duì)稱(chēng)門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)和對(duì)稱(chēng)門(mén)極換向晶閘管(SGCT)。此類(lèi)非對(duì)稱(chēng)裝置的示例將包括垂直結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(VJFET)、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極結(jié)晶體管(IGBT)、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)和門(mén)極換向晶閘管(GCT)。這些非對(duì)稱(chēng)裝置一般將附帶有離散的反向并聯(lián)連接二極管，但是單片或以其他方式將反向并聯(lián)連接二極管集成在非對(duì)稱(chēng)裝置封裝中以便形成反向?qū)ㄗ凅w也是可能的?？梢允褂貌捎脤拵恫牧?如碳化硅)的功率電子裝置，因?yàn)樗鼈兡軌蛟谙鄬?duì)較高溫度下工作，并且更具體的來(lái)說(shuō)，這將是有益的，因?yàn)樗鼈兡軌蛟诔^(guò)電樞繞組中遇到的溫度的結(jié)溫度下工作，但是基于硅的裝置可以在提供足夠低溫度的工作流體冷卻劑的氣冷和液冷布置中使用。優(yōu)選地功率電子裝置的多數(shù)故障模式促成穩(wěn)定的低電阻狀態(tài)的產(chǎn)生，其中該裝置獲得持續(xù)地承載額定dc電路電流和暫時(shí)承載過(guò)載電流的能力而不會(huì)破損或過(guò)度耗散。因此，壓力接觸功率半導(dǎo)體裝置是首選。但是這些無(wú)需被裝在常規(guī)“緊壓包”配置中，也無(wú)需通過(guò)高壓縮壓力來(lái)組裝它們，即，使用壓力接觸系統(tǒng)僅與達(dá)到期望的低電阻故障狀態(tài)相關(guān)聯(lián)?？梢詮年P(guān)聯(lián)的控制器向每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊提供門(mén)驅(qū)動(dòng)信號(hào)?？梢允褂瞄T(mén)驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制H橋中功率電子裝置的開(kāi)關(guān)，以及還可以用于控制可以與例如能量恢復(fù)電路關(guān)聯(lián)的任何功率電子裝置(一個(gè)或多個(gè))。可以使用開(kāi)關(guān)輔助網(wǎng)絡(luò)(緩沖器)來(lái)限制功率電子裝置中的切換損耗。
[0039]使用二極管和作為二極管工作的其他功率半導(dǎo)體功率拓?fù)?例如SIT)在要求功率電子開(kāi)關(guān)組裝件絕對(duì)簡(jiǎn)單且可靠的情況中尤其有益。在此情況中，功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的控制系統(tǒng)不需要具有有關(guān)電機(jī)的換向的任何功能，并且無(wú)需能量恢復(fù)電路。當(dāng)采用二極管或其功能等效物時(shí)，在H橋內(nèi)進(jìn)行自然換向，并且關(guān)聯(lián)的線圈和H橋作為電流源變流器來(lái)工作。此類(lèi)電機(jī)只能在發(fā)電模式中使用，并且將沒(méi)有能力限制dc故障電流或任何隨之產(chǎn)生的軸轉(zhuǎn)矩過(guò)載或永磁激勵(lì)(如果使用的話)的去磁。因?yàn)樵撾姍C(jī)的最大關(guān)斷負(fù)載dc端子電壓隨軸速度大約按比例變化，并且加載的dc端子電壓遭受負(fù)載電流和換向電感相關(guān)的電壓降，所以此類(lèi)電機(jī)優(yōu)選地借助于其功能是保持輸出功率質(zhì)量的功率變流器連接到外部電路?？梢允侨魏芜m合類(lèi)型的此功率變流器，可以調(diào)適成限制dc端子故障電流和轉(zhuǎn)矩，因?yàn)楣β孰娮娱_(kāi)關(guān)組裝件不具有提供此保護(hù)功能的固有能力。
[0040]在要求功率電子開(kāi)關(guān)組裝件簡(jiǎn)單且可靠的情況中，使用晶閘管也可以是有益的。在此情況中，功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的控制系統(tǒng)需要控制電機(jī)的換向，并且無(wú)需能量恢復(fù)電路。當(dāng)采用晶閘管時(shí)，在H橋內(nèi)進(jìn)行自然換向，并且關(guān)聯(lián)的線圈和H橋作為電流源變流器來(lái)工作。此類(lèi)電機(jī)在其中H橋作為自然換向的整流器工作的發(fā)電模式中使用時(shí)將僅充分有效工作，并且將具有限制dc故障電流或任何隨之產(chǎn)生的軸轉(zhuǎn)矩過(guò)載或永磁激勵(lì)(如果使用的話)的去磁的比率受限的能力。因?yàn)樵撾姍C(jī)的最大關(guān)斷負(fù)載dc端子電壓隨軸速度大約按比例變化，并且加載的dc端子電壓遭受負(fù)載電流和換向電感相關(guān)的電壓降，所以此類(lèi)電機(jī)優(yōu)選地借助于其功能是保持輸出功率質(zhì)量的功率變流器連接到外部電路?？梢允侨魏芜m合類(lèi)型的此功率變流器，可以調(diào)適成進(jìn)一步限制dc端子故障電流和轉(zhuǎn)矩。由于換向電感在其中H橋作為反轉(zhuǎn)模式中的電流源變流器工作的自然換向上的影響，所以此類(lèi)機(jī)器將僅具有在電動(dòng)回轉(zhuǎn)模式中工作的受限能力?？梢詫⑼獠抗β首兞髌髡{(diào)適成中斷在電動(dòng)回轉(zhuǎn)時(shí)饋送到功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的dc電流，以便影響低速dc線路換向，從而允許其主要功能是發(fā)電的機(jī)器作為電動(dòng)機(jī)以甚低速(〈0.05pu)工作以實(shí)現(xiàn)軸定位、“解凍(baring)”和投入運(yùn)行目的。
[0041]如果開(kāi)關(guān)模塊使用能夠通過(guò)門(mén)控制導(dǎo)通和關(guān)斷的功率電子裝置，則可以控制該功率電子開(kāi)關(guān)組裝件來(lái)提供電機(jī)的強(qiáng)制換向。該電機(jī)可以以發(fā)電和電動(dòng)回轉(zhuǎn)兩種模式使用。還可以控制開(kāi)關(guān)模塊的功率電子裝置以提供保護(hù)功能來(lái)限制dc端子故障電流等。
[0042]功率電子裝置將優(yōu)選地能夠在高溫下以低導(dǎo)通損耗工作，可選地以便可以通過(guò)電機(jī)的氣冷回路將開(kāi)關(guān)模塊冷卻，而不會(huì)負(fù)面地影響其氣冷回路設(shè)計(jì)或有損功率電子裝置的可靠性。
[0043]功率電子裝置還可以通過(guò)使用適合的導(dǎo)熱且電絕緣界面與相應(yīng)電樞線圈懸垂(overhang)壓力接觸放置來(lái)進(jìn)行冷卻，從而允許線圈用作散熱器。功率電子裝置還可以通過(guò)液冷回路來(lái)進(jìn)行冷卻，該液冷回路可以包含電介質(zhì)液體，例如如MIDEL及其等效物的專(zhuān)有變壓器絕緣液體或具有適合沸點(diǎn)且能夠提供相變化冷卻的高熱通量密度優(yōu)點(diǎn)的N0VEK。這些開(kāi)關(guān)模塊可以是空氣絕緣的，并且能夠在最大線圈溫度(通常<150°C)下工作。
[0044]功率電子開(kāi)關(guān)組裝件可以調(diào)適成提供個(gè)體的開(kāi)關(guān)模塊組件的連續(xù)故障導(dǎo)致的漸進(jìn)式性能退化。例如，在影響特定開(kāi)關(guān)模塊的控制系統(tǒng)故障之后，對(duì)應(yīng)的線圈可以保持開(kāi)路，同時(shí)dc鏈電流通過(guò)為功率電子裝置選擇適合的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)旁路該線圈-下文在具有門(mén)控反向阻斷功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)裝置的電流源變流器的上下文環(huán)境中且參照?qǐng)D8描述的第四和第五開(kāi)關(guān)狀態(tài)的任何一種狀態(tài)均是適合的。電壓源逆變器可以采用相同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并且下文參考圖11描述了提供性能的漸進(jìn)式退化的此方面調(diào)適。而且，可能的是，一些開(kāi)關(guān)模塊故障模式和功率電子裝置的故障模式可能導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)模塊內(nèi)任一或全部功率電子裝置中低電阻狀態(tài)的產(chǎn)生、被門(mén)控或以其他方式，并且這可能導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)線圈承載故障電流，并產(chǎn)生故障轉(zhuǎn)矩以及將永磁激勵(lì)系統(tǒng)(使用時(shí))暴露在去磁的風(fēng)險(xiǎn)下。在這些情況下，會(huì)可能的是采用可熔斷裝置或其他開(kāi)關(guān)裝置來(lái)中斷個(gè)體的線圈故障電流，這是個(gè)體的線圈電流和電壓僅達(dá)到中等水平的情況。此類(lèi)故障模式的單個(gè)和多個(gè)實(shí)例的影響將導(dǎo)致機(jī)器的非對(duì)稱(chēng)工作，這在電樞相的數(shù)量P大(例如，P>70)時(shí)是可接受的，但是在這些情況中，無(wú)可避免地出現(xiàn)某種性能退化。而且，一些控制系統(tǒng)容差極限和故障模式可能導(dǎo)致機(jī)器的非對(duì)稱(chēng)工作，例如個(gè)體的線圈可能在稍微偏離標(biāo)準(zhǔn)的功率因子下工作。同樣地，如果機(jī)器具有大量電樞相(例如，P>70)，則這是可接受的，但是這些情況中無(wú)可避免地，出現(xiàn)某種性能退化。
[0045]將開(kāi)關(guān)模塊的dc端子串聯(lián)連接在一起以定義兩個(gè)并聯(lián)電流路徑，使得高dc端子電壓能夠產(chǎn)生。但是，將容易地認(rèn)識(shí)到，流經(jīng)每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊的電流將相對(duì)較低，并且所以功率電子裝置的尺寸、額定值和成本能夠得以最小化。例如，典型強(qiáng)制換向5麗發(fā)電機(jī)具有180個(gè)單層線圈，每個(gè)單層線圈具有平均220V ac端子開(kāi)路電壓的模量和150A的大約均方根(rms)電流額定值，典型強(qiáng)制換向5麗發(fā)電機(jī)可以配置有兩個(gè)并聯(lián)dc電路在功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的dc負(fù)載端子處以約280A提供18 kV dc。將理解，這種示例僅出于說(shuō)明性目的提供，并且必須使得容許非正弦操作、換向電感和能量恢復(fù)等對(duì)強(qiáng)制換向過(guò)程的影響。
[0046]開(kāi)關(guān)模塊之間以及開(kāi)關(guān)模塊與其關(guān)聯(lián)的線圈之間的互連可以是短且直接的?？蛇x地，可以將多個(gè)開(kāi)關(guān)模塊在組裝件中與兩個(gè)本地dc端子互連并組合?？蛇x地，可以將任何便利數(shù)量的開(kāi)關(guān)模塊在子組裝件中互連和組合，并且可以組合任何便利數(shù)量的子組裝件來(lái)形成具有兩個(gè)本地dc端子的組裝件。開(kāi)關(guān)模塊之間的互連可以使得它們相應(yīng)的H橋dc端子電壓相加和/或使得它們組合的dc電壓是相對(duì)于繞電樞的旋轉(zhuǎn)的任一極性中。開(kāi)關(guān)模塊可以繞著電樞或定子組裝件周緣分布在線圈端繞組懸垂上或附近。
[0047]一般優(yōu)選地，線圈電流和氣隙通量密度的圓周分布是非正弦的，并且包括低階整數(shù)諧波(integer harmonics)?？梢詫庀锻棵芏群途€圈電流同步以使電樞磁動(dòng)勢(shì)(mmf)的基本和低階整數(shù)諧波分量和氣隙通量具有基本正交的關(guān)系，以便將每個(gè)單位電樞電流的轉(zhuǎn)矩最大化和將轉(zhuǎn)矩密度最大化。
[0048]該電機(jī)可以使用任何便利形式的場(chǎng)激勵(lì)。例如，場(chǎng)磁極可以由圍繞轉(zhuǎn)子(其表面貼裝或嵌入超導(dǎo)場(chǎng)繞組或大塊超導(dǎo)磁體、常規(guī)銅或鋁場(chǎng)繞組等)布置的永磁磁極定義。該電機(jī)可以是任何適合類(lèi)型的，如電感、同步等，并且具有任何適合的轉(zhuǎn)子和電樞構(gòu)造，如鐵芯、具有大無(wú)齒氣隙的鐵芯、非鐵芯或空氣芯等。將具有電磁屏蔽的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子與定子護(hù)鐵(back iron)之間具有大磁氣隙的氣隙型電樞繞組結(jié)合使用將是有益于使得換向電感能夠最小減到其中自然換向的開(kāi)關(guān)模塊將是優(yōu)選，同時(shí)排除了定子線圈主壁絕緣的槽內(nèi)區(qū)域的要求的點(diǎn)。這種電機(jī)而是將在定子線圈陣列與定子護(hù)鐵之間需要無(wú)放電圓柱體形式的等效主壁絕緣。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)將可充分地應(yīng)用于此絕緣系統(tǒng)，并因而電樞線圈將只需要低電壓絕緣系統(tǒng)，即，個(gè)體的線圈將無(wú)需主壁絕緣。雖然這種機(jī)器在其定子鐵中會(huì)沒(méi)有磁齒或槽特征，但是本文中使用術(shù)語(yǔ)“槽(一個(gè)或多個(gè))”將充分地理解為定義兩層或單層線圈的層疊線圈側(cè)(一個(gè)或多個(gè))或以齒為中心的繞組的并排線圈側(cè)的橫截面輪廓。因此，術(shù)語(yǔ)“槽(一個(gè)或多個(gè))”可充分地應(yīng)用于槽式和非槽式電樞兩者。
[0049]該電機(jī)可以使用任何便利的機(jī)械拓?fù)洌甾D(zhuǎn)子在定子內(nèi)的徑向通量、轉(zhuǎn)子在定子外的徑向通量、單圓盤(pán)軸向通量和多圓盤(pán)軸向通量。
[0050]通常，該電機(jī)將以相對(duì)較低速度工作。例如，大型直接驅(qū)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)可以具有小于15 rpm的最大速度,而其他大型機(jī)器可以具有小于200 rpm的最大速度。
[0051]該電機(jī)可以是用于風(fēng)力渦輪的低速(例如，直接驅(qū)動(dòng))永磁發(fā)電機(jī)，可選地其中Np>80, Ns>200 和 δ〈〈I。
[0052]該電機(jī)可以是低速高功率推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可選地其中Np>8，Ns>120和δ〈〈1?？深A(yù)期當(dāng)Np=12，Ns=150和δ =0.5時(shí)能夠獲得顯著的技術(shù)益處。
[0053]根據(jù)本公開(kāi)的方面，一種dc電機(jī),其包括:具有Np個(gè)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)磁極的轉(zhuǎn)子(8);具有Ns個(gè)繞組槽的電樞(6)，其中Ns/Np是非整數(shù)比值；具有接收在所述繞組槽中的多個(gè)線圈
(4)的電樞繞組，所述電樞繞組定義多個(gè)電樞相；以及功率電子開(kāi)關(guān)組裝件，其包括:第一dc負(fù)載端子(DC+);第二 dc負(fù)載端子(DC-);以及多個(gè)開(kāi)關(guān)模塊(2)，每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊具有兩個(gè)ac端子和兩個(gè)dc端子并且包括功率電子裝置(S1-S4);其中每個(gè)線圈(4)連接到相應(yīng)開(kāi)關(guān)模塊(2)的所述ac端子；其特征在于，第一比例的開(kāi)關(guān)模塊將其dc端子一起串聯(lián)連接在所述第一和第二 dc負(fù)載端子(DC+，DC-)之間，以及第二比例的開(kāi)關(guān)模塊將其dc端子一起串聯(lián)連接在所述第一和第二 dc負(fù)載端子(DC+，DC-)之間以定義兩個(gè)并聯(lián)dc電路。
[0054]其中Ns/Np表示為η土 δ，其中n是整數(shù)，以及δ是非整數(shù)游標(biāo)移位。
[0055]其中所述場(chǎng)磁極圍繞所述轉(zhuǎn)子(8)的圓周均等地分布，并且所述游標(biāo)移位圍繞所述電樞(6)是一致的。
[0056]其具有電樞相序列，其中物理上遠(yuǎn)離的電樞線圈(4)在所述電樞相序列中是相鄰的。
[0057]其中所述電樞相序列的旋轉(zhuǎn)方向與所述轉(zhuǎn)子(8)的旋轉(zhuǎn)方向是相同的或相反的。
[0058]其中每個(gè)電樞相由兩個(gè)或更多個(gè)電樞線圈(4)定義，以及其中特定電樞相中的每個(gè)電樞線圈的所述開(kāi)關(guān)模塊(2 )受控制使得它們的開(kāi)關(guān)事件基本同時(shí)發(fā)生。
[0059]其中特定電樞相中的所述電樞線圈(4)圍繞所述電樞(8)在圓周上基本均等地分隔開(kāi)。
[0060]其中所述電樞繞組的線圈定義:(i)Ns/2，(ii)Ns/4，或(iii)Ns個(gè)電樞相。
[0061]其中所述電樞繞組的線圈定義:(i)兩層線圈，(ii)單層線圈，或(iii)齒線圈。
[0062]其中所述電樞(8)包括圓周基準(zhǔn)線，以及在所述基準(zhǔn)線的相對(duì)側(cè)上的并聯(lián)dc電路中產(chǎn)生的電壓的量值和極性是基本平衡的。
[0063]其中第三比例的開(kāi)關(guān)模塊將其dc端子一起串聯(lián)連接在所述第一和第二 dc端子(DC+，DC_)之間，以及第四比例的開(kāi)關(guān)模塊將其dc端子一起串聯(lián)連接在所述第一和第二 dc端子(DC+，DC-)之間以定義兩個(gè)附加的并聯(lián)dc電路。
[0064]其中所述功率電子開(kāi)關(guān)組裝件包括第三dc端子(DC2+)和第四dc端子(DC2-)，以及其中第三比例的開(kāi)關(guān)模塊將其dc端子一起串聯(lián)連接在所述第三和第四dc端子(DC2+，DC2-)之間，以及第四比例的開(kāi)關(guān)模塊將其dc端子一起串聯(lián)連接在所述第三和第四dc端子(DC2+，DC2-)之間以定義兩個(gè)并聯(lián)dc電路。
[0065]其中每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊(2)包括H橋，所述H橋具有連接到對(duì)應(yīng)電樞線圈(4)的ac端子的ac端子和dc端子。
[0066]其中每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊(2)包括能量恢復(fù)電路，所述能量恢復(fù)電路連接到所述對(duì)應(yīng)H橋的所述ac和dc端子。
[0067]其中每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊(2)由控制系統(tǒng)(26)來(lái)控制。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0068]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明具有兩層線圈的第一 dc電機(jī)的示意圖；
圖2是示出圖1的第一 dc電機(jī)的開(kāi)關(guān)模塊的互連的示意圖；
圖3是示出圖1的第一 dc電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置的示意圖；
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明具有單層線圈的第二 dc電機(jī)的示意圖；
圖5是示出圖4的第二 dc電機(jī)的開(kāi)關(guān)模塊的互連的示意圖；
圖6是示出圖4的第二 dc電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置的示意圖；
圖7示出開(kāi)關(guān)模塊的拓?fù)洌?br> 圖8示出開(kāi)關(guān)模塊可以采用的多種開(kāi)關(guān)狀態(tài)；
圖9示出根據(jù)本發(fā)明的dc電機(jī)的定子電流波形；以及圖10示出根據(jù)圖9的定子電流波形的電流源變流器的強(qiáng)制換向模式的換向序列；
圖11示出電壓源變流器的強(qiáng)制換向模式的換向序列；
圖12是示出如何將開(kāi)關(guān)模塊安裝到端繞組的穿過(guò)圖4的第二 dc電機(jī)的剖面圖；
圖13是開(kāi)關(guān)模塊的簡(jiǎn)化控制示意圖；以及
圖14A至14D是示出本發(fā)明的電子功率開(kāi)關(guān)組裝件的分段的開(kāi)關(guān)模塊的互連和本地dc端子的布置的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0069]圖1至3中以示意圖形式示出根據(jù)本發(fā)明的第一 dc電機(jī)。圖4至6中以示意圖形式示出根據(jù)本發(fā)明的第二 dc電機(jī)。將容易地認(rèn)識(shí)到，為了簡(jiǎn)明，從圖1和圖4省略了轉(zhuǎn)子和定子的許多。 [0070]在第一和第二電機(jī)兩者中，定子(或電樞)組裝件具有用于接收定子繞組的線圈的360個(gè)繞組槽(Ns=360)。在第一電機(jī)中，定子繞組包括360個(gè)兩層線圈。在第二電機(jī)中，定子繞組包括180個(gè)單層線圈。雖然未示出，但是定子可以具有奇數(shù)個(gè)繞組槽或以齒為中心的繞組，其中每個(gè)線圈繞著定子齒纏繞。
[0071]由下文更詳細(xì)地予以描述的功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的第一和第二分段(對(duì)應(yīng)于第一和第二 dc電路)的共存的本地正dc端子Vdc0來(lái)提供基準(zhǔn)線。第一和第二分段的共存的本地負(fù)dc端子Vdcfl圍繞定子圓周與本地正dc端子Vdc。間隔180機(jī)械度來(lái)布設(shè)。本地正dc端子Vdc0彼此連接，并連接到功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的第一 dc負(fù)載端子(正負(fù)載端子DC+)。本地負(fù)dc端子Vdcs彼此連接，并連接到功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的第二 dc負(fù)載端子(負(fù)負(fù)載端子DC-)。第一和第二 dc負(fù)載端子可以可選地借助于中間功率變流器(未示出)連接到任何適合的外部設(shè)備或電路(未示出)。在如用于風(fēng)力渦輪的直接驅(qū)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)的情況中，則外部電路可以是將功率從發(fā)電機(jī)提供到公用事業(yè)電網(wǎng)的收集網(wǎng)絡(luò)。在如用于船舶功率分發(fā)和推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)的情況中，則該外部電路可以是例如至匯流排或開(kāi)關(guān)板的連接。
[0072]在圖1所示的第一電機(jī)中，已將從基準(zhǔn)線向順時(shí)針(CW)方向行進(jìn)線圈總數(shù)的一半標(biāo)記以相編號(hào)P1、P2、P3、P4、P5…P180，同時(shí)將從基準(zhǔn)線向逆時(shí)針(CCW)方向行進(jìn)的其余線圈標(biāo)記以相編號(hào)-P180、-P179、-P178、-P177…-P1。在圖4所示的第二電機(jī)中，已將從基準(zhǔn)線向順時(shí)針(CW)方向行進(jìn)線圈總數(shù)的一半標(biāo)記以相編號(hào)P1、P2、P3…P90，同時(shí)將從基準(zhǔn)線向逆時(shí)針(CCW)方向行進(jìn)的其余線圈標(biāo)記以相編號(hào)-P90、-P89…-P2、-P1。
[0073]每個(gè)線圈的ac端子連接到關(guān)聯(lián)的開(kāi)關(guān)模塊的ac端子。每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊包括具有4個(gè)二極管的常規(guī)H橋。在第一電機(jī)中，定義相ΡΡ..Ρ180的線圈的H橋的dc端子串聯(lián)連接
在第一和第二 dc負(fù)載端子DC+、DC-之間以定義第一 dc電路。定義相-Pl----P180的線圈
的H橋的dc端子串聯(lián)連接在第一和第二 dc負(fù)載端子DC+、DC-之間以定義第二 dc電路。在第二電機(jī)中，定義相Pl…P90的線圈的H橋的dc端子串聯(lián)連接在第一和第二 dc負(fù)載端子DC+、DC-之間以定義第一 dc電路。定義相-Ρ1..._Ρ90的線圈的H橋的dc端子串聯(lián)連接在第一和第二 dc負(fù)載端子DC+、DC-之間以定義第二 dc電路。第一和第二 dc電路因此并聯(lián)連接在第一和第二 dc負(fù)載端子之間。換言之，功率電子開(kāi)關(guān)組裝件劃分成第一分段和第二分段，第一分段包括互連以定義第一 dc電路的開(kāi)關(guān)模塊，第二分段包括互連以定義第二dc電路的開(kāi)關(guān)模塊。圖1和圖4所示的電機(jī)因此具有如上文概述的含對(duì)稱(chēng)dc電路的第一(或“基準(zhǔn)”)布置。將容易地認(rèn)識(shí)到，在其他布置中，可以將附加的dc電路并聯(lián)連接在第一和第二 dc負(fù)載端子之間。例如，單通道機(jī)器可以具有位于第一和第二 dc負(fù)載端子之間的四個(gè)并聯(lián)連接dc電路，其提供線圈數(shù)可被4整除以產(chǎn)生整數(shù)，或雙通道機(jī)器可以具有第三dc負(fù)載端子(正負(fù)載端子)和第四dc負(fù)載端子(負(fù)負(fù)載端子)且第三和第四dc負(fù)載端子之間并聯(lián)連接有附加dc電路。非對(duì)稱(chēng)dc電路布置(即，其中并聯(lián)dc電路或分段具有不同數(shù)量的H橋)也是可能的。
[0074]每個(gè)線圈的輸出通過(guò)對(duì)應(yīng)的H橋整流，如下文更詳細(xì)描述。
[0075]在第一電機(jī)中，平均輕負(fù)載dc端子電壓Vdc由如下公式給出:Vdc =(Ns/2X |Vc|avg) - (Ns X Vdiode),其中| Vc |是線圈電壓的模量,avg是取均值函數(shù)，以及Vdiode是單個(gè)整流器二極管的理想化電壓降。dc端子電流Idc在并聯(lián)dc電路之間劃分，并聯(lián)dc電路的相應(yīng)dc電流大致為Idc/2，并除了換向期間外將線圈電流約束為±Idc/2。當(dāng)加載機(jī)器時(shí)以及在換向重疊角期間，自然換向的效果是顯著的，而線圈電流以Vc/Lc設(shè)置的速率從+Idc/2換向到-1dc/2，其中Vc是線圈瞬時(shí)開(kāi)路電壓，Lc是換向電感，線圈端子實(shí)際短接，由此阻止線圈向負(fù)載輸送功率。其結(jié)果是，dc端子電壓隨著dc端子電流增加而下降，以及下降的斜率與換向電感約成比例。
[0076]第二電機(jī)具有第一機(jī)器一半多的線圈，并且因此dc端子電壓Vdc與線圈電壓Vc的比值是第一機(jī)器的比值的約一半。由于第二電機(jī)的單層線圈占據(jù)基本整個(gè)槽深度(與用于第一機(jī)器的兩層線圈的槽深度的一半相對(duì)比)，所以完整定子的相加線圈伏安(volt,amps)可以保持不變，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員可以隨意以線圈匝數(shù)為代價(jià)換取線圈導(dǎo)體束橫截面積，從而實(shí)現(xiàn)期望的dc端子電壓和電流額定值。廣義地來(lái)說(shuō)，對(duì)于給定定子鐵齒和槽幾何形狀，第一和第二電機(jī)通常將設(shè)計(jì)成輸送相同的dc端子電壓，并且第二機(jī)器的每個(gè)線圈將采用兩倍于第一機(jī)器中的匝數(shù)，同時(shí)使用基本相同的導(dǎo)體束尺寸。兩種類(lèi)型的線圈內(nèi)的匝間絕緣將是相當(dāng)?shù)?，每個(gè)平方米的槽橫截面基本有相同的匝數(shù)，以及此情況中匝間絕緣厚度將由機(jī)械力而非耐電壓來(lái)確定。雖然使用兩層線圈理論上遭受在相同定子槽中相鄰線圈的上層和下層之間需要絕緣屏蔽的缺點(diǎn)，但是本發(fā)明的低線圈間電壓實(shí)際上呈現(xiàn)這種缺點(diǎn)在整體定子設(shè)計(jì)的環(huán)境中可忽略。
[0077]通過(guò)選擇具有相同的dc端子額定值的機(jī)器中的線圈類(lèi)型，將不足以影響換向電感相關(guān)的電壓下降，因?yàn)橄嗤垭妷罕囟▽⑾嗤瑪?shù)量的槽安匝換向。換言之，通過(guò)存在數(shù)量一半的線圈來(lái)?yè)Q向以及每個(gè)線圈兩倍的電壓來(lái)引起每個(gè)換向事件，使換向電感Lc與(每個(gè)線圈的匝數(shù))2成比例的效應(yīng)失效。假定本發(fā)明具體涉及其線圈通常將預(yù)先形成且相對(duì)不可彎曲的大型機(jī)器，兩層或單層線圈之間的選擇將可能由制造的難易來(lái)確定，并且最大的機(jī)器(通常定子外側(cè)直徑Mm的那些機(jī)器)通常將采用單層線圈，因?yàn)樗鼈兺菀撞迦氲蕉ㄗ硬壑小?br> [0078]圖2中針對(duì)第一電機(jī)更清晰地示出在ac域中線圈與H橋之間的互連以及在dc域中H橋的dc端子之間的互連。圖5中示出第二電機(jī)的相似互連。
[0079]參考圖3和圖6將描述提供Np/Ns的非整數(shù)比值以提供每個(gè)磁極每個(gè)槽具有多個(gè)相的定子的效應(yīng)。圖3示出具有兩層線圈的第一電機(jī)的轉(zhuǎn)子的三個(gè)位置，以及圖6示出具有單層線圈的第二電機(jī)的轉(zhuǎn)子的三個(gè)對(duì)應(yīng)位置。這兩個(gè)轉(zhuǎn)子具有118磁極(Np=IlS)以及Ns/Np=3.05080換言之，第一和第二電機(jī)具有每個(gè)磁極大約但不是剛好3個(gè)槽。如果依據(jù)其中Ns/Np=n+ δ的游標(biāo)移位來(lái)定義，則可以見(jiàn)到，η=3和δ =0.0508。
[0080]對(duì)于具有360個(gè)槽的常規(guī)dc電機(jī)，則將典型的是，轉(zhuǎn)子具有120個(gè)磁極，使得Np/Ns=3，從而利于三相定子互連。但是，在本發(fā)明的第一和第二電機(jī)的情況中，磁極的數(shù)量從120減少到118。第一和第二電機(jī)因此采用上文描述的第一方法，其中m=l，但是將容易地認(rèn)識(shí)到，還可以使用備選方法，其中相對(duì)于給定磁極數(shù)的常規(guī)電機(jī)中常見(jiàn)并且將提供Ns/Np的整數(shù)比值的槽數(shù)，增加或減少槽數(shù)。
[0081]這些磁極均勻地圍繞轉(zhuǎn)子圓周分布。每個(gè)磁極由永磁體定義，磁體布置成定義交替的北(N)磁極和南(S)磁極。為了簡(jiǎn)明，圖3和圖6中僅示出四個(gè)磁極S1、N1、S2和N2。
[0082]轉(zhuǎn)子相對(duì)于固定的定子的旋轉(zhuǎn)通過(guò)轉(zhuǎn)子磁極S1、N1、S2和N2相對(duì)于定子齒和轉(zhuǎn)子位置基準(zhǔn)線向右逐步移動(dòng)以線性形式來(lái)圖示，當(dāng)轉(zhuǎn)子位于第一轉(zhuǎn)子位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置基準(zhǔn)線與第一南磁極Si的左手邊緣對(duì)齊。將理解的是，為了清晰明了，按比例將游標(biāo)移位δ放大，并且圖示的轉(zhuǎn)子移動(dòng)中的每一步比放大的游標(biāo)移位的50%稍微大。
[0083]在第一轉(zhuǎn)子位置中，第一北磁極NI的左手邊緣與最接近的定子齒的右手邊緣對(duì)齊。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)游標(biāo)布置，前面的磁極的左手邊緣逐漸地與最接近的齒的右手邊緣位移-δ的倍數(shù)。相應(yīng)磁極的左手邊緣與最接近的齒的右手邊緣之間的位移在圖3中表示為-Θ或Θ (具體因偏移量的極性而定)。在第一北磁極NI的情況中，則θ=0，因?yàn)樵摯艠O的左手邊緣與齒的右手邊緣對(duì)齊，在第一南磁極SI的情況中，則θ = - δ，在第二南磁極S2的情況中，則θ = δ，以及在第二北磁極Ν2的情況中，則θ=2δ。雖然未示出，但是從第一北磁極NI精確地位移轉(zhuǎn)子的圓周一半(即，180機(jī)械度)的南磁極的左手邊緣也將與最接近的定子齒的右手邊緣對(duì)齊。
[0084]在第二轉(zhuǎn)子位置中，轉(zhuǎn)子相對(duì)于固定的定子僅稍微向右移動(dòng)。第一北磁極NI的左手邊緣現(xiàn)在從最接近的定子齒的右手邊緣位移稍大于S/2，第一南磁極SI的左手邊緣現(xiàn)在從最接近的齒的右手邊緣位移稍小于-δ /2，第二南磁極S2的左手邊緣現(xiàn)在從最接近的齒的右手邊緣位移稍大于3 δ /2，以及第二北磁極N 2的左手邊緣現(xiàn)在從最接近的齒的右手邊緣位移稍大于5 δ/2。
[0085]在第三轉(zhuǎn)子位置中，轉(zhuǎn)子相對(duì)于固定的定子僅稍微更多向右移動(dòng)。第一北磁極NI的左手邊緣現(xiàn)在從最接近的定子齒的右手邊緣位移稍大于δ，第一南磁極SI的左手邊緣現(xiàn)在從最接近的齒的右手邊緣位移δ的小分?jǐn)?shù)，第二南磁極S2的左手邊緣現(xiàn)在從最接近的齒的右手邊緣位移稍大于2 δ，以及第二北磁極N 2的左手邊緣現(xiàn)在從最接近的齒的右手邊緣位移稍大于3 δ。
[0086]因此，可見(jiàn)到雖然轉(zhuǎn)子僅稍微向右在每個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)子位置之間移動(dòng)，但是相序列按可觀的更大的比率向左移動(dòng)。在圖3所示的示例中，當(dāng)轉(zhuǎn)子從步I移到步3，或向右移動(dòng)稍大于游標(biāo)移位S時(shí)，這〈槽距的20%，轉(zhuǎn)子磁極與定子齒的相應(yīng)邊緣之間的對(duì)齊按約三倍的槽距或約一個(gè)磁極距向左移動(dòng)，即在步3處，第一南磁極SI的左手邊緣與最接近的定子齒的右手邊緣大約對(duì)齊。因此，可見(jiàn)到，當(dāng)轉(zhuǎn)子從步I移到步2，或向右移動(dòng)稍大于δ/2時(shí)，這〈槽距的10%，轉(zhuǎn)子磁極與定子齒的相應(yīng)邊緣之間的對(duì)齊按約六倍的槽距或約兩個(gè)磁極距向左移動(dòng)，即在步2處，緊隨第一南磁極SI左邊的北磁極(未示出)的左手邊緣與最接近的定子齒的右手邊緣大約對(duì)齊。因?yàn)橄嘈蛄械囊粋€(gè)周期占據(jù)兩個(gè)磁極距，所以相序列中相鄰電相在物理上隔開(kāi)六個(gè)定子槽、六個(gè)線圈和六個(gè)電相。不同于具有每個(gè)磁極整數(shù)個(gè)槽的常規(guī)電機(jī)(其中電樞繞組的相序列與轉(zhuǎn)子位置同步以及其中相鄰線圈是電連續(xù)相)那樣，游標(biāo)移位導(dǎo)致電連續(xù)相在物理上彼此遠(yuǎn)離，即，定子相旋轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不直接同步。相似地，換向事件與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)不直接同步。在圖3所示的第一電機(jī)的情況中，電相旋轉(zhuǎn)的物理方面具有>60倍的轉(zhuǎn)子的機(jī)械旋轉(zhuǎn)的角速度以及與轉(zhuǎn)子的機(jī)械旋轉(zhuǎn)相反的極性。如果在游標(biāo)移位處于相反極性中(例如，導(dǎo)致后退相序列)，則電相旋轉(zhuǎn)的物理方面也將是相反意義上的。
[0087]圖5所示的第二電機(jī)的磁極邊緣與定子齒邊緣之間的機(jī)械游標(biāo)關(guān)系與第一機(jī)器的情況完全相同，但是電相旋轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)子的機(jī)械旋轉(zhuǎn)之間的關(guān)系稍微不同。在此情況中，對(duì)于向右約10%的槽距的轉(zhuǎn)子移動(dòng)，磁極與定子齒的相應(yīng)邊緣之間的對(duì)齊向左移動(dòng)約六倍的槽距或約兩個(gè)磁極距。相序列中的相鄰電相在物理上隔開(kāi)六個(gè)槽，但是物理上隔開(kāi)僅三個(gè)線圈和三個(gè)電相。
[0088]每個(gè)線圈連接到H橋開(kāi)關(guān)模塊。由此，第一電機(jī)具有360個(gè)開(kāi)關(guān)模塊，以及第二電機(jī)具有180個(gè)開(kāi)關(guān)模塊。開(kāi)關(guān)模塊圍繞定子布設(shè)，并在定子一端處與線圈端繞組懸垂緊密接近。如圖2和圖5所不,第一系列開(kāi)關(guān)模塊(對(duì)于第一電機(jī)為180個(gè)或?qū)τ诘诙姍C(jī)為90個(gè))具有連接到對(duì)應(yīng)ac線圈端子的ac端子和串聯(lián)連接在一起的dc端子。第二系列開(kāi)關(guān)模塊(對(duì)于第一機(jī)器為180個(gè)或?qū)τ诘诙姍C(jī)為90個(gè))具有連接到對(duì)應(yīng)ac線圈端子的ac端子和串聯(lián)連接在一起的dc端子。第一和第二系列開(kāi)關(guān)模塊之間的dc連接的極性使得每個(gè)系列的端部的本地dc端子可以連接在一起以形成兩個(gè)并聯(lián)dc電路。在第一電機(jī)的情況中，則360個(gè)兩層線圈對(duì)應(yīng)于360個(gè)定子相，其中第一系列180個(gè)定子相具有基本相等的相間距，以及第二系列180個(gè)定子相具有基本相等的相間距但是其與第一系列正好反相。因此，第一電機(jī)的定子繞組定義180個(gè)有效定子相，本文中使用術(shù)語(yǔ)“有效相”來(lái)定義每個(gè)并聯(lián)dc電路之上的端到端dc電壓波動(dòng)包括每個(gè)轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)的360個(gè)基本相等的波動(dòng)周期，使得可以將兩個(gè)電路并聯(lián)連接且循環(huán)電流最小。在第二電機(jī)的情況中，則180個(gè)單層線圈對(duì)應(yīng)于180個(gè)定子相，其中第一系列90個(gè)定子相具有基本相等的相間距，以及第二系列90個(gè)定子相具有基本相等的相間距但是其與第一系列正好反相。第一電機(jī)的定子繞組因此定義90個(gè)有效定子相。
[0089]眾所周知的，表面貼裝的永磁轉(zhuǎn)子定義磁氣隙長(zhǎng)度，該磁氣隙長(zhǎng)度是物理氣隙長(zhǎng)度與磁體徑向厚度之和。只要采用普通標(biāo)準(zhǔn)制造精度，此類(lèi)電機(jī)的電磁對(duì)稱(chēng)性基本不受轉(zhuǎn)子偏心率影響。此電磁對(duì)稱(chēng)性必須小心規(guī)定以避免循環(huán)電流，在此情況中，相對(duì)于定子的轉(zhuǎn)子軸偏心率，相對(duì)于轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)子偏心率二者會(huì)導(dǎo)致直徑方面相對(duì)的線圈的開(kāi)路電壓稍微不平衡。
[0090]現(xiàn)在將參考圖7至10描述配置為電流源變流器來(lái)工作時(shí)的開(kāi)關(guān)模塊的布置和操作。
[0091]每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊可以包括具有四個(gè)功率電子裝置SP-S4的H橋。在上文描述的示例中，功率電子裝置是二極管，以及該電機(jī)可以僅以發(fā)電模式工作，其中線圈電壓由開(kāi)關(guān)模塊來(lái)整流。但是，如圖7所示，在一些布置中，功率電子裝置可以由例如門(mén)控制來(lái)選擇性地導(dǎo)通和關(guān)斷。在此情況中，該電機(jī)可以兼以發(fā)電和電動(dòng)回轉(zhuǎn)模式工作。這些功率電子裝置優(yōu)選地是具有低導(dǎo)通狀態(tài)電阻、高關(guān)斷狀態(tài)電阻和開(kāi)關(guān)在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)之間切換時(shí)低切換損耗的門(mén)控反向阻斷裝置。固有地，當(dāng)這些是自然換向的裝置時(shí)，功率電子裝置S1...S4的切換頻率等于定子基本頻率，并且優(yōu)選地，當(dāng)這些是強(qiáng)制換向或門(mén)換向的裝置時(shí)，功率電子裝置S1...S4的切換頻率等于定子基本頻率。定子基本頻率在本文描述的低速機(jī)器中尤其低(通常<20Hz)，并且關(guān)聯(lián)的低切換頻率有益于使得功率半導(dǎo)體切換損耗在實(shí)踐中不大。功率電子裝置還優(yōu)選地能夠在相對(duì)較高溫度下工作，可選地超過(guò)電機(jī)工作期間遇到的線圈溫度，并且足夠魯棒以在機(jī)器框架的約束內(nèi)工作。
[0092]每個(gè)H橋的ac端子連接到對(duì)應(yīng)線圈的ac端子，其示出為具有串聯(lián)連接電感的電壓源。每個(gè)H橋的dc端子連接到示出為等效的電流源Idc/2的dc鏈電路。將容易地認(rèn)識(shí)至IJ，該dc鏈電路是功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的第一和第二 dc負(fù)載端子之間的相關(guān)電流電路。
[0093]每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊還可以包括能量恢復(fù)電路，該能量恢復(fù)電路連接到H橋的ac和dc端子。能量恢復(fù)電路可以包括儲(chǔ)能電容器、功率電子裝置和控制電路，該能量恢復(fù)電路可以操作以在功率電子裝置SP"S4的任何一個(gè)或多個(gè)被換向時(shí)接收dc鏈電流和線圈電流，以及在換向事件之間的時(shí)期將存儲(chǔ)的能量返回到dc鏈電路。因?yàn)榘l(fā)生個(gè)體開(kāi)關(guān)模塊換向時(shí)的時(shí)期占據(jù)總工作時(shí)間的小部分，所以能量恢復(fù)電路最佳描述為具有低阻抗充電特征和高阻抗放電特征。雖然這是可能的選項(xiàng)，但是一般優(yōu)選為不將與換向線圈電流關(guān)聯(lián)的能量耗散，這是因?yàn)檫@可能負(fù)面地影響效率和功率損耗。能量恢復(fù)電路因此恢復(fù)將在其他情況下作為熱浪費(fèi)地耗散掉的能量。
[0094]功率電子裝置SP"S4能夠選擇性地導(dǎo)通和關(guān)斷以允許按需引導(dǎo)dc鏈電流通過(guò)線圈。
[0095]圖8中示出每個(gè)H橋的多種開(kāi)關(guān)狀況，其中電流的方向由虛線箭頭表示。
[0096]在第一開(kāi)關(guān)狀態(tài)中，通過(guò)導(dǎo)通功率電子裝置S2和S3 (即，將這些裝置切換到導(dǎo)通狀態(tài))，引導(dǎo)dc鏈電流從右向左流經(jīng)對(duì)應(yīng)的線圈。功率電子裝置SI和S4保持關(guān)斷狀態(tài)。
[0097]在第二開(kāi)關(guān)狀態(tài)中，通過(guò)導(dǎo)通功率電子裝置SI和S4 (即，將這些裝置切換到導(dǎo)通狀態(tài))，引導(dǎo)dc鏈電流從左向右流經(jīng)對(duì)應(yīng)的線圈。功率電子裝置S2和S3保持關(guān)斷狀態(tài)。
[0098]在第三開(kāi)關(guān)狀態(tài)中，其可以跟隨第二開(kāi)關(guān)狀態(tài)之后，由于功率電子裝置S4的換向(即，裝置S4從導(dǎo)通狀態(tài)切換到關(guān)斷狀態(tài)同時(shí)裝置SI保持導(dǎo)通狀態(tài))，能量恢復(fù)電路從dc鏈電路和線圈接收電流。如果第二開(kāi)關(guān)狀態(tài)被換向功率電子裝置SI中斷，或如果第一開(kāi)關(guān)狀態(tài)被換向功率電子裝置S2和S3中的一個(gè)功率電子裝置中斷，則存在等效的開(kāi)關(guān)狀態(tài)(未示出)。在第三或等效開(kāi)關(guān)狀態(tài)中，能量恢復(fù)電路強(qiáng)加在線圈上的電壓Verc顯著地超過(guò)線圈的開(kāi)路電壓Vc，并因此將量值Verc-Vc的強(qiáng)制電壓施加到換向電感Lc。這促使線圈電流Ic按速率dlc/dt = (Verc-Vc) / Lc變化,從而又導(dǎo)致線圈電流的換向和最終反向。
[0099]在第四或第五狀態(tài)中，通過(guò)分別導(dǎo)通功率電子裝置SI和S2或S3和S4，引導(dǎo)dc鏈電流流經(jīng)H橋而不在線圈中流動(dòng)。從第四狀態(tài)或第五狀態(tài)轉(zhuǎn)換到第一狀態(tài)或第二狀態(tài)可以根據(jù)換向時(shí)線圈的開(kāi)路電壓Vc的極性通過(guò)功率電子裝置的自然換向或強(qiáng)制換向來(lái)進(jìn)行。例如，線圈電壓右手端子相對(duì)于左手端子為正時(shí)從第四狀態(tài)轉(zhuǎn)換到第一狀態(tài)通過(guò)導(dǎo)通功率電子裝置S3(其使得電流以線圈的開(kāi)路電壓Vc和換向電感Lc確定的速率從功率電子裝置SI自然地?fù)Q向到功率電子裝置S3)來(lái)實(shí)現(xiàn)。線圈中的電流相應(yīng)地從O增加，直到發(fā)生功率電子裝置SI的反向恢復(fù)為止。線圈電壓的左手端子相對(duì)于右手端子為正時(shí)從第四狀態(tài)轉(zhuǎn)換到第一狀態(tài)通過(guò)導(dǎo)通功率電子裝置S3和換向功率電子裝置SI (S卩，裝置SI從導(dǎo)通狀態(tài)切換到關(guān)斷狀態(tài)，而裝置S3切換到導(dǎo)通狀態(tài))來(lái)實(shí)現(xiàn)，這使得電流按等效開(kāi)關(guān)狀態(tài)(未示出)至第三開(kāi)關(guān)狀態(tài)中的速率dlc/dt = (Verc-Vc) / Lc從功率電子裝置SI強(qiáng)制換向到功率電子裝置S3。
[0100]在第六開(kāi)關(guān)狀態(tài)中，其可以跟隨第二開(kāi)關(guān)狀態(tài)之后，由于功率電子裝置SI和S4的換向(即，裝置SI和S4從導(dǎo)通狀態(tài)切換到關(guān)斷狀態(tài))，能量恢復(fù)電路從dc鏈電路和線圈接收電流。如果第一開(kāi)關(guān)狀態(tài)被功率電子裝置S2和S3 二者的換向中斷，則存在等效的開(kāi)關(guān)狀態(tài)(未示出)。在第六或等效開(kāi)關(guān)狀態(tài)中，能量恢復(fù)電路強(qiáng)加在線圈上的電壓Verc顯著地超過(guò)線圈的開(kāi)路電壓Vc，并因此將量值Verc-Vc的強(qiáng)制電壓施加到換向電感Lc。這促使線圈電流Ic按速率dlc/dt = (Verc-Vc) / Lc變化,從而又導(dǎo)致線圈電流的換向和最終反向。
[0101]一般優(yōu)選地，將線圈電流換向以使它在正確的方向上流動(dòng)或在進(jìn)入上文定義的第一、第二、第四或第五狀態(tài)之前將其設(shè)為O。
[0102]在具有其本地dc端子連接到接收dc電流Idc的第一和第二 dc負(fù)載端子(并且其中該電流均等地分布在兩個(gè)并聯(lián)連接dc電路之間)的功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的機(jī)器的情況中，在忽略能量恢復(fù)的第一情況中，可以控制線圈電流以產(chǎn)生圖9所示的形狀的波形，其中準(zhǔn)方形電流波形的脈沖寬度是可變的，如該電流波形相對(duì)于線圈開(kāi)路電壓波形的定相。除了上文定義的狀態(tài)之間換向的期間以及第四或第五狀態(tài)激活時(shí)的時(shí)期期間以外的所有時(shí)間，該線圈電流的幅度約束為約正Idc/2或負(fù)Idc/2。在將能量恢復(fù)納入考慮的第二情況中，線圈電流的幅度廣義地如針對(duì)第一情況那樣定義，但是在發(fā)電和電動(dòng)回轉(zhuǎn)時(shí)分別從線圈電流的模量減去換向之間流出能量恢復(fù)電路的電流或與換向之間流出能量恢復(fù)電路的電流相加。應(yīng)該注意到，施加強(qiáng)制電壓來(lái)實(shí)施換向的動(dòng)作使得線圈的端子電壓相對(duì)于線圈的開(kāi)路電壓Vc顯著地失真，即，線圈的端子電壓僅是對(duì)應(yīng)于無(wú)線圈電流流動(dòng)時(shí)的開(kāi)路電壓所示的形狀。電流的換向“邊緣”的梯度受到能量恢復(fù)電路的特性以及還有電壓和電流之間的相移影響。
[0103]電壓與電流之間的相位關(guān)系是針對(duì)發(fā)電模式的機(jī)器對(duì)于能量恢復(fù)不重要或被忽略的情況來(lái)示出僅用于說(shuō)明的目的，并且雖然為了簡(jiǎn)明，這些波形示出滯后功率因子(pf〈0.8滯后)的情況，但是一般優(yōu)選地，線圈開(kāi)路電壓與電流波形的基本分量之間沒(méi)有相移，以便在定子_f與氣隙通量密度之間實(shí)現(xiàn)期望的基本正交的關(guān)系。這樣在電機(jī)預(yù)期生成最大輸出時(shí)有時(shí)將每個(gè)單位定子電流的轉(zhuǎn)矩增到最大。為了使線圈開(kāi)路電壓與電流波形的基本分量同相，即，以統(tǒng)一的內(nèi)部功率因子，必須使線圈電流相對(duì)于線圈端子電壓相位超前，即，以提前端子功率因子，并且由此描述了通過(guò)能量恢復(fù)電路的強(qiáng)制換向。在提供每個(gè)單位定子電流的最大轉(zhuǎn)矩中此指定正交關(guān)系對(duì)應(yīng)于相對(duì)每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊以及任何給定軸速度下的電機(jī)的功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的第一和第二 dc負(fù)載端子之間實(shí)現(xiàn)最大dc端子電壓的狀況。因此，軸功率還對(duì)應(yīng)于每個(gè)單位軸速度得以最大化。
[0104]將容易地認(rèn)識(shí)到，出于控制和保護(hù)的目的以及根據(jù)所需的工作模式，相位關(guān)系和脈沖寬度可能有所不同。更具體地來(lái)說(shuō)，此類(lèi)機(jī)器可以在電動(dòng)回轉(zhuǎn)和發(fā)電模式下在軸旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)方向上工作，以便實(shí)現(xiàn)四象限驅(qū)動(dòng)能力，并且這些模式各自可以依據(jù)換向電感的約束，在強(qiáng)制換向模式或自然換向模式下工作。當(dāng)在電動(dòng)回轉(zhuǎn)模式下工作時(shí)，相位關(guān)系使得線圈電流相對(duì)于圖9所示的反轉(zhuǎn)，S卩，線圈電流和線圈開(kāi)路電壓大約反相，并且此相位關(guān)系可以進(jìn)行調(diào)整以通過(guò)按負(fù)的統(tǒng)一的內(nèi)部功率因子操作每個(gè)線圈來(lái)將每個(gè)單位定子電流的軸轉(zhuǎn)矩增到最大。圖9中，相移示出為可變的，以及實(shí)踐中，此變化在完整360°范圍上沿任一方向是連續(xù)的。在發(fā)電模式下工作時(shí)的其他時(shí)間，例如當(dāng)電機(jī)暴露于第一和第二 dc負(fù)載端子之間的低電阻或短路故障下時(shí)，電機(jī)的輸出電壓和電流可以通過(guò)相位控制來(lái)調(diào)整，即通過(guò)調(diào)整線圈電流與線圈開(kāi)路電壓之間的相移來(lái)調(diào)整，以使電機(jī)按滯后或甚至零功率因子工作。雖然相位控制導(dǎo)致電機(jī)以低于每個(gè)單位定子電流的最大轉(zhuǎn)矩下工作，但是調(diào)整其輸出的能力對(duì)于電力系統(tǒng)控制和保護(hù)是有益的。使發(fā)電機(jī)以滯后功率因子工作的動(dòng)作使得電樞反應(yīng)的效應(yīng)有益地對(duì)故障電流限制行為有所貢獻(xiàn)。當(dāng)以滯后功率因子工作時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊可以可選地以受控方式在自然換向的模式下工作，其等效于單相、相控晶閘管橋整流器中的自然換向。即使采用強(qiáng)制換向功率電子開(kāi)關(guān)裝置時(shí)，在自然換向模式下工作時(shí)，仍使開(kāi)關(guān)裝置關(guān)斷電壓應(yīng)力最小化。每個(gè)開(kāi)關(guān)模式還可以在復(fù)制單相二極管橋整流器的行為的受控狀況下工作。出于控制和保護(hù)的目的，還可以通過(guò)減少如上文描述的線圈電流的脈沖寬度來(lái)減小該機(jī)器的輸出，并且可以通過(guò)脈沖抑制，即通過(guò)關(guān)斷每個(gè)H橋中的所有功率電子開(kāi)關(guān)裝置或通過(guò)選擇圖8所示的第四和第五狀態(tài)的任一個(gè)來(lái)關(guān)斷它。
[0105]在風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)的情況中，如果外部收集網(wǎng)絡(luò)受到干擾且這短時(shí)期，例如5秒內(nèi)無(wú)法接收功率，但是不期望通過(guò)葉片距控制來(lái)調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，則可以通過(guò)適合的開(kāi)關(guān)裝置將動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻器連接在第一和第二 dc負(fù)載端子之間，并且可以使用上文提到的相位控制方式以允許制動(dòng)電阻器中的功率耗散得以調(diào)整以便調(diào)整從風(fēng)力渦輪提取的功率用于速度和/或轉(zhuǎn)矩控制的目的。
[0106]該電機(jī)的所有實(shí)施例可以設(shè)計(jì)成將最大化地利用非正弦氣隙通量密度和線圈電流諧波。原理上，可以將所有低階整數(shù)諧波布設(shè)成有助于平均轉(zhuǎn)矩和功率，但是對(duì)于能夠以此方式利用的諧波階可能存在實(shí)踐中的上限。在一些情況中，可以發(fā)現(xiàn)線圈電流中的特定諧波階是反效果(counter-productive)的或至少有益之處很少，并且可以將圖9所示的準(zhǔn)方形電流波形的脈沖寬度調(diào)整成便于有益地調(diào)整和優(yōu)化電流的諧波譜。相似地，電樞反應(yīng)對(duì)氣隙通量分布和線圈開(kāi)路電壓的影響可能或多或少有效果，并且可以將圖9所示的線圈開(kāi)路電壓與線圈電流之間的相位移調(diào)整成針對(duì)任何特定負(fù)載狀況有益地調(diào)整或優(yōu)化線圈開(kāi)路電壓和/或線圈端子電壓。
[0107]現(xiàn)在將參考圖7針對(duì)功率電子裝置是二極管的情況描述自然換向過(guò)程。在自然換向之前，二極管SI和S4是導(dǎo)通的，并且電流在線圈中從左向右流動(dòng)。H橋dc電壓輸出等于線圈開(kāi)路電壓Vc。當(dāng)線圈開(kāi)路電壓Vc反轉(zhuǎn)從而促使二極管S1、S2、S3和S4的同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，發(fā)起自然換向。線圈電流Ic按Vc/Lc設(shè)置的速率減小，因?yàn)榫€圈實(shí)際上被二極管的同時(shí)導(dǎo)通短接。二極管S2和S3 (進(jìn)入裝置)中的電流按相同的速率增加，同時(shí)二極管SI和S4(引出裝置)中的電流按相同的速率減小，直到瞬間反向之后二極管SI和S4的反向恢復(fù)使二極管SI和S4中的電流換向?yàn)橹?。可以使用開(kāi)關(guān)輔助網(wǎng)絡(luò)或緩沖器來(lái)緩和二極管開(kāi)關(guān)的瞬變。在自然換向之后，二極管S2和S3是導(dǎo)通的，并且電流在線圈中從右向左流動(dòng)。H橋dc電壓輸出等于線圈開(kāi)路電壓Vc。以此相同方式，電相鄰相的物理位置不遵從物理上連續(xù)的線圈位置，而是遵從游標(biāo)移位確定的后退或前進(jìn)序列，換向事件與線圈電壓同步，并且因此遵從電相序列，即，連續(xù)換向事件的位置遵從相同的后退或前進(jìn)序列。
[0108]自然換向過(guò)程還可以應(yīng)用于功率電子裝置是晶閘管的配置。與其中功率電子裝置是二極管的自然換向的應(yīng)用唯一不同的是進(jìn)入裝置的導(dǎo)通的發(fā)起，并且引出裝置的換向過(guò)程的對(duì)應(yīng)開(kāi)始可根據(jù)使用門(mén)控制的上述相位控制過(guò)程進(jìn)行延遲。當(dāng)在門(mén)控制中的相位滯后基本小于基本頻率的90°時(shí)，每個(gè)H橋作為整流器工作，以及該機(jī)器作為發(fā)電機(jī)工作。在大于90°的相位滯后時(shí)，每個(gè)H橋作為逆變器工作，以及該機(jī)器作為電動(dòng)機(jī)工作。連續(xù)換向事件的物理位置遵從上文描述的后退或前進(jìn)序列，并且附加地根據(jù)上文描述的相位控制原理，受到物理相移的影響-理論上限制的物理相移范圍占據(jù)一個(gè)磁極距，以提供180°電相移。如前文描述，反轉(zhuǎn)自然換向受換向電感所強(qiáng)加的限制的影響，并且優(yōu)選地使用dc線路換向，并將電動(dòng)機(jī)工作限于非常低的速度。將注意，采用超導(dǎo)激勵(lì)且具有轉(zhuǎn)子護(hù)罩和氣隙型定子繞組的機(jī)器將具有特別低的換向電感，并且這將特別有益于自然換向。使用自然換向的晶閘管技術(shù)在簡(jiǎn)單、魯棒性特征和控制和保護(hù)能力方面尤其有益。將認(rèn)識(shí)到，此類(lèi)自然換向的系統(tǒng)無(wú)法以提前功率因子利用線圈端子電壓和電流工作。
[0109]現(xiàn)在將參考圖10以及在功率電子裝置是圖示為開(kāi)關(guān)的門(mén)控半導(dǎo)體裝置的情況中描述強(qiáng)制換向過(guò)程。每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊還包括簡(jiǎn)化的開(kāi)關(guān)輔助網(wǎng)絡(luò)，該簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)輔助網(wǎng)絡(luò)具有將適于在發(fā)電模式下工作的電機(jī)的能量恢復(fù)功能。dc電路中流動(dòng)的dc電流定義為基本不受在每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊中發(fā)生的換向過(guò)程影響的且圖示為理想電流源的dc鏈電流。
[0110]為了簡(jiǎn)明，在圖10中復(fù)制圖8的第一、第二和第五開(kāi)關(guān)狀態(tài)。連同能量恢復(fù)狀態(tài)一起示出了第一與第五開(kāi)關(guān)狀態(tài)之間以及第五與第二開(kāi)關(guān)狀態(tài)之間的強(qiáng)制換向轉(zhuǎn)換。
[0111]在第一開(kāi)關(guān)狀態(tài)中，導(dǎo)通功率電子裝置S2和S3，并且將dc鏈電流弓I導(dǎo)從右向左流經(jīng)對(duì)應(yīng)的線圈。功率電子裝置SI和S4為關(guān)斷狀態(tài)。
[0112]為了發(fā)起從第一開(kāi)關(guān)狀態(tài)到第五開(kāi)關(guān)狀態(tài)的強(qiáng)制換向，通過(guò)門(mén)控制將功率電子裝置S2關(guān)斷，同時(shí)通過(guò)門(mén)控制將功率電子裝置S4導(dǎo)通。關(guān)斷功率電子裝置S2的動(dòng)作使得dc鏈電流快速地經(jīng)能量恢復(fù)電路(ERC)轉(zhuǎn)移，該能量恢復(fù)電路定義成:(i)提出與功率電子裝置S2并聯(lián)的阻抗，該阻抗足夠低以避免裝置S2上過(guò)大的瞬變恢復(fù)電壓，(ii)提出顯著超過(guò)開(kāi)路線圈電壓Vc并因此足夠促成線圈電流Ic的強(qiáng)制換向的電壓，以及(iii)具有反向恢復(fù)特征或防止線圈電流Ic的無(wú)意反向的其他開(kāi)關(guān)序列。實(shí)踐中，能量恢復(fù)電路可以包括多個(gè)二極管電容器類(lèi)型電壓箝位電路，其適合地定義成具有低雜散電感。當(dāng)線圈電流Ic減小時(shí)，能量恢復(fù)電路中的電流相應(yīng)地減小，而功率電子裝置S4中的電流相應(yīng)地增加，直到能量恢復(fù)電路的反向恢復(fù)中斷該過(guò)程，并且建立第五開(kāi)關(guān)狀態(tài)為止。線圈和能量恢復(fù)電路中的引出電流以粗虛線圖示，而功率電子裝置S4中的進(jìn)入電流圖示為細(xì)虛線。
[0113]在第五狀態(tài)中，通過(guò)導(dǎo)通功率電子裝置S3和S4并關(guān)斷裝置SI和S2，將dc鏈電流弓I導(dǎo)流經(jīng)H橋而不在線圈中流動(dòng)。
[0114]為了發(fā)起從第五開(kāi)關(guān)狀態(tài)到第二開(kāi)關(guān)狀態(tài)的強(qiáng)制換向，通過(guò)門(mén)控制將功率電子裝置S3關(guān)斷，同時(shí)通過(guò)門(mén)控制將功率電子裝置SI導(dǎo)通。關(guān)斷功率電子裝置S3的動(dòng)作使得dc鏈電流快速地經(jīng)能量恢復(fù)電路(ERC)轉(zhuǎn)移。隨著線圈電流Ic增加，能量恢復(fù)電路中的電流相應(yīng)地減小，同時(shí)功率電子裝置S3中的電流相應(yīng)地增加，直到第二開(kāi)關(guān)狀態(tài)建立為止。功率電子裝置S3和能量恢復(fù)電路中的引出電流以粗虛線圖示，而功率電子裝置SI和線圈中的進(jìn)入電流圖示為細(xì)虛線。相似地，沿著任一方向在這些和其他狀態(tài)之間強(qiáng)制換向也是可能的。
[0115]在第二開(kāi)關(guān)狀態(tài)中，導(dǎo)通功率電子裝置SI和S4,并且將dc鏈電流引導(dǎo)從左向右流經(jīng)對(duì)應(yīng)的線圈。功率電子裝置S2和S3保持關(guān)斷狀態(tài)。
[0116]連續(xù)強(qiáng)制換向事件的物理位置遵從上文描述的相移的后退或前進(jìn)序列。[0117]將認(rèn)識(shí)到，此類(lèi)強(qiáng)制換向的系統(tǒng)能夠以提前功率因子利用線圈端子電壓和電流工作，并且工作以達(dá)到線圈開(kāi)路電壓與線圈電流之間的上文描述的有益正交關(guān)系。
[0118]在強(qiáng)制換向事件完成之后，能量恢復(fù)電路可以包含過(guò)量電荷，此過(guò)量電荷可以在連續(xù)強(qiáng)制換向事件之后積累，并且可以在下一個(gè)適合的換向事件之前，將其一些或全部注入到dc電路中，如圖10所示。此注入狀態(tài)可以與第一或第二開(kāi)關(guān)狀態(tài)中任一個(gè)狀態(tài)重疊。實(shí)踐中，可以使用根據(jù)脈沖寬度調(diào)制(PWM)策略工作的DC/DC變流器來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)量電荷的注入，并且可以是公知前向變流器的派生?？梢钥刂艱C/DC變流器以將此過(guò)量電荷以任何便利的方式注入，并且優(yōu)選地根據(jù)閉合回路電壓和電流控制策略來(lái)注入電流，其中調(diào)整電流以便保持能量恢復(fù)電路內(nèi)或能量恢復(fù)電路內(nèi)的儲(chǔ)能電容器兩端的期望峰值電壓同時(shí)將峰值電流減到最小。能量恢復(fù)電路內(nèi)的峰值電壓對(duì)引出功率電子裝置在其關(guān)斷過(guò)程期間承受的峰值電壓具有直接關(guān)系，以及還對(duì)定義換向期間的線圈電流的變化率的強(qiáng)制電壓具有直接關(guān)系。因此，能量恢復(fù)電路電壓的此閉合回路控制實(shí)際上獨(dú)立于關(guān)聯(lián)的線圈電壓是有益的，在此情況中使用術(shù)語(yǔ)“實(shí)際上獨(dú)立”標(biāo)識(shí):(i)能量恢復(fù)電路電壓不能設(shè)置為小于峰值線圈開(kāi)路電壓的水平，(ii)能量恢復(fù)電路電壓可以超出峰值線圈開(kāi)路電壓增加的最大預(yù)期程度隨換向的線圈電流的量值增加，以及(iii)實(shí)際上可以將峰值能量恢復(fù)電路電壓調(diào)整到這兩個(gè)極限之間的任何期望水平。
[0119]雖然不是優(yōu)選，但是可以將H橋配置為電壓源變流器?，F(xiàn)在將參考圖7、圖8、圖9和圖11描述此類(lèi)H橋的布置和操作。
[0120]圖11中以示意圖形式示出電壓源變流器的實(shí)現(xiàn)，其具有與前文參考圖7描述的相似的H橋拓?fù)?，只是功率電子裝置S1、S2、S3和S4是非對(duì)稱(chēng)反向?qū)?lèi)型，并且各圖示為與自由輪二極管并聯(lián)連接的理想開(kāi)關(guān)。dc鏈電容器連接在開(kāi)關(guān)模塊的dc端子之間，并且不采用能量恢復(fù)電路而是自由輪二極管和dc鏈電容器的效應(yīng)執(zhí)行定義施加到引出開(kāi)關(guān)裝置的峰值電壓以及提供定義換向期間線圈電流的變化率的強(qiáng)制電壓的近似等效功能。不同于常規(guī)電壓源逆變器，因?yàn)橄鄬?duì)較大數(shù)量(通常MO)個(gè)H橋?qū)⑵鋎c鏈電容器串聯(lián)連接，所以對(duì)開(kāi)關(guān)模塊強(qiáng)加近似恒定的dc鏈電流，并且這以示意圖形式圖示為量值Idc/2的理想電流源。此電流的路徑和極性也是針對(duì)電動(dòng)回轉(zhuǎn)的情況而以帶箭頭點(diǎn)劃線標(biāo)識(shí)。對(duì)于發(fā)電情況的等效dc電流未示出，只是將在相反方向，即如圖7所示。其他電流路徑通過(guò)粗和細(xì)帶箭頭點(diǎn)劃線標(biāo)識(shí)。優(yōu)選地，當(dāng)其作為強(qiáng)制換向或門(mén)換向裝置時(shí)，功率電子裝置Sb-SA的切換頻率等于定子基本頻率，并且下文一般根據(jù)此優(yōu)選來(lái)進(jìn)行概要描述，僅包括采用功率電子裝置Sb-SA的脈沖寬度調(diào)制(PWM)操作的選項(xiàng)的簡(jiǎn)要描述。使用電壓源變流器的換向、控制和保護(hù)的含義是重大的，現(xiàn)在對(duì)此進(jìn)行概述。
[0121]已將自由輪二極管的極性布置成與圖7的裝置中的電流對(duì)應(yīng)，并且當(dāng)在發(fā)電模式下時(shí)，這些二極管可以采用與先前在電流源變流器的上下文環(huán)境中描述的相同的自然換向的整流器模式工作時(shí)，還要求對(duì)門(mén)控開(kāi)關(guān)裝置進(jìn)行脈沖抑制，所以它們保持關(guān)斷狀態(tài)。dc鏈電容器的效應(yīng)取決于它的電容，其中大電容導(dǎo)致峰值導(dǎo)致峰值/均方根線圈電流的比值增大。當(dāng)如此配置時(shí)，開(kāi)關(guān)模塊不能調(diào)整定子線圈電流波形或正常工作的發(fā)電機(jī)dc輸出電流或發(fā)電機(jī)dc短路故障電流和轉(zhuǎn)矩。
[0122]不同于對(duì)于電流源變流器在從發(fā)電轉(zhuǎn)換到電動(dòng)回轉(zhuǎn)模式并且反之亦然時(shí)dc鏈電壓反轉(zhuǎn)極性，而dc鏈電流保持單極性，在電壓源變流器的情況中，在從發(fā)電轉(zhuǎn)換到電動(dòng)回轉(zhuǎn)模式和反之亦然時(shí)dc鏈電流反轉(zhuǎn)極性而dc鏈電壓保持單極性。為了使得此差異明顯，圖11示出電動(dòng)回轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)用的極性的dc鏈電流。當(dāng)電動(dòng)回轉(zhuǎn)時(shí),每個(gè)H橋在反轉(zhuǎn)模式下工作。電壓源逆變器H橋拓?fù)渚哂信c圖8圖示的開(kāi)關(guān)狀態(tài)的近似等效的兩個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并且相應(yīng)地，它們?cè)趫D11中也標(biāo)識(shí)為第一開(kāi)關(guān)狀態(tài)和第二開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在這些狀態(tài)中，通過(guò)門(mén)控制將對(duì)角線上的裝置對(duì)導(dǎo)通，同時(shí)通過(guò)門(mén)控制將相對(duì)對(duì)角線上的裝置對(duì)關(guān)斷。在第一開(kāi)關(guān)狀態(tài)中，功率電子裝置S2和S3處于導(dǎo)通狀態(tài)并且電流在線圈中從左向右流，而線圈的左側(cè)端子具有相對(duì)于其右側(cè)端子的電壓為正的電壓，此電壓由dc鏈電容器上的電壓強(qiáng)加。從第一開(kāi)關(guān)狀態(tài)到第二開(kāi)關(guān)狀態(tài)的強(qiáng)制換向圖示為狀態(tài)1-2，并通過(guò)關(guān)斷功率電子裝置S2和S3發(fā)起，由此導(dǎo)致電流快速地轉(zhuǎn)移到相對(duì)的對(duì)角線狀態(tài)中，其中與功率電子裝置SI和S4并聯(lián)的自由輪二極管導(dǎo)通，并且對(duì)于線圈端子電壓反向。在預(yù)定成消除所說(shuō)的“相腿”中上下裝置的同時(shí)導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)(例如，左側(cè)相腿的裝置SI和S2 —般不得同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài))的所說(shuō)的“停滯時(shí)間”之后，功率電子裝置SI和S4導(dǎo)通，而與裝置SI和S4并聯(lián)的自由輪二極管繼續(xù)導(dǎo)通。dc鏈電容器上的電壓和線圈開(kāi)路電壓隨時(shí)間的變化，與換向電感組合，最終變得足夠?qū)е戮€圈電流反轉(zhuǎn)。第二開(kāi)關(guān)狀態(tài)在線圈電流反轉(zhuǎn)的時(shí)間點(diǎn)處建立。在功率電子裝置SP"S4中流動(dòng)的電流促使電流在dc鏈電容器中以第一極性流動(dòng)，而在與裝置S1...S4并聯(lián)的自由輪二極管中流動(dòng)的電流促使電流在dc鏈電容器中以相反的極性流動(dòng)。由此，ac波動(dòng)電流在dc鏈電容器中流動(dòng)，并且在此之上疊加上文定義的近似恒定的dc鏈電流。在此電壓源變流工作模式中，H橋具有控制線圈功率因子的有限能力，但是具有以允許與優(yōu)選地同步低階整數(shù)諧波電流和電壓的同時(shí)達(dá)到線圈電流與線圈開(kāi)路電壓之間的優(yōu)選正交關(guān)系的方式調(diào)整線圈電流波形的最小能力。電壓源逆變器固有地以大約等于峰值線圈開(kāi)路電壓的dc鏈電容器上的峰值電壓工作。當(dāng)dc鏈電容器的電容增加時(shí)，dc鏈電壓波動(dòng)減小，而峰值/均方根線圈電流的比值增加。當(dāng)dc鏈電容器的電容減小時(shí)，dc鏈電壓波動(dòng)增加，而峰值/均方根線圈電流的比值減小，以及換向期間電流的變化率變得不明確。
[0123]將功率電子裝置切換頻率約束為與定子基本頻率相同的電壓源變流器操作的前文描述具有標(biāo)識(shí)的性能限制因素，該性能限制因素與無(wú)法以優(yōu)選方式控制線圈電流波形有關(guān)，并且使用每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊的PWM控制來(lái)解決這些因素在技術(shù)上是可能的。雖然PWM操作使得實(shí)現(xiàn)線圈電流波形控制、線圈開(kāi)路電壓和dc鏈電壓之間增加的相關(guān)性程度成為可能，但是這是以增加的切換頻率、增加的切換功耗和增加的復(fù)雜性為代價(jià)實(shí)現(xiàn)的。
[0124]電壓源逆變器具有與圖8的第四和第五開(kāi)關(guān)狀態(tài)近似等效的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并且根據(jù)線圈開(kāi)路電壓的極性，每個(gè)狀態(tài)具有兩個(gè)形式。相應(yīng)地，第五開(kāi)關(guān)狀態(tài)的第一形式圖示并標(biāo)識(shí)為狀態(tài)5a。在此狀態(tài)中，功率電子裝置S3和S4同時(shí)選為處于導(dǎo)通狀態(tài)，并且這樣的短期效應(yīng)是導(dǎo)致dc鏈電容器的浪涌電流型放電，其導(dǎo)致裝置S3和S4經(jīng)受短期且潛在損害性熱過(guò)載。將這些裝置設(shè)計(jì)成使得它們能夠在上文描述的浪涌電流之后承載電流是可能的，這樣的潛在有益的第一長(zhǎng)期效應(yīng)是提供能夠用來(lái)以便于允許dc鏈電流旁路故障開(kāi)關(guān)模塊的dc鏈電流的路徑。這樣的不利第二長(zhǎng)期效應(yīng)是提供其中關(guān)聯(lián)的線圈被串聯(lián)連接路徑短接的電流路徑，其包括與功率電子裝置SI和S3并聯(lián)的自由輪二極管。當(dāng)線圈的右側(cè)端子相對(duì)于左側(cè)端子處于正電壓下時(shí)，第五開(kāi)關(guān)狀態(tài)的第一形式在線圈開(kāi)路電壓的半周期期間是有效的。當(dāng)關(guān)聯(lián)的線圈被串聯(lián)連接路徑短接時(shí)，第五開(kāi)關(guān)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)第二形式(即狀態(tài)5b，未示出)在線圈開(kāi)路電壓的另一半周期期間是有效的，該串聯(lián)的路徑包括功率電子裝置S4和與功率電子裝置S2并聯(lián)的自由輪二極管。當(dāng)功率電子裝置SI和S2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，第四開(kāi)關(guān)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)形式在線圈開(kāi)路電壓的對(duì)應(yīng)半周期中是有效的。如果利用第四或第五開(kāi)關(guān)狀態(tài)的潛在好處以便于提供開(kāi)關(guān)模塊故障之后的性能漸進(jìn)式退化，則必須將保險(xiǎn)絲或其他電路中斷裝置與每個(gè)線圈串聯(lián)連接。
[0125]圖12示出可以如何將開(kāi)關(guān)模塊2安裝到電機(jī)。該電機(jī)具有單層線圈4，如圖4示意性示出的，單層線圈4位于定子組裝件6中提供的定子槽中。但是將容易地認(rèn)識(shí)到，具有兩層或以齒為中心繞組的電機(jī)可以采用相似的通用布置，端線圈繞組懸垂具有其各自的形狀。
[0126]將轉(zhuǎn)子8安裝到轉(zhuǎn)子軸10。將永磁體12的圓周地隔開(kāi)的陣列安裝在轉(zhuǎn)子8的徑向外表面上，并通過(guò)氣隙與定子間隔開(kāi)。
[0127]主壁絕緣14包圍線圈側(cè)的槽內(nèi)區(qū)域，并超出定子芯組合件16的軸端延伸到空氣空間中。線圈端部形成為使端繞組懸垂18之間能有間空。因?yàn)橹鞅诮^緣14的槽內(nèi)區(qū)域暴露于dc電壓分量支配的徑向電壓應(yīng)力，所以其電場(chǎng)分布由絕緣材料的電阻率支配?？梢酝ㄟ^(guò)并入細(xì)且均勻分布的納米顆粒填充材料來(lái)增強(qiáng)其耐受高平均電場(chǎng)強(qiáng)度的能力，因此該復(fù)合絕緣材料在漏電電流與電壓之間具有非線性關(guān)系，或其造成絕緣塊相對(duì)于主dc電壓應(yīng)力進(jìn)行應(yīng)力分級(jí)。優(yōu)選地，該復(fù)合絕緣材料具有基本各向同性電阻率特征，并且將主壁絕緣14延伸超出槽端以便在端繞組懸垂18的表面處隨著其離開(kāi)槽內(nèi)區(qū)域提供軸向電壓應(yīng)力分級(jí)。足夠的軸向應(yīng)力分級(jí)是必要的，以便克服表面電壓崩潰或漏電起痕的風(fēng)險(xiǎn)，并且這可以通過(guò)復(fù)合主壁絕緣材料的端延伸或通過(guò)在復(fù)合主壁絕緣材料的端延伸表面上應(yīng)用專(zhuān)用應(yīng)力分級(jí)帶或涂層來(lái)完整地提供。該復(fù)合絕緣材料可以包括環(huán)氧樹(shù)脂和碳化硅納米顆粒的分布。填充物的顆粒尺寸分布優(yōu)選地將如此以確保絕緣塊中基本均勻的顆粒糙面之間的接觸。
[0128]本發(fā)明優(yōu)于其絕緣系統(tǒng)經(jīng)受大ac損耗和部分放電的常規(guī)電機(jī)的有益之處在于，上文描述的應(yīng)力分級(jí)機(jī)制(其依據(jù)dc電壓應(yīng)力支配ac電壓應(yīng)力來(lái)定義，并且定義了絕緣系統(tǒng)電阻率)響應(yīng)ac電壓應(yīng)力經(jīng)受最小的耗散或放電。相應(yīng)地，應(yīng)力分級(jí)機(jī)制有益地改進(jìn)了絕緣系統(tǒng)的穩(wěn)定性和預(yù)期使用壽命。本發(fā)明優(yōu)于其線圈在ac域中串聯(lián)互連(其中這些串聯(lián)互連潛在地延伸在多個(gè)磁極距上，以及其中線圈間絕緣系統(tǒng)由此經(jīng)受很大的ac電壓應(yīng)力、損耗和部分放電)的常規(guī)電機(jī)的又一個(gè)有益之處在于線圈間電壓最小，并由此線圈間絕緣經(jīng)受低電壓應(yīng)力。相應(yīng)地，本發(fā)明有利地允許線圈以最小束絕緣來(lái)纏繞并預(yù)先形成，然后可以使用緊密過(guò)程圍繞線圈側(cè)的槽內(nèi)區(qū)域組裝無(wú)放電主壁絕緣組件，最后可以將預(yù)先形成和預(yù)先絕緣處理的線圈插入到定子槽中。
[0129]該電機(jī)的定子6可以通過(guò)經(jīng)由導(dǎo)管(未示出)的徑向空氣流來(lái)進(jìn)行冷卻，該導(dǎo)管通過(guò)在定子芯組合件中的疊層表面之間間隔地沿著其軸向長(zhǎng)度提供空間來(lái)形成。經(jīng)這些導(dǎo)管的氣流可以沿徑向地向內(nèi)或沿徑向地向外，并且可以例如通過(guò)軸驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇或電風(fēng)扇強(qiáng)行推動(dòng)經(jīng)這些導(dǎo)管的氣流。該空氣流可以在雙或單環(huán)形閉合回路中，該雙或單環(huán)形閉合回路包括位于定子殼體20與定子護(hù)鐵外側(cè)之間的空間，端繞組懸垂18和轉(zhuǎn)子8與定子6之間的氣隙。在相對(duì)于其功率輸出具有相對(duì)較大的外表面區(qū)域的電機(jī)中，可以通過(guò)此表面區(qū)域?qū)⑵錈岷纳⒌街車(chē)鷾囟?，但是在任何情況中可以通過(guò)添加適合的熱交換器來(lái)作為補(bǔ)充，該適合的熱交換器可以是簡(jiǎn)單地增大定子的外表面區(qū)域或調(diào)適成包括與合適的熱交換液體和遠(yuǎn)程熱交換器接觸的內(nèi)或外表面。定子端護(hù)罩和/或適合的擋板可以在定子的軸端處將空氣流引導(dǎo)通過(guò)端繞組懸垂區(qū)域。在一些情況中，定子可以足夠好地進(jìn)行冷卻而不借助于上文提到的空氣回路，即可以通過(guò)經(jīng)過(guò)定子組裝件的到定子組裝件的外表面或熱交換器的傳導(dǎo)來(lái)進(jìn)行冷卻。
[0130]開(kāi)關(guān)模塊2設(shè)為緊密靠近端繞組懸垂18，使得每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊的ac端子22與對(duì)應(yīng)的線圈端之間有短連接。開(kāi)關(guān)模塊2以與線圈基本相同的電壓工作，并且因此必須與定子框架20絕緣。每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊2與其對(duì)應(yīng)的線圈4之間需要最小絕緣。
[0131]在電機(jī)使用內(nèi)部空氣回路的情況中，還可以對(duì)開(kāi)關(guān)模塊進(jìn)行空氣冷卻，并獲益于用于冷卻端繞組懸垂的徑向空氣流。在任何情況中，功率電子裝置通過(guò)短線圈引線24電以及熱連接到線圈4，并且所以能夠在逼近線圈端溫度(通常<150°C)的溫度下工作的裝置將是首選。這將包括采用如碳化硅的寬帶隙材料的功率電子裝置。在一些情況中，可以將這些開(kāi)關(guān)模塊布置成允許功率電子裝置被線圈端繞組冷卻，并且可以使用適合的電絕緣但是導(dǎo)熱的界面將這些開(kāi)關(guān)模塊固定到端繞組懸垂表面。將開(kāi)關(guān)模塊內(nèi)的其他組件次優(yōu)地?zé)徇B接到線圈端，并且可以根據(jù)冷卻空氣溫度對(duì)這些其他組件定額。
[0132]參考圖13，開(kāi)關(guān)模塊2通常盡可能地自包含，以便簡(jiǎn)化附屬供電源和控制接口和將可靠性最大化?？梢詮年P(guān)聯(lián)的控制器26提供用于定義H橋的功率電子裝置SP"S4的門(mén)驅(qū)動(dòng)信號(hào)gl…g4。將能量恢復(fù)電路的儲(chǔ)能電容器端子處(或電壓源變流器型開(kāi)關(guān)模塊的dc鏈電容器處)的電壓作為同步信號(hào)和供電源電壓提供到控制器26。此電壓等于或大于線圈端子電壓的整流的峰值。
[0133]更具體地來(lái)說(shuō)，每個(gè)控制器26從對(duì)應(yīng)的能量恢復(fù)電路接收同步信號(hào)和供電源電壓ERC±m(xù)，從第一相鄰開(kāi) 關(guān)模塊接收相應(yīng)的線圈端子電壓28、公共參考信號(hào)30 (可以通過(guò)無(wú)線方式傳送)、同步信號(hào)32，以及從第二相鄰開(kāi)關(guān)模塊34接收同步。每個(gè)控制器還可以可選地從例如具有適合絕緣系統(tǒng)的本地脈沖變壓器36接收輔助供電源輸入。控制器26將門(mén)信號(hào)gl…g4提供到功率電子裝置S1-S4，并且可選地還將其提供到能量恢復(fù)電路中的任何功率電子裝置。
[0134]每個(gè)控制器26內(nèi)的內(nèi)部供電源由開(kāi)關(guān)模式的供電源(未示出)導(dǎo)出，其從能量恢復(fù)電路(或從電壓源變流器型開(kāi)關(guān)模塊的dc鏈電容器)接收供電源電壓。雖然該電機(jī)以額定速度的至少10%旋轉(zhuǎn)，但是通常滿足每個(gè)控制器26的供電源要求，并且提供允許電機(jī)黑啟動(dòng)(black started)的控制系統(tǒng)來(lái)將電機(jī)黑啟動(dòng)是可能的。在正常工作情況下，控制器26無(wú)需任何其他形式的供電源輸入。在其他工作情況中，例如，如果需要永磁發(fā)電機(jī)以非常低的速度電動(dòng)回轉(zhuǎn)，則控制器從附屬供電源輸入接收功率。
[0135]作為公共參考信號(hào)30的一部分傳送的一組參考數(shù)據(jù)包括至少相移參考和脈沖寬度參考。對(duì)于電動(dòng)回轉(zhuǎn)控制目的，它還可以包括速度參考、方向和同步脈沖。每個(gè)控制器26同步到對(duì)應(yīng)的線圈端子電壓28，并通過(guò)比較相鄰的第一和第二開(kāi)關(guān)模塊提供的同步信號(hào)32、34來(lái)確定旋轉(zhuǎn)方向。線圈端子電壓/頻率比在預(yù)定的工作速度(例如，對(duì)于上文描述的第一和第二電機(jī)，這可以是0.2pu - 1.1pu的額定速度)上是基本恒定的，相對(duì)于線圈端子電壓的同步可以有益地采用其輸出具有基本恒定的峰值到峰值ac電壓輸出的硬件積分器功能。該同步功能生成相位參考信號(hào)，開(kāi)關(guān)模塊2中的個(gè)體開(kāi)關(guān)事件的定時(shí)是根據(jù)該相位參考信號(hào)確定的。在調(diào)整為適應(yīng)電流源變流器的要求的控制器的情況中，缺省脈沖寬度參考可以是通過(guò)在相等的半周期持續(xù)時(shí)間且小于換向過(guò)程的持續(xù)時(shí)間內(nèi)提供與上文概述的第一和第二開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的門(mén)驅(qū)動(dòng)信號(hào)以促使從線圈端子提取對(duì)稱(chēng)梯形電流波形的脈沖寬度參考。其他脈沖寬度參考狀況促使從線圈端子提取對(duì)稱(chēng)的準(zhǔn)方形電流波形，正如先前描述。在電壓源變流器的情況中很少有機(jī)會(huì)控制線圈電流波形。響應(yīng)公共相移參考輸入生成功率電子裝置的門(mén)驅(qū)動(dòng)信號(hào)gl…g4與線圈端子電壓之間的相應(yīng)相移。正如先前描述，線圈端子電壓與線圈開(kāi)路電壓不相同，并且這是因?yàn)榫€圈開(kāi)路電壓不可訪問(wèn)-相應(yīng)地，公共相移參考必須包括估計(jì)的項(xiàng)作為對(duì)線圈內(nèi)電抗電壓降的補(bǔ)償。此補(bǔ)償通過(guò)總控制器(未示出，但是可以可選地將控制器26與之組合或集成)來(lái)提供，總控制器可以包括用于功率電子開(kāi)關(guān)組裝件的第一和第二 dc負(fù)載端子處的電流和電壓的傳感器，并且具有換向電感數(shù)據(jù)。
[0136]然而永磁發(fā)電機(jī)或分開(kāi)激勵(lì)的發(fā)電機(jī)的應(yīng)用不一定依賴(lài)于控制系統(tǒng)在所有時(shí)間同步到線圈電壓的能力，因?yàn)榭梢允褂每稍偕茉?例如，風(fēng)力渦輪組裝件)或原動(dòng)機(jī)(例如，柴油引擎或渦輪)來(lái)使轉(zhuǎn)子軸從靜止旋轉(zhuǎn)并達(dá)到線圈電壓足夠允許控制系統(tǒng)有效工作的最小速度，電動(dòng)回轉(zhuǎn)應(yīng)用固有地依賴(lài)于使轉(zhuǎn)子軸從靜止旋轉(zhuǎn)的控制功能性。上文描述的控制功能有效地定義在大于約0.1pu的速度下有效的無(wú)編碼器控制系統(tǒng)，此限制通過(guò)功率電子裝置點(diǎn)火事件同步到由集成的定子電壓推導(dǎo)的相位參考信號(hào)來(lái)設(shè)置。在約0.1pu以下的速度時(shí)，線圈電壓不足以允許控制系統(tǒng)有效，并且要求將功率電子點(diǎn)火事件與軸絕對(duì)位置同步?？梢圆捎萌魏伪憷问降妮S絕對(duì)位置編碼器，并且可以將其輸出數(shù)據(jù)提供到總控制器(未示出)。因此，可以將該輸出數(shù)據(jù)并入該組參考數(shù)據(jù)內(nèi)，將該組參考數(shù)據(jù)作為傳送到所有控制器26的公共參考信號(hào)30的一部分傳送。在大多數(shù)常見(jiàn)電動(dòng)回轉(zhuǎn)的應(yīng)用中，用于每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊2的控制器26將包括允許定義H橋的功率電子裝置Sb-SA的點(diǎn)火事件同步到相位參考信號(hào)的功能，其中相位參考信號(hào)通過(guò)在定子電壓不足以允許控制系統(tǒng)有效時(shí)根據(jù)定子組裝件內(nèi)的開(kāi)關(guān)模塊的位置將軸絕對(duì)位置與的預(yù)設(shè)位置偏移量相加來(lái)推導(dǎo)?？偪刂破髫?fù)責(zé)控制機(jī)器發(fā)電時(shí)如何將功率輸送到負(fù)載，以及電動(dòng)回轉(zhuǎn)時(shí)如何將功率提供到機(jī)器，并且這可以根據(jù)總控制器參考和反饋輸入設(shè)置一組參考數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，無(wú)需進(jìn)一步描述。
【權(quán)利要求】
1.一種dc電機(jī),其包括: 具有Np個(gè)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)磁極的轉(zhuǎn)子(8)； 具有Ns個(gè)繞組槽的電樞(6)，其中Ns/Np是非整數(shù)比值； 具有接收在所述繞組槽中的多個(gè)線圈(4)的電樞繞組，所述電樞繞組定義多個(gè)電樞相；以及 功率電子開(kāi)關(guān)組裝件，其包括: 第一 dc負(fù)載端子(DC+)； 第二 dc負(fù)載端子(DC-);以及 多個(gè)開(kāi)關(guān)模塊(2 )，每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊具有兩個(gè)ac端子和兩個(gè)dc端子并且包括功率電子裝置(S1-S4)； 其中每個(gè)線圈(4)連接到相應(yīng)開(kāi)關(guān)模塊(2)的所述ac端子； 其特征在于，第一比例的開(kāi)關(guān)模塊將其dc端子一起串聯(lián)連接在所述第一和第二 dc負(fù)載端子(DC+，DC_)之間，以及第二比例的開(kāi)關(guān)模塊將其dc端子一起串聯(lián)連接在所述第一和第二 dc負(fù)載端子(DC+，DC-)之間以定義兩個(gè)并聯(lián)dc電路。
2.如權(quán)利要求1所述的dc電機(jī)，其中Ns/Np表示為η土δ，其中η是整數(shù)，以及δ是非整數(shù)游標(biāo)移位。
3.如權(quán)利要求2所述的dc電機(jī)，其中所述場(chǎng)磁極圍繞所述轉(zhuǎn)子(8)的圓周均等地分布，并且所述游標(biāo)移位圍繞所述電樞(6)是一致的。
4.如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的dc電機(jī)，其具有電樞相序列，其中物理上遠(yuǎn)離的電樞線圈(4)在所述電樞相序列中是相鄰的。
5.如權(quán)利要求4所述的dc電機(jī)，其中所述電樞相序列的旋轉(zhuǎn)方向與所述轉(zhuǎn)子(8)的旋轉(zhuǎn)方向是相同的或相反的。
6.如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的dc電機(jī)，其中每個(gè)電樞相由兩個(gè)或更多個(gè)電樞線圈(4)定義，以及其中特定電樞相中的每個(gè)電樞線圈的所述開(kāi)關(guān)模塊(2)受控制使得它們的開(kāi)關(guān)事件基本同時(shí)發(fā)生。
7.如權(quán)利要求6所述的dc電機(jī)，其中特定電樞相中的所述電樞線圈(4)圍繞所述電樞(8)在圓周上基本均等地分隔開(kāi)。
8.如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的dc電機(jī)，其中所述電樞繞組的線圈定義:(i)Ns/2，(ii)Ns/4,或(iii) Ns 個(gè)電樞相。
9.如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的dc電機(jī)，其中所述電樞繞組的線圈定義:(i)兩層線圈，(ii)單層線圈,或(iii)齒線圈。
10.如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的dc電機(jī)，其中所述電樞(8)包括圓周基準(zhǔn)線，以及在所述基準(zhǔn)線的相對(duì)側(cè)上的并聯(lián)dc電路中產(chǎn)生的電壓的量值和極性是基本平衡的。
【文檔編號(hào)】H02K29/00GK103683787SQ201310380784
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月28日
【發(fā)明者】A.D.克雷恩 申請(qǐng)人:通用電氣能源能量變換技術(shù)有限公司