可動(dòng)態(tài)重構(gòu)的電機(jī)、電機(jī)系統(tǒng)及電機(jī)動(dòng)態(tài)重構(gòu)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明與電氣傳動(dòng)和控制有關(guān)，特別是和電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的新型結(jié)構(gòu)，及用電力 電子設(shè)備來驅(qū)動(dòng)和控制電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的方法有關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002] 電機(jī)(包括電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī))廣泛用于能量轉(zhuǎn)換和為設(shè)備提供動(dòng)力。許多應(yīng)用要求 電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行在變速狀態(tài)。電力電子設(shè)備也廣泛應(yīng)用于變速系統(tǒng)中，如工業(yè)傳動(dòng)，電 動(dòng)汽車，柴油發(fā)電機(jī)組，和風(fēng)力發(fā)電等。人們強(qiáng)烈希望在運(yùn)樣的系統(tǒng)中能提高效率，同時(shí)減 小尺寸并降低成本，特別是對(duì)電動(dòng)汽車及其它運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)些技術(shù)要求高的應(yīng)用而言。
[0003] 不幸的是，迄今為止在變速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)和電力電子設(shè)備通常采用的是 各自領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，并沒有為取得最佳效果來做統(tǒng)一優(yōu)化。例如，目前絕大多數(shù)電動(dòng)機(jī)和 發(fā)電機(jī)采用了 =相結(jié)構(gòu)，與它們一同工作的電力電子設(shè)備也只好采用=相結(jié)構(gòu)。因此，需要 重大改進(jìn)來進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的性能并降低成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提供一種可動(dòng)態(tài)重構(gòu)的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其可W通過對(duì)磁 極數(shù)和相數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而優(yōu)化系統(tǒng)并降低成本。
[0005] 為解決W上技術(shù)問題，本發(fā)明提供的第一方面的技術(shù)方案為采用可動(dòng)態(tài)重構(gòu)的電 機(jī)，該電機(jī)包括一個(gè)轉(zhuǎn)子，一個(gè)磁禪合到轉(zhuǎn)子并有多個(gè)槽和多個(gè)繞組的定子，其中每個(gè)繞組 被安置于兩個(gè)對(duì)應(yīng)的槽中，當(dāng)電流流過繞組時(shí)形成多個(gè)磁極，每對(duì)磁極有多個(gè)相，且所述繞 組的配置使得磁極數(shù)和相數(shù)可動(dòng)態(tài)調(diào)整。
[0006] 優(yōu)選的，相數(shù)是由流經(jīng)繞組的電流來確定的。
[0007] 優(yōu)選的，磁極數(shù)是由流經(jīng)繞組的電流來確定的。
[000引優(yōu)選的，繞組為一多應(yīng)線圈。
[0009] 優(yōu)選的，相數(shù)根據(jù)磁極數(shù)變化進(jìn)行調(diào)整。
[0010] 另外，本發(fā)明提供的第二方面的技術(shù)方案為采用可動(dòng)態(tài)重構(gòu)的電機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng) 包括一個(gè)具有一個(gè)定子的電機(jī)和一個(gè)電力電子系統(tǒng)，所述定子具有多個(gè)槽，并且每個(gè)槽放 有多個(gè)導(dǎo)體W構(gòu)成繞組的一部分，且繞組的配置使得所述電機(jī)的相數(shù)和磁極數(shù)可W被動(dòng)態(tài) 調(diào)整;所述電力電子系統(tǒng)包括一個(gè)控制系統(tǒng)和多個(gè)功率變換器，每一功率變換器被禪合到 一個(gè)對(duì)應(yīng)的繞組，而控制系統(tǒng)被如此配置使得所述電機(jī)的相數(shù)和磁極數(shù)可W被動(dòng)態(tài)調(diào)整。
[0011] 優(yōu)選的，控制系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)的速度來確定磁極數(shù)。
[0012] 優(yōu)選的，控制系統(tǒng)根據(jù)磁極數(shù)來確定相數(shù)。
[0013] 優(yōu)選的，繞組電流的頻率根據(jù)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。
[0014] 優(yōu)選的，每個(gè)功率變換器被禪合到相對(duì)應(yīng)的安置于兩個(gè)槽中的繞組。
[0015] 優(yōu)選的，功率轉(zhuǎn)換器被放置到一個(gè)與定子有機(jī)械聯(lián)接的襯底，并且所述襯底具有 一開孔，一個(gè)功率變換器通過此孔與一個(gè)定子的繞組禪合。
[0016] 優(yōu)選的，在某一工作模式下，若干功率變換器停止工作。
[0017] 優(yōu)選的，當(dāng)有功率變換器停止工作時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整。
[0018] 優(yōu)選的，當(dāng)一個(gè)功率變換器或一個(gè)與之禪合的繞組出現(xiàn)故障，引致該功率變換器 停止工作的時(shí)候，系統(tǒng)在故障下繼續(xù)運(yùn)行。
[0019] 優(yōu)選的，一個(gè)功率轉(zhuǎn)換器工作于待機(jī)模式，作為正常工作的功率變換器的備份。
[0020] 另外，本發(fā)明提供的第=方面的技術(shù)方案為采用一種電機(jī)動(dòng)態(tài)重構(gòu)的方法，該方 法包括提供一個(gè)有多個(gè)功率變換器和一個(gè)控制系統(tǒng)的電力電子系統(tǒng)和一臺(tái)有多個(gè)繞組的 電機(jī)，其中每個(gè)繞組放置于兩個(gè)槽中，并控制電機(jī)的繞組電流使得電機(jī)在較高的速度時(shí)有 較低的磁極數(shù)，在較低的速度時(shí)有較高的磁極數(shù)，并且一對(duì)磁極中的相數(shù)根據(jù)磁極數(shù)的變 化而動(dòng)態(tài)調(diào)整。
[0021 ]優(yōu)選的，控制系統(tǒng)中的一個(gè)表格將一個(gè)槽映射到某一對(duì)磁極和某一相。
[0022] 優(yōu)選的，輕載時(shí)控制一個(gè)變換器進(jìn)入停機(jī)或待機(jī)狀態(tài)。
[0023] 優(yōu)選的，當(dāng)一個(gè)變換器或其禪合的繞組出現(xiàn)故障時(shí)，控制該變換器進(jìn)入停機(jī)狀態(tài) 并保持系統(tǒng)擔(dān)行。
[0024] 優(yōu)選的，電機(jī)的速度通過磁極數(shù)，相數(shù)和繞組電流的頻率來協(xié)調(diào)控制。
[0025] 本發(fā)明提供的可動(dòng)態(tài)重構(gòu)的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可W通過對(duì)磁極數(shù)和相數(shù)動(dòng)態(tài) 調(diào)整，從而優(yōu)化系統(tǒng)性能并降低成本。
【附圖說明】
[0026] 圖1展示了具有S相電動(dòng)機(jī)和電力電子系統(tǒng)的S相驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；
[0027] 圖2展示了依照本發(fā)明實(shí)施例給出的具有一個(gè)多相電動(dòng)機(jī)和電力電子設(shè)備的多相 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；
[0028] 圖3展示了依照本發(fā)明實(shí)施例給出的多相驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)；
[0029] 圖4展示了依照本發(fā)明實(shí)施例給出的一個(gè)含可按槽重構(gòu)的電動(dòng)機(jī)和基于槽變換器 的電力電子系統(tǒng)的基于槽的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；
[0030] 圖5展示了依照本發(fā)明實(shí)施例給出的一個(gè)可按槽重構(gòu)的電動(dòng)機(jī)的定子的連接端；
[0031] 圖6展示了依照本發(fā)明實(shí)施例給出的一個(gè)可按槽重構(gòu)的電動(dòng)機(jī)的定子的短接端；
[0032] 圖7展示了依照本發(fā)明實(shí)施例給出的用于圖4中所示的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)；
[0033] 圖8展示了依照本發(fā)明實(shí)施例給出的一個(gè)雙電平槽功率變換器；
[0034] 圖9展示了依照本發(fā)明實(shí)施例給出的一個(gè)=電平槽功率變換器；
[0035] 圖10展示了依照本發(fā)明實(shí)施例給出的一個(gè)封裝技術(shù)的實(shí)施例；
[0036] 圖11展示了依照本發(fā)明實(shí)施例給出的雙饋驅(qū)動(dòng)和發(fā)電系統(tǒng)；
[0037] 圖12展示了依照本發(fā)明實(shí)施例給出的一個(gè)電動(dòng)機(jī)的雙極15相構(gòu)造下的繞組圖；
[0038] 圖13展示了依照本發(fā)明實(shí)施例給出的一個(gè)電動(dòng)機(jī)的6極5相構(gòu)造下的繞組圖；
[0039] 圖14展示了依照本發(fā)明實(shí)施例給出的一個(gè)電動(dòng)機(jī)的10極3相構(gòu)造下的繞組圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】 對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0041] 本發(fā)明將在特定的背景，即在電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，輔W優(yōu)選實(shí)施例來進(jìn) 行描述。然而，本發(fā)明也可應(yīng)用于各種其它電機(jī)與電機(jī)控制系統(tǒng)，包括發(fā)電機(jī)，整流器和逆 變器，和它們的任意組合。此后，各種實(shí)施例將參考附圖進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0042] -個(gè)變速系統(tǒng)通常控制一個(gè)電動(dòng)機(jī)在或接近其同步速度運(yùn)行。交流電機(jī)（電動(dòng)機(jī) 或發(fā)電機(jī))的同步速度是由電源的頻率和電機(jī)的極數(shù)根據(jù)W下關(guān)系來確定:S = 60f/p，其中 S代表同步速度，單位是巧m，f代表電源頻率，單位是化，P代表電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。
[0043] 大多數(shù)變速應(yīng)用W改變電源的頻率為主要的控制方法，但保持磁極數(shù)不變。如果 速度范圍寬，頻率范圍也寬。不幸的是，電力電子設(shè)備和電動(dòng)機(jī)(及發(fā)電機(jī)），都不擅長(zhǎng)工作 于寬的頻率范圍。低頻工作和高頻工作對(duì)功率轉(zhuǎn)換器，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)都會(huì)帶來重 大的挑戰(zhàn)。運(yùn)通常會(huì)導(dǎo)致性能不能最優(yōu)，并增加系統(tǒng)的成本，體積和重量。另外，幾千瓦W上 的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)通常使用固定磁極數(shù)目的=相結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中，=相電力電子系 統(tǒng)110被用于驅(qū)動(dòng)=相電動(dòng)機(jī)150。一個(gè)=相電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)子，定子，和一個(gè)由=個(gè)相繞組組 成的=相繞組(每相一個(gè)相繞組）。在大功率應(yīng)用中，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要應(yīng)對(duì)高電壓和高電流， 運(yùn)不僅增加了電動(dòng)機(jī)和系統(tǒng)對(duì)絕緣和電纜的要求，也強(qiáng)制電動(dòng)機(jī)的繞組，及電力電子設(shè)備 中的轉(zhuǎn)換器和/或功率器件W并聯(lián)和/或串聯(lián)的方式連接。由于功率半導(dǎo)體器件使用并聯(lián)或 串聯(lián)需付出額外的代價(jià)，如此的并聯(lián)或串聯(lián)連接將進(jìn)一步增加成本和電力電子設(shè)備的復(fù)雜 性。同時(shí)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)里不同槽位的繞組串聯(lián)時(shí)，由于不同槽位里繞組電壓的相位不同，相電 壓可能顯著小于運(yùn)些繞組的電壓的算數(shù)和，也就是說繞組的電壓能力不能充分利用，電動(dòng) 機(jī)的體積和重量也就不能優(yōu)化。
[0044] 為了緩解運(yùn)一問題，在高功率應(yīng)用中可W增加相數(shù)，使得每相只需要處理較低的 功率W便更容易處理功率半導(dǎo)體開關(guān)，且每相繞組也不需要很多槽位的繞組來串聯(lián)。運(yùn)種 系統(tǒng)如圖2所示，其中一