CN101584102B - 机电能量转换系统 - Google Patents

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Abstract

示例性功率系统可包括具有多套定子绕组的电机，每套绕组通过单独开关矩阵耦合到公共电压总线，并且其每一个可围绕定子全节距地空间排列以使定子通量谐波显著减小。减小的定子磁通谐波可与相电流谐波含量相关联。在一示例应用中，这些电力系统可在发电模式中运行以将机械能转换成直流电压总线上的电能。在一些说明性实施例中，电力系统可提供例如适于机载(例如船舶、航空、牵引)电力系统的大功率且高速的(例如8000转每分钟下1MW或更高)马达驱动和/或发电能力。

Description

机电能量转换系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2006年10月27日提交的题为“Energy Conversion System”(能量转换系统)的美国临时专利申请60/863,233、2006年11月8日提交的题为“Energy Conversion System”(能量转换系统)的美国临时专利申请60/864,882、2007年3月15日提交的题为High-Speed，Sleeved Rotor forPermanent Magnet Electric Machines”(用于永磁电机的高速、套筒转子)的美国临时专利申请60/895,025、以及2007年5月21日提交的题为“Electromechanical Energy Conversion Systems”(机电能量转换系统)的美国专利No.11/751,450的优先权。每一个优先权申请的附图和详细描述部分的内容通过引用结合于此。
技术领域
各个实施例与马达驱动和/或发电系统有关。一些示例性实施例可例如用在能够进行高速和/或大功率运行的机载应用。
背景
一些电力系统可将机械能转换成电能和/或将电能转换成机械能。例如，发电系统可包括原动机和诸如电机之类的可将机械能转换成电能的机电元件。类似地，马达驱动系统可包括耦合到电机的机械负载。这些系统通常包括用以处理电能(例如通过将AC(交流电)转换成DC(直流)或反之亦可)的无源或有源控制的电力电子器件。此外，这些系统可将变压器用于隔离配电网的不同部分或者用于匹配配电网的不同部分中的电压电平。
概述
示例性电力系统可包括具有多套定子绕组的电机，每套绕组通过单独开关矩阵耦合到公共电压总线，并且其每一个可全节距地绕定子空间排列以使定子磁通谐波显著减小。减小的定子磁通谐波可与相电流谐波含量相关联。在一示例应用中，这些电力系统可在发电模式中运行以将机械能转换成直流电压总线上的电能。在一些说明性实施例中，电力系统可提供例如适于机载(例如船舶、航空、牵引)电力系统的大功率且高速(例如8000转每分钟下为1MW或更高)的马达驱动和/或发电能力。
在各个实施例中，电机中的定子绕组可以连接以显著减小或消除来自电力电子设备的时间-谐波电流的影响，包括谐波次数，谐波次数是相位绕组的套数(N)、每组绕组中的相位数(M)、以及电力-电子转换器中的器件的开关频率的函数。对于机器中的给定定子绕组配置，气隙磁通谐波可被减小以供例如发电运行。这些实施例虽然增加了机器定子的成本和复杂性，但是在系统的整体成本降低并对整个系统性能改进的情况下降低驱动的成本。
在一些发电示例中，来自每套M-相绕组的交流电压由相应的开关矩阵整流，开关矩阵可以例如是M-相无源桥式整流器或者具有可控开关元件的有源控制的电力电子转换器。在发电模式的运行中，来自每个开关矩阵的经整流输出信号可并联、串联或其组合地排列，用于连接到公共电压总线。在一些实施例中，电机可以具有永磁转子，并且该机器可被配置成旋转电机或线性电机。
某些实施例可提供一个或多个优点。例如，一些实施例可包括诸如二极管电桥之类的无源整流器，其可具有显著降低的功耗。由每个开关矩阵和每个绕组处理的平均电流可被例如显著减小，这可进一步降低必需的器件额定功率。此外，一些实施例可提供经改进的跨多个器件的功耗分布。这些减小的额定功率因素可例如使得能使用较低成本、更广泛可用的开关器件以及降低的热管理成本(例如有效冷却、散热片等)。这些益处可进一步在设计、制造、组装以及组件成本中获得显著节省。
对于一些电力发电系统，简单的无源(例如不受控)低成本整流器可在一些实现中使用以获得包括显著降低的成本、大小、重量以及更高的可靠性和效率的优点。此外，显著降低的谐波磁通可通过降低可耦合到转子的谐波能量来有利地降低电机转子中的功耗。在各个实施例中，交流机器模块布局和结构可为类似或较低成本而简化高速大功率交流驱动设计，并且可例如通过降低冗余实现的成本来提供改进的可靠性。
其它特征和优点将从描述和附图、以及权利要求书中变得显而易见。各个实施例的详情在以下的附图和描述中被阐述。
附图描述
图1A-1B示出示例性功率级的示意性示图。
图2示出在马达驱动模式中运行以向高速负载提供转矩的示例性功率级的示意性示图。
图3示出电机中的定子绕组配置的示例性示图。
图4示出示例性电压与电流波形的曲线图，以说明马达驱动模式的运行。
图5示出在发电模式中运行的示例性功率级的示意性表示。
图6示出示例性电压与电流波形的曲线图，以说明发电模式的运行。
图7A-7B示出气隙中的示例性磁通密度与线路电流的曲线图。
图8示出不同绕组配置的示例性轮毂损耗的曲线。
图9示出船舶电气化系统的示例性网络。
图10示出不同的无变压器电网拓扑的示例性电流波形的曲线图。
图11示出具有发电和马达驱动拓扑的示例性系统。
示例性实施例的详细描述
图1A-1B示出能将机械能转换成电能(例如大功率直流发电)或者将电能转换成机械能(例如高速马达应用)的示例性系统。如图1A所示，系统100包括一排多(N)个开关矩阵105a-105n、电机110以及电压总线115。开关矩阵105a-105n各自可包括用于马达驱动的M相逆变器、和/或用于发电的M相二极管电桥。开关矩阵105a-105n中的每一个分别包括端口120a-120n，端口120a-120n的每一个包括一组端子(未示出)以供连接到电机110上的N套相应定子绕组。在一些实施例中，端口120a-120n中的一个或多个可包括一个或者多个端子，以供连接到与电机的一套绕组中的各绕组相关联的中性点(例如，针对开Δ配置的绕组)。开关矩阵105a-105n中的每一个还分别包括端口125a-125n中的一个，端口125a-125n中的每一个包括一对端子，以供连接到电压总线115。
电机110包括具有N套绕组的定子(未示出)。例如，电机110可包括线性电机。在另一示例中，电机110可包括旋转电机。在各种应用中，当系统100作为发电机运行时，它可接收机械能并输出电能，和/或当它作为马达运行时，它可接收电能并输出机械能。
在各个实施例中，电机110上的N套绕组各自相互相移，以使在系统100运行时多个定子电流谐波显著减小。显著降低的谐波数目是M(每套绕组的相数)以及N(绕组的套数)的函数。
在一些示例中(例如具有两个绕组层)，对特定定子配置可能存在的多相(M)绕组套数(N)可如下地计算：
N＝定子槽数/(M，即磁极数)
基于绕组的套数(例如每一磁极的线圈数目)，不同实施例可能显著降低或者去除谐波。在一实施例中，可使用一48槽定子，作为示例而非限制N＝2或者N＝4。各示例每一磁极可具有不同数目的线圈、绕组层、相数以及定子槽等等。对于三相(M＝3)系统，应变于绕组套数(N)的未被显著降低或者去除的第一谐波分量可以是(6N+/-1)。作为相数(M)和绕组套数(N)的函数的相移为pi/(M*N)。
N套绕组的每一个与端口120a-120n中的相应一个连接。在电机110内，每一套绕组与其它绕组电绝缘。在马达驱动时，能量分别通过相应的开关矩阵105a-105n从电压总线115递送到各套绕组n。在发电时，能量分别从各套绕组通过相应的开关矩阵105a-105n供应给电压总线115。
在各个实施例中，总线115上的电压实质上可能是单极的。电压总线115包括连接到各端口125a-125n的正端子的正电轨(例如节点)，还包括连接到各端口125a-125n上的负端子的负电轨(例如节点)。电压总线115从开关矩阵105a-105n接收直流电压。在一些实现中，开关矩阵105a-105n可使电压总线115上的单极电压反向。例如，开关矩阵105a-105n中的每一个可使用M-相逆变器使电压反向。
在某些实现中，开关矩阵105a-105n使用反向电压来提供交流波形，以驱动电机110中各个相应M相绕组。开关矩阵105a-105n可例如被调整以提供例如受控电流、电压、转矩、速度和/或者位置。在一些示例中，开关矩阵中的开关可在提供给电机的电子基频下或该电子基频附近操作，或者在显著高于基频的频率操作。用于控制开关矩阵中的开关的技术可包括但不限于矢量控制，场朝向控制、相位控制、峰值电流控制、平均电流控制、和/或脉宽调制、或者这些或其它技术的组合。
在一些系统中，开关频率可基于以下因素，诸如输出基频、线电流中所需的谐波水平、负载阻抗、半导体器件的类型以及所使用的驱动拓扑。一般而言，开关损耗可例如与开关频率直接相关。最大结温或者安全操作区域通常可在制造商的数据表上指定。
在高速应用中(例如8000转每分钟或以上)提供大功率(例如1兆瓦特或更高)对于交流电机的设计以及相关联的驱动电子器件提出各种实际的挑战。在设计这类系统时，一个挑战涉及与定子谐波电流相关联的损耗。例如，定子谐波电流可在定子铁芯中引起额外的铜耗和铁耗。在一些例子中，定子谐波电流还可将谐波分量注入耦合到转子的气隙磁场，从而增加转子中的损耗。通过利用与绕组套数(n)以及每套绕组中的相数(m)有关的相移，系统100降低了谐波电流。在一示例中，系统100将谐波电流中的谐波分量最多降低到(6n+/-1)分量(例如，对于n＝4，谐波电流中的一次谐波分量将会是第23和第25个分量)。
因此，电压总线115上的电压脉动频率可为(6Nfmax)，其中fmax为电机的最大输出频率。通常，对于高速电机，fmax在千赫兹范围。在一些示例中，无需使用高频开关绝缘栅二极晶体管(IGBT)或者使用显著减小的滤波，电压总线115的质量被改进。
驱动装置和电机可以被看作是一个系统。设计标准通常可以包括一起匹配电机和驱动装置。在一些情况下，驱动装置成本可超过实际电机，并且因此基于交流驱动装置或者电力电子设备来优化整个系统可能是成本效率最高的方法。
在一些实施例中，开关矩阵105a-105n能够以串联和/或并联的组合进行连接以通过接口连接到电压总线115。如图1B所示，系统150包括作为并联开关矩阵对的串联组合连接的开关矩阵105a-105n。例如，开关矩阵105a与开关矩阵105b串联连接，而开关矩阵105n-1与开关矩阵105n串联连接。在此示例中，各组串联连接的开关矩阵105a-105n并联地连接以通过接口与电压总线115连接。
图2是在马达驱动模式中运行以向高速负载205提供转矩的示例性功率级200的示意性示图。例如，功率级200可用于向离心压缩机驱动装置、整体密封压缩机驱动装置、高速鼓风机和/或者用于涡轮组件的试验台供电。在一示例中，功率级200可包括N＝4的经空间转换的分相马达以及驱动系统。在所述的示例中，功率级200包括四套绕组215a、215b、215c、215d。绕组215a-d中的每一个被配置成与邻近绕组有15°的相差。在一些实现中，功率级200可以包括从公共直流节点230馈送的2-级驱动。
在所述示例中，电机110可以是异步机或者同步机(例如，永磁同步机)。电机的定子可包括经空间转换的分相绕组且相的总数＝3*N，其中N是独立、绝缘中性的三相绕组的套数。在特定实现中，可基于定子中的槽数、转子磁极的数目以及所需谐波消除量来选择N。在邻近的三相绕组之间可有(π/3N)的电相差。类似的定子结构和绕组布局考虑可应用于马达驱动和发电应用。
在以上示例中，各套三相绕组215a-d可分别由三相逆变器开关矩阵225a、225b、225c、225d馈送。在发电应用中，各套三相绕组215a-d可分别馈送交流-直流转换器开关阵列225a-d。在一些示例中，交流-直流转换器的每一个可以是六脉冲二极管电桥。N逆变器单元可在输入处并联连接并且从主直流链路馈送。在另一实施例中，每个逆变器单元可具有各自的直流链路，从而获得N个单独的直流链路。在另一实现中，每个逆变器单元可包括利用通过三相无源或有源整流器从绝缘的三相电源馈送的零压矢量注入的n级直流-交流转换器。整流器、DC链路部分以及n-级转换器可代表这些N个逆变器单元之一。
在一说明性示例中，逆变器单元的开关可与被馈送的相应定子绕组同步。每个逆变器单元的基本输出波形可与邻近逆变器单元相移(π/3N)。因为定子绕组的布局，一些谐波可被显著减小或消除。在一些示例中，每个逆变器单元可在输出基频或者非常接近它的频率开关，并且仍然显著降低马达电流中的谐波水平。
某些实施例可带来一个或多个优点。例如，在使用标准的交流转换器拓扑和冷却方法时，一些系统可因为较高的基频而具有减小重量和体积的电机。在一些实施例中，诸如半导体器件之类的交流驱动组件的输出能力可通过使用低开关频率但仍然在线路电流中维持低谐波失真来增大。可基于对处理开关谐波损耗降低的要求来获得经优化的定子大小，对处理开关谐波损耗降低的要求可与更高频率的PWM逆变器运行或者仅使用一个三相二极管电桥相关联。与转子的谐波耦合/加热可被显著减小。功率转换器上的模块化设计可在某些实施例中提供显著容错性，其可获得经改进的冗余和更高的可用性。定子绕组绝缘上的应力可被减小，和/或绕组的绝缘电压电平可通过作出与每一线圈的多个匝和每一磁极的多个线圈的不同连接来减小。一些实施例通常可实现较高的系统效率和较低的总成本。一些实施例可能不需要PWM控制技术，和/或可提供无齿轮高速交流转换器系统。
图3示出电机110的示例性定子-绕组配置300。在一些示例中，绕组配置300可在48槽/4极定子中使用。在所述配置示图中，配置300包括如由垂直线所表示的48个槽。与其相应槽相关联的一些槽号表示为覆盖在垂直线上的数字。
在一些实施例中，定子配置300可将N个槽分离开。在一示例中，定子包括被N个槽分隔开的一串齿结构。例如，N个相可插入定子配置300的那N个槽(A1、A2、A3...AN)。定子配置300然后可包括N套三相绕组。在一些示例中，每套绕组可包括定子上全节距插入的单匝线圈。在其它示例中，每套绕组可包括在定子上全节距插入的多匝线圈。
在一些实施例中，槽开口尺寸可基本相同。例如，齿宽可以基本相同。在其它实施例中，诸如当绕组基本以定子铁芯材料形成时，定子配置300可包括无齿定子设计(例如环形绕组)。
在所述示例中，配置300每一极包括4个槽。在一示例中，定子配置300在每一极中可包括相同数目的槽。例如，定子的每一极可包括12个槽。配置300将每一极的12个槽分隔开。例如，三相(m＝3)可插入定子的12个槽中。结果，定子可被配置成具有4套三相绕组(例如，n＝4)。在一些实施例中，绕组可被分布成每个槽仅包含一相。在所述示例中，绕组1(A1)的相A占据槽1、13、25、37，并且绕组2(A2)的相位A占据槽2、14、26、38。
虽然若干示例被描述为具有特定数目的槽、相、匝、极等，但是由于可构想其他配置，这些示例仅作为示例给出而非限制。
在一些示例中，配置300可显著减轻定子铁芯以及定子与转子之间的气隙中的谐波。例如，从铁损和转矩脉动观点来看，配置300可显著减少相电流中的第五和第七谐波分量对发电机的影响。在所述示例中，气隙磁通中的第一未消除谐波分量可在(6N±1)。在一些实施例中，在电机中的第一未消除谐波磁通分量可在2*M*(N±1)。
图4示出示例性波形400、430、460的曲线图，以说明马达驱动模式的运行。在一些示例中，当来自邻近三相绕组的相移谐波在定子的铁芯中被累加时，显著的谐波减小可产生。在所述示例中，谐波分量中的数个已被有效地基本消除，从而获得近似约0.5％的总谐波失真(THD)。还示出了直流和正交电流(iq和id)的波形。对于以最大功率运行的永磁同步交流马达的情况，还示出了N＝4、id＝0.0的有效电流波形。同步d轴和q轴电流波形具有显著较低的脉动含量而无需PWM操作。
一些实现可基本避免谐波注入而仍然允许对AC驱动的简单和最小化的PWM操作。例如，在一些实现中这可通过使用电相移(π/3N)的N个电流波形实现，其中N是三相绕组的套数。每个绕组可由转换器驱动，其在基本全区间或非常低的脉宽调制频率下运行并且注入谐波电流。
通过利用电相移(π/3N)的N个电流波形，其中N是三相绕组的套数，谐波电流可被显著减小。此相移的效果在图6中示出，其中谐波分量最多偏移到(6N±1)分量。对于N＝4，一次谐波分量将是第23和第25个。如此，被注入定子的有效电流波形相比通常的整流器三相桥波形具有低得多的THD值。
主DC链路(例如，电压总线15)上的电压脉动频率可以是(6*N*fmax)，其中fmax是发电机的最大化输出频率，这对于高速电机通常是在数千赫范围内。在一些示例中，配置300可改进DC链路的传输质量。
图5示出示例性高速大功率发电系统(HSHPGS)500。HSHPGS 500包括在发电模式中运行的功率级510。功率级510包括高速原动机505和N＝4的经空间转换的分相绕组定子505。在一示例中，定子515可包括如参考图3所述的绕组配置。在一示例中，定子515可将原动机505的机械能处理成电能。原动机515耦合到功率处理级520。功率处理级520可从定子515接收功率并且将电能分配给连接到功率加工级520的电器件。
在特定实现中，原动机505可与定子515分隔开一间隙。间隙可用液体或气体或其组合填充。在一示例中，转子和定子之间的间隙可部分地或完全地用空气、甲烷、氮、氢、油、或这些组合或者液相或气相的其它适当材料填充。
在所述示例中，功率处理级520包括开关矩阵525a、525b、525c和525d。开关矩阵525a-d的每一个连接到定子515的一套绕组。功率处理级515包括两个主DC链路530、535。DC链路530、535的两者与开关矩阵525a-d的输出端之一耦合。如图所示，开关矩阵与直流链路530、535并联连接。在运行时，开关矩阵525a-d可从定子515接收交流功率并将直流功率输出到直流链路530、535。在特定实现中，从功率级515到功率处理级520功率信号的频率可降低。
直流链路530、535向直流配电系统540提供直流功率。在所述示例中，直流配电系统540包括多个直流-交流转换器545a-545n以及多个直流-直流转换器550a-550n。在一些实施例中，直流-交流转换器545a-545n可将来自直流链路530、535的直流功率转换成交流功率以支持各种交流设备。在此示例中，直流-交流转换器545a-545n的每一个被耦合到相应的交流滤波器555a-555n。如图所示，交流滤波器555a-555n可提供3相交流功率输出，诸如均方根电压为480V到690V的50Hz或60Hz上的交流功率。直流-直流转换器545a-545n可包括升压转换器或降压转换器。在一些示例中，直流-直流转换器545a-545n可使用DC链路535、540中的直流功率向直流应用提供功率。
在一些实现中，功率处理级520可包括滤波器、桥式整流器、和/或其他功率调整组件。在一些实现中，开关矩阵525a-d可以是有效开关矩阵。用于产生直流功率或使用直流功率进行马达驱动的系统的示例性实施例在Ahmad等人于2006年10月27日提交的题为“Energy Conversion System”(能量转换系统)的美国临时专利申请60/863,233、以及Ahmad等人于2006年11月8日提交的题为“Energy Conversion System”(能量转换系统)的美国临时专利申请中描述。为了说明性示例的目的，来自这些文献的详细描述部分以及相应附图的公开通过引用结合于此。就任何特定特征在所结合的内容中被描述为重要或必要而言，将理解这些特征参考该文献并且不旨在应用于在此公开的所有实施例。
在特定实现中，高速永磁(PM)同步发电机可基于转子构造分类，诸如轴向或径向间隙PM发电机。例如，径向间隙PM发电机基于转子动态特性可用于更高的额定功率。在一些实施例中，径向PM发电机可被归组为表面安装或嵌入式磁铁发电机。表面安装PM发电机相比基于嵌入磁铁的发电机更有效率并且更容易制造。在一些示例中，表面安装PM发电机使用套筒来提供所需容积且固态转子铁芯或轮毂可提供增大的径向刚度。不同的套管结构可用于在高转速下包含磁铁片。例如，一些套管或膜片可包含高强度的镍基合金和/或复合碳纤维材料。
由于套管厚度和迫使等量磁通通过更大磁隙所需的增大磁体厚度，高速、有套管的(例如表面安装)PM发电机相比无套管的PM发电机可包括更大的磁性气隙。在一些示例中，更大的磁隙可在短路情况下提供更佳的退磁保护。
通过采用磁浮轴承，发电机可获得免润滑剂系统(lube-free system)的益处。在一些示例中，磁浮轴承在更高的速度下运行，且相比某些类型的机械轴承有更少的损耗。使用高速PM发电机，发电系统相比相同额定功率的常规解决方案可构建为具有减小的系统重量、更高的运行效率、减少的维修费用、以及较小的封装。
为了减少高速发电机中的损耗，系统100和系统500可例如包括N套全节距、三相、经空间转移的相分绕组，以允许连接到N无源三相整流器，同时通过在电机的气隙中实现谐波消除将电机损耗保持为最小。
在一些实施例中，相对较薄的低耗硅钢可被用来包含高频运行下的损耗。使用有限元分析(FEA)技术和公开的、闭型分析方法，由涡流引起的转子损耗可使用时间步长的旋转栅(time-stepping，rotating-grid)解算器预测。在一些情况下，解决方案可用二维分析获得，而不考虑磁铁的轴向分割以及相邻磁铁或磁铁和轴之间的电绝缘。
在一示例中，有限元分析工具可用来重建用聚醚醚酮(PEEK)基底中的碳纤维的转子的绕组缠绕工艺，包括作为时间相关变量的转子温度、碳纤维张力、以及绕组馈送率的影响。根据制造容限的转子几何形状的逐个节点的随机产生可提供系统模型。
通过运行模型得到的静态应力可被输入到应力分析工具以模拟运行期间转子中的动态应力。转子可在多种运行情况下被模拟，包括例如在各种温度下的标称运行速度以及在变化温度下的超速状况。
在一示例中，FEA转子动态分析软件包可用来分析发电机的自由-自由固有频率和振形(mode shape)。工具的解决方案是集结所定义区域的质量和惯量以产生节点。节点通过无质量梁连接。磁浮轴承被模拟为具有可变刚度和阻尼的动态支撑件。用在此发电机中的磁浮轴承由两个径向支撑轴承构成，轴的两端各一个，而单独的活动止推轴承在耦联端以补偿任何轴向负载。适合发电机大小的耦联可被选择并且可以模拟为悬臂式重量。
在一说明性示例中，总的转子重量可超过2000磅且轴承跨距可为约62英寸。转子可具有接近发电机的最大运行速度的第一前向弯曲模式。在一些示例中，轴向支撑被添加到转子，导致21,029rpm的第一前向弯曲模式，其比发电机的容许速度18,000rpm高出17％。
损耗细分可由以上讨论的电磁模拟工具给出。集总参数模型被用来模拟发电机的包括转子、定子、以及冷却套的几何形状来确定在40℃周围按线圈绝缘和碳纤维维持150℃的最大温度所需的恰当质量流。
压配合到定子护铁的单独铝冷却套通过水/乙二醇冷却流将热拉出。帘气流(curtain-air flow)将热从端匝拉出，此外空气被迫使通过中间栈并且它在位于发电机的任一侧上的整个端匝存在。此空气为冷却气隙以及定子的齿尖所需。
在一示例性实施例中，可构造按比例缩减的100kW的背靠背式马达-发电机系统。在一示例中，发电机的定子可配置有所提出的多个经空间转移、相分3相绕组结构。在一示例中，马达的第二定子可构建有常规分数节距绕组(N＝1)。在一些实施例中，定子可具有24个槽并且可使用基于2极PM因科镣合金(incanel)的金属套管转子。邻近槽之间的电相移是15°，这可等于模拟的48槽、4极情况。
在一些实施例中，发电机的定子由4套3相绕组构成。每套绕组可包括例如占据6个槽的3相单槽全节距绕组。例如，每套绕组可取额定值为500Hz、400V和25kW。在另一实施例中，M＝4且N＝5。
在一些实现中，定子可配置有分相绕组结构以及与分数节距定子有关的相对较长端匝。差异例如可小于半英寸。例如，每套三相绕组可馈送三相二极管桥式整流器，其各自具有低电感的电容性直流链路。四个整流器的输出直接地或网络配置地一起耦合到一公共直流总线并且连接到直流负载组。在一些实施例中，定子可配备有数个用于在诸如槽护铁和齿尖之类的不同位置测量并记录温度的热电耦。
图7A-7B示出气隙中的总的同步帧磁通密度和线路电流的示例性曲线图。如图7A所示，使用N＝1的具有分数节距线圈的绕组配置获得曲线图700、720。曲线图700示出气隙中的净磁磁通密度，该净磁磁通密度包括对于N＝1的具有分数节距线圈的情况的槽电流时间变化的影响。如图7B所示，曲线图740、780使用N＝4的全节距线圈的绕组配置获得。曲线图740示出气隙中的净磁磁通密度，其包括槽电流时间变化的影响。
曲线图720和曲线图760分别示出曲线725、765。曲线725、765的厚度表示转子经历的磁通脉动以及因而在套管、磁铁和轮毂中的转子损耗。在一些示例中，高磁通脉动在磁铁和轮毂中可引发更高的涡流损耗。如所示，磁通脉动可在曲线图760中显著减小为N＝4时的磁通脉动。
图8示出不同绕组配置的示例性轮毂损耗的曲线图800、850。曲线图800显示具有不同绕组配置的轮毂损耗。在所述的示例中，示出N＝1的分数节距配置、N＝1的全节距配置，N＝2的全节距配置、以及N＝4的全节距配置的绕组配置。100％的损耗针对N＝1的分数节距配置被设置为基准值。在此示例中，N＝1的全节距配置、N＝2的全节距配置、以及N＝4的全节距配置的轮毂损耗分别为100.4％、7％和2％。因此，具有等于或大于2的绕组数的全节距绕组配置可显著减小轮毂损耗。
曲线图850示出具有不同绕组配置的峰到峰转矩脉动。在所述示例中，示出N＝1的分数节距配置、N＝1的全节距配置、N＝2的全节距配置以及N＝4的全节距配置的绕组配置。100％的损耗针对N＝1的分数节距配置设置为基准值。在此示例中，N＝1的全节距配置、N＝2的全节距配置、以及N＝4的全节距配置的轮毂损耗分别为121％、7％和2％。因此，具有等于或大于2的绕组数的全节距绕组配置可以显著减小转矩脉动。
图9示出用于机载应用的示例性区域直流配电网络900。网络900包含三个区域905、910、915。比如，区域905、910、915可以是船的不同区域。
在一些实施例中，网络900包括馈送例如在船的左舷和右舷上的两个推进电动机930、935的两个高速主发电机920、925。此外，发电机920、925能够向船舶操作负载940a、940b、940c供电。网络900包含备份HS发电机系统945。
在一些实施例中，类似的实现可对海上平台和空中交通工具进行。在一些实施例中，发电机920、925可以是两个单独的8MW、15000rpm、48槽定子及4极转子的PM同步发电机。发电机920、925各自可例如耦合到两个主燃气涡轮。在一些示例中，定子可使用如参考图3所述的经空间转换的相分绕组配置缠绕。在一些实施例中，每套M相绕组可馈送一无源M相整流器电桥。例如，电桥的输出以并联方式连接并且馈送一共同电压总线950。
在某些实施例中，船舶操作负载940a-c可从每个独立的区域905、910、915通过降压变压器和正弦滤波器馈送，以提供与网络900的其余部分的绝缘和限制接地电流交互作用。在一些示例中，负载940a-c也可在故障时从不同区域被馈送。备用发电机系统950可用类似拓扑使用，比如在15,000rpm运行1MW以及配置为N＝4的发电机。
在所述示例中，电网900可包括在PM发电机单元上的N＝4的机载应用。发电机920、925、945分别包括整流器电桥955、960、965。在一些实施例中，整流器电桥955、960、965可包括快速恢复二极管以操纵电机的高基频(500Hz)。比如，整流器电桥955、960、965的每一个的额定功率可以是额定功率除以N。在一些实施例中，整流器电桥955、960、965可以是空冷或液冷的，而且可封装到发电机外壳中。在一些实施例中，发电机封装可包括具有集成式保护、配电设备以及直流接口母线的紧凑中压直流发电机。在一些实施例中，网络900可包括保护装置以在对整个系统最小化退化的情况下隔离故障段或区域。
网络900在船上分配直流功率。如图所示，公共电压总线950为环形。公共电压总线950可根据区域905、910、915使用开关模块970a、970b、970c、970d、970e、970f来划分。在一示例中，开关970a-f可电隔离区域905、910、915的每一个，以使网络900可通过添加或去除隔离区域进行重新配置。在一些示例中，隔离区域905、910、915可提供系统的冗余性和灵活性。例如，在区域905、910、915中的一个或多个中有故障的情况下，供给马达930、935的功率、以及负载940a-c仍然可从另一区域被馈送。在各个实施例中，开关模块970a-f可以是单向或双向的半导体开关、固态继电器等。使用开关模块970a-f，网络900可使发电机920、925、945中的一组或多组绕组与相应处理模块断开连接，和/或使一个或多个处理模块与电压总线950断开连接。在一些实施例中，网络900可将相关联的绕组实质上维持在关断状态而其余各套绕组和模块继续使用有源控制开关矩阵、开关控制信号运行。在一示例中，如果绕组在第N套绕组中发生故障，则系统可用N-1套绕组和相应的N-1个处理模块运行。在某些情况下，电机可在超负载的情况下运行。在另一示例中，如果在处理级的第N个发生故障(例如，由电子元件中的开路或短路引起)，则开关模块970a-f中的一个或多个可被开路以使故障模块与电机中的相关联绕组断开连接，和/或与电压总线断开连接。
在一些示例中，在对转子进行最小化的谐波耦合/加热的情况下，网络900可在具有无源整流器线路电流波形的同时降低谐波损耗。在一些实现中，发电机920、925、和/或945可显著减小或消除对高速有源整流器的需要以降低成本、大小和/或重量。比如，当从有源到无源整流器时，重量减小可高于90％。此外，通过消除在负载转换器上的交流-直流电力电子组块(PEBB)(因为使用直流配电)，可获得对于交流推进驱动装置的平均30％到40％的重量/大小的进一步减小。在一示例中，发电机920、925或945中的一个或多个可具有约28”的高度、约53”的长度、约1865磅的重量、以及约2.37kW/kg或3770kW/m3的功率密度。
使用无源整流器，可以实现高的系统可靠性/耐受性以及较低的运行成本。在一些示例中，可通过使用无源整流器获得更高的系统效率。在说明性示例中，大致为2％的更高效率可使用无源整流器而非有源整流器实现。在一些示例中，系统效率可导致更佳的总燃料效率。
在一些实施例中，发电机920、925、945可在负载点转换器维持受控输出的同时具有更宽的原动机速度范围。如上所述，网络900可以是由冗余(N个整流器)引起的容错系统。通过超过额定值，网络900例如可导致更高的系统可用性(N+1)。通过具有区域发电、配电和智能功率系统管理，单点故障对系统性能可具有有限的负作用，因为网络900可以这种允许退化部分被自动旁路的方式设计。
在所述示例中，发电机920、925、945可具有使用无变压器电网拓扑的并联运行。在一些示例中，发电机920、925、945可任选地包括相间变压器(IPT)。图10示出针对有/没有IPT的反电动势(EMF)波形的不同情况的直流电流的示例性曲线图1000、1020、1040、1080。曲线图100显示R负载的总负载电流以及使用IPT的系统的各个电桥直流电流。曲线图1020显示R负载的总负载电流以及没有IPT和正弦反EMF的系统的各个电桥直流电流。曲线图1040显示R负载的总负载电流以及没有IPT和实际反EMF的系统的各个电桥直流电流。曲线图180显示没有IPT的正弦反EMF、有IPT的正弦反EMF、以及没有IPT的实际反EMF的线路电流。
为改进功率密度，发电机920、925、945可不包括隔离变压器，因为每个绕组套的中性点相互隔离。网络900可包括在发电机920、925、945之间具有最小化的中性点电压偏移的简化接地方案。使用该简化接地方案，网络900可减少具体控制或滤波方案。
在一些实现中，网络900可与可向发电机920、925、945发送主从命令的处理器通过接口连接以指示电压总线950上的电压控制和负载共享。在其它实现中，电压总线950上的电压控制和负载共享可通过在每个负载点转换器上具有压降控制来控制。在一些实现中，发电机920、925、945的工作频率范围可以在12kHz。在一些示例中，直流链路的质量可被改进而无需高频开关IGBT或任何滤波组件。
图11示出能够发电和马达驱动的示例性系统1100。系统1100包括发电级1105、功率处理级1110、以及马达驱动级1115。
发电级1105包括发电机1120以产生交流功率。发电机120可包括具有一串由槽分离开的齿结构的定子。在所述示例中，发电级1105包括四套绕组1125a、1125b、1125c、1125d。绕组1125a-d可在定子的槽中基本对称地排列。绕组1125a-d可包括M相。在此示例中，绕组1125a-d各自包括三相。在其它示例中，M可以是2、3、4、8、或其它大于或等于2的数字。作为示例且非限制，绕组1125a-d各自可与邻近绕组具有15°的相差。在一些示例中，绕组1125a-d中的配置可在运行期间显著减小第一频率范围内磁通的谐波含量。
功率处理级1110包括发电机侧整流器电桥1130a、1130b、1130c、1130d、电容器1135a、1135b、1135c、1135d以及马达侧逆变器1140a、1140b、1140c、1140d。在此示例中，发电机侧整流器电桥1130a-d各自耦合到相应那套绕组1125a-d以从发电机级1105接收交流功率。发电机侧整流器电桥1130a-d各自包括三个输入端。在其它示例中，整流器电桥1130a-d可包括M个输入端，其中M是每个相应绕组中的相数。整流器电桥1130a-d可将所接收的交流功率转换成基本直流功率以供输出。整流器电桥1130a-d各自包括两个输出端。通过输出端，整流器电桥1130a-d各自可连接到相应的电容器1135a-d。
电容器1135a-d各自耦合到相应的马达侧逆变器1140a-d。马达侧逆变器1140a-d可从电压总线接收直流功率并且将交流功率输出到马达驱动级1115。在此示例中，电容器1135a-d可包括用于滤波功率信号中的非期望频率分量的滤波器元件。在其它实施例中，也可使用其它滤波器元件(例如，共模扼流圈)。
在所述实现中，发电机侧整流器电桥1130a-d以及马达侧逆变器1140a-d并联连接。在其它实现中，串联和并联连接的其它组合可用来使发电机侧逆变器电桥1130a-d与马达侧逆变器1140a-d连接。例如，整流器电桥1130a-d以及逆变器1140a-d可分两组连接到公共电压总线，其中每一组如参考图1B所述地并联连接。
作为说明性示例，整流器电桥1130a-b可串联连接，整流器电桥1130c-d可串联连接。在一些示例中，整流器电桥组1130a-b的输出可连接到电容器1135a-b。在一些示例中，整流器电桥组1130c-d的输出可连接到电容器1135c-d。在一些示例中，两个或多个整流器电桥1130a-d和/或逆变器1140a-d可共用例如一公共电压总线。
马达驱动级1115从逆变器140a-d接收交流功率。在所述示例中，马达驱动级1115包括四套绕组1150a、1150b、1150c、1150d。每一绕组1150a-d都可从相应的逆变器1140a-d接收交流功率。马达驱动级1115包括马达1155。在某些示例中，马达1155可从绕组1150a-d接收电功率并输出机械功率。
在一些实现中，高速、大功率应用可对功率电子器件具有相当高的要求，这可显著增加整个系统的成本。通常，驱动装置成本可显著高于电机成本。在一些实现中，用于诸如系统1100之类的系统的配电平台设计师可集中于驱动最优化以及与驱动能力匹配的电机参数。
在一些示例中，系统1100的排列可匹配馈送单套或N套多相(例如5相)定子绕组的N个数目的多个模块。在一些示例中，可基于电流和电压要求选择不同的定子绕组排列。在一些实现中，系统1100可包括独立的高速电机和驱动封装。例如，发电机1120或者马达1155可单独地被替换而不需要修改功率处理级1110。在一些示例中，系统1110可以是节约成本的、高速、大功率的解决方案。
驱动解决方案的一些示例可应用于高速、大功率解决方案中以使用模块化方法实现更高的系统额定功率。为实现更高的速度，在一些实施例中，功率电子器件可在电机相电流中的更高的THD值(例如通过允许较低的开关频率)的情况下运行。
在一些实施例中，一种用于高速发电应用的系统可包括高速交流发电机。例如，这些应用可包括气体涡轮驱动的发电机、用于大型柴油机船舷引擎的排气回收应用的涡轮扩展器、以及用于废热和废气回收应用的涡轮扩展器。
在某些实现中，示例性机载发电系统可包括诸如燃气轮机或蒸汽轮机之类的高速原动机，其直接耦合到高速交流永磁(PM)发电器。在一示例中，发电机的定子包括一套(N)三相绕组。每套三相绕组可馈送三相六脉冲二极管电桥。在其它示例中，发电机的定子包括(N)套(M)相绕组。每套M相绕组可馈送M相、2*M-脉冲二极管电桥。所有N个二极管电桥的输出可例如并联连接，并且馈送主直流链路(例如，电压总线)。在各示例中，直流连接器可馈送可产生所需的输出电压的一个或多个直流/交流和/或直流-直流转换器，这些一个或多个直流/交流和/或直流-直流转换器作为独立的供电设备或者作为配电系统的一部分。
一些实施例可在各种应用中具有一个或多个优点，这些应用诸如是在选择适当的发电系统(例如，船板发电系统和热回收系统)时其大小和/或重量起重要作用的那些应用。
驱动系统的示例性实施例在Raed等人于2006年8月11日提交的题为“Energy Conversion System”(能量转换系统)的美国专利申请60/864,882中描述。作为说明性示例，来自美国专利申请60/864,882的详细描述部分和相应附图部分的公开通过引用结合于此。就任何特定特征在所结合的内容中被描述为重要或必要而言，将理解这些特征引用那个文献并且不旨在应用于在此公开的所有实施例。
虽然已参考附图描述各种示例，但是进一步的实施例也是可能的。作为示例，一些实施例可通过修改定子中的齿和/或槽宽度来调整。改变这些宽度例如可提供绕组线圈之间的可改进定子谐波消除的附加相移(例如，±Δθ)。例如在具有无齿定子配置的实施例中，重叠(例如，遮蔽)绝缘、引线布局(例如，它与电阻、电感、绕组间电容等有关)可被调整以利用或改进例如定子谐波电流消除。
一些实施例可包括N套绕组，每一套绕组具有M相。例如，N可以大于或等于2(例如，2、3、4、5、6、7、8、10、12、15、18、20、21、24、....50或更大)。在一示例中，N可等于每一磁极的线圈数。在另一示例中，N可小于(例如，其一半)每一磁极的线圈数。在一些示例中，M可大于3(例如，3、4、5、6、7、8、10、12、15、18、20、21、24、....50或更大)。在其它示例中，M可以是2或1。在某些实现中，绕组可以是全节距的。在一些其它实现中，一个或多个绕组可基本上具有分数节距。在某些实现中，电机可包括每一极每一相的整数个槽或者每一相每一极的非整数个槽。
一些实施例可包括有源可控的功率电子开关(例如，绝缘栅二极晶体管，IGBT)。其它实施例可包括无源功率电子开关(例如二极管)。在一些实现中，开关矩阵(例如，开关矩阵105a-105n)可串联连接。在一些示例中，开关矩阵的一个或多个的输出可馈送不同负载。在一些实现中，具有N套绕组的单个电机可连接到用于在发电模式中运行的最多达N(例如，N、N-1、N-2等)个开关矩阵(例如，无源或有源可控)，并且还可连接到用于在马达驱动模式中运行的最多达N(例如，N、N-1、N-2等)个开关矩阵(例如有源可控)。在各示例中，用于在发电模式中运行的开关矩阵的数目不需要与用于在马达驱动模式中运行的开关矩阵相同。在一些示例中，有源可控开关矩阵的一个或多个可在马达驱动模式或在发电模式中服务单个电机。
在一些实现中，发电或马达驱动系统(例如系统100或系统150)可包括在电机110与开关矩阵105a-105n之间的无源滤波器元件。例如，系统100可包括开关矩阵105a-105n之后的无源滤波器元件。在另一示例中，系统150可包括在电机110与开关矩阵105a-105n之间的滤波器元件。在一些示例中，系统100还可包括开关矩阵105a-105n之后的有源滤波器元件。在一些实施例中，滤波器元件可具有公共接点。在各种实现中，无源滤波器元件可包括IPT。
在一些实施例中，定子绕组可具有双层绕组或单层绕组。在一些实施例中，定子线圈的一部分可端接于定子的一端并且其余线圈端接于定子的另一端。
在一些实施例中，电功率发电系统(例如系统500)可包括具有定子的线性电机，该定子具有多(N)套多相(M相)绕组以及针对每套多相绕组的电功率开关矩阵。在一些实施例中，电功率发电系统(例如系统500)可包括具有定子的旋转电机，该定子具有多(N)套多相(M相)绕组、多脉冲变压器以及针对每一套多相绕组的电功率开关矩阵。在一些示例中，多脉冲变压器可在马达驱动应用中使用。在其它实施例中，电功率发电系统(例如系统500)可包括具有定子的线性电机，该定子具有多(N)套多相(M相)绕组、多脉冲变压器以及针对每一套多相绕组的电功率开关矩阵。在各个实施例中，气隙磁通谐波消除可应用于各种类型的电机设计，包括例如同步、感应、绕线转子、磁阻、永磁发电机。
一些实施例可通过在相当低的开关频率(例如，二极管电桥的情况下的基频)下开关驱动半导体器件来实质控制与高速电机中的定子谐波电流相关联的损耗。器件中的开关损耗可要求增大的热管理以解决马达和功率电子温度。这可例如降低系统温度从而允许增大的寿命，或者简单地允许来自系统的更多功率容量，这可减少或消除对冷却机构的需要以例如从诸如半导体、母线、和/或电缆之类的驱动系统组件散热。如应用于大功率和中到高电压应用，减小的开关频率通常涉及减小的绝缘额定值以耐受交流驱动器件的重复开关。开关基频(或接近基频)也可减小会不利地影响邻近系统的导电和/或辐射EMI(电磁干扰)发射。这些以及其它问题可简化驱动集成和封装。
在一些重型应用(例如，船舶)中，系统通常需要是容错的。一些方法涉及在线但不分担任何负载的冷贮备单元或热运行模块，或者可包括分担负载的N个单元，其每一个为(全负载+X％)/N。这即使在驱动装置或电机有故障的情况下也允许连续运行(可能无需基于X值的额定值再确定)。
在其中电机110例如被耦合到诸如涡轮之类的高速原动机的一些应用中，总线115上的电压可受原动机上的调速器控制。
在一些应用中，电压总线电路可包括多个各种负载和/或源。电压总线115可提供直流传输以供电例如在船、飞机、或者使用直流公用电网的其它环境(例如无变压器系统)上的配电负载。负载可包括但不限于开关式和/或线性负载、直流到交流负载(例如推进或牵引系统)、直流马达、照明设备、加热、或这些或其它负载的组合。
经空间转换、相分的N套定子绕组与交流发电机的组合使用允许使用简单二极管电桥来将交流转换成直流电压，并且避免对高速、昂贵、庞大、高损耗有源整流系统的任何需要而无需对该电机添加任何其它损耗或者过加热该电机。
虽然无源整流相比有源整流可较便宜，但是使用通常的无源整流器电流波形可失真时间-谐波分量。即五次、七次、以及更高次的基频。电流波形失真可在电机中产生附加的损耗，这可限制系统的功率和/或速度能力。
在典型的有源整流器中，因为电机旋转得更快，所以开关设备通常在更高的频率开关。然而，随着器件更快地开关，它们的开关损耗可增大，这可在开关器件中导致相当大量的散热。此外，开关损耗与器件的运行功率成比例。因此，驱动中的开关损耗可确定整个系统的速度和/或功率能力。
无源整流器中的开关损耗和导电损耗通常小于有源整流器中的相应损耗。如果存在于无源整流器的线路电流中的多余谐波被滤波而没有引起额外损耗，则这给予更高的整体系统效率。
一些发电机应用使用彼此相移的多个三相绕组系统以在气隙磁通分布中实现谐波消除，通常两套三相绕组被相移30度。
多个三相绕组发电机通常包括多套具有单独中性点的正弦分布多相绕组。一些绕组可排列成Y、△、星形或者其它适当配置。每套绕组由具有可变节距因数的每一极每一相多个线圈的排列构成。
更高速度电机通常具有减小的大小和重量。这获得更高的功率密度并且因此更困难的热管理问题。类似于开关器件，电机可被过大化或者热管理系统被改进以保护电机免于过热。然而，活性材料的固有减少偏移过大化电机的成本或者为电机实现更有效的热管理系统的成本。
与高速电机不同，功率电子器件的大小或额定值没有减小来抵销经改进的热管理方案的成本，甚至功率电子器件的大小和额定值有增大以处理与高速运行相关联的损耗。这归功于在包括高频整流以及反转到通常的行频时，功率电子器件的成本约为电机的两到三倍的事实。在与增大的电机成本保持平衡时，功率电子的最优化和简化可例如显著减小所有权的总成本。例如，电流波形失真的减小可减小功率电子器件中的损耗和/或电机中的损耗。此外，简化和减小的组件数可有利地改进与预期FIT(失效次数)率相关联的总体系统可靠性。
一般而言，一些实施例包括与高速原动机、电机单元(例如，高速永磁电机)以及高频(例如，显著高于120Hz基频)多脉冲(6N)变压器一起使用的系统，该变压器具有一个三相初级绕组和馈送N个三相无源整流器电桥的多个三相次级绕组。此实施例可在使用无源整流器而无需有源整流器系统或对电机定子绕组的任何修改时在电机的气隙磁通中实现低次谐波消除。
用于高速、大功率密度、高极数系统配置的示例性拓扑可在最小化驱动成本的同时解决对半导体的技术限制，该技术限制包括但不限于冷却技术。在一些实施例中，冷却可包括传热流体(例如，液体、气体、或其组合)在转子与定子之间的间隙中的轴向流动，和/或使用传热流体流的端匝冷却。作为示例而非限制，间隙中的流体的大部分可包括甲烷、氢、氮、天然气、油、或这些和/或其它流体的组合，这些流体可以是或可以不是易燃的。例如，冷却系统可包括通过气隙的强迫轴向气流以及独立的气帘以冷却在转子的任一端或两端的端匝。这种系统的示例在Saban等人于2007年3月15日提交的题为“High-Speed，Sleeved Rotor for Permanent Magnet Electric Machines”(用于永磁电机的高速套管转子)的共同待审临时专利申请美国临时专利申请60/895,025中描述，该临时专利申请的内容通过引用结合于此。一些示例可包括套管转子和/或定子组件的保护以使它们与气隙中的介质隔离。在一示例中，转子套管可附着于定子并且随它旋转，并且可延伸转子的整个长度或者转子长度的仅一部分。在一些示例中，定子套管可固定在定子上并且通常完全隔离定子。
一些实施例包括用于通过控制电感、气隙以及绕组配置来允许定子用用对存在于相电流中的谐波的滤波器的将电机定子配置为滤波器的示例性拓扑。这减轻在连接到无源整流器电桥之前外部过滤器对电机的使用。拓扑可包括基于使用每一极每一相单线圈的高速交流电机定子绕组配置。这样的配置可对在电机电磁设计期间延伸电流/电压设计权衡中灵活性的同时经济地实现N＞2而无需对电机添加显著复杂性和成本提供益处。
在发电机中具有N套M相绕组的实施例可在转换器侧或电机侧上有故障或它们两侧上有故障的情况下提供容错以及连续运行，每一套M相绕组馈送一专用M功率电子转换器(例如，无源二极管电桥)。重新确定额定值将取决于各个转换器块和各套电机绕组的大小确定。
就减小的大小、重量和覆盖区域而言，高速电机属性可以在功率电子和辅助设备侧上匹配。系统拓扑提供系统隔离和冗余而基本上无需隔离变压器、电流共用反应器或相间变压器(IPT)，虽然这些元件可被结合以提供灵活范围的已知功能。
已公开了多个实施例。然而，将理解可进行各种修改。例如，如果公开技术的步骤按不同顺序执行、如果公开系统中的组件以不同方式组合、或者如果组件被其它组件代替或补充，则可实现有利结果。因此，其它实现在本说明书的范围之内。

Claims (23)

1.一种能量处理系统，其包括：
电机，所述电机包括：
定子，其多个绕组位置基本均匀地分布在所述定子的表面上；以及
多个导体，所述多个导体形成为基本对称地排列在多个绕组位置中并且连接的多个线圈以形成N套M相绕组，N、M为大于零的整数，其中对于所述N套M相绕组中的每一个，所述线圈各自跨越单个极以形成全节距绕组，并且其中所述N套绕组各自相互显著偏移以便于显著减小运行期间在第一频率范围内的磁通的谐波含量；以及
处理级，所述处理级包括与N套绕组的每一个相对应的N个独立的模块，所述N个模块各自具有用于连接到所述相应M相绕组的每一个的M个输入端、并且具有第一和第二输出端，其中所述N个模块的每一个的所述第一和第二输出端可连接到电压总线的第一节点和第二节点。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电机包括线性电机。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电机包括旋转电机。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括接口以允许能量在电压总线与配电系统之间传递。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述配电系统包括船载配电系统。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述船载配电系统包括DC(直流)配电系统。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述模块各自包括滤波器。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述模块各自包括桥式整流器。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述模块各自包括有源开关矩阵。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电压总线包括DC(直流)电压总线。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定子还包括在相邻绕组位置处的绕组之间的齿结构，所述多个齿结构各自具有基本相同的大小。
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个绕组位置各自包括一槽，所述槽各自具有基本相同的宽度。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一频率范围包括显著小于所述电机中电子基频的谐波的频率，其中所述基频的谐波数是两倍的M乘以(N-1)。
14.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电机还包括与所述定子分隔开一间隙的永磁转子。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述间隙在运行期间用流体至少部分地填充。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述间隙中的流体包括易燃流体。
17.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述N个模块的每一个的第一和第二输出端在所述电压总线的所述第一节点与所述第二节点之间串联连接。
18.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述N个模块的每一个的第一和第二输出端在所述电压总线的所述第一节点与所述第二节点之间并联连接。
19.如权利要求1所述的系统，其中所述N套M相绕组在运行期间传送在邻近绕组位置之间的电相差为π/(M*N)的电流。
20.一种用于提供电机能量转换的方法，所述方法包括：
提供电机，所述电机包括：
定子，所述定子具有由相应的多个槽隔离开的一组齿结构；以及
多个导体，所述多个导体形成为基本对称地排列在多个槽中并且连接的多个线圈以形成N套M相绕组，N、M为大于零的整数，其中对于所述N套M相绕组中的每一个，所述线圈各自跨越单个极以形成全节距绕组，并且其中所述N套绕组各自相互显著偏移以便于显著减小在运行期间在第一频率范围内的磁通的谐波含量；以及
使用处理级处理在所述电机与电压总线之间的能量，所述处理级包括与N套绕组的每一个相对应的N个完全独立的模块，所述N个模块各自具有用于连接到所述相应M相绕组的每一个的M个输入端、并且具有第一和第二输出端，其中所述N个模块的每一个的所述第一和第二输出端可连接到所述电压总线的第一节点和第二节点。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括使用第二电机代替所述电机，所述第二电机具有N2套M相绕组，N2和M为大于零的整数，其中对于所述N2套M相绕组的每一个，所述线圈各自跨越单个极以形成全节距绕组，并且其中所述N2套绕组各自相互显著偏移以便于显著减小在运行期间在第二频率范围内的第二磁通的谐波含量。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，还包括使用第二处理级代替所述处理级，所述第二处理级包括N2个模块，所述N2个模块具有用于连接到相应M个绕组的每一个的M个输入端以及第一和第二输出端，其中N2个模块的每一个的第一和第二输出端可连接到所述电压总线的所述第一节点和所述第二节点。
23.如权利要求20所述的方法，其中所述绕组在运行期间传送在邻近绕组位置之间的电相差为π/(M*N)的电流。
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