CN102332766A - 用于供电和充电的混合电气设备的交流电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于供电和充电的混合电气设备的交流电动机，所述电动机由一个与电网连接的定子形成，该电网的相数小于所述电动机的相数，所述电网的所述充电电流通过将与所述电网的一个相连接的所述定子的每个相分成两个半绕组的连接点注入，所述电动机的特征在于一个相的每个半绕组包括多个绕制在一起的线圈以减小所述连接点处的每个半绕组的磁链，从而使得在所述设备的充电模式下在所述连接点处存在明显非零电感。

Description

用于供电和充电的混合电气设备的交流电动机

技术领域

本发明涉及一种用于供电和充电的混合电气设备的交流电动机，从而可以通过可充电电池组为电动机或者发电机供电。

该发明将有利地在电动或混合动力汽车领域中找到应用，在电动或混合动力汽车中，电池组能够通过逆变器为电动机供电，并且当汽车停止时，电池组能够通过交流电网重新充电。

然而，虽然根据本发明的电气设备是为这样的应用而设计的，但是也可以应用在其他领域中，特别是在风能发电和水力类型的发电设备中。

背景技术

通常，电动汽车或混合动力汽车包括一个牵引系统，牵引系统由高压可充电电池组形成，高压可充电电池组提供直流电到一个逆变器，该逆变器将该直流电转换为交流电，从而可为旋转电机型的电动机供电，电动机使汽车行驶。

为了给这些高压电池组再充电，众所周知的方法是将汽车安装到机载充电设备，该充电设备实质上包括一个交流-直流转换器，从而使得民用电网的交流电力转变为对电池组充电的直流电力。

通常，充电设备也可以包括一个用于限制电网上的谐波抑制的功率因数校正器。

一方面电力系统的电子元件，同时另一方面充电系统的电子元件都是昂贵的。另外，电动机的供电和电池组的充电发生在不同的相上，因此在申请EP0603778和WO97/08009中，提出了再利用电动机和用于为电动机供电的元件的一部分以组成对电池组充电的设备。

因此，用于对电池组充电的设备使用逆变器以形成交流-直流转换器，并且使用电动机的线圈以形成电感。从电动机供电模式到电池充电模式的转变通过具有电力接触器的开关元件切断中性点的连接来实现。

然而，电力连接器的使用还在问题，因为要确保来自电机的电流通过，它们的尺寸必须很大。为了克服这一缺陷，一种解决方案在于制造具有结合了H桥的开关元件的结构。

然而，在上述的两个情况中，为了对电网的电流进行整流，作为电感的电动机的相的使用会导致电动机转子的损坏。详细地，该电感被电网的交流电磁化从而产生磁场。这些磁场作用在转子上，转子可能开始运动，例如通过振动甚至根据该磁场和转子的特性开始转动。在电动汽车中使用混合电气设备的情况下，运动中的这一设置同时引起舒适性和安全性的问题，即使后者可与用于在充电过程中对电机的齿轮组(train)进行去耦的系统适配。

为了克服这一缺陷，一种解决方案在于制造静态补偿，该静态补偿包括注入充电电流至定子的至少一个绕组，该定子通过使用一个附加的连接点与电网的一个相连接，附加的连接点叫作中间点。

该定子的一个绕组通常包括多匝形成的多个线圈。

该中间点将定子的相绕组分为两部分，从而通过该中间点注入的充电电流被分为通过每个半绕组朝着相反方向流动的两路电流，每个半绕组包括相同的匝数。

通过向相绕组的中间点注入充电电流进行补偿的解决方案导致磁动势被抵消，并且两个半绕组之间的电感也被抵消。至此明显还存在的是与线圈的缺陷有关的很弱的漏电感。

电动机的电感太小，使得控制充电电流很难，特别是因为歇振频率(quench frequency)下显著的电流转换。

发明内容

在本文中，本发明的目的是提供一种设备的交流电动机，使得可以对电动机供电，并通过使用电力系统的元件，即电动机和逆变器的元件对电池组再次充电，并使电动机包括使得可以在中间点获得明显电感的定子绕组，该电感足够强以克服上述的缺陷，同时不用在充电模式设置运动中的转子。

为了这个目的，本发明提供了一种用于供电和充电的电气设备的交流电动机，所述电动机由与电网连接的定子组成，该电网的相的数量小于所述电动机的相的数量，所述电网的所述充电电流通过一个连接点而注入，该连接点将连接至所述电网的相的所述定子的每个相分为两个半绕组，所述电动机的特征在于该定子的一个相的每个半绕组包括多个线圈，该多个线圈被绕制以使得减小所述连接点处的每个半绕组的磁链，从而在所述设备的充电模式中所述连接点处存在有明显的非零电感。

例如，相的线圈分布在该相的连接点的每一边，从而减小该连接点处的半绕组的磁链。

在具体的例子中，耦接的线圈，甚至是强耦接的线圈都一起位于相对于该连接点的同一侧。换句话说，耦接的线圈，甚至是强耦接的线圈都一起属于同一个半绕组。另外，未耦接的线圈，或者甚至弱耦接的线圈都一起位于相对于该连接点的不同侧。换句话说，未耦接的线圈，或者甚至弱耦接的线圈都一起属于不同的半绕组。

例如，每个线圈被分布在一些槽中。属于不同的半绕组的一个相的两个线圈分布在分别位于该连接点的每一侧上的槽中。

例如，每个半绕组包括至少两个彼此反向绕线的线圈，从而减小一个相的两个半绕组之间的磁链。在具体的例子中，每个半绕组包括偶数个线圈，每个线圈具有相应的反向绕线的线圈。

因而，根据本发明的绕组的模式使得可以在充电模式中在该连接点处获得明显电感的高值而不需要在充电模式设置运动中的转子。

因此该定子的每个相的半绕组的去耦合使得可以改进设备的电池组的充电和对于充电电流的控制。

具体来说，充电期间的明显电感增大了，并且变得比线圈的漏电感更大。具体来说，该明显电感对应于电动机的有效电感。例如，充电模式下连接点处的明显电感在1mH(毫亨)和100mH之间。

除了上文已经提及的主要特性，单独或以所有可能的技术组合考虑，根据本发明的交流电动机可以具有一个或更多个以下的其他特性：

-每个半绕组由串联绕制的n个线圈形成；

-每个半绕组由串联绕制的n’/2组线圈形成，每组包括并联绕制的n个线圈；

-每个半绕组包括相同的匝数；

-一个相的每个半绕组在所述定子的直径方向上相对，从而减小一个相的两个半绕组之间的磁链；

-所述定子在它的外围包括气隙(air gap)，从而可减小一个相的两个半绕组之间的磁链；

-所述电动机包括一个转子，该转子包括开口和/或气隙，从而可增加所述定子的每个相的两个半绕组之间的磁阻。

本发明进一步的主题是用于供电和充电的混合电气设备，包括根据本发明的连接到电网的交流电动机、逆变器和储存电能的元件。

优选地，该电气设备也包括一个直流-直流转换器。

附图说明

参考作为非限制性实例的附图阅读详细的示范性实施例，本发明将得到更好的理解，其中：

-图1示意性地表示根据本发明的安装于电动汽车中的包括电动机的用于充电和供电的混合电气设备；

-图2示意性地表示根据本发明的将电动机的三相电动机定子绕线的第一模式；

-图3示意性地表示在三相定子上的图2所示的绕制模式的示范性实施例，其具有两对磁极，绕组分布在两个槽中；

-图4示意性地表示根据本发明的将电动机的三相电动机定子绕线的第二模式；

-图5示意性地表示根据如图4所示的绕组的第二模式的具有四个磁极的串-并联绕组的定子的绕制的例子；

-图6示意性地表示根据图5所示的绕制例子进行绕制的定子；

-图7示意性地表示根据图5所示的绕制例子进行绕制的定子的第二实施例；

-图8示意性地表示根据本发明的将电动机的三相电动机定子绕线的第三模式；

-图9示意性地表示具有根据图8所示的第三绕制模式绕制的两对磁极的定子，其中每个半绕组磁独立于第二个半绕组；

-图10示意性地表示根据本发明的电动机，包括具有开口的转子和根据图5所示的绕制例子进行绕制的定子；

-图11示意性地表示没有连接点的示范性分布式绕组；

-图12示意性地表示根据现有技术的具有连接点的分布式绕组。

具体实施方式

图1以常规的方式示出了用于供电和充电的混合电气设备100，其由可充电电池组110、逆变器120和根据本发明的电动机130构成，从而既可以在充电模式下从三相电网200对可充电电池组110充电，又可以在供电模式下对三相电动机供电以使其转动。

优选地，该逆变器对于电动机的每个相具有H桥结构，从而当电池组被充电时可保持电动机每个相的中性连接；然而，该逆变器可以通过一种更加常规的方式，用三相桥和电力接触器式的开关元件制成，从而从为电池组110充电的模式转换至为电动机130供电的模式。

设备100还可以在逆变器120和电池组110之间包括一个DC/DC(直流-直流)转换器140，从而使得将为电力电网200供电的电压适配于电池组110的特性，从而优化逆变器120的尺寸，而不降低设备100的性能。

最终，该设备100也包括连接装置150，以在电池组需要充电时将设备100连接到电网200。

在本申请余下的部分中，重点将特别放在由一个转子和一个定子组成的交流型电动机130上和交流电动机130的定子的绕制方法上。该电动机的定子可以不需要区分是永磁转子、励磁线圈转子或其他鼠笼式(squirrel cage)转子。

通常，当设备100处在充电模式时，用于充电和供电的混合设备100的交流电动机130的定子包括至少两个连接于电网的相的绕组。

在单相充电网络的情况下，该定子包括两相绕组，而在三相充电网络的情况下，该定子包括至少三相绕组。

因为三相电动机是工业和如图1所示的电动汽车牵引系统中最广泛应用的电动机，所以将会重点描述三相电动机的各种绕制模式。然而，本发明并不限定于三相电动机，而是也可以类似地应用于多相电动机或单相电动机。

图2是表示一个三相电动机定子的第一绕组原则的示意图，定子的三相标记为A、B和C，结合连接点A0、B0和C0，以便注入充电电流，从而可避免充电模式下转子的运动。

在这个第一实施例中，该定子被绕制为使得与网络的一相连接的定子的每个相由串联绕制的2n个线圈形成。每个相的每个线圈参与形成定子的各个磁极。设置该连接点A0、B0、C0以便它们将每个相绕组A、B、C分为分别包括两个连接点a-a’、b-b’、c-c’的两个半绕组或两个半线圈，两个连接点a-a’、b-b’、c-c’优选连接于如图1所示的逆变器120的分支。

优选地，该连接点A0、B0、C0是每个相绕组的中间点，并且设置成使两组线圈中的每组包括n个串联的线圈和相同的匝数。

使用第一绕制模式，在中间点A0、B0、C0局部地注入的充电电流在彼此相对的绕组中产生磁动势。

另外，相A、B、C的每个半绕组包括多个连接在一起的线圈以降低连接点A0、B0、C0处的每个半绕组的磁链，以使在充电模式中在该中间点处存在非零的明显电感。特别地，该明显电感大于线圈的漏电感。例如，线圈如图3所示绕制。

每个半绕组的特定电感不会互相抵消，从而在中间点A0、B0、C0处获益于充电模式下非零的明显电感，该非零明显电感比与线圈的缺陷有关的漏电感大得多。

图3示出在三相定子上的上面图2中描述的绕制模式，定子具有两对磁极，磁极具有分布在槽中的绕组。在这个例子中，每个磁极由包括两匝的每个相的线圈的结合构成。图3也示出如何根据图2所示的绕制模式连接中间点A0、B0、C0到每个相A、B、C上。从而，在充电模式下，分量为2iA、2iB、2iC的三相充电电流通过中间点A0、B0、C0在连接到三相电网的定子的每个相上注入，并且按图3所示的箭头的方向分配。

通过参考图11和12，将更好地理解根据本发明的图3的例子。

图11示出一个分布式绕组的例子。第一绕组通过其端子A10、A11供电。第二绕组通过其端子A20、A21供电。该两个绕组没有共同的连接点。

图12示出根据现有技术的具有连接点O的分布式绕组。连接点O处的输入电流被分为流过第一半绕组到达端子a的第一电流和流过第二绕组到达端子a’的第二电流。我们注意到属于不同的半绕组的线圈位于相对于连接点O的同一侧。这些线圈强耦接但属于不同的半绕组。因此，图12中示意性的绕组不能够获得大于线圈漏电感的明显电感。

图4是表示一个三相电动机的定子的第二绕制原则的图，其中三相标记为A’，B’和C’，结合中间点A0’，B0’和C0’用于充电电流注入，并可避免充电模式下转子的运动。

在第二实施例中，定子的绕组包括串联的n’组线圈，n’组线圈中的每一组由并联绕制的n个线圈形成。

这样的绕组，即如图所示的所谓串-并联绕组的优点，使得可以在开始时制造具有小的横截面的导体的绕组，因为充电电流以平衡的方式分布在与绕组并联的各个分支中，这使得绕组的操作更容易。

设置连接点A0’、B0’、C0’，使得它们把绕组分成两个半绕组，每个包括几组并联的n个线圈。根据一个优选实施例，连接点A0’、B0’、C0’是定子的相绕组的中间点。这种情况下，设置连接点A0’、B0’、C0’以把相绕组分为两个对称的半绕组，对称的半绕组在每一侧上具有相同数目的线圈并在每一侧上形成相同数目的磁极对，也就是说(n’.n)/2个磁极。通过类似于前一绕制模式的方式，相绕组a-a’、b-b’、c-c’的端子的连接点优选连接到如图1所示的逆变器120的分支。

另外，相A、B、C的每个半绕组包括连接在一起的多个线圈以减小连接点A0、B0、C0处的每个半绕组的磁链，从而在充电模式下在中间点处存在非零的明显电感。特别地，该明显电感大于线圈的漏电感。例如，线圈如图5、6、7、8或9绕制。

如图所示的串-并联绕组因此可以使得中间点的每一侧上的两个半绕组磁力去耦。这样，两个绕组的互感会弱，这使得可以获得充电模式所需要的中间点处的高的明显电感。

半绕组的去耦也可以通过在定子上物理上移动两个半绕组更远或更近来增强或减弱，从而定子铁芯的磁阻参与到两个半绕组的去耦中。

为了这个目的，图5示出定子的绕制的例子，定子具有串-并联绕组，串-并联绕组具有8个磁极(即4对磁极)，其中一个相绕组的每个半绕组在直径方向上分开。

在图5中，可看出接近于线圈的圆点规定了为了这个目的而提供在定子上的槽中绕组的绕组方向。

图6示意性地表示根据图5的例子绕制的定子300，其中第一半绕组的线圈与第二半绕组的线圈在直径方向上分开。

标记L1表示在顺时针方向上隔开四分之一周的两线圈A1、A2之间的互通量，而标记L2表示两个在直径方向上相对的线圈A1、A3之间的互通量。

两个在直径方向上相对的线圈A1、A3之间的磁阻大于在顺时针方向上隔开四分之一周的两个线圈A1、A2之间的磁阻。因此互通量L1大于互通量L2。从而，在顺时针方向上隔开四分之一周的两个线圈A1、A2强耦接，而两个直径方向上相对的线圈A1、A3弱耦接。

这样，在相A中，线圈A1、A2属于相同的半绕组，而直径方向上相对的线圈A1、A3属于不同的半绕组。

类似的线圈分布适用于其他相B、C。

基于另一实施例，两个半绕组的去耦能够通过在定子400上增加气隙而增强，如图7所示。

图7示出根据本发明的电动机的一个例子，包括根据图5所示的绕制例子进行绕制的定子。气隙由隔离物170规定，隔离物170优选是非磁或非金属材料。隔离物170的长度决定了气隙的宽度。

就相A而言，相对于图6中例子，气隙增大了线圈A1、A3之间的磁阻。从而，与图6中的例子相比，线圈A1和A3再次更加弱地耦合。因此相对于图6的例子，在连接点处的每个半绕组的磁链减小。

最终，转子的设计也可以额外参与到两个半绕组的去耦中，特别地通过设置磁铁所需的开口、通过气隙的存在或通过在转子中有意附加的开口，来增大定子的两个半绕组之间的磁阻。

图10示出根据本发明的电动机的一个例子，其中转子600的设计参与到一个相的两个半绕组的去耦中。该转子600包括位于半径方向的开口610。在特定的例子中，开口610包括磁铁。

在图10的例子中，线圈如图5被绕制。就相A而言，相对于图6中的例子，开口610增加了线圈A1和A3之间的磁阻。这样，与图6中的例子相比，线圈A1和A3更加弱地耦合。因此相对于图6中的例子，在连接点处的每个半绕组的磁链减小。

图8是表示一个三相电动机定子的第三绕组原则的示意图，其中三相标记为A”、B”和C”，结合中间连接点A0”、B0”和C0”用于充电电流注入，并使得在可充电模式下避免转子的运动。

在每一个半绕组中，通过该半绕组中线圈的反向绕线，线圈具有彼此补偿的磁通量。因此，在相的连接点处的每个半绕组的耦合减小，甚至为0。

就相A而言，在半绕组中，线圈反向绕线。半绕组中的线圈流过完全相同的电流。这样，线圈A1的磁通量补偿线圈A1’的磁通量，而线圈A2的磁通量补偿线圈A2’的磁通量。在连接点A0处的每个半绕组的磁链因此而减小，甚至为0。

如图所示的绕组使得可以获得其中相是磁独立的定子，这使得可以获得相之间的零值的互感。

这种绕组要求定子包括两倍于传统绕组的齿数，而定子的直径却保持不变，因为每个齿包括传统绕组一半数目的匝数。

定子500上示出的绕组具有两对磁极，其中每个半绕组磁场独立于第二个半绕组，参照图9所示。

主要针对三相电动机描述了本发明；然而，本发明也可以通过演变而应用于多相电动机。

主要与三相型的民用电网一起描述了本发明；然而，本发明也可以通过演变应用于单相电网。

主要描述了本发明在电动汽车中的应用；然而，本发明也可以应用在其他领域，特别是风能和水力的发电设备中。

本发明的其他的优点特别如下：

-改进充电模式下电流的滤波；

-增强对于供电模式下单极分量的控制；

-提高在电动机的一个相失败情况下电动机的容限。

Claims (13)

1.用于供电和充电的混合电气设备(100)的交流电动机(130)，所述电动机(130)由连接到电网(200)的定子(300，400，500)形成，所述电网(200)的相数小于所述电动机(130)的相数，所述电网(200)的所述充电电流通过将与所述电网的一个相连接的所述定子的每个相分成两个半绕组的连接点注入，所述电动机(130)的特征在于：一个相的每个半绕组包括多个绕制在一起的线圈以减小所述连接点处的每个半绕组的磁链，从而使得在所述设备(100)的充电模式下在所述连接点处存在明显的非零电感。

2.根据权利要求1所述的交流电动机(130)，其特征在于每个半绕组由串联绕制的n个线圈形成。

3.根据权利要求1所述的交流电动机(130)，其特征在于每个半绕组由串联绕制的n’/2组线圈构成，所述每组线圈包括并联绕制的n个线圈。

4.根据权利要求1至3中的一个所述的交流电动机(130)，其特征在于每个半绕组包括相同的匝数。

5.根据权利要求1至4中的一个所述的交流电动机(130)，其特征在于一个相的每个半绕组在直径方向上相对布置在所述定子上以减小一个相的两个半绕组之间的磁链。

6.根据权利要求1至5中的一个所述的交流电动机(130)，其特征在于所述定子(400)包括位于它的外围处的气隙，从而能够减小一个相的两个半绕组之间的磁链。

7.根据权利要求1至6中的一个所述的交流电动机(130)，其特征在于所述电动机包括转子(600)，转子(600)包括开口(610)和/或气隙，从而能够增大所述定子的每个相的两个半绕组之间的磁阻。

8.根据权利要求1至7中的一个所述的交流电动机(130)，其特征在于一个相的线圈分布在该相的连接点的每一侧上以减小该连接点处的半绕组的磁链。

9.根据权利要求1至8中的一个所述的交流电动机(130)，其特征在于每个线圈分布于一些狭槽中，并且其特征在于属于不同半绕组的一个相的两个线圈分布于分别位于连接点的每一侧上的狭槽中。

10.根据权利要求1至9中的一个所述的交流电动机(130)，其特征在于每个半绕组包括至少两个互相反向绕线的线圈以减小一个相的两个半绕组之间的磁链。

11.根据权利要求10所述的交流电动机(130)，其特征在于每个半绕组包括偶数个线圈，每个线圈具有相应的反向绕线的线圈。

12.用于供电和充电的混合电气设备(100)，包括：

-根据权利要求1至11中的一个所述的连接到电网(200)的交流电动机(130)；

-逆变器(120)；

-储存电能的装置(110)。

13.根据权利要求12所述的用于供电和充电的混合电气设备(100)，其特征在于其包括直流-直流转换器(140)。

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