CN105576921A - 可动态重构的电机、电机系统及电机动态重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明与电气传动和控制有关，特别是和电动机和发电机的新型结构，及用电力电子设备来驱动和控制电动机和发电机的方法有关。本发明采用可动态重构的电机，该电机包括一个转子，一个磁耦合到转子并有多个槽和多个绕组的定子，其中每个绕组被安置于两个对应的槽中，当电流流过绕组时形成多个磁极，每对磁极有多个相，且所述绕组的配置使得磁极数和相数可动态调整。本发明所述可动态重构的电动机和发电机系统可以通过对磁极数和相数动态调整，从而优化系统并降低成本。

Description

可动态重构的电机、电机系统及电机动态重构方法

技术领域

本发明与电气传动和控制有关，特别是和电动机和发电机的新型结构，及用电力电子设备来驱动和控制电动机和发电机的方法有关。

背景技术

电机(包括电动机和发电机)广泛用于能量转换和为设备提供动力。许多应用要求电动机和发电机运行在变速状态。电力电子设备也广泛应用于变速系统中，如工业传动，电动汽车，柴油发电机组，和风力发电等。人们强烈希望在这样的系统中能提高效率，同时减小尺寸并降低成本，特别是对电动汽车及其它运输设备这些技术要求高的应用而言。

不幸的是，迄今为止在变速系统中,电动机，发电机和电力电子设备通常采用的是各自领域的标准技术，并没有为取得最佳效果来做统一优化。例如，目前绝大多数电动机和发电机采用了三相结构，与它们一同工作的电力电子设备也只好采用三相结构。因此，需要重大改进来进一步优化系统的性能并降低成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种可动态重构的电动机和发电机系统，其可以通过对磁极数和相数动态调整，从而优化系统并降低成本。

为解决以上技术问题，本发明提供的第一方面的技术方案为采用可动态重构的电机，该电机包括一个转子，一个磁耦合到转子并有多个槽和多个绕组的定子，其中每个绕组被安置于两个对应的槽中，当电流流过绕组时形成多个磁极，每对磁极有多个相，且所述绕组的配置使得磁极数和相数可动态调整。

优选的，相数是由流经绕组的电流来确定的。

优选的，磁极数是由流经绕组的电流来确定的。

优选的，绕组为一多匝线圈。

优选的，相数根据磁极数变化进行调整。

另外，本发明提供的第二方面的技术方案为采用可动态重构的电机系统，该系统包括一个具有一个定子的电机和一个电力电子系统，所述定子具有多个槽，并且每个槽放有多个导体以构成绕组的一部分，且绕组的配置使得所述电机的相数和磁极数可以被动态调整；所述电力电子系统包括一个控制系统和多个功率变换器，每一功率变换器被耦合到一个对应的绕组，而控制系统被如此配置使得所述电机的相数和磁极数可以被动态调整。

优选的，控制系统根据电机的速度来确定磁极数。

优选的，控制系统根据磁极数来确定相数。

优选的，绕组电流的频率根据电机的速度进行调整。

优选的，每个功率变换器被耦合到相对应的安置于两个槽中的绕组。

优选的，功率转换器被放置到一个与定子有机械联接的衬底，并且所述衬底具有一开孔，一个功率变换器通过此孔与一个定子的绕组耦合。

优选的，在某一工作模式下，若干功率变换器停止工作。

优选的，当有功率变换器停止工作时，控制系统对系统运行进行调整。

优选的，当一个功率变换器或一个与之耦合的绕组出现故障，引致该功率变换器停止工作的时候，系统在故障下继续运行。

优选的，一个功率转换器工作于待机模式，作为正常工作的功率变换器的备份。

另外，本发明提供的第三方面的技术方案为采用一种电机动态重构的方法，该方法包括提供一个有多个功率变换器和一个控制系统的电力电子系统和一台有多个绕组的电机，其中每个绕组放置于两个槽中，并控制电机的绕组电流使得电机在较高的速度时有较低的磁极数，在较低的速度时有较高的磁极数，并且一对磁极中的相数根据磁极数的变化而动态调整。

优选的，控制系统中的一个表格将一个槽映射到某一对磁极和某一相。

优选的，轻载时控制一个变换器进入停机或待机状态。

优选的，当一个变换器或其耦合的绕组出现故障时，控制该变换器进入停机状态并保持系统运行。

优选的，电机的速度通过磁极数，相数和绕组电流的频率来协调控制。

本发明提供的可动态重构的电动机和发电机系统可以通过对磁极数和相数动态调整，从而优化系统性能并降低成本。

附图说明

图1展示了具有三相电动机和电力电子系统的三相驱动系统；

图2展示了依照本发明实施例给出的具有一个多相电动机和电力电子设备的多相驱动系统；

图3展示了依照本发明实施例给出的多相驱动系统的控制系统；

图4展示了依照本发明实施例给出的一个含可按槽重构的电动机和基于槽变换器的电力电子系统的基于槽的驱动系统；

图5展示了依照本发明实施例给出的一个可按槽重构的电动机的定子的连接端；

图6展示了依照本发明实施例给出的一个可按槽重构的电动机的定子的短接端；

图7展示了依照本发明实施例给出的用于图4中所示的驱动系统的控制系统；

图8展示了依照本发明实施例给出的一个双电平槽功率变换器；

图9展示了依照本发明实施例给出的一个三电平槽功率变换器；

图10展示了依照本发明实施例给出的一个封装技术的实施例；

图11展示了依照本发明实施例给出的双馈驱动和发电系统；

图12展示了依照本发明实施例给出的一个电动机的双极15相构造下的绕组图；

图13展示了依照本发明实施例给出的一个电动机的6极5相构造下的绕组图；

图14展示了依照本发明实施例给出的一个电动机的10极3相构造下的绕组图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明将在特定的背景，即在电动机和电动机驱动系统中，辅以优选实施例来进行描述。然而，本发明也可应用于各种其它电机与电机控制系统，包括发电机，整流器和逆变器，和它们的任意组合。此后，各种实施例将参考附图进行详细说明。

一个变速系统通常控制一个电动机在或接近其同步速度运行。交流电机(电动机或发电机)的同步速度是由电源的频率和电机的极数根据以下关系来确定：S＝60f/p，其中S代表同步速度，单位是rpm，f代表电源频率，单位是Hz，P代表电动机或发电机的磁极对数。

大多数变速应用以改变电源的频率为主要的控制方法，但保持磁极数不变。如果速度范围宽，频率范围也宽。不幸的是，电力电子设备和电动机(及发电机)，都不擅长工作于宽的频率范围。低频工作和高频工作对功率转换器，电动机和发电机的设计都会带来重大的挑战。这通常会导致性能不能最优，并增加系统的成本，体积和重量。另外，几千瓦以上的电动机和发电机通常使用固定磁极数目的三相结构，如图1所示，其中，三相电力电子系统110被用于驱动三相电动机150。一个三相电动机具有转子，定子，和一个由三个相绕组组成的三相绕组(每相一个相绕组)。在大功率应用中，每个环节都需要应对高电压和高电流，这不仅增加了电动机和系统对绝缘和电缆的要求，也强制电动机的绕组，及电力电子设备中的转换器和/或功率器件以并联和/或串联的方式连接。由于功率半导体器件使用并联或串联需付出额外的代价，如此的并联或串联连接将进一步增加成本和电力电子设备的复杂性。同时，当电动机里不同槽位的绕组串联时，由于不同槽位里绕组电压的相位不同,相电压可能显著小于这些绕组的电压的算数和，也就是说绕组的电压能力不能充分利用，电动机的体积和重量也就不能优化。

为了缓解这一问题，在高功率应用中可以增加相数，使得每相只需要处理较低的功率以便更容易处理功率半导体开关，且每相绕组也不需要很多槽位的绕组来串联。这种系统如图2所示，其中一个多相电力电子系统108为多相电动机160提供电源。相绕组的数量大于3，所以每一个相绕组和相关的电力电子部件处理的功率较在一个三相系统中更低。在m相系统的相邻相的电压和电流具有360°/m的相位移，其中m表示系统中的相数。物理上，m相绕组被均匀地分布在一对磁极之间。图2展示的是一个6相系统，及分布在一对磁极(两个磁极)的区域内的六个绕组。六相绕组分别被标记为A，B，C，D，E和F。在不同磁对之间的同相绕组可以被串联或并联(图中未示出)，使得与电源的互联能够更加容易。图3示出了一个多相系统的控制系统的框图。系统控制器111提供系统控制功能，并且可输出系统参数，例如速度，转矩，输出功率等。该模块的输出作为电力电子子系统的基准值，其中包括频率，电压或电流的基准信号。112是功率转换器的补偿模块。在一个优选的实施方案中，112处理相变量。在另一个优选的实施方案中，模块112是基于一个DQ同步参考系，主控制变量在稳态下为直流值。在必要时可以检测功率变换器及电动机或发电机的相电压和/或相电流。在一个优选的实施方案中，这样的变量被转换到αβ坐标系：首先通过一个坐标转换模块121得到一个一般相变量124；然后通过另一个坐标转换模块120反馈信号124可以被转换到DQ坐标从而有一个DQ坐标值125。这些坐标转换是工业界众所周知的。在功率转换器补偿模块112得到补偿后，输出控制量117(其中可包括电压指令)通过坐标转换模块113被转换到αβ坐标值118。调制模块114被用于从相变量值生成PWM控制信号。在一个优选的实施方案中，114使用空间矢量调制。PWM信号控制功率转换器115中的功率开关使之为电动机116提供能量。在相数较高的系统中，空间矢量调制可能是非常复杂的。在这样的情况下，在调制模块114中使用相变量控制结构可能更加容易，其中在αβ结构的变量可以被呈现为一个普通的相变量形式：其中V表示一般的电压相量，Vm表示相量的幅值，θ表示相量的角度(相位)。122是电压电流检测模块，可以通过信号连接116检测功率变换器中的电压及电流参数，及通过信号连接127检测电机中的电流及电压参数。

从幅值信息和角度信息，相电压可容易地根据多相系统的理想相位关系来确定。例如，在m相系统中，第i相的相电压可以从下面的关系计算：Vi＝Vmcos(ωt-θ-(i-1)*360/m)+V0，其中ω＝2πf为角频率，V0是零序分量，设置在控制系统中以优化系统性能。另外，作为采用零序分量的替代措施，一些三次或更高阶的谐波分量也可以被加到上述公式来获得更好的性能。

然后PWM(脉冲宽度调制)信号可以被用来确定每个相的开关的占空比。PWM开关信号被送到多相电源转换器115，以控制在转换器115中的开关。

对于传统的多相系统，相数通常是固定的。虽然有些设计中磁极的数量可通过绕组抽头的不同连接被重新在有限的范围内设置，这样的重新设置一般是静态的，即极数改变的速度较电动机速度的改变慢得多，通常只是很粗的分档运行。进一步的改进可以更好地优化性能和成本。在一个优选实施方案中，通过电力电子系统的架构选择和电动机的适当设计，电动机的相数和极数可在运行期间动态地重新配置。图4展示了示例性实施。可重构电动机170具有许多槽，沿着定子电枢标记为S1，S2等(为清晰起见仅一部分展示在图中)。在每个槽中，有一个单匝槽绕组。在一个槽中的导体可以包括一根或多根导线，或者可以是一个实心导体，诸如铝条或铜条。绕组可插入，浇铸或模制到槽中。另外，在相邻的槽中的导体可以并联，在这种情况下，从控制和功率的角度来看并联的绕组可被视为一个绕组。在定子的一端，所有槽绕组都连接到一连接环，该连接环将所有槽绕组的一端短接以形成等效星形连接。所述连接环可以在一点或多点与定子的金属壳或其它接地结构接触以接地。每个槽绕组的另一端连接到电力电子系统130。该电力电子系统由多个单相逆变器或整流器(槽功率变换器)构成。根据系统的要求，一个槽功率变换器可以执行逆变功能，整流功能，或者两者皆有。在这个架构中，一个槽绕组没有固定在任何特定的磁极或相。通过控制槽绕组之间的电流及电压的相位关系，电动机的相和磁极都可以被动态地配置。通过改变各绕组的电流(及电压)之间的相位关系，可以建立不同的极和相，并且相数和极数可以动态地控制。因此，采用本实施例的结构的可动态重新配置机器170可以被称为通用电动机(或发电机)，一个以槽为基础的供电架构应该被用来充分施展这种电动机的灵活性。

图5展示了定子的连接端，各槽绕组在此端彼此互不相连。图6展示了定子的短路端，一个连接环于此端将所有槽绕组连接在一起。一个转子磁耦合到定子，其上并有转子绕组。为简洁起见转子绕组的细节没有示出。在一个优选的实施方案中，使用了鼠笼式转子绕组，使得转子的相数和极数可自动适应任何定子的配置。转子可以根据系统要求，位于定子的里面或者外面。

我们用以下的示例来说明依据此发明的动态调整相数和极数的操作。一个电动机，其定子有60个槽，可被初始配置为拥有40个磁极(20对磁极)，然后每对磁极具有3个槽绕组，每个槽绕组构成一个相绕组。所以最初它是一个三相系统，从一个槽绕组到相邻槽绕组的相位移为120°电角度。当根据系统需求电动机被配置为具有10个磁极(5对磁极)时，每对磁极现在有12个槽绕组。每对磁极中的12个槽绕组可配置为一个12相系统且槽相移为30°，或作为6相系统，其中相邻的一对槽绕组作为一个相绕组且相邻绕组之间的相移为60°，或作为4相甚至3相系统。然而，当一个以上的槽绕组被分配到一个相时，槽绕组之间会有环流，电动机的效率和功率容量就会降低。如果一个相只有一个槽绕组，电动机的效率和功率容量就被保持在最高点。此外，不同的磁极对可具有不同数目的相。例如，对于上述的60槽电动机，一个36磁极构造可以通过6对磁极/每对4相(位于4个槽中)加上12对磁极/每对3相(位于3个槽中)的设置来实现。依托这样的不均匀的相结构，示例的60槽电动机的磁极数可以是从2到40的任意偶数，因此对一给定频率，只依靠极数变化同步速度可具有20：1的变化范围。以这种方式，磁极数可以微小的步幅来改变，并有大量的步数可用(例如最大磁极数可以比槽数的1/2还要大，最小磁极数可以是2或4)。在整个范围内，电动机和相关联的电力电子系统的额定功率可以保持恒定。

磁极数控制可以是一个变速控制系统的一个重要部分。随着磁极数的细步变化，电动机或发电机的速度可以在很宽的范围内变化，而绕组电流的频率只需在一个狭窄的范围之中变化，以优化系统性能。对于一些不需要精确速度控制的应用，加在绕组上的电源频率(因此绕组电流的频率)甚至可以保持恒定，而速度控制可以单独通过磁极数的变更来实现。这样一来，电动机和功率转换器就更好设计，特别是在某些大功率应用中，频率变化可能是困难的或低效率的，例如，在谐振拓扑中。另外，就改变速度而言，控制磁极数变化等效于机械齿轮的作用，因此驱动系统中的机械变速箱可以去除，以实现更高的系统效率，更低的成本，更小的尺寸和更轻的重量。

由于上述通用电动机的每个槽位只有一个绕组，且绕组的额定电压适中，电动机及相关线缆的绝缘要求被最小化。此外，那些用在感应电动机鼠笼式转子的低成本制造方法也可以应用到这样的通用电动机的定子。其结果是，一台电机可以在实现更好的性能和更大的功率的同时具有更低的成本，重量和体积。这使得通用电动机成为挑战性应用的理想选择，例如在车辆，飞机，船舶，和其它工业应用中的电气驱动。并且，使用这种技术的通用发电机也适用于风力发电等室外能源应用。

图7所示是一个采用槽功率转换器的通用电动机的控制模块图。总的信号流程与图3类似，但添加和改变了几个模块。通过磁极对数判断块130，磁极数的选择现在起着重要的作用。磁极数的选择应根据速度，功率和频率的信息来综合考虑。在一个优选的实施方案中，130是一个单独的功能块。在另一个优选的实施方案中，功能块130可以是系统控制器的一部分。130的输出是磁极数信息131.磁极和相映射块132中可以有一个映射表，根据131的信息来决定槽的分配(即将各槽中的绕组对应到某个极对的某个相)，并且只要磁极数或相数有变化，映射表就会更新，所以通过磁极和相的变化，电动机各槽就可以动态地分配。以上述示例的60槽电动机为例，假定槽S4最初在原来的40极三相构造中分配给磁极对P2的A相。要变更到一个36极的构造，各槽应该重新进行分配。如前所述，一个36极的构造可以安排为6个磁极对每对4相，加上12个磁极对每对3相。如果现在磁极对P1可以有4个相绕组(分别放置于4个相邻的槽中)，槽S4可以被指定为磁极对P1的D相。αβ坐标系和相变量之间的坐标转换应该使用映射表中的信息，并以一对磁极作为基本的子系统单独地对每一对磁极处理。现在，每对磁极的所有绕组应当被视为磁极控制模块的一个子系统，并且一对磁极的所有相绕组相关的控制功能(特别是绕组电流控制)应该在相应的磁极控制模块中一起处理。一个磁极控制模块中的功能块在图7中是以斜体文本表示的。因此，对于拥有P个磁极对的结构，将有P个磁极控制模块，并且所有磁极控制模块应该同步进行处理。一个磁极控制模块可以被视为控制软件程序的一个线程，整个控制系统可以成为一个多线程的过程。这将需要比图3所示的常规的控制系统更多的计算资源。然而，随着计算机处理能力的快速进步，所增加的资源需求并非严重的负担，而且考虑到动态的磁极和相结构可以给系统带来的好处，这样做是有充分的理由的。以这种方式，电动机的磁对数，每对磁极的相数，以及绕组电流的频率都可以同时以良好协调的方式控制，以实现平稳可靠及高性能的系统运行。

通用电动机或发电机的每一个槽绕组都由一个槽功率变换器115来供电。槽功率变换器应能在任何条件下控制其供电的绕组的电流和电压。考虑到一个槽绕组对应的相和磁极可以动态改变，电压和电流控制最好是由槽功率变换器自己完全实现。因此，相较于需要协调一个系统中各相的空间矢量调制控制方法，图3所示的相变量控制方案可能是一个更佳的控制方法。为了便于实现自我控制，相电压或电流的零序分量可被设置为零，并且，如果需要也可以添加一些三次和/或更高阶的谐波分量，以增加功率容量和提高其它性能。

图8和图9示出了适用于槽功率变换器的逆变器拓扑。图8是一个两电平变换器，图9是一个三电平变换器。142是功率变换器的主开关，而144表示的是电机的一个绕组。如果需要高功率，采用这些拓扑结构的多个变换器可以并联(控制上最好有错相控制)，或使用更高电平的拓扑结构。这些拓扑结构的工作原理是众所周知的，不需要在这里讨论。可选滤波器143包括电感L1和电容C1，可用于降低槽绕组的电流纹波和dv/dt，及相应的EMI。其他的滤波器结构也可使用。直流链路电路使用一个输入电源Vin。如果需要，也可以同时使用两个输入电源，每个电源接到输入电容Cd1和Cd2之一。部分或全部的直流链路电路141，包含输入源，输入电容和其他可能的滤波电路，可以由多个槽变换器或所有的槽变换器共享，以降低供电系统的成本和复杂性。

由于槽数和槽变换器的数量都比较多，在某些运行条件下，有可能通过停用一些槽和与之相联的槽变换器来优化系统性能。例如，在小负载条件下，一些槽可以通过停用功率变换器来停用(如暂停变换器中的功率开关，或使槽绕组的电流为零)，以减少功率损失，提高效率。停用的槽和转换器可被用作仍在工作的槽和变换器的备份，所以系统的可靠性和可用性得以提高。在一些应用中，大量的电动机(发电机)和槽变换器之间的互连可能会成为问题。图10展示了一个封装技术的概念图，通过使互连的长度最小来缓解这一问题。槽变换器的部分或所有部件被组装到一个衬底160上，成为一个组件。在一个实施方案中，衬底160是印刷电路板(PCB)。衬底160被设计成具有合适的形状和大小，以减少与电动机或发电机的干扰，并且被分成许多扇区，每个扇区可以容易地通过合适的连接装置联接到的一个或多个槽绕组。衬底上可以有空腔103，以允许槽绕组的连接端穿过。槽绕组的连接端可以进行处理或改变形状，以方便连接。通过衬底160的空腔103将电动机的槽绕组的联结端连接起来，组件就被机械耦合到定子上。槽绕组的联结端也可以通过中间联接器连接到衬底。一个槽的槽变换器可以安装在或靠近其所联接的扇区。整个装置可以有若干组件，每个组件装有一个或多个槽变换器。装置可以由一个或多个耦合到电动机(发电机)转子的风扇进行冷却，也通过其他方式冷却。

以上描述的技术可以应用于感应电动机和感应发电机。例如，在许多应用中使用的双馈发电机，相数可以通过定子绕组连接到的供电系统决定，但磁极数可以通过电子开关来重新配置转子和定子中的绕组连接而动态地改变。转子的开关及其控制电路可以机械连接到转子。此外，像风力发电这样的应用常常期望发电系统也能够储存能量，这样传递出去的功率将更加平滑，波动较小，峰值较低，可以大幅降低整个系统的成本。传统上，将能量存储装置耦合到系统是通过专用的电能处理设备来完成，然而这会导致额外的费用。最好是将所述能量存储装置与发电机系统整合，以降低系统成本。图11展示了一个具有能量存储装置的系统整合到一个多相系统(以3相系统为例)中转子绕组的框图。在系统和电能存储装置之间可以有额外的充电器，但它的额定功率比在一个独立的储能系统可以小得多。通过控制转子绕组的电流和电压，由转子产生的磁场的位置，强度和旋转速度是可以控制的，因此，能量存储装置，系统，和风源之间的能量流动是可控的。通过磁极数的动态调整来改变发动机的同步速度，在风机工作的宽速度范围内系统的性能都可以得到优化。当风力较大的时候，可以从风中获得更多的能量，并且转子运行的速度比定子磁场的同步速度要高。转子应该被控制为产生一个与定子磁场方向相反的磁场，并且转速等于转子的机械速度和定子磁场的同步转速之间的差。以这种方式，部分的风能被送往与定子绕组耦合的电力系统中，另一部分的风能被送往与转子绕组耦合的能量存储装置(通常是电池)中。当风力适中时，转子应控制为运行在一个等于或略低于定子磁场同步速度的转速，这样，风能就通过定子传递到系统中。必要时也可以从能量存储装置或与其相联的充电器中提取一些能量。当风力较低时，转子速度相较定子磁场的同步速度可显著降低。风能被传递到与定子耦合的电力系统中，并且相当部分的电力从能量存储装置中提取，必要时也从充电器提取，通过转子绕组递送到定子绕组。在这种模式下，只要从风中获得的能量多于系统损耗，就有正能量收益。这使得风力发电机，相较没有能量存储的情况，能够获得更多的能量。控制磁极数(从而控制由定子绕组的电流产生的磁场的同步速度)允许转子绕组及与之相关联的功率变换器工作在较小的频率范围内。当风力太小而无法利用时，通过转子绕组电流的适当控制，即使转子不转动，储存的能量仍然可以传送到定子去。

此概念也可用于其它变速双馈发电机，如带有电池能量存储的备用柴油发电机或燃气涡轮发电机。通过磁极数变化和储能的优化使用，系统性能就在一个较宽的速度范围内得到优化。

通过上述技术，通过动态调整电动机以有很大数量的磁极数。但一个潜在的局限性在于，每个绕组仅有一匝，因此不能够产生很高的相电压，并且向电动机提供动力所需的变换器的数目与槽的数量相等，造成低电压绕组和功率变换器的数量可能很大。对于一些应用，此限制可能会导致一个笨拙的设计，因此可能需要以不同的方式来安排绕组和变换器。在一些应用中，有限的磁极数变化就能得到可以接受的系统性能。在这种情况下，电动机可被设计成具有较少的绕组数量，但每个绕组可产生更高的电压，以达到更好的效果。让我们把所需的最低磁极数(P0)的配置作为基准的配置。通过适当的系统设计，允许的磁极数可以被限制为最低磁极数的奇数倍，即：Pi＝KiP0,其中Pi是允许的磁极数目，Ki是一个奇数，i是一个整数，作为磁极数集合的索引。这样，在基准配置中任何两个相隔180°电角度的槽在所有允许的配置中均相距180°电角度。所以，在这两个槽中的导体可以串联形成一个绕组，且多匝可以在该绕组轻松实现。我们可以安排使基本配置中的每一个绕组具有多匝，其分布在两个具有180°电角度相隔的槽中(如果有多个槽与一个槽成180°电角度相隔，那这两个槽应当是最接近的一对)。每一个绕组由一个功率转换器供电。最小槽数目应该是所有的允许磁极数的最小公倍数，或允许的最大磁极数的3倍以上(为了获得良好的性能，每对磁极在正常工作时需要至少有三相)。以这种方式，多匝绕组可用于优化电动机的设计，并且需要的功率变换器的最大数量减少到槽数的一半。通过控制绕组中的电流/电压，电动机的磁极数和相数仍可实时进行调整。举个例子，一个电动机可以被配置为具有2极，6极和10极。在这种情况下，可以使用具有30槽的定子。15个绕组可放置在槽中，每两个槽一个绕组。每个绕组被物理耦合到一个功率变换器，功率变换器可有不同的拓扑结构，如半桥，全桥，多电平，等等。图12展示了该电动机一个2极构造的绕组配置。图13展示了该电动机一个6极构造的绕组配置，而图14展示了该电动机一个10极构造的绕组配置。在这些图中，数字是槽的编号，表示了定子槽位，其数值表示该槽在定子电枢中的相对位置。字母表示的是给绕组指定的相。例如，A+表示的是A相绕组的起点，而B-表示的是B相绕组的终点。虽图中每一对槽只画有一匝绕组，但多匝绕组也可以轻松地放置其中。图12中，槽2和槽17中的绕组被指定到I相，该相开始于槽17并结束于槽2。在图13中所示的构造中，该绕组被指定到D相，但在图14的构造中，它被指定到C相。所以，在不同的绕组构造中，一个绕组可能会被指定到不同的相和不同的磁极，但它总是由相同的功率变换器供电，因此每一对磁极内的不同绕组之间的相位关系可以通过绕组电流进行控制。不同的磁极对之间，相同的相绕组间的相位关系应该由控制算法来决定。磁场定向控制可以被用于控制每对磁极的磁通位置。

其它的磁极设置也可以类似地进行设计。例如，能够在2极，6极，14极模式运行的电动机定子，可以类似地设计拥有42个槽和21个绕组；能够在2极，6极，14极，18极模式运行的电动机定子，可以很容易地被设计成具有126个槽和63个绕组。

对于动态可重构的电动机，最好是将转子槽的数目和定子槽的数目设计为相等或接近，这样一来，转子绕组的感应电流和电压可以随着定子绕组的相位和磁极的调整相对容易地跟进。由于向定子绕组供电通常需要大量的功率变换器，一些功率变换器可置于停机或待机模式，使其耦合的绕组不会有电流流动。这将在小负载时提高系统效率，并且在一些绕组或功率变换器故障时，保持系统继续运行。当任何变换器停机或待机时，根据相数的改变及必要时磁极数的改变控制也应作相应的调整，这样系统的性能就不会显著降低。请注意，稳态工作时所有磁极对的绕组电流所产生的旋转磁场的机械速度都应该相同。在任何工作模式下，如果一对磁极中的槽数与另一对磁极的槽数不相等，其中一对磁极的电流和电压的频率可能需要进行调整，以补偿这对磁极的电枢长度的差别。

尽管前面已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，还可以在不脱离本发明所附权利要求所限定的精神和范围由有其它各种变化，替换和变更。

此外，本申请的范围并非被限定于所述过程，机器，制造，物质组成，手段，方法和步骤的个例之内。本领域的一般技术人员明白，依据本发明公开的内容，可以用稍加变化的过程，机器，制造，物质组成，手段，方法或步骤，不论当前存在的或以后会开发出来的，来执行与本文中所描述的实施例基本上相同的功能或实现基本相同的结果。因此，本申请所附权利要求旨在在其范围内包括这样的过程，机器，制造，物质组成，手段，方法或步骤。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种可动态重构的电机，其特征在于该电机包括一个转子，一个磁耦合到转子并有多个槽和多个绕组的定子，其中每个绕组被安置于两个对应的槽中，当电流流过绕组时形成多个磁极，每对磁极有多个相，且所述绕组的配置使得磁极数和相数可动态调整。

2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于相数是由流经绕组的电流来确定的。

3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于磁极数是由流经绕组的电流来确定的。

4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于绕组为一多匝线圈。

5.根据权利要求3所述的电机，其特征在于相数根据磁极数变化进行调整。

6.一种可动态重构的电机系统，其特征在于该系统包括一个具有一个定子的电机和一个电力电子系统，所述定子具有多个槽，并且每个槽放有多个导体以构成绕组的一部分，且绕组的配置使得所述电机的相数和磁极数可以被动态调整；所述电力电子系统包括一个控制系统和多个功率变换器，每一功率变换器被耦合到一个对应的绕组，而控制系统被如此配置使得所述电机的相数和磁极数可以被动态调整。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于控制系统根据电机的速度来确定磁极数。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于控制系统根据磁极数来确定每对磁极的相数。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于绕组电流的频率根据电机的速度进行调整。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于每个功率变换器被耦合到相对应的安置于两个槽中的绕组。

11.根据权利要求6所述的系统，其特征在于功率转换器被放置到一个与定子有机械联接的衬底，并且所述衬底具有一开孔，一个功率变换器通过此孔与一个定子的绕组耦合。

12.根据权利要求6所述的系统，其特征在于在某一工作模式下，若干功率变换器停止工作。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于当有功率变换器停止工作时，控制系统对系统运行进行调整。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于当一个功率变换器或一个与之耦合的绕组出现故障，引致该功率变换器停止工作的时候，系统在故障下继续运行。

15.根据权利要求11所述的系统，其特征在于一个功率转换器工作于待机模式，作为正常工作的功率变换器的备份。

16.一种电机动态重构的方法，其特征在于该方法包括提供一个有多个功率变换器和一个控制系统的电力电子系统和一台有多个绕组的电机，其中每个绕组放置于两个槽中，并控制电机的绕组电流使得电机在较高的速度时有较低的磁极数，在较低的速度时有较高的磁极数，并且一对磁极中的相数根据磁极数的变化而动态调整。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于控制系统中的一个表格将一个槽映射到某一对磁极和某一相。

18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于轻载时控制一个变换器进入停机或待机状态。

19.根据权利要求16所述的方法，特征在于当一个变换器或其耦合的绕组出现故障时，控制该变换器进入停机状态并保持系统运行。

20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，电机的速度通过磁极数，相数和绕组电流的频率来协调控制。