CN110731043A - 励磁绕组和独立电力绕组组成的双绕组同步磁阻机 - Google Patents

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Abstract

提供一种包括定子(140)和转子(150)的旋转场机器(200)。特别地，可以提供双绕组旋转场机器(200)，其中定子(140)包括两个独立的绕组。在一个示例性实施方式中，定子(140)可包括构造成控制励磁电流的励磁绕组(220)和构造成控制到电气系统的电力流的电力绕组(230)。双绕组旋转场机器(200)还可包括启动模式和发电模式。在启动模式期间，励磁绕组(220)和电力绕组(230)都可以联接到一个或多个开关电力转换器(170)。在发电模式期间，电力绕组(230)可以联接到可变频率总线，并且电力转换器(170)可以用于仅管理励磁电力。

Description

励磁绕组和独立电力绕组组成的双绕组同步磁阻机
技术领域
本主题大体涉及旋转场机器。
背景技术
旋转电机用于各种应用，例如汽车应用，航空航天应用，船舶应用，工业应用和许多其他应用。旋转电机可以是电动机。转子构造成相对于定子旋转以将电能转换成机械能。旋转电机还包括发电机。转子和定子之间的相对旋转可以将机械能转换成电能。
发电机的一个示例是在飞行器上使用的发电机。在航空应用中，可变频率启动发电机(VFSG)通常用于电动机/发电机。在传统应用中，旋转场机器和其他机器(例如，同步磁阻机器，感应式机器等)需要将机器联接到DC/AC转换器，以便控制施加到负载的电力。电力转换器必须管理从机器流向电气系统的所有电力，导致机器的整体可靠性降低并且成本，体积和重量增加。
发明内容
本公开的实施例的方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或者可以从描述中学习，或者可以通过实施例的实践来学习。
本公开的一个示例方面涉及旋转场机器。旋转场机器包括定子和转子。转子安装成相对于定子旋转。定子包括第一绕组。第一绕组可以是被构造为接收励磁电流的励磁绕组。定子还包括第二绕组。第二绕组可以是被构造为容纳通过旋转场机器的电力流的电力绕组。
在一些实施例中，励磁绕组和电力绕组位于定子中，使得励磁绕组和电力绕组相对于彼此电气正交。在一些实施例中，励磁绕组相对于电力绕组电相异相90°。在一些实施例中，励磁绕组与d轴电流相关联，并且电力绕组与旋转场机器的q轴电流相关联。
在一些实施例中，旋转场机器联接到控制系统，控制系统构造成以启动模式和发电模式操作旋转场机器。在一些实施例中，在启动模式期间，励磁绕组和电力绕组都联接到一个或多个电力转换器。在一些实施例中，电力绕组经由桥式整流器联接到DC总线。在一些实施例中，在发电模式期间，电力绕组联接到可变频率恒定电压总线。在一些实施例中，控制装置构造成控制电力转换器以管理在励磁绕组中流动的励磁电流，以控制电力绕组中产生的电力。在一些实施例中，旋转场机器是同步磁阻机。
本公开的另一示例方面涉及一种用于操作旋转场机器的控制系统。旋转场机器包括定子和转子。转子可以安装成相对于定子旋转。定子包括被构造为接收励磁电流的励磁绕组。定子还包括被构造为容纳旋转场机器中的电力流的电力绕组。控制系统可以构造为执行操作。该操作可以包括确定以启动模式操作旋转场机器。在启动模式期间，操作可以包括利用电力转换器激励励磁绕组和电力绕组。操作还包括操作电力转换器以启动旋转场机器。操作还包括确定以发电模式操作旋转场机器。在发电模式期间，操作包括将电力绕组与电力转换器去联接。操作还包括操作电力转换器以管理在励磁绕组中流动的励磁电流，以控制电力绕组中产生的电力。
在一些实施例中，在发电模式期间，操作包括经由整流器将电力绕组联接到DC总线。在一些实施例中，在发电模式期间，操作包括将电力绕组联接到AC总线。在一些实施例中，励磁绕组和电力绕组位于定子中，使得励磁绕组和电力绕组相对于彼此电气正交。在一些实施例中，励磁绕组相对于电力绕组定位成电相异相90°。
本公开的又一示例方面涉及一种操作旋转场机器的方法。旋转场机器包括定子和转子。转子可以安装成相对于定子旋转。定子包括被构造为接收励磁电流的励磁绕组。定子还包括被构造为容纳通过旋转场机器的电力流的电力绕组。该方法还包括确定以启动模式操作旋转场机器。在启动模式期间，该方法包括利用电力转换器激励励磁绕组和电力绕组。该方法还包括操作电力转换器以启动旋转场机器。该方法还包括确定以发电模式操作旋转场机器。在发电模式期间，该方法包括将电力绕组与电力转换器去联接。该方法还包括操作电力转换器以管理在励磁绕组中流动的励磁电流，以控制电力绕组中产生的电力。
在一些实施例中，励磁绕组和电力绕组位于定子中，使得励磁绕组和电力绕组相对于彼此电气正交。在一些实施例中，励磁绕组与电力绕组定位成电相异相90°。在一些实施例中，在发电模式期间，该方法包括经由整流器将电力绕组联接到DC总线。在一些实施例中，在发电模式期间，该方法包括将电力绕组联接到AC总线。
可以对这些示例实施例进行变化和修改。参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解各种实施例的这些和其他特征，方面和优点。包含在本说明书中并构成其一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与说明书一起用于解释相关原理。
附图说明
在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的实施例的详细讨论，该说明书参考了附图，其中：
图1描绘了根据本公开的示例实施例的示例旋转场机器的部件的框图。
图2描绘了根据本公开的示例实施例的示例双绕组旋转场机器的电路图。
图3描绘了根据本公开的示例实施例的示例旋转场机器电流的曲线图。
图4描绘了根据本公开的示例实施例的示例方法的流程图。
图5描绘了根据本公开的示例实施例的用于电力转换器的示例控制装置。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。通过解释本公开而不是限制本公开来提供每个示例。实际上，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可以在本公开中进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用，以产生又一个实施例。因此，本公开旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修改和变化。
本公开的示例方面涉及双绕组旋转场机器。在航空应用中，可变频率启动发电机(VFSG)可以是电动机/发电机的常用机器。VFSG可以具有复杂的设计，包括具有许多旋转元件的电磁部件以及用于许多热源的冷却部件。为了控制施加到负载的电力，一些应用要求机器联接到开关电力转换器。转换器必须管理在启动模式期间从机器流到电气系统的所有电力。这会降低机器的可靠性并且会增加机器的重量，体积和成本。
根据本公开的示例实施例，可以提供双绕组旋转场机器，例如改进的同步磁阻机。在示例性实施例中，机器可以具有定子，该定子具有两个独立的绕组(双绕组机器)。第一绕组可用于控制励磁电流，第二绕组可用于控制主电力流。由于定子具有两个独立的绕组，开关电力转换器可以仅负责管理励磁绕组。
例如，在一些实施例中，机器可以以启动模式或发电模式操作。在启动模式中，两个绕组可以联接到一个或多个电力转换器。在发电模式中，电力绕组可以利用其间的二极管桥联接到DC总线。二极管桥式整流器可以从用于硬开关的相同转换器支路(续流二极管(free wheel diodes))获得或者集成在电力转换器中。或者，电力绕组可以联接到可变频率恒定电压(或AC)总线，其间没有任何电力电子。结果，电力转换器可用于仅管理励磁电力。
以这种方式，本公开的示例方面可以提供许多技术效果和益处。例如，具有两个独立绕组的定子可以允许电力转换器处理减小的总电力比例。结果，可以增加可靠性并减少用于励磁的电力转换器的重量，体积和成本。
现在参考附图，将更详细地讨论本公开的示例方面。
图1描绘了根据本公开的示例实施例的示例双绕组旋转场机器200的框图。机器200可以是同步磁阻机或任何其他类型的旋转场机器(例如，永磁辅助同步磁阻机)，感应式机器，内部永磁机器，表面安装的永磁机器。机器200可包括转子150和定子140。转子150可安装成相对于定子140旋转。在示例实施例中，定子140可包括第一绕组和第二绕组。第一绕组可以是励磁绕组220。第二绕组可以是电力绕组230。在一些实施例中，电力绕组230可以联接到主整流器160以整流电力。由机器200产生的电力可以应用于许多不同的应用，包括但不限于汽车和航空应用。
机器200可以包括开关电力转换器170。电力转换器170可以用于将DC电力转换为AC电力。在示例实施例中，电力转换器170可以被构造用于使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关装置或其他开关装置的脉冲宽度调制(PWM)布置来操作。控制装置210可以被构造为通过向开关装置提供一个或多个门控命令来控制转换器的操作。控制装置210可以被构造为根据本公开的示例实施例控制机器200的操作。下面讨论的图4示出了可以使用控制装置210实施的流程图的一个示例。根据需要和设计，可以有多个转换器170。
图2描绘了当以发电模式操作时示例双绕组旋转场机器200的电路图。根据本公开的示例方面，励磁绕组220可以联接到电力转换器170。电力绕组230可以利用其间的二极管桥式整流器160联接到DC总线。励磁绕组220和电力绕组230可以位于定子140中，使得励磁绕组220和电力绕组230处于电气正交。以这种方式，励磁绕组220可以与d轴分量相关联，并且电力绕组230可以与q轴分量相关联。这里根据众所周知的Clarke和Park变换理论限定了d轴和q轴，d轴与主转子磁通对齐。在示例实施例中，励磁绕组220可以相对于电力绕组230定位成电相异相90°。通过将定子140设计成具有彼此正交的两个独立的绕组并且物理地分离d轴和q轴分量(旋转磁场和电流)，电力转换器170可以仅负责管理励磁电力。因此，电力转换器170可以设计成具有减小的尺寸，重量和体积。
图3描绘了根据本公开的示例实施例的表示同部磁阻机的d轴电流对q轴电流的曲线图300。d轴电流用Id表示，q轴电流用Iq表示。根据本公开的示例方面，双绕组磁阻机200的定子140可以设计为具有两个独立的绕组，以物理地分离d轴电流和q轴电流。结果，电力转换器170可用于仅控制励磁电力。如曲线图300中所示，在点310处，最大d轴电流330(Idmax)小于最大q轴电流320。根据本公开的示例实施例，电力转换器170仅需要管理d轴电流(和d轴电力)。结果，电力转换器170可以设计成使得其尺寸定成仅处理d轴电力。尽管曲线图300未示出，但是d轴电压可以小于q轴电压，因此导致甚至大于简单的d轴对q轴电流比的优势(在视在电力V*I上)。因此，电力转换器170可以设计成具有减小的尺寸，重量和体积，同时提高可靠性。例如，本公开可以有利于管理航空应用中的电力，其中飞行器的电力需求可以是高达几千瓦(kW)或几百千瓦(kW)的电力。
图4描绘了根据本公开的示例实施例的示例方法400的流程图。图4描绘了出于说明和讨论的目的以特定顺序执行的步骤。使用本文提供的公开内容，本领域普通技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以以各种方式调整，重新布置，扩展，省略，同时执行或修改本文所讨论的方法。方法400可以由控制装置210或由独立的装置执行。
在(410)处，该方法可以包括从控制装置210获得指示操作模式的信号。操作模式可以是启动模式或发电模式。
在(420)处，该方法可以包括确定操作模式是否是启动模式。如果操作模式不是启动模式，则该方法可以进行到(460)以确定操作模式是否是发电模式。如果确定操作模式是启动模式，则该方法可以包括在(430)处激励励磁绕组220。
在(440)处，该方法可以包括用开关电力转换器170激励电力绕组230。电力绕组230可以构造成容纳通过旋转场机器200的电力流。
在(450)处，该方法可以包括操作电力转换器170以启动旋转场机器200。在启动旋转场机器200之后，该方法可以循环回到(410)以获得指示操作模式的信号。该方法可以再次执行步骤(420)以确定信号是否指示启动模式，并且在确定信号不指示启动模式之后进行到(460)。
在(460)处，该方法可以包括确定所获得的信号是否指示发电模式。如果获得的信号是用于发电模式，则该方法可以继续以发电模式操作机器200。
在(470)处，该方法可以包括利用电力转换器170激励励磁绕组220。励磁绕组220可以对应于d轴电流和d轴电力。
在(480)处，该方法可以包括将电力绕组230与电力转换器170去联接。电力绕组230可以与q轴电流和q轴电力相关联。如上面在图3中所讨论的，q轴电流(和q轴电力)可以大于d轴电流(和d轴电力)。结果，将电力绕组230与电力转换器170去联接可以允许电力转换器170处理减少的总电力量。
在(490)处，该方法可以包括将电力绕组230联接到可变频率恒定电压总线。在另一示例实施例中，电力绕组230可以经由二极管桥式整流器160联接到DC总线。结果，所产生的电力可以仅由励磁绕组220控制。
在(492)处，该方法可以包括操作电力转换器170以管理在励磁绕组220中流动的励磁电流，以控制电力绕组230中产生的电力。如曲线图300中所示，d轴电流(和d轴电力)可以低于q轴电流(和q轴电力)。d轴电压可以低于q轴电压，这可以在视在电力V*I上导致更多优势。
图5描绘了根据本公开的示例方面的示例控制装置210(例如，一个或多个控制器)。如图1所示，控制装置210可以联接到电力转换器170。
控制装置210可以例如用作电力转换器170的控制装置210。控制装置210可以包括一个或多个处理器212和一个或多个存储器装置214。一个或多个处理器212可包括任何合适的处理装置，例如微处理器，微控制装置，集成电路，逻辑装置和/或其他合适的处理装置。一个或多个存储器装置214可以包括一个或多个计算机可读介质，包括但不限于非暂时性计算机可读介质，RAM，ROM，硬盘驱动器，闪存驱动器和/或其他存储器装置。
一个或多个存储器装置214可以存储可由一个或多个处理器212访问的信息，包括可以由一个或多个处理器212执行的计算机可读指令。指令可以是任何指令集，当其由一个或多个处理器212执行时使一个或多个处理器212执行操作。在一些实施例中，指令可以由一个或多个处理器212执行以使一个或多个处理器执行操作，诸如控制装置210构造成用于的任何操作和功能。例如，操作可以用于如本文所述的控制电力转换器170(例如，控制方法400)，和/或控制一个或多个控制装置210的任何其他操作或功能。指令可以是以任何合适的编程语言编写或者可以用硬件实施的软件。附加地和/或替代地，指令可以在处理器212上的逻辑和/或虚拟分离的线程中执行。存储器装置214还可以存储可以由处理器212访问的数据。例如，数据可以包括指示电力流，电流，温度，实际电压，标称电压，门控命令，开关模式，和/或本文描述的任何其他数据和/或信息的数据。
控制装置210还可以包括通信接口216，用于例如与机器200的其他部件通信(例如，经由网络)。通信接口216可以包括用于与一个或多个网络接口的任何合适的部件，包括例如发射器，接收器，端口，控制装置，天线和/或其他合适的部件。例如，通信接口216可以被构造为与一个或多个传感器或电压传感器或温度传感器通信。此外，通信接口216可以被构造为与控制装置(例如控制装置210)通信。
尽管各种实施例的具体特征可以在一些附图中示出而不在其他附图中示出，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，可以结合任何其他附图的任何特征来参考和/或要求保护附图的任何特征。
本书面描述使用本公开的示例，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本公开的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种旋转场机器(200)，其特征在于，所述旋转场机器(200)包括：
定子(140)；
转子(150)，所述转子(150)安装成相对于所述定子(140)旋转，其中所述定子(140)包括：
第一绕组，所述第一绕组是励磁绕组(220)，所述励磁绕组(220)被构造为接收励磁电流；和
第二绕组，其中所述第二绕组是电力绕组(230)，所述电力绕组(230)被构造为容纳通过所述旋转场机器(200)的电力流。
2.根据权利要求1所述的旋转场机器(200)，其特征在于，其中所述励磁绕组(220)和所述电力绕组(230)位于所述定子(140)中，使得所述励磁绕组(220)和所述电力绕组(230)相对于彼此电气正交。
3.根据权利要求1或2所述的旋转场机器(200)，其特征在于，其中所述励磁绕组(220)与d轴电流相关联，并且所述电力绕组(230)与所述旋转场机器(200)的q轴电流相关联。
4.根据前述权利要求中任一项所述的旋转场机器(200)，其特征在于，其中在启动模式期间，所述励磁绕组(220)和所述电力绕组(230)都联接到一个或多个电力转换器(170)。
5.根据权利要求4所述的旋转场机器(200)，其特征在于，其中所述电力绕组(230)经由桥式整流器(160)联接到DC总线。
6.根据权利要求4所述的旋转场机器(200)，其特征在于，其中在发电模式期间，所述电力绕组(230)联接到可变频率恒定电压总线。
7.根据权利要求5所述的旋转场机器(200)，其特征在于，其中控制装置(210)被构造为控制所述电力转换器(170)以管理在所述励磁绕组(220)中流动的励磁电流，以控制所述电力绕组(230)中产生的电力。
8.一种用于操作旋转场机器(200)的控制系统，其特征在于，所述场机器包括定子(140)和转子(150)，所述转子(150)安装成相对于所述定子(140)旋转，所述定子(140)包括励磁绕组(220)和电力绕组(230)，所述励磁绕组(220)被构造为接收励磁电流，所述电力绕组(230)被构造为容纳所述旋转场机器(200)中的电力流，所述控制系统被构造为执行操作，所述操作包括：
确定以启动模式操作所述旋转场机器(200)；
其中在所述启动模式期间，所述操作包括：
利用一个或多个电力转换器(170)激励所述励磁绕组(220)和所述电力绕组(230)；和
操作所述一个或多个电力转换器(170)以启动所述旋转场机器(200)；
确定以发电模式操作所述旋转场机器(200)；
其中在所述发电模式期间，所述操作包括：
将所述电力绕组(230)与所述一个或多个电力转换器(170)去联接；和
操作所述一个或多个电力转换器(170)以管理在所述励磁绕组(220)中流动的励磁电流，以控制所述电力绕组(230)中产生的电力。
9.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，其中在所述发电模式期间，所述操作包括经由整流器(160)将所述电力绕组(230)联接到DC总线。
10.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，其中在所述发电模式期间，所述操作包括将所述电力绕组(230)联接到AC总线。
11.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其特征在于，其中所述励磁绕组(220)和所述电力绕组(230)位于所述定子(140)中，使得所述励磁绕组(220)和所述电力绕组(230)相对于彼此电气正交。
12.一种操作旋转场机器(200)的方法，其特征在于，所述旋转场机器(200)包括定子(140)和转子(150)，所述转子(150)安装成相对于所述定子(140)旋转，所述定子(140)包括励磁绕组(220)和电力绕组(230)，所述励磁绕组(220)被构造为接收励磁电流，所述电力绕组(230)被构造为容纳所述旋转场机器(200)中的电力流，所述方法包括：
确定以启动模式操作所述旋转场机器(200)；
其中在所述启动模式期间，所述方法包括：
利用电力转换器(170)激励所述励磁绕组(220)和所述电力绕组(230)；和
操作所述电力转换器(170)以启动所述旋转场机器(200)；
确定以发电模式操作所述旋转场机器(200)；
其中在所述发电模式期间，所述方法包括：
将所述电力绕组(230)与所述电力转换器(170)去联接；和
操作所述电力转换器(170)以管理在所述励磁绕组(220)中流动的励磁电流，以控制所述电力绕组(230)中产生的电力。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，其中所述励磁绕组(220)和所述电力绕组(230)位于所述定子(140)中，使得所述励磁绕组(220)和所述电力绕组(230)相对于彼此电气正交。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，其中在所述发电模式期间，所述方法包括经由整流器(160)将所述电力绕组(230)联接到DC总线。
15.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，其中在所述发电模式期间，所述方法包括将所述电力绕组(230)联接到AC总线。
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