CN111095741A - 电机系统用连接导条 - Google Patents

Abstract

一种装置，包括：一个转子，其磁耦合至一个定子；多个槽，用于容纳多个导体，其中所述多个槽均匀设置，并且每个槽构造成可容纳所述多个导体中的至少一个导体，其中每个导体具有第一端和第二端，且其中第二端被配置为耦接至功率变换器；及连接至所述多个导体的第一端的多个连接装置，所述连接装置包括多个连接端口，并且其中每一个连接端口都耦合至一个导体。

Description

电机系统用连接导条

技术领域

本发明涉及一种电动机和/或发电机系统，在特定的实施例中，涉及改进先进电动机/发电机和驱动系统的设计、结构和控制的创新技术。

背景技术

电机(电动机或发电机)是一种将电能和机械运动的能量互相转换的装置。电机分为多种不同的类型，包括：感应电机、永磁电机、开关磁阻电机、同步磁阻电机和混合式电机。本发明的各个实施例适用于上述不同类型的电机，无论是配置为电动机还是发电机。下面以感应电动机为例说明本发明的创新之处。感应电动机由定子和转子组成。定子为固定部分，转子为旋转部分。转子可以位于定子内部、定子外部或定子旁边，例如轴向磁场电机。以下以转子位于定子内部的感应电动机为例说明本发明的创新之处。电动机的转子和定子之间存在一个很小的气隙，用于产生机械间隙和机械转矩。

鼠笼式感应电动机是最常用的电机。鼠笼式感应电动机的定子由多个绕组组成。所述多个绕组通常形成多个相带，以极对的形式安排。鼠笼式感应电动机的转子有转轴和鼠笼，鼠笼由固定在磁结构(例如：层压硅钢片)上的多个金属条组成。金属条环绕在转轴周围。金属条的一端用一个连接环连接。金属条的另一端用另一个连接环连接。

在运行过程中，通常向定子供电，从而在定子和气隙中形成第一个磁场。在定子绕组上施加交流(ac)电后，第一个磁场将立即以同步转速开始旋转。第一个磁场在转子的金属条中感应出电流。感应电流在转子中产生第二个磁场。第二个磁场(转子)与第一个磁场(定子)相互作用。根据楞次定律，转子沿与旋转的第一个磁场相同的方向旋转，产生机械转矩，带动转子旋转。在电动机模式下，转子滞后于第一个磁场。第一个磁场和转子之间的转速差不断地在转子内部感应出电流。如果在转子上施加负载，转子将进一步滞后于第一个磁场，而转子和第一个磁场之间的时滞将产生更多转矩。也就是说，电动机的转矩大致与转子和第一个磁场之间的转速差成正比。

通常，感应电动机转子的理论转速取决于电源的频率和定子线圈磁极的安排。如果电动机不带任何负载，转子的转速等于或约等于旋转磁场的同步转速。感应电动机的同步转速(RPM)取决于电源的频率和感应电动机的极数，即等于电源的频率乘以60再除以极对数。

随着能效问题越来越重要，越来越多的电机(电动机或发电机)与功率电子设备集成在一起用于各种变速应用中，例如：工业传动、电动汽车、柴油发电机组、伺服系统和风力发电等。这些应用普遍要求电机具有较广泛的工作转速和功率范围，而传统技术无法满足该类应用的性能和成本要求。尤其是随着可再生能源成为一个重要问题，越来越多的电机被用于驱动电动汽车，需要电机能在较广的转速和功率范围内高效运行。然而，传统电动机无法满足该类应用的性能和成本要求。这已经成为一个重要的问题，为电机系统的系统设计带来了诸多挑战。

需要有一种高性能电机系统，具有优异的特性，如在各种转速和功率范围内以低成本高效运行。

发明内容

本发明的优选实施例提供一种能动态调整极数和/或相数的可重配置电机系统，可以解决或规避上述和其它问题，并实现技术优势。

根据一个实施例，一种设备包括：一个定子和与其磁耦合的一个转子，均匀地分布在所述定子中的多个导体，每个导体具有第一端和第二端，并且所述第二端被配置为耦合到一个功率变换器。以及配置为连接所述多个导体的第一端的连接装置，所述连接装置包括多个连接端口，并且每一个连接端口都耦合至一个导体。

根据另一个实施例，一种装置包括：一个转子和与其磁耦合的一个定子，用于容纳多个导体的多个槽，其中所述多个槽被均匀地设置，并且每个槽被构造成可以容纳所述多个导体中的至少一个导体，其中每个导体具有第一端和第二端，并且其中所述第二端被配置为耦合到一个功率变换器。以及多个连接装置连接到所述多个导体的第一端。

根据又一个实施例，一种方法包括：在多个连接装置中形成多个连接端口，所述多个连接端口被构造成可以容纳多个导体，其中每个导体具有第一端和第二端。并将所述多个导体的第一端耦接到所述多个连接端口。以及配置每个导体的所述第二端与多个功率变换器中的一个耦合。

本发明实施例的一个优点是能动态调整极数和/或相数的可重配置电机系统。因此，可重配置电机系统能在各种工况下实现高性能。

前文已相当广泛地概括了本发明的特征和技术优点，以便于可以更好地理解下述本发明的详细内容。下文将描述本发明的附加特征和优点，其构成本发明权利要求的主题。本领域技术人员应当理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本发明相同目的的其他结构或过程的基础。本领域技术人员还应该认识到，此类等同构造并不脱离所附权利要求书所阐述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中：

图1显示了根据本发明各个实施例的一种电机系统的示意图；

图2显示了根据本发明各个实施例的图1所示的电机系统的简化示意图；

图3显示了根据本发明各个实施例的图2所示的电机系统的连接环和多个定子绕组的示意图；

图4显示了根据本发明各个实施例的另一种电机系统的简化示意图；

图5显示了根据本发明各个实施例的沿图1所示直线A-A’剖切定子槽所形成的截面图；

图6显示了根据本发明各个实施例的一个定子绕组的详细图；

图7显示了根据本发明各个实施例的连接环的侧视图；

图8显示了根据本发明各个实施例的沿图7所示直线A-A’剖切连接环所形成的截面图；

图9显示了根据本发明各个实施例的导体与连接环连接后的侧视图；

图10显示了根据本发明各个实施例的一种可重配置电机系统的框图；

图11显示了根据本发明各个实施例的适用于图10所示系统的一种功率变换器的原理图；

图12显示了根据本发明各个实施例的另一种可重配置电机系统的框图；

图13显示了根据本发明各个实施例的另一种可重配置电机系统的框图；

图14显示了根据本发明各个实施例的另一种可重配置电机系统的框图；

图15显示了根据本发明各个实施例的另一种可重配置电机系统的框图；

图16显示了根据本发明各个实施例的一种含有多组绕组的可重配置电机系统的框图；

图17显示了根据本发明各个实施例的另一种含有多组绕组的可重配置电机系统的框图；

图18显示了根据本发明各个实施例的又一种含有多组绕组的可重配置电机系统的框图；

图19显示了根据本发明各个实施例的一种含有两组绕组的可重配置电机系统的框图；

图20显示了根据本发明各个实施例的另一种含有两组绕组的可重配置电机系统的框图；

图21显示了根据本发明各个实施例的图20所示连接环的第一种实现方式的简化视图；

图22显示了根据本发明各个实施例的图20所示可重配置电机系统的连接导条和多个定子绕组的示意图；

图23显示了根据本发明各个实施例的多个定子绕组在连接导条之间的一种分配方式；

图24显示了根据本发明各个实施例的图20所示连接环的第二种实现方式的简化视图；

图25显示了适用于图24所示连接环的一种绕组分配方式；

图26显示了根据本发明各个实施例的一种含有三个连接环的可重配置电机系统的简化视图；

图27显示了根据本发明各个实施例的适用于图26所示连接环的一种绕组分配方式；

图28显示了根据本发明各个实施例的一种含有四个连接导条且连接导条采用混合配置的可重配置电机系统的简化视图；

图29显示了根据本发明各个实施例的适用于图28所示连接环的一种绕组分配方式；

图30显示了根据本发明各个实施例的一种有内置散热装置的连接环的可重配置电机系统的简化视图；

图31显示了根据本发明各个实施例的一种提供强化散热效果的连接环的简化视图；

图32显示了根据本发明各个实施例的另一种提供强化散热效果的连接环的简化视图；

图33显示了根据本发明各个实施例的一种内置散热装置的连接环的简化视图；

图34显示了根据本发明各个实施例的另一种内置散热装置的连接导条的简化视图；

图35显示了根据本发明各个实施例的另一种内置散热装置的连接环的简化视图；

图36显示了根据本发明各个实施例的一种容纳多个导体的定子槽的截面图；

图37显示了根据本发明各个实施例的一种具有三十六个定子槽的可重配置电机系统的第一种典型的绕组安排方式；

图38显示了根据本发明各个实施例的一种典型的绕组导体连接方式；

图39显示了根据本发明各个实施例的另一种绕组安排方式；

图40显示了根据本发明各个实施例的又一种绕组安排方式；

图41显示了根据本发明各个实施例的一种十五相可重配置电机系统的框图；

图42显示了根据本发明各个实施例的一种交替配置的框图；

图43显示了根据本发明各个实施例的另一种可重配置电机系统的框图；

图44显示了根据本发明各个实施例的另一种可重配置电机系统的框图；

图45显示了根据本发明各个实施例的另一种可重配置电机系统的框图；

图46显示了根据本发明各个实施例的一种轴向磁通感应电机的侧视图；

图47显示了根据本发明各个实施例的图46所示的轴向磁通感应电机的一种双电机配置的侧视图；

图48显示了根据本发明各个实施例的图46所示的轴向磁通感应电机的一种鼠笼绕组结构的侧视图；

图49显示了根据本发明各个实施例的图46所示的轴向磁通感应电机的一种转子导体的横截面图；

图50显示了根据本发明各个实施例的图46所示的轴向磁通感应电机的一种定子结构的侧视图，以及

图51显示了根据本发明各个实施例的图46所示的轴向磁通感应电机的一种定子导体的横截面图。

除非另外指出，否则不同附图中的相应数字和符号通常指代相应的部分。为了清楚地示出各个实施例的相关方面而绘制附图，并且不一定按比例绘制。

具体实施方式

下面详细讨论本优选实施例的制造和使用。然而，应当理解，本发明提供了许多可于各种具体环境中实施的可应用的发明构思。所讨论的具体实施例仅仅是制造和使用本发明的示例性具体方式，并不限制本发明的范围。

本发明对具体环境中的优选实施例，即一种可重配置电机系统进行描述。电机分为多种不同的类型，包括：感应电机、永磁电机、开关磁阻电机、同步磁阻电机和混合式电机。本发明的各个实施例适用于上述电机。但是，本发明也可应用于各种电机和机械系统。在下文中，将参考附图详细说明各个实施例。

下文将通过特定应用的优选实施例，即一种动态可重配置感应电动机(DRIM)系统/技术，其采用各种功率电子控制机制动态地改变极数和/或相数以改进传统的电机技术，来描述本发明。DRIM系统/技术可以显著提升系统的效率和可靠性，同时降低系统成本。应当注意的是，本发明创新之处的一般原理也可用于具有固定极数/相数的电机。

本发明提出了对电动机/发电机(电机)的设计和制造过程的进一步改进。虽然以电动机为例进行讨论，但是相同的原理也适用于发电机。

电机的极数和一个极对的相数会对其运行和性能产生重大影响。传统电机的极数和相数取决于绕组的结构和连接方式。DRIM电动机绕组的安排形成了开放式连接，其极数(2P)和一个极对的相数(N)取决于流经绕组的电流，因此，在实时操作中可以通过控制绕组电流的相位关系来动态地调整P和N的数量。在一些实施例中，可能会有多个功率变换器。所述多个功率变换器被分为多组功率变换器。电动机含有多个导体。所述多个导体被分为多组导体。在一些实施例中，所述多个导体被连续地划分为多个组。在备选实施例中，所述多个导体被对称地划分为多组导体。在一些实施例中，与一组导体耦合的功率变换器被配置为控制流经该组导体的电流的相位关系。

将多个功率变换器与绕组耦合，即可实现对绕组电流的控制。需采用合适的控制算法控制所述多个功率变换器的运行。因此，电机和相关的电机驱动系统可变为软件可定义系统。通过具有实时软件更新功能的自主学习和优化算法，可以在各种运行工况下根据模拟和/或实际运行数据改善软件可定义系统的运行和性能，从而提升其性价比。软件可定义系统的优势对于运行模式较复杂的系统(例如：电动汽车)尤为重要。此外，将DRIM技术应用到电机上，可以同时改善系统的能效、可靠性和成本。例如，即使电机的某些绕组或功率变换器的某些元件出现故障，系统也可以继续运行，因为可以将故障的元件或绕组与仍在运行的系统其它部分隔离开，并将其禁用。或者，还可以禁用某些功率变换器和/或某些绕组，系统以更少的相数运行从而提升系统的轻载效率。减少电机相数的技术与直流-直流转换器所采用的切相技术相似。

图1显示了根据本发明各个实施例的一种电机系统的示意图。电机系统200由转子102和定子104组成。转子102位于定子104内部，被定子104包围。定子104包括：定子铁芯、多个定子绕组和连接环202。所述多个定子绕组(例如：定子绕组115)嵌在定子铁芯内。所述多个定子绕组由连接环202连接在一起，如图1所示。定子铁芯用适当的磁性材料制成。定子铁芯能够传导磁通，并为所述多个定子绕组提供机械支撑。在本发明中，定子绕组、相绕组和相导体这几个术语通常可以互换，其含义通常也相同。根据电动机的结构，相绕组或相导体也可位于转子中，但是，下面的讨论通常以位于定子中的绕组为例。在整个说明中，图1所示的电机系统也被称为可重配置电机系统。

图2显示了根据本发明各个实施例的图1所示的电机系统的简化视图。可重配置电机系统200由转子102、定子104和定子104中的多个相导体组成。如图2所示，转子102和定子104之间存在气隙103。在定子104中加工了多个槽S1-S10。每个槽(例如：槽S1)均用于安装一个含有相导体的定子绕组(例如：定子绕组111)。应当注意的是，根据不同的设计，一个槽内可以嵌入多个定子绕组。如图2所示，定子104中可以有多个定子绕组111-120。在整个说明中，定子绕组也被称为定子的相导体。

应当认识到，虽然图2所示电机系统200仅有几个槽和定子绕组，但是电机系统200可以容纳任意数量的槽和定子绕组。通常，槽沿电动机的周长均匀分布，图中依次标出。在本发明的整个说明中，槽和槽中的绕组给了相同的编号。例如，图2中所示的S5可以表示第5个槽或嵌在第5个槽中的相导体(绕组)，具体取决于描述的上下文。

图2还显示了连接环202。在整个说明中，连接环202也被称为环。如图2所示，环202安装在定子104的一端。环202用适当的导电材料制成。环202用于连接定子绕组。如图2所示，各定子绕组的一端与环202相连，环202有助于控制所有定子绕组的电流。

应当注意的是，如果环202未与电机系统的其它节点相连，流经定子绕组的电流之和应等于零。如果流经定子绕组的电流之和不等于零，则应提供一条导电通路，作为不平衡电流的返回路径。下文将结合图12-15讨论返回路径具体的实现方式。

图2所示的环202为圆形。应注意的是，环202的形状仅为示例。本领域的普通技术人员将会认识到可以有许多变化、备选和修改。例如，基于本发明的范围和精神，环202还可以有其它形状，包括但不限于：椭圆形、正方形或矩形。在整个说明中，所述环也被称为连接环或连接导条。

图3显示了根据本发明各个实施例的图2所示的电机系统的连接环和多个定子绕组的示意图。连接环202为圆形。各定子绕组(例如：定子绕组115)的一端与连接环202相连。由于连接环202是用导电材料制成的，所述多个定子绕组之间有电气连接。在制造过程中，可以将相导体作为一个元器件插入电机的槽中。或者，也可以采用适当的工艺(例如：模铸、浇铸、电镀或印刷工艺)和导电材料在槽中加工相导体，相导体可以分开加工，也可以一起加工。端环可以与导体一起加工，也可以单独加工，然后再连接到相绕组上。

在一些实施例中，与连接环202相连的相导体插在连接环202上的孔中。或者，相导体与连接环202相连的一端也可以连接到连接环202的上表面或凸出区域。可以采用各种工艺连接多个定子绕组和连接环202，例如：焊接或类似工艺。下文将结合图9详细描述连接图。

图4显示了根据本发明各个实施例的另一种电机系统的简化视图。除了环202未安装到定子104的一端上外，电机系统400与图2所示的电机系统200相似。也可以采用其它方法将定子绕组相互连接。

图5显示了根据本发明各个实施例的沿图1所示直线A-A’剖切定子槽所形成的截面图。区域502是定子铁芯上被称为磁轭或定子底部的部分。区域502上方加工了第一个齿504和第二个齿506。区域502和齿504和506称为定子铁芯。区域502和齿504和506用磁性材料制成，例如：硅钢片、铁氧体或磁性化合物。沟槽508位于区域502上方，第一个齿504和第二个齿506之间。沟槽508也被称为槽。沟槽的侧壁和底部可以涂覆绝缘层520，以承受较高的电压。

相导体115嵌在沟槽中。如果所述导体需要承受较高的电压，通常会在相导体115和定子铁芯之间涂覆绝缘层520。相导体115的上方通常会有一个开口，开口内有时会填充机械支撑材料，其可以是导磁材料，也可以不是。在一些实施例中，会在槽508中填充合适的材料，例如焊锡膏。经过软熔处理后，焊锡膏形成一个盖子，进一步将定子绕组固定到位。

如图5所示，定子和转子102被气隙103隔开。为简洁起见，图5仅显示了一个定子绕组(例如：相导体115)。本领域技术人员将会明白转子102被多个定子绕组包围。

图6显示了根据本发明各个实施例的定子绕组的细节视图。定子绕组115由金属条602组成，也可以根据需要在嵌入槽中的金属条602的中部涂覆绝缘层604。可以采用任何合适的导电材料加工金属条602，例如：铝、钢、铜、其任意组合或类似材料。

使用合适的绝缘材料，有多种工艺可以用来加工绝缘层604。在一些实施例中，为增加定子绕组115的耐压，可以用合适的绝缘材料涂覆或覆盖定子绕组115位于定子内的部分，例如绝缘纸、膜或涂料。在一些实施例中，对金属条进行氧化处理，形成氧化层，氧化层即为绝缘层。在氧化过程中，可以避免氧化用于电气连接的区域。采用适当的氧化工艺，金属条表面周围的氧化层可以承受高电压，足以用于可重配置电动机应用。

绝缘层也可以提供不错的导热路径，从而在定子绕组和临近定子绕组的磁性材料之间传导热量。应当注意的是，根据不同的应用和设计要求，可以将导体和连接导条浇铸或模铸成一个整体。

图7显示了根据本发明各个实施例的连接环的侧视图。图7包括图7(A)和图7(B)。图7(A)显示了连接环802，与图1所示的连接202相似。图7(B)显示了在连接环802上加工的多个孔。在整个描述中，图7(A)和图7(B)可以统称为图7。

连接环802由导电材料制成。连接环802可能包含多个孔，用于容纳定子绕组，每个孔均充当一个用于容纳导体一端的连接端口。如图7(B)所示，连接环802含有许多个孔，例如孔812和814。孔812和814可以是圆形。所述孔可以均匀分布在连接环802上，如图7(B)所示。下文将结合图9详细描述连接环802和定子绕组之间的连接方式。

应当注意的是，孔的形状仅为示例。本领域的普通技术人员将会认识到可以有许多变化、备选和修改。例如，基于本发明的范围和精神，所述孔还可以有其它形状，包括但不限于：椭圆形、正方形或矩形。此外，根据不同的应用和设计要求，所述孔也不必是均匀分布的。

图8显示了根据本发明各个实施例的沿图7所示直线A-A’剖切连接环所形成的横截面图。图8包括图8(A)-8(E)。图8(A)-8(E)显示了连接环上的孔的各种实施例。在整个描述中，图8(A)-8(E)可以统称为图8。

连接环802上有一个孔812。孔812用于容纳相绕组。特别是，相绕组的一端可以插进孔中。可以采用适当的工艺(例如：焊接)固定相绕组的位置。或者，也可以采用机械锁定装置固定相绕组的位置。

如图8(A)所示，孔812可以不穿透连接环802。在这种情况下，孔812为盲孔。如图8(B)所示，孔812可以穿透连接环802。换言之，孔812为通孔。

在图8(C)中，连接环802的一侧有一个凸出区域824。通孔812穿透凸出区域824和连接环802。在图8(D)中，连接环802的一侧有一个凸出区域824。孔812未穿透连接环802。在图8(E)中，所述孔在连接环802主体中的部分比在凸出区域824中的部分小。图8(E)所示的安排有助于固定需要插入孔中的相绕组的位置。图8(E)所示的安排方式可以改进用于连接导体和连接环的焊接工艺。

图8所示的凸出区域和孔不仅可以充当承接导体一端的连接端口，还可以有多种不同的组合形式。例如，将凸出区域设置在连接环802的上表面或下表面上都是可行的。使用图8所示的凸出区域可以改进制造工艺，从而提升连接处的焊接质量、机械强度和电流能力。

在一些实施例中，将相导体插入孔(例如：孔812)中之前或之后，可以在孔的底部或沿孔壁铺一层焊锡或焊接材料。将相导体插入孔中之后，可以采用合适的工艺固定相导体和连接环之间的连接，例如回流焊、手工焊接、激光焊接、波峰焊接和类似工艺。

应当注意的是，图8所示的孔深度仅为示例。根据不同的应用和设计要求，孔深度可以按要求变化。

图9显示了根据本发明各个实施例的导体与连接环连接后的侧视图。图9包括图9(A)-9(F)。图9(A)-9(F)显示了绕组和连接环之间的连接的各种实施例。在整个描述中，图9(A)-9(F)可以统称为图9。

可以采用图9所示的各种实现方式连接相导体和连接环。在图9(A)所示的第一种实现方式中，可以采用未穿透连接环802的孔连接相导体115和连接环。在图9(B)所示的第二种实现方式中，可以采用穿透连接环802的孔连接相导体115和连接环802。相导体的一端可以插在孔中或从孔中穿出。

在图9(C)所示的第三种实现方式中，可以直接将相导体115连接到连接环802的上表面上。在图9(D)所示的第四种实现方式中，可以通过在凸出区域824和连接环802的主体中加工的孔连接相导体115和连接环802的凸出区域。该孔可以是通孔，也可以是盲孔。

在图9(E)所示的第五种实现方式中，可以将相导体115与连接环802的凸出区域824相连，连接到凸出区域824的表面上。在图9(F)所示的第六种实现方式中，可以通过凸出区域824内的通孔连接相导体115和连接环802，其中，凸出区域824与连接环802的下表面耦合。同样地，使用凸出区域可以改进连接处的制造工艺、机械强度和/或电流能力。应当注意的是，这些实现方式可以单独使用，也可以相互结合，具体取决于设计要求和不同的应用。

图10显示了根据本发明各个实施例的一种可重配置电机系统的框图。可重配置电机系统1000由可重配置电机1060和相关功率变换器组1050组成。在一些实施例中，可以将可重配置电机1060实现为图2所示的可重配置电机。在备选实施例中，可以将可重配置电机1060实现为任何可重配置电机。如图10所示，可重配置电机1060由多个定子绕组S1-SN和连接环1062组成。

功率变换器组1050由多个功率变换器1001-100N组成。每个功率变换器(例如：功率变换器1001)均有一个与电源Vs相连的输入和一个与相应定子绕组(例如：定子绕组S1)相连的输出。如图10所示，定子绕组(例如：定子绕组S1)的一端与相应功率变换器(例如：功率变换器1001)的输出相连。定子绕组的另一端与连接环1062相连。下文将结合图11详细描述功率变换器的结构。

图11显示了根据本发明各个实施例的适用于图10所示系统的一种功率变换器的原理图。在一些实施例中，功率变换器1001被实现为半桥功率变换器。半桥功率变换器1001包括两个开关元件(即：Q1和Q2)和两个电容(即：C1和C2)。

如图11所示，开关元件Q1和Q2串联在电源Vs的输出端子之间。同样地，电容C1和C2也串联在电源Vs的输出端子之间。开关元件Q1和Q2的公共节点与由电感Lo和输出电容Co组成的L-C滤波器的输入耦合，如图11所示。电容C1和C2的公共节点接地。请注意，Lo和Co为选配件，也可以直接将Q1和Q2的公共节点与电动机的导体相连。

根据一些实施例，开关元件Q1和Q2被实现为MOSFET或并联的多个MOSFET、其任意组合和/或类似产品。根据备选实施例，开关元件(例如：开关Q1)可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件。或者，开关元件也可以是任何可控开关，例如：集成门极换流晶闸管(IGCT)器件、可关断晶闸管(GTO)器件、可控硅整流器(SCR)器件、结型场效应晶体管(JFET)器件、MOS控制晶闸管(MCT)器件、基于氮化镓(GaN)的功率器件和/或类似产品。

应当注意的是，虽然整个描述中所采用的示例是基于半桥转换器(例如：图11所示的半桥转换器1001)的，但是图11所示功率变换器的实现方式有许多变化、备选和修改。例如，可以在某些适当的应用中采用全桥转换器、推挽转换器和电感-电感-电容(LLC)谐振转换器。

总而言之，这里对半桥转换器1001的说明只是为了清楚地展示各个实施例的创新之处。本发明不局限于任何特定的电源拓扑。

还应注意的是，虽然图11显示了两个开关Q1和Q2，本发明的各个实施例会有其它变化、修改和备选。例如，可以将独立的电容分别与半桥转换器1001的各开关并联。这种独立的电容有助于更好地控制半桥转换器1001的谐振过程的时序和EMI。

图12显示了根据本发明各个实施例的另一种可重配置电机系统的框图。除了连接环1062通过导电通路与功率变换器组1050耦合外，图12所示的可重配置电机系统1200与图10所示的可重配置电机系统1000相似。在一些实施例中，连接环1062可以通过导电通路与电源Vs相连，其中，在连接环与电源之间可能会有一些阻抗元件，例如电容或电感。图12所示的连接方式有助于更好地控制流经定子绕组S1-SN的电流。特别是当流经定子绕组S1-SN的电流之和不等于零时，图12所示的导电通路将作为流经定子绕组S1-SN的不平衡电流的返回路径。

在一些实施例中，连接环1062可能不是圆形。例如，连接环上可能会有一个或多个间隙(这里未显示，但在图21中有显示)。为获取更优异的性能，返回路径和连接环1062之间的接点可位于连接环1062的中部。

图13显示了根据本发明各个实施例的另一种可重配置电机系统的框图。除了在连接环1062与电源Vs的正极端子之间连接有电感L0外，可重配置电机系统1300与图12所示的可重配置电机系统1200相似。配置电感L0的一个优势是：电感L0有助于减小定子绕组中的电流纹波。电感L0还有助于滤除功率变换器1001-100N的开关噪声。

应当注意的是，可以将电感L0集成到可重配置电机系统1300的定子铁芯上。在一些实施例中，定子铁芯可能含有导磁材料，例如硅钢、软磁铁氧体、其任意组合和类似产品。可以将电感L0加工在定子铁芯内部。例如，电感L0被实现为导体，绕在可重配置电机系统1300的部分定子铁芯上。

虽然图示中L0与电源Vs的正极端子耦合，但也可以将其与电源Vs的负极端子或系统中具有稳定电势的其它节点耦合。此外，可以用电阻较小的阻抗网络代替L0，例如电容或电感-电容网络。下文中，图14给出了一个示例。

图14显示了根据本发明各个实施例的另一种可重配置电机系统的框图。除了在连接环1062与电源Vs的负极端子之间连接有电容外，图14所示的可重配置电机系统1400与图12所示的可重配置电机系统1200相似。配置电容C0的一个优势是：电容C0有助于滤除交流电压，使连接环1062保持稳定的电势。

应当注意的是，根据设计需要，可以在导电通路中添加其它合适的元器件，例如保护熔丝。此外，为避免显著的寄生电感和相关的功率损耗，除非需要在连接线上添加电感元件，应将导电通路中的连接线布置在可重配置电机系统1400定子铁芯的外部。

图15显示了根据本发明各个实施例的另一种可重配置电机系统的框图。除了在电感L0和电源Vs的正极端子之间连接有功率变换器1501外，可重配置电机系统1500与图13所示的可重配置电机系统1500相似。功率变换器1501的结构与功率变换器1001相似，因此在此不再赘述。

配置功率变换器1501的一个优势是：功率变换器1501有助于进一步提高可重配置电机系统1500的性能。例如，通过控制功率变换器1501的运行，可以将连接环1062上的不平衡电流控制在预定范围内。

图10-15所示的可重配置电机系统可以配置为：通过控制功率变换器调整绕组电流的相位和/或禁止运行某些绕组，进而动态地改变电动机的极数和相数。电机系统的关键目标之一是：通过控制电动机相电流(流经绕组的电流)的幅值、频率和相位协调电动机和功率变换器的运行，从而获得最佳的系统能效。因此，可以将各种工况下系统关键元器件的功率损耗或系统的综合功率损耗(包括功率变换器损耗、电动机绕组损耗、电动机磁性材料功率损耗和其它损耗的任意组合)降至最低。

电动机可以在各种状态下以弱磁模式运行。由于电动机中的磁场强度对磁功率损耗具有重大影响，电动机在大多数状态和/或应用中不需要以额定转矩或近似于额定转矩运行，因此可以根据其工况调整磁通强度和绕组电流的幅值。

在一些实施例中，电源可以被实现为多个串联的电源。或者，电源也可具有高电势。可以将施加在可重配置电机系统上的电源分为多个电压较低的输入电压源。针对由电源分出的多个输入电压源，可以将相绕组分成相应的几组。可以将各组中的相绕组与一个独立的连接导条相连，也可将其与一个独立的输入电压源耦合。下文将结合图16-19说明这种适用于高输入电压应用的配置(多组绕组、多个连接导条和多个输入电压源)。

图16显示了根据本发明各个实施例的一种含有多组绕组的可重配置电机系统的框图。可重配置电机系统1600由定子104、转子102和气隙103组成。定子104含有多个定子绕组。所述多个定子绕组可以嵌入定子铁芯中。具体而言，定子铁芯可能含有多个槽，每个槽用于容纳一个定子绕组。或者，根据不同的应用和设计要求，每个槽可用于容纳多个定子绕组。另外，可重配置电机系统1600可能不带定子铁芯(例如：无芯电动机)，或定子铁芯不带槽。

如图16所示，所述多个定子绕组分为M组，其中，M是一个预定整数。各组的定子绕组由连接环连接。例如，第一组定子绕组S11-S1N由第一个连接环1651连接，如图16所示。同样地，第m组定子绕组SM1-SMN由第M个连接环165M连接，如图16所示。图16所示的连接环是浮动的(即：连接环相互隔离，如图16所示)。在本发明中，连接环不一定是封闭式的，也可以是连接导条。如果M个输入电源中有部分是相互隔离的，连接环1651-165M中相应的部分连接环之间可以有电气连接，或形成单个连接环。

此外，可重配置电机系统1600含有多组功率变换器。各组功率变换器接在一个电源和对应的一组定子绕组之间。如图16所示，第一组功率变换器1601接在第一个电源VS1和第一组定子绕组S11-S1N之间。第一组功率变换器1601由多个功率变换器1611-161N组成，如图16所示。同样地，第M组功率变换器160M接在第M个电源VSM和第M组定子绕组SM1-SMN之间。第M组功率变换器160M由多个功率变换器16M1-16MN组成，如图16所示。在一些实施例中，所述多个功率变换器被按顺序划分为多组功率变换器。

在一些实施例中，电源VS1-VSM是独立的电源，如图16所示。在备选实施例中，电源VS1-VSM可以串联，以容纳施加在可重配置电机系统1600上的高输入电压。此外，电源VS1-VSM可以由串联并与公共电源耦合的电容组成，在此情形下实现电源之间的电荷平衡就尤为重要。为实现串联电源的电荷平衡，流入和流出电源的直流电流应相等或近似相等(例如：偏差不超过20％)。

在一些实施例中，当流经各电源的电流是直流电流或低频分量低时，电源可以高效而可靠地运行。例如，应尽可能减少电流的谐波分量(例如：基波和低次谐波)。在一些实施例中，每组绕组应含有至少三个定子绕组，均匀分布在一个极对上。各定子绕组被配置为流通具有相同幅值和频率的电流。此外，电流的相位在定子绕组中均匀分布。因此，每组绕组中的定子绕组形成一个对称且平衡的多相系统，在理想状态下，流经各电源的电流为直流电流。

图17显示了根据本发明各个实施例的另一种含有多组绕组的可重配置电机系统的框图。除了每组定子绕组均与一个返回路径相连外，可重配置电机系统1700与图16所示的可重配置电机系统1600相似。关于配置返回路径的优点，上文已结合图12予以讨论，为避免重复，这里不再赘述。

图18显示了根据本发明各个实施例的又一种含有多组绕组的可重配置电机系统的框图。除了某几组的定子绕组与一个返回路径相连外，可重配置电机系统1800与图16所示的可重配置电机系统1600相似。至少有一组定子绕组不连接返回路径。

图19显示了根据本发明各个实施例的一种含有两组绕组的可重配置电机系统的框图。图16所示的可重配置电机系统1600具有M组绕组。当预定整数M等于2时，图16所示的可重配置电机系统1600变为图19所示的可重配置电机系统1900。

如图19所示，第一组绕组由定子绕组S11-S1N组成。定子绕组S11-S1N由第一个连接环1651连接。第二组绕组由定子绕组S21-S2N组成。定子绕组S21-S2N由第二个连接环1652连接。第一组功率变换器1601接在第一个电源VS1和第一组定子绕组之间。第一组功率变换器1601由多个功率变换器1611-161N组成，如图19所示。同样地，第二组功率变换器1602接在第二个电源VS2和第二组定子绕组之间。第二组功率变换器1602由多个功率变换器1621-162N组成，如图19所示。如果VS1与VS2相互隔离，连接环1651和1652之间可以有电气连接，在一些实施例中，也可以形成单个连接环。

图20显示了根据本发明各个实施例的另一种含有两组绕组的可重配置电机系统的框图。除了每组绕组由安装在连续的槽中的24个绕组组成外，可重配置电机系统2000与图19所示的可重配置电机系统1900相似。如图20所示，第一组绕组由绕组S1-S12组成。第二组绕组由绕组S13-S24组成。同样地，每组功率变换器由十二个功率变换器组成，每个功率变换器均与一个定子绕组耦合，如图20所示。

如图20所示，第一组绕组由定子绕组S1-S12组成。第二组绕组由定子绕组S13-S24组成。第一组功率变换器由功率变换器2001-2012组成。第二组功率变换器由功率变换器2013-2024组成。

应当注意的是，输入电源VS1和VS2串联，以承受施加在可重配置电机系统2000上的高电压。

图21显示了根据本发明各个实施例的图20所示连接环的第一种实现方式的简化视图。回顾图7可知，连接环202可以是圆形。可以通过切割部分连接环202制成图21所示的连接导条1651和1652。如图21所示，通过切掉部分连接环202，在两个连接导条1651和1652之间形成了第一个间隙2102和第二个间隙2104。如图21所示，第一个连接导条是一个半圆弧，第二个连接导条是另一个半圆弧。如前所述，连接环或连接导条也可以是其它形状。

连接导条1651和1652由导电材料制成。第一个连接导条1651可以在多个第一定子绕组之间形成电气连接。可以采用各种工艺(例如：焊接或类似工艺)将所述多个第一定子绕组与第一个连接导条1651相连，或在同一进程中与第一个连接导条一起制造。同样地，第二个连接导条1652可以在多个第二定子绕组之间形成电气连接。可以采用各种工艺(例如：焊接或类似工艺)将所述多个第二定子绕组与第二个连接导条1652相连，或在同一进程中与第二个连接导条一起制造。下文将结合图22-23描述定子绕组和连接导条之间的分配。

图22显示了根据本发明各个实施例的图20所示可重配置电机系统的连接导条和多个定子绕组的示意图。定子绕组被分为两组。采用适当的工艺(例如：焊接或类似工艺)将第一组定子绕组与第一个连接导条1651相连。采用适当的工艺(例如：焊接或类似工艺)将第二组定子绕组与第二个连接导条1652相连。

应当注意的是，图22所示的连接方式仅为示例，不应过度地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将会认识到可以有许多变化、备选和修改。例如，图9所示的连接方法适用于具有多个连接导条/环的可重配置电机系统。

图23显示了根据本发明各个实施例的多个定子绕组在连接导条之间的一种分配方式。如图23所示，定子绕组被均匀、连续地分为两组，每组中的绕组分别占据着连续的槽。如果与连接导条之间不存在其它连接，一组中的所有绕组电流之和应等于零，因此，在电动机以最小极数运行时，由于平衡系统中的一个极对中的所有绕组电流之和为零，与一个连接导条相连的相绕组应形成至少一个极对。如果采用图23所示的连续型分配方式，电动机运行所需的最小极对数为连接导条的数量(例如：在图23所示的情况下为2)。鉴于每个极对中的导体数量应至少为3，如此电动机才能实现优异的性能，如果一组中的相导体数量为N，可以重新配置电动机，使其以K*2*M的极数运行，其中，K是一个正整数，最大不超过N/3。

图24显示了根据本发明各个实施例的图20所示连接环的第二种实现方式的简化视图。如图24所示，除了第二个连接环1652安装在第一个连接环1651内部并被其包围外，图24所示的连接环1651和1652与图21所示的连接导条相似。两个连接环1651和1652之间存在间隙。

在一些实施例中，如果采用图24所示的安排方式，可以将一个极对中的定子绕组分配给不同的连接环。或者，与一个连接环/条相连的多个导体可能属于不同的极对。图25显示了适用于图24所示连接环的一种绕组分配方式。同样地，电动机中的绕组也被均匀地分为两组。每组分别与一个连接环耦合。然而，各连接环并未与占据连续的槽的绕组耦合。相反地，第一个连接环1651与位于编号为奇数的槽中的相绕组耦合。第二个连接环1652与位于编号为偶数的槽中的相绕组耦合。如此，均匀并交替地将相绕组分配到各连接环上，从而实现平衡且对称的配置。

可以将定子绕组S1,S2,...,S24嵌入定子铁芯中。更确切地说，定子绕组S1,S2,...,S24可以均匀地分布在定子铁芯中。如图25所示，两个相邻的定子绕组(例如：S1和S2)以交替的方式分别连接到第一个连接环1651和第二个连接环1652上。这种交替型分配方式仍然是一种对称的相绕组和组安排方式。在这种交替配置中，电动机的最小极对数可以等于1。如果一组中有N个相导体，并且有M个对称的组以这种交替配置安排，那么可以重新配置电动机，使其在极对数等于K的条件下运行，其中，K是一个正整数，最大不超过N*M/3，但前提条件是K小于N。基于这种关系，一组中的相绕组可以形成一个平衡且对称的子系统。

在运行过程中，通过调整相邻槽中的绕组电流的相位差，将电动机的极对数从最小极对数(Pmin)增加至一个更大的极对数(Padj)，与连接导条相连的绕组仍然形成一个平衡且对称的子系统，直至一组中的所有导体具有相同的相角。在一些实施例中，Padj＝K*Pmin，其中，K是一个大于1且小于N的整数。应当注意的是，为实现优异的性能，一个极对中应至少有三个相导体。因此，K不应大于N*M/(3*Pmin)，其中，M是连接导条的数量，N是与一个连接导条相连的相导体的数量。

在备选实施例中，当电动机以最小极对数运行时，一个极对中的相绕组数量可以被整数L整除，其中，L大于或等于二。如此，可以将该类极对中的相导体均匀、交替地划分为L组，一组中的所有导体均与一个连接导条相连。

图26显示了根据本发明各个实施例的一种含有三个连接环的可重配置电机系统的简化视图。除了共有三个连接环外，图26所示的连接环2602、2604和2606与图24所示的连接环相似。两个相邻的连接环之间设置有间隙。

图27显示了根据本发明各个实施例的绕组在连接环中的一种配方式。如图27所示，定子绕组被均匀、交替地分为三组。第一组包括与第一个连接环2602耦合的多个第一定子绕组(S1、S4、S7、S10、S13、S16、S19和S22)，如图27所示。第二组包括与第二个连接环2604耦合的多个第二定子绕组(S2、S5、S8、S11、S14、S17、S20和S23)，如图27所示。第三组包括与第三个连接环2606耦合的多个第三定子绕组(S3、S6、S9、S12、S15、S18、S21和S24)，如图27所示。第一个连接环2602、第二个连接环2604和第三个连接环2606平行设置。在图27所示的这种交替配置中，最小极对数可以等于一。

如果一个电动机设计中可以同时采用连续配置和交替配置，则形成混合配置。因此，可以使用更多组和更多连接导条，从而降低在输入电源总电压相同的条件下各功率变换器和定子绕组的额定电压。

图28显示了根据本发明各个实施例的一种含有四个连接导条且连接导条采用混合配置的可重配置电机系统的简化视图。除了将图24中的各连接导条分别划分为图28所示的两个连接导条外，图28所示的连接导条2802、2804、2806和2808与图24所示的连接导条相似。

图29显示了根据本发明各个实施例的适用于图28所示连接环的一种绕组分配方式。如图29所示，定子绕组被分为四组。第一组包括与第一个连接环2802耦合的多个第一定子绕组(S2、S4、S6、S8、S10和S12)，如图29所示。第二组包括与第二个连接环2804耦合的多个第二定子绕组(S1、S3、S5、S7、S9和S11)，如图29所示。第三组包括与第三个连接环2806耦合的多个第三定子绕组(S14、S16、S18、S20、S22和S24)，如图29所示。第四组包括与第四个连接环2808耦合的多个第四定子绕组(S13、S15、S17、S19、S21和S23)，如图29所示。

第一个连接环2802和第二个连接环2804平行设置。第三个连接环2806和第四个连接环2808平行设置。在这种混合配置中，电动机运行所需的最小极对数为二，但各组功率变换器的直流链路电压可以等于Vin的四分之一，其中，Vin是施加在功率变换器系统上的总输入电压。

下文中的图30-35描述了用于降低可重配置电机系统的温度的各种散热技术。与定子绕组相比，上文所述的连接环/条的横截面积更大，更易于将热量传导到外部环境中。同样地，可以将一个或多个连接环/条用作散热装置，以直接降低连接环/条和相关定子绕组的温度。这种散热装置有助于降低定子以及整个电动机的温度。

图30显示了根据本发明各个实施例的一种在连接环中加工有散热装置的可重配置电机系统的简化视图。连接环3002与图7所示的连接环202相似，因此，为避免重复，这里不再赘述。

散热装置3004是一种传热装置，带有入口3006和出口3008。散热装置3004能够导热，可以将其设置在连接环3002内部，也可以将散热装置3004设置在连接环3002主体的表面上。散热装置3004可以被实现为液体散热管。所述液体散热管的管壁由导热材料制成，例如铜、铝、其任意组合或类似材料。诸如水之类的液体从入口3006流向出口3008。液体与管道的导热表面接触，从而吸收管道表面上的热量。

可以将散热装置3004设置在连接环3002内部的任意位置。在一些实施例中，散热装置3004沿连接环3002的纵轴设置，如图30所示。在集肤效应的作用下，电流倾向于沿连接环的表面流动，因此，无论散热装置3004是设置在连接环3002的内部还是表面上，对流经连接环3002的电流都不会有很大的影响。

应当注意的是，虽然图30中给出的是液体散热管，可以将其它合适的散热装置和方法与上述液体散热相结合。例如，可以在连接环3002中增加空气冷却装置。或者，也可以将液体管道的一部分用于空气冷却。

图31显示了根据本发明各个实施例的一种提供强化散热效果的连接环的简化视图。为提供强化散热效果，可以在连接环上加工多个散热齿。如图31所示，除了连接环3102外部的侧壁上加工有多个散热齿3104外，连接环3102与图7所示的连接环202相似。

散热齿3104起到多个散热器的作用，从而最大限度地增加与冷却空气接触的表面面积。应当注意的是，虽然图31所示的散热齿3104为三角形，但也可以是其它任何合适的形状，例如矩形、梯形、椭圆形等。

图32显示了根据本发明各个实施例的另一种提供强化散热效果的连接环的简化视图。回顾图7-9可知，连接环上可以有多个孔，用于容纳定子绕组。为提供强化散热效果，可以将散热管设置在与所述孔相邻的区域中(例如：在两个相邻的孔之间，如图32所示)。图32所示的连接环带有盲孔，这是清楚地显示这一概念的一个很好的示例。当然，也可以使用其它类型的孔，并根据具体的孔调整散热管的布局。

如图32所示，孔(例如：3212和3214)加工在连接环3202内部。散热装置3204是一种导热装置，带有入口3206和出口3208。散热装置3204的主体沿孔的侧壁设置，如图32所示。

配置图32所示的散热装置的一个优势是：将散热装置3204沿孔的侧壁设置，有助于增加与连接环受热区域接触的表面面积。

图33显示了根据本发明各个实施例的一种加工在连接环内部的散热装置的简化视图。连接导条3302和3304与图21所示的连接导条1651和1652相似，因此，为避免重复，这里不再赘述。

散热装置3303是一种导热装置，除了两个连接导条共用一个散热管外，它与图30所示的散热装置相似。如图33所示，散热装置3303带有入口3306和出口3308。散热装置3303的主体的设置保证两个连接导条3302和3304均能达到良好的导热效果。如图33所示，入口3306与连接导条3302相连，出口3308与连接导条3304相连。

图34显示了根据本发明各个实施例的另一种加工在连接导条内部的散热装置的简化视图。如图34所示，除了入口3306和出口3308均与连接导条3302相连外，图34中的散热装置3303与图33所示的散热装置相似。

图35显示了根据本发明各个实施例的另一种加工在连接环内部的散热装置的简化视图。连接环3502和3504与图24所示的连接环1651和1652相似，因此，为避免重复，这里不再赘述。

散热装置3501是一种导热装置。如图35所示，散热装置2501带有入口3506和出口3508。散热装置3501的主体的设置保证两个连接环3502和3504均能达到良好的导热效果。如图35所示，散热装置3501从入口3506开始沿连接环3502的纵轴延伸，穿过这两个连接环之间的间隙，然后继续沿连接环3504的纵轴延伸，最后到达出口3508，如图35所示。

在一些实施例中，每个绕组在运行过程中可能仅产生或承受很低的电压。如果有多个输入电源串联，可以将多个连接导条的配置与更高的输入电压耦合。输入电压源可以被实现为真实的电压源，例如电池组，也可以被实现为伪电压源，例如电容。在一些应用中，可能需要进一步提高电压能力。在这种情况下，一个定子槽中可以有多个导体。

图36显示了根据本发明各个实施例的一种容纳多个导体的定子槽的横截面图。定子3602带有多个槽。选择其中一个槽说明本发明的创新之处。如图36所示，有两个导体3604和3606放在该槽中。导体3604位于导体3606上面。可以在这些导体之间及其周围涂覆绝缘层3620。应当注意的是，虽然图36中一个导体位于另一个导体顶部，但导体也可以采用其它各种安排方式。例如，可以将这两个导体在槽中并列放置。还应注意的是，图36所示的一个槽中容纳两个导体仅为示例。槽中可以容纳任意数量的导体。

在一个槽中配置多个导体的一个优势是：可以将一个槽中的导体分配给不同的相绕组。还可以将其分配给不同的组，与不同的环相连。图36还显示了导体和连接环之间的一种分配方式。导体3604和导体3606属于两组不同的绕组(例如：图16所示的各组定子绕组)，由不同的功率变换器控制，也因此与不同的连接环相连，如图36所示。特别是，导体3604与第一个连接环3612相连。导体3606与第二个连接环3614相连。连接环3612和3614可以被实现为上文所述的任何环/条配置。在一些实施例中，导体3604和导体3606与两个不同的电源耦合。在一些实施例中，通过控制3604和3606中的电流实现相同的相位和/或相同的幅值。

在一个槽中配置多个导体的另一个优势是：可以将多个导体串联成一个绕组，从而产生更高的电压。在一个槽中配置多个导体的又一个优势是：采用这种绕组配置(多个导体串联)，一个槽中的导体可以有不同的相位，因此一个绕组可以分布在电机不同的槽中，从而使空间磁动势(MMF)能平滑变化，并降低气隙中的磁场的空间谐波。一个槽中的所有导体形成一个导体组件，而每个组件可以均匀地分成两个或两个以上的支路，每个支路中的所有导体均属于同一相。如此，一个槽中可能含有一个由属于不同相的多个支路组成的导体组件，并且一个相绕组只可以占据一个槽的一部分。

图37显示了根据本发明各个实施例的一种具有三十六个定子槽的可重配置电机系统的第一种典型的绕组安排方式。一个槽中的每个导体组件均有两个支路，以自上而下的配置安排。当然，一个导体组件也可以有超过两个的支路，并且一个导体组件中的支路可以以并列的配置安排。在一些实施例中，可以将图37所示的可重配置电机系统配置为具有一个极对和九相。每个相绕组均有一个正段(例如：A+表示A相)，一个负段(例如：A-表示A相)。一段中可能有多个导体支路。共有九相，从A相到I相，如图37所示。

如图37所示，在每个槽(例如：槽S1)中，有一个导体组件，分为两个导体支路(A+和E-)，每个支路可能有多个导体，这些导体可以在相绕组中形成多匝。在一些实施例中，如果配置为最小极数，三十六个槽中的导体组件形成一个极对。在这种情况下，相邻相位中的绕组电流之间的相角差为40°，但相邻槽之间的等效槽磁力(由槽中的导体电流产生)的角度差为10°。

在一些实施例中，每个定子绕组(例如：绕组A)均分布在六个不同的槽中。具体而言，三个槽用于容纳正段，三个槽用于容纳负段。例如，图37所示的绕组A的正段占据第一个槽S1的上半部分，形成一个支路，占据第三个槽S3的下半部分，形成另一个支路，并占据第二个槽S2的整个槽，形成另外两个支路。同样地，绕组A的负段占据槽S19、S20和S21。如此，一个相绕组在两个方向上均以部分槽为起点。采用这种安排方式的一个优势是：由于每个绕组均以部分槽为起点和终点，因此，可以减少空间谐波。

图37显示了九个绕组(绕组A至绕组I)。共有36个槽(槽S1-S36)，每个绕组可占据四个完整的槽位。各绕组所占据的槽可以分散和分布在更多槽中。例如，每个绕组占据六个槽，如图37所示。

应当注意的是，根据不同的应用和设计要求，绕组的安排方式可能会发生相应的变化。例如，绕组A的正段可以占据两个完整的槽(例如：槽1和2)，或根据需要分布在三个以上的槽中。

图38显示了根据本发明各个实施例的一种典型的绕组导体连接方式。回顾图37可知，共有三十六个槽。每个槽具有两个导体支路，每个导体支路可以有多个导体。绕组A的正段占据槽S1、S2和S3。绕组A的负段占据槽S19、S20和S21。

如图38所示，槽1中的导体的第一个端子与A相绕组的正极端子(A+)相连。槽1中的导体的第二个端子与槽19中的导体的第一个端子相连。槽19中的导体的第二个端子与槽2中的第一个导体的第一个端子相连。槽2中的第一个导体的第二个端子与槽20中的第一个导体的第一个端子相连。槽20中的第一个导体的第二个端子与槽2中的第二个导体的第一个端子相连。槽2中的第二个导体的第二个端子与槽20中的第二个导体的第一个端子相连。槽20中的第二个导体的第二个端子与槽3中的导体的第一个端子相连。槽3中的导体的第二个端子与槽21中的导体的第一个端子相连。槽21中的导体的第二个端子与A相绕组的负极端子(A-)相连。

在图38所示的绕组配置中，绕组A的正段和负段在空间上相距180°。这种绕组配置被称为整距绕组。在这种系统中，最小极对数等于一。应当注意的是，可以重复这种绕组安排方式，以形成更多极对，如下文图39-40所示。

在一些实施例中，图37和图38所示的绕组配置是一种以一个极对为最小极数的配置。在这种2-极配置中，一个绕组的正段(例如：S1中的A+)和负段(例如：S19中的A-)相距180°，其中，相邻相位中的绕组电流之间的相角差为40°。为提升可重配置电机系统在各种工况下的性能，可以通过增加相邻相位之间的相角差，对极对数进行相应的调整。如果新的极对数为奇数K，那么，相邻相位之间的相角差为K*40°，正段A+和负段A-之间的空间角度差为K*180°，与180°等效。因此，正段A+和负段A-仍然可以形成一个相绕组。如果采用图38所示的绕组配置，通过将流经相邻相位的绕组电流之间的相角差增加至120°，电动机可以以六极、三相的配置运行。在运行过程中，可以动态地调整图38所示的可重配置电机系统，使其从一个具有一个极对九相的系统变为一个具有三个极对三相的系统。

图39显示了根据本发明各个实施例的另一种绕组安排方式。可重配置电机系统具有七十二个定子槽。可以通过重复图37-38所示的安排方式将导体安排在这些槽中。导体可以分为两部分。第一部分占据槽1-36。第二部分占据槽37-72。导体的每一部分均按照图37所示的方式安排，并且能够按照上文所述的方式运行。

现在，最小极对数为二。可以将两部分中对应的绕组(例如：第一部分中的绕组A和第二部分中的绕组A)串联或并联，形成一个九相可重配置电机系统。可能需要九个功率变换器，用于控制该可重配置电机系统。或者，如果不将这两部分中的绕组相互连接，这些绕组可以形成一个十八相可重配置电机系统。可能需要十八个功率变换器，用于控制该可重配置电机系统。

图40显示了根据本发明各个实施例的又一种绕组安排方式。这种安排方式采用短距绕组减少空间谐波，而非整距绕组。这种72-槽配置与图39所示的配置类似。其区别在于：就最小极数配置而言，由于某个槽中的导体组件(这里指槽17中的E+和I-)已经被移除，第一部分中的绕组的正段和负段之间相距170°的空间角度，而剩余的导体移动一个槽位，因此，A相绕组的负段以槽18为起点，而非槽19，如图39所示。

此外，图40中的绕组E和I仅占据第一部分中的四个槽，而非如图39所示的六个槽。在最小极数的配置下，为补足第一部分中减少的绕组E和I的槽数(以及因此减少的匝数)，在第二部分中，绕组E和I占据八个槽，从而在绕组的正段和负段之间形成190°的空间距离，这实际上是一种长节距实现方式。在减少MMF产生的空间谐波方面，长节距实现方式的效果与短节距实现方式相似。就这种配置而言，这两部分中对应的绕组应串联。因此，每个绕组的电压大致相同。通过将更多的槽(最好从属不同的绕组)从一部分转移到另一部分中，，可以形成节距更短的绕组。

采用这种安排方式，电机可以被配置为Kodd*Pmin个极对，其中，Pmin是最小极对数，Kodd是一个介于1和Koddmax之间的正奇数，而Koddmax是允许将绕组均匀分成极对的最大奇数。例如，如果电动机具有九个绕组，分布在36个槽中，如图37所示，可以将其配置为两极或六极。如果电动机具有十五个绕组，可以将其动态地重新配置为在各种运行模式下运行，包括两极、六极或十极。

图37-40所示的每个绕组(例如：绕组A)均具有两个接线端子。可以将这两个端子与一个功率变换器(例如：全桥或类似功率变换器)耦合。在下文中，图41-45显示了绕组和功率变换器之间的连接方式。

可以将所有功率变换器连接到一个电源上。图41显示了根据本发明各个实施例的一种十五相可重配置电机系统的框图。这十五相以A,B,C,…,O相表示，如图41所示。可重配置电机系统4100包括十五个功率变换器。所有功率变换器4101-4115均与输入电压耦合。所述功率变换器形成一个功率变换器组4150。电动机4160中有十五个绕组。每个绕组(例如：绕组A)均有两个端子，与一个功率变换器(例如：功率变换器4101)相连。应当注意的是，由于每个绕组的两端均与一个全桥型功率变换器相连，因此，不需要图41所示的连接导条。如果功率变换器为半桥型转换器，则可以将所有相绕组的一端连接在一起，最好使用连接环或连接导条。

在一些情况下，最好将绕组分为几组，并通过多组功率变换器将其与多个输入电压源耦合，所述多个输入电压源可以按与图16相似的配置串联。

与上述讨论相似，诸如图37、39和40所示的配置中的相绕组也可以被划分为连续或顺序配置的组。然后，将每组中的绕组与一组功率变换器耦合。以采用相应配置的十五绕组电动机为例，绕组A、D、G、J和M可以形成第一组。绕组B、E、H、K和N可以形成第二组。绕组C、F、I、L和O可以形成第三组。

图42显示了根据本发明各个实施例的一种交替配置的框图。可重配置电机系统4200包括十五个功率变换器和十五个相绕组。所述功率变换器和绕组分为三组。第一组4251包括功率变换器4201、4204、4207、4210和4213。第二组4252包括功率变换器4202、4205、4208、4211和4214。第三组4253包括功率变换器4203、4206、4209、4212和4215。系统中的十五个绕组也以相同的方式分为三组。按照前文所述，均匀、交替地划分绕组。

图43显示了根据本发明各个实施例的另一种可重配置电机系统的框图。除了三个输入电源VS1、VS2和VS3串联外，可重配置电机系统4300与图42所示的可重配置电机系统4200相似。

图44显示了根据本发明各个实施例的另一种可重配置电机系统的框图。除了所有绕组的一端(正端或负端)与相应的功率变换器相连，绕组的另一端由一个连接导条或环4462连接在一起外，可重配置电机系统4400与图41所示的可重配置电机系统4100相似。电动机4460通过功率变换器组4450与输入电源Vs相连。应当注意的是，在图44所示的配置下，功率变换器4401-4415应为半桥型功率变换器。

图45显示了根据本发明各个实施例的另一种可重配置电机系统的框图。除了所有绕组的一端(正端或负端)与相应的功率变换器相连，绕组的另一端由多个连接导条或环(例如：环或导条4562、4564和4566)连接在一起外，可重配置电机系统4500与图43所示的可重配置电机系统4300相似。图45所示的连接导条为悬浮式，即它们之间相互隔离。

应当注意的是，根据不同的应用，三个输入电源VS1、VS2和VS3可以串联，或至少有一个是悬浮式。如果采用图41和44所示的配置，可以将十五相电机重新配置为以两极、六极或十极运行。如果采用图42、43和45所示的配置，可以将十五相电机重新配置为以两极或六极运行。

到目前为止，讨论侧重于径向磁通电机。本发明的创新之处也适用于轴向磁通电机。轴向磁通电机可能包括：感应电机、永磁电机、磁阻电机或混合式电机。在下文中，图46给出了一个示例。

图46显示了根据本发明各个实施例的一种轴向磁通感应电机(AFIM)的侧视图。AFIM 4600位于电机机壳4630内部。AFIM包括转子4610和定子4620。定子4620和转子4610在气隙4640相对的两边上。AFIM 4600还包括转轴4601。如图46所示，转轴4601设置在电机机壳4630的中心部分。转轴4601穿过电动机机壳4630。

转子4610包括内环4602、转子相导体4604、转子磁性材料区域4603和外环4605。转轴4601被内环4602包围。转子磁性材料区域4603位于转子相导体4604顶部。转子相导体4604和转子磁性材料区域4603设置在内环4602和外环4605之间。

定子4620包括连接环4612、定子相绕组4611和定子磁性材料区域4613。转轴4601被连接环4612包围。定子相绕组4611位于气隙4640和定子磁性材料区域4613之间，如图46所示。如前文所述，在一些实施例中，可以采用连续或交替配置中的多个连接导条代替连接环。

在一些实施例中，AFIM 4600的转子4610采用鼠笼式绕组结构，下文将结合图48予以说明。

图47显示了根据本发明各个实施例的图46所示的轴向磁通感应电机的一种双电机配置的侧视图。AFIM 4700包括第一台AFIM 4600和第二台AFIM 4650。上文已结合图46说明了AFIM 4600的结构。第二台AFIM 4650的结构与第一台AFIM 4600相似。如图47所示，第一台AFIM 4600和第二台AFIM 4650具有相同的结构，并关于中线A-A’对称。第一台AFIM4600和第二台AFIM 4650共用转轴4701。在图47中，两台机器的定子相互耦合。或者，双电机配置中的两个转子也可以相互耦合。

如图47所示，第一台AFIM 4600和第二台AFIM 4650背对背连接在一起。由于两台AFIM背对背相连，这两台AFIM沿转轴方向的力可以完全抵消或几乎完全抵消。

应当注意的是，在这种双AFIM配置中，可以根据需要将定子的磁性材料区域合二为一。此外，可以将同一区域中第一台AFIM 4600的定子绕组和第二台AFIM 4650的定子绕组合并为一个绕组，这样便无需使用内连接环，从而简化绕组结构。那么，可以将各定子绕组的两端均设置在外端，如果这些绕组按与前文所述相似的方式与半桥转换器耦合，则通过多个连接导条或一个连接环将其两端相连。或者，在一些实施例中，双电机配置中的两台AFIM的转子磁性区域和/或转子绕组可以整合成一个整体。定子和转子中的磁性材料可以是任何合适的磁性材料，例如软磁铁氧体、铁粉、构造成适合AFIM应用的特定形状的其它非永磁性化合物、其任意组合或类似材料。

可以采用烘烤、沉积、电镀、模铸、浇铸、印刷或其它合适的工艺加工定子铁芯和/或转子铁芯。或者，定子铁芯和/或转子铁芯也可以是预装的层压硅钢片或其它磁片。应当注意的是，定子铁芯和/或转子铁芯可以采用上述工艺加工分段或分片加工。

图46所示的单电机配置和图47所示的双电机配置可以用作基本的AFIM结构模块。通过在同一转轴上集成更多AFIM结构模块，可以采用模块化方法设计功率更高的AFIM电机。采用这种方法可以自然地形成更多组绕组。应配置并控制所有定子，使其在正常运行过程中以相同的模式运行。

图48显示了根据本发明各个实施例的图46所示的轴向磁通感应电机的一种鼠笼绕组结构的侧视图。图48的侧视图是从图46所示的气隙处取的。转轴4601位于中心，如图48所示。转轴4601被转子磁性材料区域4603包围。如图48所示，转子磁性材料区域4603均匀分布在转子表面上。

转子绕组包括许多直的相导体，沿径向均匀分布在转子表面上，端部由两个端环短接在一起，一个内环4602和一个外环4605，如图48所示。下文将结合图49描述转子绕组的横截面图。

应当注意的是，上文结合图1-45描述的连接环/导条适用于图46-48所示的轴向磁通感应电机。此外，上文结合图1-45描述的极对数和相数的调整适用于轴向磁通电机。

图49显示了根据本发明各个实施例的图46所示的轴向磁通感应电机的一种转子导体的横截面图。图49的横截面图是沿图48所示的直线A-A’截取的。转子相导体4604位于由磁性齿4904、4906和磁基部4902包围的槽内。磁基部4902为齿4904、4906和导体4908提供机械支撑。

磁基部4902可以是图46所示的电机机壳4630的一部分。电机机壳4630为转子和定子提供机械支撑。磁基部4902还传导磁通，其作用与径向磁通电机中的磁轭类似。

可以将磁基部4902和齿4904、4906加工成一个零件。或者，也可以将磁基部4902和齿4904、4906加工成独立的零件。如果将齿4904、4906或齿4904、4906的上部作为独立于磁基部4902的零件加工，可以在将齿4904、4906或齿4904、4906的上部组装到转子上之前将转子绕组固定到磁基部4902上。如果使用这种组装工艺，可以采用浇铸、模铸、焊接等工艺将转子绕组预制为一个零件。

此外，可以将转子绕组组装到一个载体上，例如印刷电路板(PCB)。PCB上可以有相应的开孔，用于容纳上述齿。转子绕组可以被实现为PCB上或PCB内的金属导线。可以通过在PCB上或PCB周围印刷、电镀或铸造合适的磁性材料来加工铁芯(转子的磁性材料区域)，然后根据需要采用合适的工艺(例如：烘烤工艺、烧结工艺等)将铁芯与PCB组装在一起。

铁芯还可以预制，然后再装入PCB中。可将铁芯整体或部分嵌入PCB中。PCB可以是电机机壳4630的一部分。PCB可以是任何合适的PCB，例如陶瓷基板、金属基板或塑料基板(例如：FR4或FR 5)。

可以优化齿4904、4906和导体4908的形状和尺寸，以提高系统效率。由于PCB可用的工艺比较灵活，可以优化绕组和铁芯的形状，从而以较低的成本实现较高的系统效率、高质量和低噪声。

在一些实施例中，可以通过轧制硅钢板制造铁芯，通过冲压或切割出正确的形状来加工齿4904、4906和磁基部4902。也可以采用合适的工具(例如：激光、线切割或锯)将硅钢卷切割成正确的尺寸和正确的形状，从而加工齿4904、4906。然后，在转子铁芯加工完成后，可以采用浇铸或模铸工艺制造绕组。在备选实施例中，相导体插在槽中，可以通过焊接等合适的工艺将相导体与内环和外环相连。

图50显示了根据本发明各个实施例的图46所示的轴向磁通感应电机的一种定子结构的侧视图。图50的侧视图是从图46所示的气隙处取的。转轴4601位于中心，如图50所示。转轴4601被构成齿(如图51所示)的上表面的定子磁性材料区域4613包围。如图50所示，相导体4611均匀分布在定子表面上，由一个连接环4612连接。

定子的内周边上仅有一个连接环4612，如图50所示。然而，如前所述，也可以包括多个连接环。绕组出线端5002沿定子表面的外周边分布，如图50所示。也可以将连接环或连接导条4612设置在外周边上，并将绕组出线端5002沿定子的内周边设置。或者，也可以将绕组出线端和连接导条分摊到内周边和外周边上。例如，将某些绕组出线端和连接导条沿内周边设置的同时，可以将其它绕组出线端和连接导条沿外周边设置。

与AFIM耦合的功率变换器可以位于电机机壳4630的内部或外部。绕组接线5002可以延伸到电动机机壳4630的外部。在备选实施例中，如果需要，绕组接线5002与电机机壳4630也可以是一体的。如上所述，可以用多个连接导条代替连接环。

定子可以采用与上述转子制造工艺相似的工艺制造。上文结合图1-45描述的各种实施例可适用于AFIM的定子绕组。

在图47所示的双电机配置中，定子绕组本身被分为两组。这两个组中的每一组均可含有一个连接导条。在一些实施例中，可以将这两组中对应的相绕组合并，由一个功率变换器馈电。在另一些实施例中，最好将这两组分开处理。可以采用与图23所示相似的方式安排各组中的绕组。应当注意的是，两组仅为示例。如有必要，可以将这两个组中的每一组进一步分成多个组。

图51显示了根据本发明各个实施例的图46所示的轴向磁通感应电机的一种定子导体的横截面图。图51的横截面图是沿图50所示的直线A-A’截取的。相绕组4611位于由磁性齿5104、5106和磁基部5102包围的槽内。虽然一个槽中可以设置多个导体，但是图示的槽中仅有一个导体，如前所述，一个槽中的多个导体可以与不同的连接导条相连。或者，槽壁周围和/或导体的一部分周围可以有绝缘层。磁基部5102为齿5104、5106和导体5108提供机械支撑。定子导体的制造工艺与上文结合图49描述的转子导体制造工艺相似，因此，这里不再赘述。

在上面的讨论中，假设转子能够自动按照定子的状态动态重新配置运行。如果转子具有与上文所述的感应电动机相同的鼠笼绕组结构，则该假设为真。然而，DRIM原理也适用于其它类型的电机。其中一个示例为开关磁阻电机。开关磁阻电机的转子由凸极组成，不带任何功率绕组。在开关磁阻电机中，定子具有较多的凸磁特性。在运行过程中，可以控制开关磁阻电机的绕组电流，以动态地改变极数，从而在很大范围内优化系统性能。另一个示例为具有记忆效应的永磁电机，也可以用磁体改变其极数，从而据此动态地重新配置绕组中的极数。

上述讨论以一组定子绕组为例。相同的原理也适用于具有超过一组定子绕组的电动机和发电机，例如某些双馈电动机和发电机。另外，也可根据需要将相同的原理应用于转子绕组。

虽然上述讨论通常以电动机为基础，但是也可将相关技术应用于发电机或以发电(再生)模式运行的电动机。

本发明中的讨论涉及电动机和发电机。该技术可以扩展到执行器(例如：磁齿轮)以及其它应用。

上述讨论通常以具有铁芯和槽的电机为基础。然而，绕组技术和控制技术(包括连接导条的各个实施例)也可用于不带铁芯(无铁芯电机)和/或不带槽(无槽电机)的电机。在无槽电机中，导体或导体组件沿电机的周长均匀分布，就好像有均匀分布的槽，因此，仍然可以采用本发明中讨论的绕组安排方式。

虽然上述讨论通常侧重于以动态可重配置电机为背景，本发明中所公开的技术也适用于具有固定极数和/或一个极对中有固定相数的电机。

虽然详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解的是，在不脱离所附权利要求中规定的本发明的精神和范围的条件下，可以对其进行各种变更、替代和改变。

此外，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。如本领域的普通技术人员将从本发明的公开内容中容易地理解的是，根据本发明可以使用目前存在或以后将要开发的，执行与本文描述的相应实施例基本相同功能或达到基本相同的效果的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在在其范围内包括此类过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。

Claims (20)

1.一种设备，包括：

一个定子，其磁耦合到一个转子；

均匀地分布在所述定子中的多个导体，每个导体具有第一端和第二端，并且所述第二端被配置为耦合到一个功率变换器；及

配置为连接所述多个导体的第一端的连接装置，所述连接装置包括多个连接端口，其中每一个连接端口都耦合至一个导体。

2.如权利要求1所述的设备，其中：一个连接端口是一个开口。

3.如权利要求2所述的设备，其中：所述开口部分伸进所述连接装置。

4.如权利要求2所述的设备，其中：所述开口贯穿所述连接装置。

5.如权利要求1所述的设备，其中：一个连接端口是一个突出区域。

6.如权利要求5所述的设备，其中：所述突出区域包括一个贯穿所述连接装置的开口。

7.如权利要求5所述的设备，其中：所述突出区域包括一个部分伸进所述连接装置的开口。

8.如权利要求1所述的设备，其中：所述连接装置包括多个相互隔离的连接导条。

9.如权利要求1所述的设备，其中：所述导体连接到多个功率变换器并由其控制，并且所述导体被配置为通过控制所述功率变换器而动态地分配给一对极。

10.一种装置，包括：

一个转子，其磁耦合至一个定子；

用于容纳多个导体的多个槽，其中所述多个槽被均匀地设置，并且每个槽被构造成可以容纳所述多个导体中的至少一个导体，并且其中每个导体具有第一端和第二端，其中所述第二端被配置为耦合到一个功率变换器；及

多个连接装置连接到所述多个导体的第一端。

11.如权利要求10所述的装置，其中：所述多个连接装置中的第一连接装置是连接到第一组导体的第一端的第一连接导条；及所述多个连接装置中的第二连接装置是连接到第二组导体的第一端的第二连接导条。

12.如权利要求11所述的装置，其中：所述第一连接导条包括多个开口。

13.如权利要求11所述的装置，其中：所述第一连接导条包括多个突出区域。

14.如权利要求10所述的装置，其中：所述多个槽中一个槽容纳第一导体和第二导体，并且所述第一导体通过第一功率变换器耦接至第一电源，所述第二导体通过第二功率变换器耦合至第二电源，其中所述第一电源不同于所述第二电源。

15.如权利要求10所述的装置，其中：所述多个槽中一个槽包括一层绝缘层。

16.如权利要求10所述的装置，其中：所述多个导体连接到多个功率变换器并由其控制，并且所述多个导体被配置成通过控制所述功率变换器而动态地分配给一对磁极。

17.一种方法，包括：

在多个连接装置中形成多个连接端口，所述多个连接端口被构造成可以容纳多个导体，其中每个导体具有第一端和第二端；

将所述多个导体的第一端耦接到所述多个连接端口；及

配置每个导体的所述第二端与多个功率变换器中的一个耦合。

18.如权利要求17所述的方法，还包括：布置所述多个导体和所述多个连接装置，使得电机的极数能够通过控制所述多个功率变换器调整流过所述多个导体的电流而动态调整。

19.如权利要求17所述的方法，其中：所述多个连接端口中的一个连接端口是一个开口或一个突出区域。

20.如权利要求17所述的方法，其中：所述多个连接装置是一个电机系统用的多个连接导条。

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