CN116114154A - 具有整流转子绕组的电机内的电力分配 - Google Patents

Abstract

一种电机，包括定子，该定子以相关定子绕组限定了多个定子磁极，所述相关定子绕组配置成接收定子电流。该电机还包括转子，该转子以相关联的转子绕组限定了多个固定的转子磁极，其中该转子限定了当接收定子电流时由定子绕组产生的磁场可激励的场，以在转子和定子之间产生相对运动，并且其中该转子在电机运行期间保持与定子产生的磁场同步。该电机还包括整流系统，该整流系统被配置为当定子绕组接收定子电流、当由定子绕组产生的磁场激励磁场时，控制转子磁极中感应的交流电流。

Description

具有整流转子绕组的电机内的电力分配

本申请根据35 USC§119(e)要求2020年7月31日提交的美国专利申请序列号63/059,930的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及电马达和发电机。

背景技术

电马达一般包括通常称为定子的静止部件和通常称为转子的旋转部件。电流被转换成电磁场，该电磁场在定子和转子之间施加机械力或扭矩，该机械力或扭矩可用于做功。发电机以类似的原理工作，其中机械力被转换为电流。虽然主要关于旋转力或扭矩进行描述，但是本文描述的原理也适用于线性马达。对于线性马达，在一些实施方式中，转子充当静止部件，而定子充当平移部件。

发明内容

本公开描述了与在电机内无线传输电力相关的技术。

本公开中描述的主题的示例实施方式是具有以下特征的电机。定子以相关定子绕组限定了多个定子磁极。转子以相关的转子绕组限定了多个固定的转子磁极，转子绕组包括整流器并且被配置为仅由定子激励。转子限定了可由定子绕组产生的磁场激励的转子场，以在转子和定子之间产生相对运动。控制器被配置成以相对于转子磁极中最近的一个测得的电流角发送电流通过定子绕组。控制器被配置成响应于运行条件来调节电流角。控制器被配置成响应于运行条件来调节所发送电流的电流幅度。转子在运行期间保持与由定子绕组产生的磁场同步。

在一些实施方式中，定子绕组包括集中式绕组。

在一些实施方式中，定子绕组包括分布式绕组。

在一些实施方式中，定子绕组包括凸形绕组。

在一些实施方式中，转子绕组包括集中式绕组。

在一些实施方式中，转子绕组包括凸形绕组。

在一些实施方式中，转子绕组包括非重叠的绕组。

在一些实施方式中，整流器包括二极管。

在一些实施方式中，整流方向在转子磁极之间交替。

在一些实施方式中，转子包括永磁体。

在一些实施方式中，永磁体基本上与转子磁极对齐。

本公开中描述的主题的示例实施方式是一种控制电机的方法。该方法包括以下特征。定子的定子绕组被激励以在定子内产生定子磁场。转子磁极内的铁磁材料内的相应转子磁场通过建立磁通量被定子磁场修改。与转子相切的力由定子磁场的偏移产生。转子由产生的切向力移动。通过整流器减少了气隙中通量激励的延迟。气隙限定在定子的内表面和转子的外表面之间。响应于磁场偏移，转子内磁通量的衰减被转子绕组内的电流抵抗。定子磁场和转子在运行期间保持彼此同步。电流以相对于转子磁极中最近的一个测量的电流角被发送通过定子绕组。响应于运行条件，调节发送电流的电流幅度。响应于运行条件，调节电流角。

在一些实施方式中，保持通量包括通过在转子绕组内感应第一方向的第一电流直到第一电流减小到零来抵抗通量的第一变化，并且保持通量包括允许通量的第二变化以在转子绕组内感应第二方向的电流。

在一些实施方式中，反向切向力被整流器减小。

在一些实施方式中，整流器包括二极管。

本公开中描述的主题的示例实施方式是具有以下特征的绕线式励磁转子同步电机(wound field rotor synchronous machine)。定子以相关定子绕组限定了多个定子磁极。转子限定了多个转子磁极。转子被配置成与定子同步旋转。转子包括与每个转子磁极相关联的转子绕组。转子绕组被配置为由定子绕组产生的磁场激励，以产生转子磁场。转子绕组包括整流器。永磁体嵌在转子内。控制器被配置成激励定子绕组。控制器被配置成通过向定子绕组发送控制信号而在定子内产生定子磁场，这通过以相对于最接近的转子磁极测量的电流角发送电流通过定子绕组而实现。控制器被配置成响应于运行条件来调节电流角。控制器被配置成响应于运行条件来调节所发送电流的电流幅度。

在一些实施方式中，永磁体与转子磁极错开。

在一些实施方式中，整流器包括肖特基二极管。

在一些实施方式中，整流器被配置成减少运行期间的扭矩脉动。

在一些实施方式中，位置传感器被配置成检测转子相对于定子的位置。在这种情况下，控制器还被配置成从位置传感器接收位置流。位置流代表转子位置。控制器还被配置成响应于接收到位置流，确定存在扭矩脉动。控制器还被配置为响应于确定存在转矩脉动，调整相对于转子磁极的电流角。控制器还被配置成响应于确定存在扭矩脉动，调节电流的电流幅度。

本公开中描述的主题的一个或多个实施方式的细节在附图和以下描述中阐述。从说明书，附图和权利要求中，本主题的其它特征，方面和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是电驱动系统的示例的示意图。

图2是用于电绕组的示例电源开关的示意图。

图3A-3B是示例电机的透视图和侧视图。

图3C-3D是示例电机的透视图和侧视图。

图4是示例电机的侧视图。

图5A是示例转子线圈的正视图。

图5B是图5A的转子线圈的透视图。

图5C是图5A和5B的转子线圈的侧视图。

图5D是示出了在锁定转子条件下(例如，启动)的各种充电状态和产生的扭矩以及不同相量角的曲线图。

图6是根据本公开的配置用于控制的电马达的示意图。

图7是可以与本公开的方面一起使用的示例控制器的框图。

图8是可以与本公开的方面一起使用的方法的流程图。

图9A是根据本公开一个方面的响应扭矩增加请求的方法的流程图。

图9B是根据本公开一个方面的响应扭矩增加请求的方法的另一流程图。

图9C是根据本公开一个方面的用于启动马达的方法的流程图。

图9D是根据本公开一个方面的响应扭矩增加请求的方法的流程图。

图10是各种机器配置的平均磁场强度的曲线图。

各个附图中相同的附图标记和标号表示相同的元件。

具体实施方式

本公开涉及一种具有电磁直接联接的转子和定子的场绕同步马达。转子线圈可以包括整流器，例如二极管。添加整流器有助于减少马达运行过程中的扭矩脉动。转子的转子磁极在拓扑上和电气上都固定在转子表面上。除了定子绕组之外，转子基本上与定子部件能量隔离。也就是说，转子场被配置成由定子绕组产生的磁场激励。定子磁场和转子在运行期间保持彼此同步。在运行期间，控制器被配置成发送电流通过定子，并响应于当前或变化的运行条件主动调节电流幅值和角度。这种马达能够以同步电机的效率运行，而不需要昂贵的稀土磁体，也不需要单独的电刷或激励电路来激励转子内的绕组。

本文描述的电机的特征在于限定转子磁极的短的集中绕组。虽然已经提出在转子内使用短阻尼条来进行瞬时阻尼，但是它们往往具有有限的频率响应。相比之下，短的集中的绕组可以在较宽的频率范围内提供有效的瞬时阻尼。此外，本公开中描述的各种电机可以利用在转子护铁的饱和期间出现的固有非线性和不对称性。也就是说，线圈内的电感变得不对称，结果产生净扭矩。添加带线圈的整流器会进一步增强这种不对称性，并降低扭矩脉动。

因此，本公开提供了用于控制马达电机或马达以实现各种不同目标的主题。例如，本公开提供了用于实现期望的运行目标的主题而不需要稀土元素或磨损元素或者减少对稀土元素或磨损元素的依赖，例如电刷或激励电路，或者用于改善系统的其他运行方面，例如产生设计为控制不期望的扭矩脉动的净扭矩。

图1示出了电驱动系统100，其包括电马达102和联接到电马达102的马达控制器104。马达控制器104被配置成操作电马达102来驱动负载110。负载110可以是额外的齿轮系，例如齿轮组、车轮、泵、压缩机或另一个马达，其中多个马达可以被链接并且并行运行。

电马达102具有相对于马达壳体105可旋转的输出轴107，马达壳体105被认为是相对于马达部件的旋转和其他运动的基准。在使用中，输出轴107可联接到负载110，当由来自马达控制器104的适当电力和信号电启动时，电马达102可向负载110传递旋转动力。输出轴107可以延伸穿过马达并在两端暴露，这意味着旋转动力可以在马达的两端被传递。马达壳体105可以关于输出轴107的旋转轴线旋转对称，但是可以是任何外部形状，并且通常可以包括用于将马达壳体105固定到其他结构上以防止壳体在马达运行期间旋转的装置。

电马达102包括诸如定子的主动磁性部件106和诸如转子的被动磁性部件108。为了说明的目的，在下文中，定子被用作主动磁性部件的代表性示例，而转子被用作被动磁性部件的代表性示例。

转子108与定子106相关联，并且可以设置在定子106内，例如在内部转子径向间隙马达中，或者平行于定子，例如在轴向间隙马达中，或者在线性马达中。如下文更全面描述的，受到正确控制的定子106中的电活动驱动转子108的运动。转子108旋转地联接到输出轴107，使得合成的转子运动的任何旋转分量被传递到输出轴107，导致输出轴107旋转。定子106固定到电马达102，使得在运行期间，转子108围绕定子106或平行于定子106移动。

如贯穿本公开所描述的，可以包括整流系统112，并且可以以各种不同的方式实现整流系统112。例如，整流系统可以被配置为被动或主动地运行。在一些实施方式中，无源整流可以使用一个或多个二极管。在一些实施方式中，在有源系统的情况下，有源整流可以包括晶体管，例如一个或多个MOSFET。在一些实施方式中，当使用诸如一个或多个二极管的无源部件时，整流系统112可以被配置为半波整流器。在一些实施方式中，例如，当使用有源整流时，整流系统112可以被配置为全波整流器。

无论是主动的还是被动的，整流系统112的包含都可以通过控制转子线圈或绕组中的AC分量(具体地，负电流分量)来进一步减轻扭矩脉动，该AC分量可能存在于激励条件下。AC分量经常出现在充电阶段(低电流角)，从而导致表面电流密度降低。整流基本上消除了这种成分，并且产生了一种系统，其中线圈仅在较高的电流相量角流动电流。在一些实施方式中，较高的电流相量角大于45度、65度或75度。

整流系统的不对称电阻使得转子拓扑中的电流衰减更快(与非整流系统相比)。例如，在可能具有凸极的分数槽定子中，可能希望更快的衰减，以有利于充电或通量产生的循环并限制扭矩脉动。在具有整流转子的电机中，该整流转子具有单向无源电路，例如，具有单个二极管，绕组中的电流必须为零，以便将伏秒注入转子。振荡到低电流角(例如，小于45度、小于35度或小于15度)可以快速衰减转子电流，以便进一步使系统产生通量，或者对于某些运行条件(例如，高速或低扭矩运行)有效地削弱转子磁场。

本公开还描述了与整流系统并联的线性电负载114，例如电阻器，或非线性电负载，例如雪崩二极管或电压放电器气体放电管，以在充电之前加速转子电流衰减并限制由过电压放电引起的损坏。在一些实施方式中，一个或多个线性负载114包括电阻大于100欧姆、150欧姆、300欧姆或1000欧姆的电阻器。在一些实施方式中，气体放电管或雪崩二极管的反向击穿电压大于50伏、100伏、200伏、400伏、600伏或800伏，响应时间小于10ms、5ms、2ms、0.5ms或0.1ms。

流过电线的环的电流将产生基本均匀的磁动势(MMF)，从而在缠绕或环绕的区域内产生马达磁极。在典型的马达中，这种环具有足够的直径来承载期望的电流负载，但是足够薄，使得驱动频率的趋肤深度完全穿透该环。许多匝或重叠的电线环可以用来增加磁极磁场强度。这种拓扑通常称为缠绕式场磁极。这样一组重叠的环被称为线圈。出于本公开的目的，在定子或转子内一起作用的多个线圈被称为绕组。在某些情况下，线圈可以重叠并包围转子或定子上的多个齿。这种重叠的线圈可以称为电枢或分布式绕组。磁极是这种分布式绕组的磁中心，因此，根据流过绕组的驱动电流，磁极可以相对于这种分布式绕组内的各个线圈移动。

定子106以相关电绕组限定了多个定子磁极，转子108包括多个转子磁极，例如贯穿本公开更详细示出的示例。转子108与定子106一起限定了定子磁极和转子磁极之间的标称气隙，例如贯穿本公开更详细示出的示例。转子108可相对于定子106沿着运动方向移动。

图2示出了用于单个电绕组132的另一示例电源开关200。电源开关200可以具有H桥电路，该H桥电路包括四个开关元件202a、202b、202c、202d，电绕组132在H状配置的中心。开关元件202a、202b、202c、202d可以是双极或FET晶体管。每个开关元件202a、202b、202c、202d可以与各自的二极管D1、D2、D3、D4联接。二极管被称为捕获二极管，并且可以是肖特基型的。桥的顶端连接到电源，例如电池Vbat，底端接地。开关元件202a、202b、202c、202d的栅极可以联接到绕组控制器130，绕组控制器130可操作来向每个开关元件202a、202b、202c、202d发送相应的控制电压信号。控制电压信号可以是DC电压信号或AC(交流)电压信号。

开关元件202a、202b、202c、202d可以由马达控制器104单独控制，并且可以独立地接通和断开。在一些情况下，如果开关元件202a和202d接通，定子的左引线连接到电源，而右引线接地。电流开始流过定子，沿正方向激励电绕组132。在一些情况下，如果开关元件202b和202c接通，定子的右引线连接到电源，而左引线接地。电流开始流过定子，沿相反的反方向激励电绕组132。也就是说，通过控制开关元件，电绕组132可以在两个方向中的任一方向上被激励/激活。虽然主要示出和描述为使用单相H桥配置，但是典型的六开关逆变器系统可以用于多相电机，而不背离本公开。

马达控制器104可以被配置成顺序地操作开关134或200用于相应的磁极激励占空比，以产生穿过定子磁极和转子磁极之间的气隙的磁通量，如贯穿本公开进一步详细描述的。可以控制开关来顺序地激励定子磁极，以产生拉动转子的局部吸引力。这种顺序激励(或激活)可以导致转子108、输出轴107和负载110的旋转。

有时参照马达转子和/或定子的D轴线312(图3所示的示例)和Q轴线来讨论马达部件和控制。马达中的直轴线或D轴线312可以定义为垂直于气隙314的磁极308的中心线，并且可以应用于定子磁极411(见图4)或转子磁极408。如在同步参考系中所见，转子可以用每个磁极的D轴线312来表征。在线绕转子中，D轴线312是线圈或场绕组的合成磁中心的中心点，而不管场绕组是集中在单个大槽中还是分散在多个较小的槽中。定子磁极可以被类似地特征。

在磁参考系内，Q轴线正交于D轴线(即与D轴线为电气90°)。通常，沿Q轴线的力会产生电动势，如扭矩。拓扑上，转子或定子的Q轴线通常直接位于两个磁极之间。

在这种系统中，控制信号可以转换为D-Q轴线分量，第三个z轴线分量也存在，并且可以描述为不直接映射到D轴线或Q轴线的信号或磁量。例如，正交于可以找到Q和D分量的平面的分量。

电流相量角318是转子磁极D轴线312与定子的磁中心的相对角度(图3A和3B中示出的示例)。正电流相量角表示定子的磁中心在运动方向上位于转子磁极的前面。这种情况导致定子的磁中心将转子磁极“拉”向定子的磁中心。类似地，负电流角表示定子的磁中心在转子磁极后面。这种情况向相反方向“拉动”转子磁极。这种负电流相量角318可以用在制动情况下。在一些实施方式中，可以使用大于90°的电流相量角318。如此大的相量电流角318可以在运动方向上“推动”相邻的磁极。类似地，小于-90°的电流相量角318可用于在相反方向上“推动”相邻磁极，例如在制动操作期间。可以使用下面的等式来转换静止和同步参考系之间的电流相量角318：

θ_e＝(P/2)θ_m (1)

其中，θ_e是同步参考系中的电流相量角，P是定子磁极数，θ_m是静止参考系中的电流相量角。无论电流相量角如何，它都可以分解为D轴线分量和Q轴线分量。通常，对于本文所述的马达和发电机，D轴线分量用于“充电”或调节转子磁极内的磁场，而Q轴线分量用于将力或扭矩施加到转子磁极上。贯穿本公开，详细描述了基于运行条件来调节电流相量角318和电流相量幅度。

例如，电流角度、占空比和D轴线到Q轴线的电流注入都可以改变。在一些情况下，在D轴线注入周期期间，相对于Q轴线电流，可以实现瞬时D轴线电流增加至少5％、10％、20％或30％。在一些情况下，在注入循环期间，合成的电流角的减小可以实现为例如5-60度、10-50度、15-45度或22.5-67.5度。在一些情况下，可以使用2-70ms、5-50ms或10-25ms之间的注入脉冲宽度。在一些情况下，可以使用总运行时间的5％、10％、15％或25％的充电占空比。在一些情况下，从D轴线注入到正常运行的电流角度过渡期为500μs至15ms、2ms-12ms或4ms-10ms，由转子电流降至零决定。在一些情况下，电流角度的变化小于15度、10度或5度。在一些情况下，在D轴线注入期间，D轴线和Q轴线幅度同时变化至少5％、10％、20％或30％。该系统可以作为电流控制或电压控制来运行。例如，不考虑特定的运行参数，信号可以通过电流源逆变器注入，其中电流注入脉动幅度变化被控制在期望的容差内。

如贯穿本公开所描述的，转子上的线圈结构通过电感联接从定子接收功率/信号，包括围绕转子磁极的至少一个环。在一些实施方式中，用于导电环的转子线圈形成电容，其中，在一些实施方式中，电容由转子线圈或导电环的特定部分形成、插入或限定。在一些实施方式中，转子线圈或导电环包括谐振频率。在一些实施方式中，转子线圈的谐振频率在透磁磁极或转子线圈材料的可传输范围内。

在运行中，转子磁极可以通过定子上的D轴线信号产生通量，而线圈结构阻止磁极上通量的变化并流过电流。转子上的Q轴线信号在产生通量的电机上产生扭矩。在一些拓扑中，例如在凸极绕组同步电机中，每安培最大扭矩(MTPA)出现在60-90度之间的电流角处。对于给定的运行条件(例如，扭矩和速度)，控制器建立MTPA(例如，通过查找表或基于模型的估计器)，其包括建立电流相量角的D轴线和Q轴线电流(主要控制分量)的组合。该电流相量角可被调制或振荡，以周期性地维持转子通量的期望水平，这可由观测器或估计器监测，或通过基于模型的途径建立。当D轴线被调制以增加转子通量时，Q轴线电流的幅值可以被成比例地调制以限制扭矩脉动并减少改变电流相量角的任何不利影响，或者限制电流相量角的改变。

图3A-3B是示例电机300的透视图和侧视图。电机300包括定子302，定子302以相关定子绕组304限定了多个定子磁极。“马达磁极”可以被描述为定子或转子上的拓扑部分，其在给定的时间点发出穿过气隙的单极性磁通量。在确定电马达的磁极数量或位置时，考虑到了定子或转子的护铁中承载的磁通量。磁极通常以可以超过5000高斯的高场区域为特征。磁极可以来自永久磁铁或电磁场。虽然定子或转子上的磁极数量在制造期间通常是固定的，但是在本文描述的一些实施方式中，转子、定子或两者的磁极数量可以在运行期间改变。

虽然当前示出的定子302当前被示出为具有分布式绕组304，但是在不脱离本公开的情况下，可以类似地使用凸形的、集中式的和/或非重叠的定子。转子306限定了具有相关转子线圈310的多个转子磁极308。尽管所示实施方式包括与定子齿相比的1/3的转子齿，但是在不背离本公开的情况下，可以使用其他比率，例如，转子可以包括定子中存在的齿的1/2。在一些实施方式中，转子可以包括定子中存在的齿的1/4。在不背离本公开的情况下，可以使用转子齿与定子齿的其他比率，而不管是否使用凸形的集中式定子绕组或者是否使用分布式定子绕组。

如图所示，每个转子线圈310被短路到整流器311。虽然图示为每个线圈310具有整流器，但是在不脱离本公开的情况下，可以使用其他布置。例如，多个转子线圈可以串联或并联地电联接到单个整流器。在一些实施方式中，整流器311可以包括二极管。可以使用几种类型的二极管，例如pn结二极管、气体二极管、齐纳二极管或肖特基二极管。在一些实施方式中，当使用肖特基二极管时，肖特基二极管可以是碳化硅二极管。二极管的选择取决于多种因素，包括压降、反向电压击穿和恢复时间。根据所需的运行条件，可以使用不同的二极管。虽然已经列出了几种类型的二极管，但是在不脱离本公开的情况下，可以使用其他二极管。整流器仅允许电流沿单一方向流过每个转子线圈310。

转子磁极308在拓扑上和电气上固定在转子表面上。固定磁极转子是这样一种转子，其中磁极相对于同步参考系在拓扑上和电磁上被固定或保持静止，例如，转子306是固定磁极转子。也就是说，转子306将总是以与定子提供的驱动频率基本相同的速度旋转，或与定子提供的驱动频率同步地旋转(考虑到扭矩脉动的固有水平)。同步参考系与磁参考系相同。因此，固定磁极马达通常被称为“同步”马达。场绕转子、表面PM转子、磁阻马达和内部PM转子都是固定磁极转子的示例。固定磁极转子设计最大化了对转子D轴线312区域(转子磁极的中心)中的铁磁材料的利用，并且在绕线励磁转子的情况下，确保有效磁中心与D轴线312对齐。因此，对于给定的尺寸和额定功率，固定磁极转子被认为比移动磁极转子更有效；然而，固定磁极转子难以控制，因为在动态负载条件和动态运行速度下将固定磁极转子保持在恒定的电流相量角是具有挑战性的。例如，在负载变化期间加速马达或保持速度包括基于来自位置传感器316的输入主动调整电流相量角318、电流幅度和/或驱动频率。本文描述的概念主要适用于同步电机，因为定子磁场和转子(例如，转子306)在运行期间保持彼此同步。

相比之下，变极转子的磁极在拓扑上或电磁上不是固定的，而是在运行时相对于静止的参考系移动。也就是说，转子将总是“打滑”并落后于或不同步于定子提供的驱动频率。因此，这些马达通常被称为“异步”马达。变极转子的示例包括线绕和鼠笼感应转子、电枢线绕转子、有刷马达和其他类似的马达。虽然移位磁极转子能够在运行期间自调节电流相量角318，但是必须在D轴线铁磁材料和Q轴线场绕组之间做出设计让步，以使磁极能够在转子表面上均匀移动。因此，在给定尺寸和额定功率的变极转子中，这种马达的电阻更高，需要更大的启动电流，并且场强更低。

转子306的场被配置成由定子绕组304产生的磁场激励。转子306和定子302被配置成响应于被激励的转子场而相对于彼此移动。除了定子绕组304之外，转子306基本上与定子302的部件能量隔离。

在电机内，定子和转子可以联接以在运行期间实现电力传输、信号传输和/或场调制。联接可分为直接联接或间接联接。直接联接发生在在定子和转子之间，沿着主要工作气隙，例如气隙314。间接联接沿着远离主要运行气隙的次级界面出现。

直接联接通常被表征为感应联接，例如，鼠笼感应转子被认为是直接联接到定子。虽然直接联接在异步电机中是常见的并且容易控制，但是由于本公开中描述的原因，与同步电机的直接联接难以控制。例如，经常需要知道转子位置，以确保电流幅值和/或频率被适当地保持。

间接联接沿着次级联接运行，并且可以是径向定向或轴向定向的，并且可以经由电接触、沿着单独的气隙的电感联接、电容联接或光学联接来通信。虽然次级联接可用于多种功能以提高电机的效率和/或整体可控性，但是经常需要额外的部件，这会增加利用这种系统的机器的重量、复杂性、故障频率和成本(运行成本和资本成本)。

联接可以进一步分类为电力联接或信号联接。电力联接器将电力从定子传输到转子，用于沿着主要运行气隙直接驱动磁动势，从而产生扭矩。信号联接器在定子和转子之间传输信号，该信号可用于单独调节转子内的电路或检测转子状况，例如温度或相对于静止参考系的位置。相对于马达的额定功率，信号联接在非常低的功率水平传输，例如，小于马达额定功率的5％。在一些实施方式中或在一些运行参数下，可能希望信号联接以相对于马达额定功率的例如7.5％、5％、3％或2.5％的水平传输功率。

能量隔离的马达和发电机，例如贯穿本公开描述的那些，主要(在标准电磁屏蔽容差内)使用直接联接以在定子和转子之间传输电力和信号，而不使用间接或次级联接。本文描述的电机包括转子306和定子302之间的直接联接，用于电力联接和信号联接。

在一些实施方式中，当位于如图3B所示的位置D时，或者通过电流相量角的调制从位置D转换到位置Q时，绕线转子可能需要充电或者受益于充电。充电可以意味着在一个或多个转子绕组中产生电流，或者在转子中转移、增加或存储磁通量，其中的每一个都可能涉及从定子到转子的一些电力转移。这种任务可以以多种方式完成，例如，通过提前调制定子激励的电流相量角(例如，适当地提前或延迟定子激励的电流角)，增加定子激励电流相量角的变化频率，增加定子中激励电流(或其任何合成信号分量)的幅值，或其任意组合。在一些情况下，转子磁场可能需要被减弱(例如，降低转子和/或转子磁场绕组中存在的电流或磁通量的水平)，例如，当在位置D’上或附近运行时(例如，通过从位置Q转换到位置D’，或从位置D’转换到Q’)。这种任务可以以多种方式完成，例如调制电流相量角(例如，适当地提前或延迟定子激励的电流角)，降低定子激励电流角相量变化的频率，降低定子中励磁激励的幅值(或其任何合成信号分量)，或其任意组合。替代地或附加地，磁场减弱可以通过欧姆损耗造成转子磁场绕组电流的被动损耗来实现。在运行中，在一些实施方式中，可以观察到由定子发出的信号和确定转子速度的基本运行频率之间的频率和谐波独立性。如将要描述的，本公开认识到，可以以这样的方式来实现对马达的控制，即，除了仅仅移动转子之外，优先考虑附加目标，例如增加系统的效率、控制系统中的损耗、或者减轻出现可能损坏或降低系统效率的运行环境的可能性。关于这种系统的进一步细节在本公开中描述，例如，图6和相关描述。

图3C-3D是示例电机350的透视图和侧视图。除了本文描述的任何差异之外，电机350基本上类似于电机300。转子356包括六个转子磁极358。定子352包括分布式绕组354。电机350具有六个转子齿(磁极358)和三十六个定子齿370，导致转子齿与定子齿的比率为1∶6。这不同于电马达300，电马达300包括四个转子齿(磁极308)和十二个定子齿320，导致转子齿与定子齿的比率为1∶3。在不背离本公开的情况下，可以使用其他转子齿与定子齿的比率，例如，也可以使用1∶2或1∶4的比率。在不背离本公开的情况下，可以使用转子齿与定子齿的其他比率，而不管是否使用凸形的集中式定子绕组或者是否使用分布式定子绕组。

图4是示例电机400的侧视图。除了本文描述的任何差异之外，电机400基本上类似于之前描述的电机300。转子406是外部转子，而定子402是内部定子。换句话说，转子406围绕定子402并围绕静止的定子402旋转。定子402限定了具有集中式的、凸形的、非重叠的定子线圈404的定子磁极411。转子406包括嵌入转子406内的永磁材料416。如图所示，每个转子磁极408包括四个永磁材料416的通道，这些通道布置成大致“M”形或“W”形构造；然而，在不背离本公开的情况下，可以使用其他布置。永磁材料416可以包括各种材料，包括铁氧体、SmFeN、N35、N45。虽然通常使用较低功率的永磁材料，但是在不脱离本公开的情况下，可以使用较低数量的较高功率的磁性材料。永磁材料416可以延伸跨过每个转子磁极408的整个纵向长度，或者部分地跨过每个转子磁极408。在一些实施方式中，永磁材料416可以由多层或叠层构成。

如图所示，永磁材料416产生与每个转子磁极408基本对齐的净磁力。在一些实施方式中，永磁材料可以布置成使得来自永磁材料416的净磁力与转子磁极408错开。通常，永磁材料的布置取决于转子内磁性材料的期望横截面通量密度。在永磁材料416位于转子线圈310内的实施方式中，可以通过调节周围转子线圈310的充电来单独调节和/或调制对于每组永磁材料416的通量。这种实施方式还保护磁体免受强定子场引起的退磁。在永磁材料416没有被转子线圈包围的实施方式中，由定子场引起的通量调节可以影响转子406内的多组永磁材料416。

图5A-5C是示例转子线圈310的正视图、侧视图和透视图。如图3A、3B和4所示，每个转子线圈310充当其自身的绕组，其中单个线圈围绕每个磁极，例如转子磁极308或408。这样，转子可以被描述为包括集中式的、凸形的和/或非重叠的绕组。在一些实施方式中，每个线圈的缠绕方向可以与每个相邻的转子磁极308或408交替。例如，在使用具有凸形的、集中式的和/或非重叠的绕组的定子的实施方式中，可以使用这种布置。替代地，整流器311的整流方向可以与每个相邻磁极交替，具有类似的结果。在一些实施方式中，绕组方向不需要在相邻转子磁极之间交替。例如，在使用具有分布式绕组的定子的实施方式中，可以使用这种布置。虽然转子线圈310被示出为自身短路的单个线圈，但是也可以使用其他几何形状，只要每个线圈自身短路并且不与相邻线圈重叠。在一些实施方式中，具有相同极性的磁极可以彼此短路，例如，以共享整流器。类似地，根据每个磁极的缠绕方向，具有相反极性的磁极可以彼此短路。通常，转子线圈经常被配置成使得电力传输频率的电流趋肤深度完全穿透线圈的导体。在本公开的上下文中，“电流趋肤深度”是指电流主要流动的距导体表面的深度，特别是由以给定频率变化的磁场感应的涡电流。对于给定的材料，趋肤深度可以计算为：

δ≈1/√πfμσ(2)

其中‘f’是磁切换频率，μ是材料的磁导率(单位为H/mm)，σ是材料的电导率。在转子线圈310内实现全趋肤深度穿透允许转子线圈310内的均匀电感。在一些实施方式中，驱动频率可以在0赫兹和20赫兹之间延伸。在一些实施方式中，驱动频率的范围可以在100赫兹和2000赫兹之间。通常，转子线圈被布置成使得转子内磁通量的衰减被转子线圈内的电流抵抗，以响应来自定子的磁场偏移。

传统上，同步马达没有磁化电流来磁化材料，因此磁体必须在工厂或安装前被磁化。为此，如果磁性材料在运行时退磁(例如，因为定子在其上施加了太大的负载)，则磁体会被损坏，或者马达会完全不能工作。转子线圈310有助于保护永磁体免受定子的潜在退磁影响。

每个转子线圈310内的整流器311有助于降低运行期间马达中的扭矩脉动。整流器通过减少气隙314中通量激励的延迟来实现这一点。尽管转子线圈310响应于磁场偏移通过转子绕组内的电流抵抗转子内磁通量的衰减，但是转子线圈310在没有整流的情况下执行该功能，而不管转子线圈310处于驱动周期的哪个部分。也就是说，未整流的转子线圈对于驱动频率的正部分和驱动频率的负部分都是对称的。这种布置可以产生可测量的扭矩脉动量。对于包括整流器311的转子线圈310，转子线圈310通过在转子绕组内感应第一方向上的第一电流直到第一电流减小到零来允许通量的第一变化，并且允许通量的第二变化以在转子绕组内感应第二方向上的电流。也就是说，转子绕组内的电流是单向的，从而产生不对称的响应并减少运行期间的扭矩脉动。

在运行中，流过线圈(310、410)和整流器的电流被允许减小到零。这种运行是通过将电流相量角318减小到小于90°来执行的(即，“拉动”磁极，而不是“推动”下一个相邻磁极)。线圈(310、410)和整流器311内的电流被允许在电流相量角小于90°的持续时间内衰减。取决于转子(306、406)的速度和饱和度，这种持续时间的范围可以从几毫秒到两秒。然后，电流相量角随着线圈(310、410)的电流增加而增加。在整个该过程中，可以结合电流相量角318来调制电流幅度，以在调整相量角318时抵消脉动电流。

图5D是曲线图550，示出了在锁定转子条件下(例如，启动)的各种充电状态552和产生的扭矩554以及不同的相量角556。在高电流角(左侧)，转子电流558被示出对瞬时定子电流激励具有高反应性。当在Q轴线(90°)和D轴线(0°)之间运行时，可以看到高水平的充电552，具有相当大的感应衰减(例如，保持磁场)。

由于定子Q轴线电流的低集中，扭矩554被示为相对处于高电流角556。可以通过流经转子线圈(310、410)以抵抗通量变化的电流558来观察衰减。在这种控制方案下(与线圈310或410相结合)，可以基于电流相量角556来调制转子磁场。这可以转化为运行期间的宽运行范围。如在曲线图550中可以看到的，D轴线312到Q轴线的运行展示了将保护磁性材料的屏蔽效应，这允许更少的磁性材料、更低的矫顽力材料或者两者。随着定子Q轴线电流的增加，转子电流被显示出对扭矩产生具有更大的贡献(130-120度)。在90度时，电流横向于转子D轴线，不产生净电流。

另一个好处是，与永磁马达相比，D轴线注入的磁场减弱不是恒定的。类似地，转子磁场可以通过流经定子的电流幅度被调制。在许多情况下，电流幅度和电流相量角556可以被同时调节，以实现所需的转子磁场调制。由于整流电路的存在，相量角小于90度的转子电流显示为与励磁电流是反周期关系。由于净D轴线注入和定子激励之间的无功磁场衰减，转子磁场在这些周期期间增加。

通过为期望的转子磁场调制调制电流相量角，可以使用控制来进一步限制扭矩脉动。转子通量可以通过电机在同步参考系中的D轴线上的调制从定子传输到转子。这种电流幅度或振幅调制可以在调制持续时间内以调制频率改变(减小)电流相量角。更高的调制频率可以进一步减少扭矩脉动，特别是系统的扭矩脉动，其中更高频率的谐波被系统阻尼和/或过滤，该系统可以包括动力系的惯性质量或车辆负载，或者甚至是转子本身。

在某些情况下，通过考虑适合于最大扭矩产生的期望电流角，同时在同步参考系中调制电机的D轴线上的电流幅度或振幅，扭矩脉动也被限制或显著减小。在这种情况下，控制器相对于D轴线上的调制按比例调制同步参考系中Q轴线上的电流幅度或振幅。在一些情况下，Q轴线幅度的这种比例调制是D轴线调制的5-10％、10-20％、20-40％或50-100％。在某些情况下，允许在设定或期望的电流角附近存在一定的振荡容差，以产生最大扭矩。在某些情况下，这种容差相对于设定的电流角为0-1％、0-5％、5-10％、10-30％或30-60％的变化。假设控制器已经提供了足够的优先级来将转子磁场保持在适当的磁通量水平，振荡容差越小，控制器就能够越严格地控制扭矩脉动。这些振荡容差也可以被描述为定子激励的占空比。

为了进一步描述这种控制方案，图6示出了在转子602和定子604之间对齐的电马达600的示意图。位置D被定义为相对的定子604和转子602磁极对齐(即，N-S和S-N)。位置Q和Q’被定义为完全不对齐的磁极(即，分别接近相似的磁极和相反的磁极)，或者与D和D’电正交，因为相似的定子604和转子602的磁极对齐(即，N-N和S-S)。在一些实施方式中，特别是在具有高凸极的转子中，峰值扭矩出现在同步参考系中的D和Q位置之间(例如，由于其磁阻分量)。在诸如圆形转子的其他实施方式(例如，不太凸形的机器)中，峰值扭矩出现在Q和D’位置之间。在使用永磁马达的情况下，峰值扭矩运行会导致在高负载时退磁，并需要在高速时削弱磁场。可以使用更弱的磁体以不利于尺寸/重量和/或扭矩的产生。

在一些实施例中，可以使用永磁体。为了在没有退磁风险的情况下增加磁流能力，使用了本文描述的转子绕组。在较低的扭矩下，可以允许转子绕组电流减小对齿槽效应(电阻性)扭矩的降低，并消除对更强永磁体的主动减弱通量的需要。通过使用本文的电流相量角的调制，绕线转子可以通过控制机制被通量减弱或增强(例如，转子场绕组内的电流减小或增大以及转子磁极本身内的通量)。作为一个非限制性示例，来自定子的同步激励的电流相量角可以被调制。在至少一些配置中，不需要次级控制系统或额外的换向硬件，例如在绕线转子同步马达中，例如用于控制定子磁场)。

如本文所述，根据本公开的绕线转子配置不需要额外的定子-转子联接元件。相反，使用定子绕组和转子绕组以及转子叠片来传输信号。与结合了特殊检测器、传感器、有线或无线连接或电刷以将信号从定子传输到转子的方案相比，这降低了成本和组件部分，提高了性能(例如，消除了电刷的欧姆损耗)，消除或控制了物理接触和磨损部件，减小了封装尺寸，并提供了控制灵活性。

如贯穿本公开所描述的，在控制信号可以被转换成D-Q轴线分量的系统中，如图6所示，第三z轴线分量也存在，并且可以被描述为不直接映射到D轴线或Q轴线上的信号或磁量。例如，如图所示，正交于其中可以定义Q和D分量的平面的分量。

在运行中，具有特定调制(例如，信号或信号参数调制)的场定向或矢量控制可用于控制转子场的各个方面。这些调制可用于调节定子和转子之间联接的信号激励，以及控制相对于转子的定子激励波(例如，相对位置和幅度)。因此，定子和逆变器可以有效地“操纵”转子响应或转子绕组中感应的电流的直接相关性。换句话说，这种控制可以产生机器的动态行为，该动态行为是D轴线和Q轴线场中的电流的函数，由控制器如控制器104或控制器700(图7)协调。在其他策略(例如，扭矩产生)中，矢量调制可用于帮助定义电流相量角的调制。

本公开认识到，矢量控制调制可用于通过所施加的定子信号直接影响转子反应。此外，这些转子反应可以在D轴线或Q轴线上被调制，并且可以使用电流相量角调制来实现。电流相量角调制的相对有效性可以与调制的幅度和百分比变化(例如，在一段时间内)成比例。调节电流相量角的速度可以在控制器上变化，并且可以根据转子材料的预期响应或转子响应来选择。在某些情况下，可以基于机器的速度选择频率，而在其他情况下，可以选择固定调制。可以基于各种考虑来选择调制的频率。例如，在一些配置中，频率可以比机器的基频高至少2-4倍。在其他情况下，调制可以比机器的基频高5-10倍。在更进一步的配置中，频率可以比机器的基频高10-30倍。例如，在一些配置中，可以选择频率来防止与扭矩产生的相互作用(例如，减少扭矩脉动)。

可以使用矢量分量控制来控制电流相量角，这可以通过让i_d、i_q和i_z是在图6所示的D-Q参考系中表示的处于基频的电流来描述(例如，包括电流相量角的主要控制分量)。这些信号可以被直接调制，或者替代地，可以在任一D/Q轴线上添加独立的激励调制，该调制被叠加到基波电流上，从而产生总定子电流：

其中，i_d、i_q和i_z是沿各轴线的正常激励电流，

和

是独立的调制信号，可由马达控制器或其它控制器选择和控制，如将进一步讨论的。调制可以被选择为正弦的或采取任何形式，例如，这种调制可以被进一步描述为：

可以针对每个分量以及矢量和独立选择调制幅度和频率，以改变电流相量角，或者通过直接控制电流相量角(γ)来改变主分量：

类似地，可以对设定的电流相量角进行调制，例如：

其中，γ_modulation可以例如描述为围绕固定电流角的正弦振荡：

在每种情况下，可以对单个轴线施加调制，而不对其他两个轴线施加调制并用于产生转子响应。替代地或附加地，可以使用D轴线电流调制，或者D轴线电流调制可以与Q轴线电流调制一起变化，目的是控制或最小化扭矩脉动。如果D轴线调制不充分，则可以使用Q轴线调制。在一些实施方式中，Q轴线调制与D轴线调制结合使用，以形成旋转矢量注入。Z轴线调制本身不会影响扭矩脉动，也不需要关于D-Q参考系统的知识。然而，Z轴线调制在转子上的效果经常是有限的，但是可以用于将定子联接到转子，用于电力或附件信息联接(例如，速度和/或位置)。

电流调制的频率或电流相量振荡可以用占空比来描述。该占空比可以描述在通量产生(例如，D轴线)和扭矩产生(例如，Q轴线)主要分量之间划分的运行。在启动条件下，D轴线上的占空比可以是100％，或者75-100％，或者40-100％，用于将运行在D轴线和Q轴线之间分离之前对转子进行硬通量产生，以产生扭矩，其中可以有50％-50％的分离、30％-70％、20％-80％、10％-90％的分离(D轴线：Q轴线)。这也可以表现为围绕电流相量角的振荡，其中在稳态或准稳态运行期间，电流相量角和合成磁场围绕5度、10度、20度或在某些情况下30-45度的角度变化。在一些实施方式中，振荡或幅度调制的频率可以变化，以引起转子响应和/或限制运行中的扭矩脉动。

此外，控制策略可利用更高频率的操作或脉冲来限制转子线圈中随时间衰减的通量的量。也就是说，通过缩短转子的MMF循环(其随时间衰减)之间的时间步长，可以减少穿过转子线圈的通量的变化，以硬化通量并减少任何负扭矩或相关的扭矩脉动。可以使用额外的信号修改，例如偏斜信号、梯形或脉宽调制(PWM)技术，以帮助对转子进行通量产生，限制扭矩脉动并平滑运行中电流相量角之间的过渡。

因为定子侧电流可以对应于定子侧电压，所以包括嵌入在电流中的信号的方案可以对应于包括嵌入在电压中的信号的等效方案。贯穿本公开、参考定子侧电压中的信号描述的实施方案可以等同于并且也可以描述定子侧电流中的信号，反之亦然。

如前所述，转子场的控制可以由控制器使用电流相量角调制通过定子绕组来操纵。这种调制可以由幅度和频率来定义，并且可以通过机器的磁场、定子激励以及主要控制部件来观察。电流相量角调制可用于向AC线圈传输电力，其中电流角的振荡被定义在由D-Q参考系定义的电流角的设定操作点附近(例如，电流角可被调制以实现目标每安培扭矩MTPA)。电流相量角调制扰动可以由激励场的振荡、幅度和频率来定义。给定电流相量角下的电流幅度调制可用于向转子传输电力或在转子内引发反应，其中在与转子最大联接的电流角(在给定磁极的D-Q参考系中)处可看到最大响应。例如，对于相对于同步参考系轴线与D轴线对齐的绕线转子，则最大的功率传输将发生在0°电角度的相量电流角处(其中0°电角度被定义为同步参考系的D轴线)。

在一些实施方式中，整流的交替方向实际上意味着每个转子磁极的极性与其邻居相反。换句话说，四极电机具有N-S-N-S。替代地，为了实现这种交替磁极布置，绕组的方向可以从一极到另一极反转，以建立适当的极性(例如，当使用单个线圈和整流器时)。替代地，可以使用单向绕组，其中整流器本身从一极到另一极在方向上翻转，以在转子上提供适当的极性。

在一些实施方式中，单独或并联的转子线圈绕组用于在电机内建立局部通量条件。在一些实施方式中，成组或串联线圈的转子线圈绕组用于平衡电机上的转子电流和通量。这可以作为电机周期性或对称性的函数来完成。单独和成组、并联和串联的绕组的组合可用于实现控制局部区域以及转子或电机上的分布式平衡。

图7是可以与本公开的方面一起使用的示例控制器700的框图。控制器700可用于补充或代替前述的马达控制器104。在前一种情况下，控制器700和马达控制器104可以组合成单个集成的控制器，或者控制器700和马达控制器104可以是分开的、分立的控制器。控制器700尤其可以监测电机(300、400)的参数，并发送信号来致动和/或调节电机(300、400)的各种运行参数。如图7所示，在某些情况下，控制器700包括处理器750(例如，实现为一个处理器或多个处理器)和存储器752(例如，实现为一个存储器或多个存储器)，存储器752包含使处理器750执行本文所述操作的指令。处理器750联接到输入/输出(I/O)接口754，用于发送和接收与电机(300、400)中的部件的通信，包括例如转子位置传感器或电流传感器。在某些情况下，控制器700可以额外与电机(300、400)的各种电机部件中的一个或多个以及设置在电机(300、400)中的其他传感器(例如，温度传感器、振动传感器和其他类型的传感器)通信状态并向其发送致动和/或控制信号(包括到定子的电力或驱动信号)。通信可以是硬连线的、无线的或者有线和无线的组合。在一些实施方式中，控制器700可以是分布式控制器，其不同部分位于不同位置，例如车辆的不同区部。在不脱离本公开的情况下，附加的控制器可以与控制器700结合使用，作为独立的控制器或联网的控制器。

控制器700可以具有用于控制电机(300、400)的不同的自主水平。例如，控制器700可以开始感测负载和/或速度的变化，并且操作者调节电力频率、电流幅度和/或电流角。替代地，控制器700可以开始感测负载和/或速度的变化，接收来自操作者的额外输入，并且在没有来自操作者的其他输入的情况下调节频率、电流幅度和/或电流角。替代地，控制器700可以开始感测负载和/或速度的变化，并且在没有来自操作者的输入的情况下调节频率、电流幅度和/或电流角。

例如，在运行中，控制器可以是配置成通过向定子绕组发送控制信号来激励定子绕组并在定子内产生定子磁场的控制器。控制器可被配置成通过以电流角和幅度发送电流通过定子来产生定子磁场，并根据电机(300、400)的运行条件主动调节电流角和幅度。替代地或附加地，控制器可以从位置传感器316接收位置流。位置流代表转子位置。位置流可以是模拟或数字电信号或电磁信号。响应于接收到位置流，控制器可以确定任何扭矩脉动的存在、不存在或存在的任何扭矩脉动的严重程度。控制器然后可以响应于确定存在扭矩脉动来调节电流角和/或电流幅度。

在一些实施方式中，相量电流角318在高扭矩情况期间在运动方向上在转子磁极(308、408)之前增加。也就是说，在需要更大的每扭矩单位电流的情况下，可以导致增加的相量电流角318。通常，随着电流相量角318增加，转子线圈(310、410)由于D轴线分量312减少而变得更加活跃(更多电流流过线圈)。换句话说，随着电流相量角318增加，每个转子绕组的场衰减得更快。线圈内更大的活动会导致扭矩脉动增加而没有减轻；然而，在每个磁极经历的D轴线分量增加期间，电流幅度可以增加，从而抵消由增加的电流角318产生的潜在负扭矩。替代地或附加地，相量电流角318在高速、低扭矩运行期间减小。替代地或附加地，在制动操作期间，电流角可以变成负的。不管使用的运行模式如何，控制器700能够调节电流角和/或电流幅度，以满足给定情况下电机(300、400)的当前需求。

特别地，机器主要部件的电流相量角或电流幅度可以在运行中被调节以产生扭矩。在某些情况下，例如，当转子具有足够的磁场强度时，与之前的时间步长相比，可以不施加磁化电流(或施加更少的磁化电流)。在其他情况下，例如高速运行时，可允许转子磁场降级以降低反电动势(EMF)并提供电压余量，降低齿槽扭矩以限制扭矩脉动，并避免主动磁场削弱运行。控制器能够通过定子以宽范围的频率与转子通信，例如在50和1000赫兹(Hz)之间。在一些实施方式中，通信发生在100和1000Hz之间。无论如何，该系统能够比传统系统更快地传达变化。例如，传统的鼠笼式感应电机基本上以7Hz通信。更高频率传输的能力允许控制器700主动减少扭矩脉动，而不管运行条件如何，并且快速调节以适应运行条件的变化。

图8是可以与本公开的方面一起使用的方法800的流程图。方法800的全部或部分可以由控制器800和/或马达控制器104执行。在802，定子的定子绕组被激励以在定子内产生定子磁场。在804，转子内铁磁材料内的相应转子磁场被定子磁场修改。在806，定子磁场的偏移产生与转子相切的力。在808，转子被产生的切向力移动。定子磁场和转子在运行期间保持彼此同步。在810，通过整流器减少了气隙中通量激励的延迟。气隙由定子的内表面和转子的外表面限定。

在812，响应于磁场偏移，转子线圈内的电流抵抗转子内磁通量的衰减。由于在单独的转子线圈310上包括整流器311，通量衰减中的电阻是不对称的。这样，通过在转子绕组内感应第一方向的第一电流来抵抗通量的第一变化，直到第一电流减小到零，并且允许通量的第二变化，以在转子绕组内感应沿第二方向的电流。

在一些情况下，在814，电流以电流角被发送通过定子。通常，电流角在运动方向上位于转子磁极之前。在一些情况下，在816，响应于变化的运行条件调节电流的电流幅度。在818，响应于变化的运行条件，相对于转子磁极(D轴线)的电流角被调节。尤其是，814和816以虚线形式示出，因为这两个步骤不是必需的，也不是以该顺序必需的。也就是说，电流幅度和电流角可以被独立调节。

此后，将电机在当前时间的运行输出与电机的期望运行输出进行比较。如果当前时刻电机的运行输出处于电机的期望运行输出，则电机使用最近调节的定子电流参数继续运行。如果不是，该过程重复返回以调节定子电流的电流幅度或电流角中的至少一个，直到电机在当前时间的运行输出处于电机的期望运行输出。

现在参考图9A，提供了根据本公开的过程控制的一个非限制性示例。特别地，图9A提供了根据本公开控制马达系统以传递增加的扭矩900的示例流程图。过程900开始于在902要求或请求增加扭矩。根据本公开，满足该请求可以被概念化为执行两个并行工作流。然而，在实践中，控制器不需要被编程或设计成以独立的、并行的或不同的流来运行。为了满足增加扭矩的请求902，控制器确定可以通过在904增加转子通量来实现增加扭矩。为此，Id在906处增加，这在908处增加了转子通量。这继续进行，直到达到期望的转子扭矩，然后在910Id减小。然而，在寻求增加转子通量时，控制器认识到Q轴线电流调制可被使用，或者与D轴线电流调制一起变化，目的是控制或最小化扭矩脉动。因此，在912，控制器也工作以维持扭矩性能。为此，控制器还在914调节Iq，从而在916产生期望的扭矩增加，但是没有不稳定的扭矩性能的不良影响，例如由扭矩脉动引起的不稳定扭矩性能的不良影响。

现在参考图9B，提供了用于响应920处增加扭矩的请求的控制过程918的另一个非限制性示例。响应于920处的请求，控制器确定可以通过在922处要求增加转子通量来实现增加的扭矩。为了实现这一点，控制器寻求在924处朝向D轴线调制电流角，因为这将容易地在924处增加转子通量，转子通量通过在928处朝向Q轴线调制电流角而被进一步控制。并行地，控制器在930处通过调制Iq来维持扭矩性能，如上所述。因此，结果，在934，所请求的扭矩增加被传递到。

现在参考图9C，在936处提供了用于从启动达到期望扭矩的控制过程的另一个非限制性示例。在938，在启动时，转子被锁定。为了开始旋转，在940，电流角被朝向D轴线调制，并且在942，随着转子朝向D轴线移动，转子通量建立或增加。在944，电流角被朝向Q轴线调制，并且该过程继续，直到在946产生期望的扭矩。

图9D提供了用于在948达到期望扭矩的控制过程的又一非限制性示例。在这种情况下，该过程从马达已经处于高速运行950开始。在952，电流角调制的占空比被减小，并且在954，电流调制的幅度被减小。结果，转子通量在956处降低。随着转子通量减小，在958，反电动势下降，并且在960，齿槽扭矩减小。给定在950处的马达的高运行速度，这种控制最终在962处产生扭矩的增加。

因此，由于转子场线沿着定子D轴线的不对称通量矢量导致净转子场D轴线电流注入，所描述的系统和方法显示出通过正弦激励发展出扭矩的净增加。因此，在具有模拟电路的传统电路中，净D轴线电流注入是可行的。具有转子线圈结构的电机将更少饱和，从而在平均扭矩产生方面呈现出短路线圈的净效益。由于无功转子线圈电流，净D轴线电流注入使得能够在同等定子激励下实现更大的表面电流密度。

因此，已经描述了主题的特定实施方式。其他实施方式在以下权利要求的范围内。在某些情况下，权利要求中所述的动作可以以不同的顺序执行，并且仍能获得期望的结果。此外，附图中描绘的过程不一定需要所示的特定顺序或连续顺序来实现期望的结果。

Claims (23)

1.一种电机，包括：

定子，所述定子以相关联的定子绕组限定多个定子磁极，所述相关联的定子绕组被配置成接收定子电流；和

转子，所述转子以相关联的转子绕组限定多个固定的转子磁极，其中，所述转子限定了能够由所述定子绕组响应于所述定子绕组接收所述定子电流而产生的磁场激励的场，以在所述转子和所述定子之间产生相对运动，其中，所述转子在所述电机的运行期间保持与所述定子产生的磁场同步；和

整流系统，所述整流系统被配置成当所述场由所述定子绕组在接收所述定子电流时产生的磁场激励时，控制所述转子磁极中感应的交流电流。

2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述整流系统包括整流部件，所述整流部件在所述多个固定的转子磁极中的每一个上短路。

3.根据权利要求2所述的电机，其中，所述整流部件被配置成减少所述定子和所述转子之间的气隙中的通量激励的延迟。

4.根据权利要求1所述的电机，其中，所述整流系统被配置成对所述定子绕组在接收所述定子电流时产生的电场产生不对称响应，以控制转子扭矩脉动。

5.根据权利要求1所述的电机，其中，所述整流系统包括横跨所述多个固定的转子磁极中的每一个而布置的相应整流器。

6.根据权利要求1所述的电机，其中，所述整流系统包括被动整流系统或主动整流系统。

7.根据权利要求1所述的电机，进一步包括控制器，所述控制器被配置为：

以相对于所述转子磁极中最接近的一个测量的电流角发送通过所述定子绕组的所述定子电流；

确定所述电机的期望运行输出；

确定对应于所述电机的期望运行输出的期望转子运动；

计算应用于所述定子的矢量控制调制，所述矢量控制调制引起所述期望转子运动；

基于所述矢量控制调制调节所述定子电流的电流角，以使所述转子执行所述期望转子运动并实现所述电机的期望运行输出。

8.根据权利要求7所述的电机，其中，所述控制器还被配置成基于所述矢量控制调制来调制所述定子电流的幅度或频率。

9.根据权利要求7所述的电机，其中，所述控制器还被配置为：

调节所述定子电流的频率或振幅，以使所述转子执行所述期望转子运动；和

实现所述电机的所述期望运行输出。

10.根据权利要求7所述的电机，其中，所述控制器还被配置为：

调节所述定子电流的频率或振幅，以使所述转子执行所述期望转子运动；和

当所述转子执行所述期望转子运动并实现所述电机的期望运行输出时，控制转子扭矩脉动。

11.根据权利要求7所述的电机，其中，所述控制器被配置成增加沿着所述定子在转子磁极前面的绕组的定子电流的电流角，以传递增加的扭矩。

12.根据权利要求10所述的电机，其中，所述控制器配置成增加所述定子电流的幅度，同时增加所述定子电流的电流角，以控制转子扭矩脉动。

13.根据权利要求7所述的电机，其中，所述控制器配置成使所述定子的电流角为负，以提供所述转子的制动功能。

14.根据权利要求1所述的电机，其中，所述定子绕组包括分布式绕组，并且所述转子包括：

集中式绕组；

凸形绕组；

非重叠绕组；或者

永久体。

15.根据权利要求14所述的电机，其中，所述转子包括永磁体，并且所述永磁体基本上与所述转子磁极对齐。

16.一种绕线式励磁转子同步电机，包括：

定子，所述定子以相关联的定子绕组限定多个定子磁极；

转子，所述转子限定多个转子磁极，所述转子被配置为与所述定子同步旋转，所述转子包括与所述转子磁极中的每一个相关联的转子绕组，所述转子绕组被配置为由所述定子绕组产生的磁场激励，其中，所述被激励的转子绕组产生转子场；和

整流系统，所述整流系统被配置为响应于由所述定子绕组产生的磁场来减少激励所述转子绕组的延迟，并且在所述转子绕组中产生不对称电流响应，以随着所述定子电流的相角或所述定子电流的幅度中的至少一个的改变来控制转子扭矩脉动。

17.根据权利要求16所述的绕线式励磁转子同步电机，其中，所述整流系统包括在所述多个转子磁极的每一个上短路的整流部件。

18.根据权利要求16所述的绕线式励磁转子同步电机，其中，所述整流系统包括横跨所述多个固定的转子磁极中的每一个而布置的相应整流器。

19.根据权利要求16所述的电机，其中，所述整流系统包括被动整流系统或主动整流系统。

20.根据权利要求15所述的绕线式励磁转子同步电机，进一步包括控制器，所述控制器被配置为：

用定子电流激励所述定子绕组，所述定子电流具有幅度和相对于所述转子磁极中最接近的一个测量的相角；和

通过以下方式实现所述绕线式励磁转子同步电机的期望运行输出：

确定实现所述绕线式励磁转子同步电机的期望运行输出的转子性能；

调节所述定子电流的相角或幅度中的第一个，以实现所述绕线式励磁转子同步电机的期望运行输出；

接收指示所述绕线式励磁转子同步电机的当前运行输出的信号；

将所述绕线式励磁转子同步电机的当前运行输出与所述绕线式励磁转子同步电机的期望运行输出进行比较；和

调节所述定子电流的相角或幅度中的第二个，以实现所述绕线式励磁转子同步电机的期望运行输出。

21.根据权利要求20所述的绕线式励磁转子同步电机，其中，所述控制器还被配置成基于所述绕线式励磁转子同步电机的期望运行输出来调制所述定子电流的频率。

22.根据权利要求20所述的绕线式励磁转子同步电机，其中，为了调节所述电流角，所述控制器还被配置成仅调节所述绕线式励磁转子同步电机的仅一个轴线上的电流角。

23.根据权利要求20所述的绕线式励磁转子同步电机，其中，所述控制器还被配置为选择对所述电流角或所述电流幅度中的至少一个的调节，以控制转子扭矩脉动，同时实现所述绕线式励磁转子同步电机的期望运行输出。

Images