CN116470672A - 动态配置同步电动机和发电机 - Google Patents

Abstract

一种装置具有多个面向气隙的多个磁极，这些磁极被配置为在该气隙中产生第一磁场，并包括一组不变磁极和一组可逆磁极，其中每个可逆磁极点的极性被配置为在一个运行模式期间改变，并且在极性改变之后，每个可逆磁极和至少一个相邻的不变磁极效果上合并为一个增强磁极，因此改变所述第一磁场的极数。

Description

动态配置同步电动机和发电机

相关申请的交叉引用

本申请要求2022年1月20日提交的名称为“动态配置同步电动机和发电机”的63/301,136号美国临时申请的权益，且通过引用将该申请合并于此。

技术领域

本公开涉及电动机、发电机和电驱动系统，并且在特定实施例中涉及通过动态改变电动机/发电机及其相关功率的极数和相数配置来提高电动机/发电机和电驱动的性能的创新技术电子设备。

背景技术

许多工业、汽车和消费产品应用广泛需要高性能的电动机和发电机系统。人们对实现高性能和具有成本效益的电机驱动或发电机系统有着浓厚的兴趣。总体目标通常是电动机/发电机设计中实现更高的功率和转矩密度以及更高整体效率。多相电机，无论是作为电动机还是发电机，通常可以在各个方面实现比单相或三相电机更高的性能，包括效率、功率密度、转矩密度、可靠性和成本。通过多相电机在设计和控制上的特殊安排，可以在运行过程中通过动态配置技术动态调整极数和每极相数，以进一步提高系统性能和降低成本。诸如多谐波磁场定向控制(磁场定向(FoC))之类的特殊控制架构可用来控制此类动态配置驱动系统。然而，到目前为止，动态配置技术主要是在感应电机上实现了，在同步电机上要实现还有一挑战需要克服。

本公开提出了在各种同步电机(例如绕线同步电机、永磁电机或混合励磁电机)中实现动态配置的创新技术。虽然描述将基于电动机，但这些技术可以应用于它们的发电机对应物或电动机的再生运行运行。主要重点将放在解决电动机/发电机和驱动系统的功率/转矩密度和效率问题上，特别争对于需要在非常宽的速度范围内实现高性能的应用。

发明内容

通过电动机和发电机的极数和/或相数的动态配置提供电机驱动系统的高性能实现，这些和其他问题通常得到解决或规避，并且通常了实现技术优势。

本申请公开一种动态配置设备包括通过气隙磁耦合到定子的转子，以及配置成耦合到多个逆变器并产生第一磁场的多个相绕组。第一磁场的极数被配置为可通过配置多个逆变器来控制多个相绕组中的电流而动态调整。该装置还具有多个磁极，包括一组不变磁极和一组可逆磁极，并且所述多个磁极被配置为在气隙中产生第二磁场。所述不变磁极的极性在运行中是固定的，而每个可逆磁极的极性被配置为在一个运行模式期间改变，并且在改变极性之后，每个可逆磁极和至少一个相邻的不变磁极实际上合并成一个增强磁极，改变所述第二磁场的极数。

本申请还公开一种电气系统包括电机，其具有多个相绕组、转子、气隙以及通过该气隙磁耦合到所述转子的定子。所述相绕组被配置为在所述气隙中产生第一磁场，并且所述第一磁场的极数被配置为可通过控制多个相绕组中的电流动态调整。所述电机还具有多个磁极，这些磁极面向所述气隙，并配置为在所述气隙中产生第二磁场，所述多个磁极包括一组不变磁极和一组可逆磁极。每个不变磁极具有固定的极性，每个可逆磁极具有围绕极体的磁场绕组，其中每个可逆磁极被配置为在一个运行模式期间改变极性，并且在改变极性之后，每个可逆磁极和至少相邻的一个不变磁极合并为一个增强磁极，改变所述第二磁场的极数。该系统还具有耦合到所述多个相绕组的多个功率逆变器，其被配置为控制所述多个相绕组的电流使得所述第一磁场的极数在所述运行模式中被动态调整模式。该系统具有励磁电流调节器，该励磁电流调节器耦合到所述可逆磁极的磁场绕组并被配置为在所述运行模式下改变励磁绕组的电流方向，使得可逆磁极组的极性与第一磁极的极数调整同步改变。

本申请还公开一种动态配置装置具有多个面向气隙的磁极，并且这些磁极被配置为在所述气隙中产生磁场。所述磁极包括一组不变磁极和一组可逆磁极，每个可逆磁极点的极性被配置为在一个运行模式期间改变，并且在极性改变之后，每个可逆磁极和至少一个相邻的不变磁极实际上合并为一个增强磁极，这样所述磁场的极数随之改变。

本发明实施例的一个优点是利用极数改变来提高同步电机驱动系统的运行性能。

前面已经相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点，以便可以更好地理解下面对本公开的详细描述。本公开的附加特征和优点将在下文中描述，其形成本公开的权利要求的主题。本领域技术人员应当理解，所公开的构思和具体实施例可以很容易地用作修改或设计其他结构或过程的基础，以实现与本公开相同的目的。本领域的技术人员还应该认识到，这样的等同构造不脱离如所附权利要求中阐述的本公开的精神和范围。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优点，现在参考以下结合附图的描述，其中：

图1示出了根据本公开的各实施例的可重构电动机/发电机系统的框图；

图2示出了根据本公开的各实施例的多谐波磁场定向控制系统的示例；

图3示出了根据本公开的各实施例的电动机/发电机中的12极布置图；

图4示出了根据本申请的各实施例的图3中所示的12极布置的4极配置；

图5示出了根据本公开的各实施例的图3中所示的12极布置的不同配置；

图6示出了根据本公开的各实施例的高极数配置中的示例性磁场波形；

图7A示出了根据本公开的各实施例的低极数配置中的示例性磁场波形；

图7B示出了根据本公开的各实施例的低极数配置中的另一个示例性磁场波形；

图8示出了根据本公开的各实施例的12极布置的不变组和可逆组的示例性布置；

图9A示出了根据本公开的各实施例的励磁磁极或磁体的概念图；

图9B示出了根据本公开的各实施例的具有励磁绕组的三个励磁磁极的概念图；

图9C示出了根据本公开的各实施例的具有励磁绕组的六个励磁磁极的概念图；

图10A示出了根据本公开的各实施例的具有动态配置的励磁电流的概念图；

图10B示出了根据本公开的各实施例的具有动态配置的励磁电流的另一概念图；

图11示出了根据本公开的各实施例的具有混合了励磁磁极和永磁磁极的混合励磁系统的概念图；和

图12示出了根据本公开的各实施例的励磁控制系统的框图。

除非另有说明，否则不同附图中的相应数字和符号通常指代相应的部分。绘制附图以清楚地说明各实施例的相关方面并且不一定按比例绘制。

具体实施方式

下面详细讨论当前优选实施例的制造和使用。然而，应当理解，本公开提供了许多可应用的发明构思，这些构思可以体现在各种各样的特定环境中。所讨论的具体实施例仅说明制作和使用本公开的具体方式，并不限制本公开的范围。

将在特定上下文中针对优选实施例描述本公开，即高性能电机或电机驱动系统。电机驱动系统可应用于各种电动或混合动力车辆、机器人、无人机、家用电器、风力发电，工业驱动和/或其他应用。在整个描述中，动态配置绕线励磁同步电机用作示例，但所讨论的技术一般可应用于其他电机，例如永磁电机、混合励磁电机和各种发电机对应物。在下文中，将参考附图详细解释各实施例。

在电机中，低速高转矩性能与高速大功率运行之间始终存在着内在的冲突。长期以来，人们一直希望在要求苛刻的应用中通过运行期间动态改变电机的磁极的个数(或简称为极数)来改善电机和电机驱动系统的性能和成本。众所周知，专门设计的多相电机可以通过调整相电流之间的相移动态地重新配置为以不同的极数和一个极对内的不同的相数来运行。在动态配置电机中，极数是磁场波形正/负半部分的数量，通常在气隙中(参见图6至8的示例)。请注意，由于电机中磁场的旋转特性，磁场波形可能会被观察为在某个时间点作为快照获得的空间波形，或者作为给定点处磁场强度的时变波形。磁场的波形也可以从一个绕组的电压间接得到，例如从一个相绕组的电压，特别是开路电压，往往可以观察出气隙磁通的波形。比如，同步电机里磁极所产生的气隙磁场的波形即可从一个相绕组(或相近的检测绕组)的开路电压的波形得出。多相电机的动态配置可以直接在鼠笼式感应电机中实现，因为鼠笼结构中的电流可以很容易地跟随气隙中的磁场，因此感应电机里转子电流产生的磁场自然和定子电流产生的磁场极数相同。在同步电机中实现它需要更精细的工作，这是本公开的重点。尽管在本公开中相绕组(有时简称为绕组)显示在定子中，但这仅仅是显示本发明的各个方面的示例。在设计中，转子和定子的角色可以互换，转子可以在定子的内部、外部或侧面。

一台电机可具有多个定子和多个定子，他们之间由多个气隙机械地分离。图1显示了一个动态配置电机系统(DR电机)的拓扑示例。它是具有多相电机的示例性多相驱动系统，多相电机具有转子、定子和气隙，耦合到多相逆变器，其可用于控制动态配置系统。电机具有布置成多个组的多个绕组，每个绕组耦合到逆变器的一个输出。定子或转子上的绕组可能是分布绕组，也可能是集中绕组，既可以是整距绕组，也可以是短距绕组。下面我们以定子上的绕组为例。转子可以像在外转子电机中那样位于定子外部，或者像在轴向磁通电机中那样在定子旁边。逆变器可以包括多个组，并且每个组可以具有耦合到电源的多个逆变器支路。逆变器的电源可以相互隔离，也可以串联或并联。

在图1中，可重构电机系统100包括定子104、转子102和气隙103。转子102可以具有鼠笼结构或其它结构。定子104包括多个定子绕组。多个定子绕组可嵌入定子铁芯中。更具体地，定子铁芯可包括多个槽。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需要，每个槽可用于容纳多个定子绕组。此外，可重构电机系统可以不包括定子铁芯(例如，无芯电机)，或者在定子铁芯中没有槽。

如图1所示，多个定子绕组可以分为M组，其中M为预定整数。每组定子绕组通过连接环或连接杆连接。例如，第一组定子绕组S11-S1N通过第一连接环151连接，如图1所示。同样，第m组定子绕组SM1-SMN通过第M连接环15M连接，如图1所示。在图1中，连接环显示为浮动的(例如，如图1所示，连接环彼此隔离)。在本发明中，连接环可以不是封闭的形状，因此可以是连接杆。如果M个输入电源中的一些输入电源相互隔离，则连接环151-15M中的一些可以电气连接在一起，或者形成单个连接环。

此外，可重构电机系统100包括多个功率变换器(或等效称为逆变器)组。每个功率变换器组连接在电源和相应的定子绕组组之间。如图1所示，第一功率变换器组101连接在第一电源VS1和第一组定子绕组S11-S1N之间。如图1所示，第一功率变换器组110包括多个功率变换器111-11N。同样地，第M功率变换器组1M0连接在第m电源VSM和第m组定子绕组SM1-SMN之间。如图1所示，第M功率变换器组1M0包括多个功率变换器1M1-1MN。在一些实施例中，多个功率变换器依次划分为多个功率变换器组。

在一些实施例中，电源VS1-VSM是如图1所示的独立电源。在替代实施例中，电源VS1-VSM可以串联连接以适应施加到可重构电机系统100的高输入电压。此外,电源VS1-VSM可以由串联连接的电容器开发并耦合到公共电源。因此，实现电源之间的电荷平衡可能很重要。为了实现串联连接的电源的电荷平衡，希望流入/流出电源的直流电流彼此相等或近似相等(例如，在20％容限内)。

在一些实施例中，当流过每个电源的电流是直流电流或具有低频分量的电流时，电源可以高效且可靠地运行。例如，电流的谐波分量(例如，基波和低次谐波)应该被降低到最小值。在一些实施例中，每个绕组应具有至少三个定子绕组，它们均匀地间隔成一对磁极。定子绕组被配置为导通具有相同幅值和频率的电流。此外，电流的相位角在定子绕组之间均匀分布。这样一来，各绕组组中的定子绕组就形成了一个对称平衡的多相系统，流经各电源的电流在理想工作状态下为直流电流。

在运行中，每个相绕组被控制来导通期望的电流。通过控制相绕组中的电流(相电流)，或更准确地通过控制相电流的磁化分量，可以在定子104和转子102之间的气隙103中建立期望的磁场。相绕组可以分为若干组，每组可以通过多个功率逆变器耦合到电源，其中多个功率逆变器可以根据需要形成并被控制为多相逆变器。相绕组可以是槽中的导体，也可以是各种结构的集中绕组或分布绕组。如果需要，多个绕组可以串联或并联。可以用具有多个谐波频率的谐波电流的磁场定向控制来控制逆变器。

在一些实施例中，可重构电机系统100在定子中具有以对称方式按P对极布置的N相绕组。相数M等于N除以P(N/P)。基本相移角(相移)可表示为：

θ1＝(360°·P)/N (1)

与每对磁极内的绕组由预定结构和设计固定的传统结构相比，在如图1所示的动态配置结构中，相数M可以是整数也可以不是整数。例如，电机可以有16个相绕组，这些绕组可以配置在六个极中。结果，每对磁极有5.33个相位(16/3)。这是一个分数相结构。也就是说，一个极对有时有五相，有时有六相。

具有分数相磁极结构的一个有利特征是在任何特定时间存在不同磁极对之间的不对称性，并且这种不对称性可以有利地用于产生类似于磁阻变化的效果的附加转矩。动态配置(DR)电机中分相配置的可能性为改进DR电机的设计提供了更大的灵活性。

系统可以通过多个谐波平面进行控制，每个谐波平面对应不同谐波频率下的谐波电流/电压/磁通。在同一时间，相绕组中的电流和电压中可能存在一个或多个谐波分量。以电流为例，在一些实施例中，第i相绕组电流的基频分量满足下式：

Ii1＝I1·sin(2πf-i·θ1) (2)

其中θ1是基频分量的相移角。

在一些实施例中，第j次谐波分量可以表示为：

Iij＝Ij·sin(j·(2πf-i·θ1)) (3)

等式(3)可以简化为：

Iij＝Ij·sin(2πj·f-i·j·θ1) (4)

j次谐波分量的相移角为：

θj＝j·θ1 (5)

在一些实施例中，若第j次谐波满足下式，则施加于电机的第j次谐波构成极对数等于j乘以P的平衡系统。

N/(j×P)≥3 (6)

j次谐波的同步转速可表示为：

如公式(7)所示，DR电机系统中第j次谐波的同步速度S_j与基波分量的同步速度相同。

当电流在绕组中流动时，它们沿气隙产生的磁场具有重复的波形模式。具体地，沿着气隙的周长，磁场波形可以被分成多个部分，每个部分具有正半波和负半波。这样一段可以看作是一对磁极，因此段数对应于磁极对数，即完整波形中沿气隙整个周长的正负半波数。在动态配置电机(DR电机)中，通过改变相邻绕组中电流之间的相移，可以在运行期间快速平稳地调整极数，并且电机应可在设计用于运行的所有极配置下有效工作。例如，如果电机中的绕组系统采用P极构造，谐波治理电机可能会以2P极、3P极等运行。请注意每个绕组可能是全距或短距，但应注意使用在所有预期的磁极配置中具有可接受性能的节距以产生高转矩。

从数学上讲，可以在多个同步dq平面(称为谐波平面)中对DR电机进行建模和控制。一个谐波平面的极数与谐波的次数成正比，因此所有谐波平面的同步速度相等。可以控制这些谐波平面作为独立的同步平面在相同的方向上旋转。DR电机可以设计为在所有或部分同步平面上有效地产生转矩和传输功率。通常，每个谐波平面可以彼此独立处理，并可能独立地传递能量和产生机械转矩，但并非所有独立的谐波平面在任何给定时间都用于此目的。例如，在9相或9绕组电机中，1次(基波)、3次、5次和7次谐波平面可以独立控制，但谐波组的选择可能不是唯一的。例如，第1(基波)、第2、第3和第5谐波平面也可以被独立控制。部分或全部这些谐波平面可用于在某些运行模式下产生功率和转矩，或在其他运行模式下进行控制以获得更好的电流波形质量(例如将2次、3次和5次谐波电流参考设置为零)以减少逆变器、绕组和电机铁芯中的功率损耗，因为谐波电流通常会导致额外的功率损耗。例如，在DR电机中，可以控制基频电流、三次谐波频率电流和/或五次谐波电流，以产生相同方向和相同速度的旋转磁场，从而传递能量，和在稳态运行中或在从具有一个极配置的运行模式转换到另一个极配置的不同运行模式期间同时产生转矩。在任何给定时间，可以选择一个或多个谐波平面来传递功率和/或产生转矩。其他独立谐波平面(非活跃谐波平面)中的电流参考可以设置为零以减少电机和逆变器中的谐波功率损耗，或者可以不控制非活动平面。当相绕组中的电流之间的相移可以改变时，可以获得不同的极数和相数。可以考查磁场定向谐波注入技术并将其应用于此类系统中的各个极数或相数配置。

为了充分利用此类系统的潜力，在多个谐波下实施协调的磁场定向控制(FOC)是有利的。图2显示了图1中所示的DR电机系统使用多个谐波平面的控制系统框示出例。转矩给定输入Tr表示系统输出的参考，根据当时的系统控制目标得到，也可以是功率或其他参数。它可能来自转矩命令，或来自控制系统中的速度调节器或位置调节器的输出。Tr的变化会导致电流参考值发生变化。在图2中，多相电机240感测出的相电流(即电机240绕组中的电流)I11至Imn可转换为同步变量Id1、Iq1至IdK和IqK，其中K是独立谐波平面的数量通过多谐波Park和Clarke变换。通常，在各个谐波平面上，d轴分量对应于磁化分量，而q轴分量对应于转矩分量。多谐波Park和Clarke变换块201是将具有各种谐波含量的相电流改变为各谐波平面上的dq坐标系中的值的坐标转换机构，这种同步变量在稳态运行中是直流值。在功能块201中使用的变换矩阵包含在每个感兴趣的谐波频率处的三角函数。请注意，假设一个平衡的多相系统，相电流中特定频率的谐波分量将在相应谐波平面上的dq坐标系中转换为具有相同谐波次数的dq坐标系中的直流值，而在其他谐波平面中的dq坐标系中转换为零。也就是说，多谐波变换是一种滤波器，它去除其他谐波成分，但将感兴趣频率的电流或电压的相对的谐波成分转变为同次谐波平面上dq坐标系中的直流值。例如，在一个平衡的9相系统中，有4个独立的谐波平面，我们可以选择一阶(基波)、二阶、三阶和五阶谐波平面作为活跃平面。通过多谐波坐标变换，在稳态运行中，相电流的基波分量将由基波平面中的d轴常量和q轴常量表示，但它们对应的2阶、3阶和5阶谐波平面将为零。类似地，相电流中的3次谐波分量将由3次谐波平面中的d轴分量和q轴分量表示，但它们对基波、2次谐波，和5次谐波平面的贡献将为零。在这样的系统中，可以独立于其他谐波平面上的电流来控制每个独立谐波平面上的电流分量。

多谐波磁场定向控制(FoC)块202根据Tr依据不同谐波平面之间同步的磁场定向控制原理而生成的dq坐标系的电流参考值Idir到Iqir，其中i是在1到K范围内的指数。同步协调不同谐波平面的功率传输，可用于优化系统性能，例如增加功率或转矩输出，同时减轻电机不同区域的磁饱和。基于不同谐波平面中dq坐标系中的电流参考，多谐波电流控制块210通过谐波平面1至K的多个电流调节器221至22K调节电机230的绕组电流。在电流控制块中210还有多谐波逆帕克和逆克拉克变换函数220，并且生成用于功率逆变器230中的功率开关的占空比信号D11到Dmn。功率逆变器230的输出耦合到多相电机240的绕组，从而控制电机240的绕组电流并产生所需的系统输出。

为了在对应于绕组电流的特定频率的谐波平面产生转矩，电机转子沿气隙产生的磁场必须具有相同的谐波特征，即转子磁场必须具有相同的空间极数，并且必须以与绕组电流产生的定子磁场相同的速度和相同的方向行进。如果电机的定子按照上述动态配置原理进行控制，则转子也需要具有变极结构，无论怎样转子产生磁场转子的极数变化可以与定子绕组电流的变化同步。本公开的重点是具有绕线磁体的电机中的磁极重构，尤其是同步电机中的磁极重构。请注意，这种磁极重构可以应用于转子和定子，尽管以下讨论将主要以转子中的磁体为例。

在同步电机里，转子有多个极性为S和N的磁极。磁极的极性由它在相邻区域的气隙产生的磁通密度决定。在本发明中，当此磁通密度(以符号B表示)为正时，极性为N(北)，而当磁通密度为负时，极性为S(南)。图3是一个12极转子的概念图，12个磁性极(也称为磁体，或简称为磁极)根据其极性标记为N或S。磁极之间可有磁屏障，可以防止或减少相邻磁极之间的磁场泄漏。尽管磁极显示为覆盖转子的外周，但其他形状的磁极和布置也是可能的，并且在行业中是已知的。本公开的创造性方面不依赖于磁极构造的任何细节。图4显示了同一转子的4个磁极极性反转的另一个概念图，如果磁极为绕线磁极，则只需反转这些磁极的励磁绕组中的电流方向即可实现极性。极性反转的磁极标记为以前的极性/新的极性,如S/N或N/S。基本上，现在磁极被配置成4组，每组中的磁极具有相同的极性，因此它们实际上成为一个增强磁极。因此，通过改变那4个极的极性，转子现在实际上变为4极结构。即通过调整一组磁极的磁场，改变了磁场总的形状，实现了转子极数的动态调整。因此，对于同一转子(或电机)，图3显示了具有大量极数的高极数配置，图4显示了具有少量极数的低极数配置。图5更清楚地显示了磁极配置的变化，其中磁极的编号沿着气隙的周边是连续的。图5(a)显示了12极配置(高极数配置)。如果2、5、8和11磁极改变极性，则转子具有4极配置(低极数配置)，如图5(b)所示。还有其他的可能性。从图5(a)所示的12极配置，可以通过改变2、3、6、7、10和11磁极的极性来实现6极配置(中极数配置)，如图所示在图5(c)中。图5(a)、图5(b)和图5(c)在本公开中也统称为图5。图3、4和5表明，只需改变一组磁极的极性，即可实现不同的磁极配置。此外，可以调整磁极磁场强度的幅值，以更精细地控制磁场分布(这也表现了磁场波形中的谐波含量)，塑造气隙中的磁场以获得更好的电机性能。在电机中，气隙中的磁场对功率和转矩的产生最为关键，气隙中的总磁场包括由转子中的电流和磁铁产生的分量以及由定子中的电流和磁铁产生的分量。转子产生的磁场(或分量)和定子产生的磁场(或分量)在气隙中相互作用，在电机中转换能量并产生转矩和功率。为了产生一致的转矩/功率输出，这两个磁场(或磁场分量)需要具有相同的磁极数和相同的转速。本公开更侧重于调整由转子产生的气隙磁场形状，包括调整其极数和/或谐波含量，以改善电机和驱动系统的性能。然而，应该注意的是，定子和转子的角色可以互换，因此应用于其一的所有技术和构造也可以应用于另一个。此外，电机中也可能有多个转子或多个定子。

不同的设计可以使用不同数量的极数，并且设计可以具有一组可实现的极数以适应应用。在本公开中，我们将使用对应于图5(a)到5(c)的12到4的极数改变作为示例来说明极数重新配置的概念。

业内已知，转子产生的磁场沿气隙可能具有不同的形状(也称为空间磁场分布或简称磁场分布，其形状与在电机的磁路中一个点上看到的磁场强度波形相同)，例如正弦波、方形、梯形或任何其他形状。虽然现有的同步电机主要采用正弦波形，但具有显著谐波含量的波形，例如梯形波或方波，也可用于动态配置同步电机(电动机或发电机，简称DRSM)，因为多谐波磁场定向(FoC)可用于在多个谐波平面产生转矩，显著提高电机的转矩密度和功率密度。图6为6极梯形磁场示例，在每极下方的气隙中，磁场强度的空间分布呈梯形的半波。如前所述，如果需要，也可以实现其他波形。图6可以被认为是图5中12极配置的一半。在图6中，水平轴表示气隙沿其圆周的机械距离或角度，垂直轴是磁场强度气隙。气隙中磁极的极性也相应标记，正磁密度对应N极磁体，负磁密度对应S极磁体。由于具有凸极的电机结构(例如带有内部永磁体或凸极的转子)靠近磁极边缘磁场强度明显较低，这种梯形波形更容易产生，即沿d轴和q轴的电感有很大差异。使用没有凸极的电机结构更容易产生方波磁场，即沿q轴和d轴的电感近似相等(例如，带有表面贴装磁体或圆形缠绕磁极的转子)。当然，磁场的实际形状可以是任何其他波形，其可以为获得目标应用所需的性能而设计。例如，如果需要，通过对极靴的表面进行整形，特别是面向气隙的磁极表面和相邻极靴之间的距离调整，以创建一个故意不均匀具有合适的形状和凸起的气隙，可以形成正弦波形，有时带有一些谐波成分，这在业内众所周知。如果磁极2和5极性反转，则磁场如图7A所示。现在这个结构实际上变成了2个磁极，仍然是大致的梯形波形。波形可以有一个带有一些波动的平顶，或者如果需要可以制成其他形状。由于它可能含有不可忽略的谐波成分，因此可以使用图2所示的多谐波磁场定向(FoC)控制来控制电机。在图6和图7A中，正负幅值相等。当使用对应于图7A的低极数配置时，有时，例如在高速情况下，可能需要减少由气隙中的转子磁极产生的磁场的高次谐波含量。这可以通过调整每个极下的相对磁场强度来实现，这样磁场就可以有更多的水平来模拟正弦波形，如图7B所示，其中B1>B2。图7A和图7B在本公开中也被统称为图7。一般来说，如图6和图7所示，有时希望磁场的正半部分和负半部分保持对称，也可以沿着磁极2和磁极5中点对应的45°和135°线保持对称,来控制谐波含量。这说明了电机励磁动态配置的基本概念，这里是转子侧。同样，如果需要，也可以使用其他形状的磁分布。有时，还希望产生不对称的磁波形，这可以通过调整这些磁极磁场的相对强度轻松实现。

如图5、6、7所示，在不同的磁极配置之间，只有部分磁极发生极性变化，部分磁极保持相同极性。因此，电机中的磁极可以分为两组或更多组，每组磁极应具有相同的变化模式：第一组(不变组)包含不需要改变极性的磁极，第二组(可逆组)包含那些在极点变化过渡期间需要改变极性的磁极。如果多于两个磁极配置(即多于两个磁极数或多于两个具有不同磁极磁场强度水平的配置)，则可以使用多于一个可逆组(并且类似地可多于一个不变组)，因此磁极同步改变极性或磁场强度的单元可以组成一组，简化控制实现。这样，不同极数或不同磁场形状的布置和控制就可以看作是不同极组励磁绕组的电流的控制。图8显示了一个示例。A组包含极性不变的磁极，称为不变磁极，并以其极性(N或S)标记，而B组包含在运行过程中可能需要反转极性的磁极，即称为可逆磁极，标记为S/N或N/S。同样，如果需要对磁场重构进行更精细的控制，则可以划分更多的组。

磁场可以由永磁体，或嵌入励磁绕组并适当的电流流过的磁极(励磁磁极)，或永磁体和励磁磁极的组合(混合励磁)产生。永磁体和励磁磁极可以通过适当设计、成形和放置来实现所需的性能，包括正确的磁场强度分布和合适的凸极性能。随着记忆效应永磁体的出现，可逆永磁体磁极可以用这种磁体和控制绕组制成。然而，当前更容易制作具有励磁磁极的可逆磁极，因为这种磁极的极性反转可以很容易地实现为励磁电流方向的反转。图9A表示了励磁磁极的概念图，黑色圆圈表示的是励磁绕组的导体。励磁磁极的磁性材料包括极靴，极靴将励磁绕组产生的磁场导通到与磁极相邻的气隙中。缠绕有励磁绕组的极体在导通磁通的同时支撑励磁绕组。磁轭区域连接了不同磁极产生的磁通。来自励磁磁极的磁场主要由励磁绕组和励磁绕组中的电流决定。如果需要，阻尼绕组可以放置在励磁磁极中，但这是可选的。磁极在气隙中形成的磁场分布主要由极靴的尖端(外表面)决定，因此极靴外表面的形状应设计为提供所需的场分布，包括凸起。如果表面是圆形的(即圆形的一部分)，则极上的气隙是均匀的，因为大多数定子表面是圆形的，这往往会给出平坦的分布，例如在方波或梯形波磁场中。然而，如果极展的表面被成形为在极跨度上产生不均匀的气隙，则可以控制附近气隙中的磁场强度遵循特定曲线，例如正弦形状。这样，通过控制励磁绕组电流和/或调整极靴的形状，可以对附近气隙中的磁场分布进行整形，从而为所需的运行提供良好的电机性能。

尽管在每个极体周围缠绕励磁绕组是一种常规做法，但可能希望以协调的方式在多个磁极上缠绕励磁绕组以提高电动机的性能。图9B显示了一个例子，其中两个绕组绕在三个磁极上(可以认为是图6和图7中磁极的一半)。如图中所示，励磁绕组放置在相邻磁极的极体981之间的窗口区域951中。相邻磁极的靴尖之间的空间955没有磁性材料，可以看作是磁性屏障。标记为983的绕组2(其导体表示为虚线填充的圆形)的起始引线W2+和终止引线W2-绕在磁极2上，标记为982的绕组1(其导体表示为黑色填充的圆形)起始引线W1+和末端引线W1-围绕磁极1、2和3绕制。在高极数配置(极数多)中，绕组1中的电流(Iw1)和绕组2中的电流(Iw2)应安排为导致绕组1和绕组2的安培匝数相同但极性相反(即Iw1为正，但Iw2为负，即Iw1和Iw2的方向相反)。在低极数配置中，可以通过反转Iw2来改变极2的极性(即Iw1和Iw2均为正或方向相同)，并且可以确定Iw1和Iw2的幅值以给出所需的磁场波形图，如图7A和7B所示为例。这种布置的一个特殊优点是，在每个窗口区域中的导体仅承载一个方向的电流，与每个磁极缠绕励磁绕组的布置相比，相同磁场强度下这样安排绕组的功率损耗更低。图9C示出了图3和4所示转子的一半，沿着转子的一个周边切割以暴露励磁绕组和磁体的视图，其中磁极4至6被添加到了图9B的配置中。在图9C中，每个极体981用浅灰色表示，仅环绕一个极体的小绕组983和985用黑色表示，而环绕3个极体的大绕组982和984用深灰色表示。每个绕组的匝数可以根据系统需要设计，并且可以彼此不同。但是，所有串联或并联成组的绕组应设计成具有相同的电流或电压。绕组3(984)(起始引线W3+，末端引线W3-)绕在磁极5上，绕组4(985)缠围磁极4、5、6绕制。绕组1(982)和绕组3(984)将W1-和W3-反串，使绕组982和984的电流大小相同方向相反，连接W2-和W4-将绕组2(983)和绕组4(985)反串因此绕组983和985中的电流值相同但方向相反。当然，绕组1和3也可以反向并联，绕组2和4也可以反向并联。这种连接方式可以扩展到电机的其他磁极。通过将电机中的多个励磁绕组串并联，可以将变化模式相同的励磁绕组组合在一起，从而使电流控制更加容易。请注意，磁极2和5中的磁性材料可能具有更短的长度，以容纳来自转子励磁绕组982和983或984和985末端的更多导体。众所周知，磁极的磁性材料可以是硅钢片、铁氧体、铁粉或其他通过各种合适的工艺形成的导磁材料。

我们将以所有磁极均为励磁磁极的场景来说明变极过程。在图10中，电流的编号是指励磁绕组对应磁极的编号(即I1表示磁极1励磁绕组中的电流)。在t0之前，转子和电机处于低极数配置。在t0时刻，系统开始变极转换，励磁电流开始变化。不变磁极(极1、3、4、6等)中的励磁绕组电流在此过程中不改变方向，而换向极(磁极2、5等)中的电流发生在此变极过程中方向改变。通过适当的控制，电流可以逐渐变化以实现平稳过渡。图中显示了线性过渡，但其他形状的过渡，例如正弦过渡也是可能的。在t1时，电机到达过渡结束，系统达到所需的高极数配置。由于励磁绕组电流在过渡过程中平稳过渡，切出谐波平面和切入谐波平面均有显著的磁场强度，因此在此过渡过程中相绕组电流/电压和电机磁场中会存在显著的谐波含量。定子电流可以通过多谐波磁场定向控制(FoC)原理进行控制，以在需要时在两个谐波平面上产生转矩，并且在过渡期间控制电机产生的总转矩。可以同步控制定子电流，可使得在所有活跃谐波平面上生成的转矩总和保持大致相同或遵循所需的模式，电机的输出可以在变极过渡期间保持连续甚至恒定，这样就不会有变极动作引起的明显干扰。在t3时，系统开始另一个变极过渡，类似于t0和t1之间的转换，但变极方向相反。在图10A中，绕组电流I1、I3、I4和I6显示为相等，I2和I5也相等。如果需要，这些电流可以具有不同的值。图10B显示了类似的过程，但励磁绕组以与图9B和9C中所示类似的方式连接成两个组，即绕组W1和绕组W2。通过对励磁绕组进行适当的分组，可控制的电流数量远低于极数，从而降低系统成本。尽管图10B中指示了两个组，但如果需要，更多组也是可能的。

这种变极运行可以应用于各种电机拓扑结构和配置。请注意，如图7所示，在低极数和高极数配置期间，可逆磁极励磁电流的幅值会影响气隙中磁场谐波的强度，并且可以用来在稳态运行中进行三次谐波或其他方式的谐波注入以优化系统性能。例如，当所需转矩不是很高时，通过将可逆磁极的磁场增加到高于不变磁极，三次(以及可能的其他高阶)谐波分量可以减少(并且极靴表面的形状可以根据需要设计以减少此类谐波含量)，因此可以减少电机的功率损耗，从而提高电机和系统效率。这样，电机可以在中低转矩范围内以更接近正弦的电流和气隙磁场工作，从而显著提高电动汽车等应用中的系统效率。当所需转矩较高时，可以调整励磁电流，从而在气隙(以及转子和定子中)磁场中产生适量的谐波含量，并与定子绕组的多谐波控制协调减轻转子和/或定子的某些区域的磁饱和，在多个谐波平面产生更多的转矩，从而显著提高了电机的转矩和功率能力。

虽然在前面的讨论中假设稳态运行时励磁绕组中的电流为直流，但是将具有适当频率、相位和幅值的交流电流馈入励磁绕组以建立旋转磁场也是可行的，因此电机成为绕线转子感应电机，或双馈感应电机。先前讨论的磁极重构原理仍然可以应用于此类电机。

也可以采用具有各种永磁体布置的表面贴装或嵌入式(埋入内部)配置的永磁体来实现不变磁极，而可逆磁极使用励磁磁极。图11显示了带有V形槽内部永磁体和励磁磁极的示例。如果需要，励磁磁极尖端周围的区域(显示为阴影区域)可以填充非磁性材料，例如塑料化合物、胶水或环氧树脂。可选地，相同或不同的非磁性材料可以进入励磁绕组或可选的阻尼绕组之间的隔间。非磁性材料可以提高磁极和/或绕组的机械强度和完整性，并且还可以被设计成导通热量并为磁极和/或绕组提供冷却。可逆磁极的极靴(尤其是其表面)形状应与永磁磁极配合设计，使这些磁极的d轴电感和q轴电感具有相似的值，以利于平滑的转矩和电流控制，这可用图2所示的多谐波磁场定向(FoC)控制原理实现。在这种混合励磁转子中，除了像之前讨论的那样改变极数，可逆磁极中励磁绕组的幅值也可以调节以控制磁场谐波注入量。此外，有意减小可逆磁极中励磁电流的幅值也可以降低气隙磁通的基波分量，从而具有弱磁的效果。这可以在某些设计中有利地使用。

由于励磁电流的幅值不仅影响了转子磁链，而且还如图7所示影响了气隙中磁场的谐波含量。在稳态运行中，可以通过控制励磁绕组的电流，尤其是可逆磁极的电流，增加或减少电机中磁场的谐波含量来产生所需的磁场波形，从而提高电机的转矩和功率，同时优化功率损耗或效率等性能指标。由于气隙中的磁场主要由相绕组电流和励磁绕组电流共同建立，因此应根据更好的系统性能(通常是系统或电机效率)来协调确定励磁电流和励磁电流。应该注意的是，使用励磁绕组电流在气隙磁通中产生所需的谐波含量通常比通过相绕组电流产生这种谐波含量更有效率，从而有利于实现更高的电机效率。因此，只要有可能，最好将励磁电流作为产生谐波磁通的主要手段，并在需要时相应地调整相电流。另外，如果转子磁极会在气隙和定子磁场里产生一定的不希望的谐波成分，可以控制相绕组的谐波电流去削弱气隙和定子磁场中那样的谐波成分。通过多谐波磁场定向(FoC)控制，可以利用磁场中的谐波含量在各个谐波平面上产生更大的转矩。

可根据图2所示的多谐波磁场定向(FoC)原理加上励磁绕组中的电流调节来实现动态配置同步电机的控制。如果励磁绕组位于转子中，则可以使用滑环和/或无线电力传输(WPT)将励磁能量带到转子上的绕组。通过将具有相同变化模式的励磁绕组组合在一起，可以大大简化向励磁绕组的功率传输。图12显示了一个示例性励磁电流调节器，用于控制励磁绕组中的电流，其中W1到W6是磁极(或磁极组)1到6的励磁绕组，SR1、SR2和SR3是3个滑环。转子中的绕组可以串并联布置，以利于减少电源互连。图12中，W2和W5并联构成可逆组1203。W1和W4串联构成一个支路，W3和W6串联构成另一个支路，这两个支路并联以形成不变组1204。功率开关Q1和Q2与电感器L1和电容器C1一起形成具有输出V1的降压转换器1201。功率开关Q3和Q4与电感器L2和电容器C2一起形成具有输出V2的另一个降压转换器1202。如果需要，可以在功率变换器1201和/或1202中使用其他功率变换器拓扑结构。控制器控制功率变换器生成用于绕组的电流。通常，不变组的绕组可以连接在电源转换器的输出和电源轨(P或N)之间，而可逆组的绕组可以连接在两个或多个电源转换器的输出之间，因此功率变换器的输出电压可以配置为为不同的绕组组提供正确的电压。功率变换器可以位于转子中或转子外部。在图12中，假定功率变换器位于转子外部，因此使用滑环SR1至SR3将功率从功率变换器的输出端传输到绕组。通常3或4个滑环对于具有动态配置的转子来说就足够了。当然，绕组的互连可以具有不同的模式以适应特定的设计，并且布置功率变换器的不同方式是可能的。例如，功率变换器可以位于转子内部。此外，如果需要，全桥转换器可以通过PWM和其他控制机制改变电流的方向，同时控制电流的幅值。如果使用无线功率传输将激励功率传输到转子，则最好使用高频(例如MHz范围)来减小接收器的尺寸和重量，同时在WPT系统的磁场的存在下减少电机金属材料中的功率损耗。

定子绕组可以是分布绕组或集中绕组，这取决于系统要求。集中绕组更容易制造，并且成本更低。使用可动态配置的同步电机，可以调整极数以提供更好的系统性能。例如，在非常低的速度下，可以使用高极数配置来增加绕组电流的频率，这可以使参数识别和/或无传感器控制更容易。当需要的转矩非常高时，可以采用接近方波电流和磁场的高极数配置，因此与现有技术相比，可以显著减小电机的尺寸。在高速运行时，可以选择具有更接近正弦波形的电流和磁场的低极数配置，绕组电流中的谐波含量和气隙中的磁场可以通过控制可逆磁极中的励磁电流幅值来减小，如如图7B所示，因此可以实现高效率。请注意，定子极数(定子中电流和磁铁在气隙中产生的磁场的极数)的变化应与转子极数(这是转子中电流和磁体在气隙中产生的磁场的极数)的变化同步，并且最好定子和转子中的极变过渡应该协调和同步，以便在过渡期间使输出转矩遵循所需的模式以避免对系统用户造成重大干扰。如前所述，可以使用具有适当励磁电流控制的多谐波磁场定向(FoC)控制来实现动态配置技术，该技术可以有利地用于提高系统效率，同时减小系统的尺寸、重量和成本。由于多谐波磁场定向(FoC)控制协调了不同频率下的转矩生成，它还可用于减少机械转矩的波动，从而改善电机和电机驱动系统的噪声和振动性能。

上面的讨论基于带有励磁绕组的同步电机。这仅仅是一个例子。上面讨论的技术也可以应用于其他类型的电动机和发电机。例如，在无刷直流电机中，动态配置可用于在多个选定的谐波处产生转矩，以在某些运行模式下输出高转矩，并在某些运行模式下减少一个或多个不需要的高阶磁通以减少功率损耗和机械振动，从而在某些运行模式下提高效率和/或转矩波动，同时在需要时增加功率/转矩密度。多谐波控制中期望的谐波注入取决于永磁体的特性、尺寸、形状和位置，可以通过分析、模拟、计算、测试及其任意组合等多种方法获得。

尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但是应当理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变、替换和变更。

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 (11)

1.一种动态配置装置，其特征在于，包括：

通过气隙磁耦合到定子的转子；

多个相绕组被配置为耦合到多个逆变器并产生第一磁场，其中所述第一磁场的极数被配置为通过配置所述多个逆变器来控制所述多个相绕组中的电流来动态调节；和

多个磁极，包括一组不变磁极和一组可逆磁极，并被配置为在气隙中产生第二磁场，其中：

不变磁极的极性在运行中是固定的，并且

每个可逆磁极的极性被配置为在一个运行模式期间改变，并且在极性改变之后，该可逆磁极和至少一个相邻的未改变的磁极效果上合并为一个增强极，以改变所述第二磁场的极数。

2.根据权利要求1所述的装置，其中：

每个可逆磁极包括极靴、极体和围绕极体的励磁绕组，其中该可逆磁极设置为当其励磁绕组中的电流方向反转时改变极性，且该组可逆磁极的所有励磁绕组被配置用于为使得这些可逆磁极的极性同时改变。

3.根据权利要求2所述的装置，其中：

所述可逆磁极之一的励磁绕组中的电流幅值被配置为可以改变以增加所述第二磁场的阶梯数以调整其谐波含量。

4.根据权利要求2所述的装置，其中：

所述励磁绕组的电流被配置为在变极过渡期间与相绕组中的电流的调节同步地以平滑的方式变化，使得由所述转子产生的机械转矩遵循期望的模式。

5.根据权利要求2所述的装置，其中：

其中所述不变的磁极组之一是用永磁体实现的。

6.一种电气系统，包括：

具有多个相绕组、转子、气隙以及通过该气隙磁耦合到所述转子的定子的电机，其中；

所述多个相绕组被配置为在所述气隙中产生第一磁场，其极数被配置为通过控制所述多个相绕组中的电流动态可调；和

多个面向气隙并被配置为在该气隙中产生第二磁场的磁极，包括：

一组不变磁极，其中每个不变磁极具有固定的极性；和

一组可逆磁极，每个可逆磁极具有围绕其极体的励磁绕组，其中每个可逆磁极的极性被配置为在一个运行模式期间改变，并且在极性改变之后，该可逆磁极和至少一个相邻的不变磁极效果上合并为一个增强磁极，因此改变所述第二磁场的极数；

耦合到所述多个相绕组的多个功率逆变器，其被配置为控制所述多个相绕组的电流，使得所述第一磁场的极数在所述运行模式期间被动态地调整；和

耦合到所述可逆磁极组的励磁电流调节器，配置为在所述运行模式下改变所述励磁绕组的电流方向，使得所述可逆磁极组的极性与所述第一磁场的极数调整同步改变。

7.根据权利要求6所述的系统，其中：

所述多个功率逆变器包括dq坐标系的多谐波电流调节器；和

多谐波磁场定向控制机构，用于控制多谐波平面的转矩产生。

8.根据权利要求7所述的系统，其中：

所述励磁电流调节器包括多个功率变换器，配置成在换极过渡期间与多谐波电流控制中的极数调整同步地平滑地改变励磁绕组中的电流，使得电机的输出转矩恒定或在极变过渡期间遵循所需的模式。

9.一种动态配置装置，包括：

面向气隙并被配置为在该气隙中产生第一磁场的多个磁极，其中多个磁极包括一组不变磁极和一组可逆磁极，并且其中每个可逆磁极的极性被配置为在一个运行模式中改变，且改变极性后，该可逆磁极和相邻的至少一个不变磁极效果上合并为一个增强磁极，以改变第一磁场的极数。

10.根据权利要求9所述的装置，还包括：

励磁绕组缠绕在每个可逆磁极的磁体上，其中所述可逆磁极组的励磁绕组耦合到多个电源引线，使得该组可逆磁极中的所有磁极的极性同时改变。

11.根据权利要求9所述的装置，其中：

所述多个磁极被配置为磁耦合到多个相绕组，并且其中所述多个相绕组被配置为导通电流以在所述气隙中产生第二磁场，其中，所述第二磁场的极数被配置为与所述第一磁场的极数变化同步变化。