专利名称：高速自级联电机的利记博彩app
技术领域：
本发明的实施例大体涉及高速电机，并且更具体而言，涉及具有高转矩密度、高效率和低成本的高速自级联电机。
背景技术：
对于各种各样的应用而言，特别是对于混合和/或电动车辆牵引应用而言，长久以来普遍存在对高功率密度且高效率的电机(即电动马达和发电机)的需要。由于能量供应和环境原因，生产既非常高效又可靠且对于普通消费者而言价格合理的混合-电动和/ 或电动车辆的动机已经增加。但是，对于混合-电动和电动车辆可用的驱动马达技术一般成本极高，从而降低了消费者购买力或厂商收益性中的一个(或两者)。大多数可商业获得的混合-电动和电动车辆依赖于用于牵引应用的内部永磁体 (IPM)电机，因为已经发现IPM电机在宽的速度范围上具有高的功率密度和高的效率，而且也容易封装在前轮驱动的车辆中。但是，为了获得这种高的功率密度，IPM电机必须使用昂贵的烧结的高能积磁体。此外，IPM电机以高速(例如14000rpm)运行，以获得最佳功率密度，并且此高速运行会导致高的反电磁场(EMF)。这种高的反EMF需要使用高电压逆变器装置，这会导致进一步增加总的系统成本。IPM电机还包括复杂的转子和定子结构，它们对高速运行敏感，从而增加了它们的制造的复杂性和成本。制造和维护IPM电机的高成本已经限制了混合-电动和电动车辆的商业化与电动驱动马达技术的普遍采用两者。在解决对更成本高效且低维护的混合-电动和电动技术的需要时，已经作出很多努力来开发新的电池和逆变器技术。但是，如上面所证明的那样，在混合-电动和电动驱动技术在商业上变得完全可行之前，仍然存在对改进的且成本有效的驱动马达技术的很大的需要。因此，提供具有高转矩密度、高效率和相对较低的成本的高速自级联电机将是合乎需要的。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种电机，该电机包括第一能量源、第二能量源和定子，其中，定子包括联接到第一能量源上的第一组绕组和联接到第二能量源上的第二组绕组。该电机进一步包括转子和联接到第一能量源和第二能量源上的控制器，其中，控制器配置成控制第一能量源将第一电流供应给第一组绕组以及控制第二能量源将第二电流供应给第二组绕组。控制器还配置成检测转子的角位置，检测在第一组绕组上的第一电流，检测在第二组绕组上的第二电流，以及基于转子的角位置、检测的第一电流和检测的第二电流来确定第一电流的最佳相移角。控制器基于最佳相移角来控制第一能量源，以修改供应给第一组绕组的第一电流。根据本发明的另一方面，公开了一种用于激励具有多个绕组的电机的方法，该方法包括检测在第一组定子绕组上的第一电流，第一电流通过逆变器供应给第一组定子绕组；检测在第二组定子绕组上的第二电流；以及检测转子的角位置。该方法还包括基于第一组定子绕组的检测的第一电流、第二组定子绕组的检测的第二电流和转子的检测的角位置来确定第一电流的最佳相移角，以及基于确定的最佳相移角来修改第一电流的相移角， 从而使得逆变器的第一电流将具有最佳相移角的第一电流供应给第一组定子绕组，以在转子上产生最佳转矩产出。根据本发明的另一方面，公开了一种马达驱动控制器，其用于对逆变器应用电流命令，以控制在电机中的电流和终端电压。该马达驱动控制器配置成检测转子的角位置，检测在定子的第一组绕组上的第一电流，以及检测在定子的第二组绕组上的第二电流。该马达驱动控制器进一步配置成确定第一电流的最佳相移角，该最佳相移角是以转子的检测的角位置、在第一组绕组上的检测的第一电流和在第二组绕组上的检测的第二电流为基础的；以及基于确定的最佳相移角来产生最佳相移角需求。该马达驱动控制器将最佳相移角需求输入给联接到第一组绕组上的逆变器，其中，逆变器配置成修改在第一组绕组上的第一电流，从而获得在定子和转子之间的气隙中的最佳合磁通势(MMF)。根据以下详细描述和附图，各种其它特征和优点将变成显而易见的。
附图示出了当前构想来用于执行本发明的实施例。在附图中
图1示出了根据本发明的一个实施例的定子绕组分布。图2示出了以图1所示的定子绕组分布为基础的第一定子绕组MMF、第二定子绕组 MMF 和合 MMF。图3是显示了根据本发明的一个实施例的自级联电机的示意图。图4是显示了根据本发明的一个实施例的、确定最佳相移角的方法的流程图。
具体实施例方式显示了一种用来提供用于在各种各样的应用(包括电动和混合-电动车辆牵引应用)中使用的高转矩密度、高效率且相对低的成本的电机的系统。虽然已经使用许多类型的电机来用于驱动马达和发电应用两者，但是用于高速应用的选择(例如电动和混合-电动车辆牵引应用)典型地受到成本和/或性能约束的限制。 如前面提到的那样，许多电动和混合-电动车辆使用内部永磁体(IPM)电机，它们不仅生产成本很高，而且在高速下会有机械故障的风险。但是本发明的实施例结合了自级联电机，它能够进行高速运行，而不会有之前在该行业中发现的成本或性能约束。根据本发明的实施例的自级联电机包括具有两组绕组的定子和不具有绕组的铁磁转子，其中，通过磁阻在转子上产生转矩。第一组绕组具有第一极数P1，而第二组绕组具有少于第一极数Pl的第二极数P2。另一方面，转子具有P3极的凸极，其中
P3=(P1 - P2)/2(公式 1)
通过这样构造凸极的数量P3，转子可具有较少数量的极，而定子可具有较多数量的极。 如将在本文中更详细地阐述的那样，在定子和转子之间的这种极数差允许显著地减少定子护铁，这继而降低了电机的总体积和重量。节省电机的体积和重量在具有紧封装约束的应用(例如电动和混合-电动牵引应用)中特别有用。直到现在，高速自级联电机的发展已经受到具有宽速度范围的电机中明显的不稳定问题的阻碍。这种不稳定主要可归因于在定子绕组的极和转子的极之间的相互作用一在很大程度上取决于相应的极的数量的相互作用。因此，存在应当避免的极数的特定组合，以便消除不稳定和改进电机性能。例如，已经发现特别有问题的相应的定子绕组的极数的一种组合是
P2=2(公式 2)
以及
Pl彡P2+4(公式3)
如果P2=2，则显而易见的是，基于公式3，P1将等于6。在高速自级联电机中，具有极数 Pl的第一组绕组大体用作AC绕组(其接收AC电流)，而具有极数P2的第二组绕组用作DC 绕组(其接收DC电流)。因此，在本实例中，6极绕组是AC绕组，其中，6极绕组被2极DC 绕组调制，以产生具有主导4极分量的合磁通势(MMF)。基于上面的公式1，转子将为4极转子，并且该4极转子与定子的主导4极分量相互作用。虽然在转子的极和定子的极之间的这种相互作用将在转子上产生转矩，但是在中等至大型负荷下，2极DC绕组容易由于较大的极距的原因而失去对称，并且这样失去对称会导致对AC信号的不对称调制。这种不对称调制可显著地降低在定子和转子之间的气隙中的合MMF，这继而导致会降低所产生的转子转矩，导致失去同步，以及导致不稳定。为了最小化这种不稳定和降低的转矩，本发明的实施例依赖于若干个限制来选择极数Pl和P2，以使得能够开发在宽的速度范围上可运行的高效的自级联电机。这些限制由以下公式表示
Pl Φ Ρ2，(公式 4)
Pl 彡 Ρ2+8,(公式 5)
Ρ2彡4，(公式6)
Pl彡12，(公式7)
以及，
(PI -P2)/2 ^ (η+2),(公式 8)
其中，η=2，4，6，8，…。通过遵守上面关于公式4-公式8所表示的极数限制，可避免通过使用根据公式2和公式3的极数所产生的不稳定和降低的转子转矩，从而增强本发明的高速自级联电机的性能。图1示出了根据本发明的一个实施例的定子绕组分布。在图1中未示出定子的传统框架和磁性材料。定子绕组102是12极绕组(Pl=12)，其可用作AC绕组。12极绕组的每相每级槽数(S/P/P)等于2，其中，槽106的总数为72 (但是可使用更多或更少的槽106)。 虽然图1显示了一共仅36个槽106，但是将理解，绕组分布是对称的，并且因此出于简要说明的原因，显示了 72个槽106中的仅36个。另一方面，定子绕组104为具有为6的S/P/P 的4极绕组(Ρ2=4)，并且其用作DC绕组。虽然未在图1中示出，但是将理解，定子绕组102 和定子绕组104各自接收独立地供应给各个相应的定子绕组的功率。使用如图1所示的定子绕组构造(其中定子绕组102为AC绕组且定子绕组104 为DC绕组)，当没有对转子轴施加负荷时，在定子绕组102上的AC电流相对于在定子绕组104上的DC电流具有180电角度的相移。图2示出了在这种“无负荷”条件下在给定的时间瞬间的绕组102和绕组104两者的绕组MMF的图形表示。曲线图202表示定子绕组102 的MMF波形，该定子绕组102为12极AC绕组。方波形204显示了定子绕组102的理想MMF 波形，而波形206表示定子绕组102在无负荷时的基本(或实际)MMF波形。类似地，曲线图208表示定子绕组104的MMF波形，定子绕组104为4极DC绕组。在此实例中，方波形 210是DC绕组的理想MMF波形，而波形212是定子绕组104的基本MMF波形。因为同时对AC绕组(定子绕组102)和DC绕组(定子绕组104)两者提供功率， 所以在定子和转子之间的气隙中的总MMF分配对应于由定子绕组102和定子绕组104产生的MMF的和。图2的曲线图214示出了此合气隙MMF，其中，波形216表示在无负荷时的合气隙MMF。在无负荷时，曲线图214显示的强的合4极MMF与转子极相互作用而产生高的轴转矩。虽然图2显示了在无负荷时在转子上产生高的轴转矩的强的合MMF，但是当对转子轴施加负荷时，AC电流(对应于在定子绕组102上的电流)相对于DC电流(对应于在定子绕组104上的电流)的180电角度相移将不足以在气隙中产生强的合MMF。因此，重要的是AC电流的相移角可调，以便在变化的负荷处保持强的合气隙MMF，以便最大化高速自级联电机的性能且保证其稳定。现在参照图3，显示了系统300，其中，系统300配置成优化高速自级联电机的性能和稳定性。系统300包括定子302和凸极转子304。虽然在图3中转子304被显示为凸极转子，但是将理解，转子304可为任何适当的构造(例如圆的)。虽然未在图3中示出，但是将理解，定子302包括具有不同的极数的两组绕组，如上面关于图1和2所论述的那样。 第一 DC功率源306通过DC链路310为第一组定子绕组提供功率，而第二 DC功率源308通过DC链路312将DC电流输出给第二组定子绕组。DC链路310联接到逆变器314上，逆变器314将来自DC链路310的DC电流转换成AC电流。AC电流然后通过线路316从逆变器 314输出给第一组定子绕组。因此，第一组定子绕组是AC绕组，而第二组定子绕组是DC绕组。系统300还包括控制器318，其中控制器318配置成确保在给定的轴负荷下，在定子302和转子304之间的气隙中存在最佳合MMF。为此，控制器318通过线路320接收来自AC线路316的电流信号以及通过线路322接收来自DC线路312的电流信号。在AC线路316上的电流优选通过在三条AC线路316中的两条上的电流传感器317检测。还可使用一个或多个电流传感器317来检测在DC线路312上的电流。控制器316还通过线路3 联接到轴位置编码器3M上，其中，轴位置编码器3M配置成测量转子角位置。备选地，可通过定位在转子轴上的分解器来确定转子角位置。基于检测的AC电流、检测的DC电流和检测的转子角位置，控制器318确定了相对于DC电流的最佳AC电流相移角。最佳相移角选自存储在查询表中的多个最佳相移角分布图(profile)，该查询表优选存储在位于控制器318内的计算机可读存储介质上。在选择了给定AC电流、DC电流和转子角位置的最佳相移角之后，最佳相移角通过线路330从控制器 318传送给逆变器314。可包括超前/滞后电路的补偿电路3 顺列地位于控制器318和逆变器314之间，以便补偿任何变化的增益和时滞，这会稳定传送给逆变器314的信号。这样，逆变器314能够产生相对于DC电流具有确定的最佳相移角的AC电流，这继而导致在定子302和转子304之间的气隙中有最佳合MMF。在上面关于图3所描述的构造的情况下，系统300能够在持续变化的负荷和速度下在转子轴上提供最佳转矩产出，并且在宽的速度范围上保持自级联电机的稳定运行。因而，获得了具有高转矩密度、高效率和相对较低的成本的电机。为了确定存储在前面提到的查询表中的多个最佳相移角分布图，本发明的一个实施例涉及以变化的运行参数执行多个静态测量。图4阐述了在执行此最佳相移角确定时使用的方法400。在步骤402处，对自级联电机准备轴位置编码器、转矩换能器和静态负荷，其中，静态负荷能够产生系统的满额定转矩。接下来，在步骤404处，供给到DC绕组的DC电流固定在例如IOAmp(安培)处，而供应给AC绕组的电流以相等的增量(例如10的增量) 从IOAmp起开始变化，直到达到最大额定AC电流的100%为止。在步骤406处，在转子的零负荷角处，在AC电流和DC场电流之间的相移角为180电角度的情况下开始测量。此测量被看作基准“无负荷点”。接下来，在步骤408处，负荷角设置成5度，供应给AC绕组的电流设置成lOAmp， 供应给DC绕组的电流也设置成lOAmp，并且记录转矩。在步骤410处，AC电流相对于DC电流的相移则以10度的增量变化，在各个10度增量处记录转矩。在步骤412处，对各个相移角重复此过程，直到确定最大转矩为止。一旦根据这些静态测量确定了最大转矩，则在步骤 414处将最佳相移角、负荷角、DC电流和AC电流记录在查询表中。这些值表示查询表中的点，查询表表示最佳相移角分布图，需要该最佳相移角分布图来实现在给定负荷角以及给定DC和AC电流处的最高转矩。在针对给定的负荷角和给定的DC和AC电流确定最佳相移角分布图之后，在步骤416处选择了不同的负荷角和不同的AC电流一 DC电流组合，并且重复上面关于步骤 410-414所阐述的过程，直到确定了所有最佳相移角且将它们存储在查询表中为止。虽然使用了多个初始静态测量来完成最佳相移角的以上确定，但是还预想到，还可使用对于给定的负荷角、AC电流和DC电流的最佳相移角的有限元分析或自动确定。通过使用本发明的上述实施例，可实现高转矩密度、高效率和低成本的电机。另外，系统的无源转子(其缺少转子绕组)构造简单，并且对高速(例如IOOOOrpm)环境不敏感，这在电动和混合-电动车辆应用中特别重要。此外，电机的同步磁阻运行消除了对电刷和/或滑环的需要，电刷和/或滑环通常会在许多电机中带来可靠性问题。而且，如前面所提到的那样，定子绕组的高极数允许显著地减少定子护铁，这会降低自级联电机的总体积和重量，从而使自级联电机更适于需要紧封装情形的应用(例如电动和混合-电动牵引应用)。所公开的方法和设备的技术贡献在于，其提供了用于控制高速自级联电机的计算机实现的技术，以便提供具有高转矩密度、高效率和低成本的电机。因此，根据本发明的一个实施例，提供了一种电机，该电机包括第一能量源、第二能量源和定子，其中，定子包括联接到第一能量源上的第一组绕组和联接到第二能量源上的第二组绕组。该电机进一步包括转子和联接到第一能量源和第二能量源上的控制器，其中，该控制器配置成控制第一能量源将第一电流供应给第一组绕组以及控制第二能量源将第二电流供应给第二组绕组。该控制器还配置成检测转子的角位置，检测在第一组绕组上的第一电流，检测在第二组绕组上的第二电流，以及基于转子的角位置、检测的第一电流和检测的第二电流来确定第一电流的最佳相移角。该控制器基于最佳相移角来控制第一能量源，以修改供应给第一组绕组的第一电流。根据本发明的另一个实施例，公开了一种用于激励具有多个绕组的电机的方法， 该方法包括检测在第一组定子绕组上的第一电流，该第一电流通过逆变器供应给该第一组定子绕组；检测在第二组定子绕组上的第二电流；以及检测转子的角位置。该方法还包括基于第一组定子绕组的检测的第一电流、第二组定子绕组的检测的第二电流和转子的检测的角位置来确定第一电流的最佳相移角，以及基于确定的最佳相移角来修改第一电流的相移角，从而使得逆变器的第一电流将具有最佳相移角的第一电流供应给第一组定子绕组， 以在转子上产生最佳转矩产出。根据本发明的又一个实施例，公开了一种马达驱动控制器，其用于对逆变器应用电流命令，以控制电机中的电流和终端电压。该马达驱动控制器配置成检测转子的角位置， 检测在定子的第一组绕组上的第一电流，以及检测在定子的第二组绕组上的第二电流。该马达驱动控制器进一步配置成确定第一电流的最佳相移角，该最佳相移角是以转子的检测的角位置、在第一组绕组上的检测的第一电流和在第二组绕组上的检测的第二电流为基础的；以及基于确定的最佳相移角来产生最佳相移角需求。该马达驱动控制器将最佳相移角需求输入给联接到第一组绕组上的逆变器，其中，逆变器配置成修改在第一组绕组上的第一电流，从而获得在定子和转子之间的气隙中的最佳合磁通势(MMF)。本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，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。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求的字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种电机(300)，包括 第一能量源(306)； 第二能量源(308)；定子(302)，其中，所述定子(30 包括 联接到所述第一能量源(306)上的第一组绕组；和联接到所述第二能量源(306)上的第二组绕组； 转子(304)；控制器(318)，其联接到所述第一能量源和第二能量源(306，308)上，并且配置成控制所述第一能量源(306)将第一电流供应给所述第一组绕组；控制所述第二能量源(308)将第二电流供应给所述第二组绕组；检测所述转子的角位置；检测在所述第一组绕组上的所述第一电流；检测在所述第二组绕组上的所述第二电流；基于所述转子的角位置、检测的第一电流和检测的第二电流来确定所述第一电流的最佳相移角；以及基于所述最佳相移角来控制所述第一能量源(306)，以修改供应给所述第一组绕组的所述第一电流。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机进一步包括联接到所述控制器 (318)上的轴编码器(3M)，其中，所述轴编码器(324)配置成检测所述转子(304)的角位置。
3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述第一组绕组是AC场绕组，而所述第二组绕组是DC场绕组。
4.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述第一组绕组具有第一数量的极(Pl) 而所述第二组绕组具有第二数量的极(P2)，其中，所述第二数量的极(P》少于所述第一数量的极(Pl)。
5.根据权利要求4所述的电机，其特征在于，所述转子(304)包括无绕组的凸极，其中， 所述凸极(P； )通过以下公式来确定P3=(P1 - P2)/2。
6.根据权利要求4所述的电机，其特征在于 P2≥4 ；以及Pl ≥ 12。
7.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述电机进一步包括联接到所述第一组绕组上的逆变器(314)，所述逆变器(314)配置成将所述第一电流输送给所述第一组绕组。
8.根据权利要求7所述的电机，其特征在于，所述电机进一步包括联接在所述控制器 (318)和所述逆变器(314)之间的补偿电路(328)，其中，所述补偿电路(328)包括超前/ 滞后电路，所述超前/滞后电路配置成补偿在所述控制器(318)和所述逆变器(314)之间的信号的变化的增益和时滞。
9.根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述控制器(318)在其中包括计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质配置成在其上存储多个最佳相移角分布图。
10.根据权利要求9所述的电机，其特征在于，所述控制器(318)配置成基于所述转子 (304)的角位置、所述第一组绕组的检测的第一电流和所述第二组绕组的检测的第二电流来从所述多个最佳相移角分布图中选择最佳相移角分布图。
全文摘要
本发明涉及高速自级联电机。公开了一种电机，其包括第一能量源、第二能量源以及包括第一组绕组和第二组绕组的定子。该电机具有转子和控制器，控制器配置成控制第一能量源将第一电流供应给第一组绕组，以及控制第二能量源将第二电流供应给第二组绕组。控制器还检测转子的角位置，检测第一电流，检测第二电流，并且基于转子的角位置、第一电流和第二电流来确定第一电流的最佳相移角。该控制器基于该最佳相移角来控制第一能量源，以修改供应给第一组绕组的第一电流。
文档编号H02P6/08GK102263470SQ20111013978
公开日2011年11月30日 申请日期2011年5月27日 优先权日2010年5月28日
发明者M. F. 埃 - 雷费伊 A., M. 埃 - 安塔布伊 A., D. 金 R. 申请人:通用电气公司