电动机/发电机系统及容错控制方法技术方案

一种方法包括：提供一台电动机/发电机，其包括多个绕组，一个转子和与其磁耦合的一个定子，其中所述多个绕组被配置为使得所述电动机/发电机的极数和一对极里的相数可以动态地重新配置，并耦合多个功率变换器到所述多个绕组，其中所述功率变换器被配置为控制所述绕组中的电流，并且在所述电动机/发电机的一个绕组或所述多个功率变换器之一发生故障之后，配置所述多个功率变换器，使所述电动机/发电机保持连续运行。

Motor / generator system and fault tolerant control method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电动机/发电机系统及容错控制方法相关申请本申请要求于2018年8月29日提交的标题为“Motor/GeneratorSystemandFaultTolerantControlMethod”的美国非临时专利申请第16/116,005的权益及于2017年8月30日提交的标题为“PowerConverterandControlTechniquesforDynamicallyReconfigurableMotorandGeneratorSystems”的美国临时专利申请第62/552,012的权益，该申请通过引用的方式并入本文。
本专利技术涉及一种电动机和/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。
技术介绍
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。本专利技术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。下面将以感应电动机为例说明本专利技术的创新之处。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。下面将以转子位于定子内部的感应电动机为例说明本专利技术的创新之处。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，以极对的形式排列。鼠笼式感应电动机的转子由转轴和鼠笼绕组组成，鼠笼由固定在磁结构(例如：层压硅钢片)上的金属条组成。金属条环绕在转轴周围。金属条的一端用一个连接环短接，另一端用另一个连接环短接。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，在电动机模式下，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，而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排列方式。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取决于电源的频率和感应电动机的极数，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，越来越多的电动机和发电机(统称为电机)与电力电子设备组合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和发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议题，越来越多的电机被用于驱动电动汽车。这些电机需要能在较广的转速和功率范围内高效地运行。然而，传统电机无法满足该类应用的性能和成本要求。已经有人提出动态调整电机的极数和/或相数，从而更加自由地优化电机的性能，特别是提高电机和驱动系统的效率。可以通过控制绕组中的电流，特别是可以通过改变相邻绕组之间的相位关系，来改变电机的极数和/或一个极对的相数。然而，如何控制电机并实现极数和/或相数的动态调整仍然是一个重大挑战。最好有一种高性能的电机系统，该系统具有先进的控制技术和优异的特性，例如：在各种速度和功率范围内以低成本高效运行。
技术实现思路
本专利技术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，通常可以解决或规避上述和其它问题，并实现了技术优势。根据一个实施例，一种方法包括：提供一台电动机/发电机，其包括多个绕组，一个转子和与其磁耦合的一个定子，其中所述多个绕组被配置为使得所述电动机/发电机的极数和一对极里的相数可以动态地重新配置，并耦合多个功率变换器到所述多个绕组，其中所述功率变换器被配置为控制所述绕组中的电流，并且在所述电动机/发电机的一个绕组或所述多个功率变换器之一发生故障之后，配置所述多个功率变换器，使所述电动机/发电机保持连续运行。根据另一个实施例，一种系统包括：一台电机，其具有多个绕组，一个转子和与其磁耦合的一个定子，其中所述多个绕组均匀地放置在所述电机中；多个功率变换器，其连接到相应的绕组上，所述多个功率变换器被配置为控制所述多个绕组的电流，从而可以通过调节流过所述多个绕组的电流来动态地调整所述电机的极数；以及一个控制器，被配置为检测所述机器中的故障，并配置所述多个功率变换器以保持连续运行。根据又一个实施例，一种方法，包括：提供一台电机，其包括多个绕组，一个转子和与其磁耦合的一个定子，并将多个功率变换器耦合到所述多个绕组，再配置多个功率变换器，以便根据多个运行参数在低应力运行模式下调整所述电机的极数，并且在所述电机发生故障之后，配置所述多个功率变换器，使得所述电机进入容错运行模式。本专利技术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专利技术的特征和技术优点，以便于可以更好地理解下述本专利技术的详细内容。下文将描述本专利技术的附加特征和优点，其构成本专利技术权利要求的主题。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专利技术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专利技术的精神和范围。附图说明为了更全面地理解本专利技术及其优点，现参考以下描述及相关附图，其中：图1显示了根据本专利技术各个实施例的一种电机系统的示意图；图2显示了根据本专利技术各个实施例的图1所示的电机系统的简化截面图；图3显示了根据本专利技术各个实施例的图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显示了根据本专利技术各个实施例的沿图1所示直线A-A’剖切定子槽所形成的横截面图；图5显示了根据本专利技术各个实施例的一种可重配置电机系统的框图；图6显示了根据本专利技术各个实施例的适用于图5所示系统的一种功率变换器的原理图；图7显示了根据本专利技术各个实施例的另一种可重配置电机系统的框图；图8显示了根据本专利技术各个实施例的另一种可重配置电机系统的框图；图9显示了根据本专利技术各个实施例的另一种可重配置电机系统的框图；图10显示了根据本专利技术各个实施例的另一种可重配置电机系统的框图；图11显示了根据本专利技术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12显示了根据本专利技术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13本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种方法，包括：/n提供一台电动机/发电机，其包括多个绕组，一个转子和与其磁耦合的一个定子，其中所述多个绕组被配置为使得所述电动机/发电机的极数和一对极里的相数可以动态地重新配置；/n耦合多个功率变换器到所述多个绕组，所述功率变换器配置为控制所述绕组中的电流；及/n在所述电动机/发电机的一个绕组或所述多个功率变换器之一发生故障之后，配置所述多个功率变换器，使所述电动机/发电机保持连续运行。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170830 US 62/552,0121.一种方法，包括：
提供一台电动机/发电机，其包括多个绕组，一个转子和与其磁耦合的一个定子，其中所述多个绕组被配置为使得所述电动机/发电机的极数和一对极里的相数可以动态地重新配置；
耦合多个功率变换器到所述多个绕组，所述功率变换器配置为控制所述绕组中的电流；及
在所述电动机/发电机的一个绕组或所述多个功率变换器之一发生故障之后，配置所述多个功率变换器，使所述电动机/发电机保持连续运行。


2.如权利要求1所述的方法，还包括：通过改变相邻绕组中的电流之间的相位关系来动态地配置所述电动机/发电机。


3.如权利要求1所述的的方法，其中：
所述多个绕组分为第一组绕组和第二组绕组，其中所述第一组绕组间隔均匀地放置在所述电动机/发电机机的偶数号槽中，所述第二组绕组间隔均匀地放置在所述电动机/发电机的奇数号槽中，并且所述多个功率变换器分为第一组功率变换器和第二组功率变换器，所述第一组功率变换器连接到所述第一组绕组，所述第二组功率变换器连接到所述第二组功率绕组，并且在一组功率变换器或与其相连的一个绕组发生故障后，通过禁用该组功率变换器使所述电动机/发电机以减相模式运行。


4.如权利要求1所述的方法，还包括：通过一个控制器在所述多个功率变换器的每个绕组电流的参考值上加添一个负序分量，以在所述故障发生之后维持连续运行。


5.如权利要求1所述的方法，其中：
所述多个功率变换器和所述多个绕组安排成多个组，并且其中一组中，该组的各绕组被连接到一个连接导条，该组的功率变换器耦合到一个电源；及
在所述电源和所述连接导条之间耦合一个阻抗网络，其被配置为在所述故障发生后导通电流。


6.如权利要求5所述的方法，还包括：在所述故障发生之后，通过向所述组中每个绕组的电流添加一个负序分量和一个零序分量，来调整所述功率变换器的电流参考值。


7.如权利要求5所述的方法，其中：所述阻抗网络包括一个连接在所述电源与所述连接导条之间的一个阻抗功率变换器和一个电感。


8.如权利要求5所述的方法，还包括：配置所述功率变换器，使得所述阻抗网络导通的电流等于一个故障相没有故障的话所应导通的电流。


9.如权利要求1所述的方法，还包括：控制所述多个功率变换器调节流经所述多个绕组的电流，以便动态地调整所述电动机/发电机的相数。


10.一种系统，包括：
一台电机，其具有多个绕组，一个转子和与其磁耦合的一个定子，其中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛恒春，贾学忠，
申请(专利权)人：鲲腾科技公司，
类型：发明
国别省市：美国;US