机电能量转换系统技术方案

示例性功率系统可包括具有多套定子绕组的电机，每套绕组通过单独开关矩阵耦合到公共电压总线，并且其每一个可围绕定子全节距地空间排列以使定子通量谐波显著减小。减小的定子磁通谐波可与相电流谐波含量相关联。在一示例应用中，这些电力系统可在发电模式中运行以将机械能转换成直流电压总线上的电能。在一些说明性实施例中，电力系统可提供例如适于机载（例如船舶、航空、牵引）电力系统的大功率且高速的（例如８０００转每分钟下１ＭＷ或更高）马达驱动和／或发电能力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
各个实施例与马达驱动和/或发电系统有关。 一些示例性实施例可例如用 在能够进行高速和/或大功率运行的机载应用。扭旦 冃尔一些电力系统可将机械能转换成电能和/或将电能转换成机械能。例如， 发电系统可包括原动机和诸如电机之类的可将机械能转换成电能的机电元件。 类似地，马达驱动系统可包括耦合到电机的机械负载。这些系统通常包括用以 处理电能(例如通过将AC (交流电)转换成DC (直流)或反之亦可)的无源 或有源控制的电力电子器件。此外，这些系统可将变压器用于隔离配电网的不 同部分或者用于匹配配电网的不同部分中的电压电平。概述示例性电力系统可包括具有多套定子绕组的电机，每套绕组通过单独开关矩阵耦合到公共电压总线，并且其每一个可全节距地绕定子空间排列以使定子 磁通谐波显著减小。减小的定子磁通谐波可与相电流谐波含量相关联。在一示 例应用中，这些电力系统可在发电模式中运行以将机械能转换成直流电压总线 上的电能。在一些说明性实施例中，电力系统可提供例如适于机载(例如船舶、航空、牵引)电力系统的大功率且高速(例如8000转每分钟下为1MW或更 高)的马达驱动和/或发电能力。在各个实施例中，电机中的定子绕组可以连接以显著减小或消除来自电力 电子设备的时间一谐波电流的影响，包括谐波次数，谐波次数是相位绕组的套 数(N)、每组绕组中的相位数(M)、以及电力一电子转换器中的器件的开 关频率的函数。对于机器中的给定定子绕组配置，气隙磁通谐波可被减小以供 例如发电运行。这些实施例虽然增加了机器定子的成本和复杂性，但是在系统 的整体成本降低并对整个系统性能改进的情况下降低驱动的成本。在一些发电示例中，来自每套M-相绕组的交流电压由相应的开关矩阵整 流，开关矩阵可以例如是M-相无源桥式整流器或者具有可控开关元件的有源 控制的电力电子转换器。在发电模式的运行中，来自每个开关矩阵的经整流输 出信号可并联、串联或其组合地排列，用于连接到公共电压总线。在一些实施 例中，电机可以具有永磁转子，并且该机器可被配置成旋转电机或线性电机。某些实施例可提供一个或多个优点。例如， 一些实施例可包括诸如二极管 电桥之类的无源整流器，其可具有显著降低的功耗。由每个开关矩阵和每个绕 组处理的平均电流可被例如显著减小，这可进一步降低必需的器件额定功率。 此外， 一些实施例可提供经改进的跨多个器件的功耗分布。这些减小的额定功 率因素可例如使得能使用较低成本、更广泛可用的开关器件以及降低的热管理 成本(例如有效冷却、散热片等)。这些益处可进一步在设计、制造、组装以 及组件成本中获得显著节省。对于一些电力发电系统，简单的无源(例如不受控)低成本整流器可在一 些实现中使用以获得包括显著降低的成本、大小、重量以及更高的可靠性和效 率的优点。此外，显著降低的谐波磁通可通过降低可耦合到转子的谐波能量来 有利地降低电机转子中的功耗。在各个实施例中，交流机器模块布局和结构可 为类似或较低成本而简化高速大功率交流驱动设计，并且可例如通过降低冗余实现的成本来提供改进的可靠性。其它特征和优点将从描述和附图、以及权利要求书中变得显而易见。各个 实施例的详情在以下的附图和描述中被阐述。附图描述附图说明图1A-IB示出示例性功率级的示意性示图。图2示出在马达驱动模式中运行以向高速负载提供转矩的示例性功率级的示意性示图。图3示出电机中的定子绕组配置的示例性示图。图4示出示例性电压与电流波形的曲线图，以说明马达驱动模式的运行。 图5示出在发电模式中运行的示例性功率级的示意性表示。 图6示出示例性电压与电流波形的曲线图，以说明发电模式的运行。 图7A-7B示出气隙中的示例性磁通密度与线路电流的曲线图。 图8示出不同绕组配置的示例性轮毂损耗的曲线。 图9示出船舶电气化系统的示例性网络。图IO示出不同的无变压器电网拓扑的示例性电流波形的曲线图。 图11示出具有发电和马达驱动拓扑的示例性系统。示例性实施例的详细描述图1A-1B示出能将机械能转换成电能(例如大功率直流发电)或者将电 能转换成机械能(例如高速马达应用)的示例性系统。如图1A所示，系统100 包括一排多(N)个开关矩阵105a-105n、电机110以及电压总线115。开关矩 阵105a-105n各自可包括用于马达驱动的M相逆变器、和/或用于发电的M相 二极管电桥。开关矩阵105a-105n中的每一个分别包括端口 120a-120n，端口 120a-120n的每一个包括一组端子(未示出)以供连接到电机110上的N套相 应定子绕组。在一些实施例中，端口 120a-120n中的一个或多个可包括一个或 者多个端子，以供连接到与电机的一套绕组中的各绕组相关联的中性点(例如， 针对开A配置的绕组)。开关矩阵105a-105n中的每一个还分别包括端口 125a-125n中的一个，端口 125a-125n中的每一个包括一对端子，以供连接到7电压总线115。电机110包括具有N套绕组的定子(未示出)。例如，电机110可包括 线性电机。在另一示例中，电机110可包括旋转电机。在各种应用中，当系统 100作为发电机运行时，它可接收机械能并输出电能，和/或当它作为马达运行 时，它可接收电能并输出机械能。在各个实施例中，电机110上的N套绕组各自相互相移，以使在系统100 运行时多个定子电流谐波显著减小。显著降低的谐波数目是M (每套绕组的相 数)以及N (绕组的套数)的函数。在一些示例中(例如具有两个绕组层)，对特定定子配置可能存在的多相 (M)绕组套数(N)可如下地计算N二定子槽数/(M，即磁极数)基于绕组的套数(例如每一磁极的线圈数目)，不同实施例可能显著降低 或者去除谐波。在一实施例中，可使用一48槽定子，作为示例而非限制N二2 或者N二4。各示例每一磁极可具有不同数目的线圈、绕组层、相数以及定子槽 等等。对于三相(1V^3)系统，应变于绕组套数(N)的未被显著降低或者去除 的第一谐波分量可以是(6N+/-1)。作为相数(M)和绕组套数(N)的函数 的相移为pi/(M*N)。N套绕组的每一个与端口 120a- 120n中的相应一个连接。在电机110内， 每一套绕组与其它绕组电绝缘。在马达驱动时，能量分别通过相应的开关矩阵 105a-105n从电压总线115递送到各套绕组n。在发电时，能量分别从各套绕 组通过相应的开关矩阵105a-105n供应给电压总线115。在各个实施例中，总线115上的电压实质上可能是单极的。电压总线115 包括连接到各端口 125a- 125n的正端子的正电轨(例如节点)，还包括连接 到各端口 125a- 125n上的负端子的负电轨(例如节点)。电压总线115从开 关矩阵105a-105n接收直流电压。在一些实现中，开关矩阵105a-105n可使电 压总线115上的单极电压反向。例如，开关矩阵105a-105n中的每一个可使用 M-相逆变器使电压反向。在某些实现中，开关矩阵105a-105n使用反向电压来提供交流波形，以驱 动电机110中各个相应M相绕组。开关矩阵105a-105n可例如被调整以提供例如受控电流、电压、转矩、速度和/或者位置。在一些示例中，开关矩阵中的开 关可在提供给电机的电子基频下或该电子基频附近本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能量处理系统，其包括：　电机，所述电机包括：　定子，其多个绕组位置基本均匀地分布在所述定子的表面上；以及　多个导体，所述多个导体形成为基本对称地排列在多个绕组位置中并且连接的多个线圈以形成多套（Ｎ）多（Ｍ）相绕组，其中 对于所述绕组中的每一个，所述线圈各自跨越单个极以形成全节距绕组，并且其中所述Ｎ套绕组各自相互显著偏移以便于显著减小运行期间在第一频率范围内的磁磁通的谐波含量；以及　处理级，所述处理级包括与Ｎ套绕组的每一个相对应的Ｎ个基本独立的模块，所 述Ｎ个模块各自具有用于连接到所述相应Ｍ个绕组的每一个的Ｍ个输入端、并且具有第一和第二输出端，其中所述Ｎ个模块的每一个的所述第一和第二输出端可连接到电压总线的第一节点和第二节点。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：DM萨班，RH艾哈迈德，Z潘，
申请(专利权)人：直接传动系统股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]