多相电机系统和控制方法

本申请要求美国临时申请No.62/675619(2018年5月23日提交，标题为“Cost-effective Multi-phase Motor and Generator Systems”)的权益，通过引用将其申请结合于到本文中。

技术领域

本发明涉及电机和/或发电机系统，以及在特定实施例中涉及改进先进电机/发电机和驱动系统的设计、构造和控制的新技术。

背景技术

电机(电动机或发电机)是在电力与机械旋转运动之间转换能量的设备。存在不同类型的电机，包括感应电机、永磁体电机、开关磁阻电机、同步磁阻电机和混合电机。本发明中的各个实施例可适用于被配置为电动机或发电机的上述不同类型的电机。作为示例的感应电机用来示出本发明的新方面。感应电机包括定子和转子。定子是固定部件，而转子是旋转部件。转子可处于定子内部、定子外部或者如在轴向场机器中处于定子旁边。具有定子内部的转子的感应电机用作说明本发明的新方面的示例。一个小的气隙存在于转子与定子之间，以获得机械间隙和生成机械转矩。

鼠笼式感应电机是最常见的电机。鼠笼式感应电机的定子包括多个绕组。多个绕组通常由按照极对所布置的多个相带组成。鼠笼式感应电机的转子包括轴和鼠笼，该鼠笼由磁结构(层合硅钢叠层，即硅钢片)中包含的金属棒所制成。轴被金属棒所包围。金属棒的第一端通过第一互连环来连接。金属棒的第二端通过第二互连环来连接。

在运行中，电力通常被施加到定子。因此，在定子中并且在空气隙中创建了第一磁场。第一磁场在时间上以同步速度旋转，其中交流(ac)电力被施加到定子绕组。第一磁场在转子的金属棒中引起电流。感应电流在转子中产生第二磁场。转子的第二磁场对定子的第一磁场起反作用。按照楞次定律，转子跟随第一磁场旋转，并且生成使转子旋转的机械转矩。在电动机模式，转子将落后于第一磁场。第一磁场与转子之间的速度差保持在转子内部感应电流。如果负载被施加到转子并且转子进一步落后于第一磁场，则因转子与第一磁场之间的滞后而将形成更大转矩。换言之，电机的转矩与转子的速度和第一磁场的速度之间的滑差近似成比例。

感应电机中的转子的理论速度在传统上取决于电源的频率以及定子线圈中的极的布置。在电机上没有负荷的情况下，转子的速度等于或近似等于旋转磁场的同步速度。感应电机的同步速度通过电源的频率以及感应电机的极的数量来确定。特别是，感应电机的同步速度等于电源的频率乘以60并且进一步除以极对的数量，单位为每分钟转数(rpm)。

随着能量效率成为越来越重要的问题，更多电动机和发电机在变速应用(例如工业驱动器、电动车辆、柴油发电机组、伺服系统和风力发电)中耦合到功率电子设备。许多这些应用要求电动机和发电机在宽速度和功率范围内运行，而传统技术不能满足这类应用的性能和成本要求。需要能使电机在宽速度和功率范围高效地运行。已经提出动态调整极数和/或电机的相数，以提供更大的自由度优化电机的性能，特别是改进电机和驱动系统的效率。可通过控制绕组中的电流，特别是通过改变相邻绕组中的电流之间的相位关系，来改变机器中的极数和/或一对极中的相数。但是，如何节省成本地实现这种系统仍然是重大难题。特别是，具有电力输送子系统(该电力输送子系统包括保护装置和dc环节滤波电容器)的这种系统可具有显著功率损耗，并且在没有被正确设计时难以制造，以及具有大量电流检测装置的需要也可导致成本增加。

期望具有一种采用先进控制技术的高性能电机系统，所述先进控制技术对多种速度和功率范围以低成本呈现良好性能(例如高效率)。

发明内容

通过本发明的优选实施例可一般解决或避免这些及其他问题并且一般实现技术优点，本发明的优选实施例提供能够动态调整极数和/或相数的多相电机系统的节省成本实现方式。

按照实施例，一种方法包括：提供电机，该电机包括多个绕组、转子以及磁耦合到转子的定子；将多个功率转换器耦合到多个绕组；将多个功率转换器配置成运行在第一交错模式；控制多个功率转换器来动态调整电机的极数；以及在控制多个功率转换器来动态调整电机的极数的步骤之后，将多个功率转换器配置成离开第一交错模式而进入第二交错模式。在另一个实施例中，一种方法包括：提供电机，该电机包括多个绕组、转子以及磁耦合到转子的定子；耦合经由dc环节而耦合在电源与多个绕组之间的多个功率转换器；将多个功率转换器分为多个编组，其中功率转换器的第一编组被同步到第一同步信号，而功率转换器的第二编组被同步到第二同步信号，并且其中第一同步信号和第二同步信号以交错角来交错；以及将多个功率转换器配置成在第一运行模式期间运行在第一交错模式而在第二运行模式期间运行在第二交错模式，其中第一交错模式中的交错角与第二交错模式中的交错角是不同的。

按照另一个实施例，一种系统包括：电机，具有多个绕组、转子以及磁耦合到转子的定子，其中多个绕组配置成使得电机的极数是通过调整流经多个绕组的电流能够动态可调整的；多个功率转换器，连接到各自绕组，其中多个功率转换器和多个绕组被布置到多个对称编组中；以及多个电流检测装置，配置成检测流经电机的被检测绕组的电流，其中多个绕组的数量明显大于电流检测装置的数量，经由所述电流检测装置估计或观测多个绕组的电流。

按照又一个实施例，一种设备包括：汇流条，耦合在电源与功率转换器之间，其中功率转换器配置成驱动电机同，该电机包括多个绕组、转子、磁耦合到转子的定子，并且其中汇流条包括连接到电源的第一端子的第一平面、连接到功率转换器的第一端子的第二平面、耦合在电源的第二端子与功率转换器的第二端子之间的第三平面；保护装置，连接在第一平面与第二平面之间；以及低阻抗通路，耦合在第三位置与邻近于保护装置和第一或第二平面的接合点的点之间。

本发明的实施例的优点是用于能够动态调整极数和/或相数的可重新配置电机系统的节省成本装置和方法。

以上相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可更好地了解随后的本发明的详细描述。以下将描述形成本发明的权利要求书的主题的本发明的附加特征和优点。本领域的技术人员应当理解，所发明的概念和具体实施例可易于用作用于修改或设计执行本发明的相同目的的其他结构或过程的基础。本领域的技术人员还应当知道，这类等效构造没有背离如所附权利要求书所述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更全面了解本发明及其优点，现在参照以下结合附图的描述，附图包括：

图1示出按照本发明的各个实施例、具有电力输送系统(该电力输送系统包括汇流条)的电机驱动系统的框图；

图2示出按照本发明的各个实施例、图1所示汇流条的截面图；

图3示出按照本发明的各个实施例的汇流条的视图；

图4示出按照本发明的各个实施例的另一个汇流条的视图；

图5示出按照本发明的各个实施例的又一个汇流条的视图；

图6示出按照本发明的各个实施例的电机系统的透视图；

图7示出按照本发明的各个实施例、图6所示电机系统的简化视图；

图8示出按照本发明的各个实施例、图7所示电机系统的连接环和多个定子绕组的透视图；

图9示出按照本发明的各个实施例、定子槽周围的区域的截面图；

图10示出按照本发明的各个实施例的多相电机系统的框图；

图11示出按照本发明的各个实施例、适合于图9所示系统中使用的功率转换器的示意图；

图12示出按照本发明的各个实施例、具有多个绕组编组的多相电机系统的框图；

图13示出按照本发明的各个实施例、具有六个绕组的多相电机系统的示意图；

图14示出按照本发明的各个实施例、图13所示的具有六个绕组的电机系统的各种控制信号；

图15示出按照本发明的各个实施例、具有减少的相电流检测装置的多相系统的示意图；

图16示出按照本发明的各个实施例的多相系统的各种信号；以及

图17示出按照本发明的各个实施例、具有减少电流检测控制机制的控制系统的框图。

不同附图中的对应数字和标号一般表示对应部件，除非另加说明。绘制附图以清楚地示出各个实施例的相关方面，而不一定按比例绘制。

具体实施方式

下面详细论述当前优选实施例的制作和使用。但是应当理解，本发明提供了能够在大量广泛的不同场景中适用的具体发明概念。所述的具体实施例只是说明制作和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。

将在具体上下文(即，用于可重新配置电机系统的节省成本设备和方法)中针对优选实施例来描述本发明。存在不同类型的电机，包括感应电机、永磁体电机、开关磁阻电机、同步磁阻电机和混合电机。本发明中的各个实施例可适用于上述各种电机。但是，本发明也可适用于各种不同的电机和电机系统。下面将参照附图详细说明各个实施例。

图1示出按照本发明的各个实施例、具有电力输送系统(该电力输送系统包括汇流条)的电机驱动系统的框图。电机驱动系统150包括电源152、汇流条160、功率转换器156和电机设备158。如图1所示，电源152经由汇流条160来连接到功率转换器156的输入。功率转换器156的输出电耦合到电机设备158。

在一些实施例中，电源152实现为低电压电力系统(例如48V电池或12V电池)。功率转换器156是dc/ac转换器。dc/ac转换器用来把来自dc电源的dc电压转换为适合于驱动电机设备158的ac电压。电机设备158可实现为集成起动器/发电机(ISG)。能够采用不同方式来实现ISG，最常见地实现为BSG或皮带集成起动器/发电机。在一些实施例中，电机设备158包括多个绕组、转子以及磁耦合到转子的定子。

在一些实施例中，因为电源是低电压，所以用汇流条160来传导在电源152(例如电池)与dc/ac转换器之间流动的大电流。减少汇流条的阻抗以及汇流条所传导的任何纹波电流来降低对系统的扰动是有益处的。汇流条160包括第一部分151、第二部分153和第三部分155。保护设备154连接在第一部分151与第三部分155之间。在一些实施例中，保护设备154可实现为熔丝。在本描述中，保护设备154通篇也可被称作熔丝设备。如图1所示，第一部分151、保护设备154和第三部分155级联连接在电源152的第一端子与功率转换器156的第一输入之间。在优选实施例中，电源的第一端子是电源152的正极端子。在另一个优选实施例中，电源的第一端子是电源152的负极端子。为了描述简洁起见，第一部分151、保护设备154和第三部分155在以下论述中统称为汇流条160的正极引线。类似地，第二部分153连接在电源152的第二端子与功率转换器156的第二输入之间。第二部分153在以下论述中也可被称作汇流条160的负极引线。下面将针对图2-5来描述汇流条160的详细实现。应当注意，保护设备或装置可实现为熔丝、开关、断路器等。

应当注意，图1所示的简图只是示例，不应当不适当地限制权利要求书的范围。本领域的技术人员知道可以有许多变化、替代和修改。例如，保护设备154可包括分别放置在正母线和负母线中的两个部分。

图2示出按照本发明的各个实施例、图1所示汇流条的截面图。在一些实施例中，汇流条160的第一部分151、保护设备154和第三部分155实现为多层结构(例如印刷电路板(PCB)或汇流条组件)中的第一导电平面(例如金属层)。汇流条160的第二部分153实现为多层结构中的第二导电平面(例如金属层)。

如图2所示，汇流条160的第一部分151和汇流条160的第二部分153实现为通过介电层157所分隔的两个导电平面。特别是，第一部分151处于介电层157的第一侧上并且与其接触。第二部分153处于介电层的第二侧上并且与其接触。导电平面可由适当的金属(例如铜、铝等)来形成。导电平面的厚度大致在0.1mm至2mm的范围内。介电层157提供导电平面之间的电隔离，可以是薄绝缘板(例如卡普顿(Kapton)纸、隔离胶带、FR 4材料等)。

图3示出按照本发明的各个实施例的汇流条的视图。第一部分151是第一正平面。第二部分153是负平面。第三部分155是第二正平面。第一正平面、第二正平面和负平面由铜、铝或其他导电材料来形成。在本描述中，它们通篇也可被称作铜平面。如图3所示，第一正平面151的宽度基本上等于第二正平面155的宽度。负平面153的宽度基本上等于第一正平面151的宽度。

在一些实施例中，保护设备154是熔丝，并且可实现为窄金属条，该金属条连接在第一正平面151与第二正平面155之间。如图3所示，熔丝设备154的宽度比第一正平面151的宽度明显要窄。在形成第一正平面151和第二正平面155的过程期间，熔丝设备154可从同一金属平面(由其来制造第一正平面151和第二正平面155)切割或冲切而成。

为了在熔丝设备154被烧断之后降低电压扰动，可提供多个低阻抗通路，以用于传导流经汇流条160的电流。下面将针对图5来描述低阻抗通路的详细实现。

图4示出按照本发明的各个实施例的另一个汇流条的视图。图4所示的汇流条与图3所示相似，只不过保护设备154实现为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。如图4所示，MOSFET具有与第一正平面151相接触的第一漏区/源区以及与第二正平面155相接触的第二漏区/源区。在运行中，在流经汇流条160的电流大于预定阈值时，MOSFET关断。MOSFET或其他开关装置也可被控制成按照与熔丝或断路器相似的方式运行。

图5示出按照本发明的各个实施例的又一个汇流条的视图。如图5所示，第一电容器C1连接在第二正平面155与负平面153之间。二极管D1连接在第二正平面155与负平面153之间。二极管D1的阳极连接到负平面153。二极管D1的阴极连接到第二正平面155。第二电容器C2连接在第一正平面151与负平面153之间。请注意，C1和/或C2可以是沿汇流条形成的集成电容器或者分立电容器。例如，可通过将适当的介电材料(例如层157)放置在正平面151和/或155与负平面153之间，来实现集成电容器。通过放置适当的介电材料，具有适当电容值的集成电容器就可以在正平面与负平面之间形成。二极管D1是可选元件。取决于不同的应用和设计需要，可以不包含二极管D1。

如图5所示，第一电容器C1和二极管D1连接到保护设备154，并且它们与负载侧(图1所示的功率转换器156)相邻。第二电容器C2连接到熔丝设备154，并且第二电容器C2与源侧(图1所示的电源152)相邻。

应当注意，还可单独地或者与图5所示元件结合使用其他元件(例如瞬态电压吸收器)。保护设备154和低阻抗组件(例如C1、C2和D1)可作为子组件来集成，或者与汇流条160集成在一起。还应当注意，汇流条的长度也应当最小化。例如，在电池电压低的车辆中，ISG(连同其功率转换器一起)可放置在发动机舱中靠近电池的地方，或者将电池放置在发动机舱外部靠近ISG的位置。如此，汇流条160的长度能够相应地减少。

按图6-17，将在具体上下文(即，通过经由各种功率电子控制机制动态改变极数和/或相数来改进传统电机技术的动态可重新配置感应电机(DRIM)系统/技术)中，针对优选实施例来描述本发明。通过DRIM系统/技术，系统的效率和可靠性能够显著增加，同时系统成本降低。应当注意，本发明中的新技术的一般原理也可适用于具有固定极数和/或相数的电机。

本发明会进一步提供电动机/发电机设计和制造过程中的其他改进。虽然本论述使用电动机作为示例，但是其原理同样适用于发电机。

电机的极数和相数能够显著影响其运行和性能。在传统电机中，电机的极数和相数由绕组构造和连接来确定。在DRIM电机中，绕组被布置成灵活连接,极对数(2P)和相数(N)通过流经绕组的电流来确定，这使P和N的数量能够在实时运行中经由控制绕组电流的相位关系来动态改变。在一些实施例中，可存在多个功率转换器，多个功率转换器可分为多个功率转换器编组。电机具有多个导体，多个导体也可分为多个编组。在一些实施例中，多个导体连续分为多个编组。在备选实施例中，多个导体对称地分为多个编组。在一些实施例中，耦合到导体编组的功率转换器配置成可控制流经导体编组的电流的相位关系。

绕组电流的控制可经由将多个功率转换器耦合到绕组来实现。可用适当的控制算法来控制多个功率转换器的运行。因此，电机和与其耦合的电机驱动系统成为一个软件定义系统。针对大范围的运行条件采用模拟的和/或实际的运行数据经由具有实时软件更新能力的自学习和优化算法可以改进软件可定义系统的运行和性能，由此得到更好的性能和成本折衷。软件可定义系统的有益效果对于具有复杂运行模式的系统(例如电动车辆)特别显著。另外，能够通过将DRIM技术应用于电机来同时改进系统的能量效率、可靠性和成本。例如，即使电机中的一些绕组或者功率转换器中的一些部件出故障，系统也能够继续运行，因为出故障部件或者出故障绕组能够被禁用且与仍在运行的系统的其余部分隔离。另外，还可禁用一些功率转换器和/或一些绕组，以便使系统以减少的相数运行，从而在轻载时进一步改进系统效率。减少电机的相数的技术与dc-dc转换器中使用的削相(phase-shading)技术相似。

图6示出按照本发明的各个实施例的一个电机系统的透视图。电机系统200包括转子102和定子104。转子102处于定子104内部并且被其包围。定子104包括定子铁芯、多个定子绕组和连接环202。多个定子绕组(例如定子绕组115)被嵌入定子铁芯。多个定子绕组如图6所示通过连接环202来连接在一起。定子铁芯由适当磁性材料来形成，能够传导磁通量，并且为多个定子绕组提供机械支撑。在本发明中，定子绕组、相绕组和相导体的术语通常是可互换的，并且通常具有相同含意。取决于电机的构造，相绕组或相导体也可位于转子中，但是下面的讨论一般将以绕组在定子中作为示例。在本描述中，图6所示的电机系统通篇也可被也可被称作可重新配置电机系统。

图7示出按照本发明的各个实施例、图6所示电机系统的简化视图。可重新配置电机系统200包括转子102、定子104以及定子104中形成的多个相导体。如图2所示，转子102与定子104之间形成了气隙103。在定子104中形成了多个槽S1-S10。每个槽(例如槽S1)用来接纳包括相导体的一个定子绕组(例如定子绕组111)。应当注意，取决于不同设计，一个槽中也可嵌入更多的定子绕组。如图7所示，可在定子104中形成多个定子绕组111-120。在本发明中，定子绕组通篇也可被也可被称作定子相导体。

应当知道，虽然图7示出了具有几个槽和定子绕组的电机系统200，但是电机系统200可接纳任何数量的槽和定子绕组。槽一般沿电机的周长均匀地分布，并且连续标记。在本发明的描述中，槽和槽中的绕组通篇采用相同标号来表示。例如，图7所示的S5可表示第5槽或者第5槽中嵌入的相导体(绕组)，这取决于描述的上下文。

图7进一步示出连接环202。在本描述中，连接环202通篇也可被也可被称作环。如图7所示，环202被放置在定子104的一端。环202可用适当的导电材料来形成。环202将定子绕组连接在一起。如图7所示，每个定子绕组的一端连接到环202，环202让全部定子绕组的电流均可控制。应当注意，系统中可有多个环，且环可放在定子的任一端，或者多个环可被放在定子的两端。

应当注意，如果环202没有连接到电机系统的其他节点，则流经定子绕组的电流的总和应当等于零。如果流经定子绕组的电流的总和不等于零，则应当提供作为不平衡电流返回通路的导电通路。

如图7所示，环202的形状为圆形。还应当注意，环202的形状只是示例。本领域的技术人员会知道许多变化、替代和修改。例如，按照本发明的范围和精神，环202可以采用其他形状(例如椭圆形，正方形，或矩形)，并且可以不是封闭形。在本描述中，环通篇也可被称作连接环或连接棒。

图8示出按照本发明的各个实施例、图7所示电机系统的连接环和多个定子绕组的透视图。连接环202的形状为圆形。每个定子绕组(例如定子绕组115)的一端连接到连接环202。连接环202由导电材料来形成。多个定子绕组相互电连接。在制造过程中，相导体可作为组件来插入电机的槽中。此外，相导体可经采用适当的工艺来制造到槽中(例如单独地或者连同其他相导体一起使用导电材料来模塑、浇铸、电镀或印刷)。连接环可连同导体一起制造，或者单独制造后连接到相绕组。

在一些实施例中，连接到连接环202的相导体被插入连接环202的开口中，或者连接到连接环202的相导体的一端也可连接到连接环202的顶面或突出区域。多个定子绕组可用各种工艺(例如焊接、软焊等)连接到连接环202。

图9示出按照本发明的各个实施例、沿图6中的线条A-A’所截取的定子槽周围的区域的截面图。区域402是定子铁芯的一部分，称作蛋黄或基部。第一齿404和第二齿406在区域402之上形成。区域402和齿404、406称作定子的铁芯。区域402和齿404、406由磁性材料(例如硅钢片、铁氧体块或磁性化合物)来形成。沟槽408处于区域402之上以及第一齿404与第二齿406之间。沟槽408也可被称作槽。槽的侧壁和底部可涂敷绝缘层420，以耐受较高电压。

相导体115可嵌入槽中。如果导体需要耐受较高电压，则通常使用绝缘层420，绝缘层420位于相导体115与定子的铁芯之间。在相导体115之上，通常有填充机械支撑材料用的开口，该机械支承材料可以是也可不是导磁材料。在一些实施例中，适当的材料(例如焊膏)可被填入槽408。在通过回流工艺之后，焊膏就形成进一步固定定子绕组的盖帽。

如图9所示，定子和转子102通过气隙103来分隔。为了简洁起见，图9中仅示出一个定子绕组(例如相导体115)。本领域的技术人员会理解，转子102可被多个定子绕组所包围。

图10示出按照本发明的各个实施例的可重新配置电机系统的框图。可重新配置电机系统500包括可重新配置电机560和与其耦合的功率转换器编组550。在一些实施例中，可重新配置电机560可以实现为图7所示的可重新配置电机。在备选实施例中，可重新配置电机560可以实现为任何电机。如图10所示，可重新配置电机560包括多个定子绕组S1-Sn和连接环562。

功率转换器编组550包括多个功率转换器501-50N。每个功率转换器(例如功率转换器501)具有连接的电源Vs的输入以及连接的对应定子绕组(例如定子绕组S1)的输出。如图10所示，定子绕组(例如定子绕组S1)的第一端连接到对应的功率转换器(例如功率转换器501)的输出。定子绕组的第二端连接到连接环562。在备选实施例中，定子绕组的第二端可连接到一个对应的功率转换器或者耦合到电源Vs。下面将针对图11详细描述功率转换器的结构。

图11示出按照本发明的各个实施例、适合于图10所示系统中使用的功率转换器的示意图。在一些实施例中，功率转换器501实现为半桥功率转换器。半桥功率转换器501包括两个开关元件(即，Q11和Q12)以及两个电容器(即，C1和C2)。半桥功率转换器501进一步包括检测电路，该检测电路包括开关Q1。检测电路配置成检测对应相绕组中的电流。在优选实施例中，检测开关Q1的控制配置成使得检测开关Q1仅在Q12的导通期间导通。Q1的栅极驱动信号能够基于Q12的栅极驱动信号来得到。应当注意，Q12的栅极驱动信号应当被整形成避免或降低Q12和Q12的开关噪声。此外，Q1的栅极驱动信号能够基于一个采样时钟(其时序设置为对这些开关噪声不敏感)来生成。

如图11所示，开关元件Q11和Q12串联连接在电源Vs的输出端子之间。同样，电容器C1和C2可串联连接在电源Vs的输出端子之间。开关元件Q11和Q12的公共结点耦合到L-C滤波器的输入，该L-C滤波器由如图11所示的电感器Lo和输出电容器Co所形成。电容器C1和C2的公共结点耦合到地。请注意，Lo和Co是可选的，以及Q11和Q12的公共结点可直接连接到电机的导体。类似地，C1和C2也是可选的。

按照一些实施例，开关元件Q11和Q12实现为MOSFET或者并联连接的MOSFET、它们的任何组合等。按照备选实施例，开关元件(例如开关Q1)可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件。开关元件也可是任何可控开关，例如集成栅换向晶闸管(IGCT)器件、栅关断晶闸管(GTO)器件、可控硅整流器(SCR)器件、结型栅场效应晶体管(JFET)器件、MOS可控晶闸管(MCT)器件、基于氮化镓(GaN)的功率器件等。

应当注意，虽然本描述中的示例通篇基于半桥转换器(例如图11所示的半桥转换器501)，但是图11所示的功率转换器的实现可具有许多变化、替代和修改。例如，在一些适当应用中也可采用全桥转换器、推挽转换器和电感器-电感器-电容器(LLC)谐振转换器。另外，电源也可配置为电流源，功率转换器在需要时可以是电流源逆变器。

总之，本文所示的半桥转换器501仅限于清楚地示出各个实施例的发明方面。本发明并不局限于任何特定功率拓扑。

还应当注意，虽然图6示出二个开关Q11和Q12，但是本发明的各个实施例可包括其他变化、修改和替代。例如，半桥转换器501的各个开关可与分立电容器并联连接。这种分立电容器有助于更好地控制半桥转换器501谐振过程的时序和EMI。

在一些实施例中，电源可实现为串联连接的多个电源。备选地，电源可具有高电压。施加到可重新配置电机系统的电源可分为具有较低额定电压的多个输入电压源。相应于电源所分为多个输入电压源，相绕组也可分为若干编组。每个编组中的相绕组可连接到单独的连接棒并耦合到单独的输入电压源。下面将针对图12来描述高输入电压应用的这个配置(多个绕组编组、多个连接棒和多个输入电压源)。

图12示出按照本发明的各个实施例、具有多个绕组编组的可重新配置电机系统的框图。可重新配置电机系统1100包括定子104、转子102和气隙103。定子104包括多个定子绕组。多个定子绕组可被嵌入定子铁芯。更特别是，定子铁芯可包括多个槽，一个槽接纳一个定子绕组。备选地，取决于不同应用和设计需要，一个槽也可接纳多个定子绕组。另外，可重新配置电机系统可以不包括定子铁芯(例如无芯电机)，或者定子铁芯中也可没有槽。

如图12所示，多个定子绕组分为M个编组，其中M为一预定的整数。每个编组的定子绕组通过连接环来连接。例如，第一编组的定子绕组S11-S1N如图12所示通过第一连接环1151来连接。同样，第m编组的定子绕组SM1-SMN如图12所示通过第M连接环115M来连接。图12中，连接环示为浮动的(例如，连接环如图12所示相互隔离)。在本发明中，连接环可以不是封闭的形状，并且因此可以是连接棒。如果M个输入电源的一部分相互隔离，则连接环1151-115M中的一部分可电气上连接在一起或者形成单个连接环。

此外，可重新配置电机系统1100包括多个功率转换器编组。每个功率转换器编组连接在电源与对应定子绕组编组之间。如图12所示，第一功率转换器编组1101连接在第一电源VS1与定子绕组S11-S1N的第一编组之间。第一功率转换器编组1101包括多个功率转换器1111-111N，如图12所示。同样，第M功率转换器编组110M连接在第m电源VSM与定子绕组SM1-SMN的第m编组之间。第M功率转换器编组110M包括多个功率转换器11M1-11MN，如图12所示。在一些实施例中，多个功率转换器依次分为多个功率转换器编组。

在一些实施例中，电源VS1-VSM是单独的电源，如图12所示。在备选实施例中，电源VS1-VSM串联连接在一起，以适应被施加到可重新配置电机系统1100的高输入电压。此外，电源VS1-VSM可用串联连接并且耦合到公共电源的电容器来形成。因此，实现电源之间的电荷平衡会是重要的。为了实现串联连接电源的电荷平衡，期望流入/流出电源的dc电流彼此相等或近似相等(例如在20％误差之内)。

在一些实施例中，当流经每个电源的电流为dc电流或者低频分量很低的电流时，电源能够有效和可靠地运行。例如，电流的谐波分量(比如基波和低次谐波)应当减少到最小。在一些实施例中，每个绕组编组应当在一个极对中有均匀分布的至少三个定子绕组。这些定子绕组配置成以相同的幅度和频率来传导电流。此外，电流的相位角在定子绕组之间均匀地分布。因此，每个绕组编组中的定子绕组形成对称和平衡的多相系统，且流经每个电源的电流在理想运行中是dc电流。

图13示出按照本发明的各个实施例、具有六个绕组的可重新配置电机系统的示意图。可重新配置电机系统1200与图12所示相似，只不过可重新配置电机系统1200包括六个绕组，即，如图13所示的绕组U、V、W、X、Y和Z。每个绕组通过功率转换器桥臂(例如通过S1和S7所形成的功率转换器桥臂)来驱动。在一些实施例中，功率转换器桥臂是逆变器。逆变器包括上开关和下开关。逆变器的上开关和下开关通过PWM控制方案按照互补方式并在其相应导通周期之间加上死区时间来控制。逆变器用来将dc电压转换为适合于驱动可重新配置电机系统1200的绕组的ac电压。

如图13所示，dc电压来自电源Vdc，并且通过一个dc环节(该dc环节包括负极引线和负极引线)来耦合到功率转换器。在一些实施例中，电源Vdc是具有适当电压(例如48V)的电池。输入电容器Cd用来减少电源Vdc的输出处的纹波电压分量。

如图13所示，开关S1和S7串联连接在电源Vdc的正极端子与负极端子之间。开关S1和S7形成第一功率转换器桥臂，该第一功率转换器桥臂用来驱动第一绕组U。同样，开关S2和S8形成第二功率转换器桥臂，该第二功率转换器桥臂用来驱动第二绕组V。开关S3和S9形成第三功率转换器桥臂，该第三功率转换器桥臂用来驱动第三绕组W。开关S4和S10形成第四功率转换器桥臂，该第四功率转换器桥臂用来驱动第四绕组X。开关S5和S11形成第五功率转换器桥臂，该第五功率转换器桥臂用来驱动第五绕组Y。开关S6和S12形成第六功率转换器桥臂，该第六功率转换器桥臂用来驱动第六绕组Z。

应当注意，虽然图13示出多个功率转换器桥臂共用单个电源Vdc，但是可重新配置电机系统可包括串联连接的多个电源。更特别是，当可重新配置电机系统的输入电压较高时，可重新配置电机系统可包括串联连接的多个电源(例如图12所示的电源)。另一方面，当可重新配置电机系统的输入较低(例如为48V电池)时，可重新配置电机系统可由单个电源(例如图13所示的电源Vdc)来供电。

功率转换器编组的dc环节中的纹波电流可直接影响dc环节的滤波电容器的功率损耗、大小和成本。为了减少功率转换器编组的dc环节中的纹波电流，应当使用功率转换器编组中的开关的占空比的改进控制机制。图14示出按照本发明的各个实施例、图13所示的具有六个绕组的电机系统的各种控制信号。图14的水平轴表示时间。图14中示出八个垂直轴。第一垂直轴Y1表示图13所示的S1的栅极驱动信号。第二垂直轴Y2表示图13所示的S2的栅极驱动信号。第三垂直轴Y3表示图13所示的S3的栅极驱动信号。第四垂直轴Y4表示图13所示的S4的栅极驱动信号。第五垂直轴Y5表示图13所示的S5的栅极驱动信号。第六垂直轴Y6表示图13所示的S6的栅极驱动信号。第七垂直轴Y7表示电机系统的第一同步信号Synch1。第八垂直轴Y8表示电机系统的第二同步信号Synch 2。第一和第二同步信号的时间偏移等于(T2-T1)，系统周期为Ts。

多个功率转换器(例如通过S1和S7所形成的功率转换器)分为第一功率转换器编组和第二功率转换器编组。第一功率转换器编组包括开关S1、S2和S3。第二功率转换器编组包括开关S4、S5和S6。如图14所示，第一功率转换器编组中的功率开关S1-S3的栅极驱动信号被同步到第一同步信号Synch1。开关S1-S3的栅极驱动信号的中心可与第一同步信号Synch1的中心垂直对齐，如图14所示。

第二功率转换器编组中的功率开关S4-S6的栅极驱动信号被同步到第二同步信号Synch2。开关S4-S6的栅极驱动信号的中心可与第二同步信号Synch12的中心垂直对齐，如图14所示。此外，第一同步信号Synch1和第二同步信号Synch2被交错，交错角可以通过360°·(T2-T1)/Ts来确定。取决于不同应用和设计的需要，可有采用不同交错角的不同交错模式。

在优选实施例中，电机配置成在第一数量的极对和第二数量的极对下运行。当电机配置成在第一数量的极对下运行时，多个功率转换器配置成运行在第一交错模式。当电机配置成在第二数量的极对下运行时，多个功率转换器配置成运行在第二交错模式。在第一交错模式和在第二交错运行模式，交错角可以是不同的。可通过调整交错角改进系统的性能。通常，dc环节中的均方根(RMS)纹波电流是需要考虑的重要性能参数。当系统运行参数，例如功率因数、dc环节电压或电机老数，发生变化时，优化的交错角也可改变。在一种模式中，交错角可等于90度。在另一种模式，交错角可等于45度。在又一种模式，交错角可等于180度或0度(即，系统没有交错模式)。在又一种模式，交错角可等于30度或者在对应运行条件下给出良好性能的特定角度。

在一个运行模式中，耦合到具有相同的时钟信号的功率转换器的绕组可在电机中形成一个完整的极对。在另一种运行模式，耦合到一个极对中的全部绕组的功率转换器可分为多个子编组，并且每个子编组可具有一个时钟信号。只要一个编组中耦合同一同步信号的功率转换器形成平衡的多极系统，就能够很好地减小dc环节的电流纹波。这个减小能够显著降低上述汇流条上的功率损耗和扰动。

采用交错的多个同步信号的一个有利特性在于，同步运行也可降低绕组电流以及电机磁通中的纹波，由此降低噪声和/或功率损耗。它还可减少通常与电源并联连接的dc环节电容器中的纹波电流，并且因此降低这类dc环节电容器的要求和成本。

传统上，对于高性能ac驱动器，需要检测全部或者除了一个之外的全部相绕组的电流(相电流)，因此能够计算每一个相电流以用于控制电机。当相绕组的数量较高时，这将引起成本显著增加。由于控制电机的主要目标是提供要求的功率或转矩并保持适当气隙磁通模式，只要能够计算相电流的转矩分量和磁通分量。由此，电动机/发电机系统的基本性能就能得到保证。在图12所示的电机中，绕组分为多个对称编组(请注意，编组中的绕组不必在物理上彼此相邻)。在运行中，一个编组中的绕组中的电流通常与另一个编组中的对应绕组中的电流近似相同。这意味着，如果一个编组有M个绕组，则只需要检测M个电流，或者(M-1)个电流如果在编组中的全部M个电流总和为零的话。在一些应用中，当绕组的一半与绕组的另一半之间存在反向对称性的编组中，有可能进一步将检测的相数减少到大约M/2。因此，有可能减少被检测相电流的数量，并且利用电机和功率转换器运行的对称性完成全部所要求的控制功能。取决于是否检测一相中的电流，各相可被分类为被检测相或未检测相。这种方案称作减少的相电流检测。全部被检测相可耦合到一个转换器编组，或者分布在不同转换器编组之间。

在一些实施例中，有两种方式可实现高性能控制系统中的减少的相电流检测。减少的相电流检测的第一实现方式是基于极对的减少的相电流检测方法。由于电机内的不同极对之间的运行或多或少是对称的，所以至少在平均的意义上，极对内的相绕组的电流可被认为与同一电机和/或发电机的另一个极对中的对应相绕组电流是近似相同。因此，只有一个(或更多)极对中的绕组电流需要被检测并且主动控制，而其余未检测极对中的绕组电流能够被假定为等于被检测极对中的对应相电流。耦合到未检测极对的任何开关的占空比也可以假定为与耦合到被检测极对的对应开关是相同的。如果多于一个极对中的相电流被检测，则能够使用全部被检测极对中的对应相的平均值。转矩和磁通控制与常规ac驱动控制极为相似，只不过应当使用适当的比例因子，其中考虑每个未检测极对中的绕组应当生成与被检测极对中的绕组相同量的磁链和转矩(功率不变原理)。

减少的相电流检测的第二实现是基于部分极对的减少的相电流检测方法。现代ac驱动器通常通过磁场定向控制(FOC)或者采用转矩和磁通控制的其他策略来控制。因此，磁链和转矩信息极为重要，且磁链通常基于极对来计算。如果没有检测极对内的全部相电流，只要能够通过考虑不同极对与不同转换器/绕组编组之间的对称性来计算相电流的磁通分量和转矩分量，就仍然可以实现适当的控制。被检测的相电流，不管在或者不在一个极对或功率转换器/绕组一个编组内，都可以用来估计或观测未检测相的电流。控制方案则与传统方案相似，只不过未检测相中的开关的占空比用对应被检测相中的开关的一个或多个占空比来估计或观测。备选地，可使用基于减少电流检测方案的新控制方案。首先使用坐标变换(例如考虑极对内的每个相绕组的空间角的修改的克拉克变换)将被检测相电流转换成基频下的正交静止αβ坐标系。α轴与极对中的第一相对齐，而β在空间方面与α轴垂直。去除与未检测相对应的标准变换矩阵中的列。如果被检测相绕组在极对中不是对称间隔的，则坐标变换矩阵将不是对称的。然后可以用适当的比例因子使用常规帕克变换将αβ参考坐标系变换成d-q坐标系，其中假定每个未检测绕组促成与被检测绕组相同量的磁链和转矩(功率不变原理)。但是，只有被检测相中的相电流能够闭环控制。当生成被检测相的控制电压(占空比)时，重要的是使用这些信息来获得全部相的控制电压(占空比)。首先，可以采用适当比例使用如上所述的修改的克拉克变换将已知控制电压变换到正交αβ坐标系(其中考虑功率不变原理)，然后经由修改的克拉克变换，可以用控制电压的αβ坐标系的值来计算未检测相的控制电压。这个控制扩展在图17的全相扩展块中实现。

图15示出按照本发明的各个实施例的减少的相电流检测装置的示意图。示例电机系统有六相，且可以是可重新配置电机系统。在一些实施例中，只有二个电流检测装置用来检测电流。电机系统能够基于来自二个电流检测装置的被检测电流信号来实现高性能运行。

在一些实施例中，多个功率转换器和多个绕组被布置到多个对称编组中。多个电流检测装置(例如图15所示的二个电流检测装置)配置成检测流经电机的电流。多个绕组的数量明显大于电流检测装置的数量，因此一些绕组电流系从被检测电流估计或观测而来。估计或观测可考虑多相系统中的各相之间的对称性和相位关系。在一个实施例中，绕组中的电流仅基于处于极对中的相同物理位置的另一个极对中的对应绕组中的电流信息来估计或观测。例如，用一个极对的第一绕组中的电流用来估计或观测另一个极对的第一绕组中的电流，其中两个极对是对称的。备选地，也可用相邻绕组中的电流通过考虑它们的相位关系来估计或观测一个绕组中的电流。类似地，可从其他开关的占空比信息来估计或观测未检测相中的功率转换器的一个开关的占空比。

在示例系统中，电机配置成运行在第一极对和第二极对。多个功率转换器分为第一功率转换器编组和第二功率转换器编组。第一功率转换器编组包括开关S1-S3和S7-S9。第二功率转换器编组包括开关S4-S6和S10-S12。

第一电流检测装置Isense1配置成检测流经第一功率转换器编组的第一功率转换器的电流。多个电流检测装置的第二电流检测装置Isense2配置成检测流经第二功率转换器编组的第二功率转换器的电流。

图16示出按照本发明的各个实施例、生成伪波形的示例。在一些实施例中，编组具有N个绕组和N个功率转换器。将要观测变量v(例如绕组电压或电流)。这个变量在第一功率转换器或第一绕组中表示为v1。这个变量在第二功率转换器或第二绕组中表示为v2。这个变量在第n功率转换器或第n绕组中表示为vN。

在稳态和对称运行中，信号v1至vN应当具有相同波形但是具有不同相位角。通过大致同时测量v1、v2、...、vN，能够相应地估计变量的波形在不同相位角(对应于不同时间)下的值。如图16所示，伪波形v1’是v1的估计或观测信号，该信号通过利用来自其他功率转换器或绕组的被检测信号来构成或预测。

图16示出按照本发明的各个实施例、图12所示具有多个绕组编组的多相电机系统中的各种信号。图16的水平轴表示时间。可存在五个垂直轴。第一垂直轴Y1表示图10所示的第n功率转换器50N或第n绕组SN中的变量的采样信号。第二垂直轴Y2表示图10所示的第二功率转换器502或第二绕组S2中的变量的采样信号。第三垂直轴Y3表示图10所示的第一功率转换器501或第一绕组S1中的变量的采样信号。第四垂直轴Y4表示系统的采样和保持功能的时钟信号。第五垂直轴Y5表示V1'(伪波形)。

图16中，从t3至t4的时间被定义为一个采样周期，该采样周期等于1/f，其中f是采样频率。通过使用图16所示的伪信号，即使采样频率比较低，也能够改进系统的性能。

图17示出按照本发明的各个实施例、具有减少电流检测控制机制的控制系统的框图。电机系统包括电机1730、多个功率转换器1720和控制器1700。为了生成功率转换器的控制信号并且有效地控制电机，可将多个系统运行参数馈入控制器1700中。如图17所示，减少的相电流检测设备1744可用来检测流经电机系统的两个相的电流。减少的相电流检测设备1744的输出被馈入控制器1700。

控制器1700包括减少的相坐标变换单元1752、磁场定向控制单元1710、减少的相电流控制单元1711、全相扩展单元1712和调制单元1714。如图17所示，减少的相坐标变换单元1752配置成接收减少的相电流检测装置1744的输出信号。磁场定向控制单元1710的输入配置成接收减少的相坐标变换单元1752的输出信号。减少的相电流控制单元1711的输入配置成分别接收磁场定向控制单元1710的输出信号和减少的相电流检测装置1744的输出信号。全相扩展单元1712的输入配置成接收减少的相电流控制单元1711的输出信号。调制单元1714的输入配置成接收全相扩展单元1712的输出信号。

在运行中，减少的相坐标变换单元1752配置成将被检测电流信号转换为正交静止坐标系中的变量。磁场定向控制单元1710可要求坐标变换单元(例如减少的相坐标变换单元1752)在两个不同坐标系之间转换电流/电压/磁通信号。例如，减少的相坐标变换单元1752用来将信号集从静止相量系统转换成同步d-q系统。坐标变换是电机控制中的众所周知技术，因此本文中不作论述。

磁场定向控制单元1710配置成基于正交静止坐标系中的变量来生成参考电流信号。特别是，磁场定向控制单元1710可用来生成绕组电流的各种参考。如图17所示，由磁场定向控制单元1710所生成的参考被馈入减少的相电流控制单元1711中，以生成功率转换器1720的功率开关的控制信号。许多磁场定向控制方法是行业中已知的，并且在这里不作赘述。应当注意，磁场定向控制方法的一部分需要观测电机中的磁链。

应当注意，电流参考Iref可以仅包含基频分量。通过基于每个被检测相所实现的减少的相电流控制块中的电流控制，控制系统可自然抑制高阶谐波电流。但是，为了允许一些磁饱和，可通过使电流控制中的补偿器增益在3阶频率下(至少对磁化分量)极低，来允许产生3阶谐波电流。通常，设置在正确频率下的谐振补偿器或谐振滤波器可以用于此目的。

减少的相电流控制单元1711配置成生成具有电流检测装置的相的第一控制电压。全相扩展单元1712配置成基于第一控制电压来生成没有电流检测装置的相的第二控制电压。

调制单元1714配置成基于多个时钟的同步信号和第一控制电压和第二控制电压来生成来生成多个功率转换器1720的栅极驱动信号。在一些实施例中，调制单元1714配置成具有多个同步信号，使得多个功率转换器的第一区中的功率转换器的功率开关的栅极驱动信号被同步到第一同步信号Synch1，而多个功率转换器的第二区中的功率转换器的功率开关的栅极驱动信号被同步到第二同步信号Synch2。第一同步信号和第二同步信号被交错。在一些实施例中，同步信号的数量可多于二。在一些实施例中，同步信号的交错角可根据运行模式发生变化。

上述方法甚至在一些相绕组或一些相桥臂出故障时也可用来控制驱动系统。这将增强系统的容错能力和安全性。

应当注意，极对的数量和极对中的相数可以是固定的，或者可在电动机或发电机中动态调整。

这些技术能够适用于不同类型的电机，例如感应电机、永磁同步电机、双馈电机等。

虽然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中限定的本发明的精神和范围的条件下，可以对其进行各种变更、替换和改变。

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地理解的是，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。