多相电机及使用方法与流程

本公开的领域一般涉及多相电机，以及更具体来说，涉及作为多相电动机可操作的电机以及多相发电机及其使用方法。

背景技术：

许多已知的电力系统在正常操作过程期间执行电力驱动和电力生成。非限制性地例如，某些交通工具动力系统、例如飞机动力系统包括电机，其用作用于推进的电动机，并且还可用作发电机。在驱动时，来自辅助源的电力施加到电机，以转动附连到机械负荷的电动机。机械负荷非限制性地包括例如转动驱动轴以启动发动机或者使交通工具加速。辅助电源非限制性地包括例如各种交流(ac)和直流(dc)电源，例如ac电网电力、电池、光伏阵列或者用于机械负荷的任何其他适当电源。在生成时，原动机转动转子以生成ac电力。所生成的ac电力然后分配到一个或多个ac或dc负载。

通过特定已知电机所生成的ac电力通常在特定电压下并且以一相或多相来产生。这种ac电力然后由变压器转换成适当电压电平以向给定ac负载供电，并且由整流器进一步转换成dc以向给定dc负载供电。当ac电力为多相(例如3相、6相和12相)时，将ac电力整流成dc电力一般产生较高质量的dc电力。例如，整流器的相移输出进行组合，以便因相移谐波的消除而产生低纹波电压和电流。同样，辅助电力下的驱动通常利用单相或3相电力。因此，进行驱动和生成的电机通常以3相电力这样操作。

利用上述已知电动机-发电机电机的许多已知的电力系统一般包括附加功率电子器件，以执行必要驱动和生成功能。非限制性地例如，已知飞机动力系统可包括自耦变压器整流器单元(atru)，其包括自耦变压器单元(atu)和整流器。在生成时，atu将所生成的3相电力转换成高阶多相电力、即6相或以上。多相电力然后整流成dc，并且分配到ac或dc电力负载。用于转换成多相电力并且然后转换成dc电力的附加功率电子器件常常与电机本身几乎一样重。电力系统的附加重量降低效率。此外，必要的变压器和整流器通常引入自身的损耗，非限制性地包括例如换向损耗和寄生损耗。

技术实现要素：

在一个方面，提供一种电力系统。电机包括定子、转子和多个开关。定子包括主绕组和辅助绕组。转子可耦合到原动机，原动机配置成使转子相对于定子转动，以便在主绕组生成至少六相交流(ac)电力。多个开关相应地耦合在辅助绕组与主绕组编组之间。当多个开关闭合时，多个开关配置成将至少六相转换成三相。

在另一方面，提供一种使用电机的方法。该方法包括在电机的定子的主绕组生成至少六相交流(ac)电力。该方法还包括将定子的辅助绕组耦合到主绕组编组，以将至少六相转换成三相。该方法还包括在施加到电机的三相的辅助ac电力下进行驱动。

在又一方面，提供一种电力系统。该电力系统包括电机、控制器、整流器和变压器。电机包括主绕组和辅助绕组。电机可操作以生成多相交流(ac)电力，并且还可操作以在三相ac电力下进行驱动。在三相ac电力下进行驱动时，控制器配置成将辅助绕组耦合到主绕组。控制器还配置成当生成多相ac电力时将辅助绕组解耦合。整流器配置成将多相ac电力整流成直流(dc)电力。变压器配置成将dc电力转换成dc输出电压。

技术方案1：一种电机(102；200；300)，包括：

定子(104；310)，包括辅助绕组(220)和主绕组(210)，所述主绕组分组为所述主绕组的编组；

转子(106)，可耦合到原动机(108)，所述原动机配置成使所述转子相对于所述定子转动，以便在所述主绕组生成至少六相交流(ac)电力；以及

多个开关(260；320)，分别耦合在所述辅助绕组与所述主绕组的所述编组之间，所述多个开关配置成在所述多个开关闭合时将所述至少六相转换成三相。

技术方案2：如技术方案1所述的电机(102；200；300)，其中，所述多个开关(260；320)在所述原动机(108)转动所述转子(106)以生成所述至少六相ac电力时断开，并且其中所述多个开关在三相ac电力施加到所述定子(104；310)以转动所述转子供进行驱动时闭合。

技术方案3：如技术方案2所述的电机(102；200；300)，其中，所述辅助绕组(220)在所述多个开关(260；320)断开时断电。

技术方案4：如技术方案1所述的电机(102；200；300)，其中，所述主绕组(210)包括三相绕组的多个集合，每相相互之间具有相移。

技术方案5：如技术方案4所述的电机(102；200；300)，其中，所述辅助绕组(220)具有相应相位和幅度，使得所述主绕组(210)的所述编组在与所述辅助绕组分别合计时合计成所述三相以及对应公共电压。

技术方案6：如技术方案5所述的电机(102；200；300)，其中，所述辅助绕组(220)的所述相应相位和幅度是所述辅助绕组的相应线圈长度、线圈匝数和线圈节距的函数。

技术方案7：如技术方案1所述的电机(102；200；300)，还包括：

所述定子上的多个附加绕组，所述多个附加绕组与所述主绕组(210)相结合地配置成在所述原动机(108)转动所述转子(106)时生成九相ac电力；以及

其中所述多个开关(260；320)还分别耦合在所述多个附加绕组与所述主绕组的所述编组之间，所述多个开关还配置成将所述九相转换成所述三相。

技术方案8：如技术方案1所述的电机(102；200；300)，其中，所述转子(106)在被转动时配置成在所述主绕组(210)生成总共九相ac电力。

技术方案9：一种使用电机的方法，所述方法包括：

在所述电机的定子的主绕组生成至少六相交流(ac)电力；

将所述定子的辅助绕组耦合到所述主绕组的编组，以将所述至少六相转换成三相；以及

在施加到所述电机的所述三相的辅助ac电力下进行驱动。

技术方案10：如技术方案9所述的方法，还包括：

对于在所述定子的所述主绕组所生成的所述六相ac电力进行整流；以及

对经整流电力信号进行滤波，以产生直流(dc)电力输出。

技术方案11：如技术方案9所述的方法，其中，生成所述至少六相ac电力包括：

使转子相对于所述定子转动；以及

在所述主绕组的输出端子产生相移ac电压。

技术方案12：如技术方案9所述的方法，其中，将辅助绕组耦合到所述主绕组的编组包括闭合耦合在所述主绕组的每个与对应辅助绕组之间的相应开关。

技术方案13：如技术方案9所述的方法，还包括在生成所述至少六相ac电力的同时使所述辅助绕组断电。

技术方案14：如技术方案9所述的方法，其中，所述辅助绕组的每个具有相位和幅度，使得在与对应主绕组的对应相位和幅度合计时合计成所述三相之一的电压和相位。

技术方案15：一种电力系统(100)，包括：

电机(102；200；300)，包括主绕组(210)和辅助绕组(220)，所述电机可操作以生成多相交流(ac)电力，并且在三相ac电力下进行驱动；

控制器(118)，配置成在所述三相ac电力下进行驱动时将所述辅助绕组耦合到所述主绕组，并且在生成所述多相ac电力时将所述辅助绕组解耦合；

整流器(340，350)，配置成将所述多相ac电力整流成直流(dc)电力；以及

相间变压器(370)，配置成组合所述整流器的输出，以便将所述dc电力转换成dc输出电压。

技术方案16：如技术方案15所述的电力系统(100)，其中，所述电机还包括：

定子，包括所述主绕组和所述辅助绕组；

转子，可耦合到原动机，所述原动机配置成使所述转子相对于所述定子转动，以便在所述主绕组生成所述多相ac电力；以及

多个开关，是由所述控制器可控制的，并且分别耦合在所述辅助绕组与所述主绕组的编组之间，所述多个开关配置成在所述多个开关闭合时将所述多相ac电力转换成三相。

技术方案17：如技术方案15所述的电力系统(100)，其中，所述整流器(340，350)包括多个多相整流器，所述多相整流器耦合到所述主绕组(210)的相应输出端子(390)。

技术方案18：如技术方案15所述的电力系统(100)，还包括滤波器(380)，所述滤波器配置成组合所述整流器(340，350)的dc输出，以生成所述dc输出电压。

技术方案19：如技术方案15所述的电力系统(100)，其中，所述主绕组(210)包括三相绕组的两个集合，所述主绕组配置成生成六相ac电力。

技术方案20：如技术方案19所述的电力系统(100)，其中，所述辅助绕组(220)包括可耦合到三相绕组的所述两个集合的六个辅助绕组。

技术方案21：如技术方案15所述的电力系统(100)，还包括：

辅助电源(114)，配置成提供辅助dc电力；以及

dc母线(110)，耦合到所述控制器(118)，并且还经过相应开关(260；320)可耦合到所述电机(102；200；300)和所述辅助电源，所述dc母线配置成在进行驱动时从所述辅助电源向所述电机提供电力；

其中所述控制器还经过开关(124)可耦合到ac负载(120)，所述控制器还配置成从所述dc母线向所述ac负载提供ac电力。

附图说明

通过参照附图阅读以下详细描述，将会更好地了解本公开的这些及其他特征、方面和优点，附图中，相似标号通篇表示相似部件，附图包括：

图1是示范电力系统的示意图；

图2是供图1所示电力系统中使用的示范电机的绕组的示意图；

图3是供图1所示电力系统中使用的示范电机的示意图；

图4是用于图2和图3所示的电机的相图；以及

图5是使用诸如图1、图2和图3所示电机之类的电机的示范方法的流程图。

除非另加说明，否则本文所提供的附图意在示出本公开的实施例的特征。这些特征被认为可适用于包括本公开的一个或多个实施例的大量系统。因此，附图不是意在包括本领域的技术人员已知的、实施本文所公开实施例所需的所有常规特征。

具体实施方式

在以下说明书和权利要求书中，引用具有下列含意的多个术语。

单数形式“一”、“一个”、“该”和“所述”包括复数引用，除非上下文另加明确说明。

“可选的”或“可选地”表示随后描述的事件或情况可能发生或者可能不发生，以及本描述包括其中发生事件的实例以及其中没有发生事件的实例。

“可耦合”是两个或更多对象易于相互耦合并且解耦合的性质。耦合和解耦合非限制性地可以是例如电或机械的。耦合可以是直接的，或者可包括促进耦合和解耦合的附加组件。例如，两个电路可以是经过一个或多个开关可耦合的。类似地，两个机械组件可以是通过紧固件或者经过传动装置可耦合的。

本文所使用的近似语言在本说明书和权利要求书中通篇可适用于修饰可准许改变的任何定量表示，而没有引起与其相关的基本功能的变化。相应地，通过诸如“大约”、“近似”和“基本上”之类的一个或多个术语所修改的值并不局限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精确度。在这里并且在整个说明书和权利要求书中，范围限制可经过组合和/或互换，这类范围被标识，并且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另加说明。

本公开的实施例涉及多相电机。本文所述的电机提供多相电力生成和三相驱动能力。此外，本文所述的电机在进行驱动的同时利用一组辅助绕组。辅助绕组设计成具有特定相位和幅度，使得它们各与对应主绕组相结合，以便将多相电机转换成三相电机，由此促进辅助三相输入电力下进行驱动。辅助绕组在电机生成电力时断电。本文所述的电机还包括功率电子器件，非限制性地例如整流器、滤波器和变压器，以将所生成多相ac电力转换成dc输出电压。

图1是示范电力系统100的示意图。电力系统100包括电机、例如电动机/发电机102。电动机/发电机102包括定子104和转子106。在电力生成期间，转子106可耦合到原动机108，其在电动机/发电机102进行驱动时使转子106相对于定子104转动。在某些实施例中，原动机108在电动机/发电机102生成时与转子106解耦合。原动机108一般包括驱动轴，其耦合到发动机、涡轮机或者任何其他适当的机械能量源。在某些实施例中，原动机108经过变速箱(未示出)耦合到转子106。当转子106相对于定子104转动时，在定子104生成多相ac电力。将多相电力转换成dc电力供分配。

在进行驱动期间，施加到定子104的电力转动转子106，其可耦合到机械负荷。在某些实施例中，机械负荷包括开动发动机曲柄。机械负荷可包括任何其他适当机械负荷，非限制性地包括例如涡轮机、鼓轮和推进系统。

电力系统100包括dc主母线110，其经过发电机切断开关112可耦合到电动机/发电机102的定子104。由电动机/发电机102所生成的dc电力被提供给dc主母线110供分配。电力系统100还包括经过辅助电力切断开关116可耦合到dc主母线110的辅助电源114。在生成期间，发电机切断开关112闭合，以准许电动机/发电机102对dc主母线110供电。在某些实施例中，辅助电力切断开关116在生成期间断开。在其他实施例中，辅助电力切断开关116闭合，以促进辅助电源114的充电。在进行驱动期间，发电机切断开关112断开，以及辅助电力切断开关116闭合。辅助电源114对dc主母线110供电，并且最终提供电力以推动电动机/发电机102的转子106。在某些实施例中，辅助电源114包括电池或者用于存储电能的其他适当能量贮存器。在某些实施例中，辅助电源114包括光伏、风力发电机、内燃发电机或者其他适当电力源。

电力系统100还包括耦合到dc主母线110的控制器118。在进行驱动期间，控制器118配置成调节经过dc主母线110提供给电动机/发电机102的辅助电力。在某些实施例中，控制器118包括功率电子器件，以用于把来自dc主母线110的dc电力转换成适合于向ac负载120供电并且用于使电动机/发电机102曲柄转动的ac电力。这类功率电子器件非限制性地包括例如三相逆变器。控制器118经过电动机切断开关122将电力从dc主母线110提供给定子104。控制器118经过负载切断开关124向ac负载120提供电力。

在某些实施例中，电力系统100首先作为电动机进行操作，其中电动机/发电机102在来自辅助电源114的辅助电力下使转子106曲柄转动，以启动发动机。在某些实施例中，在进行驱动期间，辅助电力仅提供给定子104，而没有分配给ac负载120。一旦发动机达到适当速度，电力系统转变成电力生成，其中发动机作为原动机108进行操作。在生成期间，断开辅助电源114，并且将所生成dc电力放到dc主母线110上，其中将它分配到ac负载120。

图2是供电力系统100(图1所示)中使用的示范电机200的绕组的示意图。电机200包括主绕组210和辅助绕组220。在电机200作为发电机进行操作的同时，使用主绕组210。在进行驱动的同时，电机200使用主绕组210和辅助绕组220。电机200包括组织为三相的两个集合的六个主绕组：a1、b1、c1以及a2、b2、c2，集合采用中性线230和240、即n1和n2来补充。

在备选实施例中，电机200包括大于三的任何数量的相。例如，某些实施例包括三相的递增，例如六相、九相和十二相。这类实施例的多相电力输出改进整流dc输出电力的谐波质量。

在生成期间，电机200在绕组端子250生成ac电力。此外，电机200通过断开开关260、将辅助绕组220与在端子a1、b1、c1、a2、b2和c2所产生的ac电压隔离，来使辅助绕组220断电。由主绕组210所生成的ac电压相互相移某个相位差。在某些实施例中，相位差在所有相之间是恒定的。在备选实施例中，相位差在相之间改变。

在进行驱动的同时，电机200利用主绕组210和辅助绕组220。开关260闭合，以将某些主绕组210耦合到某些辅助绕组220。主绕组与辅助绕组的耦合影响各绕组的相的矢量求和，从而产生三个公共相。三相电力经过端子x1、y1和z1施加到这些公共相。

辅助绕组220的相位和幅度、即电压是线圈的匝数、槽移（slotshift）、线圈长度和线圈跨度或节距的函数。辅助绕组220的每个设计成与主绕组210之一合计，使得所产生相位和幅度与主绕组210的一个或多个其他主绕组是共同的。电机200包括六个主绕组210，其分组为编组：a1和a2、b1和b2以及c1和c2。当辅助绕组y1与主绕组a1合计时，所产生相位和幅度与主绕组a2与y2是共同的。类似地，辅助绕组x1与主绕组b1合计，以及辅助绕组z1与主绕组c1合计。通过闭合开关260，电机200是作为三相电动机可操作的。

在备选实施例中，开关260配置成使得电机200在开关260断开时是作为三相电动机可操作的，以及电机还在开关260闭合时是作为发电机可操作的。

图3是供电力系统100(图1所示)中使用的示范电机300的示意图。电机300是六相电机，其包括具有主绕组a1、b1、c1、a2、b2和c2以及辅助绕组x1、y1、z1、x2、y2和z2的定子。定子310还包括中性线n1和n2。辅助绕组x1、y1、z1、x2、y2和z2通过闭合开关320、将电机300转换成驱动端子330处的三相电动机电力来启用。开关320将辅助绕组耦合到主绕组，使得辅助绕组的每个与主绕组矢量地合计，以形成三相电机。

在生成期间，多相ac电力在主绕组a1、b1、c1、a2、b2和c2上生成。多相ac电力经过整流器340和350，以产生dc电力。dc电力然后经过变压器360和370，并且然后经过滤波器380，以便在发电机端子390上产生输出dc电力。

图4是用于电机200和300(分别在图2和图3示出)的相图400。相图400包括用于六相电机的相位图410和驱动相位图420。

在生成相位图410中，示出与六个主绕组对应的六相：a1、b1、c1、a2、b2和c2。六相设置成两个三相集合，其中三相的每个与其他相偏移120度。此外，三相集合相互相移30度。在生成期间，在六相的每个生成ac电压，每相相互相移。

在驱动相位图420中，示出主相a1、b1、c1、a2、b2和c2。驱动相位图420还示出辅助绕组x1、x2、y1、y2、z1和z2。驱动相位图420还示出，当辅助绕组耦合到主绕组时，六相电机变换为具有相a、b和c的三相电机。相a是主相a1和a2以及辅助相y1和y2的组合。当主绕组a1耦合到辅助绕组y1时，相应相位和幅度的求和是相a的相位和幅度。同样，当主绕组a2耦合到辅助绕组y2时，相应相位和幅度的求和是相a的相位和幅度。类似地，相b是主相b1和b2以及辅助相x1和x2的组合，并且相c是主相c1和c2以及辅助相z1和z2的组合。

辅助绕组x1、x2、y1、y2、z1和z2的每个设计成使得其相位和幅度与主绕组a1、b1、c1、a2、b2和c2其中之一的矢量和将产生与主绕组的另一个的公共相位和幅度。例如，如驱动相位图420所示，辅助绕组y1具有线圈长度、匝数、线圈节距和槽位置，使得它产生相位和幅度，其在与主绕组a1耦合时产生相a的相位和幅度，其是与主绕组a2和辅助绕组y2的求和的公共相位和幅度。

在备选实施例中，辅助绕组x1、x2、y1、y2、z1和z2耦合到主绕组a1、b1、c1、a2、b2和c2的一个三相集合。例如，辅助绕组y耦合到主绕组a2，其中相y和a2的矢量求和为a1。不是引起中间相a，如驱动相位图420所示，公共相位和幅度而简单的是相a1。

图5是使用诸如电机102、200和300(分别在图1、图2和图3中示出)之类的电机的示范方法500的流程图。现在参照图1、图2和图5，方法500开始于开始步骤510。在生成步骤520，在定子104的主绕组210生成六相ac电力。在某些实施例中，六相ac电力经过整流器、变压器和滤波器，以产生dc输出电压。

在耦合步骤530，辅助绕组220通过开关260耦合到主绕组210。辅助绕组220和主绕组210的耦合引起六相到三相的转换，其促进将辅助三相电力施加到主绕组210和辅助绕组220供进行驱动。在驱动步骤540，电机102在使用三相的辅助三相电力进行驱动。方法500结束于结束步骤550。

上述多相电机提供多相电力生成和三相驱动能力。本文所述的电机在进行驱动的同时利用一组辅助绕组。辅助绕组设计成具有特定相位和幅度，使得它们各与对应主绕组相结合，以便将多相电机转换成三相电机，由此促进辅助三相输入电力下进行驱动。辅助绕组在生成电力的同时断电。本文所述的电机还包括功率电子器件，非限制性地例如整流器、滤波器和变压器，以将所生成多相ac电力转换成dc输出电压。

本文所述的方法、系统和设备的一个示范技术效果包括下列至少一个：(a)单个电机封装中的三相驱动和多相电力生成；(b)减少用于电力调节和相移的必要功率电子器件；(c)通过消除功率电子器件来减少电力系统的重量；(d)将整流器、变压器和滤波器结合到电机封装中；(e)经过消除有损功率电子器件来改进电力系统的效率；以及(f)经过重量减少来改进总体系统的效率。

用于多相电机的方法、系统和设备的示范实施例并不局限于本文所述的具体实施例，而是可单独并且独立于本文所述的其他组件和/或步骤来利用系统的组件和/或方法的步骤。例如，方法还可与其他非常规多相电机结合使用，而并不局限于仅采用如本文所述的系统和方法来实施。示范实施例而是能够结合可获益于降低的成本、降低的复杂度、商业可用性、高温下的改进可靠性和增加的存储器容量的许多其他应用、设备和系统来实现和利用。

虽然本公开的各个实施例的具体特征可在部分附图中示出而在其他附图中未示出，但是这只是为了方便起见。按照本公开的原理，可与任何其他附图的任何特征结合引用和/或要求保护附图的任何特征。

本书面描述使用包括最佳模式的示例来公开实施例，并且还使本领域的技术人员能够实施实施例，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本公开的专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包括具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们落入权利要求的范围之内。

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