可变线圈配置系统、装置以及方法

专利名称：可变线圈配置系统、装置以及方法
技术领域：
本发明总体涉及带有多个线圈或绕组的电动机器(例如，发电机、电动机)，并且更具体地涉及对多级电动机器的线圈或绕组进行配置的系统、装置以及方法。
背景技术：
对于常规的流体流动发电涡轮系统，例如风机系统，其中，能量来源是可变的 (即，流体速度和/或流体的流动率是随时间变化的)，从能量源中所获取的能量的量值可能仅是全部可获取能量的一部分。例如，在典型的风电场中，这一部分可以是全部可获取能量的一半或者更少。通过一个可变速度的常规涡轮机/发电机/变压器系统的功率流由于发电机、功率转换器(如果存在)和/或输出变压器的极限而被限制在能够被输出的功率范围内，即从最小输出功率至额定输出功率。这种限制的产生是因为常规的电磁发电机在较低的功率级别下具有降低了的效率，就如同功率转换器(如果存在)以及尤其是将功率连接至电负载的变压器所做的那样。其结果是，对于常规可变速度的涡轮机/发电机/变压器系统，通常作出了一种工程设计决定来对发电机(以及任何相关联的功率转换器、功率调节器或者功率滤波器，如果存在)以及相关联的输出变压器的功率额定值进行限制，从而在功率的一个受限的范围内优化效率。因此，在正常运行流体速度的这些极值下，即，在低的流体速度并且尤其是在高的流体速度下，与在其他情况下可能从流体能量源获取的功率相比较， 连接进入涡轮机的功率更少。对于具有涡轮机直径以及可能的轴向长度的一个给定的设计而言，这转化为随时间获取的能量少于涡轮机能够传递到发电机的能量。在能量源具有驱动涡轮机的可变流体速度并且在涡轮机可以具有可变转速的情况下，为了增加能量的获取，可以在涡轮机系统中使用一种多级发电机。多级发电机是作为电力发电机来运行的一种电动机器，这种电力发电机从原动机(prime mover)取得机械能并且通常以交流(AC)电的形式产生电能。在美国专利号7081696以及美国专利申请公开号2008088200中披露了这样的一种多级发电机。多级发电机与常规发电机相比的一个优点是多级发电机能够根据涡轮机的功率输出而动态地确定大小。在一个有限的流体速度范围上，常规发电机在从能量源获取能量时是有效的，而多级发电机由于分级的功率特性能够在能量源的一个扩展的流体速度范围上获取能量。从多级发电机产生的电功率在本质上是可变的，意味着所产生的这些输出功率波形可以例如在以下方面随着时间变化电压幅值；电流幅值；相位；和/或频率。另外，多级发电机可以包括多个感应元件，这些感应元件分别产生其本身的功率波形，而这种功率波形会在电压幅值、电流幅值、相位、和/或频率方面不同于发电机内其他感应元件所产生的功率波形。电负载(例如电业电网)可能不能直接耗用由多级发电机产生的这种电功率， 因为所产生的这种功率可能还不是处于像这种电负载可能要求的一种适合的形式(例如相对于作为时间函数的波形形状、电压幅值、电流幅值、相位、和/或频率)。电负载(例如公用电网)典型地期望从一个涡轮机发电系统得到一种单相、或者分相、或者三相的电压或者电流波形，而这种波形通常是正弦的并且是相对稳定的。然而，多级发电机典型地产生变化的波形。过去对于维持来自这样的发电机的一种一致的输出电压范围的多种尝试已经要求了将多个发电机(每个发电机被优化而针对一个具体的输入范围)连接到一起，或者要求了复杂的切换网络。这些解决方案既昂贵又复杂，这进而使得它们较不可靠并且限制了可供使用的切换范围。美国专利号3，984，750致力于一种交流发电机整流单元，其中，独立的三相绕组被连接到用于进行串并联切换而配置的多个单独的整流器上以便改进电流-电压特性。值得注意的是，这样就会在整流器的直流(DC)侧来实施切换。这样的电路是与相对高的损耗相关联的，从而会经历四个二极管电压降。而这样并没有超出单一线圈配置的切换。美国专利申请号2007/0182273描述了用于将发电机线圈配置成不同的串联/并联组合的电路。该公开具有使用14个开关来配置的4个线圈。每个开关承载多重线圈负载，直至在并联情况下达到全截面电流。对于串联情况，该系统在电路中使用了 12个开关， 并且在并联的情况下在电路中使用了最多达10个开关。多个独立的感应元件的概念以及将这样的多个元件电配置成不同的构造的这种能力提供了多个有利之处，然而，这样的一种设计的生产可能是难题并且是昂贵的。如果机器的这些感应元件的接线输出被独立地接到一个共用的配置控制器上，则导线的数目就会变得难以管理。例如，如果发电机每个堆叠具有50个线圈(即，50个感应元件)，则就会导致100条导线连接至每个堆叠。对于六堆叠机器而言，将会使用600条导线，它们都必须妥当地连接到一个单一配置控制器上的多个适当的触点上。而在组装过程中追踪这些导线会非常困难，并且存在所导致的大量其他难题。期望具有允许电动机器的可变线圈配置的新的系统、方法和装置。

发明内容
本系统和方法的多个实施方式包括一个可变配置控制器(被称为“VCC” )系统和方法以便将多重发电机线圈绕组连接成变化的串联或者并联组合从而响应于变化的输入轴速度来维持一种相对一致的输出电压(例如，在一个2 1的范围内)。这种VCC可以与不同的电动机器一起使用，例如单相或者多相发电机，并且从来自一个感应元件的每个AC 相位中提供一个整流过的DC输出。这种DC输出可以任选地与一个功率因数校正(“PFC”) 电路一起使用以便通过将电流波形平滑为近似的正弦曲线来增加发电机的运行效率。这些系统、装置和方法允许以多种可变的串联/并联组合来配置多重线圈或者绕组。这些系统、装置和方法还可以允许在与整流的串接中对串联和并联的多个线圈或者绕组进行切换，而不是在整流后在DC侧进行切换。这可以通过使用比先前所述系统中更少的开关来实现。事实上，并联配置能够通过无开关或者通过这些开关开路来实现。一种可变线圈配置系统可以被概括为包括多个桥式整流器以及一个第一数目的开关，这些桥式整流器分别具有在该对应的桥式整流器的AC侧上的一对AC节点以及在该对应的桥式整流器的DC侧上的一对DC节点；该第一数目的开关中这些开关分别处于这些桥式整流器中的一个对应的桥式整流器的AC侧上，其中，当该第一数目的开关中的一个对应的开关打开时并且至少两个线圈未经历一种开路情况、一种低电压情况或一种短路情况时这些桥式整流器分别将至少两个线圈连接成彼此电并联，并且在该开关闭合时该第一数目的开关中的这些开关分别是可操作的以便选择性地将该至少两个线圈电连接成彼此电串联。当该电动机器的这些线圈中的一个对应的线圈经历一种短路情况、一种低电压情况或一种开路情况时，这些桥式整流器可以自动地将这些线圈中的该对应的线圈与该电动机器的这些线圈中的至少一个另外的线圈电隔离开。当该电动机器的这些线圈中一个对应的线圈经历一种短路情况、一种低电压情况或者一种开路情况时，这些桥式整流器可以自动地将这些线圈中的该对应的线圈与该电动机器的这些线圈中的至少一个另外的线圈电连接成串联。该第一数目的开关可以是基于半导体的多个开关(例如，三端双向可控硅开关 (TRIAC)、IGBT、FET、SSR)。该可变线圈配置系统可以进一步包括一个控制器，该控制器被配置为在一个对应电流的一个对应的过零处对这些三端双向可控硅开关进行切换。对于该电动机器的这些线圈中的每一个线圈，该可变线圈配置系统可以包括一个基于半导体的开关，并且可以进一步包括一个第二数目的开关，该第二数目的开关中的开关分别是可操作的以便当该开关被开路时将该至少两个线圈连接成彼此电并联，并且可操作以便使该至少两个线圈在当该开关被打开时彼此处于电并联与当该开关被闭合时彼此处于电串联之间选择性地进行连接，该第二数目的开关的这些开关是在该对应的桥式整流器的AC侧上并且与该第一数目的开关中的对应的多个开关处于电并联，其中，该第一数目的开关的这些开关与该第二数目的开关的这些开关相比是动作更快的，并且该第二数目的开关的这些开关具有的相关联的电损耗低于同该第一数目的开关的这些开关相关联的电损耗。该第二数目的开关可以是多个机械式开关(例如，机械继电器、接触器)。该电动机器的这些线圈中的每一个线圈都可以有一个机械式开关。该多个桥式整流器的所有桥式整流器都可以被连接到一个共用的散热器Oieat sink)。该可变线圈配置系统可以进一步包括一个功率因数校正电路，该功率因数校正电路在该可变线圈配置系统的一个DC输出处施加一个功率因数校正。多个主动开关可以被选择性地操作为对从一个DC总线的电流到这些线圈的一个电流流动进行反向以便将该电动机器作为电动机来运行。该可变线圈配置系统可以进一步包括一个附加的桥式整流器，该附加的桥式整流器被连接到由该第一数目的桥式整流器的桥式整流器形成的一个串列的一端，以便将该可变线圈配置与一个第二可变线圈配置系统连接成电并联；至少一个附加的开关，该至少一个附加的开关是可操作的以便选择性地将该可变线圈配置与该第二可变线圈配置系统连接成电串联；以及一个连接器，该连接器被配置为将该第二可变线圈配置系统可拆分地电连接至该可变线圈配置系统上。一种操作可变线圈配置系统的方法，该可变线圈配置系统包括多个桥式整流器， 这些桥式整流器分别具有在该对应的桥式整流器的AC侧上的一对AC节点以及在该对应的桥式整流器的DC侧上的一对DC节点，以及一个第一数目的开关，该第一数目的开关中的开关分别处于这些桥式整流器的一个对应的整流器的AC侧上，该方法可以被概括为包括通过这些桥式整流器中的一个对应的桥式整流器选择性地将该电动机器的至少两个线圈连接成彼此电并联；以及通过该第一数目的开关中的一个对应的开关选择性地将该电动机器的至少两个线圈连接成彼此电串联。通过这些桥式整流器中的一个对应的桥式整流器选择性地将该电动机器的至少两个线圈连接成彼此电并联可以包括在第一时刻选择性地将两个第一线圈连接成彼此电并联，并且其中，通过该第一数目的开关中的一个对应的开关选择性地将该电动机器的至少两个线圈连接成彼此电串联可以包括在不同于该第一时刻的第二时刻选择性地将该两个第一线圈连接成彼此电串联。通过这些桥式整流器中的一个对应的桥式整流器选择性地将该电动机器的至少两个线圈连接成彼此电并联可以包括在第一时刻选择性地将第一对线圈的两个第一线圈连接成彼此电并联，并且其中，通过该第一数目的开关中的一个对应的开关选择性地将该电动机器的至少两个线圈连接成彼此电串联可以包括在该第一时刻过程中选择性地将不同于该两个第一线圈的两个第二线圈连接成彼此电串联。该方法可以进一步包括通过一个控制器在一个对应的电流的相应过零处对该第一数目的开关中的这些开关的一个状态进行切换。该方法可以进一步包括当该电动机器的这些线圈中的一个对应的线圈经历一种短路情况、一种低压情况或一种开路情况时，通过这些桥式整流器中的一个对应的桥式整流器自动地将这些线圈中的该对应的线圈与该电动机器这些线圈中的至少一个另外的线圈电隔离开。该方法可以进一步包括当该电动机器的这些线圈中的一个对应的线圈经历一种短路情况、一种低电压情况或者一种开路情况时，自动地将这些线圈中的一个对应的线圈与该电动机器这些线圈中的至少一个另外的线圈电连接成串联。该可变线圈配置系统可以进一步包括一个第二数目的开关，该第二数目的开关的这些开关分别是在这些桥式整流器中的一个对应的桥式整流器的AC侧上并且与该第一数目的开关的这些开关中的一个对应的开关处于电并联，其中，该第一数目的开关的这些开关与该第二数目的开关的这些开关相比是动作更快的，并且该第二数目的开关的这些开关具有的相关联的电损耗低于与该第一数目的开关的这些开关相关联的电损耗，并且该方法可以进一步包括对于该电动机器通过该第一数目的开关的这个对应的开关而彼此电连接成串联的这些线圈而言，通过该第二数目的开关的这些开关中的一个对应的开关进一步地将该电动机器的这些线圈连接成彼此电串联是立即跟随在通过该第一数目的开关的这个对应的开关而连接成彼此电串联之后。该方法可以进一步包括在该可变线圈配置系统的一个DC输出处对一个电流的功率因数进行校正。该方法可以进一步包括选择性地使从一个DC总线至这些线圈的电流反向以便将该电动机器作为电动机来运行。该方法可以进一步包括将一个第二可变线圈配置系统可拆分地电连接至该可变线圈配置系统。通过该第一数目的开关中的一个对应的开关选择性地将该电动机器的至少两个线圈连接成彼此电串联可以包括选择性地将该电动机器的至少两个线圈通过一个对应的三端双向可控硅开关、一个绝缘栅双极型晶体管、一个场效应晶体管或一个固态继电器而连接成彼此电串联。一种可变线圈配置系统可以被概括为包括多个桥式整流器，对于一个电动机的每对线圈而言至少存在一个桥式整流器，这些桥式整流器分别具有在该对应的桥式整流器的 AC侧上的一对AC节点以及在该对应的桥式整流器的DC侧上的一对DC节点；以及一个第一数目的开关，该第一数目的开关的这些开关分别是可操作的以便将对应的多对线圈从在该开关打开时所处的电并联选择性地电连接成在该开关闭合时所处的彼此电串联，而该第一数目的开关的这些开关中的每一个都是在这些桥式整流器的一个对应的桥式整流器的AC 侧上。一种可变线圈配置系统可以被概括为包括多个桥式整流器，对于一个电动机的每对线圈而言至少存在一个桥式整流器，这些桥式整流器分别具有在该对应的桥式整流器的 AC侧上的一对AC节点以及在该对应的桥式整流器的DC侧上的一对DC节点；以及一个第一数目的开关，该第一数目的开关的这些开关中分别处在这些桥式整流器中的一个对应的桥式整流器的AC侧上，其中，当该第一数目的开关中的一个对应的开关打开并且对应的一对线圈的这些线圈未经历一种开路情况、一种低电压情况或者一种短路情况时这些桥式整流器分别将该对应的一对线圈的这些线圈连接成彼此电并联，并且在该开关闭合时该第一数目的开关中开关分别是可操作的以便选择性地将该对应的一对线圈的这些线圈连接成彼此电串联。一种操作可变线圈配置系统的方法，该可变线圈配置系统包括多个桥式整流器， 对于一个电动机器的每个线圈而言至少存在一个桥式整流器，这些桥式整流器分别具有在该对应的桥式整流器的AC侧上的一对AC节点以及在该对应的桥式整流器的DC侧上的一对DC节点，以及一个第一数目的开关，该第一数目的开关的这些开关分别是在这些桥式整流器对应的一个整流器的AC侧上，这种方法可以被概括为包括通过这些桥式整流器中的一个对应的桥式整流器选择性地将该电动机器的至少一对线圈连接成彼此电并联；以及通过该第一数目的开关中的一个对应的开关选择性地将该电动机器的至少一对线圈连接成彼此电串联。通过这些桥式整流器中的一个对应的桥式整流器选择性地将该电动机器的至少一对线圈连接成彼此电并联可以包括在第一时刻选择性地将一个第一对线圈连接成彼此电并联，并且其中，通过该第一数目的开关中的一个对应的开关选择性地将该电动机器的至少两个线圈连接成彼此电串联可以包括在不同于该第一时刻的一个第二时刻选择性地将该第一对线圈的这两个线圈连接成彼此电串联。通过这些桥式整流器中的一个对应的桥式整流器选择性地将该电动机器的至少一对线圈连接成彼此电并联可以包括在第一时刻选择性地将一个第一对线圈的两个线圈连接成彼此电并联，并且其中，通过该第一数目的开关中的一个对应的开关选择性地将该电动机器的至少一对线圈连接成彼此电串联可以包括在该第一时刻过程中选择性地将不同于该第一对线圈的一个第二对线圈的两个线圈连接成彼此电串联。该VCC系统有利地利用AC侧并联/串联切换，并且与桥式整流器的AC/DC整流， 以及DC/DC阻塞性能相结合。在这些AC侧开关(例如，继电器(RELAY)、IGBT、SSR、或者任何其他开关)执行这种切换动作的一部分时，这些二极管整流器桥执行串联组合、中间步骤点的隔离、以及适当线圈端子而且只是这些端子连接至输出。因此，这些二极管整流器桥不仅允许AC-DC整流，而且允许并联电流分担、中间步骤隔离、以及这些“端点”至DC总线输出的导通。在此阐述的这种VCC系统避免了与其他装置相关联的高损耗。例如，与在美国专利3，984，750中所述的四个二极管压降相比，这种VCC系统只产生两个二极管压降而不管使用了或者配置了多少个串联/并联线圈。在此阐述的这种VCC系统还采用了一种相对简单的切换模式。这有利地避免了使用大量开关的这种复杂的切换模式以及相关联的损耗，例如在美国专利申请公开号 2007/0182273中说明的。与使用在此阐述的这种VCC系统所能实现的这种1 1的比例相比，所描述的装置对四个线圈使用了 4个至12个串联开关元件。此外，美国专利申请公开号2007/0182273的装置要求这些开关触点承载所有线圈的并联电流。相比之下，在此阐述的VCC系统则要求这些开关触点按照每个开关仅承载一个线圈的串联电流。这是一种显著的优点，因为这减小了功率损耗，并且允许使用较低标称的开关。而且进一步，在此阐述的VCC系统对开路和短路线圈提供了一些固有的容错能力。例如，如果一个给定线圈短路，或者具有一个比其他线圈更低的输出电压，这些二极管桥式整流器会将这个线圈与并联组合隔离开。在该短路线圈与其他线圈处于串联组合的情况下，如果存在其他串联-并联电路则整个线圈串可以与输出隔离开，或者如果只存在一个串联线圈串(即，所有线圈处于串联模式)输出电压可以被减小。重要的是，在任何情况下这种输出都不会被短路的线圈降载，如在美国专利申请公开号2007/0182273所阐述的 AC侧切换类型的装置中可以发生的。又例如，如果一个给定线圈开路，这些二极管桥式整流器会将这个线圈与并联组合隔离开。在开路线圈与其他线圈串联组合的情况下，包括这个开路线圈的整个线圈串会与输出隔离开。使用时，一个双元件三端双向可控硅开关/继电器开关组合提供了进一步的优点。具体是，半导体元件的快速切换(例如，三端双向可控硅开关，或者IGBT，或者FET，或者SSR)允许过零切换。这控制了瞬态过程并且延长了开关寿命。与此同时，继电器触点的低功率损耗意味着这种VCC系统明显较高的切换效率。这种组合增加了额外的费用和复杂性，但是这种VCC系统以其要求每个线圈具有少至一个单一(S卩，一个)的开关并且仅要求这个开关仅对这个线圈承载串联电流而独树一帜。因此，这种额外的费用和复杂性是可接受的。而且，这种VCC系统可以有利地为一个给定VCC中的所有二极管桥式整流器采用一种共用的热交换结构(例如，散热器)。这可以便于在多个并联的线圈之间维持相等的电流分担。具体是，一种共用的热交换结构使所有二极管保持一个大致相等的温度，因此它们的正向电压降也保持相等。这种相等的正向电压降有助于维持相等的电流分担。


在附图中，相同的参考数字表示相同相似的元件或动作。在附图中多个元件的尺寸和相对位置并不是一定按比例绘制的。例如，不同元件的形状和角度并非按比例绘制的， 并且这些元件中的一些被任意放大和定位以便提高附图的清晰度。此外，所绘制的这些元件的具体形状并不旨在表达这些具体元件的相关的实际形状，并且已经仅仅被选定用于简化在这些附图中进行识别。而这些不同实施方式通过实例的方式而不是通过在这些附图中的限定来进行说明的。
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图IA至图IH是示出了根据一个所示的实施方式的可变配置控制器系统的多个功率电路的示意性电路图，该可变配置控制器包括多个桥式整流器、一个第一数目的开关 (处于三端双向可控硅开关形式)、一个第二数目的开关(为继电器形式，在对应的多对线圈之间与这些三端双向可控硅开关并联连接)，以及一个相关联的第六开关电路，用于以模块的形式耦接至另一个电路板上。图2A至2F是示出了控制电路的部分表示的一个电路示意图，该控制电路用于根据另一个所示的实施方式的可变配置控制器系统。图3是示出了根据一个所示的实施方式的被配置为输出至一个共用负载的两个双线圈可变配置控制器系统的电路示意图。图4是一个部分断开的俯视图，其示出了根据一个所示的实施方式的一个电路板和一个散热器(heat sink)，并且示出了这种可变配置控制器系统的不同元件在一个电路板上的实际布局。图5是示出了根据一个所示的实施方式的、一种操作可变配置控制器系统以便实现串联/并联切换以及整流的方法的一个流程图。
具体实施例方式在下面的描述中，描述了某些具体细节以便对于所披露的不同实施方式提供透彻的了解。然而，相关领域的技术人员应理解到无需这些具体细节中的一项或多项或者通过其他的方法、部件、材料等就可以对实施方式加以实践。在其他情况下，并没有对与电动机器(例如，发电机、电动机)、控制系统、和/或功率转换系统(例如，变流器、逆变器、整流器)相关联的众所周知的结构进行展示或者阐述以避免对这些实施方式的说明产生不必要的混淆。除非上下文另有要求，否则在整个说明书以及随后的权利要求书中词语“包括”及其变体(例如“包括有”和“包括了”)应理解为一种开放性的、概括性的意义，即“包括但不
限于”。贯穿本说明书引用的“一个实施方式”或者“一实施方式”意味着与这个实施方式相联系地阐述的一个具体的特征、结构或者特性是包括在至少一个实施方式中的。因此，短语“在一个实施方式中”或者“在一实施方式中”在整个说明书中不同地方的出现并不都必须指的是同一个实施方式。此外，这些具体的特征、结构、或者特性可以用任何适当的方式组合成一个或多个实施方式。除非上下文明确地另有说明，否则如在本说明书和所附权利要求中所使用的单数形式“一个”、“这个”以及“该”包括复数的指代物。还应该指出，除非上下文明确地另有说明，否则术语“或”在其意义中包括了 “和/或”而被广泛采用。本发明在此提供的这些标题和摘要仅是为了方便而并不对这些实施方式的范围或含义加以解释。在这些附图中，以下这些电路元件是用相应的参考标号来表示的VCC 系统1桥式整流器D1-D5， 统称为10线圈连接器模块J1-J6，统称为20
半导体开关，例如三端双向可控硅开关 Q1-Q5，统称为30缓冲网络40继电器50扩展端口55门(GATE)驱动70DC总线输出连接80控制器90模拟多路转换器100RS485 接口110电源120放大器130散热器140VCC系统1(图IA至图1H，图2A至图2F)是一种功率电子系统，它被配置成以不同的串联和并联组合来调整多重感应元件(例如电动机器的多个线圈绕组(例如，发电机、 电动机))以便响应于变化的输入轴速度来维持一种相对恒定的输出电压。电动机器可以使用永磁体、电磁体、混合线圈并且可以是有铁心或无铁心的。虽然每个相位是由一个单独的电路实施方式来独立地管理的，但VCC系统1可以与多相电动机器一起使用。VCC系统1 能够从每个AC相输入中提供整流过的DC输出，其中，这种VCC系统1主要倾向于与一种后续的功率因数校正(PFC)电路一起使用。然而，也可以使用VCC系统1而无需在DC输出上的PFC。可以使用在DC输出处带有PFC或带有一个无PFC的单DC输出的VCC系统1。VCC 系统1的一个替代实施方式能够输出AC。这种VCC系统1可以单独地使用多个装置或元件或者协同地使用它们来进行操作以将电动机器中的这些线圈连接成电串联和/或电并联。这些装置或者元件可以包括三端双向可控硅开关、继电器(例如，固态继电器)、桥式整流器、晶体管以及它们的组合。这种串联线圈的配置能够通过用任何适合的手段将一个线圈绕组的顶侧连接到下一个线圈绕组的底侧来实现。VCC系统1可以与一个功率转换系统一起工作，例如在美国临时专利申请号 60/094，007中阐述的这种功率转换系统和方法。桥式整流器图1示出了根据一个所示的实施方式的VCC系统la。VCC系统Ia包括多个桥式整流器Dl-D6(统称为10)。每个桥式整流器10对应于一个线圈，桥式整流器10从这个线圈中被电连接以便接收AC输入。这些线圈可以通过适合的连接器J1_J6(统称为20)来连接。在一种六个线圈的实施方式，可以存在六个桥式整流器10(如图IA和图IB中所示出的)。这些桥式整流器10可以为VCC系统Ia提供几种功能，包括1. AC到DC转换(S卩，整流)。如果使用了后续的PFC电路就需要AC到DC转换。2.使用二极管偏压来进行线圈串联与并联的切换。当这些线圈以串联而连接在一起时，桥式整流器10中的多个不同的二极管就在一种适当的配置中导通并且能够因此将线圈与总线隔离开，并且由此防止线圈短接到总线错误的一侧。因此桥式整流器10与一个串联开关一起作为开关来起作用，例如一种半导体类型的开关(例如用于交变电流的三极管，三端双向可控硅开关)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、场效应晶体管(FET)、或者固态继电器(SSR，Q1-Q5，统称为30)或者继电器K1-K5 (统称为50)。3.与线圈阻抗一起分担线圈电流。这些桥式整流器10起初使这些线圈保持并联。 如果线圈电压大致相等，则到这些输出的电流被分担在这些线圈之间。如果一个线圈具有一个高于其他线圈的电压，则这个线圈就向输出提供全部电流，而那些具有较低电压的线圈则与输出隔离开。假定这些线圈不具有精确相同的电压，如果这些线圈具有大致相等的阻抗，则就能够在多个线圈之间维持这种负载电流的分担。在VCC系统la、Ib的一个实现方式中，这些桥式整流器10可以是多个GBU8U装置， 这些装置分别能够以8A、600V运行。这就要求一个适当的散热器。在六并联线圈模式中， 在48ARMS(6X8A)时最大输出功率为420V RMS (600VDC峰值)，或者20. 2kW是可能的。如果只存在六个线圈，则这种六并联线圈模式就代表了 VCC系统Ia有可能提供的最大输出功率。在220V RMS、48A RMS处，六并联线圈模式的最大输出为10.6kW(每相)。因此，桥式整流器10涉及提供这种线圈串联与并联切换的功能。桥式整流器10 还将AC电流转换为DC电流以便由一个DC总线接收用于传输至一个电负载。而且，如果一个线圈发生内部短路，其较低的输出电压导致其连接的这个桥式整流器10反向偏压，从而自动地将这个线圈与输出电路隔离开。同样，在所有的线圈都正常作用时，如果一个线圈关闭，则适当的桥式整流器10会自动地将这个线圈与输出电路隔离开。如果基于原动机和/或负载的要求而选择三并联线圈模式作为一个额定工作点， 则这种六并联线圈模式可以为了峰值负载处理而用作超速或者超转矩运行。在这种情况下，在额定工作点的工作点电流应该从8A降低以便允许峰值负载下的较高电流处于桥接二极管的标称值(rating)内。如果对于这个额定运行电平而选定了 6A，则220V的额定功率为220VX6A RMSX3 = 3. 96kW每相。因此这些桥式整流器10的二极管的标称值可以至少是15A。可以跨越一个或多个桥式整流器10布置多个主动开关(未示出)。这些开关可以是FET、IGBT、双极晶体管、或者任何其他适合的高速运行的DC切换装置。这些开关可以是脉宽调制的(PWM)以便将可变的DC电压从输出总线应用于这些线圈连接器框20，由此能够将发电机运行转换或者改变成一种速度控制的电动机运行。尤其，这些开关(未示出)可以在适当的时刻对从DC总线到电动机器的这些线圈的电流流动进行反向以便提供适合用于电动机运行的一种旋转磁场。半导体开关半导体开关30可以采用多种形式，例如三端双向可控硅开关、IGBT、FET、SSR。三端双向可控硅开关是一种用于AC电流的双向电子开关，该开关在任一方向上传导电流。这种三端双向可控硅开关导通并且锁定(即，保持开)直至移除电流负载，这例如可以发生在过零处或者电流的最小电平处。如图1所示，可以使用五个半导体开关30，例如三端双向可控硅开关(分别被标记为Ql至Q5)来控制电动机器的六个线圈。这些三端双向可控硅开关Q1-Q5能够被控制器 90 (图2D)单独地控制以便使得在一个六线圈机器中能够实现如下所示的串联与并联的线圈组合1.六个并联线圈所有的三端双向可控硅开关Q1-Q5都是关闭的。
2.三个并联线圈，分别有两个串联线圈三端双向可控硅开关Ql、Q3、Q5是打开的；三端双向可控硅开关Q2和Q4是关闭的。3.两个并联线圈，分别有三个串联线圈三端双向可控硅开关Q1、Q2、Q4、以及Q5 是打开的，三端双向可控硅开关Q3是关闭的。4.四个串联线圈Q1、Q2、Q3 ；或Q2、Q3、Q4或Q3、Q4、Q5是打开的。其他的三端双
向可控硅开关是关闭的。5.五个串联线圈三端双向可控硅开关Ql、Q2、Q3、Q4或者三端双向可控硅开关 Q2、Q3、Q4、Q5是打开的。另一个三端双向可控硅开关是关闭的。6.六个串联线圈三端双向可控硅开关Ql、Q2、Q3、Q4、Q5(所有的三端双向可控硅开关)都是打开的。由于通过三端双向可控硅开关30的“过零切换”而实现的较低电流波形失真，即， 当从被切换的线圈所提取的AC电流波形处于其最小值时，由三端双向可控硅开关30控制的线圈串联配置提供了改进的运行。VCC系统1还可以包括多个继电器开关50，它们可以独立地操作或者与三端双向可控硅开关30 —起操作。例如，图1所示的这种VCC系统包括五个继电器开关(分别被标记为K1-K5)，每个继电器开关都与这些三端双向可控硅开关Q1-Q5中一个对应的开关处于电并联。继电器开关50在切换时提供低的损耗等级，但在对一个切换指令的反应中切换得较慢(即，改变状态)。三端双向可控硅开关30对多个切换指令快速地作出反应但与继电器开关50相比具有更高的损耗。因此，三端双向可控硅开关30和继电器开关50 二者的使用有利地允许使用一种多步骤切换过程。适当的三端双向可控硅开关30首先做出反应并且相应地切换状态。接下来，对应的继电器开关50切换或者改变状态，从而接过这个负载。 为此目的，对应的三端双向可控硅开关30脱开，直至发生下一个切换或者改变。VCC系统1可以采用多个简易牛角连接器(box header)(例如，10X2) Jll (图 ID)、J12(图1E)，以便在控制器90(图2D)与多个其他不同的VCC系统元件之间(例如三端双向可控硅开关Ql-Q5(图1A、图1B)以及继电器Kl-K5(图1Α、图IB))提供选择性地可拆分的通信连接。各个门驱动电路70a_70f (图1H，统称为70)在每个过零处重复以便确保三端双向可控硅开关30的“开启”控制。仅在过零处来改变三端双向可控硅开关30的多个驱动信号6_01-6_05还防止了意外的串联配置(这种过零检测确保除了那些带有门驱动的三端双向可控硅开关外，所有其他的三端双向可控硅开关30都是“关闭”的)。这些过零检测电路可以使用电压和电流输入的A/D转换以及用于平均和过零估计以增加鲁棒性和频率范围的一个数字滤波器。在控制器90(例如，U101，图2D)中可以在数字信号处理过程中通过测量经过多路转换器100(例如，U4、TO，图2A和图2B)、信号放大器130(图2A和图2B)和缓冲器U7 (图2A、图2B)、以及控制器90 (例如，UlOl，图2D)中的处理器内部A/D转换器的电压VM0N1-VM0N6以及电流CM0N1-CM0N6来执行过零检测。一个电流监测电路可被提供用于过零检测。这个电流监测电路可以用于三端双向可控硅开关30的过零触发器切换。具体地，多个电流监测电阻R49-R54(图IA和图1B)在每个线圈中提供与电流流动成比例的一个电压降，这种电压降是由多路转换器100(例如， U4、U5，图2A和图2B)选择的、由放大器130放大的、并且由控制器90 (例如，U101,图2D)内的A/D转换器转换为数字表示的。在100欧姆且0. 1微法的网络中，多个缓冲网络40 (在图IA和图4中仅表现出了一个)横跨每个三端双向可控硅开关30。这些缓冲网络40吸收电压瞬变，这些电压瞬变在其他情况下可能会导致三端双向可控硅开关30在关闭或者过零点处的错误触发。缓冲网络40可以使用一个炭质电阻器，这种电阻器具有高脉冲处理能力(对于短脉冲而言为数 kff)但连续标称值只有1/2W。由于这种缓冲阻抗的连续功耗，100欧姆和0. 1微法的组合可以被限制为IkHz下的110VAC或者500Hz下的220VAC。VCC系统1的更高电压运行要求降低阻抗和电容值。这种缓冲器可以被设计用于更大的电压，例如，47欧姆且0. 033微法的缓冲器将允许用于IkHz下的500VAC。在连接到负载时，这些桥式整流器10也可以作为缓冲器起作用而用于跨过这些切换元件的瞬变能量，而不管这些元件是三端双向可控硅开关30、继电器触点50、或者是晶体管。这样一种配置可以省去对于缓冲网络40的需求。此外，还存在多种不要求缓冲网络40的三端双向可控硅开关30可供使用(例如那些与商标ALTERNISTOR 相关联进行销售的三端双向可控硅开关)。门驱动电路70可以包括隔离变压器Τ1_Τ6(图1Η)、耦合电容器(未示出)(例如 0. 47微法的AC耦合电容器)、以及跨过这些隔离变压器Τ1-Τ6而连接的耦合放电阻抗(未示出)(典型地为IOk)。这些数字控制输出电路通过变压器Τ1-Τ6与这些三端双向可控硅开关门处的高电压隔离开。此外，2 1的绕组比率提供了一种4 1的阻抗变换，这样使得控制器90可以提供高达所要求的50mA的三端双向可控硅开关门驱动电平。可以在门驱动电路70 (图1H)中包括74CT574缓冲器/驱动器/电平转换器电路U102、U103(图2C)。 这些电路U102、U103将控制器90与门驱动电路70的电源噪音隔离开，并允许一种到5V驱动的电平转换，以及释放多个输入/输出(I/O)管脚。例如，这些电路U102、U103可以将这种3. 3的处理器或者控制器90 (例如，U1，图2D)的逻辑电平转化为较高电流容量下的5V 电平，以适用于驱动功率电路板(即，VCC_PWR)的多个继电器驱动器U2、控制电路板(即， VCC_MCU)的多个LEDD101-D104(图2F)、以及功率电路板(S卩，VCC_PWR)的多个三端双向可控硅开关变压器T1-T6。可以跨过这些三端双向可控硅开关30添加多个继电器触点来减少损耗，但代价是增添了复杂性。这些触点可以是+24V线圈、IOA SPST触点。可以在VCC系统1中提供一个扩展端口 55。例如，在一个“末端”处(线圈堆叠的 “顶侧”或者“底侧”)的一个外加的三端双向可控硅开关Q6和/或继电器开关(如适当的话)K6允许了到另一个VCC系统模块的连接以便扩展线圈串联切换能力。这个“切换，，扩展端口 55可以被连接到下一个VCC系统模块的“无切换”侧(即，一个线圈堆叠的“顶侧” 连接到下一个线圈堆叠的“底侧”)。散热器如图4所示，VCC系统1可以包括一个热交换结构(例如，散热器、热扩散器和/或热管)140。可以使用多种被动和/或主动的热交换结构。热交换结构140能够提供至少三个功能。热交换结构140可以去除来自桥式整流器10的热量。热交换结构140可以去除来自三端双向可控硅开关30的热量。热交换结构140可以使得桥式整流器10的温度均等化，这可以有利于多个桥式整流器10之间的正常并联模式电流分担。
相对小的热交换结构140(例如一个小散热器)可以有能力进行小于50W的耗散， 这对于大于每相2kW的输出功率是适合的。电流监测放大器放大器130(图2A、图2B)可以为低压电流监测信号提供差分放大，而这种低压电流监测信号是在由短长度的导线或者印刷电路板的导电通路所形成的低数值(大致0. 004 欧姆)电流分路阻抗中产生的。放大器130可以具有为100的差分增益以及大约4V的输出范围，这导致了大约IOA的全标度电流能力(full scale current capability)。这些放大器电路由于电流分路阻抗值的变化而无需是精确的，但是它们旨在给出代表性的电流测量结果，这种结果对于过零检测(数字信号处理模式)、故障检测、以及运行报告是有用的。控制器控制器90(图2D)可以采取多种不同形式。例如，控制器90可以采取微控制器、微处理器、专用集成电路或者可编程门阵列的形式。例如，控制器90可以采取PIC16F883微控制器(UlOl)的形式。控制器90是VCC系统1的核心，其控制着运行，并提供了存储器、 处理器、A/D转换、数字I/O、计时功能以及串行通信。20MHz的时钟晶振可以导致5MIPS的指令执行速度。固件可能编程有大致1500行的汇编代码。微控制器代码可以具有C语言源，这将会提高可移植性和可读性并且增加VCC系统1处理更加复杂系统的能力。控制器90可以采取更高性能装置的形式，例如PIC18，这种装置将会提供更快的处理(10+MIPS)、用于信号处理的硬件乘法器、更快的A/D转换器、以及C语言代码支持，并且提供更多的内存和更高的速度。可以在代码中加入均方根(RMS)电流和电压测量，以便支持功率和功率因数(PF) 报告、允许在非单一的PF下的过零检测、提供故障检测支持、测量输入周期频率、并且自动地调整三端双向可控硅开关30的门驱动电路70的超时。控制器90可以使用一种子板配置，这将会允许主功率板(VCC PffR)具有3盎司或者4盎司的铜、符合大的导电通道/空间的设计原则并且带有通孔构造，而控制器板(VCC_ MCU)可以是1盎司铜的、带有多个表面贴装器件(SMD)的部件并且符合更精细的设计原则。 可以分别重新设计控制器90或者主功率板(VCC_PWR)，并且可以通过简单地更换这个模块而不是整个功率电路来处理固件升级。可以添加多个模拟多路转换器100(图2A、图2B)来对输入进行选择，以便到控制器90的其他模拟输入进行测量。例如，可以添加两个74HC4051 8_1模拟多路转换器，这要求15个模拟输入。这样可以有利地为控制器子板提供一种更简单的布局以及更少的连接。如先前已知的，可以使用一个配置扩展端口 55(如在图IB中所见)，其中，一个额外的继电器K6和/或三端双向可控硅开关Q6在二极管桥串的一端允许经由连接器J7将两个或更多的板单元连接到较大的线圈配置阵列。还将在多个子板之间使用一种相关联的控制器连接来控制同步。VCC系统1可以在功率板(VCC_PWR)上包括一个第一温度传感器R17 (图1D)以便监测热交换结构(例如，散热器)或其上的温度。VCC系统1可以在控制板(VCC_MCU)上包括一个第二温度传感器R19(图2B)以便监测周边环境中的温度。这些温度传感器R17、 R19之间的电压指示了温度。这些电压由多个模拟多路转换器100进行多路转换，由缓冲器 U7来缓冲，并且由控制器90 (例如，UlOl，图2D)内的A/D转换器来转换。
电源VCC系统1可以包括一个电源120(图1C)以便例如由8V至20V的输入电压提供一种稳定的板上5V供电。电源120可以(例如)包括一个峰值升压/补偿/反相开关稳压器，例如从德州仪器可商购的一个MC33063A开关稳压器。又例如，这个电源可以包括一个7805电压调节器。电流消耗可以小于0.2A。可以在一个单独的板上提供一种带有电池的电源(未示出)，这种电源提供了一种能力来管理暂时的低压输入周期而无需重启配置， 其是由发电机输出自供电的，并且如果其为+24V的话就是符合工业控制器标准的额定值。 另一个适合的电源可以是接收+24VDC额定输入并且提供+5VDC 0. 25A输出的一个电源，这种电源是提供+40V输入电压范围的工业控制器标准件。RS485 串行接口VCC系统1可以包括一个RS485串行接口 110(图2E)。RS485串行接口 110可以是一个常用的、标准的工业控制总线以用于线圈配置的数字控制以及来自VCC系统1的状态报告。RS485串行接口 110提供了一些噪音抗扰性，这对于解决高功率装置中可能常见的背景噪音问题是有用的。所使用的串行格式可以是常用的9600波特，8位，1停止位，无奇偶性。固件可以经由串行接口 U6来进行更新。方法图5示出了根据一个所示的实施方式对VCC系统1进行操作的方法500。在502，VCC 1系统典型地以一种默认的并联模式、排列或者配置来启动这些线圈。电流作为从这些线圈到这些桥式整流器10的输出而产生。在504，控制器90将多个切换命令发送至多个三端双向可控硅开关30和/或多个继电器50。在506，三端双向可控硅开关30 (例如，Q1-Q5)被置于适当的状态(例如，打开，关闭)，以便以一种所希望的或者所命令的串联/并联排列来排列多个线圈。如先前已知的，这些三端双向可控硅开关与继电器相比而切换得相对更快，但却伴随着较高的损耗。 因此，在508，控制器90致使这些继电器50(例如，K1-K5)在这些三端双向可控硅开关30 已经接过负载后改变状态。因此，这些三端双向可控硅开关30在510停止承载电流流动。任选地，这些桥式整流器10调整二极管以便在512时隔离电流。如先前已知的， 多个桥式整流器10可以在发生不同情况(例如，开路，低电压或者短路的情况)时将多个线圈隔离开。在514，通过二极管切换串联电压并且将线圈电压而施加到DC总线作为多个电压的一个串联组合。其他特征替代地，VCC系统1可以通过一种三相实现方式保留单相电路配置，而这种三相实现方式产生有三个分离的电路。这具有多种不同的优点，包括简化这些单独的相电路、提供所需的相位隔离、减轻这种组合电路的构造，并且还允许多相实现方式。可以包括一种线圈的分级控制用于过电压保护。这可以具有一种手动的或者自动的控制以便防止过电压输出并且保护这些电路元件。可以存在一种电压输出监测器用于故障检测。VCC系统1提供冗余，其中，如果一个线圈失效(短路或开路)，相关联的桥式整流器10的动作是将这个线圈与这个电路的其他线圈隔离开，而这个电路的其他线圈则正常
17运行。注意的是，在这样的一种情况下与这个失效的线圈处于串联模式的任何线圈也将被隔离开，但如果VCC系统1将这些线圈与这个失效的线圈断开连接将会再次连接到这个电路上(只要这种再次连接具有与其余线圈等效的串联连接电平)。用于多级发电机的制造过程作为降低多级发电机制造复杂性的一种手段，其中，各感应元件被连接到一个VCC 系统1上，可以使用一种方法来将各堆叠的连线输出独立地进行融合。如图4所示，这种设计使得来自各堆叠的所有导线被独立地处理，这样使得对于每个定子或定子对(在使用一种双侧定子时可以采用)都有一个专用的VCC系统Ia(只有一个由虚线标出并且在图4中示出)。从各堆叠引到VCC系统Ia的接线将由对应的控制器90来管理。各VCC单元(各堆叠)的输出接着被整流成一个单个的DC输出，使得仅需要一个共用的DC总线BUS-、BUS+ 来连接多个独立的机器堆叠。这种共用的DC总线BUS-、BUS+可以显著地减少对于来自发电机各堆叠的连线进行追踪的需要，可以减少生产中的劳动力需求，可以降低线缆成本(需要更少的导线)，并且可以减少在其他情况下如果使用额外导线而可能导致的电能损耗。此外，这种制造方法适于一种模块化构造，该构造允许对于不同的发电机设计进行轻松定制。例如，一种发电机设计可以使每个独立的定子具有一个500kW的额定输出。对于两个定子堆叠的电动机器，它将会是一种兆瓦机器的设计，而对于四堆叠机器，则是2MW 机器的设计等等，因此独立的单个堆叠能够容易地配合在一起并且连接至一个共用的DC 总线。这种模块化设计可以允许用于单个堆叠所要求的一个单组部件，以便使得以可以制造众多不同尺寸的机器的方式来采用，从而减少制造成本。如上所述的这种在多个堆叠与VCC系统Ia之间分担负载要求考虑是否存在一个 PFC0如果不存在PFC，线圈电流分担取决于(a)调整发电机相位(即，在机器中机械并同步地调整的的多个AC波形)。这些相位可以有目的地进行偏移，但是因整流器的作用于是存在相位切换，而不是在线圈间分担电流。(b)匹配线圈相位绕组阻抗。这是通过绕组导线的同等尺寸、相同类型(导线合金)、同等温度、以及同等长度来获得的。注意，导线的长度可以通过将这种VCC系统定位在发电机壳体处使其更加易于管理同等长度的连线而被最小化。(c)在VCC系统中使用匹配类型的并且保持在相同温度下的多个切换和整流器元件。温度一致性可以通过在VCC系统中对于这些功率部件使用一个共用的散热器来获得。(d)使用同样长度和线规的连线经由一个共用的连接点而从每个VCC DC输出连接到一个共用总线。如果存在PFC电路，线圈电流分担就被这个PFC电路更加主动地控制(a)对于这种堆叠和VCC系统，如上所述，线圈导线、相、以及半导体的匹配仍是重要的。在一个共用的PFC电路之前连接到一起的任何堆叠将总体上要求这些相同的匹配项用于分担相等的电流。(b)这种PFC电路主动地控制着从每个堆叠中抽取的电流，并且因此在使用了多重PFC电路时可以促进多重发电机连接之间的分担。每个PFC电路控制着来自连接于其上的所有单元的电流电平。多重PFC电路的输出接下来可以被连接到一个单个的DC输出总线上。
(c)来自连接到一个共用总线上的多重PFC电路的电流的分担取决于具有一个 “电阻型”输出阻抗以及一个受控的、准确的输出电压设定点的那些PFC电路。PFC电路输出的电阻特性值是选定的以便管理电压输出差、连接阻抗的变化、并且确保准确的PFC电路输出总线分担。这种阻抗的选择是在分担程度、损耗、以及总线电压稳定性之间权衡的。从每个PFC电路输出到一个共用的总线点上相等的线规和长度将促进分担并且减小这种PFC 电路的阻抗要求。“电动机模式”运行替代地，可以采用发电机的一种“电动机模式”运行以便去除对离合器的需要。这种电路能够通过将电压从总线“输出”到电动机器的这些线圈中的一个或多个线圈上以便使这台电动机器作为一台电动机而不是一台发电机来运行。这种操作使得多堆叠电动机器中的这些空载级从DC总线功率“旋起，spin up” (使用主动级)，而且还可以用在其他应用中。例如，这可以用在电动车辆中，其中，电动机器的主要模式是作为一台电动机，不过电动机器还以“再生制动的”的发电机模式运行。这与在所有的桥式整流器上配置有多个开关的VCC系统配合良好。当一个新级开始时，并且有低能量产生，这个新的级由桥式整流器10 与总线隔离开。而且这种输出电压可以从这种整流过的DC变回AC。多个开关(足够快并且带有 AC性能的三端双向可控硅开关30、固态继电器50、或者其他开关)可被用作一个桥以便在交替周期上对整流过的DC波形输出连接进行反向，从而在零电压点进行切换。由于在桥式整流器10与DC至AC切换桥中的电压降，这种输出AC波形将具有一种小的“过零死区失真”，但这种波形能够适用于连接至变压器或者电动机。这种方法是与输入AC波形同步的，而用于先前所述脉宽调制(PWM)的AC波形的堆叠旋起的这种“可反向VCC”的配置是不依赖于发电机输出频率的，因为它由一个相对恒定电压滤波的DC总线输入来操作而不是一个未滤波的DC整流波形来操作。VCC 连接图3示出了两台双线圈电动机器(例如，发电机、电动机)用对应的VCC系统140、 145连接到一个共用的总线。这种配置能够扩展至在每个VCC系统140、145上的多个线圈， 并且多个VCC单元能够连接到这个共用的总线输出点上。所示的实施方式的以上说明包括在摘要中所说明的那些内容，并不旨在是穷尽性的或者将这些实施方式限制在所披露的确切形式上。虽然在此为了示例性的目的说明了多个具体实施方式
以及实例，但是可以做出各种等效修改(如相关领域中的那些普通技术人员将认识到)而不背离本发明内容的精神和范围。这些不同实施方式在本文中所提供的启示能够应用于电动机器的控制系统，而不必是以上总体说明的这些示例性的可变线圈配置系统、方法以及装置。上述这些不同的实施方式能够组合以便提供多个进一步的实施方式。在本说明书中提及的和/或在应用数据表中列出的所有美国专利、美国专利申请公开说明书、 美国专利申请、外国专利、外国专利申请以及非专利出版物包括但不限于美国专利号 7，081，696、美国专利申请公开号2008088200、2008年9月3日所提交的美国临时专利申请号60/094，007、以及2009年9月3日所提交的美国临时专利申请序号61/239，769，它们均通过引用而结合于此。必要时可以修改这些实施方式的多个方面，以便采用不同专利、申请和公布的系统、电路和原理来提供更进一步的实施方式。 这些实施方式能够按照以上详细说明做出这些以及其他的改变。总体上，在随后的权利要求中，所使用的条款不应被理解为将这些权利要求限制在本说明书和这些权利要求中所披露的特定实施方式上，而是应被理解为包括所有可能的实施方式以及这些权利要求所有权要求的等效物的全部范围。因而，这些权利要求并不受本发明内容的限制。
权利要求
1.一种可变线圈配置系统，包括多个桥式整流器，所述多个桥式整流器分别具有在对应的桥式整流器的AC侧上的一对AC节点以及在所述对应的桥式整流器的DC侧上的一对DC节点；以及第一数目的开关，所述第一数目的开关的每一个开关均处于桥式整流器中的一个对应的桥式整流器的AC侧上，其中，当所述第一数目的开关中的一个对应的开关是打开的并且至少两个线圈未经受开路情况、低电压情况或短路情况时，所述桥式整流器的每一个将所述至少两个线圈连接成彼此电并联，并且在所述开关被闭合时所述第一数目的开关中的每一个开关分别是可操作的以便选择性地将所述至少两个线圈连接成彼此电串联。
2.根据权利要求1所述的可变线圈配置系统，其中，当所述电动机器的线圈中的一个对应的线圈经历了短路情况、低电压情况或开路情况时，所述桥式整流器自动地将所述对应的线圈从与所述电动机器的线圈中的至少一个另外的线圈的并联组合中电隔离开。
3.根据权利要求2所述的可变线圈配置系统，其中，当所述电动机器的线圈中的一个对应的线圈经历所述短路情况、所述低电压情况或所述开路情况时，所述桥式整流器自动地将所述线圈中的所述对应的一个线圈与所述电动机器的线圈中的至少一个另外的线圈电连接成串联。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的可变线圈配置系统，其中，所述第一数目的开关为基于半导体的开关。
5.根据权利要求4所述的可变线圈配置系统，其中，所述第一数目的开关为三端双向可控硅开关。
6.根据权利要求4所述的可变线圈配置系统，还包括控制器，所述控制器被配置为在对应电流的对应的过零处对所述三端双向可控硅开关进行切换。
7.根据权利要求4所述的可变线圈配置系统，其中，对于所述电动机器的线圈中的每一个而言都存在一个基于半导体的开关，并且所述系统还包括第二数目的开关，所述第二数目的开关的每一个开关均是可操作的，以便使所述至少两个线圈在当所述开关被打开时彼此处于电并联与当所述开关被闭合时彼此处于电串联之间选择性地进行连接，所述第二数目的开关的这些开关在所述对应的桥式整流器的AC 侧上并且与所述第一数目的开关中的对应的开关处于电并联，其中，所述第一数目的开关中的开关与所述第二数目的开关中的开关相比可更快地动作，并且所述第二数目的开关中的开关所具有的相关联的电损耗低于与所述第一数目的开关中的开关相关联的电损耗。
8.根据权利要求7所述的可变线圈配置系统，其中，所述第二数目的开关为机械式开关。
9.根据权利要求8所述的可变线圈配置系统，其中，对于所述电动机器的线圈中的每一个而言都存在一个机械式开关。
10.根据权利要求1至3中的任一项所述的可变线圈配置系统，其中，所述第一数目的开关为机械式开关，并且对于所述电动机器的线圈的每一个而言都存在一个机械式开关。
11.根据权利要求1至3中的任一项所述的可变线圈配置系统，其中，所述多个桥式整流器中的所有桥式整流器均被连接至一个共用的散热器。
12.根据权利要求1至3中的任一项所述的可变线圈配置系统，还包括功率因数校正电路，所述功率因数校正电路在所述可变线圈配置系统的DC输出处施加功率因数校正。
13.根据权利要求1至3中的任一项所述的可变线圈配置系统，其中，多个主动开关是选择性地可操作的以使从一个DC总线至所述线圈的电流流动反向，以将所述电动机器作为电动机来操作。
14.根据权利要求1至3中的任一项所述的可变线圈配置系统，还包括附加的桥式整流器，所述附加的桥式整流器被连接到由第一数目的桥式整流器的桥式整流器形成的串列的一端，以便将所述可变线圈配置与第二可变线圈配置系统连接成电并联；至少一个附加的开关，所述至少一个附加的开关是可操作的以便选择性地将所述可变线圈配置与所述第二可变线圈配置系统连接成电串联；以及连接器，所述连接器被配置为将所述第二可变线圈配置系统可拆分地电连接至所述可变线圈配置系统。
15.根据权利要求1至3中的任一项所述的可变线圈配置系统，其中，对于电动机器的每一对线圈而言都存在至少一个桥式整流器。
16.一种操作可变线圈配置系统的方法，所述可变线圈配置系统包括多个桥式整流器， 所述多个桥式整流器分别具有在对应的桥式整流器的AC侧上的一对AC节点以及在所述对应的桥式整流器的DC侧上的一对DC节点；以及第一数目的开关，所述第一数目的开关的每个开关均在所述多个桥式整流器中的一个对应的整流器的AC侧上，所述方法包括通过所述桥式整流器中的一个对应的桥式整流器而选择性地将所述电动机器的至少两个线圈连接成彼此电并联；并且通过所述第一数目的开关中的一个对应的开关而选择性地将所述电动机器的至少两个线圈连接成彼此电串联。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，通过所述桥式整流器中的对应的一个桥式整流器而选择性地将所述电动机器的至少两个线圈连接成彼此电并联包括在第一时刻选择性地将两个第一线圈连接成彼此电并联，并且其中，通过所述第一数目的开关中的一个对应的开关而选择性地将所述电动机器的至少两个线圈连接成彼此电串联包括在不同于所述第一时刻的第二时刻选择性地将所述两个第一线圈连接成彼此电串联。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，通过所述桥式整流器中的对应的一个桥式整流器选择性地将所述电动机器的至少两个线圈连接成彼此电并联包括在第一时刻选择性地将两个第一线圈连接成彼此电并联，并且其中，通过所述第一数目的开关中的对应的一个开关选择性地将所述电动机器的至少两个线圈连接成彼此电串联包括在所述第一时刻的过程中选择性地将不同于所述两个第一线圈的两个第二线圈连接成彼此电串联。
19.根据权利要求16至18中的任一项所述的方法，还包括通过控制器在对应电流的对应过零处切换所述第一数目的开关中的开关的状态。
20.根据权利要求16至18中的任一项所述的方法，还包括当所述电动机器的线圈中的一个对应的线圈经历短路情况、低电压情况或开路情况时，由所述桥式整流器中的一个对应的桥式整流器自动地将所述电动机器的线圈中的所述对应的一个线圈从与所述电动机器的线圈中的至少一个另外的线圈的并联组合中电隔离开。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括当所述电动机器的线圈中的所述对应的一个线圈经历所述短路情况、所述低电压情况或所述开路情况时，自动地将所述电动机器的线圈中的所述对应的一个线圈与所述电动机器的线圈中的至少一个另外的线圈连接成电串联。
22.根据权利要求16至18中的任一项所述的方法，其中，所述可变线圈配置系统还包括第二数目的开关，所述第二数目的开关的每一个开关均在所述桥式整流器中的一个对应的桥式整流器的AC侧上并且与所述第一数目的开关中的开关的一个对应的开关处于电并联，其中，所述第一数目的开关中的开关与所述第二数目的开关中的开关相比可更快地动作，并且所述第二数目的开关中的开关所具有的相关联的电损耗低于与所述第一数目的开关中的开关相关联的电损耗，并且所述方法还包括对于所述电动机器的通过所述第一数目的开关的所述对应的一个开关而彼此电连接成串联的线圈而言，通过所述第二数目的开关的这些开关中的一个对应的开关进一步地将所述电动机器的线圈连接成彼此电串联是立即跟随在通过所述第一数目的开关的所述对应的开关而连接成彼此电串联之后的。
23.根据权利要求16至18中的任一项所述的方法，还包括在所述可变线圈配置系统的DC输出处对电流的功率因数进行纠正。
24.根据权利要求16至18中的任一项所述的方法，还包括选择性地使从DC总线至所述线圈的电流反向，以便将所述电动机器作为电动机来操作。
25.根据权利要求16至18中的任一项所述的方法，还包括将所述第二可变线圈配置系统可拆分地电连接至所述可变线圈配置系统。
26.根据权利要求16至18中的任一项所述的方法，其中，通过所述第一数目的开关中的一个对应的开关选择性地将所述电动机器的至少两个线圈连接成彼此电串联包括通过三端双向可控硅开关、绝缘栅双极型晶体管、场效应晶体管或固态继电器选择性地将所述电动机器的至少两个线圈连接成彼此电串联。
27.—种可变线圈配置系统，包括多个桥式整流器，对于电动机器的每对线圈而言均存在至少一个桥式整流器，所述桥式整流器均具有在对应的桥式整流器的AC侧上的一对AC节点以及在所述对应的桥式整流器的DC侧上的一对DC节点；以及第一数目的开关，所述第一数目的开关的每一个开关均是可操作的以便将对应的多对线圈从在所述开关打开时所处的电并联选择性地电连接成在所述开关闭合时所处的彼此电串联，所述第一数目的开关的这些开关中的每一个都是在所述桥式整流器的一个对应的桥式整流器的AC侧上。
全文摘要
一个或多个可变配置控制器(VCC)系统可以对电动机器(例如一个发电机和/或电动机)的多个线圈、绕组或感应元件产生串联或者并联连接的不同组合。这些VCC系统包括多个桥式整流器以及第一数目的开关，该第一数目的开关被操作以便在这些桥式整流器的AC侧上选择性地将对应的多对线圈从并联连接成串联。这些桥式整流器在发生开路、低电压或短路情况时提供了多个线圈的自动电隔离开。与该第一数目的开关具有不同的性能特征(例如，速度、损耗)的第二数目的开关可以与该第一数目的开关中的对应开关连接成并联。可以使用功率因数校正。
文档编号H02P27/02GK102484448SQ201080039251
公开日2012年5月30日 申请日期2010年9月2日 优先权日2009年9月3日
发明者乔纳森·加莱·里奇, 瑞安·比法德, 米切尔·哥顿·伯顿 申请人:Exro技术公司