多相电机中的极切换的制作方法

多相电机中的极切换
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年4月3日提交的美国临时专利申请no.63/004,603的优先权，其公开内容在此全部被引入作为参考。
技术领域
3.本公开总体上涉及多相电机，并且更具体地涉及用于在多相电机中执行极切换操作的技术。


背景技术：

4.多相电机被用于包括电动车辆的各种应用中。例如，电动车辆的驱动系统通常包括由直流(dc)电源(例如，主电池)驱动的交流(ac)电动机。ac电动机经由逆变器联接到dc电源，逆变器执行切换功能以将dc电力转换为ac电力。在驱动期间，通过切换ac电动机中的极的数量，可以在电动车辆中实现不同的转矩/速度。传统的极切换方法采用绕组转换机构，这通常导致系统成本和实现复杂性增加。因此，仍然需要开发用于在多相电机中执行极切换操作的更好技术。


技术实现要素：

5.根据一些实施方式，本公开提供了一种由控制器操作多相电机的方法。该方法包括在具有第一极数量的第一配置下操作多相电机，其中，第一极数量是基于第一配置下的第一相数量和针对多相电机中的各个绕组分配的定子槽数量的。该方法还包括接收指示多相电机中的极切换操作的信号。响应于接收到所述信号，该方法包括在具有第二极数量的第二配置下操作多相电机，其中，第二极数量是基于第二配置下的第二相数量和针对多相电机中的各个绕组分配的定子槽数量的。
6.根据某些实施方式，本公开提供了一种包括处理器和存储器的控制器。所述存储器包括指令，所述指令在由所述处理器执行时使所述控制器在具有第一极数量的第一配置下操作多相电机，其中，所述第一极数量是基于所述第一配置下的第一相数量和针对所述多相电机中的各个绕组分配的定子槽数量的。处理器还使控制器接收指示多相电机中的极切换操作的信号。响应于接收到所述信号，处理器使控制器在具有第二极数量的第二配置下操作多相电机，其中，第二极数量是基于第二配置下的第二相数量和针对多相电机中的各个绕组分配的定子槽数量的。
7.根据一些实施方式，本公开提供了一种系统，该系统包括多相电机、具有多个逆变器支路的逆变器、以及联接到逆变器和多相电机的控制器。所述控制器被配置为在具有第一极数量的第一配置下操作所述多相电机，其中，所述第一极数量是基于所述第一配置下的第一相数量和针对所述多相电机中的各个绕组分配的定子槽数量的。控制器还被配置为接收指示多相电机中的极切换操作的信号。响应于接收到所述信号，所述控制器被配置为在具有第二极数量的第二配置下操作所述多相电机，其中，所述第二极数量是基于所述第
二配置下的第二相数量和针对所述多相电机中的各个绕组分配的定子槽数量的。
8.在某些实施方式中，控制器基于多相电机中的绕组总数和第一配置下的第一相数量来确定第一配置下的每相绕组数量。在一些实施方式中，控制器基于第一配置下的每相绕组数量和针对多相电机中的各个绕组分配的定子槽数量来确定第一极数量。在某些实施方式中，控制器基于多相电机中的绕组总数和第二配置下的第二相数量来确定第二配置下的每相绕组数量。在一些实施方式中，控制器基于第二配置下的每相绕组数量和针对多相电机中的各个绕组分配的定子槽数量来确定第二极数量。
9.在一些示例中，第一配置下的第一相数量的各个相分开第一相角，并且第二配置下的第二相数量的各个相分开第二相角。第一相角不同于第二相角。在某些示例中，第一配置是三相电机配置，而第二配置是六相电机配置。在一些示例中，多相电机设置在车辆中，并且指示极切换操作的信号与将车辆的当前转矩和速度改变为期望转矩和速度的命令相关联。在某些示例中，极切换操作表示车辆中的电子换档操作。在一些示例中，三相电机配置下的第一极数量等于12，而六相电机配置下的第二极数量等于6。
附图说明
10.图1是示出多相系统的框图；
11.图2a和图2b是示出在图1的多相系统的第一配置下使用的信号的概念图；
12.图3是示出图1的多相系统的第一配置下的极点生成的概念图；
13.图4是示出在图1的多相系统的第二配置下使用的信号的概念图；
14.图5是示出图1的多相系统的第二配置下的极点生成的概念图；
15.图6是示出用于操作图1的多相系统的方法的流程图；以及
16.图7是示出图1的多相系统的应用的图表。
具体实施方式
17.为了促进对本公开的原理的理解，现在参考以下描述的在附图中示出的实施方式。本文所公开的实施方式并不旨在是穷举的或将本公开限制为以下详细描述中所公开的精确形式。相反，选择并描述了这些实施方式，使得本领域的其他技术人员可以利用其教导。
18.术语“联接”、“被联接”及其变体被用于包括其中两个或两个以上组件直接物理接触的布置和其中所述两个或两个以上组件彼此不直接接触(例如，所述组件经由至少第三组件“联接”)但仍彼此协作或交互的布置。
19.贯穿本公开和权利要求，诸如第一和第二的数字术语用于指代各种组件或特征。这种使用不旨在表示组件或特征的顺序。相反，数字术语用于帮助读者识别所引用的组件或特征，并且不应被狭义地解释为提供组件或特征的特定顺序。
20.本领域的普通技术人员将认识到，所提供的实施方式可以用硬件、软件、固件和/或其组合来实现。根据实施方式的程序代码可以用任何可行的编程语言来实现，诸如c、c++、html、xtml、java或任何其它可行的高级编程语言、或者高级编程语言和低级编程语言的组合。
21.现在参考图1，示出了多相系统100的框图，其包括多相ac电机102、逆变器104、105
和控制器106。控制器106经由逆变器104、105操作多相ac电机102，使得多相ac电机102可以使用由dc电源108提供给逆变器104、105的dc电力输入。如这里所使用的，术语“ac电机”是指将电能转换为机械能或将机械能转换为电能的ac供电设备。例如，多相ac电机102可以是感应电机、永磁型同步电机、励磁绕组型同步电机等。在一些实施方式中，多相ac电机102是用于在电动车辆中提供转矩的电动机。然而，应当理解的是，在其它应用的背景下，所公开的实施方式可以涉及其它类型的多相电机。
22.如图1所示，多相ac电机102具有多个绕组，多个绕组包括绕组102a-102f和绕组103a-103f，总共十二个绕组组。绕组102a-102f分别连接到逆变器104的端子104a-104f。绕组103a-103f分别连接到逆变器105的端子105a-105f。各个绕组102a-102f与相应的相pa-pf相关联，而各个绕组103a-103f与相应的相pa'-pf'相关联。例如，相p
a-pf和pa'-pf'是互补的。应当理解，在其它实施方式中可以考虑其它数量的绕组。
23.绕组102a-102f和103a-103f表示多相ac电机102的定子110。定子110包括以规则间隔布置在定子110上的多个定子槽112。如图1所示，各个绕组102a-102f、103a-103f分配有三个定子槽，在定子110中总共有36个槽。然而，应当理解的是，在其它实施方式中，可以想到任何数量的定子槽。例如，至少部分地基于机器设计、机器优化和/或其它参数，可以为各个绕组分配不同数量的槽。
24.在定子110的内侧，转子114被安装到穿过轴孔116的轴上。例如，转子114通过气隙与定子110分开。当用作电动机时，定子110利用电能使转子114旋转，从而使轴旋转以提供机械能。另一方面，当用作发电机时，轴通过外部机械力旋转，该外部机械力使转子114旋转，从而使定子110产生电能。虽然为了便于说明而未示出，但是转子114包括以规则间隔布置在转子114上的多个转子槽。应当理解，对于多相ac电机102，可以考虑任何数量的转子槽。
25.逆变器104具有多个逆变器支路，多个逆变器支路包括经由端子104a连接到绕组102a的逆变器支路120、经由端子104b连接到绕组102b的逆变器支路122、经由端子104c连接到绕组102c的逆变器支路124、经由端子104d连接到绕组102d的逆变器支路126、经由端子104e连接到绕组102e的逆变器支路128、以及经由端子104f连接到绕组102f的逆变器支路130。每个逆变器支路120-130包括至少一个开关器件。例如，逆变器支路120包括一对开关器件120a、120b，逆变器支路122包括一对开关器件122a、122b，逆变器支路124包括一对开关器件124a、124b，逆变器支路126包括一对开关器件126a、126b，逆变器支路128包括一对开关器件128a、128b，并且逆变器支路130包括一对开关器件130a、130b。作为示例，开关器件120a、120b、122a、122b、124a、124b、126a、126b、128a、128b、130a、130b包括任何类型的固态开关器件，诸如绝缘栅双极晶体管(igbt)或金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。在各种实施方式中，开关器件120a、120b、122a、122b、124a、124b、126a、126b、128a、128b、130a、130b连接到一个或更多个保护器件，诸如一个或更多个续流二极管。开关器件120a、120b、122a、122b、124a、124b、126a、126b、128a、128b、130a、130b操作以切换dc电压并向绕组102a-102f提供能量。
26.逆变器105具有多个逆变器支路，多个逆变器支路包括经由端子105a连接到绕组103a的逆变器支路140、经由端子105b连接到绕组103b的逆变器支路142、经由端子105c连接到绕组103c的逆变器支路144、经由端子105d连接到绕组103d的逆变器支路146、经由端
子105e连接到绕组103e的逆变器支路148、以及经由端子105f连接到绕组103f的逆变器支路150。每个逆变器支路140-150包括至少一个开关器件。例如，逆变器支路140包括一对开关器件140a、140b，逆变器支路142包括一对开关器件142a、142b，逆变器支路144包括一对开关器件144a、144b，逆变器支路146包括一对开关器件146a、146b，逆变器支路148包括一对开关器件148a、148b，并且逆变器支路150包括一对开关器件150a、150b。例如，开关器件140a、140b、142a、142b、144a、144b、146a、146b、148a、148b、150a、150b包括任何类型的固态开关器件，诸如绝缘栅双极晶体管(igbt)或金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。在各种实施方式中，开关器件140a、140b、142a、142b、144a、144b、146a、146b、148a、148b、150a、150b连接到一个或更多个保护器件，诸如一个或更多个续流二极管。开关器件140a、140b、142a、142b、144a、144b、146a、146b、148a、148b、150a、150b操作以切换dc电压并向绕组103a-103f提供能量。
27.根据一些实施方式，逆变器104是脉宽调制(pwm)逆变器。例如，开关器件120a、122a、124a、126a、128a和130a的占空比被相移120度(电)，而开关器件120b、122b、124b、126b、128b、130b的占空比是互补的。根据某些实施方式，逆变器105是pwm逆变器。例如，开关器件140a、142a、144a、146a、148a和150a的占空比被相移120度(电)，而开关器件140b、142b、144b、146b、148b、150b的占空比是互补的。
28.对于图1所示的十二个绕组组，多相ac电机102需要至少两个六支路逆变器(逆变器104、105)，其中，每个逆变器被配置成六个绕组。这避免了包括具有24个支路的逆变器的末端开口绕组。然而，在一些实施方式中，对于多相ac电机102可以设想其它配置和数量的逆变器。通过具有至少两个逆变器，可以减小每相电流，这提高了整个逆变器系统的寿命。另外，由于具有更密集的激励，可以减少电磁波。此外，具有至少两个逆变器增加了冗余以实现高容错性。例如，在一个或更多个开关器件和/或一个或更多个绕组发生故障的情况下，该系统仍能以最小的干扰运行。
29.控制器106从多相ac电机102接收操作信号并生成控制信号152、154以分别控制逆变器104、105的切换操作，从而控制提供给绕组102a-102f和103a-103f的输出(例如，电流)。在一些示例中，控制信号152与控制信号154相同。在某些示例中，控制信号152不同于控制信号154。
30.根据一些实施方式，控制器106包括故障检测单元156，其接收与多相ac电机102和/或逆变器104、105相关联的信息以确定故障。例如，故障检测单元156从传感器接收指示提供给绕组102a-102f和103a-103f的电流和/或电压的各种特性的信号。例如，故障检测单元156从传感器接收指示绕组102a-102f和103a-103f的物理状况的信号。例如，故障检测单元156从传感器接收指示逆变器104、105的操作状态的信号。故障检测单元156处理接收到的信息，并且确定多相ac电机102和/或逆变器104、105中是否发生了故障(例如，绕组损坏、绝缘问题、湿气积聚、断线、开关器件故障等)。在某些实施方式中，故障检测单元156向输出单元(例如，显示器、指示灯、扬声器等)提供故障信号以向观察者(例如，电动车辆的操作者)指示所确定的故障。虽然图1将故障检测单元156示出为控制器106的一部分，但是在其它实施方式中，故障检测单元156可以是通信地联接到控制器106的独立单元。
31.在某些实施方式中，控制器106包括两个控制器，每个控制器控制各自的逆变器。例如，第一控制器通过控制信号152控制逆变器104的切换操作，而第二控制器通过控制信
号154控制逆变器105的切换操作。利用这种配置，可以为每个控制器实现先进的切换频率控制技术，以减小电流/转矩波动。
32.根据一些实施方式，控制器106包括具有指令的非暂时性存储器，所述指令响应于由处理器执行而使处理器执行如上所述的控制器106和/或故障检测单元156的功能。处理器、非瞬时存储器和控制器106不特别受限制，并且例如可以是物理上分离的。
33.在某些实施方式中，控制器106形成处理子系统的一部分，该处理子系统包括具有存储器、处理和通信硬件的一个或更多个计算设备。例如，控制器106可以是单个设备或分布式设备，并且控制器106的功能可以由硬件和/或作为非暂时性计算机可读存储介质(诸如，非暂时性存储器)上的计算机指令来执行。
34.在一些实施方式中，控制器106包括功能上执行控制器106的操作的一个或更多个解释器、确定器、评估器、调节器和/或处理器。解释器、确定器、评估器、调节器和处理器可以以硬件和/或作为非暂时性计算机可读存储介质上的计算机指令来实现，并且可以分布在各种硬件或基于计算机的组件上。
35.控制器106通过使连接到相p
a-pf的端子104a-104f和连接到相pa'-pf'的端子105
a-105f电换向来执行极切换操作。根据各种实施方式，控制器106以具有第一极数量的第一配置和具有第二极数量的第二配置操作多相ac电机102。例如，第一配置是具有十二个极的单个三相机器，而第二配置是具有六个极的单个六相电机。
36.为了将多相ac电机102配置为单个三相电机，控制器106向逆变器104、105提供控制信号152、154，以生成与相p
a-pf和pa'-pf'相关联的十二个ac信号(信号1-12)，如下表1所示。
[0037][0038]
m表示每个信号(电流或电压)的幅度，并且表示相移。
[0039]
表1
[0040]
在表1中，第一组ac信号(信号1-6)被移位60度(电的)。第二组ac信号(信号7-12)也被移位60度，但与第一组中的相应信号电同相。
[0041]
图2a和图2b示出了表1中的ac信号的概念图。特别地，图2a示出了第一组ac信号的
相量图200，其中，信号1-3(p
a-pc)是正的，并且信号4-6(p
d-pf)是负的。类似地，图2b示出了第二组ac信号的相量图202，其中，信号7-9(pa'-pc')是正的，而信号10-12(pd'-pf')是负的。图2a和图2b中的每个ac信号被相移60度。
[0042]
图3示出了使用表1中的ac信号生成极的概念图300。从多相ac电机102的36个定子槽112获得12个磁极302-324。如图所示，每相有12个定子槽，每极有3个定子槽。例如，使用信号1-3(p
a-pc)生成磁极302、310、318，使用信号7-9(pa'-pc')生成磁极306、314、322，使用信号4-6(p
d-pf)生成磁极308、316、324，并且使用信号10-12(pd'-pf')生成磁极304、312、320。作为示例，磁极302、306、310、314、318、322表示正极，而磁极304、308、312、316、320、324表示负极。
[0043]
为了将多相ac电机102配置为单个六相电机，控制器106向逆变器104、105提供控制信号152、154，以生成与相p
a-pf和pa'-pf'相关联的十二个ac信号(信号13-24)，如下表2所示。
[0044][0045]
m表示每个信号(电流或电压)的幅度，并且表示相移
[0046]
表2
[0047]
在表2中，第一组ac信号(信号13-18)被移位30度(电)。第二组ac信号(信号19-24)也被移位30度，但是与第一组中的相应信号电异相。
[0048]
图4示出了表2中的ac信号的概念图。具体地，图4示出了第一组ac信号13-18(p
a-pf)和第二组ac信号19-24(pa'-pf')的相量图400，其中，信号13-18为正，而信号19-24为负。图4中的每个ac信号被相移30度。
[0049]
图5示出了使用表2中的ac信号生成极点的概念图500。从多相ac电机102的36个定子槽112获得六个磁极502-512。如图所示，每相有两个定子槽，并且每磁极有六个定子槽。例如，使用信号13-18(p
a-pf)生成磁极502、506、510，并且使用信号19-24(pa'-pf')生成磁极504、508、512。作为示例，磁极502、506、510表示正极，而磁极504、508、512表示负极。
[0050]
现在参考图6，示出了用于操作多相电机(例如，102)的方法600。作为示例，方法600由控制器(例如，106)执行。在框602，控制器以具有第一极数量的第一配置操作多相电
机。第一极数量是基于第一配置下的第一相数量和针对多相电机中的各个绕组分配的定子槽数量。
[0051]
根据一些实施方式，第一配置是三相电机配置。这样，第一相数量等于3。控制器基于绕组总数和第一相数量来确定针对三相电机配置的每相绕组数量。例如，如果绕组总数等于12，则在三相电机配置下每相有4个绕组。控制器基于三相电机配置下的每相绕组数量和针对各个绕组分配的定子槽数量来确定第一极数量。例如，如果为各个绕组分配的定子槽数量等于3，则在三相电机配置下有12个极。三相电机配置下的第一相数量的各个相分开第一相角(例如，60度)。
[0052]
在框604，控制器接收指示多相电机中的极切换操作的信号。例如，多相电机设置在车辆(例如，电动或混合动力车辆)中，并且指示极切换操作的信号与将车辆的当前转矩和速度改变为期望转矩和速度的命令相关联。作为示例，极切换操作表示车辆中的电子换档操作。在各种实施方式中，执行极切换操作以用较低的极数量操作覆盖较宽的速度范围。
[0053]
在框606处，响应于接收到指示极切换操作的信号，控制器以具有第二极数量的第二配置来操作多相电机。第二极数量是基于第二配置下的第二相数量和针对多相电机中的各个绕组分配的定子槽数量的。
[0054]
根据某些实施方式，第二配置是六相电机配置。这样，第二相数量等于六。控制器基于绕组总数和第二相数量确定六相电机配置的每相绕组数量。例如，如果绕组总数等于12，则在六相电机配置下每相有两个绕组。控制器基于六相电机构造中的每相绕组数量和针对各个绕组分配的定子槽数量来确定第二极数量。例如，如果为各个绕组分配的定子槽数量等于3，则在六相电机配置下有六个极。六相电机配置下的第二相数量的各个相分开第二相角(例如，30度)。在各种实施方式中，第二配置的第二相角不同于第一配置的第一相角。
[0055]
图7示出了使用图1的系统100的应用。具体地，曲线图700示出了配备有ac电动机(例如，102)的车辆(例如，电动或混合动力车辆)的转矩/速度关系。可以在ac电动机中执行极切换操作以实现电子换档。即，极切换允许ac电动机以不同的速度产生不同的转矩，以便模拟换档而不需要或不使用机械齿轮。
[0056]
例如，曲线702表示当ac电动机被配置为三相配置时车辆的转矩/速度关系，而曲线704表示当ac电动机被配置为六相配置时车辆的转矩/速度关系。在速度点706(例如，35mph)之前，ac电动机在三相配置下操作，在该三相配置下，维持高恒定转矩以加速到速度点706。这类似于以第一挡位操作车辆。在速度点706处，驾驶员可能希望进一步将车辆的速度增加到速度点708(例如，45mph)。然而，为了在高于速度点706的那些速度下维持恒定转矩，ac电动机需要在六相配置下操作，在六相配置中，实现较低的恒定转矩以获得较高的速度。这类似于以第二挡位操作车辆。因此，执行极切换操作以将ac电动机从三相配置改变到六相配置(例如，从处于第一挡位转换到处于第二挡位)。在六相配置下，对于高达速度点710(例如，70mph)的速度可以维持恒定转矩。在一些示例中，在六相配置下可实现的最大速度是三相配置的两倍。在某些示例中，基于ac电动机的不同配置可以实现不同的最大速度。在其它示例中，可以基于ac电动机的不同配置来选择不同数量的挡位。应当理解，系统100和/或方法600可用于其它应用，例如航空航天工业。
[0057]
本技术旨在覆盖使用其一般原理的本公开的任何变化、使用或修改。此外，本技术
旨在涵盖在本公开所属领域的已知或常规实践内并且落入所附权利要求的限制内的与本公开的这种偏离。
[0058]
此外，本文所包含的各图中所示的连接线旨在表示各种元件之间的功能关系和/或物理联接。应当注意，在实际系统中可以存在许多替换的或附加的功能关系或物理连接。然而，益处、优点、问题的解决方案以及可导致任何益处、优点或解决方案发生或变得更显著的任何要素不应被解释为关键的、必需的或本质的特征或要素。因此，本发明的范围仅受所附权利要求书的限制，其中除非明确说明，否则以单数形式提及元件并不意味着“一个且仅一个”，而是“一个或更多”。
[0059]
此外，在权利要求书中使用类似于“a、b或c中的至少一者”的短语的情况下，旨在将该短语解释为意指a单独可存在于实施方式中，b单独可存在于实施方式中，c单独可存在于实施方式中，或要素a、b或c的任何组合可存在于单个实施方式中；例如，a和b、a和c、b和c、或a和b和c。
[0060]
本文提供了系统、方法和装置。在本文的详细描述中，对“一个实施方式”、“实施方式”、“示例实施方式”等的引用表示所描述的实施方式可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施方式可以不必包括该特定特征、结构或特性。此外，这些短语不一定指同一实施方式。此外，当结合实施方式描述特定特征、结构或特性时，应认为无论是否明确描述，结合其它实施方式利用本公开的益处来影响此类特征、结构或特性在所属领域的技术人员的知识范围内。在阅读说明书之后，相关领域的技术人员将明白如何在替代实施方式中实现本公开。
[0061]
此外，本公开中的任何元件、组件或方法步骤都不旨在专用于公众，而不管该元件、组件或方法步骤是否在权利要求书中明确陈述。如这里所使用的，术语“包括”，“包含”或其任何其它变体旨在覆盖非排他性的包含，使得包括一系列元素的过程、方法、物品或装置不仅包括那些元素，而且可以包括未明确列出的或这种过程、方法、物品或装置固有的其它元素。