DE112018004804T5

DE112018004804T5 - Motor/Generator-System und fehlertolerantes Steuerungsverfahren

Info

Publication number: DE112018004804T5
Application number: DE112018004804.7T
Authority: DE
Inventors: Hengchun Mao; Xuezhong Jia
Original assignee: Quanten Tech Inc; Quanten Technologies Inc
Current assignee: Quanten Tech Inc; Quanten Technologies Inc
Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2018-08-29
Publication date: 2020-07-02
Also published as: CN111133658B; US10541635B2; DE112018004917T5; US10505487B2; US20190068107A1; WO2019046427A1; WO2019046437A1; CN111133658A; CN111247728B; US20190068103A1; CN111247728A

Abstract

Ein Motorsteuerverfahren umfasst das Bereitstellen einer Maschine, die mehrere Wicklungen, einen Rotor und einen Stator umfasst, der magnetisch mit dem Rotor gekoppelt ist; und das Koppeln mehrerer Stromwandler mit den mehreren Wicklungen, sowie das Konfigurieren der mehreren Stromwandler, um die Anzahl der Pole der Maschine in einem Betriebsmodus mit geringer Belastung gemäß einer Vielzahl von Betriebsparametern einzustellen und nach Auftreten eines Fehlers in der Maschine das Konfigurieren der mehreren Stromwandler so, dass die Maschine in einen fehlertoleranten Betriebsmodus wechselt.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am 29. August 2018 eingereichten nichtvorläufigen US-Anmeldung Nr. 16 / 116,005 mit dem Titel „Motor/Generator System and Fault Tolerant Control Method“ und der am 30. August 2017 eingereichten vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62 / 552,012 mit dem Titel „Power Converter and Control Techniques for Dynamically Reconfigurable Motor and Generator Systems“, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Motor- und/oder Generatorsystem und in bestimmten Ausführungsformen innovative Technologien, die das Design, die Konstruktion und die Herstellung fortschrittlicher Motoren/Generatoren und Antriebssysteme verbessern.
HINTERGRUND
Eine elektrische Maschine (Motor oder Generator) ist ein Gerät, das Energie zwischen elektrischer Leistung und mechanischer Drehbewegung umwandelt. Es gibt verschiedene Arten von elektrischen Maschinen, einschließlich Induktionsmaschinen, Permanentmagnetmaschinen, Schaltreluktanzmaschinen, Synchronreluktanzmaschinen und Hybridmaschinen. Die verschiedenen Ausführungsformen in dieser Offenbarung sind auf die verschiedenen oben genannten Arten von elektrischen Maschinen anwendbar, die entweder als Motoren oder als Generatoren konfiguriert sind. Als Beispiel werden Induktionsmotoren verwendet, um die innovativen Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu veranschaulichen. Der Induktionsmotor umfasst einen Stator und einen Rotor. Der Stator ist der stationäre Teil und der Rotor der rotierende Teil. Der Rotor kann sich innerhalb des Stators, außerhalb des Stators oder neben dem Stator wie bei einer Axialfeldmaschine befinden. Ein Induktionsmotor mit einem Rotor innerhalb eines Stators wird als Beispiel verwendet, um die innovativen Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu veranschaulichen. In Motor wird ein kleiner Luftspalt zwischen Rotor und Stator für den mechanischen Freiraum und die Erzeugung des mechanischen Drehmoments erzeugt.
Der Käfigläufer-Asynchronmotor ist die häufigste elektrische Maschine. Der Stator des Käfigläufer-Asynchronmotors weist mehrere Wicklungen auf. Die Vielzahl von Wicklungen bildet üblicherweise eine Vielzahl von Phasenriemen, die in Polpaaren angeordnet sind. Der Rotor des Käfigläufer-Induktionsmotors umfasst eine Welle und einen Käfigläufer aus Metallstäben, die in einer magnetischen Struktur wie einem laminierten Siliziumstahlstapel enthalten sind. Der Schaft ist von den Metallstangen umgeben. Erste Enden der Metallstangen sind durch einen ersten Verbindungsring verbunden. Zweite Enden der Metallstangen sind durch einen zweiten Verbindungsring verbunden.
Im Betrieb wird die elektrische Energie üblicherweise an den Stator angelegt. Dadurch wird im Stator und im Luftspalt ein erstes Magnetfeld erzeugt. Das erste Magnetfeld dreht sich zeitlich synchron mit Wechselstrom, der an die Statorwicklungen angelegt wird. Das erste Magnetfeld induziert elektrische Ströme in den Metallstäben des Rotors. Der induzierte Strom erzeugt im Rotor ein zweites Magnetfeld. Das zweite Magnetfeld des Rotors reagiert gegen das erste Magnetfeld des Stators. Gemäß dem Lenzschen Gesetz folgt der Rotor dem rotierenden ersten Magnetfeld und erzeugt ein mechanisches Drehmoment, das den Rotor in Rotation versetzt. In einem Motormodus fällt der Rotor hinter das erste Magnetfeld. Die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem ersten Magnetfeld und dem Rotor induziert weiterhin den elektrischen Strom im Rotor. Wenn eine Last auf den Rotor aufgebracht wird und der Rotor weiter hinter das erste Magnetfeld fällt, wird aufgrund der Verzögerung zwischen dem Rotor und dem ersten Magnetfeld mehr Drehmoment entwickelt. Mit anderen Worten ist das Drehmoment des Motors ungefähr proportional zum Schlupf zwischen der Drehzahl des Rotors und der Drehzahl des ersten Magnetfelds.
Die theoretische Drehzahl des Rotors in einem Induktionsmotor hängt traditionell von der Frequenz der elektrischen Energieversorgung und der Anordnung der Pole der Statorspulen ab. Ohne Belastung des Motors entspricht die Drehzahl des Rotors gleich oder ungefähr gleich der Synchrondrehzahl des rotierenden Magnetfelds. Die Synchrondrehzahl eines Induktionsmotors wird durch die Frequenz der elektrischen Energieversorgung und die Anzahl der Pole des Induktionsmotors bestimmt. Insbesondere entspricht die Drehzahl des Induktionsmotors der Frequenz der elektrischen Energieversorgungszeiten 60 und weiter geteilt durch die Anzahl der Polpaare.
Da Energieeffizienz immer wichtiger wird, werden immer mehr Motoren und Generatoren in drehzahlvariablen Anwendungen wie Industrieantrieben, Elektrofahrzeugen, Dieselgeneratoren, Servosystemen und Windkraftanlagen an Leistungselektronikgeräte gekoppelt. Bei vielen dieser Anwendungen müssen die Motoren und Generatoren über einen weiten Drehzahl- und Leistungsbereich arbeiten, und herkömmliche Technologien können die Leistungs- und Kostenanforderungen für solche Anwendungen nicht erfüllen. Insbesondere da erneuerbare Energien zu einem wichtigen Thema werden, werden mehr Motoren zum Antrieb von Elektrofahrzeugen eingesetzt. Möglicherweise muss ein Motor über einen weiten Drehzahl- und Leistungsbereich effizient arbeiten. Herkömmliche Motoren können die Leistungs- und Kostenanforderungen für solche Anwendungen nicht erfüllen. Es wurde vorgeschlagen, die Anzahl der Pole und/oder die Anzahl der Phasen des Motors dynamisch anzupassen, um mehr Freiheit für die Optimierung der Leistung des Motors zu schaffen, insbesondere um den Wirkungsgrad des Motors und des Antriebssystems zu verbessern. Die Anzahl von Polen in einer Maschine und/oder die Anzahl von Phasen in einem Paar von Polen kann durch Steuern der Ströme in den Wicklungen, insbesondere durch Ändern der Phasenbeziehung zwischen benachbarten Wicklungen, geändert werden. Die Steuerung des Motors und die Durchführung einer solchen dynamischen Einstellung der Anzahl der Pole und/oder der Anzahl der Phasen ist jedoch eine bedeutende Herausforderung geblieben.
Es wäre ein Hochleistungsmotorsystem wünschenswert, das ein gutes Verhalten wie einen hohen Wirkungsgrad über eine Vielzahl von Geschwindigkeits- und Leistungsbereichsbedingungen zu besseren oder günstigen Materialkosten erzeugt.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese und andere Probleme werden im Allgemeinen durch bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung, die ein rekonfigurierbares Motorsystem bietet, das in der Lage ist, die Anzahl der Pole und/oder Phasen dynamisch anzupassen, gelöst oder umgangen und technische Vorteile erzielt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren das Bereitstellen einer Motor / Generator-Maschine, die mehrere Wicklungen, einen Rotor und einen Stator umfasst, die magnetisch mit dem Rotor gekoppelt sind, wobei die mehreren Wicklungen so konfiguriert sind, dass die Anzahl der Pole und die Anzahl der Phasen in einem Polpaar die Motor- / Generatormaschine dynamisch rekonfigurieren, wobei mehrere Stromwandler mit mehreren Wicklungen gekoppelt sind, wobei ein Stromwandler so konfiguriert ist, dass er einen Strom in einer Wicklung steuert und nachdem ein Fehler in einer Wicklung der Wicklungen von der Motor- / Generatormaschine oder in einem Stromwandler der mehreren Stromwandlern auftritt, wobei die mehreren Stromwandler so konfiguriert sind, dass die Motor- / Generatormaschine den Dauerbetrieb aufrechterhält.
Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst ein System eine Maschine mit mehreren Wicklungen, einem Rotor und einem Stator, die magnetisch mit dem Rotor gekoppelt sind, wobei die mehreren Wicklungen gleichmäßig in der Maschine angeordnet sind, wobei mehrere Stromwandler mit jeweiligen Wicklungen verbunden sind, wobei die mehreren Stromwandler konfiguriert sind, um Ströme der mehreren Wicklungen so zu steuern, dass die Anzahl der Pole der Maschine dynamisch einstellbar ist, indem die durch die mehreren Wicklungen fließenden Ströme und eine konfigurierbare Steuerung eingestellt werden, um einen Fehler in der Maschine zu erfassen und die mehrere Stromwandler zu konfigurieren, um den Dauerbetrieb aufrechtzuerhalten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren das Bereitstellen einer Maschine, die mehrere Wicklungen, einen Rotor und einen Stator umfasst, die magnetisch mit dem Rotor gekoppelt sind, das Koppeln mehrerer Stromwandler mit den mehreren Wicklungen, wobei die mehreren Stromwandler konfiguriert werden, um die Anzahl der Pole der Maschine in einem spannungsarmen Betriebsmodus gemäß einer Vielzahl von Betriebsparametern anzupassen und nach Auftreten eines Fehlers in der Maschine einzustellen, um die Maschine in einen fehlertoleranten Betriebsmodus zu wechseln.
Ein Vorteil einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist ein rekonfigurierbares Motorsystem, das die Anzahl der Pole und/oder Phasen dynamisch einstellen kann. Infolgedessen kann ein rekonfigurierbares Motorsystem unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen eine hohe Leistung erzielen.
Das Vorstehende hat die Merkmale und technischen Vorteile der vorliegenden Offenbarung ziemlich breit umrissen, damit die folgende detaillierte Beschreibung der Offenbarung besser verstanden werden kann. Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Offenbarung werden im Folgenden beschrieben, die den Gegenstand der Ansprüche der Offenbarung bilden. Für den Fachmann ist ersichtlich, dass das offenbarte Konzept und die offenbarte spezifische Ausführungsform leicht als Grundlage zum Modifizieren oder Entwerfen anderer Strukturen oder Prozesse zum Ausführen derselben Zwecke der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können. Fachleute sollten auch erkennen, dass solche äquivalenten Konstruktionen nicht vom Geist und Umfang der Offenbarung abweichen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.
Figurenliste
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Offenbarung und ihrer Vorteile wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, wobei:

Abbildung leine perspektivische Ansicht eines Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
eine vereinfachte Ansicht des in gezeigten Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
eine perspektivische Ansicht des Verbindungsrings und der Vielzahl von Statorwicklungen des in 2 gezeigten Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
eine Querschnittsansicht eines Bereichs um einen Statorschlitz entlang der Linie A-A 'in gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
ein Blockdiagramm eines umkonfigurierbaren Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
ein schematisches Diagramm eines Stromwandlers darstellt, der zur Verwendung in dem in gezeigten System gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung geeignet ist;
ein Blockdiagramm eines anderen umkonfigurierbaren Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
ein Blockdiagramm eines anderen umkonfigurierbaren Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
ein Blockdiagramm eines anderen umkonfigurierbaren Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
ein Blockdiagramm eines anderen umkonfigurierbaren Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
ein Blockdiagramm eines umkonfigurierbaren Motorsystems mit mehreren Wicklungsgruppen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
ein Blockdiagramm eines umkonfigurierbaren Motorsystems mit mehreren Wicklungsgruppen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
ein Blockdiagramm eines anderen umkonfigurierbaren Motorsystems mit mehreren Wicklungsgruppen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
ein Blockdiagramm eines umkonfigurierbaren Motorsystems mit zwei Wicklungsgruppen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
ein Blockdiagramm eines umkonfigurierbaren Motorsystems mit zwei Wicklungsgruppen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
ein Blockdiagramm einer ersten Ausführung eines Kontrollsystems des umkonfigurierbaren Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführung eines Kontrollsystems des konfigurierbaren Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
verschiedene Referenzsignalwellenformen des Kontrollsystems während eines Polzahländerungsübergangs gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
verschiedene Kontrollsignale des Kontrollsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
verschiedene Kontrollsignale des Kontrollsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
verschiedene Kontrollsignale des Kontrollsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
verschiedene Kontrollsignale des Kontrollsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
ein Beispiel zum Erzeugen der Pseudowellenform gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
eine Querschnittsansicht einer Statorwicklung mit einer Flusserfassungsvorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
ein Motorsystem mit Stromwandlern und einem Kühllüfter gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
eine Seitenansicht einer Ausführungsform von Magnetblöcken und Magnetsensoren gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt; und
ein Kontrollschema während eines Fehlerzustands gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt.

Entsprechende Ziffern und Symbole in den verschiedenen Abbildungen beziehen sich im Allgemeinen auf entsprechende Teile, sofern nicht anders angegeben. Die Abbildungen sind gezeichnet, um die relevanten Aspekte der verschiedenen Ausführungsformen klar zu veranschaulichen, und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet.
BESCHREIBUNG VON VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Herstellung und Verwendung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen werden nachstehend ausführlich diskutiert. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Offenbarung viele anwendbare erfinderische Konzepte bereitstellt, die in einer Vielzahl spezifischer Kontexte ausgeführt werden können. Die diskutierten spezifischen Ausführungsformen veranschaulichen lediglich spezifische Wege zur Herstellung und Verwendung der Offenbarung und beschränken den Umfang der Offenbarung nicht.
Die vorliegende Offenbarung wird in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext beschrieben, nämlich einem rekonfigurierbaren Motorsystem. Es gibt verschiedene Arten von elektrischen Maschinen, einschließlich Induktionsmaschinen, Permanentmagnetmaschinen, Schaltreluktanzmaschinen, Synchronreluktanzmaschinen und Hybridmaschinen. Die verschiedenen Ausführungsformen in dieser Offenbarung sind auf die obigen elektrischen Maschinen anwendbar. Die Offenbarung kann jedoch auch auf eine Vielzahl von elektrischen Maschinen und Maschinensystemen angewendet werden. Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Die vorliegende Offenbarung wird in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext beschrieben, nämlich einem dynamisch umkonfigurierbaren Induktionsmotor (DRIM)-System/-Technologie zum Verbessern der herkömmlichen Motortechnologie durch dynamisches Ändern der Anzahl von Polen und/oder der Anzahl von Phasen durch verschiedene Leistungselektronik-Steuerungsmechanismen. Mit dem DRIM-System/der DRIM-Technologie können die Effizienz und Zuverlässigkeit des Systems erheblich gesteigert und gleichzeitig die Systemkosten gesenkt werden. Es ist zu beachten, dass die allgemeinen Prinzipien der innovativen Aspekte in dieser Offenbarung auch auf elektrische Maschinen mit einer festen Anzahl von Polen und/oder Phasen angewendet werden können.
Diese Offenbarung präsentiert weitere Verbesserungen bei der Motor-/Generator-Konstruktion und den Herstellungsprozessen. Obwohl in der Erörterung ein Motor als Beispiel verwendet wird, können die gleichen Prinzipien auf Generatoren angewendet werden.
Die Anzahl der Pole und die Anzahl der Phasen in einem Polpaar eines Motors kann sich erheblich auf dessen Betrieb und Leistung auswirken. Bei herkömmlichen Motoren werden die Anzahl der Pole und die Anzahl der Phasen durch die Wicklungskonstruktion und den Wicklungsanschluss bestimmt. In einem DRIM-Motor sind die Wicklungen so angeordnet, dass sie offene Verbindungen haben. Die Anzahl der Pole (2P) und die Anzahl der Phasen eines Polpaares werden durch die durch die Wicklungen (N) fließenden Ströme bestimmt, wodurch die Anzahl von P und N im Echtzeitbetrieb durch Steuerung der Phasenbeziehung der Wicklungsströme dynamisch verändert werden kann. In einigen Ausführungsformen können mehrere Stromwandler vorgesehen sein. Die Vielzahl von Stromwandlern ist in eine Vielzahl von Stromwandlergruppen unterteilt. Der Motor weist mehrere Richter auf. Die Vielzahl von Leitern ist in eine Vielzahl von Gruppen von Leitern unterteilt. In einigen Ausführungsformen wird die Vielzahl von Leitern nacheinander in die Vielzahl von Gruppen unterteilt. In alternativen Ausführungsformen ist die Vielzahl von Leitern symmetrisch in die Vielzahl von Gruppen von Leitern unterteilt. In einigen Ausführungsformen sind die Stromwandler, die mit einer Gruppe von Leitern gekoppelt sind, konfiguriert, um Phasenbeziehungen von Strömen zu steuern, die durch die Gruppe von Leitern fließen.
Diese Steuerung der Wicklungsströme kann durch Koppeln mehrerer Stromwandler an die Wicklungen erreicht werden. Ein geeigneter Steueralgorithmus wird verwendet, um den Betrieb der mehreren Stromwandler zu steuern. Dadurch wird der Motor und das zugehörige Motorantriebssystem zu einem softwaredefinierten System. Der Betrieb und die Leistung des softwaredefinierten Systems können über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen und mit simulierten und/oder tatsächlichen Betriebsdaten durch einen selbstlernenden und optimierenden Algorithmus mit Echtzeit-Softwareaktualisierungsfähigkeit verbessert werden, wodurch sich eine viel bessere Leistung ergibt und Kostenkompromisse. Die Vorteile des softwaredefinierten Systems sind insbesondere bei Systemen mit komplexen Betriebsarten wie Elektrofahrzeugen von Bedeutung. Darüber hinaus können die Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und die Kosten des Systems gleichzeitig verbessert werden, indem die DRIM-Technologie auf den Motor angewendet wird. Beispielsweise kann das System weiterarbeiten, obwohl einige Wicklungen im Motor oder einige Teile in einem Stromwandler ausgefallen sind, da die ausgefallenen Teile oder ausgefallenen Wicklungen mit dem Rest des Systems, das noch arbeitet, isoliert und deaktiviert werden können. Es ist auch möglich, einige Stromwandler und/oder einige Wicklungen zu deaktivieren, damit das System mit einer reduzierten Anzahl von Phasen arbeitet, um die Systemeffizienz bei geringer Last zu verbessern. Die Technik zum Verringern der Anzahl der Phasen eines Motors ähnelt der Phasenverschattungstechnik, die in Gleichspannungswandlern verwendet wird.
stellt eine perspektivische Ansicht eines Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Das Motorsystem 200 umfasst einen Rotor 102 und einen Stator 104. Der Rotor 102 befindet sich innerhalb dem Stator 104 und ist von diesem umgeben. Der Stator 104 umfasst einen Statorkern, mehrere Statorwicklungen und einen Verbindungsring 202. Die mehreren Statorwicklungen (z. B. die Statorwicklung 115) sind in den Statorkern eingebettet. Die mehreren Statorwicklungen sind durch den Verbindungsring 202 miteinander verbunden, wie in gezeigt. Der Statorkern ist aus geeigneten magnetischen Materialien gebildet. Der Statorkern ist in der Lage, einen Magnetfluss zu leiten und die Mehrzahl von Statorwicklungen mechanisch zu stützen. In dieser Offenbarung sind die Begriffe Statorwicklung, Phasenwicklung und Phasenleiter gewöhnlich austauschbar und haben in der Regel die gleiche Bedeutung. Abhängig von der Konstruktion des Motors kann sich auch eine Phasenwicklung oder ein Phasenleiter in dem Rotor befinden, obwohl die folgende Diskussion im Allgemeinen solche Wicklungen in dem Stator als Beispiele verwenden wird. In der gesamten Beschreibung kann das in gezeigte Motorsystem alternativ als rekonfigurierbares Motorsystem bezeichnet werden.
stellt eine vereinfachte Ansicht des in gezeigten Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Das umkonfigurierbare Motorsystem 200 umfasst den Rotor 102, den Stator 104 und mehrere Phasenleiter, die in dem Stator 104 ausgebildet sind. Wie in gezeigt, ist ein Luftspalt 103 zwischen dem Rotor 102 und dem Stator 104 ausgebildet. In dem Stator 104 ist eine Vielzahl von Schlitzen S1-S10 ausgebildet. Jeder Schlitz (z. B. Schlitz S1) dient zur Aufnahme einer Statorwicklung mit einem Phasenleiter (z. B. Statorwicklung 111). Es ist anzumerken, dass abhängig von verschiedenen Konstruktionen mehrere Statorwicklungen in einem Schlitz eingebettet sein können. Wie in gezeigt, können mehrere Statorwicklungen 111 - 120 in dem Stator 104 ausgebildet sein. In der gesamten Beschreibung kann die Statorwicklung alternativ als Phasenleiter des Stators bezeichnet werden.
Es sollte erkannt werden, dass, während das Motorsystem 200 mit wenigen Schlitzen und Statorwicklungen darstellt, das Motorsystem 200 eine beliebige Anzahl von Schlitzen und Statorwicklungen aufnehmen könnte. Die Schlitze sind im Allgemeinen gleichmäßig entlang eines Umfangs des Motors verteilt und nacheinander beschriftet. In der gesamten Beschreibung der vorliegenden Offenbarung werden der Schlitz und die Wicklung in dem Schlitz mit der gleichen Nummer bezeichnet. Zum Beispiel kann S5, das in gezeigt ist, den fünften Schlitz oder den Phasenleiter (Wicklung) bedeuten, der in den fünften Schlitz eingebettet ist, abhängig vom Kontext der Beschreibung.
veranschaulicht den Verbindungsring 202 weiter. In der gesamten Beschreibung kann der Verbindungsring 202 alternativ als Ring bezeichnet werden. Wie in gezeigt, ist der Ring 202 an einem Ende des Stators 104 angeordnet. Der Ring 202 ist aus einem geeigneten leitenden Material gebildet. Der Ring 202 wird verwendet, um die Statorwicklungen miteinander zu verbinden. Wie in gezeigt, ist an jedem Ende jeder Statorwicklung der Ring 202 angeschlossen. Der Ring 202 ermöglicht die Steuerung der Ströme aller Statorwicklungen.
Es ist zu beachten, dass die Summe der durch die Statorwicklungen fließenden Ströme gleich Null sein sollte, wenn der Ring 202 nicht mit anderen Knoten des Motorsystems verbunden ist. Wenn die Summe der durch die Statorwicklungen fließenden Ströme ungleich Null ist, sollte ein leitender Pfad als Rückweg für die unsymmetrischen Ströme bereitgestellt werden. Die detaillierten Implementierungen des Rückführpfads werden nachstehend unter Bezugnahme auf die erörtert.
Wie in gezeigt, ist der Ring 202 kreisförmig. Es sei ferner angemerkt, dass die Form des Rings 202 nur beispielhaft ist. Ein Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Zum Beispiel liegt es innerhalb des Umfangs und des Gedankens der Offenbarung, dass der Ring 202 andere Formen umfasst, wie zum Beispiel oval, quadratisch oder rechteckig. In der gesamten Beschreibung kann der Ring alternativ als Verbindungsring oder Verbindungsstange bezeichnet werden.
stellt eine perspektivische Ansicht des Verbindungsrings und der Mehrzahl von Statorwicklungen des in gezeigten Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Der Verbindungsring 202 ist kreisförmig. Ein Ende jeder Statorwicklung (z. B. Statorwicklung 115) ist mit dem Verbindungsring 202 verbunden. Da der Verbindungsring 202 aus einem leitenden Material gebildet ist, sind mehrere Statorwicklungen elektrisch miteinander verbunden. Bei dem Herstellungsprozess kann ein Phasenleiter als eine Komponente in einen Schlitz eines Motors eingeführt werden. Alternativ kann der Phasenleiter durch geeignete Prozesse wie Formen, Gießen, Plattieren oder Drucken unter Verwendung eines leitenden Materials separat oder zusammen mit anderen Phasenleitern in den Schlitz hergestellt werden. Der Endring kann zusammen mit den Leitern oder separat hergestellt und anschließend mit den Phasenwicklungen verbunden werden.
In einigen Ausführungsformen wird der mit dem Verbindungsring 202 verbundene Phasenleiter in eine Öffnung des Verbindungsrings 202 eingeführt. Alternativ kann das Ende des Phasenleiters, der mit dem Verbindungsring 202 verbunden ist, mit der oberen Oberfläche oder den vorstehenden Bereichen des Verbindungsrings 202 verbunden sein. Die mehreren Statorwicklungen können durch verschiedene Prozesse wie Schweißen, Löten und dergleichen mit dem Verbindungsring 202 verbunden werden.
stellt eine Querschnittsansicht eines Bereichs um einen Statorschlitz entlang der Linie A-A 'in gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Ein Bereich 402 ist ein Teil des Statorkerns, der als Dotter- oder S-Basis bezeichnet wird. Ein erster Zahn 404 und ein zweiter Zahn 406 sind über dem Bereich 402 ausgebildet. Der Bereich 402 und die Zähne 404, 406 werden als Kern des Stators bezeichnet. Der Bereich 402 und die Zähne 404, 406 sind aus einem magnetischen Material wie einem Siliziumstahllaminat, einem Ferritblock oder einer magnetischen Verbindung gebildet. Ein Graben 408 befindet sich über dem Bereich 402 und zwischen dem ersten Zahn 404 und dem zweiten Zahn 406. Der Graben 408 wird alternativ als Schlitz bezeichnet. Die Seitenwände und der Boden des Grabens können mit einer Isolierschicht 420 beschichtet sein, um einer relativ hohen Spannung standzuhalten.
Der Phasenleiter 115 ist in den Graben eingebettet. Es ist üblicherweise eine Isolationsschicht 420 zwischen dem Phasenleiter 115 und dem Kern des Stators ausgebildet, wenn der Leiter einer relativ hohen Spannung standhalten muss. Über dem Phasenleiter 115 befindet sich gewöhnlich eine Öffnung, die manchmal mit einem mechanischen Trägermaterial gefüllt ist, das ein magnetisch leitendes Material sein kann oder nicht. In einigen Ausführungsformen können geeignete Materialien wie Lötpaste in den Schlitz 408 gefüllt werden. Nach einem Rückflussprozess bildet die Lötpaste eine Kappe, um die Position der Statorwicklung weiter zu sichern.
Wie in gezeigt, sind der Stator und der Rotor 102 durch den Luftspalt 103 getrennt. In wird nur eine Statorwicklung (z. B. der Phasenleiter 115) dargestellt. Ein Fachmann würde verstehen, dass der Rotor 102 von mehreren Statorwicklungen umgeben ist.
stellt ein Blockdiagramm eines umkonfigurierbaren Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Das umkonfigurierbare Motorsystem 500 umfasst einen umkonfigurierbaren Motor 560 und die zugehörige Stromwandlergruppe 550. In einigen Ausführungsformen kann der umkonfigurierbare Motor 560 als der in gezeigte umkonfigurierbare Motor implementiert werden. In alternativen Ausführungsformen kann der umkonfigurierbaren Motor 560 als jeder umkonfigurierbare Motor implementiert werden. Wie in gezeigt, umfasst der umkonfigurierbare Motor 560 eine Vielzahl von Statorwicklungen S1-SN und einen Verbindungsring 562.
Die Stromwandlergruppe 550 umfasst mehrere Stromwandler 501 - 50N. Jeder Stromwandler (z. B. der Stromwandler 501) hat einen Eingang, der mit der Leistungsquelle Vs verbunden ist, und einen Ausgang, der mit einer entsprechenden Statorwicklung (z. B. der Statorwicklung S1) verbunden ist. Wie in gezeigt, ist ein erstes Ende der Statorwicklung (z. B. die Statorwicklung S1) mit dem Ausgang des entsprechenden Stromwandlers (z. B. Stromwandler 501) verbunden. Ein zweites Ende der Statorwicklung ist mit dem Verbindungsring 562 verbunden. Der Aufbau des Stromwandlers wird nachstehend unter Bezugnahme auf ausführlich beschrieben.
stellt ein schematisches Diagramm eines Stromwandlers dar, der zur Verwendung in dem in gezeigten System gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung geeignet ist. In einigen Ausführungsformen ist der Stromwandler 501 als ein Halbbrückenwandler implementiert. Der Halbbrückenwandler 501 enthält zwei Schaltelemente, nämlich Q11 und Q12, und zwei Kondensatoren, nämlich C1 und C2. Der Halbbrückenwandler 501 umfasst ferner einen Erfassungsschalter Q1. Die Steuerung des Erfassungsschalters Q1 ist so konfiguriert, dass der Erfassungsschalter Q1 nur während der Leitungszeit von Q12 leitet. Das Gate-Ansteuersignal von Q1 kann basierend auf dem Gate-Ansteuersignal von Q12 erhalten werden. Es ist zu beachten, dass das Gate-Ansteuersignal von Q12 so geformt sein sollte, dass Schaltrauschen von Q12 und Q12 vermieden oder reduziert wird. Darüber hinaus kann das Gate-Ansteuersignal von Q1 auf der Grundlage eines Abtasttakts erzeugt werden, dessen Timing so eingestellt ist, dass es gegenüber einem solchen Schaltrauschen unempfindlich ist.
Wie in gezeigt, sind die Schaltelemente Q11 und Q12 zwischen den Ausgangsanschlüssen der Stromquelle Vs in Reihe geschaltet. In gleicher Weise sind die Kondensatoren C1 und C2 in Reihe zwischen die Ausgangsanschlüsse der Stromquelle Vs geschaltet. Der gemeinsame Knoten der Schaltelemente Q11 und Q12 ist mit einem Eingang eines LC-Filters verbunden, das aus einer Induktivität Lo und einem Ausgangskondensator Co besteht, wie in gezeigt. Der gemeinsame Knoten der Kondensatoren C1 und C2 ist mit Masse verbunden. Bitte beachten Sie, dass Lo und Co optional sind und der gemeinsame Knoten von Q11 und Q12 direkt mit einem Leiter des Motors verbunden werden kann.
Gemäß einigen Ausführungsformen sind die Schaltelemente Q11 und Q12 als MOSFET oder parallel geschaltete MOSFETs, beliebige Kombinationen davon und/oder dergleichen implementiert. Gemäß alternativen Ausführungsformen kann es sich bei den Schaltkomponenten (z. B. der Schalter Q1) um einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) handeln. Alternativ kann es sich bei den Schaltbauteilen um beliebige steuerbare Schalter handeln, wie beispielsweise integrierte Gate-Kommutated-Thyristor- (IGCT-) Komponenten, Gate-Turn-Off-Thyristor-(GTO-) Komponenten, Silizium-Controlled-Gleichrichter- (SCR-) Komponenten, Junction-Gate-Feldeffekttransistor- (JFET-) Komponenten, MOS-gesteuerte Thyristor (MCT) - Komponenten, Leistungskomponenten auf Galliumnitrid (GaN) -Basis und/oder dergleichen.
Es ist zu beachten, dass, während das Beispiel in der gesamten Beschreibung auf einem Halbbrückenwandler (z. B. dem in gezeigten Halbbrückenwandler 501) basiert, die Ausführung des in gezeigten Leistungswandlers viele Variationen, Alternativen sowie Änderungen aufweisen kann. Beispielsweise können Vollbrückenwandler, Gegentaktwandler und Induktor-Induktor-Kondensator (LLC) -Resonanzwandler in einigen geeigneten Anwendungen alternativ verwendet werden.
In der Summe ist der hier dargestellte Halbbrückenwandler 501 nur zum Zwecke der klaren Veranschaulichung der erfinderischen Aspekte der verschiedenen Ausführungsformen beschränkt. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Leistungstopologie beschränkt.
Es sollte ferner angemerkt werden, dass, während zwei Schalter Q11 und Q12 darstellt, verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung andere Variationen, Modifikationen und Alternativen umfassen können. Beispielsweise kann jedem Schalter des Halbbrückenwandlers 501 ein separater Kondensator parallel geschaltet sein. Ein solcher separater Kondensator hilft dabei, den Zeitpunkt des Resonanzprozesses und die EMI des Halbbrückenwandlers 501 besser zu steuern.
stellt ein Blockdiagramm eines anderen umkonfigurierbaren Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Das in gezeigte umkonfigurierbare Motorsystem 700 ähnelt dem in gezeigten umkonfigurierbaren Motorsystem 500, mit der Ausnahme, dass der Verbindungsring 562 über einen leitenden Pfad mit der Stromwandlergruppe 550 gekoppelt ist. In einigen Ausführungsformen kann der Verbindungsring 562 mit der Energiequelle Vs über einen leitenden Pfad verbunden sein, in dem sich zwischen dem Verbindungsring und der Energiequelle einige Impedanzelemente wie ein Kondensator oder eine Induktivität befinden können. Die in gezeigte Verbindung hilft dabei, die durch die Statorwicklungen S1 - SN fließenden Ströme besser zu steuern. Insbesondere dann, wenn die Summe der durch die Statorwicklungen S1-SN fließenden Ströme ungleich Null ist, wirkt der in gezeigte leitende Pfad als Rückweg für die durch die Statorwicklungen S1-SN fließenden unsymmetrischen Ströme.
In einigen Ausführungsformen ist der Verbindungsring 562 möglicherweise nicht kreisförmig. Beispielsweise kann es eine Lücke oder mehrere Lücken im Verbindungsring geben. Um eine bessere Leistung zu erzielen, kann sich der Verbindungspunkt zwischen dem Rückführweg und dem Verbindungsring 562 im mittleren Bereich des Verbindungsrings 562 befinden.
stellt ein Blockdiagramm eines anderen umkonfigurierbaren Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Das umkonfigurierbare Motorsystem 800 ähnelt dem in gezeigten umkonfigurierbaren Motorsystem 700, mit der Ausnahme, dass ein Induktor L0 zwischen dem Verbindungsring 762 und einem positiven Anschluss der Stromquelle Vs verbunden ist. Ein vorteilhaftes Merkmal der Induktivität L0 ist, dass die Induktivität L0 dazu beitragen kann, die Stromwelligkeit in den Statorwicklungen zu verringern. Die Induktivität L0 hilft auch dabei, Schaltgeräusche der Stromwandler 501-50N zu filtern.
Es ist zu beachten, dass der Induktor L0 in den Statorkern des umkonfigurierbaren Motorsystems 800 integriert sein kann. In einigen Ausführungsformen kann der Statorkern magnetisch leitende Materialien wie Siliziumstahl, Weichferrit, beliebige Kombinationen davon und dergleichen umfassen. Der Induktor L0 kann in dem Statorkern ausgebildet sein. Beispielsweise ist der Induktor L0 als ein Leiter implementiert, der um einen Abschnitt des Statorkerns des umkonfigurierbaren Motorsystems 800 gewickelt ist.
Obwohl gezeigt ist, dass L0 mit dem positiven Anschluss der Stromquelle Vs gekoppelt ist, kann es auch mit dem negativen Anschluss der Stromquelle Vs oder anderen Knoten im System mit einem stabilen Spannungspotential gekoppelt sein. Außerdem kann L0 durch ein Impedanznetzwerk mit niedrigem Wechselstromwiderstand ersetzt werden, beispielsweise durch einen Kondensator, einen kapazitiven Teiler, der aus zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren besteht, die mit den beiden Anschlüssen von Vs gekoppelt sind, oder ein Induktor-Kondensator-Netzwerk. Das Impedanznetzwerk kann auch einen Stromwandler enthalten, so dass die Impedanz im leitenden Pfad steuerbar ist. zeigt ein Beispiel.
stellt ein Blockdiagramm eines anderen umkonfigurierbaren Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Das in gezeigte umkonfigurierbare Motorsystem 900 ähnelt dem in gezeigten umkonfigurierbaren Motorsystem 700, mit der Ausnahme, dass ein Kondensator zwischen dem Verbindungsring 562 und einem negativen Anschluss der Stromquelle Vs verbunden ist. Ein vorteilhaftes Merkmal des Kondensators C0 ist, dass der Kondensator C0 dazu beitragen kann, die Wechselspannung herauszufiltern und den Verbindungsring 562 auf einem stabilen Spannungspotential zu halten.
Es ist zu beachten, dass abhängig von den Konstruktionsanforderungen andere geeignete Komponenten, wie eine Schutzsicherung, in den leitenden Pfad eingefügt werden können. Um eine signifikante parasitäre Induktivität und die damit verbundenen Leistungsverluste zu vermeiden, sollte der Verbindungsdraht in einem leitenden Pfad außerhalb des Statorkerns des umkonfigurierbaren Motorsystems 900 angeordnet werden, es sei denn, es werden einige Induktivitätselemente im Verbindungsdraht benötigt.
stellt ein Blockdiagramm eines anderen umkonfigurierbaren Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Das umkonfigurierbare Motorsystem 1000 ähnelt dem in gezeigten umkonfigurierbaren Motorsystem 1000, außer dass ein Impedanzwandler 1001 zwischen einer Eingangsstromquelle Vs und einem Ende der Wicklungen S1 bis SN (optional über einen Verbindungsring oder eine Verbindungsschiene 562) gekoppelt ist. Ein Impedanzelement mit einer Induktivität L0 kann zwischen den Impedanzwandler und die Wicklungen geschaltet sein. Der Stromwandler 1001 und Lo bilden ein Impedanznetzwerk. Der Aufbau des Stromwandlers 1001 ähnelt dem Aufbau des Stromwandlers 501 und wird daher hier nicht erörtert.
Ein vorteilhaftes Merkmal des Stromwandlers 1001 ist, dass der Stromwandler 1001 dazu beitragen kann, die Leistung des umkonfigurierbaren Motorsystems 1000 weiter zu verbessern. Beispielsweise kann durch Steuern des Betriebs des Stromwandlers 1001 der unsymmetrische Strom auf dem Verbindungsring 562 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gesteuert werden.
Die in den - gezeigten umkonfigurierbaren Motorsysteme können konfiguriert sein, um die Anzahl der Pole und die Anzahl der Phasen des Motors dynamisch zu ändern, indem die Phasenwinkel der Wicklungsströme eingestellt werden und/oder der Betrieb bestimmter Wicklungen durch Steuern der Stromwandler gesperrt wird. Eines der Hauptziele des Motorsystems besteht darin, die beste Energieeffizienz des Systems zu erzielen, indem der Betrieb des Motors und der Stromwandler durch Steuern der Amplitude, Frequenz und des Phasenwinkels der Motorphasenströme (der durch die Wicklungen fließenden Ströme) koordiniert wird. Infolgedessen kann ein Leistungsverlust einer Schlüsselkomponente in dem System oder der kombinierte Leistungsverlust des Systems einschließlich beliebiger Kombinationen des Stromwandlerverlusts, der Motorwicklungsverluste, der Motormagnetmaterialleistungsverluste und anderer Verluste über eine breite Palette von Betriebsbedingungen minimiert werden.
Es ist möglich, den Motor in einem Feldschwächungsmodus über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen zu betreiben. Da die magnetischen Leistungsverluste stark von der Stärke des Magnetfeldes im Motor beeinflusst werden. Unter den meisten Bedingungen und/oder Anwendungen muss ein Motor nicht mit oder in der Nähe seines Nenndrehmoments arbeiten. Somit können sowohl seine Flussstärke als auch die Amplitude der Wicklungsströme als Reaktion auf seine Betriebsbedingungen eingestellt werden.
In einigen Ausführungsformen kann die Energiequelle als eine Vielzahl von Energiequellen implementiert sein, die in Reihe geschaltet sind. Alternativ kann die Energiequelle ein Hochspannungspotential aufweisen. Die an das umkonfigurierbare Motorsystem angelegte Stromquelle kann in mehrere Eingangsspannungsquellen mit einer niedrigeren Nennspannung unterteilt werden. In Reaktion auf die mehreren Eingangsspannungsquellen, die von der Stromquelle getrennt sind, können die Phasenwicklungen in mehrere Gruppen unterteilt werden. Die Phasenwicklungen in jeder Gruppe können sowohl an eine separate Verbindungsschiene als auch an eine separate Eingangsspannungsquelle angeschlossen sein. Diese Konfiguration (mehrere Wicklungsgruppen, mehrere Verbindungsstangen und mehrere Eingangsspannungsquellen) für Anwendungen mit hoher Eingangsspannung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beschrieben.
stellt ein Blockdiagramm eines umkonfigurierbaren Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Das umkonfigurierbare Motorsystem 1100 umfasst einen Stator 104, einen Rotor 102 und einen Luftspalt 103. Der Stator 104 umfasst mehrere Statorwicklungen. Die mehreren Statorwicklungen können in den Statorkern eingebettet sein. Insbesondere kann der Statorkern mehrere Schlitze aufweisen. Jeder Schlitz dient zur Aufnahme einer Statorwicklung. Alternativ kann je nach unterschiedlichen Anwendungen und Konstruktionsanforderungen jeder Schlitz verwendet werden, um mehrere Statorwicklungen aufzunehmen. Zusätzlich kann das umkonfigurierbare Motorsystem keinen Statorkern (z. B. einen kernlosen Motor) enthalten, oder es gibt keinen Schlitz im Statorkern.
Wie in gezeigt, ist die Mehrzahl von Statorwicklungen in M Gruppen unterteilt, wobei M eine vorbestimmte ganze Zahl ist. Die Statorwicklungen jeder Gruppe sind durch einen Verbindungsring verbunden. Zum Beispiel sind die Statorwicklungen S11-S1N der ersten Gruppe durch einen ersten Verbindungsring 1151 verbunden, wie in gezeigt. Ebenso sind die Statorwicklungen SMI-SMN der M-ten Gruppe durch einen M-ten Verbindungsring 115M verbunden, wie in gezeigt. In sind die Verbindungsringe schwebend dargestellt (z. B. sind die Verbindungsringe voneinander isoliert, wie in gezeigt). In dieser Offenbarung kann ein Verbindungsring keine umschlossene Form und somit eine Verbindungsstange sein. Wenn einige der M Eingangsstromquellen voneinander isoliert sind, können einige der Verbindungsringe 1151-115M elektrisch miteinander verbunden sein oder einen einzelnen Verbindungsring bilden.
Weiterhin umfasst das umkonfigurierbare Motorsystem 1100 mehrere Stromwandlergruppen. Jede Stromwandlergruppe ist zwischen eine Stromquelle und eine entsprechende Statorwicklungsgruppe geschaltet. Wie in dargestellt, ist eine erste Stromwandlergruppe 1101 zwischen eine erste Leistungsquelle VS1 und die erste Gruppe der Statorwicklungen S11 - SIN geschaltet. Die erste Stromwandlergruppe 1101 umfasst eine Vielzahl von Stromwandlern 1111 - 111N, wie in gezeigt. Ebenso ist eine M-te Stromwandlergruppe 110M zwischen eine m-te Leistungsquelle VSM und die m-te Gruppe der Statorwicklungen SM1-SMN geschaltet. Die M-te Stromwandlergruppe 110M umfasst mehrere Stromwandler 11M1 - 11MN, wie in gezeigt. Die Vielzahl von Stromwandlern ist in eine Vielzahl von Stromwandlergruppen unterteilt.
In einigen Ausführungsformen sind die Stromquellen VS1 - VSM separate Stromquellen, wie in gezeigt. In alternativen Ausführungsformen sind die Stromquellen VS1 - VSM in Reihe geschaltet, um eine hohe Eingangsspannung aufzunehmen, die an das umkonfigurierbare Motorsystem 1100 angelegt wird. Darüber hinaus können die Stromquellen VS1 - VSM aus in Reihe geschalteten Kondensatoren entwickelt und an eine gemeinsame Stromquelle gekoppelt werden. Daher kann es wichtig sein, einen Ladungsausgleich zwischen den Stromquellen zu erzielen. Um einen Ladungsausgleich der in Reihe geschalteten Stromquellen zu erreichen, ist es wünschenswert, dass die Gleichströme, die in/aus den Stromquellen fließen, gleich oder ungefähr gleich sind (z. B. innerhalb einer Toleranz von 20 %).
In einigen Ausführungsformen können die Energiequellen effizient und zuverlässig arbeiten, wenn der durch jede Energiequelle fließende Strom ein Gleichstrom oder ein Strom mit niederfrequenten Komponenten ist. Beispielsweise sollten die Oberwellenkomponenten (z. B. die Grundwelle und die Oberwelle niedriger Ordnung) des Stroms auf ein Minimum reduziert werden. In einigen Ausführungsformen sollte jede Wicklungsgruppe mindestens drei Statorwicklungen aufweisen, die gleichmäßig in einem Paar von Polen beabstandet sind. Die Statorwicklungen sind so konfiguriert, dass sie Ströme mit der gleichen Amplitude und Frequenz leiten. Weiterhin sind die Phasenwinkel der Ströme gleichmäßig auf die Statorwicklungen verteilt. Infolgedessen bilden die Statorwicklungen in jeder Wicklungsgruppe ein symmetrisches und ausgeglichenes Mehrphasensystem, und der durch jede Stromquelle fließende Strom ist im Idealbetrieb ein Gleichstrom.
stellt ein Blockdiagramm eines umkonfigurierbaren Motorsystems mit mehreren Wicklungsgruppen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Das umkonfigurierbare Motorsystem 1200 ähnelt dem in gezeigten umkonfigurierbaren Motorsystem 1100 mit der Ausnahme, dass ein Rückführpfad mit jeder Statorwicklungsgruppe verbunden ist.
Die in gezeigte Verbindung hilft dabei, die durch die Statorwicklungen S1 - SN fließenden Ströme besser zu steuern. Insbesondere dann, wenn die Summe der durch die Statorwicklungen S1-SN fließenden Ströme ungleich Null ist, wirkt der in gezeigte leitende Pfad als Rückweg für die durch die Statorwicklungen S1-SN fließenden unsymmetrischen Ströme.
stellt ein Blockdiagramm eines anderen umkonfigurierbaren Motorsystems mit mehreren Wicklungsgruppen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Das umkonfigurierbare Motorsystem 1300 ähnelt dem in gezeigten umkonfigurierbaren Motorsystem 1100 mit der Ausnahme, dass ein Rückpfad mit jeder Statorwicklungsgruppe verbunden ist. Mindestens eine Statorwicklungsgruppe ist nicht mit einem Rückpfad verbunden.
stellt ein Blockdiagramm eines umkonfigurierbaren Motorsystems mit zwei Wicklungsgruppen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Das in gezeigte umkonfigurierbare Motorsystem 1100 weist M Wicklungsgruppen auf. Wenn die vorbestimmte ganze Zahl M gleich zwei ist, wird das in gezeigte umkonfigurierbare Motorsystem 1100 zum in dargestellten umkonfigurierbaren Motorsystem 1400.
Wie in gezeigt, umfasst eine erste Wicklungsgruppe Statorwicklungen S11-SIN. Die Statorwicklungen S11-S1N sind durch einen ersten Verbindungsring 1151 miteinander verbunden. Eine zweite Wicklungsgruppe umfasst Statorwicklungen S21 - S2N. Die Statorwicklungen S21-S2N sind durch einen zweiten Verbindungsring 1152 miteinander verbunden. Eine erste Stromwandlergruppe 1101 ist zwischen eine erste Leistungsquelle VS1 und die erste Gruppe der Statorwicklungen geschaltet. Die erste Stromwandlergruppe 1101 umfasst eine Vielzahl von Stromwandlern 1111 - 111N, wie in gezeigt. Ebenso ist eine zweite Stromwandlergruppe 1102 zwischen eine zweite Stromquelle VS2 und die zweite Gruppe der Statorwicklungen geschaltet. Die zweite Stromwandlergruppe 1102 umfasst eine Vielzahl von Stromwandlern 1121 - 112N, wie in gezeigt. Wenn VS1 und VS2 voneinander isoliert sind, können die Verbindungsringe 1151 und 1152 elektrisch miteinander verbunden sein und in einigen Ausführungsformen einen Verbindungsring bilden.
stellt ein Blockdiagramm eines weiteren umkonfigurierbaren Motorsystems mit zwei Wicklungsgruppen nach verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung dar. Das umkonfigurierbare Motorsystem 1500 ähnelt dem in gezeigten umkonfigurierbaren Motorsystem 1400, mit der Ausnahme, dass jede Wicklungsgruppe zwölf Wicklungen in aufeinanderfolgenden Schlitzen umfasst. Wie in gezeigt, umfasst die erste Wicklungsgruppe Wicklungen von S1 bis S12. Die zweite Wicklungsgruppe umfasst Wicklungen von S13 bis S24. In ähnlicher Weise umfasst jede Stromwandlergruppe zwölf Stromwandler, von denen jeder mit einer Statorwicklung gekoppelt ist, wie in gezeigt.
Wie in gezeigt, umfasst die erste Wicklungsgruppe Wicklungen von S1 bis S12. Die zweite Wicklungsgruppe umfasst Statorwicklungen S13 - S24. Die erste Stromwandlergruppe umfasst Stromwandler 1501-1512. Die zweite Stromwandlergruppe umfasst Stromwandler 1513-1524.
Es ist zu beachten, dass die Eingangsleistungsquellen VS1 und VS2 in Reihe geschaltet sind, um eine an das umkonfigurierbare Motorsystem 1500 angelegte Hochspannung auszuhalten.
Das Steuersystem des DRIM-Systems ist konfiguriert, um die Anzahl der Pole und die Anzahl der Phasen in einem Paar von Polen des Motors dynamisch zu ändern, indem die Phasenwinkel der Wicklungsströme eingestellt werden und/oder bestimmte Wicklungen oder Stromwandler deaktiviert werden, so dass die Leistung des Systems auf einem guten Niveau gehalten werden kann, während die Betriebsanforderungen des DRIM-Systems erfüllt werden.
Bei Fahrzeug- und vielen anderen Anwendungen kann eines der Hauptziele des DRIM-Systems darin bestehen, die Energieeffizienz des Systems über einen großen Betriebsbereich zu verbessern, indem der Betrieb des Motors und der Stromwandler durch die Einstellung der Amplitude, Frequenz und des Winkels der Motorphasenströme koordiniert wird, so dass die kombinierten Leistungsverluste, einschließlich der Stromwandlerverluste, der Motorwicklungsverluste und der Verlustleistung des magnetischen Materials des Motors über einen großen Bereich von Betriebsbedingungen minimiert werden können.
Die Verlustleistung der Stromwandler ist abhängig von der Amplitude der Wicklungsströme. Der Motorwicklungsverlust steht in direktem Zusammenhang mit der Amplitude und Frequenz der Wicklungsströme. Der Kernverlust (Magnetmaterial-Leistungsverlust) des Motors wird durch die Frequenz und Stärke des Magnetfelds im Magnetmaterial beeinflusst. Die oben genannten Verluste sind auch temperatur- und schaltfrequenzabhängig. Das Ändern der Polzahl führt zu einer Änderung der Frequenz der Wicklungsströme und des Magnetfelds.
Die Amplitudenbeziehung zwischen dem Verbindungsstab und den Phasenwicklungsströmen und die Flussamplitudenbeziehung zwischen dem Dotter und den Zahnabschnitten magnetischer Materialien im Motor spielen eine sehr wichtige Rolle, um bei gegebenen Betriebsbedingungen einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen. Die Änderung der Anzahl der Phasen in einem Polpaar kann eine natürliche Folge einer Polzahländerung oder des Ausfalls einer Wicklung oder eines Stromwandler sein und kann während des Schwachlastbetriebs absichtlich gesteuert werden, indem einige Stromwandler deaktiviert werden (ohne die Leistungsschalter im Stromwandler zu schalten), so dass der Leistungsverlust im System bei geringer Last reduziert werden kann.
Die allgemeine Betriebsanforderung eines Motorantriebssystems besteht darin, ein erforderliches Drehmoment bei einer gegebenen Drehzahl bereitzustellen. Um die Energieeffizienz des Systems zu optimieren, muss der Motor möglicherweise während eines weiten Bereichs von Betriebsbedingungen in einem feldschwächenden Modus betrieben werden, da die magnetischen Leistungsverluste stark von der Stärke des Magnetfelds im Motor beeinflusst werden. Daher sollten im DRIM-System im Allgemeinen feldorientierte Steuerungsverfahren (FOC-Verfahren) eingesetzt werden, mit denen die Flussstärke im Motor gesteuert werden kann. Eine V / F-Steuerung, die indirekt die Flussstärke steuert, kann ebenfalls verwendet werden.
stellt ein Blockdiagramm einer ersten Ausführung eines Kontrollsystems des umkonfigurierbaren Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Das Motorsystem umfasst einen Motor 1630, mehrere Stromwandler 1620 und einen Controller 1600. Um Steuersignale für die Stromwandler zu erzeugen und den Motor auf effiziente Weise zu steuern, können mehrere Systembetriebsparameter in einem Controller 1600 eingespeist werden. Wie in gezeigt, kann ein Sensor 1642 verwendet werden, um Spannungs-, Strom- und / oder Temperatursignale der Stromwandler zu erfassen. Das Ausgangssignal des Sensors 1642 wird im Controller 1600 eingespeist. Ein zweiter Sensor 1644 kann verwendet werden, um Geschwindigkeit, Position und / oder Temperatur des Motors 1630 zu erfassen. Die Ausgabe des zweiten Sensors 1644 wird im Controller 1600 eingespeist, wie in gezeigt.
Der Controller 1600 umfasst mehrere Funktionseinheiten. Wie in gezeigt, ist eine Systemsteuerung 1604 konfiguriert, um das Ausgangssignal des zweiten Sensors 1644 zu empfangen. Die Systemsteuerung 1604 kann ein erforderliches Drehmoment als Referenzsignal gemäß den Systemanforderungen und / oder Systemrückkopplungssignalen wie Geschwindigkeit, Position, Temperatur und anderen Betriebsparametern von dem Motor oder einer Systemkomponente ausgeben.
Eine Ausgabe der Systemsteuerung 1604 und eine Ausgabe einer Prädiktionseinheit 1602 werden in einen Referenzoptimierer 1606 eingespeist. Die Operation, welche die Prädiktionseinheit 1602 ausführen kann, kann Eingaben von der Systemeingabe übernehmen. Beispielsweise erfolgt die Systemeingabe aus der autonomen Fahrsteuerung eines Autos, der Verkehrsprognose oder der Verkehrsinformation einer Straße oder dem Arbeitsplan des Antriebssystems. Die Operation der Prädiktionseinheit 1602 kann auch Eingaben von historischen Daten, wie beispielsweise tatsächlichen oder simulierten Fahrhistoriendaten, annehmen. Künstliche Intelligenz kann verwendet werden, um einen Satz von Referenzvariablen zu formulieren, da möglicherweise große Datenmengen verfügbar sind und erhebliche Freiheiten bestehen, um die grundlegenden Betriebsanforderungen des Systems zu erfüllen, während ein Satz von Leistungsparametern wie Systemwirkungsgrad, Motorwirkungsgrad oder Stromwandlerleistungsverluste optimiert wird. Wie in gezeigt, kann der Referenzoptimierer 1606 fünf Ausgänge haben, nämlich einen ersten Ausgang, der ein Referenzschaltfrequenzsignal (fs') erzeugt, einen zweiten Ausgang, der ein Referenzdrehmomentsignal (T') erzeugt, einen dritten Ausgang, der ein Referenzflußstärkesignal (F') erzeugt, einen vierten Ausgang, der ein Referenzstromfrequenzsignal (ω') erzeugt, und einen fünften Ausgang, der ein Referenzsignal (P') zur Bestimmung der Polzahl des Motorsystems erzeugt. Es ist zu beachten, dass die oben angegebene Stromfrequenz mit der Winkelfrequenz des Motors zusammenhängt. Da die Polzahl des Motors nicht festgelegt ist, wird die Winkelfrequenz des Motors durch die Stromfrequenz ersetzt, um die nicht festgelegte Polzahl widerzuspiegeln. In einigen Ausführungsformen werden nicht alle diese fünf Signale im Referenzoptimierer und Referenzgenerator erzeugt, und stattdessen kann ein kleinerer Satz von Signalen erzeugt werden. Solange die Flussstärke und das Drehmoment reduziert sind, arbeitet das System in einem spannungsarmen Betriebsmodus. Zusätzlich kann in einer anderen Ausführungsform der Referenzoptimierer 1606 einen anderen Satz von Ausgängen haben.
Im Betrieb kann der Referenzoptimierer 1606 basierend auf verschiedenen Betriebsparametern und Optimierungszielen einen vorläufigen Satz von Referenzsignalen erzeugen, wie beispielsweise das Referenzdrehmomentsignal (T '), das Referenzflussstärkesignal (F'), das Referenzsignal (P ') zur Bestimmung der Anzahl der Polpaare, des Referenzstromfrequenzsignals (ω') und des Referenzschaltfrequenzsignals (fs '). In der gesamten Beschreibung wird der vorläufige Satz von Referenzsignalen kann alternativ als die Betriebsgrößen des motorischen Systems.
Die verschiedenen Betriebsparameter können das erforderliche Drehmoment, die Betriebsanforderungen und die Vorhersage zukünftiger Betriebsbedingungen (z. B. Verkehrsdaten von einem autonomen Antriebssystem oder einem GPS-System) umfassen. Die Optimierungsziele können die Energieeffizienz und eine Vielzahl von benutzerdefinierten Zielen umfassen. Wenn beispielsweise ein Fahrer eines Elektrofahrzeugs zur schnellen Beschleunigung neigt, kann der Referenzoptimierer 1606 die Beschleunigungsfähigkeit des Antriebssystems stärker betonen, indem er ein höheres Referenzflussstärkesignal als normal erzeugt, um die schnelle Beschleunigung zu erzeugen. Um die Optimierungsziele zu erreichen, können ferner geeignete Datenanalysemethoden wie künstliche Intelligenz eingesetzt werden, um den Referenzoptimierer 1606 besser und flexibler zu machen.
Das Referenzschaltfrequenzsignal, das Referenzdrehmomentsignal, das Referenzflussstärkesignal und das Referenzstromfrequenzsignal werden direkt in einen Referenzgenerator 1608 eingespeist. Das Referenzsignal (P ') wird über eine Polzahlentscheidungseinheit 1607 in den Referenzgenerator 1608 eingespeist.
Da die Energieeffizienz in vielen Motorsystemen immer wichtiger wird, muss eine detailliertere Optimierung der Energieeffizienz untersucht werden. Die wichtigsten auswählbaren Parameter mit erheblichem Einfluss auf den Systemwirkungsgrad für eine bestimmte Drehmoment- und Drehzahlanforderung in einem DRIM-Motorsystem umfassen die Magnetstärke (F), die Anzahl der Polpaare (P), die die Stromfrequenz bestimmt, und die Anzahl der Phasen in a Polpaar (M) und Schaltfrequenz (fs). Die Schaltfrequenz fs kann allein basierend auf der Wicklungsstrominformation ausgewählt werden. Beispielsweise kann die Schaltfrequenz verringert werden, wenn der Strom hoch oder sehr niedrig ist, um die Schaltleistungsverluste zu verringern. In ähnlicher Weise kann die Anzahl der Phasen (M) absichtlich verringert werden, wenn der Wicklungsstrom sehr niedrig ist.
Der komplexe Teil der Energieeffizienzoptimierung besteht in der Auswahl der richtigen Werte für F und P, insbesondere für F. Wie in der Industrie bekannt, kann ein Statorwicklungsstrom in einem Induktionsmotor in zwei orthogonale Komponenten unterteilt werden. Eine erste orthogonale Komponente ist ein Magnetisierungsstrom, der dazu beiträgt, ein geeignetes Luftspaltmagnetfeld aufzubauen, dessen Stärke ungefähr proportional zur Amplitude des Magnetisierungsstroms (Im) ist. Eine zweite orthogonale Komponente ist ein Drehmomentstrom zur direkten Erzeugung eines mechanischen Drehmoments, das in etwa proportional zum Produkt aus Luftspaltflussverstärkung und Drehmomentstromamplitude (It) ist.
Da ein Teil des magnetischen Materials eines Motors in verschiedenen Betriebsarten unterschiedliche Sättigungsgrade aufweisen kann, können in Betriebsarten mit einer hohen Luftspaltflussdichte Oberschwingungsströme höherer Ordnung in den Magnetisierungsstrom-Sollwert für alle oder einige der Phasen im Motor eingefügt werden. Die Summe solcher Oberschwingungsströme darf in einer Phase nicht Null sein. Infolgedessen kann der Verbindungsstab in einer Gruppe mit unsymmetrischen Strömen über einen Stromwandler oder ein anderes Mittel mit der Eingangsleistungsquelle gekoppelt werden, um einen Leitungspfad für solche harmonischen Ströme bereitzustellen, wie in den - gezeigt.
Grundsätzlich beinhaltet die Effizienzoptimierung das Finden der besten Werte für Im und für einen Satz von P-Werten. Die besten Werte für Im und die P-Werte sind für M geeignet, da sich M natürlich mit P im DRIM-Motor ändert. Es ist zu beachten, dass einige Phasen während eines Betriebszustands mit geringer Last deaktiviert sein können. Da der Leistungsverlust auf der Grundlage von Entwurfs- und Testdaten in Echtzeit analytisch berechnet werden kann, kann der Referenzoptimierer 1606 mit einer analytischen Formel implementiert werden, um die Leistungsverluste vorherzusagen und den besten Satz von Parametern in einem gegebenen Betriebszustand auszuwählen.
Alternativ können die Leistungsverlustdaten in dem Steuersystem gespeichert werden, so dass der Referenzoptimierer 1606 die Leistungsverlustdaten während des Optimierungsprozesses über eine Nachschlagetabelle verwenden kann. Zusätzlich kann der Referenzoptimierer 1606 Techniken künstlicher Intelligenz wie verschiedene neuronale Netze und Deep-Learning-Algorithmen verwenden, um die Optimierung basierend auf den Designdaten, den Simulationsdaten, den Testdaten und/oder den historischen Betriebsdaten adaptiv durchzuführen. Die Daten und Formeln können den Effekt von Temperaturschwankungen enthalten. Betriebsgrenzen wie minimale oder maximale Flussstärken und/oder maximale Ströme können bei diesem Optimierungsprozess ebenfalls berücksichtigt werden.
Die vorläufigen Referenzsignale von dem Referenzoptimierer 1606 basieren auf einem stationären Betrieb. Eine wichtige Funktion des DCIM-Steuerungssystems ist ein reibungsloser Übergang beim Ändern der Polzahl. Der sanfte Übergang kann durch den Referenzgenerator 1608 erreicht werden.
Wie in dargestellt, hat der Referenzgenerator 1608 fünf Ausgänge, die das Schaltfrequenzsignal (fs), das Drehmomentsignal (T), das Flußstärkesignal (F), das Stromfrequenzsignal (ω) und das Signal (P) zur Bestimmung der Polzahl des Motorsystems erzeugen. Die Ausgänge können eine vollständige Kombination dieser fünf Signale sein, die ein vollständiger Satz dieser fünf Signale sein können, oder ein Teilsatz dieser Signale, wobei einige Signale nicht enthalten sind. Solange die Flussstärke und das Drehmoment des Motors erheblich verringert werden, sollte sich das System in einem Zustand geringer Belastung befinden (z. B. in einem Betriebsmodus mit geringer Belastung), der es ermöglicht, die Polzahl des Motors auf sanfte Weise zu ändern.
Der Referenzgenerator 1608 wird verwendet, um die vorläufigen Referenzsignale während eines Polwechselübergangs zu modifizieren und formale Referenzsignale für Drehmoment (T), Flussstärke (F), Stromfrequenz (ω) und Schaltfrequenz (fs) zu erzeugen. Insbesondere kann der Referenzgenerator 1608 die Flussstärke und/oder das Drehmoment des Motors allmählich reduzieren, so dass die Spannung und der Strom in dem Motor und den Stromwandlern signifikant reduziert werden und das System in einem Niedrigspannungsmodus arbeitet. Nach dem Verringern der Flussstärke und/oder des Drehmoments des Motors sind die Stromwandler so konfiguriert, dass sie die Anzahl der Pole des Motors dynamisch anpassen. Das detaillierte Funktionsprinzip des Referenzgenerators 1608 wird nachstehend unter Bezugnahme auf erörtert.
Wie in gezeigt, wird das Schaltfrequenzsignal in eine Modulationseinheit 1614 eingespeist, um die Schaltfrequenz des von der Steuerung 1600 erzeugten PWM-Signals zu bestimmen. Das Signal (P) wird an eine Pol- und Phasenabbildungseinheit 1654 gesendet, in der es in einen ersten Pol-/Phasenanpassungsbefehl und einen zweiten Pol-/ Phasenanpassungsbefehl umgewandelt wird. Es kann eine Koordinatenübertragungseinheit 1652 geben, um das Signal vom Ausgang eines ersten Sensors 1642 und den ersten Pol-/ Phaseneinstellbefehl von der Pol- und Phasenabbildungseinheit 1654 zu empfangen. Basierend auf den empfangenen Signalen kann die Koordinatenübertragungseinheit 1652 einen Satz von Signalen in der gewünschten Koordinate zur Steuerungsverwendung erzeugen.
Die feldorientierte Steuerung (FOC) 1610 kann verwendet werden, um verschiedene Referenzen für Wicklungsströme zu erzeugen. Wie in gezeigt, werden die Referenzen in die Stromregler 1612 eingespeist, um Steuersignale für die Leistungsschalter der Stromwandler 1620 zu erzeugen. Viele FOC-Methoden sind in der Industrie bekannt und werden hier nicht wiederholt. Es ist zu beachten, dass einige der LWL-Methoden die Flussverknüpfung im Motor beobachten müssen.
Die obige FOC- und/oder Stromsteuerung kann eine Koordinatenübertragungseinheit erfordern, um Strom-/Spannungs-/Flusssignale zwischen zwei verschiedenen Koordinatensystemen umzuwandeln. Beispielsweise wird eine Koordinatenübertragungseinheit verwendet, um einen Satz von Signalen von einem stationären Zeigersystem in ein synchrones Gleichungssystem umzuwandeln. Die Koordinatenübertragung ist eine bekannte Technik in der Motorsteuerung und wird daher hier nicht erörtert.
Die Pol- und Phasenabbildungseinheit 1654 wird verwendet, um die Phasenwinkelbeziehung von Wicklungsströmen/-spannungen und den zugehörigen Variablen in verschiedenen Pol- und Phasenkonfigurationen zu bestimmen.
Wie in dargestellt, empfängt der LWL-Regler 1610 das Drehmomentsignal (T), das Flussstärkesignal (F) und das Stromfrequenzsignal (ω) vom Referenzgenerator 1608, die zweite Pol-/Phaseneinstellanweisung von der Pol- und Phasenabbildungseinheit 1654 und das Koordinatensignal von der Koordinatenübertragungseinheit 1652. Der FOC-Controller 1610 erzeugt eine Vielzahl von Referenzstromsignalen Iref, die in einen Satz von Stromsteuerungen 1612 eingespeist werden. Wie in gezeigt, können die Stromsteuerungen 1612 sowohl die Koordinatensignale von der Koordinatenübertragungseinheit 1652 als auch die Referenzstromsignale von der LWL-Steuerung 1610 empfangen. Basierend auf diesen Signalen erzeugen die Stromregler 1612 ein Stromsteuersignal oder mehrere Stromsteuersignale, die in die Modulationseinheit 1614 eingespeist werden.
Die Modulationseinheit 1614 wird verwendet, um das Steuersignal von den Stromreglern 1612 in Gatetreibersignale für die Leistungsschalter in Stromwandlern 1620 umzuwandeln. In einigen Ausführungsformen kann sich die Modulationseinheit 1614 in dem Steuersystem des Motors befinden. Alternativ kann sich die Modulationseinheit 1614 in jedem oder einigen Stromwandlern der Stromwandler 1620 befinden. Die Modulationseinheit 1614 kann als Softwarecodes, eine Hardwareschaltung und dergleichen implementiert sein.
Da in einem DRIM-System mehrere Stromwandler vorhanden sind, können in der Modulationseinheit 1614 mehrere Modulatoren vorhanden sein. Es kann wünschenswert sein, den Schaltvorgang von Leistungsschaltern in verschiedenen Stromwandlern mit einem oder mehreren Synchronisationssignalen (Synch.) zu synchronisieren. Ein Synchronisationssignal ist normalerweise ein spezielles Taktsignal mit einem regelmäßigen Intervall und einer Impulsbreite, die geeignet sind, um zu bewirken, dass das mit ihm gekoppelte Gate-Ansteuersignal in der Mitte oder entlang einer Flanke synchronisiert wird. Die Synchronisation kann die Welligkeit der Wicklungsströme und den Motorfluss verringern, wodurch sich geringe Geräusch- und/oder Leistungsverluste ergeben. Es kann auch den Welligkeitsstrom in den Gleichstromverbindungskondensatoren verringern, die üblicherweise parallel zu einer Stromquelle geschaltet sind, und somit die Anforderungen und die Kosten solcher Gleichstromverbindungskondensatoren verringern.
Wie oben beschrieben, kann das Motorsystem mehrere Stromwandlergruppen und mehrere Verbindungsschienen umfassen. Jede Stromwandlergruppe kann mit einer entsprechenden Verbindungsschiene verbunden werden. In einigen Ausführungsformen wird die Modulationseinheit 1614 verwendet, um die Schaltvorgänge in einer Gruppe von Stromwandlern zu koordinieren, die mit einer Verbindungsschiene verbunden sind. Die Koordination von der Modulationseinheit 1614 hilft, die Steuerung der Wicklungsströme in der Gruppe zu erleichtern. Beispielsweise muss in dem in gezeigten System die Summe aller N Wicklungsströme Null sein. Somit ist es möglich, nur N-1 Wicklungsströme unabhängig zu steuern. In diesem Fall kann eine 2N-Schrittmodulation ähnlich der Sechs-Schrittmodulation in einem Dreiphasensystem realisiert werden, bei der ein kompletter Leitungszyklus in 2N symmetrische Perioden unterteilt wird und jede Periode eine dominante Phase hat, deren Steuersignal den höchsten absoluten Wert hat. Das Schalten von Leistungsschaltern in der dominanten Phase ist während der Periode gesperrt, wobei der obere Schalter (z.B. Q11) bei positivem Steuersignal und der untere Schalter (z.B. Q12) bei negativem Steuersignal eingeschaltet bleibt.
Alternativ kann einer der Stromwandler in einer Gruppe in einer unkontrollierten Phase mit einem Tastverhältnis von 50 % geschaltet werden. Die unkontrollierte Phase kann fest oder alternierend sein. Beispielsweise kann die dominante Phase in der 2N-Stufenmodulation als eine unkontrollierte Phase gewählt werden, so dass die gesteuerte Phase die 2N-Zeit während eines Leitungszyklus ändert.
Mit verschiedenen Motorbetrieben können verschiedene Modulationskoordinationsverfahren verwendet werden. Wenn ein Impedanzleistungswandler zwischen die Verbindungsschiene und die Eingangsleistungsquelle geschaltet ist, wie in gezeigt (z. B. Impedanzleistungswandler 1001), kann der Impedanzleistungswandler auf verschiedene Arten gesteuert werden. Während des normalen Betriebs ist es möglicherweise deaktiviert. Infolgedessen arbeitet das Motorsystem ähnlich wie die oben diskutierten Ausführungsformen. Alternativ kann der Impedanzleistungswandler als unkontrollierte Phase arbeiten, wobei seine Schalter bei einem Tastverhältnis von 50 % arbeiten. Es ist anzumerken, dass der Strom in L0 von 10 relativ klein ist. Der durch L0 fließende Strom kann durch Steuertransienten und/oder Fehler verursacht werden.
Das Blockdiagramm in ist nur ein Beispiel, das einige logische Schritte des DCIM-Steuerungssystems hervorhebt. Ein Fachmann würde verstehen, dass das Steuersystem auf verschiedene Arten in Hardware, Software oder in Kombination davon implementiert werden kann. Abhängig von den unterschiedlichen Designanforderungen und Anwendungen können einige der Blöcke des Steuerungssystems modifiziert, aufgeteilt, gemischt oder kombiniert werden, um die erforderlichen Steuerfunktionen zu implementieren. Weiterhin ist das Steuersystem konfiguriert, um eine Vielzahl von Betriebsparametern des Motors zu erfassen und die Anzahl von Polen des Motors basierend auf der Vielzahl von Betriebsparametern zu bestimmen, um einen Leistungsparameter eines Systems zu optimieren, das den Motor und die Vielzahl von Stromwandlern umfasst.
stellt ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführung eines Steuersystems des umkonfigurierbaren Motorsystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Das in gezeigte Steuersystem ähnelt dem in , mit der Ausnahme, dass das Steuersystem in zwei Steuerungen unterteilt ist und eine Isolationsgrenze zwischen diesen beiden Steuerungen angeordnet ist.
Unter erneuter Bezugnahme auf sind die Motorwicklungen und Stromwandler in mehrere Gruppen unterteilt. Einige Stromwandler und das Hauptsteuersystem beziehen sich möglicherweise auf unterschiedliche Massepunkte. Um Implementierungskosten zu sparen, können einige der in dargestellten Steuerfunktionen auf einer Stromrichtegruppenebene in einer Gruppensteuerung ausgeführt werden, um die Notwendigkeit einer elektrischen Trennung für verschiedene Erfassungssignale, Gate-Ansteuersignale und Steuersignale zu vermeiden. Im Allgemeinen sollten Funktionen, die in direktem Zusammenhang mit der Strom- und Spannungserfassung und den Gate-Ansteuersignalen stehen, in der Gruppensteuerung platziert werden. Auf der anderen Seite sollten andere Funktionen in einem Antriebsregler platziert werden.
zeigt, dass das Steuersystem eine Antriebssteuerung 1700 und eine Gruppensteuerung 1750 umfasst. Eine Isolationsgrenze ist zwischen der Antriebssteuerung 1700 und der Gruppensteuerung 1750 angeordnet. Wie in gezeigt, ist die Isolationsgrenze entlang der Linie A-A 'angeordnet.
Es sollte angemerkt werden, dass abhängig von unterschiedlichen Designanforderungen mindestens ein Teil der LWL-Steuerung 1610 in der Antriebssteuerung 1700 angeordnet sein kann. Weiterhin kann die Modulationseinheit 1614 in einem oder einigen der Stromwandler 1620 angeordnet sein.
Es sollte ferner beachtet werden, dass die Mehrheit der Signale, die die Isolationsgrenze überschreiten, sich langsam ändernde Signale sind. Daher können einige der Signale über eine serielle Kommunikation übertragen werden, um die Implementierungskosten zu senken. Beispielsweise sind im Normalbetrieb die in gezeigten Signale T, F, ω und P sich langsam ändernde Variablen. Solche sich langsam ändernden Signale können über einen oder mehrere serielle Kommunikationsbusse an die Gruppensteuerung 1750 gesendet werden.
In einigen Ausführungsformen können unter Berücksichtigung der schnelleren Referenzänderungen während eines Polwechselübergangs ein Teil oder alle Funktionen in dem Referenzgenerator 1608 in der Gruppensteuerung 1750 platziert werden. Es ist auch zu beachten, dass die Einheit zum Erzeugen des Synchronsignals in der Antriebssteuerung 1700 oder der Gruppensteuerung 1750 in Abhängigkeit von verschiedenen Anwendungen angeordnet sein kann.
stellt verschiedene Referenzsignalwellenformen des Steuersystems während eines Polzahländerungsübergangs gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Die horizontale Achse von repräsentiert Zeitintervalle. In der sind vier vertikale Achsen dargestellt. Die erste vertikale Achse Y1 repräsentiert die Anzahl der Polpaare (P) in einer gestrichelten Linie und (P') in einer durchgezogenen Linie. Die zweite vertikale Achse Y2 repräsentiert die Flussstärke (F) in einer gestrichelten Linie und (F') in einer durchgezogenen Linie. Die dritte vertikale Achse Y3 repräsentiert das Drehmoment des Motorsystems (T) in einer gestrichelten Linie und (T') in einer durchgezogenen Linie. Die vierte vertikale Achse Y4 stellt die aktuelle Frequenz (ω) in einer gestrichelten Linie und (ω') in einer durchgezogenen Linie dar.
Das DRIM-System wurde entwickelt, um die Flussstärke und die Drehmomentabgabe schnell zu verringern oder zu erhöhen. Mit anderen Worten weist das DRIM-System eine geringe elektromagnetische Trägheit auf. In einem herkömmlichen Antriebssystem wie Elektrofahrzeugen besteht eine hohe mechanische Trägheit. Somit kann das Antriebssystem eine Drehmomentstörung für eine kurze Zeit tolerieren. Im DRIM-System kann ein glatter Polwechselübergang realisiert werden, indem zuerst die magnetische Feldstärke auf ein sehr niedriges Niveau gebracht wird, das fast gleich Null sein kann, und dann die Polzahl im Motor unter einer so geringen Betriebsbeanspruchung geändert wird (unter der die magnetische Feldstärke und die Ströme und Spannungen im Motor und in den Stromwandlern auf einem sehr niedrigen Niveau sind), und dann die Betriebsbeanspruchung wieder auf das normale Niveau gebracht wird, um den normalen Betrieb zu starten. zeigt den glatten Polwechselübergang im Detail.
Bei t0 empfängt das Steuersystem die Signale P', F', T ' und ω' von dem Referenzoptimierer 1606 (in gezeigt), der anzeigt, dass die Anzahl der Pole des Motors geändert werden muss. Der Polwechselübergang beginnt bei t0. Bei t0 sind P', F', T ‚und ω‘ gleich P0, F0, T0 bzw. ω0, wie in gezeigt. Nach dem Polwechsel endet der Übergang bei t4. P', ω', T ‚und F‘ ändern sich von P0, ω0, T0 und F0 zu P1, ω1, T1 bzw. F1, wie in gezeigt. Um einen sanften Übergang zu erreichen, wird die Flussstärke von t0 bis t2 allmählich auf einen Minimalwert Fmin abgesenkt. Beim Minimalwert sind die Spannungs- und/oder Strombelastungen im Motor und in den Stromwandlern sehr gering. Die niedrigen Spannungs- und/oder Stromspannungen tragen dazu bei, die Auswirkungen des Polwechsels zu verringern, wodurch ein reibungsloser Übergang erreicht wird.
Um übermäßige Wicklungsströme während des Betriebs mit geringem Fluß zu vermeiden, ist es wünschenswert, das Drehmoment T synchron mit oder mit einer leichten Vorverlegung der Verringerung der Flußstärke F zu verringern. Wie in gezeigt, wird das Drehmoment T allmählich von t0 auf t1 verringert. Das Drehmoment wird allmählich auf einen minimalen Wert Tmin abgesenkt, wie in gezeigt.
Außerdem ist es bei sehr geringer Magnetstärke optional möglich, das Frequenzsignal ω bis zu einem Maximalwert ωmax zu erhöhen, um genaue und zuverlässige Messergebnisse der Steuersignale zu erhalten. Wie in dargestellt, kann das Frequenzsignal ω um t0 auf ω1 erhöht werden. Alternativ kann das Frequenzsignal ω bis t1 auf seinem ursprünglichen Wert bleiben. Bei t1, vor dem Auftreten der Polzahländerung, kann das Frequenzsignal ω auf ωmax erhöht werden. Zu einem Zeitpunkt zwischen t3 und t4 kann nach dem Auftreten einer Änderung der Polzahl das Frequenzsignal ω auf ω1 geändert werden, wie in gezeigt.
Wie in gezeigt, wird F, nachdem es bei t1 den Minimalwert erreicht hat, für eine kurze Zeitdauer auf diesem Wert gehalten, während der die Polzahl in dem Steuersystem tatsächlich auf den erforderlichen Wert von P1 geändert wird. Dann werden bei t3 der Fluss und das Drehmoment allmählich auf ihre erforderlichen Werte F1 bzw. T1 gebracht.
In einigen Ausführungsformen kann der Prozess (von t0 bis t4) einige Millisekunden dauern. Einige Millisekunden sind kurz genug, um eine Unterbrechung des Systembetriebs zu vermeiden. Bei Bedarf kann die Schaltfrequenz auch während eines Teils oder des gesamten Übergangs auf einen besseren Wert geändert werden, um die Wicklungsströme und/oder den Motorfluss besser zu steuern.
Die Systemsteuerung kann auch mit geeigneten Maßnahmen gegen Sättigung oder Fehlerklemmung konfiguriert werden, da sie das Antriebssystem während eines Polwechselübergangs nicht steuern kann. Außerhalb des Umschaltvorgangs kann der Referenzgenerator die vorläufigen Referenzwerte ohne Änderungen übergeben, und die Systemsteuerung nimmt die Steuerung des Antriebssystems wieder auf.
stellt verschiedene Steuersignale des Steuersystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Die horizontale Achse von repräsentiert Zeitintervalle. In der sind vier vertikale Achsen dargestellt. Die erste vertikale Achse Y1 repräsentiert das Gate-Ansteuersignal eines High-Side-Schalters des in 5 gezeigten n-ten Stromwandlers 50N. Die zweite vertikale Achse Y2 repräsentiert das Gate-Ansteuersignal eines High-Side-Schalters des in 5 gezeigten zweiten Stromwandlers 502. Die dritte vertikale Achse Y3 repräsentiert das Gate-Ansteuersignal eines High-Side-Schalters des in 5 gezeigten ersten Stromwandlers 501. Die vierte vertikale Achse Y4 repräsentiert das Synchronisationssignal des Motorsystems.
zeigt, dass die abfallenden Flanken der Gate-Ansteuersignale vertikal mit einer Mitte des Synchronisationssignals ausgerichtet sind. Dieser in gezeigte Zeitpunkt ist nur ein Beispiel, das den Schutzumfang der Ansprüche nicht übermäßig einschränken sollte. Ein Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Beispielsweise können in Abhängigkeit von unterschiedlichen Anwendungen und Konstruktionserfordernissen die abfallenden Flanken der Gate-Ansteuersignale vertikal mit einer Vorderflanke oder einer abfallenden Flanke des Synchronisationssignals ausgerichtet sein.
Darüber hinaus liegen auch andere Konfigurationen des Synchronisationssignals und der Gate-Ansteuersignale innerhalb des in Betracht gezogenen Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung. Beispielsweise können die Anstiegsflanken der Gate-Ansteuersignale vertikal mit der Anstiegsflanke oder der Abfallflanke des Sync-Signals ausgerichtet sein. Darüber hinaus können die Vorderflanken der Gate-Ansteuersignale vertikal mit der Mitte des Synchronisationssignals ausgerichtet sein.
stellt verschiedene Steuersignale des Steuersystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Die horizontale Achse von repräsentiert Zeitintervalle. Es können drei vertikale Achsen vorhanden sein. Die erste vertikale Achse Y1 repräsentiert das Gate-Ansteuersignal eines High-Side-Schalters des in gezeigten n-ten Stromwandlers 502N. Die zweite vertikale Achse Y2 repräsentiert die Rampen- und Kompensationsausgangssignale des Stromwandlers. Die dritte vertikale Achse Y3 repräsentiert das Synchronisationssignal des Motorsystems.
zeigt eine Möglichkeit, den gemeinsamen Sägezahnträger zum Synchronisieren der Gate-Ansteuersignale zu verwenden. Wie in gezeigt, ist der Sägezahnträger mit dem Synchronisationssignal synchronisiert. Die Verwendung des Sägezahnträgers zur Erzielung einer Synchronisation ist allgemein bekannt und wird daher hier nicht erörtert.
stellt verschiedene Steuersignale des Steuersystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Die in gezeigten Gate-Ansteuersignale ähneln den in gezeigten, mit der Ausnahme, dass die Mitten der Gate-Ansteuersignale mit der Mitte des Sync-Signals synchronisiert sind.
stellt verschiedene Steuersignale des Steuersystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Die horizontale Achse von repräsentiert Zeitintervalle. Es können vier vertikale Achsen vorhanden sein. Die erste vertikale Achse Y1 repräsentiert das Gate-Ansteuersignal eines High-Side-Schalters des in gezeigten n-ten Stromwandlers 502N. Die zweite vertikale Achse Y2 repräsentiert die Rampen- und Kompensationsausgangssignale des Stromwandlers. Die dritte vertikale Achse Y3 repräsentiert ein Taktsignal. Die vierte vertikale Achse Y4 repräsentiert das Synchronisationssignal des Motorsystems.
Das Taktsignal CLK in kann durch eine Phasenregelschleife (PLL) oder andere geeignete Schaltungen erzeugt werden. Das Synchronsignal kann basierend auf dem CLK-Signal durch einen Codierer oder einen Frequenzteiler erzeugt werden. Die Erfassung der Spannungs- und Stromsignale kann auch mit dem Synchronsignal synchronisiert werden, um eine bessere Störfestigkeit und konsistente Ergebnisse zu erzielen. Da das Rauschen durch Schaltvorgänge in der Mitte eines Torimpulses gering ist, können die in den und gezeigten Synchronisationsverfahren dazu beitragen, den Einfluss des Rauschens durch die Schaltvorgänge zu verringern. Wie in gezeigt, kann entweder das Synchronisationssignal oder das Taktsignal CLK als Abtasttakte verwendet werden. In einem System mit mehreren Gruppen von Stromwandlern können auch mehrere Synchronisationssignale miteinander verschachtelt sein, die leicht aus einem gemeinsamen Takt über eine Schaltung wie einen Codierer oder einen Frequenzteiler erzeugt werden können. Die Vielzahl von Stromwandlern ist in eine Vielzahl von Stromwandlergruppen unterteilt. Die Gate-Ansteuersignale von Leistungsschaltern in jeder Stromwandlergruppe können mit einem Taktsignal synchronisiert werden. Die Taktsignale der mehreren Stromwandlergruppen sind verschachtelt. Beispielsweise kann in der Satz von Impulsen in gepunkteten Kreisen im CLK-Signal ein anderes Synchronsignal erzeugen, das dem in gezeigten Synchronsignal ähnlich ist, jedoch mit einer Phasenverschiebung. Jedes Synchronsignal kann für eine Gruppe von Stromwandlern verwendet werden. Die Gruppen mit Sync-Signalen, die die Phasenverschiebung voneinander aufweisen, können mit einer Verbindungsschiene verbunden sein, oder die Gruppen sind mit den Wicklungen gekoppelt, die zu demselben Polpaar des Motors gehören. Auf diese Weise kann die Schaltwirkung aller Stromwandler regelmäßig verteilt werden, um eine Verringerung des Geräuschpegels im System zu erreichen. Der Zwischenkreiskondensator kann auch weniger Welligkeitsstrom sehen, wenn mehrere Gruppen von Stromwandlern durch die Verschachtelungswirkung mit einem Zwischenkreis verbunden sind. Da die Modulatoren höchstwahrscheinlich in Software oder Firmware implementiert sind, ist es möglich, die Synchronisation dynamisch entsprechend der dynamischen Neukonfiguration von Polen und/oder Phasen zu ändern, wenn mehrere Synchronisationssignale verwendet werden.
Ein Motor arbeitet normalerweise in einem weiten Drehzahlbereich. Bei niedriger Drehzahl oder während eines Startvorgangs können die Wicklungsspannungen und -ströme eine sehr niedrige Frequenz haben. Es kann schwierig sein oder lange dauern, solche niederfrequenten Wellenformen zu erfassen. Da jede Gruppe von Motorwicklungen symmetrisch angeordnet ist und die Stromwandler ebenfalls symmetrisch gesteuert werden, ist es möglich, schnell eine Strom- oder Spannungswellenform zu erhalten, indem eine Pseudowellenform auf der Grundlage der erfassten Werte ähnlicher Signale von verschiedenen Wicklungen in der Gruppe erstellt wird.
stellt ein Beispiel zum Erzeugen der Pseudowellenform gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. In einigen Ausführungsformen weist eine Gruppe N Wicklungen und N Stromwandler auf. Eine Variable v (z. B. Wicklungsspannung oder -strom) ist zu beachten. Diese Größe wird in einem ersten Stromwandler oder einer ersten Wicklung mit v1 bezeichnet. Diese Größe wird in einem zweiten Stromwandler oder einer zweiten Wicklung mit v2 bezeichnet. Diese Variable wird in einem n-ten Stromwandler oder einer n-ten Wicklung als vN bezeichnet.
Im stationären und symmetrischen Betrieb sollten die Signale v1 bis vN dieselbe Wellenform haben, jedoch mit unterschiedlichen Phasenwinkeln. Durch ungefähr zeitgleiches Messen von v1, v2, ..., vN können die Werte bei unterschiedlichen Phasenwinkeln (die unterschiedlichen Zeitintervallen entsprechen) der Wellenform einer Variablen entsprechend geschätzt werden. Wie in gezeigt, kann die Pseudowellenform v1 'konstruiert oder vorhergesagt werden, indem die erfassten Signale von anderen Stromwandlern verwendet werden.
stellt verschiedene Steuersignale des Steuersystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Die horizontale Achse von repräsentiert Zeitintervalle. Es können fünf vertikale Achsen vorhanden sein. Die erste vertikale Achse Y1 repräsentiert das abgetastete Signal einer Variablen in dem in gezeigten n-ten Stromwandler 50N oder der n-ten Wicklung SN. Die zweite vertikale Achse Y2 repräsentiert das abgetastete Signal einer Variablen in dem in gezeigten zweiten Stromwandler 502 oder der zweiten Wicklung S2. Die dritte vertikale Achse Y3 repräsentiert das abgetastete Signal einer Variablen in dem in gezeigten ersten Stromwandler 501 oder der ersten Wicklung S1. Die vierte vertikale Achse Y4 repräsentiert das Taktsignal für die Abtast- und Haltefunktion des Motorsystems. Die fünfte vertikale Achse Y5 repräsentiert V1' (eine Pseudowellenform).
In ist die Zeit von t3 bis t4 als ein Linienzyklus definiert, der über f gleich eins ist, wobei f die aktuelle Frequenz basierend auf ω ist. Durch Verwenden des in gezeigten Pseudosignals kann die Leistung des Systems verbessert werden. Dies kann insbesondere im Betrieb mit niedriger Geschwindigkeit oder in der frühen Phase eines Startvorgangs nützlich sein.
In DRIM-Systemen sind die Stromwandler und der mit den Stromwandlern gekoppelte Motor normalerweise mechanisch miteinander integriert. Es ist dann möglich, einige Systemkomponenten in den Motor oder die Stromwandler zu integrieren. Weiterhin können die Systemkomponenten in den Stromwandlern oder zwischen dem Motor und den Stromwandlern angeordnet sein. zeigt eine Möglichkeit, Magnetflusserfassungswicklungen in die Wicklungen des Motors zu integrieren. In einigen Ausführungsformen fungieren die Magnetflusserfassungswicklungen als Beobachter der Flusskopplung, die als Erfassung der Gegen-EMK oder der Flusskopplung des Motors verwendet werden können. In einigen Ausführungsformen kann der magnetische Erfassungskreis verwendet werden, um die Drehzahl des Rotors abzuschätzen.
stellt eine Querschnittsansicht einer Statorwicklung mit einer Flusserfassungsvorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Die Querschnittsansicht in ist entlang der in gezeigten Linie A-A 'genommen. Die Phasenleiter 2422 und 2424 sind innerhalb von Schlitzen angeordnet, die von Magnetzähnen 2411, 2412, 2413 und einer Magnetbasis 2402 umgeben sind. Die magnetische Basis 2402 liefert eine mechanische Unterstützung für die Zähne 2411, 2412, 2413 und die Leiter 2422, 2424.
Die Magnetbasis 2402 und die Zähne 2411 - 2413 können als ein einzelnes Teil hergestellt werden. Alternativ können die Magnetbasis 2402 und die Zähne 2411 - 2413 als separate Teile hergestellt werden. Wenn die Zähne 2411-2413 oder die oberen Teile der Zähne 2411-2413 als separate Teile des Magnetfußes 2402 hergestellt werden, können die Phasenleiter am Magnetfuß 2402 befestigt werden, bevor die Zähne 2411-2413 oder die oberen Teile der Zähne 2411-2413 auf den Rotor montiert werden. Ein solcher Montageprozess ermöglicht es, die Rotorwicklungen durch Prozesse wie Gießen, Formen, Löten, Schweißen und dergleichen als ein einzelnes Teil vorzufertigen.
In einigen Ausführungsformen wird eine Vielzahl von Erfassungswicklungen verwendet, um die Betriebsparameter des Motors zu messen. Wie in gezeigt, ist eine Lesewicklung 2442 in die Schlitze eingebettet, in denen sich die Phasenleiter 2422, 2424 befinden. Wie in gezeigt, kann ein oberer rechter Abschnitt des Phasenleiters 2422 entfernt werden. Der Fluss in dem Zahn 2412 kann eine Spannung in der Erfassungswicklung 2442 erzeugen, die proportional zu der Gegen-EMK in den Leitern ist. Da die Flussverbindung oder die Amplitude des Flusses in dem Luftspalt proportional zu der Amplitude des Flusses in einem Zahn ist, kann die Spannung in der Erfassungswicklung 2442 verwendet werden, um die Flussverbindung oder den Luftspaltfluss zu erfassen.
Die Erfassungswicklungen können von den Phasenleitern (Leistungswicklungen) elektrisch isoliert sein. Die Abtastwicklungen können um verschiedene Teile des Schlitzes angeordnet sein. Wenn eine Erfassungswicklung neben der Spitze eines Zahns angeordnet ist, ist der von der Erfassungswicklung beobachtete Fluss ungefähr gleich der Luftspaltflussverbindung. Wenn die Erfassungswicklung neben der Zahnwurzel oder um das Eigelb des Statorkerns herum angeordnet ist, ist mehr Streufluss von der Statorwicklung in der beobachteten Flussverbindung enthalten, was zu Messergebnissen ähnlich dem herkömmlichen Statorflussverbindungsbeobachter führt. In einigen Ausführungsformen werden üblicherweise mehrere Flussbeobachter verwendet, um eine umfassende Erfassung der Flussverbindung in einem Motor bereitzustellen. Die Steuerbarkeit, wie viel Statorleckfluss in dem Flussbeobachter enthalten ist, bietet mehrere Möglichkeiten bei der Steuerkonstruktion des Motorsystems.
stellt ein Motorsystem mit Stromwandlern und einem Kühler gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Das Motorsystem umfasst einen Rotor 2504, einen Stator 2502 und eine Welle 2505. Wie in gezeigt, befindet sich der Rotor 2504 innerhalb des Stators 2502. Die Welle 2505 ist von dem Rotor 2504 umgeben. Die Wicklungen (nicht dargestellt) sind in den Stator 2502 eingebettet. Ein Kühllüfter 2520 ist an einer Seite des Motors im Inneren des Stromwandlergehäuses 2550 angeordnet. Eine Vielzahl von Stromwandlern 2514 ist um den Kühler 2520 herum angeordnet, wie in gezeigt.
Eine Wicklungsverbindungsvorrichtung 2518 ist zwischen den Stator 2502 und die Mehrzahl von Stromwandlern 2514 geschaltet. Die Wicklungsverbindungsvorrichtung 2518 wird verwendet, um einen leitenden Pfad zwischen den Stromwandlern und ihren jeweiligen Wicklungen bereitzustellen. Ferner ist eine mechanische Verbindungsvorrichtung 2516 zwischen dem Stator 2502 und den mehreren Stromwandlern 2514 verbunden. In einigen Ausführungsformen wird der mechanische Verbindungsstab 2516 verwendet, um eine mechanische Unterstützung für die Stromwandler 2514 bereitzustellen.
Im Betrieb kann der Motor übermäßige Wärme erzeugen. Um die Stromwandler 2514 zu schützen, ist eine Isolationsplatine 2530 zwischen dem Motor und den Stromwandlern 2514 angeordnet. Wie in gezeigt, sind die Stromwandler 2514 und der Motor thermisch und mechanisch durch die Isolationsplatine 2530 getrennt. Ferner ist der Kühler 2520 auf der Welle 2505 montiert. Der Kühler 2520 trägt dazu bei, die Betriebstemperatur auf ein Niveau zu senken, das für die Stromwandler 2514 geeignet ist.
Wie in gezeigt, kann sich der mechanische Verbindungsstab 2516 zwischen dem Motor und den Stromwandlern durch die Isolationsplatine 2530 erstrecken. Geeignete Gegenvibrationsmaßnahmen können eingesetzt werden, um den Aufprall durch die Vibration des Motors zu verringern. Zusätzlich kann sich der Wicklungsverbindungsstab 2518 durch die Isolationsplatine 2530 erstrecken, wie in gezeigt. Der Wicklungsverbindungsstab 2518 kann mit den Stromwandlern 2514 über geeignete Verbindungsstäbe wie eine PCB, einen Verbindungsdraht oder einen Verbinder verbunden sein.
zeigt ferner einen Magnetsensor 2512 und einen Magnetblock 2522, die zwischen den Stromwandlern 2514 und dem Motor angeordnet sind. Der Magnetsensor 2512 und der Magnetblock 2522 wirken zusammen als Positions- oder Drehzahlsensoren. Der Positions- und Drehzahlsensor kann sich wie ein Drehzahlmesser, ein Resolver oder ein Encoder verhalten.
In einigen Ausführungsformen ist der Magnetblock 2522 aus einem magnetisch leitenden Material gebildet. Alternativ kann der Magnetblock 2522 durch einen Permanentmagneten gebildet sein. Wie in gezeigt, ist der Magnetblock 2522 auf der Motorwelle 2505 angeordnet oder an dieser angebracht. Infolgedessen dreht sich der Magnetblock 2522 mit dem Rotor 2504.
Der Magnetsensor 2512 kann auf einer Platine montiert sein, auf der sich die Stromwandler 2514 befinden. Wie in gezeigt, sind die Stromwandler 2514 über den mechanische Verbindungsstab 2516 mechanisch mit dem Stator 2502 des Motors gekoppelt. Wenn sich der Rotor 2504 dreht, nähert sich der Magnetblock 2522 periodisch dem Magnetsensor 2512 und wird mit ihm magnetisch gekoppelt. Die periodische Kopplung kann bewirken, dass der Betrieb der mit dem Magnetsensor 2512 gekoppelten Schaltungen Zustände ändert. Solche Zustandsänderungen können erfasst werden und ein Erfassungsimpuls wird entsprechend erzeugt.
Während einen Magnetsensor und einen Magnetblock darstellt, sollte angemerkt werden, dass das Motorsystem eine Vielzahl von Magnetsensoren und Magnetblöcken enthalten kann, um verschiedene Erfassungsfunktionen zu erfüllen.
In einigen Ausführungsformen können K1-Magnetblöcke mit der Motorwelle 2505 gekoppelt sein, und K2-Magnetsensoren sind mit den Stromwandlern 2514 gekoppelt. Jede Umdrehung des Rotors kann K1 * K2-Erfassungsimpulse mit einer geeigneten Auslegung erzeugen. Die Positionen der Magnetblöcke und Sensoren können so angeordnet sein, dass die Erfassungsimpulse zeitlich gleichmäßig verteilt sind, wenn sich der Rotor mit einer konstanten Geschwindigkeit dreht. K1 und K2 können unterschiedlich sein und die Magnetblöcke und Sensoren können so geformt sein, dass jeweils nur ein Magnetblock in den Erfassungsbereich eines Magnetsensors eintritt. Ferner können, falls gewünscht, geeignete optische Erfassungsverfahren anstelle der magnetischen Erfassung verwendet werden.
stellt eine Seitenansicht einer Ausführungsform von Magnetblöcken und Magnetsensoren gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dar. Es können vier Magnetblöcke vorhanden sein, nämlich ein erster Magnetblock 2632, ein zweiter Magnetblock 2634, ein dritter Magnetblock 2636 und ein vierter Magnetblock 2638. Wie in gezeigt, kann jeder Magnetblock aus Siliziumstahlblechen bestehen. Diese vier Magnetblöcke können gleichmäßig platziert und mechanisch mit der Motorwelle gekoppelt sein.
zeigt ferner drei magnetische Abtastkreise 2640, 2650 und 2660, die gleichmäßig angeordnet sind. Unter erneuter Bezugnahme auf sind die magnetischen Abtastkreise 2642, 2650 und 2660 Teil des Magnetsensors 2512. Somit können die magnetischen Abtastkreise 2642, 2650 und 2660 mechanisch mit einer Leiterplatte gekoppelt sein, auf der sich die Stromwandler befinden.
Der magnetische Abtastkreis fungiert als magnetischer Sensor. Wie in gezeigt, kann jeder Magnetsensor (z. B. 2640) ein Induktor sein, der einen Magnetkern 2642 und eine Wicklung 2644 umfasst. Wenn sich ein Magnetblock in der Nähe der Wicklung dreht, ändert sich die Induktivität der Wicklung erheblich (in diesem Fall nimmt die Induktivität zu).
Jeder magnetische Abtastkreis umfasst auch einen Verarbeitungskreis (z. B.2610, 2620 und 2630). Wie in gezeigt, umfasst die Verarbeitungsschaltung 2610 eine Wellenformdetektionsschaltung 2602, einen Oszillator 2604 und einen Kondensator C1. Der Kondensator C1 und die Wicklung des Magnetsensors können einen Reihen- oder Parallelresonanzkreis mit einer Resonanzfrequenz gleich oder nahe der Oszillatorfrequenz bilden.
Wenn sich ein Magnetblock dem Magnetsensor nähert, kann eine Resonanz im Erfassungskreis ein- oder ausgeschaltet werden, sodass sich die Spannung über der Induktivität oder dem Kondensator schnell ändert. Die Wellenformdetektionsschaltung 2602 kann die Spannungsänderung detektieren und dementsprechend einen Impuls erzeugen.
Um die Position oder Richtung des Rotors zu erfassen, können ein oder mehrere Magnetblöcke konfiguriert sein, um eine Signatur des Erfassungsimpulses zu erzeugen, die sich von den anderen unterscheidet, oder um eine Reihe von verschiedenen Impulsen gleichzeitig zu erzeugen. Infolgedessen können die magnetischen Erfassungskreise die Richtung und/oder Position des Rotors während der Rotordrehung unterscheiden.
Bei dem Herstellungsprozess des Motorsystems können die Magnetblöcke durch Schneiden derselben Siliziumstahlbleche gebildet werden, die zur Herstellung des Rotor- und Statorblechs verwendet werden, wodurch Material und Herstellungskosten gespart werden.
Da die in den - gezeigten Systeme viele Wicklungen und Stromwandler aufweisen, können die Systeme so ausgelegt und gesteuert werden, dass sie nach Auftreten eines Fehlers in einer Systemkomponente weiterarbeiten können. Beispielsweise kann der Motor den Betrieb aufrechterhalten, nachdem ein oder mehrere Stromwandler oder Wicklungen ausgefallen sind. Da nach einem Fehler der Strom in einer Wicklung normalerweise gleich Null ist, kann ein offener Stromkreis als Beispiel verwendet werden, um einen typischen Fehlerzustand zu veranschaulichen, wie in unten gezeigt.
In einigen Ausführungsformen ist, nachdem ein Fehler in einer Wicklung des Motors oder in einem mit einer Wicklung gekoppelten Stromwandler aufgetreten ist, die Mehrzahl von Stromwandlern so konfiguriert, dass der Motor einen kontinuierlichen Betrieb aufrechterhält. Das Steuerverfahren zum Aufrechterhalten des Dauerbetriebs nach Auftreten eines Fehlers wird alternativ als fehlertolerantes Steuerverfahren bezeichnet. Das Steuerverfahren zum Aufrechterhalten des kontinuierlichen Betriebs kann mehrere verschiedene Ausführungen umfassen.
In einer ersten Ausführung wird die Vielzahl von Wicklungen in einen ersten Satz von Wicklungen und einen zweiten Satz von Wicklungen unterteilt, und der erste Satz von Wicklungen wird gleichmäßig in geradzahligen Schlitzen der Maschine (z.B. des Motors) und der zweite Satz von Wicklungen wird gleichmäßig in ungeradzahligen Schlitzen der Maschine platziert. Der erste Satz von Stromwandlern ist mit dem ersten Satz von Wicklungen verbunden, und der zweite Satz von Stromwandlern ist mit dem zweiten Satz von Stromwandlern verbunden. Die Maschine arbeitet in einem Modus mit reduzierter Phase, indem ein Satz von Stromwandlern deaktiviert wird, nachdem ein Stromwandler oder eine Wicklung im Satz ausgefallen ist.
In einer zweiten Ausführung stellt eine Steuerung des Motorsystems die Stromreferenzen der Mehrzahl von Stromwandlern ein, indem zu jedem Wicklungsstrom eine Gegensystemkomponente hinzugefügt wird, um den Dauerbetrieb aufrechtzuerhalten, nachdem der Fehler aufgetreten ist.
In einer dritten Ausführung sind die Stromwandler und die Wicklungen in mehreren Gruppen angeordnet, wobei innerhalb einer Gruppe die Wicklungen mit einem Verbindungsstab verbunden sind und die Stromwandler mit einer Stromquelle verbunden sind. Zusätzlich ist ein Impedanznetzwerk zwischen die Stromquelle und den Verbindungsstab geschaltet. Das Impedanznetzwerk ist so konfiguriert, dass es nach dem Auftreten des Fehlers Strom leitet. Das Impedanznetzwerk ist als Impedanzwandler und als Induktor in Reihe geschaltet. Bei der dritten Ausführung werden die Stromreferenzen der Stromwandler in der Gruppe angepasst, indem dem Strom jeder Wicklung in der Gruppe nach dem Auftreten des Fehlers eine Gegensystemkomponente und eine Nullsystemkomponente hinzugefügt werden. Darüber hinaus sind die Stromwandler so konfiguriert, dass das Impedanznetz einen Strom leitet, der dem Strom entspricht, der in der ausgefallenen Phase fließen würde, wenn der Fehler nicht aufgetreten wäre.
ein Steuerschema während eines Fehlerzustands gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt. Erste Enden einer Vielzahl von Wicklungen S1-SN sind mit einem Verbindungsstab 2704 verbunden. Die zweiten Enden der Vielzahl von Wicklungen sind konfiguriert, um mit einer Vielzahl von Stromwandlern gekoppelt zu werden, wie in 10 gezeigt, aber die Wandler sind hier der Kürze halber nicht gezeigt. Die Stromwandler werden so gesteuert, dass sie in den Wicklungen Ströme i1, i2 bis iN erzeugen.
zeigt ferner ein optionales Impedanznetzwerk, das einen Impedanzwandler 2701 und eine Induktivität L0 umfasst. Das Impedanznetzwerk ist über eine Induktivität L0 mit dem Verbindungsstab 2704 verbunden. Unter erneuter Bezugnahme auf ist der Impedanzwandler 2701 dem Impedanzwandler 1001 ähnlich. Das Impedanznetzwerk kann konfiguriert sein, um während eines Fehlerzustands einen Strom bereitzustellen, wodurch ein Stromausgleich auf dem Verbindungsstab 2704 erreicht wird, um die Summe aller in die Verbindungsstäbe fließenden Ströme gleich Null zu machen.
Im Fehlerfall kann der Motor in einen unausgeglichenen Betrieb geraten. Wie in der Industrie bekannt, können in einem unsymmetrischen Betrieb die Spannungen, Flussverbindungen und Ströme des Motors Komponenten mit positiver Sequenz, Komponenten mit negativer Sequenz und Komponenten mit null Sequenz aufweisen. Die durchschnittliche Ausgangsleistung und das durchschnittliche Drehmoment des Motors werden normalerweise nur von den Komponenten mit positiver Sequenz erzeugt. Die Gegensystem- und Nullsystemkomponenten erzeugen normalerweise keine nennenswerte durchschnittliche Leistung oder ein nennenswertes durchschnittliches Drehmoment, können jedoch zur Welligkeit der Leistung und des Drehmoments, zu Leistungsverlusten sowie zu Vibrationen und Geräuschen des Motors beitragen. Daher sollten die Komponenten mit negativer Sequenz und Nullsequenz gesteuert werden, um die Verschlechterung des Motorsystembetriebs zu minimieren. zeigt ein Verfahren zum Minimieren des Aufpralls von den Gegensequenz- und Nullsequenzkomponenten im Fehlerzustand.
Es sei angenommen, dass in Phase K ein offener Fehler aufgrund eines Fehlers in der Wicklung SK oder eines Fehlers in dem mit der Wicklung SK gekoppelten Stromwandler auftritt. Der Impedanz-Stromwandler 2701 und die anderen Stromwandler können gesteuert werden, um im Impedanznetz den gleichen Strom zu erzeugen, den die fehlerhafte Wicklung SK leiten würde, wenn es keinen Fehler gäbe.
Ist die positive Stromreferenz für die fehlerhafte Phase mit einem unterbrochenem Punkt oder offenem Stromkreis (z.B. unterbrochener Punkt 2706) an der Wicklung SK iK, kann der vom Impedanz-Stromwandler 2701 erzeugte Strom iC wie in dargestellt auf iK eingestellt werden. Auf diese Weise hat der Fehler in Bezug auf die Stromregelung nur geringe Auswirkungen auf die Stromregelung der mit dem Verbindungsstab 2704 verbundenen Restwicklungen. Andererseits entspricht ein offener Stromkreis zwei identischen Strömen, die sich gegenseitig aufheben. Der Leerlauffehler in der Wicklung SK kann als künstliche Stromquelle mit einem Wert von iK, jedoch in entgegengesetzter Richtung, modelliert werden. Wie in gezeigt, ist die künstliche Stromquelle iK parallel zur Wicklung SK geschaltet.
Der Motor kann jetzt während des Fehlerbetriebs als ein paralleles Zweimotorsystem, ein (symmetrischer) Mehrphasen-Gleichgewichtsmotor, wie zuvor für den Normalbetrieb beschrieben, und ein Einphasen-Motor modelliert werden. Der Einphasenmotor hat eine einzige Wicklung wie SK und leitet einen Strom von -iK. Die Auswirkung dieses Einphasenmotors auf das Magnetfeld und das abgegebene Drehmoment des Motors kann analysiert und bei der Auslegung des Motors und des Steuerungssystems berücksichtigt werden.
Wenn die Mehrphasen den in gezeigten offenen Fehler aufweisen, kann der Stromwandler 2701 mit einem Stromsollwert gesteuert werden, der gleich der Summe der positiven Stromreferenzen für alle fehlerhaften Phasen in der Gruppe ist, und den Motor als eine Kombination aus einem symmetrischen Mehrphasenmotor und einem Motor mit Mehrphasenwicklungen an den fehlerhaften Phasen, die entgegengesetzte Ströme führen, behandeln. Wenn es mehrere Verbindungsstangen und Wicklungsgruppen gibt, können andere nicht fehlerhafte Gruppen so gesteuert werden, als ob es symmetrische Fehler gäbe, indem die entsprechenden Wicklungsströme gleich Null gemacht werden.
Eine negative Stromreferenz kann den Wicklungen im gleichen Polpaar, in der gleichen Gruppe oder im gesamten Motor während des Fehlerbetriebs mit einem Phasenausfall (entweder eine Wicklung oder ein Stromwandlerausfall) hinzugefügt werden, wenn kein Stromwandler vorhanden ist, der die Verbindungsschiene mit der Eingangsstromquelle koppelt (d.h. der Stromwandler 2701 ist in nicht vorhanden). Die Gegensystem-Stromsollwerte sollten so angeordnet werden, dass ihre Amplitude mit der des Gegensystem-Sollstroms übereinstimmt und eine Phasenverschiebung von 180° gegenüber dem Gegensystem-Sollstrom für die fehlerhafte Phase aufweist, so dass der Gesamtstromsollwert für die fehlerhafte Phase (Phase K in ) gleich Null ist. Das heißt, die Gegenkomponente der Stromreferenz in Phase K hebt ihre Gegenkomponente auf.
Wie bereits erwähnt, ist das durchschnittliche Drehmoment, das durch die Gegenströme erzeugt wird, ungefähr Null. Folglich können die Leistung und das Drehmoment des Motors immer noch durch die positiven Sequenzreferenzen gesteuert werden. Die Gegenströme in den Statorwicklungen können einen Gegenstrom im Luftspalt des Motors erzeugen. Da die Schlupfrate bei der Gegenfolge sehr hoch ist (nahe 2), kann der Gegenfolgenfluss im Luftspalt kein signifikantes Drehmoment erzeugen. Wenn eine Gruppe über ein Impedanznetzwerk verfügt, um ihre Verbindungsschiene (oder ihren Verbindungspunkt) mit einer Stromquelle zu koppeln, kann eine Nullstromreferenz auf ähnliche Weise wie die Gegenstromreferenzen zu den Wicklungsstromreferenzen in dieser Gruppe hinzugefügt werden. Die kombinierte Gegen- und Nullstromreferenz sollte die gleiche Amplitude haben, aber eine 180° -Phasenverschiebung von der Gegenreferenz in der fehlerhaften Phase, damit sich die drei Komponenten gegenseitig aufheben, was einem offenen Stromkreis entspricht.
Durch Einstellen des Verhältnisses der Nullsequenz- und der Gegensequenz-Stromreferenzen ist es möglich, die Differenz der Strombelastung zwischen verschiedenen Phasen zu verringern. Auf diese Weise verhält sich der Motor wie ein symmetrischer Mehrphasenmotor, jedoch mit einigen Erregungs- und Phasenströmen im Gegen- und/oder Nullfeld. Eine solche Operation ist zwischen den Phasen nicht mehr symmetrisch. Manchmal kann es auch wünschenswert sein, die Modifikation von Stromreferenzen auf die Phasen im Polpaar zu beschränken, in denen sich die fehlerhafte Phase befindet, oder auf die Gruppe, in der sich die fehlerhafte Phase befindet, um die Komplexität des Änderns vieler Stromreferenzen zu vermeiden.
Um eine Überhitzung der Stromwandler/des Motors und eine Sättigung der magnetischen Materialien des Motors aufgrund von Gegen- und Nullströmen sowie von Flusskopplungen in einem fehlerhaften Zustand zu vermeiden, muss die Nennleistung des Systems möglicherweise herabgesetzt und die Grenzen der Ströme und der Magnetfeldstärke können im Vergleich zum normalen Betrieb gesenkt werden. Da die Auswirkung eines Fehlers auf die Systemleistung in verschiedenen Pol- und Phasenkonfigurationen unterschiedlich ist, kann das Steuerungssystem das System in die Betriebsmodi mit der richtigen Polzahl und der richtigen Phasenzahl mit weniger Leistungseinbußen steuern. Wenn alternativ die Leistung und/oder das Drehmoment des Motors und der Stromwandler reduziert werden können, können einige Stromwandler deaktiviert werden, um ein ausgeglichenes System mit einer geringeren Anzahl von Phasen zu schaffen, selbst wenn ein Fehler vorliegt. Die Anzahl der Pole kann auch aufgrund des Auftretens eines Fehlers eingestellt werden, um die Bildung eines solchen Betriebes mit reduzierter Phase zu ermöglichen. Wenn z.B. ein Motor 24 Statorwicklungen mit den Nummern 1 bis 12 hat und in einer geradzahligen Phase (Wicklung oder Stromwandler) ein Fehler auftritt, können alle an die geradzahligen Wicklungen gekoppelten Stromwandler deaktiviert werden, und die verbleibenden ungeradzahligen Wicklungen und die daran gekoppelten Stromwandler können weiterhin als ein ausgeglichenes System konfiguriert werden. Ein solches ausgeglichenes System ist vollständig gesteuert und bedienbar. Da jedoch die Hälfte der Wicklungen und Stromwandler nicht mehr aktiv ist, kann die Nennleistung des Systems verringert werden, und der Bereich der umkonfigurierbaren Polzahlen und Phasenzahlen kann ebenfalls verringert werden. Das ursprüngliche 12-Wicklungssystem kann so umkonfiguriert werden, dass es unter der Einschränkung der symmetrischen Konfiguration in 2-poligen 12-Phasen-, 4-poligen 6-Phasen- und 8-poligen 3-Phasen-Bedingungen arbeitet, aber jetzt kann das 6-Wicklungssystem nach dem Fehler nur so umkonfiguriert werden, dass es unter der Einschränkung der symmetrischen Konfiguration in 2-poligen 6-Phasen- oder 4-poligen 3-Phasen-Konfigurationen arbeitet.
In der obigen Diskussion wird angenommen, dass der Rotor der dynamischen Rekonfiguration im Stator automatisch folgen kann. Dies gilt, wenn der Rotor eine Eichhörnchenwicklungsstruktur aufweist, wie sie in den oben beschriebenen Induktionsmotoren gezeigt ist. Es sind jedoch auch andere Maschinentypen geeignet, um das DRIM-Prinzip zu verwenden. Ein Beispiel sind geschaltete Reluktanzmaschinen. Der Rotor einer geschalteten Reluktanzmaschine besteht aus ausgeprägten Polen ohne Leistungswicklungen. In den geschalteten Reluktanzmaschinen weist der Stator ausgeprägtere magnetische Merkmale auf. Die Wicklungsströme der geschalteten Reluktanzmaschine können so gesteuert werden, dass sich die Polzahl im Betrieb dynamisch ändert, um die Systemleistung über einen weiten Bereich zu optimieren. Ein anderes Beispiel sind Permanentmagnetmaschinen mit Speichereffekt, bei denen die Anzahl der Pole auch mit den Magneten geändert werden kann, so dass die Anzahl der Pole in den Wicklungen dynamisch entsprechend umkonfiguriert werden kann.
Die obige Diskussion zieht einen Satz der Statorwicklungen als Beispiel heran. Das gleiche Prinzip gilt auch für Motoren und Generatoren mit mehr als einem Satz von Statorwicklungen, z. B. bestimmte doppeltgespeiste Motoren und Generatoren. Die gleichen Prinzipien können bei Bedarf auch auf Rotorwicklungen angewendet werden.
Obwohl die obige Diskussion im Allgemeinen auf Motoren basiert, können die Techniken auf Generatoren oder Motoren angewendet werden, die im Generatormodus (regenerativ) arbeiten.
Die Diskussion in dieser Offenbarung bezieht sich auf Motoren und Generatoren. Die Technologie kann auf Aktuatoren wie Magnetgetriebe und andere Anwendungen erweitert werden. Sowohl Konstruktionen mit radialem Luftspalt als auch mit axialem Luftspalt können die offenbarten Techniken verwenden.
Die obige Diskussion basiert im Allgemeinen auf Maschinen mit Kernen und Schlitzen. Die Wicklungstechniken und die Steuertechniken, einschließlich der verschiedenen Ausführungsformen von Verbindungsstangen, können jedoch auf Maschinen ohne Kerne (Luftkernmaschinen) und/oder ohne Schlitze (schlitzlose Maschinen) angewendet werden. In einer schlitzlosen Maschine sind die Leiter oder Leiteranordnungen gleichmäßig entlang eines Umfangs in einer Maschine verteilt, als ob es gleichmäßig verteilte Schlitze gäbe, so dass die in der vorliegenden Offenbarung diskutierten Wicklungsanordnungen weiterhin verwendet werden können.
Obwohl sich die obige Diskussion im Allgemeinen auf den Kontext dynamisch umkonfigurierbarer Maschinen konzentriert hat, sind viele der Techniken, insbesondere Modulation, Stromregelung, Fluss- und Geschwindigkeits-/Positionserfassung und Kühltechniken, die in dieser Offenlegung offengelegt werden, auch auf Maschinen mit einer festen Anzahl von Polen und/oder einer festen Anzahl von Phasen in einem Paar von Polen anwendbar.
Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung und ihre Vorteile ausführlich beschrieben wurden, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenlegung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.
Darüber hinaus soll der Umfang der vorliegenden Anmeldung nicht auf die in der Beschreibung beschriebenen besonderen Ausführungsformen des Verfahrens, der Maschine, der Herstellung, der Materialzusammensetzung, der Mittel, Verfahren und Schritte beschränkt sein. Wie ein Durchschnittsfachmann aus der vorliegenden Offenbarung leicht erkennen wird, führen Prozesse, Maschinen, Herstellung, Stoffzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte, die gegenwärtig existieren oder später zu entwickeln sind, im Wesentlichen die gleiche Funktion aus oder erzielen im Wesentlichen das gleiche Ergebnis, wie die hier beschriebenen entsprechenden Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können. Dementsprechend sollen die beigefügten Ansprüche solche Prozesse, Maschinen, Herstellung, Stoffzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte in ihren Schutzbereich einschließen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 16/116005 [0001]
US 62/552012 [0001]

Claims

Verfahren, umfassend: Bereitstellen einer Motor/Generator-Maschine, umfassend mehrere Wicklungen, einen Rotor und einen Stator, der magnetisch mit dem Rotor gekoppelt ist, wobei die mehreren Wicklungen so eingerichtet sind, dass die Anzahl der Pole und die Anzahl der Phasen in einem Polpaar der Motor/Generator-Maschine dynamisch neu konfiguriert werden; Koppeln mehrerer Stromwandler mit den mehreren Wicklungen, wobei ein Stromwandler dazu eingerichtet ist, einen Strom in einer Wicklung zu steuern; und nachdem ein Fehler in einer Wicklung der Motor/Generator-Maschine oder in einem Stromwandler der mehreren Stromwandlern aufgetreten ist, Konfigurieren der mehreren Stromwandler so, dass die Motor/Generator-Maschine einen kontinuierlichen Betrieb aufrechterhält.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: dynamisches Konfigurieren der Motor/Generator-Maschine durch Änderung der Phasenbeziehung zwischen Strömen in benachbarten Wicklungen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: die Vielzahl von Wicklungen in einen ersten Satz von Wicklungen und einen zweiten Satz von Wicklungen unterteilt ist, und wobei: der erste Satz von Wicklungen gleichmäßig in geradzahligen Schlitzen der Motor/Generator-Maschine angeordnet ist; und der zweite Satz von Wicklungen gleichmäßig in ungeradzahligen Schlitzen der Motor/Generator-Maschine angeordnet ist, und wobei die mehreren Stromwandler in einen ersten Satz von Stromwandlern und einen zweiten Satz von Stromwandlern unterteilt sind, und wobei: der erste Satz von Stromwandlern mit dem ersten Satz von Wicklungen verbunden ist; und der zweite Satz von Stromwandlern mit dem zweiten Satz von Wicklungen verbunden ist, undwobei die Motor/Generator-Maschine in einem reduzierten Phasenmodus arbeitet, indem ein Satz von Stromwandlern deaktiviert wird, nachdem ein Stromwandler in dem Satz von Stromwandlern oder eine an den Satz von Stromwandlern angeschlossene Wicklung ausfällt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Einstellen von Stromreferenzen der mehreren Stromwandler durch eine Steuereinheit durch Hinzufügen einer Gegensystemkomponente zu jedem Wicklungsstrom, um den kontinuierlichen Betrieb nach dem Auftreten des Fehlers aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: die mehreren Stromwandler und die mehreren Wicklungen in mehreren Gruppen angeordnet sind, und wobei innerhalb einer Gruppe die Wicklungen der Gruppe mit einer Verbindungsleiste verbunden sind und die Stromwandler der Gruppe mit einer Stromquelle gekoppelt sind; und ein Impedanznetzwerk,das zwischen die Stromquelle und die Verbindungsleiste gekoppelt ist, dazu eingerichtet ist, nach Auftreten des Fehlers einen Strom zu leiten.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend: Anpassen der Stromreferenzen der Stromwandler in der Gruppe durch Hinzufügen einer Gegensystemkomponente und einer Nullsequenzkomponente zu einem Strom jeder Wicklung in der Gruppe, nachdem der Fehler aufgetreten ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei: das Impedanznetzwerk einen Impedanzstromwandler und eine Induktivität umfasst, die zwischen der Stromquelle und der Verbindungsleiste angeschlossen sind.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend: Konfigurieren der Stromwandler so, dass das Impedanznetzwerk einen Strom leitet, der dem Strom in einer ausgefallenen Phase ohne Vorliegen des Fehlers entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Steuern der Vielzahl von Stromwandlern, um die durch die mehreren Wicklungen fließenden Ströme so einzustellen, dass die Anzahl der Phasen der Motor/Generator-Maschine dynamisch eingestellt wird.
System, umfassend: eine Maschine mit mehreren Wicklungen, einem Rotor und einem Stator, der magnetisch mit dem Rotor gekoppelt ist, wobei die mehreren Wicklungen gleichmäßig in der Maschine angeordnet sind; mehrere Stromwandler, die mit entsprechenden Wicklungen verbunden sind, wobei die mehreren Stromwandler dazu eingerichtet sind, Ströme von den mehreren Wicklungen so steuern, dass die Anzahl der Pole der Maschine durch Einstellen der durch die mehreren Wicklungen fließenden Ströme dynamisch einstellbar ist; und eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, einen Fehler in der Maschine zu erkennen und die mehreren Stromwandler zu konfigurieren, um einen kontinuierlichen Betrieb aufrechtzuerhalten.
System nach Anspruch 10, wobei: die Vielzahl von Wicklungen in einen ersten Satz von Wicklungen, die in geradzahligen Schlitzen der Maschine angeordnet sind, und einen zweiten Satz von Wicklungen, die in ungeradzahligen Schlitzen der Maschine angeordnet sind, unterteilt ist; die Vielzahl von Stromwandlern in einen ersten Satz von Stromwandlern, die mit dem ersten Satz von Wicklungen verbunden sind, und einen zweiten Satz von Stromwandlern, die mit dem zweiten Satz von Wicklungen verbunden sind, unterteilt ist; und die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, einen Satz von Stromwandlern zu deaktivieren, um die Maschine in einem reduzierten Phasenmodus zu betreiben, falls der Fehler in einer Wicklung auftritt, die mit dem Satz von Stromwandlern verbunden ist, oder einem Stromwandler des Satzes von Stromwandlern.
System nach Anspruch 10, wobei: die Steuereinheit so eingerichtet ist, dass die Anzahl der Pole der Maschine in einem Betriebsmodus mit geringer Belastung dynamisch geändert wird.
System nach Anspruch 10, ferner umfassend: eine Verbindungsleiste, die mit einer Gruppe von Wicklungen gekoppelt ist; und ein Impedanznetzwerk, das an die Verbindungsleiste gekoppelt und dazu eingerichtet ist, nach Auftreten des Fehlers einen Strom zu leiten.
System nach Anspruch 13, wobei: die Vielzahl von Stromwandlern und das Impedanznetzwerk dazu eingerichtet sind, den kontinuierlichen Betrieb aufrechtzuerhalten.
System nach Anspruch 10, wobei: die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, Stromreferenzen der mehreren Stromwandler anzupassen, um den kontinuierlichen Betrieb aufrechtzuerhalten.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen einer Maschine, die mehrere Wicklungen, einen Rotor und einen Stator umfasst, der magnetisch mit dem Rotor gekoppelt ist; Koppeln mehrerer Stromwandler an die mehreren Wicklungen; Konfigurieren der mehreren Stromwandler, um die Anzahl der Pole der Maschine in einem Betriebsmodus mit geringer Belastung gemäß einer Vielzahl von Betriebsparametern einzustellen; und nachdem ein Fehler in der Maschine aufgetreten ist, Konfigurieren der mehreren Stromwandler so, dass die Maschine in einen fehlertoleranten Betriebsmodus wechselt.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei: der fehlertolerante Betriebsmodus ein Betriebsmodus mit reduzierter Phase istund wobei ein Satz von Stromwandlern deaktiviert ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der fehlertolerante Betriebsmodus umfasst: Anpassen der Stromreferenzen der mehreren Stromwandler, um den fehlertoleranten Betriebsmodus aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend: Unterteilen der mehreren Wicklungen in mehrere Gruppen und Koppeln der Wicklungen innerhalb einer Gruppe mit einer Verbindungsleiste; Koppeln eines Impedanznetzwerks an die Verbindungsleiste; und Konfigurieren der Stromwandler und des Impedanznetzwerks so, dass das Impedanznetzwerk während des fehlertoleranten Betriebsmodus einen Strom leitet.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei: der Fehler bei einer ersten Wicklung der Gruppe auftritt, die mit der Verbindungsleiste verbunden ist, und wobei die Stromwandler und das Impedanznetzwerk dazu eingerichtet sind, die Strombelastungen der übrigen Wicklungen in der Gruppe in dem fehlertoleranten Betriebsmodus zu reduzieren.