九相感应电动机起动器/交流发电机

摘要

电感应电动机可以包括九个独立的端子，该九个独立的端子配置成从九相反相器的九个输出相位接收九个电流输入(I1‑I9)。该电动机可以包括连接至该九个端子的九个绕组(L1‑L9)以及多个接触器，其中多个接触器中的每一个可以在包括该九个绕组(L1‑L9)的电路中可选择地打开或关闭，以可选择地将绕组以网形配置或星形配置中的一种连接在一起。每个绕组可以可选择地连接在九个电流输入(I1‑I9)中的两个之间，两个电流输入之间具有40°的相角差。接触器中的每一个可以被可选择地打开或关闭以确立网形配置的跨度值为两个，其中两个为在九个绕组中的一个的端子与连接至该九个绕组中的一个的该九个绕组中的另一个的端子之间的反相器输出相位的数目。该电动机可以可选择地接收由九相反相器所产生的驱动波形的第一个谐波，以及由该九相反相器所产生的驱动波形的第二个不同的谐波。

说明书

技术领域

本发明一般涉及感应电动机，并且更具体地，涉及用于用作起动器和用作交流发电机的九相感应电动机。

背景技术

机械，诸如，例如履带式拖拉机以及包括建筑、农业和采矿机械的其他非公路车辆，被用于执行许多作业。为了有效地执行这些作业，此类机械需要有为驱动系统提供有效动力的动力源。动力源可以是操作为在一定的速度范围内产生转矩输出的发动机，诸如，例如涡轮发动机、柴油发动机、汽油发动机或天然气发动机。该转矩通常通过传动装置被提供给一个或多个牵引装置，传动装置可操作地通过驱动系统连接至发动机。

为了起动此类机械，需要具有在低速下产生大量转矩的能力的起动器电动机。通常在相对较短的一段时间期间用来操作起动器电动机所需要的电功率量可以显著地耗尽诸如电池的的便携式能量存储装置中的可用功率。为了在电池中保持足够的功率以用于电源的多个起动，通常提供诸如交流发电机的发电机以产生再充电该电池所需的电功率。如果感应电动机既被用作起动器电动机又被用作交流发电机以产生电功率，当启动机械时感应电动机必须能够在较低速度和较高转矩条件下运行，以及当其作为交流发电机或发电机时在较高速度和较低转矩条件下运行，同时仍然产生其能力内的足够功率。

在1999年11月2日授予给米勒等人的美国专利号5,977,679(’679专利)中描述了一种既被用作起动器又被用作交流发电机的示例性感应电动机。该’679专利描述了一种感应电动机，其包括具有圆柱形芯部的定子，该圆柱形芯部具有多个内沟槽和外沟槽，以及多个环形线圈缠绕该芯部并被置于内沟槽和外沟槽中。’679专利中的感应电动机设计据称能够实现对电动机的若干极点和相位的任意组合，从而允许在交流发电机模式下的平滑转矩操作。

虽然，在允许既能在起动器模式下使用感应电动机又能将其用作交流发电机方面，’679专利中所公开的感应电动机可以提供一些优点，但是该电动机仍然存在各种缺点。例如，为了让’679专利中的感应电动机从发动机曲柄转动向交流发电机模式转变，必须改变相位的数量以适应极点数量的改变。此相位数量所需的改变还会导致连接至电动机的线圈以允许多相位操作的反相器的电子复杂度的显著提高。

本发明所公开的系统和方法针对于克服以上提出的一个或多个问题。

发明内容

在本发明的一个示例性实施例中，电感应电动机配置成在九个独立的端子处从九相反相器的九个输出相位接收九个独立的电流输入。电动机进一步包括连接至该九个独立的端子的九个绕组以及多个接触器。多个接触器中的每一个配置成在包括该九个绕组的电路中可选择地打开或关闭，以可选择地将该九个绕组以网形配置或星形配置中的一种连接在一起。九个绕组中的每一个配置成可选择地连接在九个独立的电流输入中的两个之间，该两个独立的电流输入之间具有40°的相角差。多个接触器中的每一个进一步配置成可选择地打开或关闭以确立网形配置的跨度值为两个，其中两个为在九个绕组中的一个的端子与连接至该九个绕组中的一个的该九个绕组中的另一个的端子之间的反相器输出相位的数目。电动机进一步配置成可选择地接收由九相反相器所产生的驱动波形的第一个谐波，以及由九相反相器所产生的驱动波形的第二个不同的谐波。

在本发明的另一个示例性实施例中，公开了用于配置九相电感应电动机的方法，该九相电感应电动机包括九个绕组以及设置在包括该九个绕组的电路中的多个接触器。该方法包括可选择地打开或关闭多个接触器中的每一个，以可选择地将该九个绕组以网形配置或星形配置中的一种连接在一起。该方法进一步包括将九个绕组中的每一个可选择地连接在来自九相反相器的九个输出相位的九个独立的电流输入中的两个之间，该两个独立的电流输入之间具有40°的相角差。该方法仍进一步包括可选择地打开或关闭多个接触器中每一个以导致网形配置的跨度值为两个，其中两个为在九个绕组中的一个的端子与连接至该九个绕组中的一个的该九个绕组中的另一个的端子之间的反相器输出相位的数目。该方法还包括为可选择地接收由九相反相器所产生的驱动波形的第一个谐波，以及由九相反相器所产生的驱动波形的第二个不同的谐波。

在本发明的另一个示例性实施例中，公开了一种用于机械的电气系统。该电气系统包括九相反相器和九相感应电动机，该九相感应电动机配置成在九个独立的端子处从九相反相器的九个输出相位接收九个独立的电流输入。九相感应电动机包括九个绕组以及多个接触器。多个接触器中的每一个配置成在包括该九个绕组的电路中可选择地打开或关闭，以可选择地将该九个绕组以网形配置或星形配置中的一种连接在一起。九个绕组中的每一个配置成可选择地连接在九个独立的电流输入中的两个之间，该两个独立的电流输入之间具有40°的相角差。多个接触器中的每一个进一步配置成可选择地打开或关闭以确定网形配置的跨度值为两个，其中两个为在九个绕组中的一个的端子与连接至该九个绕组中的一个的该九个绕组中的另一个的端子之间的反相器输出相位的数量。电动机进一步配置成可选择地接收由九相反相器所产生的驱动波形的第一个谐波，以及由九相反相器所产生的驱动波形的第二个不同的谐波。

附图说明

图1是九相两跨度电感应电动机的示例性接线配置的电气示意图，其中绕组以网形配置连接且具有两个谐波驱动波形的示例性图示。

图2是与由第一基本谐波波形驱动的九相两跨度电感应电动机相关联的可配置绕组的示意图。

图3是与由第五谐波波形驱动的九相两跨度电感应电动机相关联的可配置绕组的示意图。

图4是九相两跨度电感应电动机的示例性接线配置的电气示意图，其中绕组以星形配置连接。

图5是说明配置九相两跨度电感应电动机的示例性方法的流程图。

具体实施方式

图1是电感应电动机中的绕组之间的电气连接的一种可能配置的电气示意图，该电感应电动机适于在机械中既用作起动器电动机又用作交流发电机。可以在其中使用该电感应电动机的机械可以包括执行与行业相关的某些类型的操作的任意机械，例如采矿、建筑、农业、运输业或本领域已知的任何其他行业。

在图1的电路图中感应电动机的绕组示出为按通常称之为网形配置的方式设置。在图1所示的实施方式中，绕组可以缠绕在九相电感应电动机的环形定子上(为了清楚起见省略了定子的附加特征)。转子(未示出)可以转动地安装在该环形定子内。图1中所示的示例性实施方式的定子上的绕组L1-L9由与电感串联连接的电阻R1-R9所表示。本领域的某个普通技术人员将会认识到图1中所表示的电阻和电感仅仅是绕组L1-L9的示例性电气特征的象征性表示，而并不旨在进行限制。九相反相器向电感应电动机上的九个独立的端子提供九个独立的电流输入I1-I9(在图1中每一个由与电阻并联连接的电压源象征性地表示)中的每一个。该九相感应电动机可以配置成在九个端子处从九相反相器的九个输出相位接收九个电流输入。电动机可以进一步包括多个开关或接触器(未示出)。多个开关或接触器中的每一个可以配置成在包括该九个绕组的电路中可选择地打开或关闭，以可选择地将该九个绕组以网形配置(图1中所示)或星形配置(图4中所示)中的一种连接在一起。在图1的网形配置中，九个绕组中的每一个配置成可选择地连接在九个独立的电流输入中的两个之间，该两个独立的电流输入之间具有40°的相角差。例如，绕组L1被示出为连接在电流输入I1与电流输入I3之间。绕组L2被示出为连接在电流输入I2与电流输入I4间。图1中示出的网形配置的跨度值为两个，其中两个为在九个绕组中的一个的端子与连接至该九个绕组中的一个的该九个绕组中的另一个的端子之间的反相器输出相位的数量。

与图1的九相网形连接配置相比，图4示出了九相感应电动机的变型，其中绕组以星形配置连接。在九相星形连接配置中，绕组L1-L9中的每一个在一端处连接至配置成用于从九相反相器接收电压V1-V9的不同端子。在星形配置中每个绕组的相对端连接至所有九个绕组的公共中性点。与图1的网形配置相比，图4的星形配置提供相同的电流通过所有的绕组。星形配置因此可以允许更高的电流流动通过每个绕组，这是由于该电流在绕组之间不会被分开。网形配置可以提供更低的电流流动通过每个绕组以及在每个绕组两端更高的电压。

图1的右手侧示出了驱动波形的两个不同谐波的示例性绘图，该驱动波形可以通过九相反相器施加到图1的左手侧所示的九个电流输入I1-I9。如图1的左手侧的图例中所指示的，一个示例性实施方式可以包括可选择地接收驱动波形的第五谐波，该驱动波形通过反相器提供至九相网形连接两跨度感应电动机的电流输入。该示例性实施方式中还可以包括可选择地接收驱动波形的第一基本谐波，该驱动波形被提供至九相网形连接两跨度感应电动机的电流输入。由反相器提供的驱动波形的每一个谐波是信号的分量频率，其为驱动波形的基本频率的整数倍。当电流流动通过绕组时产生的磁极点的数目随着驱动波形的谐波的改变而改变。各种替换实施方式可以包括可选择地接收用于感应电动机的某些所需应用的驱动波形的第一个谐波以及用于其他应用的第二个不同的谐波。如下面将更详细描述的，第一应用可以包括低速、高转矩应用，例如将感应电动机操作为起动器。第二应用可以包括高速、低转矩应用，例如将感应电动机操作为交流发电机或发电机。

在图1参考的示例性实施方式中，施加到九相网形连接两跨度感应电动机的绕组的第一谐波将导致两个磁极点。施加到相同电动机的第五谐波波形将会导致十个磁极点的产生。作为将由第一基本谐波中的谐波驱动波形产生的正弦波的数目与谐波的数目相乘的结果，产生附加的极点。例如，在相同时间段上第五谐波将产生五倍于基本谐波将产生的正弦波峰值。因此，以更高谐波驱动感应电动机的结果为：由电流流动通过电动机的绕组而产生的磁极点的数目的增加。极点数目的增加转化为由感应电动机所产生的转矩的增加。这是由于所产生的的转矩的量与流动通过绕组的电流的量成比例。如图1的图例所示，当驱动波形从第一谐波切换到第五谐波时，流动通过绕组的电流的量、以及由此所产生的转矩的量增加。更具体地，以及在一个示例性实施方式中，当驱动波形的第一谐波被施加到九相电动机的电流输入时绕组电流(也以相位电流为同义词)等于反相器电流除以1.28，而当施加驱动波形的第五谐波时绕组电流等于反相器电流除以0.68。

改变通过反相器施加到电动机的驱动波形的谐波，以及由此改变由流动通过绕组的电流所产生的磁极点的数目的优点在于，由电动机产生的转矩的量可以通过电子改变通过反相器合成的驱动波形而得以改变。这意味着不需要对电动机做出物理改变以达到输出转矩的所需改变，例如打开或关闭开关或接触器。类似地，改变通过反相器施加到电动机的驱动波形的谐波，以及由此改变磁极点的数目，可以适应电动机的增加的转动速度和更低的转矩。电动机的每个绕组的两端的电压与电动机的转动速度成比例。如图1的图例所示，当驱动波形从第五谐波切换到第一谐波时，每个绕组两端的电压增加以及由此电动机的转动速度增加。更具体地，当施加驱动波形的第五谐波时绕组电压(也以相位电压为同义词)等于反相器电压除以1.46，而当施加驱动波形的第一谐波时绕组电压等于反相器电压除以0.777。另外，通过反相器提供的驱动波形的谐波的改变可以以相继通过谐波分量的各种混合的平滑方式获得。因此，当在谐波操作状态之间切换时，不存在驱动的突然不连续。

图2是当电动机由反相器所产生的驱动波形的第一基本谐波波形驱动时，与九相两跨度感应电动机相关联的可配置绕组的示意图。所示出的横截面仅显示了定子绕组的上半部分，下半部分(未示出)是上半部分的镜像。如图2中所示，用反相器所产生的驱动波形的第一谐波驱动电动机的结果为产生两个磁极点。低数目的的磁极点导致每个绕组相比于更多极点的情况观察到更高的电压，并且因此电动机的转动速度增加而转矩输出减小(绕组两端的电压与电动机的速度成比例，而转矩与极点的数目成比例)。

在一个示例性实施方式中，由九相反相器驱动波形的第一谐波所驱动的九相网形连接两跨度感应电动机可以接收大约43安培的反相器电流和大约33.9伏特的反相器电压。每个绕组两端的电压可以为大约43.6伏特，并且流动通过每个绕组的电流可以为大约33.5安培。如果相同的电动机随后由九相反相器驱动波形的第五谐波所驱动，由电流流动通过绕组所产生磁极点数目以5的因子增加到10个极点。图3的横截面视图显示了定子的上半部分和10个极点中的一半。针对于第五谐波的反相器电流将增加到大约720安培，此时流动通过每个绕组的电流为大约1020安培。针对于第五谐波的反相器电压将为大约26.8伏特，而每个绕组两端的电压将为大约18伏特。由于从九相反相器驱动波形的第一谐波切换到第五谐波而导致磁极点数目的增加增加了流动通过每个绕组的电流的量(从大约33.5安培增加到大约1020安培)。电动机能够在更高的绕组电流上显著地产生更多的转矩，虽然在更低的转动速度上(大约100转/分)。在上述示例性实施方式中，驱动在驱动波形的第一谐波上的九相网形连接两跨度电动机所产生的平均转矩可以为大约-7.62牛顿-米，而由在第五谐波上的相同电动机所产生的平均转矩可以为大约559牛顿-米。具有两个磁极点(由第一谐波驱动)的九相网形连接两跨度感应电动机的电动机转动速度可以从大约15,000转/分下降至具有10个极点(由第五谐波驱动)的大约100转/分。

图1和图4中示意性示出的电路的阻抗随着电感应电动机的机械负载和转动速度改变而改变。阻抗是当施加电压时电路对电流呈现的阻碍的量度。作为上述对在每个不同的谐波上所产生的极点的数目改变的结果，对施加到电路的驱动波形的谐波的改变改变了阻抗。电动机可以产生的转矩(负载)的量与流动通过每个绕组的电流的量成比例且与磁极点的数目成比例。电动机的转动速度与每个绕组两端所提供的电压成比例。因此，当需要电动机的低转动速度和高输出转矩时，例如当起动机械时，可以实施图1的在反相器驱动波形的第五谐波上驱动九相两跨度感应电动机的网形配置。

当电动机被用于交流发电或发电模式时，电动机可以在比处于起动模式时更高的速度下操作，并且在更低的转矩输出下操作，同时仍然产生相同的或基本相同的功率输出。如上所述，在一个示例性实施方式中，转动速度可以从起动期间的大约100转/分增加到当处于交流发电模式时的15,000转/分。为了在操作的交流发电模式下获得针对高速低转矩需求的优选配置，九相网形连接两跨度感应电动机可以配置成可选择地接收由九相反相器所产生的驱动波形的第一基本谐波。由电流流动通过绕组所产生的磁极点的数目从将驱动波形的第五谐波施加到绕组时的10个极点(如图3中所示)减少到施加第一基本谐波时的2个极点(如图2中所示)。极点数目的减少导致更高的电压被提供给每个绕组而不带来总反相器电压的显著增加。在以上所述的示例性实施方式中，当从第五谐波切换到第一谐波时，反相器电压可以从大约26.8伏特增加到大约33.9伏特(26.5％的增加)，同时每个独立的绕组两端的电压可以从大约18伏特增加到大约43.6伏特(142％的增加)。如果当将电动机的速度从100转/分增加到15,000转/分时，驱动波形的谐波(以及极点的数目)保持不变，则结果为反相器电压的显著增加。

在九相两跨度感应电动机的情况下，将电动机的转动速度从100转/分增加到15,000转/分而不带来驱动波形的谐波的对应减少和极点数目的减少将导致在反相器处的直流电压增加到数百伏特。该增加还可能导致需要机械操作员来胜任高电压操作的安全管理。然而，根据本发明的各种实施方式的当从较高谐波(例如，第五谐波)转变到较低谐波(例如，第一谐波)时极点数目的减少，使得能够实现更高速度更低转矩的操作而不带来反相器电压的显著增加(例如，如上所述的26.5％的增加)。极点数目的减少还会导致流动通过每个绕组的电流的量的显著减少。如上关于九相网形连接两跨度感应电动机的示例性实施方式所讨论的，当电动机由驱动波形的第五谐波驱动时流动通过绕组的电流可以为大约1020安培。当电动机由驱动波形的第一谐波驱动时该电流可以下降到大约33.5安培并且转动速度增加到15,000转/分。这可以改进电动机的效率，这是由于根据欧姆定律：P＝I2R，在更高的电流流过时会出现电阻损耗的同时减少。

在九个端子中的每一个处连接至感应电动机的九相反相器(未示出)能够向电动机提供具有可变电压和可变频率的交流电流。当感应电动机用作交流电流发电机时，该反相器还可以与感应电动机一起使用。该反相器可以具体化为单个微处理器或多个微处理器，以及包括其他电子部件(例如可以包含在脉冲宽度调制电路中的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和比较器)的硬件、固件以及软件或所有前述的各种组合。各种其他已知的电路可以与反相器相关联，包括供电电路、信号调节电路、螺线管驱动器电路、通信电路以及其他适当的电路。

图5中所示的流程图示出了配置图1至图3中所示的感应电动机的示例性方法，并且在以下章节将对图5进行详细描述。

工业实用性

本发明所公开的具有可配置绕组的九相两跨度感应电动机可以既被用作起动器又被用作电功率的交流发电机或发电机。也可以根据本发明提出的原理使用具有比九相感应电动机更少或更多相位的感应电动机。当用作起动器时，需要感应电动机产生足够的转矩以用于起动将其安装在上面的机械的发动机。感应电动机可以产生的转矩的量可以与流动通过定子上的每个绕组的电流的量成比例。所产生的转矩还可以与由流动通过电动机的绕组的电流所产生的磁极点的数目成比例。在一个示例性实施方式中，连接至九相感应电动机的九相反相器可以配置成接收一个或多个指示请求操作该电动机以起动发动机的信号。反相器可以随后处理这些信号并发送对应的信号至九相感应电动机的九个端子。感应电动机可以配置成从反相器接收一个或多个信号并处理该一个或多个信号，以便可选择地打开或关闭多个接触器中的每一个以确立网形配置或星形配置。

感应电动机可以进一步配置成从反相器接收一个或多个指示请求操作该电动机以起动发动机的信号，以及处理该一个或多个信号以便可选择地接收由九相反相器所产生的驱动波形的第五谐波。

根据本发明的各种实施方式的感应电动机还可以被用作用于产生电功率的交流发电机。在操作的交流发电模式期间，该感应电动机能够处理相比于起动发动机时(例如，100转/分)更高的转动速度(例如，15,000转/分)，但与此同时产生相比于起动发动机时更少的转矩。在起动模式期间每个绕组处的较高电流和较低电压与交流发电模式期间每个绕组处的较高电压和较低电流之间的折衷，导致由电动机消耗或产生的总功率保持大致相同。

电动机的每个绕组的两端的电压与电动机的转动速度成比例。因此更高的转动速度转化为每个绕组两端更高的电压。电动机的磁极点数目的减少(例如，从10个极点减少到2个极点)导致每个绕组两端更大的电压而不带来连接至反相器的每对端子两端观察到的总电压的增加。在以上关于在起动模式下使用感应电动机所讨论的同样的示例性实施方式中，连接至感应电动机的九相反相器还可以配置成接收指示请求将该电动机操作为交流发电机以产生电力的一个或多个信号。反相器可以随后处理这些信号并发送对应的信号至九相感应电动机的九个端子。感应电动机可以配置成从反相器接收一个或多个信号并处理该一个或多个信号，以便可选择地打开或关闭多个接触器中的每一个以确立网形配置或星形配置。

感应电动机可以进一步配置成从反相器接收指示请求将该电动机操作为交流发电机以产生电力的一个或多个信号，以及处理该一个或多个信号以便可选择地接收由九相反相器所产生的驱动波形的第一基本谐波。

图5示出了配置图1至图3所示的感应电动机的示例性方法。第一步骤为确定发动机是否正在运行(步骤：500)。如果发动机没有在运行(步骤：500＝否)，则当接收到起动命令时(步骤：502)，通过改变电流流动通过电动机的绕组所按照的电路路径，可以将感应电动机切换为如图1所示的具有预定跨度值(例如，九相两跨度)的网形配置(步骤：504)。

除了将感应电动机切换为图1所示的网形配置之外，可以将通过反相器施加到该网形配置的驱动波形的谐波改变为第五谐波，以便将磁极点的数目增加到10个极点(步骤：506)。如上所述，极点数目的增加转化为更高的转矩和更低的转动速度，这适合于操作的起动模式。

如果发动机正在运行(步骤：500＝是)，通过改变电流流动通过电动机的绕组所按照的电路路径，可以将感应电动机切换为具有预定跨度值(例如，九相两跨度)的网形配置(步骤：512)。尽管图5中所示的示例性实施方式包括将感应电动机的电路路径切换为网形配置，替代的实施方式还可以包括将电路切换为星形连接配置。

除了将感应电动机切换为如图1所示的网形配置之外，可以将通过反相器施加到该网形配置的驱动波形的谐波改变为第一基本波形，以便将磁极点的数目减少到2个极点(步骤：514)。极点数目的减少可以在更低转矩输入下允许高得多的转动速度，并且由于流动通过绕组的电流量更低而具有减少的阻抗损耗。

可以对本发明的感应电动机做出各种修改和变型，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。在考虑本发明所公开的说明书以及方法的实践之后，感应电动机的其他实施例以及配置该感应电动机的方法对于本领域技术人员来说也将是显而易见的。说明书和实例仅仅被认为是示例性的，本发明的真实范围由所附权利要求书及其等价内容指出。