使用谐波注入的多相电动机/发电机系统

摘要

一种系统包括电机、多个功率逆变器、以及控制器，电机具有多个绕组、转子、以及磁耦合到转子的定子，多个功率逆变器连接至相应绕组，其中，多个功率逆变器用于控制多个绕组的电流，控制器用于基于性能指标确定高次谐波分量与基波分量的注入比，其中，在同一谐波频率下，励磁分量的注入比与转矩分量的注入比不同。

说明书

本申请要求于2018年12月24日提交的发明名称为“用于多相电动机/发电机系统的磁场定向优化和谐波注入”、申请号为No.62/784,611的美国临时申请的优先权，该申请以引入的方式并入本文。

技术领域

本公开涉及电驱动系统，并且在特定实施例中，涉及提高电驱动性能的创新技术。

背景技术

高性能电动机和发电机系统是许多工业、汽车、和消费类应用广泛需要的。电机的设计和材料通常具有非线性效应，例如硅钢片和其他磁性材料的磁饱和，以及由于绕组模式和/或磁体形状和位置而引起的气隙磁场的空间谐波。为了实现高性能的电动机/发电机和驱动系统，可以利用各种谐波注入技术。传统上，谐波注入技术主要用于提高功率逆变器的电压能力，并增加永磁电动机/发电机的转矩密度。尤其是对于感应电机，谐波注入对其他性能指标的影响尚未得到充分研究。本公开提出了一种磁场定向谐波注入控制机制。特别地，采用磁场定向性能指标来考虑整体系统性能，尤其是效率和功率损耗，以进一步改善电动机/发电机系统的运行。

发明内容

通过本公开的优选实施例，一般性地解决或避免了这些和其他问题，并且总体上实现了技术优点，优选实施例通过注入高次谐波来提高电机驱动系统的性能。

根据实施例，一种方法包括：配置具有电机和逆变器的电机驱动系统；将多个高次谐波电流注入电机驱动系统的电机绕组；将一个高次谐波电流配置为同步谐波电流，其中，该同步谐波电流用于增大电机的转矩。

根据另一实施例，一种系统包括电机、多个功率逆变器、以及控制器，电机具有多个绕组、转子、和磁耦合到转子的定子，多个功率逆变器连接至相应绕组，其中，该多个功率逆变器用于控制上述多个绕组的电流，控制器用于基于性能指标确定高次谐波分量与基波分量的注入比，其中，在同一谐波频率下，励磁分量的注入比与转矩分量的注入比不同。

根据另一实施例，一种方法包括，配置具有电机和逆变器的电机驱动系统，其中：电机具有多个绕组，该多个绕组布置成多个绕组组，该逆变器具有多个功率变换器组，并且其中，每个功率变换器组用于控制一个绕组组的电流；将多个高次谐波电流注入电机的多个绕组中，并配置电机驱动系统，使得至少一个高次谐波为同步谐波，其中，同步谐波用于增大电机驱动系统的转矩。

本公开的实施例的优点是使用高次谐波来改善电机驱动系统的运行性能。

前述内容已经相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点，以便可以更好地理解随后的本公开的具体实施方式。在下文中将描述形成本公开的权利要求的主题的本公开的附加特征和优点。本领域技术人员应当理解，所公开的概念和特定实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本公开的相同目的的其他结构或过程的基础。本领域技术人员还应该认识到，这样的等同构造不脱离所附权利要求书中阐述的本公开的精神和范围。

附图说明

为了更完整地理解本公开的实施例及其优点，现参考以下结合附图的描述，其中：

图1示出了根据本公开各个实施例的可重构电机系统的框图；

图2示出了根据本公开各个实施例的将三次谐波注入基本波形的示例；

图3示出了根据本公开各个实施例的三次谐波注入与电机的过驱动之间的关系；

图4示出了根据本申请各个实施例的用于控制图1所示的电机系统的方法的流程图；

图5示出了根据本公开各个实施例的电机系统的框图；

图6示出了根据本公开各个实施例的磁场定向谐波注入的一些示例性电流波形；

图7示出了根据本公开各个实施例的示例性感应电机；

图8示出了根据本公开各个实施例的感应电机中的各种仿真波形；

图9示出了根据本公开各个实施例的气隙中的两种不同磁场分布；

图10示出了根据本公开各个实施例的使用基于物理的性能指标进行效率优化的控制系统的框图。

除非另外指出，否则不同附图中的相应附图标记和符号通常指代相应的部分。绘制附图是为了清楚地示出各个实施例的相关方面，并且不一定按比例绘制。

具体实施方式

下面详细讨论当前优选实施例的构造和使用。然而，应当理解，本公开提供了许多可应用的发明构思，其可以在各种各样的特定环境中实施。所讨论的特定实施例仅是构造和使用本公开的特定方式的说明，并且不限制本公开的范围。

将针对特定背景(即高性能电机驱动系统)下的优选实施例来描述本公开。电机驱动系统可以应用于多种电动或混合动力车辆、机器人、无人机、家用电器、工业驱动器、和/或其他应用。在整个说明书中，动态可重构感应电机(例如多相感应电机)用作示例，但所讨论的技术可以一般性地应用于其他电机，例如常规感应电机、永磁电机、磁阻电机(例如开关磁阻电机或同步磁阻电机)、以及各种发电机。在下文中，将参考附图详细解释各个实施例。

通过调整相电流之间的相移，可以将多相感应电机动态重构为具有不同极数和在一对极内具有不同相数。这样的多相感应电机可以替代地称为动态可重构感应电机(dynamically reconfigurable induction motor，DRIM)。有多种在DRIM中布置绕组的方法。作为示例，图1用于解释本公开的各种实施例，而本公开的范围不限于该特定构造(例如，DRIM)。

图1示出了根据本公开各个实施例的一套可重构电机系统的框图。可重构电机系统100包括定子104、转子102、和气隙103。转子102可以具有鼠笼结构。定子104包括多个定子绕组。多个定子绕组可以被嵌入在定子铁芯中。更具体地，定子铁芯可包括多个槽。每个槽用于容纳一个定子绕组。替代地，取决于不同的应用和设计需求，每个槽可用来容纳多个定子绕组。另外，可重构电机系统可以没有定子铁芯(例如，无铁芯电机)，或者在定子铁芯中没有槽。

如图1所示，可以将多个定子绕组分成M个组，其中M是预定整数。每组的定子绕组通过连接环或连接杆连接。例如，如图1所示，第一组的定子绕组S11-S1N通过第一个连接环1151连接。同样，如图1所示，第m组的定子绕组SM1-SMN通过第M个连接环115M连接。在图1中，连接环显示为浮动的(例如，如图1所示，连接环彼此隔离)。在本公开中，连接环可以不是封闭形状，因此可以是连接杆。如果M个输入电源中的一些彼此隔离，则一些连接环1151-115M可以电连接在一起，或者形成单个连接环。

此外，可重构电机系统100包括多个功率变换器组。每个功率变换器组连接在电源和对应的定子绕组组之间。如图1所示，第一功率变换器组1101连接在第一电源VS1与第一组定子绕组S11-S1N之间。如图1所示，第一功率变换器组1101包括多个功率变换器1111-111N。类似地，第M个功率变换器组110M连接在第m个电源VSM和第m组定子绕组SM1-SMN之间。如图1所示，第M个功率变换器组110M包括多个功率变换器11M1-11MN。在一些实施例中，多个功率变换器被顺序地划分为多个功率变换器组。

在一些实施例中，电源VS1-VSM是如图1所示的单独的电源。在替代实施例中，电源VS1-VSM可以串联连接以容纳施加到可重构电机系统100的高输入电压。此外，电源VS1-VSM可以由串联连接并耦合到公共电源的电容器形成。因此，在电源之间实现电荷平衡可能很重要。为了实现串联连接的电源的电荷平衡，流入/流出各电源的dc电流需要彼此相等或近似相等(例如，在20％容限内)。

在一些实施例中，当流过每个电源的电流是直流电流或具有电流的低频分量较低时，电源可以高效且可靠地运行。例如，应该将电流的谐波分量(例如，基波和低次谐波)减小到最小。在一些实施例中，每个绕组组应当在一对极中有均匀间隔的至少三个定子绕组。定子绕组被配置为流通相同幅度和频率的电流。此外，电流的相角在定子绕组之间均匀地分布。因此，每个绕组组中的定子绕组形成对称且平衡的多相系统，并且在理想运行中，流经每个电源的电流为直流电流。

在运行时，通过功率转换器控制每个相绕组以传导所需电流。通过控制相绕组中的电流(相电流)，或更准确地，通过控制相电流的励磁分量，可以在定子104和转子102之间的气隙103中建立所需的磁场。相绕组可以分为若干个组，每组可以通过多个功率逆变器耦合到电源，其中，如果需要，多个功率逆变器可以形成并且被控制为多相逆变器。相绕组可以是槽中的导体，或者可以形成为具有各种结构的集中绕组或分布绕组。如果需要，可以将多个绕组串联或并联。当相电流(相绕组中的电流)之间的相移可以改变时，可以获得不同的极数和相数。可以分析磁场定向谐波注入技术，并将其应用于此类系统中的每个极-相配置。

在一些实施例中，可重构电机系统100在定子中具有N相绕组，该N相绕组以对称方式布置成P对极。相数M等于N除以P(N/P)。基波相移角(相移)可以表示为：

θ1＝(360°·P)/N (1)

在感应电机的传统结构中，每对极内的绕组都由预定的结构和设计固定。与感应电机的传统结构相比，在诸如图1所示的动态可重构结构中，相数M可以为整数或非整数。例如，电机可以具有16相绕组，这16相绕组可以放置在6个极中。因此，每对极具有5.33相(16/3)。这是分数相结构。换句话说，一对极有时具有五相，有时具有六相。

具有分数相结构的一个有利特征是在任何特定时间都存在不同极对之间的不对称性，并且这种不对称性可以有利地用于产生类似于磁阻变化的产生的附加转矩。DRIM中分数相配置的可用性为改进DRIM的设计提供了更大的灵活性。

图2示出了根据本公开各个实施例的将三次谐波注入基波的示例。对于图1中示出的DRIM，可以将一个或多个高次谐波注入相绕组的电流分量和/或电压分量。在一些实施例中，第i个导体(相绕组)的基频分量满足以下方程：

Ii1＝I1·sin(2πf-i·θ1) (2)

其中，θ1是基频分量的相移角。

在一些实施例中，注入的j次谐波分量可以表述为：

Iij＝Ij·sin(j·(2πf-i·θ1)) (3)

方程(3)可以简化为：

Iij＝Ij·sin(2πj·f-i·j·θ1) (4)

如方程(4)所示，j次谐波分量的相移角是：

θj＝j·θ1 (5)

在一些实施例中，如果j次谐波可以满足以下方程，则施加到电机的j次谐波形成极对数等于j乘P的平衡系统：

N/(j×P)≥3 (6)

j次谐波的同步转速可以表述为：

如方程(7)所示，j次谐波的同步转速S

在一些实施例中，如果相移角θ

谐波磁场和基波磁场之间的这种同步还可以用于增大电机的机械转矩输出。谐波电流可以增加转矩密度并且还可能提高电机效率。

应注意，虽然图2示出了将单次谐波注入基波，但电机系统可以容纳任何数量的谐波。此外，虽然非同步谐波也可以注入基波，但最好是将同步谐波注入基波，以便改善电机的性能。

图2示出了将三次谐波注入基波的示例。水平轴表示时间或空间(例如，转子位置或角度)。以下讨论中使用时间波形。注入谐波的一个优点是减轻电机中的磁饱和。注入三次谐波有助于增加基波磁链，而不增加磁性材料的饱和度。众所周知，通过注入大约17％的三次谐波，基波分量的幅度可以增加15％，如波形204所示。使用该注入比，包括三次谐波和基波分量的波形203的峰值与基波分量的峰值相同。如图2所示，波形203具有相对平坦的顶部，具有两处小的波动。可以注入更多的高次谐波以建立所需的电流波形，从而实现电机或驱动系统的所需性能。

在一些实施例中，磁场定向控制机制可以应用于谐波注入，以进一步改善电机的性能。如行业中众所周知的，电机绕组中的电流可以分解为励磁分量和转矩分量，并且一组绕组中的电流可以转换为两个正交分量(d-q坐标系)，即励磁分量和转矩分量。在电机控制系统的d-q同步坐标系中，励磁分量由I

电机系统的性能可以由诸如电机的效率、逆变器的效率、和/或系统的效率之类的复杂因素来指示。为了帮助设计并为在运行期间实现实时优化提供指导，可以采用基于对电机及其相关系统运行的理解的性能指标来控制电机系统的运行。应基于电机和系统的模型并使用各种方法(例如分析、仿真、和/或测试数据)创建基于物理的性能指标。该模型可以离线设置，并且可以使用人工智能(机器学习)算法或其他方法，使用包括来自其他类似系统的信息和数据的更多数据进行演进。建立模型并选择性能指标后，可以轻松实现在线优化，而不会增加计算负担。

在一些实施例中，电机驱动系统的主要目的是在电机、逆变器、和/或系统的一定功率损耗预算内获得最大转矩，或者限制系统的关键部件的温度。

感应电机的机械转矩(T)与∑Ktj*I

在一些实施例中，第一性能指标可以是流经电机的电流。可以根据以下方程计算每个绕组电流的均方根(root-mean-square，RMS)值：

Irms对电机和逆变器中的功率损耗有很大影响。因此，功率损耗或多或少地正比于Irms

Kc＝T/Irms

方程(9)中示出的性能指标可以用于显示谐波注入带来的改进，而无需了解电机设计的细节。在一个示例中，将大约17％的三次谐波(三次谐波的幅度与基波幅度的比等于17％)注入到电流的励磁分量中，以将励磁分量的基波分量增加15％。同时，不对转矩分量应用谐波注入。在这种三次谐波注入下，如果电机基频的功率因数为0.8，则Kc可提高2.1％。另一方面，如果电机基频的功率因数为0.9，则Kc可提高7.9％。这表明电机的功率因数对谐波注入带来的性能改善有影响。

在一些实施例中，第二性能指标可以是电机的功率损耗。感应电机中的主要电功率损耗包括定子绕组损耗、铁心损耗(例如，主要在层压钢板中产生的铁耗)、和转子绕组损耗。在一些实施例中，定子绕组损耗与∑R

方程(10)中所示的总电功率损耗可以用作用于改善谐波注入的性能指标。更具体地，电机功率损耗指标可以定义为：

Km＝T/Pm (11)

在一些实施例中，第三性能指标可以是逆变器的功率损耗。逆变器中的主要电功率损耗包括功率器件的导通损耗和开关损耗，以及其他功率部件的导通损耗。考虑到相(绕组)电流中的谐波含量相对较小，并且逆变器中的许多部件(例如功率开关)就功率损耗而言对频率不敏感，因此逆变器中的功率损耗可以表示为：

Pinv＝V

V

方程(12)中示出的逆变器功率损耗可以用作改善谐波注入的性能指标。更具体地，逆变器功率损耗指标可以定义为：

Kinv＝T/Pinv (13)

在一些实施例中，第四性能指标可以是系统功率损耗。系统功率损耗是电机功率损耗和逆变器功率损耗之和。系统功率损耗可以表示为：

Psys＝Pm+Pinv (14)

方程(14)中示出的系统功率损耗可以用作改善谐波注入的性能指标。更具体地，系统功率损耗指标可以定义为：

Ksys＝T/Psys (15)

上面的性能指标可以使用d-q坐标系中的电流(励磁分量和转矩分量)作为变量。因此，性能指标是磁场定向的，并且可与各种磁场定向控制机制协同作用。使用适当的性能指标，可以相应地确定注入因子Kdj和Kqj，以便优化性能参数。以这种方式，磁场定向谐波注入可以显着改善系统性能和/或减小系统尺寸、重量、和成本。

应当注意，系统可以在不同的运行模式下使用不同的性能指标。例如，如果电机的温度接近预定极限，则可以使用电机功率损耗指标Km。另一方面，当逆变器的温度接近预定极限时，可以使用逆变器功率损耗指标Kinv。此外，如果绕组电流接近极限(例如，电流达到逆变器中功率开关的封装极限)，则可以使用方程(9)所示的Kc。当主要目标是维持高系统效率并且存在逆变器和电机的损耗模型时，可以使用系统功率损耗指标Ksys。如果没有逆变器或电机的损耗模型，则可以使用Kc来获得相当好的效率。

具有上述谐波注入控制机制的一个有利特征是在需要时增加电机的可用基波磁通(也称为过驱动)。

图3示出了根据本公开各个实施例的三次谐波注入与电机的过驱动之间的关系。在过驱动期间，总波形的峰值保持不变。水平轴代表电机的过驱动。过驱动等于希望增加到的基波分量幅度。例如，1.15表示基波分量的幅度增加了15％。垂直轴Y1表示三次谐波与基波的比。如图3所示，过驱动正比于三次谐波与基波之比。

应当注意，在大多数工作区中可能不需要谐波注入，并且可能仅在部分操作中需要谐波注入。在一些实施方式中，谐波注入可以仅被施加到励磁分量，以克服磁性材料的饱和效应。如果电机的功率因数较高，则这可以提高一定的性能。例如，如果电机的功率因数高于0.71，则与将谐波注入应用于整个相电流的传统方式相比，将谐波注入应用于励磁分量可以获得更好的结果。

在感应电机中，可能的磁饱和区域包括定子磁轭、定子齿、转子磁轭、和转子齿。对于每个运行点，重要的是要了解哪个区域(或哪些区域)接近饱和阈值，并相应地考虑谐波注入，其主要目的是减少该区域的磁通饱和度，同时相应地增加转矩(功率)能力和性能以满足运行需求或预设目标。

应当注意，由于在不同谐波频率下的两相电流的相移是不同的，因此定子和转子的齿区域和磁轭区域中的磁通的比率和相位差也不同。控制系统可以改变相移以减小磁轭区域的饱和度。这对于动态可重构的电机尤为重要，因为极数和相数在运行中是可调节的，并且电机中的饱和区域会动态变化。例如，当相数高(极数低)时，磁轭区域更容易饱和。另一方面，当相数低时，齿最有可能首先饱和。

图4示出了根据本申请各个实施例的用于控制图1所示的电机系统的方法的流程图。图4所示的流程图仅是示例，不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代、和修改。例如，可以添加、移除、替换、重新布置、和重复如图4所示的各个步骤。

图4示出了一种使用磁场定向技术来优化谐波注入的方法。转矩变化可以来自于磁场定向控制算法，也可以来自诸如汽车油门踏板或按钮之类的命令装置。设计该方法的目的是在考虑谐波注入的情况下找到给定转矩要求的最佳转矩分量和励磁分量。使用这种方法，极数变化(通常伴随着相数变化)是可选的，并且可以根据需要实施，并且系统被配置为执行此变化。尽管通常需要注入同步谐波，但也可以注入其他谐波。进行一定修改后，该方法可以与电机驱动系统的磁场定向控制一起实施。

方法400在步骤402开始。在步骤404，控制器确定是否已经发生转矩变化。转矩变化与汽车的速度变化相关。在步骤406，产生极数的变化。转矩变化和极数变化都被馈入步骤408。

在步骤408，控制器基于转矩变化和极数变化确定选择哪个性能指标。上面已经相对于图2描述了性能指标，因此这里不再赘述。

选择性能指标并将其输入到步骤410。在步骤410，控制器基于性能指标优化施加到电机的基频分量。在优化了基频分量之后，方法400进行到步骤412。

在步骤412，控制器确定是否需要谐波注入。如果需要谐波注入，则方法400进行到步骤414。否则，该方法进行到步骤422。在步骤422，可以针对磁场定向控制方案生成多个电流参考。

在步骤414，控制器确定同步谐波是否可行。应当注意，同步谐波可能产生正转矩或负转矩。如果同步谐波产生正转矩，则控制器认为该同步谐波是可行的。否则，同步谐波不可行。

在步骤414，如果同步谐波不可行，则方法400进行到步骤416。否则，该方法进行到步骤420。在步骤420，控制器优化注入比并发送优化的注入比以在步骤422生成电流基准。

在步骤416，控制器基于各种运行参数确定是否存在改变电机的极数(或如果需要的话，相数)的空间。如果存在改变极数的空间，则方法400进行到步骤406，在步骤406中，控制器改变极数。如上所述，新的极数和转矩变化信息被馈送到步骤408。同样在步骤416，如果不存在改变电机的极数的空间，则方法400进行到步骤418。

在步骤418，控制器基于各种运行参数确定是否存在改变电机的转矩的空间。如果存在改变电机的转矩的空间，则方法400进行到步骤404，在步骤404中，控制器改变电机的转矩。同样在步骤418，如果不存在改变电机的转矩的空间，则方法400进行到步骤420。

图5示出了根据本公开各个实施例的电机系统的框图。电机系统500包括电机514、多个功率逆变器512、和控制系统。如图5所示，控制系统包括转矩命令单元502、谐波Park&Clarke变换单元516、磁场定向控制单元504、磁场定向谐波注入单元506、谐波逆Park&Clarke变换单元508、和相电流控制单元510。

在运行时，如图5所示，谐波Park&Clarke变换单元516接收检测到的相电流I

磁场定向控制单元504被配置为基于正交坐标系中的变量生成多个参考电流信号。特别地，磁场定向控制单元504可以用于产生绕组电流的各种参考。如图5所示，磁场定向控制单元504被配置为从转矩命令单元502接收转矩命令Tr。在磁场定向控制单元504中，可以仅针对基频来实施磁场定向控制。例如，磁场定向控制单元504可以仅考虑基频分量并生成对Idr和Iqr的要求，如图5所示，这些要求被馈送到磁场定向谐波注入单元506。磁场定向谐波注入单元506用于将正确的谐波注入量加到Idr和/或Iqr上，并产生基波电流参考Id1r和Iq1r，以及j次谐波电流参考Idjr和Iqjr等。谐波注入可以基于一个谐波频率或多个谐波频率。

应当注意，如果需要不止一个谐波频率，则可以添加附加谐波，并且可以相应地修改磁场定向谐波注入单元506，从而生成附加谐波的对应电流参考。另外，包括谐波注入在内的相电流控制可以在同步d-q坐标系、固定坐标系、或每相中实现。以下各节使用每相控制方案来描述控制过程。

在每相控制中，可以通过谐波逆Park&Clarke变换单元508获得每个相位的电流参考。谐波逆Park&Clarke变换单元508通过基频和谐波频率下的坐标变换矩阵计算相电流的基波分量和谐波分量之和。

功率逆变器512的占空比由相电流控制单元510生成。如图5所示，相电流控制单元510包括多个相电流调节器和占空比中和器。相电流控制单元510被配置为从谐波逆Park&Clarke变换单元508接收参考电流信号，并从电机接收检测到的相电流。基于这些信号，相电流控制单元510相应地确定占空比D

应当注意，尽管可以生成每个相电流的参考(I

功率逆变器512用于生成施加到每个相绕组的合适电压V

应该注意的是，Clark变换和Park变换中的谐波坐标变换矩阵与基频的对应矩阵相似，只是此时的三角函数使用了对应谐波频率的频率和相角。还应该注意的是，在具有合适的谐波频率的情况下，谐波系统也可以是平衡多相系统。在平衡多相系统中，通过j次谐波Park变换，在d-q坐标系中将j次谐波分量转换为dc值，但其他分量等于零。即，j次谐波park变换是保持j次谐波信息但去除其他频率分量的信息的等效滤波器。这可用于解耦不同的谐波，并保持良好的磁场定向转矩控制和更好的磁通控制。使用此特征，如有必要，可以容易地针对每个所需谐波实现磁场定向控制。替代地，可以在基频上实现磁场定向控制，然后在需要时在合适的频率上添加相应谐波电流的参考值。

图6示出了根据本公开各个实施例的磁场定向谐波注入的一些示例性电流波形。图6的水平轴表示时间间隔。有三个垂直轴。第一垂直轴Y1代表流入电机的基波电流。第二垂直轴Y2代表基波电流和三次励磁电流的组合。第三垂直轴Y3表示基波电流、三次励磁电流、和三次转矩电流的组合。

第一波形602是正弦基波波形。第二波形604包括基波电流和三次励磁电流。如图6所示，在将三次励磁电流添加到基波电流中之后，第二波形604具有相对平坦的顶部。第三波形606是基波电流、三次励磁电流、和三次转矩电流的总和。

图7示出了根据本公开各个实施例的示例性感应电机。感应电机700包括定子和转子。定子包括16个定子槽708。每个定子槽在两个相邻的定子齿710之间形成。定子齿710在定子磁轭712上形成。每个定子槽中放置一个相导体。转子包括许多转子槽706。每个转子槽在两个相邻的转子齿704之间形成。转子齿704在转子磁轭702上形成。转子槽中的导体通过气隙磁耦合到定子。

应当注意，图7所示的径向磁通结构仅是示例。也可以使用其他合适的磁通结构，例如轴向通量结构。

转子导体可以形成鼠笼结构，该鼠笼结构可以响应于气隙中的磁场而产生电流，并且同时在基频上并且可能在谐波频率上产生机械转矩。在替代实施例中，转子可以是永磁体结构，其可以在气隙中产生基频磁场以及谐波分量。

定子电流可以被控制为具有基波分量和谐波分量，这些分量可以在基波频率和/或谐波频率上产生机械转矩。通过转子和定子产生的磁场之间的相互作用，其他磁性结构也可以在基波频率和谐波频率上产生机械转矩。通过谐波注入，可以对每个绕组中的电流波形进行修整以产生所需的性能改善，例如高转矩密度、较低转矩波动、更好的噪声或振动性能等。

不同的转子结构可能需要不同的定子感应磁场。通过磁场定向谐波注入，定子绕组产生的磁场可以被修整为具有与转子的最佳相互作用，从而同时提高了转矩能力和其他性能。当然，使用磁场定向谐波注入，电机可以在电动机模式和发电机模式下运行。

图8示出了根据本公开各个实施例的感应电机中的各种仿真波形。图8的水平轴表示时间间隔。可以有三个垂直轴。第一垂直轴Y1表示具有三次谐波注入的定子电流。第二垂直轴Y2表示具有三次谐波注入的转子电流。第三垂直轴Y3表示在三次谐波注入下的定子相电压。

第一波形802是在将三次谐波注入到电机系统之后的准方波。第二波形804是另一准方波。第三波形806是定子绕组的相应电压波形。电压的顶部不平坦(例如，准方波)。在一些实施例中，这样的电压波形可以用于通过诸如电压/频率(V/F)控制的开环控制机制来获得所需电流波形。

图9示出了根据本公开各个实施例的气隙中的两种不同的磁场分布。图9的水平轴表示时间间隔。有两个垂直轴。第一垂直轴Y1表示没有三次谐波注入的气隙磁通密度。第二垂直轴Y2代表具有三次谐波注入的气隙磁通密度。

第一波形902示出了在正弦定子电流下的气隙磁场的空间分布。从第一波形902可以看到大致的正弦曲线包络。第二波形904是在准方波定子电流下的气隙磁场空间分布。从第二波形904可以看到大致的准方波波形包络。这表明，利用磁场定向谐波注入，可以通过利用谐波磁场中的能量来提高转矩。此特征可用于提高电机的性能。

上面的实施方式是基于闭环磁场定向控制机制。磁场定向谐波注入的原理也可用于开环控制机制，例如电压/频率控制，开环控制机制通常在一般工业或消费者应用中使用，以及在磁场定向控制系统的启动过程中使用，以避免在非常低的频率/速度范围内应用磁场定向控制的复杂性和困难。图8所示的波形806给出了对期望电压波形的良好参考，其中可以通过添加谐波分量来修改电压参考。谐波分量可以根据工况从各种方法中获得，例如计算、测试、或仿真。可以针对所需的谐波电流分量获得所需的电压谐波，该所需的谐波电流分量可以包括合适的谐波频率的励磁分量和/或转矩分量。

尽管上面的讨论基于谐波注入控制机制，但是使用基于物理的性能指标来改善系统运行的方法也可以只用于基频。例如，当不使用谐波注入控制机制时，仅考虑基频分量，并且性能指标的计算变得更简单，关键变量为I

图10示出了根据本公开各个实施例的在效率优化中使用基于物理的性能指标的控制系统的框图。控制系统1000包括转矩命令变化单元1002、系统工况单元1004、电机/系统模型单元1006、选择性能指标单元1008、磁场定向控制参考优化器1010、和电流参考生成器1012。

转矩命令变化单元1002考虑极数的动态变化。如图10所示，极数变化信息被馈送到选择性能指标单元1008和磁场定向控制参考优化器1010中。设计数据、计算数据、仿真数据、和/或测试数据、可选地来自具有相同或相似设计的其他系统的数据被馈送到电机/系统模型单元1006，在其中生成性能指标的系数。可以在生成性能指标的系数的过程中纳入温度、频率、转矩、速度、输入电压等的影响。此外，如果动态重构可用，则极数和相数的影响也可以包含在模型中。

由于性能指标的变量是电流(例如励磁分量和转矩分量)，因此可以将此模型合并到磁场定向控制中。根据转矩参考值的变化，可以基于工况(例如部件温度、磁饱和程度、以及其他因素(包括如电池充电状态(state of charge，SoC)、待完成的任务、以及驾驶员偏好等外部条件))在选择性能指标单元1008中选择正确的性能指标。对于动态重构，也可以考虑极数和相数。基于所选的性能指标以及来自模型的系数，可以在磁场定向控制参考优化器1010中优化电流参考值和极/相数(如果动态重构可用)。注意，电流参考值可能从计算出的最佳值进行修改。例如，如果基于驾驶员偏好需要良好的加速度，则可以基于计算出的值来增加Idr。

上面的讨论基于感应电机。这仅仅是一个例子。上面讨论的技术也可以应用于其他类型的电动机和发电机。例如，在诸如永磁同步电机或无刷直流电机之类的永磁电机中，谐波注入可用于在某些工况下减少不需要的高次磁通以减少功率损耗，从而提高效率和/或改进转矩波动，或增加功率/转矩密度。所需的谐波注入可以取决于永磁体的特性、尺寸、形状、和位置，并且可以从诸如分析、仿真、计算、测试、以上任何组合等的各种方法获得。

尽管已经详细描述了本公开的实施例及其优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以在这里进行各种改变、替换、和变更。

而且，本申请的范围不限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。如本领域的普通技术人员将从本公开的公开内容中容易地理解的是，根据本公开，目前存在或以后将要开发的执行基本相同功能的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤可使用与本文描述的相应实施例相同的方法或获得与在此描述的相应实施例基本相同的结果。因此，所附权利要求旨在将这样的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在其范围内。