单相单元模块化电机系统

1.本发明涉及单相单元模块化电机系统，属于电机技术领域。


背景技术：

2.现有模块化电机的电机单元由多个单相绕组线圈共同构成，具有容错性能好、可靠性高、功率密度高、易于工程化实现的优点，在航空航天、特种车辆等有限能源系统中得到了广泛应用。但是现有较多使用的三相模块化电机的不同模块不能实现独立控制，使其发电和电动的切换过程复杂，可靠性差。
3.现有模块化电机的起动和发电的切换过程中，存在功率需求快速变化导致原动机怠速的问题，因此如何保证快速、可靠、平稳的实现电动到发电过程的转换对于起动发电机系统来说至关重要。传统方法为同一个电机对应一套驱动系统同时实现电动和发电状态，利用软件控制算法实现从电动到发电状态的逐步切换。这种切换方法在切换过渡区域会引起系统的振荡，同时对切换的滞环区间，响应的实时性会受到影响；此外，当某一相出现故障时会导致整机的停止运行。


技术实现要素：

4.针对现有单一结构的三相起动发电机，不易于故障切断以及采用同一个电机系统进行电动与发电状态的切换造成系统振荡的问题，本发明提供一种单相单元模块化电机系统。
5.本发明的一种单相单元模块化电机系统，包括n个单相电机单元，n个单相电机单元构成多模块电机结构；每个单相电机单元包括直流供电电源、直流/直流变换器、h桥逆变器和单相电机模块；每个单相电机模块配置单相绕组；
6.n个单相电机模块采用多定子绕组，共转子的结构；
7.在电动状态下，直流/直流变换器导通变成导线，直流供电电源通过h桥逆变器实现对单相电机模块的逆变驱动；
8.在发电状态下，h桥逆变器进入不控整流状态，单相电机模块输出的电能经h桥逆变器整流后，再经直流/直流变换器进行能量变换后输出。
9.根据本发明的单相单元模块化电机系统，在电机系统起动状态，根据输入功率需求选定需要起动的p个单相电机模块，使选定的p个单相电机模块进入电动工作状态，其它n-p个单相电机模块作为待选发电状态单相电机模块；
10.当转子达到设定转速后，根据当前输出功率需求确定需要投入发电状态运行的单相电机模块数量q，若q小于或者等于n-p，则在待选发电状态单相电机模块中选择q个单相电机模块投入发电状态运行；否则选择全部待选发电状态单相电机模块投入发电状态运行，同时选择p个单相电机模块中的部分或全部共同投入发电状态运行。
11.根据本发明的单相单元模块化电机系统，当转子达到设定转速后，若q小于或者等于n-p，使p个单相电机模块的转矩缓慢减小，直到完全退出电动状态；
12.若q大于n-p，则使p个单相电机模块中的部分或全部从电动状态切换为发电状态。
13.根据本发明的单相单元模块化电机系统，在电机系统运行过程中，根据输出功率的增减需求，控制单相电机模块由电动状态切换为发电状态或者由发电状态切换为电动状态。
14.根据本发明的单相单元模块化电机系统，当存在故障运行的单相电机模块时，切断故障运行的单相电机模块的同时，控制空置的单相电机模块替换故障运行的单相电机模块继续运行。
15.根据本发明的单相单元模块化电机系统，h桥逆变器基于双极性pwm驱动方式实现对单相电机模块的逆变驱动。
16.根据本发明的单相单元模块化电机系统，直流/直流变换器为buck-boost变换器。
17.根据本发明的单相单元模块化电机系统，直流/直流变换器和h桥逆变器使用的功率器件为igbt、mosfet、sic或gan。
18.根据本发明的单相单元模块化电机系统，在发电状态下，利用储能电感实现能量的存储。
19.本发明的有益效果：本发明所述电机系统中，所有电机模块均为单相电机，不同单相电机模块的绕组的工作方式(电动/发电)可以任意切换；每个单相电机模块的电动状态和发电状态也可以任意切换，可以很好的解决电机系统电动和发电之间的快速切换问题，同时响应速度大幅度增加，容错能力有显著的提升。
20.本发明电机系统中，使用单相电机模块做为起动发电机，并对每个不同的单相电机模块实现独立控制，从而实现了兼顾发电和电动的一体化起动发电机驱动控制系统。它利用模块化电机的方法分别实现不同单相电机模块的逆变和整流，进而实现起动和发电状态的自由切换，实现了从电动到发电状态的无缝衔接，最大程度的减少了切换过程中的转矩抖动和响应时间，并保证了模式切换的快速性和可靠性。
21.本发明所述电机系统，适用于在航天、航空、新能源车系统等需要起动、发电能量自由转换的功率变换系统中。
附图说明
22.图1是本发明所述单相单元模块化电机系统的原理示意图；
23.图2是以6个单相电机单元为例，单相单元模块化电机系统的电路结构及电动与发电状态能量传递原理示意图；图中模块1至模块6对应单相电机模块1至单相电机模块6；
24.图3是6个单相电机单元的工作模式切换示意图；
25.图4是本发明所述单相单元模块化电机系统的控制流程图；
26.图5是单相电机模块电动状态和发电状态的选择运行对比图；
27.图6是本发明所述单相单元模块化电机系统的故障运行状态控制流程图。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其
它实施例，都属于本发明保护的范围。
29.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
30.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
31.具体实施方式一、结合图1和图2所示，本发明提供了一种单相单元模块化电机系统，包括n个单相电机单元，n个单相电机单元构成多模块电机结构；每个单相电机单元包括直流供电电源、直流/直流变换器、h桥逆变器和单相电机模块；每个单相电机模块配置单相绕组；
32.n个单相电机模块采用多定子绕组，共转子的结构；
33.在电动状态下，直流/直流变换器导通变成导线，直流供电电源通过h桥逆变器实现对单相电机模块的逆变驱动；
34.在发电状态下，h桥逆变器进入不控整流状态，单相电机模块输出的电能经h桥逆变器整流后，再经直流/直流变换器进行能量变换后输出。
35.本实施方式中所述单相电机模块，可采用类似于直流电机的控制模式，可以进行电驱动也可以进行发电。单相电机模块的发电状态为不控整流方式。
36.本实施方式中，结合图1所示，单相电机模块可以构成2、3、4
…
n模块的电机系统。
37.进一步，结合图2至图5所示，在电机系统起动状态，根据输入功率需求选定需要起动的p个单相电机模块，使选定的p个单相电机模块进入电动工作状态，其它n-p个单相电机模块作为待选发电状态单相电机模块；
38.当转子达到设定转速后，根据当前输出功率需求确定需要投入发电状态运行的单相电机模块数量q，若q小于或者等于n-p，则在待选发电状态单相电机模块中选择q个单相电机模块投入发电状态运行；否则选择全部待选发电状态单相电机模块投入发电状态运行，同时选择p个单相电机模块中的部分或全部共同投入发电状态运行。
39.本实施方式中，每个单相电机模块对应的驱动单元完全一致。在电动状态下，电机转矩和转速方向一致，驱动每个单相电机模块工作，驱动器工作在逆变模式；在发电状态下，功率单元变成电源工作模式，实现能量的双向流动，将电机旋转产生的动能通过不控整流的方法变成直流电，再通过电力电子变换装置，实现升压和降压功能，达到所需要的直流电压。
40.再进一步，当转子达到设定转速后，若q小于或者等于n-p，使p个单相电机模块的转矩缓慢减小，直到完全退出电动状态；
41.若q大于n-p，则使p个单相电机模块中的部分或全部从电动状态切换为发电状态。
42.本实施方式中，在电机系统运行过程中，根据输出功率的增减需求，控制单相电机模块由电动状态切换为发电状态或者由发电状态切换为电动状态。
43.当电机系统起动后，由之前指定的若干个单相电机模块工作，随着转速的升高，此时发电机开始进入整流工作模式，当电机达到设定的需求转速以后，进入到发电状态，此时电动状态的单相电机模块的转矩缓慢减小，直至完全退出电动机状态；或者根据上位机的指令需求，实现从电动状态向发电状态的转化。
44.当输出功率需要大幅度增减时，电机系统也可以根据实际需求增减单相电机模块，即将不同的单相电机模块切换为电动状态或者发电状态，从而实现功率的精准控制。
45.下面对本实施方式进行具体说明：
46.结合图2所示，以电机系统包括6个单相电机单元为例，来说明电机系统整体结构的有效性。可以根据需要选择10个、20个或更多个单相电机单元。独立的单相电机单元越多，容错性能越好，实现起来越容易。其中每个单相电机单元均具备独立的驱动单元，每个驱动器用单相全桥h桥电路构成，在直流输入和电源之间增加了dc/dc变换环节，该变换环节集成了buck和boost电路，实现了能量的快速转换；当电动状态时候，dc/dc变化环节导通变成导线，此时由电池或者固定电源给电动状态的单相电机模块供电，利用h桥实现逆变驱动；当发电状态时，h桥变成为不控整流状态，利用dc/dc变换单元来实现能量的变换，实现所需要的发电电压。每个功率单元的直流端可以是发电的能量端口(如：电池)、也可以是电动的能量端口(如：直流供电电源、小功率电池组等)，可以根据需求任意配置。
47.图2中，将单相电机模块1、3和5作为电动单元模块，将单相电机模块2、4和6作为发电单元模块。图2作为一种示例，在实际使用中，可以根据需要采用任意的单相电机模块作为电动单元或发电单元。
48.当电机起动工作时，可以根据需求，如图3所示，配置相关的若干单相电机模块，设定为电动工作状态，驱动电机运行；当电机旋转以后，在另外的绕组上感应出电压，当电机达到一定转速，需要转换为发电状态以后，直接开始起动另外的若干个单相电机模块进入到发电状态；此时，做为电动状态的单相电机模块逐渐退出工作，或者根据系统的实际工作需求，逐渐变为发电状态；这样就可以实现从电动到发电状态的无缝衔接，最大程度的减少切换过程中的转矩抖动和响应时间，从而实现电动和发电状态切换的快速性和有效性。
49.当电机系统在驱动工作中出现带载不够的情况时，用于发电状态的单相电机模块可以自动转化为电动状态下的功率模块，即用多个电动状态的功率模块带动起动发电机，满足更大载荷、更高转速的需求；
50.当不需要太多负载时，直接切断一个或者若干个驱动模块电机单元，保证功率匹配以及节能运行；同样这种工作模式也适用于发电模式，当需要更多的发电功率时，电动单元模块逐次停机，并切换成发电功率单元，满足大功率供电需求，如图4所示。
51.再进一步，结合图6所示，当存在故障运行的单相电机模块时，切断故障运行的单相电机模块的同时，控制空置的单相电机模块替换故障运行的单相电机模块继续运行。
52.在故障状态下，可以任意切换单相电机模块进行发电或进入电动状态。
53.电机系统发生故障后，可以根据工作状态任意切换对应的单相电机模块，并根据需求将空置的单相电机模块转换为需要的电动机或者发电机，实现快速的故障容错处理。
54.当单相电机单元发生故障的时候，无论是电动状态还是发电状态，都可以直接将出现故障状态的单元模块直接断开，保证电机系统的安全可靠；
55.同时，根据上位机提出的功率需求以及实际检测到的电机功率，重新构建所需要的驱动能量，当电机的功率不足时重新构建所需的功率，如图5和图6所示。
56.本实施方式中，h桥逆变器基于双极性pwm驱动方式实现对单相电机模块的逆变驱动。
57.作为示例，直流/直流变换器为buck-boost变换器。
58.本实施方式中，每个单相电机模块的电动状态和发电状态可以任意切换。
59.作为示例，无论是电动机还是发电机，直流/直流变换器和h桥逆变器使用的功率
器件为igbt、mosfet、sic或gan。
60.本实施方式所述电机系统，电动状态下的逆变驱动方法和传统的永磁直流电机的驱动方法类似；而发电状态下的整流方法和buck-boost方法类似，可直接利用储能电感实现能量的存储。
61.综上，本发明实现了起动发电机在功率驱动时，从电动状态到发电状态的无缝衔接，提升了起动发电机工作的平稳性，并提升了响应速度；同时利用可控整流技术实现了利用同一套功率单元的电驱动(逆变)和发电(整流)功能，保证了功率单元的模块化；最后，通过不同模组之间的任意控制和切换，实现了功率的任意形式的组合输出，使得功率调整更加方便快捷，也更易于故障容错，从而保证系统的安全可靠性。
62.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

技术特征：
1.一种单相单元模块化电机系统，其特征在于包括n个单相电机单元，n个单相电机单元构成多模块电机结构；每个单相电机单元包括直流供电电源、直流/直流变换器、h桥逆变器和单相电机模块；每个单相电机模块配置单相绕组；n个单相电机模块采用多定子绕组，共转子的结构；在电动状态下，直流/直流变换器导通变成导线，直流供电电源通过h桥逆变器实现对单相电机模块的逆变驱动；在发电状态下，h桥逆变器进入不控整流状态，单相电机模块输出的电能经h桥逆变器整流后，再经直流/直流变换器进行能量变换后输出。2.根据权利要求1所述的单相单元模块化电机系统，其特征在于，在电机系统起动状态，根据输入功率需求选定需要起动的p个单相电机模块，使选定的p个单相电机模块进入电动工作状态，其它n-p个单相电机模块作为待选发电状态单相电机模块；当转子达到设定转速后，根据当前输出功率需求确定需要投入发电状态运行的单相电机模块数量q，若q小于或者等于n-p，则在待选发电状态单相电机模块中选择q个单相电机模块投入发电状态运行；否则选择全部待选发电状态单相电机模块投入发电状态运行，同时选择p个单相电机模块中的部分或全部共同投入发电状态运行。3.根据权利要求2所述的单相单元模块化电机系统，其特征在于，当转子达到设定转速后，若q小于或者等于n-p，使p个单相电机模块的转矩缓慢减小，直到完全退出电动状态；若q大于n-p，则使p个单相电机模块中的部分或全部从电动状态切换为发电状态。4.根据权利要求3所述的单相单元模块化电机系统，其特征在于，在电机系统运行过程中，根据输出功率的增减需求，控制单相电机模块由电动状态切换为发电状态或者由发电状态切换为电动状态。5.根据权利要求4所述的单相单元模块化电机系统，其特征在于，当存在故障运行的单相电机模块时，切断故障运行的单相电机模块的同时，控制空置的单相电机模块替换故障运行的单相电机模块继续运行。6.根据权利要求1所述的单相单元模块化电机系统，其特征在于，h桥逆变器基于双极性pwm驱动方式实现对单相电机模块的逆变驱动。7.根据权利要求1所述的单相单元模块化电机系统，其特征在于，直流/直流变换器为buck-boost变换器。8.根据权利要求1所述的单相单元模块化电机系统，其特征在于，直流/直流变换器和h桥逆变器使用的功率器件为igbt、mosfet、sic或gan。9.根据权利要求1所述的单相单元模块化电机系统，其特征在于，在发电状态下，利用储能电感实现能量的存储。

技术总结
单相单元模块化电机系统，属于电机技术领域。本发明针对现有单一结构三相起动发电机不易于故障切断以及在进行电动与发电状态切换时会造成系统振荡的问题。包括由n个单相电机单元构成多模块电机结构；每个单相电机单元包括直流供电电源、直流/直流变换器、H桥逆变器和单相电机模块；每个单相电机模块配置单相绕组；n个单相电机模块采用多定子绕组共转子的结构；在电动状态下，直流/直流变换器导通变成导线，直流供电电源通过H桥逆变器实现对单相电机模块的逆变驱动；在发电状态下，H桥逆变器进入不控整流状态，单相电机模块输出的电能经H桥逆变器整流后再经直流/直流变换器进行能量变换后输出。本发明可实现电动到发电模式的无缝衔接。无缝衔接。无缝衔接。


技术研发人员：刘家曦 曹继伟 李立毅
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/7/25