CN106953580B - 一种磁悬浮开关磁阻电机的功率变换器 - Google Patents

一种磁悬浮开关磁阻电机的功率变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种磁悬浮开关磁阻电机的功率变换器。所述功率变换器适用于磁轴承的偏置绕组和开关磁阻电机的三相电枢绕组，使偏置绕组的电流方向与电枢绕组的电流方向始终相同，进而在磁轴承内产生一个方向不变的偏置磁通，然后通过与悬浮绕组电流相互作用，产生所需悬浮力；电枢绕组电流的控制方式与传统开关磁阻电机相同，而偏置绕组电流不施加任何控制，故可显著降低悬浮力控制的难度；所述变换器未增加功率开关管，仅增加了四个二极管，或根据应用场合不同，引入额外的一个电压源或能耗电阻；本发明提升了开关磁阻电机电枢绕组电流的利用率、降低了磁轴承功率系统成本，简化了悬浮力控制难度、集成度高、成本低且可靠性强。

Description

一种磁悬浮开关磁阻电机的功率变换器
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮开关磁阻电机的功率变换器，属于磁悬浮开关磁阻电机的功率变换器设计技术领域。
背景技术
磁悬浮开关磁阻电机，由磁轴承系统和开关磁阻电机系统集合而成，不仅具有开关磁阻电机的高速适应性和满足苛刻工作环境等特点，还兼有磁轴承无摩擦、无润滑等优点，在航空航天、飞轮储能和军事等场合具有独特优势。
磁悬浮开关磁阻电机系统中的磁轴承，根据偏置磁通提供方式，可分为电磁轴承和永磁偏置轴承。永磁偏置轴承的功率密度高，体积小，重量轻，应用较为广泛；然而，因为永磁体价格较高、耐高温、耐腐蚀性能力较差，在高温高油等恶劣场合应用受限。电磁轴承，因采用电励磁方式，故应用场合更加灵活。
由电磁轴承和开关磁阻电机构成的传统磁悬浮系统，磁悬浮系统和开关磁阻电机系统间相互独立，机械结构不紧密，集成度低；另外，两系统还各具有单独的功率变换器，成本高，集成度也较低。为此，一些学者提出了一种磁轴承偏置绕组与开关磁阻电机电枢绕组串联共励磁式的新型磁悬浮开关磁阻电机。该类电机的典型特点是，偏置绕组与电枢绕组串联之后，接入到传统的不对称半桥功率变换器中，二者采用相同励磁的方式，在开关磁阻电机内产生转矩的同时，还将在磁轴承内产生偏置磁通，进而消除偏置绕组的功率变换器，使系统集成得到显著提高。
然而，上述集成方式，需要偏置绕组的数量和开关磁阻电机相数相同，使得磁轴承的绕组数量也相应增加，磁轴承体积也需增大，以安放较多的偏置绕组。为此，本人提出了一种新型磁悬浮开关磁阻电机，磁轴承每个定子齿上仅需要一个偏置绕组，并且所有偏置绕组串联在一起，接入到电枢绕组的功率变换器的直流母线中，故现有开关磁阻电机的功率变换器已不再适用，需要重新设计适用于新型磁悬浮开关磁阻电机的偏置绕组和电枢绕组的功率变换器。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提出一种磁悬浮开关磁阻电机的功率变换器。所述功率变换器适用于磁轴承的偏置绕组和开关磁阻电机的三相电枢绕组，可使偏置绕组的电流方向与电枢绕组的电流方向始终相同，进而在磁轴承内产生一个方向不变的偏置磁通，然后通过与悬浮绕组电流相互作用，产生所需悬浮力；电枢绕组电流的控制方式与传统开关磁阻电机相同，而偏置绕组电流不施加任何控制，故可显著降低悬浮力控制的难度；所述变换器未增加功率开关管，仅增加了四个二极管，或根据应用场合不同，又引入了额外的一个电压源或能耗电阻；本发明提升了电枢绕组电流的利用率、集成度高、成本低且可靠性强。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
一种磁悬浮开关磁阻电机的功率变换器，所述磁悬浮开关磁阻电机包括磁轴承和开关磁阻电机；所述磁轴承的绕组包括偏置绕组(Bias)和悬浮绕组，其中偏置绕组(Bias)产生悬浮所需的偏置磁通，悬浮绕组产生悬浮力；所述开关磁阻电机的电枢绕组包括三相电枢绕组，分别是A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组，电枢绕组用于产生转矩；所述功率变换器适用于所述偏置绕组(Bias)和三相电枢绕组；
所述功率变换器由1个电源模块、1个三相不对称半桥电路和1个二极管整流电路构成；所述三相不对称半桥电路，包括六个功率开关管即第一功率开关管(S1)至第六功率开关管(S6)、六个续流二极管即第一续流二极管(D1)至第六续流二极管(D6)；所述二极管整流电路，包括第一功率二极管(D7)、第二功率二极管(D8)、第七续流二极管(D9)和第八续流二极管(D10)；
所述电源模块有三种组合形式，分别为第1组合形式、第2组合形式和第3组合形式；其中，第1组合形式包括第一电源(Us1)和第一电解电容(C1)；第2组合形式包括第一电源(Us1)、第一电解电容(C1)、第二电源(Us2)和第二电解电容(C2)；第3组合形式包括第一电源(Us1)、第一电解电容(C1)和能耗电阻(R1)；
第1组合形式时，所述功率变换器的连接方式为：第一电源(Us1)的正极并接第一电解电容(C1)的输入端后，分别接第一功率二极管(D7)的阳极和第七续流二极管(D9)的阴极；第一功率二极管(D7)的阴极接第八续流二极管(D10)的阴极，第七续流二极管(D9)的阳极接第二功率二极管(D8)的阳极；第二功率二极管(D8)的阴极接第八续流二极管(D10)的阳极后，分别接第一功率开关管(S1)的漏极、第一续流二极管(D1)的阴极、第三功率开关管(S3)的漏极、第三续流二极管(D3)的阴极、第五功率开关管(S5)的漏极和第五续流二极管(D5)的阴极；
第一电源(Us1)的负极并接第一电解电容(C1)的另一输出端后，分别接第二续流二极管(D2)的阳极、第二功率开关管(S2)的源极、第四续流二极管(D4)的阳极、第四功率开关管(S4)的源极、第六续流二极管(D6)的阳极和第六功率开关管(S6)的源极；
第一功率开关管(S1)的源极接第二续流二极管(D2)的阴极，第二功率开关管(S2)的漏极接第一续流二极管(D1)的阳极；第三功率开关管(S3)的源极接第四续流二极管(D4)的阴极，第四功率开关管(S4)的漏极接第三续流二极管(D3)的阳极；第五功率开关管(S5)的源极接第六续流二极管(D6)的阴极，第六功率开关管(S6)的漏极接第五续流二极管(D5)的阳极；
第2组合形式时所述功率变换器的连接方式为：第一电源(Us1)的正极并接第一电解电容(C1)的输入端后接第一功率二极管(D7)的阳极，第一功率二极管(D7)的阴极接第八续流二极管(D10)的阴极，第八续流二极管(D10)的阳极分别接第一续流二极管(D1)的阴极、第三续流二极管(D3)的阴极和第五续流二极管(D5)的阴极；
第二功率二极管(D8)的阳极接第七续流二极管(D9)的阳极；第二功率二极管(D8)的阴极分别接第一功率开关管(S1)的漏极、第三功率开关管(S3)的漏极、第五功率开关管(S5)的漏极；第七续流二极管(D9)的阴极分别接第二电源(Us2)的正极和第二电解电容(C2)的输入端；
第一电源(Us1)的负极并接第一电解电容(C1)的输出端后，分别接第二功率开关管(S2)的源极、第四功率开关管(S4)的源极和第六功率开关管(S6)的源极；
第二电源(Us2)的负极并接第二电解电容(C2)的输出端后，分别接第二续流二极管(D2)的阳极、第四续流二极管(D4)的阳极和第六续流二极管(D6)的阳极；
第一功率开关管(S1)的源极接第二续流二极管(D2)的阴极，第二功率开关管(S2)的漏极接第一续流二极管(D1)的阳极；第三功率开关管(S3)的源极接第四续流二极管(D4)的阴极，第四功率开关管(S4)的漏极接第三续流二极管(D3)的阳极；第五功率开关管(S5)的源极接第六续流二极管(D6)的阴极，第六功率开关管(S6)的漏极接第五续流二极管(D5)的阳极；
第3组合形式时所述功率变换器的连接方式为：第一电源(Us1)的正极并接第一电解电容(C1)的输入端后接第一功率二极管(D7)的阳极，第一功率二极管(D7)的阴极接第八续流二极管(D10)的阴极，第八续流二极管(D10)的阳极分别接第一续流二极管(D1)的阴极、第三续流二极管(D3)的阴极和第五续流二极管(D5)的阴极；
第二功率二极管(D8)的阳极接第七续流二极管(D9)的阳极；第二功率二极管(D8)的阴极分别接第一功率开关管(S1)的漏极、第三功率开关管(S3)的漏极、第五功率开关管(S5)的漏极；第七续流二极管(D9)的阴极接能耗电阻(R1)的正输入端；
第一电源(Us1)的负极并接第一电解电容(C1)的输出端后，分别接第二功率开关管(S2)的源极、第四功率开关管(S4)的源极和第六功率开关管(S6)的源极；
能耗电阻(R1)的负输入端分别接第二续流二极管(D2)的阳极、第四续流二极管(D4)的阳极和第六续流二极管(D6)的阳极；
第一功率开关管(S1)的源极接第二续流二极管(D2)的阴极，第二功率开关管(S2)的漏极接第一续流二极管(D1)的阳极；第三功率开关管(S3)的源极接第四续流二极管(D4)的阴极，第四功率开关管(S4)的漏极接第三续流二极管(D3)的阳极；第五功率开关管(S5)的源极接第六续流二极管(D6)的阴极，第六功率开关管(S6)的漏极接第五续流二极管(D5)的阳极；
所述偏置绕组(bias)和三相电枢绕组与所述功率变换器的连接方式为：第一功率二极管(D7)的阴极与第二功率二极管(D8)的阳极间串接所述磁轴承的偏置绕组(Bias)；第一功率开关管(S1)的源极与第二功率开关管(S2)的漏极间串接所述开关磁阻电机的A相电枢绕组；第三功率开关管(S3)的源极与第四功率开关管(S4)的漏极间串接所述开关磁阻电机的B相电枢绕组；第五功率开关管(S5)的源极与第六功率开关管(S6)的漏极间串接所述开关磁阻电机的C相电枢绕组。
本发明的有益效果：本发明提出了一种磁悬浮开关磁阻电机的功率变换器，采用本发明的技术方案，能够达到如下技术效果：
(1)可显著提升开关磁阻电机电枢绕组电流的利用率，降低磁轴承功率系统成本，简化悬浮力控制难度；
(2)集磁轴承偏置绕组功率变换器和开关磁阻电机三相电枢绕组功率变换器于一体，集成度高、成本低且可靠性强；
(3)可根据不同场合需要，选择本发明实施例1～3，具有较强的冗余性。
附图说明
图1是本发明实施例1的功率变换器电路拓扑。
图2是本发明实施例1的三相12/8极磁轴承开关磁阻电机电枢电流和偏置电流的仿真图。
图3是本发明实施例2的功率变换器电路拓扑。
图4是本发明实施例2的三相12/8极磁轴承开关磁阻电机电枢电流和偏置电流的仿真图。
图5是本发明实施例3的功率变换器电路拓扑。
图6是本发明实施例3的三相12/8极磁轴承开关磁阻电机电枢电流和偏置电流的仿真图。
附图标记说明：图1至图6中，Us1、Us2分别是第一、第二电源，C1、C2分别是第一、第二电解电容，S1～S6分别为第一至第六功率开关管，D1～D6分别是第一至第六续流二极管，D7、D8分别是第一、第二功率二极管，D9、D10分别是第七、第八续流二极管、R1是能耗电阻，1、2、3分别是A、B、C相电枢绕组电流的仿真波形，4是偏置绕组电流的仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种磁悬浮开关磁阻电机的功率变换器的技术方案进行详细说明：
如图1所示，是本发明实施例1的功率变换器电路拓扑。所述磁悬浮开关磁阻电机包括磁轴承和开关磁阻电机；所述磁轴承的绕组包括偏置绕组(Bias)和悬浮绕组，其中偏置绕组(Bias)产生悬浮所需的偏置磁通，悬浮绕组产生悬浮力；所述开关磁阻电机的绕组包括A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组，共三相，用于产生转矩；所述功率变换器适用于所述偏置绕组(Bias)和三相电枢绕组；
所述功率变换器由1个电源模块、1个三相不对称半桥电路和1个二极管整流电路构成；所述三相不对称半桥电路，包括六个功率开关管即第一功率开关管(S1)至第六功率开关管(S6)、六个续流二极管即第一续流二极管(D1)至第六续流二极管(D6)；所述二极管整流电路，包括第一功率二极管(D7)、第二功率二极管(D8)、第七续流二极管(D9)和第八续流二极管(D10)；
实施例1对应的所述电源模块为第1组合形式，所述电源模块包括第一电源(Us1)和第一电解电容(C1)；第1组合形式时所述功率变换器的连接方式为：第一电源(Us1)的正极并接第一电解电容(C1)的输入端后，分别接第一功率二极管(D7)的阳极和第七续流二极管(D9)的阴极；第一功率二极管(D7)的阴极接第八续流二极管(D10)的阴极，第七续流二极管(D9)的阳极接第二功率二极管(D8)的阳极；第二功率二极管(D8)的阴极接第八续流二极管(D10)的阳极后，分别接第一功率开关管(S1)的漏极、第一续流二极管(D1)的阴极、第三功率开关管(S3)的漏极、第三续流二极管(D3)的阴极、第五功率开关管(S5)的漏极和第五续流二极管(D5)的阴极；
第一电源(Us1)的负极并接第一电解电容(C1)的输出端后，分别接第二续流二极管(D2)的阳极、第二功率开关管(S2)的源极、第四续流二极管(D4)的阳极、第四功率开关管(S4)的源极、第六续流二极管(D6)的阳极和第六功率开关管(S6)的源极；
第一功率开关管(S1)的源极接第二续流二极管(D2)的阴极，第二功率开关管(S2)的漏极接第一续流二极管(D1)的阳极；第三功率开关管(S3)的源极接第四续流二极管(D4)的阴极，第四功率开关管(S4)的漏极接第三续流二极管(D3)的阳极；第五功率开关管(S5)的源极接第六续流二极管(D6)的阴极，第六功率开关管(S6)的漏极接第五续流二极管(D5)的阳极；
第一功率二极管(D7)的阴极与接第二功率二极管(D8)的阳极间串接所述磁轴承的偏置绕组(Bias)；第一功率开关管(S1)的源极与第二功率开关管(S2)的漏极间串接所述开关磁阻电机的A相电枢绕组；第三功率开关管(S3)的源极与第四功率开关管(S4)的漏极间串接所述开关磁阻电机的B相电枢绕组；第五功率开关管(S5)的源极与第六功率开关管(S6)的漏极间串接所述开关磁阻电机的C相电枢绕组；
当二极管D7和D8为三相电枢绕组导通励磁时，提供正方向的电流支路；而二极管D9和D10则为三相电枢绕组电流提供续流回路，并使偏置绕组电流的方向始终为正。另外偏置绕组可与二极管D7和D9形成一个回路，和二极管D8和D10形成另一个回路，将使得偏置绕组无论在励磁或续流阶段的端电压保持为恒值，最终促使偏置电流也为恒值，这将有利于悬浮控制，并减小偏置绕组电流导致的铁心损耗，进而提高系统效率。
由于四个二极管D7、D8、D9和D10对偏置绕组两端的稳压作用，使得三相电枢绕组在励磁和续流阶段均存在径偏置绕组闭合的电流回路。
开关磁阻电机的三相电枢绕组导通相序为A-B-C，当A相励磁时，C相续流导通，当B相励磁导通时，A相续流，当C相励磁导通时，B相续流。
以A相励磁导通为例，此时A相励磁，C相续流导通。A相电枢绕组的励磁电流一部分经过压源Us、二极管D7、偏置绕组Bias、二极管D8、开关管S1、A相电枢绕组、开关管S2闭合；而另一部分经A相电枢绕组、开关管S2、二极管D6、C相电枢绕组、二极管D5、开关管S1闭合；进而使得经偏置绕组的电流始终为恒值。B、C相励磁时也具有相同的效果。当开关磁阻电机相数m>3时，只需所述功率变换器中增加相应的支路，而偏置绕组部分的电路无需变化。
如图2所示，为本发明实施例1的三相12/8极磁轴承开关磁阻电机电枢电流和偏置电流的仿真图。1、2、3分别是A、B、C相电枢绕组电流的仿真波形，4是偏置绕组电流的仿真波形。仿真结果显示，基于实施例1(图1)所示的功率变换电路，三相电枢电流的波形与传统开关磁阻电机的电流波形相同，说明图1所示的功率电路具有传统不对称半桥电路的功能。另外，偏置绕组电流方向与电枢电流相同，且为恒值，说明四个二极管对偏置绕组有稳流作用，并可显著提升悬浮绕组电流的斩波和跟踪效果。
需要说明的是偏置绕组电流与三相电枢电流之间没有固定的关系式，转矩控制中利用电流传感器所采集的三相电枢绕组的实时电流，不能用于悬浮控制，故需要额外增加一个电流传感器，以实时采集偏置绕组的电流，进而便于悬浮电流的斩波和跟踪控制。
如图3所示，是本发明实施例2的功率变换器电路拓扑。所述功率变换器由1个电源模块、1个三相不对称半桥电路和1个二极管整流电路构成；所述三相不对称半桥电路，包括六个功率开关管即第一功率开关管(S1)至第六功率开关管(S6)、六个续流二极管即第一续流二极管(D1)至第六续流二极管(D6)；所述二极管整流电路，包括第一功率二极管(D7)、第二功率二极管(D8)、第七续流二极管(D9)和第八续流二极管(D10)；
实施例2对应的所述电源模块为第2组合形式，所述电源模块包括第一电源(Us1)、第一电解电容(C1)、第二电源(Us2)和第二电解电容(C2)；
第2组合形式时所述功率变换器的连接方式为：第一电源(Us1)的正极并接第一电解电容(C1)的输入端后接第一功率二极管(D7)的阳极，第一功率二极管(D7)的阴极接第八续流二极管(D10)的阴极，第八续流二极管(D10)的阳极分别接第一续流二极管(D1)的阴极、第三续流二极管(D3)的阴极和第五续流二极管(D5)的阴极；
第二功率二极管(D8)的阳极接第七续流二极管(D9)的阳极；第二功率二极管(D8)的阴极分别接第一功率开关管(S1)的漏极、第三功率开关管(S3)的漏极、第五功率开关管(S5)的漏极；第七续流二极管(D9)的阴极分别接第二电源(Us2)的正极和第二电解电容(C2)的输入端；
第一电源(Us1)的负极并接第一电解电容(C1)的输出端后，分别接第二功率开关管(S2)的源极、第四功率开关管(S4)的源极和第六功率开关管(S6)的源极；
第二电源(Us2)的负极并接第二电解电容(C2)的输出端后，分别接第二续流二极管(D2)的阳极、第四续流二极管(D4)的阳极和第六续流二极管(D6)的阳极；
第一功率开关管(S1)的源极接第二续流二极管(D2)的阴极，第二功率开关管(S2)的漏极接第一续流二极管(D1)的阳极；第三功率开关管(S3)的源极接第四续流二极管(D4)的阴极，第四功率开关管(S4)的漏极接第三续流二极管(D3)的阳极；第五功率开关管(S5)的源极接第六续流二极管(D6)的阴极，第六功率开关管(S6)的漏极接第五续流二极管(D5)的阳极；
第一功率二极管(D7)的阴极与接第二功率二极管(D8)的阳极间串接所述磁轴承的偏置绕组(Bias)；第一功率开关管(S1)的源极与第二功率开关管(S2)的漏极间串接所述开关磁阻电机的A相电枢绕组；第三功率开关管(S3)的源极与第四功率开关管(S4)的漏极间串接所述开关磁阻电机的B相电枢绕组；第五功率开关管(S5)的源极与第六功率开关管(S6)的漏极间串接所述开关磁阻电机的C相电枢绕组；
与传统三相不对称半桥功率变换器不同，本发明实施例2具有两个独立的电压源，分别为Us1和Us2，并励磁阶段和续流阶段具有两个电流回路。以A相为例，在励磁阶段，开关管S1和S2导通，电流径电压源Us1、二极管D7、偏置绕组Bias、二极管D8、开关管S1、A相电枢绕组、开关管S2闭合；在续流阶段，开关管S1和S2关断，电流经A相电枢绕组、二极管D1、二极管D10、偏置绕组Bias、二极管D9、电压源Us2、二极管D2闭合；两阶段偏置绕组电流方向和大小始终与A相电枢绕组电流相同。同理，B、C相电枢也具有相似的励磁和续流过程。因此，偏置绕组电流与三相电枢绕组电流之和相等。当相数m>3时，只需
实施例2(图3)所示的功率电路增加相应的支路，而偏置绕组部分的电路无需变化。
如图4所示，为本发明实施例2的三相12/8极磁轴承开关磁阻电机电枢电流和偏置电流的仿真图。1、2、3分别是A、B、C相电枢绕组电流的仿真波形，4是偏置绕组电流的仿真波形。仿真结果显示，基于实施例2(图3)所示的功率变换电路，三相电枢电流的波形与传统开关磁阻电机的电流波形相同，说明图3所示的功率电路具有传统不对称半桥电路的功能。另外，任意时刻，偏置绕组电流始终与三相电枢绕组电流之和相等，有利于偏置绕组电流的实时采集。
需要说明的是偏置绕组电流与三相电枢电流之间具有固定的关系式，转矩控制中利用电流传感器所采集的三相电枢绕组的实时电流，可直接用于悬浮控制，无需额外电流传感器以实时采集偏置绕组的电流。
如图5所示，是本发明实施例2的功率变换器电路拓扑。所述功率变换器由1个电源模块、1个三相不对称半桥电路和1个二极管整流电路构成；所述三相不对称半桥电路，包括六个功率开关管即第一功率开关管(S1)至第六功率开关管(S6)、六个续流二极管即第一续流二极管(D1)至第六续流二极管(D6)；所述二极管整流电路，包括第一功率二极管(D7)、第二功率二极管(D8)、第七续流二极管(D9)和第八续流二极管(D10)；
实施例3对应的所述电源模块为第3组合形式，所述电源模块包括第一电源(Us1)、第一电解电容(C1)和能耗电阻(R1)；
第3组合形式时所述功率变换器的连接方式为：第一电源(Us1)的正极并接第一电解电容(C1)的输入端后接第一功率二极管(D7)的阳极，第一功率二极管(D7)的阴极接第八续流二极管(D10)的阴极，第八续流二极管(D10)的阳极分别接第一续流二极管(D1)的阴极、第三续流二极管(D3)的阴极和第五续流二极管(D5)的阴极；
第二功率二极管(D8)的阳极接第七续流二极管(D9)的阳极；第二功率二极管(D8)的阴极分别接第一功率开关管(S1)的漏极、第三功率开关管(S3)的漏极、第五功率开关管(S5)的漏极；第七续流二极管(D9)的阴极接能耗电阻(R1)的正输入端；
第一电源(Us1)的负极并接第一电解电容(C1)的输出端后，分别接第二功率开关管(S2)的源极、第四功率开关管(S4)的源极和第六功率开关管(S6)的源极；
能耗电阻(R1)的负输入端分别接第二续流二极管(D2)的阳极、第四续流二极管(D4)的阳极和第六续流二极管(D6)的阳极；
第一功率开关管(S1)的源极接第二续流二极管(D2)的阴极，第二功率开关管(S2)的漏极接第一续流二极管(D1)的阳极；第三功率开关管(S3)的源极接第四续流二极管(D4)的阴极，第四功率开关管(S4)的漏极接第三续流二极管(D3)的阳极；第五功率开关管(S5)的源极接第六续流二极管(D6)的阴极，第六功率开关管(S6)的漏极接第五续流二极管(D5)的阳极；
第一功率二极管(D7)的阴极与接第二功率二极管(D8)的阳极间串接所述磁轴承的偏置绕组(Bias)；第一功率开关管(S1)的源极与第二功率开关管(S2)的漏极间串接所述开关磁阻电机的A相电枢绕组；第三功率开关管(S3)的源极与第四功率开关管(S4)的漏极间串接所述开关磁阻电机的B相电枢绕组；第五功率开关管(S5)的源极与第六功率开关管(S6)的漏极间串接所述开关磁阻电机的C相电枢绕组。
与传统三相不对称半桥功率变换器不同，本发明实施例3利用能耗电阻为续流阶段具有一个电流回路，相对于实施例2，成本更低，对效率和续流效果要求不高的场合更有竞争力。
以A相为例，在励磁阶段，开关管S1和S2导通，电流径电压源Us1、二极管D7、偏置绕组Bias、二极管D8、开关管S1、A相电枢绕组、开关管S2闭合；在续流阶段，开关管S1和S2关断，电流经A相电枢绕组、二极管D1、二极管D10、偏置绕组Bias、二极管D9、能耗电阻R1、二极管D2闭合；两阶段偏置绕组电流方向和大小始终与A相电枢绕组电流相同。同理，B、C相电枢也具有相似的励磁和续流过程。因此，偏置绕组电流与三相电枢绕组电流之和相等。当相数m>3时，只需实施例3(图5)所示的功率电路增加相应的支路，而偏置绕组部分的电路无需变化。
如图6所示，为本发明实施例3的三相12/8极磁轴承开关磁阻电机电枢电流和偏置电流的仿真图。1、2、3分别是A、B、C相电枢绕组电流的仿真波形，4是偏置绕组电流的仿真波形。仿真结果显示，基于实施例3(图5)所示的功率变换电路，三相电枢电流的波形与传统开关磁阻电机的电流波形相同，说明图5所示的功率电路具有传统不对称半桥电路的功能。另外，可合理选取能耗电阻的取值，以优化电枢绕组续流阶段的电流波形；并且任意时刻，偏置绕组电流始终与三相电枢绕组电流之和相等，有利于偏置绕组电流的实时采集。
需要说明的是偏置绕组电流与三相电枢电流之间也具有固定的关系式，转矩控制中利用电流传感器所采集的三相电枢绕组的实时电流，可直接用于悬浮控制，无需额外电流传感器以实时采集偏置绕组的电流。另外，本发明结构拓展性好，只要两相工作制及以上的开关磁阻电机均适用。
综上所述，本发明可显著提升开关磁阻电机电枢绕组电流的利用率，降低磁轴承功率系统成本，简化悬浮力控制难度；集磁轴承偏置绕组功率变换器和开关磁阻电机三相电枢绕组功率变换器于一体，集成度高、成本低且可靠性强；可根据不同场合需要，选择本发明实施例1～3，具有较强的冗余性。
对该技术领域的普通技术人员而言，根据以上实施类型可以很容易联想其他的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员根据上述具体实例通过各种等同替换所得到的技术方案，均应包含在本发明的权利要求范围及其等同范围之内。

Claims (1)

1.一种磁悬浮开关磁阻电机的功率变换器，所述磁悬浮开关磁阻电机包括磁轴承和开关磁阻电机；所述磁轴承的绕组包括偏置绕组Bias和悬浮绕组，其中偏置绕组Bias产生悬浮所需的偏置磁通，悬浮绕组产生悬浮力；所述开关磁阻电机的电枢绕组包括三相电枢绕组，分别是A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组，电枢绕组用于产生转矩；所述功率变换器适用于所述偏置绕组Bias和三相电枢绕组；
其特征在于，所述功率变换器由1个电源模块、1个三相不对称半桥电路和1个二极管整流电路构成；所述三相不对称半桥电路，包括六个功率开关管即第一功率开关管S1至第六功率开关管S6、六个续流二极管即第一续流二极管D1至第六续流二极管D6；所述二极管整流电路，包括第一功率二极管D7、第二功率二极管D8、第七续流二极管D9和第八续流二极管D10；
所述电源模块有三种组合形式，分别为第1组合形式、第2组合形式和第3组合形式；其中，第1组合形式包括第一电源Us1和第一电解电容C1；第2组合形式包括第一电源Us1、第一电解电容C1、第二电源Us2和第二电解电容C2；第3组合形式包括第一电源Us1、第一电解电容C1和能耗电阻R1；
第1组合形式时，所述功率变换器的连接方式为：第一电源Us1的正极并接第一电解电容C1的输入端后，分别接第一功率二极管D7的阳极和第七续流二极管D9的阴极；第一功率二极管D7的阴极接第八续流二极管D10的阴极，第七续流二极管D9的阳极接第二功率二极管D8的阳极；第二功率二极管D8的阴极接第八续流二极管D10的阳极后，分别接第一功率开关管S1的漏极、第一续流二极管D1的阴极、第三功率开关管S3的漏极、第三续流二极管D3的阴极、第五功率开关管S5的漏极和第五续流二极管D5的阴极；
第一电源Us1的负极并接第一电解电容C1的输出端后，分别接第二续流二极管D2的阳极、第二功率开关管S2的源极、第四续流二极管D4的阳极、第四功率开关管S4的源极、第六续流二极管D6的阳极和第六功率开关管S6的源极；
第一功率开关管S1的源极接第二续流二极管D2的阴极，第二功率开关管S2的漏极接第一续流二极管D1的阳极；第三功率开关管S3的源极接第四续流二极管D4的阴极，第四功率开关管S4的漏极接第三续流二极管D3的阳极；第五功率开关管S5的源极接第六续流二极管D6的阴极，第六功率开关管S6的漏极接第五续流二极管D5的阳极；
第2组合形式时所述功率变换器的连接方式为：第一电源Us1的正极并接第一电解电容C1的输入端后接第一功率二极管D7的阳极，第一功率二极管D7的阴极接第八续流二极管D10的阴极，第八续流二极管D10的阳极分别接第一续流二极管D1的阴极、第三续流二极管D3的阴极和第五续流二极管D5的阴极；
第二功率二极管D8的阳极接第七续流二极管D9的阳极；第二功率二极管D8的阴极分别接第一功率开关管S1的漏极、第三功率开关管S3的漏极、第五功率开关管S5的漏极；第七续流二极管D9的阴极分别接第二电源Us2的正极和第二电解电容C2的输入端；
第一电源Us1的负极并接第一电解电容C1的输出端后，分别接第二功率开关管S2的源极、第四功率开关管S4的源极和第六功率开关管S6的源极；
第二电源Us2的负极并接第二电解电容C2的输出端后，分别接第二续流二极管D2的阳极、第四续流二极管D4的阳极和第六续流二极管D6的阳极；
第一功率开关管S1的源极接第二续流二极管D2的阴极，第二功率开关管S2的漏极接第一续流二极管D1的阳极；第三功率开关管S3的源极接第四续流二极管D4的阴极，第四功率开关管S4的漏极接第三续流二极管D3的阳极；第五功率开关管S5的源极接第六续流二极管D6的阴极，第六功率开关管S6的漏极接第五续流二极管D5的阳极；
第3组合形式时所述功率变换器的连接方式为：第一电源Us1的正极并接第一电解电容C1的输入端后接第一功率二极管D7的阳极，第一功率二极管D7的阴极接第八续流二极管D10的阴极，第八续流二极管D10的阳极分别接第一续流二极管D1的阴极、第三续流二极管D3的阴极和第五续流二极管D5的阴极；
第二功率二极管D8的阳极接第七续流二极管D9的阳极；第二功率二极管D8的阴极分别接第一功率开关管S1的漏极、第三功率开关管S3的漏极、第五功率开关管S5的漏极；第七续流二极管D9的阴极接能耗电阻R1的正输入端；
第一电源Us1的负极并接第一电解电容C1的输出端后，分别接第二功率开关管S2的源极、第四功率开关管S4的源极和第六功率开关管S6的源极；
能耗电阻R1的负输入端分别接第二续流二极管D2的阳极、第四续流二极管D4的阳极和第六续流二极管D6的阳极；
第一功率开关管S1的源极接第二续流二极管D2的阴极，第二功率开关管S2的漏极接第一续流二极管D1的阳极；第三功率开关管S3的源极接第四续流二极管D4的阴极，第四功率开关管S4的漏极接第三续流二极管D3的阳极；第五功率开关管S5的源极接第六续流二极管D6的阴极，第六功率开关管S6的漏极接第五续流二极管D5的阳极；
所述偏置绕组bias和三相电枢绕组与所述功率变换器的连接方式为：第一功率二极管D7的阴极与第二功率二极管D8的阳极间串接所述磁轴承的偏置绕组Bias；第一功率开关管S1的源极与第二功率开关管S2的漏极间串接所述开关磁阻电机的A相电枢绕组；第三功率开关管S3的源极与第四功率开关管S4的漏极间串接所述开关磁阻电机的B相电枢绕组；第五功率开关管S5的源极与第六功率开关管S6的漏极间串接所述开关磁阻电机的C相电枢绕组。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN1710782A (zh) * 2005-05-27 2005-12-21 南京航空航天大学 无轴承开关磁阻起动发电机及控制方法
WO2010137766A1 (en) * 2009-05-28 2010-12-02 Kyungsung University Industry Cooperation Foundation Hybrid pole bearingless srm
CN104638990A (zh) * 2015-02-06 2015-05-20 南京工程学院 一种单绕组多相磁悬浮开关磁组发电机不对称励磁方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1710782A (zh) * 2005-05-27 2005-12-21 南京航空航天大学 无轴承开关磁阻起动发电机及控制方法
WO2010137766A1 (en) * 2009-05-28 2010-12-02 Kyungsung University Industry Cooperation Foundation Hybrid pole bearingless srm
CN104638990A (zh) * 2015-02-06 2015-05-20 南京工程学院 一种单绕组多相磁悬浮开关磁组发电机不对称励磁方法

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