CN107196574A - 一种永磁磁阻型双转子电机的外电机功率变换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种永磁磁阻型双转子电机的外电机功率变换电路，包括电源，定子三相绕组以及四个并联的桥臂。每个桥臂的上端与电源正输出端相连，下端与电源负输出端相连。每个桥臂由两个开关管串联而成，且两个开关管分别反向并联一个功率二极管。在相邻的两个桥臂中，其中一个桥臂的上半桥臂开关管的发射极和另外一个桥臂的下半桥臂的开关管的集电极之间串联有定子的一相绕组。这种针对永磁磁阻型双转子电机的外电机的特殊结构设计的功率变换电路，能够保证永磁磁阻型双转子电机的外电机的高效运行，且减少了开关器件的使用，提高永磁磁阻型双转子电机的外电机的控制性能，降低运行成本，推动永磁磁阻型双转子电机的应用。

Description

一种永磁磁阻型双转子电机的外电机功率变换电路
技术领域
本发明涉及永磁磁阻型双转子电机领域，具体涉及一种永磁磁阻型双转子电机的外电机功率变换电路。
背景技术
双转子电机是一种新型结构的电机，通过增加转子数目，实现了双机械和双电气端口，用一个电机替代原来复杂的电气传动系统，大大简化了传动链的体积和质量，在混合动力汽车和风力发电中有着良好的应用前景。专利号为“CN104377921A”的专利公开了一种永磁磁阻型双转子电机的结构，是本发明的研究基础。永磁磁阻型双转子电机作为双转子电机的一种，内电机形式上为永磁电机，延续了永磁电机的高功率密度的优点；外电机形式上为磁阻电机，继承了磁阻电机的结构简单、调速范围广的优点。内外电机的结合构成了永磁磁阻型双转子电机，有效地结合了内外电机的优点，且保证了紧凑的结构，具有较大的开发应用潜力。
永磁磁阻型双转子电机的外电机结构形式上为磁阻电机，外电机转子上安装有切向充磁的永磁体，定子绕组的不同的通电方式产生不同的磁场，但是该磁场必须配合外转子上永磁体的充磁方向和定子绕组的绕线方式才能使外电机可靠运行，所以定子绕组的通电方式与普通磁阻电机的通电方式有所不同，要求不同时刻每相绕组要能进行双极性通电。
对于普通磁阻电机使用的不对称半桥功率变换电路，仅适用于磁阻电机单极性通电的方式运行，不适用于永磁磁阻型双转子电机的外电机各相绕组需要双极性通电的运行方式；对于磁阻电机常用的H桥驱动电路，使用的开关器件较多且器件利用率低，增大了制造成本；对于常用的三相全桥可控电路，在应用在永磁磁阻型双转子电机的外电机的驱动时，每个桥臂有出现直通而导致短路的可能，不能保证外电机的稳定可靠运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种永磁磁阻型双转子电机的外电机功率变换电路，以克服现有技术存在的缺陷，本发明既能够实现永磁磁阻型双转子电机的外电机的高效运行，提高永磁磁阻双转子电机的控制性能，又能减少驱动电路所使用的开关器件，降低运行成本，提高开关器件利用率。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种永磁磁阻型双转子电机的外电机功率变换电路，包括电源、A相绕组、B相绕组、C相绕组、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂以及第四桥臂，所述的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂以及第四桥臂并联后连接在电源的两端，A相绕组连接在第一桥臂和第二桥臂之间，B相绕组连接在第二桥臂和第三桥臂之间，C相绕组连接在第三桥臂和第四桥臂之间。
进一步地，第一桥臂包括第一开关管，第二开关管，第一功率二极管，第二功率二极管，第一开关管与第二开关管串联，第一开关管反向并联第一功率二极管，第二开关管反向并联第二功率二极管；第二桥臂包括第三开关管，第四开关管，第三功率二极管，第四功率二极管，第三开关管与第四开关管串联，第三开关管反向并联第三功率二极管，第四开关管反向并联第四功率二极管；第一开关管的发射极和第四开关管集电极之间串入A相绕组。
进一步地，第三桥臂包括第五开关管，第六开关管，第五功率二极管，第六功率二极管，第五开关管与第六开关管串联，第五开关管反向并联第五功率二极管，第六开关管反向并联第六功率二极管；第三开关管的发射极和第六开关管的集电极之间串入B相绕组。
进一步地，第四桥臂包括第七开关管，第八开关管，第七功率二极管，第八功率二极管，第七开关管与第八开关管串联，第七开关管反向并联第七功率二极管，第八开关管反向并联第八功率二极管；第五开关管的发射极和第八开关管的集电极之间串入C相绕组。
进一步地，第一开关管、第三开关管、第五开关管和第七开关管的集电极相并联且连接到电源的正输出端，第二开关管、第四开关管、第六开关管和第八开关管相发射极并联且连接到电源的负输出端。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明针对应用前景广阔的永磁磁阻型双转子电机的外电机进行了功率变换电路的设计，考虑永磁磁阻型双转子电机进行双极性通电的需求，通过控制各个开关管轮流间歇导通，避免了永磁磁阻型双转子电机外电机运行过程中同一桥臂发生短路的可能性，应用尽量少的开关器件满足控制要求，降低开关器件的开关频率，提高开关器件利用率，外电机相与相之间相互独立，通过控制不同桥臂上开关管的开通和关断实现绕组不同极性通电，保证永磁磁阻型双转子电机的外电机的正常运行，简化永磁磁阻型双转子电机的控制，提高了永磁磁阻型双转子电机的控制性能。
附图说明
图1为永磁磁阻型双转子电机的外电机定子绕组的排布方式；图中A+表示A相绕组的首端，A-表示A相绕组的末端；B+表示B相绕组的首端，B-表示B相绕组的末端；C+表示C相绕组的首端，C-表示C相绕组的末端；图中序号1～12为外电机定子齿；
图2为永磁磁阻型双转子电机的外电机定子绕组的通电顺序；图中IA+表示A相绕组电流由A相绕组首端流向A相绕组末端，IA-表示A相绕组电流由A相绕组末端流向A相绕组首端；IB+表示B相绕组电流由B相绕组首端流向B相绕组末端，IB-表示B相绕组电流由B相绕组末端流向B相绕组首端；IC+表示C相绕组电流由C相绕组首端流向C相绕组末端，IC-表示C相绕组电流由C相绕组末端流向C相绕组首端；
图3为永磁磁阻型双转子电机的外电机功率变换电路结构；图中S1为第一开关管，S2为第二开关管，S3为第三开关管，S4为第四开关管，S5为第五开关管，S6为第六开关管，S7为第七开关管，S8为第八开关管，D1为第一功率二极管，D2为第二功率二极管，D3为第三功率二极管，D4为第四功率二极管，D5为第五功率二极管，D6为第六功率二极管，D7为第七功率二极管，D8为第八功率二极管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图3，一种永磁磁阻型双转子电机的外电机功率变换电路，包括电源，A相绕组，B相绕组，C相绕组，第一桥臂，第二桥臂，第三桥臂，第四桥臂。第一桥臂包括第一开关管S1，第二开关管S2，第一功率二极管D1，第二功率二极管D2，第一开关管S1与第二开关管S2串联，第一开关管S1反向并联第一功率二极管D1，第二开关管S2反向并联第二功率二极管D2；第二桥臂包括第三开关管S3，第四开关管S4，第三功率二极管D3，第四功率二极管D4，第三开关管S3与第四开关管S4串联，第三开关管S3反向并联第三功率二极管D3，第四开关管S4反向并联第四功率二极管D4；第一开关管S1的发射极和第四开关管S4集电极之间串入A相绕组；第三桥臂包括第五开关管S5，第六开关管S6，第五功率二极管D5，第六功率二极管D6，第五开关管S5与第六开关管S6串联，第五开关管S5反向并联第五功率二极管D5，第六开关管S6反向并联第六功率二极管D6；第三开关管S3的发射极和第六开关管S6的集电极之间串入B相绕组；第四桥臂包括第七开关管S7，第八开关管S8，第七功率二极管D7，第八功率二极管D8，第七开关管S7与第八开关管S8串联，第七开关管S7反向并联第七功率二极管D7，第八开关管S8反向并联第八功率二极管D8；第五开关管S5的发射极和第八开关管S8的集电极之间串入C相绕组，第一开关管S1、第三开关管S3、第五开关管S5和第七开关管S7的集电极相并联且连接到电源的正输出端，第二开关管S2、第四开关管S4、第六开关管S6和第八开关管S8相发射极并联且连接到电源的负输出端。
下面结合附图对本发明的应用原理做详细描述：
一种永磁磁阻型双转子电机的外电机功率变换电路，针对永磁磁阻型双转子电机的外电机的特殊结构，外电机定子的通电方式必须配合外转子上永磁体的充磁方向和外电机定子的绕组绕线方式。图1为永磁磁阻型双转子电机的外电机定子绕组的排布方式，外转子上永磁体的充磁方向为切向充磁方式，因此在一个通电周期内，定子绕组的通电顺序为图2所示的通电顺序。
图3为永磁磁阻型双转子电机的外电机功率变换器结构图。第一桥臂包括第一开关管S1，第二开关管S2，第一功率二极管D1，第二功率二极管D2，第一开关管S1与第二开关管S2串联，第一开关管S1反向并联第一功率二极管D1，第二开关管S2反向并联第二功率二极管D2；第二桥臂包括第三开关管S3，第四开关管S4，第三功率二极管D3，第四功率二极管D4，第三开关管S3与第四开关管S4串联，第三开关管S3反向并联第三功率二极管D3，第四开关管S4反向并联第四功率二极管D4；第一开关管S1的发射极和第四开关管S4集电极之间串入A相绕组；第三桥臂包括第五开关管S5，第六开关管S6，第五功率二极管D5，第六功率二极管D6，第五开关管S5与第六开关管S6串联，第五开关管S5反向并联第五功率二极管D5，第六开关管S6反向并联第六功率二极管D6；第三开关管S3的发射极和第六开关管S6的集电极之间串入B相绕组；第四桥臂包括第七开关管S7，第八开关管S8，第七功率二极管D7，第八功率二极管D8，第七开关管S7与第八开关管S8串联，第七开关管S7反向并联第七功率二极管D7，第八开关管S8反向并联第八功率二极管D8；第五开关管S5的发射极和第八开关管S8的集电极之间串入C相绕组，第一开关管S1、第三开关管S3、第五开关管S5和第七开关管S7的集电极相并联且连接到电源的正输出端，第二开关管S2、第四开关管S4、第六开关管S6和第八开关管S8相发射极并联且连接到电源的负输出端。
在图3所示的永磁磁阻型双转子电机的外电机功率变换电路结构中，在0～t1时间内，第一开关管S1和第四开关管S4导通，A相绕组通入正向电流，电流由A相绕组首端流向A相绕组末端，理想的电流波形如图2中0～t1时间A相电流波形；在t1～t2时间内，第一开关管S1关断，第五开关管S5导通，第四开关管S4维持导通，A相绕组通过第二功率二极管D2和第三功率二极管D3续流，B相绕组通入负向电流，电流由B相绕组末端流向B相绕组首端，理想的电流波形如图2中t1～t2时间B相电流波形；在t2～t3时间内，第四开关管S4关断，第八开关管S8导通，第五开关管S5维持导通，B相绕组通过第三功率二极管D3和第六功率二极管D6续流，C相绕组通入正向电流，电流由C相绕组首端流向C相绕组末端，理想的电流波形如图2中t2～t3时间A相电流波形；在t3～t4时间内，第三开关管S3和第二开关管S2导通，第四开关管S4关断，第五开关管S5和第八开关管S8关断，C相绕组通过第七功率二极管D7和第六功率二极管D6续流，A相绕组通入负向电流，电流由A相绕组末端流向A相绕组首端，理想的电流波形如图2中t3～t4时间A相电流波形；在t4～t5时间内，第六开关管S6导通，第二开关管S2关断，第三开关管S3维持导通，A相绕组通过第四功率二极管D4和第一功率二极管D1续流，B相绕组通入正向电流，电流由B相绕组首端流向B相绕组末端，理想的电流波形如图2中t4～t5时间B相电流波形；在t5～t6时间内，第七开关管S7导通，第三开关管S3关断，第六开关管S6维持导通，B相绕组通过第四功率二极管D4和第五功率二极管D5续流，C相绕组通入负向电流，电流由C相绕组末端流向C相绕组首端，理想的电流波形如图2中t5～t6时间C相电流波形。

Claims (5)

1.一种永磁磁阻型双转子电机的外电机功率变换电路，其特征在于，包括电源、A相绕组、B相绕组、C相绕组、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂以及第四桥臂，所述的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂以及第四桥臂并联后连接在电源的两端，A相绕组连接在第一桥臂和第二桥臂之间，B相绕组连接在第二桥臂和第三桥臂之间，C相绕组连接在第三桥臂和第四桥臂之间。
2.根据权利要求1所述的一种永磁磁阻型双转子电机的外电机功率变换电路，其特征在于，第一桥臂包括第一开关管(S1)，第二开关管(S2)，第一功率二极管(D1)，第二功率二极管(D2)，第一开关管(S1)与第二开关管(S2)串联，第一开关管(S1)反向并联第一功率二极管(D1)，第二开关管(S2)反向并联第二功率二极管(D2)；第二桥臂包括第三开关管(S3)，第四开关管(S4)，第三功率二极管(D3)，第四功率二极管(D4)，第三开关管(S3)与第四开关管(S4)串联，第三开关管(S3)反向并联第三功率二极管(D3)，第四开关管(S4)反向并联第四功率二极管(D4)；第一开关管(S1)的发射极和第四开关管(S4)集电极之间串入A相绕组。
3.根据权利要求2所述的一种永磁磁阻型双转子电机的外电机功率变换电路，其特征在于，第三桥臂包括第五开关管(S5)，第六开关管(S6)，第五功率二极管(D5)，第六功率二极管(D6)，第五开关管(S5)与第六开关管(S6)串联，第五开关管(S5)反向并联第五功率二极管(D5)，第六开关管(S6)反向并联第六功率二极管(D6)；第三开关管(S3)的发射极和第六开关管(S6)的集电极之间串入B相绕组。
4.根据权利要求3所述的一种永磁磁阻型双转子电机的外电机功率变换电路，其特征在于，第四桥臂包括第七开关管(S7)，第八开关管(S8)，第七功率二极管(D7)，第八功率二极管(D8)，第七开关管(S7)与第八开关管(S8)串联，第七开关管(S7)反向并联第七功率二极管(D7)，第八开关管(S8)反向并联第八功率二极管(D8)；第五开关管(S5)的发射极和第八开关管(S8)的集电极之间串入C相绕组。
5.根据权利要求4所述的一种永磁磁阻型双转子电机的外电机功率变换电路，其特征在于，第一开关管(S1)、第三开关管(S3)、第五开关管(S5)和第七开关管(S7)的集电极相并联且连接到电源的正输出端，第二开关管(S2)、第四开关管(S4)、第六开关管(S6)和第八开关管(S8)相发射极并联且连接到电源的负输出端。
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