CN112087182A - 一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器及其控制方法，所述功率转换器包括电源电压V_DC、稳压电容C_L、升压电容C_H以及若干桥臂电路；所述桥臂电路包括开关管和二极管；所述桥臂电路数量与电机定子数量相同，电机每个定子均与桥臂电路相连；通过控制开关管的导通与关断，可以使各绕组在不同工作模式下独立切换运行；本发明提供的宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器实现了电机绕组的快速励磁，可以有效提高电机的运行性能；与传统四电平功率变换器相比，本发明各相之间可以独立运行，在改善电机转矩问题的同时不会影响到电机的稳定悬浮，而且在一定程度上控制了成本。

Description

一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器及控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制应用技术领域，主要涉及一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器及控制方法。

背景技术

宽转子齿无轴承开关磁阻电机(Bearingless Switched Reluctance Motor withWider Rotor Teeth，BSRMWR)具有结构简单，坚固，成本低，工作可靠，无润滑，寿命长等特点，在航空高速、超高速起动发电机，飞轮储能等领域具有重大应用。与普通无轴承开关磁阻电机相比，BSRMWR转子齿的机械角增加至30°，采用双相导通的方式，可以实现转矩与悬浮力的自然解耦，大大简化了控制算法。

由于无轴承开关磁阻电机普遍采用的是不对称半桥功率变换器，电机在换相期间，前一相的相电流截止后，后一相的相电流仍处于建立状态，容易造成电流跟踪不上的问题，使得电机在换相期间转矩脉动较大。若使用传统四电平功率变换器，虽然可以较快建立励磁电流，但每相所需的开关管数目过多，会使得功率变换器的成本大大增加；同时，传统四电平功率变换器各相之间不能独立控制，无法保证电机在旋转的同时稳定悬浮。为了解决这一问题，本专利提出一种新型功率变换器，可以有效提高换相期间绕组的励磁速度，同时各相之间能够独立控制，在改善电机转矩的同时也能保证电机的稳定悬浮，和不对称半桥功率变换器相比每个桥臂仅多了一个升压电容，在一定程度上也控制了成本。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器及控制方法，缩短电机换相时励磁电流建立的时间，同时各相能够独立运行，在降低转矩脉动的同时保证电机能够稳定悬浮运转。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器，包括电源电压V_DC、稳压电容C_L、升压电容C_H以及若干桥臂电路；所述桥臂电路包括开关管和二极管；所述桥臂电路数量与电机定子数量相同，电机每个定子均与桥臂电路相连；

所述稳压电容C_L并联在电源电压V_DC两端，所述升压电容C_H的负极与稳压电容的正极串联；所述桥臂电路包括开关管S₁、S₂，电机定子的一相绕组，以及二极管D₁、D₂；所述电机定子绕组上端与开关管S₁的发射极相连；所述电机定子绕组下端与开关管S₂的集电极相连；所述升压电容C_H的正极与开关管S₁的集电极相连；所述二极管D₁正极连接电源V_DC的正极，负极与开关管S₁的发射极相连；所述开关管S₂的发射极连接电源V_DC的负极，集电极与二极管D₁负极相连；所述二级管D₂的正极与开关管S₂的集电极相连，负极连接开关管S₁的集电极。

进一步地，所述功率变换器包括4种工作模式：

(1)开关管S₁、S₂导通，二极管D₁、D₂反向截止；此时电容CH和CL的两端电压电压U_CH+U_CL加至定子绕组两端，定子绕组在快速励磁状态下运行；

(2)开关管S₁关断，S₂导通，二极管D₁导通，D₂截止；此时电容CL两端电压电源电压U_CL加至定子绕组两端，定子绕组在常压励磁状态下运行；

(3)开关管S₁导通，S₂关断，二极管D₁截止，D₂导通；此时定子绕组两端电压为0，定子绕组在零电压续流状态下运行；

(4)开关管S₁、S₂关断，二极管D₁、D₂导通；此时电容CH两端电压电压U_CH反向加在定子绕组两端，定子绕组在退磁状态下运行。

进一步地，所述宽转子齿无轴承开关磁阻电机包括12个凸极定子齿，8个凸极转子齿，绕组和转轴；所述转子极弧的机械角为30°，定子极弧的机械角为15°；所述12个定子齿上各有1套绕组，每个绕组的电压、电流可单独控制，每隔90°的两个绕组的绕线方向相反，流入电流方向相同；所述4个绕组形成的磁场呈NSNS分布，每隔90°的4个定子绕组形成电机的一相绕组；12个绕组最终形成依次在空间上相差30°的三相绕组。

进一步地，所述开关管S₁、S₂采用全控型器件。

那一步地，所述电机采用双凸极结构。

一种采用上述宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、根据转子位置角导通区间判断该相的工作模式，所述工作模式包括转矩相和悬浮相；所述转矩相表示此相转子位置角导通区间处于电感上升区：-22.5°—-7.5°；所述悬浮相表示此相转子位置角导通区间处于电感平顶区：-7.5°—7.5°；

步骤S2、以瞬时转矩为被控对象对转矩相进行控制；位于转矩相的四个定子齿的绕组工作模式相同，以瞬时转矩产生对称励磁，从而产生电机所需正转矩，具体包括下面四种情况：

a)、当瞬时转矩减小到转矩滞环信号大于内部滞环极限但小于等于外部滞环极限时，定子绕组在常压励磁状态下运行，瞬时转矩增加；

b)、当瞬时转矩继续减小到转矩滞环信号大于外部滞环极限时，定子绕组在快速励磁状态下运行，瞬时转矩进一步增加；

c)、当瞬时转矩增大到转矩滞环信号小于等于内部滞环极限的负值时，定子绕组在零电压续流状态下运行，瞬时转矩缓慢减小；

d)、当瞬时转矩增大到转矩滞环信号小于外部滞环极限的负值时，定子绕组在退磁状态下运行，瞬时转矩迅速减小；

步骤S3、所述悬浮相根据悬浮力滞环信号来决定功率变换器的工作状态，位于悬浮相的四个定子齿绕组工作模式不完全相同，以此来构成不对称励磁，获取电机所需的悬浮力；具体地，当需要悬浮力F_β>0时，第1绕组电流应比第3绕组电流大，第2绕组和第4绕组电流为任意状态；当需要悬浮力F_β<0时，第1绕组电流应比第3绕组电流小，第2绕组和第4绕组电流为任意状态；当需要悬浮力F_β＝0时，第1绕组电流与第3绕组电流相等，第2绕组和第4绕组电流为任意状态；

步骤S4、所述电机通过将转矩相和悬浮相导通实现转矩与悬浮力的解耦。

有益效果：

本发明所述电机采用双凸极结构，跟普通开关磁阻电机相比，电机可以通过两相导通实现转矩与悬浮力的解耦，解决了传统无轴承开关磁阻电机的转矩与悬浮力之间的耦合问题。本发明提供的宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器实现了电机绕组的快速励磁，可以有效提高电机的运行性能；与传统四电平功率变换器相比，本发明各相之间可以独立运行，在改善电机转矩问题的同时不会影响到电机的稳定悬浮，而且在一定程度上控制了成本。

附图说明

图1是本发明提供的电机结构图；

图2是本发明提供的电机线圈电感示意图；

图3a是本发明提供的电机三相电感示意图；

图3b是本发明提供的电机A、B、C三相双相导通工作模式示意图；

图4是本发明的提供的功率变换器拓扑图；

图5是本发明提供的功率变换器快速励磁状态示意图；

图6是本发明提供的功率变换器常压励磁状态示意图；

图7是本发明提供的功率变换器零电压续流状态示意图；

图8是本发明提供的功率变换器退磁状态示意图；

图9是本发明提供的功率变换器转矩相滞环控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1-4所示的一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器，所述电机结构如图1所示，为12/8极单绕组电机，包括12个凸极定子齿，8个凸极转子齿，绕组和转轴；所述转子极弧的机械角为30°，定子极弧的机械角为15°；所述12个定子齿上各有1套绕组，每个绕组的电压、电流可单独控制，每隔90°的两个绕组的绕线方向相反，流入电流方向相同；所述4个绕组形成的磁场呈NSNS分布，每隔90°的4个定子绕组形成电机的一相绕组；12个绕组最终形成依次在空间上相差30°的三相绕组。

优选地，电机结构采用双凸极结构

所述电机线圈电感随转子位置变化如图2所示，定义定转子极对齐位置为转子角度θ＝0°。以A相为例，当转子位置位于(-22.5°，-7.5°)时，线圈电感几乎线性上升，若在A1，A2，A3，A4定子线圈中通入相同大小的电流即可产生正转矩；转子位置处于(-7.5°，7.5°)时，线圈电感几乎不变，若在A1，A2，A3，A4定子线圈通入不对成电流即可产生悬浮力，这时不产生输出转矩；当转子位置位于(7.5°，22.5°)时，线圈电感几乎线性下降，若在A1，A2，A3，A4四个线圈中通入相同电流即可产生负转矩，这就可以实现转矩和悬浮力的解耦。因此，如果要保证电机正常工作，需要两相同时导通。

所述电机的三相工作区间如图3a-3b所示，可以根据各相绕组电感变化趋势决定其工作区间，当A相绕组提供悬浮力时，C相提供输出转矩；当B相绕组提供悬浮力时，A相绕组提供输出转矩；当C相绕组提供悬浮力时，B相绕组提供输出转矩。

所述电机功率变换器拓扑结构如图4所示，包括电源电压V_DC、稳压电容C_L、升压电容C_H以及若干桥臂电路；所述桥臂电路包括开关管和二极管；所述桥臂电路数量与电机定子数量相同，电机每个定子均与桥臂电路相连；

所述稳压电容C_L并联在电源电压V_DC两端，所述升压电容C_H的负极与稳压电容的正极串联；所述桥臂电路包括开关管S₁、S₂，以及二极管D₁、D₂；所述电机定子绕组上端与开关管S₁的发射极相连；所述电机定子绕组下端与开关管S₂的集电极相连；所述升压电容C_H的正极与开关管S₁的集电极相连；所述二极管D₁正极连接电源V_DC的正极，负极与开关管S₁的发射极相连；所述开关管S₂的发射极连接电源V_DC的负极，集电极与二极管D₁负极相连；所述二级管D₂的正极与开关管S₂的集电极相连，负极连接开关管S₁的集电极。

优选地，开关管S₁、S₂采用全控型器件。

上述功率转换器包括以下4中工作模式，如图5-8所示：

(1)开关管S₁、S₂导通，二极管D₁、D₂反向截止；此时电压U_CH+U_CL加至定子绕组两端，定子绕组在快速励磁状态(+2)下运行；

(2)开关管S₁关断，S₂导通，二极管D₁导通，D₂截止；此时电源电压U_CL加至定子绕组两端，定子绕组在常压励磁状态(+1)下运行；

(3)开关管S₁导通，S₂关断，二极管D₁截止，D₂导通；此时定子绕组两端电压为0，定子绕组在零电压续流状态(0)下运行；

(4)开关管S₁、S₂关断，二极管D₁、D₂导通；此时电压U_CH反向加在定子绕组两端，定子绕组在退磁状态(-1)下运行。

采用上述宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器的控制方法，具体步骤如下：

步骤S1、根据转子位置角导通区间判断该相的工作模式，所述工作模式包括转矩相和悬浮相；所述转矩相表示此相转子位置角导通区间处于电感上升区：-22.5°—-7.5°；所述悬浮相表示此相转子位置角导通区间处于电感平顶区：-7.5°—7.5°；

步骤S2、以瞬时转矩为被控对象对转矩相进行控制；位于转矩相的四个定子齿的绕组工作模式相同，以瞬时转矩产生对称励磁，从而产生电机所需正转矩，具体包括下面四种情况：

a)、当瞬时转矩减小到转矩滞环信号大于内部滞环极限但小于外部滞环极限时，绕组在常压励磁状态下运行，瞬时转矩增加；

b)、当瞬时转矩继续减小到转矩滞环信号大于外部滞环极限时，绕组在快速励磁状态下运行，瞬时转矩进一步增加；

c)、当瞬时转矩增大到转矩滞环信号小于内部滞环极限的负值时，绕组在零电压续流状态下运行，瞬时转矩缓慢减小；

d)、当瞬时转矩增大到转矩滞环信号小于外部滞环极限的负值时，绕组在退磁状态下运行，瞬时转矩迅速减小；

如图9所示，为转子位置角在(-22.5°，-7.5°)区间内的转矩滞环，以A相绕组为例，此时该区间为电感上升区，提供正转矩，对A相4个绕组进行转矩滞环控制，以此来产生对称励磁，包括以下4种情况：当瞬时转矩减小以至转矩滞环信号大于内部滞环极限ΔT_min但小于外部滞环极限ΔT_max时，绕组运行在常压励磁(+1)状态，以使瞬时转矩增加；当瞬时转矩继续减小以至转矩滞环信号大于外部滞环极限ΔT_max时，绕组运行在快速励磁(+2)状态，以使瞬时转矩进一步增加；当瞬时转矩增大使得转矩滞环信号小于内部滞环极限的负值-ΔT_min时，绕组运行在零电压续流(0)状态，以使瞬时转矩缓慢减小；当瞬时转矩仍然增大使得转矩滞环信号小于外部滞环极限的负值-ΔT_max时，绕组运行在退磁(-1)状态，以使瞬时转矩迅速减小。

步骤S3、所述悬浮相根据悬浮力滞环信号来决定功率变换器的工作状态，位于悬浮相的四个定子齿绕组工作模式不完全相同，以此来构成不对称励磁，获取电机所需的悬浮力；具体地，当需要悬浮力F_β>0时，第1绕组电流应比第3绕组电流大，第2绕组和第4绕组电流为任意状态；当需要悬浮力F_β<0时，第1绕组电流应比第3绕组电流小，第2绕组和第4绕组电流为任意状态；当需要悬浮力F_β＝0时，第1绕组电流与第3绕组电流相等，第2绕组和第4绕组电流为任意状态；

步骤S4、所述电机通过将转矩相和悬浮相导通实现转矩与悬浮力的解耦。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器，其特征在于，包括电源电压V_DC、稳压电容C_L、升压电容C_H以及若干桥臂电路；所述桥臂电路包括开关管和二极管；所述桥臂电路数量与电机定子数量相同，电机每个定子均与桥臂电路相连；

所述稳压电容C_L并联在电源电压V_DC两端，所述升压电容C_H的负极与稳压电容的正极串联；所述桥臂电路包括开关管S₁、S₂，(这里的电感为电机定子的一相绕组)以及二极管D₁、D₂；所述电机定子绕组上端与开关管S₁的发射极相连；所述电机定子绕组下端与开关管S₂的集电极相连；所述升压电容C_H的正极与开关管S₁的集电极相连；所述二极管D₁正极连接电源V_DC的正极，负极与开关管S₁的发射极相连；所述开关管S₂的发射极连接电源V_DC的负极，集电极与二极管D₁负极相连；所述二级管D₂的正极与开关管S₂的集电极相连，负极连接开关管S₁的集电极。

2.根据权利要求1所述的一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器，其特征在于，所述功率变换器包括4种工作模式：

(1)开关管S₁、S₂导通，二极管D₁、D₂反向截止；此时电容C_H和C_L的两端电压U_CH+U_CL加至定子绕组两端，定子绕组在快速励磁状态下运行；

(2)开关管S₁关断，S₂导通，二极管D₁导通，D₂截止；此时仅有电容C_L两端电压U_CL加至定子绕组两端，定子绕组在常压励磁状态下运行；

(3)开关管S₁导通，S₂关断，二极管D₁截止，D₂导通；此时定子绕组两端电压为0，定子绕组在零电压续流状态下运行；

(4)开关管S₁、S₂关断，二极管D₁、D₂导通；此时电容C_H两端电压U_CH反向加在定子绕组两端，定子绕组在退磁状态下运行。

3.根据权利要求1所述的一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器，其特征在于，所述宽转子齿无轴承开关磁阻电机包括12个凸极定子齿，8个凸极转子齿，绕组和转轴；所述转子极弧的机械角为30°，定子极弧的机械角为15°；所述12个定子齿上各有1套绕组，每个绕组的电压、电流可单独控制，每隔90°的两个绕组的绕线方向相反，流入电流方向相同；所述4个绕组形成的磁场呈NSNS分布，每隔90°的4个定子绕组形成电机的一相绕组；12个绕组最终形成依次在空间上相差30°的三相绕组。

4.根据权利要求1所述的一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器，其特征在于，所述开关管S₁、S₂采用全控型器件。

5.根据权利要求1所述的一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器，其特征在于，所述电机采用双凸极结构。

6.一种采用权利要求1-5中任意一项所述的宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、根据转子位置角导通区间判断该相的工作模式，所述工作模式包括转矩相和悬浮相；所述转矩相表示此相转子位置角导通区间处于电感上升区：-22.5°—-7.5°；所述悬浮相表示此相转子位置角导通区间处于电感平顶区：-7.5°—7.5°；

步骤S2、以瞬时转矩为被控对象对转矩相进行控制；位于转矩相的四个定子齿的绕组工作模式相同，以瞬时转矩产生对称励磁，从而产生电机所需正转矩，具体包括下面四种情况：

a)、当瞬时转矩减小到转矩滞环信号大于内部滞环极限但小于等于外部滞环极限时，定子绕组在常压励磁状态下运行，瞬时转矩增加；

b)、当瞬时转矩继续减小到转矩滞环信号大于外部滞环极限时，定子绕组在快速励磁状态下运行，瞬时转矩进一步增加；

c)、当瞬时转矩增大到转矩滞环信号小于等于内部滞环极限的负值时，定子绕组在零电压续流状态下运行，瞬时转矩缓慢减小；

d)、当瞬时转矩增大到转矩滞环信号小于外部滞环极限的负值时，定子绕组在退磁状态下运行，瞬时转矩迅速减小；

步骤S3、所述悬浮相根据悬浮力滞环信号来决定功率变换器的工作状态，位于悬浮相的四个定子齿绕组工作模式不完全相同，以此来构成不对称励磁，获取电机所需的悬浮力；具体地，当需要悬浮力F_β>0时，第1绕组电流应比第3绕组电流大，第2绕组和第4绕组电流为任意状态；当需要悬浮力F_β<0时，第1绕组电流应比第3绕组电流小，第2绕组和第4绕组电流为任意状态；当需要悬浮力F_β＝0时，第1绕组电流与第3绕组电流相等，第2绕组和第4绕组电流为任意状态；

步骤S4、所述电机通过将转矩相和悬浮相导通实现转矩与悬浮力的解耦。

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