CN112436704A - 一种电动汽车用径向双绕组开关磁阻电机及其功率变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电动汽车用径向双绕组开关磁阻电机及其功率变换器，每个外分块定子都由从外向内依次相接的外定子梯形内嵌区、外定子轭部和外激励齿组成，每个外激励齿上都缠绕外绕组，转子环由Nr个梯形分块转子和非导磁梯形块沿圆周方向交替分布组成，每个内分块定子都由从内向外依次相接的内定子梯形内嵌区、内定子轭部和内激励齿组成；以A相为例，内绕组中的相绕组A1的负端同时和外绕组中的相绕组A2的正端以及二极管D1的正极相连，相绕组A2的负端和功率开关管V2的源极相连，外绕组中的相绕组A2，B2，C2并联一个添加的功率开关管，可实现快速退磁，提高输出转矩、功率密度和效率，拓宽电机的驱动模式和调速范围。

Description

一种电动汽车用径向双绕组开关磁阻电机及其功率变换器
技术领域
本发明涉及属于电机制造应用技术领域，具体是一种开关磁阻电机结构以及能提高其功率密度和效率的相配套的功率变换器。
背景技术
开关磁阻电机是一种通过依次切换开通相来实现电机转动的直流电机，因其结构简单，无需含稀土材料的永磁体，鲁棒性好，启动转矩大，启动电流小，效率较高，调速性能好，适合频繁启停场合等诸多优点，在电动汽车中得到广泛的关注。然而，传统的开关磁阻电机因其无永磁体，且在退磁时产生负转矩，使得其与永磁电机相比，功率密度和效率较低，这些缺点已经制约着传统开关磁阻电机在电动汽车领域的推广应用。由于开关磁阻电机系统各个部分之间的关系密切，要获得高性能的开关磁阻电机系统，必须充分考虑电机本体结构，功率变换器和控制方法之间的紧密联系。
针对电机本体结构，双定子结构的开关磁阻电机逐渐成为研究热点。如中国专利公开号为CN109742873B文献中提出的一种分块双定子开关磁阻电机，其内外定子产生的闭合磁路相互独立不受干扰，缩短了磁回路，减少了转子上的磁链过饱和，提高了电磁利用率，提高了输出转矩。针对功率变换器，如中国专利公开号为CN103166337B文献中提出的一种双速绕组开关磁阻电机，其在相邻两个定子上分别设有低速集中绕组和高速集中绕组，两对绕组可单独或并联驱动电机，能在低速运行时输出较大转矩，在高速运行时具有较宽调速范围。但实际上，上述两篇公开专利技术仅仅是增加了结构或绕组的复杂度以增加转矩和调速范围，本质上可以看作是两个电机，可以单独运动，也可以并联相向运动，所以两者并不能提升电机的功率密度和效率。
发明内容
本发明的目的在于解决上述开关磁阻电机存在的问题，提出一种能增加开关磁阻电机转矩和调速范围的电动汽车用径向双绕组开关磁阻电机，同时，结合该电机结构，提出一种与之相匹配的新型的功率变换器的拓扑结构，在不增加其他元器件的情况下实现电机快速退磁，进而提高开关磁阻电机的功率密度和效率。
为实现上述目的，本发明一种电动汽车用径向双绕组开关磁阻电机采用的技术方案是：包括外分块定子、内分块定子、外绕组、内绕组和转轴，最外部是Ns个外分块定子和一个非导磁外壳体，每个外分块定子都由从外向内依次相接的外定子梯形内嵌区、外定子轭部和外激励齿组成，外定子梯形内嵌区嵌在非导磁外壳体上，外定子轭部的两端部齐平地沿径向向内各延伸一个外激励齿，外定子轭部和外激励齿形成开口朝内的U型结构，每个外激励齿上都缠绕外绕组；Ns个外分块定子内部同轴心地套有一个转子环，转子环由Nr个梯形分块转子和Nr个非导磁梯形块沿圆周方向交替分布组成；转子环内部同轴心地套有Ns个内分块定子，每个内分块定子都由从内向外依次相接的内定子梯形内嵌区、内定子轭部和内激励齿组成，内定子梯形内嵌区嵌在非导磁内壳体上，内定子轭部的两端部齐平地沿径向向外各延伸一个内激励齿，内定子轭部和内激励齿形成开口朝外的U型结构，每个内激励齿上都缠绕内绕组；Ns个内分块定子内部同轴心地套有转轴。
一种与所述的电动汽车用径向双绕组开关磁阻电机配套连接的功率变换器采用的技术方案是：包括电源Udc、功率开关管V1-V6和二极管D1-D6，其特征是：内绕组中的相绕组A1的负端同时和外绕组中的相绕组A2的正端以及二极管D1的正极相连，相绕组A2的负端和功率开关管V2的源极相连；内绕组中的相绕组B1的负端同时和外绕组中的相绕组B2的正端以及二极管D3的正极相连，相绕组B2的负端和功率开关管V4的源极相连；内绕组中的相绕组C1的负端同时和外绕组中的相绕组C2的正端以及二极管D5的正极相连，相绕组C2的负端和功率开关管V6的源极相连；外绕组中的相绕组A2，B2，C2并联一个功率开关管V7。
当功率开关管V7处于断开状态时，同一相的内绕组和外绕组串联，退磁模式下的电流只流经内绕组中的相绕组。
当功率开关管V7处于闭合状态时，所述的相绕组A1，B1，C1激励驱动电机。
本发明的有益之处在于：
1、本发明利用分块U型的内外双激励齿定子结构，与环形分布的分块转子形成梯形的闭合磁路，各相之间相互独立不受干扰，转子环上的非导磁梯形块起到隔磁和固定分块转子的作用。利用磁阻最小原理，切换开通相可在转子环上产生转矩。由于该转矩由内外绕组同时导通产生，在相同电流激励下，能产生的更大的输出转矩。相比于传统双定子结构，也减少了转子上的磁链过饱和，提高了电磁利用率，改善电机效率。
2、分块转子与内外定子形成闭合磁路，该磁路不仅缩短了励磁回路，提升了电机磁回路利用效率，减小了磁漏，同时也减少了磁链过饱和和相互干扰，有利于磁链、转矩的计算。分块定转子之间气隙的存在可以起到隔离的作用，有效地实现了磁路、电路、温度之间的隔离，也为电机的冷却散热提供了空间。且分块结构的固有特性也使得当电机某一分块发生故障时，便于拆卸更换。
3、将内外绕组串联在一起，将内外绕组连接处与二极管的正端直接相连，内绕组匝数小于外绕组匝数，且外绕组与功率开关管相连，在励磁和续流模式下，内外绕组串联，电流流动与传统电机相类似。在退磁模式下，电流仅从内绕组流过，内绕组上的电流电压迅速增大，可实现快速退磁，大大减少了退磁过程中产生的负转矩，从而提高了输出转矩、功率密度和效率。
4、增加一个功率开关管，外绕组与一个添加的功率开关管相连，当功率开关管闭合时，仅有内绕组被励磁驱动电机，实现了单绕组驱动的功能，拓宽了电机的驱动模式和调速范围。
附图说明
图1是本发明所述一种电动汽车用径向双绕组开关磁阻电机的径向截面示意图；
图2是图1中单个外分块定子、内分块定子和局部转子环的布置结构以及尺寸关系示意图；
图3是图1中所述的开关磁阻电机处于完全对齐位置时的放大的磁回路示意图；
图4是图1中所述的开关磁阻电机处于不对齐位置时的放大的磁回路示意图；
图5是两绕组串联的传统的功率变换器的拓扑结构示意图；
图6是图5所示的传统的功率变换器在三种模式下的电路流向示意图；
图7是与本发明所述的开关磁阻电机相配套的功率变换器的拓扑结构图；
图8是图7中的功率开关管V7处于断开状态下内外绕组串联时功率变换器的拓扑结构图；
图9是图8所示功率变换器在三种模式下的电路流向示意图；
图10是图7中的功率开关管V7处于闭合时功率变换器的拓扑结构图；
图11是图10中的功率变换器在三种模式下的电路流向示意图。
图中：1、外分块定子：1-1、外定子梯形内嵌区，1-2、外定子轭部，1-3、外激励齿；2、非导磁外壳体；3、外绕组；4、梯形分块转子；5、非导磁梯形块；6、内分块定子：6-1、内定子梯形内嵌区，6-2、内定子轭部，6-3、内激励齿；7、内绕组；8、非导磁内壳体；9、转轴。
具体实施方式
参见图1，本发明所述一种电动汽车用径向双绕组开关磁阻电机，包括外分块定子1、非导磁外壳体2、外绕组3、梯形分块转子4、非导磁梯形块5、内分块定子6、内绕组7、非导磁内壳体8和转轴9。最外部是外分块定子1和一个非导磁外壳体2，非导磁外壳体2是圆筒形，非导磁外壳体2的侧壁上沿圆周方向均匀嵌入Ns个外分块定子1，Ns个外分块定子1的结构完全相同，外分块定子1的外径和非导磁外壳体2的外径相等，但内径小于非导磁外壳体2的内径。如图2，每个外分块定子1都由外定子梯形内嵌区1-1、外定子轭部1-2和外激励齿1-3组成，外定子梯形内嵌区1-1、外定子轭部1-2和外激励齿1-3由外而内依次相接。外分块定子1通过外定子梯形内嵌区1-1嵌在非导磁外壳体2上，在非导磁外壳体2上开有与外分块定子1个数Ns相等的梯形槽，便于Ns个外分块定子1的嵌入安装。外定子轭部1-2的外径等于非导磁外壳体2的内径，与非导磁外壳体2贴合在一起，外分块定子1与非导磁外壳体2之间配合紧密，仅保留了外分块定子1在轴向上移动自由度，便于拆卸维修，在轴端添加端盖可限制该自由度，保证安装的稳定性和紧固性。外定子轭部1-2和外激励齿1-3形成开口朝内的U型结构，外定子轭部1-2的两端部齐平地沿径向向内各延伸一个外激励齿1-3，这样，一个外分块定子1具有两个外激励齿1-3，每个外激励齿1-3上都缠绕外绕组3，外绕组3的匝数为N2。同一相的内绕组7和外绕组3串联。
在Ns个外分块定子1内部同轴心地套有一个转子环，转子环由Nr个梯形分块转子4和数量相同的Nr个非导磁梯形块5组成，梯形分块转子4与非导磁梯形块5大小形状完全相同，两者在沿圆周方向交替分布且固定相接且紧密配合，共同组成一个转子环，相邻的梯形分块转子4与非导磁梯形块5之间间隔360/2Nr度，相邻两个梯形分块转子4间隔360/Nr度。转子环和外分块定子1之间留有径向外气隙。梯形分块转子4与非导磁梯形块5组成的转子环通过支架与转轴9相连，将转矩输出到转轴9上。转轴9位于电机的正中间，同轴心地套在内分块定子6内部，与内分块定子6不接触。
转子环内部同轴心地套有内分块定子6，转子环和内分块定子6之间留有径向内气隙。内分块定子6结构和外分块定子1的结构类似，数量相同，也是Ns个，和外分块定子1沿径向面对面布置。内分块定子6由内定子梯形内嵌区6-1、内定子轭部6-2和内激励齿6-3组成，内定子梯形内嵌区6-1、内定子轭部6-2、内激励齿6-3由内而外依次相接。内分块定子6通过内定子梯形内嵌区6-1嵌在非导磁内壳体8上，在非导磁内壳体8上开有与内分块定子6个数Ns相等的梯形槽，便于内分块定子61的嵌入安装。内定子轭部6-2的内径等于非导磁内壳体8的外径，内定子轭部6-2与非导磁内壳体8贴合在一起。内分块定子6与非导磁内壳体8之间配合紧密，仅保留了内分块定子6在轴向上移动自由度，便于拆卸维修，在轴端添加端盖可限制该自由度，保证安装的稳定性和紧固性。内定子轭部6-2和内激励齿6-3形成开口朝外的U型结构，内定子轭部6-2的两端部齐平地沿径向向外各延伸一个内激励齿6-3，这样，一个内分块定子6具有两个内激励齿6-3，每个内激励齿6-3上都缠绕内绕组7，内绕组7的匝数为N1。
内激励齿6-3和外激励齿1-3的数量相等，沿直径方向上一一对应地正对布置。外绕组3的匝数N2大于内绕组7的匝数N1。
内分块定子6和外分块定子1的数量Ns为大于等于6的偶数，梯形分块转子4和非导磁梯形块5的数量Nr也为大于等于6的偶数。
外分块定子1和内分块定子6均由硅钢片叠压而成，梯形分块转子4由硅钢片叠压而成，非导磁梯形块5为非导磁材料制成。
参见图2，外分块定子1的外激励齿1-3的沿切向的宽度为a，和外定子轭部1-2的径向厚度相等，也是a。内分块定子6的内激励齿6-3的宽度和内定子轭部6-2的径向宽度相等，均是b。外激励齿1-3的齿端内径为r1，内激励齿6-3的齿端外径为r2，存在a/b＝r1/r2。同一相的外分块定子1和内分块定子6的沿直径方向的中分线在同一条线上，位于中分线同一侧的外激励齿1-3和内激励齿6-3的沿直径方向中心线在一条线上，且外分块定子1和内分块定子6的沿直径方向的中分线，外激励齿1-3和内激励齿6-3的沿直径方向中心线相交于电机的几何中心点O。
转子环上的一个非导磁梯形块5以及与其相接的两个梯形分块转子4组成的扇形区的外侧弧长为h2，内侧弧长为h3。一个外分块定子1上的两个外激励齿1-3齿端之间所跨越的最大弧长为h1，一个内分块定子6上的两个内激励齿6-3齿端之间所跨越的最大弧长为h4。外侧弧长h2大于h1，内侧弧长为h3大于h4；以确保定转子环在完全对齐位置处可以获得更大的电感，在完全不对齐位置处可以获得更小的电感，从而产生更大转矩。
参见图3和图4，以电机的某一相为例，在原电机在提取出一相所包含的2个外分块定子1，2个内分块定子6，转子环上相邻的3个或者4个梯形分块转子4或非导磁梯形块5，保证选取的转子环部分的内、外弧长能够覆盖内、外定子齿的弧长。2个外分块定子1包含4个外激励齿1-3，每个外激励齿1-3上都缠绕着外绕组3，匝数为N2。外绕组3采用串联的方式连接，设G1+为某相外绕组的正端，G1-与G2+相连，G2-与G3+相连，G3-与G4+相连，G4-即为某相外绕组的负端。2个内分块定子6包含4个内激励齿6-3，每个内激励齿上都缠绕着内绕组7，匝数为N1。内绕组7组采用串联的方式连接，设g1+为某相内绕组的正端，g1-与g2+相连，g2-与g3+相连，g3-与g4+相连，g4-即为某相内绕组的负端。当同一相的内绕组7、外绕组3串联时，外分块定子1、内分块定子6和转子环在完全对齐位置时的励磁回路如图3中的箭头所示，在不对齐位置时的励磁回路如图4中的箭头所示。励磁回路依次经过外分块定子1的左侧外激励齿1-3、外定子轭部1-2、右侧的外激励齿1-3、外气隙、梯形分块转子4、内气隙、内分块定子6的右侧的内激励齿6-3、内定子轭部6-2、左侧的内激励齿6-3、内气隙、梯形分块转子4、外气隙、外分块定子1的左侧外激励齿1-3。由于励磁回路相互独立不受干扰，且由内绕组7和外绕组3共同作用产生，有效地提高了输出转矩。该电机与传统的开关磁阻电机工作原理类似，利用磁阻最小原理不断按顺序通关电源可以实现转子环的转动，通过分块和双定子结构可在相同电流激励下，大大提高输出转矩。
下面将针对该径向双绕组开关磁阻电机的结构，结合功率变换器的拓扑，实现绕组的快速退磁和单绕组驱动模式，提高电机的功率密度、效率和调速范围，以更加满足电动汽车对驱动电机的性能要求。
参见图5，为传统的功率变换器的拓扑结构，由电源Udc、功率开关管V1-V6和二极管D1-D6，连接电机的各相绕组。以A相为例，当内绕组7的相绕组A1和外绕组3的相绕组A2串联时，A1负端与A2的正端直接相连，A2的负端与二极管D1的正端以及功率开关管V2的源极相连。传统功率变换器在励磁，续流，退磁三种模式下电流流向示意图所图6所示。励磁模式下：电流通过电源正极依次流经上功率开关管V1，电机的相绕组A1，A2，下功率开关管V2，然后回到电源负极。续流模式下：电流依次流经电机的相绕组A1，A2，下功率开关管V2，下二极管D2，形成闭环回路。退磁模式下：电流通过电源负极依次流经下二极管D2，电机的相绕组A1，A2，上二极管D1，然后回到电源正极。
参见图7，相比于传统的功率变换器，本发明功率变换器，保留电源Udc、功率开关管V1-V6、二极管D1-D6不变。变化的是当内绕组7的相绕组A1和外绕组3的相绕组A2串联时，内绕组7的相绕组A1的负端同时和外绕组3的相绕组A2的正端以及二极管D1的正极相连，而相绕组A2的负端仅和功率开关管V2的源极相连。类似的，相绕组B1的负端同时和相绕组B2的正端以及二极管D3的正极相连，而相绕组B2的负端仅和功率开关管V4的源极相连；相绕组C1的负端同时和相绕组C2的正端以及二极管D5的正极相连，而相绕组C2的负端仅和功率开关管V6的源极相连。此时电流在励磁、续流、退磁模式下的流向将在图8和图9中详细说明。为了增加一种单绕组驱动的模式，本发明还添加了一个与相绕组A2，B2，C2并联的一个功率开关管V7，用来控制外绕组3的通断。当功率开关管V7处于断开状态时，内外绕组串联，即图8和图9所示。当功率开关管V7处于闭合状态时，仅相绕组A1，B1，C1可被激励驱动电机，此时电流在励磁，续流，退磁模式下的流向将在图图10和图11中详细说明。
参见图8，为功率开关管V7处于断开状态下内外绕组串联时功率变换器的拓扑结构，同一相的内绕组7和外绕组3串联驱动电机，此时，励磁和续流模式下的电流流向与图6中和传统功率变换器电流流向一致。不同的是，退磁模式下的电流流向，传统的功率变换器退磁时同时流经相绕组A1，A2，而本发明功率变换器只流经相绕组A1。
下面将详细说明本发明功率变换器拓扑结构可以实现快速退磁的原理：
参见图9，在励磁模式下，上功率开关管V1和下功率开关管V2闭合，相绕组A1，A2串联在一起，此时，串联绕组的电压为Udc，设相绕组A1上的电压为U1，相绕组A2上的电压为U2，存在U1+U2＝Udc,U1/U2＝N1/N2,U1＝Udc×N1/(N1+N2)。由U1＝Udc×N1/(N1+N2)可知，在励磁时，相绕组A1的电压U1<Udc，因为N1<N2。在续流模式下，上功率开关管V1断开，下功率开关管V2闭合，相绕组A1，A2串联，施加到全绕组上的总电压为零。在退磁模式下，上功率开关管V1和下功率开关管V2均断开，相绕组A1通过二极管D1，D2与整个直流母线电压连接，电流将立即从相绕组A2中切断，仅从相绕组A1流过，两个部分之间的磁耦合将把整个磁通连接到相绕组A1上。在退磁时，电压满足U1＝Udc，U2＝Udc×N1/N2，相绕组A1的电压U1得到了增加，电流电压迅速增大，相应的退磁也就更快，可实现快速退磁，在退磁时产生的负转矩就减少了，提高了输出转矩，功率密度和效率。
在功率开关管V7处于闭合状态时，功率变换器的拓扑结构等价于图10所示的拓扑图，其中仅相绕组A1，B1，C1可被激励驱动电机，此时以A相为例的电流在励磁，续流，退磁模式下的流向如图11所示，此时，等价于传统单绕组驱动的功率变换器结构拓扑，这就实现了单绕组驱动的功能，拓宽了电机的驱动模式和调速范围，以更加满足电动汽车动驱动电机的性能要求。

Claims (7)

1.一种电动汽车用径向双绕组开关磁阻电机，包括外分块定子(1)、内分块定子(6)、外绕组(3)、内绕组(7)和转轴(9)、其特征是：最外部是Ns个外分块定子(1)和一个非导磁外壳体(2)，每个外分块定子(1)都由从外向内依次相接的外定子梯形内嵌区(1-1)、外定子轭部(1-2)和外激励齿(1-3)组成，外定子梯形内嵌区(1-1)嵌在非导磁外壳体(2)上，外定子轭部(1-2)的两端部齐平地沿径向向内各延伸一个外激励齿(1-3)，外定子轭部(1-2)和外激励齿(1-3)形成开口朝内的U型结构，每个外激励齿(1-3)上都缠绕外绕组(3)；Ns个外分块定子(1)内部同轴心地套有一个转子环，转子环由Nr个梯形分块转子(4)和Nr个非导磁梯形块(5)沿圆周方向交替分布组成；转子环内部同轴心地套有Ns个内分块定子(6)，每个内分块定子(6)都由从内向外依次相接的内定子梯形内嵌区(6-1)、内定子轭部(6-2)和内激励齿(6-3)组成，内定子梯形内嵌区(6-1)嵌在非导磁内壳体(8)上，内定子轭部(6-2)的两端部齐平地沿径向向外各延伸一个内激励齿(6-3)，内定子轭部(6-2)和内激励齿(6-3)形成开口朝外的U型结构，每个内激励齿(6-3)上都缠绕内绕组(7)；Ns个内分块定子(6)内部同轴心地套有转轴(9)。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车用径向双绕组开关磁阻电机，其特征是：内激励齿(6-3)和外激励齿(1-3)沿直径方向上一一对应地正对布置，外绕组(3)的匝数大于内绕组(7)的匝数。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车用径向双绕组开关磁阻电机，其特征是：外分块定子(1)的外激励齿1-3的切向宽度a和外定子轭部1-2的径向厚度a相等，内激励齿(6-3)的切向宽度b和径向宽度b相等，外激励齿(1-3)的齿端内径为r1，内激励齿(6-3)的齿端外径为r2，a/b＝r1/r2，同一相的外分块定子(1)和内分块定子(6)沿直径方向的中分线在同一条线上，位于中分线同一侧的外激励齿(1-3)和内激励齿(6-3)沿直径方向的中心线在一条线上，外分块定子(1)和内分块定子(6)的沿直径方向的中分线，外激励齿(1-3)和内激励齿(6-3)沿直径方向中心线相交于电机的几何中心点。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车用径向双绕组开关磁阻电机，其特征是：一个非导磁梯形块(5)及与其相接的两个梯形分块转子(4)组成的扇形区的外侧弧长为h2，内侧弧长为h3，一个外分块定子(1)上的两个外激励齿(1-3)齿端之间所跨越的最大弧长为h1，一个内分块定子(6)上的两个内激励齿(6-3)齿端之间所跨越的最大弧长为h4，h2大于h1，h3大于h4。
5.一种与权利要求1所述的电动汽车用径向双绕组开关磁阻电机配套连接的功率变换器，包括电源Udc、功率开关管V1-V6和二极管D1-D6，其特征是：内绕组(7)中的相绕组A1的负端同时和外绕组(3)中的相绕组A2的正端以及二极管D1的正极相连，相绕组A2的负端和功率开关管V2的源极相连；内绕组(7)中的相绕组B1的负端同时和外绕组(3)中的相绕组B2的正端以及二极管D3的正极相连，相绕组B2的负端和功率开关管V4的源极相连；内绕组(7)中的相绕组C1的负端同时和外绕组(3)中的相绕组C2的正端以及二极管D5的正极相连，相绕组C2的负端和功率开关管V6的源极相连；外绕组(3)中的相绕组A2，B2，C2并联一个功率开关管V7。
6.根据权利要求5所述的功率变换器，其特征是：当功率开关管V7处于断开状态时，同一相的内绕组(7)和外绕组(3)串联，退磁模式下的电流只流经内绕组7中的相绕组。
7.根据权利要求5所述的功率变换器，其特征是：当功率开关管V7处于闭合状态时，所述的相绕组A1，B1，C1激励驱动电机。
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