CN112994535A

CN112994535A - 一种新型双定子开关磁阻电机用功率变换器

Info

Publication number: CN112994535A
Application number: CN202110197820.4A
Authority: CN
Inventors: 闫文举; 廖朔; 陈昊; 程鹤; 刘永强
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2021-02-22
Filing date: 2021-02-22
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2041-02-22
Also published as: CN112994535B

Abstract

本发明公开一种新型双定子开关磁阻电机用功率变换器，属于新型电机及其控制领域。所述的功率变换器适用于新型模块化U型双定子开关磁阻电机结构，使新型双定子开关磁阻电机能够实现双定子工作模式、内定子工作模式、外定子工作模式、内外定子绕组串联工作模式和内外定子绕组并联工作模式的无缝切换。本发明的功率变换器在不增加系统成本的情况下，能够实现新型双定子开关磁阻电机五种工作模式的无缝切换，拓宽了电机的工作范围、可靠性和高效运行区，为新型双定子开关磁阻电机驱动在电动汽车驱动系统、多电飞机、多电舰船等领域的推广应用奠定一定的理论和实践基础。

Description

一种新型双定子开关磁阻电机用功率变换器

技术领域

本发明涉及一种新型电机及其控制领域，尤其涉及一种新型双定子开关磁阻电机用功率变换器。

背景技术

开关磁阻电机调速系统是世纪年代发展起来的一种新型交流调速系统，以其构造简单,运行可靠，高性能等优良特性，成为现代交流调速系统中的一支强有力的新军，应用前景十分广阔。针对开关磁阻电机存在着功率密度低、转矩脉动大的问题，专利申请号为：201910819153.1公开一种新型双定子开关磁阻电机，内外定子均采用U型定子分块结构，并通过转子内外齿错开一定机械角度，降低转矩脉动。由于内外定子磁场解耦，电机具有内定子、外定子、双定子、内外定子绕组串联和并联五种工作模式，目前常规的功率变换器结构已经不能满足本文所设计电机的功能需求的问题，因此设计一种能够实现上述电机五种工作模式之前无缝切换的功率变换器成为目前亟待解决的问题。

发明内容

针对上述技术中存在问题，本发明提出一种新型双定子开关磁阻电机功率变换器，能够实现新型双定子开关磁阻电机五种工作模式的无缝切换，拓宽了电机的工作范围、可靠性和高效运行区，为新型双定子开关磁阻电机驱动在电动汽车驱动系统、多电飞机、多电舰船等领域的推广应用奠定一定的理论和实践基础。

为实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

一种新型双定子开关磁阻电机用功率变换器，所述新型双定子开关磁阻电机内定子由8个U型定子块组成、外定子由8个U型定子组成、转子内外齿数为18；外定子齿的极性分布为N-S-S-N-N-S-S-N-N-S-S-N-N-S-S-N，内定子齿的极性分布为S-N-N-S-S-N-N-S-S-N-N-S-S-N-N-S；所述的新型双定子开关磁阻电机包括内定子绕组和外定子绕组，电机的相数为四相；

本发明在于，定义新型双定子开关磁阻电机的内定子绕组分别为B_iA、B_iB、B_iC和B_iD，外定子绕组分别为B_oA、B_oB、B_oC和B_oD，所述的功率变换器包括一个直流电源模块U_s、一个直流母线电容、16个二极管和16个开关管，直流母线电容的一端与开关管S_o1的一端、开关管S_i1的一端、开关管S_o2的一端、开关管S_i2的一端、开关管S_o3的一端、开关管S_i3的一端、开关管S_o4的一端、开关管S_i4的一端、二极管D_io1的阴极、二极管D_io2的阴极、二极管D_io3的阴极、二极管D_io4的阴极、二极管D_io5的阴极、二极管D_io6的阴极、二极管D_io7的阴极、二极管D_io8的阴极共连并连接到直流电源模块的正极；开关管S_o1的另外一端与外定子绕组B_oA的一端、二极管D_o1的阴极相连，开关管S_o2的另外一端与外定子绕组B_oB的一端、二极管D_o2的阴极相连，开关管S_o3的另外一端与外定子绕组B_oC的一端、二极管D_o3的阴极相连，开关管S_o4的另外一端与外定子绕组B_oD的一端、二极管D_o4的阴极相连，开关管S_i1的另外一端与内定子绕组B_iA的一端、开关管S_io2的一端、续流二极管D_io2的阳极、续流二极管D_i1的阴极相连，开关管S_i2的另外一端与内定子绕组B_iB的一端、开关管S_io4的一端、续流二极管D_io4的阳极、续流二极管D_i2的阴极相连，开关管S_i3的另外一端与内定子绕组B_iC的一端、开关管S_io6的一端、续流二极管D_io6的阳极、续流二极管D_i3的阴极相连，开关管S_i4的另外一端与内定子绕组B_iD的一端、开关管S_io8的一端、续流二极管D_io8的阳极、续流二极管D_i4的阴极相连，续流二极管D_io1的阴极与外定子绕组B_oA的另一端、内定子绕组B_iA的另一端和开关管S_io1的一端相连，续流二极管D_io3的阴极与外定子绕组B_oB的另一端、内定子绕组B_iB的另一端和开关管S_io3的一端相连，续流二极管D_io5的阴极与外定子绕组B_oC的另一端、内定子绕组B_iC的另一端和开关管S_io5的一端相连，续流二极管D_io7的阴极与外定子绕组B_oD的另一端、内定子绕组B_iD的另一端和开关管S_io7的一端相连，直流母线电容的另一端与开关管S_io1的另一端、开关管S_io2的另一端、开关管S_io3的另一端、开关管S_io4的另一端、开关管S_io5的另一端、开关管S_io6的另一端、开关管S_io7的另一端、开关管S_io8的另一端、二极管D_o1的阳极、二极管D_i1的阳极、二极管D_o2的阳极、二极管D_i2的阳极、二极管D_o3的阳极、二极管D_i3的阳极、二极管D_o4的阳极、二极管D_i4的阳极共连并连接到直流电源模块的负极。

本发明在于，当电机工作在内定子工作模式时，用到的功率开关器件为S_i1、S_i2、S_i3、S_i4、S_io1、S_io3、S_io5和S_io7，用到的续流二极管为D_io1、D_io3、D_io5、D_io7、D_i1、D_i2、D_i3和D_i4。

本发明在于，当电机工作在外定子工作模式时，用到的功率开关器件为S_o1、S_o2、S_o3、S_o4、S_io1、S_io3、S_io5和S_io7，用到的续流二极管为D_io1、D_io3、D_io5、D_io7、D_o1、D_o2、D_o3和D_o4。

本发明在于，当电机工作在双定子工作模式时，用到的功率开关器件为S_o1、S_o2、S_o3、S_o4、S_i1、S_i2、S_i3、S_i4、S_io1、S_io3、S_io5和S_io7，用到的续流二极管为D_io1、D_io3、D_io5、D_io7、D_i1、D_i2、D_i3、D_i4、D_o1、D_o2、D_o3和D_o4。

本发明在于，当电机工作在内外定子串联工作模式时，用到的功率开关器件为S_o1、S_o2、S_o3、S_o4、S_io2、S_io4、S_io6和S_io8，用到的续流二极管为D_io1、D_io2、D_io3、D_io4、D_io5、D_io6、D_io7、D_io8、D_o1、D_o2、D_o3和D_o4。

本发明在于，当电机工作在内外定子并联工作模式时，用到的功率开关器件为S_o1、S_o2、S_o3、S_o4、S_i1、S_i2、S_i3、S_i4、S_io1、S_io3、S_io5和S_io7，用到的续流二极管为D_io1、D_io3、D_io5、D_io7、D_i1、D_i2、D_i3、D_i4、D_o1、D_o2、D_o3和D_o4。

本发明在于，开关管为IGBT或者MOSFET，所述的二极管均采用快恢复二极管。

有益效果：本发明所述的新型双定子开关磁阻电机功率变换器，能够实现新型双定子开关磁阻电机双定子工作模式、内定子工作模式、外定子工作模式、内外定子绕组串联工作模式和内外定子绕组并联工作模式的无缝切换，拓宽了电机的工作范围、可靠性和高效运行区，为新型双定子开关磁阻电机驱动在电动汽车驱动系统、多电飞机、多电舰船等领域的推广应用奠定一定的理论和实践基础，具有良好的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明的新型双定子开关磁阻电机功率变换器拓扑结构图。

图2是本发明的新型双定子开关磁阻电机功率变换器在内定子工作模式的工作模态图。

图3是本发明的新型双定子开关磁阻电机功率变换器在外定子工作模式的工作模态图。

图4是本发明的新型双定子开关磁阻电机功率变换器在内外定子绕组并联工作模式的工作模态图。

图5是本发明的新型双定子开关磁阻电机功率变换器在内外定子绕组串联工作模式的工作模态图。

图6是本发明的新型双定子开关磁阻电机功率变换器在双定子工作模式的工作模态图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

本实施案例的新型双定子开关磁阻电机功率，如图1所示，包括一个直流电源模块U_s、一个直流母线电容、16个二极管和16个开关管，直流母线电容的一端与开关管S_o1的一端、开关管S_i1的一端、开关管S_o2的一端、开关管S_i2的一端、开关管S_o3的一端、开关管S_i3的一端、开关管S_o4的一端、开关管S_i4的一端、二极管D_io1的阴极、二极管D_io2的阴极、二极管D_io3的阴极、二极管D_io4的阴极、二极管D_io5的阴极、二极管D_io6的阴极、二极管D_io7的阴极、二极管D_io8的阴极共连并连接到直流电源模块的正极；开关管S_o1的另外一端与外定子绕组B_oA的一端、二极管D_o1的阴极相连，开关管S_o2的另外一端与外定子绕组B_oB的一端、二极管D_o2的阴极相连，开关管S_o3的另外一端与外定子绕组B_oC的一端、二极管D_o3的阴极相连，开关管S_o4的另外一端与外定子绕组B_oD的一端、二极管D_o4的阴极相连，开关管S_i1的另外一端与内定子绕组B_iA的一端、开关管S_io2的一端、续流二极管D_io2的阳极、续流二极管D_i1的阴极相连，开关管S_i2的另外一端与内定子绕组B_iB的一端、开关管S_io4的一端、续流二极管D_io4的阳极、续流二极管D_i2的阴极相连，开关管S_i3的另外一端与内定子绕组B_iC的一端、开关管S_io6的一端、续流二极管D_io6的阳极、续流二极管D_i3的阴极相连，开关管S_i4的另外一端与内定子绕组B_iD的一端、开关管S_io8的一端、续流二极管D_io8的阳极、续流二极管D_i4的阴极相连，续流二极管D_io1的阴极与外定子绕组B_oA的另一端、内定子绕组B_iA的另一端和开关管S_io1的一端相连，续流二极管D_io3的阴极与外定子绕组B_oB的另一端、内定子绕组B_iB的另一端和开关管S_io3的一端相连，续流二极管D_io5的阴极与外定子绕组B_oC的另一端、内定子绕组B_iC的另一端和开关管S_io5的一端相连，续流二极管D_io7的阴极与外定子绕组B_oD的另一端、内定子绕组B_iD的另一端和开关管S_io7的一端相连，直流母线电容的另一端与开关管S_io1的另一端、开关管S_io2的另一端、开关管S_io3的另一端、开关管S_io4的另一端、开关管S_io5的另一端、开关管S_io6的另一端、开关管S_io7的另一端、开关管S_io8的另一端、二极管D_o1的阳极、二极管D_i1的阳极、二极管D_o2的阳极、二极管D_i2的阳极、二极管D_o3的阳极、二极管D_i3的阳极、二极管D_o4的阳极、二极管D_i4的阳极共连并连接到直流电源模块的负极，其中新型双定子开关磁阻电机的内定子绕组分别为B_iA、B_iB、B_iC和B_id，外定子绕组分别为B_oA、B_oB、B_oC和B_oD。

接着以A相的两个定子绕组B_iA和B_oA为例具体说明五种模式的实现过程，其他B、C、D三相与A相类似。

当电机工作在内定子工作模式时，只有内定子绕组工作，此时用到的功率开关器件为S_i1和S_io1，用到的续流二极管为D_io1和D_i1。图2给出了电机内定子绕组励磁、续流和退磁时的电流流动方向，由图2可知，当电机工作在内定子工作模式时，本文所提出的功率变换器可以实现励磁、上管续流、下管续流和负电压去磁四个工作模态。

当电机工作在外定子工作模式时，只有外定子绕组工作，此时用到的功率开关器件为S_o1和S_io1，用到的续流二极管为D_io1和D_o1。图3给出了电机外定子绕组励磁、续流和退磁时的电流流动方向，由图3可知，当电机工作在外定子工作模式时，本文所提出的功率变换器可以实现励磁、上管续流、下管续流和负电压去磁四个工作模态。

当电机工作在内外定子并联工作模式时，内外定子绕组同时工作，此时用到的功率开关器件为S_o1、S_i1和S_io1，用到的续流二极管为D_io1、D_o1和D_i1。图4给出了电机内外定子绕组励磁、续流和退磁时的电流流动方向，由图4可知，当电机工作在内外定子并联工作模式时，本文所提出的功率变换器可以实现励磁、上管续流、下管续流和负电压去磁四个工作模态。

当电机工作在内外定子串联工作模式时，内外定子绕组同时工作，此时用到的功率开关器件为S_o1和S_io2，用到的续流二极管为D_io1、D_o1和D_io2。图5给出了电机内外定子绕组励磁、续流和退磁时的电流流动方向，由图5可知，当电机工作在内外定子并联工作模式时，本文所提出的功率变换器可以实现励磁、上管续流、下管续流和负电压去磁四个工作模态。

当电机工作在双定子模式时，内外定子绕组顺序导通，此时用到的功率开关器件为S_o1、S_i1、S_io1和S_io1，用到的续流二极管为D_i1、D_o1和D_io1。图6给出了电机内外定子绕组励磁、续流和退磁时的电流流动方向，以外定子绕组B_oA、内定子绕组B_iA顺序通电模式为例：①当内定子绕组B_iA比外定子绕组B_oA先关断时，内定子绕组B_iA在外定子绕组B_oA关断之前会存在一段零电压续流，如图6(c)所示；当外定子绕组B_oA关断，若内定子绕组B_iA没有续流到0，会存在内定子绕组B_iA和外定子绕组B_oA同时负电压续流，如图6(d)所示。②当外定子绕组B_oA比内定子绕组B_iA先关断时，外定子绕组B_oA在内定子绕组B_iA关断之前会存在一段零电压续流，如图6(e)所示；当内定子绕组B_iA关断，若外定子绕组B_oA没有续流到0，会存在内定子绕组B_iA和外定子绕组B_oA同时负电压续流，如图6(f)所示。③当内定子绕组B_iA关断，若外定子绕组B_oA续流到0，内定子绕组会存在零电压续流和负电压续流两个模态，如图6(g)、6(h)和6(i)所示。

Claims

1.一种新型双定子开关磁阻电机用功率变换器，所述新型双定子开关磁阻电机内定子由8个U型定子块组成、外定子由8个U型定子组成、转子内外齿数为18；外定子齿的极性分布为N-S-S-N-N-S-S-N-N-S-S-N-N-S-S-N，内定子齿的极性分布为S-N-N-S-S-N-N-S-S-N-N-S-S-N-N-S；所述的新型双定子开关磁阻电机包括内定子绕组和外定子绕组，电机的相数为四相；

其特征在于，定义新型双定子开关磁阻电机的内定子绕组分别为B_iA、B_iB、B_iC和B_iD，外定子绕组分别为B_oA、B_oB、B_oC和B_oD，所述的功率变换器包括一个直流电源模块U_s、一个直流母线电容、16个二极管和16个开关管，直流母线电容的一端与开关管S_o1的一端、开关管S_i1的一端、开关管S_o2的一端、开关管S_i2的一端、开关管S_o3的一端、开关管S_i3的一端、开关管S_o4的一端、开关管S_i4的一端、二极管D_io1的阴极、二极管D_io2的阴极、二极管D_io3的阴极、二极管D_io4的阴极、二极管D_io5的阴极、二极管D_io6的阴极、二极管D_io7的阴极、二极管D_io8的阴极共连并连接到直流电源模块的正极；开关管S_o1的另外一端与外定子绕组B_oA的一端、二极管D_o1的阴极相连，开关管S_o2的另外一端与外定子绕组B_oB的一端、二极管D_o2的阴极相连，开关管S_o3的另外一端与外定子绕组B_oC的一端、二极管D_o3的阴极相连，开关管S_o4的另外一端与外定子绕组B_oD的一端、二极管D_o4的阴极相连，开关管S_i1的另外一端与内定子绕组B_iA的一端、开关管S_io2的一端、续流二极管D_io2的阳极、续流二极管D_i1的阴极相连，开关管S_i2的另外一端与内定子绕组B_iB的一端、开关管S_io4的一端、续流二极管D_io4的阳极、续流二极管D_i2的阴极相连，开关管S_i3的另外一端与内定子绕组B_iC的一端、开关管S_io6的一端、续流二极管D_io6的阳极、续流二极管D_i3的阴极相连，开关管S_i4的另外一端与内定子绕组B_iD的一端、开关管S_io8的一端、续流二极管D_io8的阳极、续流二极管D_i4的阴极相连，续流二极管D_io1的阴极与外定子绕组B_oA的另一端、内定子绕组B_iA的另一端和开关管S_io1的一端相连，续流二极管D_io3的阴极与外定子绕组B_oB的另一端、内定子绕组B_iB的另一端和开关管S_io3的一端相连，续流二极管D_io5的阴极与外定子绕组B_oC的另一端、内定子绕组B_iC的另一端和开关管S_io5的一端相连，续流二极管D_io7的阴极与外定子绕组B_oD的另一端、内定子绕组B_iD的另一端和开关管S_io7的一端相连，直流母线电容的另一端与开关管S_io1的另一端、开关管S_io2的另一端、开关管S_io3的另一端、开关管S_io4的另一端、开关管S_io5的另一端、开关管S_io6的另一端、开关管S_io7的另一端、开关管S_io8的另一端、二极管D_o1的阳极、二极管D_i1的阳极、二极管D_o2的阳极、二极管D_i2的阳极、二极管D_o3的阳极、二极管D_i3的阳极、二极管D_o4的阳极、二极管D_i4的阳极共连并连接到直流电源模块的负极。

2.根据权利要求1所述的一种新型双定子开关磁阻电机用功率变换器，其特征在于，当电机工作在内定子工作模式时，用到的功率开关器件为S_i1、S_i2、S_i3、S_i4、S_io1、S_io3、S_io5和S_io7，用到的续流二极管为D_io1、D_io3、D_io5、D_io7、D_i1、D_i2、D_i3和D_i4。

3.根据权利要求1所述的一种新型双定子开关磁阻电机用功率变换器，其特征在于，当电机工作在外定子工作模式时，用到的功率开关器件为S_o1、S_o2、S_o3、S_o4、S_io1、S_io3、S_io5和S_io7，用到的续流二极管为D_io1、D_io3、D_io5、D_io7、D_o1、D_o2、D_o3和D_o4。

4.根据权利要求1所述的一种新型双定子开关磁阻电机用功率变换器，其特征在于，当电机工作在双定子工作模式时，用到的功率开关器件为S_o1、S_o2、S_o3、S_o4、S_i1、S_i2、S_i3、S_i4、S_io1、S_io3、S_io5和S_io7，用到的续流二极管为D_io1、D_io3、D_io5、D_io7、D_i1、D_i2、D_i3、D_i4、D_o1、D_o2、D_o3和D_o4。

5.根据权利要求1所述的一种新型双定子开关磁阻电机用功率变换器，其特征在于，当电机工作在内外定子串联工作模式时，用到的功率开关器件为S_o1、S_o2、S_o3、S_o4、S_io2、S_io4、S_io6和S_io8，用到的续流二极管为D_io1、D_io2、D_io3、D_io4、D_io5、D_io6、D_io7、D_io8、D_o1、D_o2、D_o3和D_o4。

6.根据权利要求1所述的一种新型双定子开关磁阻电机用功率变换器，其特征在于，当电机工作在内外定子并联工作模式时，用到的功率开关器件为S_o1、S_o2、S_o3、S_o4、S_i1、S_i2、S_i3、S_i4、S_io1、S_io3、S_io5和S_io7，用到的续流二极管为D_io1、D_io3、D_io5、D_io7、D_i1、D_i2、D_i3、D_i4、D_o1、D_o2、D_o3和D_o4。

7.根据权利要求1所述的一种新型双定子开关磁阻电机用功率变换器，其特征在于，开关管为IGBT或者MOSFET，所述的二极管均采用快恢复二极管。