CN116404943B - 一种双定子开关磁阻电机用功率变换器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双定子开关磁阻电机用功率变换器及控制方法，该功率变换器适用于双定子开关磁阻电机为模块化U型双定子结构，且电机的相数为四相。该功率变换器包括一个直流电源模块Us、两个升压前置电路及一个多开关功率变换电路。该双定子开关磁阻电机具有五种工作模式，实现了双定子开关磁阻电机的五种工作模式和模式间的无缝切换。并且，由于功率变换器中包含两个前置升压电路，提高了功率变换器的直流源电压，增加了电机的输出转矩，拓宽了电机的工作范围。并且在五种工作模式下都实现在抑制拖尾电流的同时，提高输出转矩，充分利用升压电路。为新型双定子开关磁阻电机的推广应用奠定了一定的理论和实践基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型电机及其控制领域，更具体来说，涉及一种新型双定子开关磁阻电机用功率变换器及控制方法。
背景技术
开关磁阻电机(Switched Reluctance motor，SRM)具有可靠性高、成本低、结构简单、起动转矩大和调速范围宽等优点，使其在航空航天、电动汽车、纺织工程等多个领域具有良好的应用前景。但传统的开关磁阻电机存在着功率密度低、转矩脉动大的缺点，针对这些缺点，学者们研究出各种新型开关磁阻电机。针对于不同电机，传统功率变换器已无法满足要求。
现有的专利公开了一种适用于新型双定子开关磁阻电机的功率变换器(专利号为2021101978204)，可以实现该新型电机内定子、外定子、双定子、内外定子串联和并联五种工作模式。但对新型双定子开关磁阻电机的拓扑研究目前还处在起步阶段，该功率变换器在效率、提高电机输出转矩、发挥电机性能和绕组励磁退磁速度等多方面存在不足。
因此，目前需设计一种新型双定子开关磁阻电机用功率变换器，在实现原有功率变换器功能的基础上，进一步发挥新型双定子开关磁阻电机优势。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种双定子开关磁阻电机用功率变换器及控制方法，能够实现双定子开关磁阻电机的五种工作模式和模式间的无缝切换，并且对电机的输出转矩也有一定的提高,为新型双定子开关磁阻电机的推广应用奠定了理论和实践基础。
为了实现上述技术目的，本发明按以下技术方案实现：
本发明第一方面公开了一种双定子开关磁阻电机用功率变换器，该功率变换器适用于双定子开关磁阻电机为模块化U型双定子结构，且电机的相数为四相；所述功率变换器包括一个直流电源模块Us、两个升压前置电路及一个多开关功率变换电路；所述两个升压前置电路由两个升压电容Cb1和Cb2、两个续流二极管Db1和Db2以及三个功率开关管Sb1、Sb2和Sb3构成；其中，升压前置电路1中升压电容Cb1的一端和二极管Db1的阳极与开关管Sb2的一端、直流电源模块的正极共连在一起；升压电容Cb1的另一端与开关管Sb1的一端共连在一起；开关管Sb1的另一端和二极管Db1的阴极与多开关功率变换电路一输入端共连在一起；开关管Sb2的另一端与升压电路2中升压电容Cb2的一端和开关管Sb3的一端共连在一起；升压前置电路2中开关管Sb3的另一端和二极管Db2的阴极与直流电源模块的负极共连在一起；升压电容Cb2的另一端和二极管Db2的阳极与多开关功率变换电路另一输入端共连在一起。
在一些实施例中，定义双定子开关磁阻电机中，Ai、Bi、Ci和Di构成内定子绕组，Ao、Bo、Co和Do构成外定子绕组；所述多开关功率变换电路由十二个二极管和十四个开关管组成；其中，功率变换电路中的开关管S1、S2、S3、S7、S8、S9的一端、二极管D3、D5、D6、D9、D11、D12的阴极与所述开关管Sb1的另一端和二极管Db1的阴极共连在一起；开关管S4、S5、S6、S10、S11、S12的另一端、二极管D1、D2、D4、D7、D8、管D10的阳极与升压电容Cb2的另一端和二极管Db2的阳极共连在一起；开关管S1的另一端与外定子绕组Ao的一端和二极管D1的阴极共连在一起；开关管S2的另一端与外定子绕组Co的一端和二极管D2的阴极共连在一起；二极管D3的阳极与外定子绕组Ao的另一端、外定子绕组Co的另一端、开关管Q1的一端和开关管S4的一端共连在一起；开关管S3的另一端与内定子绕组Ai的一端、内定子绕组Ci的一端、开关管Q1的另一端和二极管D4的阴极共连在一起；二极管D5的阳极与内定子绕组Ai的另一端和开关管S5的一端共连在一起；二极管D6的阳极与内定子绕组Ci的另一端和开关管S6的一端共连在一起；开关管S7的另一端与外定子绕组Bo的一端和二极管D7的阴极共连在一起；开关管S8的另一端与外定子绕组Do的一端和二极管D8的阴极共连在一起；二极管D9的阳极与外定子绕组Bo的另一端、外定子绕组Do的另一端、开关管Q2的一端和开关管S10的一端共连在一起；开关管S9的另一端与内定子绕组Bi的一端、内定子绕组Di的一端、开关管Q2的另一端和二极管D10的阴极共连在一起；二极管D11的阳极与内定子绕组Bi的另一端和开关管S11的一端共连在一起；二极管D12的阳极与内定子绕组Di的另一端和开关管S12的一端共连在一起。
在一些实施例中，双定子开关磁阻电机的工作模式包括：内定子工作模式、外定子工作模式、双定子工作模式、内外定子串联和并联工作模式五种模式。
在一些实施例中，当电机处于内定子工作模式时，用到的功率开关器件为S3、S5、S6、S9、S11和S12，用到的续流二极管为D4、D5、D6、D10、D11和D12；当电机处于外定子工作模式时，用到的功率开关器件为S1、S2、S4、S7、S8和S10，用到的续流二极管为D1、D2、D3、D7、D8和D9；当电机处于内外定子并联工作模式时，用到的功率开关器件为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11和S12，用到的续流二极管为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11和D12；当电机处于内外定子串联工作模式时，用到的功率开关器件为S1、S2、S5、S6、S7、S8、S11、S12、Q1和Q2，用到的续流二极管为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11和D12；当电机处于双定子工作模式时，用到的功率开关器件为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11和S12，用到的续流二极管为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11和D12。
在一些实施例中，所述内定子工作模式、外定子工作模式、双定子工作模式、内外定子串联和并联工作模式五种模式均能够实现励磁、上管续流、下管续流和负电压去磁四个工作模态。
在一些实施例中，所述两个前置升压电路具有超快速励磁工作模态、快速励磁工作模态、一般励磁工作模态、超快速退磁工作模态及零电压续流工作模态五种工作模态。
在一些实施例中，当升压电路处于超快速励磁工作模态时，用到的功率开关器件为Sb1和Sb3，用到的升压电容为Cb1和Cb2，未用到续流二极管；当升压电路处于快速励磁工作模态时，用到的功率开关器件为Sb3，用到续流二极管为Db1，用到的升压电容为Cb2；当升压电路处于一般励磁工作模态时，用到的功率开关器件为Sb2，用到续流二极管为Db1和Db1，用到的升压电容为Cb2；当升压电路处于超快速退磁工作模态时，用到的功率开关器件为为Sb1和Sb3，用到的升压电容为Cb1和Cb2，未用到续流二极管；当升压电路处于零电压续流工作模态时，未用到前置升压电路中的功率开关器件、续流二极管和升压电容。
在一些实施例中，所述功率开关管为IGBT或者MOSFET，所述二极管均采用快速恢复二极管。
一种基于上述的双定子开关磁阻电机用功率变换器的控制方法：对两个前置升压电路充放电时间进行控制，包括：
当处于内定子、外定子、内外定子串联和并联的工作模式，两个前置升压电路的升压位置在每相的开通角和关断角位置后的一定角度区间内，电容Cb2处于放电状态，其它角度区间处于充电状态；电容Cb1只在每相关断角位置后的一定角度区间内，处于放电状态；当处于双定子工作模式，在每相开通角位置后的一定角度区间内，在公共开关管上叠加一个一定频率和占空比为0.5的PWM信号，能够一边对A相施加负电压，使其继续退磁，一边对C相施加正电压，使其仍能正常励磁。
在一些实施例中，电容Cb2从每相开通角和关断角至开通角和关断角后2°的范围内处于放电状态；电容Cb1只在每相从关断角至关断角后1°的范围内处于放电状态；在每相从开通角至开通角后2°的范围内，在公共开关管上叠加一个一定频率和占空比为0.5的PWM信号。
与现有技术相比，本发明有益效果：
本发明所述的新型双定子开关磁阻电机用功率变换器，可以完全实现双定子开关磁阻电机的内定子工作模式、外定子工作模式、双定子工作模式、内外定子串联和并联工作模式以及五种模式间的无缝切换；通过功率变换器中包含的两个前置升压电路，提高了功率变换器的直流源电压，增加了电机的输出转矩，拓宽了电机的工作范围；并且针对于电机不同工作模式，对升压电路采用两种控制策略，提高了控制的灵活性，利用了电机五种工作模式的特点，保证在五种工作模式下都实现在抑制拖尾电流的同时，提高输出转矩，充分利用升压电路。为新型双定子开关磁阻电机的推广应用奠定了一定的理论和实践基础。
附图说明
图1为本发明的双定子开关磁阻电机用功率变换器拓扑结构图。
图2为本发明的双定子开关磁阻电机用功率变换器处于内定子工作模式时的模态图(a为励磁模式，b为续流模式一，c为续六模式二，d为退磁模式)。
图3为本发明的双定子开关磁阻电机用功率变换器处于外定子工作模式时的模态图(a为励磁模式，b为续流模式一，c为续六模式二，d为退磁模式)。
图4为本发明的双定子开关磁阻电机用功率变换器处于内外定子并联工作模式时的模态图(a为励磁模式，b为续流模式一，c为续六模式二，d为退磁模式)。
图5为本发明的双定子开关磁阻电机用功率变换器处于内外定子串联工作模式时的模态图(a为励磁模式，b为续流模式一，c为续六模式二，d为退磁模式)。
图6为本发明的双定子开关磁阻电机用功率变换器处于双定子工作模式时的模态图(a为励磁模式一，b为励磁模式二，c为励磁模式和续流模式一，d为励磁模式和续流模式二，e为励磁模式和续流模式三，f为续流模式一，g为续流模式二，h为续流模式三，i为续流模式四，j为负电压退磁模式一，k为续流模式五，l为续流模式六，m为负电压退磁模式二，n为续流模式七，o为续流模式八，p为负电压退磁模式三)。
图7为本发明的双定子开关磁阻电机用功率变换器中前置升压电路的五种工作模态图(a为超快速励磁模式，b为快速励磁模式，c为一般励磁模式，d为超快速退磁模式，e为零电压续流模式)。
图8为本发明的双定子开关磁阻电机用功率变换器中前置升压电路的控制信号图(a为内定子、外定子、内外定子串联和并联工作模式升压位置信号图，b为双定子工作模式升压位置信号图)。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种双定子开关磁阻电机用功率变换器，该功率变换器所应用的双定子开关磁阻电机为模块化U型双定子结构，包括内外齿数为18的双边齿转子、8个均匀分布的U型内定子分块和8个均匀分布的U型外定子分块；内外U型定子分块的齿上绕有集中绕组，径向相对的两个外定子分块串联在一起，径向相背的两个内定子分块串联在一起；外定子的极性分布为N-S-S-N-N-S-S-N-N-S-S-N-N-S-S-N，内定子的极性分布为S-N-N-S-S-N-N-S-S-N-N-S-S-N-N-S，电机的相数为四相。
定义双定子开关磁阻电机中，Ai、Bi、Ci和Di构成内定子绕组，Ao、Bo、Co和Do构成外定子绕组。
如图1所示，功率变换器包括一个直流电源模块Us、两个升压电容、14个二极管和17个开关管。其中，由两个升压电容、两个二极管和三个开关管构成两个升压前置电路。
升压电路1中升压电容Cb1的一端和二极管Db1的阳极与开关管Sb2的一端、直流电源模块的正极共连在一起；升压电路1中升压电容Cb1的另一端与开关管Sb1的一端共连在一起；开关管Sb2的另一端与升压电路2中升压电容Cb2的一端和开关管Sb3的一端共连在一起；升压电路1中开关管Sb1的另一端和二极管Db1的阴极与开关管S1的一端、开关管S2的一端、开关管S3的一端、开关管S7的一端、开关管S8的一端、开关管S9的一端、二极管D3的阴极、二极管D5的阴极、二极管D6的阴极、二极管D9的阴极、二极管D11的阴极、二极管D12的阴极共连在一起；开关管S1的另一端与外定子绕组Ao的一端和二极管D1的阴极共连在一起；开关管S2的另一端与外定子绕组Co的一端和二极管D2的阴极共连在一起；二极管D3的阳极与外定子绕组Ao的另一端、外定子绕组Co的另一端、开关管Q1的一端和开关管S4的一端共连在一起；开关管S3的另一端与内定子绕组Ai的一端、内定子绕组Ci的一端、开关管Q1的另一端和二极管D4的阴极共连在一起；二极管D5的阳极与内定子绕组Ai的另一端和开关管S5的一端共连在一起；二极管D6的阳极与内定子绕组Ci的另一端和开关管S6的一端共连在一起；开关管S7的另一端与外定子绕组Bo的一端和二极管D7的阴极共连在一起；开关管S8的另一端与外定子绕组Do的一端和二极管D8的阴极共连在一起；二极管D9的阳极与外定子绕组Bo的另一端、外定子绕组Do的另一端、开关管Q2的一端和开关管S10的一端共连在一起；开关管S9的另一端与内定子绕组Bi的一端、内定子绕组Di的一端、开关管Q2的另一端和二极管D10的阴极共连在一起；二极管D11的阳极与内定子绕组Bi的另一端和开关管S11的一端共连在一起；二极管D12的阳极与内定子绕组Di的另一端和开关管S12的一端共连在一起；升压电路2中开关管Sb3的另一端和二极管Db2的阴极与直流电源模块的负极共连在一起；升压电路2中升压电容Cb2的另一端和二极管Db2的阳极与开关管S4的另一端、开关管S5的另一端、开关管S6的另一端、开关管S10的另一端、开关管S11的另一端、开关管S12的另一端、二极管D1的阳极、二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、二极管D7的阳极、二极管D88的阳极、二极管D10的阳极共连在一起。
需要说明的是，开关管为IGBT或者MOSFET，二极管均采用快速恢复二极管。
双定子开关磁阻电机的工作模式包括内定子工作模式、外定子工作模式、双定子工作模式、内外定子串联和并联工作模式五种模式。
(一)当电机处于内定子工作模式时，用到的功率开关器件为S3、S5、S6、S9、S11和S12，用到的续流二极管为D4、D5、D6、D10、D11和D12；
(二)当电机处于外定子工作模式时，用到的功率开关器件为S1、S2、S4、S7、S8和S10，用到的续流二极管为D1、D2、D3、D7、D8和D9；
(三)当电机处于内外定子并联工作模式时，用到的功率开关器件为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11和S12，用到的续流二极管为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11和D12；
(四)当电机处于内外定子串联工作模式时，用到的功率开关器件为S1、S2、S5、S6、S7、S8、S11、S12、Q1和Q2，用到的续流二极管为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11和D12；
(五)当电机处于双定子工作模式时，用到的功率开关器件为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11和S12，用到的续流二极管为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、D10、D11和D12。
实施例：双定子开关磁阻电机中A相对应的内外定子绕组Ai和Ao为例，来具体说明电机五种工作模式的实现过程，而其余B、C、D三相与A相类似。
(一)当电机工作在内定子工作模式时，电机只有内定子工作。用到的功率开关器件为S3和S5，用到的二极管为D4和D5。图2给出了电机A相内定子绕组励磁、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，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。
(二)当电机工作在外定子工作模式时，电机只有外定子工作。用到的功率开关器件为S1和S4，用到的二极管为D1和D3。图3给出了电机A相外定子绕组励磁、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，新型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。
(三)当电机工作在内外定子并联工作模式时，电机每相内定子绕组和外定子绕组同时工作。图4给出了电机处于并联工作模式下A相绕组励磁、续流和退磁时的电流流动方向。用到的功率开关器件为S1、S3、S4和S5，用到的续流二极管为D1、D3、D4和D5。由图4可知，当电机工作在内外定子并联工作模式时，新型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。
(四)当电机工作在内外定子串联工作模式时，电机每相内定子绕组和外定子绕组同时工作。图5给出了电机处于串联工作模式下A相绕组励磁、续流和退磁时的电流流动方向。用到的功率开关器件为S1、Q1和S5，用到的续流二极管为D1、D3、D4和D5。由图5可知，当电机工作在内外定子串联工作模式时，新型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。
(五)当电机工作在双定子模式时，内外定子绕组顺序导通。图6给出了电机绕组A相励磁、续流和退磁时的电流流动方向，以外定子绕组Ao和内定子绕组Ai顺序通电模式为例：
①首先开通外定子绕组Ao，工作模态如图6(a)所示，然后开通内定子绕组Ai，此时外定子绕组Ao和内定子绕组Ai同时开通，工作模态如图6(b)所示。
②当内定子绕组Ai比外定子绕组Ao先关断时，内定子绕组Ai在外定子绕组Ao关断之前会存在一段零电压续流，如图6(c)-(d)所示。
③当外定子绕组Ao比内定子绕组Ai先关断时，外定子绕组Ao在内定子绕组Ai关断之前会存在一段零电压续流，如图6(e)所示。
④当外定子绕组Ao关断时内定子绕组Ai没有续流到0或者内定子绕组Ai关断时外定子绕组Ao没有续流到0，外定子绕组Ao和内定子绕组Ai会处于零电压续流或负电压续流模态，如图6(f)-(j)所示。
⑤当外定子绕组Ao关断，若内定子绕组Ai续流到0，外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(k)-(m)所示。
⑥当内定子绕组Ai关断，若外定子绕组Ao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(n)-(p)。用到的功率开关器件为S1、S3、S4和S5，用到的续流二极管为D1、D3、D4和D5。由图6可知，当电机工作在双定子工作模式时，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。
一种双定子开关磁阻电机用功率变换器中包含两个前置升压电路，用到的功率开关器件为Sb1、Sb2和Sb3，用到的续流二极管为Db1和Db2，用到的升压电容为Cb1和Cb2，两个前置升压电路具有五种工作模态，分别为超快速励磁工作模态、快速励磁工作模态、一般励磁工作模态、超快速退磁工作模态及零电压续流工作模态。
当升压电路处于超快速励磁工作模态时，用到的功率开关器件为Sb1和Sb3，用到的升压电容为Cb1和Cb2，未用到续流二极管；
当升压电路处于快速励磁工作模态时，用到的功率开关器件为Sb3，用到续流二极管为Db1，用到的升压电容为Cb2；
当升压电路处于一般励磁工作模态时，用到的功率开关器件为Sb2，用到续流二极管为Db1和Db1，用到的升压电容为Cb2；
当升压电路处于超快速退磁工作模态时，用到的功率开关器件为为Sb1和Sb3，用到的升压电容为Cb1和Cb2，未用到续流二极管；
当升压电路处于零电压续流工作模态时，未用到前置升压电路中的功率开关器件、续流二极管和升压电容。
实施例：以电机外定子绕组Co为例，如图7(a)-(e)所示，给出了两个前置升压电路的五种工作模态图。定义升压电容Cb1和Cb2两端的电压为U1和U2，直流源模块电压为Us。
模态一：该种工作模态为超快速励磁模式。如图7(a)所示，此时，功率开关管Sb1、Sb3、S2和S4导通，Sb2和S1断开，U1、U2和Us三个电压为串联状态。因此，加在外定子绕组Co两端的电压为U1+U2+Us，绕组两端因获得更高的正电压而能够以更快的速度励磁，电流和转矩迅速上升。
模态二：该种工作模态为快速励磁模式。如图7(b)所示，此时，功率开关管Sb3、S2和S4导通，Sb1、Sb2和S1断开，U2和Us两个电压为串联状态。因此，加在外定子绕组Co两端的电压为U2+Us，绕组也可以快速励磁。
模态三：该种工作模态为一般励磁模式。如图7(c)所示，此时，功率开关管Sb2、S2和S4导通，Sb1、Sb3和S1断开，加在外定子绕组Co两端的电压为Us，绕组以正常速度励磁。此外，直流源模块电压Us对升压电容Cb2进行充电。
模态四：该种工作模态为超快速退磁模式。如图7(d)所示，此时，功率开关管Sb1、Sb2、Sb3、S1、S2和S4都处于断开状态，U1、U2和Us三个电压也处于串联状态。因此，加在外定子绕组Co两端的电压为-(U1+U2+Us)，绕组两端因获得更高的负电压而能够以更快的速度退磁，电流和转矩迅速下降。储存在绕组内的能量反馈给直流电源，电流通过并联在Sb1和Sb3上的反向二极管给升压电容Cb1和Cb2充电。
模态五：该种工作模态为零电压续流模式。如图7(e)所示，此时，施加在外定子绕组Co两端的电压为零，绕组电流流经S4和D2续流。当外定子绕组Co处于零电压续流状态时，与其公用开关管S4的外定子绕组Ao处于励磁状态。此时，关于功率开关管的通断情况分为两种。当外定子绕组Ao处于快速励磁模式时，功率开关管Sb1、Sb3、S1和S4导通，Sb2和S1断开；当外定子绕组Ao处于一般励磁模式时，功率开关管Sb2、S1和S4导通，Sb1、Sb3和S2断开。
由于在功率变换器中，A、C两相共用一个开关管，会存在退磁困难的问题。即当A相驱动信号出现，需要公用开关管导通，若此时C相电流还未退磁到0，C相电流就会处于自然续流状态。由于C相绕组处于电感下降区，C相电流存在一个上升阶段，形成拖尾电流。
为了达到较好的抑制拖尾电流的效果和较快的励磁速度，以及考虑两个升压电路充电电容的充电时间，需要对两个升压电路充放电时间进行控制。针对双定子开关磁阻电机的五种工作模式采用了两种控制策略，提出了一种双定子开关磁阻电机用功率变换器的控制方法，对两个前置升压电路充放电时间进行控制，该方法包括：
当处于内定子、外定子、内外定子串联和并联的工作模式，两个前置升压电路的升压位置在每相的开通角和关断角位置后的一定角度区间内，电容Cb2处于放电状态，其它角度区间处于充电状态；电容Cb1只在每相关断角位置后的一定角度区间内，处于放电状态。
当电机处于双定子工作模式，在每相开通角位置后的一定角度区间内，在公共开关管上叠加一个一定频率和占空比为0.5的PWM信号，能够一边对A相施加负电压，使其继续退磁，一边对C相施加正电压，使其仍能正常励磁。
进一步，电容Cb2从每相开通角和关断角至开通角和关断角后2°的范围内处于放电状态；电容Cb1只在每相从关断角至关断角后1°的范围内处于放电状态；在每相从开通角至开通角后2°的范围内，在公共开关管上叠加一个一定频率和占空比为0.5的PWM信号。需要说明的是上述角度区间范围对于不同结构的转子极的电机角度会有一定的变化。
实施例：如图8所示，对于内定子、外定子、内外定子串联和并联的工作模式，两个升压电路的升压的位置如图8(a)所示，在每相的开通角和关断角位置后的一定角度区间内，电容Cb2处于放电状态。其它角度区间处于充电状态；电容Cb1的充电方式只有电机绕组续流充电一种，充电速度较慢，所以电容Cb1需要更多的时间进行充电，以防影响升压效果，因此，只在在每相关断角位置后的一定角度区间内，电容Cb1处于放电状态。
对于双定子工作模式，在如图8(a)所示控制策略的基础上，在每相开通角位置后的一定角度区间内，在公共开关管上叠加一个一定频率和占空比为0.5的PWM信号，可以一边对A相施加负电压，使其继续退磁，一边对C相施加正电压，使其仍能正常励磁，具体叠加PWM信号的位置如图8(b)所示。
综上，本发明所述的双定子开关磁阻电机用功率变换器，可以完全实现双定子开关磁阻电机的内定子工作模式、外定子工作模式、双定子工作模式、内外定子串联和并联工作模式以及五种模式间的无缝切换。并且，由于新型功率变换器中包含两个前置升压电路，提高了功率变换器的直流源电压，增加了电机的输出转矩，拓宽了电机的工作范围。为新型双定子开关磁阻电机的推广应用奠定了一定的理论和实践基础。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包含的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合同样意味着处于本发明的保护范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的实施例中，本领域技术人员能够根据获知的技术方案和本申请所要解决的技术问题，以组合的方式来使用。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
Claims (10)
1.一种双定子开关磁阻电机用功率变换器，该功率变换器适用于双定子开关磁阻电机为模块化U型双定子结构，且电机的相数为四相；其特征在于：
所述功率变换器包括一个直流电源模块Us、两个升压前置电路及一个多开关功率变换电路；所述两个升压前置电路由两个升压电容C b1和C b2、两个续流二极管D b1和D b2以及三个功率开关管S b1、S b2和S b3构成；其中，
升压前置电路1中升压电容C b1的一端和二极管D b1的阳极与开关管S b2的一端、直流电源模块的正极共连在一起；升压电容C b1的另一端与开关管S b1的一端共连在一起；开关管S b1的另一端和二极管D b1的阴极与多开关功率变换电路一输入端共连在一起；
开关管S b2的另一端与升压前置电路2中升压电容C b2的一端和开关管S b3的一端共连在一起；升压前置电路2中开关管S b3的另一端和二极管D b2的阴极与直流电源模块的负极共连在一起；升压电容C b2的另一端和二极管D b2的阳极与多开关功率变换电路另一输入端共连在一起。
2.根据权利要求1所述的双定子开关磁阻电机用功率变换器，其特征在于：
定义双定子开关磁阻电机中，A i、B i、C i和D i构成内定子绕组，A o、B o、C o和D o构成外定子绕组；所述多开关功率变换电路由十二个二极管和十四个开关管组成；其中，
功率变换电路中的开关管S 1、S 2、S 3、S 7、S 8、S 9的一端、二极管D 3、D 5、D 6、D 9、D 11、D 12的阴极与所述开关管S b1的另一端和二极管D b1的阴极共连在一起；开关管S 4、S 5、S 6、S 10、S 11、S 12的另一端、二极管D 1、D 2、D 4、D 7、D 8、管D 10的阳极与升压电容C b2的另一端和二极管D b2的阳极共连在一起；
开关管S 1的另一端与外定子绕组A o 的一端和二极管D 1的阴极共连在一起；开关管S 2的另一端与外定子绕组C o 的一端和二极管D 2的阴极共连在一起；二极管D 3的阳极与外定子绕组A o 的另一端、外定子绕组C o 的另一端、开关管Q 1的一端和开关管S 4的一端共连在一起；
开关管S 3的另一端与内定子绕组A i 的一端、内定子绕组C i 的一端、开关管Q 1的另一端和二极管D 4的阴极共连在一起；二极管D 5的阳极与内定子绕组A i 的另一端和开关管S 5的一端共连在一起；二极管D 6的阳极与内定子绕组C i 的另一端和开关管S 6的一端共连在一起；
开关管S 7的另一端与外定子绕组B o 的一端和二极管D 7的阴极共连在一起；开关管S 8的另一端与外定子绕组D o 的一端和二极管D 8的阴极共连在一起；二极管D 9的阳极与外定子绕组B o 的另一端、外定子绕组D o 的另一端、开关管Q 2的一端和开关管S 10的一端共连在一起；
开关管S 9的另一端与内定子绕组B i 的一端、内定子绕组D i 的一端、开关管Q 2的另一端和二极管D 10的阴极共连在一起；二极管D 11的阳极与内定子绕组B i 的另一端和开关管S 11的一端共连在一起；二极管D 12的阳极与内定子绕组D i 的另一端和开关管S 12的一端共连在一起。
3.根据权利要求2所述的双定子开关磁阻电机用功率变换器，其特征在于：
双定子开关磁阻电机的工作模式包括：内定子工作模式、外定子工作模式、双定子工作模式、内外定子串联和并联工作模式五种模式。
4.根据权利要求3所述的双定子开关磁阻电机用功率变换器，其特征在于：
当电机处于内定子工作模式时，用到的功率开关器件为S 3、S 5、S 6、S 9、S 11和S 12，用到的续流二极管为D 4、D 5、D 6、D 10、D 11和D 12；
当电机处于外定子工作模式时，用到的功率开关器件为S 1、S 2、S 4、S 7、S 8和S 10，用到的续流二极管为D 1、D 2、D 3、D 7、D 8和D 9；
当电机处于内外定子并联工作模式时，用到的功率开关器件为S 1、S 2、S 3、S 4、S 5、S 6、S 7、S 8、S 9、S 10、S 11和S 12，用到的续流二极管为D 1、D 2、D 3、D 4、D 5、D 6、D 7、D 8、D 9、D 10、D 11和D 12；
当电机处于内外定子串联工作模式时，用到的功率开关器件为S 1、S 2、S 5、S 6、S 7、S 8、S 11、S 12、Q 1和Q 2，用到的续流二极管为D 1、D 2、D 3、D 4、D 5、D 6、D 7、D 8、D 9、D 10、D 11和D 12；
当电机处于双定子工作模式时，用到的功率开关器件为S 1、S 2、S 3、S 4、S 5、S 6、S 7、S 8、S 9、S 10、S 11和S 12，用到的续流二极管为D 1、D 2、D 3、D 4、D 5、D 6、D 7、D 8、D 9、D 10、D 11和D 12。
5.根据权利要求4所述的双定子开关磁阻电机用功率变换器，其特征在于：
所述内定子工作模式、外定子工作模式、双定子工作模式、内外定子串联和并联工作模式五种模式均能够实现励磁、上管续流、下管续流和负电压去磁四个工作模态。
6.根据权利要求5所述的双定子开关磁阻电机用功率变换器，其特征在于：
所述两个升压前置电路具有超快速励磁工作模态、快速励磁工作模态、一般励磁工作模态、超快速退磁工作模态及零电压续流工作模态五种工作模态。
7.根据权利要求6所述的双定子开关磁阻电机用功率变换器，其特征在于：
当升压前置电路处于超快速励磁工作模态时，用到的功率开关器件为S b1和S b3，用到的升压电容为C b1和C b2，未用到续流二极管；
当升压前置电路处于快速励磁工作模态时，用到的功率开关器件为S b3，用到续流二极管为D b1，用到的升压电容为C b2；
当升压前置电路处于一般励磁工作模态时，用到的功率开关器件为S b2，用到续流二极管为D b1和D b1，用到的升压电容为C b2；
当升压前置电路处于超快速退磁工作模态时，用到的功率开关器件为Sb1和Sb3中的反并联二极管，用到的升压电容为C b1和C b2；
当升压前置电路处于零电压续流工作模态时，未用到升压前置电路中的功率开关器件、续流二极管和升压电容。
8.根据权利要求1或2所述的双定子开关磁阻电机用功率变换器，其特征在于：
所述功率开关管为IGBT或者MOSFET，所述二极管均采用快速恢复二极管。
9.一种基于权利要求7所述的双定子开关磁阻电机用功率变换器的控制方法，其特征在于：对两个升压前置电路充放电时间进行控制，包括：
当处于内定子、外定子、内外定子串联和并联的工作模式，两个升压前置电路的升压位置在每相的开通角和关断角位置后的一定角度区间内，电容C b2处于放电状态，其它角度区间处于充电状态；电容C b1只在每相关断角位置后的一定角度区间内，处于放电状态；
当处于双定子工作模式，在每相开通角位置后的一定角度区间内，在公共开关管上叠加一个一定频率和占空比为0.5的PWM信号，能够一边对A相施加负电压，使其继续退磁，一边对C相施加正电压，使其仍能正常励磁。
10.根据权利要求9所述的双定子开关磁阻电机用功率变换器的控制方法，其特征在于：
电容C b2从每相开通角和关断角至开通角和关断角后2°的范围内处于放电状态；电容C b1只在每相从关断角至关断角后1°的范围内处于放电状态；
在每相从开通角至开通角后2°的范围内，在公共开关管上叠加一个一定频率和占空比为0.5的PWM信号。
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