CN116455295B - 一种轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器及控制方法，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C、轴向定子绕组连接电路、径向定子绕组连接电路、两组公共开关管及二极管、轴径向定子串联连接电路；功率变换器通过控制公共开关管及二极管导通及轴向定子绕组连接电路、径向定子绕组连接电路、轴径向定子串联连接电路中开关管的导通与关断，实现轴径向混合磁通开关磁阻电机在径向定子工作模式、轴向定子工作模式、轴径向定子并联和串联工作模式之间的在线切换。该新型功率变换器所需的开关管和二极管数量较传统不对称半桥式功率变换器电路大大减少，其造价明显降低，同时拓宽了电机的工作范围、可靠性和高效运行区。

Description

一种轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种新型电机及其控制领域，尤其涉及一种轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器及控制方法。

背景技术

开关感阻电机是近几十年来发展起来的一种新型电机，随着电力电子技术的迅速发展，开关磁阻电机相比于其它类型的电机，凭借其结构简单、成本低、过载能力和容错性能强、高速性能好等优点，逐渐引起世界各国学者的浓烈兴趣，得到迅速地发展。和其它传统电机相比，开关碰阻电机同样也存在着一些不足，包括能量转换密度低于永磁式电机，转矩脉动和电机振动较大等。轴径向混合磁通开关磁阻电机采用轴向磁通与径向磁通相结合的方式，提升了转矩性能，提高了电机的功率密度，同时缩短了电机的磁路，降低了电机的损耗，可以广泛应用于电动汽车领域中。

该电机具有轴向定子、径向定子、轴径向定子并联和串联四种工作模式，但传统的不对称半桥式功率变换器多数仅能实现轴向定子、径向定子、轴径向定子并联三种工作模式，并且需要的功率开关管器件也较多。这不仅增加了功率变换器的成本，还增加其损耗。另外，现有的传统不对称半桥式功率变换器无法完全实现轴径向混合磁通开关磁阻电机的四种工作模式。因此迫切需要进一步改进功率变换器的拓扑结构。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器，能够实现轴径向混合磁通开关磁阻电机的四种工作模式和模式间的在线切换，拓宽了电机的工作范围、可靠性和高效运行区，为新型轴径向混合磁通开关磁阻电机的推广应用奠定一定的理论和实践基础。

为了实现上述技术目的，本发明按以下技术方案实现：

第一方面，本发明公开了一种轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器，该功率变换器适用于轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机，功率变换器包括：直流电源模块Us、直流母线电容C、轴向定子绕组连接电路、径向定子绕组连接电路和两组公共开关管及二极管；所述轴向定子绕组连接电路由开关管S1、S2、S3、二极管D1、D2、D3组成；所述径向定子绕组连接电路由开关管S4、S5、S6、二极管D4、D5、D6组成；所述两组公共开关管及二极管包括第一组公共开关管Sc1 和二极管Dc1 、第二组公共开关管Sc2 和二极管Dc2；所述轴向定子绕组连接电路、径向定子绕组连接电路分别与轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机的轴向定子绕组A1、B1、C1和径向定子绕组A2、B2、C2相连；所述功率变换器通过控制公共开关管及二极管导通及轴向定子绕组连接电路、径向定子绕组连接电路中开关管的导通与关断，实现轴径向混合磁通开关磁阻电机在径向定子工作模式、轴向定子工作模式、轴径向定子并联工作模式之间的在线切换。

在一些实施例中，所述功率变换器还包括轴径向定子串联连接电路，所述轴径向定子串联连接电路由开关管Sk1、Sk2、Sk3组成；所述轴径向定子串联连接电路分别与轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机的轴向定子绕组A1、B1、C1和径向定子绕组A2、B2、C2相连；所述功率变换器通过控制公共开关管及二极管导通及轴向定子绕组连接电路、径向定子绕组连接电路、轴径向定子串联连接电路中开关管的导通与关断，实现轴径向混合磁通开关磁阻电机在径向定子工作模式、轴向定子工作模式、轴径向定子并联和串联工作模式之间的在线切换。

在一些实施例中，所述轴向定子绕组连接电路、径向定子绕组连接电路分别与轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机的轴向定子绕组A1、B1、C1和径向定子绕组A2、B2、C2相连，所述轴径向定子串联连接电路分别与轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机的轴向定子绕组A1、B1、C1和径向定子绕组A2、B2、C2相连，具体为：

直流母线电容C的一端与直流电源模块Us的正极、公共开关管Sc1的一端、二极管D1、D2、D3的阴极、开关管S4、S5、S6的一端、公共二极管Dc2的阴极共连在一起；直流母线电容C的另一端与直流电源模块Us的负极、公共开关管Sc2的一端、公共二极管Dc1的阳极、开关管S1、S2、S3的一端、二极管D4、D5、D6的阴极共连在一起；公共开关管Sc1的另一端与轴向定子绕组A1、B1、C1的一端、公共二极管Dc1的阴极共连在一起；公共开关管Sc2的另一端与径向定子绕组A2、B2、C2的一端、公共二极管Dc2的阳极共连在一起；轴向定子绕组A1的另一端与二极管D1的阳极、开关管Sk1的一端、开关管S1的另一端共连在一起；轴向定子绕组B1的另一端与二极管D2的阳极、开关管Sk2的一端、开关管S2的另一端共连在一起；轴向定子绕组C1的另一端与二极管D3的阳极、开关管Sk3的一端、开关管S3的另一端共连在一起；径向定子绕组A2的另一端与二极管D4的阴极、开关管Sk1的另一端、开关管S4的另一端共连在一起；径向定子绕组B2的另一端与二极管D5的阴极、开关管Sk2的另一端、开关管S5的另一端共连在一起；径向定子绕组C2的另一端与二极管D6的阴极、开关管Sk3的另一端、开关管S6的另一端共连在一起。

在一些实施例中，当电机处于轴向定子工作模式时，用到的功率开关器件为开关管S1、S2、S3和Sc1，用到的续流二极管为二极管D1、D2、D3和Dc1；

当电机处于径向定子工作模式时，用到的功率开关器件为开关管S4、S5、S6和Sc2，用到的续流二极管为二极管D4、D5、D6和Dc2；

当电机处于轴径向定子并联工作模式时，用到的功率开关器件为开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、Sc1和Sc2，用到的续流二极管为二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、Dc1和Dc2。

在一些实施例中，当电机处于轴径向定子串联工作模式时，用到的功率开关器件为开关管Sc1、Sc2、Sk1、Sk2、Sk3，用到的续流二极管为二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、Dc1和Dc2。

第二方面，本发明公开了一种基于上述的轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器的控制方法：

当电机工作在轴向定子工作模式时，电机只有轴向定子工作，电机中A相对应的轴向绕组A1的控制方法如下：

电机工作在轴向定子绕组A1开通区间内，开关管Sc1和S1同时开通，直流电源给轴向定子绕组A1供电，此时进入励磁模式，绕组两端承受正母线电压；

在零电压续流过程中，Sc1关断，S1保持开通，此时电流通过二极管Dc1和开关管S1组成的回路进行零电压续流；

当轴向定子绕组A1关断时进入负电压续流模式，此时开关管Sc1和S1同时关断，电流通过续流二极管Dc1和D1回馈电源，绕组两端承受负母线电压。

第三方面，本发明公开了一种基于上述的轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器的控制方法：

当电机工作在径向定子工作模式时，电机只有径向定子工作，电机中A相对应的径向绕组A2的控制方法如下：

电机工作在A2开通区间内，开关管Sc2和S4同时开通，直流电源给径向定子绕组A2供电，此时进入励磁模式，绕组两端承受正母线电压；

在零电压续流过程中，Sc2关断，S4保持开通，此时电流通过二极管Dc2和开关管S4组成的回路进行零电压续流；

当径向定子绕组A2关断时进入负电压续流模式，此时开关管Sc2和S4同时关断，电流通过续流二极管Dc2和D4回馈电源，绕组两端承受负母线电压。

第四方面，本发明公开了一种基于上述的轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器的控制方法：

电机工作在轴径向定子并联工作模式时，轴向定子绕组与径向定子绕组同时工作，电机中A相的控制方法如下：

电机工作在A相开通区间内，开关管Sc1、Sc2、S1和S4同时开通，直流电源给轴向定子绕组A1和径向定子绕组A2供电，此时进入励磁模式，轴向和径向绕组两端承受相同的正母线电压；

在零电压续流过程中，Sc1和Sc2关断，S1和S4保持开通，此时电流分别通过二极管Dc1、Dc2和开关管S1、S4组成的回路进行零电压续流；

当轴向与径向定子绕组关断时进入负电压续流模式，此时开关管Sc1、Sc2、S1和S4同时关断，电流通过续流二极管Dc1、Dc2、D1和D4回馈电源，绕组两端承受负母线电压。

第五方面，本发明公开了一种基于上述的轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器的控制方法：

电机工作在轴径向定子串联工作模式时，轴向定子绕组与径向定子绕组同时工作，电机中A相的控制方法如下：

电机工作在A相开通区间内，开关管Sc1、Sc2和Sk1同时开通，直流电源给轴向定子绕组A1和径向定子绕组A2供电，此时进入励磁模式，轴向和径向绕组流过相同的电流；

在零电压续流过程中，Sk1关断，Sc1和Sc2保持开通，此时电流分别通过二极管D1、D4和开关管Sc1、Sc2组成的回路进行零电压续流；

当轴向与径向定子绕组关断时进入负电压续流模式，此时开关管Sc1、Sc2和Sk1同时关断，电流通过续流二极管Dc1、Dc2、D1和D4回馈电源，绕组两端承受负母线电压。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

本发明所述的新型轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器，相对于传统的不对称半桥式功率变换器减少了功率开关管和二极管的使用，可有效地减小功率变换器体积，降低成本。并且完全实现轴径向混合磁通开关磁阻电机的轴向定子工作模式、径向定子工作模式、轴径向定子并联和串联工作模式以及四种模式间的在线切换，拓宽了电机的工作范围、可靠性和高效运行区，为新型轴径向混合磁通开关磁阻电机的推广应用奠定一定的理论和实践基础。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

在附图中：

图1为本发明应用的轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机结构示意图。

图2为本发明应用的轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机部分转子结构图。

图3为本发明应用的轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机径向定子结构图。

图4为本发明应用的轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机轴向子结构图。

图5为本发明的轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器拓扑结构图。

图6为本发明的轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器处于轴向定子工作模式时的模态图。

图7为本发明的轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器处于径向定子工作模式时的模态图。

图8为本发明的轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器处于轴径向定子并联工作模式时的模态图。

图9为本发明的轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器处于轴径向定子串联工作模式时的模态图。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器功率变换器，应用在轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机中，其结构如图1所示。轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机为分块转子宽窄极定子结构，其中转子部分由10个相互独立的U型转子块组成，两个轴向定子安装在U型分块转子极的两侧，在U型分块转子轭部的外侧，放置了一块径向定子。励磁绕组分别缠绕在定子铁心的宽极上，定子窄极不缠绕电枢绕组，仅为磁通路径提供回路。在轴向的一侧定子中，定子极性的分配方式为N-N-N-S-S-S，另一侧定子的极性分配方式为S-S-S-N-N-N，径向定子的极性配置方式为N-N-N-S-S-S。同一侧轴向定子相对的励磁绕组的两个线圈与径向垂直方向的励磁绕组的两个线圈串联，形成轴向定子绕组，径向定子中正对方向中的两个线圈串联形成径向定子绕组，电机由A、B、C 三相组成。

以下给出上述实施中关于轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机的具体方案：

如图1所示，轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机包括转子、径向定子2、径向定子励磁绕组3、轴向定子4、轴向定子励磁绕组5；径向定子2、轴向定子4均采用的是宽窄极结构；径向定子励磁绕组3缠绕在径向定子2的每个宽齿极上，形成激励极；轴向定子励磁绕组5缠绕在轴向定子4的每个宽齿极上，形成激励极；径向定子2和轴向定子4的每个窄齿极上不缠绕励磁绕组，仅为磁通路径提供回路，形成辅助极；在转子的两侧各安装一个轴向定子4，径向定子2套装在转子上，径向定子2与转子之间以及轴向定子4与转子之间均设有相同的气隙；电机具有两种磁通路径：一是上下两个轴向定子与转子形成轴向磁通路径；二是径向定子与转子的中间部分构成径向磁通路径，从而构成轴径向混合磁通开关磁阻电机。由于定子结构均为宽窄极结构，转子采用模块化结构，便于缩短磁通路径和减少相间的相互影响，同时解决了轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机在运行过程中工作模式选择的问题，具有出力大、功率密度高、损耗低、效率高、可靠性高等优点，具有良好的工程应用价值。

如图2所示，转子由多个U型分块转子1和不导磁的转子套组成，多个U型分块转子1沿圆周方向均匀的嵌入在转子套中。转子套由环氧树脂材料制作而成，起到隔离磁路、降低损耗（风阻）和提高效率的作用。

进一步的方案：U型分块转子1由转子轭部101、转子齿极102和转子极靴103组成；转子齿极102对称布置在转子轭部101两侧，在转子齿极102两侧设有转子极靴103；径向定子2位于转子轭部101的外侧，轴向定子4位于转子齿极102的外侧。

如图3所示，径向定子2由径向定子宽齿极201、径向定子窄齿极202、径向定子极靴203、径向定子轭部204组成；多个径向定子宽齿极201和多个径向定子窄齿极202相互交错的沿着圆周方向均布在径向定子轭部204内侧，相邻的径向定子宽齿极201和径向定子窄齿极202之间形成径向定子开槽；在径向定子宽齿极201和径向定子窄齿极202两侧均设有径向定子极靴203。

如图4所示，两个轴向定子4具有完全相同的结构，轴向定子4由轴向定子宽齿极401、轴向定子窄齿极402、轴向定子极靴403、轴向定子轭部404组成；多个轴向定子宽齿极401和多个轴向定子窄齿极402相互交错的沿着圆周方向均布在轴向定子轭部404外侧，相邻的轴向定子宽齿极401和轴向定子窄齿极402之间形成轴向定子开槽；在轴向定子宽齿极401和轴向定子窄齿极402两侧均设有轴向定子极靴402。

进一步的方案：在轴向定子4中，同一侧轴向相对的定子励磁绕组的两个线圈与径向垂直方向的励磁绕组的两个线圈串联，然后和在径向定子2中正对方向中的径向定子励磁绕组的两个线圈并联，形成同一相；同一相内轴向定子励磁绕组和径向定子励磁绕组同时通电激励时，轴向相对的两个轴向定子的极性相反，径向定子的极性与轴向定子的一侧极性相同。针对不同工况下，电机能够选择径向定子绕组单独励磁模式、轴向定子绕组单独励磁模式、轴径向定子绕组励磁模式。

定义轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机中，A1、B1、C1构成轴向定子绕组，A2、B2、C2构成径向定子绕组。参照图5所示，一种轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器，该功率变换器适用于轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机，功率变换器包括：直流电源模块Us、直流母线电容C、轴向定子绕组连接电路、径向定子绕组连接电路和两组公共开关管及二极管；所述轴向定子绕组连接电路由开关管S1、S2、S3、二极管D1、D2、D3组成；所述径向定子绕组连接电路由开关管S4、S5、S6、二极管D4、D5、D6组成；所述两组公共开关管及二极管包括第一组公共开关管Sc1 和二极管Dc1 、第二组公共开关管Sc2 和二极管Dc2；所述轴向定子绕组连接电路、径向定子绕组连接电路分别与轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机的轴向定子绕组A1、B1、C1和径向定子绕组A2、B2、C2相连；所述功率变换器通过控制公共开关管及二极管导通及轴向定子绕组连接电路、径向定子绕组连接电路中开关管的导通与关断，实现轴径向混合磁通开关磁阻电机在径向定子工作模式、轴向定子工作模式、轴径向定子并联工作模式之间的在线切换。

优选的方案：功率变换器还包括轴径向定子串联连接电路，所述轴径向定子串联连接电路由开关管Sk1、Sk2、Sk3组成；所述轴径向定子串联连接电路分别与轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机的轴向定子绕组A1、B1、C1和径向定子绕组A2、B2、C2相连；所述功率变换器通过控制公共开关管及二极管导通及轴向定子绕组连接电路、径向定子绕组连接电路、轴径向定子串联连接电路中开关管的导通与关断，实现轴径向混合磁通开关磁阻电机在径向定子工作模式、轴向定子工作模式、轴径向定子并联和串联工作模式之间的在线切换。

在本申请实施例中，轴向定子绕组连接电路、径向定子绕组连接电路分别与轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机的轴向定子绕组A1、B1、C1和径向定子绕组A2、B2、C2相连，所述轴径向定子串联连接电路分别与轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机的轴向定子绕组A1、B1、C1和径向定子绕组A2、B2、C2相连，具体为：直流母线电容C的一端与直流电源模块的正极、公共开关管Sc1的一端、二极管D1、D2、D3的阴极、开关管S4、S5、S6的一端、公共二极管Dc2的阴极共连在一起；直流母线电容C的另一端与直流电源模块的负极、公共开关管Sc2的一端、公共二极管Dc1的阳极、开关管S1、S2、S3的一端、二极管D4、D5、D6的阴极共连在一起；公共开关管Sc1的另一端与轴向定子绕组A1、B1、C1的一端、公共二极管Dc1的阴极共连在一起；公共开关管Sc2的另一端与径向定子绕组A2、B2、C2的一端、公共二极管Dc2的阳极共连在一起；轴向定子绕组A1的另一端与二极管D1的阳极、开关管Sk1的一端、开关管S1的另一端共连在一起；轴向定子绕组B1的另一端与二极管D2的阳极、开关管Sk2的一端、开关管S2的另一端共连在一起；轴向定子绕组C1的另一端与二极管D3的阳极、开关管Sk3的一端、开关管S3的另一端共连在一起；径向定子绕组A2的另一端与二极管D4的阴极、开关管Sk1的另一端、开关管S4的另一端共连在一起；径向定子绕组B2的另一端与二极管D5的阴极、开关管Sk2的另一端、开关管S5的另一端共连在一起；径向定子绕组C2的另一端与二极管D6的阴极、开关管Sk3的另一端、开关管S6的另一端共连在一起。

优选的方案：开关管为IGBT或者MOSFET，二极管均采用快速恢复二极管。

进一步的方案：当电机处于轴向定子工作模式时，用到的功率开关器件为S1、S2、S3和Sc1，用到的续流二极管为D1、D2、D3和Dc1。

进一步的方案：当电机处于径向定子工作模式时，用到的功率开关器件为S4、S5、S6和Sc2，用到的续流二极管为D4、D5、D6和Dc2。

进一步的方案：当电机处于轴径向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、Sc1和Sc2，用到的续流二极管为D1、D2、D3、D4、D5、D6、Dc1和Dc2。

进一步的方案：当电机处于轴径向定子串联工作模式时，用到的功率开关器件为Sc1、Sc2、Sk1、Sk2、Sk3，用到的续流二极管为D1、D2、D3、D4、D5、D6、Dc1和Dc2。

以轴径向混合磁通开关磁阻电机中A相对应的轴向和径向定子绕组A1和A2为例，来具体说明电机四种工作模式的实现过程，而其余B、C相与A相类似。

当电机工作在轴向定子工作模式时，电机只有轴向定子工作。用到的功率开关器件为Sc1和S1，用到的二极管为Dc1和D1。图6给出了电机轴向定子绕组A1励磁、零电压续流和负电压续流时的电流流动方向。由图6可知，当电机工作在A1开通区间内，开关管Sc1和S1同时开通，直流电源给轴向定子绕组A1供电，此时进入励磁模式，绕组两端承受正母线电压。在零电压续流过程中，Sc1关断，S1保持开通，此时电流通过二极管Dc1和开关管S1组成的回路进行零电压续流。当轴向定子绕组A1关断时进入负电压续流模式，此时开关管Sc1和S1同时关断，电流通过续流二极管Dc1和D1回馈电源，绕组两端承受负母线电压。在一个相电流周期内，新型功率变换器依次轮流进行励磁、零电压续流、负电压续流运行模式。

当电机工作在径向定子工作模式时，电机只有径向定子工作。用到的功率开关器件为Sc2和S4，用到的二极管为Dc2和D4。图7给出了电机径向定子绕组A2励磁、零电压续流和负电压续流时的电流流动方向。由图7可知，当电机工作在A2开通区间内，开关管Sc2和S4同时开通，直流电源给径向定子绕组A2供电，此时进入励磁模式，绕组两端承受正母线电压。在零电压续流过程中，Sc2关断，S4保持开通，此时电流通过二极管Dc2和开关管S4组成的回路进行零电压续流。当径向定子绕组A2关断时进入负电压续流模式，此时开关管Sc2和S4同时关断，电流通过续流二极管Dc2和D4回馈电源，绕组两端承受负母线电压。在一个相电流周期内，新型功率变换器依次轮流进行励磁、零电压续流、负电压续流运行模式。

当电机工作在轴径向定子并联工作模式时，轴向定子绕组与径向定子绕组同时工作。用到的功率开关器件为Sc1、Sc2、S1和S4，用到的二极管为Dc1、Dc2、D1和D4。图8给出了电机处在并联模式下A相励磁、零电压续流和负电压续流时的电流流动方向。由图8可知，当电机工作在A相开通区间内，开关管Sc1、Sc2、S1和S4同时开通，直流电源给轴向定子绕组A1和径向定子绕组A2供电，此时进入励磁模式，轴向和径向绕组两端承受相同的正母线电压。在零电压续流过程中，Sc1和Sc2关断，S1和S4保持开通，此时电流分别通过二极管Dc1、Dc2和开关管S1、S4组成的回路进行零电压续流。当轴向与径向定子绕组关断时进入负电压续流模式，此时开关管Sc1、Sc2、S1和S4同时关断，电流通过续流二极管Dc1、Dc2、D1和D4回馈电源，绕组两端承受负母线电压。在一个相电流周期内，新型功率变换器依次轮流进行励磁、零电压续流、负电压续流运行模式。

当电机工作在轴径向定子串联工作模式时，轴向定子绕组与径向定子绕组同时工作。用到的功率开关器件为Sc1、Sc2和Sk1，用到的二极管为Dc1、Dc2、D1和D4。图9给出了电机处在串联工作模式下A相励磁、零电压续流和负电压续流时的电流流动方向。由图9可知，当电机工作在A相开通区间内，开关管Sc1、Sc2和Sk1同时开通，直流电源给轴向定子绕组A1和径向定子绕组A2供电，此时进入励磁模式，轴向和径向绕组流过相同的电流。在零电压续流过程中，Sk1关断，Sc1和Sc2保持开通，此时电流分别通过二极管D1、D4和开关管Sc1、Sc2组成的回路进行零电压续流。当轴向与径向定子绕组关断时进入负电压续流模式，此时开关管Sc1、Sc2和Sk1同时关断，电流通过续流二极管Dc1、Dc2、D1和D4回馈电源，绕组两端承受负母线电压。在一个相电流周期内，新型功率变换器依次轮流进行励磁、零电压续流、负电压续流运行模式。

由上可知，本发明所公开的功率变换器适用于轴径向混合磁通开关磁阻电机结构，该轴径向混合磁通开关磁阻电机具有四种工作模式，分别为径向定子工作模式、轴向定子工作模式、轴径向定子并联和串联工作模式，与传统的不对称半桥式功率变换器相比，该功率变换器能够实现轴径定子串联工作模式，同时能够实现轴径向混合磁通开关磁阻电机的四种工作模式之间的在线切换。该新型功率变换器所需的开关器件和二极管数量较传统的不对称半桥式功率变换器电路大大减少，其造价明显降低，同时拓宽了电机的工作范围、可靠性和高效运行区，为轴径向混合磁通开关磁阻电机的推广应用奠定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 (6)

1. 一种轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器，其特征在于：该功率变换器适用于轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机，功率变换器包括：直流电源模块Us、直流母线电容C、轴向定子绕组连接电路、径向定子绕组连接电路和两组公共开关管及二极管；所述轴向定子绕组连接电路由开关管S1、S2、S3、二极管D1、D2、D3组成；所述径向定子绕组连接电路由开关管S4、S5、S6、二极管D4、D5、D6组成；所述两组公共开关管及二极管包括第一组公共开关管Sc1 和二极管Dc1 、第二组公共开关管Sc2 和二极管Dc2；

所述轴向定子绕组连接电路、径向定子绕组连接电路分别与轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机的轴向定子绕组A1、B1、C1和径向定子绕组A2、B2、C2相连；

所述功率变换器通过控制公共开关管及二极管导通及轴向定子绕组连接电路、径向定子绕组连接电路中开关管的导通与关断，实现轴径向混合磁通开关磁阻电机在径向定子工作模式、轴向定子工作模式、轴径向定子并联工作模式之间的在线切换；

所述功率变换器还包括轴径向定子串联连接电路，所述轴径向定子串联连接电路由开关管Sk1、Sk2、Sk3组成；所述轴径向定子串联连接电路分别与轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机的轴向定子绕组A1、B1、C1和径向定子绕组A2、B2、C2相连；所述功率变换器通过控制公共开关管及二极管导通及轴向定子绕组连接电路、径向定子绕组连接电路、轴径向定子串联连接电路中开关管的导通与关断，实现轴径向混合磁通开关磁阻电机在径向定子工作模式、轴向定子工作模式、轴径向定子并联和串联工作模式之间的在线切换；

所述轴向定子绕组连接电路、径向定子绕组连接电路分别与轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机的轴向定子绕组A1、B1、C1和径向定子绕组A2、B2、C2相连，所述轴径向定子串联连接电路分别与轴径向混合磁通宽窄极开关磁阻电机的轴向定子绕组A1、B1、C1和径向定子绕组A2、B2、C2相连，具体为：

直流母线电容C的一端与直流电源模块Us的正极、公共开关管Sc1的一端、二极管D1、D2、D3的阴极、开关管S4、S5、S6的一端、公共二极管Dc2的阴极共连在一起；直流母线电容C的另一端与直流电源模块Us的负极、公共开关管Sc2的一端、公共二极管Dc1的阳极、开关管S1、S2、S3的一端、二极管D4、D5、D6的阴极共连在一起；

公共开关管Sc1的另一端与轴向定子绕组A1、B1、C1的一端、公共二极管Dc1的阴极共连在一起；公共开关管Sc2的另一端与径向定子绕组A2、B2、C2的一端、公共二极管Dc2的阳极共连在一起；

轴向定子绕组A1的另一端与二极管D1的阳极、开关管Sk1的一端、开关管S1的另一端共连在一起；轴向定子绕组B1的另一端与二极管D2的阳极、开关管Sk2的一端、开关管S2的另一端共连在一起；轴向定子绕组C1的另一端与二极管D3的阳极、开关管Sk3的一端、开关管S3的另一端共连在一起；

径向定子绕组A2的另一端与二极管D4的阴极、开关管Sk1的另一端、开关管S4的另一端共连在一起；径向定子绕组B2的另一端与二极管D5的阴极、开关管Sk2的另一端、开关管S5的另一端共连在一起；径向定子绕组C2的另一端与二极管D6的阴极、开关管Sk3的另一端、开关管S6的另一端共连在一起；

当电机处于轴向定子工作模式时，用到的功率开关器件为开关管S1、S2、S3和Sc1，用到的续流二极管为二极管D1、D2、D3和Dc1；

当电机处于径向定子工作模式时，用到的功率开关器件为开关管S4、S5、S6和Sc2，用到的续流二极管为二极管D4、D5、D6和Dc2；

当电机处于轴径向定子并联工作模式时，用到的功率开关器件为开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、Sc1和Sc2，用到的续流二极管为二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、Dc1和Dc2；

当电机处于轴径向定子串联工作模式时，用到的功率开关器件为开关管Sc1、Sc2、Sk1、Sk2、Sk3，用到的续流二极管为二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、Dc1和Dc2。

2.根据权利要求1所述的轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器，其特征在于：所述开关管为IGBT或者MOSFET，二极管均采用快速恢复二极管。

3.一种基于权利要求1所述的轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器的控制方法，其特征在于：

当电机工作在轴向定子工作模式时，电机只有轴向定子工作，电机中A相对应的轴向绕组A1的控制方法如下：

电机工作在轴向定子绕组A1开通区间内，开关管Sc1和S1同时开通，直流电源给轴向定子绕组A1供电，此时进入励磁模式，绕组两端承受正母线电压；

在零电压续流过程中，Sc1关断，S1保持开通，此时电流通过二极管Dc1和开关管S1组成的回路进行零电压续流；

当轴向定子绕组A1关断时进入负电压续流模式，此时开关管Sc1和S1同时关断，电流通过续流二极管Dc1和D1回馈电源，绕组两端承受负母线电压。

4.一种基于权利要求1所述的轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器的控制方法，其特征在于：

当电机工作在径向定子工作模式时，电机只有径向定子工作，电机中A相对应的径向绕组A2的控制方法如下：

电机工作在A2开通区间内，开关管Sc2和S4同时开通，直流电源给径向定子绕组A2供电，此时进入励磁模式，绕组两端承受正母线电压；

在零电压续流过程中，Sc2关断，S4保持开通，此时电流通过二极管Dc2和开关管S4组成的回路进行零电压续流；

当径向定子绕组A2关断时进入负电压续流模式，此时开关管Sc2和S4同时关断，电流通过续流二极管Dc2和D4回馈电源，绕组两端承受负母线电压。

5.一种基于权利要求1所述的轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器的控制方法，其特征在于：

电机工作在轴径向定子并联工作模式时，轴向定子绕组与径向定子绕组同时工作，电机中A相的控制方法如下：

电机工作在A相开通区间内，开关管Sc1、Sc2、S1和S4同时开通，直流电源给轴向定子绕组A1和径向定子绕组A2供电，此时进入励磁模式，轴向和径向绕组两端承受相同的正母线电压；

在零电压续流过程中，Sc1和Sc2关断，S1和S4保持开通，此时电流分别通过二极管Dc1、Dc2和开关管S1、S4组成的回路进行零电压续流；

当轴向与径向定子绕组关断时进入负电压续流模式，此时开关管Sc1、Sc2、S1和S4同时关断，电流通过续流二极管Dc1、Dc2、D1和D4回馈电源，绕组两端承受负母线电压。

6.一种基于权利要求1所述的轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器的控制方法，其特征在于：

电机工作在轴径向定子串联工作模式时，轴向定子绕组与径向定子绕组同时工作，电机中A相的控制方法如下：

电机工作在A相开通区间内，开关管Sc1、Sc2和Sk1同时开通，直流电源给轴向定子绕组A1和径向定子绕组A2供电，此时进入励磁模式，轴向和径向绕组流过相同的电流；

在零电压续流过程中，Sk1关断，Sc1和Sc2保持开通，此时电流分别通过二极管D1、D4和开关管Sc1、Sc2组成的回路进行零电压续流；

当轴向与径向定子绕组关断时进入负电压续流模式，此时开关管Sc1、Sc2和Sk1同时关断，电流通过续流二极管Dc1、Dc2、D1和D4回馈电源，绕组两端承受负母线电压。