开关磁阻电机的功率变换器及其运行控制系统的制作方法

本实用新型涉及电机驱动技术领域，具体而言，涉及开关磁阻电机的功率变换器和开关磁阻电机运行控制系统。

背景技术：

开关磁阻电机调速系统(简称SRD，Switched Reluctance Drive)是继变频调速系统、无刷直流电机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，其采用的是集现代微电子技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术，且具有结构简单坚固、调速范围宽、调速性能优异的特点，以及在整个调速范围内都具有较高效率、系统可靠性高，广泛应用于龙门刨床、抽油机、电动汽车、纺织机械等工业领域。

而开关磁阻电机调速系统的性能和成本在很大程度上取决于其结构组成中的功率变换器，现有的功率变换器主要存在以下缺陷：

(1)功率变换器采用的主开关器件较多，一般使用6个通用两单元IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)模块作为主开关器件，不仅影响功率变换器的体积和重量，而且成本相对较高；

(2)功率变换器内部通用IGBT模块与其电容之间采用常规导线连接，可靠性相对较差，且导线环形布局产生的电感杂波信号会对电路产生干扰。

技术实现要素：

为了解决现有的开关磁阻电机的功率变换器存在的成本高、可靠性差问题，本实用新型的一个目的在于提供一种通过使用数量较少的具有开关功能的元器件以及改进功率变换器的封装形式以有效地降低产品成本、提升产品性能的开关磁阻电机的功率变换器。

本实用新型的另一个目的在于提供一种包括上述开关磁阻电机的功率变换器的开关磁阻电机的运行控制系统。

为了实现上述目的，本实用新型第一方面的技术方案提供了一种开关磁阻电机的功率变换器，包括：直流母线电容；同向并联连接的三个IGBT拓扑模块，三个所述IGBT拓扑模块与开关磁阻电机的三相绕组分别一一对应连接，且每个所述IGBT拓扑模块和所述直流母线电容通过叠层母排共连后连接至外部直流电源。

另外，本实用新型提供的上述技术方案中的开关磁阻电机的功率变换器还可以具有如下附加技术特征：

在上述技术方案中，优选地，每个所述IGBT拓扑模块包括：第一开关器件、第二开关器件、第一二极管和第二二极管，且所述第一开关器件包括第一IGBT管及所述第二开关器件包括第二IGBT管；其中，所述第一开关器件的第一端和所述第一二极管的负极共连后形成所述IGBT拓扑模块的第一连接端，所述第一开关器件的第二端与所述第二二极管的负极共连后形成所述IGBT拓扑模块的第一输出端，所述第一二极管的正极与所述第二开关器件的第一端共连后形成所述IGBT拓扑模块的第二输出端，所述第二开关器件的第二端和所述第二二极管的正极共连后形成所述IGBT拓扑模块的第二连接端。

在上述技术方案中，优选地，所述第一连接端和所述直流母线电容的正极通过所述叠层母排共后连接至所述外部直流电源的正极，所述第二连接端和所述直流母线电容的负极通过所述叠层母排共后连接至所述外部直流电源的负极；以及所述第一输出端和所述第二输出端分别对应连接至所述三相绕组其中一相绕组的两端。

在任一上述技术方案中，优选地，所述第一开关器件还包括与所述第一IGBT管反向并联连接的第三二极管，所述第二开关器件还包括与所述第二IGBT管反向并联连接的第四二极管；其中，所述第一IGBT管的集电极与所述第三二极管的负极相连形成所述第一开关器件的第一端，所述第一IGBT管的发射极与所述第三二极管的正极相连形成所述第一开关器件的第二端，所述第二IGBT管的集电极与所述第四二极管的负极相连形成所述第二开关器件的第一端，所述第二IGBT管的发射极与所述第四二极管的正极相连形成所述第二开关器件的第二端。

在上述技术方案中，优选地，所述第一二极管、所述第二二极管、所述第三二极管和所述第四二极管为续流二极管。

在上述任一技术方案中，优选地，所述叠层母排的走线方式为直线。

在上述任一技术方案中，优选地，所述叠层母排的尺寸大小与流经所述功率变换器的电流大小相适配。

本实用新型第二方面的技术方案提供了一种开关磁阻电机的运行控制系统，包括：开关磁阻电机和如上述第一方面技术方案中任一项所述的开关磁阻电机的功率变换器；其中，所述功率变换器与所述开关磁阻电机相连，用于在与外部直流电源接通时，控制所述开关磁阻电机各相绕组的通断。

另外，本实用新型提供的上述技术方案中的开关磁阻电机的运行控制系统还可以具有如下附加技术特征：

在上述技术方案中，优选地，所述开关磁阻电机的运行控制系统还包括：电流检测装置，与所述开关磁阻电机相连，用于检测所述开关磁阻电机的三相绕组电流；位置检测装置，与所述开关磁阻电机相连，用于检测所述开关磁阻电机的转子位置；控制器，与所述功率变换器、所述电流检测装置和所述位置检测装置相连，用于根据所述转子位置和所述三相绕组电流向所述功率变换器发送控制信号，以实现对所述开关磁阻电机的控制。

在上述技术方案中，优选地，所述电流检测装置包括三个电流传感器，每个所述电流传感器用于对应检测所述三相绕组电流的其中一相绕组电流。

与现有技术相比，本申请提供的开关磁阻电机的功率变换器及运行控制系统具有如下有益的技术效果：

1、本实用新型的开关磁阻电机的功率变换器使用了数量较少的具有开关功能的元器件，即使用三个改进结构的IGBT拓扑模块，有效地降低了产品成本，同时可以使功率变换器的性能更加优良。

2、采用叠层母排替代常规导线封装IGBT拓扑模块与直流母线电容，可以改善功率变换器的整体布局，提高空间布置紧凑性，且安装方便、可靠性高，并能够避免现有技术中由于线路环形布局所产生的电感杂波信号干扰。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1示出了现有技术中的开关磁阻电机的功率变换器的电路连接示意图；

图2示出了本实用新型实施例的开关磁阻电机的功率变换器的结构示意框图；

图3示出了本实用新型实施例的开关磁阻电机的功率变换器的电路连接示意图；

图4示出了本实用新型实施例的直流母线电容和IGBT拓扑模块的封装结构示意图；

图5示出了本实用新型实施例的IGBT拓扑模块的电路连接示意图；

图6示出了本实用新型实施例的开关磁阻电机的控制系统的组成示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

在实现本实用新型的技术方案时，充分考虑到现有的如图1所示的功率变换器采用6个通用两单元IGBT模块作为主开关器件，6个通用两单元IGBT模块作为主开关器件，每相采用2个通用IGBT模块，每个通用IGBT模块包括2个IGBT芯片和2个FWD芯片，其中，2个IGBT芯片分别与2个FWD芯片反方向并联后再同方向串联，由此，可见，现有的功率变换器使用了12个IGBT芯片用于实现主开关器件的功能；另外，还充分考虑到通用IGBT模块与电容之间采用常规导线进行连接，则存在可靠性差等问题。故而，提出了本实用新型如下实施例的开关磁阻电机的功率变换器及其运行控制系统。

实施例一

图2示出了本实用新型实施例的开关磁阻电机的功率变换器的结构示意框图。

如图2所示，本实用新型实施例提供的开关磁阻电机的功率变换器1包括：直流母线电容10、三个IGBT拓扑模块20以及用于将所述直流母线电容10与每个所述IGBT拓扑模块20连接起来的叠层母排30。

具体地，三个所述IGBT拓扑模块20并联连接，且每个所述IGBT拓扑模块20与所述直流母线电容10通过所述叠层母排30共连后连接至外部直流电源，如图3所示。

其中，所述直流母线电容10用于储存开关磁阻电机的磁场能量，以反馈至外部直流电源，三个所述IGBT拓扑模块20与开关磁阻电机的三相绕组(LU、LV、LW)分别一一对应连接，且每个所述IGBT拓扑模块20和所述直流母线电容10共连后连接至外部直流电源。

本实用新型实施例的开关磁阻电机的功率变换器1用于将外部直流电源提供的能量经过适当变换提供给开关磁阻电机使用，实现功率变换功能，具体使用三个IGBT拓扑模块20对应控制开关磁阻电机的三相绕组的通断，以实现主开关器件的相关功能。可见，本实施例中的所述功率变换器1相较于现有技术中的使用6个通用IGBT模块实现对开关磁阻电机的三相绕组的通断控制，可以有效地降低产品成本；且进一步考虑到性能优良的功率变换器1要求具有较少数量的具有开关功能的元器件，则本实用新型实施例的开关磁阻电机的功率变换器1相较于现有技术中的功率变换器1的性能更加优良，不仅具有较少数量的主开关器件，且主开关器件的电压额定值与开关磁阻电机更加接近，以及至少还具有：可将外部直流电源的电压全部转换加给开关磁阻电机的绕组，迅速增加开关磁阻电机的各相绕组电流的能力，并可以通过主开关器件的调制，有效地控制开关磁阻电机的各相绕组电流，同时能够将开关磁阻电机的各相绕组的储能回馈给外部直流电源，等优点。

进一步优选地，每个所述IGBT拓扑模块20和所述直流母线电容10通过叠层母排30封装相连，如图4所示。

其中，叠层母排30又称复合铜排，为一种多层符合结构连接排，与传统的、笨重的、费时且麻烦的配线方式相比，该叠层母排30具有可重复电气性能、低阻抗、抗干扰、可靠性好、节省空间、装配简单快捷等特点，则使用该叠层母排30使开关磁阻电机的功率变换器1易于设计、安装快速且结构清晰，如此可以在整体上改善功率变换器1的布局，提高空间布置紧凑性，而且相较于使用传统的常规导线封装连接IGBT拓扑模块20与直流母线电容10的方式，安装方便、可靠性好，并能够很好的避免现有线路环形布局产生的电感杂波信号干扰，可见，在本实用新型实施例中通过采用一定的金属带来替代传统导线，同时可以达到改变电路结构布局，且金属带走线不易弯曲二产生寄生效应。

优选地，所述叠层母排30的走线方式为直线，一方面能够提高元器件之间电连接的可靠性，同时避免了传统常规导线环形布局所产生的寄生干扰。

优选地，所述叠层母排30的尺寸大小与流经所述功率变换器1的电流大小相适配，尺寸比如高度、宽度，以进一步提高开关磁阻电机的功率变换器1的可靠性。

进一步地，考虑到如图1所示的现有开关磁阻电机的功率变换器使用了较多的IGBT管，具体以图1中连接至开关磁阻电机的U相绕组LU的两个通用IGBT模块(1，2)为例，一共包括4个IGBT管V1～V4和4个二极管VD1～VD4，其中，IGBT管V2的G2引脚和E2引脚短接而处于截止状态以及IGBT管V3的G1引脚和E1引脚短接而处于截止状态，由IGBT管V1和V4作为主开关器件控制U相绕组处于通电、续流或断开状态，具体工作时，当IGBT管V1、IGBT管V4导通的时候，IGBT管VD2、IGBT管VD3反向截止，外接直流电源加到U相绕组LU的两端，产生U相电流IU，而当V1、V4关断的时候，U相绕组LU的电动势变为左侧正右侧负，则IGBT管VD2、IGBT管VD3正向导通，U相电流IU通过IGBT管VD2、IGBT管VD3和储能电容CS续流，CS将储存U相绕组LU的部分磁场能量。由此可知，在现有技术中的功率变换器1中，通用IGBT1模块的IGBT管V2不工作，其下桥臂的作用相当于一个FWD(Free Wheeling Diode，续流二极管)，同理，通用IGBT2模块的IGBT管V3也不工作，其上桥臂相当于一个FWD。所以，现有的开关磁阻电机的功率变换器1选用的两个通用IGBT模块(1，2)中有一只IGBT管属于冗余，这样不仅增加功率变换器1的成本，而且也会影响整个产品的体积和重量。

那么，为了解决上述问题，本实用新型实施例中采用的经过改进的IGBT拓扑模块20采用了较少的IGBT管，不仅有助于降低产品成本，还可以缩减产品体积和重量；具体地，本实用新型实施例采用的每个所述IGBT拓扑模块20包括：第一开关器件202、第二开关器件204、第一二极管206和第二二极管208，如图5所示。

其中，所述第一开关器件202的第一端和所述第一二极管206的负极共连后形成所述IGBT拓扑模块20的第一连接端210，所述第一开关器件202的第二端与所述第二二极管208的负极共连后形成所述IGBT拓扑模块20的第一输出端214，所述第一二极管206的正极与所述第二开关器件204的第一端共连后形成所述IGBT拓扑模块20的第二输出端216，所述第二开关器件204的第二端和所述第二二极管208的正极共连后形成所述IGBT拓扑模块20的第二连接端212。

优选地，如图5所示，所述第一开关器件202包括相互反向并联连接的第一IGBT管2022和第三二极管2024，所述第二开关器件204包括相互反向并联连接的第二IGBT管2042和第四二极管2044。

其中，所述第一IGBT管2022的集电极与所述第三二极管2024的负极相连形成所述第一开关器件202的第一端，所述第一IGBT管2022的发射极与所述第三二极管2024的正极相连形成所述第一开关器件202的第二端，所述第二IGBT管2042的集电极与所述第四二极管2044的负极相连形成所述第二开关器件204的第一端，所述第二IGBT管2042的发射极与所述第四二极管2044的正极相连形成所述第二开关器件204的第二端。

由上可知，所述第一IGBT管2022与所述第三二极管2024反向并联连接后再与所述第二二极管208反向串联连接，同理，所述第二IGBT管2042与所述第四二极管2044反向并联连接后再与所述第一二极管206反向串联连接。可见，分别与开关磁阻电机的三相绕组中每相绕组连接的所述IGBT拓扑模块20中使用了两个IGBT管，与现有的通用IGBT模块相比少用了两个IGBT管，也就是说，将现有技术中通用IGBT模块中冗余的IGBT管去除，有效地降低了产品成本，且通过采用成本低、易获取的二极管实现现有技术中通用IGBT模块中冗余的IGBT管的相应功能，连线简单、更方便组装。

优选地，所述第一二极管206、所述第二二极管208、所述第三二极管2024和所述第四二极管2044为续流二极管FWD。

进一步地，所述第一连接端210和所述直流母线电容10的正极通过所述叠层母排30共连后连接至所述外部直流电源的正极，所述第二连接端212和所述直流母线电容10的负极通过所述叠层母排30共连后连接至所述外部直流电源的负极；以及所述第一输出端214和所述第二输出端216分别对应连接至所述三相绕组(LU、LV、LW)其中一相绕组的两端。

综上，本实用新型实施例中的开关磁阻电机的功率变换器1通过使用三个改进结构的IGBT拓扑模块20，具体该IGBT拓扑模块20可以为扁平封装结构，包括2个IGBT管和4个二极管，分别通过反向并联和反向串联的方式形成如图3所示的两路半桥结构，如此通过三个IGBT拓扑模块替代现有技术中的六个通过IGBT模块，可以有效地减少IGBT管的使用数量，降低成本的同时可以减轻该功率变换器1的体积和重量，并采用叠层母线30将IGBT拓扑模块20与直流母线电容进行连接，可以避免常规导线环形布局所产生的电感杂波信号干扰，改善了产品性能，提高了功率变换器1的工作效率，具有提质增效、节能环保的作用。

实施例二

图6示出了本实用新型实施例的开关磁阻电机的控制系统的组成示意图。

如图6所示，根据本实用新型实施例的开关磁阻电机的控制系统60包括：开关磁阻电机602和开关磁阻电机的功率变换器604，所述开关磁阻电机的功率变换器604具体为上述实施例一中所述的开关磁阻电机的功率变换器。

其中，所述开关磁阻电机的功率变换器604与所述开关磁阻电机602相连，具体地，所述开关磁阻电机的功率变换器604中的三个同向并联连接的IGBT拓扑模块分别与所述开关磁阻电机604的三相绕组一一对应连接，以及所述功率变换器604用于在与外部直流电源接通时，控制所述开关磁阻电机602各相绕组的通断。

本实用新型实施例中的开关磁阻电机的运行控制系统60，通过使用具有数量较少以及改进封装形式的开关元器件的功率变换器604，同样可以达到降低系统成本、提升性能的目的，并能够保证该系统60的稳定性和可靠性。

具体地，所述开关磁阻电机602可以为三相12/8结构电机，其转子既无绕组也无永磁体，其定子上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组联接起来形成三相绕组的其中一相。

进一步地，如图6所示，本实用新型实施例的开关磁阻电机的控制系统60还包括：电流检测装置606、位置检测装置608和控制器610。

其中，所述电流检测装置506与所述开关磁阻电机602相连，用于检测所述开关磁阻电机602的三相绕组电流；所述位置检测装置608与所述开关磁阻电机602相连，用于检测所述开关磁阻电机602的转子位置；所述控制器610与所述功率变换器604、所述电流检测装置606和所述位置检测装置608相连，用于根据所述转子位置和所述三相绕组电流向所述功率变换器604发送控制信号，以实现对所述开关磁阻电机602的控制。

具体地，在开关磁阻电机602运行的过程中，控制器610根据位置检测装置608检测到开关磁阻电机602的转子位置，在开关磁阻电机的某一相最小电感位置处即开关磁阻电机602的定转子不对齐位置，开通功率变换器604中与开关磁阻电机602对应的开关器件，进一步可以根据电流斩波控制策略或者电压PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制策略的需求对功率变换器610的开关器件进行通断控制直至开关磁阻电机602的转子运行到该相最大电感位置处即开关磁阻电机602的定转子对齐位置。

优选地，所述电流检测装置606包括三个电流传感器，每个所述电流传感器用于对应检测所述开关磁阻电机602的所述三相绕组电流的其中一相绕组电流。

在本实用新型中，术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”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，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用新型的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。