一种传统式绕组的新型开关磁阻电机功率变换器及其控制方法

本发明的涉及新型电机及其控制，针对其更加具体应用场合，涉及到的是一种传统式绕组的新型开关磁阻电机功率变换器及其控制方法。

背景技术：

1、传统的开关磁阻电机结构简单，在低负载和高速运行时通常具有相对更高的效率，同时由于其不需要依靠永磁材料，具有极高的运行稳定性和可靠性，适合应用在很多苛刻的工业生产场景中。但是由于其自身结构的影响，它功率密度低、转矩脉动大等缺点也十分突出。为了弥补其在此方向上的固有缺陷，对轴向磁通开关磁阻电机的研究也逐渐走进研究人员的视野，并取得了一定的研究成果。较为典型的双定子轴向磁通开关磁阻电机，其能够通过对绕组进行不同方式的连接，从而获得不同的电机运行状态。但是与传统开关磁阻电机相比，双定子轴向磁通结构开关磁阻电机的控制更加复杂，需要更高级的电子控制系统来管理两个定子的电流和相位。并且，由于复杂的结构和控制系统，双定子轴向磁通结构开关磁阻电机可能在一些情况下具有较低的整体效率。因此，本专利所公开的功率变换器及其控制方法不仅能够使该新型可重构绕组的开关磁阻电机正常运行过程中在两种模式间的平稳无缝切换，使电机运行时兼具串联模式的低速大转矩和并联模式的宽调速范围的优点，还能够根据电机自身运行状态选择更为合适的运行模式，提升该种新型开关磁阻电机的整体输出效率，为所应用的新型的可重构绕组的开关磁阻电机在更多现代新兴领域的推广应用奠定了理论和实践基础。

技术实现思路

1、针对目前现存的诸多技术问题，本发明提供了一种传统式绕组的新型开关磁阻电机功率变换器及其控制方法，能够使该新型可重构绕组的开关磁阻电机正常运行过程中在两种模式间的平稳无缝切换，使电机运行时兼具串联模式的低速大转矩和并联模式的宽调速范围的优点，还能够根据电机自身运行状态选择更为合适的运行模式，提升该种新型开关磁阻电机的整体输出效率。

2、为了实现上述技术目的，本发明采用如下的技术方案予以实现，具体过程包括：

3、一种传统式绕组的新型开关磁阻电机功率变换器及其控制方法，该种功率变换器应用在的三相双定子轴向磁通开关磁阻电机其采用了双定子和分块转子相结合的定转子结构，同时具备有传统绕组配置设计，左右定子各为12极，分块转子极数为8，传统式绕组线圈安装在左右定子槽内，且左右定子槽内的绕组线圈完全相同。

4、本发明在于，对该种功率变换器所应用的三相双定子轴向磁通开关磁阻电机进行定义，将a1、b1、c1绕组定义为左定子侧的三相绕组，同样地，将a2、b2、c2绕组定义为右定子侧的三相绕组。所公开的传统式绕组的新型开关磁阻电机功率变换器中，其主要组成除上述a1、a2、b1、b2、c1、c2 6个绕组外，还包括一个直流电流源udc、一个电容器c、15个功率开关器件s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8、s9、s10、s11、s12、sd1、sd2、sd3、6个续流二极管d1、d2、d3、d4、d5、d6以及各器件之间的连接线。

5、所述的传统式绕组的新型开关磁阻电机功率变换器中各电子元器件之间的连接关系，由于该型功率变换器所应用的三相电机固有的运行特性，使其a、b、c三相连接方式基本相同，故以a相的连接方式为例，其余b、c两相不再赘述：功率开关器件s1的漏极与直流电流源udc的正极、电容器c的正极、功率开关器件s4的漏极、续流二极管d2的负极相连；功率开关器件s1的源极与绕组线圈a1的正极、续流二极管d1的负极相连；功率开关器件s2的漏极与绕组线圈a2的负极、续流二极管d2的正极相连；功率开关器件s2的源极与功率开关器件s3的源极、续流二极管d1的正极、电容器c的负极、直流电流源的负极相连；功率开关器件s3的漏极与绕组线圈a1的负极、功率开关器件sd1的漏极相连；功率开关器件s4的源极与绕组线圈a2的正极、功率开关器件sd1的源极相连。

6、本发明在于，当所驱动的电机需要其运行在串联模式下时，该型功率变换器中主要用到的功率开关器件为s1、s2、s5、s6、s9、s10、sd1、sd2、sd3，用到的续流二极管为全部6个续流二极管d1、d2、d3、d4、d5、d6。

7、本发明在于，当所驱动的电机需要其运行在并联模式下时，该型功率变换器用到的功率开关器件为全部15个功率开关器件s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8、s9、s10、s11、s12、sd1、sd2、sd3，用到的续流二极管为全部6个续流二极管d1、d2、d3、d4、d5、d6。

8、本发明在于，功率开关器件s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8、s9、s10、s11、s12可选用igbt或mosfet，功率开关器件sd1、sd2、sd3应为不带反并联二极管的分立式igbt，全部6个续流二极管d1、d2、d3、d4、d5、d6均采用快速恢复二极管。

9、本发明在于，在正常工作状态下，串联运行模式和并联运行模式均具有三种不同的工作状态，包括：同相绕组串联运行模式下的励磁状态、同相绕组串联运行模式下的续流状态、同相绕组串联运行模式下的退磁状态、同相绕组并联运行模式下的励磁状态、同相绕组并联运行模式下的续流状态、同相绕组并联运行模式下的退磁状态，共计六种工作状态。通过控制功率开关器件的导通和关断就可以得到上述六种不同的工作状态。由于该型功率变换器所应用的三相电机固有的运行特性，使其a、b、c三相对应的功率开关器件控制方式基本相同，故以a相的功率开关器件控制方式为例，其余b、c两相不再赘述：当功率开关器件s1、s2、sd1开通，功率开关器件s3、s4关断时，电机运行在同相绕组串联运行模式下的励磁状态；当功率开关器件s2、sd1开通，功率开关器件s1、s3、s4关断时，电机运行在同相绕组串联运行模式下的续流状态；当功率开关器件sd1开通，功率开关器件s1、s2、s3、s4关断时，电机运行在同相绕组串联运行模式下的退磁状态；当功率开关器件s1、s2、s3、s4开通，功率开关器件sd1关断时，电机运行在同相绕组并联运行模式下的励磁状态；当功率开关器件s2、sd1开通，功率开关器件s1、s3、s4关断时，电机运行在同相绕组并联运行模式下的续流状态；当功率开关器件sd1开通，功率开关器件s1、s2、s3、s4关断时，电机运行在同相绕组并联运行模式下的退磁状态。

10、本发明在于，所述的传统式绕组的新型开关磁阻电机功率变换器工作在同相绕组串联运行模式下的励磁状态时，功率开关器件s1的漏极与电容器c的正极、直流电流源udc的正极相连；功率开关器件s1的源极与绕组a1的正极相连；功率开关器件s2的漏极与绕组a2的负极相连；功率开关器件s2的源极与电容器c的负极、直流电流源udc的负极相连；功率开关器件sd1的漏极与绕组a1的负极相连；功率开关器件sd1的源极与绕组a2的正极相连。在此种工作状态下，回路中的电流从直流电流源udc的正极流出，按顺序依次流经功率开关器件s1、绕组a1、功率开关器件sd1、绕组a2、功率开关器件s2，最终流回直流电流源udc的负极。

11、本发明在于，所述的传统式绕组的新型开关磁阻电机功率变换器工作在同相绕组串联运行模式下的续流状态时，功率开关器件s2的漏极和绕组a2的负极相连；功率开关器件s2的源极和续流二极管d1的正极相连；续流二极管d1的负极和绕组a1的正极相连；绕组a1的负极和功率开关器件sd1的漏极相连；功率开关器件sd1的源极和绕组a2的正极相连。在此种工作状态下，回路中的电流从续流二极管d1的负极出发，按顺序依次流经绕组a1、功率开关器件sd1、绕组a2、功率开关器件s2，最终回到续流二极管d1的正极。

12、本发明在于，所述的传统式绕组的新型开关磁阻电机功率变换器工作在同相绕组串联运行模式下的退磁状态时，续流二极管d2的负极和电容器c的正极、直流电流源udc的正极相连；续流二极管d2的正极和绕组a2的负极相连；绕组a2的正极和功率开关器件sd1的源极相连；功率开关器件sd1的漏极和绕组a1的负极相连；绕组a1的正极和续流二极管d1的负极相连；续流二极管d1的正极和电容器c的负极、直流电流源udc的负极相连。在此种工作状态下，回路中的电流从直流电流源udc的负极流出，按顺序依次流经续流二极管d1、绕组a1、功率开关器件sd1、绕组a2、续流二极管d2，最终流回直流电流源udc的正极。

13、本发明在于，所述的传统式绕组的新型开关磁阻电机功率变换器工作在同相绕组并联运行模式下的励磁状态时，功率开关器件s1的漏极和电容器c的正极、直流电流源udc的正极、功率开关器件s4的漏极相连；功率开关器件s1的源极和绕组a1的正极相连；功率开关器件s2的漏极和绕组a2的负极相连；功率开关器件s2的源极和功率开关器件s3的源极、电容器c的负极、直流电流源udc的负极相连；功率开关器件s3的漏极和绕组a1的负极相连；功率开关器件s4的源极和绕组a2的正极相连。在此种工作状态下，回路中的电流从直流电流源udc的正极流出后分为两条支路，一条支路按顺序依次流经功率开关器件s1、绕组a1、功率开关器件s3，最终流回直流电流源udc的负极；另一条支路按顺序依次流经功率开关器件s4、绕组a2、功率开关器件s2，最终流回直流电流源udc的负极。

14、本发明在于，所述的传统式绕组的新型开关磁阻电机功率变换器工作在同相绕组并联运行模式下的续流状态时，功率开关器件s2的漏极和绕组a2的负极相连；功率开关器件s2的源极和续流二极管d1的正极相连；续流二极管d1的负极和绕组a1的正极相连；绕组a1的负极和功率开关器件sd1的漏极相连；功率开关器件sd1的源极和绕组a2的正极相连。在此种工作状态下，回路中的电流从续流二极管d1的负极出发，按顺序依次流经绕组a1、功率开关器件sd1、绕组a2、功率开关器件s2，最终回到续流二极管d1的正极。

15、本发明在于，所述的传统式绕组的新型开关磁阻电机功率变换器工作在同相绕组并联运行模式下的退磁状态时，续流二极管d2的负极和电容器c的正极、直流电流源udc的正极相连；续流二极管d2的正极和绕组a2的负极相连；绕组a2的正极和功率开关器件sd1的源极相连；功率开关器件sd1的漏极和绕组a1的负极相连；绕组a1的正极和续流二极管d1的负极相连；续流二极管d1的正极和电容器c的负极、直流电流源udc的负极相连。在此种工作状态下，回路中的电流从直流电流源udc的负极流出，按顺序依次流经续流二极管d1、绕组a1、功率开关器件sd1、绕组a2、续流二极管d2，最终流回直流电流源udc的正极。

16、本发明在于，根据电机在运行过程中的实际转速与预设的切换转速大小之间的对比来判断电机所应处在的工作模式，具体为：当电机的实际转速n0小于切换转速nref时，电机应当运行在串联工作模式；当电机的实际转速n0大于切换转速nref时，电机应当运行在并联工作模式。当电机运行在串联工作模式下时，在同等转速条件下，电机能够获得比并联工作模式更大的转矩输出能力；当电机运行在并联工作模式下时，在同等转矩条件下，电机能够获得更大的转速范围。这样能够提升双定子轴向磁通开关磁阻电机驱动系统在宽转速范围下的性能。

17、本发明在于，当流经电机三相绕组的电流和最小，即正在关断与即将开通的两相电流值相等时，同时对三相的运行模式进行切换。当电机的实际转速n0跨过预设的切换转速nref时，系统应判断此时正在开通的相，并对对应相的电流值及即将开通的下一相的电流值进行监测和比较，当获取到该两相电流值相等的信号时，同时改变三相的模式驱动信号，完成对三相串并联工作模式的切换。在流经电机三相绕组的电流和最小时对电机三相的运行模式进行切换，能够一定程度上降低由于模式切换瞬间给控制器电路及电机带来的不利影响。

18、有益效果：

19、本发明提供的一种传统式绕组的新型开关磁阻电机功率变换器及其控制方法，能够对一种新型三相双定子轴向磁通可重构绕组的开关磁阻电机进行在线运行方式切换，使其同时具备串联运行方式下低速大转矩和并联运行方式下的宽调速范围的优点，并能够根据电机自身运行状态选择更为合适的运行模式，为所应用的新型的可重构绕组的开关磁阻电机在更多领域的推广应用奠定了理论和实践基础，有利于提升开关磁阻电机在现代新兴领域的竞争力。