CN111769663A - 开关磁阻电机双模式驱动控制***及实现方法 - Google Patents

开关磁阻电机双模式驱动控制***及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了开关磁阻电机双模式驱动控制***及实现方法，属于电机技术领域。该电机多相运行时，径向相对的两个磁极线圈构成一相绕组，接入功率变换器的每相主电路，各相主电路的两个主开关的驱动信号均不同步；少相运行时：将径向相对的两个磁极线圈串联构成一条支路，再与空间位置相邻的另一条支路构成新的相绕组；或者将相邻的两个磁极线圈先串联形成一组，再与径向相对的另一组磁极线圈串联或并联形成新的相绕组；重组后每相功率变换器主电路中所有主开关驱动信号均同步，相邻新相的功率变换器主电路中的主开关驱动信号不同步。本发明能够利用多相和少相电机的优点，电机利用率高、适应范围广。

Description

开关磁阻电机双模式驱动控制***及实现方法
技术领域
本发明提供开关磁阻电机进行不同运行模式切换的电机驱动控制方法，具体地说是电机采用双凸极结构，通过改变绕组的连接方式，实现电机多相和少相切换运行方法。特别涉及开关磁阻电机绕组连接方式、功率变换器与电机绕组的连接以及功率变换器各个主开关的驱动控制。
背景技术
开关磁阻电机(Switch Reluctance Machine,SRM)成本低、可靠性高、起动转矩大、控制参数多，在航空航天、电动车辆、家用电器等诸多领域具有良好的应用前景。其结构灵活多样，可设计成三相6/4极或四相8/6极等少相型式，也可以设计成四相以上的型式。三相或四相SRM的步距角大、开关频率低、***结构和控制较简单，能够以很高的转速运行；多相SRM则具有转矩脉动小、起动性能好等优势，可以做成较大的容量，但转速较高时磁通交变频率和功率器件开关频率的增加使得铁心损耗和开关损耗也增加，因此适合于中低速运行。
现有的SRM仅以单一相数运行，在电气传动***中难以同时获得较优的低速和高速运行性能。
文献《基于PI参数自适应的开关磁阻电机调速***控制研究》(2015年第35卷第16期)提出了一种基于PI参数自适应调节器构成的开关磁阻电机双闭环控制方法，在低速时采用转矩电流间接控制，将转速调节器的输出作为参考转矩，在转速高于设定值时采用直接电流控制方式，将转速调节器的输出作为参考电流，旨在降低电机低速时的转矩脉动，并提高电机高速时的转速响应。该方案所提出的双模式运行方式仅从控制算法层面对开关磁阻电机***的上述性能进行了改进，并没有涉及到功率、起动能力或损耗等性能的改善。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种开关磁阻电机双模式驱动控制***及实现方法，能够提高SRM利用率和适应性，使电机在同一本体结构下，能够实现不同相数的双模式运行。本发明采用低速时多相运行，中高速时少相运行方式。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
第一种技术方案：根据本发明实施例提供的开关磁阻电机双模式驱动控制***，开关磁阻电机的定子铁心和转子铁心均为凸极结构，定子磁极上设有磁极线圈，每相的磁极线圈组成一个绕组，其特征在于：定子极数是4m的整数倍，m为2、3或4，转子极数是2·(2m±1)的整数倍；
电机***作多相运行时，径向相对的两个磁极线圈串联形成一相绕组；电机作少相运行时，径向相对两个磁极线圈串联形成一条支路，再与空间位置相邻的另一条支路并联形成一相绕组；
空间位置不相邻的半数绕组的接头通过切换开关与功率变换器相连接，剩余半数绕组的接头直接连接功率变换器。
第二种技术方案：一种开关磁阻电机双模式驱动控制***，开关磁阻电机的定子铁心和转子铁心均为凸极结构，定子磁极上设有磁极线圈，每相的磁极线圈组成一个绕组，其特征在于：定子极数是4m的整数倍，m为2、3或4，转子极数是2·(2m±1)的整数倍；
电机***作多相运行时，径向相对的两个磁极线圈串联形成一相绕组；电机作少相运行时，相邻的两个磁极线圈先串联形成一组，再与径向相对的另一组磁极线圈串联或并联形成一相绕组；
空间位置不相邻的半数绕组的接头通过切换开关与功率变换器相连接，剩余半数绕组的接头直接连接功率变换器。
上述切换开关为具有若干组常开常闭触点的继电器或接触器，也可以为由多个同步工作且信号反向的多对IGBT或场效应管等功率开关器件构成。
绕组集中缠绕定子铁心的齿部，转子铁心既无绕组也无永磁体。
基于2m相不对称半桥功率变换器与2m相绕组连接方式：空间位置不相邻的一组绕组直接与功率变换器连接；另一组空间位置不相邻的绕组两端先连接到切换开关的两个常闭触点上，再与功率变换器连接；各相绕组之间相互独立。电机作多相运行时，切换开关的常闭触点闭合，常开触点断开，功率变换器各相的两个主开关驱动信号不同步；电机作少相运行时，切换开关动作，常闭触点断开，常开触点闭合，构成新相的原两相绕组对应的功率变换器主开关驱动信号分别同步。
基于m相不对称半桥功率变换器与2m相绕组连接方式：空间位置不相邻的一组绕组先串联一个二极管后再与功率变换器连接；另一组空间位置不相邻的绕组两端先连接到切换开关的两个常闭触点上，再串联一个二极管后与功率变换器连接；相继导通的两相绕组所串联的二极管导通方向相反，相继导通的两相绕组串联二极管后相接。电机作多相运行时，切换开关的常闭触点闭合，常开触点断开，功率变换器各个主开关的驱动信号均不同步；电机作少相运行时，切换开关动作，常闭触点断开，常开触点闭合，构成新相的原两相绕组对应的功率变换器主开关驱动信号分别同步。
本发明还保护一种开关磁阻电机双模式驱动控制实现方法，其特征在于，包括多相运行模式和少相运行模式，定子磁极数量为4m，多相运行时具有2m相，少相运行时具有m相；
多相运行时，径向相对的两个磁极线圈构成一相绕组，接入功率变换器的每相主电路，各相主电路的两个主开关的驱动信号均不同步；
少相运行时：将径向相对的两个磁极线圈串联构成一条支路，再与空间位置相邻的另一条支路构成新的相绕组；或者将相邻的两个磁极线圈先串联形成一组，再与径向相对的另一组磁极线圈串联或并联形成新的相绕组；重组后每相功率变换器主电路中所有主开关驱动信号均同步，相邻新相的功率变换器主电路中的主开关驱动信号不同步。
本发明较现有技术的创新之处主要在于，在同一电机本体结构上，通过改变绕组连接方式和功率开关的导通逻辑，使得SRM能够根据运行需求选择工作模式，拓展了现有技术的应用范围。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明提出的基于不对称半桥式功率变换器的开关磁阻电机双模式运行实现方法可在电机本体不改变的基础上，实现多相/少相运行模式的转换，将多相SRM具有的转矩脉动小、起动性能好等优势和少相SRM铁心损耗小、适合高速运行的优点结合在同一电机本体上，提高了电机的利用率。恰当的定、转子极数组合可以使电机能够作多相模式运行，也可以作少相模式运行，通过改变绕组连接方式和驱动信号导通逻辑使电机能够在同一本体结构下，根据应用场合的要求选择多相或少相运行模式，从而利用不同运行模式的优点，提高电机的利用率和适应性、扩展应用范围。
2.本发明提出的基于不对称半桥式功率变换器的开关磁阻电机双模式运行实现方法可在电机低速运行时采用转矩脉动小的多相运行模式，克服少相SRM转矩脉动大的缺点；可在电机做中高速运行时切换到少相运行模式，解决多相电机在高速运行时铁心损耗和功率器件开关损耗大的问题。
3.本发明提出的基于不对称半桥式功率变换器的开关磁阻电机双模式运行实现方法为SRM性能的优化提供了开创性的设计思路，对高性能SRM驱动控制***的研究有很大的启发性。
附图说明
图1所示为本发明的12/10极SRM作六相和三相双模式运行的电机***原理示意图。
图2所示为本发明的12/10极SRM作六相运行时的绕组连接和磁通路径示意图(仅示出一相绕组接线)。
图3所示为本发明的12/10极SRM作三相运行时的绕组连接和磁通路径示意图(仅示出一相绕组接线)。
图4所示为本发明的12/10极SRM采用六相不对称半桥功率变换电路实现双模式运行时的绕组与功率变换器的接线原理图。
图5所示为本发明的12/10极SRM采用三相不对称半桥功率变换电路实现双模式运行时的绕组与功率变换器的接线原理图。
图中：1、电源；2、功率变换器；3-1、第一组切换开关触点；3-2、第二组切换开关触点；4-1、六相运行模式；4-2、三相运行模式。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1所示为本发明的12/10极SRM作六相和三相双模式运行的电机***原理示意图。通过控制两组切换开关触点(第一组切换开关触点3-1和第二组切换开关触点3-2)实现六相运行模式4-1和三相运行模式4-2的切换。每相绕组连接功率变换器2，功率变换器两端连接电源1。由六相运行模式切换到三相运行模式，只需将六相运行下的相邻的两相绕组并联形成新的一相，进而实现三相运行。
所述电机***作多相运行时，径向相对的两个磁极线圈串联作为一相绕组；电机作少相运行时，径向相对的两个线圈先串联成一条支路，再与相邻的另一条支路并联，作为一相绕组。
如图2，开关磁阻电机定子极数是4m的整数倍，m为2、3或4，转子极数是2·(2m±1)整数倍；本实施例m＝3，电机形式为12/10极，定、转子均为凸极结构，12个定子磁极和10个转子磁极分别均匀分布在定子铁心和转子铁心表面，定子磁极上设有磁极线圈，径向相对的两个磁极线圈组成一个绕组，定子磁极上设有集中式绕组，转子铁心既无绕组也无永磁体；此定、转子极数组合的SRM既可以作六相运行，也可以作三相运行；六相运行时有六个绕组，每个绕组包含两个磁极线圈，三相运行时有三个绕组，每个绕组包含四个磁极线圈。
图2中，12个磁极线圈标记为A1、B1、C1、D1、E1、F1、A2、B2、C2、D2、E2、F2，电机***作六相运行时，径向相对的两个磁极线圈串联形成一相，即A1和A2径向相对构成A相绕组，B1和B2径向相对构成B相绕组，依次类推，获得C、D、E、F相绕组，形成六相绕组。
以A相为例，作六相运行时(参见图2)径向相对的两个线圈(A1和A2)正向串联构成A相绕组，然后与两个功率开关(VT1、VT2)和两个二极管(VD1和VD2)构成的一相功率变换电路连接，此时电机每相具有两条并联的磁路(如图2中两个封闭虚线)。
图3为图2中电机作三相运行的示意图，径向相对的两个磁极线圈先串联形成一条支路，再与相邻的另一条支路并联形成一相，即每相绕组包含4个线圈，首先将径向相对的两个线圈(A1和A2，A3和A4)分别正向串联各自组成一条支路，然后将这两条相邻的支路并联后连接到一相功率变换电路上，此时电机每相具有两条相互独立的磁通路径(如图3中两个封闭虚线)。
如图4所示为本发明基于六相不对称半桥功率变换器的双模式***实施方式，所述功率变换器包括驱动电路和主电路，每相主电路由两个功率开关(又称主开关)和两个二极管构成，功率变换器的具体电路结构依据现有技术实现。功率变换器每相都包含两个功率开关和两个二极管，图中A相的两个功率开关为QAH、QAL，两个二极管为DAH、DAL；B相的两个功率开关为QBH、QBL，两个二极管为DBH、DBL；C相的两个功率开关为QCH、QCL，两个二极管为DCH、DCL；D相的两个功率开关为QDH、QDL，两个二极管为DDH、DDL；E相的两个功率开关为QEH、QEL，两个二极管为DEH、DEL；F相的两个功率开关为QFH、QFL，两个二极管为DFH、DFL。同相的两个功率开关同时动作，不同相的功率开关不同时动作，各相电路相互独立。
12/10极SRM的六个相绕组A～F分成两组，在空间位置上不相邻的A、C、E相直接与各自相功率变换器主电路相连接，另一组在空间位置上不相邻的B、D、F相绕组分别与一个具有两开两闭触点的中间继电器连接后再与各自相功率变换器主电路相连接，其中S1与S2分别是同一个中间继电器的一对常开常闭触点，两对触点同时动作，S3与S4、S5与S6的连接和控制方式同S1与S2；当电机作六相运行时，S1～S6的常闭触点闭合，常开触点断开(图4中，S1中位于上方的为常闭触点，位于下方的为常开触点；S2中位于上方的为常开触点，位于下方的为常闭触点，S3～S6的触点依此设置)，按照逆时针或顺时针的顺序在合适的转子位置处依次驱动A～F相对应的功率开关；
当电机作三相运行时，同时给3个中间继电器控制信号，使S1～S6的常闭触点断开，常开触点闭合，原来六相运行下的A相与F相合并为新的A相、C相与B相合并为新的B相、E相与D相合并为新的C相，新的A相、B相、C相各自对应4个功率开关，新的每相的所有功率开关驱动信号均保持同步。此时六相运行时的A相与F相、C相与B相、E相与D相绕组分别并联构成三相绕组，电机作三相运行。
如图5所示为本发明基于三相不对称半桥功率变换器的双模式***实施方式，所述功率变换器包括驱动电路和主电路，每相主电路由两个功率开关和两个二极管构成，功率变换器的具体电路结构依据现有技术实现。12/10极SRM的六个相绕组A～F分成两组，其中在空间位置上不相邻的A、C、E相先串联一个二极管再与功率变换器相连接，另一组在空间位置上不相邻的B、D、F相绕组分别与S1和S2、S3和S4、S5和S6构成的两开两闭触点的中间继电器连接后再串联一个二极管，最后与功率变换器相连接，实现三相运行时A相和F相受相同的功率开关同步控制形成新的A相，B相和C相受相同的功率开关同步控制形成新的B相；D相和E相受相同的功率开关同步控制形成新的C相。
其中每个功率开关为相继导通的两相绕组共用(如QFA为F相和A相共用，QAB为A相和B相共用)，每相中均串联一个二极管(如DA与A相绕组连接，DB与B相绕组连接，DC与C相绕组连接，DD与D相绕组连接，DE与E相绕组连接,DF与F相绕组连接)，一个作为续流元件为相继导通的两相绕组共用(如DAB为A相和B相共用的续流元件)；
当电机作六相运行时，S1-S6的常闭触点闭合，常开触点断开，按照顺时针或逆时针的顺序在各相相应的转子位置处依次驱动6个功率开关；当电机作三相运行时，3个继电器同时动作，S1～S6的常闭触点断开，常开触点闭合，使构成新相的A相与F相、C相与B相、E相与D相对应的功率开关QFA和QAB，QBC和QCD，QDE和QEF的驱动信号分别同步。此时A相与F相、C相与B相、E相与D相将分别并联成一相绕组，同时原来耦合在一起的六相绕组变成了独立的且每相具有两条支路的三相绕组，电机作三相运行，功率变换器等效为三相不对称半桥变换器。
本发明中切换开关是实现模式切换的执行元件，还可以采用接触器、多个同步工作且信号反向的多对IGBT或场效应管等开关器件构成，即将图4或图5中S1的常开常闭触点位置分别用两个同步工作且信号反向的IGBT控制，实现常开和常闭触点功能，两个同步工作且信号反向的IGBT为一对。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，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做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (9)

1.一种开关磁阻电机双模式驱动控制***，开关磁阻电机的定子铁心和转子铁心均为凸极结构，定子磁极上设有磁极线圈，每相的磁极线圈组成一个绕组，其特征在于：定子极数是4m的整数倍，m为2、3或4；
电机***作多相运行时，径向相对的两个磁极线圈串联形成一相绕组；电机作少相运行时，径向相对两个磁极线圈串联形成一条支路，再与空间位置相邻的另一条支路并联形成一相绕组；
空间位置不相邻的半数绕组的接头通过切换开关与功率变换器相连接，剩余半数绕组的接头直接连接功率变换器。
2.一种开关磁阻电机双模式驱动控制***，其特征在于，开关磁阻电机的定子铁心和转子铁心均为凸极结构，定子磁极上设有磁极线圈，每相的磁极线圈组成一个绕组，其特征在于：定子极数是4m的整数倍，m为2、3或4；
电机***作多相运行时，径向相对的两个磁极线圈串联形成一相绕组；电机作少相运行时，相邻的两个磁极线圈先串联形成一组，再与径向相对的另一组磁极线圈串联或并联形成一相绕组；
空间位置不相邻的半数绕组的接头通过切换开关与功率变换器相连接，剩余半数绕组的接头直接连接功率变换器。
3.根据权利要求1或2所述的开关磁阻电机双模式驱动***，其特征在于，所述切换开关为具有若干组常开常闭触点的继电器或接触器、由多个同步工作且信号反向的多对IGBT或场效应管构成。
4.根据权利要求1或2所述的开关磁阻电机双模式驱动***，其特征在于，绕组集中缠绕定子铁心的齿部，转子铁心既无绕组也无永磁体，转子极数是2·(2m±1)的整数倍。
5.根据权利要求1或2所述的开关磁阻电机双模式驱动***，其特征在于，基于2m相不对称半桥功率变换器与2m相绕组连接方式：空间位置不相邻的一组绕组直接与功率变换器连接；另一组空间位置不相邻的绕组两端先连接到切换开关的两个常闭触点上，再与功率变换器连接；各相绕组之间相互独立。
6.根据权利要求5所述的开关磁阻电机双模式驱动***，其特征在于，电机作多相运行时，切换开关的常闭触点闭合，常开触点断开，功率变换器各相的两个主开关驱动信号不同步；电机作少相运行时，切换开关动作，常闭触点断开，常开触点闭合，构成新相的原两相绕组对应的功率变换器主开关驱动信号分别同步。
7.根据权利要求1或2所述的开关磁阻电机双模式驱动***，其特征在于，基于m相不对称半桥功率变换器与2m相绕组连接方式：空间位置不相邻的一组绕组先各自串联一个二极管后再与功率变换器连接；另一组空间位置不相邻的绕组两端先连接到切换开关的两个常闭触点上，再各自串联一个二极管后与功率变换器连接；相继导通的两相绕组所串联的二极管导通方向相反，相继导通的两相绕组串联二极管后相接。
8.根据权利要求7所述的开关磁阻电机双模式驱动***及实现方法，其特征在于，电机作多相运行时，切换开关的常闭触点闭合，常开触点断开，功率变换器各个主开关的驱动信号均不同步；电机作少相运行时，切换开关动作，常闭触点断开，常开触点闭合，构成新相的原两相绕组对应的功率变换器主开关驱动信号分别同步。
9.一种开关磁阻电机双模式驱动控制实现方法，其特征在于，包括多相运行模式和少相运行模式，定子磁极数量为4m，多相运行时具有2m相，少相运行时具有m相；
多相运行时，径向相对的两个磁极线圈构成一相绕组，接入功率变换器的每相主电路，各相主电路的两个主开关的驱动信号均不同步；
少相运行时：将径向相对的两个磁极线圈串联构成一条支路，再与空间位置相邻的另一条支路构成新的相绕组；或者将相邻的两个磁极线圈先串联形成一组，再与径向相对的另一组磁极线圈串联或并联形成新的相绕组；重组后每相功率变换器主电路中所有主开关驱动信号均同步，相邻新相的功率变换器主电路中的主开关驱动信号不同步。
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CN114204878A (zh) * 2021-12-16 2022-03-18 河北工业大学 一种开关磁阻电机多模式驱动控制***及控制方法

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