一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器及其控制方法，所述功率转换器包括电源电压V

【技术实现步骤摘要】
一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器及控制方法
本专利技术涉及电机控制应用
，主要涉及一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器及控制方法。
技术介绍
宽转子齿无轴承开关磁阻电机(BearinglessSwitchedReluctanceMotorwithWiderRotorTeeth，BSRMWR)具有结构简单，坚固，成本低，工作可靠，无润滑，寿命长等特点，在航空高速、超高速起动发电机，飞轮储能等领域具有重大应用。与普通无轴承开关磁阻电机相比，BSRMWR转子齿的机械角增加至30°，采用双相导通的方式，可以实现转矩与悬浮力的自然解耦，大大简化了控制算法。由于无轴承开关磁阻电机普遍采用的是不对称半桥功率变换器，电机在换相期间，前一相的相电流截止后，后一相的相电流仍处于建立状态，容易造成电流跟踪不上的问题，使得电机在换相期间转矩脉动较大。若使用传统四电平功率变换器，虽然可以较快建立励磁电流，但每相所需的开关管数目过多，会使得功率变换器的成本大大增加；同时，传统四电平功率变换器各相之间不能独立控制，无法保证电机在旋转的同时稳定悬浮。为了解决这一问题，本专利提出一种新型功率变换器，可以有效提高换相期间绕组的励磁速度，同时各相之间能够独立控制，在改善电机转矩的同时也能保证电机的稳定悬浮，和不对称半桥功率变换器相比每个桥臂仅多了一个升压电容，在一定程度上也控制了成本。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提供了一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器及控制方法，缩短电机换相时励磁电流建立的时间，同时各相能够独立运行，在降低转矩脉动的同时保证电机能够稳定悬浮运转。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器，包括电源电压VDC、稳压电容CL、升压电容CH以及若干桥臂电路；所述桥臂电路包括开关管和二极管；所述桥臂电路数量与电机定子数量相同，电机每个定子均与桥臂电路相连；所述稳压电容CL并联在电源电压VDC两端，所述升压电容CH的负极与稳压电容的正极串联；所述桥臂电路包括开关管S1、S2，电机定子的一相绕组，以及二极管D1、D2；所述电机定子绕组上端与开关管S1的发射极相连；所述电机定子绕组下端与开关管S2的集电极相连；所述升压电容CH的正极与开关管S1的集电极相连；所述二极管D1正极连接电源VDC的正极，负极与开关管S1的发射极相连；所述开关管S2的发射极连接电源VDC的负极，集电极与二极管D1负极相连；所述二级管D2的正极与开关管S2的集电极相连，负极连接开关管S1的集电极。进一步地，所述功率变换器包括4种工作模式：(1)开关管S1、S2导通，二极管D1、D2反向截止；此时电容CH和CL的两端电压电压UCH+UCL加至定子绕组两端，定子绕组在快速励磁状态下运行；(2)开关管S1关断，S2导通，二极管D1导通，D2截止；此时电容CL两端电压电源电压UCL加至定子绕组两端，定子绕组在常压励磁状态下运行；(3)开关管S1导通，S2关断，二极管D1截止，D2导通；此时定子绕组两端电压为0，定子绕组在零电压续流状态下运行；(4)开关管S1、S2关断，二极管D1、D2导通；此时电容CH两端电压电压UCH反向加在定子绕组两端，定子绕组在退磁状态下运行。进一步地，所述宽转子齿无轴承开关磁阻电机包括12个凸极定子齿，8个凸极转子齿，绕组和转轴；所述转子极弧的机械角为30°，定子极弧的机械角为15°；所述12个定子齿上各有1套绕组，每个绕组的电压、电流可单独控制，每隔90°的两个绕组的绕线方向相反，流入电流方向相同；所述4个绕组形成的磁场呈NSNS分布，每隔90°的4个定子绕组形成电机的一相绕组；12个绕组最终形成依次在空间上相差30°的三相绕组。进一步地，所述开关管S1、S2采用全控型器件。那一步地，所述电机采用双凸极结构。一种采用上述宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器的控制方法，包括以下步骤：步骤S1、根据转子位置角导通区间判断该相的工作模式，所述工作模式包括转矩相和悬浮相；所述转矩相表示此相转子位置角导通区间处于电感上升区：-22.5°—-7.5°；所述悬浮相表示此相转子位置角导通区间处于电感平顶区：-7.5°—7.5°；步骤S2、以瞬时转矩为被控对象对转矩相进行控制；位于转矩相的四个定子齿的绕组工作模式相同，以瞬时转矩产生对称励磁，从而产生电机所需正转矩，具体包括下面四种情况：a)、当瞬时转矩减小到转矩滞环信号大于内部滞环极限但小于等于外部滞环极限时，定子绕组在常压励磁状态下运行，瞬时转矩增加；b)、当瞬时转矩继续减小到转矩滞环信号大于外部滞环极限时，定子绕组在快速励磁状态下运行，瞬时转矩进一步增加；c)、当瞬时转矩增大到转矩滞环信号小于等于内部滞环极限的负值时，定子绕组在零电压续流状态下运行，瞬时转矩缓慢减小；d)、当瞬时转矩增大到转矩滞环信号小于外部滞环极限的负值时，定子绕组在退磁状态下运行，瞬时转矩迅速减小；步骤S3、所述悬浮相根据悬浮力滞环信号来决定功率变换器的工作状态，位于悬浮相的四个定子齿绕组工作模式不完全相同，以此来构成不对称励磁，获取电机所需的悬浮力；具体地，当需要悬浮力Fβ>0时，第1绕组电流应比第3绕组电流大，第2绕组和第4绕组电流为任意状态；当需要悬浮力Fβ<0时，第1绕组电流应比第3绕组电流小，第2绕组和第4绕组电流为任意状态；当需要悬浮力Fβ＝0时，第1绕组电流与第3绕组电流相等，第2绕组和第4绕组电流为任意状态；步骤S4、所述电机通过将转矩相和悬浮相导通实现转矩与悬浮力的解耦。有益效果：本专利技术所述电机采用双凸极结构，跟普通开关磁阻电机相比，电机可以通过两相导通实现转矩与悬浮力的解耦，解决了传统无轴承开关磁阻电机的转矩与悬浮力之间的耦合问题。本专利技术提供的宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器实现了电机绕组的快速励磁，可以有效提高电机的运行性能；与传统四电平功率变换器相比，本专利技术各相之间可以独立运行，在改善电机转矩问题的同时不会影响到电机的稳定悬浮，而且在一定程度上控制了成本。附图说明图1是本专利技术提供的电机结构图；图2是本专利技术提供的电机线圈电感示意图；图3a是本专利技术提供的电机三相电感示意图；图3b是本专利技术提供的电机A、B、C三相双相导通工作模式示意图；图4是本专利技术的提供的功率变换器拓扑图；图5是本专利技术提供的功率变换器快速励磁状态示意图；图6是本专利技术提供的功率变换器常压励磁状态示意图；图7是本专利技术提供的功率变换器零电压续流状态示意图；图8是本专利技术提供的功率变换器退磁状态示意图；图9是本专利技术提供的功率变换器转矩相滞环控制示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。如图1-4所示的一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器，所述电机结构如图1所示，为12/8极单本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器，其特征在于，包括电源电压V

【技术特征摘要】
1.一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器，其特征在于，包括电源电压VDC、稳压电容CL、升压电容CH以及若干桥臂电路；所述桥臂电路包括开关管和二极管；所述桥臂电路数量与电机定子数量相同，电机每个定子均与桥臂电路相连；
所述稳压电容CL并联在电源电压VDC两端，所述升压电容CH的负极与稳压电容的正极串联；所述桥臂电路包括开关管S1、S2，(这里的电感为电机定子的一相绕组)以及二极管D1、D2；所述电机定子绕组上端与开关管S1的发射极相连；所述电机定子绕组下端与开关管S2的集电极相连；所述升压电容CH的正极与开关管S1的集电极相连；所述二极管D1正极连接电源VDC的正极，负极与开关管S1的发射极相连；所述开关管S2的发射极连接电源VDC的负极，集电极与二极管D1负极相连；所述二级管D2的正极与开关管S2的集电极相连，负极连接开关管S1的集电极。


2.根据权利要求1所述的一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器，其特征在于，所述功率变换器包括4种工作模式：
(1)开关管S1、S2导通，二极管D1、D2反向截止；此时电容CH和CL的两端电压UCH+UCL加至定子绕组两端，定子绕组在快速励磁状态下运行；
(2)开关管S1关断，S2导通，二极管D1导通，D2截止；此时仅有电容CL两端电压UCL加至定子绕组两端，定子绕组在常压励磁状态下运行；
(3)开关管S1导通，S2关断，二极管D1截止，D2导通；此时定子绕组两端电压为0，定子绕组在零电压续流状态下运行；
(4)开关管S1、S2关断，二极管D1、D2导通；此时电容CH两端电压UCH反向加在定子绕组两端，定子绕组在退磁状态下运行。


3.根据权利要求1所述的一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器，其特征在于，所述宽转子齿无轴承开关磁阻电机包括12个凸极定子齿，8个凸极转子齿，绕组和转轴；所述转子极弧的机械角为30°，定子极弧的机械角为15°；所述12个定子齿上各有1套绕组，每个绕组的电压、电流可单独控制，每隔90°的两个绕组的绕线方向相反，流入电流方向相同；所述4个绕组形成的磁场呈NSNS分布，每隔90°的4个定子绕组形成电机的一相...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨艳，向宇，张腾飞，刘泽远，刘程子，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32