一种奇数齿偶数相开关磁阻电机及其控制策略

摘要

本发明涉及电机技术领域，提出一种奇数齿偶数相开关磁阻电机及其控制策略，能够提高系统功率密度，降低转矩脉动；所提出的奇数齿偶数相开关磁阻电机采用转子奇数齿的结构，能够有效增加一个转子周期内各相导通周期数，实现类似转子极倍增的效应；所提出的奇数齿偶数相开关磁阻电机具有不对称的磁路分布，进而实现了各相独立导通期间和共同导通区间的短磁路运行，从而能够有效提高系统的功率密度；所提奇数齿偶数相开关磁阻电机控制策略采用模块化双极性功率变换器，能够实现电流的双极性流动，进一步减小磁路流通路径，增强控制的灵活性，具有良好的工程应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种奇数齿偶数相开关磁阻电机及其控制策略。

背景技术

相比于交流感应电机和永磁同步电机来说，开关磁阻电机(Switched reluctancemotor，SRM)具有结构简单、无需稀土永磁材料、制造成本低、调速范围宽、效率高和容错能力强等优势，成为了高性能驱动电机的重要选择之一。但是由于双凸极特性和脉动供电方式，SRM也存在着功率密度低和转矩脉动大的缺点。值得说明的是常规的偶数相开关磁阻电机由于单极性脉冲供电的方式会存在不对称磁路分布的情况，例如对于常规的四相8个定子极6个转子齿的开关磁阻电机来说，两种定子磁极分布为NNNNSSSS和NSNSSNSN，在这两种磁极分布的情况下，均存在磁路不对称现象，使SRM系统的转矩脉动进一步增大。为了有效降低SRM的转矩脉动，现阶段国内外学者提出了多种新型拓扑，主要包括多相结构、轴向磁通结构、混合励磁结构和双定子结构等，取得了良好的应用效果，但是也一定程度上增加了系统的复杂性和理论分析的难度，需要进一步的探索。所提出的奇数齿偶数相开关磁阻电机能够继承传统开关磁阻电机性能优势的基础上，实现磁路的对称分布和短磁路运行，进一步降低转矩脉动，具有良好的工程应用前景。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种奇数齿偶数相开关磁阻电机及其控制策略，提高转矩密度和控制性能，降低转矩脉动。

为达上述目的，本发明一方面提出一种奇数齿偶数相开关磁阻电机及其控制策略，包括电机拓扑和控制策略两个方面，其中电机拓扑采用奇数齿偶数相的结构，以12个定子极和9个转子齿的四相12/9奇数齿偶数相开关磁阻电机为例进行说明，区别于传统的四相8/6开关磁阻电机，每一相对应奇数个定子极，A相具有A1、A2和A3三个极，B相具有B1、B2和B3三个极，C相具有C1、C2和C3三个极，D相具有D1、D2和D3三个极。

所提奇数齿偶数相开关磁阻电机具有不对称的短磁路运行特性，当各相单独导通时每一个独立闭合磁路仅占整个圆周的三分之一，而对于传统的四相8/6开关磁阻电机来说，各相单独导通时磁路占整个圆周的二分之一，进而能够实现各相单独导通时的短磁路运行。

而在两相共同导通区间，通过调节各相的供电顺序和导通方向能够有效调节各相的短磁路运行和长磁路运行方式。当定子磁极分布为NSNNSNSNSNSS时，此时A相和D相之间能够实现短磁路运行，而定子磁极分布为NNNSSSNNNSSS时，此时A相和D相之间能够实现长磁路运行。短磁路和长磁路运行的灵活调节和控制，有助于保证各相磁路的平衡，为转矩脉动的降低和功率密度的提高奠定基础。

所提奇数齿偶数相开关磁阻电机控制策略采用模块化双极性功率变换器，实现电流的双极性运行，有效调节绕组连接方式和磁极分布，进一步保证系统的短磁路运行，提高系统的可控性。模块化双极性功率变换器有两个三相全桥功率变换器组成，三相全桥功率变换器I连接A相和C相，三相全桥功率变换器II连接B相和D相。以A相为例，所提功率变换器具有正向励磁、反向励磁、正向上零电压续流、反向上零电压续流、正向下零电压续流、反向下零电压续流、正向退磁和反向退磁8种工作模式，从而能够有效实现电流的双极性运行。为了保证四相12/9结构的SRM来说，通过调节电流流动方向，使第一个转子周期内的磁场分布为NNSNSNSNSSNS，第二个转子周期内的磁场分布为SSNSNSNSNNSN，从而能够保证SRM的短磁路运行，实现转矩脉动的降低和功率密度的提高。

附图说明

图1是本发明实施例1的电机结构拓扑结构图。

图2是本发明实施例1的A相单独导通磁路分布图。

图3是本发明实施例1的两相共同导通短磁路运行绕组连接方式和磁路分布图。

图4是本发明实施例1的两相共同导通长磁路运行绕组连接方式和磁路分布图。

图5是本发明实施例1的双极性模块化功率变换器拓扑结构图。

图6是本发明实施例1的控制策略实施的定子磁极分布方式图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图描述本发明实施例的一种奇数齿偶数相开关磁阻电机及其控制策略。

为达上述目的，本发明一方面提出一种奇数齿偶数相开关磁阻电机及其控制策略，包括电机拓扑和控制策略两个方面。图1所示为所提出奇数齿偶数相开关磁阻电机拓扑结构图，包含12个定子极和9个转子齿，区别于传统的四相8/6开关磁阻电机，每一相对应奇数个定子极，A相具有A1、A2和A3三个极，B相具有B1、B2和B3三个极，C相具有C1、C2和C3三个极，D相具有D1、D2和D3三个极。

所提奇数齿偶数相开关磁阻电机具有不对称的短磁路运行特性，如图2所示，当各相单独导通时每一个独立闭合磁路仅占整个圆周的三分之一，而对于传统的四相8/6开关磁阻电机来说，各相单独导通时磁路占整个圆周的二分之一，进而能够实现各相单独导通时的短磁路运行。

而在两相共同导通区间，通过调节各相的供电顺序和导通方向能够有效调节各相的短磁路运行和长磁路运行方式。当定子磁极分布为NSNNSNSNSNSS时，此时A相和D相之间能够实现短磁路运行，如图3所示。而定子磁极分布为NNNSSSNNNSSS时，此时A相和D相之间能够实现长磁路运行，如图4所示。短磁路和长磁路运行的灵活调节和控制，有助于保证各相磁路的平衡，为转矩脉动的降低和功率密度的提高奠定基础。

所提奇数齿偶数相开关磁阻电机控制策略采用模块化双极性功率变换器，实现电流的双极性运行，有效调节绕组连接方式和磁极分布，进一步保证系统的短磁路运行，提高系统的可控性。模块化双极性功率变换器有两个三相全桥功率变换器组成，三相全桥功率变换器I连接A相和C相，三相全桥功率变换器II连接B相和D相。以A相为例，所提功率变换器具有正向励磁、反向励磁、正向上零电压续流、反向上零电压续流、正向下零电压续流、反向下零电压续流、正向退磁和反向退磁8种工作模式，从而能够有效实现电流的双极性运行。为了保证四相12/9结构的SRM来说，通过调节电流流动方向，使第一个转子周期内的磁场分布为NNSNSNSNSSNS，第二个转子周期内的磁场分布为SSNSNSNSNNSN，从而能够保证SRM的短磁路运行，实现转矩脉动的降低和功率密度的提高。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。