一種用于電動汽車磁場解耦型雙定子開關磁阻電機的新型功率變換器

閆文舉 陳 昊 劉永強 廖 朔

一種用于電動汽車磁場解耦型雙定子開關磁阻電機的新型功率變換器

閆文舉 陳 昊 劉永強 廖 朔

（中國礦業(yè)大學電氣與動力工程學院 徐州 221116）

針對傳統(tǒng)開關磁阻電機存在著功率密度低、轉矩脈動大的問題，該文首先提出一種新型的雙定子開關磁阻電機，內外定子磁場具有較好的解耦特性，并通過轉子內外齒錯開一定的機械角度，降低轉矩脈動。針對該文所提出的新型雙定子開關磁阻電機具有內定子、外定子、雙定子、內外定子串聯(lián)和并聯(lián)五種工作模式，目前常規(guī)的功率變換器結構已經不能滿足其功能需求的問題，提出一種新型的功率變換器。接著分析五種工作模式下新型功率變換器的工作模態(tài)，并進行穩(wěn)態(tài)和動態(tài)仿真分析。最后試制一臺16/18/16結構的樣機，并搭建新型功率變換器驅動系統(tǒng)，通過實驗驗證其工作原理的實際可行性，為新型電機驅動在電動汽車驅動系統(tǒng)領域的推廣應用奠定基礎。

電動汽車 開關磁阻電機 磁場解耦 功率變換器

0 引言

開關磁阻電機（Switched Reluctance Machine, SRM）具有結構加固、成本低、弱磁性能好、過載和容錯能力強等優(yōu)點[1-6]。但其轉矩脈動大、功率密度低的缺點限制了SRM在電動汽車領域的發(fā)展。要使其成為永磁電機的一種可行的替代方案，必須提高SRM的功率密度和轉矩特性。為了提高SRM的功率密度，學者們提出了包括定轉子模塊化、軸向磁通、混合勵磁等新型電機本體結構[7-12]。此外，還有學者提出采用內外同心的雙定子電機[13-16]。文獻[17]提出一種雙定子開關磁阻電機（Double Stator Switched Reluctance Machine, DSSRM）新結構，該電機的轉矩密度可以與永磁同步電機相媲美。文獻[18]提出一種內外定子結構與傳統(tǒng)SRM相同、轉子齒為分塊結構的DSSRM，提高了電機的功率密度。上述新結構雙定子電機在增加功率密度的同時，也增加了電機的轉矩脈動。本文提出一種磁場解耦型DSSRM新結構，通過對內外定子所產生的轉矩分別進行控制降低轉矩脈動。

功率變換器在SRM驅動系統(tǒng)中處于“樞紐”地位，功率變換器的性能直接決定著SRM驅動系統(tǒng)的性能和成本。一個理想的SRM功率變換器主要應滿足以下要求：①能夠提供有效的勵磁、續(xù)流和退磁回路；②盡可能減少功率器件數量，降低成本；③相間控制獨立性好；④可以實現(xiàn)靈活的控制策略；⑤可靠性高，具有較高的容錯性。目前，對功率變換器的研究主要圍繞如何降低功率變換器的成本[19-23]和改善電機調速性能[24-28]兩個方面。為了降低功率變換器的成本，文獻[19]設計了一種雙電源供電的新型功率變換器，每相僅有一個功率開關管，有效降低了功率變換器的成本；文獻[20]設計了一種含諧振電路的新型功率變換器，該功率變換器每相僅需一個功率開關管和一個功率二極管，實現(xiàn)了用最少功率開關管使SRM穩(wěn)定運行的目的；文獻[21]提出了一種+2型功率變換器，減少了功率器件數，降低了系統(tǒng)成本；文獻[22]提出了由一個三相全橋和一個半橋功率開關模塊組成的模塊化功率變換器拓撲結構，并降低了電機的轉矩脈動；文獻[23]提出一種適用于六相SRM的環(huán)形功率變換器，有效減少了功率開關器件，降低了電機的驅動成本。為了改善電機的調速性能，提高電機的調速范圍或者降低電機的轉矩脈動，文獻[24-26]提出了多電平功率變換器，提升繞組的端電壓實現(xiàn)相電流的快速勵磁和退磁；文獻[27-28]則分別提出了一種有源和無源升壓電路，縮短勵磁和退磁時間，增大起動轉矩，改善高速運行時驅動系統(tǒng)的性能。

本文所設計的DSSRM由于內外定子磁場解耦，具有內定子、外定子、雙定子、內外定子串聯(lián)和并聯(lián)五種工作模式，目前常規(guī)的功率變換器結構已經不能滿足本文所設計電機的功能需求，因此，本文提出一種適用于電動汽車低成本集磁場解耦DSSRM全部工作模式的新型功率變換器拓撲結構。

1 磁場解耦DSSRM電機結構

本文所采用的樣機為一種磁場解耦型的16/18/16結構的DSSRM，其中，內、外定子均由8個U型定子塊組成，U型定子塊上繞有定子繞組，轉子內、外齒數為18，電機的結構如圖1a所示。電機內外定子繞組產生的磁場解耦，并將轉子內外齒錯開角度，以達到抑制電機轉矩脈動的目的，如圖1b所示。電機的幾何參數參考文獻[29]。

圖1 電機結構及轉矩脈動抑制機理

圖2給出了電機內、外定子同時導通時最大電感、最小電感位置處的磁力線分布和磁通密度云圖，圖3給出了磁鏈和轉矩的相對誤差，其中，磁鏈和轉矩的相對誤差計算公式分別為

式中，y和T分別為磁鏈和轉矩的相對誤差；i和i分別為內定子單獨通電時的靜態(tài)磁鏈和轉矩；o和o分別為外定子單獨通電時的靜態(tài)磁鏈和轉矩；io和i0分別為內外定子同時通電時的靜態(tài)磁鏈和轉矩。由圖2和圖3可知，電機的內外定子磁場在一個轉子周期內具有比較強的解耦特性。

圖2 電機內外定子同時通電時不同轉子位置處的磁力線分布和磁密云圖

圖3 磁鏈和轉矩的相對誤差

2 新型功率變換器及運行狀態(tài)分析

2.1 新型功率變換器拓撲結構

本文所設計的DSSRM由于內外定子磁場解耦，具有內定子、外定子、雙定子、內外定子串聯(lián)和并聯(lián)五種工作模式，分別如圖4a～圖4d所示，其中，BiA為A相內定子繞組，BoA為A相外定子繞組。

傳統(tǒng)的不對稱半橋功率變換器不能同時滿足上述五種工作模式，針對上述問題，本文在不對稱半橋功率變換器的基礎上，通過推演、衍變，提出一種能夠實現(xiàn)樣機五種工作模式的新型功率變換器拓撲結構，圖5給出了新型功率變換器的衍變過程。以A相激勵為例，當電機工作在內定子工作模式時，用到的功率開關器件和續(xù)流二極管分別為Si1、Sio1、VDio1和VDi1；當電機工作在外定子工作模式時，用到的功率開關器件和續(xù)流二極管分別為So1、Sio1、VDio1和VDo1；當電機工作在內外定子串聯(lián)工作模式時，用到的功率開關器件和續(xù)流二極管分別為So1、Sio2、VDo1、VDio1和VDio2；當電機工作在雙定子工作模式和內外定子并聯(lián)工作模式時，用到的功率開關器件和續(xù)流二極管分別為Si1、So1、Sio1、VDio1、VDi1和VDo1。

圖4 新型DSSRM的工作模式

圖5 不對稱半橋功率變換器推演、衍變過程

圖6給出所提出的驅動樣機整體功率變換器拓撲，包括四組不對稱半橋和四組三相對稱全橋橋臂，分別如圖6中虛線方框和點劃線方框。

2.2 內定子工作模式

當新型DSSRM工作在內定子工作模式時，只有內定子繞組BiA工作，此時用到的功率開關器件為Si1和Sio1，用到的續(xù)流二極管為VDio1和VDi1。圖7給出了電機內定子繞組勵磁、續(xù)流和退磁時的電流流動方向。可知，當電機工作在內定子工作模式時，本文所提出的功率變換器可以實現(xiàn)勵磁、上管續(xù)流、下管續(xù)流和負電壓去磁四個工作模態(tài)。

圖6 所提出的功率變換器拓撲結構

圖7 內定子工作模式的工作模態(tài)

2.3 外定子工作模式

當新型DSSRM工作在外定子工作模式時，只有外定子繞組BoA工作，此時用到的功率開關器件為So1和Sio1，用到的續(xù)流二極管為VDio1和VDo1。圖8給出電機外定子繞組勵磁、續(xù)流和退磁時的電流流動方向。可知，當電機工作在外定子工作模式時，本文所提出的功率變換器可以實現(xiàn)勵磁、上管續(xù)流、下管續(xù)流和負電壓去磁四個工作模態(tài)。

2.4 內外定子并聯(lián)工作模式

當新型DSSRM工作在內外定子并聯(lián)工作模式時，內定子繞組BiA和外定子繞組BoA同時工作，此時用到的功率開關器件為So1、Si1和Sio1，用到的續(xù)流二極管為VDio1、VDo1和VDi1。圖9給出電機內外定子繞組勵磁、續(xù)流和退磁時的電流流動方向。可知，當電機工作在內外定子并聯(lián)工作模式時，本文所提出的功率變換器可以實現(xiàn)勵磁、上管續(xù)流、下管續(xù)流和負電壓去磁四個工作模態(tài)。

圖8 外定子工作模式的工作模態(tài)

圖9 內外定子并聯(lián)工作模式的工作模態(tài)

2.5 內外定子串聯(lián)工作模式

當新型DSSRM工作在內外定子串聯(lián)工作模式時，內定子繞組BiA和外定子繞組BoA同時工作，此時用到的功率開關器件為So1和Sio2，用到的續(xù)流二極管為VDio1、VDo1和VDio2。圖10給出電機內外定子繞組勵磁、續(xù)流和退磁時的電流流動方向。可知，當電機工作在內外定子串聯(lián)工作模式時，本文所提出的功率變換器可以實現(xiàn)勵磁、上管續(xù)流、下管續(xù)流和負電壓去磁四個工作模態(tài)。

2.6 雙定子工作模式

當新型DSSRM工作在雙定子模式時，內外定子繞組順序導通，此時用到的功率開關器件為So1、Si1和Sio1，用到的續(xù)流二極管為VDi1、VDo1和VDio1。圖11給出電機內外定子繞組勵磁、續(xù)流和退磁時的電流流動方向，以外定子繞組BoA、內定子繞組BiA順序通電模式為例：①首先開通外定子繞組BoA，工作模態(tài)如圖11a所示，然后開通內定子繞組BiA，此時外定子繞組BoA和內定子繞組BiA同時開通，工作模態(tài)如圖11b所示；②當內定子繞組BiA比外定子繞組BoA先關斷時，內定子繞組BiA在外定子繞組BoA關斷之前會存在一段零電壓續(xù)流，如圖11c所示；當外定子繞組BoA關斷，若內定子繞組BiA沒有續(xù)流到0，會存在內定子繞組BiA和外定子繞組BoA同時負電壓續(xù)流，如圖11d所示。③當外定子繞組BoA比內定子繞組BiA先關斷時，外定子繞組BoA在內定子繞組BiA關斷之前會存在一段零電壓續(xù)流，如圖11e所示；當內定子繞組BiA關斷，若外定子繞組BoA沒有續(xù)流到0，會存在內定子繞組BiA和外定子繞組BoA同時負電壓續(xù)流，如圖11f所示。④當內定子繞組BiA關斷，若外定子繞組BoA續(xù)流到0，內定子繞組會存在零電壓續(xù)流和負電壓續(xù)流兩個模態(tài)，如圖11g～圖11i所示。⑤當外定子繞組BoA關斷，若內定子繞組BiA續(xù)流到0，外定子繞組會存在零電壓續(xù)流和負電壓續(xù)流兩個模態(tài)，如圖11j～圖11l所示。

3 仿真分析

3.1 穩(wěn)態(tài)性能分析

圖12和圖13分別給出采用上述功率變換器使新型DSSRM工作在上述五種工作模式時的轉矩和電流曲線，其中，在電流斬波控制方式下內、外定子電流斬波限分別為25A和20A；兩種控制方式下，電機的導通電角度分別為150°和130°。表1給出新型DSSRM采用上述功率變換器時五種工作模式下的轉矩脈動和平均轉矩性能比較。

圖12 電流斬波控制方式下的轉矩、電流曲線

表1 五種工作模式下轉矩性能比較

Tab.1 Comparison of torque performance under five working mode

通過總結發(fā)現(xiàn)：

（1）新型DSSRM在雙定子工作模式下具有較小的轉矩脈動。

（2）在低速階段，驅動系統(tǒng)五種工作模式下轉矩輸出能力由強到弱分別為雙定子、內外定子并聯(lián)、內外定子串聯(lián)、外定子和內定子工作模式。在高速階段，驅動系統(tǒng)五種工作模式下電機轉矩輸出能力由強到弱分別為內外定子并聯(lián)、雙定子、內外定子串聯(lián)、外定子和內定子工作模式。

（3）在低速階段，驅動系統(tǒng)五種工作模式下轉矩脈動由小到大分別為雙定子、內定子、外定子、內外定子串聯(lián)和內外定子并聯(lián)工作模式。在高速階段，驅動系統(tǒng)五種工作模式下轉矩脈動由小到大分別為內外定子串聯(lián)、內外定子并聯(lián)、雙定子、內定子和外定子工作模式。

3.2 瞬態(tài)性能分析

電動車行駛在有坡度的路面時，其受力分析如圖14所示。包括驅動力d、滾動阻力r、坡度阻力g、空氣阻力w以及加速阻力a。由車輛運動學理論可知，電動車行駛的方程式為

式中，fr為滾動阻力系數；m為整車整備質量；g重力加速度；a 為坡度角；Cd為空氣阻力系數；A為車輛迎風面積；v為車輛行駛速度；d 為旋轉質量換算系數；Td為總驅動轉矩；l 和h 分別為傳動比和傳動效率；Rw為車輪半徑。

根據電動汽車與電機的轉矩轉速特性，電動汽車運行工況與電機運行模式對應關系如圖15所示。在起動階段時，車輛行駛速度很小，坡度阻力g和空氣阻力w幾乎為0，為了以較大的加速度增加車輛速度，加速阻力a就會變大。因此，需要求驅動電機以低速大轉矩輸出，結合表1可知，可以使電機工作在雙定子工作模式下。當電動車運行在低速階段，車速依然較小，空氣阻力w很小，坡度阻力g和加速阻力a幾乎為0，此時，需要求驅動電機以低速小轉矩輸出，同時為了避免出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，提高電機的驅動效率，結合表1可知，可以使電機工作在內定子工作模式或者外定子工作模式下。當電動車從低速加速到高速的階段或者爬坡階段，坡度阻力g和加速阻力a比較大，電機應輸出較大的驅動轉矩d克服，此時可以根據負載大小使驅動電機運行在內外定子并聯(lián)、串聯(lián)或者雙定子工作模式下。當電動車運行在高速階段時，雖然坡度阻力g和加速阻力a幾乎為0，但是車速較大，空氣阻力w較大，此時需要求驅動電機以高速較大轉矩輸出，可使驅動電機采用雙定子工作模式或者內外定子并聯(lián)工作模式。當電動車運行在減速或者制動階段，需要驅動電機以較大的制動轉矩使電動汽車減速到一定速度或者停止，因此可以根據需求制動轉矩的大小使驅動電機工作在內外定子并聯(lián)、串聯(lián)或者雙定子工作模式下。

圖15 電動車運行工況與電機運行模式對照

根據圖15所示的電機運行過程，在Matlab/ Simulink中進行了起動和變速仿真。電機以負載15N·m、雙定子工作模式下起動，在26s時達到轉速600r/min，之后在此速度下以內定子工作模式運行8s后，接著電機開始以內外定子并聯(lián)工作模式加速，經過10s后，電機轉速達到1 500r/min，然后在此速度下運行10s后，電機開始以雙定子工作模式減速，2s后減速到0。此時電機的電流、轉速、轉矩變化曲線如圖16所示。

圖16 電機的動態(tài)響應曲線

4 實驗驗證

為了驗證仿真分析的正確性和功率變換器拓撲的可行性，本文加工制造了16/18/16 DSSRM樣機測試平臺，并搭建了新型功率變換器及其控制系統(tǒng)，圖17給出樣機的疊片、定轉子結構、測試平臺。樣機的測試平臺主要由所提出的新型功率變換器及相應的驅動模塊、測量模塊、控制器、磁粉制動器、轉矩傳感器、直流可編程電源等組成。

圖17 新型DSSRM測試平臺

為了驗證仿真分析的準確性，本文對所提出的DSSRM進行動態(tài)實驗。圖18給出五種工作模式電流斬波控制方式下的動態(tài)測量結果，磁粉制動器加載分別為6.5N·m、9.0N·m、12.5N·m、13.8N·m和15.6N·m。圖19給出五種工作模式角度位置控制方式下的動態(tài)測量結果，磁粉制動器加載分別為3.7N·m、4.2N·m、8.8N·m、11.5N·m和9.0N·m。值得注意的是，所測得的DSSRM輸出轉矩與3.1節(jié)的仿真結果基本一致，驗證了穩(wěn)態(tài)分析的正確性。

圖20給出驅動系統(tǒng)的瞬態(tài)性能曲線，電機以負載15N·m起動，經過22s后達到600r/min，之后在此速度下運行9s后，接著電機開始加速，經過25s后達到1 500r/min，然后在此速度下運行18s后，電機經過2s后減速到0。

5 結論

本文首先提出一種新型磁場解耦型雙定子開關磁阻電機新結構；然后針對新結構具有內定子、外定子、內外定子并聯(lián)、內外定子串聯(lián)和雙定子五種工作模式，提出一種新型的功率變換器拓撲結構，并分析了五種工作模式的工作模態(tài)。結論如下：

圖20 驅動系統(tǒng)的瞬態(tài)測量結果

1）本文所提出的DSSRM內、外定子磁場不存在耦合現(xiàn)象。此外，通過轉子內外齒錯開一定機械角度能夠有效抑制新型DSSRM在雙定子工作模式下的轉矩脈動。

2）本文所提出的功率變換器能夠實現(xiàn)新結構電機五種工作模式的無縫切換，同樣本功率變換器也能夠應用于雙電機驅動系統(tǒng)中，實現(xiàn)雙電機的五種工作模式。

3）在低速階段，驅動系統(tǒng)五種工作模式下轉矩輸出能力由強到弱分別為雙定子、內外定子并聯(lián)、內外定子串聯(lián)、外定子和內定子工作模式。在高速階段，驅動系統(tǒng)五種工作模式下電機轉矩輸出能力由強到弱分別為內外定子并聯(lián)、雙定子、內外定子串聯(lián)、外定子和內定子工作模式。

4）在低速階段，驅動系統(tǒng)五種工作模式下轉矩脈動由小到大分別為雙定子、內定子、外定子、內外定子串聯(lián)和內外定子并聯(lián)工作模式。在高速階段，驅動系統(tǒng)五種工作模式下轉矩脈動由小到大分別為內外定子串聯(lián)、內外定子并聯(lián)、雙定子、內定子和外定子工作模式。

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A Novel Power Converter on Magnetic Field Decoupling Double Stator Switched Reluctance Machine for Electric Vehicles

（School of Electrical and Power Engineering China University of Mining and Technology Xuzhou 221116 China）

In view of the problems of low power density and large torque ripple in conventional switched reluctance machines (SRM), a novel double stator switched reluctance machine (DSSRM) is proposed in this paper. The magnetic field of its internal and external stators has better decoupling characteristics, and the internal and external teeth of the rotor are staggered by a certain mechanical angle to reduce torque ripple. The novel DSSRM proposed has five working modes: inner stator mode, outer stator mode, double stator mode, and the modes of inner and outer stators connected in series and parallel. However, the current conventional power converter structure can no longer meet the functional requirements of the machine designed in this paper, thus a novel power converter is proposed. Then the working modalities of the new power converter under five working modes are analyzed, and the steady and dynamic simulations are carried out. Finally, a 16/18/16 structure prototype is trial-produced and a novel power converter drive system is built. The practical feasibility of its working principle is verified by experiments, which lays a theoretical foundation for the popularization and application of the novel motor in the field of electric vehicle drive system.

Electric vehicle, switched reluctance machine, magnetic field decoupling, power converter

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210888

TM352

國家自然科學基金（52007191）和江蘇省自然科學基金（BK20200654）資助項目。

2021-06-17

2021-08-18

閆文舉 男，1990年生，博士，講師，研究方向為電動汽車電機系統(tǒng)及其控制。E-mail: yanwenju09@126.com

陳 昊 男，1969年生，教授，博士生導師，研究方向為新型電機系統(tǒng)及其控制。E-mail: hchen@cumt.edu.cn（通信作者）

（編輯 崔文靜）