一種用于電動(dòng)汽車磁場(chǎng)解耦型雙定子開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的新型功率變換器

閆文舉 陳 昊 劉永強(qiáng) 廖 朔

一種用于電動(dòng)汽車磁場(chǎng)解耦型雙定子開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的新型功率變換器

閆文舉 陳 昊 劉永強(qiáng) 廖 朔

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院 徐州 221116）

針對(duì)傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)存在著功率密度低、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的問(wèn)題，該文首先提出一種新型的雙定子開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，內(nèi)外定子磁場(chǎng)具有較好的解耦特性，并通過(guò)轉(zhuǎn)子內(nèi)外齒錯(cuò)開(kāi)一定的機(jī)械角度，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。針對(duì)該文所提出的新型雙定子開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有內(nèi)定子、外定子、雙定子、內(nèi)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(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足其功能需求的問(wèn)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(jìn)行穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真分析。最后試制一臺(tái)16/18/16結(jié)構(gòu)的樣機(jī)，并搭建新型功率變換器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其工作原理的實(shí)際可行性，為新型電機(jī)驅(qū)動(dòng)在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

電動(dòng)汽車 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī) 磁場(chǎng)解耦 功率變換器

0 引言

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Machine, SRM）具有結(jié)構(gòu)加固、成本低、弱磁性能好、過(guò)載和容錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-6]。但其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、功率密度低的缺點(diǎn)限制了SRM在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的發(fā)展。要使其成為永磁電機(jī)的一種可行的替代方案，必須提高SRM的功率密度和轉(zhuǎn)矩特性。為了提高SRM的功率密度，學(xué)者們提出了包括定轉(zhuǎn)子模塊化、軸向磁通、混合勵(lì)磁等新型電機(jī)本體結(jié)構(gòu)[7-12]。此外，還有學(xué)者提出采用內(nèi)外同心的雙定子電機(jī)[13-16]。文獻(xiàn)[17]提出一種雙定子開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Double Stator Switched Reluctance Machine, DSSRM）新結(jié)構(gòu)，該電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度可以與永磁同步電機(jī)相媲美。文獻(xiàn)[18]提出一種內(nèi)外定子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)SRM相同、轉(zhuǎn)子齒為分塊結(jié)構(gòu)的DSSRM，提高了電機(jī)的功率密度。上述新結(jié)構(gòu)雙定子電機(jī)在增加功率密度的同時(shí)，也增加了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。本文提出一種磁場(chǎng)解耦型DSSRM新結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)內(nèi)外定子所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分別進(jìn)行控制降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

功率變換器在SRM驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能和成本。一個(gè)理想的SRM功率變換器主要應(yīng)滿足以下要求：①能夠提供有效的勵(lì)磁、續(xù)流和退磁回路；②盡可能減少功率器件數(shù)量，降低成本；③相間控制獨(dú)立性好；④可以實(shí)現(xiàn)靈活的控制策略；⑤可靠性高，具有較高的容錯(cuò)性。目前，對(duì)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(jī)調(diào)速性能[24-28]兩個(gè)方面。為了降低功率變換器的成本，文獻(xiàn)[19]設(shè)計(jì)了一種雙電源供電的新型功率變換器，每相僅有一個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，有效降低了功率變換器的成本；文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)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(gè)功率開(kāi)關(guān)管和一個(gè)功率二極管，實(shí)現(xiàn)了用最少功率開(kāi)關(guān)管使SRM穩(wěn)定運(yùn)行的目的；文獻(xiàn)[21]提出了一種+2型功率變換器，減少了功率器件數(shù)，降低了系統(tǒng)成本；文獻(xiàn)[22]提出了由一個(gè)三相全橋和一個(gè)半橋功率開(kāi)關(guān)模塊組成的模塊化功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并降低了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；文獻(xiàn)[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(kāi)關(guān)器件，降低了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)成本。為了改善電機(jī)的調(diào)速性能，提高電機(jī)的調(diào)速范圍或者降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，文獻(xiàn)[24-26]提出了多電平功率變換器，提升繞組的端電壓實(shí)現(xiàn)相電流的快速勵(lì)磁和退磁；文獻(xiàn)[27-28]則分別提出了一種有源和無(wú)源升壓電路，縮短勵(lì)磁和退磁時(shí)間，增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，改善高速運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。

本文所設(shè)計(jì)的DSSRM由于內(nèi)外定子磁場(chǎng)解耦，具有內(nèi)定子、外定子、雙定子、內(nèi)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(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足本文所設(shè)計(jì)電機(jī)的功能需求，因此，本文提出一種適用于電動(dòng)汽車低成本集磁場(chǎng)解耦DSSRM全部工作模式的新型功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1 磁場(chǎng)解耦DSSRM電機(jī)結(jié)構(gòu)

本文所采用的樣機(jī)為一種磁場(chǎng)解耦型的16/18/16結(jié)構(gòu)的DSSRM，其中，內(nèi)、外定子均由8個(gè)U型定子塊組成，U型定子塊上繞有定子繞組，轉(zhuǎn)子內(nèi)、外齒數(shù)為18，電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1a所示。電機(jī)內(nèi)外定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)解耦，并將轉(zhuǎn)子內(nèi)外齒錯(cuò)開(kāi)角度，以達(dá)到抑制電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的，如圖1b所示。電機(jī)的幾何參數(shù)參考文獻(xiàn)[29]。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制機(jī)理

圖2給出了電機(jī)內(nèi)、外定子同時(shí)導(dǎo)通時(shí)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(zhuǎn)矩的相對(duì)誤差，其中，磁鏈和轉(zhuǎn)矩的相對(duì)誤差計(jì)算公式分別為

式中，y和T分別為磁鏈和轉(zhuǎn)矩的相對(duì)誤差；i和i分別為內(nèi)定子單獨(dú)通電時(shí)的靜態(tài)磁鏈和轉(zhuǎn)矩；o和o分別為外定子單獨(dú)通電時(shí)的靜態(tài)磁鏈和轉(zhuǎn)矩；io和i0分別為內(nèi)外定子同時(shí)通電時(shí)的靜態(tài)磁鏈和轉(zhuǎn)矩。由圖2和圖3可知，電機(jī)的內(nèi)外定子磁場(chǎng)在一個(gè)轉(zhuǎn)子周期內(nèi)具有比較強(qiáng)的解耦特性。

圖2 電機(jī)內(nèi)外定子同時(shí)通電時(shí)不同轉(zhuǎn)子位置處的磁力線分布和磁密云圖

圖3 磁鏈和轉(zhuǎn)矩的相對(duì)誤差

2 新型功率變換器及運(yùn)行狀態(tài)分析

2.1 新型功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的DSSRM由于內(nèi)外定子磁場(chǎng)解耦，具有內(nèi)定子、外定子、雙定子、內(nèi)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(nèi)定子繞組，BoA為A相外定子繞組。

傳統(tǒng)的不對(duì)稱半橋功率變換器不能同時(shí)滿足上述五種工作模式，針對(duì)上述問(wèn)題，本文在不對(duì)稱半橋功率變換器的基礎(chǔ)上，通過(guò)推演、衍變，提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)樣機(jī)五種工作模式的新型功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖5給出了新型功率變換器的衍變過(guò)程。以A相激勵(lì)為例，當(dāng)電機(jī)工作在內(nèi)定子工作模式時(shí)，用到的功率開(kāi)關(guān)器件和續(xù)流二極管分別為Si1、Sio1、VDio1和VDi1；當(dāng)電機(jī)工作在外定子工作模式時(shí)，用到的功率開(kāi)關(guān)器件和續(xù)流二極管分別為So1、Sio1、VDio1和VDo1；當(dāng)電機(jī)工作在內(nèi)外定子串聯(lián)工作模式時(shí)，用到的功率開(kāi)關(guān)器件和續(xù)流二極管分別為So1、Sio2、VDo1、VDio1和VDio2；當(dāng)電機(jī)工作在雙定子工作模式和內(nèi)外定子并聯(lián)工作模式時(shí)，用到的功率開(kāi)關(guān)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(duì)稱半橋功率變換器推演、衍變過(guò)程

圖6給出所提出的驅(qū)動(dòng)樣機(jī)整體功率變換器拓?fù)?，包括四組不對(duì)稱半橋和四組三相對(duì)稱全橋橋臂，分別如圖6中虛線方框和點(diǎn)劃線方框。

2.2 內(nèi)定子工作模式

當(dāng)新型DSSRM工作在內(nèi)定子工作模式時(shí)，只有內(nèi)定子繞組BiA工作，此時(shí)用到的功率開(kāi)關(guān)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(jī)內(nèi)定子繞組勵(lì)磁、續(xù)流和退磁時(shí)的電流流動(dòng)方向?？芍?，當(dāng)電機(jī)工作在內(nèi)定子工作模式時(shí)，本文所提出的功率變換器可以實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁、上管續(xù)流、下管續(xù)流和負(fù)電壓去磁四個(gè)工作模態(tài)。

圖6 所提出的功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖7 內(nèi)定子工作模式的工作模態(tài)

2.3 外定子工作模式

當(dāng)新型DSSRM工作在外定子工作模式時(shí)，只有外定子繞組BoA工作，此時(shí)用到的功率開(kāi)關(guān)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(jī)外定子繞組勵(lì)磁、續(xù)流和退磁時(shí)的電流流動(dòng)方向?？芍?dāng)電機(jī)工作在外定子工作模式時(shí)，本文所提出的功率變換器可以實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁、上管續(xù)流、下管續(xù)流和負(fù)電壓去磁四個(gè)工作模態(tài)。

2.4 內(nèi)外定子并聯(lián)工作模式

當(dāng)新型DSSRM工作在內(nèi)外定子并聯(lián)工作模式時(shí)，內(nèi)定子繞組BiA和外定子繞組BoA同時(shí)工作，此時(shí)用到的功率開(kāi)關(guān)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(jī)內(nèi)外定子繞組勵(lì)磁、續(xù)流和退磁時(shí)的電流流動(dòng)方向?？芍?dāng)電機(jī)工作在內(nèi)外定子并聯(lián)工作模式時(shí)，本文所提出的功率變換器可以實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁、上管續(xù)流、下管續(xù)流和負(fù)電壓去磁四個(gè)工作模態(tài)。

圖8 外定子工作模式的工作模態(tài)

圖9 內(nèi)外定子并聯(lián)工作模式的工作模態(tài)

2.5 內(nèi)外定子串聯(lián)工作模式

當(dāng)新型DSSRM工作在內(nèi)外定子串聯(lián)工作模式時(shí)，內(nèi)定子繞組BiA和外定子繞組BoA同時(shí)工作，此時(shí)用到的功率開(kāi)關(guān)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(jī)內(nèi)外定子繞組勵(lì)磁、續(xù)流和退磁時(shí)的電流流動(dòng)方向?？芍?，當(dāng)電機(jī)工作在內(nèi)外定子串聯(lián)工作模式時(shí)，本文所提出的功率變換器可以實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁、上管續(xù)流、下管續(xù)流和負(fù)電壓去磁四個(gè)工作模態(tài)。

2.6 雙定子工作模式

當(dāng)新型DSSRM工作在雙定子模式時(shí)，內(nèi)外定子繞組順序?qū)?，此時(shí)用到的功率開(kāi)關(guān)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(jī)內(nèi)外定子繞組勵(lì)磁、續(xù)流和退磁時(shí)的電流流動(dòng)方向，以外定子繞組BoA、內(nèi)定子繞組BiA順序通電模式為例：①首先開(kāi)通外定子繞組BoA，工作模態(tài)如圖11a所示，然后開(kāi)通內(nèi)定子繞組BiA，此時(shí)外定子繞組BoA和內(nèi)定子繞組BiA同時(shí)開(kāi)通，工作模態(tài)如圖11b所示；②當(dāng)內(nèi)定子繞組BiA比外定子繞組BoA先關(guān)斷時(shí)，內(nèi)定子繞組BiA在外定子繞組BoA關(guān)斷之前會(huì)存在一段零電壓續(xù)流，如圖11c所示；當(dāng)外定子繞組BoA關(guān)斷，若內(nèi)定子繞組BiA沒(méi)有續(xù)流到0，會(huì)存在內(nèi)定子繞組BiA和外定子繞組BoA同時(shí)負(fù)電壓續(xù)流，如圖11d所示。③當(dāng)外定子繞組BoA比內(nèi)定子繞組BiA先關(guān)斷時(shí)，外定子繞組BoA在內(nèi)定子繞組BiA關(guān)斷之前會(huì)存在一段零電壓續(xù)流，如圖11e所示；當(dāng)內(nèi)定子繞組BiA關(guān)斷，若外定子繞組BoA沒(méi)有續(xù)流到0，會(huì)存在內(nèi)定子繞組BiA和外定子繞組BoA同時(shí)負(fù)電壓續(xù)流，如圖11f所示。④當(dāng)內(nèi)定子繞組BiA關(guān)斷，若外定子繞組BoA續(xù)流到0，內(nèi)定子繞組會(huì)存在零電壓續(xù)流和負(fù)電壓續(xù)流兩個(gè)模態(tài)，如圖11g～圖11i所示。⑤當(dāng)外定子繞組BoA關(guān)斷，若內(nèi)定子繞組BiA續(xù)流到0，外定子繞組會(huì)存在零電壓續(xù)流和負(fù)電壓續(xù)流兩個(gè)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(shí)的轉(zhuǎn)矩和電流曲線，其中，在電流斬波控制方式下內(nèi)、外定子電流斬波限分別為25A和20A；兩種控制方式下，電機(jī)的導(dǎo)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(shí)五種工作模式下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和平均轉(zhuǎn)矩性能比較。

圖12 電流斬波控制方式下的轉(zhuǎn)矩、電流曲線

表1 五種工作模式下轉(zhuǎn)矩性能比較

Tab.1 Comparison of torque performance under five working mode

通過(guò)總結(jié)發(fā)現(xiàn)：

（1）新型DSSRM在雙定子工作模式下具有較小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

（2）在低速階段，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)五種工作模式下轉(zhuǎn)矩輸出能力由強(qiáng)到弱分別為雙定子、內(nèi)外定子并聯(lián)、內(nèi)外定子串聯(lián)、外定子和內(nèi)定子工作模式。在高速階段，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)五種工作模式下電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力由強(qiáng)到弱分別為內(nèi)外定子并聯(lián)、雙定子、內(nèi)外定子串聯(lián)、外定子和內(nèi)定子工作模式。

（3）在低速階段，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)五種工作模式下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)由小到大分別為雙定子、內(nèi)定子、外定子、內(nèi)外定子串聯(lián)和內(nèi)外定子并聯(lián)工作模式。在高速階段，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)五種工作模式下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)由小到大分別為內(nèi)外定子串聯(lián)、內(nèi)外定子并聯(lián)、雙定子、內(nèi)定子和外定子工作模式。

3.2 瞬態(tài)性能分析

電動(dòng)車行駛在有坡度的路面時(shí)，其受力分析如圖14所示。包括驅(qū)動(dòng)力d、滾動(dòng)阻力r、坡度阻力g、空氣阻力w以及加速阻力a。由車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)理論可知，電動(dòng)車行駛的方程式為

式中，fr為滾動(dòng)阻力系數(shù)；m為整車整備質(zhì)量；g重力加速度；a 為坡度角；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為車輛迎風(fēng)面積；v為車輛行駛速度；d 為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；Td為總驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；l 和h 分別為傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率；Rw為車輪半徑。

根據(jù)電動(dòng)汽車與電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性，電動(dòng)汽車運(yùn)行工況與電機(jī)運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖15所示。在起動(dòng)階段時(shí)，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(huì)變大。因此，需要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)以低速大轉(zhuǎn)矩輸出，結(jié)合表1可知，可以使電機(jī)工作在雙定子工作模式下。當(dāng)電動(dòng)車運(yùn)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(shí)，需要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)以低速小轉(zhuǎn)矩輸出，同時(shí)為了避免出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，提高電機(jī)的驅(qū)動(dòng)效率，結(jié)合表1可知，可以使電機(jī)工作在內(nèi)定子工作模式或者外定子工作模式下。當(dāng)電動(dòng)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(jī)應(yīng)輸出較大的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩d克服，此時(shí)可以根據(jù)負(fù)載大小使驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行在內(nèi)外定子并聯(lián)、串聯(lián)或者雙定子工作模式下。當(dāng)電動(dòng)車運(yùn)行在高速階段時(shí)，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(shí)需要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)以高速較大轉(zhuǎn)矩輸出，可使驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用雙定子工作模式或者內(nèi)外定子并聯(lián)工作模式。當(dāng)電動(dòng)車運(yùn)行在減速或者制動(dòng)階段，需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)以較大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩使電動(dòng)汽車減速到一定速度或者停止，因此可以根據(jù)需求制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小使驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在內(nèi)外定子并聯(lián)、串聯(lián)或者雙定子工作模式下。

圖15 電動(dòng)車運(yùn)行工況與電機(jī)運(yùn)行模式對(duì)照

根據(jù)圖15所示的電機(jī)運(yùn)行過(guò)程，在Matlab/ Simulink中進(jìn)行了起動(dòng)和變速仿真。電機(jī)以負(fù)載15N·m、雙定子工作模式下起動(dòng)，在26s時(shí)達(dá)到轉(zhuǎn)速600r/min，之后在此速度下以內(nèi)定子工作模式運(yùn)行8s后，接著電機(jī)開(kāi)始以內(nèi)外定子并聯(lián)工作模式加速，經(jīng)過(guò)10s后，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500r/min，然后在此速度下運(yùn)行10s后，電機(jī)開(kāi)始以雙定子工作模式減速，2s后減速到0。此時(shí)電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化曲線如圖16所示。

圖16 電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真分析的正確性和功率變換器拓?fù)涞目尚行裕疚募庸ぶ圃炝?6/18/16 DSSRM樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)，并搭建了新型功率變換器及其控制系統(tǒng)，圖17給出樣機(jī)的疊片、定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、測(cè)試平臺(tái)。樣機(jī)的測(cè)試平臺(tái)主要由所提出的新型功率變換器及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊、測(cè)量模塊、控制器、磁粉制動(dòng)器、轉(zhuǎn)矩傳感器、直流可編程電源等組成。

圖17 新型DSSRM測(cè)試平臺(tái)

為了驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性，本文對(duì)所提出的DSSRM進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。圖18給出五種工作模式電流斬波控制方式下的動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果，磁粉制動(dòng)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(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果，磁粉制動(dòng)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(cè)得的DSSRM輸出轉(zhuǎn)矩與3.1節(jié)的仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了穩(wěn)態(tài)分析的正確性。

圖20給出驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的瞬態(tài)性能曲線，電機(jī)以負(fù)載15N·m起動(dòng)，經(jīng)過(guò)22s后達(dá)到600r/min，之后在此速度下運(yùn)行9s后，接著電機(jī)開(kāi)始加速，經(jīng)過(guò)25s后達(dá)到1 500r/min，然后在此速度下運(yùn)行18s后，電機(jī)經(jīng)過(guò)2s后減速到0。

5 結(jié)論

本文首先提出一種新型磁場(chǎng)解耦型雙定子開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)新結(jié)構(gòu)；然后針對(duì)新結(jié)構(gòu)具有內(nèi)定子、外定子、內(nèi)外定子并聯(lián)、內(nèi)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分析了五種工作模式的工作模態(tài)。結(jié)論如下：

圖20 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的瞬態(tài)測(cè)量結(jié)果

1）本文所提出的DSSRM內(nèi)、外定子磁場(chǎng)不存在耦合現(xiàn)象。此外，通過(guò)轉(zhuǎn)子內(nèi)外齒錯(cuò)開(kāi)一定機(jī)械角度能夠有效抑制新型DSSRM在雙定子工作模式下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

2）本文所提出的功率變換器能夠?qū)崿F(xiàn)新結(jié)構(gòu)電機(jī)五種工作模式的無(wú)縫切換，同樣本功率變換器也能夠應(yīng)用于雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)的五種工作模式。

3）在低速階段，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)五種工作模式下轉(zhuǎn)矩輸出能力由強(qiáng)到弱分別為雙定子、內(nèi)外定子并聯(lián)、內(nèi)外定子串聯(lián)、外定子和內(nèi)定子工作模式。在高速階段，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)五種工作模式下電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力由強(qiáng)到弱分別為內(nèi)外定子并聯(lián)、雙定子、內(nèi)外定子串聯(lián)、外定子和內(nèi)定子工作模式。

4）在低速階段，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)五種工作模式下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)由小到大分別為雙定子、內(nèi)定子、外定子、內(nèi)外定子串聯(lián)和內(nèi)外定子并聯(lián)工作模式。在高速階段，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)五種工作模式下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)由小到大分別為內(nèi)外定子串聯(lián)、內(nèi)外定子并聯(lián)、雙定子、內(nèi)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(guó)家自然科學(xué)基金（52007191）和江蘇省自然科學(xué)基金（BK20200654）資助項(xiàng)目。

2021-06-17

2021-08-18

閆文舉 男，1990年生，博士，講師，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車電機(jī)系統(tǒng)及其控制。E-mail: yanwenju09@126.com

陳 昊 男，1969年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾滦碗姍C(jī)系統(tǒng)及其控制。E-mail: hchen@cumt.edu.cn（通信作者）

（編輯 崔文靜）