图1 电机结构及转矩脉动抑制机理
Fig.1 Machine structure and schematic diagram torque ripple suppression mechanism
摘要 针对传统开关磁阻电机存在着功率密度低、转矩脉动大的问题，该文首先提出一种新型的双定子开关磁阻电机，内外定子磁场具有较好的解耦特性，并通过转子内外齿错开一定的机械角度，降低转矩脉动。针对该文所提出的新型双定子开关磁阻电机具有内定子、外定子、双定子、内外定子串联和并联五种工作模式，目前常规的功率变换器结构已经不能满足其功能需求的问题，提出一种新型的功率变换器。接着分析五种工作模式下新型功率变换器的工作模态，并进行稳态和动态仿真分析。最后试制一台16/18/16结构的样机，并搭建新型功率变换器驱动系统，通过实验验证其工作原理的实际可行性，为新型电机驱动在电动汽车驱动系统领域的推广应用奠定基础。
关键词：电动汽车 开关磁阻电机 磁场解耦 功率变换器
开关磁阻电机（Switched Reluctance Machine, SRM）具有结构加固、成本低、弱磁性能好、过载和容错能力强等优点[1-6]。但其转矩脉动大、功率密度低的缺点限制了SRM在电动汽车领域的发展。要使其成为永磁电机的一种可行的替代方案，必须提高SRM的功率密度和转矩特性。为了提高SRM的功率密度，学者们提出了包括定转子模块化、轴向磁通、混合励磁等新型电机本体结构[7-12]。此外，还有学者提出采用内外同心的双定子电机[13-16]。文献[17]提出一种双定子开关磁阻电机（Double Stator Switched Reluctance Machine, DSSRM）新结构，该电机的转矩密度可以与永磁同步电机相媲美。文献[18]提出一种内外定子结构与传统SRM相同、转子齿为分块结构的DSSRM，提高了电机的功率密度。上述新结构双定子电机在增加功率密度的同时，也增加了电机的转矩脉动。本文提出一种磁场解耦型DSSRM新结构，通过对内外定子所产生的转矩分别进行控制降低转矩脉动。
功率变换器在SRM驱动系统中处于“枢纽”地位，功率变换器的性能直接决定着SRM驱动系统的性能和成本。一个理想的SRM功率变换器主要应满足以下要求：①能够提供有效的励磁、续流和退磁回路；②尽可能减少功率器件数量，降低成本；③相间控制独立性好；④可以实现灵活的控制策略；⑤可靠性高，具有较高的容错性。目前，对功率变换器的研究主要围绕如何降低功率变换器的成本[19-23]和改善电机调速性能[24-28]两个方面。为了降低功率变换器的成本，文献[19]设计了一种双电源供电的新型功率变换器，每相仅有一个功率开关管，有效降低了功率变换器的成本；文献[20]设计了一种含谐振电路的新型功率变换器，该功率变换器每相仅需一个功率开关管和一个功率二极管，实现了用最少功率开关管使SRM稳定运行的目的；文献[21]提出了一种N+2型功率变换器，减少了功率器件数，降低了系统成本；文献[22]提出了由一个三相全桥和一个半桥功率开关模块组成的模块化功率变换器拓扑结构，并降低了电机的转矩脉动；文献[23]提出一种适用于六相SRM的环形功率变换器，有效减少了功率开关器件，降低了电机的驱动成本。为了改善电机的调速性能，提高电机的调速范围或者降低电机的转矩脉动，文献[24-26]提出了多电平功率变换器，提升绕组的端电压实现相电流的快速励磁和退磁；文献[27-28]则分别提出了一种有源和无源升压电路，缩短励磁和退磁时间，增大起动转矩，改善高速运行时驱动系统的性能。
本文所设计的DSSRM由于内外定子磁场解耦，具有内定子、外定子、双定子、内外定子串联和并联五种工作模式，目前常规的功率变换器结构已经不能满足本文所设计电机的功能需求，因此，本文提出一种适用于电动汽车低成本集磁场解耦DSSRM全部工作模式的新型功率变换器拓扑结构。
本文所采用的样机为一种磁场解耦型的16/18/16结构的DSSRM，其中，内、外定子均由8个U型定子块组成，U型定子块上绕有定子绕组，转子内、外齿数为18，电机的结构如图1a所示。电机内外定子绕组产生的磁场解耦，并将转子内外齿错开角度q ，以达到抑制电机转矩脉动的目的，如图1b所示。电机的几何参数参考文献[29]。
图1 电机结构及转矩脉动抑制机理
Fig.1 Machine structure and schematic diagram torque ripple suppression mechanism
图2给出了电机内、外定子同时导通时最大电感、最小电感位置处的磁力线分布和磁通密度云图，图3给出了磁链和转矩的相对误差，其中，磁链和转矩的相对误差计算公式分别为
（1）
（2）
式中，xy 和xT分别为磁链和转矩的相对误差；yi和Ti分别为内定子单独通电时的静态磁链和转矩；yo和To分别为外定子单独通电时的静态磁链和转矩；yio和Ti0分别为内外定子同时通电时的静态磁链和转矩。由图2和图3可知，电机的内外定子磁场在一个转子周期内具有比较强的解耦特性。
图2 电机内外定子同时通电时不同转子位置处的磁力线分布和磁密云图
Fig.2 The distribution of magnetic force lines and flux density nephogram at different rotor positions when the inner and outer stator is energized simultaneously
图3 磁链和转矩的相对误差
Fig.3 Relative errors of flux and torque
本文所设计的DSSRM由于内外定子磁场解耦，具有内定子、外定子、双定子、内外定子串联和并联五种工作模式，分别如图4a～图4d所示，其中，BiA为A相内定子绕组，BoA为A相外定子绕组。
传统的不对称半桥功率变换器不能同时满足上述五种工作模式，针对上述问题，本文在不对称半桥功率变换器的基础上，通过推演、衍变，提出一种能够实现样机五种工作模式的新型功率变换器拓扑结构，图5给出了新型功率变换器的衍变过程。以A相激励为例，当电机工作在内定子工作模式时，用到的功率开关器件和续流二极管分别为Si1、Sio1、VDio1和VDi1；当电机工作在外定子工作模式时，用到的功率开关器件和续流二极管分别为So1、Sio1、VDio1和VDo1；当电机工作在内外定子串联工作模式时，用到的功率开关器件和续流二极管分别为So1、Sio2、VDo1、VDio1和VDio2；当电机工作在双定子工作模式和内外定子并联工作模式时，用到的功率开关器件和续流二极管分别为Si1、So1、Sio1、VDio1、VDi1和VDo1。
图4 新型DSSRM的工作模式
Fig.4 Working mode of novel DSSRM
图5 不对称半桥功率变换器推演、衍变过程
Fig.5 Deduction and evolution process of asymmetric half bridge power converter
图6给出所提出的驱动样机整体功率变换器拓扑，包括四组不对称半桥和四组三相对称全桥桥臂，分别如图6中虚线方框和点划线方框。
当新型DSSRM工作在内定子工作模式时，只有内定子绕组BiA工作，此时用到的功率开关器件为Si1和Sio1，用到的续流二极管为VDio1和VDi1。图7给出了电机内定子绕组励磁、续流和退磁时的电流流动方向。可知，当电机工作在内定子工作模式时，本文所提出的功率变换器可以实现励磁、上管续流、下管续流和负电压去磁四个工作模态。
图6 所提出的功率变换器拓扑结构
Fig.6 The proposed power converter topology
图7 内定子工作模式的工作模态
Fig.7 Operating modal of inner stator working mode
当新型DSSRM工作在外定子工作模式时，只有外定子绕组BoA工作，此时用到的功率开关器件为So1和Sio1，用到的续流二极管为VDio1和VDo1。图8给出电机外定子绕组励磁、续流和退磁时的电流流动方向。可知，当电机工作在外定子工作模式时，本文所提出的功率变换器可以实现励磁、上管续流、下管续流和负电压去磁四个工作模态。
当新型DSSRM工作在内外定子并联工作模式时，内定子绕组BiA和外定子绕组BoA同时工作，此时用到的功率开关器件为So1、Si1和Sio1，用到的续流二极管为VDio1、VDo1和VDi1。图9给出电机内外定子绕组励磁、续流和退磁时的电流流动方向。可知，当电机工作在内外定子并联工作模式时，本文所提出的功率变换器可以实现励磁、上管续流、下管续流和负电压去磁四个工作模态。
图8 外定子工作模式的工作模态
Fig.8 Operating modal of outer stator working mode
图9 内外定子并联工作模式的工作模态
Fig.9 Operating modal of Inner and outer stator parallel working mode
当新型DSSRM工作在内外定子串联工作模式时，内定子绕组BiA和外定子绕组BoA同时工作，此时用到的功率开关器件为So1和Sio2，用到的续流二极管为VDio1、VDo1和VDio2。图10给出电机内外定子绕组励磁、续流和退磁时的电流流动方向。可知，当电机工作在内外定子串联工作模式时，本文所提出的功率变换器可以实现励磁、上管续流、下管续流和负电压去磁四个工作模态。
当新型DSSRM工作在双定子模式时，内外定子绕组顺序导通，此时用到的功率开关器件为So1、Si1和Sio1，用到的续流二极管为VDi1、VDo1和VDio1。图11给出电机内外定子绕组励磁、续流和退磁时的电流流动方向，以外定子绕组BoA、内定子绕组BiA顺序通电模式为例：①首先开通外定子绕组BoA，工作模态如图11a所示，然后开通内定子绕组BiA，此时外定子绕组BoA和内定子绕组BiA同时开通，工作模态如图11b所示；②当内定子绕组BiA比外定子绕组BoA先关断时，内定子绕组BiA在外定子绕组BoA关断之前会存在一段零电压续流，如图11c所示；当外定子绕组BoA关断，若内定子绕组BiA没有续流到0，会存在内定子绕组BiA和外定子绕组BoA同时负电压续流，如图11d所示。③当外定子绕组BoA比内定子绕组BiA先关断时，外定子绕组BoA在内定子绕组BiA关断之前会存在一段零电压续流，如图11e所示；当内定子绕组BiA关断，若外定子绕组BoA没有续流到0，会存在内定子绕组BiA和外定子绕组BoA同时负电压续流，如图11f所示。④当内定子绕组BiA关断，若外定子绕组BoA续流到0，内定子绕组会存在零电压续流和负电压续流两个模态，如图11g～图11i所示。⑤当外定子绕组BoA关断，若内定子绕组BiA续流到0，外定子绕组会存在零电压续流和负电压续流两个模态，如图11j～图11l所示。
图10 内外定子串联工作模式的工作模态
Fig.10 Operating modal of inner and outer stator series working mode
图11 双定子工作模式的工作模态
Fig.11 Operating modal of double stator working mode
图12和图13分别给出采用上述功率变换器使新型DSSRM工作在上述五种工作模式时的转矩和电流曲线，其中，在电流斩波控制方式下内、外定子电流斩波限分别为25A和20A；两种控制方式下，电机的导通电角度分别为150°和130°。表1给出新型DSSRM采用上述功率变换器时五种工作模式下的转矩脉动和平均转矩性能比较。
图12 电流斩波控制方式下的转矩、电流曲线
Fig.12 Torque and current curves under current chopper control mode
图13 角度位置控制方式下的转矩、电流曲线
Fig.13 Torque and current curves under angle position control mode
表1 五种工作模式下转矩性能比较
Tab.1 Comparison of torque performance under five working mode
工作模式控制方式速度/ (r/min)转矩脉动(%)平均转矩/ (N·m) 内定子工作模式电流斩波60057.326.72 角度位置1 50068.413.82 外定子工作模式电流斩波60058.339.24 角度位置1 500126.224.21 内外定子串联工作模式电流斩波60061.0512.59 角度位置1 50052.788.92 内外定子并联工作模式电流斩波60072.3613.79 角度位置1 50064.1411.68 双定子工作模式电流斩波60035.1315.52 角度位置1 50065.219.21
通过总结发现：
（1）新型DSSRM在双定子工作模式下具有较小的转矩脉动。
（2）在低速阶段，驱动系统五种工作模式下转矩输出能力由强到弱分别为双定子、内外定子并联、内外定子串联、外定子和内定子工作模式。在高速阶段，驱动系统五种工作模式下电机转矩输出能力由强到弱分别为内外定子并联、双定子、内外定子串联、外定子和内定子工作模式。
（3）在低速阶段，驱动系统五种工作模式下转矩脉动由小到大分别为双定子、内定子、外定子、内外定子串联和内外定子并联工作模式。在高速阶段，驱动系统五种工作模式下转矩脉动由小到大分别为内外定子串联、内外定子并联、双定子、内定子和外定子工作模式。
电动车行驶在有坡度的路面时，其受力分析如图14所示。包括驱动力Fd、滚动阻力Fr、坡度阻力Fg、空气阻力Fw以及加速阻力Fa。由车辆运动学理论可知，电动车行驶的方程式为
（3）式中，fr为滚动阻力系数；m为整车整备质量；g重力加速度；a 为坡度角；Cd为空气阻力系数；A为车辆迎风面积；v为车辆行驶速度；d 为旋转质量换算系数；Td为总驱动转矩；l 和h 分别为传动比和传动效率；Rw为车轮半径。
图14 电动车运动力学分析
Fig.14 Motion mechanics analysis of electric vehicle
根据电动汽车与电机的转矩转速特性，电动汽车运行工况与电机运行模式对应关系如图15所示。在起动阶段时，车辆行驶速度v很小，坡度阻力Fg和空气阻力Fw几乎为0，为了以较大的加速度增加车辆速度v，加速阻力Fa就会变大。因此，需要求驱动电机以低速大转矩输出，结合表1可知，可以使电机工作在双定子工作模式下。当电动车运行在低速阶段，车速v依然较小，空气阻力Fw很小，坡度阻力Fg和加速阻力Fa几乎为0，此时，需要求驱动电机以低速小转矩输出，同时为了避免出现“大马拉小车”的现象，提高电机的驱动效率，结合表1可知，可以使电机工作在内定子工作模式或者外定子工作模式下。当电动车从低速加速到高速的阶段或者爬坡阶段，坡度阻力Fg和加速阻力Fa比较大，电机应输出较大的驱动转矩Td克服，此时可以根据负载大小使驱动电机运行在内外定子并联、串联或者双定子工作模式下。当电动车运行在高速阶段时，虽然坡度阻力Fg和加速阻力Fa几乎为0，但是车速v较大，空气阻力Fw较大，此时需要求驱动电机以高速较大转矩输出，可使驱动电机采用双定子工作模式或者内外定子并联工作模式。当电动车运行在减速或者制动阶段，需要驱动电机以较大的制动转矩使电动汽车减速到一定速度或者停止，因此可以根据需求制动转矩的大小使驱动电机工作在内外定子并联、串联或者双定子工作模式下。
图15 电动车运行工况与电机运行模式对照
Fig.15 Matching diagram of electric vehicle operating condition and motor working mode
根据图15所示的电机运行过程，在Matlab/ Simulink中进行了起动和变速仿真。电机以负载15N·m、双定子工作模式下起动，在26s时达到转速600r/min，之后在此速度下以内定子工作模式运行8s后，接着电机开始以内外定子并联工作模式加速，经过10s后，电机转速达到1 500r/min，然后在此速度下运行10s后，电机开始以双定子工作模式减速，2s后减速到0。此时电机的电流、转速、转矩变化曲线如图16所示。
图16 电机的动态响应曲线
Fig.16 Dynamic response curves of the machine
为了验证仿真分析的正确性和功率变换器拓扑的可行性，本文加工制造了16/18/16 DSSRM样机测试平台，并搭建了新型功率变换器及其控制系统，图17给出样机的叠片、定转子结构、测试平台。样机的测试平台主要由所提出的新型功率变换器及相应的驱动模块、测量模块、控制器、磁粉制动器、转矩传感器、直流可编程电源等组成。
图17 新型DSSRM测试平台
Fig.17 Experimental platform of novel DSSRM
为了验证仿真分析的准确性，本文对所提出的DSSRM进行动态实验。图18给出五种工作模式电流斩波控制方式下的动态测量结果，磁粉制动器加载分别为6.5N·m、9.0N·m、12.5N·m、13.8N·m和15.6N·m。图19给出五种工作模式角度位置控制方式下的动态测量结果，磁粉制动器加载分别为3.7N·m、4.2N·m、8.8N·m、11.5N·m和9.0N·m。值得注意的是，所测得的DSSRM输出转矩与3.1节的仿真结果基本一致，验证了稳态分析的正确性。
图18 电流斩波控制方式下的稳态实验曲线
Fig.18 Steady-state experimental curves under current chopper control mode
图19 角度位置波控制方式下的稳态实验曲线
Fig.19 Steady-state experimental curves under angle position control mode
图20给出驱动系统的瞬态性能曲线，电机以负载15N·m起动，经过22s后达到600r/min，之后在此速度下运行9s后，接着电机开始加速，经过25s后达到1 500r/min，然后在此速度下运行18s后，电机经过2s后减速到0。
本文首先提出一种新型磁场解耦型双定子开关磁阻电机新结构；然后针对新结构具有内定子、外定子、内外定子并联、内外定子串联和双定子五种工作模式，提出一种新型的功率变换器拓扑结构，并分析了五种工作模式的工作模态。结论如下：
图20 驱动系统的瞬态测量结果
Fig.20 Transient measured results of the drive system
1）本文所提出的DSSRM内、外定子磁场不存在耦合现象。此外，通过转子内外齿错开一定机械角度能够有效抑制新型DSSRM在双定子工作模式下的转矩脉动。
2）本文所提出的功率变换器能够实现新结构电机五种工作模式的无缝切换，同样本功率变换器也能够应用于双电机驱动系统中，实现双电机的五种工作模式。
3）在低速阶段，驱动系统五种工作模式下转矩输出能力由强到弱分别为双定子、内外定子并联、内外定子串联、外定子和内定子工作模式。在高速阶段，驱动系统五种工作模式下电机转矩输出能力由强到弱分别为内外定子并联、双定子、内外定子串联、外定子和内定子工作模式。
4）在低速阶段，驱动系统五种工作模式下转矩脉动由小到大分别为双定子、内定子、外定子、内外定子串联和内外定子并联工作模式。在高速阶段，驱动系统五种工作模式下转矩脉动由小到大分别为内外定子串联、内外定子并联、双定子、内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
Abstract 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.
keywords：Electric vehicle, switched reluctance machine, magnetic field decoupling, power converter
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210888
中图分类号：TM352
国家自然科学基金（52007191）和江苏省自然科学基金（BK20200654）资助项目。
收稿日期 2021-06-17
改稿日期 2021-08-18
闫文举 男，1990年生，博士，讲师，研究方向为电动汽车电机系统及其控制。E-mail: yanwenju09@126.com
陈 昊 男，1969年生，教授，博士生导师，研究方向为新型电机系统及其控制。E-mail: hchen@cumt.edu.cn（通信作者）
（编辑 崔文静）