混合動力汽車用新型磁通切換雙轉(zhuǎn)子電機性能分析

劉修福，全 力，朱孝勇，莫麗紅，陳云云

(江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

近年來，隨著全球石油資源緊張、大氣污染嚴(yán)重，混合動力汽車在保持傳統(tǒng)汽車特點的同時，還有優(yōu)化車輛的動態(tài)性能、有效提高燃油效率、大大降低廢氣排放等特點，已受到了世界汽車巨頭和國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注和高度重視［1－3］。

對于混合動力汽車的混合動力系統(tǒng)，主要有機械式和電磁式兩種模式。機械式混合動力合成模式以日本豐田、美國福特等汽車公司提出的基于行星齒輪的機械式混合動力合成模式為主，研究相對成熟，并已成功應(yīng)用于普銳斯(Prius)等混合動力汽車，但存在空間要求相對較高、機械磨損、運行噪聲等一些固有缺陷。電磁式混合動力合成模式將驅(qū)動電機與動力合成裝置集成在一起，空間利用率更高，控制更加靈活，能滿足汽車不同運行工況下對動力匹配的要求，且在體積、功率密度以及能量傳輸效率等方面具有明顯優(yōu)勢［4］。

目前，混合動力系統(tǒng)的核心部件——雙轉(zhuǎn)子電機主要有感應(yīng)雙轉(zhuǎn)子電機、開關(guān)磁阻雙轉(zhuǎn)子電機和永磁同步雙轉(zhuǎn)子電機等應(yīng)用于混合動力汽車［5］。雙轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機和雙轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機具備成本低、維護(hù)容易、可靠性高的優(yōu)點，但其功率密度和工作效率不高。而雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機雖有較高的功率密度，但由于中間轉(zhuǎn)子內(nèi)外表面粘貼有永磁體，帶來中間轉(zhuǎn)子散熱困難這一技術(shù)難題。因此，研究出能夠更好地適用于混合動力合成系統(tǒng)的雙轉(zhuǎn)子電機成為了當(dāng)前的技術(shù)難點。

由于磁通切換電機具有轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、功率密度高，適合高速運行等特點，近年來引起了國內(nèi)外電機界學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。目前對于磁通切換電機的研究成果主要為本體電磁性能計算、靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性分析、優(yōu)化設(shè)計、端部效應(yīng)、渦流損耗計算及控制策略等方面［6］，但研究成果主要集中于對單轉(zhuǎn)子磁通切換電機的研究，對于雙轉(zhuǎn)子磁通切換電機的研究國內(nèi)外報道相對較少。

本文針對雙轉(zhuǎn)子電機中間轉(zhuǎn)子散熱困難這一技術(shù)難題，結(jié)合混合動力汽車應(yīng)用場合及磁通切換電機現(xiàn)有研究成果，首次設(shè)計了一種基于磁通切換的新型定子永磁型雙轉(zhuǎn)子電機，提出其優(yōu)化設(shè)計的一般方法，并利用有限元軟件仿真分析其電磁性能及工作特性。該電機不僅具備結(jié)構(gòu)簡單、可靠性強、功率密度高、能夠有效避免中間轉(zhuǎn)子散熱問題等優(yōu)點，還能實現(xiàn)機械功率與電功率流的合成和傳遞，靈活控制兩種動力源的比例，可使發(fā)動機在汽車起步、加速、爬坡、剎車制動等不同工況下運行于最佳燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)，實現(xiàn)節(jié)能減排。

1 電機結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示，雙轉(zhuǎn)子電機主要包括內(nèi)轉(zhuǎn)子、中間轉(zhuǎn)子、定子三大部分。內(nèi)轉(zhuǎn)子和定子均由12個“U”形導(dǎo)磁鐵心及嵌入其中的12片切向交替充磁的永磁體組成，繞組均采用集中繞組，每4個線圈串聯(lián)成一相，形成三相繞組。中間轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，既無永磁體也無繞組，具有較大的機械強度，且避免了中間轉(zhuǎn)子散熱困難問題。本電機外永磁體位于電機外定子上，易于冷卻，而內(nèi)永磁體位于內(nèi)轉(zhuǎn)子上，可以依靠發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進(jìn)行散熱，從而避免了電機永磁體因溫度過高而不可逆退磁問題，能保證電機的可靠運行。

雙轉(zhuǎn)子電機相當(dāng)于將兩臺同心式單轉(zhuǎn)子電機整合在一起，為了分析方便，對雙轉(zhuǎn)子電機的內(nèi)、外電機分別做出如下定義:定子、外氣隙、中間轉(zhuǎn)子構(gòu)成了外電機，中間轉(zhuǎn)子、內(nèi)氣隙、內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)成了內(nèi)電機。

圖1 電機結(jié)構(gòu)圖

圖2給出了雙轉(zhuǎn)子電機應(yīng)用在電元極變速器(ECVT)系統(tǒng)中的工作原理示意圖。雙轉(zhuǎn)子電機作為混合動力合成系統(tǒng)的核心部件，內(nèi)轉(zhuǎn)子與內(nèi)燃機(ICE)相連，中間轉(zhuǎn)子與驅(qū)動橋相連，直接驅(qū)動車輪，內(nèi)外電機繞組分別與相應(yīng)驅(qū)動器相接，實現(xiàn)電機功率流控制。通過控制兩驅(qū)動器工作模式，可以實現(xiàn)功率流在發(fā)動機、內(nèi)電機、外電機及電池之間相互轉(zhuǎn)換流動，以滿足混合動力汽車不同工況下對混合動力系統(tǒng)的要求。因此，此混合動力系統(tǒng)可以使發(fā)動機在任何路況下都能工作在最佳燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)，實現(xiàn)高效率、低消耗、低排放策略。

圖2 混合動力合成系統(tǒng)原理示意圖

如圖2所示，混合動力系統(tǒng)中發(fā)動機輸入機械能需通過內(nèi)電機電磁能Pe1及外電機電磁能Pe2過渡最終轉(zhuǎn)換成機械能Pout通過中間轉(zhuǎn)子軸輸出，則:

由式(1)～式(3)可以看出，混合動力系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩與發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和內(nèi)外電機轉(zhuǎn)速比有密切關(guān)系。通過適當(dāng)控制內(nèi)外電機轉(zhuǎn)速比k，就可使汽車在不同工況下內(nèi)燃機始終處于最佳燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)。

2 電機優(yōu)化設(shè)計

作為一種新型電機，磁通切換雙轉(zhuǎn)子電機設(shè)計并沒有一套成熟的思路可直接引用，存在較多設(shè)計難點，所以在進(jìn)行電機優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)遵循如下原則:

(1)按照電機應(yīng)用場合要求，參照并充分借鑒雙凸極永磁電機設(shè)計［7］及磁通切換電機設(shè)計［8－9］原則及經(jīng)驗，并結(jié)合雙轉(zhuǎn)子電機自身實際特點進(jìn)行設(shè)計。

(2)電機設(shè)計應(yīng)遵循由內(nèi)而外的原則，先設(shè)計內(nèi)層電機，再相應(yīng)地確定外電機尺寸，并注意合理設(shè)計中間轉(zhuǎn)子。

(3)充分考慮邊緣效應(yīng)、極間漏磁、局部飽和的影響。

(4)考慮到混合動力合成系統(tǒng)要求電機具有高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度、調(diào)速范圍寬、空間要求嚴(yán)格等特性，對電機主要性能參數(shù)進(jìn)行先局部優(yōu)化再全局優(yōu)化。

依據(jù)設(shè)計原則，由磁通切換電機功率方程［10］選取合適的經(jīng)驗參數(shù)，可以計算得到磁通切換電機初始結(jié)構(gòu)尺寸，通過有限元軟件仿真分析確定電機性能要求是否滿足要求。滿足電磁性能要求后，通過電機優(yōu)化算法［10］優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高電機性能，改善混合動力合成系統(tǒng)特性。

磁通切換電機設(shè)計優(yōu)化流程圖如圖3所示。

圖3 設(shè)計優(yōu)化流程圖

按以上電機設(shè)計原則及流程，并考慮實際加工問題及樣機只作為原理樣機，因此，本文設(shè)計一臺內(nèi)外電機均為1 kW的12/22極的磁通切換雙轉(zhuǎn)子電機。通過綜合優(yōu)化電機反電動勢、輸出轉(zhuǎn)矩及電機定位力矩后，最終確定電機結(jié)構(gòu)主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機主要結(jié)構(gòu)尺寸

3 電機特性

根據(jù)優(yōu)化后尺寸，通過有限元分析軟件參數(shù)化建模，分析電機電磁性能，并通過場路聯(lián)合仿真分析電機動態(tài)特性，研究電機特性。

3.1 電感特性

電感在電機分析和設(shè)計時是關(guān)鍵的參數(shù)，直接影響了永磁電機的轉(zhuǎn)矩、功率和弱磁擴(kuò)速能力。因此，電機電感研究對于電機設(shè)計和控制系統(tǒng)的建立都具有重要的意義。

對于磁通切換電機，計算電感時不僅要考慮永磁磁場作用還要考慮電樞磁場的作用。以A相為例，單獨通電時，A相的合成磁鏈:

圖4給出了額定電流情況下電機電感曲線。由圖4可知，電機互感約為自感的一半，內(nèi)外電機耦合電感很小，接近為零，說明了內(nèi)外電機耦合程度很低。圖5給出了電樞繞組電流從－20 A至20 A時內(nèi)電機電感曲線，由圖5可知，電感不僅與電樞電流有關(guān)，而且與轉(zhuǎn)子位置角有關(guān)。電流由－20 A到20 A變化時，電感至零時呈對稱分布式減小，這是由于電機磁鏈為雙極性分布且電流增大時電感呈現(xiàn)飽和。

圖4 電機電感波形圖

圖5 不同電流電感波形

3.2 空載特性

圖6～圖9分別為內(nèi)外電機空載磁鏈波形，空載反電動勢波形及其諧波分析，內(nèi)外電機氣隙磁密波形，內(nèi)電機單獨工作，設(shè)置外電機永磁體為空氣時，內(nèi)電機磁場在外電機產(chǎn)生的氣隙磁密波形及電機定位力矩波形。

圖6 空載磁鏈波形

圖7 空載反電動勢波形及諧波含量

圖8 電機氣隙波形

圖9 定位力矩波形

圖中可以看出，磁鏈有別于一般雙凸極永磁電機的單極性分布，為雙極性正弦分布，反電動勢接近正弦波，內(nèi)外電機諧波畸變率(THD)分別為2.91%、2.61%，正弦度很高。電機氣隙磁密幅值較一般電機大，內(nèi)電機達(dá)1.53 T，外電機達(dá)2 T，諧波含量較高，這是由于電機聚磁效應(yīng)及電機雙凸極結(jié)構(gòu)引起的。當(dāng)外電機單獨工作內(nèi)電機永磁體設(shè)置為空氣時，內(nèi)電機氣隙波形幅值很小，峰值僅為1.5 mT，再次說明內(nèi)外電機耦合程度很小。內(nèi)外電機定位力矩較小，分別為0.4 N、1.3 N，由于電機主要脈動是由定位力矩引起的，因此電機定位力矩很小說明電機脈動較小，運行可靠。

3.3 轉(zhuǎn)矩特性

磁通切換雙轉(zhuǎn)子電機內(nèi)外耦合程度很低，因此可以單獨控制內(nèi)外電機，研究電機轉(zhuǎn)矩特性。通過有限元軟件與Simplorer進(jìn)行瞬態(tài)聯(lián)合仿真，構(gòu)建正弦電流斬波的電流、位置雙閉環(huán)控制系統(tǒng)研究電機穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性。功率驅(qū)動部分采用三橋式電路，控制部分利用正弦斬波信號與位置信號相與，得到控制IGBT的PWM信號，實現(xiàn)雙閉環(huán)控制來研究穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩特性。

當(dāng)直流側(cè)電壓Udc=440 V，滯環(huán)參考比較電流幅值設(shè)為8 A，電機轉(zhuǎn)速為750 r/min時，電機電流波形和內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩波形如圖10所示。由圖可見，內(nèi)外電機輸出轉(zhuǎn)矩波動均較小，峰峰差值大約為2 N·m。為衡量電機轉(zhuǎn)矩特性，定義電機轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù):

式中:Tmax為最大轉(zhuǎn)矩，Tmin為最小轉(zhuǎn)矩，Tavg為平均轉(zhuǎn)矩。則內(nèi)外電機轉(zhuǎn)矩脈動分別為20%、5.26%，合成轉(zhuǎn)矩脈動為10%。

圖10 電流波形和轉(zhuǎn)矩波形

3.4 效率

電機損耗是影響電機效率的主要因素，而電機損耗主要包括銅耗和鐵心損耗。因此，電機效率的計算主要取決于銅耗、定轉(zhuǎn)子鐵心損耗、永磁體渦流損耗的準(zhǔn)確計算。

電機銅耗主要取決于電機電樞繞組，以及電流大小。銅耗公式:

鐵耗公式:

磁滯損耗:

渦流損耗:

式中:Ph為磁滯損耗;Pe為渦流損耗;Ch為磁滯損耗系數(shù);f為磁場交變的頻率;Bm為氣隙磁密;Ce為渦流損耗系數(shù);Δ為硅鋼片厚度;V為鐵心的體積。

可見電機鐵心損耗主要取決于電機磁場交變頻率，氣隙磁密和電機體積。

電機效率:

利用有限元分析軟件可準(zhǔn)確計算出電機的鐵心損耗、永磁體渦流損耗及電機銅耗，可方便準(zhǔn)確計算得到電機的效率。

圖11為額定情況下電機的定轉(zhuǎn)子鐵耗和永磁體渦流損耗曲線。電機鐵耗為65 W，永磁體渦流損耗為25 W，計算可知電機銅耗為77.8 W，所以電機效率為91.61%。

圖11 定轉(zhuǎn)子鐵心損耗及永磁體渦流損耗

圖12為電機效率及工作曲線圖。從圖中可以看出，電機輸出合成轉(zhuǎn)矩較大。電機銅耗PCu隨功率增加變化速率也隨之增加。電機輸出功率在一個較大的范圍(0.5～4 kW)均能保證電機較高效率(87.5% ～95%)，因此電機能較好滿足混合動力汽車所需的高功率密度、高效率要求。

圖12 電機效率及工作曲線圖

4 結(jié) 語

本文設(shè)計一種新型磁通切換雙轉(zhuǎn)子電機，提出了該類雙轉(zhuǎn)子電機優(yōu)化設(shè)計的一般方法及原則，并在優(yōu)化基礎(chǔ)上分析了該電機的電磁性能，工作特性及損耗、效率。仿真分析結(jié)果表明該雙轉(zhuǎn)子電機具有功率密度高、效率高、可靠性高、電機體積小，磁鏈、反電動勢高度正弦等優(yōu)點，既能滿足混合動力汽車對電機的要求，還能解決混合動力系統(tǒng)中普通雙轉(zhuǎn)子電機存在中間轉(zhuǎn)子散熱困難這一技術(shù)難題，提高電機可靠性。

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