混合動(dòng)力汽車(chē)用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的設(shè)計(jì)與性能分析

孫建華

(上海建橋?qū)W院，上海 201319)

0 引 言

混合動(dòng)力汽車(chē)是指擁有至少兩種動(dòng)力源，使用其中一種或多種動(dòng)力源提供部分或者全部動(dòng)力的車(chē)輛。在實(shí)際生活中，混合動(dòng)力汽車(chē)多半采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，通過(guò)混合使用熱能和電力兩套系統(tǒng)開(kāi)動(dòng)汽車(chē)。目前，關(guān)于混合動(dòng)力汽車(chē)用電動(dòng)機(jī)的研究主要是圍繞著雙轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及永磁同步電動(dòng)機(jī)等展開(kāi)[1]。雙轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)與開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、維護(hù)容易、可靠性高，而雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)相對(duì)前兩者具有功率密度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的中間轉(zhuǎn)子貼裝永磁體，在汽車(chē)等空間要求較為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合，難以采用傳統(tǒng)的風(fēng)冷、水冷等冷卻方法有效抑制其中間轉(zhuǎn)子的溫升。高溫下永磁體性能明顯下降，轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度也受到影響，直接影響雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)輸出性能[2]。考慮到目前混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)高功率密度要求和永磁化發(fā)展趨勢(shì)，并避免電機(jī)中間轉(zhuǎn)子上粘貼永磁體所帶來(lái)的難以有效固定和散熱差等問(wèn)題，本文提出了一種雙功率流定子永磁型電機(jī)。該電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 雙功率流定子永磁型電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，外電機(jī)可視為定子永磁式雙凸極電機(jī)，外定子易于冷卻；內(nèi)電機(jī)可視為定子旋轉(zhuǎn)的定子永磁式外轉(zhuǎn)子雙凸極電機(jī)，因內(nèi)轉(zhuǎn)子與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸相連，可利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻；中間轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既無(wú)永磁體又無(wú)勵(lì)磁繞組，無(wú)須專門(mén)的散熱措施。因此，該電機(jī)不僅繼承定子永磁型電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高可靠性、高功率密度等諸多優(yōu)點(diǎn)，還能有效改善中間轉(zhuǎn)子散熱難等問(wèn)題。

1 雙功率流電機(jī)的電磁式混合動(dòng)力合成系統(tǒng)的工作原理

作為電磁式混合動(dòng)力合成的核心部件之一，雙功率流定子永磁型電機(jī)的工作原理與目前的電氣無(wú)極變速器、四象限能量變換器及雙機(jī)械端口電機(jī)類似。在結(jié)構(gòu)上都可看作由一臺(tái)定子永磁電機(jī)(外電機(jī))和一臺(tái)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)(內(nèi)電機(jī))同軸安裝而成，兩臺(tái)電機(jī)共用一個(gè)中間轉(zhuǎn)子。采用雙功率流定子永磁型電機(jī)的電磁式混合動(dòng)力合成系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 采用雙功率流定子永磁型電機(jī)的電磁式混合動(dòng)力合成系統(tǒng)

如圖2所示，內(nèi)轉(zhuǎn)子與發(fā)動(dòng)機(jī)同軸相連，內(nèi)電機(jī)將輸入的機(jī)械功率轉(zhuǎn)化為電功率，通過(guò)集電環(huán)并經(jīng)整流向蓄能裝置充電，以維持儲(chǔ)能裝置電壓平衡和避免深度放電，另外也可直接向中間轉(zhuǎn)子傳遞機(jī)械功率；中間轉(zhuǎn)子直接連接到輸出軸，通過(guò)輸出機(jī)械功率來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)車(chē)輪；電機(jī)外定子與蓄能裝置相連，一方面，外電機(jī)將蓄能裝置的電功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率并通過(guò)中間轉(zhuǎn)子輸出，另一方面，在汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，外電機(jī)可吸收機(jī)械功率并轉(zhuǎn)化成電功率，對(duì)蓄能裝置進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收。

內(nèi)、外電機(jī)的多種運(yùn)行工況配合決定了該雙功率流電機(jī)的靈活運(yùn)行方式，將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率流與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電功率流共同合成，實(shí)現(xiàn)能量傳遞和耦合。內(nèi)電機(jī)的調(diào)速作用和外電機(jī)的調(diào)矩作用，可使內(nèi)燃機(jī)的工作穩(wěn)定在最佳工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同路況負(fù)載和速度要求的輸出調(diào)整。

2 雙功率流電機(jī)在混合動(dòng)力系統(tǒng)中的多工況模式

為使內(nèi)燃機(jī)工作在最佳工作點(diǎn)，可通過(guò)控制兩套變換器，使內(nèi)、外電機(jī)分別工作在不同狀態(tài)下，滿足不同工況需求。內(nèi)、外電機(jī)不同工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)的負(fù)載工況如表1所示。

表1 內(nèi)、外電機(jī)不同工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)的負(fù)載工況

3 電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

由于雙功率流電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)分析較困難，結(jié)合原先對(duì)定子永磁性電機(jī)的研究，本文提出了該雙功率流電機(jī)的一般設(shè)計(jì)思路： (1) 電機(jī)設(shè)計(jì)遵循由內(nèi)而外原則，先設(shè)計(jì)內(nèi)電機(jī)，將其看作一臺(tái)永磁式外轉(zhuǎn)子雙凸極電機(jī)；(2) 根據(jù)中度混合動(dòng)力要求，確定電機(jī)額定功率設(shè)計(jì)目標(biāo)，借鑒永磁式開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，初步計(jì)算確定內(nèi)電機(jī)的定子內(nèi)徑、軸長(zhǎng)、內(nèi)外轉(zhuǎn)子齒寬、永磁體用量等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)；(3) 在內(nèi)電機(jī)的尺寸標(biāo)準(zhǔn)下，再進(jìn)一步確定外電機(jī)的一系列結(jié)構(gòu)尺寸；(4) 借 助有限元仿真軟件，建立電機(jī)的參數(shù)化模型，應(yīng)用遺傳算法等先進(jìn)優(yōu)化控制方法對(duì)內(nèi)外轉(zhuǎn)子齒寬、中間轉(zhuǎn)子軛高和永磁體充磁寬度等重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)作優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]。

3.1 初始設(shè)計(jì)

初始設(shè)計(jì)總體上可分為電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸的初步計(jì)算、重要參數(shù)的電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)兩大塊。

內(nèi)電機(jī)定子、中間轉(zhuǎn)子的極數(shù)分別為

Ns=2mk

(1)

Nr=Ns±2k

(2)

式中：Ns——內(nèi)電機(jī)的定子極數(shù)；

Nr——中間轉(zhuǎn)子的極數(shù)；

m——電機(jī)相數(shù)；

k——正整數(shù)系數(shù)。

為降低電機(jī)鐵損，Nr通常設(shè)置為一個(gè)奇數(shù)且要小于Ns。為使電機(jī)能夠正反向順利起動(dòng)，電機(jī)相數(shù)最好≥3。這里取正整數(shù)k為2，避免定子極數(shù)過(guò)大后加大工作頻率的要求及帶來(lái)鐵損的增加。綜上所述，項(xiàng)目提出的雙功率流定子永磁型電機(jī)采用三相 12/8/12 極結(jié)構(gòu)。

根據(jù)中度混合動(dòng)力要求，結(jié)合樣機(jī)加工條件，以2.2kW的電機(jī)樣機(jī)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，遵循由內(nèi)而外的設(shè)計(jì)原則，先定制了內(nèi)電機(jī)的尺寸，然后確定調(diào)整外電機(jī)的尺寸[4]。應(yīng)用式(3)～式(7)，初步確定內(nèi)電機(jī)的中間轉(zhuǎn)子外徑、內(nèi)轉(zhuǎn)子外徑，外電機(jī)的定子外徑、電機(jī)軸長(zhǎng)、定子和轉(zhuǎn)子的齒寬、定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組的匝數(shù)。

(3)

(4)

(5)

Ds=Da/0.57

(6)

(7)

經(jīng)初步設(shè)計(jì)，得雙功率流定子永磁型電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù),如表2所示。

表2 雙功率流定子永磁型電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

3.2 重要結(jié)構(gòu)參數(shù)的電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)

工程領(lǐng)域普遍采用有限元法，其與其他電磁場(chǎng)分析方法相比，在分析復(fù)雜模型和非線性運(yùn)算等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，在電機(jī)初始設(shè)計(jì)后，對(duì)一些重要的電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)，如齒寬、永磁體尺寸、中間轉(zhuǎn)子軛高等，通過(guò)有限元仿真對(duì)比分析作優(yōu)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)初始設(shè)計(jì)的電機(jī)尺寸，在有限元仿真環(huán)境下，建立了該雙功率流電機(jī)的參數(shù)化模型。取優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)COST=輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)/氣隙磁密。采用遺傳優(yōu)化算法，選取中間轉(zhuǎn)子齒寬、中間轉(zhuǎn)子軛高、永磁體尺寸為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。遺傳優(yōu)化過(guò)程中，選擇群體大小為30，交叉概率為0.8，變異概率為0.01，經(jīng)過(guò)320代遺傳優(yōu)化，COST取值已達(dá)0.494，優(yōu)化前后電機(jī)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 優(yōu)化前后電機(jī)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)

優(yōu)化電機(jī)參數(shù)對(duì)電機(jī)電磁性能的影響對(duì)比分析： 齒寬對(duì)反電勢(shì)、氣隙磁密波形及電機(jī)的運(yùn)行性能有著很大的影響。對(duì)于內(nèi)、外電機(jī)，定子齒寬同取15°，中間轉(zhuǎn)子齒寬取不同的數(shù)值，作空載反電勢(shì)的仿真對(duì)比分析。由仿真對(duì)比分析結(jié)果可知，雙功率流定子永磁型電機(jī)的中間轉(zhuǎn)子齒寬優(yōu)化后取20.5°時(shí)，反電勢(shì)曲線最佳。

和傳統(tǒng)永磁電機(jī)一樣，該雙功率流定子永磁型電機(jī)永磁體的用量也遵循產(chǎn)生足夠磁場(chǎng)的用量最小原則。由于永磁體嵌置于定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子中，故永磁體的高度取值介于定子軛高和內(nèi)轉(zhuǎn)子軛高之間。永磁體的充磁寬度影響氣隙磁密和電機(jī)定位力矩，優(yōu)化充磁寬度取6mm時(shí)，滿足氣隙磁密強(qiáng)度要求并減小了定位轉(zhuǎn)矩。

3.3 雙功率流電機(jī)電磁性能的有限元分析

建立了電機(jī)的二維有限元結(jié)構(gòu)模型，在有限元仿真中，設(shè)定內(nèi)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)速 1500r/min，中間轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)速750r/min，仿真時(shí)長(zhǎng)20ms，取值步長(zhǎng)0.22ms。

基于二維有限元分析法的磁場(chǎng)仿真對(duì)電機(jī)靜態(tài)特性進(jìn)行了全面分析，包括電機(jī)空載磁場(chǎng)分布、氣隙磁密分布、空載磁鏈特性、反電動(dòng)勢(shì)特性、繞組電感特性、定位力矩等[5]，探討了永磁磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)之間的耦合作用對(duì)電感特性的影響。

(1) 電機(jī)空載永磁磁場(chǎng)分布。內(nèi)、外電機(jī)永磁體單獨(dú)作用的磁場(chǎng)分布分別如圖3(a)、圖3(b)所示。可看出，由于遵循“最小磁路原理”，內(nèi)、外電機(jī)磁場(chǎng)通過(guò)中間轉(zhuǎn)子各自閉合，耦合程度很小，故電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁參數(shù)設(shè)置合理，可將此雙功率流電機(jī)看作是兩個(gè)永磁電機(jī)的串聯(lián)疊加。

圖3 雙功率流定子永磁電機(jī)磁場(chǎng)分布

(2) 內(nèi)、外氣隙磁密。氣隙磁密的幅值直接反映了電機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，氣隙磁密曲線的規(guī)則度取決于定、轉(zhuǎn)子齒重合區(qū)域大小，從內(nèi)、外氣隙磁密分布曲線可看出內(nèi)電機(jī)能達(dá)到一定的功率密度和轉(zhuǎn)矩傳遞，外電機(jī)能滿足HEV在起動(dòng)或單獨(dú)驅(qū)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力要求。從定子永磁體單獨(dú)作用時(shí)，可看出在內(nèi)氣隙產(chǎn)生的氣隙磁密幅值很小，不足正常值的1%，可知內(nèi)、外電機(jī)的電磁耦合程度小。

(3) 定子繞組和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組上的永磁磁鏈。外電機(jī)永磁磁鏈幅值可達(dá)0.21T，內(nèi)電機(jī)永磁磁鏈幅值為0.15T。可知永磁體用量準(zhǔn)確，電機(jī)結(jié)構(gòu)合理。

(4) 內(nèi)、外電機(jī)的空載反電勢(shì)。內(nèi)、外電機(jī)的空載反電勢(shì)波形皆為近似方波，與定子永磁型雙凸極電機(jī)一致，故其控制方法可與定子永磁型雙凸極電機(jī)類似。采用角度控制的方法使內(nèi)電機(jī)單獨(dú)作用時(shí)，在定子繞組中產(chǎn)生的反電勢(shì)曲線不規(guī)則，幅值很小，不到正常值的1%，進(jìn)一步證實(shí)了內(nèi)、外電機(jī)的電磁耦合不大。

(5) 定子繞組和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組的自感。繞組電感參數(shù)是電機(jī)的重要電磁性能參數(shù)，在該雙功率流定子永磁式電機(jī)中，繞組電感不僅是轉(zhuǎn)子位置角度的函數(shù)，也是電樞電流的函數(shù)。兩類繞組之間的互感參數(shù)曲線，同樣也是位置和電流的函數(shù)。對(duì)比曲線圖可知，互感比自感要小得多。這說(shuō)明在該雙功率流定子永磁型電機(jī)中，內(nèi)、外電機(jī)的電磁耦合不強(qiáng)，中間轉(zhuǎn)子軛高設(shè)置得當(dāng)。

3.4 基于場(chǎng)路耦合法的雙功率流電機(jī)瞬態(tài)聯(lián)合仿真分析

對(duì)于電機(jī)及其控制系統(tǒng)的分析，傳統(tǒng)上采取兩種相對(duì)獨(dú)立的方法，即對(duì)電機(jī)本體采用基于磁場(chǎng)的分析方法，而對(duì)于控制系統(tǒng)采用基于電路的分析方法，而考慮電機(jī)系統(tǒng)中電路和磁路間的耦合性，在此采用“磁場(chǎng)-電路瞬態(tài)聯(lián)合仿真”的方法對(duì)定子永磁型雙功率流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，并研究其轉(zhuǎn)矩特性。該瞬態(tài)聯(lián)合仿真流程圖如圖4所示。

圖4 瞬態(tài)聯(lián)合仿真流程圖

從內(nèi)電機(jī)和外電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速750r/min時(shí)的三相電流波形和輸出轉(zhuǎn)矩波形的波形圖可知，與定子永磁型電機(jī)類似，電流波形近似為矩形方波，即雙功率流電機(jī)繼承了定子永磁型雙凸極電機(jī)的特點(diǎn)。從輸出轉(zhuǎn)矩波形可知，內(nèi)、外電機(jī)的單獨(dú)輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但仍有較大波動(dòng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型雙功率流定子永磁型電機(jī)，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般方法及原則，并分析了該電機(jī)的電磁性能。有限元仿真結(jié)果表明該新型電機(jī)繼承了雙轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)和雙凸極永磁電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，電機(jī)設(shè)計(jì)合理。此外，場(chǎng)路聯(lián)合仿真得到的電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性表明電機(jī)滿足混合動(dòng)力汽車(chē)不同工況下轉(zhuǎn)矩需求。下一階段將考慮采用更為精確的控制方法優(yōu)化電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，進(jìn)一步改善電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩性能。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 賈紅云，程明，花為,等.基于電流諧波注入的磁通切換永磁電機(jī)定位力矩補(bǔ)償方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(27)： 83- 89.

[2] 劉修福，全力，朱孝勇,等.混合動(dòng)力汽車(chē)用新型磁通切換雙轉(zhuǎn)子電機(jī)性能分析[J].微電機(jī)，2013，41(1)： 20-23.

[3] ZHU Z Q，LIU X.Individual and global optimization of switched flux permanent magnet motors[C]∥2011 International Conference on Electrical Machines and Systems， 2011： 1- 6.

[4] 莫麗紅，全力，朱孝勇,等.雙轉(zhuǎn)子電機(jī)及其在混合電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2012，45(4)： 510-515.

[5] 李練兵，陳鵬，史廣奎，等.混合動(dòng)力汽車(chē)用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的建模與仿真[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2008，12(4)： 403- 414.