混合動力汽車用雙轉子電機的設計與性能分析

孫建華

(上海建橋學院，上海 201319)

0 引 言

混合動力汽車是指擁有至少兩種動力源，使用其中一種或多種動力源提供部分或者全部動力的車輛。在實際生活中，混合動力汽車多半采用傳統的內燃機和電動機作為動力源，通過混合使用熱能和電力兩套系統開動汽車。目前，關于混合動力汽車用電動機的研究主要是圍繞著雙轉子感應電動機、開關磁阻電動機及永磁同步電動機等展開[1]。雙轉子感應電機與開關磁阻電機結構簡單、成本較低、維護容易、可靠性高，而雙轉子永磁同步電機相對前兩者具有功率密度高、效率高等優點。

傳統的雙轉子永磁同步電機的中間轉子貼裝永磁體，在汽車等空間要求較為苛刻的應用場合，難以采用傳統的風冷、水冷等冷卻方法有效抑制其中間轉子的溫升。高溫下永磁體性能明顯下降，轉子的機械強度也受到影響，直接影響雙轉子永磁同步電機的動態輸出性能[2]。考慮到目前混合動力汽車驅動電機高功率密度要求和永磁化發展趨勢，并避免電機中間轉子上粘貼永磁體所帶來的難以有效固定和散熱差等問題，本文提出了一種雙功率流定子永磁型電機。該電機結構示意圖如圖1所示。

圖1 雙功率流定子永磁型電機結構示意圖

如圖1所示，外電機可視為定子永磁式雙凸極電機，外定子易于冷卻；內電機可視為定子旋轉的定子永磁式外轉子雙凸極電機，因內轉子與發動機輸出軸相連，可利用發動機冷卻系統進行冷卻；中間轉子機械強度大，結構簡單，既無永磁體又無勵磁繞組，無須專門的散熱措施。因此，該電機不僅繼承定子永磁型電機轉子結構簡單、高可靠性、高功率密度等諸多優點，還能有效改善中間轉子散熱難等問題。

1 雙功率流電機的電磁式混合動力合成系統的工作原理

作為電磁式混合動力合成的核心部件之一，雙功率流定子永磁型電機的工作原理與目前的電氣無極變速器、四象限能量變換器及雙機械端口電機類似。在結構上都可看作由一臺定子永磁電機(外電機)和一臺雙轉子電機(內電機)同軸安裝而成，兩臺電機共用一個中間轉子。采用雙功率流定子永磁型電機的電磁式混合動力合成系統如圖2所示。

圖2 采用雙功率流定子永磁型電機的電磁式混合動力合成系統

如圖2所示，內轉子與發動機同軸相連，內電機將輸入的機械功率轉化為電功率，通過集電環并經整流向蓄能裝置充電，以維持儲能裝置電壓平衡和避免深度放電，另外也可直接向中間轉子傳遞機械功率；中間轉子直接連接到輸出軸，通過輸出機械功率來驅動汽車車輪；電機外定子與蓄能裝置相連，一方面，外電機將蓄能裝置的電功率轉化為機械功率并通過中間轉子輸出，另一方面，在汽車制動時，外電機可吸收機械功率并轉化成電功率，對蓄能裝置進行充電，實現制動能量回收。

內、外電機的多種運行工況配合決定了該雙功率流電機的靈活運行方式，將發動機輸出的機械功率流與驅動電機的電功率流共同合成，實現能量傳遞和耦合。內電機的調速作用和外電機的調矩作用，可使內燃機的工作穩定在最佳工作點，實現針對不同路況負載和速度要求的輸出調整。

2 雙功率流電機在混合動力系統中的多工況模式

為使內燃機工作在最佳工作點，可通過控制兩套變換器，使內、外電機分別工作在不同狀態下，滿足不同工況需求。內、外電機不同工作狀態對應的負載工況如表1所示。

表1 內、外電機不同工作狀態對應的負載工況

3 電機設計與優化

由于雙功率流電機的特殊結構，設計分析較困難，結合原先對定子永磁性電機的研究，本文提出了該雙功率流電機的一般設計思路： (1) 電機設計遵循由內而外原則，先設計內電機，將其看作一臺永磁式外轉子雙凸極電機；(2) 根據中度混合動力要求，確定電機額定功率設計目標，借鑒永磁式開關磁阻電機的設計經驗，初步計算確定內電機的定子內徑、軸長、內外轉子齒寬、永磁體用量等主要結構參數；(3) 在內電機的尺寸標準下，再進一步確定外電機的一系列結構尺寸；(4) 借 助有限元仿真軟件，建立電機的參數化模型，應用遺傳算法等先進優化控制方法對內外轉子齒寬、中間轉子軛高和永磁體充磁寬度等重要的結構參數作優化設計[3]。

3.1 初始設計

初始設計總體上可分為電機結構尺寸的初步計算、重要參數的電磁優化設計兩大塊。

內電機定子、中間轉子的極數分別為

Ns=2mk

(1)

Nr=Ns±2k

(2)

式中：Ns——內電機的定子極數；

Nr——中間轉子的極數；

m——電機相數；

k——正整數系數。

為降低電機鐵損，Nr通常設置為一個奇數且要小于Ns。為使電機能夠正反向順利起動，電機相數最好≥3。這里取正整數k為2，避免定子極數過大后加大工作頻率的要求及帶來鐵損的增加。綜上所述，項目提出的雙功率流定子永磁型電機采用三相 12/8/12 極結構。

根據中度混合動力要求，結合樣機加工條件，以2.2kW的電機樣機作為設計目標。在設計過程中，遵循由內而外的設計原則，先定制了內電機的尺寸，然后確定調整外電機的尺寸[4]。應用式(3)～式(7)，初步確定內電機的中間轉子外徑、內轉子外徑，外電機的定子外徑、電機軸長、定子和轉子的齒寬、定子和內轉子繞組的匝數。

(3)

(4)

(5)

Ds=Da/0.57

(6)

(7)

經初步設計，得雙功率流定子永磁型電機的結構參數,如表2所示。

表2 雙功率流定子永磁型電機結構參數 mm

3.2 重要結構參數的電磁優化設計

工程領域普遍采用有限元法，其與其他電磁場分析方法相比，在分析復雜模型和非線性運算等方面具有明顯優勢。因此，在電機初始設計后，對一些重要的電磁結構參數，如齒寬、永磁體尺寸、中間轉子軛高等，通過有限元仿真對比分析作優化設計。

根據初始設計的電機尺寸，在有限元仿真環境下，建立了該雙功率流電機的參數化模型。取優化目標函數COST=輸出轉矩波動/氣隙磁密。采用遺傳優化算法，選取中間轉子齒寬、中間轉子軛高、永磁體尺寸為優化設計變量。遺傳優化過程中，選擇群體大小為30，交叉概率為0.8，變異概率為0.01，經過320代遺傳優化，COST取值已達0.494，優化前后電機重要結構參數如表3所示。

表3 優化前后電機重要結構參數

優化電機參數對電機電磁性能的影響對比分析： 齒寬對反電勢、氣隙磁密波形及電機的運行性能有著很大的影響。對于內、外電機，定子齒寬同取15°，中間轉子齒寬取不同的數值，作空載反電勢的仿真對比分析。由仿真對比分析結果可知，雙功率流定子永磁型電機的中間轉子齒寬優化后取20.5°時，反電勢曲線最佳。

和傳統永磁電機一樣，該雙功率流定子永磁型電機永磁體的用量也遵循產生足夠磁場的用量最小原則。由于永磁體嵌置于定子和內轉子中，故永磁體的高度取值介于定子軛高和內轉子軛高之間。永磁體的充磁寬度影響氣隙磁密和電機定位力矩，優化充磁寬度取6mm時，滿足氣隙磁密強度要求并減小了定位轉矩。

3.3 雙功率流電機電磁性能的有限元分析

建立了電機的二維有限元結構模型，在有限元仿真中，設定內轉子逆時針轉速 1500r/min，中間轉子逆時針轉速750r/min，仿真時長20ms，取值步長0.22ms。

基于二維有限元分析法的磁場仿真對電機靜態特性進行了全面分析，包括電機空載磁場分布、氣隙磁密分布、空載磁鏈特性、反電動勢特性、繞組電感特性、定位力矩等[5]，探討了永磁磁場和電樞磁場之間的耦合作用對電感特性的影響。

(1) 電機空載永磁磁場分布。內、外電機永磁體單獨作用的磁場分布分別如圖3(a)、圖3(b)所示。可看出，由于遵循“最小磁路原理”，內、外電機磁場通過中間轉子各自閉合，耦合程度很小，故電機結構參數和電磁參數設置合理，可將此雙功率流電機看作是兩個永磁電機的串聯疊加。

圖3 雙功率流定子永磁電機磁場分布

(2) 內、外氣隙磁密。氣隙磁密的幅值直接反映了電機內的磁場強度，氣隙磁密曲線的規則度取決于定、轉子齒重合區域大小，從內、外氣隙磁密分布曲線可看出內電機能達到一定的功率密度和轉矩傳遞，外電機能滿足HEV在起動或單獨驅動時的動力要求。從定子永磁體單獨作用時，可看出在內氣隙產生的氣隙磁密幅值很小，不足正常值的1%，可知內、外電機的電磁耦合程度小。

(3) 定子繞組和內轉子繞組上的永磁磁鏈。外電機永磁磁鏈幅值可達0.21T，內電機永磁磁鏈幅值為0.15T。可知永磁體用量準確，電機結構合理。

(4) 內、外電機的空載反電勢。內、外電機的空載反電勢波形皆為近似方波，與定子永磁型雙凸極電機一致，故其控制方法可與定子永磁型雙凸極電機類似。采用角度控制的方法使內電機單獨作用時，在定子繞組中產生的反電勢曲線不規則，幅值很小，不到正常值的1%，進一步證實了內、外電機的電磁耦合不大。

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

3.4 基于場路耦合法的雙功率流電機瞬態聯合仿真分析

對于電機及其控制系統的分析，傳統上采取兩種相對獨立的方法，即對電機本體采用基于磁場的分析方法，而對于控制系統采用基于電路的分析方法，而考慮電機系統中電路和磁路間的耦合性，在此采用“磁場-電路瞬態聯合仿真”的方法對定子永磁型雙功率流電機驅動控制系統進行建模，并研究其轉矩特性。該瞬態聯合仿真流程圖如圖4所示。

圖4 瞬態聯合仿真流程圖

從內電機和外電機穩態運行在額定轉速750r/min時的三相電流波形和輸出轉矩波形的波形圖可知，與定子永磁型電機類似，電流波形近似為矩形方波，即雙功率流電機繼承了定子永磁型雙凸極電機的特點。從輸出轉矩波形可知，內、外電機的單獨輸出轉矩達到設計要求，但仍有較大波動。

4 結 語

本文設計了一種新型雙功率流定子永磁型電機，提出了優化設計的一般方法及原則，并分析了該電機的電磁性能。有限元仿真結果表明該新型電機繼承了雙轉子電動機和雙凸極永磁電動機的優點，電機設計合理。此外，場路聯合仿真得到的電機轉矩特性表明電機滿足混合動力汽車不同工況下轉矩需求。下一階段將考慮采用更為精確的控制方法優化電機轉矩脈動，進一步改善電機輸出轉矩性能。

【參考文獻】

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