起動/發電一體化電機發展與研究概述

馬飛鴻，周士貴，于 輝

(曲阜師范大學 工學院，日照 276800)

0 引 言

起動/發電一體化電機，顧名思義，通過電力電子變換裝置控制電機的能量轉換，從而將起動機與發電機的功能集成為一體，由一臺電機實現起動和發電兩種功能[1]。采用起動/發電一體化電機可以大大減少電氣系統的機械部件數量，減小機載體積，并減輕系統質量。

早在20世紀30年代，德國人就提出將電機的起動功能與發電功能結合，但受制于當時電機本體、電機控制等技術條件限制，未能實現。直到1997年，德國大陸公司研制出起動/發電一體機，并將其安裝在轎車上進行試驗，展現出了起動/發電一體機性能的優越性。直至今日，起動/發電一體化電機已經在交通、能源等領域得到廣泛應用。其中，起動/發電一體化電機在混合動力汽車領域應用最早并且技術最成熟。

考慮到起動/發電一體化電機的應用場合，其要具有以下要求：電機能夠實現頻繁起動、停止和加速、減速，具有較寬的調速范圍，較高的過載系數，較小的體積和質量，較高的可靠性，運行時較低的噪聲，以及較低的制造成本。

本文回顧總結了近年來國內外學者在起動/發電一體化電機中所進行的研究。從其主要應用領域——新能源汽車、摩托車、航空等領域出發，歸納其不同拓撲結構，對比其性能特點，總結其研究現狀和關鍵問題，最后探討起動/發電一體化電機未來的發展方向。

1 起動/發電一體化系統工作原理

起動/發電一體化系統的結構如圖1所示，系統主要由起動/發電一體化電機、發動機、控制器三部分組成[2]。其中起動/發電一體化電機與發動機同軸連接，通過控制功率變換器的工作狀態，實現電機與電池之間的能量流動[3]。

圖1 起動/發電一體化系統結構圖

由圖1可知，起動/發電一體化系統的設計思路是基于電機的可逆原理[4]，即電機既可以作為電動機工作，也可以作為發電機工作。當需要起動發動機時，發動機作為負載，起動/發電一體化電機作為電動機工作，其消耗蓄電池中的電能并將其轉換為機械能，帶動發動機進行工作。當發動機轉速達到某一定值后，發動機能夠自行點火運行，實現起動；當起動完成后，發動機轉為原動機，起動/發電一體化電機從起動狀態轉為發電狀態，作為發電機工作，發動機帶動起動/發電一體化電機運行，將機械能轉化為電能，通過功率變換器進行整流、穩壓給蓄電池充電[5]。

2 起動/發電一體化電機種類

在起動/發電一體化系統中，電機是整個系統的關鍵，其與系統控制策略的復雜性、系統的效率以及系統的經濟性息息相關。國內外研究人員針對具體工程應用中的需求，提出了多種可以作為起動/發電一體化電機應用的電機，大體上分為永磁電機、感應電機、開關磁阻電機、爪極式電機，這些電機各有優缺點，性能比較如表1所示。

表1 幾種電機性能比較

2.1 永磁電機

近50年來，隨著高性能永磁體器件、現代控制技術和高磁能永磁材料的發展，國內外掀起了對永磁無刷電機研究的熱潮，永磁無刷電機因其結構簡單、運行穩定和高效率的特點在多種領域得到廣泛應用。永磁無刷電機使用電子換相器取代了電刷和機械換向器，采用永磁材料作為轉子，在定子上放置電樞繞組[6]。

文獻[7]中基于混合動力無人機應用背景，介紹了一種永磁無刷起動/發電一體化電機。為使無人機質量最小化，電機采用外轉子12槽14極結構。為減小電磁轉矩波動并獲得最小起動轉矩，對12槽14極電機進行優化。采取增加定子槽數和永磁體極數的措施，設計出24槽20極永磁無刷電機，如圖2所示。

圖2 24槽20極永磁無刷電機結構

永磁電機因具有高功率密度和高工作效率的優點，適用于汽車、艦船以及航空領域的起動/發電一體化系統中，能夠節約燃油使用、減少廢氣排放、優化能源結構。但是永磁體受溫度和機械應力的影響較大，增加了控制策略的復雜性。其起動/發電模式下工作穩定性需進一步提高，且永磁體磁通不可調，因此混合勵磁電機是其重要的優化發展方向之一。

2.2 開關磁阻電機

開關磁阻電機的定子與轉子都是凸極結構，均由導磁材料疊壓而成，定轉子疊片如圖3所示，轉子上沒有繞組和磁鋼，定子上繞有集中繞組[8]。開關磁阻電機與傳統電機相比，其結構簡單且堅固、維護容易、制造成本低廉[9]，因此開關磁阻起動/發電一體化電機目前是國內外的研究熱點[10]。

圖3 定轉子疊片

文獻[11]設計了應用于無人機起動/發電一體化系統上的四相16/12極開關磁阻電機，并通過實驗驗證其具有低速大轉矩起動和高速寬范圍恒壓發電的特點，證明了其應用于無人機起動/發電一體化系統中的可行性。

開關磁阻電機結構的特殊性給其帶來了工作可靠、效率高、適合高速運行以及耐高溫的特點，相比其它幾種電機，它更適用于多電飛機系統，與多電發動機構成內置一體化起動/ 發電機系統。

開關磁阻電機具有轉矩脈動大及噪聲大的缺點，為了進一步提高開關磁阻電機的性能和拓寬開關磁阻電機在起動/發電一體化系統中的應用，需要開展降低其轉矩脈動的相關研究。對開關磁阻電機的定子齒進行優化是降低轉矩脈動的有效手段之一。

2.3 感應電機

感應電機，又稱異步電機，由定子、轉子、氣隙三個結構組成，其中轉子又可分為籠型和繞線型兩類。感應電機實物拆解圖如圖4所示。

圖4 感應電機實物拆解圖

文獻[12]對多電/全電飛機應用背景下的高速感應起動/發電一體化電機進行仿真，測量得出電機轉速達到4 800 r/min，輸出功率可達6 000 W，可帶動航空發動機點火并且自行進行工作，通過仿真分析證明了感應電機在起動/發電一體化系統中的適用性。

感應電機具有結構簡單、堅固耐用、制造成本低、調速性能好、體積小等優點[13]，且其本身具有可靠性高的特點，在起動/發電一體化電機中有著較多的應用。但感應電機具有效率低的缺點，在混動汽車等領域其性能略遜于永磁同步電機。

提升工作效率是未來感應電機的發展方向，選擇合適的繞組連接類型以及匹配合適的導線線徑是提升感應電機效率并實現降噪的有效方法之一。

2.4 爪極電機

爪極電機，又稱“Lundell”電機，因其轉子鐵心軸向左右配合形成兩個鳥爪狀的交錯磁極而得名[14]。爪極電機內部結構較為簡單，主要由爪極轉子、定子、轉軸、整流器等組成，其實物圖如圖5所示。

圖5 爪極電機實物圖

文獻[15]提出了一種應用于起動/發電一體化系統的永磁爪極電機，通過對其進行電磁分析，得出作為電動機工作時，其輸出功率取決于速度和永磁體厚度；作為發電機運行，輸出功率隨功率角的增加而增加，當轉速大于3 000 r/min時電機效率降低，輸出功率能達到其要求1 500 W。由此可見，爪極電機滿足起動/發電一體化電機的要求。

爪極電機結構簡單，且上文四種電機在輸出相同電流的條件下，爪極電機擁有更小的體積及更輕的質量[16]，因此爪極電機廣泛應用在汽車發電機領域。由于轉子爪極間漏磁較大、功率密度不高、輸出功率不高，爪極電機更適合應用于小功率場合。

3 起動/發電一體化電機優化

目前，國內外對于起動/發電一體化系統的研究還是主要集中在控制器的設計上，一體化電機結構設計優化方面的研究仍屬于新興領域，相關的文獻和研究并不普遍。起動/發電一體化電機的優化以電機具有高起動轉矩、高發電效率、高轉矩密度為目的，本文對起動/發電一體化電機的創新優化做出了一定的總結。

3.1 繞組優化

2019年，在第四屆電裝科技聯合東京會議上，電裝株式會社的工程師提出通過特殊的繞線技術，減小起動/發電一體化電機的尺寸、質量、電能的消耗。電裝株式會社提出的是一種改變繞組形狀的優化方法。在傳統電機產品中，繞線采用圓線。在使用圓形導線時，不可避免會出現間隙，對電機鐵心槽內部而言會造成浪費，如圖6所示。為解決這一問題，電裝株式會社通過整齊地纏繞方線來填充槽的內部，如圖7所示。采用這項技術可以增加空間系數，并確保在相同的體積下獲得更高的輸出。

圖6 圓線圖7 方線

3.2 材料優化

文獻[17]從電機鐵磁材料角度出發，提出用一種軟磁復合材料(以下簡稱SMC)制作電機的定轉子鐵心。SMC材料由相互絕緣的金屬粉末組成，如圖8所示。不同于硅鋼片等鐵心材料經過疊壓和卷繞制成，SMC 材料具有高度形狀自由的特點，可以通過模壓成型制造成任何形狀，加工簡單。且采用SMC材料的起動/發電一體化電機的渦流損耗比較小[18]，其可以在電機高頻運行工作狀態下較其他材料的電機發揮出自己的優勢。

圖8 軟磁材料示意圖

4 起動/發電一體化電機的應用展望

考慮到目前一體化電機的應用領域，提高一體化電機的功率密度成為其主要發展方向，實現其低速起動、高速發電已經成為國內外研究的重點，仍有很多需要解決的關鍵問題。

起動/發電一體化電機的發展關鍵在于以下幾個方面：

(1)適合起動/發電一體化系統的電機種類選擇和機械結構設計

起動/發電一體化電機需要具有快起動速度、大轉矩、高發電功率的特點，小型化、高功率密度化是其主要發展的方向。本文對四種電機拓撲進行了比較，可以發現四種電機拓撲各有優缺點。永磁無刷電機與另外三種電機拓撲相比較，其功率密度和工作效率最高，但由于永磁體磁通不可調，工作穩定性較低，因此可以通過混合勵磁的方式提高穩定性。

(2)起動/發電一體化系統的散熱問題

在發動機轉速允許的前提下，盡可能提高一體化電機作發電機工作時的轉速是實現高功率密度的有效方法。因此可以將起動/發電一體化電機由外置式設計成集成式與發動機直接連接來提高電機轉速，但由于起動/發電一體化電機與發動機緊密連接，電機工作的環境溫度升高，高轉速帶來的鐵心損耗的增加，會進一步使起動/發電一體化電機面臨高溫問題，因此需要采用高效、可靠的散熱方式[19]。目前，常用的散熱方式有風冷、液冷、蒸發冷卻[20],針對起動/發電一體化電機工作特性，液冷是最合適的散熱方案。在液冷散熱系統的基礎上建立額外高效熱路可以提高系統冷卻效率，是起動/發電按一體化電機散熱方法的主要發展方向之一。

(3)起動/發電一體化電機的多目標綜合優化

起動/發電一體化電機的設計不僅僅局限于電磁性能設計，是一個有約束、多目標、多變量以及多峰值的復雜非線性的工程實際問題[21]。它的設計既不同于電動機的設計，也不同于發電機的設計,要研究兩者兼顧的設計方法,同時兼顧它的外形與結構設計,以便和發動機、傳送裝置構成最佳組合[22]。

5 結 語

起動/發電一體化電機用一臺電機集成了起動機的起動功能和發電機的發電功能，突破傳統的設計理念，其不僅可以減少電氣系統的質量、減小系統的體積，還可以有效提高電氣系統的可靠性，在交通、能源等領域具有廣闊的應用前景，因此對于起動/發電一體化電機的研究具有重要的科學價值和意義。相關理論研究與實際應用仍有很多需要完善之處。為進一步提升起動/發電一體化電機的性能以及拓寬其應用領域，首先，需要根據應用背景選擇合適的電機類型和電機結構，其次，需要研究適用于起動/發電一體化電機的高效可靠且成本低的散熱方法，對起動/發電一體化電機進行多目標綜合優化也極為重要。