混合動力汽車用雙轉(zhuǎn)子電機的設(shè)計與性能分析

孫建華

(上海建橋?qū)W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(tǒng)的內(nèi)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(tǒng)開動汽車。目前，關(guān)于混合動力汽車用電動機的研究主要是圍繞著雙轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機、開關(guān)磁阻電動機及永磁同步電動機等展開[1]。雙轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機與開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、維護容易、可靠性高，而雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機相對前兩者具有功率密度高、效率高等優(yōu)點。

傳統(tǒng)的雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機的中間轉(zhuǎn)子貼裝永磁體，在汽車等空間要求較為苛刻的應(yīng)用場合，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)子的機械強度也受到影響，直接影響雙轉(zhuǎn)子永磁同步電機的動態(tài)輸出性能[2]?？紤]到目前混合動力汽車驅(qū)動電機高功率密度要求和永磁化發(fā)展趨勢，并避免電機中間轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 雙功率流定子永磁型電機結(jié)構(gòu)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(nèi)電機可視為定子旋轉(zhuǎn)的定子永磁式外轉(zhuǎn)子雙凸極電機，因內(nèi)轉(zhuǎn)子與發(fā)動機輸出軸相連，可利用發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進行冷卻；中間轉(zhuǎn)子機械強度大，結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、高可靠性、高功率密度等諸多優(yōu)點，還能有效改善中間轉(zhuǎn)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(tǒng)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(jié)構(gòu)上都可看作由一臺定子永磁電機(外電機)和一臺雙轉(zhuǎn)子電機(內(nèi)電機)同軸安裝而成，兩臺電機共用一個中間轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)

如圖2所示，內(nèi)轉(zhuǎn)子與發(fā)動機同軸相連，內(nèi)電機將輸入的機械功率轉(zhuǎn)化為電功率，通過集電環(huán)并經(jīng)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(zhuǎn)子傳遞機械功率；中間轉(zhuǎn)子直接連接到輸出軸，通過輸出機械功率來驅(qū)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(zhuǎn)化為機械功率并通過中間轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化成電功率，對蓄能裝置進行充電，實現(xiàn)制動能量回收。

內(nèi)、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(fā)動機輸出的機械功率流與驅(qū)動電機的電功率流共同合成，實現(xiàn)能量傳遞和耦合。內(nèi)電機的調(diào)速作用和外電機的調(diào)矩作用，可使內(nèi)燃機的工作穩(wěn)定在最佳工作點，實現(xiàn)針對不同路況負(fù)載和速度要求的輸出調(diào)整。

2 雙功率流電機在混合動力系統(tǒng)中的多工況模式

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

表1 內(nèi)、外電機不同工作狀態(tài)對應(yīng)的負(fù)載工況

3 電機設(shè)計與優(yōu)化

由于雙功率流電機的特殊結(jié)構(gòu)，設(shè)計分析較困難，結(jié)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(shè)計思路： (1) 電機設(shè)計遵循由內(nèi)而外原則，先設(shè)計內(nèi)電機，將其看作一臺永磁式外轉(zhuǎn)子雙凸極電機；(2) 根據(jù)中度混合動力要求，確定電機額定功率設(shè)計目標(biāo)，借鑒永磁式開關(guān)磁阻電機的設(shè)計經(jīng)驗，初步計算確定內(nèi)電機的定子內(nèi)徑、軸長、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)電機的尺寸標(biāo)準(zhǔn)下，再進一步確定外電機的一系列結(jié)構(gòu)尺寸；(4) 借 助有限元仿真軟件，建立電機的參數(shù)化模型，應(yīng)用遺傳算法等先進優(yōu)化控制方法對內(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[3]。

3.1 初始設(shè)計

初始設(shè)計總體上可分為電機結(jié)構(gòu)尺寸的初步計算、重要參數(shù)的電磁優(yōu)化設(shè)計兩大塊。

內(nèi)電機定子、中間轉(zhuǎn)子的極數(shù)分別為

Ns=2mk

(1)

Nr=Ns±2k

(2)

式中：Ns——內(nèi)電機的定子極數(shù)；

Nr——中間轉(zhuǎn)子的極數(shù)；

m——電機相數(shù)；

k——正整數(shù)系數(shù)。

為降低電機鐵損，Nr通常設(shè)置為一個奇數(shù)且要小于Ns。為使電機能夠正反向順利起動，電機相數(shù)最好≥3。這里取正整數(shù)k為2，避免定子極數(shù)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(jié)構(gòu)。

根據(jù)中度混合動力要求，結(jié)合樣機加工條件，以2.2kW的電機樣機作為設(shè)計目標(biāo)。在設(shè)計過程中，遵循由內(nèi)而外的設(shè)計原則，先定制了內(nèi)電機的尺寸，然后確定調(diào)整外電機的尺寸[4]。應(yīng)用式(3)～式(7)，初步確定內(nèi)電機的中間轉(zhuǎn)子外徑、內(nèi)轉(zhuǎn)子外徑，外電機的定子外徑、電機軸長、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，得雙功率流定子永磁型電機的結(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

工程領(lǐng)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(fù)雜模型和非線性運算等方面具有明顯優(yōu)勢。因此，在電機初始設(shè)計后，對一些重要的電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)，如齒寬、永磁體尺寸、中間轉(zhuǎn)子軛高等，通過有限元仿真對比分析作優(yōu)化設(shè)計。

根據(jù)初始設(shè)計的電機尺寸，在有限元仿真環(huán)境下，建立了該雙功率流電機的參數(shù)化模型。取優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)COST=輸出轉(zhuǎn)矩波動/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)計變量。遺傳優(yōu)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(jīng)過320代遺傳優(yōu)化，COST取值已達0.494，優(yōu)化前后電機重要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

表3 優(yōu)化前后電機重要結(jié)構(gòu)參數(shù)

優(yōu)化電機參數(shù)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(nèi)、外電機，定子齒寬同取15°，中間轉(zhuǎn)子齒寬取不同的數(shù)值，作空載反電勢的仿真對比分析。由仿真對比分析結(jié)果可知，雙功率流定子永磁型電機的中間轉(zhuǎn)子齒寬優(yōu)化后取20.5°時，反電勢曲線最佳。

和傳統(tǒng)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(chǎn)生足夠磁場的用量最小原則。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定位力矩，優(yōu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)模型，在有限元仿真中，設(shè)定內(nèi)轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)速 1500r/min，中間轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)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(tài)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(nèi)、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?？煽闯?，由于遵循“最小磁路原理”，內(nèi)、外電機磁場通過中間轉(zhuǎn)子各自閉合，耦合程度很小，故電機結(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看作是兩個永磁電機的串聯(lián)疊加。

圖3 雙功率流定子永磁電機磁場分布

(2) 內(nèi)、外氣隙磁密。氣隙磁密的幅值直接反映了電機內(nèi)的磁場強度，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)電機能達到一定的功率密度和轉(zhuǎn)矩傳遞，外電機能滿足HEV在起動或單獨驅(qū)動時的動力要求。從定子永磁體單獨作用時，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。外電機永磁磁鏈幅值可達0.21T，內(nèi)電機永磁磁鏈幅值為0.15T。可知永磁體用量準(zhǔn)確，電機結(jié)構(gòu)合理。

(4) 內(nèi)、外電機的空載反電勢。內(nèi)、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(nèi)電機單獨作用時，在定子繞組中產(chǎn)生的反電勢曲線不規(guī)則，幅值很小，不到正常值的1%，進一步證實了內(nèi)、外電機的電磁耦合不大。

(5) 定子繞組和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組的自感。繞組電感參數(shù)是電機的重要電磁性能參數(shù)，在該雙功率流定子永磁式電機中，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(nèi)、外電機的電磁耦合不強，中間轉(zhuǎn)子軛高設(shè)置得當(dāng)。

3.4 基于場路耦合法的雙功率流電機瞬態(tài)聯(lián)合仿真分析

對于電機及其控制系統(tǒng)的分析，傳統(tǒng)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(tǒng)采用基于電路的分析方法，而考慮電機系統(tǒng)中電路和磁路間的耦合性，在此采用“磁場-電路瞬態(tài)聯(lián)合仿真”的方法對定子永磁型雙功率流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)進行建模，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)電機和外電機穩(wěn)態(tài)運行在額定轉(zhuǎn)速750r/min時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(zhuǎn)矩波形可知，內(nèi)、外電機的單獨輸出轉(zhuǎn)矩達到設(shè)計要求，但仍有較大波動。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種新型雙功率流定子永磁型電機，提出了優(yōu)化設(shè)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(jié)果表明該新型電機繼承了雙轉(zhuǎn)子電動機和雙凸極永磁電動機的優(yōu)點，電機設(shè)計合理。此外，場路聯(lián)合仿真得到的電機轉(zhuǎn)矩特性表明電機滿足混合動力汽車不同工況下轉(zhuǎn)矩需求。下一階段將考慮采用更為精確的控制方法優(yōu)化電機轉(zhuǎn)矩脈動，進一步改善電機輸出轉(zhuǎn)矩性能。

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