混合動力汽車用徑向磁場調(diào)制型無刷雙轉(zhuǎn)子電機的研究.pdf

1、在混合動力技術(shù)中，混聯(lián)式混合動力技術(shù)最為先進。目前國際上在該方向的研究方案分為兩大類，即基于行星齒輪的機械式方案和基于復(fù)合結(jié)構(gòu)電機的純電氣式方案。行星齒輪作為機械式方案動力分配和無級變速傳動的核心部件，它是一種精密機械部件，因此機械式方案不可避免地會出現(xiàn)振動、噪聲、磨損和定期維護等問題。而基于復(fù)合結(jié)構(gòu)電機的純電氣式方案不僅不存在上述問題，而且具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于控制的優(yōu)勢。目前國際上對有刷式純電氣方案的研究已趨于成熟，研究表明該方案具

2、有技術(shù)先進性和競爭力，但也有內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱嚴重等問題急需解決。針對上述問題，本文提出了一種磁場調(diào)制型無刷雙轉(zhuǎn)子電機（Magnetic-Field Modulated Brushless Double-Rotor Machine,MFM-BDRM）方案，通過與傳統(tǒng)電機結(jié)合可實現(xiàn)一種全新的純電氣式混合動力方案，而且解決了早期純電氣式方案中內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱嚴重、電刷滑環(huán)機構(gòu)可靠性差、旋轉(zhuǎn)繞組動平衡難以保證等瓶頸問題。本文主要對徑向磁場調(diào)制型無刷

3、雙轉(zhuǎn)子電機（Radial MFM-BDRM,RMFM-BDRM）展開了深入的研究，主要的研究工作包括以下幾個方面：
　　首先，為了簡化RMFM-BDRM內(nèi)部復(fù)雜的機電能量轉(zhuǎn)換關(guān)系的分析過程，提出了圖解分析方法，并通過該方法對RMFM-BDRM的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等運行特性進行了研究。進一步將RMFM-BDRM和機械行星齒輪的運行特性進行了對比分析，表明RMFM-BDRM在功能上完全等同于一個機械行星齒輪加一個電機。根據(jù)RMFM-BDRM轉(zhuǎn)

4、子與發(fā)動機連接方式的不同，提出了兩種不同類型的混合動力系統(tǒng)方案。為了評估兩種方案的性能，通過解析分析和圖解方法對兩種方案的系統(tǒng)效率進行了對比分析，確定了兩種方案的適用場合，為混合動力系統(tǒng)的選型提供了理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，建立了RMFM-BDRM的數(shù)學模型，為電機的精確控制提供了理論依據(jù)。
　　其次，為了使RMFM-BDRM具有較高的功率密度和良好的電磁性能，研究了RMFM-BDRM在混合動力汽車應(yīng)用時的設(shè)

5、計原則和設(shè)計方法。以發(fā)動機的工作特性為出發(fā)點，提出了RMFM-BDRM額定參數(shù)和特征參數(shù)的設(shè)計原則，表明RMFM-BDRM可按發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩和期望轉(zhuǎn)速進行設(shè)計。結(jié)合混合動力汽車對電機電磁性能的要求和RMFM-BDRM工作原理（磁場調(diào)制原理）的特殊性，研究了RMFM-BDRM中導(dǎo)磁塊和永磁體的最佳尺寸配比、調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子中導(dǎo)磁塊數(shù)與定子、永磁轉(zhuǎn)子極對數(shù)的最佳匹配規(guī)律、最佳的定子繞組排布方式等設(shè)計方法，為獲得最優(yōu)設(shè)計方案提供理論依據(jù)。同時該設(shè)

6、計方法對其他基于磁場調(diào)制原理工作的電機同樣具有重要的指導(dǎo)意義。
　　再次，為了進一步提升電機性能，對RMFM-BDRM中功率因數(shù)低和諧波損耗大的特殊電磁問題進行了研究。由于雙層氣隙結(jié)構(gòu)和調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子的存在，使RMFM-BDRM出現(xiàn)了該種電機特有的功率因數(shù)低和諧波損耗大的問題，本文稱之為RMFM-BDRM的特殊電磁問題。為了提高電機的功率因數(shù)，首先通過解析方法對RMFM-BDRM功率因數(shù)的影響因素進行了分析，并從定子和永磁轉(zhuǎn)子極對數(shù)配

7、比、槽形設(shè)計、內(nèi)功率因數(shù)角等方面提出了改善功率因數(shù)的方法。為了減少電機的諧波損耗，首先通過解析分析和有限元分析相結(jié)合的方法對RMFM-BDRM中各個部分的損耗分布規(guī)律進行了定量分析。針對定子損耗大的問題，探討了不同電機材料對定子損耗的影響規(guī)律；針對永磁體損耗大的問題，提出了一種新型永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)方案并對其損耗、功率因數(shù)等電磁性能進行分析和評估。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合混合動力系統(tǒng)工況特點給出了RMFM-BDRM損耗和效率的計算方法，同時給出了考慮

8、功率因數(shù)、諧波損耗等影響因素在內(nèi)的RMFM-BDRM的設(shè)計流程。
　　然后，為了使電機在車用背景下安全運行，研究了RMFM-BDRM的溫升及冷卻問題。針對RMFM-BDRM雙氣隙結(jié)構(gòu)散熱困難以及定子、永磁體損耗大的特點，提出了定子水冷和軸向風冷的冷卻方案，并針對其冷卻系統(tǒng)和關(guān)鍵區(qū)域傳熱特點，建立了二維等效溫度場模型。為了評估不同冷卻方式的冷卻效力，研究了不同冷卻條件下的溫升分布規(guī)律。并結(jié)合混合動力汽車的應(yīng)用背景，研究了不同混合動力

9、工況對RMFM-BDRM溫升的影響規(guī)律。最終確定了不同工況負載和冷卻參數(shù)的匹配規(guī)律，為冷卻系統(tǒng)及其動力源的設(shè)計提供了理論依據(jù)。
　　最后，為了驗證理論分析的有效性和全面評估電機性能，研制了一臺RMFM-BDRM樣機，并對樣機性能進行了全面的測試和分析，同時對樣機在混合動力工況下進行了功能性驗證。為了解決調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子加工中電磁性能和機械性能矛盾的問題，對不同結(jié)構(gòu)和材料情況下調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子的電磁性能和機械性能進行了分析，最終確定了可行的調(diào)制