混合動力汽車用徑向磁場調制型無刷雙轉子電機的研究.pdf

1、在混合動力技術中，混聯(lián)式混合動力技術最為先進。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合結構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。而基于復合結構電機的純電氣式方案不僅不存在上述問題，而且具有結構簡單緊湊、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、有技術先進性和競爭力，但也有內轉子繞組發(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制型無刷雙轉子電機（Magnetic-Field Modulated Brushless Double-Rotor Machine,MFM-BDRM）方案，通過與傳統(tǒng)電機結合可實現(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轉子繞組發(fā)熱嚴重、電刷滑環(huán)機構可靠性差、旋轉繞組動平衡難以保證等瓶頸問題。本文主要對徑向磁場調制型無刷

3、雙轉子電機（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內部復雜的機電能量轉換關系的分析過程，提出了圖解分析方法，并通過該方法對RMFM-BDRM的轉速、轉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

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)。在此基礎上，結合混合動力系統(tǒng)結構特點，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在混合動力汽車應用時的設

5、計原則和設計方法。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)的設計原則，表明RMFM-BDRM可按發(fā)動機的最大轉矩和期望轉速進行設計。結合混合動力汽車對電機電磁性能的要求和RMFM-BDRM工作原理（磁場調制原理）的特殊性，研究了RMFM-BDRM中導磁塊和永磁體的最佳尺寸配比、調制環(huán)轉子中導磁塊數(shù)與定子、永磁轉子極對數(shù)的最佳匹配規(guī)律、最佳的定子繞組排布方式等設計方法，為獲得最優(yōu)設計方案提供理論依據(jù)。同時該設

6、計方法對其他基于磁場調制原理工作的電機同樣具有重要的指導意義。
　　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。由于雙層氣隙結構和調制環(huán)轉子的存在，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，并從定子和永磁轉子極對數(shù)配

7、比、槽形設計、內功率因數(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子結構方案并對其損耗、功率因數(shù)等電磁性能進行分析和評估。在此基礎上，結合混合動力系統(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的RMFM-BDRM的設計流程。
　　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雙氣隙結構散熱困難以及定子、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。并結合混合動力汽車的應用背景，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。為了解決調制環(huán)轉子加工中電磁性能和機械性能矛盾的問題，對不同結構和材料情況下調制環(huán)轉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制