雙轉子電機實驗臺設計與教學功能開發

周斯加 夏景演 龍江啟 葉寧波

溫州大學 浙江溫州 325035

雙轉子電機實驗臺設計與教學功能開發

周斯加 夏景演 龍江啟 葉寧波

溫州大學 浙江溫州 325035

針對一種新型的車用雙轉子電機，主要對其進行了實驗測試平臺的原理設計、功能開發。在對雙轉子電機應用于電動汽車中相關運行特征和性能進行分析的基礎上，將該實驗臺進行教學功能方面的應用，相應地設計了負載突變和左右輪差速兩種模擬實驗，使學員可以對比了解到電驅動橋系統工作原理。

雙轉子電機；實驗臺；教學示例

2010年，我國汽車保有量突破9 000萬輛，已成為名副其實的汽車消費大國。但是隨著世界化石能源的日漸枯竭，我們將面臨著前所未有的嚴峻挑戰。同時，伴隨著人們環保意識的逐漸增強，開發節能環保的電動汽車，已成為我國現階段汽車工業發展的一個重大趨勢。目前，集驅動、差速、能量回收、自減速功能于一體的對轉雙轉子電機驅動系統成為新的研究熱點[1]。與此同時，設計開發一套操作簡便、功能集成度高，針對雙轉子電機驅動橋的實驗平臺顯得尤為重要。

1 雙轉子電機驅動系統及其演示功能開發

1.1 雙轉子電機驅動原理

對轉雙轉子電機是利用作用力與反作用力的原理，將傳統電機的定子也作為轉子(外轉子)使用，并與原有的電機轉子(內轉子)作反向運動。該電機直接安裝在驅動橋上，代替常規機械驅動橋的傳動軸、主減速器和差速器等構件，在電機的左右兩側分別增設了用于換向減速和減速的機構，將動力經萬向節傳動機構傳至車輪。基于雙轉子電機的電動汽車驅動系統集驅動、差速、制動能量再生為一體，比建立在傳統汽車之上的電動汽車具有更高的效率，更輕的重量，結構更加緊湊，成本更低[1-5]。因此，雙轉子電機在未來的電動汽車中的使用前景十分廣泛。

1.2 實驗臺設計的總體功能要求

(1)雙轉子電機的性能測試。運用該實驗臺可以對雙轉子電機在負載阻力矩突變以及轉彎差速時的性能進行測試。

(2)雙轉子電機的優化設計。運用該實驗臺可進一步挖掘雙轉子電機的功能潛力，為改型優化提供必要實驗參數。

(3)教學演示功能。此實驗臺可以真實地反映雙轉子電機在電動汽車中的應用原理及相對于傳統電動汽車的優勢，便于進行現場教學操作。

2 實驗臺的設計

2.1 雙轉子電機的選擇

實驗臺所選用的雙轉子電機是經傳統電機特殊改造而成的對轉雙轉子直流電機(見表1)，該種電機具有結構緊湊、易于控制、制造成本低并且布置方式靈活等優點[2]。

表1 電機的主要參數

2.2 實驗臺架的設計

如圖1所示，實驗臺以雙轉子電機運行特性為出發點，在雙轉子電機的左右兩個輸出軸上分別有換向減速器和減速器。左側連接負載電機1及其電機輸出軸上的飛輪。右側連接負載電機2及其電機輸出軸上的飛輪。實驗臺用重達6噸的鑄鐵平臺作為基礎，以此固定負載電機，減少其在工作中的NVH危害。其中支架的尺寸為4 000mm×1 200mm×300mm。實驗臺主要組成部分有：

(1)電驅動橋系統主要由雙轉子電機、減速(換向)機構組成。其中雙轉子電機的左側為換向減速行星排機構，右側為減速行星排機構。行星排機構根據電機的輸出軸大小自行設計。

(2)負載電機部分主要由圖示的電機1與電機2及飛輪組成。電機1和電機2為額定功率10kw、額定轉速3 000r/min的三相異步電動機。所安裝飛輪的轉動慣量取決于被模擬電動汽車的整車轉動慣量等效而來，以便在實驗中能更好地逼近電動汽車的運行狀態。

圖1 雙轉子電機實驗平臺示意圖

2.3 實驗臺的控制系統

實驗臺以雙轉子電機作為驅動器，運用控制系統，通過電機控制器，可以對雙轉子電機進行調速、制動等操作，實現雙轉子電機的各種功能。其中雙轉子電機的動力由動力電池組提供，該動力電池組選用聚合物鋰離子電池。鋰離子電池具有高比能量、高比功率和大電流放電的優勢[3]，可以滿足電機的各種驅動需求。電機控制器為直流機控制器，控制系統通過硬件以環方式進行控制。

控制系統可以瞬間改變負載電機1和負載電機2的轉速轉矩，用以模擬出電動汽車行駛中的加速、差速及制動等工況，滿足實驗臺測試雙轉子電機性能的目的。負載電機的動力由380V的三相交流電提供。左右的轉矩轉速傳感器又將雙轉子電機內外轉子的轉速、轉矩反饋回控制系統，控制參數可以實時顯示并保存以便對雙轉子電機的驅動特性進行研究及對相關理論進行驗證。

此實驗臺的控制系統及數據反饋系統集于同一控制中心，實驗者操作起來十分便捷(如圖2所示)。

圖2

3 教學功能的開發

實驗臺的設計在滿足雙轉子電機性能測試與功能開發的同時，也可以充分發揮實驗臺良好的示教特點，滿足教學功能的要求。

3.1 電驅動橋系統演示功能開發

通過實驗臺，學員可以詳細地了解到基于雙轉子電機所建立的電動汽車電驅動橋系統的構造及運行特點。電驅動橋中，雙轉子電機及其左右減速(換向)器代替了傳統汽車的機械驅動橋的發動機、減速器、差速器等構件。通過講解，學員可以在了解電驅動橋的同時對傳統機械驅動橋的結構有更深的理解。讓學員直觀地感受新的電驅動橋在結構、質量等方面的優勢。

同時，通過系統對電機控制器的控制，讓動力電池組提供能量給雙轉子電機，雙轉子電機進行運轉，驅動整個實驗裝置，可以將雙轉子電機所建立的電驅動橋系統的驅動控制過程清晰地展現在學員面前。

3.2 差速原理演示實驗設計

由于新建立的電驅動橋中沒有差速器，雙轉子電機必須具備差速器的功能。在此實驗中，還需要給學員講解雙轉子電機的差速原理。

雙轉子電機的差速原理：在傳統直流電機中，電機定子磁極對機殼是固定的，而雙轉子電機的磁極可以隨新增的外轉子相對于機殼旋轉。根據運動學原理，設雙轉子電機內外轉子轉速分別為nin和nout，外轉子固定時內轉子的機械轉速為n。該電機構建了兩個原動組件，因此是具有二自由度的機械系統。在正常驅動情況下，電機的轉速特征為n=nin+nout。轉速n可以理解為外轉子以運動的內轉子為參照系的機械轉速。因此，對雙轉子電機的控制實質上是對相對轉速的控制[2]。

根據雙轉子電機運行的特點，實驗臺主要設計了雙轉子電機在外力矩突變和差速驅動等工況進行實驗。外力矩突變實驗主要觀察雙轉子電機驅動在遇到路面不同路況時可能發生的兩側驅動輪承受的負載轉矩突然不平衡的情況。差速實驗實際上是模擬雙轉子電機驅動橋在轉向時兩側轉速不同的情況。

(1)外力矩突變實驗。通過控制驅動和負載系統，啟動雙轉子電機以其額定功率進行運轉，同時調節負載電機，使兩個負載阻力矩均為10N?m，令整個系統達到平衡狀態。待系統穩定5s后，突然將左(右)側負載阻力矩改為7N?m，右(左)側維持原狀，持續試驗10s后將7N?m恢復為10N?m，觀察雙轉子電機的驅動情況。

(2)差速驅動實驗。控制系統達到平衡狀態，其中負載阻力矩均為10N?m。系統穩定5s后，同時對兩側負載進行調整，增大左(右)側的負載阻力矩為13N?m減少右(左)側的負載阻力矩為7N?m，持續2s后再進行反向操作，減少左(右)側的負載阻力矩為7N?m，增加右(左)側的負載阻力矩到13N?m，再持續2s后將左右側負載阻力矩恢復為10N?m，觀察雙轉子電機的驅動特性。

3.3 制動能量回饋過程的演示

通過此實驗臺，還可以讓學員了解到電驅動橋系統在制動時的能量反饋過程。當實驗臺模擬電動汽車的制動情況時，控制系統會向雙轉子電機發出負力矩的給定信號，使其處于反拖發電狀態，通過動力傳送向電池組回饋電能[5]，學員可以通過控制系統的顯示器直觀地看到該過程，并依靠蓄電池的電量顯示器觀察其電量的變化情況。

針對目前流行的雙轉子電驅動系統開發一套可以用于科研及教學的實驗臺系統。實驗臺不僅能有效地對雙轉子電機驅動系統開展一系列的探討性實驗和改型研究，還開發了相關的教學示例實驗供學員觀摩學習，服務教學工作。

[1] 周斯加,羅玉濤,黃向東.雙轉子電機混合動力汽車驅動特性研究[J].中國機械工程,2008,19(16):2011-2015.

[2] 鄧志君,羅玉濤,周斯加,等.新型車用對轉雙轉子電機的研究[J].電氣傳動,2007,37(7):10-13.

[3] 梁春輝,冀群心.混合動力汽車及其蓄電池[J].電源世界,2006,2:33-35.

[4] 羅玉濤,周斯加,鄧志君.基于雙轉子電動機的混合四輪驅動系統[J].機械工程學報,2007,43(8):123-128.

[5] 羅玉濤,黃向東,周斯加.一種油—電混合動力汽車的多橋驅動系統:CN20061003386.5[P].2006-02.27.

[6] 張萌先.基于雙轉子電機的HIL試驗平臺[J].機電工程技術,2010,39(8):85-88.

Design of test bench and development of teaching function for ADBRM

Zhou Sijia, Xia Jingyuan, Long Jiangqi, Ye Ningbo

Wenzhou university, Wenzhou, 325035, China

Aiming at a new kind of anti-direction bi-rotor motor (ADBRM) used in EV, a test bed and its functional development were carried out. On the basis of the analysis of the operational characteristics of the ADBRM, two teaching experiments namely load jumping and speed differential were designed. Both of the experiments would bring a better understand of the working principle of the ADBRM to the students.

anti-direction bi-rotor motor; test bed; teaching example

2011-09-18

周斯加，博士，講師。夏景演，在讀本科生。

溫州市科技計劃項目(編號：G20100162)；溫州大學教學改革項目(編號：11JG58B)；浙江省新苗人才計劃(編號：2010R424037)。