混合動力汽車用新型磁通切換雙轉子電機性能分析

劉修福，全 力，朱孝勇，莫麗紅，陳云云

(江蘇大學，江蘇鎮江 212013)

0 引 言

近年來，隨著全球石油資源緊張、大氣污染嚴重，混合動力汽車在保持傳統汽車特點的同時，還有優化車輛的動態性能、有效提高燃油效率、大大降低廢氣排放等特點，已受到了世界汽車巨頭和國內外相關領域學者的廣泛關注和高度重視［1－3］。

對于混合動力汽車的混合動力系統，主要有機械式和電磁式兩種模式。機械式混合動力合成模式以日本豐田、美國福特等汽車公司提出的基于行星齒輪的機械式混合動力合成模式為主，研究相對成熟，并已成功應用于普銳斯(Prius)等混合動力汽車，但存在空間要求相對較高、機械磨損、運行噪聲等一些固有缺陷。電磁式混合動力合成模式將驅動電機與動力合成裝置集成在一起，空間利用率更高，控制更加靈活，能滿足汽車不同運行工況下對動力匹配的要求，且在體積、功率密度以及能量傳輸效率等方面具有明顯優勢［4］。

目前，混合動力系統的核心部件——雙轉子電機主要有感應雙轉子電機、開關磁阻雙轉子電機和永磁同步雙轉子電機等應用于混合動力汽車［5］。雙轉子感應電機和雙轉子開關磁阻電機具備成本低、維護容易、可靠性高的優點，但其功率密度和工作效率不高。而雙轉子永磁同步電機雖有較高的功率密度，但由于中間轉子內外表面粘貼有永磁體，帶來中間轉子散熱困難這一技術難題。因此，研究出能夠更好地適用于混合動力合成系統的雙轉子電機成為了當前的技術難點。

由于磁通切換電機具有轉子結構簡單、可靠性高、功率密度高，適合高速運行等特點，近年來引起了國內外電機界學者的廣泛關注和研究。目前對于磁通切換電機的研究成果主要為本體電磁性能計算、靜態轉矩特性分析、優化設計、端部效應、渦流損耗計算及控制策略等方面［6］，但研究成果主要集中于對單轉子磁通切換電機的研究，對于雙轉子磁通切換電機的研究國內外報道相對較少。

本文針對雙轉子電機中間轉子散熱困難這一技術難題，結合混合動力汽車應用場合及磁通切換電機現有研究成果，首次設計了一種基于磁通切換的新型定子永磁型雙轉子電機，提出其優化設計的一般方法，并利用有限元軟件仿真分析其電磁性能及工作特性。該電機不僅具備結構簡單、可靠性強、功率密度高、能夠有效避免中間轉子散熱問題等優點，還能實現機械功率與電功率流的合成和傳遞，靈活控制兩種動力源的比例，可使發動機在汽車起步、加速、爬坡、剎車制動等不同工況下運行于最佳燃油經濟區，實現節能減排。

1 電機結構與工作原理

如圖1所示，雙轉子電機主要包括內轉子、中間轉子、定子三大部分。內轉子和定子均由12個“U”形導磁鐵心及嵌入其中的12片切向交替充磁的永磁體組成，繞組均采用集中繞組，每4個線圈串聯成一相，形成三相繞組。中間轉子結構簡單，既無永磁體也無繞組，具有較大的機械強度，且避免了中間轉子散熱困難問題。本電機外永磁體位于電機外定子上，易于冷卻，而內永磁體位于內轉子上，可以依靠發動機冷卻系統進行散熱，從而避免了電機永磁體因溫度過高而不可逆退磁問題，能保證電機的可靠運行。

雙轉子電機相當于將兩臺同心式單轉子電機整合在一起，為了分析方便，對雙轉子電機的內、外電機分別做出如下定義:定子、外氣隙、中間轉子構成了外電機，中間轉子、內氣隙、內轉子構成了內電機。

圖1 電機結構圖

圖2給出了雙轉子電機應用在電元極變速器(ECVT)系統中的工作原理示意圖。雙轉子電機作為混合動力合成系統的核心部件，內轉子與內燃機(ICE)相連，中間轉子與驅動橋相連，直接驅動車輪，內外電機繞組分別與相應驅動器相接，實現電機功率流控制。通過控制兩驅動器工作模式，可以實現功率流在發動機、內電機、外電機及電池之間相互轉換流動，以滿足混合動力汽車不同工況下對混合動力系統的要求。因此，此混合動力系統可以使發動機在任何路況下都能工作在最佳燃油經濟區，實現高效率、低消耗、低排放策略。

圖2 混合動力合成系統原理示意圖

如圖2所示，混合動力系統中發動機輸入機械能需通過內電機電磁能Pe1及外電機電磁能Pe2過渡最終轉換成機械能Pout通過中間轉子軸輸出，則:

由式(1)～式(3)可以看出，混合動力系統輸出轉矩與發動機轉矩和內外電機轉速比有密切關系。通過適當控制內外電機轉速比k，就可使汽車在不同工況下內燃機始終處于最佳燃油經濟區。

2 電機優化設計

作為一種新型電機，磁通切換雙轉子電機設計并沒有一套成熟的思路可直接引用，存在較多設計難點，所以在進行電機優化設計時應遵循如下原則:

(1)按照電機應用場合要求，參照并充分借鑒雙凸極永磁電機設計［7］及磁通切換電機設計［8－9］原則及經驗，并結合雙轉子電機自身實際特點進行設計。

(2)電機設計應遵循由內而外的原則，先設計內層電機，再相應地確定外電機尺寸，并注意合理設計中間轉子。

(3)充分考慮邊緣效應、極間漏磁、局部飽和的影響。

(4)考慮到混合動力合成系統要求電機具有高功率密度、高轉矩密度、調速范圍寬、空間要求嚴格等特性，對電機主要性能參數進行先局部優化再全局優化。

依據設計原則，由磁通切換電機功率方程［10］選取合適的經驗參數，可以計算得到磁通切換電機初始結構尺寸，通過有限元軟件仿真分析確定電機性能要求是否滿足要求。滿足電磁性能要求后，通過電機優化算法［10］優化電機結構參數，提高電機性能，改善混合動力合成系統特性。

磁通切換電機設計優化流程圖如圖3所示。

圖3 設計優化流程圖

按以上電機設計原則及流程，并考慮實際加工問題及樣機只作為原理樣機，因此，本文設計一臺內外電機均為1 kW的12/22極的磁通切換雙轉子電機。通過綜合優化電機反電動勢、輸出轉矩及電機定位力矩后，最終確定電機結構主要參數如表1所示。

表1 電機主要結構尺寸

3 電機特性

根據優化后尺寸，通過有限元分析軟件參數化建模，分析電機電磁性能，并通過場路聯合仿真分析電機動態特性，研究電機特性。

3.1 電感特性

電感在電機分析和設計時是關鍵的參數，直接影響了永磁電機的轉矩、功率和弱磁擴速能力。因此，電機電感研究對于電機設計和控制系統的建立都具有重要的意義。

對于磁通切換電機，計算電感時不僅要考慮永磁磁場作用還要考慮電樞磁場的作用。以A相為例，單獨通電時，A相的合成磁鏈:

圖4給出了額定電流情況下電機電感曲線。由圖4可知，電機互感約為自感的一半，內外電機耦合電感很小，接近為零，說明了內外電機耦合程度很低。圖5給出了電樞繞組電流從－20 A至20 A時內電機電感曲線，由圖5可知，電感不僅與電樞電流有關，而且與轉子位置角有關。電流由－20 A到20 A變化時，電感至零時呈對稱分布式減小，這是由于電機磁鏈為雙極性分布且電流增大時電感呈現飽和。

圖4 電機電感波形圖

圖5 不同電流電感波形

3.2 空載特性

圖6～圖9分別為內外電機空載磁鏈波形，空載反電動勢波形及其諧波分析，內外電機氣隙磁密波形，內電機單獨工作，設置外電機永磁體為空氣時，內電機磁場在外電機產生的氣隙磁密波形及電機定位力矩波形。

圖6 空載磁鏈波形

圖7 空載反電動勢波形及諧波含量

圖8 電機氣隙波形

圖9 定位力矩波形

圖中可以看出，磁鏈有別于一般雙凸極永磁電機的單極性分布，為雙極性正弦分布，反電動勢接近正弦波，內外電機諧波畸變率(THD)分別為2.91%、2.61%，正弦度很高。電機氣隙磁密幅值較一般電機大，內電機達1.53 T，外電機達2 T，諧波含量較高，這是由于電機聚磁效應及電機雙凸極結構引起的。當外電機單獨工作內電機永磁體設置為空氣時，內電機氣隙波形幅值很小，峰值僅為1.5 mT，再次說明內外電機耦合程度很小。內外電機定位力矩較小，分別為0.4 N、1.3 N，由于電機主要脈動是由定位力矩引起的，因此電機定位力矩很小說明電機脈動較小，運行可靠。

3.3 轉矩特性

磁通切換雙轉子電機內外耦合程度很低，因此可以單獨控制內外電機，研究電機轉矩特性。通過有限元軟件與Simplorer進行瞬態聯合仿真，構建正弦電流斬波的電流、位置雙閉環控制系統研究電機穩態轉矩特性。功率驅動部分采用三橋式電路，控制部分利用正弦斬波信號與位置信號相與，得到控制IGBT的PWM信號，實現雙閉環控制來研究穩態轉矩特性。

當直流側電壓Udc=440 V，滯環參考比較電流幅值設為8 A，電機轉速為750 r/min時，電機電流波形和內外轉子轉矩波形如圖10所示。由圖可見，內外電機輸出轉矩波動均較小，峰峰差值大約為2 N·m。為衡量電機轉矩特性，定義電機轉矩脈動系數:

式中:Tmax為最大轉矩，Tmin為最小轉矩，Tavg為平均轉矩。則內外電機轉矩脈動分別為20%、5.26%，合成轉矩脈動為10%。

圖10 電流波形和轉矩波形

3.4 效率

電機損耗是影響電機效率的主要因素，而電機損耗主要包括銅耗和鐵心損耗。因此，電機效率的計算主要取決于銅耗、定轉子鐵心損耗、永磁體渦流損耗的準確計算。

電機銅耗主要取決于電機電樞繞組，以及電流大小。銅耗公式:

鐵耗公式:

磁滯損耗:

渦流損耗:

式中:Ph為磁滯損耗;Pe為渦流損耗;Ch為磁滯損耗系數;f為磁場交變的頻率;Bm為氣隙磁密;Ce為渦流損耗系數;Δ為硅鋼片厚度;V為鐵心的體積。

可見電機鐵心損耗主要取決于電機磁場交變頻率，氣隙磁密和電機體積。

電機效率:

利用有限元分析軟件可準確計算出電機的鐵心損耗、永磁體渦流損耗及電機銅耗，可方便準確計算得到電機的效率。

圖11為額定情況下電機的定轉子鐵耗和永磁體渦流損耗曲線。電機鐵耗為65 W，永磁體渦流損耗為25 W，計算可知電機銅耗為77.8 W，所以電機效率為91.61%。

圖11 定轉子鐵心損耗及永磁體渦流損耗

圖12為電機效率及工作曲線圖。從圖中可以看出，電機輸出合成轉矩較大。電機銅耗PCu隨功率增加變化速率也隨之增加。電機輸出功率在一個較大的范圍(0.5～4 kW)均能保證電機較高效率(87.5% ～95%)，因此電機能較好滿足混合動力汽車所需的高功率密度、高效率要求。

圖12 電機效率及工作曲線圖

4 結 語

本文設計一種新型磁通切換雙轉子電機，提出了該類雙轉子電機優化設計的一般方法及原則，并在優化基礎上分析了該電機的電磁性能，工作特性及損耗、效率。仿真分析結果表明該雙轉子電機具有功率密度高、效率高、可靠性高、電機體積小，磁鏈、反電動勢高度正弦等優點，既能滿足混合動力汽車對電機的要求，還能解決混合動力系統中普通雙轉子電機存在中間轉子散熱困難這一技術難題，提高電機可靠性。

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