混合動(dòng)力汽車用徑向磁場(chǎng)調(diào)制型無刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的研究.pdf

1、在混合動(dòng)力技術(shù)中，混聯(lián)式混合動(dòng)力技術(shù)最為先進(jìn)。目前國(guó)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(jī)械式方案和基于復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)的純電氣式方案。行星齒輪作為機(jī)械式方案動(dòng)力分配和無級(jí)變速傳動(dòng)的核心部件，它是一種精密機(jī)械部件，因此機(jī)械式方案不可避免地會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)、噪聲、磨損和定期維護(hù)等問題。而基于復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)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(jiǎn)單緊湊、易于控制的優(yōu)勢(shì)。目前國(guó)際上對(duì)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(jìn)性和競(jìng)爭(zhēng)力，但也有內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱嚴(yán)重等問題急需解決。針對(duì)上述問題，本文提出了一種磁場(chǎng)調(diào)制型無刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)（Magnetic-Field Modulated Brushless Double-Rotor Machine,MFM-BDRM）方案，通過與傳統(tǒng)電機(jī)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)一種全新的純電氣式混合動(dòng)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(yán)重、電刷滑環(huán)機(jī)構(gòu)可靠性差、旋轉(zhuǎn)繞組動(dòng)平衡難以保證等瓶頸問題。本文主要對(duì)徑向磁場(chǎng)調(diào)制型無刷

3、雙轉(zhuǎn)子電機(jī)（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(gè)方面：
　　首先，為了簡(jiǎn)化RMFM-BDRM內(nèi)部復(fù)雜的機(jī)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(duì)RMFM-BDRM的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等運(yùn)行特性進(jìn)行了研究。進(jìn)一步將RMFM-BDRM和機(jī)械行星齒輪的運(yùn)行特性進(jìn)行了對(duì)比分析，表明RMFM-BDRM在功能上完全等同于一個(gè)機(jī)械行星齒輪加一個(gè)電機(jī)。根據(jù)RMFM-BDRM轉(zhuǎn)

4、子與發(fā)動(dòng)機(jī)連接方式的不同，提出了兩種不同類型的混合動(dòng)力系統(tǒng)方案。為了評(píng)估兩種方案的性能，通過解析分析和圖解方法對(duì)兩種方案的系統(tǒng)效率進(jìn)行了對(duì)比分析，確定了兩種方案的適用場(chǎng)合，為混合動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了RMFM-BDRM的數(shù)學(xué)模型，為電機(jī)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(dòng)力汽車應(yīng)用時(shí)的設(shè)

5、計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法。以發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性為出發(fā)點(diǎn)，提出了RMFM-BDRM額定參數(shù)和特征參數(shù)的設(shè)計(jì)原則，表明RMFM-BDRM可按發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和期望轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)合混合動(dòng)力汽車對(duì)電機(jī)電磁性能的要求和RMFM-BDRM工作原理（磁場(chǎng)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(duì)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(jì)方法，為獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案提供理論依據(jù)。同時(shí)該設(shè)

6、計(jì)方法對(duì)其他基于磁場(chǎng)調(diào)制原理工作的電機(jī)同樣具有重要的指導(dǎo)意義。
　　再次，為了進(jìn)一步提升電機(jī)性能，對(duì)RMFM-BDRM中功率因數(shù)低和諧波損耗大的特殊電磁問題進(jìn)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(jī)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(jī)的功率因數(shù)，首先通過解析方法對(duì)RMFM-BDRM功率因數(shù)的影響因素進(jìn)行了分析，并從定子和永磁轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)配

7、比、槽形設(shè)計(jì)、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(jī)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(duì)RMFM-BDRM中各個(gè)部分的損耗分布規(guī)律進(jìn)行了定量分析。針對(duì)定子損耗大的問題，探討了不同電機(jī)材料對(duì)定子損耗的影響規(guī)律；針對(duì)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(duì)其損耗、功率因數(shù)等電磁性能進(jìn)行分析和評(píng)估。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合混合動(dòng)力系統(tǒng)工況特點(diǎn)給出了RMFM-BDRM損耗和效率的計(jì)算方法，同時(shí)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(jì)流程。
　　然后，為了使電機(jī)在車用背景下安全運(yùn)行，研究了RMFM-BDRM的溫升及冷卻問題。針對(duì)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(diǎn)，提出了定子水冷和軸向風(fēng)冷的冷卻方案，并針對(duì)其冷卻系統(tǒng)和關(guān)鍵區(qū)域傳熱特點(diǎn)，建立了二維等效溫度場(chǎng)模型。為了評(píng)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(dòng)力汽車的應(yīng)用背景，研究了不同混合動(dòng)力

9、工況對(duì)RMFM-BDRM溫升的影響規(guī)律。最終確定了不同工況負(fù)載和冷卻參數(shù)的匹配規(guī)律，為冷卻系統(tǒng)及其動(dòng)力源的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
　　最后，為了驗(yàn)證理論分析的有效性和全面評(píng)估電機(jī)性能，研制了一臺(tái)RMFM-BDRM樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)性能進(jìn)行了全面的測(cè)試和分析，同時(shí)對(duì)樣機(jī)在混合動(dòng)力工況下進(jìn)行了功能性驗(yàn)證。為了解決調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子加工中電磁性能和機(jī)械性能矛盾的問題，對(duì)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(jī)械性能進(jìn)行了分析，最終確定了可行的調(diào)制