雙轉(zhuǎn)子電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與教學(xué)功能開(kāi)發(fā)

周斯加 夏景演 龍江啟 葉寧波

溫州大學(xué) 浙江溫州 325035

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與教學(xué)功能開(kāi)發(fā)

周斯加 夏景演 龍江啟 葉寧波

溫州大學(xué) 浙江溫州 325035

針對(duì)一種新型的車(chē)用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，主要對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)的原理設(shè)計(jì)、功能開(kāi)發(fā)。在對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)中相關(guān)運(yùn)行特征和性能進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，將該實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行教學(xué)功能方面的應(yīng)用，相應(yīng)地設(shè)計(jì)了負(fù)載突變和左右輪差速兩種模擬實(shí)驗(yàn)，使學(xué)員可以對(duì)比了解到電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)工作原理。

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)；實(shí)驗(yàn)臺(tái)；教學(xué)示例

2010年，我國(guó)汽車(chē)保有量突破9 000萬(wàn)輛，已成為名副其實(shí)的汽車(chē)消費(fèi)大國(guó)。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(yán)峻挑戰(zhàn)。同時(shí)，伴隨著人們環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，開(kāi)發(fā)節(jié)能環(huán)保的電動(dòng)汽車(chē)，已成為我國(guó)現(xiàn)階段汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重大趨勢(shì)。目前，集驅(qū)動(dòng)、差速、能量回收、自減速功能于一體的對(duì)轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為新的研究熱點(diǎn)[1]。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套操作簡(jiǎn)便、功能集成度高，針對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)顯得尤為重要。

1 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其演示功能開(kāi)發(fā)

1.1 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

對(duì)轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)是利用作用力與反作用力的原理，將傳統(tǒng)電機(jī)的定子也作為轉(zhuǎn)子(外轉(zhuǎn)子)使用，并與原有的電機(jī)轉(zhuǎn)子(內(nèi)轉(zhuǎn)子)作反向運(yùn)動(dòng)。該電機(jī)直接安裝在驅(qū)動(dòng)橋上，代替常規(guī)機(jī)械驅(qū)動(dòng)橋的傳動(dòng)軸、主減速器和差速器等構(gòu)件，在電機(jī)的左右兩側(cè)分別增設(shè)了用于換向減速和減速的機(jī)構(gòu)，將動(dòng)力經(jīng)萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳至車(chē)輪。基于雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集驅(qū)動(dòng)、差速、制動(dòng)能量再生為一體，比建立在傳統(tǒng)汽車(chē)之上的電動(dòng)汽車(chē)具有更高的效率，更輕的重量，結(jié)構(gòu)更加緊湊，成本更低[1-5]。因此，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)在未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)中的使用前景十分廣泛。

1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的總體功能要求

(1)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的性能測(cè)試。運(yùn)用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)在負(fù)載阻力矩突變以及轉(zhuǎn)彎差速時(shí)的性能進(jìn)行測(cè)試。

(2)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。運(yùn)用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可進(jìn)一步挖掘雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的功能潛力，為改型優(yōu)化提供必要實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

(3)教學(xué)演示功能。此實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以真實(shí)地反映雙轉(zhuǎn)子電機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用原理及相對(duì)于傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)，便于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)操作。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的選擇

實(shí)驗(yàn)臺(tái)所選用的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)是經(jīng)傳統(tǒng)電機(jī)特殊改造而成的對(duì)轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子直流電機(jī)(見(jiàn)表1)，該種電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于控制、制造成本低并且布置方式靈活等優(yōu)點(diǎn)[2]。

表1 電機(jī)的主要參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)以雙轉(zhuǎn)子電機(jī)運(yùn)行特性為出發(fā)點(diǎn)，在雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的左右兩個(gè)輸出軸上分別有換向減速器和減速器。左側(cè)連接負(fù)載電機(jī)1及其電機(jī)輸出軸上的飛輪。右側(cè)連接負(fù)載電機(jī)2及其電機(jī)輸出軸上的飛輪。實(shí)驗(yàn)臺(tái)用重達(dá)6噸的鑄鐵平臺(tái)作為基礎(chǔ)，以此固定負(fù)載電機(jī)，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(shí)驗(yàn)臺(tái)主要組成部分有：

(1)電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)主要由雙轉(zhuǎn)子電機(jī)、減速(換向)機(jī)構(gòu)組成。其中雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的左側(cè)為換向減速行星排機(jī)構(gòu)，右側(cè)為減速行星排機(jī)構(gòu)。行星排機(jī)構(gòu)根據(jù)電機(jī)的輸出軸大小自行設(shè)計(jì)。

(2)負(fù)載電機(jī)部分主要由圖示的電機(jī)1與電機(jī)2及飛輪組成。電機(jī)1和電機(jī)2為額定功率10kw、額定轉(zhuǎn)速3 000r/min的三相異步電動(dòng)機(jī)。所安裝飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取決于被模擬電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效而來(lái)，以便在實(shí)驗(yàn)中能更好地逼近電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

2.3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)以雙轉(zhuǎn)子電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，運(yùn)用控制系統(tǒng)，通過(guò)電機(jī)控制器，可以對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)進(jìn)行調(diào)速、制動(dòng)等操作，實(shí)現(xiàn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的各種功能。其中雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的動(dòng)力由動(dòng)力電池組提供，該動(dòng)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(yōu)勢(shì)[3]，可以滿(mǎn)足電機(jī)的各種驅(qū)動(dòng)需求。電機(jī)控制器為直流機(jī)控制器，控制系統(tǒng)通過(guò)硬件以環(huán)方式進(jìn)行控制。

控制系統(tǒng)可以瞬間改變負(fù)載電機(jī)1和負(fù)載電機(jī)2的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，用以模擬出電動(dòng)汽車(chē)行駛中的加速、差速及制動(dòng)等工況，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試雙轉(zhuǎn)子電機(jī)性能的目的。負(fù)載電機(jī)的動(dòng)力由380V的三相交流電提供。左右的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器又將雙轉(zhuǎn)子電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩反饋回控制系統(tǒng)，控制參數(shù)可以實(shí)時(shí)顯示并保存以便對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性進(jìn)行研究及對(duì)相關(guān)理論進(jìn)行驗(yàn)證。

此實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)反饋系統(tǒng)集于同一控制中心，實(shí)驗(yàn)者操作起來(lái)十分便捷(如圖2所示)。

圖2

3 教學(xué)功能的開(kāi)發(fā)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足雙轉(zhuǎn)子電機(jī)性能測(cè)試與功能開(kāi)發(fā)的同時(shí)，也可以充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)臺(tái)良好的示教特點(diǎn)，滿(mǎn)足教學(xué)功能的要求。

3.1 電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)演示功能開(kāi)發(fā)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，學(xué)員可以詳細(xì)地了解到基于雙轉(zhuǎn)子電機(jī)所建立的電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)的構(gòu)造及運(yùn)行特點(diǎn)。電驅(qū)動(dòng)橋中，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)及其左右減速(換向)器代替了傳統(tǒng)汽車(chē)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)橋的發(fā)動(dòng)機(jī)、減速器、差速器等構(gòu)件。通過(guò)講解，學(xué)員可以在了解電驅(qū)動(dòng)橋的同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)有更深的理解。讓學(xué)員直觀(guān)地感受新的電驅(qū)動(dòng)橋在結(jié)構(gòu)、質(zhì)量等方面的優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)控制器的控制，讓動(dòng)力電池組提供能量給雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，可以將雙轉(zhuǎn)子電機(jī)所建立的電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制過(guò)程清晰地展現(xiàn)在學(xué)員面前。

3.2 差速原理演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于新建立的電驅(qū)動(dòng)橋中沒(méi)有差速器，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)必須具備差速器的功能。在此實(shí)驗(yàn)中，還需要給學(xué)員講解雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的差速原理。

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的差速原理：在傳統(tǒng)直流電機(jī)中，電機(jī)定子磁極對(duì)機(jī)殼是固定的，而雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的磁極可以隨新增的外轉(zhuǎn)子相對(duì)于機(jī)殼旋轉(zhuǎn)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，設(shè)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為nin和nout，外轉(zhuǎn)子固定時(shí)內(nèi)轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速為n。該電機(jī)構(gòu)建了兩個(gè)原動(dòng)組件，因此是具有二自由度的機(jī)械系統(tǒng)。在正常驅(qū)動(dòng)情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速特征為n=nin+nout。轉(zhuǎn)速n可以理解為外轉(zhuǎn)子以運(yùn)動(dòng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子為參照系的機(jī)械轉(zhuǎn)速。因此，對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的控制實(shí)質(zhì)上是對(duì)相對(duì)轉(zhuǎn)速的控制[2]。

根據(jù)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)運(yùn)行的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要設(shè)計(jì)了雙轉(zhuǎn)子電機(jī)在外力矩突變和差速驅(qū)動(dòng)等工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。外力矩突變實(shí)驗(yàn)主要觀(guān)察雙轉(zhuǎn)子電機(jī)驅(qū)動(dòng)在遇到路面不同路況時(shí)可能發(fā)生的兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然不平衡的情況。差速實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是模擬雙轉(zhuǎn)子電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋在轉(zhuǎn)向時(shí)兩側(cè)轉(zhuǎn)速不同的情況。

(1)外力矩突變實(shí)驗(yàn)。通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)和負(fù)載系統(tǒng)，啟動(dòng)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)以其額定功率進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)調(diào)節(jié)負(fù)載電機(jī)，使兩個(gè)負(fù)載阻力矩均為10N?m，令整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)。待系統(tǒng)穩(wěn)定5s后，突然將左(右)側(cè)負(fù)載阻力矩改為7N?m，右(左)側(cè)維持原狀，持續(xù)試驗(yàn)10s后將7N?m恢復(fù)為10N?m，觀(guān)察雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的驅(qū)動(dòng)情況。

(2)差速驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。控制系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)，其中負(fù)載阻力矩均為10N?m。系統(tǒng)穩(wěn)定5s后，同時(shí)對(duì)兩側(cè)負(fù)載進(jìn)行調(diào)整，增大左(右)側(cè)的負(fù)載阻力矩為13N?m減少右(左)側(cè)的負(fù)載阻力矩為7N?m，持續(xù)2s后再進(jìn)行反向操作，減少左(右)側(cè)的負(fù)載阻力矩為7N?m，增加右(左)側(cè)的負(fù)載阻力矩到13N?m，再持續(xù)2s后將左右側(cè)負(fù)載阻力矩恢復(fù)為10N?m，觀(guān)察雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性。

3.3 制動(dòng)能量回饋過(guò)程的演示

通過(guò)此實(shí)驗(yàn)臺(tái)，還可以讓學(xué)員了解到電驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)的能量反饋過(guò)程。當(dāng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)情況時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)向雙轉(zhuǎn)子電機(jī)發(fā)出負(fù)力矩的給定信號(hào)，使其處于反拖發(fā)電狀態(tài)，通過(guò)動(dòng)力傳送向電池組回饋電能[5]，學(xué)員可以通過(guò)控制系統(tǒng)的顯示器直觀(guān)地看到該過(guò)程，并依靠蓄電池的電量顯示器觀(guān)察其電量的變化情況。

針對(duì)目前流行的雙轉(zhuǎn)子電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一套可以用于科研及教學(xué)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)不僅能有效地對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)展一系列的探討性實(shí)驗(yàn)和改型研究，還開(kāi)發(fā)了相關(guān)的教學(xué)示例實(shí)驗(yàn)供學(xué)員觀(guān)摩學(xué)習(xí)，服務(wù)教學(xué)工作。

[1] 周斯加,羅玉濤,黃向東.雙轉(zhuǎn)子電機(jī)混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)特性研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2008,19(16):2011-2015.

[2] 鄧志君,羅玉濤,周斯加,等.新型車(chē)用對(duì)轉(zhuǎn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的研究[J].電氣傳動(dòng),2007,37(7):10-13.

[3] 梁春輝,冀群心.混合動(dòng)力汽車(chē)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(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的混合四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2007,43(8):123-128.

[5] 羅玉濤,黃向東,周斯加.一種油—電混合動(dòng)力汽車(chē)的多橋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):CN20061003386.5[P].2006-02.27.

[6] 張萌先.基于雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的HIL試驗(yàn)平臺(tái)[J].機(jī)電工程技術(shù),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(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：G20100162)；溫州大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目(編號(hào)：11JG58B)；浙江省新苗人才計(jì)劃(編號(hào)：2010R424037)。