混合動力汽車用復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

鄭　萍， 白金剛， 宋志翌， 劉　勇

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，150001哈爾濱)

?

混合動力汽車用復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

鄭萍， 白金剛， 宋志翌， 劉勇

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，150001哈爾濱)

摘要:為更深入地了解混合動力汽車用復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)的發(fā)展趨勢和關(guān)鍵技術(shù)，對復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述，簡要分析了有刷、無刷兩類復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)的組成、工作原理及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對不同復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)方案的優(yōu)勢及其存在的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行深入分析和總結(jié). 結(jié)果表明：基于復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)的純電氣式混合動力方案不僅可以避免基于行星齒輪的機(jī)械式混合動力方案中的振動、噪聲、磨損和定期維護(hù)等問題，而且具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于控制的優(yōu)勢. 無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)去掉了有刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)中的電刷滑環(huán)機(jī)構(gòu)，提高了系統(tǒng)可靠性，因此復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)無刷化是該研究方向的必然發(fā)展趨勢.

關(guān)鍵詞:混合動力汽車；復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)；四象限能量轉(zhuǎn)換器；電氣變速器；雙機(jī)械端口電機(jī)；定子永磁式雙轉(zhuǎn)子電機(jī)；無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)

燃油汽車的發(fā)展受到能源危機(jī)和環(huán)境污染兩大難題制約，新能源汽車的開發(fā)成了近年來汽車領(lǐng)域的研究熱點[1]. 新能源汽車可分為純電動汽車、燃料電池汽車和混合動力汽車[2-3]. 混合動力汽車不需要建立純電動汽車和燃料電池汽車所需的加電站和加氣站，是目前從燃油汽車到燃料電池汽車和純電動汽車過渡期間最為成熟的電動汽車.

1997年，豐田公司的普銳斯混合動力汽車首次采用了行星齒輪機(jī)構(gòu)作為動力分配裝置，顯著地降低了車輛的油耗和尾氣排放，深受廣大消費者的青睞. 圖1為行星齒輪的結(jié)構(gòu),圖2為豐田普銳斯混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu). 圖中內(nèi)燃機(jī)與行星齒輪的行星架相連、電機(jī)1與行星齒輪的太陽輪相連、電機(jī)2與行星齒輪的齒圈和減速器相連. 內(nèi)燃機(jī)通常運行在最佳燃油曲線上，通過調(diào)節(jié)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速，使行星齒輪的齒圈輸出的轉(zhuǎn)速滿足負(fù)載的轉(zhuǎn)速需求，同時將內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩按一定的比例傳遞給負(fù)載. 同時根據(jù)實際負(fù)載的轉(zhuǎn)矩需求，電機(jī)2為內(nèi)燃機(jī)和負(fù)載之間提供一定的轉(zhuǎn)矩差. 因此，通過行星齒輪、電機(jī)1和電機(jī)2的對內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，使整車具有較高的燃油經(jīng)濟(jì)性和良好的整車性能[4-6].

圖1　典型的行星齒輪

圖2　豐田普銳斯混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

豐田普銳斯憑借圖2中的混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)統(tǒng)領(lǐng)混合動力汽車領(lǐng)域十幾年，世界各國把趕超普銳斯作為目標(biāo). 在豐田普銳斯取得商業(yè)巨大成功后，通用、福特等各大汽車廠商相繼推出了基于行星齒輪機(jī)構(gòu)的混合動力方案[7-9]，其中通用混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示. 通過對這些方案的分析表明，目前這些能回避豐田專利的機(jī)械式方案都比普銳斯復(fù)雜得多. 不僅如此，由于行星齒輪是一種精密的機(jī)械部件，因此會存在傳動損耗、齒輪振動、噪聲等問題，同時還需要定期潤滑[10].

圖3　通用混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

近年，基于復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)的純電氣式混和動力方案越來越受到重視. 該方案省去了行星齒輪機(jī)構(gòu)，直接由兩臺電機(jī)復(fù)合而成. 該類電機(jī)可調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)和主減速器之間的轉(zhuǎn)速差和轉(zhuǎn)矩差，實現(xiàn)動力分離和分配功能，達(dá)到了與采用行星齒輪的機(jī)械式方案相同的效果，同時復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于控制的優(yōu)勢，是國際上寄予厚望的研究方案. 目前，復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)主要分兩類方案，即有刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)方案和無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)方案. 早期的復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)均為有刷方案，通過這類方案的研究表明：有刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)系統(tǒng)可實現(xiàn)豐田普銳斯混合動力系統(tǒng)的所有工況需求，且具有技術(shù)先進(jìn)性和競爭力. 無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)方案是在有刷方案的研究基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，它解決了有刷方案中因電刷滑環(huán)機(jī)構(gòu)引起的效率下降、可靠性降低等問題，目前這類無刷方案還處于探索階段. 本文對這兩類復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)分別進(jìn)行綜述.

1有刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)

有刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)是基于傳統(tǒng)電機(jī)形成的，盡管有刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)的命名方式不同，但從功能上看，這些有刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)都能實現(xiàn)混合動力系統(tǒng)的動力分配和無級變速功能，下面對這類方案進(jìn)行概述.

1.1四象限能量轉(zhuǎn)換器

四象限能量轉(zhuǎn)換器是瑞典皇家工學(xué)院Chandur Sadarangani教授于2002年提出的一種由兩臺永磁電機(jī)復(fù)合形成的動力分離裝置[11-12]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示. 四象限能量轉(zhuǎn)換器由雙轉(zhuǎn)子電機(jī)和定子電機(jī)組成，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)和定子電機(jī)共用一個轉(zhuǎn)子——外轉(zhuǎn)子. 圖5為四象限能量轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的示意圖. 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)實現(xiàn)了發(fā)動機(jī)與車輛負(fù)載間的轉(zhuǎn)速解耦，而定子電機(jī)實現(xiàn)了發(fā)動機(jī)與車輛負(fù)載間的轉(zhuǎn)矩解耦. 因此，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩完全獨立于車輛負(fù)載的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，從而使發(fā)動機(jī)始終工作在最佳燃油曲線上，提高了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性.

圖4　四象限能量轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Chandur Sadarangani根據(jù)四象限能量轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)特點，提出了3種不同拓?fù)浞桨?，即徑?徑向磁通方案、軸向-軸向磁通方案和軸徑向-徑向磁通方案，如圖6所示. 通過對不同方案的電磁性能和加工工藝的比較表明，四象限能量轉(zhuǎn)換器的實際應(yīng)用和選擇不但受電機(jī)自身性能的影響而且還與車用空間和成本相關(guān).

圖5　四象限能量轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)示意圖

(a) 徑向-徑向磁通　(b) 軸向-軸向磁通 (c) 軸徑向-徑向磁通

1.2電氣變速器

電氣變速器是荷蘭代爾芙特理工大學(xué)Martin Hoeijmakers教授于2004年提出的. 該方案相當(dāng)于由兩臺感應(yīng)電機(jī)復(fù)合形成的動力分離裝置[13-14]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示. 電氣變速器由定子、外轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子組成. 其中，定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子都放置了電樞繞組，同時外轉(zhuǎn)子上嵌入了雙層鼠籠結(jié)構(gòu). 研究表明，這種結(jié)構(gòu)的電氣變速器存在嚴(yán)重的磁場干涉現(xiàn)象.

圖7　電氣變速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的崔淑梅教授對這種電氣無級變速器方案進(jìn)行研究，分析了不同整車控制策略[15-16]，并先后研制了分體式方案和一體式方案的樣機(jī). 研究表明，一體式樣機(jī)的磁耦合現(xiàn)象嚴(yán)重，并導(dǎo)致負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動增加；分體式樣機(jī)的磁場干涉小，同時有功率密度高和安裝靈活的優(yōu)勢[17].

1.3四端口機(jī)電能量變換器

四端口機(jī)電能量變換器是哈爾濱工業(yè)大學(xué)的崔淑梅教授基于開關(guān)磁阻電機(jī)原理提出的動力分離裝置[18-19]，其結(jié)構(gòu)如圖8所示. 通過對四端口機(jī)電能量變換器磁場耦合問題的分析表明，外轉(zhuǎn)子軛部的飽和程度對內(nèi)外電機(jī)的各自性能影響很大. 進(jìn)一步通過對樣機(jī)的實驗測試表明，四端口機(jī)電能量變換器在磁場耦合的情況下使得電機(jī)出現(xiàn)了更加嚴(yán)重的轉(zhuǎn)矩波動和噪聲等問題.

圖8　四端口機(jī)電能量變換器電機(jī)結(jié)構(gòu)

1.4雙機(jī)械端口電機(jī)

雙機(jī)械端口電機(jī)是美國俄亥俄州立大學(xué)的徐隆亞教授于2005年提出了一種由兩臺永磁電機(jī)復(fù)合構(gòu)成的動力分離裝置[20-21]，電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖9所示. 雙機(jī)械端口電機(jī)由3個部件構(gòu)成，其中任意一個部件可作為固定部件，其他兩個部件作為旋轉(zhuǎn)部件. 在這種情況下，旋轉(zhuǎn)部件作為機(jī)械端口，同時電機(jī)中存在兩個電氣端口. 徐隆亞教授對3個部件中可能的旋轉(zhuǎn)部件和固定部件的搭配進(jìn)行了討論，并選擇了與四象限能量轉(zhuǎn)換器相近的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，兩種方案的區(qū)別在于雙機(jī)械端口電機(jī)的中間轉(zhuǎn)子只采用了一層永磁體.

圖9　雙機(jī)械端口電機(jī)結(jié)構(gòu)

隨后，中國科學(xué)院電工所的溫旭輝教授通過對單層永磁體雙機(jī)械端口電機(jī)的研究表明，該方案盡管使電機(jī)的功率密度得到提升，但方案中定子電機(jī)和雙轉(zhuǎn)子電機(jī)之間的磁場耦合現(xiàn)象比較嚴(yán)重[22-23].

1.5雙轉(zhuǎn)軸混合磁路能量變換器

2005年，中國汽車技術(shù)研究中心等單位提出了一種采用油冷系統(tǒng)的的雙轉(zhuǎn)軸混合磁路能量變換器[24]，其結(jié)構(gòu)如圖10所示. 該方案與與雙機(jī)械端口電機(jī)結(jié)構(gòu)相似，二者的區(qū)別在于雙轉(zhuǎn)軸混合磁路能量變換器采用了冷卻效果更好的油冷卻系統(tǒng). 通過對電機(jī)各部件在自然冷卻方式和油冷卻方式下進(jìn)行溫度分布比較，結(jié)果顯示，采用油冷卻方式可以有效地解決內(nèi)轉(zhuǎn)子散熱困難的問題，確保電機(jī)在額定工況下持續(xù)可靠運行[25]. 但是，由于油冷系統(tǒng)對電機(jī)的密封性要求較高，因此該方案的加工工藝復(fù)雜同時電機(jī)可靠性也被降低.

圖10　油冷卻的雙轉(zhuǎn)軸混合磁路能量變換器結(jié)構(gòu)

1.6復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)

基于對四象限能量轉(zhuǎn)換器的深入研究，哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄭萍教授提出了該類電機(jī)的6種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并依據(jù)其結(jié)構(gòu)特點命名為復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)，如圖11所示.

圖11　復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)6種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

鄭萍教授通過對各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)的設(shè)計原則和設(shè)計方法進(jìn)行研究，分析各類結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點及應(yīng)用場合[26-27]. 研制了徑向-徑向磁通結(jié)構(gòu)和軸向-軸向磁通結(jié)構(gòu)的樣機(jī)并建立了測試平臺進(jìn)行了實驗測試，徑向-徑向磁通結(jié)構(gòu)和軸向-軸向磁通結(jié)構(gòu)的樣機(jī)部件及其實驗平臺分別如圖12～15所示. 測試結(jié)果表明復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步能夠?qū)崿F(xiàn)動力分離的功能，驗證了磁解耦設(shè)計的可行性[28-31].

圖12　徑向-徑向磁通復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)樣機(jī)部件

圖13　徑向-徑向磁通復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)實驗平臺

圖14　軸向-軸向磁通復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)樣機(jī)部件

圖15　軸向-軸向磁通復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)實驗平臺

1.7定子永磁式雙轉(zhuǎn)子電機(jī)

定子永磁式雙轉(zhuǎn)子電機(jī)是由江蘇大學(xué)全力教授課題組基于雙凸極電機(jī)原理提出的動力分配方案[32-33]，其結(jié)構(gòu)如圖16所示. 該課題組對電機(jī)的電磁性能、混合動力工況下電機(jī)的工作模式、控制策略等方面進(jìn)行了研究. 結(jié)果表明：定子永磁式雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的功率密度和電磁性能明顯好于磁阻式四端口機(jī)電能量變換器. 此外，由于定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子中的永磁體只會在各自側(cè)氣隙中形成磁場閉合回路，因此定子永磁式雙轉(zhuǎn)子電機(jī)內(nèi)外的磁場耦合影響非常小.

該課題組進(jìn)一步提出了基于磁通切換電機(jī)原理的磁通切換雙轉(zhuǎn)子電機(jī)[34-37]，其結(jié)構(gòu)如圖17所示. 通過對該方案的電磁性能、設(shè)計方法、控制策略等方面的研究表明，磁通切換雙轉(zhuǎn)子電機(jī)可以獲得與四象限能量轉(zhuǎn)換器同樣好的功率密度、效率等性能，而且該方案還具有轉(zhuǎn)矩波動低的優(yōu)勢.

圖16　定子永磁式雙轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖17　磁通切換雙轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)

1.8電磁耦合無級變速器

電磁耦合無級變速器是由華南理工大學(xué)黃向東教授課題組基于混合勵磁永磁同步電機(jī)原理提出的，其結(jié)構(gòu)如圖18所示[38]. 該方案與以往有刷方案的不同之處在于中間的永磁轉(zhuǎn)子采用永磁體磁極和鐵心磁極交錯布置方式，同時在定子側(cè)放置直流勵磁繞組. 這樣通過改變勵磁繞組中的勵磁電流可以調(diào)節(jié)氣隙主磁通，從而使該方案獲得更大速域的恒功率運行范圍. 通過進(jìn)一步對該方案的勵磁調(diào)節(jié)方法、系統(tǒng)控制方法、電磁性能和溫升特性進(jìn)行分析[39-41]表明，盡管這種永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有利于氣隙主磁場的調(diào)節(jié)，但也使內(nèi)外兩個電機(jī)之間存在磁耦合問題. 該課題組進(jìn)一步通過增加外轉(zhuǎn)子軛部厚度的方式來減小電機(jī)中的磁耦合問題. 此外，該課題組還對電機(jī)的無速度傳感器矢量控制方法和電機(jī)冷卻問題進(jìn)行了研究. 但同時也可以看出，電磁耦合無級變速器比以往有刷方案多了一套勵磁繞組，使整個系統(tǒng)變得復(fù)雜.

圖18　電磁耦合無級變速器結(jié)構(gòu)

2無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)

前面提到的有刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)的研究方法與技術(shù)已趨于成熟, 但該類電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子存在電樞繞組且需要采用電刷滑環(huán)結(jié)構(gòu)，從而引起散熱、動平衡、可靠性和需經(jīng)常維護(hù)等一系列問題. 因此，一些研究學(xué)者們提出了無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī).

2.1無刷電磁耦合無級變速器

無刷電磁耦合無級變速器是由華南理工大學(xué)黃向東等于2005年提出的基于旋轉(zhuǎn)變壓器原理的動力分離裝置，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖19所示. 無刷電磁耦合無級變速器通過非接觸式集流器實現(xiàn)向內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組饋電，實現(xiàn)了電機(jī)結(jié)構(gòu)無刷化. 該方案中旋轉(zhuǎn)變壓器受供電頻率的限制使得電機(jī)的實用性受到了限制. 當(dāng)無刷電磁耦合無級變速器兩個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速相近時，內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組的電流頻率非常低，旋轉(zhuǎn)變壓器中電流頻率也會非常低，導(dǎo)致整個電機(jī)的效率低下. 同時，該方案并未解決內(nèi)轉(zhuǎn)子電樞繞組過熱和動態(tài)平衡等問題[42-43].

圖19　電磁耦合無級變速傳動器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2無刷雙饋雙機(jī)械端口電機(jī)

無刷雙饋雙機(jī)械端口電機(jī)是由華中科技大學(xué)黃聲華教授于2008年提出了基于無刷雙饋電機(jī)原理的動力分離裝置，其3種機(jī)械結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖20所示[44-46]. 由于無刷雙饋雙機(jī)械端口電機(jī)可以看做由3個電機(jī)級聯(lián)而成，其結(jié)構(gòu)和磁場關(guān)系非常復(fù)雜，有效的控制策略難以確定，而且對制作工藝的要求很高. 除此之外，引入感應(yīng)電機(jī)式方案會影響電機(jī)系統(tǒng)在體積和效率方面的競爭力.

2.3爪極無刷雙機(jī)械端口電機(jī)

爪極無刷雙機(jī)械端口電機(jī)是由中國科學(xué)院電工所溫旭輝教授于2008年提出了基于爪極電機(jī)原理的動力分離裝置[47]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖21所示. 爪極無刷雙機(jī)械端口電機(jī)由定子1、轉(zhuǎn)子1、定子2、轉(zhuǎn)子2組成，其中：定子1是一個U型鐵心且被等分成了3個單元，每個單元對應(yīng)一相；轉(zhuǎn)子1為爪極轉(zhuǎn)子，由一系列的齒狀鐵心構(gòu)成；轉(zhuǎn)子2和定子2的結(jié)構(gòu)與軸向磁通永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)相同，轉(zhuǎn)子2的鐵心兩側(cè)均貼有永磁體，定子2的繞組形式為集中繞組. 定子1、轉(zhuǎn)子1和轉(zhuǎn)子2構(gòu)成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電機(jī)；轉(zhuǎn)子2和定子2構(gòu)成轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)電機(jī). 由于爪極無刷雙機(jī)械端口電機(jī)磁動勢中諧波含量較大，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動非常大[48].

(a) 機(jī)械結(jié)構(gòu)I

(b) 機(jī)械結(jié)構(gòu)II

(c) 機(jī)械結(jié)構(gòu)III

圖21　爪極無刷雙機(jī)械端口電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.4無刷爪極復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)

無刷爪極復(fù)合電機(jī)是由哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄭萍教授于2009年提出的基于爪極電機(jī)原理的動力分離裝置[49]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖22所示.

圖22　無刷爪極復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無刷爪極復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)由無刷爪極雙轉(zhuǎn)子電機(jī)和常規(guī)永磁同步電機(jī)組成. 其中，無刷爪極雙轉(zhuǎn)子電機(jī)作為無刷爪極復(fù)合電機(jī)的核心部件，是將傳統(tǒng)爪極電機(jī)的爪極部分切割下來作為旋轉(zhuǎn)部件形成一個轉(zhuǎn)子，傳統(tǒng)爪極電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子作為另一個轉(zhuǎn)子，從而實現(xiàn)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的無刷化. 無刷爪極雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的作用是為內(nèi)燃機(jī)和驅(qū)動輪之間提供轉(zhuǎn)速差. 常規(guī)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以采用徑向結(jié)構(gòu)、軸向結(jié)構(gòu)或軸徑向結(jié)構(gòu)，其作用是為內(nèi)燃機(jī)和驅(qū)動輪之間提供轉(zhuǎn)矩差[50]，無刷爪極復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)的3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖23所示.

圖23　無刷爪極復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過研制無刷爪極雙轉(zhuǎn)子電機(jī)樣機(jī)并建立系統(tǒng)測試平臺進(jìn)行實驗測試，樣機(jī)部件及實驗平臺分別如圖24、25所示. 通過理論分析和實驗驗證了電機(jī)的反電動勢、功率因數(shù)、齒槽轉(zhuǎn)矩等電磁性能，同時驗證了驗證了無刷爪極雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能. 但由于樣機(jī)中爪極支架上存在著較大的渦流損耗導(dǎo)致樣機(jī)的損耗實驗測試結(jié)果與仿真值之間的偏差較大[51-52].

(a) 永磁轉(zhuǎn)子　　　　(b) 爪極轉(zhuǎn)子　　　　(c) 定子

圖25　無刷爪極雙轉(zhuǎn)子電機(jī)實驗平臺

2.5無刷橫向磁通復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)

無刷橫向磁通復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)是鄭萍教授于2011年提出了基于橫向磁通電機(jī)原理的動力分離裝置[53]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖26所示. 無刷橫向磁通永磁復(fù)合電機(jī)由無刷橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)和常規(guī)永磁同步電機(jī)組成. 其中，無刷橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)是將橫向磁通電機(jī)齒部連接一起形成一個轉(zhuǎn)子，通過改變定子繞組的電頻率，調(diào)節(jié)橫向磁通轉(zhuǎn)子與永磁轉(zhuǎn)子之間的轉(zhuǎn)差. 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以采用徑向結(jié)構(gòu)、軸向結(jié)構(gòu)或軸徑向結(jié)構(gòu)，其作用是為內(nèi)燃機(jī)和驅(qū)動輪之間提供轉(zhuǎn)矩差. 無刷橫向磁通復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)的3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖27所示.

圖26　無刷橫向磁通復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鄭萍教授研制了無刷橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)樣機(jī)并建立了系統(tǒng)測試平臺進(jìn)行了實驗測試，樣機(jī)部件及實驗平臺分別如圖28、29所示. 實驗驗證了無刷橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能. 由于橫向磁通轉(zhuǎn)子支架采用酚醛樹脂玻璃纖維材料，支架的渦流損耗較小，但支架的機(jī)械強(qiáng)度明顯降低. 由于無刷橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩密度的特點，定子各相之間不存在耦合，大大降低了電機(jī)的控制難度；定子環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)簡單，簡化了定子工藝流程. 但是由于電機(jī)是基于橫向磁通電機(jī)原理工作的，電機(jī)的三維磁路復(fù)雜，漏磁嚴(yán)重，導(dǎo)致了電機(jī)的功率因數(shù)較低[54].

圖27　無刷橫向磁通復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(a)永磁轉(zhuǎn)子　　 　 (b) 爪極轉(zhuǎn)子 　　　 (c) 定子

圖29　無刷橫向磁通雙轉(zhuǎn)子電機(jī)樣機(jī)部件圖及實驗平臺

2.6磁場調(diào)制型無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)

磁場調(diào)制型無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)是鄭萍教授于2010年提出的動力分離裝置[55]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖30所示. 該方案由磁場調(diào)制型無刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)和傳統(tǒng)永磁電機(jī)構(gòu)成. 其中，磁場調(diào)制型無刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)是該方案的核心部件，其結(jié)構(gòu)如圖31所示，圖中1表示永磁轉(zhuǎn)子，2表示調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子，3表示定子. 磁場調(diào)制型無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)是由定子、調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子構(gòu)成，它的作用是為內(nèi)燃機(jī)和驅(qū)動輪之間提供轉(zhuǎn)速差，并將發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳遞給車輛負(fù)載[56]. 常規(guī)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以采用徑向結(jié)構(gòu)、軸向結(jié)構(gòu)或軸徑向結(jié)構(gòu)，它的作用是為內(nèi)燃機(jī)和驅(qū)動輪之間提供轉(zhuǎn)矩差.

圖30　磁場調(diào)制型無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖31　磁場調(diào)制型無刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)

通過采用解析法和有限元法對磁場調(diào)制型無刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的工作原理進(jìn)行深入分析并論證了該電機(jī)的原理可行性和方案的先進(jìn)性，結(jié)果表明磁場調(diào)制型無刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)在功能上可等效為一個行星齒輪和一個電機(jī). 在此基礎(chǔ)上，對電機(jī)的電磁性能、功率因數(shù)、損耗分布及計算等方面進(jìn)行深入研究[57]，結(jié)果表明該電機(jī)具有功率密度高和轉(zhuǎn)矩波動小的優(yōu)勢. 研制徑向磁場調(diào)制型無刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)樣機(jī)并建立系統(tǒng)測試平臺進(jìn)行實驗測試，樣機(jī)部件及實驗平臺分別如圖32、33所示. 通過實驗驗證了磁場調(diào)制型無刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能[58].

(a)永磁轉(zhuǎn)子 　　 (b) 調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子 　　 (c) 定子

圖33　徑向磁場調(diào)制型無刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)實驗平臺

2.7基于磁性齒輪的無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)

香港大學(xué)K.T. Chau教授于2010年提出了基于磁性齒輪的無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖34所示[59]. 該方案與Prius系統(tǒng)相類似，只是將Prius系統(tǒng)中的行星齒輪用磁性齒輪代替. 為了追求集成化和高功率密度，該課題組將系統(tǒng)中的兩臺永磁電機(jī)和磁性齒輪進(jìn)行了集成化處理. 為了解決由于集成化引起的磁耦合問題，課題組還采用了永磁體halbach排列方式以及在耦合轉(zhuǎn)子鐵心中加入不導(dǎo)磁屏蔽殼來消除磁場耦合的影響. 通過解析分析的方法定性分析該方案的轉(zhuǎn)矩特性，并提出了考慮磁性齒輪變速比和電機(jī)性能的設(shè)計方法. 通過上述的分析可知，該方案將磁性齒輪和兩臺永磁同步電機(jī)集成一起，具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕和功率密度高的優(yōu)點；但是該方案中4層氣隙和3個轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)將極大的增加了電機(jī)加工難度，這使得該方案的實用性大打折扣.

圖34　基于磁性齒輪原理的無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)結(jié)構(gòu)

3結(jié)論

1)基于復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)的純電氣式方案與基于行星齒輪的機(jī)械式方案相比，不僅可以避免機(jī)械式方案中的振動、噪聲、磨損和定期維護(hù)等問題，而且具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于控制的優(yōu)勢.

2)有刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)的研究已趨于成熟，其研究成果證明了復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)在混合動力汽車應(yīng)用中的可行性和先進(jìn)性. 同時也表明有刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)具有工作原理簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高等優(yōu)點，但也存在繞組嚴(yán)重發(fā)熱、需要電刷滑環(huán)機(jī)構(gòu)饋電、旋轉(zhuǎn)繞組動平衡難以保證等瓶頸難題.

3)無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)去掉了有刷方案的電刷滑環(huán)機(jī)構(gòu)，提高了電機(jī)可靠性，是目前該領(lǐng)域的研究前沿. 但無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)也存在著結(jié)構(gòu)與工作原理復(fù)雜、樣機(jī)加工困難、功率因數(shù)低等問題，尚需進(jìn)一步深入研究.

參考文獻(xiàn)

[1] 許光清，鄒驥，楊寶路. 控制中國汽車交通燃油消耗和溫室氣體排放的技術(shù)選擇與政策體系[J]. 氣候變化研究進(jìn)展, 2009, 5(3): 167-173.

[2] 陳清泉，孫立清. 電動汽車的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 科技導(dǎo)報, 2005, 23(4): 24-28.

[3] CHAN C C. The state of the art of electric, hybrid and fuel cell vehicles [J]. Proceedings of the IEEE, 2007, 95(4): 704-718.

[4] MILLER J M. Hybrid electric vehicle propulsion system architectures of the e-CVT type[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2006, 21(3): 756-767.

[5] MILLER J M, EVERETT M. An assessment of ultra-capacitors as the power cache in Toyota THS-II, GM-Allision AHS-2 and Ford FHS hybrid propulsion systems[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition 2005. Austin: IEEE Press, 2005: 481-490.

[6] 涂超群，馬麗瓊. 透視豐田第二代普銳斯混合動力汽車技術(shù)[J]. 裝備制造技術(shù), 2010 (2): 141-142.

[7] ZHANG H, ZHU Y, TIAN G, et al. Optimal energy management strategy for hybrid electric vehicles[R]. Warrendale: SAE, 2004.

[8] HOLMES A G, SCHMIDT M R. Hybrid electric powertrain including a two-mode electrically variable transmission: 6478705[P]. 2002-11-12.

[9] GREWE T M, CONLON B M, HOLMES A G. Defining the general motors 2-mode hybrid transmission[R]. Detroit: SAE, 2007.

[10]CHAU K T, CHAN C C. Emerging energy-efficient technologies for hybrid electric vehicles[J]. Proceedings of the IEEE, 2007, 95(4): 821-835.

[11]NORDLUND E, SADARANGANI C. The four-quadrant energy transducer[C]//Conference Record of the IEEE Industry Applications Conference. Pittsburgh: IEEE Press, 2002: 390-397.

[12]ERIKSSON S, SADARANGANI C. A four-quadrant HEV drive system[C]//Vehicular Technology Conference 2002. Vancouver: IEEE Press, 2002: 1510-1514.

[13]HOEIJMAKERS M J, RONDEL M. The electrical variable transmission in a city bus[C]//Power Electronics Specialists Conference 2004. Aachen: IEEE Press, 2004: 2773-2778.

[14]HOEIJMAKERS M J, FERREIRA J A. The electric variable transmission[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2006, 42(4): 1092-1100.

[15]XU Q, SONG L, TIAN D, et al. Research on intelligence torque control for the electrical variable transmission used in hybrid electrical vehicle[C]//Electrical Machines and Systems 2011. Beijing: IEEE Press, 2011: 1-6.

[16]CUI S M, XU Q, CHENG Y. Research on direct torque control for the electrical variable transmission[C]//Vehicle Power and Propulsion Conference 2010. Lille: IEEE Press, 2010: 1-5.

[17]CUI S M, HUANG W X, CHENG Y, et al. Design and experimental research on induction machine based electrical variable transmission[C]//Vehicle Power and Propulsion Conference 2007. Lille: IEEE Press, 2007: 231-235.

[18]崔淑梅，宋立偉，韓守亮，等. 磁阻式四端口機(jī)電能量變換器: 101106308[P]. 2008-01-16.

[19]CUI S M, YUAN Y, WANG T. Research on switched reluctance double-rotor motor used for hybrid electric vehicle[C]//Electrical Machines and Systems 2008. Wuhan: IEEE Press, 2008: 3393-3396.

[20]XU L Y. A new breed of electric machines-basic analysis and applications of dual mechanical port electric machines[C]//Electrical Machines and Systems 2005. Nanjing: IEEE Press, 2005: 24-31.

[21]XU L Y, ZHANG Y, WEN X H. Multioperational modes and control strategies of dual-mechanical-port machine for hybrid electrical vehicles[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2009, 45(2): 747-755.

[22]溫旭輝，徐隆亞，趙峰，等. 雙機(jī)械端口電機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng): 1945939[P]. 2007-04-11.

[23]GUO X Z, FAN T, WEN X H, et al. Electromagnetic coupling analysis of uniform magnetic-filed permanent magnet dual mechanical port machine[C]//Electrical Machines and Systems 2008. Wuhan: IEEE Press, 2008: 3181-3184.

[24]趙航，史廣奎，黃蘇融，等. 雙轉(zhuǎn)子混合動力復(fù)合永磁電機(jī): 1738163[P]. 2006-02-22.

[25]黃蘇融，劉行，張琪，等. 雙轉(zhuǎn)軸混合磁路能量變換器及其冷卻結(jié)構(gòu)研究[J]. 微特電機(jī), 2006, 34(9): 1-2.

[26]LIU Y, CHENG D S, BAI J G, et al. Topology comparison of compound-structure permanent-magnet synchronous machines[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2012, 48(6): 2217-2222.

[27]ZHENG P, ZHAO J, LIU R R, et al. Comparison and evaluation of different compound-structure permanent-magnet synchronous machine used for HEVs[C]//Energy Conversion Congress and Exposition 2010. Atlanta: IEEE Press, 2010: 1707-1714.

[28]劉冉冉. 混合動力車用徑向-徑向磁通復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009.

[29]趙靜. 混合動力車用軸向-軸向磁通復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)的研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2010.

[30]ZHENG P, LIU R R, WU Q, et al. Magnetic coupling analysis of four-quadrant transducer used for hybrid electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2007, 43(6): 2597-2599.

[31]ZHENG P, ZHAO J, WU Q, et al. Evaluation of the magnetic coupling degree and performance of an axial-axial flux compound-structure permanent-magnet synchronous machine used for hybrid electric vehicles[J]. Journal of Applied Physics, 2008, 103(7): 07F113.

[32]陳云云，全力，朱孝勇, 等. 新型定子永磁式雙轉(zhuǎn)子電機(jī)運行模式分析與實驗研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2014, 34(33): 5895-5901.

[33]陳云云，全力，朱孝勇，等. 定子永磁式雙轉(zhuǎn)子電機(jī)多工況運行模式及控制策略研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報, 2013, 17(7): 27-33.

[34]MO L H, QUAN L, ZHU X Y, et al. Comparison and analysis of flux-switching permanent-magnet double-rotor machine with 4QT used for HEV[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2014, 50(11): 8205804.

[35]劉修福，全力，朱孝勇, 等. 混合動力汽車用新型磁通切換雙轉(zhuǎn)子電機(jī)性能分析[J]. 微特電機(jī), 2013, 41(1): 20-24.

[36]邱海兵，全力，朱孝勇，等. 基于雙轉(zhuǎn)子磁通切換電機(jī)的混合動力系統(tǒng)分析[J]. 微特電機(jī), 2013, 41(11): 57-60.

[37]莫麗紅，全力，朱孝勇，等. 定子永磁式雙轉(zhuǎn)子電機(jī)電磁性能分析[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報, 2013, 17(9): 30-35.

[38]黃向東，羅玉濤，趙克剛，等. 電磁耦合無級變速傳動系統(tǒng): 1694339[P]. 2005-11-09.

[39]羅玉濤, 孟凡珍, 符興鋒. 電磁耦合無級變速系統(tǒng)磁路等效方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2011, 26(1): 1-6.

[40]羅玉濤, 張桂連, 曠鵬, 等. 基于電磁耦合無級變速器的混合動力車傳動控制[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2010 (8): 88-97.

[41]吳健瑜, 羅玉濤, 黃向東. 電磁耦合無級變速器溫度場分析與冷卻方法研究[J]. 中國機(jī)械工程, 2011, 22(8): 887-891.

[42]羅玉濤, 喻皓. 電磁耦合無級變速器的調(diào)磁及效率分析[J]. 中國機(jī)械工程, 2008, 19(9): 1103-1107.

[43]羅玉濤, 談新志. 電磁耦合無級變速器混合勵磁特性研究[J]. 微特電機(jī), 2008, 36(7): 4-8.

[44]萬山明，黃聲華，陳驍，等. 一種徑向磁場的無刷雙饋雙機(jī)械端口電機(jī): 201323515[P]. 2009-10-07.

[45]陳驍，黃聲華，萬山明，等. 一種軸向磁場的無刷雙饋雙機(jī)械端口電機(jī): 201323512[P]. 2009-10-07.

[46]CHEN X, HUANG S, WAN S, et al. Principle and mathematic model of the brushless doubly-fed electrical variable transmission[J]. Micromotors, 2009, 12: 3.

[47]范濤，溫旭輝. 一種無刷化的雙機(jī)械端口電機(jī): 101282067[P]. 2008-10-08.

[48]FAN T, WEN X H, XUE S, et al. A brushless permanent magnet dual mechanical port machine for hybrid electric vehicle application[C]//Electrical Machines and Systems 2008. Wuhan: IEEE Press, 2008: 3604-3607.

[49]鄭萍，吳芊，佟誠德，等. 無刷饋電爪極復(fù)合電機(jī): 101667768[P]. 2010-03-10.

[50]ZHENG P, WU Q, ZHAO J, et al. Performance analysis and simulation of a novel brushless double rotor machine for power-split HEV applications[J]. Energies, 2012, 5(1): 119-137.

[51]ZHENG P, WU Q, BAI J G, et al. Analysis and experiment of a novel brushless double rotor machine for power-split hybrid electrical vehicle applications[J]. Energies, 2013, 6(7): 3209-3223.

[52]TONG C D, ZHENG P, WU Q, et al. A brushless claw-pole double-rotor machine for power-split hybrid electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(8): 4295-4305.

[53]劉勇，趙全斌，佟誠德，等. 橫向-徑向磁通結(jié)構(gòu)無刷復(fù)合式永磁電機(jī): 102361380[P]. 2012-02-22.

[54]ZHENG P, ZHAO Q B, BAI J G, et al. Analysis and design of a transverse-flux dual rotor machine for power-split hybrid electric vehicle applications[J]. Energies, 2013, 6(12): 6548-6568.

[55]鄭萍，白金剛，佟誠德，等. 徑向-徑向磁場調(diào)制型無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī): 101938199[P]. 2011-01-05.

[56]ZHENG P, SONG Z Y, BAI J G, et al. Research on an axial magnetic-field-modulated brushless double rotor machine[J]. Energies, 2013, 6(9): 4799-4829.

[57]ZHENG P, BAI J G, TONG C D, et al. Investigation of a novel radial magnetic-field-modulated brushless double-rotor machine used for HEVs[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2013, 49(3): 1231-1241.

[58]BAI J G, ZHENG P, TONG C D, et al. Characteristic analysis and verification of the magnetic-field modulated brushless double-rotor machine[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(7): 4023-4033.

[59]JIAN L N, CHAU K T. Design and analysis of a magnetic-geared electronic-continuously variable transmission system using finite element method[J]. Progress in Electromagnetics Research, 2010, 107: 47-61.

(編輯魏希柱)

Development of the compound-structure electrical machine and its key technologies for hybrid electric vehicles

ZHENG Ping, BAI Jingang, SONG Zhiyi, LIU Yong

(School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, 150001 Harbin, China)

Abstract:To gain a deep insight into the development tendency and the key technology of compound-structure electrical machine for hybrid electric vehicles, this paper reviews the compound-structure electrical machine and its key technologies. The composition, operating principle and topologies of different compound-structure electrical machines are analyzed, including the brush and brushless ones. Meanwhile, the advantages and key technology problems of different compound-structure machines are investigated and summarized. The results show that the purely-electrical hybrid schemes based on the compound-structure electrical machine don’t have the problems of vibration, noise, wear and regular maintenance, but they also have advantages of simple and compact structure and easy control, compared with the mechanical hybrid schemes based on the planetary gear. Meanwhile, they also show that the investigation of the brushless compound-structure electrical machine must be a development tendency in this field for the brushless compound-structure electrical machines can get rid of brushes and slip rings in the brush ones as well as improve the system stability.

Keywords:hybrid electric vehicles; compound-structure permanent-magnet synchronous machine; four quadrant transducer; electrical variable transmission; dual mechanical port machine; stator-permanent-magnet double-rotor machine; brushless compound-structure electrical machine

中圖分類號:TH133; TP183

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)03-0001-10

通信作者:鄭萍， zhengping@hit.edu.cn.

作者簡介:鄭萍(1969—)，女，博士生導(dǎo)師，長江學(xué)者特聘教授.

基金項目:國家杰出青年基金(51325701)；

收稿日期:2015-11-15.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.03.001

國家自然科學(xué)基金(51377030).