基于雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)方案的研究進(jìn)展＊

何仁 楊祺

（江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212003）

基于雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)方案的研究進(jìn)展＊

何仁 楊祺

（江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江 212003）

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)因其靈活的能量傳遞特性，在混合動(dòng)力系統(tǒng)上具有廣闊的應(yīng)用前景。介紹了雙轉(zhuǎn)子電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)比分析了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的電機(jī)性能差異和特點(diǎn)，闡述了電機(jī)底層和整車控制策略，以及冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)研究成果。通過(guò)歸納現(xiàn)階段雙轉(zhuǎn)子電機(jī)面臨的技術(shù)難點(diǎn)，提出了今后的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。

1 前言

新能源汽車以其節(jié)能、低碳、環(huán)保的特性持續(xù)受到世界各國(guó)廣泛關(guān)注。新能源汽車主要技術(shù)發(fā)展方向?yàn)榧冸妱?dòng)和燃料電池兩方面，但基于現(xiàn)有技術(shù)限制，油電結(jié)合的混合動(dòng)力汽車作為過(guò)渡產(chǎn)品得到了很大的發(fā)展。目前為止，世界各大汽車制造商包括豐田、通用、福特等在混合動(dòng)力方面的技術(shù)逐漸完善和成熟并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。現(xiàn)階段混合動(dòng)力系統(tǒng)以豐田THS系統(tǒng)和通用AHS系統(tǒng)最為典型，它們的核心部件主要是作為動(dòng)力耦合器的行星齒輪變速器，該機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)之間的速度耦合、轉(zhuǎn)矩耦合，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間。但該系統(tǒng)的行星齒輪結(jié)構(gòu)為純機(jī)械裝置，不可避免地存在噪聲、磨損、振動(dòng)等方面的不足，并且需要定期進(jìn)行維護(hù)，使用成本高[1]。

近年來(lái)，荷蘭國(guó)家應(yīng)用科學(xué)研究院的Hoeijmakers教授提出了一種基于電磁能量轉(zhuǎn)換原理的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)作為動(dòng)力耦合器用于混合動(dòng)力汽車不僅取代了行星齒輪變速器，而且去除了電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、離合器等部件，大大減輕了整車質(zhì)量，不僅節(jié)約了空間，而且整車功率密度和能量傳輸效率得到很大提升。

本文將針對(duì)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外雙轉(zhuǎn)子電機(jī)研究進(jìn)展，分析雙轉(zhuǎn)子電機(jī)現(xiàn)階段面臨的技術(shù)難點(diǎn)和亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，為以后進(jìn)行相關(guān)研究提供借鑒。

2 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)基本原理

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)由內(nèi)燃機(jī)、雙轉(zhuǎn)子電機(jī)、交/直流變換器、能量?jī)?chǔ)存裝置等組成，其基本結(jié)構(gòu)和功率流向如圖1所示。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)包括內(nèi)轉(zhuǎn)子軸和外轉(zhuǎn)子軸，其中內(nèi)轉(zhuǎn)子軸與內(nèi)燃機(jī)連接，外轉(zhuǎn)子軸與汽車的驅(qū)動(dòng)橋連接。內(nèi)轉(zhuǎn)子軸上布置三相交流繞組并與內(nèi)電機(jī)交/直流變換器相連，定子上同樣布置三相交流繞組并與外電機(jī)交/直流變換器相連，能量?jī)?chǔ)存裝置分別與內(nèi)外電機(jī)交/直流變換器相連。根據(jù)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)種類不同，外轉(zhuǎn)子軸上既可以布置內(nèi)外永磁體，也可以布置內(nèi)外三相交流繞組。

圖1 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)示意

圖1中，PICE為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率；Pm1為內(nèi)轉(zhuǎn)子功率；Pe1為內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組中的轉(zhuǎn)差功率，即內(nèi)外轉(zhuǎn)差產(chǎn)生的電功率；Pe2為外轉(zhuǎn)子受到的電功率；Pd為通過(guò)磁場(chǎng)直接傳遞到外轉(zhuǎn)子上的功率；Pm2為外轉(zhuǎn)子功率；Pbattery為儲(chǔ)能裝置功率；Pout為雙轉(zhuǎn)子電機(jī)輸出功率；TICE為發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Tm1為內(nèi)轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Tm2為外轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Tf1為內(nèi)轉(zhuǎn)子通過(guò)氣隙傳遞的電磁轉(zhuǎn)矩；Tf2為外轉(zhuǎn)子通過(guò)氣隙傳遞的電磁轉(zhuǎn)矩；Tout為雙轉(zhuǎn)子電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；ωICE為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；ωm1為內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度；ωm2為外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度；ωout為雙轉(zhuǎn)子電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速。為了方便分析，忽略系統(tǒng)中的功率損耗。

發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率從雙轉(zhuǎn)子電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子輸入，因?yàn)殡p轉(zhuǎn)子電機(jī)輸入端的功率分流作用，輸入功率分兩路傳遞，一路經(jīng)內(nèi)轉(zhuǎn)子、內(nèi)氣隙、外轉(zhuǎn)子直接傳遞到輸出端，一路經(jīng)內(nèi)轉(zhuǎn)子、電刷滑環(huán)、交/直流變換器、儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存起來(lái)，Pd和Pbattery計(jì)算式分別為：

由式（1）和式（2）可知，內(nèi)轉(zhuǎn)子軸與外轉(zhuǎn)子軸之間的轉(zhuǎn)速差僅影響輸入功率分配比例且大小可以任意調(diào)節(jié)，這意味著發(fā)動(dòng)機(jī)可以運(yùn)行在任何轉(zhuǎn)速而不受整車車速限制，即實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與整車車速的完全解耦。

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)輸出功率從外轉(zhuǎn)子輸出，因?yàn)閮?chǔ)能裝置的存在，該輸出功率由兩部分組成，一部分直接來(lái)自輸入功率，通過(guò)內(nèi)氣隙磁場(chǎng)傳遞輸入，另一部分來(lái)自儲(chǔ)能裝置，通過(guò)交/直流變換器、定子、外氣隙磁場(chǎng)傳遞輸入。

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)輸出功率Pout計(jì)算式為：

由式（3）可知，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)輸出端存在功率合流作用，因此其輸出端的轉(zhuǎn)矩除了通過(guò)內(nèi)氣隙磁場(chǎng)直接傳遞的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，還有儲(chǔ)能裝置通過(guò)外氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩,這樣通過(guò)改變外氣隙的電磁轉(zhuǎn)矩可以實(shí)現(xiàn)整車輸出轉(zhuǎn)矩變化而保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不變，即實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與整車轉(zhuǎn)矩的完全解耦。由此可得雙轉(zhuǎn)子電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩計(jì)算式為：

由上述可知，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置在系統(tǒng)功率分流中起到重要作用。傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用功率跟隨控制，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率跟隨整車所需功率呈正比變化，如果發(fā)動(dòng)機(jī)采用最佳效率點(diǎn)控制策略，會(huì)面臨某工況輸出功率過(guò)多或不足的情況。在雙轉(zhuǎn)子電機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)整車所需功率小于內(nèi)燃機(jī)輸入功率時(shí)，多余的功率可以儲(chǔ)存到儲(chǔ)能裝置中，避免了多余功率的浪費(fèi)；當(dāng)系統(tǒng)輸出端所需功率大于內(nèi)燃機(jī)輸入功率時(shí)，不足的功率可以由儲(chǔ)能裝置補(bǔ)足，實(shí)現(xiàn)對(duì)整車需求功率的削峰填谷，確保內(nèi)燃機(jī)有更多的機(jī)會(huì)運(yùn)行在最佳效率點(diǎn)附近，其最佳效率曲線如圖2所示[2]。同時(shí)該曲線上還存在一個(gè)等效最佳工作點(diǎn)B，當(dāng)汽車的實(shí)際運(yùn)行工況在圖2所示的工作點(diǎn)A時(shí)，利用雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩解耦功能，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠運(yùn)行在最佳工作點(diǎn)B而不受汽車行駛工況影響，從而提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)最佳效率曲線

3 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)拓?fù)?/h2>

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)基于內(nèi)部電機(jī)結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)分布存在不同的類別，但其原理基本相同。按照是否使用碳刷和滑環(huán)，可以將其分為有刷式和無(wú)刷式兩大類。

3.1 有刷式

按照內(nèi)部電機(jī)機(jī)理的不同，可以將有刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)分為感應(yīng)式、永磁同步式和磁阻式3種。

3.1.1 感應(yīng)式

荷蘭國(guó)家應(yīng)用科學(xué)研究院和荷蘭代爾夫特科技大學(xué)的Hoeijmakers教授[3，4]基于感應(yīng)電機(jī)的串級(jí)調(diào)速原理提出電氣無(wú)級(jí)變速器EVT。Hoeijmakers教授將兩個(gè)鼠籠型感應(yīng)電機(jī)同心布置，內(nèi)轉(zhuǎn)子和定子都采用繞線式，外轉(zhuǎn)子采用雙層的獨(dú)立鼠籠結(jié)構(gòu)，這樣繞線式內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的內(nèi)鼠籠構(gòu)成內(nèi)感應(yīng)電機(jī)，繞線式定子和外轉(zhuǎn)子的外鼠籠構(gòu)成外感應(yīng)電機(jī)。內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)內(nèi)交/直流變換器與儲(chǔ)能裝置相連，定子繞組同樣通過(guò)外交/直流變換器與儲(chǔ)能裝置相連，因此從內(nèi)轉(zhuǎn)子輸入的功率能夠在內(nèi)電機(jī)、外電機(jī)和儲(chǔ)能裝置之間流動(dòng)。

3.1.2 永磁式

瑞典皇家工學(xué)院的Chandur Sadarangani教授[5]提出了四象限能量變換器4QT，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本與EVT相同，只是外轉(zhuǎn)子不再采用鼠籠結(jié)構(gòu)，取而代之的是在內(nèi)外側(cè)貼有永磁體，這樣內(nèi)外電機(jī)都是同步電機(jī)。與EVT相比，采用矢量控制的4QT控制更簡(jiǎn)單，同時(shí)4QT永磁體通過(guò)改變充磁方向可以有效改善內(nèi)外電機(jī)磁場(chǎng)耦合現(xiàn)象。斯坦陵布什大學(xué)的GI Oosthuizen等人[6]通過(guò)一種極間方位導(dǎo)向磁鐵實(shí)現(xiàn)無(wú)鐵芯磁導(dǎo)通，因此可以采用更輕的磁性材料，如鋁或碳纖維塑料來(lái)替代鐵芯，消除了永磁式雙轉(zhuǎn)子電機(jī)中與鐵芯相關(guān)的磁滯和渦流損耗。美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)徐隆亞教授基于4QT的研究成果，采用外轉(zhuǎn)子單層永磁體結(jié)構(gòu)，提出了雙機(jī)械端口電機(jī)DMP，DMP因?yàn)椴捎脝螌佑来朋w的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)使得內(nèi)外電機(jī)成為一個(gè)整體，兩者的耦合度更高，但也正因?yàn)檫@個(gè)結(jié)構(gòu)使得DMP的磁場(chǎng)更加復(fù)雜非線性，增大了對(duì)其控制的難度[7]。DMP的磁場(chǎng)分布如圖3所示。

圖3 雙機(jī)械端口電機(jī)磁場(chǎng)分布

為提高永磁式DRM性能并滿足控制需求，我國(guó)學(xué)者對(duì)其內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步改善。中國(guó)科學(xué)院電工研究所的莊興明[8]提出了一種輻型磁鋼雙機(jī)械端口電機(jī)，該電機(jī)類似于同一磁場(chǎng)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，其外轉(zhuǎn)子上的永磁體是內(nèi)外電機(jī)共用的，不同之處在于永磁體呈輻型布置，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

中國(guó)科學(xué)院微電子研究所的范濤[9]通過(guò)對(duì)輻型磁鋼雙機(jī)械端口電機(jī)進(jìn)行有限元仿真分析發(fā)現(xiàn)，外電機(jī)d軸磁鏈的減弱可以反增內(nèi)電機(jī)的d軸磁鏈，通過(guò)控制內(nèi)外電機(jī)的負(fù)d軸電流可以有效增強(qiáng)外內(nèi)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力，驗(yàn)證了該輻型磁鋼雙機(jī)械端口電機(jī)具有良好的電磁耦合特性和系統(tǒng)效率。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鄭萍教授與瑞典皇家工學(xué)院的Chandur Sadarangani教授[10，11]合作對(duì)4QT進(jìn)行了磁場(chǎng)耦合分析，通過(guò)改變內(nèi)部永磁體布置優(yōu)化了磁場(chǎng)分布，提高了電機(jī)性能并且降低了電機(jī)控制難度，鄭萍教授將其命名為復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)，并基于不同方向的磁場(chǎng)提出了6種典型的拓?fù)浞桨福瑢?duì)不同的方案進(jìn)行了初步的理論研究，分析了各種方案的優(yōu)勢(shì)，并研制了相關(guān)樣機(jī)[12,13]。

圖4 輻型磁鋼雙機(jī)械端口電機(jī)結(jié)構(gòu)

3.1.3 磁阻式

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的崔淑梅教授[14]基于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)原理提出了開(kāi)關(guān)磁阻式四端口機(jī)電能量變換器。該結(jié)構(gòu)外轉(zhuǎn)子采用內(nèi)外雙凸極結(jié)構(gòu)，與其它結(jié)構(gòu)相比具有更高的可靠性、較寬的恒功率區(qū)和調(diào)速范圍。但該結(jié)構(gòu)會(huì)引起其外轉(zhuǎn)子軛部易飽和，并且電機(jī)本身磁路也處于高度飽和狀態(tài)[15]。江蘇大學(xué)的全力教授[16]提出了一種雙轉(zhuǎn)子雙凸極永磁電機(jī)，該結(jié)構(gòu)的中間轉(zhuǎn)子類似于磁阻式電機(jī)結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠浜?jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，不僅有高的機(jī)械魯棒性，也可以有效地避免冷卻問(wèn)題。

由上述可知，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于雙轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)的研究主要集中在對(duì)永磁同步式結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，主要方式是通過(guò)改變永磁體排列布置來(lái)優(yōu)化電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)分布以進(jìn)一步提高電機(jī)性能。

3.2 無(wú)刷式

為了保證雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的更優(yōu)性能，越來(lái)越多的學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)將重點(diǎn)集中在雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的無(wú)刷化。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，目前雙轉(zhuǎn)子電機(jī)無(wú)刷化研究主要分為兩類：一類在不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上采用第3套電磁機(jī)構(gòu)替換集電環(huán)；另一類采用新型結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)無(wú)刷化。

3.2.1 電磁機(jī)構(gòu)式

華中科技大學(xué)的黃聲華教授[17]參考變速恒頻發(fā)電用無(wú)刷雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)，用一套與原轉(zhuǎn)子繞組反相序相連的轉(zhuǎn)子繞組和一套與之相對(duì)應(yīng)的獨(dú)立定子繞組替代集電環(huán)，提出一種無(wú)刷雙饋雙機(jī)械端口電機(jī)，如圖5所示。該結(jié)構(gòu)能夠利用磁場(chǎng)完成轉(zhuǎn)差功率的回饋，并且允許內(nèi)外轉(zhuǎn)子之間有很大的轉(zhuǎn)速差，這意味著它更適用于低速大轉(zhuǎn)矩的混合動(dòng)力汽車工作環(huán)境。黃聲華教授[18,19]提出了3種不同的結(jié)構(gòu)布置方案，分析了各方案的原理，并基于仿真驗(yàn)證了它們的可行性。

圖5 無(wú)刷雙饋雙機(jī)械端口電機(jī)結(jié)構(gòu)

華南理工大學(xué)的羅玉濤與廣州汽車集團(tuán)的黃向東[20,21]提出用6組互感式非接觸集流器替代集電環(huán)電磁耦合無(wú)級(jí)變速器，如圖6所示。該系統(tǒng)將電磁滑差耦合式機(jī)械傳動(dòng)與級(jí)聯(lián)式電傳動(dòng)相結(jié)合，采用非接觸旋轉(zhuǎn)輸電以實(shí)現(xiàn)功率分匯，并且通過(guò)將變頻和調(diào)磁相結(jié)合來(lái)進(jìn)行調(diào)速,使得系統(tǒng)在某個(gè)常規(guī)調(diào)速范圍內(nèi)保持更高的效率，因此該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)拓?fù)涓泳o湊、調(diào)控性能更加優(yōu)良、運(yùn)轉(zhuǎn)更加可靠[22]。他們建立了樣機(jī)有限元模型和數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行系統(tǒng)建模仿真，分析了EMCVT的功率流向，同時(shí)對(duì)氣隙磁密、反電勢(shì)等參數(shù)進(jìn)行了仿真分析[23]。

圖6 電磁耦合無(wú)級(jí)變速器結(jié)構(gòu)

3.2.2 爪極式

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鄭萍教授[24]提出了一種無(wú)刷爪極雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，并建立基于邊界轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)分析電機(jī)的磁通密度、轉(zhuǎn)矩特性和損耗等驗(yàn)證了其可行性。該種結(jié)構(gòu)因?yàn)椴淮嬖诙瞬坷@組，有著更高的槽滿率和更低的銅損，并且各相軸向布置互相分離，意味著電機(jī)設(shè)計(jì)的容錯(cuò)率更高。具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.2.3 磁場(chǎng)調(diào)制式

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鄭萍教授[25]基于磁場(chǎng)調(diào)制原理提出了一種軸向磁場(chǎng)調(diào)制無(wú)刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，并分析了電機(jī)的內(nèi)部連接方式和匹配關(guān)系。該磁場(chǎng)調(diào)制無(wú)刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)通過(guò)調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子對(duì)內(nèi)外磁場(chǎng)進(jìn)行諧波調(diào)制，實(shí)現(xiàn)調(diào)制磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)匹配，其剖面如圖8所示。圖8中，TPM為永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩；Tm為調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩；Ts為第一定子磁場(chǎng)電磁轉(zhuǎn)矩。

圖7 無(wú)刷爪極式雙轉(zhuǎn)子電機(jī)三維圖

圖8 軸向磁場(chǎng)調(diào)制無(wú)刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)剖面圖

磁場(chǎng)調(diào)制無(wú)刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)有效地解決了線圈過(guò)熱和碳刷滑環(huán)不利于穩(wěn)定性的問(wèn)題，同時(shí)因?yàn)楦m用于正弦電流驅(qū)動(dòng)，它的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)也更小，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)制環(huán)的電流頻率能夠有效地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速解耦，但轉(zhuǎn)矩并不能實(shí)現(xiàn)完全解耦控制而是以一定的比率傳遞。鄭萍教授[26]提出了該種電機(jī)的6種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并著重分析了徑向磁場(chǎng)調(diào)制型的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部原理，采用有限元方法分析電機(jī)內(nèi)外磁場(chǎng)，并基于功率因數(shù)從永磁體極對(duì)數(shù)與磁塊數(shù)匹配、矢跨比、磁塊徑向厚度和空氣氣隙長(zhǎng)度等方面對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。香港理工大學(xué)的傅為農(nóng)教授[27]同樣基于磁場(chǎng)調(diào)制原理提出雙定子雙轉(zhuǎn)子無(wú)刷電力無(wú)級(jí)變速器，但該結(jié)構(gòu)的內(nèi)外定轉(zhuǎn)子集成在同一徑向，因此結(jié)構(gòu)更加緊湊，如圖9所示。針對(duì)該結(jié)構(gòu)內(nèi)外定轉(zhuǎn)子高度集成，不可避免存在磁場(chǎng)耦合，對(duì)兩組定子無(wú)法簡(jiǎn)單地獨(dú)立控制。傅為農(nóng)教授[28]將軸向和徑向兩種磁通結(jié)構(gòu)集成在一起，通過(guò)軸向磁路上的磁齒輪效應(yīng)以及磁場(chǎng)集中作用在軸向和徑向方向上，有效地簡(jiǎn)化控制并改善轉(zhuǎn)矩輸出特性，并且采用了雙外定子結(jié)構(gòu)得到了更高的轉(zhuǎn)矩密度。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外基于不同電機(jī)機(jī)理提出了各種形式的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)。因?yàn)殡p轉(zhuǎn)子電機(jī)內(nèi)外磁場(chǎng)耦合導(dǎo)致內(nèi)部磁場(chǎng)分布復(fù)雜，為了避免可能帶來(lái)的扭矩波動(dòng)、損耗高和控制困難等問(wèn)題，大部分研究集中在通過(guò)改變永磁體布置來(lái)改善磁場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)電機(jī)性能優(yōu)化。同時(shí)，考慮到汽車對(duì)高可靠性的要求，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)無(wú)刷化已成為一種趨勢(shì)，目前的解決方案主要分為兩大類，一類是采用第3套電磁機(jī)構(gòu)替代集電環(huán)，另一類從電機(jī)基本原理上避免集電環(huán)的存在。

圖9 雙定子雙轉(zhuǎn)子無(wú)刷電力無(wú)級(jí)變速器結(jié)構(gòu)

4 控制策略

4.1 底層控制

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)雖然具有內(nèi)外電機(jī)集成的特殊結(jié)構(gòu)，但其本質(zhì)仍然是電機(jī)，傳統(tǒng)電機(jī)的控制方法仍然適用于雙轉(zhuǎn)子電機(jī)。目前為止，最常用于雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的控制策略仍以矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和弱磁控制為主。

對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)控制時(shí)，如果采用忽略內(nèi)外磁場(chǎng)耦合的模型，則電機(jī)電感參數(shù)與實(shí)際會(huì)有很大差異，這將引起控制誤差，因此必須考慮內(nèi)外電機(jī)線圈之間產(chǎn)生的互感。華中科技大學(xué)的龐珽[29]建立了雙轉(zhuǎn)子電機(jī)同步坐標(biāo)系，基于該坐標(biāo)系建立了雙轉(zhuǎn)子電機(jī)耦合數(shù)學(xué)模型，并且根據(jù)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)在不同工況下的運(yùn)行需求提出了轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速兩種電機(jī)控制模式。里爾第一大學(xué)等人[30]基于能量宏觀表示法EMR對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模，根據(jù)系統(tǒng)的能量流動(dòng)特點(diǎn)建立3條控制鏈以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制目標(biāo)?；贓MR模型，他們提出了轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略，有效地減少了負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)內(nèi)燃機(jī)遲滯效應(yīng)帶來(lái)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和動(dòng)態(tài)性能變差，并利用直軸電樞反應(yīng)使電機(jī)氣隙磁場(chǎng)減弱，實(shí)現(xiàn)了雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的弱磁控制[31,32]。因?yàn)閭鹘y(tǒng)矢量控制采用id=0的控制方法，沒(méi)有充分利用電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電機(jī)效率低下，大不里士大學(xué)的Afsharirad H等人[33]針對(duì)這一問(wèn)題將每安培最大轉(zhuǎn)矩控制加入到矢量控制中，仿真結(jié)果表明，相比以前的方案，該控制方法有效降低了線圈電阻損耗，提升了電機(jī)效率。

文獻(xiàn)[34]單獨(dú)分析雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的巡航工況，提出基于三相半控整流電路的功率直接控制策略。該控制策略可以合理分配內(nèi)外電機(jī)傳遞回直流母線的能量，實(shí)現(xiàn)無(wú)等效參數(shù)的電池回流能量控制，并且保持發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效率曲線的同時(shí)滿足工況需求。北京理工大學(xué)莊興明等人[7]分析了采用直接轉(zhuǎn)矩控制方法的條件，用空間矢量調(diào)制直接轉(zhuǎn)矩控制方法實(shí)現(xiàn)輻型磁鋼雙機(jī)械端口電機(jī)的解耦控制，使內(nèi)、外電機(jī)能各自獨(dú)立控制轉(zhuǎn)矩且相互影響很小。

4.2 整車控制

目前雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的整車控制策略以發(fā)動(dòng)機(jī)最佳效率工作曲線控制策略為基礎(chǔ)。在該控制下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率隨負(fù)載變化而變化，并且發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)始終在最佳效率曲線上變化。為了更加合理協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)、雙轉(zhuǎn)子電機(jī)、動(dòng)力電池等部件能量分配，最優(yōu)控制被應(yīng)用于雙轉(zhuǎn)子電機(jī)整車控制中以實(shí)現(xiàn)基于汽車行駛工況下的系統(tǒng)效率最優(yōu)。

4.2.1 模糊控制

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Abdelsalam Ahmed Abdelsalam[35]提出了雙轉(zhuǎn)子電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的模糊邏輯全局功率管理策略。該控制策略包含3個(gè)模糊邏輯控制器：第1個(gè)主要用于控制內(nèi)燃機(jī)使其運(yùn)行在最高效率工作曲線；第2個(gè)用于優(yōu)化摩擦制動(dòng)與再生能量制動(dòng)之間的制動(dòng)能量分配；第3個(gè)是開(kāi)/關(guān)模糊邏輯控制器，主要用于雙轉(zhuǎn)子內(nèi)外電機(jī)整車轉(zhuǎn)矩和其它能量分配。該控制策略在滿足整車功率需求的情況下，能夠有效地控制電池SOC值在合理范圍內(nèi)。圖10為雙轉(zhuǎn)子電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)模糊邏輯全局功率管理策略。圖10中，U1為內(nèi)電機(jī)輸入電壓；U2為外電機(jī)輸入電壓；Pbat為電池功率；m1內(nèi)電機(jī)逆變器控制信號(hào)；m2外電機(jī)逆變器控制信號(hào)；T1_ref為內(nèi)電機(jī)參考轉(zhuǎn)矩；T2_ref為外電機(jī)參考轉(zhuǎn)矩；Kd為再生分布因子；Ttot_ref為再生制動(dòng)參考轉(zhuǎn)矩。

圖10 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)模糊邏輯全局功率管理策略

4.2.2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的程遠(yuǎn)[36]在動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的基礎(chǔ)上提出了雙轉(zhuǎn)子電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)全局優(yōu)化控制策略，該全局優(yōu)化控制策略利用逆序遞推算法逆向求取最低油耗。但考慮到動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法需要預(yù)知路況情況，實(shí)際應(yīng)用存在難度，為了提高控制策略的可行性，將其用于瞬時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)確定，改進(jìn)后基于瞬態(tài)的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)全局優(yōu)化控制策略在兼顧系統(tǒng)效率優(yōu)化的同時(shí)計(jì)算量較小，實(shí)際應(yīng)用情況較好。

綜上所述，對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的控制仍然采用內(nèi)外電機(jī)分別控制，為了避免磁場(chǎng)耦合帶來(lái)的控制偏差，建立基于磁場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)解耦控制尤為重要，但目前大多數(shù)研究主要集中在優(yōu)化單個(gè)電機(jī)控制策略，沒(méi)有考慮磁場(chǎng)耦合帶來(lái)的影響，缺乏整體性。而基于雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的整車控制策略主要以發(fā)動(dòng)機(jī)最佳效率工作曲線控制策略為基礎(chǔ)，通過(guò)模糊控制、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)策略合理分配發(fā)動(dòng)機(jī)、雙轉(zhuǎn)子電機(jī)、儲(chǔ)能裝置等部件之間的功率流向，最終實(shí)現(xiàn)整車全局能量分配最優(yōu)。

5 冷卻系統(tǒng)

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)因?yàn)槠涓叨燃傻慕Y(jié)構(gòu)，其內(nèi)轉(zhuǎn)子散熱問(wèn)題嚴(yán)重，過(guò)高的溫度會(huì)造成永磁體消磁。與傳統(tǒng)電機(jī)結(jié)構(gòu)相比，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子插槽更深，這也導(dǎo)致更多的銅損，因此雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的冷卻要求更高，普通電機(jī)的冷卻系統(tǒng)無(wú)法滿足其要求。

5.1 油冷卻

上海大學(xué)的黃蘇融教授[37]提出一種全新的油冷結(jié)構(gòu)，冷卻液流通路徑如圖11所示。通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)仿真及試驗(yàn)測(cè)試表明，該油冷卻系統(tǒng)可大大降低內(nèi)轉(zhuǎn)子溫度并提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。

5.2 風(fēng)冷卻

為了避免風(fēng)冷冷卻量不足的問(wèn)題，東南大學(xué)的孫西凱[38]提出一種雙層通風(fēng)口結(jié)構(gòu)的冷卻系統(tǒng)，如圖12所示。在內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)部除了存在主通風(fēng)口，在內(nèi)轉(zhuǎn)子齒中心還增加了輔助通風(fēng)口，通過(guò)兩個(gè)通風(fēng)口的聯(lián)合散熱有效降低內(nèi)轉(zhuǎn)子溫度。通過(guò)有限元仿真分析驗(yàn)證了采用輔助通風(fēng)口結(jié)構(gòu)的內(nèi)轉(zhuǎn)子溫度能得到有效的降低。

5.3 混合冷卻

為了進(jìn)一步提高冷卻效果，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鄭萍教授[39]提出了混合冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)采用風(fēng)冷和水冷相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，如圖13a所示。但根據(jù)二維有限元熱模型仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外定子繞組降溫主要依靠水冷系統(tǒng)而內(nèi)轉(zhuǎn)子降溫主要依靠強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)，同時(shí)外定子上的風(fēng)冷通道對(duì)外定子的綜合冷卻效率無(wú)益。因此對(duì)原有冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，取消了外定子上的風(fēng)冷通道，并改變了水冷通道的橫截面形狀，將數(shù)量減少至12個(gè)，如圖13b所示，結(jié)果表明，改進(jìn)的冷卻系統(tǒng)具有更好的散熱性能。

圖12 內(nèi)轉(zhuǎn)子雙層通風(fēng)口結(jié)構(gòu)的冷卻系統(tǒng)

圖13 改進(jìn)前、后雙轉(zhuǎn)子電機(jī)混合冷卻系統(tǒng)

目前對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)冷卻系統(tǒng)研究較少，雖然基于風(fēng)冷、油冷以及混合冷卻等方案被提出，但結(jié)構(gòu)都過(guò)于復(fù)雜，并不利于雙轉(zhuǎn)子電機(jī)整體可靠性。

6 雙轉(zhuǎn)子電機(jī)技術(shù)難點(diǎn)分析

6.1 電機(jī)參數(shù)優(yōu)化

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)存在功率密度較低、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大、低速轉(zhuǎn)矩不夠大、弱磁升速能力差等問(wèn)題，為此需對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、極對(duì)數(shù)、氣隙長(zhǎng)度、主要尺寸比等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)作為動(dòng)力耦合裝置應(yīng)用于汽車，必然要求其具有較寬的調(diào)速能力,同時(shí)考慮汽車復(fù)雜的行駛工況，為了滿足汽車的功率和調(diào)速需求，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的功率參數(shù)往往選取過(guò)大，這不僅增加了電機(jī)的尺寸，也不利于電機(jī)工作在高效率區(qū)。為了有效改善雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的工作區(qū)間，優(yōu)化電機(jī)參數(shù)，可以通過(guò)將齒輪變速器或行星齒輪機(jī)構(gòu)組與雙轉(zhuǎn)子電機(jī)相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)整車參數(shù)最優(yōu)匹配。

6.2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電機(jī)的發(fā)熱和冷卻問(wèn)題極大地影響了電機(jī)的壽命、可靠性和整體性能，過(guò)高的溫度會(huì)直接影響電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子因?yàn)槠涿荛]的工作環(huán)境，比一般電機(jī)對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求更高，雖然油冷方案效果較好，但其對(duì)密封性要求苛刻，不僅增加了電機(jī)的成本，也降低了安全性。相比傳統(tǒng)風(fēng)冷方案，改進(jìn)后的風(fēng)冷方案和混合冷卻方案散熱效果仍然一般，并且結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜。一種簡(jiǎn)單、低成本、高效能的冷卻系統(tǒng)仍未提出。

6.3 磁場(chǎng)耦合分析與解耦控制

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的徑向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了內(nèi)部必然存在復(fù)雜的電磁耦合現(xiàn)象，這大大增加了對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的控制難度。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的精確控制，一些學(xué)者從電機(jī)本身結(jié)構(gòu)入手，提出分體式結(jié)構(gòu)和異向磁路的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，前者避免了內(nèi)外磁場(chǎng)的耦合，但加大了電機(jī)的整體布置空間，后者通過(guò)改變轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)布置以改變內(nèi)外磁路方向降低了磁場(chǎng)耦合，但加大了電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，不利于提高電機(jī)可靠性和降低成本。同時(shí)，基于變參數(shù)模型、電壓或轉(zhuǎn)矩等的解耦控制被提出，但這些控制是基于忽略某些復(fù)雜變參數(shù)的簡(jiǎn)化模型上得來(lái)的，控制存在誤差，不能完全滿足精確控制要求。

6.4 無(wú)刷化

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的無(wú)刷化研究近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)，特別是國(guó)內(nèi)學(xué)者基于不同原理提出了不同的無(wú)刷結(jié)構(gòu)。但這些結(jié)構(gòu)主要思想是采用第3套電磁機(jī)構(gòu)去替代內(nèi)轉(zhuǎn)子上的電刷滑環(huán)組成的接觸式集電環(huán)，雖然避免了集電環(huán)帶來(lái)的弊端，但它們卻也存在著不足：結(jié)構(gòu)比以前更加復(fù)雜，不利于電機(jī)的可靠性；能量轉(zhuǎn)換效率較集電環(huán)低，造成更多能量的損失；電磁機(jī)構(gòu)的體積和質(zhì)量比集電環(huán)有所增大，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)功率密度降低[4]。

7 結(jié)論及展望

雙轉(zhuǎn)子電機(jī)因?yàn)槠鋬?yōu)異的性能在汽車領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前全世界對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的研究主要集中在將其作為動(dòng)力耦合裝置應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車，但研究仍處于初級(jí)階段，完整的研究體系還未形成，試驗(yàn)研制的樣機(jī)性能較差并不能滿足實(shí)際應(yīng)用。除此之外，因?yàn)殡p轉(zhuǎn)子電機(jī)的特殊雙機(jī)械輸出結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)電機(jī)擁有更靈活的能量流向，更適應(yīng)汽車復(fù)雜多變的行駛工況，將雙轉(zhuǎn)子電機(jī)作為動(dòng)力源或輪轂電機(jī)應(yīng)用于純電動(dòng)汽車將會(huì)具有很大的潛力。綜合現(xiàn)階段雙轉(zhuǎn)子電機(jī)面臨的技術(shù)難點(diǎn)，可以得出今后研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。

a.電機(jī)本體優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。內(nèi)外電機(jī)徑向集成結(jié)構(gòu)加大了雙轉(zhuǎn)子電機(jī)內(nèi)部復(fù)雜度，同時(shí)導(dǎo)致內(nèi)部散熱困難，針對(duì)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、極對(duì)數(shù)、氣隙長(zhǎng)度、主要尺寸比等參數(shù)優(yōu)化變得尤為重要。

b.解耦控制研究。內(nèi)外磁場(chǎng)耦合造成電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩不能單獨(dú)控制，增大了控制的難度。為了建立基于坐標(biāo)變換的解耦控制，需要重點(diǎn)研究準(zhǔn)確辨識(shí)電機(jī)參數(shù)的方法，包括雙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差測(cè)量傳感器的研發(fā)。

c.無(wú)刷化研究。為了提高電機(jī)可靠性，增加使用壽命，必須避免集電環(huán)的使用。雖然目前存在各種第三套電磁機(jī)構(gòu)替代方案，但結(jié)構(gòu)都過(guò)于復(fù)雜并不利于電機(jī)整體性能。

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（責(zé)任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2016年8月30日。

Research Progress of Hybrid Power System Based on Dual-rotor Motor

He Ren,Yang Qi

（Jiangsu University,Zhenjiang 212013）

Dual-rotor motor can be widely used in hybrid system for its flexible energy transfer characteristics.In this paper,the structure and working principle of the dual-rotor motor hybrid system was introduced.According to present situation of research both in China and abroad,we compared and analyzed the advantages and disadvantages of the dualrotor motor with different topological structures and introduced the control strategy of motor and vehicle and relevant research achievement of the cooling system design.By summing up the technical difficulties faced for the dual-rotor motor at present stage,we proposed the focus of research and development trend in the future.

Hybrid system,Dualrotor motor,Performance

混合動(dòng)力系統(tǒng) 雙轉(zhuǎn)子電機(jī) 性能

U469.72

A

1000-3703（2017）01-0012-08

江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目（13KJA580001）。