雙機(jī)械端口磁通切換永磁無(wú)刷電機(jī)及其多模式驅(qū)動(dòng)控制研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著對(duì)能源、環(huán)境等重要問(wèn)題的持續(xù)關(guān)切，以“高電氣化程度、高能源效率”為設(shè)計(jì)理念的電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車等新能源汽車在全球范圍內(nèi)獲得了迅猛的發(fā)展。與此同時(shí)，為滿足現(xiàn)代復(fù)雜的綜合性工況需求，新能源汽車對(duì)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)提出了高傳動(dòng)效率、多驅(qū)動(dòng)運(yùn)行模式和小型輕量化等較為嚴(yán)苛的新需求。雙機(jī)械端口永磁電機(jī)，作為一種具有雙動(dòng)力輸入或輸出端口的新類型電機(jī)，不僅具有高功率/轉(zhuǎn)矩密度、高效率和寬速度運(yùn)行范圍等綜合性能方面的優(yōu)點(diǎn)，而且具備電

2、機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)力傳遞和分配靈活及驅(qū)動(dòng)運(yùn)行模式豐富等特點(diǎn)，在電機(jī)領(lǐng)域中引起了眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，目前已成為現(xiàn)代混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)研究的熱點(diǎn)方向之一。
　　本文將“定子永磁型”電機(jī)理論與雙機(jī)械端口類電機(jī)相融合，提出了一種雙機(jī)械端口磁通切換永磁無(wú)刷(Dual-Mechanical-Port Flux-Switching PermanentMagnet brushless，簡(jiǎn)稱DMP-FSPMBL)電機(jī)，并較為深入系統(tǒng)地對(duì)該電機(jī)進(jìn)

3、行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.將高功率密度、高效率定子永磁型FSPM電機(jī)設(shè)計(jì)理念融入雙機(jī)械端口電機(jī)，提出結(jié)構(gòu)新穎的DMP-FSPMBL電機(jī)。在闡述該電機(jī)基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，建立了內(nèi)外電機(jī)的功率尺寸方程，對(duì)內(nèi)外電機(jī)的極槽配比、永磁體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、繞組匝數(shù)、額定相電流等開(kāi)展了初始設(shè)計(jì)。此外，采用磁路法對(duì)內(nèi)外電機(jī)之間的磁耦合特性進(jìn)行定性分析，并由此確定了采用定子隔磁磁障的設(shè)計(jì)方法降低內(nèi)外電機(jī)的磁路耦合。

4、r>　　2.將內(nèi)外電機(jī)功率最優(yōu)分配的設(shè)計(jì)思想引入DMP-FSPMBL電機(jī)的設(shè)計(jì)，以電機(jī)系統(tǒng)的磁負(fù)荷和電負(fù)荷作為綜合約束條件，探索并提出了該類電機(jī)在結(jié)構(gòu)尺寸和電機(jī)總功率等多個(gè)約束限制下的內(nèi)外電機(jī)的最優(yōu)裂比。
　　3.針對(duì)該類DMP-FSPMBL電機(jī)存在內(nèi)外兩個(gè)電機(jī)，集成度高、磁路復(fù)雜等特點(diǎn)，提出一種基于電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)“敏感度分層”的多目標(biāo)優(yōu)化策略，并分別采取“響應(yīng)面法”和“多目標(biāo)遺傳算法”對(duì)不同敏感層進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了“輸出轉(zhuǎn)矩

5、”、“轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)”和“內(nèi)外電機(jī)磁耦合程度”等多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的綜合權(quán)衡和性能最優(yōu)。該多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為解決具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)永磁類電機(jī)的快速高效設(shè)計(jì)，提供一種行之有效的電機(jī)設(shè)計(jì)思路和方法。
　　4.采用有限元法對(duì)DMP-FSPMBL電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)、定位力矩、電感、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和磁耦合特性等電磁性能進(jìn)行較為詳細(xì)的評(píng)估和分析，初步驗(yàn)證了本文所提電機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性以及多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的有效性。此外，研究了內(nèi)外電機(jī)的運(yùn)行效率MAP和不同運(yùn)行

6、電流角MAP特性，揭示了DMP-FSPMBL電機(jī)具備在寬速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率和可靠性運(yùn)行的潛在能力。
　　5.將DMP-FSPMBL電機(jī)與非接觸式永磁行星齒輪磁力傳動(dòng)部件相結(jié)合，構(gòu)建了具有結(jié)構(gòu)空間緊湊、動(dòng)力集成度高的無(wú)刷化電磁式混合動(dòng)力系統(tǒng)。建立了該混合動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，初步分析了該混合動(dòng)力系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)復(fù)雜運(yùn)行工況情形下的多種驅(qū)動(dòng)運(yùn)行模式及功率流傳輸途徑。
　　6.建立了基于DMP-FSPMBL電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)整車仿真模型，

7、研究了“純電優(yōu)先”的整車驅(qū)動(dòng)控制策略;研究了該系統(tǒng)在多模式驅(qū)動(dòng)運(yùn)行下的連續(xù)變速和連續(xù)變載基本性能。并且，在NEDC工況的基礎(chǔ)上，分析了電機(jī)及整車動(dòng)力系統(tǒng)的連續(xù)工況能力，探討了其潛在的應(yīng)用可行性。
　　7.加工了DMP-FSPMBL實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，搭建了混合動(dòng)力系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)電機(jī)的基本性能和混合動(dòng)力系統(tǒng)在多種驅(qū)動(dòng)模式下的變速變載特性進(jìn)行了測(cè)試和綜合評(píng)估。
　　理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了DMP-FSPMBL電機(jī)以及相應(yīng)的混合動(dòng)力合