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原文传递磁齿轮功率分配电机的分析、设计与控制

论文题名：	磁齿轮功率分配电机的分析、设计与控制
关键词：	混合动力汽车;同轴磁齿轮;功率分配;双转子电机;扭矩协调
摘要：	新能源汽车是当前汽车工业发展的大势所趋，其中，混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle，HEV)技术作为从传统内燃机汽车到纯电动汽车机车之间的过渡产品，已然成为当今汽车技术的研究热点。混联式混合动力汽车的功率分配系统可以使内燃机持续运行在高效的工况下，然而，目前主流的混联技术被丰田汽车集团的行星齿轮系统长期垄断。除了商业垄断以外，齿轮机构本身也有机械磨损和间隙等缺点，因此，全电气化的传动系统解决方案是混合动力技术的发展方向。　　与此同时，电机学领域的磁齿轮技术得到了业内广泛的关注，这是因为磁齿轮可以避免机械齿轮的机械磨损，这一特点降低了系统的维护成本，提高了系统的可靠性。其中，同轴磁齿轮(CoaxialMagnetic Gear,CMG)的运动学特征与行星齿轮恰好一致，将永磁同步电机与同轴磁齿轮结合形成磁齿轮功率分配电机(Magntic-geared Power Split Motor，MGPSM)，在功能上可以取代现有混联式HEV动力系统中的功率分配装置。本文以MGPSM电机为对象，研究了其运行原理，提出了完整的分析方法，建立了数学模型，揭示了该电机的主要特点并加以利用，从而提高了MGPSM电机的性能。这些工作为MGPSM电机的进一步研究和工业应用奠定了基础。　　论文主要研究成果包括以下几个方面: 　　1.分析了MGPSM电机的结构特点和运行原理。总结了MGPSM电机在HEV应用背景下的设计要求和规则，同时，首次揭示并解释了现有MGPSM电机结构上的缺点。　　2.首次发现MGPSM电机的互补转矩不变性特点，即内转子与外转子同时进行分段斜槽设计时，只要二者跨过的电角度一致，那么电机的转矩输出可以保持不变，这一特点与传统永磁电机截然不同，本文从电磁学角度解释了该现象的原理。　　3.利用MGPSM电机的互补转矩不变性，首次提出了一种消除MGPSM电机磁路不对称性的互补设计方法。即通过合理设计MGPSM电机的内转子与外转子分段斜槽跨过的电角度，同时实现气隙磁密谐波消除和整体输出转矩保持的目的。应用这种技术，作者设计并制造了一台小功率互补式MGPSM原理样机，从理论和实验上验证了该方法的正确性。　　4.建立了MGPSM电机的功率尺寸方程，基于功率尺寸方程和有限元软件分析了电机主要参数对于MGPSM电机电磁性能的影响。以功率尺寸方程为基础，提出了MGPSM电机的裂比优化设计方法，同时考虑了电磁负荷对于电机铁心饱和程度的影响。对MGPSM电机的结构细节进行了分析，对电机的加工与装配细节做了合理的设计，从而建立了一套完整的设计与制造方法。应用这些技术，作者设计并制造了一台12 kW的工程样机。　　5.建立了MGPSM电机的d-q轴数学模型。将内外转子的运动解耦，计算出空载气隙磁密中有效磁场分量的运动规律及其空间位置，从而将双转子电机等效成一个传统永磁同步电机。利用Matlab软件对MGPSM电机及其与内燃机所构成的混合动力系统进行了运动控制仿真。　　6.构建了HEV的动力系统实验平台，使用MGPSM工程样机对一台真实内燃机的输出功率进行分裂控制，运用电流矢量控制技术实现对MGPSM电机的输出机械功率和输出电功率进行分配调节。完成了MGPSM工程样机在实际混合动力系统中的稳态和动态测试，实现了内燃机与MGPSM电机的扭矩协调控制效率测试。实验结果与理论计算和仿真结果取得较好的一致性。
作者：	孙乐
专业：	电气工程；电机与电器
导师：	程明
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文