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原文传递混合动力汽车用径向磁场调制型无刷双转子电机的研究

论文题名：	混合动力汽车用径向磁场调制型无刷双转子电机的研究
关键词：	混合动力汽车;无刷双转子电机;磁场调制;电磁性能;机械性能;电气参数;功率因数
摘要：	在混合动力技术中，混联式混合动力技术最为先进。目前国际上在该方向的研究方案分为两大类，即基于行星齿轮的机械式方案和基于复合结构电机的纯电气式方案。行星齿轮作为机械式方案动力分配和无级变速传动的核心部件，它是一种精密机械部件，因此机械式方案不可避免地会出现振动、噪声、磨损和定期维护等问题。而基于复合结构电机的纯电气式方案不仅不存在上述问题，而且具有结构简单紧凑、易于控制的优势。目前国际上对有刷式纯电气方案的研究已趋于成熟，研究表明该方案具有技术先进性和竞争力，但也有内转子绕组发热严重等问题急需解决。针对上述问题，本文提出了一种磁场调制型无刷双转子电机（Magnetic-Field Modulated Brushless Double-Rotor Machine,MFM-BDRM）方案，通过与传统电机结合可实现一种全新的纯电气式混合动力方案，而且解决了早期纯电气式方案中内转子绕组发热严重、电刷滑环机构可靠性差、旋转绕组动平衡难以保证等瓶颈问题。本文主要对径向磁场调制型无刷双转子电机（Radial MFM-BDRM,RMFM-BDRM）展开了深入的研究，主要的研究工作包括以下几个方面：　　首先，为了简化RMFM-BDRM内部复杂的机电能量转换关系的分析过程，提出了图解分析方法，并通过该方法对RMFM-BDRM的转速、转矩等运行特性进行了研究。进一步将RMFM-BDRM和机械行星齿轮的运行特性进行了对比分析，表明RMFM-BDRM在功能上完全等同于一个机械行星齿轮加一个电机。根据RMFM-BDRM转子与发动机连接方式的不同，提出了两种不同类型的混合动力系统方案。为了评估两种方案的性能，通过解析分析和图解方法对两种方案的系统效率进行了对比分析，确定了两种方案的适用场合，为混合动力系统的选型提供了理论依据。在此基础上，结合混合动力系统结构特点，建立了RMFM-BDRM的数学模型，为电机的精确控制提供了理论依据。　　其次，为了使RMFM-BDRM具有较高的功率密度和良好的电磁性能，研究了RMFM-BDRM在混合动力汽车应用时的设计原则和设计方法。以发动机的工作特性为出发点，提出了RMFM-BDRM额定参数和特征参数的设计原则，表明RMFM-BDRM可按发动机的最大转矩和期望转速进行设计。结合混合动力汽车对电机电磁性能的要求和RMFM-BDRM工作原理（磁场调制原理）的特殊性，研究了RMFM-BDRM中导磁块和永磁体的最佳尺寸配比、调制环转子中导磁块数与定子、永磁转子极对数的最佳匹配规律、最佳的定子绕组排布方式等设计方法，为获得最优设计方案提供理论依据。同时该设计方法对其他基于磁场调制原理工作的电机同样具有重要的指导意义。　　再次，为了进一步提升电机性能，对RMFM-BDRM中功率因数低和谐波损耗大的特殊电磁问题进行了研究。由于双层气隙结构和调制环转子的存在，使RMFM-BDRM出现了该种电机特有的功率因数低和谐波损耗大的问题，本文称之为RMFM-BDRM的特殊电磁问题。为了提高电机的功率因数，首先通过解析方法对RMFM-BDRM功率因数的影响因素进行了分析，并从定子和永磁转子极对数配比、槽形设计、内功率因数角等方面提出了改善功率因数的方法。为了减少电机的谐波损耗，首先通过解析分析和有限元分析相结合的方法对RMFM-BDRM中各个部分的损耗分布规律进行了定量分析。针对定子损耗大的问题，探讨了不同电机材料对定子损耗的影响规律；针对永磁体损耗大的问题，提出了一种新型永磁转子结构方案并对其损耗、功率因数等电磁性能进行分析和评估。在此基础上，结合混合动力系统工况特点给出了RMFM-BDRM损耗和效率的计算方法，同时给出了考虑功率因数、谐波损耗等影响因素在内的RMFM-BDRM的设计流程。　　然后，为了使电机在车用背景下安全运行，研究了RMFM-BDRM的温升及冷却问题。针对RMFM-BDRM双气隙结构散热困难以及定子、永磁体损耗大的特点，提出了定子水冷和轴向风冷的冷却方案，并针对其冷却系统和关键区域传热特点，建立了二维等效温度场模型。为了评估不同冷却方式的冷却效力，研究了不同冷却条件下的温升分布规律。并结合混合动力汽车的应用背景，研究了不同混合动力工况对RMFM-BDRM温升的影响规律。最终确定了不同工况负载和冷却参数的匹配规律，为冷却系统及其动力源的设计提供了理论依据。　　最后，为了验证理论分析的有效性和全面评估电机性能，研制了一台RMFM-BDRM样机，并对样机性能进行了全面的测试和分析，同时对样机在混合动力工况下进行了功能性验证。为了解决调制环转子加工中电磁性能和机械性能矛盾的问题，对不同结构和材料情况下调制环转子的电磁性能和机械性能进行了分析，最终确定了可行的调制环转子结构方案。为了验证前面章节中理论分析和仿真计算的正确性，对样机的电气参数、反电动势、转矩转速关系、损耗效率、功率因数、温升等性能进行了全面的测试和分析，并根据测试结果提出了样机进一步改进的建议。对RMFM-BDRM在混合动力工况下进行了启动发动机、发电运行、和调速功能的工况模拟实验，为RMFM-BDRM进一步改进和工程应用提供实验依据。
作者：	白金刚
专业：	电机与电器
导师：	郑萍;刘勇
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文