电磁耦合无级变速器的机理及控制研究

摘要

变速器是车辆传动系中最关键的一环，其功能是调节传动比，使执行机构按预期的速度和作用力变化规律输出运动和功率、达到动力源与负载的工作特性并动态地实现匹配，以保证车辆的正常运行，并获得较佳或最佳的整体性能。随着人们对汽车性能要求的不断提高，传动系的功能和结构由简单渐趋复杂，并有从单功率流传动向双及多功率流复合传动、从有级向无级变速方向发展的趋势，追求复合、高效的新型传动元件或系统已成为国内外本领域研究的热点。 本文以一种新型能量传递系统一电磁耦合无级变速系统(EMCVT，Electro-Magnetic Continuously Variable Transmission)为研究对象，主要开展了如下研究工作： 首先，在分析现有级联式无级变速电传动方案的基础上提出了EMCVT的拓扑结构形式，分析阐述了其工作原理，调磁机构及其调磁原理，并对其功率传递过程进行了分析。 其次，在工作原理和拓扑结构形式的基础上，分析了其电磁关系；建立一对极下的磁路模型以利于在概念设计阶段，快速且较为准确的对相关性能进行估算；建立三相情况下的磁网络模型，并推导了电磁转矩模型，解析分析了电磁转矩的组成及影响因素；分析了EMCVT的电磁转矩脉动及其影响因素；推导了EMCVT的d-q轴数学模型，以利于控制策略及控制系统的开发；采用FEM-2D和FEM-3D对EMCVT的磁场分布，磁场特性及调磁对效率的影响进行了分析。 再次，对EMCVT应用车辆控制的要求进行了分析；对EMCV~、的控制策略进行分析并提出效率优化的控制策略，分析了EMCVT的各主要控制参变量对其效率的影响；提出了基于遗传算法优化的RBF神经网络内模控制策略以提高系统的动态性，鲁棒性等；建立EMCVT的仿真模型并进行了仿真研究。 本文在EMCVT应用车辆中的动力总成结构、部件选型的方法的基础上，建立了整车及相关部件的数学模型和仿真模型。利用仿真模型研究了：EMCVT应用于常规车辆和混合动力车辆的动力总成的规格参数的匹配优化并提出了监控策略，为EMCVT实际应用于车辆及样机设计提供有价值的理论参考及指导，并对其实车应用效果作出了预测性评价，最终为从硬件配置上改善整车性能的提供了保障。 此外本文还对EMCVT样机设计计算进行了研究，以期能对样机制作提供参考。 最后本文对研究成果进行了归纳和总结，并对今后的进一步研究提出了建议。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1新型车辆变速器的研究背景

1.2国内外车辆变速器的发展现状

1.2.1机械液力式自动变速器技术的研究进展

1.2.2机械自动变速器技术的研究进展

1.2.3无级变速器技术的研究进展

1.2.4复合传动及新型无级变速系统的研究进展

1.3论文研究意义

1.4课题来源

1.4论文主要研究内容

1.5论文结构

第二章EMCVT基本原理及拓扑结构形式

2.1 EMCVT系统拓扑结构形式及工作原理

2.1.1 EMCVT系统拓扑结构形式

2.1.2 EMCVT的工作原理

2.2 EMCVT的调磁原理

2.2.1 EMCVT引入调磁机构的必要性

2.2.2 EMCVT的调磁机构及其调磁原理

2.3 EMCVT的功率流传递分析

2.4本章小结

第三章EMCVT电磁特性及其数学模型建立

3.1 EMCVT的电磁关系

3.2 EMCVT的磁路分析

3.2.1考虑一对极情况下EMCVT的磁路分析

3.2.2考虑三相情况下的EMCVT的磁路分析

3.3 EMCVT的电磁转矩

3.4 EMCVT的转矩波动

3.4.1 EMCVT转矩波动及抑制对策

3.4.2 EMCVT转矩波动的/分析

3.4.3 EMCVT转矩波动的影响因素

3.5 EMCVT的FEM分析及仿真

3.5.1 FEM分析的基本理论

3.5.2 EMCVT的FEM-2D分析

3.5.3 EMCVT的FEM-3D分析

3.5.4调磁对EMCVT效率的影响

3.6 EMCVT的数学模型

3.6.1 EMCVT模型的建立

3.6.2 EMCVT模型的简化

3.6.3 EMCVT的d-q坐标系的数学模型

3.7 EMCVT反电动势的分析计算

3.8 EMCVT电感的计算

3.9本章小结

第四章EMCVT的控制策略

4.1 EMCVT应用于车辆控制要求分析

4.1.1理想车辆驱动特性

4.1.2车辆相关性能对EMCVT控制性能的要求

4.2 EMCVT的控制策略

4.2.1矢量控制策略

4.2.2直接转矩法控制策略

4.2.3基于矢量控制EMCVT的效率优化策略

4.2.4基于直接转矩控制EMCVT的效率优化策略

4.2.5基于遗传算法优化的RBF神经网络内模控制策略

4.3 EMCVT的仿真研究

4.3.1不同初始及加载条件下EMCVT的仿真结果

4.3.2调磁对EMCVT的速度转矩场分布的影响

4.4本章小结

第五章EMCVT应用于车辆中的仿真研究

5.1车辆性能计算的理论

5.1.1车辆系统动力学计算基础理论

5.1.2燃油经济性计算方法

5.2发动机的选型及其模型

5.3规格参数适配可调的发动机、电机模型

5.4 EMCVT应用常规车辆的仿真研究

5.4.1 EMCVT应用于常规车辆的工作模式分析

5.4.2 EMCVT基于常规汽车的动力总成参数优化匹配

5.4.3城市循环工况仿真及匹配优化结果

5.5 EMCVT应用混合动力车辆的仿真研究

5.5.1储能元件的选型及其数学模型

5.5.2 EMCVT基于混合动力车辆工作模式的分析

5.4.3 EMCVT应用于混合动力车辆匹配优化

5.5.4 EMCVT基于混合动力车辆中的仿真模型的搭建

5.5.5城市循环工况仿真结果及动力总成匹配优化结果

5.6本章小结

第六章EMCVT样机设计

6.1 EMCVT性能参数的确定

6.1.1最高转速的确定

6.1.2最大转矩、最大功率及转折转速(基速)的确定

6.1.3最大电压及最大电流的确定

6.2 EMCVT样机设计参数的确定

6.2.1主要尺寸及相关系数的确定

6.3 EMCVT样机参数计算结果

6.4本章小结

结论与建议

参考文献

附 录

攻读博士学位期间取得的研究成果

致 谢

评定意见