混合动力汽车用轴向磁场调制型无刷双转子电机的研究

摘要

混联式混合动力汽车以其高燃油经济性和优良的驾驶性能受到广大汽车厂商和消费者的青睐。目前最成功的混联式混合动力汽车日本丰田普锐斯采用基于行星齿轮机构的电控无级变速装置，可使内燃机不依赖于路况始终工作在燃油高效区，提高了汽车的燃油经济性，降低了尾气排放。基于纯电机方案的电控无级变速装置可实现相同的功能，同时具有结构紧凑和控制灵活的优势，是混合动力汽车领域寄予厚望的发展方向。然而，早期的有刷式电机方案需要电刷滑环馈电，降低了系统的可靠性。本文提出了一种轴向磁场调制型无刷双转子电机（AMFM-BDRM），该电机与常规永磁同步电机相结合，构成轴向磁场调制型无刷复合结构电机方案。该无刷式电机方案解决了有刷式电机方案电刷滑环结构可靠性差、内转子散热困难、旋转绕组动平衡难以保证等问题，且其扁平型结构提高了轴向空间利用率，在转矩密度上具有潜在优势。本文所做工作主要包括以下几个部分：
　　首先，研究了轴向磁场调制型无刷双转子电机的工作原理和基本电磁设计方法。采用解析分析方法研究了磁场调制作用对气隙磁密分布的影响规律，建立了轴向磁场调制型无刷双转子电机转速解耦及转矩定比传递的数学模型。推导了轴向磁场调制型无刷双转子电机的齿槽转矩，并探讨了永磁调制谐波和定子电枢调制谐波的相互作用对转矩波动的影响规律。基于麦克斯韦应力张量法并结合三维有限元仿真，研究了定子、永磁转子极对数和导磁块个数的匹配对电机不平衡轴向磁拉力的影响规律，给出了该类电机的基本电磁设计方法。
　　其次，为解决三维有限元分析模型复杂的问题并提高电机优化设计的灵活度，建立了基于等效面电流法的简化二维解析模型和考虑定子齿槽效应的精确二维解析模型。考虑电机内磁场沿径向分布的相似性规律，建立了基于电枢绕组等效面电流法的简化二维解析模型，推导了空载反电势、电磁转矩和轴向磁拉力的解析表达式。建立了考虑定子齿槽效应的二维精确解析模型对前述解析表达式进行修正，并与三维有限元仿真结果进行对比，论述了解析分析模型的精度和适用范围。
　　再次，研究了轴向磁场调制型无刷双转子电机的功率因数、单侧轴向磁拉力、电机不对称和涡流损耗等特殊电磁问题。针对电机功率因数偏低的问题，探讨了每相绕组串联匝数、直径比和内功率因数角等参数对功率因数的影响规律，提出了有效提高功率因数的方法。基于麦克斯韦应力张量法研究了电机结构参数对轴向磁拉力的影响规律。评估了永磁转子平移、倾斜和两侧磁钢不对称等电机不对称情况对气隙磁密、轴向磁拉力、空载反电势和电磁转矩的影响。研究了损耗构成及其所占比重，分析了双转子转速对永磁体涡流损耗的影响规律，探讨了永磁体分块方式对永磁体涡流损耗的抑制效果。针对现有方案功率因数低、永磁体涡流损耗大的问题，提出了两种改进型结构方案：永磁转子改进型结构方案和双转子改进型结构方案，并评估了方案的有效性。
　　最后，设计并制造了一台轴向磁场调制型无刷双转子电机的样机，搭建了实验平台并进行了实验测试。通过对样机空载反电势、空载损耗、输出转矩、功率因数和效率的测试与分析，验证了理论分析的正确性和可行性。通过混合动力汽车工况模拟实验，验证了电机具有转速调节和转矩定比传递的功能，为轴向磁场调制型无刷双转子电机在混合动力汽车中的应用奠定了理论和技术基础。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 电控无级变速装置的发展状况

1.3 轴向磁通磁场调制原理电机的发展状况

1.4 轴向磁场调制型无刷双转子电机的关键问题

1.5 本文的主要研究内容

第2章 轴向磁场调制型无刷双转子电机的工作原理与基本电磁设计方法

2.1 引言

2.2 电机拓扑结构与工作原理

2.3 极数匹配对电机特性的影响

2.4 本章小结

第3章 轴向磁场调制型无刷双转子电机的二维解析模型和特性分析

3.1 引言

3.2 二维解析模型的建立

3.3 电机特性解析分析及与三维有限元仿真的对比

3.4 本章小结

第4章 轴向磁场调制型无刷双转子电机的特殊电磁问题研究

4.1 引言

4.2 功率因数的研究

4.3 轴向磁拉力的研究

4.4 电机不对称对电机性能的影响

4.5 损耗的研究

4.6 改进型结构方案对电磁性能的影响

4.7 本章小结

第5章 轴向磁场调制型无刷双转子电机的实验研究

5.1 引言

5.2 样机的研制及实验测试平台

5.3 样机的空载实验评估

5.4 样机的负载实验评估

5.5 样机调速功能的验证

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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