双机械端口磁通切换永磁无刷电机及其多模式驱动控制研究

摘要

近年来，随着对能源、环境等重要问题的持续关切，以“高电气化程度、高能源效率”为设计理念的电动汽车、混合动力汽车等新能源汽车在全球范围内获得了迅猛的发展。与此同时，为满足现代复杂的综合性工况需求，新能源汽车对车用驱动电机及其控制系统提出了高传动效率、多驱动运行模式和小型轻量化等较为严苛的新需求。双机械端口永磁电机，作为一种具有双动力输入或输出端口的新类型电机，不仅具有高功率/转矩密度、高效率和宽速度运行范围等综合性能方面的优点，而且具备电机结构紧凑、动力传递和分配灵活及驱动运行模式丰富等特点，在电机领域中引起了众多国内外学者的关注，目前已成为现代混合动力电动汽车动力驱动研究的热点方向之一。
　　本文将“定子永磁型”电机理论与双机械端口类电机相融合，提出了一种双机械端口磁通切换永磁无刷(Dual-Mechanical-Port Flux-Switching PermanentMagnet brushless，简称DMP-FSPMBL)电机，并较为深入系统地对该电机进行了理论分析和实验研究，主要研究内容如下:
　　1.将高功率密度、高效率定子永磁型FSPM电机设计理念融入双机械端口电机，提出结构新颖的DMP-FSPMBL电机。在阐述该电机基本结构特点和运行原理的基础上，建立了内外电机的功率尺寸方程，对内外电机的极槽配比、永磁体拓扑结构、绕组匝数、额定相电流等开展了初始设计。此外，采用磁路法对内外电机之间的磁耦合特性进行定性分析，并由此确定了采用定子隔磁磁障的设计方法降低内外电机的磁路耦合。
　　2.将内外电机功率最优分配的设计思想引入DMP-FSPMBL电机的设计，以电机系统的磁负荷和电负荷作为综合约束条件，探索并提出了该类电机在结构尺寸和电机总功率等多个约束限制下的内外电机的最优裂比。
　　3.针对该类DMP-FSPMBL电机存在内外两个电机，集成度高、磁路复杂等特点，提出一种基于电机设计参数“敏感度分层”的多目标优化策略，并分别采取“响应面法”和“多目标遗传算法”对不同敏感层进行针对性的优化，实现了“输出转矩”、“转矩脉动”和“内外电机磁耦合程度”等多个设计目标之间的综合权衡和性能最优。该多目标优化设计方法，为解决具有复杂结构永磁类电机的快速高效设计，提供一种行之有效的电机设计思路和方法。
　　4.采用有限元法对DMP-FSPMBL电机的反电动势、定位力矩、电感、转矩、转矩脉动和磁耦合特性等电磁性能进行较为详细的评估和分析，初步验证了本文所提电机结构的合理性以及多目标优化设计方法的有效性。此外，研究了内外电机的运行效率MAP和不同运行电流角MAP特性，揭示了DMP-FSPMBL电机具备在宽速度范围内实现高效率和可靠性运行的潜在能力。
　　5.将DMP-FSPMBL电机与非接触式永磁行星齿轮磁力传动部件相结合，构建了具有结构空间紧凑、动力集成度高的无刷化电磁式混合动力系统。建立了该混合动力系统的数学模型，初步分析了该混合动力系统在应对复杂运行工况情形下的多种驱动运行模式及功率流传输途径。
　　6.建立了基于DMP-FSPMBL电机混合动力系统整车仿真模型，研究了“纯电优先”的整车驱动控制策略;研究了该系统在多模式驱动运行下的连续变速和连续变载基本性能。并且，在NEDC工况的基础上，分析了电机及整车动力系统的连续工况能力，探讨了其潜在的应用可行性。
　　7.加工了DMP-FSPMBL实验样机，搭建了混合动力系统模拟实验平台，对电机的基本性能和混合动力系统在多种驱动模式下的变速变载特性进行了测试和综合评估。
　　理论分析和实验结果验证了DMP-FSPMBL电机以及相应的混合动力合成系统的有效性和正确性，证实了基于该电机的混合动系统具有多模式驱动运行的能力，为其在混合动力电动汽车的潜在驱动应用提供了理论支持和实验基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 混合动力电动汽车驱动电机的发展研究

1．3 双机械端口永磁电机在混合动力电动汽车中的发展研究

1．3．1 有刷双机械端口永磁电机及其混合动力系统的发展研究

1．3．2 无刷双机械端口永磁电机及其混合动力系统的发展研究

1．4 双机械端口磁通切换永磁无刷电机及其混合动力系统的提出

1．5 论文结构

第二章 双机械端口磁通切换永磁无刷电机设计

2．1 引言

2．2 电机的结构类型选择

2．3 电机的运行原理

2．4 电机的功率尺寸方程

2．5 电机的初始设计

2．5．1 电机基本设计规格

2．5．2 极槽配比选取

2．5．3 永磁体拓扑结构选取

2．5．4 电机基本结构参数初始值选取

2．5．5 绕组匝数及相电流选取

2．5．6 基于磁耦合考虑的定子隔磁磁障定性分析

2．6 本章小结

第三章 双机械端口磁通切换永磁无刷电机的优化设计研究

3．1 引言

3．2 DMP-FSPMBL电机的设计要求和结构参数定义

3．3 基于功率分配原则的DMP-FSPMBL电机最优裂比研究

3．3．1 DMP-FSPMBL电机裂比推导

3．3．2 最优裂比设计和优化

3．4 DMP-FSPMBL电机的多目标分层设计优化研究

3．4．1 目标函数和设计变量

3．4．2 综合敏感度分析

3．4．3 多目标优化设计分层和非／低度敏感层分析

3．4．4 中度敏感层优化分析

3．4．5 强度敏感层优化分析

3．4．6 基于性能评估考虑的最优设计方案选取

3．5 本章小结

第四章 双机械端口磁通切换永磁无刷电机的电磁性能分析

4．1 引言

4．2．1 磁场分布

4．2．2 空载特性分析

4．2．3 电感特性分析

4．2．4 转矩性能分析

4．3 DM P-FSPMBL电机的特殊电磁问题分析—磁耦合特性

4．4 DMP-FSPMBL电机的损耗分析

4．4．1 铁心损耗

4．4．2 永磁体涡流损耗

4．5 DMP-FSPMBL电机的效率运行特性分析

4．6 本章小结

第五章 双机械端口磁通切换永磁无刷电机及其混合动力系统多模式运行研究

5．1 引言

5．2 非接触式行星磁齿轮

5．2．1 非接触式行星磁齿轮的拓扑结构和磁力传动原理

5．2．2 非接触式行星磁齿轮的磁力传动关系

5．2．3 非接触式行星磁齿轮的气隙磁通密度和矩角特性

5．3 混合动力系统的动力拓扑结构和运行特点分析

5．3．1 混合动力系统结构和工作原理

5．3．2 混合动力系统的工况分析

5．4 DMP-FSPMBL电机及其驱动控制系统的MATLAB建模和仿真

5．4．1 DMP-FSPMBL电机数学模型

5．4．2 DMP-FSPMBL电机及其驱动控制系统的仿真模型

5．4．3 仿真结果分析

5．5 混合动力系统在整车控制系统中的仿真研究

5．6 本章小结

第六章 双机械端口磁通切换永磁无刷电机及其混合动力系统多模式运行实验研究

6．1 引言

6．2 实验样机与实验平台

6．3 实验结果和分析

6．3．1 DMP-FSPMBL电机性能实验

6．3．2 基于DMP-FSPMBL电机和NC-MPG的混合动力系统多模式运行实验

6．4 本章小结

7．1 全文总结

7．2 课题展望

参考文献

攻读博士期间学术成果

致谢