Halbach型磁场调制式无刷电力无级变速器参数匹配设计与性能研究

摘要

面对全球能源和环境系统带来的巨大挑战，汽车驱动方式迎来了革命性的变革。目前全球发展新能源汽车已达成共识，未来长期的新能源汽车技术方向以纯电动、燃料电池技术在内的纯电驱动为主，短期内，油电混合、插电式混合动力将作为重要的过渡路线。现阶段混合动力系统包括串联式、并联式和混联式三大类，其中基于行星齿轮结构动力耦合装置的混联式混合动力系统综合了前两者的优点，具有更较大的发展前景，该机构能够实现内燃机和电机之间的速度耦合、转矩耦合，优化发动机工作区间。但该系统的行星齿轮结构是纯机械装置，不可避免的存在噪音、效率、振动等方面的不足，并且需要定期进行维护，使用成本大。近年来，一种基于电磁能量转换原理的双机械端口电机被提出。双机械端口电机作为动力耦合器用于混合动力汽车不仅取代了行星齿轮变速器，而且去除了电动机、发电机、离合器等部件，大大减少了整车质量，不仅节约了空间，而且整车功率密度和能量传输效率也得到很大提升。
　　本文基于双机械端口电机，提出了一种新型Halbach型磁场调制式无刷电力无级变速器，应用磁齿轮效应实现了电机无刷化，并利用Halbach永磁阵列有效减小了磁场间的耦合现象，有效提升了装置效率，主要研究内容如下：
　　首先，为了研究双机械端口电机的基本原理和在混合动力汽车中的应用，分析了基于双机械端口电机的混合动力系统的结构和工作原理以及在不同工作模式下内部功率流向和分配情况，并研制了原理样机进行性能测试，主要对样机进行了空载和负载实验。
　　其次，针对实验结果分析双机械端口电机存在的问题，提出一种应用Halbach永磁阵列并与行星齿轮机构结合的集成磁场调制原理的双机械端口电机结构方案，它的拓扑结构集成在同一径向上，避免了分体式结构占用空间过大的问题，同时外转子上的永磁体采用Halbach阵列不仅借助该结构的单边磁自屏蔽特性减少甚至消除了磁场耦合，而且接近正弦的气隙磁密有效提高了电机性能，采用行星齿轮机构有效解决了装置内部参数匹配不合理的问题；分析了该装置各部件的结构及工作原理，并对其耦合磁密进行理论分析；通过有限元分析方法，分别建立采用径向充磁和Halbach充磁方式的磁场调制式无刷双机械端口电机模型，从磁场分布、气隙磁密、感应电势、转矩等方面对比分析不同充磁方式对电机性能产生的影响。
　　然后，通过有限元法确定了Halbach型磁场调制式无刷双机械端口电机关键电磁尺寸，对内磁场调制电机和外电机进行设计，并且综合对比双机械端口电机和Halbach型磁场调制式无刷双机械端口电机性能特性，分析了各自存在的优缺点。
　　接着，为了充分发挥Halbach型磁场调制式无刷电力无级变速器性能，研究了该装置的工作模式，分析不同工作模式下的功率流向，并确定动力分配策略，包括模式切换条件，保证各模式之间的平滑切换，完成相关混合动力系统动态协调控制策略制定。
　　最后，为了合理匹配内燃机、Halbach型磁场调制式无刷双机械端口电机、动力电池等部件，建立了Halbach型磁场调制式无刷电力无级变速器混合动力汽车整车模型，并基于整车实际运行工况分析了该混合动力系统各部件工作点，确定了内燃机、内磁场调制电机和外电机相关设计指标，讨论了行星齿轮传动比取值对混合动力系统的影响，通过选取最佳传动比实现了内磁场调制电机工作区间更优。最终在满足整车动力性要求情况下，通过该混合动力系统各部件参数重新匹配设计，实现了整车燃油消耗降低。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题来源及研究的目的和意义

1.2双机械端口电机的国内外研究现状

1.3双机械端口电机应用中存在的难点及关键问题

1.4本文的主要研究内容

第二章 基于双机械端口电机的混合动力系统基本原理及样机实验研究

2.1引言

2.2基于双机械端口电机的混合动力系统基本原理

2.3基于双机械端口电机的混合动力系统工作模式及功率流向

2.4双机械端口电机实验测试

2.5本章小结

第三章 Halbach型磁场调制式无刷电力无级变速器的工作原理与解析分析

3.1引言

3.2 Halbach型磁场调制式无刷电力无级变速器的结构形式

3.3 Halbach型磁场调制式无刷电力无级变速器的工作原理解析

3.4 Halbach型磁场调制式无刷电力无级变速器有限元分析

3.5本章小结

第四章 Halbach型磁场调制式无刷电力无级变速器设计与性能分析

4.1引言

4.2 HFMB-DMPM设计

4.3性能分析

4.4本章小结

第五章 基于Halbach型磁场调制式无刷电力无级变速器的混合动力系统控制策略

5.1引言

5.2混联式混合动力汽车整车控制策略

5.3基于HFMB-EVT的混合动力汽车整车控制策略

5.4基于HFMB-EVT的混合动力系统模式切换协调控制

5.5本章小结

第六章 基于Halbach型磁场调制式无刷电力无级变速器的混合动力系统参数匹配

6.1引言

6.2基于HFMB-EVT的混合动力系统动力性能指标

6.3基于HFMB-EVT的混合动力汽车模型

6.4基于HFMB-EVT的混合动力系统参数设计

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1论文工作总结

7.2论文进一步工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文与申请专利