混合動力汽車用雙凸極式永磁雙轉(zhuǎn)子電機的研究

【摘要】：隨著混合動力汽車(Hybrid Electric Vehicle, HEV)的發(fā)展,混合動力耦合系統(tǒng)得到了廣泛關(guān)注,逐漸成為混合動力汽車領(lǐng)域的研究熱點之一。在該系統(tǒng)中,按照完成混合動力系統(tǒng)中兩種動力源的合成與分配的核心部件的類型分類,混合動力耦合系統(tǒng)主要有采用行星齒輪的機械式混合動力耦合系統(tǒng)和采用雙轉(zhuǎn)子電機的電磁式混合動力耦合系統(tǒng)兩大類。前者是目前混合動力耦合系統(tǒng)的主流方案,技術(shù)較為成熟且已經(jīng)成功應(yīng)用于實際車型；后者則是利用雙轉(zhuǎn)子電機采用電磁耦合的方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的傳遞和能量的合成,從而省去行星齒輪等機械部件,為混合動力的能量合成與分配提供了新的解決方案,該系統(tǒng)由于還具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制靈活、維護方便等優(yōu)勢,是目前混合動力汽車領(lǐng)域的又一發(fā)展方向之一。本文針對電磁式混合動力耦合系統(tǒng),提出了一種新型雙轉(zhuǎn)子電機,即雙凸極式永磁雙轉(zhuǎn)子電機(Double-Salient Permanent-Magnet Double-Rotor Motor, DSPM-DRM),進行了深入系統(tǒng)的理論分析和實驗研究,論文主要研究成果包括以下幾個方面：一、針對HEV應(yīng)用特點,將“雙轉(zhuǎn)子電機理論”融入定子永磁型電機,提出了一種具有創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)的雙凸極式永磁雙轉(zhuǎn)子電機。該電機具有兩個轉(zhuǎn)子和兩層氣隙且永磁體內(nèi)置于定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu),通過有限元法精確計算了電感參數(shù)、空載反電勢、氣隙磁密等電機的關(guān)鍵磁性能參數(shù),評估了內(nèi)、外磁場的耦合程度,為建立DSPM-DRM的數(shù)學(xué)模型,實現(xiàn)DSPM-DRM的精確控制奠定了理論基礎(chǔ)。二、建立了該類DSPM-DRM的電磁分析、優(yōu)化設(shè)計的一般方法。在深入分析雙轉(zhuǎn)子電機運行機理的基礎(chǔ)上,借鑒定子永磁型電機的設(shè)計理論,提出了DSPM-DRM的電機的功率方程、尺寸方程。為有效提高該類電機的電磁性能,研究中以“減小輸出轉(zhuǎn)矩脈動”和“提高轉(zhuǎn)矩密度”為優(yōu)化目標,通過建立DSPM-DRM的參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計模型,采用遺傳控制算法(Genetic Algorithm, GA)實現(xiàn)了電機的多目標優(yōu)化設(shè)計。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計、加工制造了一臺混合度大于50%的小功率實驗原理樣機。三、基于MATLAB建立了DSPM-DRM系統(tǒng)的仿真模型,提出了雙轉(zhuǎn)子電機運行的基本控制策略。針對DSPM-DRM在混合動力汽車中的應(yīng)用特點,仿真分析了在HEV的不同典型工況下DSPM-DRM的多種工作運行模式：起動運行、純電動驅(qū)動、混合驅(qū)動等,從理論上分析和驗證了該類雙轉(zhuǎn)子電機的混合動力合成的基本原理,為后續(xù)實驗分析奠定了理論基礎(chǔ)。四、基于ADVISOR仿真平臺,通過深度二次開發(fā)構(gòu)建了基于DSPM-DRM的HEV整車仿真系統(tǒng)模型。選擇在相同的典型循環(huán)測試工況下,從動力性能和燃油經(jīng)濟性等方面,詳細分析了該類雙轉(zhuǎn)子電機的性能,并與目前主流的混合動力汽車動力合成性能進行了對比分析和研究,研究結(jié)果進一步驗證了采用DSPM-DRM的電磁式混合動力耦合系統(tǒng)的可行性。五、搭建了基于小功率實驗原理樣機DSPM-DRM的動力混合系統(tǒng)實驗平臺,對實驗原理樣機進行了實驗測試和功能性驗證,完成起動運行、純電動驅(qū)動、混合驅(qū)動等多種典型工況的實驗與分析。實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性、樣機設(shè)計和控制策略的合理性,也為下一步DSPM-DRM在HEV中的應(yīng)用研究提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。 【關(guān)鍵詞】：混合動力汽車 電磁式混合動力耦合系統(tǒng) 雙凸極式永磁雙轉(zhuǎn)子電機 優(yōu)化設(shè)計 數(shù)學(xué)模型 多工況運行模式
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM351;U469.7
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-17
• 第一章 緒論17-33
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義17-18
• 1.2 混合動力耦合系統(tǒng)綜述18-21
• 1.2.1 基于行星齒輪的機械式混合動力耦合系統(tǒng)18-20
• 1.2.2 基于雙轉(zhuǎn)子電機的電磁式混合動力耦合系統(tǒng)20-21
• 1.3 雙轉(zhuǎn)子電機的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21-30
• 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀21-26
• 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀26-29
• 1.3.3 雙凸極式永磁雙轉(zhuǎn)子電機的提出29-30
• 1.4 本課題研究內(nèi)容和論文結(jié)構(gòu)30-33
• 1.4.1 本課題研究內(nèi)容30-31
• 1.4.2 論文結(jié)構(gòu)31-33
• 第二章 DSPM-DRM的結(jié)構(gòu)和運行原理分析及數(shù)學(xué)建模33-44
• 2.1 引言33
• 2.2 三相12/8/12極DSPM-DRM基本結(jié)構(gòu)和工作原理33-36
• 2.2.1 基本結(jié)構(gòu)33-34
• 2.2.2 基本工作原理和電磁轉(zhuǎn)矩34-36
• 2.3 DSPM-DRM的數(shù)學(xué)建模36-40
• 2.3.1 電壓方程37
• 2.3.2 磁鏈方程37-39
• 2.3.3 轉(zhuǎn)矩方程39-40
• 2.3.4 機械運動方程40
• 2.4 HEV應(yīng)用下DSPM-DRM的能量耦合傳輸40-43
• 2.5 本章小結(jié)43-44
• 第三章 DSPM-DRM電磁性能的計算與分析44-64
• 3.1 引言44
• 3.2 基于ANSOFT的電機建模與分析44-47
• 3.2.1 DSPM-DRM有限元模型44-45
• 3.2.2 網(wǎng)格剖分45-47
• 3.3 DSPM-DRM的磁場分析47-57
• 3.3.0 磁通密度47-48
• 3.3.1 磁場分布48-52
• 3.3.2 繞組磁鏈52-54
• 3.3.3 繞組電感54-55
• 3.3.4 反電勢55-56
• 3.3.5 定位力矩56-57
• 3.4 DSPM-DRM的損耗分析57-59
• 3.4.1 定子繞組和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組銅耗58
• 3.4.2 定子、中間轉(zhuǎn)子和內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵損58
• 3.4.3 定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)置永磁體渦流損耗58-59
• 3.5 場路耦合分析59-63
• 3.5.1 DSPM-DRM電機系統(tǒng)模型60-61
• 3.5.2 穩(wěn)態(tài)運行特性分析61-63
• 3.6 本章小結(jié)63-64
• 第四章 DSPM-DRM的優(yōu)化設(shè)計64-79
• 4.1 引言64
• 4.2 DSPM-DRM的設(shè)計特點與方法64-71
• 4.2.1 電機功率等級的確定65-66
• 4.2.2 極對數(shù)的確定66-67
• 4.2.3 電機尺寸方程67-68
• 4.2.4 極弧的確定68
• 4.2.5 軛高68-69
• 4.2.6 永磁體尺寸69-70
• 4.2.7 繞組型式與匝數(shù)70-71
• 4.3 結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的進一步優(yōu)化調(diào)整71-75
• 4.3.1 優(yōu)化變量和約束條件72-74
• 4.3.2 目標函數(shù)74
• 4.3.3 GA參數(shù)的選取74-75
• 4.4 DSPM-DRM優(yōu)化設(shè)計尺寸和優(yōu)化前后電磁性能對比分析75-78
• 4.4.1 優(yōu)化調(diào)整結(jié)果75-77
• 4.4.2 優(yōu)化前后電磁性能對比分析77-78
• 4.5 本章小結(jié)78-79
• 第五章 DSPM-DRM的多工況運行模式研究79-91
• 5.1 引言79
• 5.2 系統(tǒng)仿真模型的建立和控制策略的制定79-83
• 5.2.1 基于MATLAB的DSPM-DRM仿真模型建立79-81
• 5.2.2 DSPM-DRM控制系統(tǒng)的基本控制策略81-83
• 5.3 DSPM-DRM多工況運行模式仿真分析83-90
• 5.3.1 電起動模式83-86
• 5.3.2 混合驅(qū)動模式86-89
• 5.3.3 純電動驅(qū)動模式89-90
• 5.4 本章小結(jié)90-91
• 第六章 基于DSPM-DRM的電磁式混合動力耦合系統(tǒng)性能分析91-102
• 6.1 引言91
• 6.2 基于ADVISOR的混合動力耦合系統(tǒng)建模91-97
• 6.2.1 DSPM-DRM模塊92-95
• 6.2.2 控制模塊95-96
• 6.2.3 基于DSPM-DRM的HEV整車模型96-97
• 6.3 標準測試工況下的仿真分析97-101
• 6.4 本章小結(jié)101-102
• 第七章 DSPM-DRM的實驗研究102-122
• 7.1 引言102
• 7.2 實驗原理樣機的研制與系統(tǒng)級實驗臺架的搭建102-113
• 7.2.1 實驗原理樣機102-105
• 7.2.2 系統(tǒng)級實驗平臺105-107
• 7.2.3 DSPM-DRM轉(zhuǎn)子位置角的檢測107-113
• 7.2.3.1 中間轉(zhuǎn)子位置檢測108-110
• 7.2.3.2 內(nèi)轉(zhuǎn)子位置檢測110-113
• 7.3 DSPM-DRM的電磁性能測試113-117
• 7.3.1 空載反電動勢測量113-115
• 7.3.2 電機效率測試115-117
• 7.4 DSPM-DRM的多工況運行試驗117-121
• 7.4.1 電起動工況117-119
• 7.4.2 純電動驅(qū)動工況119-120
• 7.4.3 混合驅(qū)動工況120-121
• 7.5 本章小結(jié)121-122
• 第八章 總結(jié)與展望122-124
• 8.1 全文總結(jié)122
• 8.2 展望122-124
• 參考文獻124-132
• 主要學(xué)術(shù)成果132-134
• 致謝134

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