混合动力车用新型无刷化复合结构永磁电机系统的理论和实用技术研究

针对当前节能与环保的迫切需求，本项目拟研究一种用于混联型混和动力电动车的具有自主知识产权的新型电机方案- - 无刷化复合结构永磁电机方案，该方案既可以实现发动机转速和转矩的同时独立控制，又能解决当前困扰业内的绕组发热和需要电刷滑环馈电的问题。该技术也可用于其它需要变速和变转矩驱动的工业应用场合。. 本项目拟建立该新型无刷化复合结构永磁电机的解析分析和有限元分析数学模型，研究该种电机的运行规律和设计原则及设计方法，包括研究双转子电机爪极结构的最佳设计、第一定子磁势与永磁体磁势的最佳配比、三相磁场相互渗透情况和规律、双转子电机和定子电机的匹配设计及电机整体协调布局和设计等问题。研究该种电机的动态运行特性及响应特性等，探求使双转子高效可靠运行和两台电机协调匹配工作的最佳控制方法和控制策略。研制样机，进行相应的实验研究。通过理论和实验研究，形成该种类型电机的专门理论和工程实用的分析设计计算方法。

复合结构电机是两台电机的高度集成，这种电机作为一种新兴的混联式混合动力系统的核心部件，能够分配内燃机和蓄电池的能量流动，达到提高车辆燃油经济性和降低尾气排放的目的。目前国际上对有刷复合结构电机的研究已趋于成熟，已有的研究工作证明了该方案的可行性和先进性，但也表明该方案存在内转子绕组严重发热和需要电刷滑环馈电的问题。本课题提出一种新型无刷爪极双转子电机，该电机可以与不同结构的传统电机相配合，构成无刷复合结构电机方案。该方案既可以实现内燃机转矩转速独立控制，又能解决当前困扰业内的绕组发热和需要电刷滑环馈电的问题。本课题所做的工作主要包括以下几个部分：. 首先，分析了无刷爪极双转子电机的主磁通和漏磁通的分布，根据无刷爪极双转子电机的磁路特点，建立了该电机的等效磁路模型；并以电机的等效磁路模型为基础，推导出了模型中各部分磁阻以及磁路不饱和情况下电磁转矩和电抗的解析表达式。. 其次，采用三维有限元分析方法计算了电机的磁通密度分布、空载反电动势、空载漏磁系数及电抗等参数；针对无刷爪极双转子电机漏磁丰富且路径复杂问题，对该种电机漏磁通进行了分析计算，同时研究了适用于工程应用的简化二维有限元模型，并研制了一套完善的电机实用设计流程，为该种电机的设计提供了快捷有效的方法。. 再次，推导了无刷爪极双转子电机的转矩密度和齿槽转矩的解析表达式，得出其转矩密度和齿槽转矩与电机主要设计参数之间的关系，进而用三维有限元法对电机转矩性能进行优化，得到了电机永磁转子结构、极对数、气隙长度、主要尺寸比以及爪极结构的最佳设计。. 最后，研制了一台无刷爪极双转子电机的样机，并对样机进行了实验测试和功能性验证，验证了理论分析的正确性和可行性。另外，在实验平台上对电机在混合动力车中的各种工作模式进行了实验模拟，测试结果验证了无刷爪极双转子电机的转速调节功能，为下一步该电机在混合动力车中的实际应用奠定了理论和技术基础。