汽车用可变绕组的电励磁双模式双凸极起动发电机关键技术研究

To satisfy the requirement of high torque in low starting speed and accurate voltage regulation in high generating speed, a dual-mode doubly salient starter/generator (DMDSS/G) will be proposed by starting in switched reluctance machine (SRM) mode and generating in doubly salient generator (DSEG) mode. Two machine topologies will be proposed and compared which can work in the SRM and DSEG modes, and the mathematical models of the two modes will be established to reveal the matching relationship of the stator and rotor pole shape parameters, number of turns, diameter, etc. The optimization design method and the winding configuration and switching method will be given to satisfy the requirement of starting and generating. The power converter topologies and their modulation control method will be studied to fit the SRM and DSEG modes, and the control law and its impact on the operating characteristics of the DMDSS/G system will be revealed. Because the DMDSS/G has the both merits of the SRM and DSEG, the study of this novel machine will help to expand the theory and applications of reluctance machine system, and lay a theory and technology foundation for the future application.

针对汽车用起动发电机的起动转速低、起动转矩大、发电转速高、发电调压精度高的技术要求，提出并研究一种分别利用开关磁阻(SRM)模式起动和电励磁双凸极(DSEG)模式发电的双模式双凸极起动发电机(DMDSS/G)。对比研究两种能实现SRM和DSEG双模工作的电机拓扑，建立该电机工作在SRM和DSEM模式下的数学模型，揭示定转子极形、绕组匝数、线径等结构参数之间的匹配关系，得到两种模式下电机的优化设计方法和准则，给出最能满足起动和发电要求的绕组配置方法、切换方法；研究适用于DSEG和SRM两种工作模式的功率变换器的拓扑结构及其调制控制方法，揭示起动发电系统的控制规律及其对系统运行特性的影响；最后构建DMDSS/G实验系统并进行实验研究，并对其起动、发电工作特性开展研究。研究的电机可充分发挥SRM和DSEG两者的优点。通过研究，可形成并完善此类电机的理论与优化方法，为应用打下理论与技术基础。

目前，对于凸极结构电机，研究较多的是开关磁阻电机和电励磁双凸极电机，两类电机在起动状态与发电模态下有着不同的输出特性，为了充分发挥各类电机在不同模态下的优点，本项目提出一种具有可变绕组的双模式双凸极起动发电机，即通过绕组的变换，实现起动状态与发电状态变原理运行，在保证电机具有开关磁阻电机优良起动性能的同时，简化了发电状态下电机的调压控制系统。本项目在研究得到可靠且易于实现SRM和DSEM两种模式切换的电机拓扑的基础上，利用等效磁路的方法建立了电机的静态输出转矩模型以及空载电压模型，为分析电机性能奠定了理论基础。通过对电机特点的分析，设计带转换开关的不对称双开关功率变换电路。该电路既可以实现两种模式下的起动和发电双向电流控制，也可通过由继电器组成的模式切换装置实现工作原理上的转变。基于有限元分析方法和多目标函数优化方法，得到最能满足双模起动发电机使用要求的结构参数。通过研究发现在发电模态下，控制其他变量不变，电机输出性能仅与励磁绕组的励磁磁势有关，即励磁绕组每极匝数与励磁电流的乘积有关，与电励磁双凸极的励磁绕组匝数必须远大于电枢绕组不同，本项目研究电机的励磁绕组的每极匝数可以取到很小的值，电机的设计更加灵活。最后，建立了双模式双凸极起动发电机的实验平台，实验结果与仿真分析结果表明电机在起动模态下，由于没有电枢反应的减磁作用和励磁功率消耗，输出扭矩高，效率较高。发电模态下，仅需控制励磁电流即可实现电机的稳压控制，解决了现有开关磁阻起动发电系统高速发电控制复杂的难题。本项目所提出的通过绕组变换实现电机的双模运行，能在不同的工作条件下充分利用开关磁阻电机和双凸极电机各自的优点，为汽车用起动/发电系统提供了一种新的解决方案。本项目发表论文16篇，其中SCI检索6篇，授权发明专利40余件，获得省级以上奖励3项，培养硕士研究生3名。