混合动力汽车用轴向磁通电气无级变速系统的研究

A high-performance electric variable transmission for series-parallel hybrid electric vehicles with self-owned intellectual property rights is investigated in this project. By an axial-flux brushless double-rotor machine and a torque-regulating motor, the vehicle engine can operate independent of load changes. Thus, the complex mechanical structure of conventional series-parallel hybrid electric vehicles is simplified. The proposed electric variable transmission also features high power density and easy maintenance, and can be employed for applications like wind power that requires both speed and torque modulations. .　The key part of the electric variable transmission system is the axial-flux brushless double-rotor machine. In this project, mathematic models based on analytical and finite element analysis will be built to calculate the electromagnetic, thermal, and mechanical performances of the double-rotor machine, and investigate the fundamental design principles and methods. The correlation between the parameters of permanent-magnet rotor, stator and modulating ring and overall machine performances and the matching rules will be summarized. Besides, the optimum control aiming to co-ordinate the double-rotor machine and the torque-regulating motor, the energy management strategy and the system parameter capability will be studied in this project. A prototype machine will be manufactured and experimental research will be carried out, and the specific theory and practical engineering design method will be obtained.

本项目拟研究一种用于混联式混合动力汽车并具有自主知识产权的电气无级变速系统，该系统通过一轴向磁通无刷双转子电机和转矩调节电机，实现了发动机独立于负载转速和转矩运行，避免了传统混合动力系统中的复杂机械结构，并具有高功率密度、易于维护等优点。该技术可推广用于风力发电等需要同时变速和变转矩的应用场合。. 该电气无级变速系统的核心部件为一轴向磁通无刷双转子电机，本项目拟建立该电机的多物理场解析和数值分析模型，对其内部电磁、温升和机械性能进行准确分析计算。研究其基本设计原则和设计方法，总结该双转子电机永磁转子、定子和调制环转子参数对电机性能的影响和匹配规律。同时探求使该双转子电机与转矩调节电机协调匹配工作的最佳控制方法、系统能量管理策略及混合动力系统参数匹配问题。研制样机进行实验研究，形成该电气无级变速系统的理论分析和工程设计方法。

混合动力汽车普遍采用行星齿轮机构作为功率分配装置，存在机械加工精度要求高，系统结构复杂，噪声振动和频繁维护等问题。项目通过轴向磁通电气无级变速系统以纯电气化方案实现相同的动力分配功能，且具有结构简单紧凑，易于控制等优势。具体工作包括以下部分：. 首先，研究了电气无极变速系统的核心部件即轴向磁通磁场调制型无刷双转子电机的极数匹配设计原则和设计方法。分析了永磁转子极对数、调制环转子导磁块数和定子极对数匹配与齿槽转矩、电磁转矩波动和不平衡磁拉力的关系；为缩短电机设计初期仿真时间，建立了二维等效解析模型，并与三维数值模型进行对比，在保证15%以内误差的前提下大大缩减了计算时间，最终给出了实用的电机设计流程。. 其次，研究了轴向磁场调制型无刷双转子电机的若干特殊电磁问题。研究了绕组匝数和直径比、调制环尺寸、永磁体尺寸、气隙长度和控制方式等因素对功率因数的影响；在轴向磁拉力方面，研究了轴向磁拉力的分布规律以及与电机结构参数的关系；探讨了结构不对称性气隙磁密、轴向磁拉力、空载反电势和电磁转矩的影响；考虑到电机损耗问题，提出并比较了两种拓扑结构方案，在降低损耗的同时提高了永磁体的利用率。. 再次，研究了轴向磁通电气无级变速系统功率流模式、系统参数匹配问题及系统控制策略。分析了各汽车工况下的功率流模式，通过解析分析和工况仿真讨论了系统参数匹配问题；为系统中的磁场调制型无刷双转子电机和转矩调节电机设计了基于状态反馈解耦的电流控制策略；设计了基于模糊控制的能量管理策略。工况仿真结果表明：轴向磁通电气无级变速系统能够实现与丰田普锐斯相近的燃油经济性。. 最后，设计了轴向磁通磁场调制型无刷双转子电机样机和系统控制器，开展了实验研究，证明了电机设计方法和理论的正确性。并对电机的各工作模式进行了实验模拟，验证了样机调速功能的可行性。为下一步该电气无极变速系统在混合动力车中的实际应用奠定了基础。