基于凸极电磁与内嵌永磁组合式磁极混联磁路电动汽车增程器起动发电机理研究

Starting power generation system is one of the key components of the electric vehicle range extender, its structure and performance have great influence on the power performance, economy, driving range and battery life of extended range electric vehicles. Because of the remarkable advantages of structure integration, starting response, power generation efficiency and so on, the mixed magnetic circuit starting power generation system has attracted much attention. So, based on the extensive exploration of various topology forms, the new topology form of hybrid magnetic circuit structure with the non-circular arc surface salient pole electromagnetic and the embedded permanent magnet is designed. The working mechanism and operation performance of the starter generator are further studied, including output characteristics, the sinusoidal distortion rate of electromotive force waveform, the magnetic flux leakage coefficient, all kinds of loss, output efficiency and so on. On the basis of this, the methods to reduce the rate of inherent voltage adjustment, the zoning control strategy for minimization of copper loss in excitation winding, the control technology of starting generation conversion with non interference between starting state and generating state, and electromagnetic coupling stabilizing control method are studied. In general, the research work of this subject is of great significance to the improvement of the theoretical system of the starting generator design for electric vehicle range extender and the development of extended range electric vehicles.

起动发电系统作为电动汽车增程器的关键部件之一，其结构和性能的优劣，对增程式电动汽车的整车动力性、经济性、续驶里程以及动力电池组寿命都有着重要影响，混联磁路式起动发电系统在结构集成、起动响应、发电效率等方面具有显著优势，备受关注。本课题在广泛探究各种拓扑学形态基础上，确定非圆弧面凸极电磁与内嵌组合式磁极永磁混联磁路的新型拓扑结构形式；继而对起动发电机的工作机理和运行性能进行深入研究，包括：输出特性、电动势波形正弦性畸变率、漏磁系数、各类损耗、输出效率等；在此基础上，对降低固有电压调整率的方法、励磁绕组铜耗最小化的分区控制策略、起动状态和发电状态互不干涉的起动发电转换控制技术以及电磁耦合稳压控制方法进行研究，保证在迅速起动发动机工作、输出电压稳定的前提下，减少各类损耗，提高输出效率。本课题的研究工作对电动汽车增程器用起动发电机设计理论体系的完善和增程式电动汽车的发展具有重要意义。

增程式电动汽车是新能源汽车发展的重要方向之一，起动发电系统作为电动汽车增程器的关键部件对整车输出性能、续驶里程和动力电池使用寿命有着重要影响，混联磁路起动发电系统在结构集成、起动响应、发电效率等方面具有显著优势，备受关注。.本项目基于电动汽车增程器用起动发电机的应用需求，从复杂拓扑结构磁场建模与电磁特性分析、整机损耗分析与输出性能优化、电枢反应作用下的永磁钢退磁性能与电压调整率影响因素、起动发电系统控制及电磁耦合稳压控制方法等方面进行机理分析和研究，提出了复杂拓扑结构混联磁路起动发电机等效磁路建模、电磁特性参数解析计算与混联磁路电磁设计方法；建立基于整机漏磁、损耗分析的输出性能优化模型，提出整机效率最优的多目标多参数优化分析方法；推导出混联磁路起动发电机电枢反应磁场及固有电压调整率解析模型，提出削弱电枢反应作用、降低永磁钢退磁率和减小电压调整率的方法；研发一种起动状态、发电状态互不干涉的控制方式及宽转速、宽负载范围内稳定输出电压的电磁耦合稳压控制技术。.基于研究内容，本项目提出非圆弧面凸极电磁与内嵌永磁组合式磁极混联磁路起动发电机的新型拓扑结构，该机磁场强度大、功率密度高、整机损耗低、输出效率高，同时研发的电磁耦合稳压控制技术具有调磁范围宽、稳压性能好的优点，非常适用于电动汽车增程器用起动发电系统。通过输出性能分析和试验验证：起动发电机额定起动工况输出转矩为9.5Nm，输出效率为88.7%，满载工况输出转矩达20.74Nm，满足起动工况需求。发电工况时当转速从2000r/min增大到4800r/min，负载功率由980W增大到1020W时，输出电压稳定在83.5V～84.6V之间，具有良好的稳压性能。本项目研究成果对电动汽车增程器用起动发电机设计理论体系的完善和增程式电动汽车的发展具有重要意义。