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一种新颖的应用于混合动力汽车的磁场调制型双

电机技术 | 发布时间:2017-11-11 | 人气: | #评论# |本文关键字:电机
摘要:原文:《 A Novel Flux-Modulated Type Dual-Axis Motor for Hybrid Electric Vehicles 》——Michinari Fukuoka etc. 1.概述 为了减少汽车尾气排放,电动汽车和混合动力汽车受到越来越多研究者的关注。相比于现

原文:《 A Novel Flux-Modulated Type Dual-Axis Motor for Hybrid Electric Vehicles》——Michinari Fukuoka etc.


1.概述

为了减少汽车尾气排放,电动汽车和混合动力汽车受到越来越多研究者的关注。相比于现有的混合动力汽车中由行星齿轮组和传统永磁电机构成的动力分流器(Power Split Device,PSD),基于磁场调制原理的双机械端口电机在没有机械接触的情况下能够实现变速、变转矩的动力传递,振动小、噪音小、可靠性高而且不需要润滑,可以作为现有动力分流器(PSD)的替代品

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1. 丰田汽车的混动系统

图2(a)给出了传统磁场调制型双机械端口电机(I型)结构示意图。可以看到,该电机由一个定子、一个永磁转子和一个调制转子组成,它将一台磁力齿轮集成到了电机内部。

图2(b)是本文提出的一种新型磁场调制型双机械端口电机(II型),相比于I型,调制转子和永磁转子互换了位置。这样,调制转子在机械加工上更容易实现。

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(a)

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(b)

2. 磁场调制型双机械端口电机

3a)所示为现有的混动系统构成,1号电机(1st MG)主要作为电动机运行,2号电机(2nd MG)主要作为发电机运行,由行星齿轮构成的动力分流器(PSD)是整个系统的核心,根据运行工况起到能量分配的作用,例如将内燃机输出的能量分配给传动系统(Drive Train)和2号电机(2nd MG),或是加上1号电机(1st MG)的输出功率以提高整个系统的输出功率。

3b)是基于双机械端口电机的混动系统,可以看到传统混动系统中的行星齿轮和2号电机(2nd MG)被双机械端口电机所取代,系统体积和重量都大为减少,系统成本下降的同时效率得以提升。

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(a)

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(b)

3. 混动系统对比


2.双机械端口电机特性分析

根据磁场调制原理,该电机中定子磁场转速ωs,永磁转子转速ωpm和调制转子转速ωm满足方程

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其中,定子绕组极对数为ps,永磁转子极对数为ppm,调制转子导磁块数为nm。

从上式可得,当永磁转子保持静止(ωpm=0)时,调制转子和定子之间的传动比为:

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而调制转子和永磁转子之间的传动比为:

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表I给出了图2所示的两种双机械端口电机的初始模型参数。定子槽数和极对数分别为72和6,永磁转子极对数为10,调制转子极数为16,符合磁场调制原理(nm=ps+ppm),那么传动比Grm和Gre分别为2.67和1.6。

表I 双机械端口电机初始模型参数

电机外径

264 mm

叠片长度

70 mm

定子绕组极对数ps

6

永磁转子极对数ppm

10

调制转子极数nm

16

定子槽数

72

相数

3

每相串联匝数

120

铁芯材料

35A250

磁钢

NdFeB

剩磁

1.1 T

矫顽力

850 kA/m

在保持调制转子和永磁转子静止的情况下,通过有限元分析得到的调制转子的矩角特性曲线如图4所示,横坐标的内相角(internal phase angle)表示定子d轴与永磁转子之间的相位差。定子绕组电流有效值为170 A,频率200 Hz,电流密度为29 A/mm2,需要采用油雾冷却。可以看到,与传统同步电机类似,内相角在90°左右时,传递的力矩有最大值。当永磁转子被锁住,调制转子以恒定转速750 r/min旋转时,I型和II型电机在最大转矩输出点的转矩波形如图5所示,此时的定子电流为[email protected] 由于槽谐波更大,II型电机的转矩脉动要大于I型电机。可以确认的是两种电机的传动比都达到了预期的2.67和1.6。

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 4. 调制转子矩角特性

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(a)

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(b)

5双机械端口电机的转矩曲线: (a) I型;(bII


3.双机械端口电机的参数优化

在保持两电机外径为264mm、叠片长度为70mm、气隙长度为0.6mm、定子绕组形式相同、槽面积相等和磁钢用量不超过初始模型的前提下,仍然锁定永磁转子,定子电流为[email protected],调制转子转速750r/min,以最大输出转矩为目标进行参数优化。具体的优化参数见图6. 对于两台电机的优化结果比较如表2所示,相比I型电机,II型电机转矩提高了4.6%,磁钢用量减少了21%,转矩密度为71.3Nm/L。

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(a)

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(b)

6. 双机械端口电机的优化参数

表2两电机优化结果比较


I型

II型

调制转子转矩

261  Nm

273  Nm

输出功率

20.5  kW

21.4  kW

铜耗

8.6  kW

8.6  kW

输入电功率

29.1  kW

30.0  kW

效率

70.5  %

71.4  %

转矩密度

68.1  Nm/L

71.3  Nm/L

磁钢用量

0.24  L

0.19  L


4.实验结果

根据前面的分析结果制造的样机参数如图7所示,很容易得到传动比Grm和Gre分别为2.25和1.8. 在锁住永磁转子,调制转子转速为1000r/min的条件下,测得的空载反电势波形如图9所示,测量与有限元计算的反电势曲线比较吻合。另外,测得的反电势基波频率为300Hz,意味着定子磁场转速为2250r/min,符合前面的转速方程。图10给出了实验测量的矩角特性和不同电流值、不同电流相位角下的输出转矩。

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7. 双机械端口样机拓扑图

表3样机主要参数

电机外径

234 mm

叠片长度

70 mm

定子绕组极对数

8

永磁转子极对数

10

调制转子极对数

18

定子槽数

96

相数

3

每相串联匝数

96

铁芯材料

35A250

磁钢

NdFeB

剩磁

1.1 T

矫顽力

850 kA/m

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(a)

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(b)

8. 样机照片

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9. 空载反电势结果对比

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(a)

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(b)

10. 负载结果对比:(a)矩角特性;(b)调制转子转矩


总结

本文提出了一种应用于混合动力汽车的磁场调制型双机械端口电机。该电机相比传统的双机械端口电机转矩提升了4.6%,磁钢用量减少了21%,样机实验也验证了仿真的有效性。


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