输入分流型混合动力汽车用轴向磁场调制型电磁变速系统研究

Planetary gear units are commonly used as power-splitting devices in input-splitting hybrid electric vehicles (HEVs), which requires high-precision manufacture and regular lubrication maintenance. In this project, a brushless double rotor machine (DRM) is proposed to replace the planetary gear unit and generator in conventional HEVs. A hybrid electric system can be realized based on the DRM and a torque-regulating motor, with the benefits of high power density, simple manufacture, high reliability and maintenance-free. The key component of the electromagnetic transmission is a axial-flux-modulation DRM, whose modulating rotor is axially between the permanent magnet (PM) rotor and stator. In this project, the mathematic models and optimized design of the DRM, will be investigated. The control of electric machines and system energy management strategy will be studied. Prototype machines and controllers will be developed and tested by experiments. A comprehensive theory for machine design and control will be generated, providing an alternative HEV transmission scheme with high performance and applicability and self-owned intellectual property. The derived technology could also be employed for applications like wind power that requires both speed and torque regulations.

传统输入分流型混合动力汽车采用行星齿轮机构作为功率分流装置，存在机械加工精度要求高和润滑维护等问题。本项目拟研究一种基于纯电磁方案变速系统，通过一无刷双转子电机替代传统混合动力系统中的行星齿轮机构和发电机，配合转矩调节电机，实现混合动力驱动的功能，并具有功率密度高、工艺简单、运行可靠、免维护等优点。系统核心部件为调制转子内置式磁场调整型双转子电机，项目拟开展该电机数学模型及其优化设计方法研究、电机控制和系统能量管理策略研究、样机制造和实验研究等工作，形成较完善的电机设计和控制理论体系，为形成具有自主知识产权的混合动力系统提供具有较强实用性的候选方案，也为风力发电等需要同时变速和变转矩的应用场合提供技术参考。

传统混合动力汽车采用行星齿轮机构作为功率分流装置，存在机械加工精度要求高和润滑维护等问题。本项目研究了一种基于纯电磁方案变速系统，通过一无刷双转子电机替代传统混合动力系统中的行星齿轮机构和发电机，配合转矩调节电机，实现混合动力驱动的功能，并具有功率密度高、工艺简单、运行可靠、免维护等优点。. 系统核心部件为调制转子内置式磁场调整型双转子电机，首先研究了轴向磁场调制型双转子电机的优化设计方法，利用子域法建立了该电机的二维解析模型，结合三维有限元仿真研究了电机关键几何尺寸对电机电磁转矩以及轴向磁拉力的影响，建立了基于二维解析模型的电磁转矩优化算法，并通过有限元仿真验证了优化算法的可行性与优化结果的准确性。其次，研究了轴向磁场调制型双转子电机控制和变速系统能量管理策略，分别研究了双转子转矩动态解耦协调控制策略和整车参数匹配及动态规划全局能量管理算法。提出了适用于磁场调制型电磁变速系统的无差拍直接转矩磁链控制策略和基于发动机最优效率线的快速寻优策略。最终研制了电机样机和一体化系统控制器，同时完成双转子电机和转矩调节电机控制算法，搭建了实验平台，验证了双端口转矩动态控制策略。. 结合该项目的研究，培养博士1名，硕士11名；参与国际会议交流5人次，发表科技论文9篇，其中SCI检索3篇，SCI源刊1篇，EI检索9篇；授权国家发明专利2项。项目研究成果有望促进形成具有自主知识产权的汽车混合动力电磁变速技术，同时可推广用于风力发电、鱼雷、潜艇推进、混合动力飞机等场合，具有广阔的应用前景。