双机械端口电机特性分析及应用

课程设计报告题目：双机械端口电机特性分析及应用学院：专业名称：学生姓名：班级：指导教师：时间：课程设计任务书双机械端口电机特性分析及应用一、设计内容1、掌握双机械端口电机的结构特点和运行原理；2、建立双机械端口电机的简单数学模型；3、综述双机械端口电机的应用领域及优势；二、主要技术指标1、双机械端口电机简单数学模型．．．．；2、双机械端口电机不同工况．．．．下的动态性能；三、进度要求2012.09.03—2012.09.05 查阅资料；2012.09.06—2012.09.07 双机械端口电机特性及应用总结；2012.09.08—2012.09.11 双机械端口电机建模；2012.09.12—2012.09.14 撰写报告；学生指导教师摘要本文由混合动力汽车动力组成形式引入话题，首先探讨由双机械端口电机（Dual Mechanical Ports Motor, DMPM）构成的电无级变速( Electrical Variable Transmission, EVT)混合动力系统的组成结构，由此进一步讨论其工作原理，这里主要关注其与普通电机的结构、机电特性的区别，进而指出EVT 在实际的机车驱动系统中的最佳工作区间。

接着，对EVT系统不同工况的功率流向进行了详细分析。

下面一部分是用数学建模的方式对进一步解析EVT的原理与工作状况，需要注意的是，本文只选取了实际机车运行中常见的三种工况进行建模，即纯电动工作模式、混合动力工作模式和停车发电工作模式，得到其电压方程、磁链方程、电磁转矩方程和机械运动方程，由于时间及能力所限，并未对其进行仿真，因而结果有待验证。

最后，简要介绍双机械端口电机的应用领域及优势。

关键词： DMPM；内外转子；EVT；功率流向；建模；坐标系；电磁转矩目录摘要 (3)1. 引言 (5)2. 双机械端口电机构成的EVT系统的结构特点 (5)3. EVT的工作原理 (7)4. EVT系统运行于不同工况时的功率流向[5][7] (8)4.1 正向电动（ωm2>0, T m2>0） (8)4.2 正向制动（ωm2>0, T m2<0） (10)4.3 反向电动（ωm2<0, T m2<0 ） (10)4.4 反向制动（ωm2<0, T m2>0 ） (11)5. 模型建立 (11)5.1 电力变速器(EVT)的工作原理模型[1][4] (11)5.2 双机械端口电机三种工况的模型建立[3] (14)5.2..1 纯电动工作模式下DMPM 的数学模型 (14)5.2..2 混合动力工作模式下DMPM 的数学模型 (16)5.2..3 停车发电工作模式下DMPM 的数学模型 (17)6. 双机械端口电机的应用领域及优势 (18)参考文献 (18)1.引言随着石油资源日益匮乏, 人们越来越多地考虑驾车成本问题; 另一方面, 汽车尾气的排放造成的环境问题也日益严重。

电动汽车作为一种清洁、绿色环保的新型车辆, 越来越受到重视。

但是电动汽车(Electrical Vehicle，EV)大规模储能依旧是其发展的瓶颈问题。

所以, 混合动力汽车(Hybrid Electrical Vehicle, HEV)作为中间过渡产品受到了越来越多人的青睐。

这种车效率高,而且排放污染比常规车辆小, 具有很大的研究价值,是目前汽车发展很有潜力的一个方向。

目前, 混合动力汽车按照发动机、电动机以及储能装置如蓄电池的不同结构形式分为三种主要类型: 串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车、混联式混合动力汽车。

瑞典皇家技术学院(Royal Institute of Technology)的Erik Nordlund博士等人提出了一种新型拓扑结构的电机来替代现有的混合动力汽车动力组成形式，这就是由双机械端口电机(Dual Mechanical Ports Motor, DMPM)构成的电无级变速( Electrical Variable Transmission, EVT)混合动力系统[1][6]。

2.双机械端口电机构成的EVT系统的结构特点传统的电机一般只有一个定子和一个转子, 而双机械端口电机(DMPM)有两个转子, 即两个机械端口；一般内转子接原动机, 外转子接负载, 内外转子的转速可以不一样。

这样在应用于诸如混合电动汽车等领域时, 显示出了极大的优势。

例如原动机内燃机( ICE)的转速可以维持在效率最高的转速点, 而负载侧外转子的转速可以随工况的不同而独立变化。

ICE全部的输入功率中, 一部分转换为负载侧的机械功率, 另一部分转化为电功率并通过功率变换器输出, 其能量被蓄电池吸收。

这是早期的方案, 称作集成能量变换器(IET)。

由于对蓄电池的充电过程不能长期持续, 因此内外转子的转速最后总要接近相等, 才能实现转差功率为零, 这就限制了IET方案的实际应用。

这个缺点可以通过在系统中再增加一个独立的辅助电机来弥补。

辅助电机的转子可通过齿轮等设备连到外转子上。

蓄电池中的能量可通过辅助电机转化成机械功率, 并可进一步增加外转子的输出转矩。

进一步的研究是将IET和新增加的辅助电机有机融合在一起, 形成所谓双机械端口电机(DMPM)如图1所示。

一种方案称为电力变速器(EVT)[2]。

图1.双机械端口电机实物图图2中内燃机（ICE）与内转子（机械端口1）相连，外转子（机械端口2）直接与汽车的齿轮相连，电力电子变换器直流侧接蓄电池（电端口）。

内转子采用三相绕线式绕组，通过集电环将转差功率通过电力电子变换器向蓄电池充电或直接送到外侧的定子。

外转子内、外两侧分别装有永久磁钢，通过内、外转子气隙磁场与内转子、定子交换电磁能量。

图2.采用DMPM的EVT系统3. EVT 的工作原理图3中，P m1为内燃机输出给EVT 内转子的机械功率，T m1为内燃机的机械转矩，ωm1为内转子旋转速度。

P e 为内转子绕组中的转差功率，P d 为内转子通过气隙传递给外转子的的电磁功率，ωm2为外转子旋转速度， P m2为外转子输出的机械功率，T m2为外转子输出的机械转矩。

T f1和T f2分别为内气隙和外气隙传递的电磁转矩。

图3.EVT 分拆结构图分析时假设无损耗，则内燃机输出的的机械功率为：111m m m P T ω=内转子和外转子通过磁场相互作用，使P m1的一部分功率转化为转差功率P e ，另一部分转化为电磁功率P d ：12121211()e m m f d m f m m m e dP T P T T P P P ωωωω=-===+功率和转矩特性如图所示图4.功率和转矩特性图P e 通过电力电子变换器送到EVT 的定子中，然后通过外气隙传送给外转子，因此外气隙的电磁转矩T f2为：122122em m f m m m P T T ωωωω-==外转子的机械转矩T m2应该为T f1和T f2的综合作用，并可求出T m2与T m1的关系为：121212m m f f m m T T T T ωω=+=图3表明，在ωm2=ωm1点附近，P e 相对来说比较小，因此在这点附近的损耗相对来说也较小，所以在这个区域是最佳工作区。

当ωm2比较小时，P e 相对来说较高，转矩较大，因此这个区域是较短时间的加速区。

所以，在实际的机车驱动系统中，直接驱动速度能够获得相对较高的效率。

4. EVT 系统运行于不同工况时的功率流向[5][7]在分析各种不同工况下的能量流向的问题时，假设在各种工况下发动机保持恒功率运行。

Ps 为蓄电池功率。

4.1 正向电动（ωm2>0, T m2>0）A. ωm1>ωm2 ，T m1<T m2这种情况下DMPM内外转子均正转，且内转子转速大于外转子，内燃机的机械转矩小于外转子输出的机械转矩。

功率流向如图4所示。

图4注：Ps 的方向视Pm1和Pm2的大小来决定（图中箭头方向为能量实际流向，下同）当Pm1<Pm2时，Ps箭头指向上方，即蓄电池对外放电；当Pm1>Pm2时，Ps箭头指向下方，即对蓄电池充电。

B. ωm1>ωm2，Tm1>Tm2C. ωm1<ωm2，Tm1<Tm2D. ωm1<ωm2，Tm1>Tm2注：Ps 的方向视Pm1和Pm2的大小来决定。

4.2正向制动（ωm2>0, T m2<0）A. ωm1>ωm2B. ωm1<ωm24.3反向电动（ωm2<0, T m2<0 ）注：Ps的方向视Pm1和Pm2的大小来决定。

4.4 反向制动（ωm2<0, T m2>0 ）A. T m1>T m2B. T m1<T m25. 模型建立5.1 电力变速器(EVT)的工作原理模型[1][4]假设正磁链由正方向电流产生, 将EVT 看成是三台电机的组合, 即： 电机A: 由定子功率绕组和外转子永磁体1组成(永磁同步电动机)； 电机B: 由外转子永磁体2和内转子功率绕组组成(永磁同步发电机)； 电机C: 由内转子控制绕组和定子控制绕组组成(绕线式异步发电机)。

可做出如下简化:（1）同步电机均为隐极电机；（2）绕组三相对称；（3）永磁体在空间产生正弦磁势;（4）磁路线性, 满足叠加原理；（5）假定各绕组只与相应绕组或永磁体耦合。

采用转子速坐标系且做如下规定:（1）设内转子的机械角速度为Ω1, 外转子的机械角速度为Ω2；（2）定子控制绕组极对数为p C , 永磁体极对数均为p P (电机A 、B 的极对数为p P ,电机C 的极对数为p C )；（3）取电机A 的坐标系为以ω2旋转,ω2=Ω2×p P ,且d 轴于永磁体磁链轴线重合,磁链幅值为ψf1；（4）取电机B 的坐标系为以ω3旋转, ω3=Ω1×p P ,磁链幅值为Ψf2；（5）取电机C 的坐标系为以ω1反向旋转, ω1=Ω1×p C 。

各转子速坐标系关系如图5所示。

图5. 各转子速坐标系关系示意图电压及磁链方程: 定子功率绕组:2dsp dsp qsp dsp p sp qsp qsp dsp qsp U i p p r U i ψψψψ-⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+⨯Ω+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦10dsp dsp f sp qsp qsp i l i ψψψ⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦定子控制绕组:1dsc dsc dsc qsc c sc qsc qsc qsc dsc U i p p r U i ψψψψ-⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+⨯Ω+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦dsc drc dsc drp dsc m sc m sc qsc qrc qsc qrp qsc i i i i l l l l i i i i ψψ-⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦转子绕组:0()0drp drp drc rp rc qrp qrp qrc i r r p i ψψψψ-⎡⎤⎡⎤⎡⎤=++⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⎣⎦⎣⎦⎣⎦ 21221cos ()sin ()p drp drp f rp qrp qrp p P t i l i P t ψψψ⎡⎤⎡⎤Ω-Ω⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎢⎥=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎡⎤-Ω-Ω⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦ drc dsc drc dsc drp m rc m rc qrc qsc qrc qsc qrp i i i i l l l l i i i i ψψ-⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+=+⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦212)qrc 21cos ()(+sin ()p drp drc drp dsc f rp rc m qrp qrp qsc p p t i i l l l i i p t ψψψψψ⎡⎤⎡⎤Ω-Ω--⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎣⎦⎢⎥=+++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎡⎤-Ω-Ω⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦转矩及转速方程:电机A:133()22A p dsp qsp qsp dsp p f qsp T p i i p i ψψψ=-=为定子功率绕组对外转子的拖动转矩。