双转子电机及其应用的分析

双速电机总结报告双速电机是一种能够在不同转速和功率条件下运行的电机。

它由两组绕组和两个转子组成，可以在高速和低速模式下工作。

双速电机的发展得益于电力技术的进步，对于提高电机效率和降低能源消耗具有重要意义。

本文将对双速电机的结构、工作原理、优点和应用进行总结。

首先，双速电机的结构包括两组绕组和两个转子。

每个绕组都有各自的定子和转子，它们之间通过电力开关切换。

双速电机可以在高速模式下使用一组绕组，并在低速模式下使用另一组绕组。

这种结构的设计使得电机能够适应不同的工作条件和负载要求。

其次，双速电机的工作原理是通过改变电流和电压来调节转速。

在高速模式下，电机使用较高的电压和较低的电流来提供更大的转矩和功率。

而在低速模式下，电机使用较低的电压和较高的电流来提供较小的转矩和功率。

这种调节方式使得双速电机可以根据需要在不同工作状态下运行，提高了电机的灵活性和适应性。

双速电机具有许多优点。

首先，它能够在不同转速和功率条件下工作，适应不同的工作负载和需求。

这样可以降低能源消耗，提高电机的效率。

其次，双速电机具有高度的可靠性和稳定性。

通过使用两组绕组和两个转子，可以避免单一故障对整个电机系统的影响。

再者，双速电机的维护和维修成本相对较低。

由于其结构简单，更换损坏的部件容易且经济实惠。

双速电机在许多领域中有广泛的应用。

首先，它被广泛应用于工业自动化领域。

在自动化生产线中，工作负载常常变化多样，需要电机能够在不同转速和功率条件下运行。

双速电机的灵活性和适应性使其成为首选。

其次，双速电机也被广泛应用于交通运输领域。

例如，电动车在启动和行驶时需要较高的转矩和功率，而在停车和低速行驶时需要较小的转矩和功率。

双速电机的转速调节能力使得电动车的性能更加优越。

总之，双速电机是一种能够在不同转速和功率条件下运行的电机。

它具有简单的结构、高度的可靠性和稳定性，以及灵活的转速调节能力。

双速电机在工业自动化和交通运输领域有广泛的应用前景。

基于双转子电机的混合动力系统方案的研究进展摘要：混合动力系统中，双转子电机由于能量传输能量，其应用前景十分广阔。

基于此，本文就双转子电机混合动力系统方案展开研究，首先阐述了混合动力系统，其次对双转子电机进行详细分析，为后续研究提供参考。

关键词：双转子电机；混合动力系统；方案新能源汽车技术重点在于纯电动、燃料电池，但是由于技术限制当前市场上的新能源汽车主要为油电混合动力汽车，技术也逐渐得到发展。

单当前，混合动力系统典型系统是丰田THS系统、通用AHS系统，其核心部件为动力耦合器中的行星齿轮变速器，其可以促使内燃机与电机实现速度、转矩耦合，优化发动机。

但是，需要定期维护行星齿轮结构。

一、混合动力系统概述双转子电机混合动力系统中包括内燃机、双转子电机、变换其、能量存储装置等。

双转子电机中，内转子轴连接了内燃机，外转子轴连接了汽车驱动桥。

内转子轴设置了三相交流绕组，并连接着内电机交/直流变换其，定子上也设置了三相交流绕组，并连接着外电机交/直流变换器，而能量存储装置则分别连接着内外电机交/直流变换器[1]。

双转子电机类型不同，外转子轴上不仅设置了内外永磁体，同时也设置了内外三相交流绕组。

由双转子电机内转子输入发动机输出功率，由于双转子电机输入端功率分流，输入功率分成了两路，一路传输至输出端，另一路存储起来。

内外转子轴间转速只是对输入功率分配比例和大小产生影响，随意调节，这就表示发动机能够在任何转速下运行，使发动机转速和整车车速能够实现完全解耦。

由外转子输出双转子电机输出功率，由于能量存储功能，输出功率分别来自于输入功率和储能装置。

双转子电机输出端具有功率合流功能，通过对外气隙电磁转矩改变，进而使整车输出转矩改变，并保证发动机转矩不会发生变化，促使发动机转矩和整车转矩能够实现完全解耦。

根据上述分析，双转子电机混合动力系统中，储能装置对于系统功率分流具有重要意义。

传统汽车发动机是利用功率金相控制，随着整车需要功率，发动机输出功率具有正比例关系。

双转子电动机工作原理
嘿，朋友们！今天咱们来聊聊双转子电动机的工作原理。

想象一下，双转子电动机就像是一个有两个轮子同时转动的神奇机器。

一般来说呢，电动机就是靠电来产生动力的装置。

而双转子电动机呢，它有两个特别的转子。

就好像是有两个小伙伴一起努力干活。

当电流通过电动机的时候，就像是给这两个“小伙伴”注入了能量。

一个转子开始转动，同时带动着另一个转子也跟着动起来。

它们相互配合，就像跳舞一样有节奏地工作着。

比如说，我们可以把它想象成两个小朋友在玩跷跷板，电流就是让他们动起来的力量。

一个小朋友起来，另一个就被带起来，然后一起一上一下地玩得不亦乐乎。

这两个转子一起合作，就能产生强大的动力，让各种机器设备运转起来。

无论是在我们日常生活中的电器，还是在工业生产中的大型设备里，都能看到双转子电动机的身影。

总之，双转子电动机就是这么一个神奇又有趣的东西，通过两个转子的协同工作，给我们的生活带来了很多便利和动力呢！是不是很有意思呀？。

双转子永磁电机综述
1 双转子永磁电机概述
双转子永磁电机是一种比一般的三相异步电机更加复杂的电机性能。

它具有双转子的特点，可以实现分段处理电能，使启动、调速和停止更加简单。

双转子永磁电机可以根据电力需求和改变，调节电机速度和功率，使用户获得更高性能。

2 双转子永磁电机结构
双转子主体结构主要由有向永磁和两个转子组成：一个名为堵转子的外部转子，另外一个为内部的驱动转子，它们分别通过两种不同的系统连接，外部转子使用三相异步电动机的重启原理，而内部转子则使用永磁连接，使用其控制特性可以改变电机的转速。

3 双转子永磁电机优势
双转子永磁电机的优势在于它具有非常稳定的性能、高能效和低噪声。

它还可以节省资源，减少电力损耗，同时它也具有更高的刚性和尺寸，从而实现空间有效利用。

#4 应用范围
双转子永磁电机广泛应用于各种工业机械上，如风机、泵、压缩机等，以及汽车、家电、通讯设备、医疗设备等，用于调整设备的工作参数和实施精确控制，以满足各种不同的工业要求。

水下航行器对转螺旋桨用双转子永磁推进电机研究水下航行器是一种能够在水中自主航行的机器人，有着广泛的应用领域。

在水下环境中，传统的燃油推进技术面临着许多问题，例如能源供应的限制、噪声污染、对水下生态的破坏等。

因此，如何开发高效、低噪声的水下航行器成为了水下技术研究的一大挑战。

转螺旋桨是一种高效的水下推进器，广泛应用于水下航行器、潜水器等领域。

在传统的转螺旋桨推进系统中，通常采用柴油发动机或燃气涡轮发动机作为动力源，用机械传动的方式将动力传递到螺旋桨上，推动水下航行器前进。

然而，这种传统的推进系统存在一些问题，例如噪声大、污染严重、耗能高等。

为了克服这些问题，研究者们开始尝试使用电动推进系统。

在电动推进系统中，通过电机将电能转化为动力，驱动转螺旋桨转动，从而推动水下航行器前进。

电动推进系统比传统的机械传动推进系统具有许多优点，例如启动快速、噪声低、环保等，因此在水下航行器领域受到了广泛关注。

双转子永磁推进电机是一种高效、低噪声的电动推进系统。

在这种电动推进系统中，通过使用两个转子和一个定子的结构，将电能转化为机械能。

转子上采用永磁材料，可在无需外部磁场的情况下产生磁通。

与传统感应电机相比，双转子永磁推进电机具有响应速度快、效率高、结构紧凑等优点。

同时，在使用这种电机时，也能够将其与转螺旋桨相结合，形成一种高效的、低噪声的水下推进系统。

使用双转子永磁推进电机作为水下航行器的推进系统，不仅可以实现高效的推进，同时也能够降低水下环境中的噪声污染，保护水下生态环境。

这种推进系统具有启动快速、响应速度快、维护成本低等优点，因此在水下航行器领域十分有前景。

总之，双转子永磁推进电机是一种高效、低噪声的水下推进系统，在水下航行器的开发中具有重要的应用价值。

未来，随着技术的不断发展，这种推进系统将会得到更广泛的应用，并成为水下技术研究的重要一环。

以下是关于转螺旋桨用双转子永磁推进电机的相关数据：1.效率：双转子永磁推进电机的效率高达95%以上，远高于传统的机械传动推进系统，大大降低了能源消耗并提高了推进效率。

双转子径向永磁电机的设计与有限元分析3曹江华,　杨向宇,　肖如晶(华南理工大学,广东广州　510640) 摘　要:介绍了双转子径向永磁电机的基本结构、原理及特性,采用解析法分析了其电感参数的计算,并给出了设计依据,最后利用有限元法对所设计的电机进行了静态磁场的分析和电感计算值的验证。

结果表明,双转子径向永磁电机在磁场上可看作由共用定子铁心的两个传统内、外转子永磁电机并联而成,而电感计算则可看作串联,电感的解析值与有限元计算值吻合得较好,证明了电机分析和设计的可行性。

关键词:双转子径向永磁电机;电感计算;有限元分析中图分类号:T M302∶T M351　文献标识码:A 文章编号:167326540(2010)0120008205D esi gn and F i n ite 2Elem en t Ana lysis of D ua l 2RotorRad i a l 2Flux Per manen t M agnet M otorCAO J iang 2hua,　YAN G X iang 2yu,　X I AO R u 2jing(South China University of Technol ogy,Guangzhou 510640,China ) Abstract:Dual 2r ot or radial 2flux per manent magnet mot or can substantially i m p r ove the t orque density and effi 2ciency .Its basic structure,operati on p rinci p le and characteristics were intr oduced,calculating the inductance by an 2alytic method and giving the design basis .I n additi on,the finite 2ele ment method was used t o analyze the static mag 2netic field and the effectiveness of the calculated inductance was p r oved .The results showed that the magnetic field of dual 2r ot or radial 2flux per manent magnet machines can be regarded as a parallel combinati on of t w o traditi onal inner and outer per manent magnet mot or shared a common stat or core and the inductance was f or med in series .Moreover,the inductance values calculated by the analytic and finite 2ele ment method match well and thus verify the feasibility of the analysis and design of the machine .Key words:dua l 2rotor rad i a l 2flux per manen t magnet m otor;ca lcul a ti on of i n duct ance;f i n ite 2ele m en t a 2na lysis3广州市科技计划项目(2008Z12D421)0　引　言高转矩密度和高效率是电机最重要的两个指标,这两方面的改进一直是电机研究的重点。

第27卷㊀第5期2023年5月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.27No.5May 2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀超环面双转子混合动力系统性能分析及优化刘欣1,2,㊀冯皓2,㊀王晓远1(1.天津大学电气自动化与信息工程学院,天津300072;2.天津工业大学天津市现代机电装备技术重点实验室,天津300387)摘㊀要:超环面双转子电机(PMTM )是一种新型空间电机,在混合动力汽车领域具有十分广阔的应用前景㊂为使该空间双转子电机的动力参数在混合动力系统中合理应用,在采用相同动力输入的前提下,通过与Prius 汽车搭载的丰田混合动力系统(THS )对比,推导了超环面双转子混合动力系统的动力参数㊂为了对比两者燃油经济性和动力性,搭建了采用THS 和超环面双转子混合动力系统的仿真模型,仿真结果表明,两者在动力性上相差不大,且超环面双转子混合动力系统的燃油经济性优于THS ㊂采用模糊PI 控制策略,对超环面双转子混合动力系统中发动机转速进行控制,结果表明,该控制策略能够将发动机工作点较好地集中于最佳燃油经济区,进一步提高了双转子混合动力系统的燃油经济性㊂关键词:混动汽车;超环面电机;燃油经济性;动力性;发动机转速优化;双转子电机DOI :10.15938/j.emc.2023.05.007中图分类号:TM315文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)05-0056-09㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2021-10-31基金项目:国家自然科学基金(51875408);国家留学基金(201808120031)作者简介:刘㊀欣(1981 ),女,博士,教授,博士生导师,研究方向为机电集成系统设计与仿真㊁驱动系统特性与控制研究;冯㊀皓(1996 ),男,硕士,研究方向为机电集成系统设计与仿真㊁驱动系统特性与控制研究;王晓远(1962 ),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为电机电磁场的分析与计算㊁特殊电机电器的设计与控制㊂通信作者:刘㊀欣Performance analysis and optimization of toroidal double-rotorhybrid power systemLIU Xin 1,2,㊀FENG Hao 2,㊀WANG Xiaoyuan 1(1.School of Electrical and Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Tianjin Key Laboratory of Modern Electromechanical Equipment Technology,Tiangong University,Tianjin 300387,China)Abstract :Permanent magnet toroidal double-rotor motor (PMTM)is a novel space motor,which has a very broad application prospect in the field of hybrid electric vehicles.Under the premise of the same power input,the power parameters of toroidal double-rotor hybrid power system were deduced by compa-ring with Toyota hybrid system (THS)on Prius.The simulation models with THS and toroidal double-ro-tor hybrid power system were built in Cruise to compare their fuel economy and power performance.Thesimulation results show that the power performances of the two systems have no significant difference,and the fuel economy of toroidal double-rotor hybrid power system is better than THS.The engine speed of to-roidal double-rotor hybrid power system was controlled by fuzzy PI control strategy.The results show that the fuzzy PI control strategy can make the engine operating points more concentrated in the best fuel econ-omy area,and the fuel economy of the toroidal double-rotor hybrid power system is further improved.Keywords :hybrid electric vehicle;toroidal motor;fuel economy;power performance;engine speed opti-mization;double-rotor motor0㊀引㊀言近年来,全球气候逐渐恶化,温室效应日益加剧,节能减排的工作迫在眉睫,其中混合动力汽车由于其高效低排的特点受到了人们日益广泛的关注[1-2]㊂发动机和电动机共同作用使得混合动力汽车在能量利用率和尾气排放等方面得到了极大的改善[3]㊂混合动力汽车可以分为串联式㊁并联式和混联式3种,其中混联式兼具前两者的优点,是近年来混合动力系统研究的热点[4],如丰田公司推出了丰田混合动力系统(Toyata hybrid system,THS),并将其用于Puris车型,该车型自面世以来取得了极大的成功;通用㊁宝马和戴姆勒合作开发了双模混合动力系统,并将这项技术用于雪佛兰Tahoe和Silverado 车型,很大程度上降低了整车的油耗并减少了尾气排放[5-6]㊂这些混合动力系统均通过一组或多组行星齿轮结构实现发动机和电动机的动力耦合和动力输出,并且行星齿轮结构可以实现发动机输出轴和汽车驱动轴的运动解耦,使发动机始终处于最佳燃油经济区运行㊂但采用行星齿轮结构的混合动力系统存在机械结构不可避免的噪声㊁振动以及维护不便等问题[7-8]㊂为了避免机械式行星齿轮结构,近年来学者们又提出一类永磁复合结构电机㊂文献[9]提出一种四象限能量转换器(four-quadrant transducer,4QT),由2台径向磁通永磁同步电机组合而成,外转子内外都贴有永磁体㊂该能量转换器可以使内燃机在所有行驶模式下以最佳效率运行,并且实现同时控制转矩和速度的功能㊂文献[10]介绍了一种电气变速器,将感应电动机与感应发电机同心布置,可以同时实现无极变速和混合动力功能,达到了混合动力集成的目的㊂文献[11]提出一种新型磁场调制无刷双转子电机,由定子㊁调制环转子和永磁转子组成㊂并对该双转子电机进行了功率流特性分析,实现了混合动力汽车的能量优化㊂这些复合结构电机在结构上类似机械式行星齿轮,可以实现动力耦合和动力输出,并且各转子间采用磁齿传动,有效避免了THS存在的噪声㊁振动以及维护不便等问题㊂文献[12-16]对永磁复合结构电机的结构设计㊁电磁性能㊁控制策略以及散热性能等方面进行了研究㊂研究结果表明永磁复合结构电机具有控制简单和功率密度高的优点,并且该类电机可以使整车油耗降低30%~50%,在混合动力汽车领域具有广阔的发展前景㊂然而进一步研究发现永磁复合结构电机存在一些问题,由于永磁复合结构电机具有很高的集成性,其内部电气元件分布紧凑,使得该类电机的散热性能较差㊁转子铁心利用率低,且需要机械变速箱来匹配高速电机与相对低速的负载[17]㊂为了解决永磁复合结构电机存在的问题,本文提出一种永磁超环面双转子空间电机(permanent magnet toroidal double-rotor space motor,PMTM),该电机行星轮独特的安装方式,使该电机内各元件具有足够的散热空腔,极大地提高了该电机的散热性能;环面定子和蜗杆内转子的包覆式结构,不仅增加了磁齿啮合个数,并且减小了该电机的轴向尺寸㊂本文为了验证超环面双转子空间电机用于混合动力汽车时的可行性及有效性,首先,对比分析丰田THS 和超环面双转子混合动力系统的整体结构,并根据THS的动力参数对超环面双转子混合动力系统进行参数设计;其次,在Cruise仿真软件中建立超环面双转子混合动力系统的仿真模型,对比分析其与THS的燃油经济性和动力性;最后,采用模糊PI控制策略对超环面双转子混合动力系统中发动机转速进行优化,通过对比发动机优化前后超环面双转子混合动力系统的燃油经济性和动力性,来验证模糊PI控制器对该系统发动机转速优化的有效性㊂1㊀超环面电机结构原理永磁超环面双转子空间电机主要由环面定子1㊁行星架转子2㊁行星轮3㊁蜗杆内转子4㊁内转子输入轴5及输出轴6组成,其结构如图1所示㊂环面定子由硅钢片叠压而成的铁心以及螺旋绕组构成,电枢绕组嵌放在环面定子铁心的螺旋槽内以形成螺旋磁场;蜗杆内转子表面呈螺旋状嵌有N㊁S极相间的永磁齿;行星架转子固连一定数量的行星轮,行星轮圆周嵌有N㊁S极相间的永磁齿,并且行星轮轴与行星架转子轴垂直,行星轮永磁齿在环面定子旋转磁场和蜗杆内转子永磁齿的共同作用下做环状的螺旋运动,使得行星轮在公转的同时自转,其中行星轮的公转带动行星架转子转动,从而实现动力的输出㊂永磁超环面双转子空间电机是一个多端口电机,该电机用于混合动力汽车时,电池向环面定子螺旋绕组通入三相交流电产生旋转磁场,蜗杆内转子在发动机驱动下转动㊂行星轮永磁齿在环面定子旋转磁场和蜗杆内转子永磁齿共同作用下转动,并通过行星架转子输出动力㊂该空间电机通过输入端口不同的输入组合实现多种工作模式,此外,其驱动结75第5期刘㊀欣等:超环面双转子混合动力系统性能分析及优化构上类似行星齿轮结构,可以实现发动机输出轴与汽车驱动轴的运动解耦,使发动机始终处于最佳燃油经济区,以提高燃油经济性,并降低排放㊂图1㊀永磁超环面双转子空间电机结构Fig.1㊀Structure of permanent magnet toroidaldouble-rotor space motor2㊀超环面电机混动系统与THS 对比THS 是丰田公司于1997年推出的混合动力系统,该系统采用一组行星齿轮结构巧妙地实现了发动机和电动机的动力耦合及动力输出,革命性地降低了汽车油耗并改善了尾气排放,得到了全世界的高度评价㊂为了验证超环面双转子混合动力系统的可行性及有效性,现将该驱动系统与THS 进行燃油经济性和动力性对比分析㊂2.1㊀结构功能对比混合动力系统THS 的结构如图2所示,整个动力系统包括1台发动机和2台电机MG 1㊁MG 2㊂在结构上,行星架与发动机相连,太阳轮与电机MG 1相连,外齿圈与电机MG 2相连;在功能上,电机MG 1为发电机,当电池电量不足时为电池充电,另外,MG 1还可以作为发动机的启动电机,电机MG 2为电动机,将电池电能转化为机械能并驱动车轮㊂THS 的核心部分是行星齿轮机构,整个系统通过行星齿轮机构实现发动机和电动机的动力耦合和动力输出等功能㊂图2㊀THS 结构示意图Fig.2㊀Structure diagram of THS超环面双转子混合动力系统结构如图3所示㊂可以看出,超环面双转子空间电机可以等效为2部分:环面定子与行星轮外侧永磁齿等效为外电机EM,蜗杆内转子永磁齿与行星轮内侧永磁齿等效为内电机PM㊂外电机EM 与电池相连作为电动机,将电池电能转化为机械能,进而驱动行星轮;内电机PM 中蜗杆内转子与行星轮之间通过永磁齿传递动力,不存在能量转化,内电机PM 的动力全部来源于发动机㊂图3㊀超环面双转子混合动力系统Fig.3㊀Toroidal double-rotor hybrid power system通过对比超环面双转子混合动力系统与THS 可知,外电机EM 和电动机MG 2在功能上相同,但内电机PM 和发电机MG 1在功能上不同㊂在理想情况下,即电池在电量充足的前提下,THS 中MG 1和超环面双转子混合动力系统中内电机PM 均不存在能量转化,此时内电机PM 与发电机MG 1功能相同㊂因此,将超环面双转子空间电机等效为内电机和外电机2部分后,理想情况下,超环面双转子混合动力系统与THS 在结构和功能上都相同,可以根据THS 的动力参数对超环面双转子混合动力系统进行参数设计㊂为对比分析超环面双转子混合动力系统与THS 的燃油经济性和动力性,在保证对比客观性的前提下,采用性能参数相同的发动机作为各系统的机械能输入端㊂外电机EM 与MG 2的性能参数相同,作为各系统的电功率输入端,且两电机相率相同㊂此时,超环面双转子混合动力系统与THS 的输入动力相同,在此前提下进行动力性和燃油经济性对比㊂2.2㊀动力参数匹配在理想情况下,即电池电量充足时,THS 将发动机输出动力和电动机输出动力全部传递给驱动轮,其功率流如图4所示㊂THS 中发动机ICE㊁电动机MG 2和负载之间的功率关系为85电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀P L =P ICE +P MG2㊂(1)图4㊀THS 功率流Fig.4㊀Power flow diagram of THS由于PMTM 结构特性,超环面双转子混合动力系统中发动机输出功率一部分用于行星轮公转,另一部分用于行星轮自转㊂同理,电池电能经过外电机EM 转化为机械能后分别用于行星轮公转和自转㊂由于行星轮自转没有作用于行星架转子的转动,而行星轮公转带动行星架转子转动从而实现动力输出㊂因此,将外电机EM 等效为EM 1和EM 22个电机,EM 1用来实现行星轮公转,EM 2用来实现行星轮自转;同理,将内电机PM 等效为PM 1和PM 22个电机,则超环面双转子混动系统功率流如图5所示㊂图5㊀超环面双转子混合动力系统功率流Fig.5㊀Power flow of toroidal double-rotor hybridpower system在理想情况下,超环面双转子混合动力系统中动力与负载之间的功率关系为P L =P PM1+P EM1㊂(2)内电机中PM 2和外电机中EM 2对超环面双转子混合动力系统的动力输出没有影响,只有内电机中PM 1和外电机中EM 1将动力传递到行星架转子以实现动力输出㊂因此,根据THS 中电动机MG 2性能参数对超环面双转子混合动力系统中外电机EM 1进行参数匹配㊂由于内电机PM 1中没有能量转化,PM 1驱动行星轮公转的动力全部来源于发动机,将驱动行星轮公转的发动机部分称为有效发动机ICEH,因此根据THS 中发动机ICE 性能参数完成对超环面双转子混合动力系统中有效发动机ICEH 的参数匹配㊂2.3㊀外电机参数匹配外电机匹配是根据电机EM 的外特性参数,得到电机EM 1的外特性参数㊂电机外特性参数主要包括功率㊁转速和转矩3部分㊂首先分析外电机EM 和EM 1的功率关系㊂电池与外电机EM 相连,外电机将电池电能全部转化为机械能㊂一部分机械能P EM1用于行星轮公转;另一部分机械能P EM2用于行星轮自转,即P EM =P EM1+P EM2=T EM1n EM1+T EM2n EM29550㊂(3)式中:T EM1和T EM2分别为行星轮受外电机EM 作用下的公转力矩和自转力矩;n EM1和n EM2分别为行星轮在外电机EM 作用下的公转转速和自转转速㊂为了得到外电机EM 和EM 1的功率关系,首先对外电机EM 作用下行星轮受到的电磁力矩进行分析㊂将行星轮在外电机处所受的电磁力分解,行星轮在外电机EM 处的受力分解如图6所示㊂图6㊀外电机处行星轮受力分解Fig.6㊀Force decomposition of planet at inner motor根据环面定子处螺旋绕组升角αᶄi ,可得行星轮在外电机EM 处受到的公转分力和自转分力的关系为F EM1=F EM2tan αᶄi ㊂(4)行星轮自转和公转转速关系为n EM1=n EM2tan αᶄi ㊂(5)进一步分析可得行星轮在外电机EM 处的公转力矩和自转力矩的关系为T EM1=s 1tan αᶄi T EM2㊂(6)式中s 1为行星轮受外电机EM 电磁力作用时的公转95第5期刘㊀欣等:超环面双转子混合动力系统性能分析及优化力臂和自转力臂的比值,即环面定子半径r t 和行星轮半径r p 之比㊂将式(5)和式(6)代入式(3),可得外电机EM输出功率与EM 1输出功率的关系,即外电机输出功率中用于行星架公转的功率为P EM1=s 1tan 2αᶄi 1+s 1tan 2αᶄiP EM ㊂(7)根据环面定子处螺旋绕组升角αᶄi,可以得到外电机EM 输出转速与EM 1转速的关系为n EM1=n EM sin αᶄi㊂(8)由式(7)和式(8)可得,外电机EM 输出转矩与EM 1转矩的关系为T EM1=s 1tan 2αᶄi (1+s 1tan 2αᶄi)sin αᶄiT EM ㊂(9)选取超环面双转子空间电机的结构参数如表1所示㊂表1㊀超环面双转子空间电机结构参数Table 1㊀Structure parameters of PMTM㊀㊀㊀㊀参数数值蜗杆内转子永磁齿升角αi /(ʎ)50环面定子处螺旋绕组升角αᶄi/(ʎ)52环面定子轭部半径r t /mm 300行星轮半径r p /mm100蜗杆内转子轭部半径r w /mm100由于外电机EM 与THS 中电动机MG 2的外特性曲线相同,根据电机MG 2(外电机EM)的外特性曲线以及上述分析中外电机EM 和电机EM 1的功率㊁转速和转矩关系,可得电机EM 1的外特性曲线如图7所示㊂图7㊀电机MG 2与EM 1的外特性曲线Fig.7㊀External characteristic curve of MG 2and EM 1从图7可以看出,在恒转矩区,超环面双转子混合动力系统中电机EM 1的转速区间略小于THS 中电机MG 2的转速区间,但电机EM 1的转矩大于THS 中电机MG 2的转矩,转矩大约提高了5.6%,可以保证超环面双转子混合动力系统在低速阶段具有更强的动力性;在恒功率区,相同转速条件下,外电机EM 1的转矩小于电机MG 2的转矩㊂因此当车速较高时,需要发动机及时介入工作,从而保证超环面双转子混合动力系统具有足够的动力输出㊂2.4㊀有效发动机参数匹配超环面双转子混合动力系统中发动机输出的一部分机械能P PM1传递给内电机用于行星轮公转,将这部分机械能称为发动机有效功率P ICEH ;另一部分机械能P PM2用于行星轮自转,即P ICE =P ICEH +P PM2=T ICEH n ICEH +T PM2n PM29550㊂(10)式中:T ICEH 和T PM2分别为有效发动机ICEH 输出力矩和行星轮受电机PM 2作用下的自转力矩;n ICEH 和n PM2分别为有效发动机ICEH 输出转速和行星轮受电机PM 2作用下的自转转速㊂有效发动机参数匹配主要是根据发动机ICE 的外特性曲线和万有特性曲线,得到有效发动机ICEH 的外特性和万有特性曲线,这需要对发动机ICE 和有效发动机ICEH 二者的转速和转矩关系进行分析㊂首先分析ICE 和ICEH 的转速关系,与外电机同理,将发动机ICE 转速分解,根据蜗杆内转子处永磁齿升角αi 可以得到发动机ICE 转速与有效发动机ICEH 转速的关系为n ICEH =n ICE sin αi ㊂(11)行星轮在内电机PM 处公转和自转转速关系为n ICEH =n PM2tan αi ㊂(12)将行星轮在内电机PM 处受力分解,可得行星轮在内电机处公转分力和自转分力的关系为F ICEH =F PM2tan αi ㊂(13)由内电机PM 处行星轮的公转和自转力臂,得到有效发动机输出转矩和行星轮自转转矩的关系为T ICEH =s 2tan αi T PM2㊂(14)式中s 2为行星轮在内电机PM 处的公转力臂与自转力臂的比值,即蜗杆内转子半径r w 与行星轮半径r p的比值㊂将式(11)~式(14)代入式(10),得到发动机ICE 输出转矩和有效发动机ICEH 输出转矩关系为T ICEH=s 2tan 2αi(1+s 2tan 2αi )sin αiT ICE ㊂(15)06电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀根据上述分析及THS 中发动机万有特性曲线,可以得到超环面双转子混合动力系统中有效发动机ICEH 的外特性和万有特性曲线如图8所示㊂图8㊀发动机外特性和万有特性曲线Fig.8㊀Engine external characteristic and universalcharacteristic curves㊀㊀从图8可以看出,在相同转速下,超环面双转子混合动力系统中有效发动机ICEH 的输出转矩小于发动机ICE㊂因为有效发动机ICEH 只是发动机ICE 用于行星轮公转的部分,有效发动机ICEH 输出的机械功率小于发动机ICE㊂3㊀超环面混合动力系统仿真在Cruise 仿真软件中建立超环面双转子混合动力系统的仿真模型,如图9所示㊂将有效发动机ICEH 的外特性和万有特性曲线导入发动机模块中,将外电机EM 1外特性曲线导入永磁超环面双转子电机模块中,选取整车参数如表2所示㊂选取9个典型工况对超环面双转子混合动力系统的燃油经济性进行仿真分析㊂各工况下THS 与超环面双转子混合动力系统的燃油经济性对比如图10所示㊂图9㊀超环面双转子混合动力汽车仿真模型Fig.9㊀Simulation model of hybrid electric vehicle with toroidal double rotor space motor16第5期刘㊀欣等:超环面双转子混合动力系统性能分析及优化表2㊀整车参数Table2㊀Parameters of vehicle图10㊀燃油经济性对比Fig.10㊀Comparison of fuel economy超环面双转子混合动力系统在不同工况下的百公里油耗变化趋势与THS相同,验证了超环面双转子混合动力系统仿真模型建立的正确性和仿真结果的可信度㊂仿真结果表明,在大部分工况下,超环面双转子混合动力系统的百公里油耗低于THS,说明超环面双转子混合动力系统具有较好的燃油经济性㊂在Artemis Urban㊁Ja1015和FTP72工况下,超环面双转子混合动力系统的百公里油耗明显高于THS,是由于这3种工况下,车辆频繁启停并不断切换各种工作模式,使得发动机转速较难准确地跟随目标转速,发动机效率降低,百公里油耗增加㊂THS与超环面双转子混合动力系统的动力性对比如表3所示㊂表3㊀动力性对比Table3㊀Comparison of dynamic performance混动系统最大速度/(km/h)60公里加速/s百公里加速/s THS1707.3015.97 PMTM1707.1116.26汽车的加速性能取决于在同一转速下动力系统可以输出的最大转矩㊂在相同的控制策略下,低速模式(<60km/h)时2种混合动力系统均采用电机单独驱动,并且电机在车辆低速行驶时为恒转矩运行㊂从电动机外特性曲线图中可以看出,在恒转矩区,超环面双转子混合动力系统外电机EM1的转矩大于THS中电机MG2的转矩,因此,超环面双转子混合动力系统60公里加速时间小于THS㊂高速模式下(60~100km/h)两系统均采用电动机和发动机混合动力驱动㊂从发动机外特性曲线可以看出,在相同转速下,超环面双转子混合动力系统中有效发动机ICEH输出转矩小于THS中ICE的输出转矩㊂因此发动机介入工作后,超环面双转子电机混合动力系统的百公里加速时间大于THS㊂4㊀燃油经济性优化上文分析中,超环面双转子混合动力系统采用传统PI控制器对发动机转速进行控制㊂但在实际工作过程中,超环面双转子混合动力系统需要根据路况频繁的切换各种工作模式,发动机实际转速往往不能准确跟随目标转速,使得该系统的燃油经济性有所下降㊂本节采用模糊PI控制器对发动机的转速进行优化,通过改善发动机工作点分布,进一步提升超环面双转子混合动力系统的燃油经济性㊂模糊PI控制可以根据超环面双转子混合动力系统中发动机目标转速与实际转速的偏差和转速偏差变化率对比例系数K p和积分系数K i进行实时调整,使其在任何状态下都保持最优值㊂相比于传统PI控制器中恒定的K p和K i,模糊PI控制具有较强的适应性,应用于超环面双转子混合动力系统时可以使发动机工作点较好地分布在发动机最优燃油经济区,进而提高该系统的燃油经济性㊂4.1㊀模糊PI控制器设计为了保证超环面双转子混合动力系统中发动机转速控制的精度和效果,并保证模糊PI控制器算法简单,选取二维模糊控制器对超环面双转子混合动力系统的发动机转速进行优化㊂在超环面双转子混合动力系统发动机转速模糊PI控制器中,定义输入变量发动机转速偏差E的模糊子集为{NB,NS,ZO,PS,PB},论域为[-6,6];发动机转速偏差变化率E C的模糊子集为{NB,NS, ZO,PS,PB},论域为[-6,6];并且输入变量的隶属函数形状均为高斯形㊂定义输出变量ΔK p的模糊子集为{NB,NS,ZO,PS,PB},论域为[-1,1];变量ΔK i的模糊子集为{NB,NS,ZO,PS,PB},论域为[-1,1];输出变量的隶属函数形状均为三角形㊂超环面双转子混合动力系统中发动机的典型动态响应曲线如图11所示㊂根据超环面双转子混合动力系统发动机目标转速与实际转速的偏差,设计发动机模糊PI控制器中输出变量ΔK p和ΔK i的模糊控制规则分别如表4和表5所示㊂26电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀图11㊀发动机典型动态响应曲线Fig.11㊀Typical dynamic response curve of ICE表4㊀ΔK p 模糊控制规则Table 4㊀Fuzzy rule of ΔK pE E CNB NS ZO PS PB NB NB NB NB ZOPSNSNB NS NS PS PB ZO NS NS ZOPS PB PS NS NS PS PSPS PB PSPSPS PB PS 表5㊀ΔK i 模糊控制规则Table 5㊀Fuzzy rule of ΔK iE E CNB NS ZO PSPBNB PB PB PS ZO ZO NSPB PS PS NS NS ZO PB PS ZO NS NS PS PSPSNS NSNSPB ZO ZO NSNB NB 4.2㊀发动机工作点分布对超环面双转子混合动力系统发动机转速的模糊PI 控制器模块进行设计,将输入变量E ㊁E C 和输出变量ΔK p ㊁ΔK i 的隶属函数分别输入到模糊控制器的输入端和输出端㊂将ΔK p ㊁ΔK i 的模糊控制规则依次输入控制器中,并采用Mamdani 推理法进行运算,完成超环面双转子混合动力系统发动机转速模糊PI 控制器设计,再将其导入Simulink 环境下,与Cruise 仿真软件中超环面双转子混合动力系统的仿真模型进行联合仿真㊂以Artemis Urban 工况为例,超环面双转子混合动力系统中发动机转速在传统PI 和模糊PI 控制下其工作点分布如图12所示㊂可以看出,发动机转速在1500r /min 以下,采用传统PI 控制策略和模糊PI 控制策略时发动机工作点分布规律大体相似㊂发动机转速高于1500r /min 时,采用传统PI 控制策略的发动机工作点较为分散,而采用模糊PI 控制策略的发动机工作点更多集中在最优燃油消耗率区间㊂显然,经过模糊PI 控制器优化后,发动机工作点可以较好地分布在最佳燃油经济区㊂图12㊀Artemis Urban 工况发动机工作点分布Fig.12㊀Distribution of engine operating points underArtemis Urban发动机转速优化前和优化后,超环面双转子混合动力系统在不同工况下的燃油经济性仿真结果如图13所示㊂经过模糊PI 控制器对超环面双转子混合动力系统中发动机转速优化后,该混合动力系统在各种工况下百公里油耗均有所下降㊂由此可见超环面双转子混合动力系统中,发动机转速模糊PI 控制器设计的有效性㊂图13㊀转速优化后燃油经济性对比Fig.13㊀Comparison of fuel economy after speedoptimization发动机转速优化前和优化后,超环面双转子混合动力系统的动力性仿真结果如表6所示㊂结果表明,发动机转速优化后,超环面双转子混合动力系统的动力性几乎没有发生变化㊂动力性取决于外电机EM 1和有效发动机ICEH 的外特性参数,由于采用模糊PI 控制器对发动机转速优化后,36第5期刘㊀欣等:超环面双转子混合动力系统性能分析及优化。