混合动力车用电气无级变速器的电磁解耦优化设计

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输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）、哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的研究人员徐奇伟、孙静等，在2018年第9期《电工技术学报》上撰文，针对混合动力车用电气无级变速器中的电磁耦合问题展开研究。

首先，通过分析电气无级变速器的功率分流模式可知，电磁场间的耦合作用虽然可提高燃油经济性和降低废气排放，但也会造成电气无级变速器中存在严重的电磁耦合问题。

然后，为解决电气无级变速器内部电磁耦合问题，分别提出安装及未安装隔磁环的电气无级变速器的内部等值磁路模型以研究在两种混合励磁源下影响耦合程度的因素。

接着，建立两种结构电气无级变速器的有限元模型，并依据影响耦合程度的因素分别研究二者的内部磁场分布规律；通过对所得规律的对比和分析提出最优电磁解耦方案以实现电气无级变速器优良的电磁性能和控制性能。

最后，利用有限元电磁仿真分析，从磁力线、磁场分布以及转矩特性方面验证解耦方案的正确性。

荷兰代尔芙特理工大学的M. J. Hoeijmakers教授于2004年首次提出电气无级变速器（Electric Variable Transmission, EVT），其将两台感应电机复合成一个四象限能量转换器，是一种机电能量转换装置[1]。

电气无级变速器具有两个机械端口（内转子和外转子）和两个电气端口（蓄电池组），其功率分流功能可以使机械能和电能在不同的端口之间灵活流动和转换，尤其适合作为混合动力车中的动力分配装置[2,3]。

此外，通过采取适当的转矩、转速控制策略，电气无级变速器可以实现内燃机（Internal Combustion Engine, ICE）怠速停止、动力补偿、功率分配以及制动能量回馈等功能，有利于提高燃油经济性和降低废气排放。由此可见，基于电气无级变速器的混合动力车将成为缓解未来资源、能源以及环境问题的主流汽车。

混合动力车用电气无级变速器在结构优化方面仍有许多问题亟待解决。电气无级变速器功率分流的优势虽然优化了内燃机的工作效率，但也造成了电气无级变速器内部存在严重的磁场耦合问题。磁场耦合会大大降低系统的功率因数和功率密度，并导致电磁损耗增加，是电气无级变速器较难解决的问题之一。

目前，国内外学者主要从以下几方面研究电气无级变速器的磁场解耦问题[4-8]。

①改善电机本体，提出分体式和异向磁路结构：分体式结构避免了内、外磁场间的耦合，但造成整台装置体积明显增加而损失功率密度；异向磁路结构则采用改变转子布局方式进而改变内、外磁路方向以减弱电磁耦合，但仍需解决如何降低内、外电机结构复杂度、提高电机可靠性以及降低成本等问题。

②基于磁场调制原理，在定子与转子中间安置磁场调制环，以改变电气无级变速器中的磁场分布，降低互扰程度。通过调节调制环的电流频率可有效实现转速解耦，但转矩是以一定的比率传递，不能完全实现转矩解耦控制。

③基于变参数模型，结合有限元方法提出电压、转矩等解耦控制策略，优化电气无级变速器结构设计。但此类控制策略是利用忽略某些复杂变参数，简化分析模型得来的，不可避免地存在控制误差，需进一步研究如何提高控制精度。

本文针对混合动力车用电气无级变速器中的内部电磁耦合问题展开研究。

首先，通过分析电气无级变速器的功率分流过程可知，内、外电机的调节作用可以优化内燃机工作点，提高系统的驱动效率，但由于多能量及多端口间的能量流动分配导致电气无级变速器内部磁场耦合严重；

然后，分别提出安装及未安装隔磁环的电气无级变速器的内部等值磁路模型以研究在两种混合励磁源下影响耦合程度的因素；接着，建立两种结构电气无级变速器的有限元模型，并基于影响耦合程度的因素分别研究二者的内部磁场分布规律，进而通过对所得规律的对比和分析提出一个最优电磁解耦方案；

最后，利用有限元电磁仿真分析，从电气无级变速器的内部磁力线分布、磁场分布以及转矩特性方面验证解耦方案的正确性。

图1  基于电气无级变速器的混合动力车系统结构

图3  基于电气无级变速器的混合动力车能量流动框图

图4  基于电气无级变速器的混合动力车的功率分流示意图

结论

本文针对混合动力车用安装以及未安装隔磁环的电气无级变速器中的电磁耦合问题展开研究。

首先，通过分析电气无级变速器的功率分流模式可知，电气无级变速器具有能量流动灵活、多变的优点，可以依据路况需求实时快捷地转换工作模式，但同时也造成了内、外电机间存在严重的电磁耦合问题；

然后，分别提出了安装及未安装隔磁环的电气无级变速器的内部等值磁路模型以研究在两种混合励磁源下影响耦合程度的因素；之后，建立两种结构电气无级变速器的有限元模型，并基于影响耦合程度的因素分别研究二者的内部磁场分布规律，通过对所得规律的对比和分析提出一个最优电磁解耦方案，即采用带有隔磁环的电气无级变速器并选取外转子磁轭厚度为37 mm，以实现两台电机间的有效电磁解耦；

最后，利用有限元电磁仿真分析，从电气无级变速器内部磁力线分布、磁场分布以及转矩特性方面证明了解耦方案的正确性，对优化设计适用于混合动力车领域的机电能量转换装置具有理论和实践的双重意义。