用于混合动力车的复合结构永磁电机电磁优化设计

为改善混合动力车的行驶平稳性,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、杨云、陶特毅、崔淑梅,在2020年《电工技术学报》增刊1上撰文,对混合动力车用复合结构永磁电机的电磁结构进行优化设计,以减小由于磁路参数的非线性变化引起的电机转矩脉动。

当前,面对全球能源危机与环境污染问题,以纯电动汽车和混合动力车(Hybrid Electric Vehicle, HEV)为代表的新能源汽车正在蓬勃发展。受制于能量存储媒介、续航里程及辅助配套充电设施不完备等问题,当前纯电动汽车仍无法大规模普及。而混合动力车技术相对成熟,动力性和续航能力强,燃油经济性高,且对外界设施的改进需求较少,已成为当下的研究热点之一。

复合结构永磁(Compound-Structure Permanent- Magnet, CSPM)电机作为双转子结构的机电能量转换装置,可实现混合动力车内不同的能量流向,传递转矩以驱动车辆前进。但由于内、外电机共用外转子结构使得两台电机间的磁场耦合严重,影响电机工作的平稳性。

为解决磁场耦合问题,各国学者主要研究包括:

①研究复合结构永磁同步电机的工作原理,基于有限元方法计算电机的电感参数,并依据所得电感参数的变化规律进一步分析电磁场耦合特性,改善系统控制精度;
②利用磁路数学模型与有限元仿真研究复合励磁源下的电磁耦合规律,分析电机结构参数对耦合程度的影响,优化设计电磁结构。从永磁体和外转子磁轭厚度匹配、定子绕组电枢反应、材料利用率等方面设计不同的电磁结构方案并进行对比;
③研究复合结构永磁同步电机的多种拓扑方案,对比分析各种方案下电机的工作性能,以满足混合动力系统中的不同需求;
④利用磁网络法,基于Matlab编程平台建立复合结构永磁同步电机的磁网络计算模型及求解参量。探索电机结构参数对电磁场耦合程度的影响规律,优选电机结构参数。
为满足混合动力车平稳运行的需求,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,对混合动力车用复合结构永磁电机的电磁结构进行优化设计,以减小电机转矩脉动。

永磁电机的前生今世和未来?

如今,电机市场充斥着永磁电机,永磁无刷电机的增长率超过100%是正常现象,而不仅仅是运气,永磁电机的增长速度将持续很长时间。第一台电机发明数十年后,永磁电机才开始实际应用,第一批电机使用了条形磁铁。不幸的是,这些磁铁的质量很差,以至于第一台永磁电机在工业上是不切实际的。这种局限性为众多发明者提供了试验各种尺寸,形状,构造和材料的磁体的平台,造就了当今永磁电机中使用的强大而紧凑的磁体。

永磁体:第一台电机

旋转电机(后来称为电机)最早发明者在设计中使用了永磁体,但是与我们今天所认识的电机比较,这些“机器”其实不是电机。迈克尔·法拉第(Michael Faraday)是新兴的电力和电磁学领域的最早的实验者之一,他制造了旋转电机,被称为第一台电机。法拉第运用汉斯·克里斯蒂安·奥斯特(Hans Christian Oersted)的想法“通过电流产生磁场”,以及实验者威廉·沃拉斯顿(William Wollaston)的方法,他利用磁体使载流导线在轴上旋转,法拉第建造了一个实验室模型,将电能转换为机械(旋转)运动。该模型使用固定和旋转的永磁体,并将其导线连接到一碗汞和一个电池上。当电池连接到电线时,电流在电路中流动,产生的电磁场与永磁体相互作用产生扭矩并引起机械运动。

法拉第(Faraday)发明“电机”之后,其他发明者迅速采取了改进措施,使其与我们今天所知的电机更加相似。 1882年,彼得·巴洛(Peter Barlow)发明了一种纺车轮子,称为巴洛(Barlow)轮子,当轮子放低直到辐条浸入水银而在接线柱上施加电压时,该轮子引起了机械运动。