3-混合电动汽车混合励磁永磁无刷电机的启动发电系统研究

混合动力汽车用混合励磁永磁无刷电机的启动发电系

统研究

摘要：本文提出了一种新型的混合励磁永磁无刷电机，并且作为混合电动汽车的启动发电机（ISG）。它的优点在于:比其它的永磁混合型无刷电机有更高的启动转矩；比永磁无刷电机有更宽的调速范围。关键问题是通过调节直流电枢电流来实现混合电动汽车的ISG系统的三种主要模式之间的转换，也是说能够成功有效地实现发动机启动，电池的充电和转矩的提高。利用有限元分析法来分析系统的稳态和动态参数。最后，构建了2kw的电机模型通过实验测试验证了仿真结果和已提出ISG系统的有效性。

关键词：HEV,混合励磁，ISG, 永磁电机

1.引言

由于人们对环境问题和能源问题的日益关注，混合动力电动汽车的节能技术已经加快了发展的步伐。电机及其驱动是混合动力电动汽车节能技术的关键。对于传统汽车的电气系统，由于大部分电机不可能同时具有高的启动转矩和宽的调速范围，所以启动电机和发电机必须分别独立地进行发动机的启动和电池的充电。随着电机技术和电力电子技术的进步，具有启动发电功能的ISG系统对于汽车和混合动力电动汽车将更有吸引力。

近年来，各种各样的电机已经在汽车以及混合动力汽车中得到应用。其中，感应电机因为其高的可靠性和宽的调速范围而成为最主要的应用的对象之一，然而感应电机的控制相当复杂尤其是弱磁控制。开关磁阻电机由于其简单而又稳定的结构也被提出应用在启动发电系统中，但是开关磁阻电机却有着低的功率密度、效率低以及转矩脉动大的缺点，使得它没法得到认可。永磁无刷电机因其功率密度高、效率高而成为成为另外一个得到瞩目的电机之一，然而永磁无刷电机的弱磁控制是相当困难的并且恒功率转速范围有限。因此，目前已经利用不同的控制策略来拓展永磁无刷电机的转速范围，但是这些策略都存在控制过于复杂的弱点。

近年来，一种新型的叫做混合励磁无刷电机的永磁无刷电机被提了出来。首先，混合励磁的应用有效的减少了励磁功率的需求。其次，混合励磁的应用有效的扩展了径向磁场爪极式无刷电机、轴向磁场双转子单定子永磁盘式电机以及横

向磁场永磁电机的弱磁特性，然而，这些电机都采用永磁体安装在转子上的无刷电机结构和复杂的拓扑结构。就在最近，混合励磁已经进一步的扩展到应用在风力发电的定子永磁无刷电机的拓扑结构。然而混合励磁应用在启动发电机系统中好存在空白。

本文提出了一种新型的混合动力汽车用混合励磁永磁电机应用其启动发电系统中，这种电机作为启动发电机来实现发动机的冷启动和发电为电池充电的性能要优于其他各种各样的永磁无刷电机。和传统的作为启动发电机的电机不同的是，此电机采用混合励磁（永磁和直流励磁绕组）来共同产生永磁磁场。因此，由于控制电机的气息磁通是可行的，所提出的电机在不同的转速和负载条件下，不仅仅在发电机启动时提供高的启动转矩而且还能提供恒定的发电电压为电池充电。

文章的第二部分将描述系统的构成和工作模式，第三部分描述由混合励磁永磁无刷电机构成的启动发电系统，第四部分将引入介绍电路场转矩时间阶跃有限元分析方法(CFT-TS-FEM)来分析所提出的电机，第四部分讨论仿真了在不同工作模式下的电机特性。然后在第五部分给出了硬件原理图和实验证明。第六部分进一步的将所提出的电机和其他电机进行比较。最后，第七部分将给出最后的结论。

2 系统组成和工作模式

如图Fig.1所示，作为的汽车和混合动力汽车的ISG系统来说，一般包括发动机启动和发电为电池充电两个部分。混合动力汽车的启动发电系统有三个主要的工作模式。

图1. 应用ISG技术的现代汽车电气系统

A.模式1：发动机启动

当混合动力汽车从长期的停车的状态时启动时，集成启动发电系统开始工作带动发动机从冷机状态达到要求的发动机实现启动的最小转速，这就是我们所谓的冷启动。因此集成启动发电系统需要提供瞬时的搞启动转矩来克服机械运动

阻力当发动机处于冷机状态时。对于现代的混合动力汽车，当汽车处于停止状态时发动机应该被立即关闭也就是所谓的怠速模式特征，这样就可以提高燃料效率，在城市工况时，可以减少尾气的排放，因此，集成启动发电系统需要让发动机实现定期启动。既然发动机处于热机状态，对启动转矩的要求就要比在冷启动时要小的多。

B.模式二：电池充电

一旦打动机实现启动以后，集成启动发电系统就处于电池充电的工作模式，但是发动机的转速是随着汽车的转速变化而变化的，因此集成启动发电机发出的电压也就是电池充电电压也是时变的。为了防止过电池充电的过电压和延长电池的使用寿命，发电电压应该保持在能够忍受的范围之内。此外，当混合动力汽车处于刹车和下坡状态时，集成启动发电机处于再生制动状态为电池充电。发出的电压是不够为电池充电。

C.模式三：助力

当混合动力汽车需要爬坡或者过载时，集成启动发电即需要工作在助力状态，也就是说，当发动机的油门处于满状态时，集成启动发电机提供额外的瞬时功率来满足所期望的转矩要求。

3. 集成启动发电系统

本为所提出的集成启动发电系统如Fig.2所示，由混合励磁无刷电机、逆变器、直流变直流变换器组成。所提出的混合励磁无刷电机具有混合励磁的独特特征，也就是说，永磁体和励磁绕组一起共同作用产生所需要的励磁磁场。和永磁无刷电机相比较，这种电机的定子上带有三十六个凸极、这种电机的转子上带有二十四个凸极的双突击结构。它的相对应的电枢绕组、永磁体、以及励磁绕组是在定子上的，它的转子是简单而又坚固的铁。电机的外定子能够容纳电枢绕组，当内定子能够容纳永磁体和励磁绕组。电枢绕组采用分数槽集中式绕组连接方式，励磁绕组采用简单的直流绕组连接方式，此外，每个永磁体的磁极之间还存在一对空气桥。这个空气桥的作用是强迫永磁磁连通过内转子铁心。

图2. 所提出的集成启动发电系统（a）系统构成（b）电机结构鉴于电机的特殊结构，所提出的集成启动发电系统拥有如下的不同优点。

1）通过改变直流励磁绕组的电流可以有效的调节气隙磁通个幅值和方向。

因此，通过增强磁场，所提出的电机能够为发电机冷启动提供瞬时的高启动转矩以及在汽车处于爬坡或者过载时提供助力。此外，通过在线磁场的控制，能

够使得汽车在一定的转速和负载条件下，电机能够维持稳定的发电电压为电池充电。当MMF 和永磁磁场相反时，电机的空气桥功能放大了弱磁的影响。

2）通过调节永磁体和直流励磁绕组位置，外转子拓扑结构的采用使得定子的内部空间能够充分利用，因此减少了电机的整体电机结构，提高了电机的转矩密度。此外，内转子既没有永磁体也没有电枢绕组，因此提高了系统的稳定性，使得系统适合高速运行和断续工作。

3）分数槽电枢绕组结构能够缩短励磁磁通的路径电枢绕组的长度，这种结构将能够减少铁和铜材料的用量，因此进一步的提高了电机的转矩密度。此外这种多极集中式绕组结构能够最大限度的减少存在于传统永磁无刷电机之中定位力矩。

4）全桥逆变拓扑结构能够提供每相绕组的独立控制，因此能够为每相单独提供容错控制和电气的隔离。另一方面。全桥直流变直流变换器拓扑结构能够提供励磁绕组的双向的直流电流控制，因此能够同时实现增磁和弱磁控制。

图3给出了所提出的混合励磁永磁无刷电机的工作原理图。除了能够控制气隙磁通以外它和双凸极电机（DSPM ）相类似。电机电磁转矩e T 包含有三个部分：永磁转矩部分pm T 由永磁磁连pm ψ和和电枢电流i 相互作用的结果；直流励磁转

矩部分f T 由励磁磁连f ψ和电枢电流i 的结果以及磁阻转矩部分r T 由电枢绕组的电感L 变化产生的,由此可以得到电机电磁转矩表达式为:

其中，θ为转子位置角度。永磁转矩占总转矩的主要分量，因此磁阻转矩是很小的，并且在一周之内在和为零。因此，当磁连随着转子的位置增加时，此时在电枢绕组通入正的电流，因此产生了正的转矩；当磁连随着位置减少时，此时在电枢绕组中通过负的电流，同样也产生正的转矩。同时，双向直流励磁电流被用来改变直流磁连，因此直流励磁转矩的变换根据集成启动发电系统工作模式而发生变化。

根据不同集成启动发电系统工作模式，电机工作在如下一些工作特性。

1）当集成启动发电系统工作在第一种工作模式下，电机此时工作在电动机状态，加入同样的直流励磁电流，可以瞬时的增加气隙磁通，因此能够成功的增加启动转矩来实现发动机的冷启动。

2）当集成启动发电系统工作在第二种工作模式下，电机工作在发电机模式下，通过正的和负的直流电流能够增强和气隙磁通，因此提供恒定的发电电压为电池充电。

3) 当集成启动发电系统工作在第三种工作模式下，电机也工作在电动机模式，通过短暂的正向直流励磁电流来增强气隙磁通，电机将向发动机提供额外的助力转矩。

图3 电机基本工作原理

4. 分析方法

通过利用电磁方程并考虑到时间步进旋转来联立求解电路方程和运动方程，采用CFT-TS-FEM方法来分析所提出的集成启动发电系统。当混合励磁无刷电机工作在电动机状态时，数学模型由三套方程组成：电机的电磁场方程，电枢绕组的电路方程，以及驱动系统发电运动方程。另一方面，当电机作为发电机时，数学模型由两个两套方程组成:发电机的电磁场方程以及电枢绕组电路方程。

所提出电机的电磁场方程可以表示为：

其中,v 是磁阻，J 是电流密度，A 是磁矢量。由于此电机没有明显的端部效应，2-D 有限元分析是合适的。并且，J 和A 都仅仅有Z 轴分量。相对应的2-D 电磁场方程可以表示为：

这里Ω为场求解区域，σ为电导率，rx B 为永磁剩磁磁密的x 轴分量，ry B 为永磁剩磁磁密的y 轴分量。沿着定子核的内围以及以及转子核的外围，磁失位假设为零。；例如：

当电机作为一个电动机时电机的电路方程可表示为：

其中,u 是电源电压，R 是每相电枢绕组内阻，e 为每相反电势。l 为铁心的轴长，S 是相绕组的导电区域，e Ω是为每相绕组导体的总的横截面积。电电机工作作为发电机时，电路方程类似于电动机，除了符号变量，发电方程可以表示为：

其中u 代表发电电压

电机的运动方程可以表示为：

其中，m J 为转动惯量，ω为机械角速度，l T 为负载转矩，λ为阻尼系数。 在离散化以后。上述方程通过时间分化进行解决，因此，所提出集成启动发电系统能够被计算。

通过应用CFT-TS-FEM 分析方法，电机的空载电磁场分析如图4所示，磁场类型沿着永磁磁极扩大，从图中可以看出，当通过正向的直流励磁电流时，永磁

磁连也通过直流绕组而被增强，因此有效的增强了气隙磁通；当通过负向的直流励磁电流时，气隙磁通被有效的消弱。同时也能看出当放大弱磁通过和永磁磁通反向反向的直流绕组磁通时，空气桥能有效阻止漏磁连。

图4 不同直流励磁电流永磁磁场分布（a）+1000A-turns(b)-350A-turns

图5 不同励磁电流静态特性，（a）转矩与转角，（b）磁连与转角

Fig.6 模式一下启动特性 Fig.7模式二下充电特性 （a ）转子速度（b ）输出转矩 （a ）转子速度 （c ）输入电流 （b ）没有磁通控制的发电电压 （c ）有磁通控制的发电电压

4.仿真特性

首先，Fig. 5(a)计算了当任意两项额定电流反馈在不同的直流励磁电流下电机的转矩角特性。从图我们可以看出，通过磁场的增强，电机能够提供大的启动转矩当电枢电流为额定值时，一次增加了系统的冷启动能力。此外也表明输出转矩能够被调节通过简单的励磁电流的调节。此外，Fig. 5(b)给出了在不同直流励磁电流条件下，磁连随转子位置角的变化，包括增磁和弱磁控制。图示表明所提出的电机磁连能够通过改变励磁电流的幅值和方向来实现控制。

其次，当集成启动发电系统工作在+600A-turns 的励磁条件下时, Fig.6给出了在10N m 负载条件下，电机的冷启动特性。从途中可以看出，当电枢电流被斩在1.6倍的额定电流时，电机能够提够高的超过50N m 启动转矩，这个转矩特性足够实现发动机冷启动。此外，相对应的转速响应表明它能够很容易在1s 之

内实现发动机点火。

Fig.8. 输出转矩增大特性

第三，当集成启动发电系统工作在模式二时，Fig.7给出了有磁通控制和没有磁通控制时仿真发电波形。从图可以看出，当没有磁通控制时，发电电压随着转子速度的增加而增大。相反的，通过磁通控制，发电电压能够基本保持恒定。因此，所提出的当集成启动发电系统能够提供恒定的发电电压为电池充电。

第四，当当集成启动发电系统工作在模式三时，可以获得转矩的增强效果。Fig.8给出了当电枢电流保持不变和额定值的一半时，电机在有磁通控制和没有磁通控制时输出转矩稳态特性比较。从图可以看出，通过一个正向的励磁电流能够有效地增强气隙磁场，电机输出转矩能够明显的增强。因此能够在汽车爬坡时和重载时提供额外的输出转矩。

5 实验结果

Fig.9实验设备（a）拓扑结构（b）实验平台

表-1 电机关键数据

Fig.9给出了所提出的集成启动发电系统的实验设备。如表1给出了所提出的混合励磁无刷电机的设计关键参数。

当集成启动发电系统工作在模式一时，Fig.9测量了电机的启动特性，从途中可以看出，所测量的响应特性是和如图Fig.10所仿真的特性相一致的。定量的说，通在额定电流的1.6倍电流条件下，输出瞬态转矩能够成功的达到额定负载的4倍。输出10N m的稳态转矩只需要0.57倍的额定电流，因此证明了所提出的集成启动发电机能够提供非常好的启动特性。

当当集成启动发电系统工作在模式二时，Fig.11和Fig.12分别测量了在没有磁通控制和有磁通控制时电机的发电特性。从图中可以看出，测量值和如图Fig.7的仿真值是相一致的。因此，证明了所提出的集成启动发电系统能够提供非常好的发电特性。Fig.13和Fig.14分别仿真和测量了在没有磁通控制和有磁通控制时电机的空载反电势波形。以上的实验说明，通过磁场的控制，在不同的时间和速度范围内，所提出的集成启动发电系统能够提供恒定的发电电压。整理后，Fig.15给出了在一定的转子速度和负载电流的条件下相对应的充电电压特性。通过应用磁通控制，可以看出充电电压不仅仅在很宽的转速范围内而且在很大的负载电流范围内能够保持恒定。因此，进一步的证明所提出的集成启动发电系统能够能够在不同的转子速度和负载电流的条件下作为横压发电机为电池充电。

当集成启动发电系统工作在模式三时，Fig.16测量了电机的助力特性。和Fig.8所示的仿真特性相比较，一致性是非常好的。定量的讲，实验测量的平均

转矩从6到达15N m，而仿真值是从6.2到15.1 N m。有磁通控制时，测量和

仿真的转矩脉动分别为30.9%和32.7%，此电机的转矩脉动比双凸极电机（80%-150%）小的多，事实上，这是由于采用了多极式集中式绕组结构结果。一次，实例证明了所提出的集成启动发电系统能够提供期望的助力转矩。此外，为了采集集成启动发电系统的工作在模式三下的瞬时特性，在恒定的速度工作时，突然改变给定负载。这个特性能够使得混合动力汽车在通过路障或者爬坡时工作在恒定的转速。Fig.17给出了在突然的负载改变时的动态响应。从图中可以看出，由于磁场的增强，当电枢电流保持在很低时，集成启动发电系统能够快速的把转矩从4 N m提升到7N m。值得注意的是，当电枢电流仅仅为6.2A（额定电

流的1.18倍），瞬态转矩能够被成功的增加到42 N m（额定转矩的2.1倍）。

除了上述的三种主要的工作模式以外，集成启动发电系统能够提供其他的更为精细的工作模式，例如当混合动力汽车工作在崎岖不平的道路时，转矩和速度都会产生阻尼。Fig.18给出了在突然的速度改变时，电机输出转矩的实验响应，也就是说，混合动力汽车处于减速或者减速条件下时的转矩响应。从图中，我们可以看出输出转矩基本保持恒定。因此，实验表明本文所提出的应用在混合动力汽车上的集成启动发电系统能够提供良好的转矩阻尼特性。

Fig.10模式一时的实验启动特性 Fig.10模式二不带磁通控制的发电特性

特性的比较

性

Fig.16 模式三条件下的助力特性

Fig.17 模式三条件下突变负载的助力特性 Fig.18转速突变的输出转矩特性

6讨论

为了进一步描述所提出的混合励磁无刷电机的优点，对混合励磁无刷电机和传统电机进行了比较。因为所提出的电机为一种定子永磁型无刷电机，选择传统的双凸极电机作为比较对象。对于同样的外转子和同样的结构参数以及同样的轴长，可以通过CFT-TS-FEM来分析电机的转矩密度，主要的特性如表-2 所示。

表-2 转矩特性比较

从表-2可以看出，所提出的电机的重量、体积和额定转矩密度分别比双凸极电机小13.6%和9.1%。它基本和期望的性能相一致，尽管混合励磁无刷电机的尽管有额外的直流励磁绕组的铜耗，然而，却增加了所提出电机的助力能力，它把助力转矩密度比双凸极电机增加了124.7%和136.2%。达到了作为发动机的启动和助力情况下的期望特性。更重要的时，所提出的电机能够工作在更宽的调速范围内（超过4000转每分钟）以及保持恒定的输出电压为电池充电，然而双凸极只能工作在很窄的速度范围内（大约1200转每分钟）并且输出电压随着转子的速度的变化而变换。因此，所提出的混合励磁无刷电机的性能是优于双凸极电机或者其他应用在集成启动发电系统中定子永磁型无刷电机的。

应该指出的是所提出的电机被设计成具有4000rpm好的功率传送能力。如果电机工作在非常高的转速时（接近6000转每分钟）例如汽车工作在高速公路工况时，那么绕组电感将反向影响功率传送。因此，如果非常高的工作模式是系统的一般所需。那么电机就应该被重新设计和优化到6000转每分钟以上，因为直流励磁绕组能够很容易的控制补偿绕组电机感的反向作用而有效的维持发电电机保持不变，因此这种优化是可行的。并且，弱磁控制能够有效的减少电机在高速运行时的铁耗。

7结论

在本文中，一种新型的混合励磁无刷电机被提出并被应用在混合动力汽车的集成启动发电系统之中。因此所提出的混合励磁无刷电机具有混合励磁独特的特征（永磁和绕组励磁）去产生相应的励磁磁场。这种方法能够有效的调节气隙磁通。因此，能够完成不同的工作模式。也是就说，发动机启动、电池充电、增加转矩输出。通过CFT-TS-FEM仿真分析和实验证明了说提出的集成启动发电系统具有明显的优越性。