无刷双馈双机械端口电机原理及数学建模
摘要：提出了一种适用于混合动力汽车的新型电机——无刷双馈双机械端口电机。它拥有两个机械端口和两个馈电端口。两个机械端口分别与内燃机和负载相连，可以将内燃机的部分能量直接传递到负载端，其余转差功率可以通过一个馈电端口储存到直流电源中；当负载转矩变化时，可以通过另一个馈电端口从直流电源中取出能量以提高输出转矩。本结构较双机械端口电机的优点在于：无刷双馈双机械端口电机通过一定的电机结构，用磁场完成转差功率的回馈，取消了双机械端口电机中的滑环和电刷，增强了电机的稳定性，减少了维护工作。详细介绍了其物理和电气结构，分析了运行原理，推导了输出转速表达式，并建立了转子速坐标系数学模型。
关键词：无刷双馈双机械端口电机；混合动力汽车；运行原理；数学模型
1问题的提出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(E1ectric al 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 ElectIic aI 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 Inst]ttlte 0fTechnolo—gy)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 Rotor Ma—chine，DRM)构成的电无级变速(Electrical Varlabk‘I_ransmlssion，EVT)混合动力系统。
图1为由双机械端口电机构成的混合动力传动系统结构图”J。混合动力车工作时，可以将内电机的转差功率通过变换器储存在直流电源中，在需要时供给外电机以增加输出转矩。在整个运行过程中，IcE可以保持一个恒定的****工作点，而汽车的驱动桥也可以得到所需的转速和转矩。该系统机构简单，可靠，取代汽车现有的变速箱、离合器、起动电机和发电机等结构。同时IcE和蓄电池以及电能变换器的功率等级都不需要做到汽车的****功率，降低了成本。
EVT系统有诸多优点，但是它依然存在着结构上的缺点，那就是电刷的存在。EvT内转子上需要一套电刷进行转子绕组与蓄电池之间的能量传递，电刷会使电机在运行中存在隐患，同时增加电机的维护工作。
参考变速恒频发电(v撕able speed constant fre-quenCy，VSCF)领域，无刷双馈电机(BmslllessdOout)Iy—Fed Machine，BDFM)与双馈感应电机(Dou—bly—Fed．[nducbton Gene：rator，DFTG)结构和性能上的异同，可以看出电刷可以由一套与原转子绕组反向序相连的转子绕组和一套与之相对应的独立的定子绕组所替代，即用磁场来完成能量的传递，从而去掉电刷。把这种想法移植到EVT中，就提出了无刷双馈双机械端口电机(Bmshless Doubly-Fed Ekctrical Variable TRn115$10n，BL-DF—EVT)。
它拥有EVT的全部优点，同时取消了转子上的电刷，增强了电机的稳定性，减少了维护工作。
2 BL—DF—EVT结构
BL—DF—EvT有两个机械端口和两个馈电端口，两个转子分别叫做内转子和外转子。内转子与内燃机(IcE)相连；外转子与负载相连。定子上有两套相互独立的绕组，分别Ⅱq做定子功率绕组和定子控制绕组。它们各与一台变频器相连。两台变频器的直流母线均与一个蓄电池相连。其结构如图2和图3所示。
图中，内转子上有一对反向序连接的绕组，分别叫做转子控制和功率绕组。外转子形状为一圆筒状薄层，内外表面分别贴有永磁体1和2，其极对数可以不同。定子上有两套独立的绕组，分别叫做定子控制绕组和定子功率绕组。其中，定子控制绕组与转子控制绕组组成一台绕线式异步电动机；永磁体2和转子功率绕组组成一台永磁同步发电机；永磁体1和定子功率绕组组成一台永磁式同步电动机。
3 BL—DF—EVT运行原理
BL-DF-EvT的运行方式与EVT类似。IcE带动内转子旋转，IcE能量一部分直接传递给负载，另一部分转差能量由转子功率绕组和永磁体2所组 成的永磁同步发电机将其转变为电能，通过转子控制绕组感应到定子控制绕组并反馈给直流电源。
在IcE旋转时，由于内外转子之间的电磁力，外转子被拖动旋转，但此时的转速已经与IcE的转速不同了，而且可以灵活改变。当负载转矩增大时，可通过定子功率绕组和永磁体1相互作用，从直流电源吸收能量以提高外转子的输出转矩。
这样，外转子的转速可以通过控制变频器l(Iv，)来调节，而输出转矩可以通过变频器2(IV，)来改变，达到了输出转速和转矩独立控制的目的。可以看出，在整个机车运行过程中，IcE可以运行在一个恒定的****工作点上，转差功率可以被储存在直流电源当中，当路况改变或者负载增大时，可以将这些能量取出用以平衡负载转矩。当机车停车时，机车能量可以通过永磁体1和定子功率绕组相互感应，将制动能量反馈回直流电源。
下面推导外转子转速表达式。如图4，其中，Ω1：内转子机械转速；Ω2外转子机械转速；Ωrp转子功率绕组磁场转速；Ωrc转子控制绕组磁场转速；Ωp定子功率绕组磁场转速；Ωc定子控制绕组磁场转速；fcIVl输出频率；fr转子电流频率；pp：永磁体2极对数；pc：定子控制绕组极对数。
由于转速调节与定子功率绕组无关，所以在图4中没有表示出它的磁场及转速关系。假定内外转子均为逆时针方向旋转，由于转子控制绕组与转子功率绕组反向序连接，所以转子控制绕组产生的旋转磁场方向与功率绕组相反，为顺时针方向。由电机学原理可知：
式(3)即为BL—DF—EVT的外转子转速表达式。
可以看出其转速不仅与fc有关，还与内转子转速有关。
设Ω1为同步转速，当Ω2>Ω2，时为超同步速区域，Ω2<Ω1。为次同步速区域。由式(3)可以得到，超同步速区域为：
4电机建模
假设正磁链由正方向电流产生，将BL—DF-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Ω2②定子控制绕组极对数为pc，永磁体极对数均为pp(电机A、B的极对数为pp，电机c的极对数为pc)；③取电机A的坐标系为以ω2旋转，ω2=Ω2×pp且d轴于永磁体磁链轴线重合，磁链幅值为ψf1取电机B的坐标系为以ω1旋转，ω3：Ω1×pp磁链幅值为ψf2⑤取电机c的坐标系为以ω1反向旋转，ω1=Ω1×pc。
各转子速坐标系关系如图5所示。
5结论
无刷双馈双机械端口电机是在双机械端口电机和无刷双馈电机基础上衍生出的一种新型的电机。其优点有：
①它克服了单机械端口无刷双馈电动机转矩不能直接传递，而必须以电磁方式传递到负载的缺点。BL—DF—EVT只将部分能量以转差功率的形式回馈直流电源，其余大部分能量直接传递到负载端。这样减少了电能在转换过程中的损耗，提高了电机效率，同时减小了所需电机的额定容量。
②在拥有传统EVT所有优点的同时，BL．DF．EVT通过结构上的改进，即通过磁场形式将转差功率回馈，从而去掉了传统EvT的电刷和滑环，使电机的稳定性得到了提高，并且减少了维护工作，特别适用于工作在恶劣的环境中。
本结构无刷双馈双机械端口电机相当于三台电机的结合体：一台永磁同步电动机，一台永磁同步发电机和一台绕线式异步发电机。其中永磁同步发电机和绕线式异步发电机构成了转差能量回馈系统，通过调节流过IV。的能量就能控制外转子转速；永磁同步电动机用来调节输出转矩来满足负载要求，其能量来源就是回馈的转差功率。本结构电机适用于混合动力汽车领域，尤其适合与城市机车。IcE在机车运行过程中可以始终保持****工作点运行，而不会受到外界路况和负载情况变化的影响，燃料可以充分燃烧，减少了对空气的污染，拥有不错的发展前景。
