混合动力汽车用电磁行星齿轮变速器的研究

Aiming at the national strategic demand of new energy vehicles, an electromagnetic planetary-gear variable transmission for hybrid electric vehicles with self-owned intellectual property rights is investigated in this project. The purely-electrical hybrid system combined by the electromagnetic planetary-gear variable transmission and the torque-regulating machine not only realize the function of power distribution and continuously variable transmission for hybrid electric vehicles, but also solves the bottleneck problems of early purely-electrical hybrid system such as over-heated rotor windings and poor system reliability led by brushes and slip rings. This technology is also suitable for the applications where dual rotating shafts are required to be controlled independently.. In this project, mathematic models based on analytical and finite element analysis will be built for the electromagnetic planetary-gear variable transmission. The operation characteristic, design principles in applications of hybrid electric vehicles, and design methods of key parameters will be investigated for this proposed transmission. Problems such as low power factor, high harmonic losses, temperature rise and cooling will also be investigated. Besides, the optimum control method aiming to co-ordinate the electromagnetic planetary-gear variable transmission and the torque-regulating machine will be studied in this project. Meanwhile, multi-parameter energy management strategy and parameter matching problem will also be investigated for the proposed hybrid system. A prototype machine will be manufactured and experimental research will be carried out, and the specific theory and analytical design method regarding the electromagnetic planetary-gear variable transmission and the corresponding hybrid system will be obtained.

针对新能源汽车的国家战略需求，本项目拟研究一种具有自主知识产权的混合动力汽车用电磁行星齿轮变速器方案，该方案通过与传统电机的合理配合形成的纯电气式混合动力系统不仅可实现车辆的动力分配和无级变速传动功能，而且解决了早期纯电气混合动力方案中转子绕组发热严重和电刷滑环机构导致系统可靠性差等瓶颈问题。该技术还可推广到风力发电等需要双转轴独立驱动的应用场合。. 本项目拟建立电磁行星齿轮变速器的解析分析和有限元分析数学模型，研究该方案的运行特性、设计原则和关键参数的设计方法，研究该方案中功率因数低和谐波损耗大的特殊电磁问题，以及该方案的温升及冷却问题。研究该混合动力系统中电磁行星齿轮变速器和转矩调节电机协调匹配工作的最佳控制方法，以及系统多目标参数的能量管理策略和系统关键参数匹配问题。研制样机并进行相应的实验研究，最终形成电磁行星齿轮变速器及其混合动力系统的专门理论和分析设计计算方法。

本项目针对中国新能源汽车领域需求，提出了一种应用于混合动力系统新型电磁行星齿轮变速器方案，并对该方案的工作原理，磁场分布，电磁性能，电机损耗等方面进行了深入的研究，主要工作如下：.（1）阐明了新型电磁行星齿轮变速器的工作原理和运行特性。通过磁场解析方法推导了永磁转子、调制环转子和定子电枢磁场三者之间极对数、转速和电磁转矩满足的数学表达式，并建立有限元仿真模型对解析结果进行验证。进一步对比电磁行星齿轮变速器与机械行星齿轮分析表明，两者在功能上具有一致性。.（2）揭示了新型电磁行星齿轮变速器气隙磁场分布规律。对比了新型电磁行星齿轮变速器和传统方案的气隙磁场分布特点，从磁场角度对揭示两者电磁性能之间的差异性。进一步通过永磁体厚度，导磁块高度和导磁块跨距对气隙磁场影响规律分析，给出了提升电机调制磁场基波幅值的设计方法。.（3）提出了改善新型电磁行星齿轮变速器转矩性能和功率因数的有效方法。利用虚位移法对新型电磁行星齿轮变速器转矩性能进行了推导，结合关键参数对转矩敏感度分析给出了导磁块跨距、导磁块高度和永磁体厚度等关键参数的选取方法。利用电磁行星齿轮变速器相量图推到了电磁行星齿轮变速器功率因数的表达式，并结合转矩特性，给出了兼顾转矩性能和功率因数的关键结构参数选取方法。.（4）提出了降低铁心谐波损耗的新型转子拓扑结构。针对电磁行星齿轮变速器铁耗大的特点，对铁耗分布规律进行分析。研究了不同工作状态下电磁行星齿轮变速器各个区域铁耗的变化规律。针对电机铁耗的成因，提出了一种正弦磁导模型调制环转子拓扑结构，通过改善气隙磁导波形、削弱谐波磁场的含量，实现减少电机铁耗的目的。.（5）研制了新型电磁行星齿轮变速器实验样机。重点研制了机械强度和电磁性能兼顾的永磁转子实现方式，双转子的加工和装配方式。搭建了实验平台，进行了相关实验测试研究，后续的实验研究仍将持续进行。

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