近年來(lái)，隨著新能源發(fā)電、新能源汽車(chē)、混合動(dòng)力船舶等新興領(lǐng)域的發(fā)展，通過(guò)多個(gè)機(jī)械與電氣端口協(xié)同運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)豐富功能的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)，成為新的研究方向。例如，混合動(dòng)力汽車(chē)中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅需要完成發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池與車(chē)輪之間的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，還需要協(xié)調(diào)三者的能量分配，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終運(yùn)行于最優(yōu)效率區(qū)，同時(shí)系統(tǒng)輸出合適的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，使車(chē)輛在不同路況和行駛狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。

現(xiàn)在，工業(yè)界普遍采用“多個(gè)電機(jī)+機(jī)械部件”的組合來(lái)構(gòu)成多機(jī)電端口系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和多運(yùn)動(dòng)狀態(tài)解耦。然而，這類(lèi)組合存在部件較多、體積大、質(zhì)量大、可靠性低、維護(hù)頻繁等問(wèn)題。

為了解決以上問(wèn)題，研究人員提出了雙機(jī)電端口電機(jī)（Dual Electrical Port-Dual Mechanical Port, DEP-DMP），用一臺(tái)電機(jī)替代“多個(gè)電機(jī)+機(jī)械部件”的組合，具有緊湊性好、集成度高、多端口協(xié)同輸出的優(yōu)勢(shì)，得到日益廣泛的關(guān)注。雙機(jī)電端口電機(jī)可以等效為一個(gè)功率傳輸電機(jī)與一個(gè)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)電機(jī)的復(fù)合，在功能上能實(shí)現(xiàn)多個(gè)端口間的功率傳輸與分配，和兩個(gè)機(jī)械端口轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的解耦控制。

本文首先介紹了雙機(jī)電端口電機(jī)的端口特性、拓?fù)涮攸c(diǎn)和工作原理；然后回顧了有刷和無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)的發(fā)展歷程，分析了各個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了不同雙機(jī)電端口電機(jī)的控制策略和能量管理方法；最后對(duì)雙機(jī)電端口電機(jī)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 雙機(jī)電端口電機(jī)原理

1.1 雙機(jī)電端口電機(jī)簡(jiǎn)介

雙機(jī)電端口電機(jī)示意圖如圖1 所示，其中電端口為允許電功率輸入或輸出的繞組結(jié)構(gòu)，u和i分別表示繞組的電壓和電流，機(jī)械端口為允許機(jī)械功率雙向流動(dòng)，且含有一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度（即轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速可獨(dú)立控制）的轉(zhuǎn)子軸，T和Ω分別表示轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。從端口特性看，這類(lèi)電機(jī)具有兩個(gè)機(jī)械端口，且均能進(jìn)行機(jī)械能量的輸入和輸出。同時(shí)，為了使兩個(gè)機(jī)械端口的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速解耦，需要配備兩個(gè)能產(chǎn)生不同極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)速磁場(chǎng)的電端口對(duì)兩個(gè)機(jī)械端口進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)。因此，雙機(jī)電端口電機(jī)包含兩個(gè)機(jī)械端口和兩個(gè)電端口。

圖1 雙機(jī)電端口電機(jī)示意圖

需要說(shuō)明的是，本文所述雙機(jī)電端口電機(jī)的電端口要求有電功率的傳輸，且每套繞組能獨(dú)立控制。因此，直流電機(jī)、電勵(lì)磁同步電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)等具有兩套繞組，但其中一套為勵(lì)磁繞組，用于建立氣隙磁場(chǎng)，而沒(méi)有電功率輸入或輸出的電機(jī)均視為單電端口電機(jī)。

此外，多相電機(jī)的多套繞組內(nèi)通入的電流相同，產(chǎn)生電樞磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速相等，未實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，也不看作獨(dú)立的電端口。同時(shí)，機(jī)械端口要求有機(jī)械功率的傳遞。因此，為了提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度而提出的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)和磁齒輪復(fù)合電機(jī)，在運(yùn)行過(guò)程中一個(gè)轉(zhuǎn)子軸空轉(zhuǎn)，沒(méi)有機(jī)械功率的輸入或輸出，實(shí)質(zhì)上進(jìn)行機(jī)械能量傳遞的機(jī)械端口僅有一個(gè)，因此，二者均未被視為雙機(jī)械端口電機(jī)。

1.2 雙機(jī)電端口電機(jī)原理

根據(jù)電機(jī)功能，將用于功率傳輸與轉(zhuǎn)速解耦的雙機(jī)械單電端口電機(jī)和用于轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的常規(guī)單機(jī)械單電端口電機(jī)有機(jī)結(jié)合，即得到多功能一體化的雙機(jī)電端口電機(jī)。具體的工作原理及特征總結(jié)如下：

（1）雙機(jī)械單電端口電機(jī)：其三個(gè)端口分別命名為機(jī)械端口1、機(jī)械端口2和電端口1。兩個(gè)機(jī)械端口與外部負(fù)載相連，它們的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等特性由外部負(fù)載決定；通過(guò)兩個(gè)機(jī)械端口間氣隙磁場(chǎng)的電磁耦合作用，將機(jī)械端口1的功率直接傳遞到機(jī)械端口2。電端口通入正弦交流電，提供兩個(gè)機(jī)械端口的轉(zhuǎn)差功率，維持三個(gè)端口間的能量平衡，從而使兩個(gè)機(jī)械端口的轉(zhuǎn)速解耦。但此時(shí)，兩個(gè)機(jī)械端口的轉(zhuǎn)矩保持恒定的比值，未解耦。

（2）單機(jī)械單電端口電機(jī)：其端口命名為機(jī)械端口1和電端口2。電端口一般位于靜止的定子上，通入正弦交流電，產(chǎn)生與機(jī)械端口1磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速相同的電樞磁場(chǎng)，從而輸出穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。

（3）機(jī)械端口1同時(shí)存在于兩個(gè)電機(jī)中，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩，因此，機(jī)械端口1輸出的轉(zhuǎn)矩為兩個(gè)等效電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的代數(shù)和。

（4）機(jī)械端口2輸出的轉(zhuǎn)矩僅由雙機(jī)械單電端口產(chǎn)生。控制單機(jī)械單電端口電機(jī)在機(jī)械端口1上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)機(jī)械端口轉(zhuǎn)矩的解耦。

2 雙機(jī)電端口電機(jī)結(jié)構(gòu)

2.1 有刷雙機(jī)電端口電機(jī)

有刷雙機(jī)電端口電機(jī)大多含有兩個(gè)轉(zhuǎn)子和一個(gè)定子。其中，雙機(jī)械單電端口電機(jī)由內(nèi)、外轉(zhuǎn)子構(gòu)成，內(nèi)轉(zhuǎn)子上放置一套三相繞組，內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)過(guò)電刷集電環(huán)與變頻器連接；單機(jī)械單電端口電機(jī)由定子和外轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定子上放置另一套三相繞組。有刷雙機(jī)電端口電機(jī)的主要區(qū)別在于外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，包括雙/單層永磁體式、籠型導(dǎo)條感應(yīng)型和磁阻式。

2.1.1 外轉(zhuǎn)子雙層永磁體式

2002年，瑞典皇家理工學(xué)院的C. Sadarangani教授團(tuán)隊(duì)在有關(guān)文獻(xiàn)中提出首臺(tái)具有能量分配與無(wú)極變速功能的電機(jī)，并將其命名為四象限換能器（Four Quadrant Transducer, 4QT），如圖2所示。四象限換能器的外轉(zhuǎn)子內(nèi)、外側(cè)表面均嵌入永磁體，因此，本文根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征將其稱(chēng)為外轉(zhuǎn)子雙層永磁體有刷雙機(jī)電端口電機(jī)。其中，外轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子內(nèi)層永磁體、內(nèi)轉(zhuǎn)子與內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成雙機(jī)械單電端口電機(jī)；定子、外轉(zhuǎn)子外層永磁體與外轉(zhuǎn)子構(gòu)成單機(jī)械單電端口電機(jī)。

圖2 外轉(zhuǎn)子雙層永磁體的雙機(jī)電端口電機(jī)

將四象限換能器應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車(chē)中，內(nèi)轉(zhuǎn)子與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，外轉(zhuǎn)子與車(chē)輛負(fù)載相連。此時(shí)雙機(jī)械單電端口電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率傳遞給車(chē)輛負(fù)載，并提供發(fā)動(dòng)機(jī)與負(fù)載間轉(zhuǎn)速差，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)機(jī)械端口的轉(zhuǎn)速解耦；單機(jī)械單電端口電機(jī)用于調(diào)節(jié)外轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)矩，提供當(dāng)前運(yùn)行工況下車(chē)輛負(fù)載所需轉(zhuǎn)矩與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩之差，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)機(jī)械端口的轉(zhuǎn)矩解耦。

該團(tuán)隊(duì)加工制造了一臺(tái)30kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，證明了該電機(jī)組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在車(chē)輛負(fù)載所需的所有轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下以最佳效率運(yùn)行，但內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組中存在較大環(huán)流，導(dǎo)致內(nèi)轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重。隨后，該團(tuán)隊(duì)對(duì)四象限換能器的損耗和冷卻進(jìn)行研究，建立了熱傳導(dǎo)模型，并提出了強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)和改進(jìn)型水冷系統(tǒng)。

2.1.2 外轉(zhuǎn)子單層永磁體式

2005年，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)Xu Longya教授團(tuán)隊(duì)在有關(guān)文獻(xiàn)中提出外轉(zhuǎn)子單層永磁體的有刷雙機(jī)電端口電機(jī)，如圖3所示。該拓?fù)鋬H外轉(zhuǎn)子改變，外轉(zhuǎn)子的雙層永磁體合并為單層，且永磁體嵌入外轉(zhuǎn)子鐵心中。從電機(jī)功能上看，外轉(zhuǎn)子單層永磁體的有刷雙機(jī)電端口電機(jī)與雙層拓?fù)涞墓δ芟嗤梢詫?shí)現(xiàn)能量傳遞與分配和兩個(gè)機(jī)械端口的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速解耦控制。

圖3 外轉(zhuǎn)子單層永磁體的雙機(jī)電端口電機(jī)

有關(guān)文獻(xiàn)根據(jù)端口特性將這類(lèi)電機(jī)歸納總結(jié)為雙機(jī)械端口（Dual Mechanical Port, DMP）電機(jī)，并給出了這類(lèi)電機(jī)的通用結(jié)構(gòu)：DMP電機(jī)包含三個(gè)部件，其中任意兩個(gè)部件旋轉(zhuǎn)作為機(jī)械端口，最后一個(gè)部件靜止作為電氣端口。為了進(jìn)一步提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度，研究人員提出了切向勵(lì)磁永磁外轉(zhuǎn)子和嵌入永磁體磁障外轉(zhuǎn)子有刷雙機(jī)電端口拓?fù)洹?/p>

2.1.3 外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型

2004年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)M. J. Hoeijmakers教授團(tuán)隊(duì)在有關(guān)文獻(xiàn)中提出外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)，如圖4所示，外轉(zhuǎn)子上的永磁體被籠型導(dǎo)條替代，形成兩臺(tái)感應(yīng)電機(jī)復(fù)合的結(jié)構(gòu)。外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)的功率傳輸和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)均利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)。有限元計(jì)算和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該電機(jī)應(yīng)用于城市公交中，可以有效提升汽車(chē)燃油利用效率，但籠型導(dǎo)條同時(shí)參與內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和功率傳遞，導(dǎo)致電機(jī)損耗較大、電磁耦合嚴(yán)重。

圖4 外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)

有關(guān)文獻(xiàn)提出分體式外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)，以解決電磁耦合嚴(yán)重、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大的問(wèn)題，研究結(jié)果表明分體式結(jié)構(gòu)比一體式結(jié)構(gòu)具有更高的功率密度、更低的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，但效率和功率密度仍明顯低于使用永磁體的有刷雙機(jī)電端口電機(jī)。有關(guān)文獻(xiàn)提出一種外轉(zhuǎn)子混合勵(lì)磁的感應(yīng)式有刷雙機(jī)電端口電機(jī)，外轉(zhuǎn)子的外側(cè)放置直流勵(lì)磁繞組，內(nèi)側(cè)嵌入永磁體，擴(kuò)大電機(jī)的調(diào)速范圍，增加了定子繞組的電壓調(diào)節(jié)功能。

2.1.4 外轉(zhuǎn)子磁阻式

2008年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)崔淑梅教授團(tuán)隊(duì)在有關(guān)文獻(xiàn)中提出外轉(zhuǎn)子磁阻式有刷雙機(jī)電端口電機(jī)，如圖5所示。該電機(jī)的定子為開(kāi)口槽結(jié)構(gòu)，槽內(nèi)放置定子繞組，外轉(zhuǎn)子的兩側(cè)均有凸極齒，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不變。外轉(zhuǎn)子磁阻式拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、恒功率運(yùn)行范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，但也存在轉(zhuǎn)矩密度低、振動(dòng)噪聲大、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大等磁阻電機(jī)的固有缺點(diǎn)。

圖5 外轉(zhuǎn)子磁阻式有刷雙機(jī)電端口電機(jī)

為了進(jìn)一步提高外轉(zhuǎn)子磁阻式有刷雙機(jī)電端口電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，有關(guān)文獻(xiàn)提出在定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵軛上嵌入永磁體的拓?fù)洌撏負(fù)湟部梢暈閮蓚€(gè)雙凸極永磁電機(jī)的復(fù)合，具有更高的轉(zhuǎn)矩密度和較低的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。此外，磁阻外轉(zhuǎn)子較厚的轉(zhuǎn)子軛部起到較好的屏蔽作用，明顯地削弱了電機(jī)的磁場(chǎng)耦合效應(yīng)。有關(guān)文獻(xiàn)提出在定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子齒部嵌入貫穿的永磁體的拓?fù)洌撏負(fù)溆蓛蓚€(gè)磁通切換永磁電機(jī)背靠背復(fù)合而成，具有較好的轉(zhuǎn)矩性能和較高的效率。

有刷雙機(jī)電端口電機(jī)的研究已趨于成熟，其具有工作原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)有的有刷雙機(jī)電端口電機(jī)拓?fù)涞闹饕獏^(qū)別在于外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，而其研究瓶頸主要來(lái)源于繞線式內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，具體包括：（1）電刷集電環(huán)結(jié)構(gòu)帶來(lái)額外的摩擦損耗，降低電機(jī)的可靠性和效率；（2）內(nèi)轉(zhuǎn)子的鐵耗和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組的銅耗較高，導(dǎo)致內(nèi)轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重，且最內(nèi)層的轉(zhuǎn)子散熱困難；（3）內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，繞組的動(dòng)平衡容易被破壞，產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，并降低電機(jī)的可靠性。

2.2 無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)

為了解決繞線式內(nèi)轉(zhuǎn)子帶來(lái)的一系列問(wèn)題，研究人員提出了非接觸式的無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)。根據(jù)工作原理，可以分為基于爪極結(jié)構(gòu)拓?fù)洹⒒陔姶鸥袘?yīng)原理拓?fù)浜突诖艌?chǎng)調(diào)制原理拓?fù)洹?/p>

2.2.1 基于爪極結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

2008年，中國(guó)科學(xué)院電工所溫旭輝教授團(tuán)隊(duì)在有關(guān)文獻(xiàn)中提出基于爪極結(jié)構(gòu)的無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)，如圖6所示。該電機(jī)的兩個(gè)定子和兩個(gè)轉(zhuǎn)子軸向排布，轉(zhuǎn)子均位于定子內(nèi)側(cè)，其中定子1分為三段，每段定子鐵心呈“U”型，槽內(nèi)放置單相繞組；定子2是常規(guī)定子結(jié)構(gòu)，放置一套三相電樞繞組；轉(zhuǎn)子1為爪極結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子2兩側(cè)分別表貼有永磁體。

從電機(jī)構(gòu)造的角度看，定子1與兩個(gè)轉(zhuǎn)子構(gòu)成爪極雙機(jī)械單電端口電機(jī)，起到功率分配與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的作用，定子2與轉(zhuǎn)子2構(gòu)成常規(guī)單機(jī)械單電端口電機(jī)，起到轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)作用。研究表明無(wú)刷爪極雙機(jī)電端口電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)能量傳輸和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩解耦的功能，但轉(zhuǎn)矩波動(dòng)非常大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工制造困難。

圖6 無(wú)刷爪極雙機(jī)電端口電機(jī)

2.2.2 基于電磁感應(yīng)原理拓?fù)?/p>

2009年，華中科技大學(xué)黃聲華教授團(tuán)隊(duì)在有關(guān)文獻(xiàn)中提出利用無(wú)刷雙饋電機(jī)控制繞組和功率繞組配合替代電刷集電環(huán)的無(wú)刷雙饋型雙機(jī)電端口電機(jī)。該電機(jī)可分解為三臺(tái)電機(jī)：繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)。前兩者配合進(jìn)行功率傳遞和能量分配，后者用于調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)機(jī)械端口的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速解耦。但無(wú)刷雙饋型雙機(jī)電端口電機(jī)需額外配備饋電系統(tǒng)，導(dǎo)致加工制造復(fù)雜，系統(tǒng)體積重量顯著增加。

2011年，華南理工大學(xué)黃向東教授團(tuán)隊(duì)在有關(guān)文獻(xiàn)中提出利用旋轉(zhuǎn)變壓器的一次和二次感應(yīng)線圈替代電刷集電環(huán)，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷化的方案。但該無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)中旋轉(zhuǎn)變壓器受供電頻率限制，系統(tǒng)效率較低、實(shí)用性有限。同時(shí)，內(nèi)轉(zhuǎn)子仍放置有感應(yīng)線圈，存在散熱困難、動(dòng)平衡易破壞等問(wèn)題。

2.2.3 基于磁場(chǎng)調(diào)制原理拓?fù)?/p>

2011年，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)K. Atallah教授團(tuán)隊(duì)在磁場(chǎng)調(diào)制型磁齒輪的基礎(chǔ)上提出了基于磁齒輪的雙機(jī)械端口電機(jī)，如圖7所示。該電機(jī)具有三個(gè)轉(zhuǎn)子，最外側(cè)靠近定子的是控制轉(zhuǎn)子，與定子構(gòu)成常規(guī)單機(jī)械單電端口電機(jī)，另外的調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子和永磁內(nèi)轉(zhuǎn)子作為兩個(gè)機(jī)械端口，用于功率傳遞。由于空轉(zhuǎn)的永磁控制轉(zhuǎn)子可以自由變化，因此兩個(gè)機(jī)械端口的轉(zhuǎn)速可以解耦調(diào)節(jié)。然而，三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，不利于加工制造，有必要進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

圖7 基于磁齒輪的雙機(jī)械端口電機(jī)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄭萍教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)省去空轉(zhuǎn)的控制轉(zhuǎn)子，也能實(shí)現(xiàn)調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速解耦，因此在有關(guān)文獻(xiàn)中提出磁場(chǎng)調(diào)制型雙機(jī)械端口電機(jī)，如圖8所示。該電機(jī)用定子替換了磁場(chǎng)調(diào)制型磁齒輪的一個(gè)永磁轉(zhuǎn)子，具有單定子、雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。通過(guò)特定的極槽配合設(shè)計(jì)，使磁場(chǎng)調(diào)制型雙機(jī)械端口電機(jī)的定子電樞磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速和極對(duì)數(shù)與被替換的永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速和極對(duì)數(shù)相等，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功率和轉(zhuǎn)矩傳輸。

該團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)功率傳遞與分配的功能，且具有功率密度高、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)。有關(guān)文獻(xiàn)提出互補(bǔ)結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)調(diào)制型雙機(jī)械端口電機(jī)，將調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子和永磁內(nèi)轉(zhuǎn)子均分為三段斜極，從而降低齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。有關(guān)文獻(xiàn)提出內(nèi)轉(zhuǎn)子為“V”型內(nèi)置式永磁體的磁場(chǎng)調(diào)制型雙機(jī)械端口電機(jī)，效率可達(dá)94%以上。

圖8 磁場(chǎng)調(diào)制型雙機(jī)械端口電機(jī)

然而，上述基于磁場(chǎng)調(diào)制原理的無(wú)刷雙機(jī)械端口電機(jī)，由于僅有一套電樞繞組控制，僅能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速解耦，無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩解耦。為了實(shí)現(xiàn)兩機(jī)械端口轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均解耦，哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄭萍教授在其團(tuán)隊(duì)提出的磁場(chǎng)調(diào)制型雙機(jī)械端口電機(jī)的基礎(chǔ)上，將其與一臺(tái)常規(guī)永磁同步電機(jī)連接，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，并將該結(jié)構(gòu)命名為磁場(chǎng)調(diào)制型無(wú)刷復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)，如圖9所示。

從整體上看，該復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)具有兩個(gè)機(jī)械端口和兩個(gè)電端口，其中，磁場(chǎng)調(diào)制型雙機(jī)械端口電機(jī)用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的解耦，常規(guī)永磁同步電機(jī)用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的解耦。有關(guān)文獻(xiàn)提出五盤(pán)的軸向磁通磁場(chǎng)調(diào)制雙機(jī)電端口電機(jī)拓?fù)洹?/p>

圖9 磁場(chǎng)調(diào)制無(wú)刷復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)

香港大學(xué)K. T. Chau教授團(tuán)隊(duì)在有關(guān)文獻(xiàn)中將常規(guī)永磁同步電機(jī)嵌入基于磁齒輪的雙機(jī)械端口電機(jī)中，形成基于磁齒輪的無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)，如圖10所示。該電機(jī)具有兩個(gè)定子和三個(gè)轉(zhuǎn)子，共四層氣隙。從電機(jī)構(gòu)造的角度看，基于磁齒輪的無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)可以分解為兩臺(tái)永磁同步電機(jī)和一個(gè)磁場(chǎng)調(diào)制型磁齒輪，其中磁場(chǎng)調(diào)制型磁齒輪由電機(jī)1轉(zhuǎn)子的外側(cè)永磁體、調(diào)制環(huán)和電機(jī)2轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)永磁體組成。該電機(jī)功率密度極高，但過(guò)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)大大降低了該拓?fù)涞膶?shí)用性。

圖10 基于磁齒輪的無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)

香港理工大學(xué)牛雙霞教授團(tuán)隊(duì)在有關(guān)文獻(xiàn)中將同軸連接的常規(guī)永磁同步電機(jī)嵌入磁場(chǎng)調(diào)制型雙機(jī)械端口電機(jī)中，形成雙定子、雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，雙定子磁場(chǎng)調(diào)制無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)如圖11所示。

圖11 雙定子磁場(chǎng)調(diào)制無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)

增加的內(nèi)定子與內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)成常規(guī)永磁同步電機(jī)，用于調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩。但該電機(jī)拓?fù)淙杂腥龑託庀叮姶篷詈蠌?fù)雜，制造加工較困難。為了進(jìn)一步減少氣隙層數(shù)，該團(tuán)隊(duì)在雙定子拓?fù)涞幕A(chǔ)上提出一種雙調(diào)制拓?fù)洌鐖D12a所示。雙調(diào)制型雙機(jī)電端口電機(jī)具有一個(gè)定子和兩個(gè)轉(zhuǎn)子，定子槽內(nèi)放置兩套繞組，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子均為交替極結(jié)構(gòu)永磁轉(zhuǎn)子，相鄰永磁體極性相同。

由于內(nèi)、外轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)磁塊被當(dāng)作調(diào)制環(huán)，分別與外、內(nèi)轉(zhuǎn)子上的永磁體發(fā)生磁場(chǎng)調(diào)制作用，因此被稱(chēng)為“雙調(diào)制”拓?fù)洹耐負(fù)錁?gòu)造的角度看，定子繞組1與內(nèi)、外轉(zhuǎn)子構(gòu)成雙機(jī)械單電端口電機(jī)，用于功率的傳輸與分配和兩個(gè)機(jī)械端口轉(zhuǎn)速的解耦控制，定子繞組2與外轉(zhuǎn)子構(gòu)成常規(guī)永磁電機(jī)，用于轉(zhuǎn)矩的解耦控制。

圖12 基于磁場(chǎng)調(diào)制原理的雙機(jī)電端口電機(jī)

華中科技大學(xué)曲榮海教授團(tuán)隊(duì)在有關(guān)文獻(xiàn)中提出基于磁場(chǎng)調(diào)制原理的無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)，如圖12b所示，但單機(jī)械單電端口電機(jī)由定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子組成，等效氣隙很大，導(dǎo)致氣隙磁密較小、轉(zhuǎn)矩密度較小。為了提高轉(zhuǎn)矩密度，有關(guān)文獻(xiàn)提出了一種外轉(zhuǎn)子插入切向勵(lì)磁永磁體的磁場(chǎng)調(diào)制型無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)，如圖12c所示，其中組成單機(jī)械單電端口電機(jī)的轉(zhuǎn)子由內(nèi)轉(zhuǎn)子變?yōu)橥廪D(zhuǎn)子，大幅減小了等效氣隙長(zhǎng)度，提升氣隙磁通密度和轉(zhuǎn)矩密度。

同時(shí)，定子采用分裂齒結(jié)構(gòu)，將定子中的兩套繞組進(jìn)行物理隔離，并解耦了不同繞組的槽數(shù)，使兩套繞組均可采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu)，從而縮短電機(jī)端部。后續(xù)在有關(guān)文獻(xiàn)中研究了電機(jī)槽極配合以及繞組耦合的問(wèn)題，有關(guān)文獻(xiàn)中提出了內(nèi)轉(zhuǎn)子為磁阻式的結(jié)構(gòu)，如圖12d所示，再一次豐富了雙機(jī)電端口電機(jī)的拓?fù)湫问健?/p>

無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)省去了電刷集電，提高了電機(jī)的可靠性。基于不同工作原理的電機(jī)均可以通過(guò)一臺(tái)或兩臺(tái)電機(jī)級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)多端口間能量傳遞與分配和兩個(gè)機(jī)械端口轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速解耦。但不同原理的電機(jī)也存在一些問(wèn)題，體現(xiàn)在：（1）基于爪極結(jié)構(gòu)的無(wú)刷拓?fù)洌姍C(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工制造困難，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)極大；（2）基于電磁感應(yīng)原理的無(wú)刷拓?fù)洌枰~外的饋電裝置，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工制造困難，且仍然存在繞線式內(nèi)轉(zhuǎn)子，無(wú)法解決散熱困難、動(dòng)平衡易破壞的問(wèn)題；（3）基于磁場(chǎng)調(diào)制原理的無(wú)刷拓?fù)洌瑲庀洞艌?chǎng)諧波豐富，功率因數(shù)較低。

3 雙機(jī)電端口電機(jī)控制策略

雙機(jī)電端口電機(jī)作為一種隨新能源領(lǐng)域發(fā)展而新提出的一類(lèi)電機(jī)，相關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制研究在近20年才陸續(xù)展開(kāi)，且主要集中在混合動(dòng)力汽車(chē)能量分流系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電能量調(diào)配系統(tǒng)等方面。隨著電機(jī)端口數(shù)量增多，其控制方法呈現(xiàn)出多自由度、多樣化的特點(diǎn)。

3.1 解耦控制

由于雙機(jī)電端口電機(jī)可以視為雙機(jī)械單電端口電機(jī)和單機(jī)械單電端口電機(jī)的集成，因此可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的功能、運(yùn)行工況和負(fù)載特性，通過(guò)解耦分別控制兩個(gè)等效電機(jī)。

瑞典皇家理工大學(xué)C. Sadarangani教授團(tuán)隊(duì)、俄亥俄州立大學(xué)Xu Longya教授團(tuán)隊(duì)和荷蘭代爾夫特理工大學(xué)M. J. Hoeijmakers教授團(tuán)隊(duì)在提出有刷雙機(jī)電端口電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法之后，又相繼對(duì)各種類(lèi)型的電機(jī)進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)仿真與模擬道路工況控制。有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)進(jìn)行了建模與控制，如果在整個(gè)控制過(guò)程中均利用觀測(cè)器實(shí)時(shí)估算外轉(zhuǎn)子的磁鏈，則算法較為復(fù)雜，因此，該團(tuán)隊(duì)提出了一種雙電流環(huán)控制算法來(lái)直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和氣隙磁通。

西安交通大學(xué)王曙鴻教授團(tuán)隊(duì)在有關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)外轉(zhuǎn)子磁阻式有刷雙機(jī)電端口電機(jī)中的磁路問(wèn)題進(jìn)行了探討。在考慮磁路飽和非線性的前提下提出一種變磁路的建模方法，以獲得精確的電感特性，并在有關(guān)文獻(xiàn)中建立了雙凸極電機(jī)的dq模型，如圖13所示，以進(jìn)行解耦控制的研究。由此給出了外轉(zhuǎn)子磁阻式有刷雙機(jī)電端口電機(jī)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子解耦的轉(zhuǎn)矩控制策略。

圖13 雙凸極雙轉(zhuǎn)子電機(jī)解耦控制

有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)無(wú)刷雙饋型雙機(jī)電端口電機(jī)的兩個(gè)機(jī)械端口解耦控制進(jìn)行了跟蹤性的研究，該電機(jī)存在兩種基波磁場(chǎng)的控制與無(wú)刷雙饋電機(jī)類(lèi)似，因此可以借助已有的無(wú)刷雙饋電機(jī)控制方法進(jìn)行無(wú)刷雙饋型雙機(jī)電端口電機(jī)的解耦控制，實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)最優(yōu)效率控制，其控制框圖如圖14所示。

圖14 無(wú)刷雙饋雙機(jī)電端口電機(jī)控制框圖

3.2 能量管理

哈爾濱工業(yè)大學(xué)崔淑梅教授團(tuán)隊(duì)從控制的角度對(duì)外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)在混合動(dòng)力汽車(chē)上的應(yīng)用做了進(jìn)一步的研究。有關(guān)文獻(xiàn)利用汽車(chē)領(lǐng)域常用的能量宏觀表達(dá)法對(duì)采用外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)的混動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行了建模，并討論了其道路運(yùn)行模式與能量管理策略。

有關(guān)文獻(xiàn)將外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)系統(tǒng)與豐田Prius的2代產(chǎn)品比較，提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建模和控制的基本方法，并進(jìn)行了控制算法的對(duì)比。有關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)一步研究了外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車(chē)無(wú)級(jí)變速器上的能量管理策略，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的最優(yōu)工作點(diǎn)選取。

在磁場(chǎng)調(diào)制型無(wú)刷雙機(jī)械端口電機(jī)提出后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄭萍教授團(tuán)隊(duì)在有關(guān)文獻(xiàn)中分析了該類(lèi)電機(jī)端口轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等變量之間的關(guān)系和具體的控制策略，通過(guò)仿真進(jìn)行模擬混動(dòng)汽車(chē)的能量管理策略研究。有關(guān)文獻(xiàn)提出一種基于模糊邏輯控制的能量管理策略。磁場(chǎng)調(diào)制型無(wú)刷雙機(jī)械端口電機(jī)的能量管理如圖15所示。該策略主要針對(duì)包括發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的系統(tǒng)能量分配控制。

圖15 磁場(chǎng)調(diào)制雙機(jī)械端口電機(jī)能量管理

隨著電端口的進(jìn)一步集成，無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)在控制系統(tǒng)上也實(shí)現(xiàn)了一體化。香港理工大學(xué)牛雙霞教授團(tuán)隊(duì)在有關(guān)文獻(xiàn)中討論了雙調(diào)制無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)在同一個(gè)程序框架下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略，由于兩個(gè)電端口和兩個(gè)同心機(jī)械端口的存在，需要四個(gè)端口協(xié)同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車(chē)的變速功能和能量分配。

華中科技大學(xué)曲榮海教授團(tuán)隊(duì)對(duì)基于無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)的混動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了能量管理的研究，在有關(guān)文獻(xiàn)中提出了電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)協(xié)調(diào)工作方案，并研究了多種工況下能量流情況。

無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)系統(tǒng)另一類(lèi)重要的應(yīng)用則是在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中。基于前期相關(guān)方面的研究，雙定子無(wú)刷雙饋感應(yīng)電機(jī)的建模和不同工況下的控制目前已逐漸成熟。雖然無(wú)刷雙饋電機(jī)中只有一個(gè)機(jī)械端口，但將功率繞組和控制繞組在控制上相組合可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電的效果，本質(zhì)上是利用多電端口實(shí)現(xiàn)功率分流。受到雙饋電機(jī)控制原理的啟發(fā)，雙機(jī)電端口電機(jī)采用類(lèi)似的控制策略也能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的變速恒頻功能。

有關(guān)文獻(xiàn)研究了基于雙機(jī)電端口電機(jī)的雙潮流風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)控制問(wèn)題，將該電機(jī)看作是兩個(gè)永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)結(jié)合最優(yōu)速比的最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略，提出一種雙模式功率控制策略，如圖16所示。有關(guān)文獻(xiàn)針對(duì)這種電機(jī)繞線轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子同時(shí)旋轉(zhuǎn)時(shí)磁場(chǎng)位置難以檢測(cè)的問(wèn)題，在內(nèi)轉(zhuǎn)子控制時(shí)提出了基于模型參考自適應(yīng)方法的無(wú)傳感器控制，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)。

圖16 風(fēng)發(fā)用雙機(jī)電端口電機(jī)控制系統(tǒng)

香港理工大學(xué)牛雙霞教授團(tuán)隊(duì)對(duì)基于無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)也進(jìn)行了控制策略的研究。有關(guān)文獻(xiàn)提出一種用于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)實(shí)現(xiàn)功率分流，并給出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)分析與控制策略。該方法結(jié)合了直驅(qū)電機(jī)和雙饋發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜不利于大規(guī)模應(yīng)用。此后該團(tuán)隊(duì)又提出一種新型的無(wú)刷對(duì)轉(zhuǎn)功率分流傳動(dòng)系統(tǒng)，如圖17所示。

它將兩個(gè)機(jī)械端口與兩個(gè)風(fēng)葉相連，以最大程度地吸收風(fēng)能，通過(guò)控制兩組定子繞組實(shí)現(xiàn)兩個(gè)機(jī)械端口的轉(zhuǎn)矩控制。相比于傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用雙最優(yōu)速比的最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法，以達(dá)到在給定風(fēng)速條件下收集到更多風(fēng)能的效果。

圖17 雙功率流風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)

3.3 動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)優(yōu)化

比利時(shí)根特大學(xué)的J. Melkebeek教授團(tuán)隊(duì)在有刷雙機(jī)電端口電機(jī)控制系統(tǒng)上做了大量研究。有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)進(jìn)行了建模與磁場(chǎng)定向控制的研究，同時(shí)將預(yù)測(cè)電流控制器引入控制算法中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流的高帶寬控制，達(dá)到快速產(chǎn)生響應(yīng)轉(zhuǎn)矩的目的。然而，由于異步籠型電機(jī)內(nèi)部感應(yīng)磁場(chǎng)比較復(fù)雜，電機(jī)參數(shù)繁多且不易測(cè)量，實(shí)際應(yīng)用受到限制。

進(jìn)一步地，有關(guān)文獻(xiàn)將模型預(yù)測(cè)控制方法引入該電機(jī)中，對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了預(yù)測(cè)控制，如圖18所示。有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)該電機(jī)的損耗與效率進(jìn)行了測(cè)試與分析，并將其與傳統(tǒng)的機(jī)械式無(wú)級(jí)變速器效率做了對(duì)比。采用電勵(lì)磁的結(jié)構(gòu)將給整個(gè)系統(tǒng)引入額外的電刷與集電環(huán)，持續(xù)的電勵(lì)磁將帶來(lái)大量的熱損耗，系統(tǒng)效率相比于永磁勵(lì)磁型的電機(jī)較低。

圖18 預(yù)測(cè)電流控制系統(tǒng)

磁場(chǎng)調(diào)制型無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)的兩個(gè)機(jī)械端口相互存在磁連接，即通過(guò)磁齒輪連接了兩個(gè)轉(zhuǎn)子。電機(jī)在其中一個(gè)機(jī)械端口產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩并借助磁齒輪效應(yīng)放大，在另一個(gè)轉(zhuǎn)子上輸出。但由于兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間的磁場(chǎng)連接是一種柔性的連接，因此存在輸出轉(zhuǎn)子響應(yīng)速度慢的問(wèn)題。謝菲爾德大學(xué)K. Atallah教授首次針對(duì)這類(lèi)問(wèn)題在驅(qū)動(dòng)方法上做了一些改進(jìn)，有關(guān)文獻(xiàn)建立了基于磁齒輪的無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)基本傳遞函數(shù)，如圖19所示。

將電機(jī)轉(zhuǎn)矩傳遞等效為彈簧系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上提出了狀態(tài)反饋的控制方法來(lái)增強(qiáng)轉(zhuǎn)矩傳遞的響應(yīng)速度。進(jìn)一步地，在有關(guān)文獻(xiàn)中針對(duì)基于磁齒輪的無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)失步問(wèn)題進(jìn)行了控制策略的研究，在有關(guān)文獻(xiàn)中提出基于觀測(cè)器的單位置傳感器方案。

圖19 基于磁齒輪的雙機(jī)電端口電機(jī)控制

4 雙機(jī)電端口電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

雙機(jī)電端口電機(jī)在混合動(dòng)力汽車(chē)、混合動(dòng)力船舶、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的應(yīng)用中有著一定的發(fā)展前景。其主要發(fā)展趨勢(shì)如下。

1）高速化

現(xiàn)有文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，與混合動(dòng)力汽車(chē)、船舶實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速相差3~10倍，有必要進(jìn)一步提升雙機(jī)電端口電機(jī)的轉(zhuǎn)速。然而，雙機(jī)電端口電機(jī)高速化后面臨較多問(wèn)題，例如有刷雙機(jī)電端口電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子高速后電刷集電環(huán)可靠性更低，散熱更困難；無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)的極對(duì)數(shù)較高、磁場(chǎng)諧波豐富，轉(zhuǎn)速提高后，電頻率增大，鐵耗和交流銅耗大幅提升，同時(shí)控制難度提升。

因此，需要結(jié)合永磁材料和鐵磁材料等技術(shù)的最新發(fā)展，探索合適的雙機(jī)電端口電機(jī)結(jié)構(gòu)，降低高速后電機(jī)的鐵耗和交流銅耗，提高雙機(jī)電端口電機(jī)實(shí)用性。在發(fā)熱和冷卻方面，采用多物理場(chǎng)聯(lián)合仿真計(jì)算的方法，建立各部分溫升快速有效的分析和預(yù)測(cè)方法，指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)。

2）提高功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩密度

雙機(jī)電端口電機(jī)是一種新型多功能一體化純電氣系統(tǒng)，與“多電機(jī)+機(jī)械部件”的組合相比，轉(zhuǎn)矩和功率輸出能力較弱，功率因數(shù)較低，在實(shí)際應(yīng)用中需要較大功率容量的控制器件配合，系統(tǒng)體積、重量較大，實(shí)用性降低。尤其是無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度仍低于有刷拓?fù)洌虼耍枰O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎的無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)拓?fù)洌M(jìn)一步提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度或功率密度、增大功率因數(shù)。

3）提升控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和容錯(cuò)能力

雙機(jī)電端口電機(jī)由兩種電機(jī)復(fù)合而成，包含至少兩個(gè)轉(zhuǎn)子、兩套繞組和兩個(gè)氣隙，導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部電磁耦合嚴(yán)重，電機(jī)參數(shù)變化復(fù)雜。而雙機(jī)電端口電機(jī)本體正朝著高集成方向發(fā)展，內(nèi)部電磁耦合更加嚴(yán)重，因此，需要改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路和控制算法，從控制側(cè)實(shí)現(xiàn)雙機(jī)械單電端口電機(jī)與單機(jī)械單電端口電機(jī)的解耦，提升系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

同時(shí)，在風(fēng)力發(fā)電、混合動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用中，對(duì)雙機(jī)電端口電機(jī)可靠性提出較高的要求，因此，需要研究位置傳感器故障容錯(cuò)方法、繞組開(kāi)路下電流控制方法等控制策略，使系統(tǒng)具備較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。

5 結(jié)論

雙機(jī)電端口電機(jī)將用于功率傳輸與轉(zhuǎn)速解耦的雙機(jī)械單電端口電機(jī)和用于轉(zhuǎn)矩解耦的常規(guī)單機(jī)械單電端口電機(jī)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了多功能一體化，具有緊湊性高、集成度好、純電氣傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，在新能源發(fā)電、混合動(dòng)力汽車(chē)與艦船等領(lǐng)域具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力。本文依據(jù)結(jié)構(gòu)特征將現(xiàn)有的雙機(jī)電端口電機(jī)分為有刷和無(wú)刷兩類(lèi)，并對(duì)現(xiàn)有研究成果進(jìn)行分析與歸納，總結(jié)如下觀點(diǎn)：

1）有刷雙機(jī)電端口電機(jī)具有工作原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，拓?fù)涞闹饕獏^(qū)別是外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，而需要解決的共性技術(shù)難題主要來(lái)源于繞線式內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：電刷集電環(huán)帶來(lái)可靠性問(wèn)題，內(nèi)轉(zhuǎn)子發(fā)熱較嚴(yán)重、散熱困難，旋轉(zhuǎn)繞組動(dòng)平衡難以保證。

2）無(wú)刷雙機(jī)電端口電機(jī)去掉了電刷集電環(huán)、提高了電機(jī)的可靠性，是雙機(jī)電端口電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電磁耦合嚴(yán)重、氣隙磁場(chǎng)諧波豐富、轉(zhuǎn)矩密度和功率因數(shù)還需進(jìn)一步提升等問(wèn)題。

3）雙機(jī)電端口電機(jī)控制方面的研究主要集中在混合動(dòng)力汽車(chē)能量分流系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電能量調(diào)配系統(tǒng)等領(lǐng)域，控制系統(tǒng)運(yùn)行性能和品質(zhì)提升方面的研究較少。

4）進(jìn)一步提升雙機(jī)電端口樣機(jī)轉(zhuǎn)速，解決損耗、冷卻散熱方面的問(wèn)題，有助于該類(lèi)電機(jī)在混合動(dòng)力汽車(chē)與艦船中的推廣應(yīng)用。

5）與機(jī)械方案相比，純電氣的雙機(jī)電端口電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度和功率因數(shù)偏低，導(dǎo)致系統(tǒng)體積、重量較大，因此，研究提升轉(zhuǎn)矩密度和功率因數(shù)的新拓?fù)涫请p機(jī)電端口電機(jī)的一個(gè)重要研究方向。

6）雙機(jī)電端口電機(jī)是一類(lèi)復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)，電磁耦合復(fù)雜、功能和應(yīng)用需求較特殊，在一些特定背景下，有很好的應(yīng)用前景。控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和容錯(cuò)能力的進(jìn)一步提升將有助于拓寬該類(lèi)電機(jī)的應(yīng)用范圍。

本文編自2022年第19期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“雙機(jī)電端口電機(jī)系統(tǒng)綜述與發(fā)展展望”。本課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金和博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目的支持。