起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)發(fā)展與研究概述

馬飛鴻，周士貴，于 輝

(曲阜師范大學(xué) 工學(xué)院，日照 276800)

0 引 言

起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)，顧名思義，通過(guò)電力電子變換裝置控制電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換，從而將起動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的功能集成為一體，由一臺(tái)電機(jī)實(shí)現(xiàn)起動(dòng)和發(fā)電兩種功能[1]。采用起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)可以大大減少電氣系統(tǒng)的機(jī)械部件數(shù)量，減小機(jī)載體積，并減輕系統(tǒng)質(zhì)量。

早在20世紀(jì)30年代，德國(guó)人就提出將電機(jī)的起動(dòng)功能與發(fā)電功能結(jié)合，但受制于當(dāng)時(shí)電機(jī)本體、電機(jī)控制等技術(shù)條件限制，未能實(shí)現(xiàn)。直到1997年，德國(guó)大陸公司研制出起動(dòng)/發(fā)電一體機(jī)，并將其安裝在轎車上進(jìn)行試驗(yàn)，展現(xiàn)出了起動(dòng)/發(fā)電一體機(jī)性能的優(yōu)越性。直至今日，起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)已經(jīng)在交通、能源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中，起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)在混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域應(yīng)用最早并且技術(shù)最成熟。

考慮到起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合，其要具有以下要求：電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)頻繁起動(dòng)、停止和加速、減速，具有較寬的調(diào)速范圍，較高的過(guò)載系數(shù)，較小的體積和質(zhì)量，較高的可靠性，運(yùn)行時(shí)較低的噪聲，以及較低的制造成本。

本文回顧總結(jié)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)中所進(jìn)行的研究。從其主要應(yīng)用領(lǐng)域——新能源汽車、摩托車、航空等領(lǐng)域出發(fā)，歸納其不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)比其性能特點(diǎn)，總結(jié)其研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵問(wèn)題，最后探討起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)未來(lái)的發(fā)展方向。

1 起動(dòng)/發(fā)電一體化系統(tǒng)工作原理

起動(dòng)/發(fā)電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、控制器三部分組成[2]。其中起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)同軸連接，通過(guò)控制功率變換器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)與電池之間的能量流動(dòng)[3]。

圖1 起動(dòng)/發(fā)電一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，起動(dòng)/發(fā)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是基于電機(jī)的可逆原理[4]，即電機(jī)既可以作為電動(dòng)機(jī)工作，也可以作為發(fā)電機(jī)工作。當(dāng)需要起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)作為負(fù)載，起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)工作，其消耗蓄電池中的電能并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行工作。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到某一定值后，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠自行點(diǎn)火運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)；當(dāng)起動(dòng)完成后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為原動(dòng)機(jī)，起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)從起動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)，作為發(fā)電機(jī)工作，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)運(yùn)行，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)功率變換器進(jìn)行整流、穩(wěn)壓給蓄電池充電[5]。

2 起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)種類

在起動(dòng)/發(fā)電一體化系統(tǒng)中，電機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，其與系統(tǒng)控制策略的復(fù)雜性、系統(tǒng)的效率以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性息息相關(guān)。國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)具體工程應(yīng)用中的需求，提出了多種可以作為起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)應(yīng)用的電機(jī)，大體上分為永磁電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、爪極式電機(jī)，這些電機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能比較如表1所示。

表1 幾種電機(jī)性能比較

2.1 永磁電機(jī)

近50年來(lái)，隨著高性能永磁體器件、現(xiàn)代控制技術(shù)和高磁能永磁材料的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外掀起了對(duì)永磁無(wú)刷電機(jī)研究的熱潮，永磁無(wú)刷電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定和高效率的特點(diǎn)在多種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。永磁無(wú)刷電機(jī)使用電子換相器取代了電刷和機(jī)械換向器，采用永磁材料作為轉(zhuǎn)子，在定子上放置電樞繞組[6]。

文獻(xiàn)[7]中基于混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)應(yīng)用背景，介紹了一種永磁無(wú)刷起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)。為使無(wú)人機(jī)質(zhì)量最小化，電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子12槽14極結(jié)構(gòu)。為減小電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)并獲得最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)12槽14極電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。采取增加定子槽數(shù)和永磁體極數(shù)的措施，設(shè)計(jì)出24槽20極永磁無(wú)刷電機(jī)，如圖2所示。

圖2 24槽20極永磁無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)

永磁電機(jī)因具有高功率密度和高工作效率的優(yōu)點(diǎn)，適用于汽車、艦船以及航空領(lǐng)域的起動(dòng)/發(fā)電一體化系統(tǒng)中，能夠節(jié)約燃油使用、減少?gòu)U氣排放、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。但是永磁體受溫度和機(jī)械應(yīng)力的影響較大，增加了控制策略的復(fù)雜性。其起動(dòng)/發(fā)電模式下工作穩(wěn)定性需進(jìn)一步提高，且永磁體磁通不可調(diào)，因此混合勵(lì)磁電機(jī)是其重要的優(yōu)化發(fā)展方向之一。

2.2 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子都是凸極結(jié)構(gòu)，均由導(dǎo)磁材料疊壓而成，定轉(zhuǎn)子疊片如圖3所示，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組和磁鋼，定子上繞有集中繞組[8]。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且堅(jiān)固、維護(hù)容易、制造成本低廉[9]，因此開(kāi)關(guān)磁阻起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)目前是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[10]。

圖3 定轉(zhuǎn)子疊片

文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了應(yīng)用于無(wú)人機(jī)起動(dòng)/發(fā)電一體化系統(tǒng)上的四相16/12極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其具有低速大轉(zhuǎn)矩起動(dòng)和高速寬范圍恒壓發(fā)電的特點(diǎn)，證明了其應(yīng)用于無(wú)人機(jī)起動(dòng)/發(fā)電一體化系統(tǒng)中的可行性。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性給其帶來(lái)了工作可靠、效率高、適合高速運(yùn)行以及耐高溫的特點(diǎn)，相比其它幾種電機(jī)，它更適用于多電飛機(jī)系統(tǒng)，與多電發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成內(nèi)置一體化起動(dòng)/ 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大及噪聲大的缺點(diǎn)，為了進(jìn)一步提高開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的性能和拓寬開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在起動(dòng)/發(fā)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用，需要開(kāi)展降低其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的相關(guān)研究。對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的定子齒進(jìn)行優(yōu)化是降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的有效手段之一。

2.3 感應(yīng)電機(jī)

感應(yīng)電機(jī)，又稱異步電機(jī)，由定子、轉(zhuǎn)子、氣隙三個(gè)結(jié)構(gòu)組成，其中轉(zhuǎn)子又可分為籠型和繞線型兩類。感應(yīng)電機(jī)實(shí)物拆解圖如圖4所示。

圖4 感應(yīng)電機(jī)實(shí)物拆解圖

文獻(xiàn)[12]對(duì)多電/全電飛機(jī)應(yīng)用背景下的高速感應(yīng)起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)進(jìn)行仿真，測(cè)量得出電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到4 800 r/min，輸出功率可達(dá)6 000 W，可帶動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火并且自行進(jìn)行工作，通過(guò)仿真分析證明了感應(yīng)電機(jī)在起動(dòng)/發(fā)電一體化系統(tǒng)中的適用性。

感應(yīng)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、制造成本低、調(diào)速性能好、體積小等優(yōu)點(diǎn)[13]，且其本身具有可靠性高的特點(diǎn)，在起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)中有著較多的應(yīng)用。但感應(yīng)電機(jī)具有效率低的缺點(diǎn)，在混動(dòng)汽車等領(lǐng)域其性能略遜于永磁同步電機(jī)。

提升工作效率是未來(lái)感應(yīng)電機(jī)的發(fā)展方向，選擇合適的繞組連接類型以及匹配合適的導(dǎo)線線徑是提升感應(yīng)電機(jī)效率并實(shí)現(xiàn)降噪的有效方法之一。

2.4 爪極電機(jī)

爪極電機(jī)，又稱“Lundell”電機(jī)，因其轉(zhuǎn)子鐵心軸向左右配合形成兩個(gè)鳥(niǎo)爪狀的交錯(cuò)磁極而得名[14]。爪極電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，主要由爪極轉(zhuǎn)子、定子、轉(zhuǎn)軸、整流器等組成，其實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 爪極電機(jī)實(shí)物圖

文獻(xiàn)[15]提出了一種應(yīng)用于起動(dòng)/發(fā)電一體化系統(tǒng)的永磁爪極電機(jī)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行電磁分析，得出作為電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，其輸出功率取決于速度和永磁體厚度；作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，輸出功率隨功率角的增加而增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于3 000 r/min時(shí)電機(jī)效率降低，輸出功率能達(dá)到其要求1 500 W。由此可見(jiàn)，爪極電機(jī)滿足起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)的要求。

爪極電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且上文四種電機(jī)在輸出相同電流的條件下，爪極電機(jī)擁有更小的體積及更輕的質(zhì)量[16]，因此爪極電機(jī)廣泛應(yīng)用在汽車發(fā)電機(jī)領(lǐng)域。由于轉(zhuǎn)子爪極間漏磁較大、功率密度不高、輸出功率不高，爪極電機(jī)更適合應(yīng)用于小功率場(chǎng)合。

3 起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)優(yōu)化

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于起動(dòng)/發(fā)電一體化系統(tǒng)的研究還是主要集中在控制器的設(shè)計(jì)上，一體化電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方面的研究仍屬于新興領(lǐng)域，相關(guān)的文獻(xiàn)和研究并不普遍。起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)的優(yōu)化以電機(jī)具有高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高發(fā)電效率、高轉(zhuǎn)矩密度為目的，本文對(duì)起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)的創(chuàng)新優(yōu)化做出了一定的總結(jié)。

3.1 繞組優(yōu)化

2019年，在第四屆電裝科技聯(lián)合東京會(huì)議上，電裝株式會(huì)社的工程師提出通過(guò)特殊的繞線技術(shù)，減小起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)的尺寸、質(zhì)量、電能的消耗。電裝株式會(huì)社提出的是一種改變繞組形狀的優(yōu)化方法。在傳統(tǒng)電機(jī)產(chǎn)品中，繞線采用圓線。在使用圓形導(dǎo)線時(shí)，不可避免會(huì)出現(xiàn)間隙，對(duì)電機(jī)鐵心槽內(nèi)部而言會(huì)造成浪費(fèi)，如圖6所示。為解決這一問(wèn)題，電裝株式會(huì)社通過(guò)整齊地纏繞方線來(lái)填充槽的內(nèi)部，如圖7所示。采用這項(xiàng)技術(shù)可以增加空間系數(shù)，并確保在相同的體積下獲得更高的輸出。

圖6 圓線圖7 方線

3.2 材料優(yōu)化

文獻(xiàn)[17]從電機(jī)鐵磁材料角度出發(fā)，提出用一種軟磁復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)稱SMC)制作電機(jī)的定轉(zhuǎn)子鐵心。SMC材料由相互絕緣的金屬粉末組成，如圖8所示。不同于硅鋼片等鐵心材料經(jīng)過(guò)疊壓和卷繞制成，SMC 材料具有高度形狀自由的特點(diǎn)，可以通過(guò)模壓成型制造成任何形狀，加工簡(jiǎn)單。且采用SMC材料的起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)的渦流損耗比較小[18]，其可以在電機(jī)高頻運(yùn)行工作狀態(tài)下較其他材料的電機(jī)發(fā)揮出自己的優(yōu)勢(shì)。

圖8 軟磁材料示意圖

4 起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)的應(yīng)用展望

考慮到目前一體化電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，提高一體化電機(jī)的功率密度成為其主要發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)其低速起動(dòng)、高速發(fā)電已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)，仍有很多需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)的發(fā)展關(guān)鍵在于以下幾個(gè)方面：

(1)適合起動(dòng)/發(fā)電一體化系統(tǒng)的電機(jī)種類選擇和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)需要具有快起動(dòng)速度、大轉(zhuǎn)矩、高發(fā)電功率的特點(diǎn)，小型化、高功率密度化是其主要發(fā)展的方向。本文對(duì)四種電機(jī)拓?fù)溥M(jìn)行了比較，可以發(fā)現(xiàn)四種電機(jī)拓?fù)涓饔袃?yōu)缺點(diǎn)。永磁無(wú)刷電機(jī)與另外三種電機(jī)拓?fù)湎啾容^，其功率密度和工作效率最高，但由于永磁體磁通不可調(diào)，工作穩(wěn)定性較低，因此可以通過(guò)混合勵(lì)磁的方式提高穩(wěn)定性。

(2)起動(dòng)/發(fā)電一體化系統(tǒng)的散熱問(wèn)題

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速允許的前提下，盡可能提高一體化電機(jī)作發(fā)電機(jī)工作時(shí)的轉(zhuǎn)速是實(shí)現(xiàn)高功率密度的有效方法。因此可以將起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)由外置式設(shè)計(jì)成集成式與發(fā)動(dòng)機(jī)直接連接來(lái)提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，但由于起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)緊密連接，電機(jī)工作的環(huán)境溫度升高，高轉(zhuǎn)速帶來(lái)的鐵心損耗的增加，會(huì)進(jìn)一步使起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)面臨高溫問(wèn)題，因此需要采用高效、可靠的散熱方式[19]。目前，常用的散熱方式有風(fēng)冷、液冷、蒸發(fā)冷卻[20],針對(duì)起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)工作特性，液冷是最合適的散熱方案。在液冷散熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立額外高效熱路可以提高系統(tǒng)冷卻效率，是起動(dòng)/發(fā)電按一體化電機(jī)散熱方法的主要發(fā)展方向之一。

(3)起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)的多目標(biāo)綜合優(yōu)化

起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)的設(shè)計(jì)不僅僅局限于電磁性能設(shè)計(jì)，是一個(gè)有約束、多目標(biāo)、多變量以及多峰值的復(fù)雜非線性的工程實(shí)際問(wèn)題[21]。它的設(shè)計(jì)既不同于電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，也不同于發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì),要研究?jī)烧呒骖櫟脑O(shè)計(jì)方法,同時(shí)兼顧它的外形與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以便和發(fā)動(dòng)機(jī)、傳送裝置構(gòu)成最佳組合[22]。

5 結(jié) 語(yǔ)

起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)用一臺(tái)電機(jī)集成了起動(dòng)機(jī)的起動(dòng)功能和發(fā)電機(jī)的發(fā)電功能，突破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，其不僅可以減少電氣系統(tǒng)的質(zhì)量、減小系統(tǒng)的體積，還可以有效提高電氣系統(tǒng)的可靠性，在交通、能源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因此對(duì)于起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)的研究具有重要的科學(xué)價(jià)值和意義。相關(guān)理論研究與實(shí)際應(yīng)用仍有很多需要完善之處。為進(jìn)一步提升起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)的性能以及拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，首先，需要根據(jù)應(yīng)用背景選擇合適的電機(jī)類型和電機(jī)結(jié)構(gòu)，其次，需要研究適用于起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)的高效可靠且成本低的散熱方法，對(duì)起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)進(jìn)行多目標(biāo)綜合優(yōu)化也極為重要。