梁子漪 曲榮海 陳 智 任 翔 李大偉

雙機電端口電機系統(tǒng)綜述與發(fā)展展望

梁子漪 曲榮海 陳 智 任 翔 李大偉

（華中科技大學電氣與電子工程學院 武漢 430074）

雙機電端口電機是一類多功能一體化的新型電機，含有至少兩個轉子和兩套繞組，用于實現(xiàn)多個機械端口與電端口間功率傳輸及分配，和兩個機械端口轉矩與轉速的解耦控制，具有緊湊性好、集成度高和多端口協(xié)同運行的優(yōu)勢，在風力發(fā)電、新能源汽車、混合動力船舶等領域具有較好的應用潛力。該文首先介紹雙機電端口電機的基本結構與工作原理，簡要分析其實現(xiàn)多功能的方式；接著按照結構特征和工作原理，分類梳理了有刷和無刷雙機電端口電機在拓撲結構上的研究和創(chuàng)新，總結了各自的優(yōu)缺點；然后從解耦控制、能力管理和動態(tài)及穩(wěn)態(tài)優(yōu)化三個方面介紹了雙機電端口電機控制方法；最后對雙機電端口電機的研究方向和發(fā)展趨勢進行了展望。

雙機電端口電機 多功能 解耦控制 集成度高 發(fā)展趨勢

0 引言

近年來，隨著新能源發(fā)電、新能源汽車、混合動力船舶等新興領域的發(fā)展，通過多個機械與電氣端口協(xié)同運行，以實現(xiàn)豐富功能的驅(qū)動電機系統(tǒng)，成為新的研究方向。例如，混合動力汽車中，驅(qū)動系統(tǒng)不僅需要完成發(fā)動機、蓄電池與車輪之間的機電能量轉換，還需要協(xié)調(diào)三者的能量分配，以保證發(fā)動機始終運行于最優(yōu)效率區(qū)，同時系統(tǒng)輸出合適的轉矩和轉速，使車輛在不同路況和行駛狀態(tài)下穩(wěn)定運行[1]?，F(xiàn)在，工業(yè)界普遍采用“多個電機+機械部件”的組合來構成多機電端口系統(tǒng)[2]，以實現(xiàn)機電能量轉換和多運動狀態(tài)解耦。然而，這類組合存在部件較多、體積大、質(zhì)量大、可靠性低、維護頻繁等問題[3-4]。

為了解決以上問題，研究人員提出了雙機電端口電機（Dual Electrical Port-Dual Mechanical Port, DEP-DMP），用一臺電機替代“多個電機+機械部件”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，得到日益廣泛的關注[5]。雙機電端口電機可以等效為一個功率傳輸電機與一個轉矩調(diào)節(jié)電機的復合，在功能上能實現(xiàn)多個端口間的功率傳輸與分配，和兩個機械端口轉矩、轉速的解耦控制。本文首先介紹了雙機電端口電機的端口特性、拓撲特點和工作原理；然后回顧了有刷和無刷雙機電端口電機的發(fā)展歷程，分析了各個拓撲結構的優(yōu)缺點，介紹了不同雙機電端口電機的控制策略和能量管理方法；最后對雙機電端口電機的發(fā)展進行了展望。

1 雙機電端口電機原理

1.1 雙機電端口電機簡介

雙機電端口電機示意圖如圖1 所示，其中電端口為允許電功率輸入或輸出的繞組結構，和分別表示繞組的電壓和電流，機械端口為允許機械功率雙向流動，且含有一個運動自由度（即轉矩和轉速可獨立控制）的轉子軸，和分別表示轉子的轉矩和轉速[6]。從端口特性看，這類電機具有兩個機械端口，且均能進行機械能量的輸入和輸出。同時，為了使兩個機械端口的轉矩和轉速解耦，需要配備兩個能產(chǎn)生不同極對數(shù)、轉速磁場的電端口對兩個機械端口進行控制與調(diào)節(jié)。因此，雙機電端口電機包含兩個機械端口和兩個電端口。

圖1 雙機電端口電機示意圖

需要說明的是，本文所述雙機電端口電機的電端口要求有電功率的傳輸，且每套繞組能獨立控制。因此，直流電機、電勵磁同步電機、感應電機等具有兩套繞組，但其中一套為勵磁繞組，用于建立氣隙磁場，而沒有電功率輸入或輸出的電機均視為單電端口電機。此外，多相電機的多套繞組內(nèi)通入的電流相同，產(chǎn)生電樞磁場的極對數(shù)和轉速相等，未實現(xiàn)獨立控制，也不看作獨立的電端口。同時，機械端口要求有機械功率的傳遞。因此，為了提高電機轉矩密度而提出的雙轉子電機和磁齒輪復合電機，在運行過程中一個轉子軸空轉，沒有機械功率的輸入或輸出，實質(zhì)上進行機械能量傳遞的機械端口僅有一個[7]，因此，二者均未被視為雙機械端口電機。

1.2 雙機電端口電機原理

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

（1）雙機械單電端口電機：其三個端口分別命名為機械端口1、機械端口2和電端口1。兩個機械端口與外部負載相連，它們的轉矩、轉速等特性由外部負載決定；通過兩個機械端口間氣隙磁場的電磁耦合作用，將機械端口1的功率直接傳遞到機械端口2。電端口通入正弦交流電，提供兩個機械端口的轉差功率，維持三個端口間的能量平衡，從而使兩個機械端口的轉速解耦。但此時，兩個機械端口的轉矩保持恒定的比值，未解耦。

（2）單機械單電端口電機：其端口命名為機械端口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)生與機械端口1磁場極對數(shù)和轉速相同的電樞磁場，從而輸出穩(wěn)定的電磁轉矩。

（3）機械端口1同時存在于兩個電機中，會產(chǎn)生兩個電磁轉矩，因此，機械端口1輸出的轉矩為兩個等效電機電磁轉矩的代數(shù)和。

（4）機械端口2輸出的轉矩僅由雙機械單電端口產(chǎn)生?？刂茊螜C械單電端口電機在機械端口1上產(chǎn)生的轉矩，可以實現(xiàn)兩個機械端口轉矩的解耦。

2 雙機電端口電機結構

2.1 有刷雙機電端口電機

有刷雙機電端口電機大多含有兩個轉子和一個定子。其中，雙機械單電端口電機由內(nèi)、外轉子構成，內(nèi)轉子上放置一套三相繞組，內(nèi)轉子繞組經(jīng)過電刷集電環(huán)與變頻器連接；單機械單電端口電機由定子和外轉子構成，定子上放置另一套三相繞組。有刷雙機電端口電機的主要區(qū)別在于外轉子結構，包括雙/單層永磁體式、籠型導條感應型和磁阻式。

2.1.1 外轉子雙層永磁體式

2002年，瑞典皇家理工學院的C. Sadarangani教授團隊在文獻[8]中提出首臺具有能量分配與無極變速功能的電機，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子內(nèi)、外側表面均嵌入永磁體，因此，本文根據(jù)其結構特征將其稱為外轉子雙層永磁體有刷雙機電端口電機。其中，外轉子、外轉子內(nèi)層永磁體、內(nèi)轉子與內(nèi)轉子繞組構成雙機械單電端口電機；定子、外轉子外層永磁體與外轉子構成單機械單電端口電機。

圖2 外轉子雙層永磁體的有刷雙機電端口電機

將四象限換能器應用于混合動力汽車中，內(nèi)轉子與發(fā)動機相連，外轉子與車輛負載相連。此時雙機械單電端口電機將發(fā)動機輸出功率傳遞給車輛負載，并提供發(fā)動機與負載間轉速差，以實現(xiàn)兩個機械端口的轉速解耦；單機械單電端口電機用于調(diào)節(jié)外轉子輸出轉矩，提供當前運行工況下車輛負載所需轉矩與發(fā)動機輸出轉矩之差，以實現(xiàn)兩個機械端口的轉矩解耦。該團隊加工制造了一臺30kW實驗樣機，證明了該電機組成的混合動力系統(tǒng)可以使發(fā)動機在車輛負載所需的所有轉速和轉矩下以最佳效率運行，但內(nèi)轉子繞組中存在較大環(huán)流，導致內(nèi)轉子發(fā)熱嚴重[9]。隨后，該團隊對四象限換能器的損耗和冷卻進行研究，建立了熱傳導模型，并提出了強迫風冷系統(tǒng)[10]和改進型水冷系統(tǒng)[11]。

2.1.2 外轉子單層永磁體式

2005年，美國俄亥俄州立大學Xu Longya教授團隊在文獻[12]中提出外轉子單層永磁體的有刷雙機電端口電機，如圖3所示。該拓撲僅外轉子改變，外轉子的雙層永磁體合并為單層，且永磁體嵌入外轉子鐵心中。從電機功能上看，外轉子單層永磁體的有刷雙機電端口電機與雙層拓撲的功能相同，均可以實現(xiàn)能量傳遞與分配和兩個機械端口的轉矩、轉速解耦控制。

文獻[13]根據(jù)端口特性將這類電機歸納總結為雙機械端口（Dual Mechanical Port, DMP）電機，并給出了這類電機的通用結構：DMP電機包含三個部件，其中任意兩個部件旋轉作為機械端口，最后一個部件靜止作為電氣端口。為了進一步提高電機轉矩密度，研究人員提出了切向勵磁永磁外轉子[14]和嵌入永磁體磁障外轉子[15]有刷雙機電端口拓撲。

2.1.3 外轉子感應型

2004年，荷蘭代爾夫特理工大學M. J. Hoeijmakers教授團隊在文獻[16]中提出外轉子感應型有刷雙機電端口電機，如圖4所示，外轉子上的永磁體被籠型導條替代，形成兩臺感應電機復合的結構。外轉子感應型有刷雙機電端口電機的功率傳輸和轉矩調(diào)節(jié)均利用電磁感應原理實現(xiàn)。有限元計算和樣機實驗結果證明：該電機應用于城市公交中，可以有效提升汽車燃油利用效率，但籠型導條同時參與內(nèi)、外轉子的轉矩調(diào)節(jié)和功率傳遞，導致電機損耗較大、電磁耦合嚴重[17]。

圖4 外轉子感應型有刷雙機電端口電機

文獻[18]提出分體式外轉子感應型有刷雙機電端口電機，以解決電磁耦合嚴重、轉矩波動大的問題，研究結果表明分體式結構比一體式結構具有更高的功率密度、更低的轉矩波動，但效率和功率密度仍明顯低于使用永磁體的有刷雙機電端口電機。文獻[19]提出一種外轉子混合勵磁的感應式有刷雙機電端口電機，外轉子的外側放置直流勵磁繞組，內(nèi)側嵌入永磁體，擴大電機的調(diào)速范圍，增加了定子繞組的電壓調(diào)節(jié)功能。

2.1.4 外轉子磁阻式

2008年，哈爾濱工業(yè)大學崔淑梅教授團隊在文獻[20]中提出外轉子磁阻式有刷雙機電端口電機，如圖5所示。該電機的定子為開口槽結構，槽內(nèi)放置定子繞組，外轉子的兩側均有凸極齒，內(nèi)轉子結構不變。外轉子磁阻式拓撲具有結構簡單、成本低、恒功率運行范圍寬等優(yōu)點，但也存在轉矩密度低、振動噪聲大、轉矩波動大等磁阻電機的固有缺點[21]。

為了進一步提高外轉子磁阻式有刷雙機電端口電機的轉矩密度，文獻[22]提出在定子和內(nèi)轉子鐵軛上嵌入永磁體的拓撲，該拓撲也可視為兩個雙凸極永磁電機的復合，具有更高的轉矩密度和較低的轉矩波動。此外，磁阻外轉子較厚的轉子軛部起到較好的屏蔽作用，明顯地削弱了電機的磁場耦合效應。文獻[23]提出在定子和內(nèi)轉子齒部嵌入貫穿的永磁體的拓撲，該拓撲由兩個磁通切換永磁電機背靠背復合而成，具有較好的轉矩性能和較高的效率。

有刷雙機電端口電機的研究已趨于成熟，其具有工作原理簡單、結構緊湊、功率密度高等優(yōu)點，現(xiàn)有的有刷雙機電端口電機拓撲的主要區(qū)別在于外轉子結構，而其研究瓶頸主要來源于繞線式內(nèi)轉子結構，具體包括：

（1）電刷集電環(huán)結構帶來額外的摩擦損耗，降低電機的可靠性和效率。

（2）內(nèi)轉子的鐵耗和內(nèi)轉子繞組的銅耗較高，導致內(nèi)轉子發(fā)熱嚴重，且最內(nèi)層的轉子散熱困難。

（3）內(nèi)轉子旋轉時，繞組的動平衡容易被破壞，產(chǎn)生振動噪聲，并降低電機的可靠性。

2.2 無刷雙機電端口電機

為了解決繞線式內(nèi)轉子帶來的一系列問題，研究人員提出了非接觸式的無刷雙機電端口電機。根據(jù)工作原理，可以分為基于爪極結構拓撲、基于電磁感應原理拓撲和基于磁場調(diào)制原理拓撲。

2.2.1 基于爪極結構拓撲

2008年，中國科學院電工所溫旭輝教授團隊在文獻[24]中提出基于爪極結構的無刷雙機電端口電機，如圖6所示。該電機的兩個定子和兩個轉子軸向排布，轉子均位于定子內(nèi)側，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)定子結構，放置一套三相電樞繞組；轉子1為爪極結構；轉子2兩側分別表貼有永磁體。從電機構造的角度看，定子1與兩個轉子構成爪極雙機械單電端口電機，起到功率分配與轉速調(diào)節(jié)的作用，定子2與轉子2構成常規(guī)單機械單電端口電機，起到轉矩調(diào)節(jié)作用[24]。研究表明無刷爪極雙機電端口電機能夠?qū)崿F(xiàn)能量傳輸和轉速轉矩解耦的功能，但轉矩波動非常大且結構復雜、加工制造困難。

圖6 無刷爪極雙機電端口電機

2.2.2 基于電磁感應原理拓撲

2009年，華中科技大學黃聲華教授團隊在文獻[25]中提出利用無刷雙饋電機控制繞組和功率繞組配合替代電刷集電環(huán)的無刷雙饋型雙機電端口電機。該電機可分解為三臺電機：繞線轉子感應電機、永磁同步發(fā)電機和永磁同步電動機。前兩者配合進行功率傳遞和能量分配，后者用于調(diào)節(jié)輸出轉矩，實現(xiàn)兩個機械端口的轉矩、轉速解耦。但無刷雙饋型雙機電端口電機需額外配備饋電系統(tǒng)，導致加工制造復雜，系統(tǒng)體積重量顯著增加。

2011年，華南理工大學黃向東教授團隊在文獻[26]中提出利用旋轉變壓器的一次和二次感應線圈替代電刷集電環(huán)，實現(xiàn)無刷化的方案。但該無刷雙機電端口電機中旋轉變壓器受供電頻率限制，系統(tǒng)效率較低、實用性有限。同時，內(nèi)轉子仍放置有感應線圈，存在散熱困難、動平衡易破壞等問題。

2.2.3 基于磁場調(diào)制原理拓撲

2011年，英國謝菲爾德大學K. Atallah教授團隊在磁場調(diào)制型磁齒輪[27]的基礎上提出了基于磁齒輪的雙機械端口電機[28]，如圖7所示。該電機具有三個轉子，最外側靠近定子的是控制轉子，與定子構成常規(guī)單機械單電端口電機，另外的調(diào)制環(huán)轉子和永磁內(nèi)轉子作為兩個機械端口，用于功率傳遞。由于空轉的永磁控制轉子可以自由變化，因此兩個機械端口的轉速可以解耦調(diào)節(jié)。然而，三轉子結構過于復雜，不利于加工制造，有必要進一步簡化[29]。

圖7 基于磁齒輪的雙機械端口電機

哈爾濱工業(yè)大學鄭萍教授團隊發(fā)現(xiàn)省去空轉的控制轉子，也能實現(xiàn)調(diào)制環(huán)轉子和永磁轉子的轉速解耦，因此在文獻[30]中提出磁場調(diào)制型雙機械端口電機，如圖8所示。該電機用定子替換了磁場調(diào)制型磁齒輪的一個永磁轉子，具有單定子、雙轉子結構。通過特定的極槽配合設計，使磁場調(diào)制型雙機械端口電機的定子電樞磁場轉速和極對數(shù)與被替換的永磁轉子產(chǎn)生的旋轉磁場轉速和極對數(shù)相等，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的功率和轉矩傳輸[31-34]。該團隊實驗驗證了該電機可以實現(xiàn)功率傳遞與分配的功能，且具有功率密度高、轉矩波動小的優(yōu)點[35]。文獻[36]提出互補結構磁場調(diào)制型雙機械端口電機，將調(diào)制環(huán)轉子和永磁內(nèi)轉子均分為三段斜極，從而降低齒槽轉矩和轉矩脈動[37]。文獻[38]提出內(nèi)轉子為“V”型內(nèi)置式永磁體的磁場調(diào)制型雙機械端口電機，效率可達94%以上。

圖8 磁場調(diào)制型雙機械端口電機

然而，上述基于磁場調(diào)制原理的無刷雙機械端口電機，由于僅有一套電樞繞組控制，僅能實現(xiàn)轉速解耦，無法實現(xiàn)轉矩解耦。為了實現(xiàn)兩機械端口轉矩和轉速均解耦，哈爾濱工業(yè)大學鄭萍教授在其團隊提出的磁場調(diào)制型雙機械端口電機的基礎上，將其與一臺常規(guī)永磁同步電機連接，形成復合結構，并將該結構命名為磁場調(diào)制型無刷復合結構永磁同步電機，如圖9所示。從整體上看，該復合結構電機具有兩個機械端口和兩個電端口，其中，磁場調(diào)制型雙機械端口電機用于實現(xiàn)兩個轉子轉速的解耦，常規(guī)永磁同步電機用于實現(xiàn)兩個轉子轉矩的解耦[39]。文獻[40]提出五盤的軸向磁通磁場調(diào)制雙機電端口電機拓撲。

香港大學K. T. Chau教授團隊在文獻[41]中將常規(guī)永磁同步電機嵌入基于磁齒輪的雙機械端口電機中，形成基于磁齒輪的無刷雙機電端口電機，如圖10所示。該電機具有兩個定子和三個轉子，共四層氣隙。從電機構造的角度看，基于磁齒輪的無刷雙機電端口電機可以分解為兩臺永磁同步電機和一個磁場調(diào)制型磁齒輪，其中磁場調(diào)制型磁齒輪由電機1轉子的外側永磁體、調(diào)制環(huán)和電機2轉子的內(nèi)側永磁體組成。該電機功率密度極高，但過于復雜的結構大大降低了該拓撲的實用性[42]。

圖9 磁場調(diào)制型無刷復合結構永磁同步電機

圖10 基于磁齒輪的無刷雙機電端口電機[41]

香港理工大學牛雙霞教授團隊在文獻[43]中將同軸連接的常規(guī)永磁同步電機嵌入磁場調(diào)制型雙機械端口電機中，形成雙定子、雙轉子結構，雙定子磁場調(diào)制無刷雙機電端口電機如圖11所示。增加的內(nèi)定子與內(nèi)轉子構成常規(guī)永磁同步電機，用于調(diào)節(jié)輸出轉矩。但該電機拓撲仍有三層氣隙，電磁耦合復雜，制造加工較困難。為了進一步減少氣隙層數(shù)，該團隊在雙定子拓撲的基礎上提出一種雙調(diào)制拓撲[44]，如圖12a所示。雙調(diào)制型雙機電端口電機具有一個定子和兩個轉子，定子槽內(nèi)放置兩套繞組，內(nèi)、外轉子均為交替極結構永磁轉子，相鄰永磁體極性相同。由于內(nèi)、外轉子上的導磁塊被當作調(diào)制環(huán)，分別與外、內(nèi)轉子上的永磁體發(fā)生磁場調(diào)制作用，因此被稱為“雙調(diào)制”拓撲。從拓撲構造的角度看，定子繞組1與內(nèi)、外轉子構成雙機械單電端口電機，用于功率的傳輸與分配和兩個機械端口轉速的解耦控制，定子繞組2與外轉子構成常規(guī)永磁電機，用于轉矩的解耦控制[44-46]。

圖11 雙定子磁場調(diào)制無刷雙機電端口電機[43]

圖12 基于磁場調(diào)制原理的無刷雙機電端口電機

華中科技大學曲榮海教授團隊在文獻[47]中提出基于磁場調(diào)制原理的無刷雙機電端口電機，如圖12b所示，但單機械單電端口電機由定子和內(nèi)轉子組成，等效氣隙很大，導致氣隙磁密較小、轉矩密度較小。為了提高轉矩密度，文獻[48]提出了一種外轉子插入切向勵磁永磁體的磁場調(diào)制型無刷雙機電端口電機，如圖12c所示，其中組成單機械單電端口電機的轉子由內(nèi)轉子變?yōu)橥廪D子，大幅減小了等效氣隙長度，提升氣隙磁通密度和轉矩密度。同時，定子采用分裂齒結構，將定子中的兩套繞組進行物理隔離，并解耦了不同繞組的槽數(shù)，使兩套繞組均可采用分數(shù)槽集中繞組結構，從而縮短電機端部。后續(xù)在文獻[49]中研究了電機槽極配合以及繞組耦合的問題，文獻[50]中提出了內(nèi)轉子為磁阻式的結構，如圖12d所示，再一次豐富了雙機電端口電機的拓撲形式。

無刷雙機電端口電機省去了電刷集電，提高了電機的可靠性?；诓煌ぷ髟淼碾姍C均可以通過一臺或兩臺電機級聯(lián)的方式實現(xiàn)多端口間能量傳遞與分配和兩個機械端口轉矩、轉速解耦。但不同原理的電機也存在一些問題，體現(xiàn)在：

（1）基于爪極結構的無刷拓撲，電機結構較為復雜，加工制造困難，轉矩波動極大。

（2）基于電磁感應原理的無刷拓撲，需要額外的饋電裝置，導致結構復雜、加工制造困難，且仍然存在繞線式內(nèi)轉子，無法解決散熱困難、動平衡易破壞的問題。

（3）基于磁場調(diào)制原理的無刷拓撲，氣隙磁場諧波豐富，功率因數(shù)較低。

3 雙機電端口電機控制策略

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

3.1 解耦控制

由于雙機電端口電機可以視為雙機械單電端口電機和單機械單電端口電機的集成，因此可以根據(jù)需要實現(xiàn)的功能、運行工況和負載特性，通過解耦分別控制兩個等效電機。

瑞典皇家理工大學C. Sadarangani教授團隊[8]、俄亥俄州立大學Xu Longya教授團隊[51]和荷蘭代爾夫特理工大學M. J. Hoeijmakers教授團隊[16]在提出有刷雙機電端口電機的拓撲結構與設計方法之后，又相繼對各種類型的電機進行了驅(qū)動仿真與模擬道路工況控制。文獻[52]對外轉子感應型有刷雙機電端口電機進行了建模與控制，如果在整個控制過程中均利用觀測器實時估算外轉子的磁鏈，則算法較為復雜，因此，該團隊提出了一種雙電流環(huán)控制算法來直接控制電機的轉矩和氣隙磁通。

西安交通大學王曙鴻教授團隊在文獻[53]中對外轉子磁阻式有刷雙機電端口電機中的磁路問題進行了探討。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，并在文獻[54]中建立了雙凸極電機的dq模型，如圖13所示，以進行解耦控制的研究。由此給出了外轉子磁阻式有刷雙機電端口電機內(nèi)、外轉子解耦的轉矩控制策略。

圖13 雙凸極雙轉子電機解耦控制[54]

文獻[55]對無刷雙饋型雙機電端口電機的兩個機械端口解耦控制進行了跟蹤性的研究，該電機存在兩種基波磁場的控制與無刷雙饋電機類似，因此可以借助已有的無刷雙饋電機控制方法進行無刷雙饋型雙機電端口電機的解耦控制，實現(xiàn)內(nèi)燃機最優(yōu)效率控制，其控制框圖如圖14所示。

圖14 無刷雙饋型雙機電端口電機的控制框圖[55]

3.2 能量管理

哈爾濱工業(yè)大學崔淑梅教授團隊從控制的角度對外轉子感應型有刷雙機電端口電機在混合動力汽車上的應用做了進一步的研究。文獻[56]利用汽車領域常用的能量宏觀表達法對采用外轉子感應型有刷雙機電端口電機的混動汽車進行了建模，并討論了其道路運行模式與能量管理策略。文獻[57]將外轉子感應型有刷雙機電端口電機系統(tǒng)與豐田Prius的2代產(chǎn)品比較，提出了系統(tǒng)的設計、建模和控制的基本方法，并進行了控制算法的對比。文獻[58]進一步研究了外轉子感應型有刷雙機電端口電機系統(tǒng)應用于混合動力汽車無級變速器上的能量管理策略，采用動態(tài)規(guī)劃的方法實現(xiàn)內(nèi)燃機的最優(yōu)工作點選取。

在磁場調(diào)制型無刷雙機械端口電機提出后，哈爾濱工業(yè)大學鄭萍教授團隊在文獻[59]中分析了該類電機端口轉矩、轉速等變量之間的關系和具體的控制策略，通過仿真進行模擬混動汽車的能量管理策略研究[60]。文獻[61]提出一種基于模糊邏輯控制的能量管理策略。磁場調(diào)制型無刷雙機械端口電機的能量管理如圖15所示。該策略主要針對包括發(fā)動機側的系統(tǒng)能量分配控制。

圖15 磁場調(diào)制型無刷雙機械端口電機的能量管理[61]

隨著電端口的進一步集成，無刷雙機電端口電機在控制系統(tǒng)上也實現(xiàn)了一體化。香港理工大學牛雙霞教授團隊在文獻[62]中討論了雙調(diào)制無刷雙機電端口電機在同一個程序框架下驅(qū)動系統(tǒng)的控制策略，由于兩個電端口和兩個同心機械端口的存在，需要四個端口協(xié)同作用來實現(xiàn)混合動力汽車的變速功能和能量分配。華中科技大學曲榮海教授團隊對基于無刷雙機電端口電機的混動系統(tǒng)進行了能量管理的研究，文獻[63]中提出了電機和內(nèi)燃機協(xié)調(diào)工作方案，并研究了多種工況下能量流情況。

無刷雙機電端口電機系統(tǒng)另一類重要的應用則是在風力發(fā)電系統(tǒng)中?；谇捌谙嚓P方面的研究[64-65]，雙定子無刷雙饋感應電機的建模和不同工況下的控制目前已逐漸成熟。雖然無刷雙饋電機中只有一個機械端口，但將功率繞組和控制繞組在控制上相組合可以實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電的效果，本質(zhì)上是利用多電端口實現(xiàn)功率分流。受到雙饋電機控制原理的啟發(fā)，雙機電端口電機采用類似的控制策略也能實現(xiàn)相應的變速恒頻功能。文獻[66-67]研究了基于雙機電端口電機的雙潮流風能轉換系統(tǒng)控制問題，將該電機看作是兩個永磁同步電機進行控制，同時結合最優(yōu)速比的最大功率點跟蹤控制策略，提出一種雙模式功率控制策略，如圖16所示。文獻[68]針對這種電機繞線轉子和永磁轉子同時旋轉時磁場位置難以檢測的問題，在內(nèi)轉子控制時提出了基于模型參考自適應方法的無傳感器控制，以實現(xiàn)轉子位置辨識。

圖16 風力發(fā)電用雙機電端口電機控制系統(tǒng)[67]

香港理工大學牛雙霞教授團隊對基于無刷雙機電端口電機的發(fā)電系統(tǒng)也進行了控制策略的研究。文獻[69]提出一種用于變速恒頻風力發(fā)電的無刷雙機電端口電機實現(xiàn)功率分流，并給出相應的動態(tài)分析與控制策略。該方法結合了直驅(qū)電機和雙饋發(fā)電機的優(yōu)點，但結構較為復雜不利于大規(guī)模應用。此后該團隊又提出一種新型的無刷對轉功率分流傳動系統(tǒng)[70]，如圖17所示。它將兩個機械端口與兩個風葉相連，以最大程度地吸收風能，通過控制兩組定子繞組實現(xiàn)兩個機械端口的轉矩控制。相比于傳統(tǒng)的風力發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用雙最優(yōu)速比的最大功率點跟蹤控制方法，以達到在給定風速條件下收集到更多風能的效果。

圖17 雙功率流風力發(fā)電控制系統(tǒng)[70]

3.3 動態(tài)及穩(wěn)態(tài)優(yōu)化

比利時根特大學的J. Melkebeek教授團隊在有刷雙機電端口電機控制系統(tǒng)上做了大量研究。文獻[71]對外轉子感應型有刷雙機電端口電機進行了建模與磁場定向控制的研究，同時將預測電流控制器引入控制算法中，實現(xiàn)了對電流的高帶寬控制，達到快速產(chǎn)生響應轉矩的目的。然而，由于異步籠型電機內(nèi)部感應磁場比較復雜，電機參數(shù)繁多且不易測量，實際應用受到限制。進一步地，文獻[72]將模型預測控制方法引入該電機中，對電機輸出轉矩進行了預測控制，如圖18所示。文獻[73]對該電機的損耗與效率進行了測試與分析，并將其與傳統(tǒng)的機械式無級變速器效率做了對比。采用電勵磁的結構將給整個系統(tǒng)引入額外的電刷與集電環(huán)，持續(xù)的電勵磁將帶來大量的熱損耗，系統(tǒng)效率相比于永磁勵磁型的電機較低。

圖18 預測電流控制系統(tǒng)[72]

磁場調(diào)制型無刷雙機電端口電機的兩個機械端口相互存在磁連接，即通過磁齒輪連接了兩個轉子。電機在其中一個機械端口產(chǎn)生電磁轉矩并借助磁齒輪效應放大，在另一個轉子上輸出。但由于兩個轉子之間的磁場連接是一種柔性的連接，因此存在輸出轉子響應速度慢的問題。謝菲爾德大學K. Atallah教授首次針對這類問題在驅(qū)動方法上做了一些改進，文獻[74]建立了基于磁齒輪的無刷雙機電端口電機基本傳遞函數(shù)，如圖19所示。將電機轉矩傳遞等效為彈簧系統(tǒng)，并在此基礎上提出了狀態(tài)反饋的控制方法來增強轉矩傳遞的響應速度。進一步地，在文獻[75]中針對基于磁齒輪的無刷雙機電端口電機失步問題進行了控制策略的研究，在文獻[76]中提出基于觀測器的單位置傳感器方案。

4 雙機電端口電機發(fā)展趨勢

雙機電端口電機在混合動力汽車、混合動力船舶、風力發(fā)電等領域的應用中有著一定的發(fā)展前景。其主要發(fā)展趨勢如下。

1）高速化

現(xiàn)有文獻中實驗樣機的轉速較低，與混合動力汽車、船舶實際運行轉速相差3～10倍，有必要進一步提升雙機電端口電機的轉速。然而，雙機電端口電機高速化后面臨較多問題，例如有刷雙機電端口電機內(nèi)轉子高速后電刷集電環(huán)可靠性更低，散熱更困難；無刷雙機電端口電機的極對數(shù)較高、磁場諧波豐富，轉速提高后，電頻率增大，鐵耗和交流銅耗大幅提升，同時控制難度提升。因此，需要結合永磁材料和鐵磁材料等技術的最新發(fā)展，探索合適的雙機電端口電機結構，降低高速后電機的鐵耗和交流銅耗，提高雙機電端口電機實用性。在發(fā)熱和冷卻方面，采用多物理場聯(lián)合仿真計算的方法，建立各部分溫升快速有效的分析和預測方法，指導冷卻系統(tǒng)的進一步改進。

2）提高功率因數(shù)和轉矩密度

雙機電端口電機是一種新型多功能一體化純電氣系統(tǒng)，與“多電機+機械部件”的組合相比，轉矩和功率輸出能力較弱，功率因數(shù)較低，在實際應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，實用性降低。尤其是無刷雙機電端口電機的轉矩密度仍低于有刷拓撲，因此，需要設計結構新穎的無刷雙機電端口電機拓撲，進一步提升電機的轉矩密度或功率密度、增大功率因數(shù)。

3）提升控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和容錯能力

雙機電端口電機由兩種電機復合而成，包含至少兩個轉子、兩套繞組和兩個氣隙，導致電機內(nèi)部電磁耦合嚴重，電機參數(shù)變化復雜。而雙機電端口電機本體正朝著高集成方向發(fā)展，內(nèi)部電磁耦合更加嚴重，因此，需要改進驅(qū)動電路和控制算法，從控制側實現(xiàn)雙機械單電端口電機與單機械單電端口電機的解耦，提升系統(tǒng)動態(tài)響應。同時，在風力發(fā)電、混合動力系統(tǒng)的應用中，對雙機電端口電機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方法、繞組開路下電流控制方法等控制策略，使系統(tǒng)具備較強的容錯能力。

5 結論

雙機電端口電機將用于功率傳輸與轉速解耦的雙機械單電端口電機和用于轉矩解耦的常規(guī)單機械單電端口電機有機結合，實現(xiàn)了多功能一體化，具有緊湊性高、集成度好、純電氣傳動的優(yōu)勢，在新能源發(fā)電、混合動力汽車與艦船等領域具有較強的應用潛力。本文依據(jù)結構特征將現(xiàn)有的雙機電端口電機分為有刷和無刷兩類，并對現(xiàn)有研究成果進行分析與歸納，總結如下觀點：

1）有刷雙機電端口電機具有工作原理簡單、結構緊湊、功率密度高等優(yōu)點，拓撲的主要區(qū)別是外轉子結構，而需要解決的共性技術難題主要來源于繞線式內(nèi)轉子結構：電刷集電環(huán)帶來可靠性問題，內(nèi)轉子發(fā)熱較嚴重、散熱困難，旋轉繞組動平衡難以保證。

2）無刷雙機電端口電機去掉了電刷集電環(huán)、提高了電機的可靠性，是雙機電端口電機的發(fā)展趨勢。但存在結構復雜、電磁耦合嚴重、氣隙磁場諧波豐富、轉矩密度和功率因數(shù)還需進一步提升等問題。

3）雙機電端口電機控制方面的研究主要集中在混合動力汽車能量分流系統(tǒng)和風力發(fā)電能量調(diào)配系統(tǒng)等領域，控制系統(tǒng)運行性能和品質(zhì)提升方面的研究較少。

4）進一步提升雙機電端口樣機轉速，解決損耗、冷卻散熱方面的問題，有助于該類電機在混合動力汽車與艦船中的推廣應用。

5）與機械方案相比，純電氣的雙機電端口電機轉矩密度和功率因數(shù)偏低，導致系統(tǒng)體積、重量較大，因此，研究提升轉矩密度和功率因數(shù)的新拓撲是雙機電端口電機的一個重要研究方向。

6）雙機電端口電機是一類復合結構電機，電磁耦合復雜、功能和應用需求較特殊，在一些特定背景下，有很好的應用前景。控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和容錯能力的進一步提升將有助于拓寬該類電機的應用范圍。

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Overview of Dual-Electrical-Port Dual-Mechanical-Port Machine System and Their Development

Liang Ziyi Qu Ronghai Chen Zhi Ren Xiang Li Dawei

（School of Electrical and Electronic Engineering Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China）

The dual-electrical-port dual-mechanical-port (DEP-DMP) machine is a new type of multi-functional integrated machine, which contains at least two rotors and two sets of windings. DEP-DMP machine is used to realize power transmission and distribution between multiple mechanical-ports and electrical-ports, and decouple control of torques and speeds of two mechanical-ports. It has the advantages of high compactness, high integration and multi-port cooperative operation, and has good application potential in the fields of wind power generation, new energy vehicles, and hybrid ships. This paper firstly introduces the structure and operation principle of the DEP-DMP machine, and briefly analyzes the way to achieve multi-function. The research and innovation of the brushed and brushless DEP-DMP machines on the topology structure are classified, and the advantages and disadvantages of each are summarized. Then, the DEP-DMP machine control methods are introduced from the three aspects of decoupling control, capacity management and dynamic and steady-state optimization. Finally, the research direction and development trend of the DEP-DMP machines are prospected.

Dual-electrical-portdual-mechanical-port (DEP-DMP) machine, multi-function, decoupling control, high integration, development trend

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221288

TM351

國家自然科學基金（52122705，51991382）和博士后創(chuàng)新人才支持計劃（BX20220120）資助項目。

2022-07-01

2022-08-07

梁子漪 女，1995年生，博士，研究方向為磁場調(diào)制電機。E-mail：ziyiliang@hust.edu.cn

曲榮海 男，1969年生，教授，博士生導師，研究方向為電機設計、驅(qū)動與控制。E-mail：ronghaiqu@hsut.edu.cn（通信作者）

（編輯 赫蕾）