用于混合动力车的复合结构永磁电机电磁优化设计
为改善混合动力车的行驶平稳性，输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）、哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的研究人员徐奇伟、孙静、杨云、陶特毅、崔淑梅，在2020年《电工技术学报》增刊1上撰文，对混合动力车用复合结构永磁电机的电磁结构进行优化设计，以减小由于磁路参数的非线性变化引起的电机转矩脉动。
当前，面对全球能源危机与环境污染问题，以纯电动汽车和混合动力车（Hybrid Electric Vehicle, HEV）为代表的新能源汽车正在蓬勃发展。受制于能量存储媒介、续航里程及辅助配套充电设施不完备等问题，当前纯电动汽车仍无法大规模普及。而混合动力车技术相对成熟，动力性和续航能力强，燃油经济性高，且对外界设施的改进需求较少，已成为当下的研究热点之一。
复合结构永磁（Compound-Structure Permanent- Magnet, CSPM）电机作为双转子结构的机电能量转换装置，可实现混合动力车内不同的能量流向，传递转矩以驱动车辆前进。但由于内、外电机共用外转子结构使得两台电机间的磁场耦合严重，影响电机工作的平稳性。
为解决磁场耦合问题，各国学者主要研究包括：
①研究复合结构永磁同步电机的工作原理，基于有限元方法计算电机的电感参数，并依据所得电感参数的变化规律进一步分析电磁场耦合特性，改善系统控制精度；
②利用磁路数学模型与有限元仿真研究复合励磁源下的电磁耦合规律，分析电机结构参数对耦合程度的影响，优化设计电磁结构。从永磁体和外转子磁轭厚度匹配、定子绕组电枢反应、材料利用率等方面设计不同的电磁结构方案并进行对比；
③研究复合结构永磁同步电机的多种拓扑方案，对比分析各种方案下电机的工作性能，以满足混合动力系统中的不同需求；
④利用磁网络法，基于Matlab编程平台建立复合结构永磁同步电机的磁网络计算模型及求解参量。探索电机结构参数对电磁场耦合程度的影响规律，优选电机结构参数。
为满足混合动力车平稳运行的需求，输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）、哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的研究人员，对混合动力车用复合结构永磁电机的电磁结构进行优化设计，以减小电机转矩脉动。
图1 基于复合结构永磁电机的混合动力车系统结构
图2 基于复合结构永磁电机的混合动力车能量流动示意图
首先，介绍基于复合结构永磁电机的混合动力车的结构及其典型的工作模式，分析可知复杂的能量流导致磁场易饱和。然后建立复合结构永磁电机的状态方程，以研究该电机的转矩特性；采用二维有限元法对复合结构永磁电机的电磁参数展开分析和优化，得出不同结构尺寸对转矩特性的影响，并合理选择电磁参数，减小转矩脉动。最后依据所选参数建立复合结构永磁电机模型，对比优化前后电机的电磁性能，证明电磁优化设计的合理性，并指出需继续研究的方向，为优化设计复合结构永磁电机的电磁结构以提高电机的动态性能，促进该电机在混合动力车及其他领域中的进一步应用提供理论借鉴。