双转子电机实验台设计与教学功能开发

周斯加 夏景演 龙江启 叶宁波

温州大学 浙江温州 325035

双转子电机实验台设计与教学功能开发

周斯加 夏景演 龙江启 叶宁波

温州大学 浙江温州 325035

针对一种新型的车用双转子电机，主要对其进行了实验测试平台的原理设计、功能开发。在对双转子电机应用于电动汽车中相关运行特征和性能进行分析的基础上，将该实验台进行教学功能方面的应用，相应地设计了负载突变和左右轮差速两种模拟实验，使学员可以对比了解到电驱动桥系统工作原理。

双转子电机；实验台；教学示例

2010年，我国汽车保有量突破9 000万辆，已成为名副其实的汽车消费大国。但是随着世界化石能源的日渐枯竭，我们将面临着前所未有的严峻挑战。同时，伴随着人们环保意识的逐渐增强，开发节能环保的电动汽车，已成为我国现阶段汽车工业发展的一个重大趋势。目前，集驱动、差速、能量回收、自减速功能于一体的对转双转子电机驱动系统成为新的研究热点[1]。与此同时，设计开发一套操作简便、功能集成度高，针对双转子电机驱动桥的实验平台显得尤为重要。

1 双转子电机驱动系统及其演示功能开发

1.1 双转子电机驱动原理

对转双转子电机是利用作用力与反作用力的原理，将传统电机的定子也作为转子(外转子)使用，并与原有的电机转子(内转子)作反向运动。该电机直接安装在驱动桥上，代替常规机械驱动桥的传动轴、主减速器和差速器等构件，在电机的左右两侧分别增设了用于换向减速和减速的机构，将动力经万向节传动机构传至车轮。基于双转子电机的电动汽车驱动系统集驱动、差速、制动能量再生为一体，比建立在传统汽车之上的电动汽车具有更高的效率，更轻的重量，结构更加紧凑，成本更低[1-5]。因此，双转子电机在未来的电动汽车中的使用前景十分广泛。

1.2 实验台设计的总体功能要求

(1)双转子电机的性能测试。运用该实验台可以对双转子电机在负载阻力矩突变以及转弯差速时的性能进行测试。

(2)双转子电机的优化设计。运用该实验台可进一步挖掘双转子电机的功能潜力，为改型优化提供必要实验参数。

(3)教学演示功能。此实验台可以真实地反映双转子电机在电动汽车中的应用原理及相对于传统电动汽车的优势，便于进行现场教学操作。

2 实验台的设计

2.1 双转子电机的选择

实验台所选用的双转子电机是经传统电机特殊改造而成的对转双转子直流电机(见表1)，该种电机具有结构紧凑、易于控制、制造成本低并且布置方式灵活等优点[2]。

表1 电机的主要参数

2.2 实验台架的设计

如图1所示，实验台以双转子电机运行特性为出发点，在双转子电机的左右两个输出轴上分别有换向减速器和减速器。左侧连接负载电机1及其电机输出轴上的飞轮。右侧连接负载电机2及其电机输出轴上的飞轮。实验台用重达6吨的铸铁平台作为基础，以此固定负载电机，减少其在工作中的NVH危害。其中支架的尺寸为4 000mm×1 200mm×300mm。实验台主要组成部分有：

(1)电驱动桥系统主要由双转子电机、减速(换向)机构组成。其中双转子电机的左侧为换向减速行星排机构，右侧为减速行星排机构。行星排机构根据电机的输出轴大小自行设计。

(2)负载电机部分主要由图示的电机1与电机2及飞轮组成。电机1和电机2为额定功率10kw、额定转速3 000r/min的三相异步电动机。所安装飞轮的转动惯量取决于被模拟电动汽车的整车转动惯量等效而来，以便在实验中能更好地逼近电动汽车的运行状态。

图1 双转子电机实验平台示意图

2.3 实验台的控制系统

实验台以双转子电机作为驱动器，运用控制系统，通过电机控制器，可以对双转子电机进行调速、制动等操作，实现双转子电机的各种功能。其中双转子电机的动力由动力电池组提供，该动力电池组选用聚合物锂离子电池。锂离子电池具有高比能量、高比功率和大电流放电的优势[3]，可以满足电机的各种驱动需求。电机控制器为直流机控制器，控制系统通过硬件以环方式进行控制。

控制系统可以瞬间改变负载电机1和负载电机2的转速转矩，用以模拟出电动汽车行驶中的加速、差速及制动等工况，满足实验台测试双转子电机性能的目的。负载电机的动力由380V的三相交流电提供。左右的转矩转速传感器又将双转子电机内外转子的转速、转矩反馈回控制系统，控制参数可以实时显示并保存以便对双转子电机的驱动特性进行研究及对相关理论进行验证。

此实验台的控制系统及数据反馈系统集于同一控制中心，实验者操作起来十分便捷(如图2所示)。

图2

3 教学功能的开发

实验台的设计在满足双转子电机性能测试与功能开发的同时，也可以充分发挥实验台良好的示教特点，满足教学功能的要求。

3.1 电驱动桥系统演示功能开发

通过实验台，学员可以详细地了解到基于双转子电机所建立的电动汽车电驱动桥系统的构造及运行特点。电驱动桥中，双转子电机及其左右减速(换向)器代替了传统汽车的机械驱动桥的发动机、减速器、差速器等构件。通过讲解，学员可以在了解电驱动桥的同时对传统机械驱动桥的结构有更深的理解。让学员直观地感受新的电驱动桥在结构、质量等方面的优势。

同时，通过系统对电机控制器的控制，让动力电池组提供能量给双转子电机，双转子电机进行运转，驱动整个实验装置，可以将双转子电机所建立的电驱动桥系统的驱动控制过程清晰地展现在学员面前。

3.2 差速原理演示实验设计

由于新建立的电驱动桥中没有差速器，双转子电机必须具备差速器的功能。在此实验中，还需要给学员讲解双转子电机的差速原理。

双转子电机的差速原理：在传统直流电机中，电机定子磁极对机壳是固定的，而双转子电机的磁极可以随新增的外转子相对于机壳旋转。根据运动学原理，设双转子电机内外转子转速分别为nin和nout，外转子固定时内转子的机械转速为n。该电机构建了两个原动组件，因此是具有二自由度的机械系统。在正常驱动情况下，电机的转速特征为n=nin+nout。转速n可以理解为外转子以运动的内转子为参照系的机械转速。因此，对双转子电机的控制实质上是对相对转速的控制[2]。

根据双转子电机运行的特点，实验台主要设计了双转子电机在外力矩突变和差速驱动等工况进行实验。外力矩突变实验主要观察双转子电机驱动在遇到路面不同路况时可能发生的两侧驱动轮承受的负载转矩突然不平衡的情况。差速实验实际上是模拟双转子电机驱动桥在转向时两侧转速不同的情况。

(1)外力矩突变实验。通过控制驱动和负载系统，启动双转子电机以其额定功率进行运转，同时调节负载电机，使两个负载阻力矩均为10N•m，令整个系统达到平衡状态。待系统稳定5s后，突然将左(右)侧负载阻力矩改为7N•m，右(左)侧维持原状，持续试验10s后将7N•m恢复为10N•m，观察双转子电机的驱动情况。

(2)差速驱动实验。控制系统达到平衡状态，其中负载阻力矩均为10N•m。系统稳定5s后，同时对两侧负载进行调整，增大左(右)侧的负载阻力矩为13N•m减少右(左)侧的负载阻力矩为7N•m，持续2s后再进行反向操作，减少左(右)侧的负载阻力矩为7N•m，增加右(左)侧的负载阻力矩到13N•m，再持续2s后将左右侧负载阻力矩恢复为10N•m，观察双转子电机的驱动特性。

3.3 制动能量回馈过程的演示

通过此实验台，还可以让学员了解到电驱动桥系统在制动时的能量反馈过程。当实验台模拟电动汽车的制动情况时，控制系统会向双转子电机发出负力矩的给定信号，使其处于反拖发电状态，通过动力传送向电池组回馈电能[5]，学员可以通过控制系统的显示器直观地看到该过程，并依靠蓄电池的电量显示器观察其电量的变化情况。

针对目前流行的双转子电驱动系统开发一套可以用于科研及教学的实验台系统。实验台不仅能有效地对双转子电机驱动系统开展一系列的探讨性实验和改型研究，还开发了相关的教学示例实验供学员观摩学习，服务教学工作。

[1] 周斯加,罗玉涛,黄向东.双转子电机混合动力汽车驱动特性研究[J].中国机械工程,2008,19(16):2011-2015.

[2] 邓志君,罗玉涛,周斯加,等.新型车用对转双转子电机的研究[J].电气传动,2007,37(7):10-13.

[3] 梁春辉,冀群心.混合动力汽车及其蓄电池[J].电源世界,2006,2:33-35.

[4] 罗玉涛,周斯加,邓志君.基于双转子电动机的混合四轮驱动系统[J].机械工程学报,2007,43(8):123-128.

[5] 罗玉涛,黄向东,周斯加.一种油—电混合动力汽车的多桥驱动系统:CN20061003386.5[P].2006-02.27.

[6] 张萌先.基于双转子电机的HIL试验平台[J].机电工程技术,2010,39(8):85-88.

Design of test bench and development of teaching function for ADBRM

Zhou Sijia, Xia Jingyuan, Long Jiangqi, Ye Ningbo

Wenzhou university, Wenzhou, 325035, China

Aiming at a new kind of anti-direction bi-rotor motor (ADBRM) used in EV, a test bed and its functional development were carried out. On the basis of the analysis of the operational characteristics of the ADBRM, two teaching experiments namely load jumping and speed differential were designed. Both of the experiments would bring a better understand of the working principle of the ADBRM to the students.

anti-direction bi-rotor motor; test bed; teaching example

2011-09-18

周斯加，博士，讲师。夏景演，在读本科生。

温州市科技计划项目(编号：G20100162)；温州大学教学改革项目(编号：11JG58B)；浙江省新苗人才计划(编号：2010R424037)。