双机电端口电机系统综述与发展展望

梁子漪 曲荣海 陈 智 任 翔 李大伟

双机电端口电机系统综述与发展展望

梁子漪 曲荣海 陈 智 任 翔 李大伟

（华中科技大学电气与电子工程学院 武汉 430074）

双机电端口电机是一类多功能一体化的新型电机，含有至少两个转子和两套绕组，用于实现多个机械端口与电端口间功率传输及分配，和两个机械端口转矩与转速的解耦控制，具有紧凑性好、集成度高和多端口协同运行的优势，在风力发电、新能源汽车、混合动力船舶等领域具有较好的应用潜力。该文首先介绍双机电端口电机的基本结构与工作原理，简要分析其实现多功能的方式；接着按照结构特征和工作原理，分类梳理了有刷和无刷双机电端口电机在拓扑结构上的研究和创新，总结了各自的优缺点；然后从解耦控制、能力管理和动态及稳态优化三个方面介绍了双机电端口电机控制方法；最后对双机电端口电机的研究方向和发展趋势进行了展望。

双机电端口电机 多功能 解耦控制 集成度高 发展趋势

0 引言

近年来，随着新能源发电、新能源汽车、混合动力船舶等新兴领域的发展，通过多个机械与电气端口协同运行，以实现丰富功能的驱动电机系统，成为新的研究方向。例如，混合动力汽车中，驱动系统不仅需要完成发动机、蓄电池与车轮之间的机电能量转换，还需要协调三者的能量分配，以保证发动机始终运行于最优效率区，同时系统输出合适的转矩和转速，使车辆在不同路况和行驶状态下稳定运行[1]。现在，工业界普遍采用“多个电机+机械部件”的组合来构成多机电端口系统[2]，以实现机电能量转换和多运动状态解耦。然而，这类组合存在部件较多、体积大、质量大、可靠性低、维护频繁等问题[3-4]。

为了解决以上问题，研究人员提出了双机电端口电机（Dual Electrical Port-Dual Mechanical Port, DEP-DMP），用一台电机替代“多个电机+机械部件”的组合，具有紧凑性好、集成度高、多端口协同输出的优势，得到日益广泛的关注[5]。双机电端口电机可以等效为一个功率传输电机与一个转矩调节电机的复合，在功能上能实现多个端口间的功率传输与分配，和两个机械端口转矩、转速的解耦控制。本文首先介绍了双机电端口电机的端口特性、拓扑特点和工作原理；然后回顾了有刷和无刷双机电端口电机的发展历程，分析了各个拓扑结构的优缺点，介绍了不同双机电端口电机的控制策略和能量管理方法；最后对双机电端口电机的发展进行了展望。

1 双机电端口电机原理

1.1 双机电端口电机简介

双机电端口电机示意图如图1 所示，其中电端口为允许电功率输入或输出的绕组结构，和分别表示绕组的电压和电流，机械端口为允许机械功率双向流动，且含有一个运动自由度（即转矩和转速可独立控制）的转子轴，和分别表示转子的转矩和转速[6]。从端口特性看，这类电机具有两个机械端口，且均能进行机械能量的输入和输出。同时，为了使两个机械端口的转矩和转速解耦，需要配备两个能产生不同极对数、转速磁场的电端口对两个机械端口进行控制与调节。因此，双机电端口电机包含两个机械端口和两个电端口。

图1 双机电端口电机示意图

需要说明的是，本文所述双机电端口电机的电端口要求有电功率的传输，且每套绕组能独立控制。因此，直流电机、电励磁同步电机、感应电机等具有两套绕组，但其中一套为励磁绕组，用于建立气隙磁场，而没有电功率输入或输出的电机均视为单电端口电机。此外，多相电机的多套绕组内通入的电流相同，产生电枢磁场的极对数和转速相等，未实现独立控制，也不看作独立的电端口。同时，机械端口要求有机械功率的传递。因此，为了提高电机转矩密度而提出的双转子电机和磁齿轮复合电机，在运行过程中一个转子轴空转，没有机械功率的输入或输出，实质上进行机械能量传递的机械端口仅有一个[7]，因此，二者均未被视为双机械端口电机。

1.2 双机电端口电机原理

根据电机功能，将用于功率传输与转速解耦的双机械单电端口电机和用于转矩调节的常规单机械单电端口电机有机结合，即得到多功能一体化的双机电端口电机。具体的工作原理及特征总结如下：

（1）双机械单电端口电机：其三个端口分别命名为机械端口1、机械端口2和电端口1。两个机械端口与外部负载相连，它们的转矩、转速等特性由外部负载决定；通过两个机械端口间气隙磁场的电磁耦合作用，将机械端口1的功率直接传递到机械端口2。电端口通入正弦交流电，提供两个机械端口的转差功率，维持三个端口间的能量平衡，从而使两个机械端口的转速解耦。但此时，两个机械端口的转矩保持恒定的比值，未解耦。

（2）单机械单电端口电机：其端口命名为机械端口1和电端口2。电端口一般位于静止的定子上，通入正弦交流电，产生与机械端口1磁场极对数和转速相同的电枢磁场，从而输出稳定的电磁转矩。

（3）机械端口1同时存在于两个电机中，会产生两个电磁转矩，因此，机械端口1输出的转矩为两个等效电机电磁转矩的代数和。

（4）机械端口2输出的转矩仅由双机械单电端口产生。控制单机械单电端口电机在机械端口1上产生的转矩，可以实现两个机械端口转矩的解耦。

2 双机电端口电机结构

2.1 有刷双机电端口电机

有刷双机电端口电机大多含有两个转子和一个定子。其中，双机械单电端口电机由内、外转子构成，内转子上放置一套三相绕组，内转子绕组经过电刷集电环与变频器连接；单机械单电端口电机由定子和外转子构成，定子上放置另一套三相绕组。有刷双机电端口电机的主要区别在于外转子结构，包括双/单层永磁体式、笼型导条感应型和磁阻式。

2.1.1 外转子双层永磁体式

2002年，瑞典皇家理工学院的C. Sadarangani教授团队在文献[8]中提出首台具有能量分配与无极变速功能的电机，并将其命名为四象限换能器（Four Quadrant Transducer, 4QT），如图2所示。四象限换能器的外转子内、外侧表面均嵌入永磁体，因此，本文根据其结构特征将其称为外转子双层永磁体有刷双机电端口电机。其中，外转子、外转子内层永磁体、内转子与内转子绕组构成双机械单电端口电机；定子、外转子外层永磁体与外转子构成单机械单电端口电机。

图2 外转子双层永磁体的有刷双机电端口电机

将四象限换能器应用于混合动力汽车中，内转子与发动机相连，外转子与车辆负载相连。此时双机械单电端口电机将发动机输出功率传递给车辆负载，并提供发动机与负载间转速差，以实现两个机械端口的转速解耦；单机械单电端口电机用于调节外转子输出转矩，提供当前运行工况下车辆负载所需转矩与发动机输出转矩之差，以实现两个机械端口的转矩解耦。该团队加工制造了一台30kW实验样机，证明了该电机组成的混合动力系统可以使发动机在车辆负载所需的所有转速和转矩下以最佳效率运行，但内转子绕组中存在较大环流，导致内转子发热严重[9]。随后，该团队对四象限换能器的损耗和冷却进行研究，建立了热传导模型，并提出了强迫风冷系统[10]和改进型水冷系统[11]。

2.1.2 外转子单层永磁体式

2005年，美国俄亥俄州立大学Xu Longya教授团队在文献[12]中提出外转子单层永磁体的有刷双机电端口电机，如图3所示。该拓扑仅外转子改变，外转子的双层永磁体合并为单层，且永磁体嵌入外转子铁心中。从电机功能上看，外转子单层永磁体的有刷双机电端口电机与双层拓扑的功能相同，均可以实现能量传递与分配和两个机械端口的转矩、转速解耦控制。

文献[13]根据端口特性将这类电机归纳总结为双机械端口（Dual Mechanical Port, DMP）电机，并给出了这类电机的通用结构：DMP电机包含三个部件，其中任意两个部件旋转作为机械端口，最后一个部件静止作为电气端口。为了进一步提高电机转矩密度，研究人员提出了切向励磁永磁外转子[14]和嵌入永磁体磁障外转子[15]有刷双机电端口拓扑。

2.1.3 外转子感应型

2004年，荷兰代尔夫特理工大学M. J. Hoeijmakers教授团队在文献[16]中提出外转子感应型有刷双机电端口电机，如图4所示，外转子上的永磁体被笼型导条替代，形成两台感应电机复合的结构。外转子感应型有刷双机电端口电机的功率传输和转矩调节均利用电磁感应原理实现。有限元计算和样机实验结果证明：该电机应用于城市公交中，可以有效提升汽车燃油利用效率，但笼型导条同时参与内、外转子的转矩调节和功率传递，导致电机损耗较大、电磁耦合严重[17]。

图4 外转子感应型有刷双机电端口电机

文献[18]提出分体式外转子感应型有刷双机电端口电机，以解决电磁耦合严重、转矩波动大的问题，研究结果表明分体式结构比一体式结构具有更高的功率密度、更低的转矩波动，但效率和功率密度仍明显低于使用永磁体的有刷双机电端口电机。文献[19]提出一种外转子混合励磁的感应式有刷双机电端口电机，外转子的外侧放置直流励磁绕组，内侧嵌入永磁体，扩大电机的调速范围，增加了定子绕组的电压调节功能。

2.1.4 外转子磁阻式

2008年，哈尔滨工业大学崔淑梅教授团队在文献[20]中提出外转子磁阻式有刷双机电端口电机，如图5所示。该电机的定子为开口槽结构，槽内放置定子绕组，外转子的两侧均有凸极齿，内转子结构不变。外转子磁阻式拓扑具有结构简单、成本低、恒功率运行范围宽等优点，但也存在转矩密度低、振动噪声大、转矩波动大等磁阻电机的固有缺点[21]。

为了进一步提高外转子磁阻式有刷双机电端口电机的转矩密度，文献[22]提出在定子和内转子铁轭上嵌入永磁体的拓扑，该拓扑也可视为两个双凸极永磁电机的复合，具有更高的转矩密度和较低的转矩波动。此外，磁阻外转子较厚的转子轭部起到较好的屏蔽作用，明显地削弱了电机的磁场耦合效应。文献[23]提出在定子和内转子齿部嵌入贯穿的永磁体的拓扑，该拓扑由两个磁通切换永磁电机背靠背复合而成，具有较好的转矩性能和较高的效率。

有刷双机电端口电机的研究已趋于成熟，其具有工作原理简单、结构紧凑、功率密度高等优点，现有的有刷双机电端口电机拓扑的主要区别在于外转子结构，而其研究瓶颈主要来源于绕线式内转子结构，具体包括：

（1）电刷集电环结构带来额外的摩擦损耗，降低电机的可靠性和效率。

（2）内转子的铁耗和内转子绕组的铜耗较高，导致内转子发热严重，且最内层的转子散热困难。

（3）内转子旋转时，绕组的动平衡容易被破坏，产生振动噪声，并降低电机的可靠性。

2.2 无刷双机电端口电机

为了解决绕线式内转子带来的一系列问题，研究人员提出了非接触式的无刷双机电端口电机。根据工作原理，可以分为基于爪极结构拓扑、基于电磁感应原理拓扑和基于磁场调制原理拓扑。

2.2.1 基于爪极结构拓扑

2008年，中国科学院电工所温旭辉教授团队在文献[24]中提出基于爪极结构的无刷双机电端口电机，如图6所示。该电机的两个定子和两个转子轴向排布，转子均位于定子内侧，其中定子1分为三段，每段定子铁心呈“U”型，槽内放置单相绕组；定子2是常规定子结构，放置一套三相电枢绕组；转子1为爪极结构；转子2两侧分别表贴有永磁体。从电机构造的角度看，定子1与两个转子构成爪极双机械单电端口电机，起到功率分配与转速调节的作用，定子2与转子2构成常规单机械单电端口电机，起到转矩调节作用[24]。研究表明无刷爪极双机电端口电机能够实现能量传输和转速转矩解耦的功能，但转矩波动非常大且结构复杂、加工制造困难。

图6 无刷爪极双机电端口电机

2.2.2 基于电磁感应原理拓扑

2009年，华中科技大学黄声华教授团队在文献[25]中提出利用无刷双馈电机控制绕组和功率绕组配合替代电刷集电环的无刷双馈型双机电端口电机。该电机可分解为三台电机：绕线转子感应电机、永磁同步发电机和永磁同步电动机。前两者配合进行功率传递和能量分配，后者用于调节输出转矩，实现两个机械端口的转矩、转速解耦。但无刷双馈型双机电端口电机需额外配备馈电系统，导致加工制造复杂，系统体积重量显著增加。

2011年，华南理工大学黄向东教授团队在文献[26]中提出利用旋转变压器的一次和二次感应线圈替代电刷集电环，实现无刷化的方案。但该无刷双机电端口电机中旋转变压器受供电频率限制，系统效率较低、实用性有限。同时，内转子仍放置有感应线圈，存在散热困难、动平衡易破坏等问题。

2.2.3 基于磁场调制原理拓扑

2011年，英国谢菲尔德大学K. Atallah教授团队在磁场调制型磁齿轮[27]的基础上提出了基于磁齿轮的双机械端口电机[28]，如图7所示。该电机具有三个转子，最外侧靠近定子的是控制转子，与定子构成常规单机械单电端口电机，另外的调制环转子和永磁内转子作为两个机械端口，用于功率传递。由于空转的永磁控制转子可以自由变化，因此两个机械端口的转速可以解耦调节。然而，三转子结构过于复杂，不利于加工制造，有必要进一步简化[29]。

图7 基于磁齿轮的双机械端口电机

哈尔滨工业大学郑萍教授团队发现省去空转的控制转子，也能实现调制环转子和永磁转子的转速解耦，因此在文献[30]中提出磁场调制型双机械端口电机，如图8所示。该电机用定子替换了磁场调制型磁齿轮的一个永磁转子，具有单定子、双转子结构。通过特定的极槽配合设计，使磁场调制型双机械端口电机的定子电枢磁场转速和极对数与被替换的永磁转子产生的旋转磁场转速和极对数相等，从而实现稳定的功率和转矩传输[31-34]。该团队实验验证了该电机可以实现功率传递与分配的功能，且具有功率密度高、转矩波动小的优点[35]。文献[36]提出互补结构磁场调制型双机械端口电机，将调制环转子和永磁内转子均分为三段斜极，从而降低齿槽转矩和转矩脉动[37]。文献[38]提出内转子为“V”型内置式永磁体的磁场调制型双机械端口电机，效率可达94%以上。

图8 磁场调制型双机械端口电机

然而，上述基于磁场调制原理的无刷双机械端口电机，由于仅有一套电枢绕组控制，仅能实现转速解耦，无法实现转矩解耦。为了实现两机械端口转矩和转速均解耦，哈尔滨工业大学郑萍教授在其团队提出的磁场调制型双机械端口电机的基础上，将其与一台常规永磁同步电机连接，形成复合结构，并将该结构命名为磁场调制型无刷复合结构永磁同步电机，如图9所示。从整体上看，该复合结构电机具有两个机械端口和两个电端口，其中，磁场调制型双机械端口电机用于实现两个转子转速的解耦，常规永磁同步电机用于实现两个转子转矩的解耦[39]。文献[40]提出五盘的轴向磁通磁场调制双机电端口电机拓扑。

香港大学K. T. Chau教授团队在文献[41]中将常规永磁同步电机嵌入基于磁齿轮的双机械端口电机中，形成基于磁齿轮的无刷双机电端口电机，如图10所示。该电机具有两个定子和三个转子，共四层气隙。从电机构造的角度看，基于磁齿轮的无刷双机电端口电机可以分解为两台永磁同步电机和一个磁场调制型磁齿轮，其中磁场调制型磁齿轮由电机1转子的外侧永磁体、调制环和电机2转子的内侧永磁体组成。该电机功率密度极高，但过于复杂的结构大大降低了该拓扑的实用性[42]。

图9 磁场调制型无刷复合结构永磁同步电机

图10 基于磁齿轮的无刷双机电端口电机[41]

香港理工大学牛双霞教授团队在文献[43]中将同轴连接的常规永磁同步电机嵌入磁场调制型双机械端口电机中，形成双定子、双转子结构，双定子磁场调制无刷双机电端口电机如图11所示。增加的内定子与内转子构成常规永磁同步电机，用于调节输出转矩。但该电机拓扑仍有三层气隙，电磁耦合复杂，制造加工较困难。为了进一步减少气隙层数，该团队在双定子拓扑的基础上提出一种双调制拓扑[44]，如图12a所示。双调制型双机电端口电机具有一个定子和两个转子，定子槽内放置两套绕组，内、外转子均为交替极结构永磁转子，相邻永磁体极性相同。由于内、外转子上的导磁块被当作调制环，分别与外、内转子上的永磁体发生磁场调制作用，因此被称为“双调制”拓扑。从拓扑构造的角度看，定子绕组1与内、外转子构成双机械单电端口电机，用于功率的传输与分配和两个机械端口转速的解耦控制，定子绕组2与外转子构成常规永磁电机，用于转矩的解耦控制[44-46]。

图11 双定子磁场调制无刷双机电端口电机[43]

图12 基于磁场调制原理的无刷双机电端口电机

华中科技大学曲荣海教授团队在文献[47]中提出基于磁场调制原理的无刷双机电端口电机，如图12b所示，但单机械单电端口电机由定子和内转子组成，等效气隙很大，导致气隙磁密较小、转矩密度较小。为了提高转矩密度，文献[48]提出了一种外转子插入切向励磁永磁体的磁场调制型无刷双机电端口电机，如图12c所示，其中组成单机械单电端口电机的转子由内转子变为外转子，大幅减小了等效气隙长度，提升气隙磁通密度和转矩密度。同时，定子采用分裂齿结构，将定子中的两套绕组进行物理隔离，并解耦了不同绕组的槽数，使两套绕组均可采用分数槽集中绕组结构，从而缩短电机端部。后续在文献[49]中研究了电机槽极配合以及绕组耦合的问题，文献[50]中提出了内转子为磁阻式的结构，如图12d所示，再一次丰富了双机电端口电机的拓扑形式。

无刷双机电端口电机省去了电刷集电，提高了电机的可靠性。基于不同工作原理的电机均可以通过一台或两台电机级联的方式实现多端口间能量传递与分配和两个机械端口转矩、转速解耦。但不同原理的电机也存在一些问题，体现在：

（1）基于爪极结构的无刷拓扑，电机结构较为复杂，加工制造困难，转矩波动极大。

（2）基于电磁感应原理的无刷拓扑，需要额外的馈电装置，导致结构复杂、加工制造困难，且仍然存在绕线式内转子，无法解决散热困难、动平衡易破坏的问题。

（3）基于磁场调制原理的无刷拓扑，气隙磁场谐波丰富，功率因数较低。

3 双机电端口电机控制策略

双机电端口电机作为一种随新能源领域发展而新提出的一类电机，相关的驱动控制研究在近20年才陆续展开，且主要集中在混合动力汽车能量分流系统和风力发电能量调配系统等方面。随着电机端口数量增多，其控制方法呈现出多自由度、多样化的特点。

3.1 解耦控制

由于双机电端口电机可以视为双机械单电端口电机和单机械单电端口电机的集成，因此可以根据需要实现的功能、运行工况和负载特性，通过解耦分别控制两个等效电机。

瑞典皇家理工大学C. Sadarangani教授团队[8]、俄亥俄州立大学Xu Longya教授团队[51]和荷兰代尔夫特理工大学M. J. Hoeijmakers教授团队[16]在提出有刷双机电端口电机的拓扑结构与设计方法之后，又相继对各种类型的电机进行了驱动仿真与模拟道路工况控制。文献[52]对外转子感应型有刷双机电端口电机进行了建模与控制，如果在整个控制过程中均利用观测器实时估算外转子的磁链，则算法较为复杂，因此，该团队提出了一种双电流环控制算法来直接控制电机的转矩和气隙磁通。

西安交通大学王曙鸿教授团队在文献[53]中对外转子磁阻式有刷双机电端口电机中的磁路问题进行了探讨。在考虑磁路饱和非线性的前提下提出一种变磁路的建模方法，以获得精确的电感特性，并在文献[54]中建立了双凸极电机的dq模型，如图13所示，以进行解耦控制的研究。由此给出了外转子磁阻式有刷双机电端口电机内、外转子解耦的转矩控制策略。

图13 双凸极双转子电机解耦控制[54]

文献[55]对无刷双馈型双机电端口电机的两个机械端口解耦控制进行了跟踪性的研究，该电机存在两种基波磁场的控制与无刷双馈电机类似，因此可以借助已有的无刷双馈电机控制方法进行无刷双馈型双机电端口电机的解耦控制，实现内燃机最优效率控制，其控制框图如图14所示。

图14 无刷双馈型双机电端口电机的控制框图[55]

3.2 能量管理

哈尔滨工业大学崔淑梅教授团队从控制的角度对外转子感应型有刷双机电端口电机在混合动力汽车上的应用做了进一步的研究。文献[56]利用汽车领域常用的能量宏观表达法对采用外转子感应型有刷双机电端口电机的混动汽车进行了建模，并讨论了其道路运行模式与能量管理策略。文献[57]将外转子感应型有刷双机电端口电机系统与丰田Prius的2代产品比较，提出了系统的设计、建模和控制的基本方法，并进行了控制算法的对比。文献[58]进一步研究了外转子感应型有刷双机电端口电机系统应用于混合动力汽车无级变速器上的能量管理策略，采用动态规划的方法实现内燃机的最优工作点选取。

在磁场调制型无刷双机械端口电机提出后，哈尔滨工业大学郑萍教授团队在文献[59]中分析了该类电机端口转矩、转速等变量之间的关系和具体的控制策略，通过仿真进行模拟混动汽车的能量管理策略研究[60]。文献[61]提出一种基于模糊逻辑控制的能量管理策略。磁场调制型无刷双机械端口电机的能量管理如图15所示。该策略主要针对包括发动机侧的系统能量分配控制。

图15 磁场调制型无刷双机械端口电机的能量管理[61]

随着电端口的进一步集成，无刷双机电端口电机在控制系统上也实现了一体化。香港理工大学牛双霞教授团队在文献[62]中讨论了双调制无刷双机电端口电机在同一个程序框架下驱动系统的控制策略，由于两个电端口和两个同心机械端口的存在，需要四个端口协同作用来实现混合动力汽车的变速功能和能量分配。华中科技大学曲荣海教授团队对基于无刷双机电端口电机的混动系统进行了能量管理的研究，文献[63]中提出了电机和内燃机协调工作方案，并研究了多种工况下能量流情况。

无刷双机电端口电机系统另一类重要的应用则是在风力发电系统中。基于前期相关方面的研究[64-65]，双定子无刷双馈感应电机的建模和不同工况下的控制目前已逐渐成熟。虽然无刷双馈电机中只有一个机械端口，但将功率绕组和控制绕组在控制上相组合可以实现变速恒频发电的效果，本质上是利用多电端口实现功率分流。受到双馈电机控制原理的启发，双机电端口电机采用类似的控制策略也能实现相应的变速恒频功能。文献[66-67]研究了基于双机电端口电机的双潮流风能转换系统控制问题，将该电机看作是两个永磁同步电机进行控制，同时结合最优速比的最大功率点跟踪控制策略，提出一种双模式功率控制策略，如图16所示。文献[68]针对这种电机绕线转子和永磁转子同时旋转时磁场位置难以检测的问题，在内转子控制时提出了基于模型参考自适应方法的无传感器控制，以实现转子位置辨识。

图16 风力发电用双机电端口电机控制系统[67]

香港理工大学牛双霞教授团队对基于无刷双机电端口电机的发电系统也进行了控制策略的研究。文献[69]提出一种用于变速恒频风力发电的无刷双机电端口电机实现功率分流，并给出相应的动态分析与控制策略。该方法结合了直驱电机和双馈发电机的优点，但结构较为复杂不利于大规模应用。此后该团队又提出一种新型的无刷对转功率分流传动系统[70]，如图17所示。它将两个机械端口与两个风叶相连，以最大程度地吸收风能，通过控制两组定子绕组实现两个机械端口的转矩控制。相比于传统的风力发电系统，该系统采用双最优速比的最大功率点跟踪控制方法，以达到在给定风速条件下收集到更多风能的效果。

图17 双功率流风力发电控制系统[70]

3.3 动态及稳态优化

比利时根特大学的J. Melkebeek教授团队在有刷双机电端口电机控制系统上做了大量研究。文献[71]对外转子感应型有刷双机电端口电机进行了建模与磁场定向控制的研究，同时将预测电流控制器引入控制算法中，实现了对电流的高带宽控制，达到快速产生响应转矩的目的。然而，由于异步笼型电机内部感应磁场比较复杂，电机参数繁多且不易测量，实际应用受到限制。进一步地，文献[72]将模型预测控制方法引入该电机中，对电机输出转矩进行了预测控制，如图18所示。文献[73]对该电机的损耗与效率进行了测试与分析，并将其与传统的机械式无级变速器效率做了对比。采用电励磁的结构将给整个系统引入额外的电刷与集电环，持续的电励磁将带来大量的热损耗，系统效率相比于永磁励磁型的电机较低。

图18 预测电流控制系统[72]

磁场调制型无刷双机电端口电机的两个机械端口相互存在磁连接，即通过磁齿轮连接了两个转子。电机在其中一个机械端口产生电磁转矩并借助磁齿轮效应放大，在另一个转子上输出。但由于两个转子之间的磁场连接是一种柔性的连接，因此存在输出转子响应速度慢的问题。谢菲尔德大学K. Atallah教授首次针对这类问题在驱动方法上做了一些改进，文献[74]建立了基于磁齿轮的无刷双机电端口电机基本传递函数，如图19所示。将电机转矩传递等效为弹簧系统，并在此基础上提出了状态反馈的控制方法来增强转矩传递的响应速度。进一步地，在文献[75]中针对基于磁齿轮的无刷双机电端口电机失步问题进行了控制策略的研究，在文献[76]中提出基于观测器的单位置传感器方案。

4 双机电端口电机发展趋势

双机电端口电机在混合动力汽车、混合动力船舶、风力发电等领域的应用中有着一定的发展前景。其主要发展趋势如下。

1）高速化

现有文献中实验样机的转速较低，与混合动力汽车、船舶实际运行转速相差3～10倍，有必要进一步提升双机电端口电机的转速。然而，双机电端口电机高速化后面临较多问题，例如有刷双机电端口电机内转子高速后电刷集电环可靠性更低，散热更困难；无刷双机电端口电机的极对数较高、磁场谐波丰富，转速提高后，电频率增大，铁耗和交流铜耗大幅提升，同时控制难度提升。因此，需要结合永磁材料和铁磁材料等技术的最新发展，探索合适的双机电端口电机结构，降低高速后电机的铁耗和交流铜耗，提高双机电端口电机实用性。在发热和冷却方面，采用多物理场联合仿真计算的方法，建立各部分温升快速有效的分析和预测方法，指导冷却系统的进一步改进。

2）提高功率因数和转矩密度

双机电端口电机是一种新型多功能一体化纯电气系统，与“多电机+机械部件”的组合相比，转矩和功率输出能力较弱，功率因数较低，在实际应用中需要较大功率容量的控制器件配合，系统体积、重量较大，实用性降低。尤其是无刷双机电端口电机的转矩密度仍低于有刷拓扑，因此，需要设计结构新颖的无刷双机电端口电机拓扑，进一步提升电机的转矩密度或功率密度、增大功率因数。

3）提升控制系统的动态性能和容错能力

双机电端口电机由两种电机复合而成，包含至少两个转子、两套绕组和两个气隙，导致电机内部电磁耦合严重，电机参数变化复杂。而双机电端口电机本体正朝着高集成方向发展，内部电磁耦合更加严重，因此，需要改进驱动电路和控制算法，从控制侧实现双机械单电端口电机与单机械单电端口电机的解耦，提升系统动态响应。同时，在风力发电、混合动力系统的应用中，对双机电端口电机可靠性提出较高的要求，因此，需要研究位置传感器故障容错方法、绕组开路下电流控制方法等控制策略，使系统具备较强的容错能力。

5 结论

双机电端口电机将用于功率传输与转速解耦的双机械单电端口电机和用于转矩解耦的常规单机械单电端口电机有机结合，实现了多功能一体化，具有紧凑性高、集成度好、纯电气传动的优势，在新能源发电、混合动力汽车与舰船等领域具有较强的应用潜力。本文依据结构特征将现有的双机电端口电机分为有刷和无刷两类，并对现有研究成果进行分析与归纳，总结如下观点：

1）有刷双机电端口电机具有工作原理简单、结构紧凑、功率密度高等优点，拓扑的主要区别是外转子结构，而需要解决的共性技术难题主要来源于绕线式内转子结构：电刷集电环带来可靠性问题，内转子发热较严重、散热困难，旋转绕组动平衡难以保证。

2）无刷双机电端口电机去掉了电刷集电环、提高了电机的可靠性，是双机电端口电机的发展趋势。但存在结构复杂、电磁耦合严重、气隙磁场谐波丰富、转矩密度和功率因数还需进一步提升等问题。

3）双机电端口电机控制方面的研究主要集中在混合动力汽车能量分流系统和风力发电能量调配系统等领域，控制系统运行性能和品质提升方面的研究较少。

4）进一步提升双机电端口样机转速，解决损耗、冷却散热方面的问题，有助于该类电机在混合动力汽车与舰船中的推广应用。

5）与机械方案相比，纯电气的双机电端口电机转矩密度和功率因数偏低，导致系统体积、重量较大，因此，研究提升转矩密度和功率因数的新拓扑是双机电端口电机的一个重要研究方向。

6）双机电端口电机是一类复合结构电机，电磁耦合复杂、功能和应用需求较特殊，在一些特定背景下，有很好的应用前景。控制系统的动态性能和容错能力的进一步提升将有助于拓宽该类电机的应用范围。

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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

国家自然科学基金（52122705，51991382）和博士后创新人才支持计划（BX20220120）资助项目。

2022-07-01

2022-08-07

梁子漪 女，1995年生，博士，研究方向为磁场调制电机。E-mail：ziyiliang@hust.edu.cn

曲荣海 男，1969年生，教授，博士生导师，研究方向为电机设计、驱动与控制。E-mail：ronghaiqu@hsut.edu.cn（通信作者）

（编辑 赫蕾）