梁子漪 曲榮海 陳 智 任 翔 李大偉

雙機(jī)電端口電機(jī)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(xué)電氣與電子工程學(xué)院 武漢 430074）

雙機(jī)電端口電機(jī)是一類多功能一體化的新型電機(jī)，含有至少兩個(gè)轉(zhuǎn)子和兩套繞組，用于實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)械端口與電端口間功率傳輸及分配，和兩個(gè)機(jī)械端口轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的解耦控制，具有緊湊性好、集成度高和多端口協(xié)同運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)，在風(fēng)力發(fā)電、新能源汽車、混合動(dòng)力船舶等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用潛力。該文首先介紹雙機(jī)電端口電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，簡(jiǎn)要分析其實(shí)現(xiàn)多功能的方式；接著按照結(jié)構(gòu)特征和工作原理，分類梳理了有刷和無刷雙機(jī)電端口電機(jī)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的研究和創(chuàng)新，總結(jié)了各自的優(yōu)缺點(diǎn)；然后從解耦控制、能力管理和動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)優(yōu)化三個(gè)方面介紹了雙機(jī)電端口電機(jī)控制方法；最后對(duì)雙機(jī)電端口電機(jī)的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

雙機(jī)電端口電機(jī) 多功能 解耦控制 集成度高 發(fā)展趨勢(shì)

0 引言

近年來，隨著新能源發(fā)電、新能源汽車、混合動(dòng)力船舶等新興領(lǐng)域的發(fā)展，通過多個(gè)機(jī)械與電氣端口協(xié)同運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)豐富功能的驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)，成為新的研究方向。例如，混合動(dòng)力汽車中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅需要完成發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池與車輪之間的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，還需要協(xié)調(diào)三者的能量分配，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終運(yùn)行于最優(yōu)效率區(qū)，同時(shí)系統(tǒng)輸出合適的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，使車輛在不同路況和行駛狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行[1]?，F(xiàn)在，工業(yè)界普遍采用“多個(gè)電機(jī)+機(jī)械部件”的組合來構(gòu)成多機(jī)電端口系統(tǒng)[2]，以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和多運(yùn)動(dòng)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(hù)頻繁等問題[3-4]。

為了解決以上問題，研究人員提出了雙機(jī)電端口電機(jī)（Dual Electrical Port-Dual Mechanical Port, DEP-DMP），用一臺(tái)電機(jī)替代“多個(gè)電機(jī)+機(jī)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(shì)，得到日益廣泛的關(guān)注[5]。雙機(jī)電端口電機(jī)可以等效為一個(gè)功率傳輸電機(jī)與一個(gè)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)電機(jī)的復(fù)合，在功能上能實(shí)現(xiàn)多個(gè)端口間的功率傳輸與分配，和兩個(gè)機(jī)械端口轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的解耦控制。本文首先介紹了雙機(jī)電端口電機(jī)的端口特性、拓?fù)涮攸c(diǎn)和工作原理；然后回顧了有刷和無刷雙機(jī)電端口電機(jī)的發(fā)展歷程，分析了各個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了不同雙機(jī)電端口電機(jī)的控制策略和能量管理方法；最后對(duì)雙機(jī)電端口電機(jī)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 雙機(jī)電端口電機(jī)原理

1.1 雙機(jī)電端口電機(jī)簡(jiǎn)介

雙機(jī)電端口電機(jī)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(jié)構(gòu)，和分別表示繞組的電壓和電流，機(jī)械端口為允許機(jī)械功率雙向流動(dòng)，且含有一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度（即轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速可獨(dú)立控制）的轉(zhuǎn)子軸，和分別表示轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速[6]。從端口特性看，這類電機(jī)具有兩個(gè)機(jī)械端口，且均能進(jìn)行機(jī)械能量的輸入和輸出。同時(shí)，為了使兩個(gè)機(jī)械端口的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速解耦，需要配備兩個(gè)能產(chǎn)生不同極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)速磁場(chǎng)的電端口對(duì)兩個(gè)機(jī)械端口進(jìn)行控制與調(diào)節(jié)。因此，雙機(jī)電端口電機(jī)包含兩個(gè)機(jī)械端口和兩個(gè)電端口。

圖1 雙機(jī)電端口電機(jī)示意圖

需要說明的是，本文所述雙機(jī)電端口電機(jī)的電端口要求有電功率的傳輸，且每套繞組能獨(dú)立控制。因此，直流電機(jī)、電勵(lì)磁同步電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)等具有兩套繞組，但其中一套為勵(lì)磁繞組，用于建立氣隙磁場(chǎng)，而沒有電功率輸入或輸出的電機(jī)均視為單電端口電機(jī)。此外，多相電機(jī)的多套繞組內(nèi)通入的電流相同，產(chǎn)生電樞磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速相等，未實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，也不看作獨(dú)立的電端口。同時(shí)，機(jī)械端口要求有機(jī)械功率的傳遞。因此，為了提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度而提出的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)和磁齒輪復(fù)合電機(jī)，在運(yùn)行過程中一個(gè)轉(zhuǎn)子軸空轉(zhuǎn)，沒有機(jī)械功率的輸入或輸出，實(shí)質(zhì)上進(jìn)行機(jī)械能量傳遞的機(jī)械端口僅有一個(gè)[7]，因此，二者均未被視為雙機(jī)械端口電機(jī)。

1.2 雙機(jī)電端口電機(jī)原理

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

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

（2）單機(jī)械單電端口電機(jī)：其端口命名為機(jī)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(jī)械端口1磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速相同的電樞磁場(chǎng)，從而輸出穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。

（3）機(jī)械端口1同時(shí)存在于兩個(gè)電機(jī)中，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩，因此，機(jī)械端口1輸出的轉(zhuǎn)矩為兩個(gè)等效電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的代數(shù)和。

（4）機(jī)械端口2輸出的轉(zhuǎn)矩僅由雙機(jī)械單電端口產(chǎn)生?？刂茊螜C(jī)械單電端口電機(jī)在機(jī)械端口1上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)機(jī)械端口轉(zhuǎn)矩的解耦。

2 雙機(jī)電端口電機(jī)結(jié)構(gòu)

2.1 有刷雙機(jī)電端口電機(jī)

有刷雙機(jī)電端口電機(jī)大多含有兩個(gè)轉(zhuǎn)子和一個(gè)定子。其中，雙機(jī)械單電端口電機(jī)由內(nèi)、外轉(zhuǎn)子構(gòu)成，內(nèi)轉(zhuǎn)子上放置一套三相繞組，內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)過電刷集電環(huán)與變頻器連接；單機(jī)械單電端口電機(jī)由定子和外轉(zhuǎn)子構(gòu)成，定子上放置另一套三相繞組。有刷雙機(jī)電端口電機(jī)的主要區(qū)別在于外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，包括雙/單層永磁體式、籠型導(dǎo)條感應(yīng)型和磁阻式。

2.1.1 外轉(zhuǎn)子雙層永磁體式

2002年，瑞典皇家理工學(xué)院的C. Sadarangani教授團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[8]中提出首臺(tái)具有能量分配與無極變速功能的電機(jī)，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(zhuǎn)子內(nèi)、外側(cè)表面均嵌入永磁體，因此，本文根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征將其稱為外轉(zhuǎn)子雙層永磁體有刷雙機(jī)電端口電機(jī)。其中，外轉(zhuǎn)子、外轉(zhuǎn)子內(nèi)層永磁體、內(nèi)轉(zhuǎn)子與內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成雙機(jī)械單電端口電機(jī)；定子、外轉(zhuǎn)子外層永磁體與外轉(zhuǎn)子構(gòu)成單機(jī)械單電端口電機(jī)。

圖2 外轉(zhuǎn)子雙層永磁體的有刷雙機(jī)電端口電機(jī)

將四象限換能器應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車中，內(nèi)轉(zhuǎn)子與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，外轉(zhuǎn)子與車輛負(fù)載相連。此時(shí)雙機(jī)械單電端口電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率傳遞給車輛負(fù)載，并提供發(fā)動(dòng)機(jī)與負(fù)載間轉(zhuǎn)速差，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)機(jī)械端口的轉(zhuǎn)速解耦；單機(jī)械單電端口電機(jī)用于調(diào)節(jié)外轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)矩，提供當(dāng)前運(yùn)行工況下車輛負(fù)載所需轉(zhuǎn)矩與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩之差，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)機(jī)械端口的轉(zhuǎn)矩解耦。該團(tuán)隊(duì)加工制造了一臺(tái)30kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，證明了該電機(jī)組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在車輛負(fù)載所需的所有轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下以最佳效率運(yùn)行，但內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組中存在較大環(huán)流，導(dǎo)致內(nèi)轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重[9]。隨后，該團(tuán)隊(duì)對(duì)四象限換能器的損耗和冷卻進(jìn)行研究，建立了熱傳導(dǎo)模型，并提出了強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)[10]和改進(jìn)型水冷系統(tǒng)[11]。

2.1.2 外轉(zhuǎn)子單層永磁體式

2005年，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)Xu Longya教授團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[12]中提出外轉(zhuǎn)子單層永磁體的有刷雙機(jī)電端口電機(jī)，如圖3所示。該拓?fù)鋬H外轉(zhuǎn)子改變，外轉(zhuǎn)子的雙層永磁體合并為單層，且永磁體嵌入外轉(zhuǎn)子鐵心中。從電機(jī)功能上看，外轉(zhuǎn)子單層永磁體的有刷雙機(jī)電端口電機(jī)與雙層拓?fù)涞墓δ芟嗤?，均可以?shí)現(xiàn)能量傳遞與分配和兩個(gè)機(jī)械端口的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速解耦控制。

文獻(xiàn)[13]根據(jù)端口特性將這類電機(jī)歸納總結(jié)為雙機(jī)械端口（Dual Mechanical Port, DMP）電機(jī)，并給出了這類電機(jī)的通用結(jié)構(gòu)：DMP電機(jī)包含三個(gè)部件，其中任意兩個(gè)部件旋轉(zhuǎn)作為機(jī)械端口，最后一個(gè)部件靜止作為電氣端口。為了進(jìn)一步提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度，研究人員提出了切向勵(lì)磁永磁外轉(zhuǎn)子[14]和嵌入永磁體磁障外轉(zhuǎn)子[15]有刷雙機(jī)電端口拓?fù)洹?/p>

2.1.3 外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型

2004年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)M. J. Hoeijmakers教授團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[16]中提出外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)，如圖4所示，外轉(zhuǎn)子上的永磁體被籠型導(dǎo)條替代，形成兩臺(tái)感應(yīng)電機(jī)復(fù)合的結(jié)構(gòu)。外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)的功率傳輸和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)均利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)。有限元計(jì)算和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該電機(jī)應(yīng)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(dǎo)條同時(shí)參與內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)和功率傳遞，導(dǎo)致電機(jī)損耗較大、電磁耦合嚴(yán)重[17]。

圖4 外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)

文獻(xiàn)[18]提出分體式外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)，以解決電磁耦合嚴(yán)重、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大的問題，研究結(jié)果表明分體式結(jié)構(gòu)比一體式結(jié)構(gòu)具有更高的功率密度、更低的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，但效率和功率密度仍明顯低于使用永磁體的有刷雙機(jī)電端口電機(jī)。文獻(xiàn)[19]提出一種外轉(zhuǎn)子混合勵(lì)磁的感應(yīng)式有刷雙機(jī)電端口電機(jī)，外轉(zhuǎn)子的外側(cè)放置直流勵(lì)磁繞組，內(nèi)側(cè)嵌入永磁體，擴(kuò)大電機(jī)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(zhuǎn)子磁阻式

2008年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)崔淑梅教授團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[20]中提出外轉(zhuǎn)子磁阻式有刷雙機(jī)電端口電機(jī)，如圖5所示。該電機(jī)的定子為開口槽結(jié)構(gòu)，槽內(nèi)放置定子繞組，外轉(zhuǎn)子的兩側(cè)均有凸極齒，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不變。外轉(zhuǎn)子磁阻式拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、恒功率運(yùn)行范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，但也存在轉(zhuǎn)矩密度低、振動(dòng)噪聲大、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大等磁阻電機(jī)的固有缺點(diǎn)[21]。

為了進(jìn)一步提高外轉(zhuǎn)子磁阻式有刷雙機(jī)電端口電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，文獻(xiàn)[22]提出在定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵軛上嵌入永磁體的拓?fù)?，該拓?fù)湟部梢暈閮蓚€(gè)雙凸極永磁電機(jī)的復(fù)合，具有更高的轉(zhuǎn)矩密度和較低的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。此外，磁阻外轉(zhuǎn)子較厚的轉(zhuǎn)子軛部起到較好的屏蔽作用，明顯地削弱了電機(jī)的磁場(chǎng)耦合效應(yīng)。文獻(xiàn)[23]提出在定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子齒部嵌入貫穿的永磁體的拓?fù)?，該拓?fù)溆蓛蓚€(gè)磁通切換永磁電機(jī)背靠背復(fù)合而成，具有較好的轉(zhuǎn)矩性能和較高的效率。

有刷雙機(jī)電端口電機(jī)的研究已趨于成熟，其具有工作原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)有的有刷雙機(jī)電端口電機(jī)拓?fù)涞闹饕獏^(qū)別在于外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，而其研究瓶頸主要來源于繞線式內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，具體包括：

（1）電刷集電環(huán)結(jié)構(gòu)帶來額外的摩擦損耗，降低電機(jī)的可靠性和效率。

（2）內(nèi)轉(zhuǎn)子的鐵耗和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組的銅耗較高，導(dǎo)致內(nèi)轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重，且最內(nèi)層的轉(zhuǎn)子散熱困難。

（3）內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，繞組的動(dòng)平衡容易被破壞，產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，并降低電機(jī)的可靠性。

2.2 無刷雙機(jī)電端口電機(jī)

為了解決繞線式內(nèi)轉(zhuǎn)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(jī)電端口電機(jī)。根據(jù)工作原理，可以分為基于爪極結(jié)構(gòu)拓?fù)?、基于電磁感?yīng)原理拓?fù)浜突诖艌?chǎng)調(diào)制原理拓?fù)洹?/p>

2.2.1 基于爪極結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

2008年，中國(guó)科學(xué)院電工所溫旭輝教授團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[24]中提出基于爪極結(jié)構(gòu)的無刷雙機(jī)電端口電機(jī)，如圖6所示。該電機(jī)的兩個(gè)定子和兩個(gè)轉(zhuǎn)子軸向排布，轉(zhuǎn)子均位于定子內(nèi)側(cè)，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(jié)構(gòu)，放置一套三相電樞繞組；轉(zhuǎn)子1為爪極結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子2兩側(cè)分別表貼有永磁體。從電機(jī)構(gòu)造的角度看，定子1與兩個(gè)轉(zhuǎn)子構(gòu)成爪極雙機(jī)械單電端口電機(jī)，起到功率分配與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的作用，定子2與轉(zhuǎn)子2構(gòu)成常規(guī)單機(jī)械單電端口電機(jī)，起到轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)作用[24]。研究表明無刷爪極雙機(jī)電端口電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)能量傳輸和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩解耦的功能，但轉(zhuǎn)矩波動(dòng)非常大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工制造困難。

圖6 無刷爪極雙機(jī)電端口電機(jī)

2.2.2 基于電磁感應(yīng)原理拓?fù)?/p>

2009年，華中科技大學(xué)黃聲華教授團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[25]中提出利用無刷雙饋電機(jī)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(jī)電端口電機(jī)。該電機(jī)可分解為三臺(tái)電機(jī)：繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)。前兩者配合進(jìn)行功率傳遞和能量分配，后者用于調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)機(jī)械端口的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速解耦。但無刷雙饋型雙機(jī)電端口電機(jī)需額外配備饋電系統(tǒng)，導(dǎo)致加工制造復(fù)雜，系統(tǒng)體積重量顯著增加。

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

2.2.3 基于磁場(chǎng)調(diào)制原理拓?fù)?/p>

2011年，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)K. Atallah教授團(tuán)隊(duì)在磁場(chǎng)調(diào)制型磁齒輪[27]的基礎(chǔ)上提出了基于磁齒輪的雙機(jī)械端口電機(jī)[28]，如圖7所示。該電機(jī)具有三個(gè)轉(zhuǎn)子，最外側(cè)靠近定子的是控制轉(zhuǎn)子，與定子構(gòu)成常規(guī)單機(jī)械單電端口電機(jī)，另外的調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子和永磁內(nèi)轉(zhuǎn)子作為兩個(gè)機(jī)械端口，用于功率傳遞。由于空轉(zhuǎn)的永磁控制轉(zhuǎn)子可以自由變化，因此兩個(gè)機(jī)械端口的轉(zhuǎn)速可以解耦調(diào)節(jié)。然而，三轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，不利于加工制造，有必要進(jìn)一步簡(jiǎn)化[29]。

圖7 基于磁齒輪的雙機(jī)械端口電機(jī)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄭萍教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)省去空轉(zhuǎn)的控制轉(zhuǎn)子，也能實(shí)現(xiàn)調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速解耦，因此在文獻(xiàn)[30]中提出磁場(chǎng)調(diào)制型雙機(jī)械端口電機(jī)，如圖8所示。該電機(jī)用定子替換了磁場(chǎng)調(diào)制型磁齒輪的一個(gè)永磁轉(zhuǎn)子，具有單定子、雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。通過特定的極槽配合設(shè)計(jì)，使磁場(chǎng)調(diào)制型雙機(jī)械端口電機(jī)的定子電樞磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速和極對(duì)數(shù)與被替換的永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速和極對(duì)數(shù)相等，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功率和轉(zhuǎn)矩傳輸[31-34]。該團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)功率傳遞與分配的功能，且具有功率密度高、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)[35]。文獻(xiàn)[36]提出互補(bǔ)結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)調(diào)制型雙機(jī)械端口電機(jī)，將調(diào)制環(huán)轉(zhuǎn)子和永磁內(nèi)轉(zhuǎn)子均分為三段斜極，從而降低齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)[37]。文獻(xiàn)[38]提出內(nèi)轉(zhuǎn)子為“V”型內(nèi)置式永磁體的磁場(chǎng)調(diào)制型雙機(jī)械端口電機(jī)，效率可達(dá)94%以上。

圖8 磁場(chǎng)調(diào)制型雙機(jī)械端口電機(jī)

然而，上述基于磁場(chǎng)調(diào)制原理的無刷雙機(jī)械端口電機(jī)，由于僅有一套電樞繞組控制，僅能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速解耦，無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩解耦。為了實(shí)現(xiàn)兩機(jī)械端口轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均解耦，哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄭萍教授在其團(tuán)隊(duì)提出的磁場(chǎng)調(diào)制型雙機(jī)械端口電機(jī)的基礎(chǔ)上，將其與一臺(tái)常規(guī)永磁同步電機(jī)連接，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，并將該結(jié)構(gòu)命名為磁場(chǎng)調(diào)制型無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)，如圖9所示。從整體上看，該復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)具有兩個(gè)機(jī)械端口和兩個(gè)電端口，其中，磁場(chǎng)調(diào)制型雙機(jī)械端口電機(jī)用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的解耦，常規(guī)永磁同步電機(jī)用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的解耦[39]。文獻(xiàn)[40]提出五盤的軸向磁通磁場(chǎng)調(diào)制雙機(jī)電端口電機(jī)拓?fù)洹?/p>

香港大學(xué)K. T. Chau教授團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[41]中將常規(guī)永磁同步電機(jī)嵌入基于磁齒輪的雙機(jī)械端口電機(jī)中，形成基于磁齒輪的無刷雙機(jī)電端口電機(jī)，如圖10所示。該電機(jī)具有兩個(gè)定子和三個(gè)轉(zhuǎn)子，共四層氣隙。從電機(jī)構(gòu)造的角度看，基于磁齒輪的無刷雙機(jī)電端口電機(jī)可以分解為兩臺(tái)永磁同步電機(jī)和一個(gè)磁場(chǎng)調(diào)制型磁齒輪，其中磁場(chǎng)調(diào)制型磁齒輪由電機(jī)1轉(zhuǎn)子的外側(cè)永磁體、調(diào)制環(huán)和電機(jī)2轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)永磁體組成。該電機(jī)功率密度極高，但過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)大大降低了該拓?fù)涞膶?shí)用性[42]。

圖9 磁場(chǎng)調(diào)制型無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)

圖10 基于磁齒輪的無刷雙機(jī)電端口電機(jī)[41]

香港理工大學(xué)牛雙霞教授團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[43]中將同軸連接的常規(guī)永磁同步電機(jī)嵌入磁場(chǎng)調(diào)制型雙機(jī)械端口電機(jī)中，形成雙定子、雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，雙定子磁場(chǎng)調(diào)制無刷雙機(jī)電端口電機(jī)如圖11所示。增加的內(nèi)定子與內(nèi)轉(zhuǎn)子構(gòu)成常規(guī)永磁同步電機(jī)，用于調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩。但該電機(jī)拓?fù)淙杂腥龑託庀?，電磁耦合?fù)雜，制造加工較困難。為了進(jìn)一步減少氣隙層數(shù)，該團(tuán)隊(duì)在雙定子拓?fù)涞幕A(chǔ)上提出一種雙調(diào)制拓?fù)鋄44]，如圖12a所示。雙調(diào)制型雙機(jī)電端口電機(jī)具有一個(gè)定子和兩個(gè)轉(zhuǎn)子，定子槽內(nèi)放置兩套繞組，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子均為交替極結(jié)構(gòu)永磁轉(zhuǎn)子，相鄰永磁體極性相同。由于內(nèi)、外轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)磁塊被當(dāng)作調(diào)制環(huán)，分別與外、內(nèi)轉(zhuǎn)子上的永磁體發(fā)生磁場(chǎng)調(diào)制作用，因此被稱為“雙調(diào)制”拓?fù)?。從拓?fù)錁?gòu)造的角度看，定子繞組1與內(nèi)、外轉(zhuǎn)子構(gòu)成雙機(jī)械單電端口電機(jī)，用于功率的傳輸與分配和兩個(gè)機(jī)械端口轉(zhuǎn)速的解耦控制，定子繞組2與外轉(zhuǎn)子構(gòu)成常規(guī)永磁電機(jī)，用于轉(zhuǎn)矩的解耦控制[44-46]。

圖11 雙定子磁場(chǎng)調(diào)制無刷雙機(jī)電端口電機(jī)[43]

圖12 基于磁場(chǎng)調(diào)制原理的無刷雙機(jī)電端口電機(jī)

華中科技大學(xué)曲榮海教授團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[47]中提出基于磁場(chǎng)調(diào)制原理的無刷雙機(jī)電端口電機(jī)，如圖12b所示，但單機(jī)械單電端口電機(jī)由定子和內(nèi)轉(zhuǎn)子組成，等效氣隙很大，導(dǎo)致氣隙磁密較小、轉(zhuǎn)矩密度較小。為了提高轉(zhuǎn)矩密度，文獻(xiàn)[48]提出了一種外轉(zhuǎn)子插入切向勵(lì)磁永磁體的磁場(chǎng)調(diào)制型無刷雙機(jī)電端口電機(jī)，如圖12c所示，其中組成單機(jī)械單電端口電機(jī)的轉(zhuǎn)子由內(nèi)轉(zhuǎn)子變?yōu)橥廪D(zhuǎn)子，大幅減小了等效氣隙長(zhǎng)度，提升氣隙磁通密度和轉(zhuǎn)矩密度。同時(shí)，定子采用分裂齒結(jié)構(gòu)，將定子中的兩套繞組進(jìn)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?jǐn)?shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu)，從而縮短電機(jī)端部。后續(xù)在文獻(xiàn)[49]中研究了電機(jī)槽極配合以及繞組耦合的問題，文獻(xiàn)[50]中提出了內(nèi)轉(zhuǎn)子為磁阻式的結(jié)構(gòu)，如圖12d所示，再一次豐富了雙機(jī)電端口電機(jī)的拓?fù)湫问健?/p>

無刷雙機(jī)電端口電機(jī)省去了電刷集電，提高了電機(jī)的可靠性。基于不同工作原理的電機(jī)均可以通過一臺(tái)或兩臺(tái)電機(jī)級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)多端口間能量傳遞與分配和兩個(gè)機(jī)械端口轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速解耦。但不同原理的電機(jī)也存在一些問題，體現(xiàn)在：

（1）基于爪極結(jié)構(gòu)的無刷拓?fù)?，電機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工制造困難，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)極大。

（2）基于電磁感應(yīng)原理的無刷拓?fù)?，需要額外的饋電裝置，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工制造困難，且仍然存在繞線式內(nèi)轉(zhuǎn)子，無法解決散熱困難、動(dòng)平衡易破壞的問題。

（3）基于磁場(chǎng)調(diào)制原理的無刷拓?fù)?，氣隙磁?chǎng)諧波豐富，功率因數(shù)較低。

3 雙機(jī)電端口電機(jī)控制策略

雙機(jī)電端口電機(jī)作為一種隨新能源領(lǐng)域發(fā)展而新提出的一類電機(jī)，相關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制研究在近20年才陸續(xù)展開，且主要集中在混合動(dòng)力汽車能量分流系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電能量調(diào)配系統(tǒng)等方面。隨著電機(jī)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(diǎn)。

3.1 解耦控制

由于雙機(jī)電端口電機(jī)可以視為雙機(jī)械單電端口電機(jī)和單機(jī)械單電端口電機(jī)的集成，因此可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的功能、運(yùn)行工況和負(fù)載特性，通過解耦分別控制兩個(gè)等效電機(jī)。

瑞典皇家理工大學(xué)C. Sadarangani教授團(tuán)隊(duì)[8]、俄亥俄州立大學(xué)Xu Longya教授團(tuán)隊(duì)[51]和荷蘭代爾夫特理工大學(xué)M. J. Hoeijmakers教授團(tuán)隊(duì)[16]在提出有刷雙機(jī)電端口電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法之后，又相繼對(duì)各種類型的電機(jī)進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)仿真與模擬道路工況控制。文獻(xiàn)[52]對(duì)外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)進(jìn)行了建模與控制，如果在整個(gè)控制過程中均利用觀測(cè)器實(shí)時(shí)估算外轉(zhuǎn)子的磁鏈，則算法較為復(fù)雜，因此，該團(tuán)隊(duì)提出了一種雙電流環(huán)控制算法來直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和氣隙磁通。

西安交通大學(xué)王曙鴻教授團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[53]中對(duì)外轉(zhuǎn)子磁阻式有刷雙機(jī)電端口電機(jī)中的磁路問題進(jìn)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(xiàn)[54]中建立了雙凸極電機(jī)的dq模型，如圖13所示，以進(jìn)行解耦控制的研究。由此給出了外轉(zhuǎn)子磁阻式有刷雙機(jī)電端口電機(jī)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子解耦的轉(zhuǎn)矩控制策略。

圖13 雙凸極雙轉(zhuǎn)子電機(jī)解耦控制[54]

文獻(xiàn)[55]對(duì)無刷雙饋型雙機(jī)電端口電機(jī)的兩個(gè)機(jī)械端口解耦控制進(jìn)行了跟蹤性的研究，該電機(jī)存在兩種基波磁場(chǎng)的控制與無刷雙饋電機(jī)類似，因此可以借助已有的無刷雙饋電機(jī)控制方法進(jìn)行無刷雙饋型雙機(jī)電端口電機(jī)的解耦控制，實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)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(jī)電端口電機(jī)的控制框圖[55]

3.2 能量管理

哈爾濱工業(yè)大學(xué)崔淑梅教授團(tuán)隊(duì)從控制的角度對(duì)外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)在混合動(dòng)力汽車上的應(yīng)用做了進(jìn)一步的研究。文獻(xiàn)[56]利用汽車領(lǐng)域常用的能量宏觀表達(dá)法對(duì)采用外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)的混動(dòng)汽車進(jìn)行了建模，并討論了其道路運(yùn)行模式與能量管理策略。文獻(xiàn)[57]將外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)系統(tǒng)與豐田Prius的2代產(chǎn)品比較，提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建模和控制的基本方法，并進(jìn)行了控制算法的對(duì)比。文獻(xiàn)[58]進(jìn)一步研究了外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車無級(jí)變速器上的能量管理策略，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的最優(yōu)工作點(diǎn)選取。

在磁場(chǎng)調(diào)制型無刷雙機(jī)械端口電機(jī)提出后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄭萍教授團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[59]中分析了該類電機(jī)端口轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等變量之間的關(guān)系和具體的控制策略，通過仿真進(jìn)行模擬混動(dòng)汽車的能量管理策略研究[60]。文獻(xiàn)[61]提出一種基于模糊邏輯控制的能量管理策略。磁場(chǎng)調(diào)制型無刷雙機(jī)械端口電機(jī)的能量管理如圖15所示。該策略主要針對(duì)包括發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的系統(tǒng)能量分配控制。

圖15 磁場(chǎng)調(diào)制型無刷雙機(jī)械端口電機(jī)的能量管理[61]

隨著電端口的進(jìn)一步集成，無刷雙機(jī)電端口電機(jī)在控制系統(tǒng)上也實(shí)現(xiàn)了一體化。香港理工大學(xué)牛雙霞教授團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[62]中討論了雙調(diào)制無刷雙機(jī)電端口電機(jī)在同一個(gè)程序框架下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略，由于兩個(gè)電端口和兩個(gè)同心機(jī)械端口的存在，需要四個(gè)端口協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車的變速功能和能量分配。華中科技大學(xué)曲榮海教授團(tuán)隊(duì)對(duì)基于無刷雙機(jī)電端口電機(jī)的混動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了能量管理的研究，文獻(xiàn)[63]中提出了電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)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(jī)電端口電機(jī)系統(tǒng)另一類重要的應(yīng)用則是在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中?；谇捌谙嚓P(guān)方面的研究[64-65]，雙定子無刷雙饋感應(yīng)電機(jī)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(jī)中只有一個(gè)機(jī)械端口，但將功率繞組和控制繞組在控制上相組合可以實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電的效果，本質(zhì)上是利用多電端口實(shí)現(xiàn)功率分流。受到雙饋電機(jī)控制原理的啟發(fā)，雙機(jī)電端口電機(jī)采用類似的控制策略也能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的變速恒頻功能。文獻(xiàn)[66-67]研究了基于雙機(jī)電端口電機(jī)的雙潮流風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)控制問題，將該電機(jī)看作是兩個(gè)永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)結(jié)合最優(yōu)速比的最大功率點(diǎn)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(xiàn)[68]針對(duì)這種電機(jī)繞線轉(zhuǎn)子和永磁轉(zhuǎn)子同時(shí)旋轉(zhuǎn)時(shí)磁場(chǎng)位置難以檢測(cè)的問題，在內(nèi)轉(zhuǎn)子控制時(shí)提出了基于模型參考自適應(yīng)方法的無傳感器控制，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置辨識(shí)。

圖16 風(fēng)力發(fā)電用雙機(jī)電端口電機(jī)控制系統(tǒng)[67]

香港理工大學(xué)牛雙霞教授團(tuán)隊(duì)對(duì)基于無刷雙機(jī)電端口電機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)也進(jìn)行了控制策略的研究。文獻(xiàn)[69]提出一種用于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的無刷雙機(jī)電端口電機(jī)實(shí)現(xiàn)功率分流，并給出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)分析與控制策略。該方法結(jié)合了直驅(qū)電機(jī)和雙饋發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜不利于大規(guī)模應(yīng)用。此后該團(tuán)隊(duì)又提出一種新型的無刷對(duì)轉(zhuǎn)功率分流傳動(dòng)系統(tǒng)[70]，如圖17所示。它將兩個(gè)機(jī)械端口與兩個(gè)風(fēng)葉相連，以最大程度地吸收風(fēng)能，通過控制兩組定子繞組實(shí)現(xiàn)兩個(gè)機(jī)械端口的轉(zhuǎn)矩控制。相比于傳統(tǒng)的風(fēng)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(diǎn)跟蹤控制方法，以達(dá)到在給定風(fēng)速條件下收集到更多風(fēng)能的效果。

圖17 雙功率流風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)[70]

3.3 動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)優(yōu)化

比利時(shí)根特大學(xué)的J. Melkebeek教授團(tuán)隊(duì)在有刷雙機(jī)電端口電機(jī)控制系統(tǒng)上做了大量研究。文獻(xiàn)[71]對(duì)外轉(zhuǎn)子感應(yīng)型有刷雙機(jī)電端口電機(jī)進(jìn)行了建模與磁場(chǎng)定向控制的研究，同時(shí)將預(yù)測(cè)電流控制器引入控制算法中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流的高帶寬控制，達(dá)到快速產(chǎn)生響應(yīng)轉(zhuǎn)矩的目的。然而，由于異步籠型電機(jī)內(nèi)部感應(yīng)磁場(chǎng)比較復(fù)雜，電機(jī)參數(shù)繁多且不易測(cè)量，實(shí)際應(yīng)用受到限制。進(jìn)一步地，文獻(xiàn)[72]將模型預(yù)測(cè)控制方法引入該電機(jī)中，對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了預(yù)測(cè)控制，如圖18所示。文獻(xiàn)[73]對(duì)該電機(jī)的損耗與效率進(jìn)行了測(cè)試與分析，并將其與傳統(tǒng)的機(jī)械式無級(jí)變速器效率做了對(duì)比。采用電勵(lì)磁的結(jié)構(gòu)將給整個(gè)系統(tǒng)引入額外的電刷與集電環(huán)，持續(xù)的電勵(lì)磁將帶來大量的熱損耗，系統(tǒng)效率相比于永磁勵(lì)磁型的電機(jī)較低。

圖18 預(yù)測(cè)電流控制系統(tǒng)[72]

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

4 雙機(jī)電端口電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

雙機(jī)電端口電機(jī)在混合動(dòng)力汽車、混合動(dòng)力船舶、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的應(yīng)用中有著一定的發(fā)展前景。其主要發(fā)展趨勢(shì)如下。

1）高速化

現(xiàn)有文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，與混合動(dòng)力汽車、船舶實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速相差3～10倍，有必要進(jìn)一步提升雙機(jī)電端口電機(jī)的轉(zhuǎn)速。然而，雙機(jī)電端口電機(jī)高速化后面臨較多問題，例如有刷雙機(jī)電端口電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子高速后電刷集電環(huán)可靠性更低，散熱更困難；無刷雙機(jī)電端口電機(jī)的極對(duì)數(shù)較高、磁場(chǎng)諧波豐富，轉(zhuǎn)速提高后，電頻率增大，鐵耗和交流銅耗大幅提升，同時(shí)控制難度提升。因此，需要結(jié)合永磁材料和鐵磁材料等技術(shù)的最新發(fā)展，探索合適的雙機(jī)電端口電機(jī)結(jié)構(gòu)，降低高速后電機(jī)的鐵耗和交流銅耗，提高雙機(jī)電端口電機(jī)實(shí)用性。在發(fā)熱和冷卻方面，采用多物理場(chǎng)聯(lián)合仿真計(jì)算的方法，建立各部分溫升快速有效的分析和預(yù)測(cè)方法，指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)。

2）提高功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩密度

雙機(jī)電端口電機(jī)是一種新型多功能一體化純電氣系統(tǒng)，與“多電機(jī)+機(jī)械部件”的組合相比，轉(zhuǎn)矩和功率輸出能力較弱，功率因數(shù)較低，在實(shí)際應(yīng)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(shí)用性降低。尤其是無刷雙機(jī)電端口電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度仍低于有刷拓?fù)?，因此，需要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎的無刷雙機(jī)電端口電機(jī)拓?fù)?，進(jìn)一步提升電機(jī)的轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài)性能和容錯(cuò)能力

雙機(jī)電端口電機(jī)由兩種電機(jī)復(fù)合而成，包含至少兩個(gè)轉(zhuǎn)子、兩套繞組和兩個(gè)氣隙，導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部電磁耦合嚴(yán)重，電機(jī)參數(shù)變化復(fù)雜。而雙機(jī)電端口電機(jī)本體正朝著高集成方向發(fā)展，內(nèi)部電磁耦合更加嚴(yán)重，因此，需要改進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路和控制算法，從控制側(cè)實(shí)現(xiàn)雙機(jī)械單電端口電機(jī)與單機(jī)械單電端口電機(jī)的解耦，提升系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。同時(shí)，在風(fēng)力發(fā)電、混合動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用中，對(duì)雙機(jī)電端口電機(jī)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(cuò)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(qiáng)的容錯(cuò)能力。

5 結(jié)論

雙機(jī)電端口電機(jī)將用于功率傳輸與轉(zhuǎn)速解耦的雙機(jī)械單電端口電機(jī)和用于轉(zhuǎn)矩解耦的常規(guī)單機(jī)械單電端口電機(jī)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了多功能一體化，具有緊湊性高、集成度好、純電氣傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，在新能源發(fā)電、混合動(dòng)力汽車與艦船等領(lǐng)域具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力。本文依據(jù)結(jié)構(gòu)特征將現(xiàn)有的雙機(jī)電端口電機(jī)分為有刷和無刷兩類，并對(duì)現(xiàn)有研究成果進(jìn)行分析與歸納，總結(jié)如下觀點(diǎn)：

1）有刷雙機(jī)電端口電機(jī)具有工作原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，拓?fù)涞闹饕獏^(qū)別是外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，而需要解決的共性技術(shù)難題主要來源于繞線式內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：電刷集電環(huán)帶來可靠性問題，內(nèi)轉(zhuǎn)子發(fā)熱較嚴(yán)重、散熱困難，旋轉(zhuǎn)繞組動(dòng)平衡難以保證。

2）無刷雙機(jī)電端口電機(jī)去掉了電刷集電環(huán)、提高了電機(jī)的可靠性，是雙機(jī)電端口電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電磁耦合嚴(yán)重、氣隙磁場(chǎng)諧波豐富、轉(zhuǎn)矩密度和功率因數(shù)還需進(jìn)一步提升等問題。

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

4）進(jìn)一步提升雙機(jī)電端口樣機(jī)轉(zhuǎn)速，解決損耗、冷卻散熱方面的問題，有助于該類電機(jī)在混合動(dòng)力汽車與艦船中的推廣應(yīng)用。

5）與機(jī)械方案相比，純電氣的雙機(jī)電端口電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度和功率因數(shù)偏低，導(dǎo)致系統(tǒng)體積、重量較大，因此，研究提升轉(zhuǎn)矩密度和功率因數(shù)的新拓?fù)涫请p機(jī)電端口電機(jī)的一個(gè)重要研究方向。

6）雙機(jī)電端口電機(jī)是一類復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)，電磁耦合復(fù)雜、功能和應(yīng)用需求較特殊，在一些特定背景下，有很好的應(yīng)用前景?？刂葡到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和容錯(cuò)能力的進(jìn)一步提升將有助于拓寬該類電機(jī)的應(yīng)用范圍。

[1] Chau K T, Chan C C, Liu Chunhua. Overview of permanent-magnet brushless drives for electric and hybrid electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55(6): 2246-2257.

[2] Zhang Xiaowu, Li C T, Kum D, et al. Prius(+) and volt(?): configuration analysis of power-split hybrid vehicles with a single planetary gear[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2012, 61(8): 3544-3552.

[3] Zhao Zhiguo, Tang Peng, Li Haodi. Generation, screening, and optimization of powertrain configurations for power-split hybrid electric vehicle: a comprehensive overview[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2022, 8(1): 325-344.

[4] Pei Huanxin, Hu Xiaosong, Yang Yalian, et al. Designing multi-mode power split hybrid electric vehicles using the hierarchical topological graph theory[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2020, 69(7): 7159-7171.

[5] 徐奇?zhèn)? 孫靜, 楊云, 等. 用于混合動(dòng)力車的復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(增刊1): 126-135.

Xu Qiwei, Sun Jing, Yang Yun, et al. Electromagnetic optimization design of compound-structure permanent-magnet motor for hybrid electric vehicle[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(S1): 126-135.

[6] Cheng Ming, Han Peng, Buja G, et al. Emerging multiport electrical machines and systems: past developments, current challenges, and future prospects[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, 65(7): 5422-5435.

[7] 黃海林, 李大偉, 曲榮海, 等. 磁齒輪復(fù)合永磁電機(jī)拓?fù)浼皯?yīng)用綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(6): 1381-1397.

Huang Hailin, Li Dawei, Qu Ronghai, et al. A review of magnetic geared machines: topologies and applications[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(6): 1381-1397.

[8] Eriksson S, Sadarangani C. A four-quadrant HEV drive system[C]//Proceedings IEEE 56th Vehicular Technology Conference, Vancouver, BC, Canada, 2002: 1510-1514.

[9] Nordlund E, Eriksson S. Test and verification of a four-quadrant transducer for HEV applications[C]// 2005 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Chicago, IL, USA, 2005: 5.

[10] Zheng Ping, Liu Ranran, Thelin P, et al. Research on the cooling system of a 4QT prototype machine used for HEV[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2008, 23(1): 61-67.

[11] Sun Xikai, Cheng Ming. Thermal analysis and cooling system design of dual mechanical port machine for wind power application[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(5): 1724-1733.

[12] Xu Longya. A new breed of electric machines - basic analysis and applications of dual mechanical port electric machines[C]//2005 International Conference on Electrical Machines and Systems, Nanjing, China, 2005: 24-31.

[13] Xu Longya. Dual-mechanical-port electric machines-concept and application of a new electric[J]. IEEE Industry Applications Magazine, 2009, 15(4): 44-51.

[14] Zhang Zhiwei, Zhang Changgeng. Rare earth-free dual mechanical port machine with spoke-type PM outer-rotor for electric variable transmission system[C]//2019 22nd International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Harbin, China, 2019: 1-5.

[15] Zhang Zhiwei. Analysis of a rare earth-free dual mechanical port machine with PM-assisted reluctance rotor for hybrid electric vehicles[C]//2019 IEEE International Electric Machines & Drives Conference, San Diego, CA, USA, 2019: 965-969.

[16] Hoeijmakers M J, Rondel M. The electrical variable transmission in a city bus[C]//2004 IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference, Aachen, Germany, 2004: 2773-2778.

[17] Hoeijmakers M J, Ferreira J A. The electric variable transmission[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2006, 42(4): 1092-1100.

[18] 黃文祥, 張千帆, 崔淑梅, 等. 感應(yīng)式電氣變速器的電磁耦合與解耦控制[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2011, 15(5): 16-21.

Huang Wenxiang, Zhang Qianfan, Cui Shumei, et al. Induction type electrical variable transmission's electromagnetic coupling and its decoupling control[J]. Electric Machines and Control, 2011, 15(5): 16-21.

[19] Druant J, Vansompel H, de Belie F, et al. Torque analysis on a double rotor electrical variable transmission with hybrid excitation[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(1): 60-68.

[20] Cui Shumei, Yuan Yongjie, Wang Tiecheng. Research on switched reluctance double-rotor motor used for hybrid electric vehicle[C]//2008 International Conference on Electrical Machines and Systems, Wuhan, China, 2008: 3393-3396.

[21] 韓守亮. 用于傳動(dòng)系統(tǒng)的開關(guān)磁阻式雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的基礎(chǔ)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2007.

[22] 陳云云, 全力, 朱孝勇, 等. 新型定子永磁式雙轉(zhuǎn)子電機(jī)運(yùn)行模式分析與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(33): 5895-5901.

Chen Yunyun, Quan Li, Zhu Xiaoyong, et al. Analysis and experimental study on operational modes of a novel stator-permanent-magnet double-rotor motor[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(33): 5895-5901.

[23] 劉修福, 全力, 朱孝勇, 等. 混合動(dòng)力汽車用新型磁通切換雙轉(zhuǎn)子電機(jī)性能分析[J]. 微特電機(jī), 2013, 41(1): 20-23, 53.

Liu Xiufu, Quan Li, Zhu Xiaoyong, et al. Characteristics analysis of a novel flux switching dual rotor motor used for hybrid electrics vehicles[J]. Small ＆ Special Electrical Machines, 2013, 41(1): 20-23, 53.

[24] Fan Tao, Wen Xuhui, Chen Jingwei, et al. Permanent magnet dual mechanical port machine design for hybrid electric vehicle application[C]//2008 IEEE International Conference on Industrial Technology, Chengdu, China, 2008: 1-5.

[25] 陳驍, 黃聲華, 萬山明, 等. 無刷雙饋雙機(jī)械端口電機(jī)原理及數(shù)學(xué)建模[J]. 微電機(jī), 2009, 42(12): 5-8, 33.

Chen Xiao, Huang Shenghua, Wan Shanming, et al. Principle and mathematic model of the brushless doubly-fed electrical variable transmission[J]. Micromotors, 2009, 42(12): 5-8, 33.

[26] 吳健瑜, 羅玉濤, 黃向東. 電磁耦合無級(jí)變速器溫度場(chǎng)分析與冷卻方法研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2011, 22(8): 887-891.

Wu Jianyu, Luo Yutao, Huang Xiangdong. Study on thermal field and cooling method of electromagnetic continuously variable transmission[J]. China Mechanical Engineering, 2011, 22(8): 887-891.

[27] Atallah K, Howe D. A novel high-performance magnetic gear[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2001, 37(4): 2844-2846.

[28] Wang Jiabin, Atallah K, Carvley S D. A magnetic continuously variable transmission device[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2011, 47(10): 2815-2818.

[29] Atallah K, Wang Jiabin, Calverley S D, et al. Design and operation of a magnetic continuously variable transmission[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2012, 48(4): 1288-1295.

[30] 白金剛. 混合動(dòng)力汽車用徑向磁場(chǎng)調(diào)制型無刷雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2015.

[31] Bai Jingang, Zheng Ping, Tong Chengde, et al. Characteristic analysis and verification of the magnetic-field-modulated brushless double-rotor machine[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(7): 4023-4033.

[32] Bai Jingang, Liu Jiaqi, Zheng Ping, et al. Design and analysis of a magnetic-field modulated brushless double-rotor machine—part I: pole pair combination of stator, PM rotor and magnetic blocks[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(4): 2540-2549.

[33] Bai Jingang, Liu Jiaqi, Liu Guopeng, et al. Investigation of the power factor of magnetic-field modulated brushless double-rotor machine[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2021, 36(1): 423-432.

[34] Bai Jingang, Liu Jiaqi, Zheng Ping, et al. Design and analysis of a magnetic-field modulated brushless double-rotor machine—part I: pole pair combination of stator, PM rotor and magnetic blocks[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(4): 2540-2549.

[35] Bai Jinggang, Zheng Ping, Cheng Luming, et al. A new magnetic-field-modulated brushless double-rotor machine[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2015, 51(11): 8112104..

[36] Sun Le, Cheng Ming, Jia Hongyun. Analysis of a novel magnetic-geared dual-rotor motor with complementary structure[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(11): 6737-6747.

[37] Sun Wei, Li Qiang, Sun Le, et al. Development and investigation of novel axial-field dual-rotor segmented switched reluctance machine[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2021, 7(2): 754-765.

[38] Chmelicek P, Calverley S, Dragan R S, et al. Dual rotor magnetically geared power split device for hybrid electric vehicles[C]//2017 IEEE International Electric Machines and Drives Conference, Miami, FL, USA, 2017: 1-6.

[39] Bai Jingang, Liu Yong, Tong Chengde, et al. Investigation into a magnetic-field-modulated brushless double-rotor machine with the high-strength and low-loss modulating ring rotor[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2016, 52(7): 1-4.

[40] Wang Mingqiao, Tong Chengde, Song Zhiyi, et al. Performance analysis of an axial magnetic-field-modulated brushless double-rotor machine for hybrid electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(1): 806-817.

[41] Jian Linni, Chau K T. Design and analysis of a magnetic-geared electronic-continuously variable transmission system using finite element method[J]. Progress in Electromagnetics Research, 2010, 107: 47-61.

[42] Jian Linni, Xu Guoqing, Wu Yuanyuan, et al. A novel power-train using coaxial magnetic gear for power-split hybrid electric vehicles[C]//2011 International Conference on Electrical Machines and Systems, Beijing, China, 2011: 1-6.

[43] Niu Shuangxia, Ho S L, Fu W N. A novel double-stator double-rotor brushless electrical continuously variable transmission system[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2013, 49(7): 3909-3912.

[44] Liu Yulong, Niu Shuangxia, Fu Weinong. Design of an electrical continuously variable transmission based wind energy conversion system[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 63(11): 6745-6755.

[45] Wang Yunchong, Niu Shuangxia, Fu Weinong. Electrical-continuously variable transmission system based on doubly fed flux-bidirectional modulation[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(4): 2722-2731.

[46] Wang Yunchong, Niu Shuangxia, Fu Weinong. Sensitivity analysis and optimal design of a dual mechanical port bidirectional flux-modulated machine[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2018, 65(1): 211-220.

[47] Li Dawei, Qu Ronghai, Ren Xiang, et al. Brushless dual-electrical-port, dual mechanical port machines based on the flux modulation principle[C]//2016 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Milwaukee, WI, USA, 2016: 1-8.

[48] Ren Xiang, Li Dawei, Qu Ronghai, et al. A brushless dual-mechanical-port dual-electrical-port machine with spoke array magnets in flux modulator[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2017, 53(11): 1-6.

[49] Ren Xiang, Li Dawei, Qu Ronghai, et al. Analysis of spoke-type brushless dual-electrical-port dual-mechanical-port machine with decoupled windings[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(8): 6128-6140.

[50] Liang Ziyi, Ren Xiang, Li Dawei, et al. Analysis of a spoke-array brushless dual-electrical-port dual-mechanical-port machine with reluctance rotor[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2021, 68(4): 2999-3011.

[51] Xu Lingya, Zhang Yuan, Wen Xuhui. Multioperational modes and control strategies of dual-mechanical-port machine for hybrid electrical vehicles[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2009, 45(2): 747-755.

[52] Erik N. The four-quadrant transducer system for hybrid electric vehicles[D]. Stockholm: Royal Institute of Technology, 2005.

[53] Du Jinhua, Xue Yuntian, Liu Quanwei, et al. Improved analytical model for inductance calculations of a dual-rotor permanent magnet reluctance machine based on magnetic networks[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, 54(6): 5822-5832.

[54] Du Jinhua, Xue Yuntian, Yang Xintuan. Modeling and inner–outer decoupling of dual-rotor machines for continuous variable transmission systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(11): 8472-8483.

[55] 龐珽, 陳驍, 黃聲華, 等. 電無級(jí)變速器的內(nèi)燃機(jī)最佳效率控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 26(6): 26-32.

Pang Ting, Chen Xiao, Huang Shenghua, et al. ICE optimal efficiency control of electrical variable transmission[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(6): 26-32.

[56] Cheng Yuan, Cui Shumei, Song Liwei, et al. The study of the operation modes and control strategies of an advanced electromechanical converter for automobiles[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2007, 43(1): 430-433.

[57] Cheng Yuan, Trigui R, Espanet C, et al. Specifications and design of a PM electric variable transmission for Toyota prius II[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2011, 60(9): 4106-4114.

[58] 徐奇?zhèn)? 宋立偉, 崔淑梅, 等. 基于電氣變速器的混合動(dòng)力車中動(dòng)力分配策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 28(2): 44-54.

Xu Qiwei, Song Liwei, Cui Shumei, et al. Force distribution strategy of hybrid electric vehicle based on electric variable transmission[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(2): 44-54.

[59] Tong Chengde, Wang Mingqiao, Zheng Ping, et al. Characteristic analysis and functional validation of a brushless flux-modulated double-rotor machine for HEVs[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(1): 663-673.

[60] 佟誠(chéng)德. 電動(dòng)汽車用無刷復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.

[61] Liu Jiaqi, Tong Chengde, Jin Zengfeng, et al. Research on system control and energy management strategy of flux-modulated compound-structure permanent magnet synchronous machine[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2017, 1(2): 100-108.

[62] Luo Xiang, Niu Shuangxia, Fu W N. Design and sensorless control of a novel axial-flux permanent magnet machine for in-wheel applications[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26(7): 1-5.

[63] Han Xun, Kong Wubin, Qu Ronghai, et al. Flexible energy conversion control strategy for brushless dual-mechanical-port dual-electrical-port machine in hybrid vehicles[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(4): 3910-3920.

[64] 劉航航, 韓力. 無刷雙饋電機(jī)控制策略發(fā)展綜述[J]. 微特電機(jī), 2010, 38(6): 69-73.

Liu Hanghang, Han Li. Overview on control strategies of brushless doubly-fed machines[J]. Small ＆ Special Electrical Machines, 2010, 38(6): 69-73.

[65] 卞松江, 賀益康, 潘再平. 級(jí)聯(lián)式無刷雙饋電機(jī)的建模與仿真[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2001, 21(12): 33-37.

Bian Songjiang, He Yikang, Pan Zaiping. Modeling and simulation of the cascade brushless doubly-fed machine[J]. Proceedings of the CSEE, 2001, 21(12): 33-37.

[66] Zhu Ying, Cheng Ming, Hua Wei, et al. Dual-mode power control strategy for a new dual power flow wind power generation system[C]//2011 International Conference on Electrical Machines and Systems, Beijing, China, 2011: 1-6.

[67] Sun Xikai, Cheng Ming, Zhu Ying, et al. Application of electrical variable transmission in wind power generation system[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2013, 49(3): 1299-1307.

[68] Zhu Ying, Cheng Ming, Hua Wei, et al. Sensorless control strategy of electrical variable transmission machines for wind energy conversion systems[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2013, 49(7): 3383-3386.

[69] Niu Shuangxia, Liu Yulong, Ho S L, et al. Development of a novel brushless power split transmission system for wind power generation application[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2014, 50(11): 1-4.

[70] Luo Xiang, Niu Shuangxia. A novel contra-rotating power split transmission system for wind power generation and its dual MPPT control strategy[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(9): 6924-6935.

[71] Druant J, de Belie F, Sergeant P, et al. Field-oriented control for an induction-machine-based electrical variable transmission[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2016, 65(6): 4230-4240.

[72] De Belie F, De Brabandere E, Druant J, et al. Model based predictive torque control of an electric variable transmission for hybrid electric vehicles[C]//2016 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM), Capri, Italy, 2016: 1203-1207.

[73] Druant J, Vansompel H, de Belie F, et al. Loss identification in a double rotor electrical variable transmission[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(10): 7731-7740.

[74] Bouheraoua M, Wang Jiabin, Atallah K. Design and implementation of an observer-based state feedback controller for a pseudo direct drive[J]. IET Electric Power Applications, 2013, 7(8): 643-653.

[75] Bouheraoua M, Wang Jiabin, Atallah K. Slip recovery and prevention in pseudo direct drive permanent-magnet machines[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2015, 51(3): 2291-2299.

[76] Bouheraoua M, Wang Jiabin, Atallah K. Rotor position estimation of a pseudo direct-drive PM machine using extended Kalman filter[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2017, 53(2): 1088-1095.

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(guó)家自然科學(xué)基金（52122705，51991382）和博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃（BX20220120）資助項(xiàng)目。

2022-07-01

2022-08-07

梁子漪 女，1995年生，博士，研究方向?yàn)榇艌?chǎng)調(diào)制電機(jī)。E-mail：ziyiliang@hust.edu.cn

曲榮海 男，1969年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)與控制。E-mail：ronghaiqu@hsut.edu.cn（通信作者）

（編輯 赫蕾）