起动/发电一体化电机发展与研究概述

马飞鸿，周士贵，于 辉

(曲阜师范大学 工学院，日照 276800)

0 引 言

起动/发电一体化电机，顾名思义，通过电力电子变换装置控制电机的能量转换，从而将起动机与发电机的功能集成为一体，由一台电机实现起动和发电两种功能[1]。采用起动/发电一体化电机可以大大减少电气系统的机械部件数量，减小机载体积，并减轻系统质量。

早在20世纪30年代，德国人就提出将电机的起动功能与发电功能结合，但受制于当时电机本体、电机控制等技术条件限制，未能实现。直到1997年，德国大陆公司研制出起动/发电一体机，并将其安装在轿车上进行试验，展现出了起动/发电一体机性能的优越性。直至今日，起动/发电一体化电机已经在交通、能源等领域得到广泛应用。其中，起动/发电一体化电机在混合动力汽车领域应用最早并且技术最成熟。

考虑到起动/发电一体化电机的应用场合，其要具有以下要求：电机能够实现频繁起动、停止和加速、减速，具有较宽的调速范围，较高的过载系数，较小的体积和质量，较高的可靠性，运行时较低的噪声，以及较低的制造成本。

本文回顾总结了近年来国内外学者在起动/发电一体化电机中所进行的研究。从其主要应用领域——新能源汽车、摩托车、航空等领域出发，归纳其不同拓扑结构，对比其性能特点，总结其研究现状和关键问题，最后探讨起动/发电一体化电机未来的发展方向。

1 起动/发电一体化系统工作原理

起动/发电一体化系统的结构如图1所示，系统主要由起动/发电一体化电机、发动机、控制器三部分组成[2]。其中起动/发电一体化电机与发动机同轴连接，通过控制功率变换器的工作状态，实现电机与电池之间的能量流动[3]。

图1 起动/发电一体化系统结构图

由图1可知，起动/发电一体化系统的设计思路是基于电机的可逆原理[4]，即电机既可以作为电动机工作，也可以作为发电机工作。当需要起动发动机时，发动机作为负载，起动/发电一体化电机作为电动机工作，其消耗蓄电池中的电能并将其转换为机械能，带动发动机进行工作。当发动机转速达到某一定值后，发动机能够自行点火运行，实现起动；当起动完成后，发动机转为原动机，起动/发电一体化电机从起动状态转为发电状态，作为发电机工作，发动机带动起动/发电一体化电机运行，将机械能转化为电能，通过功率变换器进行整流、稳压给蓄电池充电[5]。

2 起动/发电一体化电机种类

在起动/发电一体化系统中，电机是整个系统的关键，其与系统控制策略的复杂性、系统的效率以及系统的经济性息息相关。国内外研究人员针对具体工程应用中的需求，提出了多种可以作为起动/发电一体化电机应用的电机，大体上分为永磁电机、感应电机、开关磁阻电机、爪极式电机，这些电机各有优缺点，性能比较如表1所示。

表1 几种电机性能比较

2.1 永磁电机

近50年来，随着高性能永磁体器件、现代控制技术和高磁能永磁材料的发展，国内外掀起了对永磁无刷电机研究的热潮，永磁无刷电机因其结构简单、运行稳定和高效率的特点在多种领域得到广泛应用。永磁无刷电机使用电子换相器取代了电刷和机械换向器，采用永磁材料作为转子，在定子上放置电枢绕组[6]。

文献[7]中基于混合动力无人机应用背景，介绍了一种永磁无刷起动/发电一体化电机。为使无人机质量最小化，电机采用外转子12槽14极结构。为减小电磁转矩波动并获得最小起动转矩，对12槽14极电机进行优化。采取增加定子槽数和永磁体极数的措施，设计出24槽20极永磁无刷电机，如图2所示。

图2 24槽20极永磁无刷电机结构

永磁电机因具有高功率密度和高工作效率的优点，适用于汽车、舰船以及航空领域的起动/发电一体化系统中，能够节约燃油使用、减少废气排放、优化能源结构。但是永磁体受温度和机械应力的影响较大，增加了控制策略的复杂性。其起动/发电模式下工作稳定性需进一步提高，且永磁体磁通不可调，因此混合励磁电机是其重要的优化发展方向之一。

2.2 开关磁阻电机

开关磁阻电机的定子与转子都是凸极结构，均由导磁材料叠压而成，定转子叠片如图3所示，转子上没有绕组和磁钢，定子上绕有集中绕组[8]。开关磁阻电机与传统电机相比，其结构简单且坚固、维护容易、制造成本低廉[9]，因此开关磁阻起动/发电一体化电机目前是国内外的研究热点[10]。

图3 定转子叠片

文献[11]设计了应用于无人机起动/发电一体化系统上的四相16/12极开关磁阻电机，并通过实验验证其具有低速大转矩起动和高速宽范围恒压发电的特点，证明了其应用于无人机起动/发电一体化系统中的可行性。

开关磁阻电机结构的特殊性给其带来了工作可靠、效率高、适合高速运行以及耐高温的特点，相比其它几种电机，它更适用于多电飞机系统，与多电发动机构成内置一体化起动/ 发电机系统。

开关磁阻电机具有转矩脉动大及噪声大的缺点，为了进一步提高开关磁阻电机的性能和拓宽开关磁阻电机在起动/发电一体化系统中的应用，需要开展降低其转矩脉动的相关研究。对开关磁阻电机的定子齿进行优化是降低转矩脉动的有效手段之一。

2.3 感应电机

感应电机，又称异步电机，由定子、转子、气隙三个结构组成，其中转子又可分为笼型和绕线型两类。感应电机实物拆解图如图4所示。

图4 感应电机实物拆解图

文献[12]对多电/全电飞机应用背景下的高速感应起动/发电一体化电机进行仿真，测量得出电机转速达到4 800 r/min，输出功率可达6 000 W，可带动航空发动机点火并且自行进行工作，通过仿真分析证明了感应电机在起动/发电一体化系统中的适用性。

感应电机具有结构简单、坚固耐用、制造成本低、调速性能好、体积小等优点[13]，且其本身具有可靠性高的特点，在起动/发电一体化电机中有着较多的应用。但感应电机具有效率低的缺点，在混动汽车等领域其性能略逊于永磁同步电机。

提升工作效率是未来感应电机的发展方向，选择合适的绕组连接类型以及匹配合适的导线线径是提升感应电机效率并实现降噪的有效方法之一。

2.4 爪极电机

爪极电机，又称“Lundell”电机，因其转子铁心轴向左右配合形成两个鸟爪状的交错磁极而得名[14]。爪极电机内部结构较为简单，主要由爪极转子、定子、转轴、整流器等组成，其实物图如图5所示。

图5 爪极电机实物图

文献[15]提出了一种应用于起动/发电一体化系统的永磁爪极电机，通过对其进行电磁分析，得出作为电动机工作时，其输出功率取决于速度和永磁体厚度；作为发电机运行，输出功率随功率角的增加而增加，当转速大于3 000 r/min时电机效率降低，输出功率能达到其要求1 500 W。由此可见，爪极电机满足起动/发电一体化电机的要求。

爪极电机结构简单，且上文四种电机在输出相同电流的条件下，爪极电机拥有更小的体积及更轻的质量[16]，因此爪极电机广泛应用在汽车发电机领域。由于转子爪极间漏磁较大、功率密度不高、输出功率不高，爪极电机更适合应用于小功率场合。

3 起动/发电一体化电机优化

目前，国内外对于起动/发电一体化系统的研究还是主要集中在控制器的设计上，一体化电机结构设计优化方面的研究仍属于新兴领域，相关的文献和研究并不普遍。起动/发电一体化电机的优化以电机具有高起动转矩、高发电效率、高转矩密度为目的，本文对起动/发电一体化电机的创新优化做出了一定的总结。

3.1 绕组优化

2019年，在第四届电装科技联合东京会议上，电装株式会社的工程师提出通过特殊的绕线技术，减小起动/发电一体化电机的尺寸、质量、电能的消耗。电装株式会社提出的是一种改变绕组形状的优化方法。在传统电机产品中，绕线采用圆线。在使用圆形导线时，不可避免会出现间隙，对电机铁心槽内部而言会造成浪费，如图6所示。为解决这一问题，电装株式会社通过整齐地缠绕方线来填充槽的内部，如图7所示。采用这项技术可以增加空间系数，并确保在相同的体积下获得更高的输出。

图6 圆线图7 方线

3.2 材料优化

文献[17]从电机铁磁材料角度出发，提出用一种软磁复合材料(以下简称SMC)制作电机的定转子铁心。SMC材料由相互绝缘的金属粉末组成，如图8所示。不同于硅钢片等铁心材料经过叠压和卷绕制成，SMC 材料具有高度形状自由的特点，可以通过模压成型制造成任何形状，加工简单。且采用SMC材料的起动/发电一体化电机的涡流损耗比较小[18]，其可以在电机高频运行工作状态下较其他材料的电机发挥出自己的优势。

图8 软磁材料示意图

4 起动/发电一体化电机的应用展望

考虑到目前一体化电机的应用领域，提高一体化电机的功率密度成为其主要发展方向，实现其低速起动、高速发电已经成为国内外研究的重点，仍有很多需要解决的关键问题。

起动/发电一体化电机的发展关键在于以下几个方面：

(1)适合起动/发电一体化系统的电机种类选择和机械结构设计

起动/发电一体化电机需要具有快起动速度、大转矩、高发电功率的特点，小型化、高功率密度化是其主要发展的方向。本文对四种电机拓扑进行了比较，可以发现四种电机拓扑各有优缺点。永磁无刷电机与另外三种电机拓扑相比较，其功率密度和工作效率最高，但由于永磁体磁通不可调，工作稳定性较低，因此可以通过混合励磁的方式提高稳定性。

(2)起动/发电一体化系统的散热问题

在发动机转速允许的前提下，尽可能提高一体化电机作发电机工作时的转速是实现高功率密度的有效方法。因此可以将起动/发电一体化电机由外置式设计成集成式与发动机直接连接来提高电机转速，但由于起动/发电一体化电机与发动机紧密连接，电机工作的环境温度升高，高转速带来的铁心损耗的增加，会进一步使起动/发电一体化电机面临高温问题，因此需要采用高效、可靠的散热方式[19]。目前，常用的散热方式有风冷、液冷、蒸发冷却[20],针对起动/发电一体化电机工作特性，液冷是最合适的散热方案。在液冷散热系统的基础上建立额外高效热路可以提高系统冷却效率，是起动/发电按一体化电机散热方法的主要发展方向之一。

(3)起动/发电一体化电机的多目标综合优化

起动/发电一体化电机的设计不仅仅局限于电磁性能设计，是一个有约束、多目标、多变量以及多峰值的复杂非线性的工程实际问题[21]。它的设计既不同于电动机的设计，也不同于发电机的设计,要研究两者兼顾的设计方法,同时兼顾它的外形与结构设计,以便和发动机、传送装置构成最佳组合[22]。

5 结 语

起动/发电一体化电机用一台电机集成了起动机的起动功能和发电机的发电功能，突破传统的设计理念，其不仅可以减少电气系统的质量、减小系统的体积，还可以有效提高电气系统的可靠性，在交通、能源等领域具有广阔的应用前景，因此对于起动/发电一体化电机的研究具有重要的科学价值和意义。相关理论研究与实际应用仍有很多需要完善之处。为进一步提升起动/发电一体化电机的性能以及拓宽其应用领域，首先，需要根据应用背景选择合适的电机类型和电机结构，其次，需要研究适用于起动/发电一体化电机的高效可靠且成本低的散热方法，对起动/发电一体化电机进行多目标综合优化也极为重要。