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。
华中科技大学电气与电子工程学院的梁子漪、曲荣海、陈智、任翔、李大伟，在2022年第19期《电工技术学报》上撰文，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。
华中科技大学近年来，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。
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，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。
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。
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，u和i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，T和Ω分别表示转子的转矩和转速。
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，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教授团队在有关文献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。
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和改进型水冷系统。
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教授团队在有关文献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。
图3 外转子单层永磁体的双机电端口电机有关文献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和嵌入永磁体磁障外转子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教授团队在有关文献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。
图4 外转子感应型有刷双机电端口电机有关文献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。
有关文献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有关文献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。
图5 外转子磁阻式有刷双机电端口电机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，有关文献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。
有关文献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
