分析感應(yīng)式電氣變速器的電磁耦合與解耦控制技術(shù)

韓麟鳳 魯金山 高申建

摘要:針對感應(yīng)式電氣變速器的電磁耦合與解耦控制技術(shù)問題,研究了耦合場具有的分布規(guī)律以及對主要參數(shù)產(chǎn)生的重要影響。利用仿真有限元對電氣變速器進行定量計算,并準(zhǔn)確把握內(nèi)外電機的自感與互感出現(xiàn)的變化范圍,根據(jù)所獲得的電感數(shù)值同時結(jié)合數(shù)學(xué)系統(tǒng)模型進行建模,研究結(jié)果表明計算變參數(shù)解耦的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞:感應(yīng)式電氣變速器電磁耦合解耦控制

中圖分類號:TM346 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)06(b)-0084-01

1 電氣變速器與磁場耦合的仿真

感應(yīng)式電器變速器的原理結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1表示的電氣變速器可以認為是徑向上的2個同心形式分布的感應(yīng)電機,在內(nèi)轉(zhuǎn)子與定子上安裝有極對數(shù)相同的三相繞組,可將其分別看成是內(nèi)外電機具備的定子,外轉(zhuǎn)子共同的內(nèi)側(cè)與外側(cè)具有相對獨立的繞組鼠籠,因此不可把電氣變速器簡單理解為感應(yīng)電機2個的互相疊加。需要適度的減小外轉(zhuǎn)子的厚度,以便能夠充分滿足汽車運用后對高功率密度提出的要求,因此當(dāng)兩個電機同時進行工作時內(nèi)轉(zhuǎn)子與定子因電流繞組出現(xiàn)的磁場多少回通過外轉(zhuǎn)子與內(nèi)外氣隙直接進入至內(nèi)轉(zhuǎn)子與定子的中心。

2 分析電感應(yīng)參數(shù)的變化

經(jīng)過研究磁場耦合對電機功能造成的影響主要是在不一樣的耦合狀況下電機電感參數(shù)會產(chǎn)生相應(yīng)的變化。分別對內(nèi)外電機的勵磁電流的大小以及二者之間的相角叉產(chǎn)生變化,經(jīng)過仿真有限元計算的獲得電機內(nèi)外各自的相電感以及互感數(shù)值,將內(nèi)外電流產(chǎn)生的相角叉的變化繪制成三維圖2,圖中提示了從上到下的各個網(wǎng)格相對應(yīng)的定力電流仿真。

定子與內(nèi)轉(zhuǎn)子的相繞組分別對其進行定義,從圖2中能夠看出勵磁正常情況下內(nèi)外機的定子與內(nèi)轉(zhuǎn)子的自感相繞組都會伴隨著電流的增加而出現(xiàn)減小,同時伴隨著兩者增大的相位角或出現(xiàn)減小的現(xiàn)象,在勵磁電流比較小時,電感稍顯降低,主要原因是初始的鐵心磁導(dǎo)率過??；觀察各自的電感值產(chǎn)生的大小,其幅值的具體變化范圍是在幾倍以內(nèi),這種特征對控制電機精準(zhǔn)度增加了一定的難度,因此電氣變速器的數(shù)學(xué)模型不應(yīng)向一般電機那樣進行簡單的線性化處理,也就是在電氣變速器的數(shù)學(xué)模型中必須要將電感參數(shù)看作是內(nèi)外勵磁電機電流同相位角差之間的變量三元函數(shù)。

3 建立電氣變速器的數(shù)學(xué)耦合模型

經(jīng)過以上分析的磁場耦合的性質(zhì),可以對分布磁鏈與之對應(yīng)的電感按照圖3實行分類。

其中Lα1、Lα2、Lα3、Lα4、分別對應(yīng)著內(nèi)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)的繞組、內(nèi)外的外轉(zhuǎn)子鼠籠以及定子繞組產(chǎn)生的相漏感；MAa、MUu是電機內(nèi)外出現(xiàn)的相互感；MUA是定子與內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組之間出現(xiàn)的互感,根據(jù)這個定義能夠?qū)﹄姍C雙籠感應(yīng)出現(xiàn)的內(nèi)外電機的定轉(zhuǎn)子的各個繞組產(chǎn)生的自感與互感進行參考。方程中每一個L都屬于一個三階方陣,因此得出電感矩陣屬于一個12×12的陣型,可以看出電氣變速器模型體系非常復(fù)雜。

內(nèi)部電機各個部件承受力對電磁轉(zhuǎn)矩進行分析。對正方向采取了逆時針,外轉(zhuǎn)子的內(nèi)外籠分量以及內(nèi)轉(zhuǎn)子,外轉(zhuǎn)子因為定子產(chǎn)生的電磁作用力使用Tros表示,內(nèi)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電磁作用力用Trori表示,這樣定子承受的外轉(zhuǎn)子的相反作用力就是Tsro=-Tros表示。

4 實驗仿真

按照以上推出的數(shù)學(xué)模型,對構(gòu)建的不同模型進行仿真對比,最終使用臺架實驗組織檢驗。內(nèi)轉(zhuǎn)子假設(shè)轉(zhuǎn)動速度恒定為零,給定的定轉(zhuǎn)移與內(nèi)轉(zhuǎn)子的繞組應(yīng)按照樣機設(shè)計額定的勵磁,通電頻率控制為50Hz,當(dāng)全部的電感依據(jù)額定實際情況進行計算給定的結(jié)果,則仿真得出的結(jié)果換成參數(shù)模型,也就是電氣變速器產(chǎn)生的電感參數(shù)利用計算有限元得出的三維數(shù)表獲取,電氣變速器的其他給定輸入同上。

這時候電機運行比較穩(wěn)定,經(jīng)過查表得出的電感分別是33.6mH、48.15mH、17.4mH,處于穩(wěn)定狀態(tài)下的電機產(chǎn)生有效的電流數(shù)值均是17.33A,相應(yīng)差值為104.4,最終電機趨于穩(wěn)定工作狀態(tài)接近于轉(zhuǎn)速1500r/min,與既定的參數(shù)相同。

5 結(jié)語

因為感應(yīng)式電氣變速器的結(jié)構(gòu)特點造成了內(nèi)部存在的磁場會因為不同的內(nèi)外電機出現(xiàn)不同的工作狀態(tài)。對其分布規(guī)律進行了詳細分析以及主要電機的參數(shù)對電感產(chǎn)生的影響,利用仿真有限元獲取了不同勵磁電流下內(nèi)外電機的相角差的情況以及電感變化下的三維數(shù)據(jù)資料。經(jīng)過計算推導(dǎo)出耦合之后的數(shù)學(xué)模型,可是因為電氣變速器的變化范圍比較大,其電感矩陣出現(xiàn)了不恒定情況。構(gòu)建了電氣變速器耦合之后的仿真模型,通過查詢數(shù)表的方式獲得電感的參數(shù)值,經(jīng)過臺架測試樣機對變參數(shù)模型的正確性進行了驗證。

參考文獻

[1] 崔淑梅,程遠,陳清泉．先進汽車電氣變速器[J]．電機技術(shù)學(xué)報,2006,21(10):112-116．