E—ECHPS系統(tǒng)的電磁離合器設(shè)計及能量轉(zhuǎn)換分析

江浩斌　徐哲　唐斌　耿國慶

摘 要：為了降低重型車輛液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering，HPS）能耗并改善高速工況轉(zhuǎn)向路感，提出一種用電磁離合器控制轉(zhuǎn)向泵的節(jié)能型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)——電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electromagnetic Clutch-Electronical Controlled Hydraulic Power Steering，E-ECHPS）。重點分析了由主、副電機及轉(zhuǎn)差功率回收裝置組成的電磁離合器的結(jié)構(gòu)和工作原理，并對電磁離合器進行了功率流分析，發(fā)現(xiàn)E-ECHPS相對于HPS具有明顯的節(jié)能性。運用Ansoft軟件建立了某重型車輛E-ECHPS的電磁離合器主、副電機仿真模型，并設(shè)計了主電機的外電路和副電機的驅(qū)動電路，對典型車速轉(zhuǎn)向和直行工況下的電磁離合器進行仿真分析。結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)向工況下，電磁離合器的輸出轉(zhuǎn)矩隨車速增大而減小，符合助力特性要求 ；在直行工況下，主電機回收的轉(zhuǎn)差功率大于副電機的輸入功率。電磁離合器從助力特性和能量角度均滿足E-ECHPS系統(tǒng)的工作要求。

關(guān)鍵詞：重型車輛；電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；電磁離合器；節(jié)能；能量

中圖分類號：U463.41文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.01.07

近年來，作為長途公路客運和物流運輸主力裝備的重型車輛產(chǎn)銷規(guī)?？焖僭鲩L，重型車輛的安全、節(jié)能和環(huán)保方面的新技術(shù)研究日益受到重視。目前重型車輛普遍采用HPS，HPS中的轉(zhuǎn)向泵由發(fā)動機直接驅(qū)動。在汽車行駛過程中，不管汽車是否需要轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向泵一直高速運轉(zhuǎn)，消耗了很多不必要的能量。此外，HPS的助力特性一旦設(shè)定就不能隨車速的變化而變化，難以兼顧低速時的轉(zhuǎn)向輕便性與高速時的路感及操縱穩(wěn)定性要求[1]。

本文采用電磁離合器（Electromagnetic Clutch）來控制轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，使其按車輛實際工況需要而變化，介紹了新型E-ECHPS的組成原理和轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速-流量特性。借鑒混聯(lián)式混合動力汽車中的驅(qū)動電機設(shè)計思想，設(shè)計了由主、副電機及轉(zhuǎn)差功率回收裝置組成的電磁離合器，分析了電磁離合器的結(jié)構(gòu)和工作原理，根據(jù)電磁離合器的功率輸入輸出關(guān)系，分析了E-ECHPS的節(jié)能性。運用Ansoft軟件對某重型車輛E-ECHPS電磁離合器的主、副電機進行建模，并設(shè)計了主電機的外電路和副電機的驅(qū)動電路，對典型車速下的轉(zhuǎn)向工況和直行工況進行了仿真分析，得出了電磁離合器輸出轉(zhuǎn)矩的變化情況和電功率與損耗的轉(zhuǎn)換情況。

1 E-ECHPS的系統(tǒng)組成與轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速-流量

特性

1.1 E-ECHPS的基本組成

圖1是本文介紹的采用電磁離合器控制轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的新型E-ECHPS系統(tǒng)的組成原理。E-ECHPS系統(tǒng)以傳統(tǒng)HPS為基礎(chǔ)，在發(fā)動機和轉(zhuǎn)向泵之間安裝電磁離合器，電磁離合器的輸入端與發(fā)動機相連，輸出端與轉(zhuǎn)向泵相連，電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）根據(jù)車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角信號計算電磁離合器的輸入電流，以控制轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向泵的輸出流量，實現(xiàn)E-ECHPS助力特性隨車速可變，同時減少轉(zhuǎn)向泵的無效功耗。

1.2 E-ECHPS的轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速-流量特性

圖2是E-ECHPS轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速-流量特性，nmin是維持液壓系統(tǒng)最小流量Qmin所對應(yīng)的轉(zhuǎn)向泵的最低轉(zhuǎn)速，nmax是轉(zhuǎn)向泵的最高轉(zhuǎn)速（接近發(fā)動機的怠速，此時轉(zhuǎn)向泵輸出最大流量Qmax）。車輛行駛時，通過控制電磁離合器輸入端與輸出端的轉(zhuǎn)速差，使轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速處于[nmin，nmax]范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)向泵的輸出流量控制在[Qmin，Qmax]之間，轉(zhuǎn)向泵內(nèi)就不會產(chǎn)生溢流流量，從而使轉(zhuǎn)向泵的能耗明顯降低。

2 電磁離合器結(jié)構(gòu)原理與性能分析

2.1 電磁離合器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理

圖3是本文設(shè)計的電磁離合器基本結(jié)構(gòu)組成，該結(jié)構(gòu)借鑒了混聯(lián)式混合動力汽車中的驅(qū)動電機設(shè)計思想[2]。電磁離合器包括主電機、副電機和外電路，主電機由內(nèi)、外轉(zhuǎn)子組成，副電機為直流永磁無刷電機，外電路由AC-DC逆變器、電池和控制器組成。主電機的外轉(zhuǎn)子與發(fā)動機相連，主電機的內(nèi)轉(zhuǎn)子與副電機轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)向泵輸入軸連成一體，主電機和副電機都與外電路相接。在汽車正常轉(zhuǎn)向工況下，驅(qū)動轉(zhuǎn)向泵所需的轉(zhuǎn)矩（即電磁離合器的輸出轉(zhuǎn)矩）大部分由主電機提供，少部分由副電機提供；在直行工況下，驅(qū)動轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)矩主要由副電機提供，使轉(zhuǎn)向泵處于最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速狀態(tài)以維持液壓系統(tǒng)的基本壓力；在緊急轉(zhuǎn)向工況以及轉(zhuǎn)向阻力有較大波動時，副電機提供輔助轉(zhuǎn)矩以保證轉(zhuǎn)向泵的響應(yīng)敏捷性和良好的助力跟隨性，從而滿足車輛轉(zhuǎn)向操控的動態(tài)需求。外電路的作用是對主電機內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率進行回收利用，并通過控制器對主、副電機的工作狀態(tài)進行協(xié)調(diào)控制。采用分體式主、副電機結(jié)構(gòu)，可以降低主電機的勵磁電流，有利于整個結(jié)構(gòu)的散熱，提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性。

電磁離合器的工作原理是：當發(fā)動機帶著主電機外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，給主電機內(nèi)轉(zhuǎn)子的勵磁線圈通電而形成主極磁場，外轉(zhuǎn)子三相繞組感應(yīng)產(chǎn)生三相交流電并形成電樞磁場，主極磁場和電樞磁場相互作用而帶動內(nèi)轉(zhuǎn)子、副電機轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)向泵一起旋轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速總是低于發(fā)動機怠速，發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速總是大于或等于怠速，所以車輛運行時主電機的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子總是存在轉(zhuǎn)速差，而主電機外轉(zhuǎn)子上有三相繞組，因此，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率就產(chǎn)生三相交流電，經(jīng)AC-DC逆變器轉(zhuǎn)為直流電充入電池，實現(xiàn)能量的回收利用。外電路中的控制器根據(jù)實際工況要求，控制電池的輸出電流以改變主電機的勵磁電流和副電機的輸入電壓，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

2.2 E-ECHPS節(jié)能性分析

電磁離合器的功率輸入、輸出關(guān)系可用圖4表示[3]。圖中，Pout為主電機輸出的轉(zhuǎn)差功率，η1為主電機內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率的回收效率，Padd為電池輸出的補充功率，Pe1為主電機的輸入電功率，包括主電機勵磁功率、主電機鐵耗pFe1和主電機線圈的絞線銅耗pCu1，Pe2為副電機的輸入電功率，包括副電機勵磁功率、副電機鐵耗pFe2和副電機定子繞組的絞線銅耗pCu2。回收的轉(zhuǎn)差功率可以滿足主電機和副電機的輸入電功率是電磁離合器正常工作的前提，也是進行E-ECHPS節(jié)能性分析的前提。根據(jù)圖4可以對具有相同的發(fā)動機、轉(zhuǎn)向泵、液壓和機械部件的HPS與E-ECHPS的能耗進行分析。

HPS所消耗的功率P1全部由發(fā)動機提供：

。

式中，TE為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，N·m；nE為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r·min-1；TP為轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)矩，N·m。

E-ECHPS系統(tǒng)除了由發(fā)動機和電池提供輸入功率外，還可回收電磁離合器的主電機轉(zhuǎn)差功率，因此，E-ECHPS系統(tǒng)實際消耗的功率P2為

。

式中，η1為主電機內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率的回收效率；Pout為主電機輸出的轉(zhuǎn)差功率，kW；Padd為電池輸出的補充功率，kW。

對比分析式（1）和式（2）可知：在轉(zhuǎn)向工況下，由于E-ECHPS在短時間內(nèi)需要一定的電池補充功率，同時回收的轉(zhuǎn)差功率較少，所以E-ECHPS與HPS消耗的功率基本相當；在直行工況下，E-ECHPS不需要電池補充功率，回收的轉(zhuǎn)差功率較多，所以E-ECHPS所消耗的功率明顯小于HPS。由于車輛在實際運行過程中，80%以上的行駛里程都處于直行工況[4]，所以E-ECHPS的總體能耗明顯低于HPS。

3 電磁離合器建模

3.1 設(shè)計依據(jù)

本文基于某重型車輛HPS，設(shè)計了E-ECHPS中的電磁離合器。整車和轉(zhuǎn)向泵的主要參數(shù)見表1。

3.2 主電機建模及外電路設(shè)計

運用Ansoft軟件設(shè)計的主電機2D模型和外電路如圖5和圖6所示。

主電機的主要參數(shù)為：外轉(zhuǎn)子外徑Da=220 mm，

外轉(zhuǎn)子三相繞組電阻Ra=0.097 3 Ω，外轉(zhuǎn)子三相繞組漏電感L1σ=0.066 mH，外轉(zhuǎn)子內(nèi)徑D1=140 mm，內(nèi)轉(zhuǎn)子勵磁繞組電阻Rf=0.5 Ω，長度l=150 mm，極對數(shù)為3，內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量J=13.6 g·m2。主電機外電路包括外轉(zhuǎn)子上的三相繞組、三相整流電路、濾波電路和負載電阻，本文用負載電阻消耗的功率來模擬電池的回收功率。通過線圈LPhaseA、LPhaseB和LPhaseC可以把主電機的有限元模型與主電機負載電路連接起來[5]。

3.3 副電機建模及驅(qū)動電路設(shè)計

運用Ansoft所建立的副電機的2D模型如圖7所示，副電機的驅(qū)動電路如圖8所示。

副電機的主要參數(shù)為：定子外徑Da=130 mm，定子電樞電阻Rs=0.116 Ω，定子漏電感L1σ=40 μH，定子內(nèi)徑D1=80 mm，長度l=50 mm，極對數(shù)為2，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量J =1.8 g·m2。副電機的驅(qū)動電路是通過7個電壓控制（簡稱壓控）開關(guān)管和6對二極管對副電機三相繞組的輸入電壓進行控制[6]。

4 電磁離合器仿真分析

4.1 轉(zhuǎn)向工況

車輛轉(zhuǎn)向時，E-ECHPS的轉(zhuǎn)向泵助力轉(zhuǎn)矩TP應(yīng)隨車速變化而變化，由于轉(zhuǎn)向泵助力轉(zhuǎn)矩TP等于電磁離合器的輸出轉(zhuǎn)矩Te（即主、副電機的電磁轉(zhuǎn)矩之和），故對5種代表性車速工況的電磁離合器輸出轉(zhuǎn)矩Te進行仿真，以驗證E-ECHPS的助力特性是否符合要求。

根據(jù)表1中的參數(shù)，5種車速工況的仿真參數(shù)和結(jié)果列于表2中，v為車速，U2為副電機輸入電壓，If為主電機勵磁電流。

由圖9可知，隨著車速提高，電磁離合器的輸出轉(zhuǎn)矩逐漸減小，符合E-ECHPS轉(zhuǎn)向助力隨車速變化的要求。表2中不同車速下的電磁離合器輸出轉(zhuǎn)矩Te仿真結(jié)果與轉(zhuǎn)向泵助力轉(zhuǎn)矩TP目標值基本一致，說明所建的電磁離合器仿真模型具有較高的精度，可實現(xiàn)不同車速下的助力特性。圖9顯示，隨著車速逐漸增大，電磁離合器的輸出轉(zhuǎn)矩達到穩(wěn)定值所需的時間（即響應(yīng)時間）也逐漸增多，這是由初始轉(zhuǎn)速差增大所導(dǎo)致的。顯然，車速為80 km/h時電磁離合器的響應(yīng)時間低于0.2 s，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力響應(yīng)敏捷性影響不大。圖9中輸出轉(zhuǎn)矩的波動是由于電磁離合器主電機三相繞組中存在高次諧波電動勢，從而產(chǎn)生了諧波轉(zhuǎn)矩。通過以下方法可以較好地消除或削弱諧波轉(zhuǎn)矩：三相繞組采用星形聯(lián)結(jié)和短距繞組，主電機采用斜槽來削弱諧波轉(zhuǎn)矩[7]。

4.2 直行工況

直行工況下，E-ECHPS相對于HPS更節(jié)能，是基于電磁離合器回收的轉(zhuǎn)差功率能滿足主電機的損耗和副電機的輸入電功率，主電機的勵磁功率較小，可由電池輸出的補充功率提供。本文利用Ansoft軟件對40 km/h典型車速下直行工況的電磁離合器進行二維瞬態(tài)磁場仿真，來分析直行工況下電磁離合器的電功率和損耗。表3是3種典型車速下直行工況的仿真參數(shù)，表中nE為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，nP為轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速，仿真時間設(shè)置為0.5 s，仿真過程中不考慮渦流損耗。

4.2.1 主電機仿真結(jié)果

三相繞組輸出電壓為相電壓，電流表檢測的電流為相電流。由圖10可知，相電壓有效值U為9.12 V，相電流有效值I為6.08 A。圖11是三相繞組中A相繞組輸出電壓和電流在3個周期內(nèi)的變化曲線，可求出相電壓與相電流之間的相位差φ為6°。根據(jù)式（3），可求出主電機輸出的轉(zhuǎn)差功率Pout[8]：

。

圖12是負載電阻電壓和電流波形，從圖中可以看出，經(jīng)過三相整流電路后，負載電阻兩端的電壓和流過的電流均變?yōu)橹绷麟妷汉椭绷麟?，且幅值波動很小，有利于電能的回收?/p>

利用圖12中的數(shù)據(jù)，可求出電壓UR1為11.4 V，電流IR1為8.18 A，根據(jù)式（4）可求出消耗在負載電阻上的電能，即回收的轉(zhuǎn)差功率PR1 [9]：

。

利用計算得到的主電機輸出的轉(zhuǎn)差功率Pout和回收的轉(zhuǎn)差功率PR1，就可以求出轉(zhuǎn)差功率的回收效率η1：

。

圖13是主電機鐵耗和線圈的絞線銅耗圖。從圖中可以看出鐵耗較小，且明顯小于銅耗，這是由于主電機內(nèi)、外轉(zhuǎn)子部分均采用薄硅鋼片疊壓而成，最大限度地降低了主電機的鐵耗。利用圖13中的數(shù)據(jù)可以求得鐵耗pFe1為2.1 W，銅耗pCu1為10.2 W。

4.2.2 副電機仿真結(jié)果

圖14是副電機A相電流波形，電流波形有波動，主要是由以下兩方面的原因造成[10]：

（1）副電機定子齒槽引起的齒諧波電動勢，工程中用定子斜槽可以有效地消除齒諧波電動勢。

（2）假定副電機本身的氣隙磁場為理想梯形波，而且反電動勢和磁感應(yīng)強度分布一致，由于副電機繞組存在電感，A相電流不可以突變，導(dǎo)致A相繞組電流只能近似地按照梯形波變化，因此無法保證A相電流波形為理想的梯形波。

根據(jù)圖14中的數(shù)據(jù)，可以求出A相電流的均值IPhA=4.2 A，由設(shè)計依據(jù)可知，在40 km/h車速直行工況下，副電機的輸入電壓U2=18 V，再利用式（6）可求出副電機的輸入電功率Pe2：

。

圖15是副電機鐵耗和銅耗曲線，從圖中數(shù)據(jù)可以求出鐵耗pFe2為2.3 W，銅耗pCu2為2.4 W。

4.2.3 三種典型車速下的仿真結(jié)果

由于10 km/h和80 km/h兩種車速下直行工況的仿真方法與40 km/h車速下的相同，因此根據(jù)以上的仿真方法，可以求出這兩種典型車速下的主要功耗，包括：主電機回收的轉(zhuǎn)差功率、副電機輸入電功率、主電機鐵耗和銅耗、副電機鐵耗和銅耗。求出的功耗列于表4中。

由表4可以看出，在3種車速下，主電機回收的轉(zhuǎn)差功率η1Pout均大于鐵耗和銅耗，副電機的輸入電功率也均大于鐵耗和銅耗。在10 km/h車速下，主電機輸出的電功率（即回收的轉(zhuǎn)差功率）略小于副電機的輸入電功率，這是因為低速直行工況時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低，可回收的轉(zhuǎn)差功率較小，此時電池輸出的補充功率可以進行補償；在40 km/h和80 km/h車速下，主電機輸出的電功率均大于副電機的輸入電功率，保證了整個電磁離合器在中高速直行工況下的正常運行。

5 結(jié)論

（1）在已知E-ECHPS系統(tǒng)組成方案和轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速-流量特的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種適用于E-ECHPS系統(tǒng)的電磁離合器。

（2）在分析電磁離合器結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，對E-ECHPS系統(tǒng)的節(jié)能性進行了分析，運用Ansoft軟件建立了電磁離合器的主、副電機模型，并設(shè)計了相應(yīng)的電路。

（3）對5種典型車速轉(zhuǎn)向工況下的電磁離合器進行了仿真和計算，表明所建立的電磁離合器模型精度較高，電磁離合器可滿足E-ECHPS系統(tǒng)的助力要求并且可實現(xiàn)隨車速可變的助力特性。

（4）對3種典型車速直行工況下的電磁離合器進行了仿真和計算，對比分析了主、副電機的電功率和損耗。仿真結(jié)果表明所設(shè)計的電磁離合器的合理性，也驗證了E-ECHPS系統(tǒng)相對于HPS系統(tǒng)的節(jié)能性。