基于FSPMM的直驅(qū)型純電動汽車驅(qū)動橋設(shè)計(jì)

孫允璞， 趙永強(qiáng)， 柴新寧

(陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

基于FSPMM的直驅(qū)型純電動汽車驅(qū)動橋設(shè)計(jì)

孫允璞， 趙永強(qiáng)， 柴新寧

(陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

以一種新型開關(guān)磁通永磁電機(jī)為動力源驅(qū)動裝置，介紹了新型開關(guān)磁通永磁電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)計(jì)過程，結(jié)合汽車主減速器、差速器和電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電動汽車的直驅(qū)設(shè)計(jì)。利用有限元分析軟件對電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，對輸出特性進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的開關(guān)磁通永磁電機(jī)具有較好的魯棒性和較高的轉(zhuǎn)矩功率密度，滿足純電動汽車的運(yùn)行要求。

純電動汽車； 伺服直驅(qū)； 開關(guān)磁通永磁電機(jī)； 有限元分析

傳統(tǒng)的燃油汽車大量消耗不可再生資源，污染嚴(yán)重，使環(huán)境和能源問題日益突出。電動汽車作為一種使用可再生清潔能源的汽車，具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢，可有效緩解能源緊張、大氣污染嚴(yán)重等問題。因此以電池或超級電容為動力源，全部或部分由電機(jī)驅(qū)動的純電動車成為研究的熱點(diǎn)。各國紛紛頒布諸多優(yōu)惠政策措施，加大投資力度，積極促進(jìn)本國電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我國的眾多科研院所、高等院校和汽車生產(chǎn)廠家爭相進(jìn)行電動汽車的技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)[1-2]。

目前，純電動車的驅(qū)動方案有單個(gè)電機(jī)集中驅(qū)動、電動輪驅(qū)動和多個(gè)輪轂電機(jī)驅(qū)動。單個(gè)電機(jī)集中驅(qū)動方式的優(yōu)點(diǎn)是可借鑒成熟經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)改造周期短，容易處理電機(jī)冷卻，防震動以及電磁干擾等，缺點(diǎn)是傳動鏈長、占用空間大、傳動效率低，不能對兩側(cè)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩進(jìn)行單獨(dú)控制，影響車輛的通過性；電動輪驅(qū)動和輪轂電機(jī)驅(qū)動，這兩種方式采用電子差速代替機(jī)械差速，將方向盤轉(zhuǎn)角信號、左右車輪轉(zhuǎn)速信號輸送到電機(jī)調(diào)速器，由電機(jī)調(diào)速器發(fā)出滿足不同行駛工況的指令，優(yōu)點(diǎn)是車輛傳動鏈短、系統(tǒng)效率高、重心降低、輕量化程度提高、穩(wěn)定性好，左右車輪分別控制提高了車輛的通過性能，但輪轂電機(jī)受輪轂尺寸的限制，使得輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)、車輛運(yùn)行控制的復(fù)雜程度都有所增加。因此設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、瞬時(shí)動力性好、控制簡易的純電動車驅(qū)動系統(tǒng)成為目前研究的熱點(diǎn)，而驅(qū)動電機(jī)作為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的核心，其性能參數(shù)直接影響電動汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性及續(xù)駛里程[3-4]。

開關(guān)磁通永磁電機(jī)(Flux Switching Permanent Magnet Motor，F(xiàn)SPMM)是一種按照“磁通切換原理”工作的新型高性能寬調(diào)速電機(jī)，電機(jī)繞組和永磁體都安裝于定子，定、轉(zhuǎn)子均采用凸齒結(jié)構(gòu)，結(jié)合了永磁電機(jī)和磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有能量密度高和結(jié)構(gòu)簡單可靠等優(yōu)點(diǎn)，成為純電動車驅(qū)動系統(tǒng)理想的動力轉(zhuǎn)換裝置，但是也存在永磁用量大、聚磁效應(yīng)容易導(dǎo)致磁飽和的問題[5]。

目前，對于FSPMM的研究還沒有成熟的設(shè)計(jì)理論可供參考，結(jié)構(gòu)上還需更深入的探索，針對不同F(xiàn)SPMM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的電磁性能、轉(zhuǎn)矩特性、電磁感應(yīng)特性等性能也有明顯區(qū)別。因此，筆者擬設(shè)計(jì)一種基于純電動汽車直驅(qū)系統(tǒng)的新型FSPMM，實(shí)現(xiàn)FSPMM和直驅(qū)型純電動車驅(qū)動裝置合理匹配，推動純電動汽車技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

1 直驅(qū)型純電動車的設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

為提高電動汽車的續(xù)駛里程、傳動效率、高扭矩等性能要求，汽車的輕量化、簡結(jié)構(gòu)、短傳動成為純電動汽車的發(fā)展方向，直驅(qū)型純電動車的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中M為電動機(jī)，R為減速機(jī)構(gòu)，D為差速器。

圖1 純電動車的總體結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步提高電動汽車機(jī)械傳動效率，減輕汽車質(zhì)量，采用單個(gè)電機(jī)驅(qū)動方式，在傳動系中取消變速器、離合器和傳動軸；為降低純電動車控制難度，保持汽車兩個(gè)驅(qū)動輪之間的差速功能，在驅(qū)動橋中保留了差速器；為了提高電機(jī)的啟動性能和低速運(yùn)行性能，在傳動系中保留了主減速器。

1.2 直驅(qū)型純電動車的基本參數(shù)

以某型號純電動車為參考對象，電動車的基本參數(shù)如表1所示[6]，為了充分利用現(xiàn)有汽車的底盤和部分傳動部件，同時(shí)保持原有汽車設(shè)計(jì)參數(shù)的一致性，在充分考慮純電動車的動力性能和行駛續(xù)駛里程的情況下，以此設(shè)計(jì)電動車的驅(qū)動電機(jī)輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩。

表1 整車基本參數(shù)

1.3 直驅(qū)型純電動車的驅(qū)動裝置

為了進(jìn)一步減輕電動車質(zhì)量、提高汽車傳動效率，設(shè)計(jì)如圖2所示的直驅(qū)型純電動車的驅(qū)動裝置。驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)集中在三個(gè)方面：一是主減速器采用行星輪減速機(jī)構(gòu)傳動，太陽輪作為輸入元件與電機(jī)軸加工成一體，行星輪作為惰輪用于傳遞運(yùn)動，齒圈安裝在差速器外殼將運(yùn)動輸出；二是電機(jī)的殼體與差速器外端蓋之間采用法蘭連接，將行星架固定于差速器外端蓋；三是旋轉(zhuǎn)變壓器直接同軸安裝在電機(jī)軸的另一端，用于實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)動狀態(tài)。通過以上幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)，將驅(qū)動電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)及差速器同軸線高度集成在一起，使得整個(gè)驅(qū)動裝置的軸向尺寸和傳動路線大幅縮減，各傳動部件之間的摩擦減少，機(jī)械傳動效率明顯提高。同時(shí)，為滿足純電動汽車驅(qū)動橋小結(jié)構(gòu)尺寸、大功率密度、低速高轉(zhuǎn)矩的基本要求，本文的驅(qū)動裝置中采用新型永磁電動機(jī)，在滿足純電動汽車基本行駛要求的前提下，使整個(gè)驅(qū)動橋體積和結(jié)構(gòu)尺寸明顯減小，驅(qū)動裝置安裝靈活度以及驅(qū)動橋與地面間隙明顯加大，純電動汽車的通過性得到明顯提高，更加適合運(yùn)行于復(fù)雜多變的路面。直驅(qū)型純電動車的驅(qū)動裝置中保留機(jī)械差速器機(jī)構(gòu)，降低純電動車在行駛過程的控制難度，同時(shí)也保留行星輪系減速機(jī)構(gòu)，提高純電動車低速行駛時(shí)的動力性能。

圖2 直驅(qū)型純電動車的驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)圖

2 FSPMM設(shè)計(jì)

2.1 FSPMM原理

FSPMM中永磁體和繞組線圈都鑲嵌在定子中，電機(jī)的工作過程是按照磁通切換的原理進(jìn)行。將電機(jī)定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯展開，利用展開模型詳述電機(jī)工作過程中的磁通切換過程。如圖3所示，線圈繞組的匝鏈磁通方向：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動到如圖3(a)所示位置Ⅰ時(shí)，從線圈經(jīng)過定子鐵芯到轉(zhuǎn)子鐵芯；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動到如圖3(b)所示的位置Ⅱ時(shí)，從轉(zhuǎn)子鐵芯經(jīng)過定子鐵芯進(jìn)入線圈繞組。在電機(jī)轉(zhuǎn)子從位置Ⅰ到位置Ⅱ的運(yùn)動過程中，線圈繞組的匝鏈磁通方向相反、大小相等。

(a)位置I (b)位置Ⅱ 圖3 FSPMM磁通切換原理圖

圖4 FSPMM結(jié)構(gòu)圖

對于FSPMM，定子繞組中永磁磁鏈均為雙極性，電機(jī)定子所形成的永磁磁鏈按照理想的正弦變化，而繞組中的反電動勢也是理想的正弦波。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子凸極接近定子A1極齒任意一齒時(shí)，定子A1極線圈中將產(chǎn)生正、負(fù)方向相反的磁鏈。FSPMM中定子繞組磁場和永磁體磁場是并聯(lián)關(guān)系，電樞磁通沒有穿過永磁體，對永磁體工作點(diǎn)的影響較小，不會造成永磁體的不可逆退磁。因此，F(xiàn)SPMM適合做無刷交流電機(jī)進(jìn)行弱磁控制，電機(jī)的調(diào)速或伺服控制可以通過磁場的定向矢量變換實(shí)現(xiàn)[7]。

2.2 FSPMM總體結(jié)構(gòu)

直驅(qū)型純電動汽車FSPMM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示，電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子均采用雙凸極結(jié)構(gòu)形式，定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)比為12/22。

FSPMM包括轉(zhuǎn)子鐵芯、定子鐵芯、線圈繞組和永磁體。轉(zhuǎn)子鐵芯具有22個(gè)凸齒，而定子鐵芯設(shè)計(jì)由12個(gè)E型鐵芯沿圓周方向組合而成，在相鄰兩個(gè)E型鐵芯之間布置有一個(gè)矩形永磁體。永磁體的充磁方向沿圓周方向，相鄰兩個(gè)永磁體的充磁方向相反。永磁體的磁極布置形式有利于充分利用永磁體的聚磁效應(yīng)，同時(shí)減少了定子的開槽空間和永磁體體積，降低了電機(jī)的制作成本。

2.3 FSPMM主要參數(shù)設(shè)計(jì)

依據(jù)表1所示純電動汽車的整車性能參數(shù)，設(shè)計(jì)具有圖2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新型FSPMM，根據(jù)電動車的驅(qū)動要求，計(jì)算FSPMM的主要尺寸及電磁參數(shù)[8-10]。

(1)以最高車速確定電機(jī)額定功率

；

(1)

(2)確定電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩

(2)

(3)

其中，PN為額定功率，nN為額定轉(zhuǎn)速，DW為車輪直徑，MN為額定轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)式(3)計(jì)算得到FSPMM的基本性能參數(shù):額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min,額定轉(zhuǎn)矩為87.5 N·m,額定功率為5 kW。

2.4 FSPMM的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

FSPMM的定子極數(shù)Ns、轉(zhuǎn)子極數(shù)Nr和電機(jī)相數(shù)m之間的關(guān)系應(yīng)滿足

Ns=K1m，K1=1，2，3，4，…

(4)

Nr=2Ns±K2，K2=1，2。

(5)

由于所設(shè)計(jì)FSPMM的定、轉(zhuǎn)子極數(shù)Ns/Nr=12/22，因此K1=4，K2=2，F(xiàn)SPMM的繞組采用集中繞組形式，定子鐵芯設(shè)計(jì)成E型結(jié)構(gòu)，永磁體為長方體結(jié)構(gòu)周向充磁，相鄰兩個(gè)永磁體的充磁方向相反，A、B、C三相繞組間隔以雙層集中繞組的形式布置在相鄰兩個(gè)E型定子鐵芯上，電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯為22個(gè)凸齒的整體結(jié)構(gòu)[10]。

本文設(shè)計(jì)一種5 kW的12/22極結(jié)構(gòu)開關(guān)磁通永磁電機(jī)，電機(jī)尺寸包括定子外徑Dso和電樞鐵芯長度La，設(shè)計(jì)所需相關(guān)參數(shù)見表2，確定電機(jī)尺寸公式為：

(6)

圖5 FSPMM的基本尺寸

Dro=KsioDso，

(7)

Dsi=Dro+2g，

(8)

La=λDso，

(9)

D=(0.4～0.5)Dr0。

(10)

參考現(xiàn)有同類型U型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)，由于FSPMM和直流永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)相似，因此，可以采用類比法確定開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)的定子齒寬度ts、轉(zhuǎn)子齒寬度tr、永磁體磁化方向的厚度hpm、定子軛部厚度hps和槽口寬度tslot，定子鐵心外徑Dso與定子鐵心內(nèi)徑Dsi之間的關(guān)系如圖5所示，各參數(shù)之間的初始關(guān)系為：

永磁體是長度為La、寬度為bpm、厚度為hpm的長方體，其結(jié)構(gòu)尺寸和材料種類直接影響永磁體的最大去磁工作點(diǎn)以及FSPMM總磁通。為了盡可能提高電機(jī)使用壽命，在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中要盡可能避免電機(jī)工作特性對永磁體造成的不可逆退磁或局部退磁的可能。永磁體的工作點(diǎn)取決于永磁體的厚度hpm，而hpm是決定FSPMM直軸電抗的重要因素，設(shè)計(jì)時(shí)使hpm值在電機(jī)不產(chǎn)生不可逆退磁的前提下，盡可能取小些。本次FSPMM的永磁體選用燒結(jié)釹鐵硼材料，其參數(shù)如表3所示。

表2 電機(jī)參考值

表3 電機(jī)的永磁體材料參數(shù)

3 FSPMM的電磁場有限元分析

根據(jù)表4中列出的FSPMM初始結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，利用Ansoft Maxwell電磁場有限元仿真軟件建立電機(jī)參數(shù)化模型，通過改變電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、永磁體寬度、氣隙寬度等參數(shù)，優(yōu)化電機(jī)磁通量、感應(yīng)電動勢和齒槽轉(zhuǎn)矩。各部分的材料選用：電機(jī)轉(zhuǎn)子由10#鋼制成整體鐵芯模塊，電機(jī)定子由12個(gè)沿周向排列的E形鐵芯單元組成，為了便于加工和裝配，12個(gè)E形的定子鐵芯利用外圓周連接成一體，定子鐵芯選用DW350-50冷軋硅鋼片疊壓，永磁體采用牌號為N35SH的釹鐵硼；繞組材料選用2 mm2型號為QA-1/15s的銅漆包線。

表4 優(yōu)化后FSPMM的結(jié)構(gòu)尺寸

圖6 FSPMM不同位置的磁場分布圖

對FSPMM進(jìn)行瞬態(tài)場求解，以A相繞組所在的電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵芯齒和永磁體相對位置，觀察模型在其中某一轉(zhuǎn)子齒分別在磁通量為零、正的最大值、負(fù)的最大值時(shí)的磁場分布，如圖6所示[5,11]。由圖6(a)中當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極與繞組所纏繞的永磁體中心線對齊或圖6(c)中極槽中心線與繞組所纏繞的永磁體中心線對齊時(shí)，該相繞組的匝鏈磁通為零。圖6(b)中當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極凸齒與集中繞組所纏繞的其中一個(gè)齒對齊時(shí)，該相繞組匝鏈磁通達(dá)到正的最大。此外，圖6(d)中當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極凸齒與繞組所纏繞的另一個(gè)齒對齊時(shí)，該相繞組的匝鏈磁通達(dá)到負(fù)的最大，且方向與圖6(b)中相反。

對電機(jī)磁場仿真分析模型進(jìn)行負(fù)載特性分析，求解FSPMM的輸出性能參數(shù)，優(yōu)化后得到較理想的各相匝鏈磁通波形、各相感應(yīng)電動勢波形和輸出的轉(zhuǎn)矩波形，如圖7所示。

圖7 FSPMM的輸出性能有限元仿真結(jié)果

由圖可見，F(xiàn)SPMM的A、B、C三相繞組中各相匝鏈的磁通波形和各相感應(yīng)電動勢均滿足正、余弦規(guī)律，相位相隔120°。而電機(jī)在負(fù)載情況下的輸出平均力矩為85 N·m，力矩波動幅值為±4 N·m，波動幅值與平均輸出力矩的比值為4.7%。

如前所述，F(xiàn)SPMM的轉(zhuǎn)速為1500 rpm，輸入電流的頻率為550 Hz，力矩波動的幅值小且頻率高，對電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩的影響相對較小，可以滿足直驅(qū)純電動汽車的驅(qū)動要求。

4 結(jié) 論

基于FSPMM設(shè)計(jì)了一種純電動車用直驅(qū)裝置，以驅(qū)動裝置核心部件新型開關(guān)磁通永磁電機(jī)為研究目標(biāo)，通過研究開關(guān)磁通電機(jī)的工作原理和理論計(jì)算得到電機(jī)原始參數(shù)，并利用有限元分析軟件建立電機(jī)的參數(shù)化模型。以電機(jī)定子齒寬、轉(zhuǎn)子齒寬、永磁體磁化寬度、定轉(zhuǎn)子間隙等參數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化永磁開關(guān)磁通電機(jī)的磁通量、感應(yīng)電動勢、輸出轉(zhuǎn)矩等性能參數(shù)。優(yōu)化后的磁通量和感應(yīng)電動勢波形均為理想正弦波形，并且最大值均沒超過最大限值，符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)齒槽轉(zhuǎn)矩波動明顯降低，提高了電機(jī)效率利用率，降低了電機(jī)工作噪音。最終優(yōu)化后的電機(jī)參數(shù)為后期整個(gè)驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)匹配奠定基礎(chǔ)。

[1] 宋慧,胡驊.電動汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展(Ⅰ)[J].汽車電器,2000(1):53-57.

[2] 張文亮,武斌,李武峰,等.我國純電動汽車的發(fā)展方向及能源供給模式的探討[J].電網(wǎng)技術(shù),2009，33(4):1-5.

[3] TSENG K J,CHEN G H.Computer-aided design and analysis of direct-driven wheel motor drive[J].Power Electronics，1997,12(3):517-527.

[4] 濮卉,于新龍.電動汽車輪邊驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動方式與特點(diǎn)分析[J].汽車實(shí)用技術(shù),2012(1):31-34.

[5] 楊玉波,王寧,王秀和.E型鐵心開關(guān)磁通電機(jī)的電磁性能解析計(jì)算[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2016，20(1):67-72.

[6] 李征,周榮.電動汽車驅(qū)動電機(jī)選配方法[J].汽車工程師，2007(2):16-18.

[7] 鄧淵.開關(guān)磁通永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)與制作[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué)，2011.

[8] 吳建華.開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[9] CHEN J T,ZHU Z Q,IWASAKI S,et al.A Novel E-Core Switched-Flux Pm Brushless Ac Machine[J]. Industry Applications Ia，2011,47(3):1273-1282.

[10] 王秀和.永磁電機(jī)[M].北京:中國電力出版社，2011.

[11] HUA W,CHENG M,ZHU Z Q,et al.Analysis and Optimization of Back EMF Waveform of a Flux-Switching Permanent Magnet Motor[J].Energy Conversion，2008,23(3):727-733.

[責(zé)任編輯：李 莉]

Design and analysis of direct drive pure electric vehicle

SUN Yun-pu， ZHAO Yong-qiang， CHAI Xin-ning

(School of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000， China)

As the key part of the pure electric vehicle, the quality of the motor directly affects the driving performance of electric vehicle and driving range. Researching a new type of driving device, which is a new type of switched magnetic flux permanent magnet motor as the power source, is used to combine the planetary wheel mechanism, the differential and the motor to realize the direct drive of the electric vehicle. This paper mainly introduces the working principle of a new type of flux switching permanent magnet motor, structure parameters and design process. Finite element analysis software is used to optimize the structure parameters of the motor, and the simulation results show that the torque on the output characteristics, the power density of flux switching permanent design the magnetic motor has better robustness and higher requirements, and it is applicable to the electric vehicle running.

pure electric vehicle； motor direct driving； flux switching permanent magnet motor； finite element analysis

2096-3998(2017)04-0047-07

2017-01-28

2017-04-20

孫允璞(1989—)，男，河南省信陽市人，陜西理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡妱訖C(jī)直驅(qū)與專用汽車設(shè)計(jì)；[通信作者]趙永強(qiáng)(1976—)，男，陜西省扶風(fēng)縣人，陜西理工大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)成形技術(shù)及設(shè)備與交流伺服控制；柴新寧(1989—)，男，甘肅省酒泉市人，陜西理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)槠嚬?jié)能技術(shù)與電動汽車設(shè)計(jì)。

U469.72； TM351

A