某款純電動(dòng)物流車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

黃國(guó)坪

某款純電動(dòng)物流車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

黃國(guó)坪

（廈門(mén)市福工動(dòng)力技術(shù)有限公司，福建 廈門(mén) 361100）

針對(duì)某款純電動(dòng)物流車(chē)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，從純電動(dòng)物流整車(chē)基本參數(shù)及指標(biāo)得到其驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的配置方案，并進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)及仿真分析。

純電動(dòng)物流車(chē)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)；方案設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車(chē)具有能源利用率高、無(wú)有害氣體排放等優(yōu)勢(shì)，有著廣闊的市場(chǎng)前景和巨大的發(fā)展空間。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能優(yōu)化的關(guān)鍵在于適當(dāng)設(shè)計(jì)其動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本文根據(jù)某款2.5 t純電動(dòng)物流車(chē)性能指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)方案。

1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)

1.1 整車(chē)基本參數(shù)要求

某款2.5 t純電動(dòng)物流車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)采用永磁同步電機(jī)匹配減速器方案。永磁同步電機(jī)與減速器采用花鍵聯(lián)接，通過(guò)減速器與車(chē)輛驅(qū)動(dòng)軸直接相連并驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，電池組則通過(guò)電機(jī)控制器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。電機(jī)經(jīng)過(guò)減速器，降低了輸出轉(zhuǎn)速，增大了輸出轉(zhuǎn)矩，降低了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出電流，從而降低了電機(jī)及電機(jī)控制器的體積和重量，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本進(jìn)一步下降。該車(chē)的基本參數(shù)及性能要求如下：整備質(zhì)量m為1 300 kg，滿(mǎn)載質(zhì)量M為2 500 kg，迎風(fēng)面積A為3 m2，風(fēng)阻系數(shù)CD為0.5，輪胎半徑r為301 mm，滾動(dòng)阻力系數(shù)f取0.012，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)δ取1.07，重力加速度g取9.8 m/s2，后橋主減速比i0為4.46，減速器減速比ig為1.91，傳動(dòng)效率ηT取0.9，電池電壓U為320 V（DC），最高車(chē)速u(mài)max為90 km/h，常規(guī)車(chē)速u(mài)0為40 km/h，最大爬坡度α取20%，加速時(shí)間t≤15 s（0~50 km/h）。

1.2 電機(jī)參數(shù)的計(jì)算

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩Tm、功率Pm、轉(zhuǎn)速n等參數(shù)可根據(jù)以下各式進(jìn)行計(jì)算[1-2]：

式中：ua為計(jì)算點(diǎn)的車(chē)速。

根據(jù)上述公式，電機(jī)匹配參數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 2.5 t純電動(dòng)物流車(chē)電機(jī)匹配參數(shù)

根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果分析，驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)可按照以下4點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)：

1）車(chē)輛在平路、常規(guī)車(chē)速狀態(tài)下的電機(jī)轉(zhuǎn)速確定為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，即此電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速在3 000 r/min左右。

2）車(chē)輛在平路、最高車(chē)速狀態(tài)下確定電機(jī)最高轉(zhuǎn)速和電機(jī)額定功率，即此電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速在6 760 r/min左右，額定功率約為24 kW。

3）車(chē)輛在20%爬坡度(30 km/h)滿(mǎn)載狀態(tài)下確定電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩和電機(jī)峰值功率，即此電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩約為198 N·m，峰值功率約為47 kW。

4）車(chē)輛在15 s(0~50 km/h)加速狀態(tài)下，電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩約為114 N·m，所需功率約為45 kW，分別小于前述峰值轉(zhuǎn)矩和峰值功率。

通過(guò)以上分析，所采用的永磁同步電機(jī)參數(shù)確定如下：額定電壓為220 V（AC），額定功率為25 kW，峰值功率為50 kW，額定轉(zhuǎn)矩為79.6 N·m，峰值轉(zhuǎn)矩為200 N·m，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速為6 800 r/min，最大電流≤230 A，最高效率≥94%，冷卻方式為風(fēng)冷。

1.3 電機(jī)控制器性能參數(shù)

電機(jī)控制器主要負(fù)責(zé)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的前進(jìn)、倒退，維持電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)控制器采用先進(jìn)的閉環(huán)矢量控制技術(shù)，具有轉(zhuǎn)矩控制、速度控制以及轉(zhuǎn)矩/速度切換控制等多種方式，控制精度高，響應(yīng)時(shí)間快，驅(qū)動(dòng)效率高；具有過(guò)溫、過(guò)載、相間短路、對(duì)地短路、過(guò)電流、過(guò)電壓、欠電壓、缺相、失速、工作時(shí)負(fù)載突變等即時(shí)停機(jī)的保護(hù)功能[3]。根據(jù)永磁同步電機(jī)參數(shù)選型，所配置的電機(jī)控制器主要性能參數(shù)如下：額定功率為30 kW，峰值功率為60 kW，額定輸入電流為138 A（DC），額定輸出電流為 115 A（AC），峰值輸出電流為 230 A（AC），輸出頻率范圍為0~500 Hz，輸入電壓范圍為200~400 V（DC），輸出電壓范圍為0~260 V（AC），額定驅(qū)動(dòng)效率≥98%，工作溫度范圍為-40~85℃，冷卻方式為風(fēng)冷。

1.4 電機(jī)尺寸及其零部件設(shè)計(jì)

根據(jù)電機(jī)電磁性能、整體結(jié)構(gòu)、重量和成本要求，首先確定電機(jī)的主要尺寸。電機(jī)主要尺寸是電樞直徑D和電樞長(zhǎng)度lef。其關(guān)系式如下[4]：

式中：P′為計(jì)算功率，對(duì)應(yīng)額定功率25 kW的設(shè)計(jì)值為28 kW；αp′為計(jì)算極弧系數(shù)，設(shè)計(jì)值為0.87；KNm為氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù)，當(dāng)氣隙磁場(chǎng)正弦分布時(shí)為1.11；Kdp為電樞繞組系數(shù)，設(shè)計(jì)值為0.94；A為線(xiàn)負(fù)荷，設(shè)計(jì)值為225 A/cm；Bδ1為氣隙磁密基波幅值，設(shè)計(jì)值為0.84 T；n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)值為3 000 r/min。

從式（4）中計(jì)算得到D2lef=3 317.9 cm3。考慮電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)電機(jī)的安裝空間，然后憑經(jīng)驗(yàn)選取一定的主要尺寸比lef/τ（τ為極距，設(shè)計(jì)值為5.338 cm），可得到電機(jī)的主要尺寸[5]D=13.6 cm，lef=18 cm。

本文設(shè)計(jì)采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，磁鋼按“V”型結(jié)構(gòu)放置，極數(shù)為8，永磁體牌號(hào)為N35UH。永磁體位于轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部，機(jī)械強(qiáng)度高，有利于減少電機(jī)的整體尺寸，并可以有效地提高電機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力。永磁體尺寸主要包括永磁體的軸向長(zhǎng)度LM，磁化方向長(zhǎng)度hM和寬度bM。永磁體的軸向長(zhǎng)度LM一般等于或者略小于電機(jī)鐵芯長(zhǎng)度。根據(jù)永磁同步電機(jī)相關(guān)理論，內(nèi)置徑向式永磁電機(jī)永磁體尺寸bM和hM的預(yù)估公式如下:[6]

式中:σ0為空載漏磁系數(shù)，設(shè)計(jì)值為1.28；bm0為空載下永磁體工作點(diǎn)，設(shè)計(jì)值為0.87；Br為剩余感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)值為1.14；KΦ為氣隙磁通波形系數(shù)，設(shè)計(jì)值為0.91；Ks為電機(jī)飽和系數(shù)，其值為1.05~1.3，本文取1.18；Ka為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有關(guān)系數(shù)，其值為0.7~1.2，本文取1.02；δ1為氣隙長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)值為0.7 mm。

根據(jù)式（5）和式（6）計(jì)算，得bM=40.5 mm，hM=4.42 mm。由于hM應(yīng)使電動(dòng)機(jī)的直軸電抗合理，且是永磁體最佳工作點(diǎn)；調(diào)整電動(dòng)機(jī)的性能通?？烧{(diào)整寬度bM，bM直接決定了永磁體提供磁通的面積；綜合電機(jī)性能，將計(jì)算結(jié)果調(diào)整為bM=40 mm，hM=5 mm。

本文設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)定子槽數(shù)為48,定子槽型為半開(kāi)口梨型槽，定子、轉(zhuǎn)子沖片牌號(hào)為50W360，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。定子繞組采用短距（節(jié)距5），雙層疊繞組,采用Y接法，其繞組排列方式如圖2所示。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的電磁負(fù)荷、定子槽型尺寸和槽滿(mǎn)率可以確定繞組的匝數(shù)和線(xiàn)規(guī)，電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)如下：定子外徑為210 mm，內(nèi)徑為136 mm；每槽導(dǎo)體數(shù)為8，導(dǎo)體線(xiàn)規(guī)為0.8mm,15根并繞；轉(zhuǎn)子外徑為134.6 mm，內(nèi)徑為50 mm；永磁體寬度為40 mm，厚度為5 mm；定子、轉(zhuǎn)子、永磁體長(zhǎng)度皆為180 mm。

圖1 定子槽型及尺寸示意圖

圖2 雙層疊繞組排列方式示意圖

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能仿真分析

下面通過(guò)有限元方法對(duì)電機(jī)有關(guān)性能進(jìn)行仿真分析[7-8]。

2.1 空載仿真分析

2.1.1 空載磁場(chǎng)分析

電機(jī)空載磁場(chǎng)是定子三相繞組中不通入電流，即定子電流全部賦零，僅由永磁體作用產(chǎn)生。分析空載磁場(chǎng)就是分析永磁磁極與定轉(zhuǎn)子磁路相互作用的磁場(chǎng)。通過(guò)后處理的空載磁場(chǎng)及磁力線(xiàn)分布如圖3所示，定子齒部磁密峰值為1.43 T,定子軛部磁密峰值為1.38 T。從圖3中可知，定子齒部和軛部磁密明顯小于隔磁磁橋附近的磁密，滿(mǎn)足提高電機(jī)過(guò)載能力的設(shè)計(jì)要求。

圖3 空載磁密及磁力線(xiàn)示意圖

圖4 空載氣隙磁密波形示意圖

電機(jī)氣隙是電機(jī)進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的重要區(qū)域，電機(jī)的參數(shù)、性能都以氣隙磁場(chǎng)計(jì)算為基礎(chǔ)。氣隙磁通的各分量中只有徑向磁密才是定子繞組有效匝鏈的主磁通，氣隙徑向有效磁通決定了電機(jī)的基本性能。對(duì)氣隙高度中心位置（距離軸心半徑67.65 mm）徑向磁密分布情況如圖4所示,橫坐標(biāo)距離表示氣隙軸心半徑與氣隙位置弧度的乘積。氣隙徑向磁密為平頂波分布，波頂幅值達(dá)到0.84 T，可以滿(mǎn)足空載氣隙磁場(chǎng)的磁通密度設(shè)計(jì)要求。

2.1.2 空載反電動(dòng)勢(shì)

空載反電動(dòng)勢(shì)是永磁體的空載氣隙磁密基波磁通切割電樞繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是永磁同步電機(jī)的重要參數(shù)。由于永磁體勵(lì)磁分布和繞組設(shè)計(jì)等原因，使得實(shí)際的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)含有諧波成分，從而增加電機(jī)損耗，降低效率。采用斜槽或者斜極就可以有效降低齒諧波帶來(lái)的影響?？紤]到內(nèi)置式永磁磁極加工難度大，故采取定子斜槽。在電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)斜槽后的空載反電動(dòng)勢(shì)如圖5所示，斜槽后的空載反電動(dòng)勢(shì)有效值約為219.5 V，波形正弦度更好。經(jīng)過(guò)傅里葉分解得到空載反電動(dòng)勢(shì)的諧波成分如圖6所示，基波峰值約為310.2 V,并且極大的削弱了齒諧波分量。從而使空載反電動(dòng)勢(shì)的正弦度更好，輸出轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)更小，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)就更加平穩(wěn)。

圖5 空載反電動(dòng)勢(shì)波形示意圖

圖6 空載反電動(dòng)勢(shì)傅立葉分解示意圖

2.2 負(fù)載仿真分析

2.2.1 額定負(fù)載計(jì)算

由永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)可知，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，輸出轉(zhuǎn)矩為79.6 N·m。經(jīng)過(guò)電流和內(nèi)功率因素角的若干次迭代，得到滿(mǎn)足端電壓的額定電流如圖7所示，額定電流有效值大約為70 A。額定電流對(duì)應(yīng)的額定轉(zhuǎn)矩約為80.3 N·m，如圖8所示。并且通過(guò)計(jì)算，額定工作點(diǎn)的效率約為96%，滿(mǎn)足純電動(dòng)物流車(chē)的額定工況設(shè)計(jì)要求。

圖7 額定電流波形示意圖

圖8 額定轉(zhuǎn)矩示意圖

2.2.2 峰值轉(zhuǎn)矩計(jì)算

電機(jī)過(guò)載性能是車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)。由永磁同步電機(jī)參數(shù)可知，電機(jī)過(guò)載轉(zhuǎn)矩為200 N·m，是額定轉(zhuǎn)矩的2.5倍，則至少需要通入額定電流的2.5倍以上。從仿真結(jié)果可知，在電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 300r/min時(shí)，峰值電流有效值約為220 A，如圖9所示。峰值電流對(duì)應(yīng)的峰值轉(zhuǎn)矩約為202.8 N·m，如圖10所示，可以滿(mǎn)足純電動(dòng)物流車(chē)的峰值工況設(shè)計(jì)要求。

圖9 峰值電流波形示意圖

圖10 峰值轉(zhuǎn)矩示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)2.5 t純電動(dòng)物流車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了匹配選型及設(shè)計(jì)分析。根據(jù)永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算出電機(jī)的主要尺寸、永磁體尺寸、定子繞組的連接方式和匝數(shù)。對(duì)電機(jī)的空載磁密、空載反電勢(shì)、輸出轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進(jìn)行了有限元仿真分析，結(jié)果表明永磁同步電機(jī)性能滿(mǎn)足物流車(chē)的動(dòng)力要求。

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Scheme Design of the Drive Motor System for a Pure Electric Logistic Vehicle

Huang Guoping(Xiamen Fugong Engineering Technology Co.,Ltd,Xiamen 361100，China)

Aiming at the scheme design of the drive motor system of a pure electric logistics vehicle,the configuration scheme of the drive motor system is obtained from the basic parameters and indexes of the pure electric logistics vehicle,the motor design and simulation analysis are carried out.

pure electric logistics vehicles;drive motor system;scheme design

U469.72；U463.63+1

B

1006-3331（2017）05-0019-04

黃國(guó)坪(1986-)，男，工程師；主要從事電機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用方面的工作。

修改稿日期:2017-05-31