重型車輛W-ECHPS中繞組式永磁耦合器的穩(wěn)態(tài)性能研究*

夏 磊，江浩斌，耿國慶

（江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

前言

重型車輛廣泛使用的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS），其助力特性固定不變，導(dǎo)致高速轉(zhuǎn)向路感不足，且存在轉(zhuǎn)向泵溢流損耗，造成系統(tǒng)能耗高［1-4］。為解決這些問題，電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ECHPS）應(yīng)運而生。其中，轉(zhuǎn)向泵調(diào)速式ECHPS系統(tǒng)有無級變速式、磁流變液式、電磁轉(zhuǎn)差式和永磁轉(zhuǎn)差式4種，它們都采用置于發(fā)動機與轉(zhuǎn)向泵之間的調(diào)速器控制轉(zhuǎn)向泵流量，從而實現(xiàn)隨速可變助力特性并消除轉(zhuǎn)向泵溢流損耗。就系統(tǒng)能耗而言，由于轉(zhuǎn)差功率以熱量形式耗散，無級變速式和磁流變液式ECHPS系統(tǒng)的能耗沒有明顯降低［5-6］；通過回收轉(zhuǎn)差功率，電磁轉(zhuǎn)差式ECHPS系統(tǒng)能夠降低系統(tǒng)能耗，但電磁轉(zhuǎn)差離合器工作時須持續(xù)通以勵磁電流，效率低［7］；由于轉(zhuǎn)差功率消耗在外控制電路的電阻上，永磁轉(zhuǎn)差式ECHPS系統(tǒng)的能耗也沒有明顯降低［8］。

基于上述討論，本文中提出基于繞組式永磁耦合器（WTPMC）的ECHPS系統(tǒng)（W-ECHPS），介紹W-ECHPS系統(tǒng)和WTPMC的結(jié)構(gòu)原理，確定不同行駛工況下WTPMC的運行參數(shù)，對WTPMC進行有限元仿真，以研究穩(wěn)態(tài)性能，包括電磁性能、調(diào)速器性能和轉(zhuǎn)差功率回收性能，試制WTPMC樣機并進行臺架試驗，為驗證有限元仿真的有效性，進行空載時線反電動勢、IGBT的占空比和超級電容端電壓的仿真與試驗對比。

1 系統(tǒng)描述

1.1 W-ECHPS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

圖1為W-ECHPS系統(tǒng)示意圖。W-ECHPS系統(tǒng)以HPS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，加裝了WTPMC、電子控制單元（ECU）、車速傳感器和轉(zhuǎn)向盤傳感器。WTPMC的輸入端與發(fā)動機相連，輸出端與轉(zhuǎn)向泵相連，輸入轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速的差值為轉(zhuǎn)差速度。

圖2（a）為HPS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向泵流量特性。發(fā)動機怠速為700 r／min，轉(zhuǎn)向泵的限流轉(zhuǎn)速為600 r／min。轉(zhuǎn)向泵的理論流量與發(fā)動機轉(zhuǎn)速呈正比關(guān)系，輸出流量恒定，兩者的差值為溢流流量。圖2（b）為W-ECHPS系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向泵流量特性。WTPMC的輸出轉(zhuǎn)速范圍設(shè)為300～600 r／min，其中300 r／min為轉(zhuǎn)向泵的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。由于WTPMC的輸出轉(zhuǎn)速不超過轉(zhuǎn)向泵的限流轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向泵的理論流量等于輸出流量（統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)向泵流量）。轉(zhuǎn)向泵流量與WTPMC的輸出轉(zhuǎn)速呈正比關(guān)系。

W-ECHPS系統(tǒng)工作時，ECU根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向盤角速度信號控制WTPMC的輸出轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向泵流量，從而實現(xiàn)隨速可變助力特性，改善高速轉(zhuǎn)向路感。此外，W-ECHPS系統(tǒng)消除了轉(zhuǎn)向泵溢流損耗，并通過回收轉(zhuǎn)差功率，從而降低系統(tǒng)能耗。

圖1 W-ECHPS系統(tǒng)示意圖

圖2 轉(zhuǎn)向泵流量特性

1.2 WTPMC的結(jié)構(gòu)原理

WTPMC的工作原理為：當(dāng)發(fā)動機驅(qū)動外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，在永磁磁場的作用下，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的相對運動在三相繞組中感應(yīng)產(chǎn)生交流，它通過二極管整流橋變?yōu)橹绷鳌Ｗ鳛檎{(diào)速器，ECU調(diào)節(jié)IGBT的占空比以改變電路中的直流大小，進而控制WTPMC的輸出轉(zhuǎn)速。同時，為實現(xiàn)轉(zhuǎn)差功率回收功能，當(dāng)IGBT關(guān)斷時，電路中的直流給超級電容充電［9-10］。

綜合來看，WTPMC的轉(zhuǎn)子總成可等效成以轉(zhuǎn)差速度為轉(zhuǎn)速的表貼式永磁同步發(fā)電機［11-14］，其氣隙磁場、反電動勢和電流的理想波形為正弦波。

圖3 WTPMC示意圖

2 不同行駛工況下WTPMC運行參數(shù)

將汽車行駛工況分為直行工況和轉(zhuǎn)向工況，確定不同行駛工況下WTPMC的輸入轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)速和負載轉(zhuǎn)矩等運行參數(shù)，為WTPMC的設(shè)計和基于行駛工況的性能研究提供依據(jù)。

2.1 WTPMC的輸入轉(zhuǎn)速

WTPMC的輸入轉(zhuǎn)速等于發(fā)動機轉(zhuǎn)速。當(dāng)車速為0，20，40，60，80和100 km／h時，WTPMC的輸入轉(zhuǎn)速分別為700，920，1 120，1 240，1 300和1 630 r／min。

2.2 WTPMC的輸出轉(zhuǎn)速

WTPMC輸出轉(zhuǎn)速的目標(biāo)值隨著車速的增加而減小，而在同一車速下隨著轉(zhuǎn)向盤角速度的增加而增加。為實現(xiàn)如圖4所示的隨速可變助力特性曲線，表1給出不同車速和轉(zhuǎn)向盤角速度下WTPMC的輸出轉(zhuǎn)速。

2.3 WTPMC的負載轉(zhuǎn)矩

WTPMC的負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向泵壓力呈正比關(guān)系。在直行工況下，轉(zhuǎn)向泵壓力為1 MPa的背壓，WTPMC的負載轉(zhuǎn)矩為4.8 N?m。在轉(zhuǎn)向工況下，根據(jù)W-ECHPS系統(tǒng)的隨速可變助力特性曲線，得到負載轉(zhuǎn)矩與車速的關(guān)系：當(dāng)車速為0，20，40，60，80和100 km／h時，WTPMC的負載轉(zhuǎn)矩分別為57.3，29.6，22.9，16.8，11.2和7 N·m。

通過加快開采技術(shù)的創(chuàng)新與研發(fā)，有效提高地質(zhì)環(huán)境保護和治理工作的質(zhì)量與效率。一方面，要積極推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級與優(yōu)化，對于現(xiàn)階段應(yīng)用較廣的開采設(shè)備與開采技術(shù)進行創(chuàng)新與改進。另一方面，礦山企業(yè)要與科研教育單位進行密切的聯(lián)系與合作，積極將科研成果轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力。此外，還要注重先進開采設(shè)備與技術(shù)的引進，為提高生產(chǎn)效率、提升地質(zhì)環(huán)境保護質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

圖4 W-ECHPS系統(tǒng)的隨速可變助力特性曲線

表1 不同車速和轉(zhuǎn)向盤角速度下WTPMC的輸出轉(zhuǎn)速

綜上所述，直行工況和轉(zhuǎn)向工況下WTPMC的運行參數(shù)如表2和表3所示。

表2 直行工況下WTPMC的運行參數(shù)

表3 轉(zhuǎn)向工況下WTPMC的運行參數(shù)

3 WTPMC的穩(wěn)態(tài)性能研究

3.1 有限元仿真

在原地轉(zhuǎn)向工況下，WTPMC處于轉(zhuǎn)差速度最小而負載轉(zhuǎn)矩最大的運行極限點。針對運行極限點進行WTPMC的設(shè)計，其尺寸參數(shù)如表4所示。

表4 WTPMC的尺寸參數(shù)

采用Ansoft Maxwell軟件對WTPMC進行二維有限元仿真［15-16］。由于對稱性，建立轉(zhuǎn)子總成的1／2幾何模型，如圖5所示。在此基礎(chǔ)上，采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法，建立轉(zhuǎn)子總成的有限元模型。為模擬調(diào)速與轉(zhuǎn)差功率回收電路，建立如圖6所示的WTPMC等效電路模型，其中LPhaseA，LPhaseB和LPhaseC代表外轉(zhuǎn)子的三相繞組。WTPMC的等效電路模型參數(shù)如表5所示。轉(zhuǎn)子總成的有限元模型與WTPMC的等效電路模型通過三相繞組接口連接。

圖5 轉(zhuǎn)子總成的幾何模型

圖6 WTPMC的等效電路模型

表5 WTPMC的等效電路模型參數(shù)

3.2 穩(wěn)態(tài)性能分析

3.2.1 電磁性能

針對運行極限點分析WTPMC在電氣空載與負載下的電磁性能。轉(zhuǎn)差速度設(shè)為100 r／min。圖7為空載時轉(zhuǎn)子總成的磁力線分布圖?？梢钥闯觯^大部分的磁力線構(gòu)成閉合磁路，只存在少量的漏磁，說明轉(zhuǎn)子總成的磁路設(shè)計較合理。圖8為空載時轉(zhuǎn)子總成的氣隙磁密曲線?？梢钥闯觯瑲庀洞琶懿ㄐ未笾鲁收曳植?，由于諧波的存在，在部分位置產(chǎn)生畸變。圖9為空載時三相繞組的線反電動勢曲線。可以看出，線反電動勢波形的正弦度較高，表明WTPMC具有良好的電磁性能。圖10為負載時三相繞組的電流曲線?？梢钥闯?，電流波形的正弦度較高。三相繞組電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為60 N?m，超過57.3 N?m的負載轉(zhuǎn)矩，能滿足運行極限點的要求。

3.2.2 調(diào)速器性能

圖7 空載時轉(zhuǎn)子總成的磁力線分布圖

圖8 空載時轉(zhuǎn)子總成的氣隙磁密曲線

圖9 空載時三相繞組的線反電動勢曲線

圖10 負載時三相繞組的電流曲線

直行工況和轉(zhuǎn)向工況下IGBT的占空比如表6和表7所示。超級電容的端電壓設(shè)為85 V。轉(zhuǎn)向工況的轉(zhuǎn)向盤角速度設(shè)為0.5 r／s。仿真結(jié)果表明：通過調(diào)節(jié)IGBT的占空比，WTPMC能在不同行駛工況下運行。

表6 直行工況下IGBT的占空比

表7 轉(zhuǎn)向工況下IGBT的占空比

3.2.3 轉(zhuǎn)差功率回收性能

在轉(zhuǎn)差功率回收過程中，WTPMC存在的損耗：1）三相繞組的銅損，它隨著三相繞組電流的增加而增加；2）鐵心的鐵損，它隨著轉(zhuǎn)差速度的增加而增加；3）調(diào)速與轉(zhuǎn)差功率回收電路的損耗。因此，超級電容的回收功率小于轉(zhuǎn)差功率，其比值為轉(zhuǎn)差功率回收率，是評價轉(zhuǎn)差功率回收性能的指標(biāo)。

轉(zhuǎn)差功率Pslip為

式中：Tl為負載轉(zhuǎn)矩；Ω為轉(zhuǎn)差速度。

超級電容的回收功率Pr為

式中：Csc為超級電容的額定容量；Usc1為超級電容的初始端電壓；Usc2為超級電容的最終端電壓；Δt為時間間隔。

轉(zhuǎn)差功率回收率Rr為

考慮車速為80 km／h時的直行工況，進行轉(zhuǎn)差功率回收的仿真。WTPMC的轉(zhuǎn)差速度為1 000 r／min，負載轉(zhuǎn)矩為4.8 N?m，由式（1）計算得到轉(zhuǎn)差功率為502 W。圖11為超級電容端電壓曲線。超級電容的初始端電壓設(shè)為85 V。在充電10 s后，超級電容的最終端電壓為85.64 V。超級電容的額定容量為63 F。由式（2）和式（3）計算得到超級電容的回收功率為344 W，轉(zhuǎn)差功率回收率為68.5%。

圖11 超級電容端電壓曲線

為檢驗WTPMC在不同行駛工況下的轉(zhuǎn)差功率回收性能，進行直行工況和轉(zhuǎn)向工況的仿真，得到的轉(zhuǎn)差功率回收率如表8和表9所示。超級電容的初始端電壓設(shè)為85 V。轉(zhuǎn)向工況的轉(zhuǎn)向盤角速度設(shè)為0.5 r／s。仿真結(jié)果表明：WTPMC具有良好的轉(zhuǎn)差功率回收性能，在不同行駛工況下的轉(zhuǎn)差功率回收率在67.4%～72.5%之間。

表8 直行工況下的轉(zhuǎn)差功率回收率

表9 轉(zhuǎn)向工況下的轉(zhuǎn)差功率回收率

4 WTPMC的樣機與臺架試驗

4.1 樣機與試驗臺架

在仿真結(jié)果滿足要求的基礎(chǔ)上，試制了WTPMC樣機，如圖12所示。選用Maxwell Technologies公司的超級電容，額定容量為63 F，額定電壓為125 V。圖13和圖14分別為試驗臺架的示意圖和實物圖。除WTPMC樣機外，試驗臺架包括變頻三相異步電機、磁粉測功機、兩個轉(zhuǎn)矩／轉(zhuǎn)速傳感器和控制柜。變頻三相異步電機用于模擬發(fā)動機，磁粉測功機用于模擬轉(zhuǎn)向泵。兩個轉(zhuǎn)矩／轉(zhuǎn)速傳感器用于測量WTPMC的輸入轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)速和負載轉(zhuǎn)矩?？刂乒裼糜诒O(jiān)測和調(diào)節(jié)各類信號，如超級電容的端電壓和IGBT的占空比等。

圖12 WTPMC樣機

圖13 試驗臺架的示意圖

4.2 仿真與試驗對比

4.2.1 空載時線反電動勢

圖15為空載時線反電動勢的仿真與試驗對比。轉(zhuǎn)差速度為100 r／min。可以看出，仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)基本一致，驗證了有限元仿真的有效性。仿真的線反電動勢幅值略大于試驗結(jié)果，誤差在10%以內(nèi)。

圖14 試驗臺架的實物圖

4.2.2 IGBT的占空比

圖16為直行工況下IGBT占空比的仿真與試驗對比。可以看出，仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)基本一致，驗證了有限元仿真的有效性。

圖16 直行工況下IGBT占空比的仿真與試驗對比

4.2.3 超級電容端電壓

考慮車速為80 km／h時的直行工況，進行轉(zhuǎn)差功率回收的試驗。圖17為超級電容端電壓的仿真與試驗對比。表10給出轉(zhuǎn)差功率回收參數(shù)的對比?？梢钥闯觯抡娼Y(jié)果與試驗數(shù)據(jù)基本一致，驗證了有限元仿真的有效性。仿真的超級電容最終端電壓為85.64 V，略大于試驗結(jié)果，這是因為仿真考慮的損耗比樣機實際存在的損耗小。

圖17 超級電容端電壓的仿真與試驗對比

表10 轉(zhuǎn)差功率回收參數(shù)的對比

5 結(jié)論

提出W-ECHPS系統(tǒng)，確定不同行駛工況下WTPMC的運行參數(shù)，對WTPMC進行有限元仿真，以研究穩(wěn)態(tài)性能，試制WTPMC樣機并進行臺架試驗，為驗證有限元仿真的有效性，進行空載時線反電動勢、IGBT的占空比和超級電容端電壓的仿真與試驗對比。仿真結(jié)果表明：WTPMC具有良好的電磁性能，能滿足運行極限點的要求，通過調(diào)節(jié)IGBT的占空比，能在不同行駛工況下運行，同時具有良好的轉(zhuǎn)差功率回收性能，在不同行駛工況下的轉(zhuǎn)差功率回收率在67.4%～72.5%之間。此外，仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)基本一致，驗證了有限元仿真的有效性。

目前設(shè)計開發(fā)的WTPMC樣機尺寸較大，將其裝車進行實車試驗有一定難度，下一步考慮對WTPMC樣機進行優(yōu)化，在滿足總體性能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)小型化和輕量化。此外，下一步將研究如何利用車載電氣系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)差功率回收，以提高W-ECHPS系統(tǒng)的裝車實用性。