電動汽車用外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)研制

祁新梅,鄭壽森,祁俊才,史秀梅

(中山大學(xué) 物理學(xué)院,廣州510275)

0 引 言

以輪轂電機(jī)分布式直接驅(qū)動的電動汽車,在動力傳動方式上是對傳統(tǒng)汽車的革新,把電機(jī)、減速箱、離合器、機(jī)械差速等機(jī)械傳動環(huán)節(jié)改變?yōu)橹苯拥碾娺B接。通過直接控制每個輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)動,就可以控制汽車的加減速和轉(zhuǎn)彎,極大地簡化了整車結(jié)構(gòu),減輕了質(zhì)量。同時,還可以利用各種先進(jìn)的電子控制和智能控制來改善車輛的行駛性能。因此,分布式驅(qū)動正成為電動汽車的發(fā)展方向和研究熱點之一。分布式驅(qū)動的核心技術(shù)主要分為兩個方面:第一是整車控制策略的研究,旨在使用各種力矩分配或者速度分配策略或者先進(jìn)的控制方法達(dá)到更穩(wěn)定快速的行駛控制;第二就是輪轂電機(jī)及其驅(qū)動單元的研究[1-7]。

在輪轂電機(jī)方面,用的較多的是永磁同步電動機(jī)和無刷直流電動機(jī),但永磁體成本高、恒功率范圍窄,靜磁力矩和退磁等是這類電機(jī)的局限[8]。開關(guān)磁阻電動機(jī)(以下簡稱SRM)控制特性好,電機(jī)能量密度、功率體積比和功率質(zhì)量比較高,但轉(zhuǎn)矩波動較大。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動是車身結(jié)構(gòu)振動和車內(nèi)噪聲的主要激勵源之一,因此研究人員進(jìn)行降低SRM轉(zhuǎn)矩脈動的研究。文獻(xiàn)[9-10]從電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā),制定結(jié)構(gòu)方案,研制外轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻輪轂電機(jī),采用多目標(biāo)粒子群算法優(yōu)化定轉(zhuǎn)子極靴結(jié)構(gòu)和尺寸,來降低轉(zhuǎn)矩脈動。文獻(xiàn)[11]進(jìn)行外轉(zhuǎn)子SRM的靜態(tài)和瞬態(tài)仿真分析,得到電機(jī)的特性曲線,通過優(yōu)化開通角、關(guān)斷角和定子磁極結(jié)構(gòu)的方法,減少轉(zhuǎn)矩脈動。文獻(xiàn)[12]在分析優(yōu)化時把電機(jī)本體的有限元分析和功率變換器及控制電路結(jié)合進(jìn)去,進(jìn)行場-路耦合計算,提高了分析模擬的準(zhǔn)確程度。文獻(xiàn)[13]通過有限元分析優(yōu)化結(jié)構(gòu),提高輪轂的強(qiáng)度和剛度,減輕質(zhì)量,減小分布式驅(qū)動電動汽車簧下質(zhì)量。文獻(xiàn)[14]根據(jù)對磁化方向長度、極弧系數(shù)、氣隙長度以及定子疊高等因素進(jìn)行分析,對主要尺寸及整體電磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,來提高電機(jī)的輸出性能。文獻(xiàn)[15]比較分析了異步電動機(jī)、SRM等4種電機(jī)模型的設(shè)計、調(diào)速方法與機(jī)械特性,從電磁損耗、效率和電磁質(zhì)量等幾個方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,提出一種模塊化橫向磁場電機(jī)。

本文針對一種中速輕型電動汽車的應(yīng)用研制輪轂電機(jī)原型樣機(jī),選用SRM原理,根據(jù)車輪中心的位置和結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計并優(yōu)化定轉(zhuǎn)子的位置、相數(shù)、極數(shù)和磁路結(jié)構(gòu),包括和SRM一體化的內(nèi)嵌雙環(huán)行星齒輪減速器。

1 設(shè)計參數(shù)確定

根據(jù)實際項目中電動汽車的工作環(huán)境及電池配備,確定電機(jī)為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),使電磁作用力點向外移動,增加力臂和功率輸出,提高功率質(zhì)量比;輪轂電機(jī)的功率根據(jù)電動汽車的行駛性能確定,即必須滿足汽車在加速、爬坡、最大速度行駛時所需要的功率[19],如下式計算:

設(shè)計中電動車質(zhì)量m為1 200 kg,傳動效率η取0.9,車輪滾動摩擦系數(shù)f取0.015,空氣阻尼系數(shù)c=0.5,汽車迎風(fēng)面積s大約為1.6 m2,最大設(shè)計車速vmax=80 km/h,爬坡時平均速度取v=15 km/h,最大爬坡坡度i=0.20,汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)δ=1.04,汽車的縱向行駛線性加速度取a=1.9 m/s2。將以上數(shù)值代入式(1),計算結(jié)果:

P=max(10.3,11.7,11.8)=11.8 kW。

本文為四輪分布驅(qū)動的輪轂電機(jī),因此初定每個電機(jī)的額定功率P=3 kW。

SRM控制驅(qū)動采用富士IGBT功率管3MBI150U-120,額定電流為150 A;設(shè)定電機(jī)電流允許過載3倍,再取1.3的安全系數(shù),因此允許的最大控制電流:

需要的控制電壓:

采用電壓為12 V的動力蓄電池,8個電池串聯(lián)后電壓為96 V,可滿足需要的最大控制電壓。外轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌雙環(huán)行星齒輪,進(jìn)行減速和增矩。車輪輪胎外徑大約600 mm,根據(jù)輪轂處的空間大小和行星齒輪減速器需要占用的空間,外轉(zhuǎn)子外徑確定為235 mm。根據(jù)最大時速80 km/h和直徑600 mm的輪胎,車輪的最大轉(zhuǎn)速為:

80×1 000÷60÷3.14÷0.6=707 r/min

考慮減速比為3左右,SRM的轉(zhuǎn)速范圍為0～2 100 r/min,因此額定轉(zhuǎn)速確定為1 500 r/min。

2 結(jié)構(gòu)方案選擇

低于三相的SRM一般沒有自起動能力,相數(shù)增多,可以減少轉(zhuǎn)矩波動,但會使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,開關(guān)器件也相應(yīng)增多,增加了成本。綜合考慮,初步設(shè)計電機(jī)為三相或者四相。根據(jù)本文確定的基本參數(shù),參照文獻(xiàn)[16-17]的方法,利用RMxprt電機(jī)設(shè)計專用軟件來對三相6/4、三相12/8、四相8/6及四相16/12極四種方案的SRM進(jìn)行量化分析,性能對比結(jié)果如表1所示。

表1 四種電機(jī)方案性能分析對比

由表1可知,對于這四種電機(jī),在相同的尺寸結(jié)構(gòu)和材料設(shè)置情況下,定轉(zhuǎn)子極數(shù)越多,電機(jī)參考轉(zhuǎn)矩越大,則電機(jī)效率越低,質(zhì)量越輕。三相6/4和四相8/6電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩較小;三相12/8和四相16/12電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩足夠大,且輸出功率較大。但與三相12/8電機(jī)相比,四相16/12電機(jī)效率較低,且輸出功率略小,而兩者質(zhì)量相差不大,所以本文選用三相12/8電機(jī)作為電動汽車用SRM。

3 基本參數(shù)設(shè)計

根據(jù)前面的方案及初步參數(shù),確定SRM的設(shè)計目標(biāo):額定功率P=3 kW,額定轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min,電壓U=96 V,電機(jī)效率定η=0.8,電機(jī)外徑235 mm。電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩計算如下:

計算得TN=19.1 N·m。工作母線電流:

IBUS=39.1 A,考慮三相對稱工作,則每相電流的平均值為13.03 A。

定子極繞組匝數(shù):

式中:μ0=4π×10-7H/m為空氣導(dǎo)磁率;K=1.15為鐵心磁壓降系數(shù);由于是半周期導(dǎo)通,相電流取平均值的兩倍,iph=26.06 A;材料為D23-50;氣隙感應(yīng)強(qiáng)度合理值Bδ選1.6 T,根據(jù)計算結(jié)果圓整后,選擇繞組匝數(shù)20。

鐵心長度主要由額定轉(zhuǎn)矩TN來計算,三相SRM每相每個周期只有一半時間運(yùn)行,每相計算轉(zhuǎn)矩Tph取為TN的三分之二,即:

l=0.099 m,考慮硅鋼片的迭片系數(shù),取l=100 mm。

4 氣隙寬度及極弧系數(shù)

采用RMxprt軟件進(jìn)行電機(jī)的氣隙寬度及極弧系數(shù)的優(yōu)化。

氣隙寬度b直接影響著電機(jī)的性能,隨著氣隙寬度減小,氣隙漏磁減小,電機(jī)起動電流和起動轉(zhuǎn)矩隨之增大;但較小的氣隙寬度對于電機(jī)制作工藝和裝配工藝的要求較高,小型電機(jī)氣隙一般不應(yīng)小于0.25 mm。當(dāng)氣隙較寬時,隨著氣隙的減小,起動電流和起動轉(zhuǎn)矩的增幅較小;當(dāng)氣隙較窄時,隨著氣隙寬度的減小,起動電流和起動轉(zhuǎn)矩的增幅較大。采用上述軟件量化分析氣隙寬度對電機(jī)穩(wěn)態(tài)性能的影響,結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出,隨著氣隙的減小,漏磁減小,電機(jī)效率增大,輸出功率增大,電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩顯著增大,電機(jī)轉(zhuǎn)速受氣隙寬度影響不大。

圖1 氣隙寬度對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、效率的影響

定轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)Bsn和Brn分別是定轉(zhuǎn)子極弧長度和極距的比值,直接影響電感的大小及其波形的變化,對電機(jī)的性能尤其是起動轉(zhuǎn)矩的影響很大,采用上述軟件量化分析結(jié)果如表2和表3所示。表2顯示了定子極弧系數(shù)、轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)對起動轉(zhuǎn)矩和起動電流的影響,表3表示了這兩個系數(shù)對額定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率和效率的影響?？梢钥闯?隨著極弧系數(shù)的增大,起動電流增加緩慢,起動轉(zhuǎn)矩顯著增大,但穩(wěn)態(tài)特性的額定轉(zhuǎn)速和效率會隨之減少,額定轉(zhuǎn)矩會增大。

表2 不同極弧系數(shù)的起動轉(zhuǎn)矩和起動電流

表3 不同極弧系數(shù)的額定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率和效率

根據(jù)上述分析,對氣隙寬度和定轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)進(jìn)行綜合的三參數(shù)模型優(yōu)化。設(shè)定氣隙寬度搜索區(qū)間為[0.3,0.7],步長為0.1;定轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)區(qū)間為[0.35,0.5],步長為0.05。約束條件:定子極弧系數(shù)大于轉(zhuǎn)子極弧系數(shù),效率大于85%,轉(zhuǎn)矩輸出大于20 N·m(效率和轉(zhuǎn)矩參照前面設(shè)計目標(biāo))。多參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為氣隙寬度0.3 mm,定子極弧系數(shù)0.45,轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)0.36,根據(jù)轉(zhuǎn)子半徑,轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的定轉(zhuǎn)子極弧角度,分別為定子極弧角度16.7°,轉(zhuǎn)子極弧角度17.4°。

根據(jù)上述計算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計,最終確定的樣機(jī)參數(shù)如表4所示。原型樣機(jī)裝配結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表4 樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖2 原型樣機(jī)裝配圖

5 原型樣機(jī)及測試

為減少渦流效應(yīng),定子、轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成,研制成的SRM原型樣機(jī)1.0版如圖3所示。對該樣機(jī)進(jìn)行起動電流、起動力矩、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行等性能測試,搭建的測試平臺如圖4所示。

圖3 三相12/8開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)樣機(jī)

圖4 輪轂電機(jī)實驗測試平臺

實際測試中電壓、電流和轉(zhuǎn)速為直接測量數(shù)據(jù),測試時電機(jī)外懸掛不同質(zhì)量的負(fù)載;力矩測量則通過電機(jī)外附加負(fù)載質(zhì)量乘以半徑得出,為間接測量的量;功率也是間接測量的量,為轉(zhuǎn)速和力矩的乘積。實測起動力矩和起動電流數(shù)據(jù)曲線和計算值的對比如圖5所示。可以看出,在轉(zhuǎn)矩較低時,計算值與測量值符合很好,在轉(zhuǎn)矩加大時偏差加大,總的變化趨勢符合預(yù)測。不同驅(qū)動電壓下力矩和電流的實測數(shù)據(jù)如圖6所示,不同轉(zhuǎn)矩下的電壓和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線如圖7所示,不同驅(qū)動電壓下力矩功率曲線如圖8所示。這里測試的功率為輸出的機(jī)械功率,電壓電流相乘得出的是輸入電功率,兩者相比就是電機(jī)的效率,實測力矩效率曲線如圖9所示,其它各種測試結(jié)果由于篇幅所限省略。可以看出,實際輸出功率可以達(dá)到3.7 kW,扭矩輸出最大為28 N·m,達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。上述各圖中測試的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是電機(jī)轉(zhuǎn)子的參數(shù),實際應(yīng)用中經(jīng)過內(nèi)嵌的雙環(huán)行星齒輪減速器進(jìn)行減速和增矩,實際輸出的最大力矩約為28×6=168 N·m。

從電機(jī)的輸出特性來看,隨著力矩的增加,效率下降,除了高轉(zhuǎn)矩下效率偏低外,其他方面均達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求,說明設(shè)計計算分析方法正確。

圖5 實測樣機(jī)起動力矩和計算值的比較

圖6 實測樣機(jī)電流力矩曲線

圖7 實測樣機(jī)電壓轉(zhuǎn)速曲線

圖8 實測樣機(jī)力矩功率曲線

6 結(jié) 語

本文針對特定的中速輕型電動汽車,研制了分布式輪轂驅(qū)動的基本單元,即外轉(zhuǎn)子三相12/8開關(guān)磁阻輪轂電機(jī)。輪轂電機(jī)的基本參數(shù)為額定功率3 kW,工作電壓96 V,額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min,結(jié)構(gòu)中內(nèi)嵌雙環(huán)行星齒輪進(jìn)行減速和增矩,實際車輪轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍0～700 r/min。在結(jié)構(gòu)方案的選用上,從轉(zhuǎn)矩、功率、效率和質(zhì)量四個方面比較了三相6/4、三相12/8、四相8/6及四相16/12極四種形式的SRM,最后確定的設(shè)計方案為三相12/8極,給出了主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)及電磁參數(shù)的計算、分析和優(yōu)化,研制了原型樣機(jī),并搭建了實驗平臺,測試基本的起動性能和穩(wěn)態(tài)性能。從電機(jī)本身的機(jī)電特性來看,研制出的樣機(jī)經(jīng)測試達(dá)到設(shè)計要求。下一步的工作是測試樣機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動和振動噪聲水平,嘗試從控制的角度進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)矩波動,在低速大扭矩、高速恒功率和降低轉(zhuǎn)矩脈動上達(dá)到預(yù)期的效果。