機電液耦合器電磁液壓動力特性分析

摘 要：用變量式交流同步機電液耦合器可以使電能、液壓能、機械能之間快速轉換，因此在新能源汽車中應用廣泛。為了掌握其電磁動力和液壓動力特性，將電磁轉矩作為電磁動力的評價指標，輸出流量、泄漏量、容積效率、柱塞運動速度作為液壓動力的評價指標。利用ANSYS Maxwell軟件模擬結構形式、結構參數(shù)對電磁轉矩的影響，同時利用AMESim軟件模擬柱塞直徑、斜盤傾角對液壓動力特性的影響。結果顯示：柱塞孔位置在永磁體“V”形開口內側、采用梨形槽、縮短低氣隙長度、增加永磁體厚度、減少塞孔直徑、擴大塞孔分布半徑有利于提高電磁動力，柱塞泵液壓動力特性與柱塞直徑、斜盤傾角大小呈正相關。

關鍵詞：變量式交流同步機電液耦合器；電磁動力；液壓動力；仿真分析

中圖分類號：TH 137" " 文獻標志碼：A

機電液耦合器具有能量轉換功能，屬于電動汽車動力裝置的關鍵組成部分，其電磁轉矩、液壓特性直接影響新能源汽車電機的動力輸出。機電液耦合器的結構布局、結構參數(shù)、工況參數(shù)對其電磁和液壓動力特性會產生較大的影響。在此次研究中，采用控制變量法可以改變單一的影響因素，采用仿真軟件模擬該因素與電磁轉矩或液壓動力的關系，從而為優(yōu)化此類設備的設計方案、提高運維檢修水平提供參考依據(jù)。

1 變量式交流同步機電液耦合器結構及應用

1.1 結構組成

變量式交流同步機電液耦合器主要應用于電動汽車，屬于集成式的動力裝置，具體可劃分為5個子系統(tǒng)，包括支撐子系統(tǒng)、變量子系統(tǒng)、液壓子系統(tǒng)、機械能轉化子系統(tǒng)、電能轉化子系統(tǒng)，其結構組件包括殼體、斜盤、柱塞、導套、定子、轉子等。

1.2 應用分析

變量式交流同步機電液耦合器的主要作用是實現(xiàn)電能、液壓能和機械能之間的相互轉換，最基本的工作模式為兩種能量的相互轉換，具體的能量轉換方式包括電能-機械能、電能-液壓能、液壓能-電能、液壓能-機械能、機械能-電能、機械能-液壓能[1]。以電能和液壓能的轉換為例，由外接電壓產生旋轉磁場，通過電磁場帶動轉子和缸體，使柱塞發(fā)生往復運動，進而輸出液壓能。

2 機電液耦合器電磁動力特性仿真分析

2.1 仿真建模

2.1.1 模型構建及網(wǎng)格劃分

研究過程利用ANSYSMaxwell軟件的RMxprt模塊構建機電液耦合器的電磁模型，該模型由6個組件構成，涵蓋定子、轉子、永磁體、繞組、轉軸以及柱塞孔。在二維模型建立后，對其進行網(wǎng)格劃分，該軟件支持多種網(wǎng)格劃分方式，根據(jù)機電液耦合器的結構特點，選用SurfaceApproximation網(wǎng)格剖分方式，機電液耦合器的網(wǎng)格化模型如圖1所示。建模時需要設置材料的屬性，繞組的材料屬性為Copper（銅），柱塞孔和模擬邊界的屬性設置為Air/Vaccum（空氣/真空），永磁體的屬性設置為N40SH_60C[2]。將定子、轉子、轉軸的屬性均設置為DW310_35，即硅鐵軟磁合金。

2.1.2 設置仿真條件

此類機電液耦合器將永磁同步電機作為驅動系統(tǒng)，其結構形式為3相6極36槽，槽間電角度設置為30°。將機電液耦合器的旋轉轉動區(qū)域設置在特定范圍內，該區(qū)域稱為Band區(qū)，能夠區(qū)分模型中的運動部分和靜止部分。

2.1.3 模型求解器設置

在有限元求解過程中，通過網(wǎng)格對整個模型進行離散化處理，形成一系列子區(qū)域，再進行偏微分方程求解。有限元分析法是通過數(shù)學方法求出現(xiàn)實情況的近似解，當誤差函數(shù)達到最小值時，即產生穩(wěn)定解[3]。機電液耦合器的運動部件為轉子，能量轉換過程需要進行磁場分析。在此次仿真模擬中，選用瞬態(tài)場求解器，根據(jù)其原理，機電液耦合器轉動部分的運動方程如公式（1）所示。

（1）

式中：v為磁阻率；A為磁矢勢；JS為源電流密度；σ為電導率；V表示電勢；Hc為永磁體的矯頑力；dA/dt表示磁矢勢對時間的一階求導。

根據(jù)該求解方法，在任一時間步長內，有限元模型中的每個節(jié)點均滿足公式（1），可據(jù)此分析有限元模型中各個節(jié)點的磁場。

在本研究中，工作人員設定一個簡單的模型，包括一個永磁體的矯頑力Hc和一個產生電流密度JS的通電線圈。通過安培環(huán)路定律得到電勢和磁矢勢之間的關系，研究人員為了簡化運算，假設它們之間的關系是線性的，即V=A。假設當t=0時，系統(tǒng)初始狀態(tài)為靜止，電流密度和電勢都為0。隨著時間推移，通電線圈產生磁場，永磁體受到電磁力的作用開始旋轉。在每個時間步長內，根據(jù)當前的電流密度和電勢計算出磁場強度H。然后使用公式（1）來更新下一個時間步長內的磁場強度H（表1）。

2.2 電磁動力特性仿真數(shù)據(jù)分析

2.2.1 結構形式對電磁轉矩的影響分析

2.2.1.1 柱塞孔開孔位置對電磁動力的影響

機電液耦合器的永磁體為“V”形結構，柱塞孔可設置在永磁體“V”形開口的內側或者外側，6個永磁體對應6個柱塞孔。根據(jù)柱塞孔在永磁體內側和外側兩種布局方式，模擬電磁轉矩，分別求出最大轉矩、最小轉矩、平均轉矩以及轉矩波動系數(shù)，模擬結果見表2。

從模擬數(shù)據(jù)可知，當柱塞孔位于永磁體“V”形開口內側時，平均轉矩更大，并且電磁轉矩的波動性更小，有利于提高電磁動力的穩(wěn)定性。因此，柱塞開孔位置宜設置在永磁體“V”形開口內側。

2.2.1.2 定子槽型對電磁動力的影響

電機槽型通常設計為矩形、平底形或者梨形，仿真過程采用變量控制法，其他參數(shù)保持一致，僅改變電機槽型，可模擬機電液耦合器在不同槽型下的電磁轉矩。對模擬數(shù)據(jù)進行分類統(tǒng)計（表3），從表中數(shù)據(jù)可知，梨形槽對應的電磁轉矩明顯高于矩形槽和平底槽，有利于提高機電液耦合器的電磁動力，但其穩(wěn)定性低于平底槽。

2.2.2 結構參數(shù)對電磁轉矩的影響分析

2.2.2.1 不同結構參數(shù)下電磁動力的模擬數(shù)據(jù)

將電磁轉矩作為電磁動力的評價指標，機電液耦合器的主要結構參數(shù)包括4個，分別為永磁體厚度、氣隙長度、柱塞孔直徑、柱塞孔分布半徑，模擬以上4個參數(shù)對電磁轉矩的影響。仿真過程采用控制變量法，每次針對一個結構參數(shù)設置一個取值，計算電磁轉矩和轉矩波動，結果見表4。

2.2.2.2 仿真結果分析

觀察氣隙長度對應的仿真數(shù)據(jù)，隨著參數(shù)取值增加，電磁轉矩、轉矩波動性均與參數(shù)取值呈負相關。當氣隙長度為0.5mm時，電磁轉矩最大。觀察永磁體厚度對應的仿真數(shù)據(jù)，當厚度取值為8mm時，電磁轉矩最大，并且波動性并未明顯增加。

3 機電液耦合器液壓動力仿真分析

3.1 機電液耦合器液壓系統(tǒng)建模

3.1.1 建模方法

液壓子系統(tǒng)是機電液耦合器的重要組成部分，其主體結構為軸向柱塞泵，柱塞的數(shù)量為7個。在仿真分析過程中，只建立軸向柱塞泵的模型，仿真軟件為AMESim。模型入口端為進油口，出口端為出油口。

3.1.2 模型參數(shù)設置

液壓系統(tǒng)仿真需要設置一系列參數(shù)，包括原動機轉速、阻尼器速率、黏性摩擦系數(shù)等，各個參數(shù)的取值見表5。

3.2 液壓動力特征評價指標

機電液耦合器液壓動力特性具體可分為液壓特性和動力特性，液壓特性的評價指標為柱塞泵輸出流量、柱塞泵泄漏量、容積效率，液壓系統(tǒng)動力特性的評價指標為柱塞運動速度[4]。其中，柱塞泵泄漏量的計算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：Qx為柱塞泵的泄漏量；Δp為柱塞泵兩端口的壓力差；μ為流體動力學黏度的平均壓力；lc為柱塞的實際行程；rc為徑向間隙；dp為活塞外徑；ecc為液壓油的離心率；v+為活塞速度；v-為包絡線速度。

在具體實踐中，研究人員從試驗仿真中獲取相關的參數(shù)，包括Δp、μ、lc、rc、dp、ecc、v+、v-。根據(jù)流體的密度和柱塞泵的設計參數(shù)計算ecc，根據(jù)流體的動態(tài)黏度和靜態(tài)黏度以及工作溫度來計算μ。將采集到的數(shù)據(jù)和計算得到的參數(shù)代入公式（2）中進行計算。計算得到的泄漏量可以用來評價柱塞泵的性能，并與理論值或預期值進行比較。分析泄漏量與活塞速度、壓力差等因素的關系，了解液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)和潛在的優(yōu)化空間（表6）。

3.3 液壓動力仿真數(shù)據(jù)及結果分析

3.3.1 液壓特性仿真分析

3.3.1.1 柱塞泵出口壓力與輸出流量、容積效率的關系

仿真時將柱塞泵出口壓力設置為5個梯度值，分別為2.0MPa、3.2MPa、3.9MPa、4.8MPa、6.0MPa，模擬不同出口壓力下柱塞泵的輸出流量和容積效率，結果見表7。從數(shù)據(jù)可知，隨著出口壓力增加，柱塞泵的輸出流量和容積效率呈小幅下降趨勢。

3.3.1.2 柱塞直徑與柱塞泵輸出流量的關系

采用控制變量法，將柱塞直徑分別設置為10mm、15mm、20mm，模擬柱塞泵的輸出流量。結果顯示，3種條件下對應的最大輸出流量分別為2.51L/min、5.74L/min、10.01L/min，輸出流量達到峰值的時間分別為0.01s、0.03s、0.04s?？梢?，隨著柱塞直徑增加，輸出流量明顯變大，并且達到峰值的時間有所延長。

3.3.1.3 斜盤傾角與柱塞泵輸出流量的關系

柱塞泵的輸出流量與驅動轉速、泵排量成正比，單位時間內的輸出流量越大，液壓系統(tǒng)的動力越強[5-6]。結果顯示，相應的輸出流量峰值分別為2.6L/min、4.0L/min、5.5L/min、7.2L/min。可見，輸出流量與斜盤傾角呈正相關，隨著斜盤傾角變大，液壓動力不斷增強。

3.3.1.4 斜盤傾角與柱塞泵泄漏量的關系

根據(jù)柱塞泵的結構特點和工作原理，斜盤傾角和液壓油泄漏量存在一定的關系。采用控制變量法，將斜盤傾角設置為7.5°、11.5°、15.5°、19.5°，模擬柱塞泵液壓油泄漏量，分別為25×10-9L/min、76×10-9L/min、200×10-9L/min、380×10-9L/min。顯然，隨著斜盤傾角變大，柱塞泵在單位時間內的泄漏量快速升高[7-8]。泄漏量增加不利于液壓系統(tǒng)的動力輸出。

3.3.2 動力特性仿真分析

動力特性主要體現(xiàn)于柱塞的運動速度，柱塞泵通過柱塞在泵體內的往復運動實現(xiàn)液體輸送，當柱塞運動速度越快時，單位時間內產生的壓力越大，動力越強[9]。柱塞的行程對時間進行微分，即可得到柱塞的運動速度。

4 結論

在此次研究中，采用仿真分析法探索變量式交流同步機電液耦合器的電磁動力特性和液壓動力特性，得出以下結論。1）電磁動力特性的主要評價指標為電磁轉矩，該指標越大，說明電磁動力越強。液壓動力特性的主要評價指標為柱塞泵的輸出流量、柱塞運動速度和柱塞泵的泄漏量，輸出流量和柱塞運動速度越快，液壓動力越強，而泄漏量對液壓動力具有負面影響。2）通過ANSYSMaxwell軟件模擬結構布局和結構參數(shù)對機電液耦合器電磁動力的影響。在結構布局方面，將柱塞孔設置在永磁體“V”形開口內側和采用梨形電機槽，有利于增強電磁轉矩。在結構參數(shù)方面，增加氣隙長度、永磁體厚度、柱塞孔分布直徑以及降低塞孔直徑，有利于提高電磁轉矩。3）利用AMESim軟件模擬機電液耦合器的液壓動力特性。模擬結果顯示，隨著柱塞直徑和斜盤傾角變大，柱塞泵輸出流量同步增加，液壓動力性更強；在斜盤傾角傾角變大的情況下，柱塞運動速度也不斷提高；在泄漏量模擬中，斜盤傾角變大，泄漏量呈增加趨勢，但整體泄漏量非常少，幾乎不會影響輸出流量。

參考文獻

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作者簡介：鄒同合（1972—），男，漢族，湖南新化人，高級講師，研究方向為機械設計與制造，機電一體化。

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