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外轉(zhuǎn)子開(kāi)關(guān)磁阻輪轂電機(jī)研制

2020-04-10 20:33:39·  來(lái)源：EDC電驅(qū)未來(lái)  作者：祁新梅  
　
本文針對(duì)一種中速輕型電動(dòng)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(diǎn),設(shè)計(jì)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
本文針對(duì)一種中速輕型電動(dòng)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(diǎn),設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)確定
根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目中電動(dòng)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(diǎn)向外移動(dòng),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(dòng)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(shí)所需要的功率,如下式計(jì)算:
 
設(shè)計(jì)中電動(dòng)車質(zhì)量m為1 200 kg,傳動(dòng)效率η取0.9,車輪滾動(dòng)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(jì)車速vmax=80 km/h,爬坡時(shí)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(jì)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(dòng)的輪轂電機(jī),因此初定每個(gè)電機(jī)的額定功率P=3 kW。
SRM控制驅(qū)動(dòng)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(guò)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(dòng)力蓄電池,8個(gè)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(shí)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(méi)有自起動(dòng)能力,相數(shù)增多,可以減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng),但會(huì)使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,開(kāi)關(guān)器件也相應(yīng)增多,增加了成本。綜合考慮,初步設(shè)計(jì)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(jì)專用軟件來(lái)對(duì)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(duì)比結(jié)果如表1所示。
表1 四種電機(jī)方案性能分析對(duì)比
 
由表1可知,對(duì)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(dòng)汽車用SRM。
3 基本參數(shù)設(shè)計(jì)
根據(jù)前面的方案及初步參數(shù),確定SRM的設(shè)計(jì)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(jì)算如下:
 
計(jì)算得TN=19.1 N·m。工作母線電流:
 
IBUS=39.1 A,考慮三相對(duì)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(jì)算結(jié)果圓整后,選擇繞組匝數(shù)20。
鐵心長(zhǎng)度主要由額定轉(zhuǎn)矩TN來(lái)計(jì)算,三相SRM每相每個(gè)周期只有一半時(shí)間運(yùn)行,每相計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tph取為TN的三分之二,即:
 
式中(考慮飽和影響),為定子極極弧長(zhǎng)度,Bsn為定子極極弧系數(shù),優(yōu)化設(shè)計(jì)取為周期角根據(jù)式(4)和式(5),得出電機(jī)軸向長(zhǎng)度:
 
 
 
 
 
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(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨之增大;但較小的氣隙寬度對(duì)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(shí),隨著氣隙的減小,起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的增幅較小;當(dāng)氣隙較窄時(shí),隨著氣隙寬度的減小,起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的增幅較大。采用上述軟件量化分析氣隙寬度對(duì)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(duì)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(zhǎng)度和極距的比值,直接影響電感的大小及其波形的變化,對(duì)電機(jī)的性能尤其是起動(dòng)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(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流的影響,表3表示了這兩個(gè)系數(shù)對(duì)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(dòng)電流增加緩慢,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩顯著增大,但穩(wěn)態(tài)特性的額定轉(zhuǎn)速和效率會(huì)隨之減少,額定轉(zhuǎn)矩會(huì)增大。
表2 不同極弧系數(shù)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)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(duì)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(zhǎng)為0.1;定轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)區(qū)間為[0.35,0.5],步長(zhǎng)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(jì)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì),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(cè)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(duì)該樣機(jī)進(jìn)行起動(dòng)電流、起動(dòng)力矩、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行等性能測(cè)試,搭建的測(cè)試平臺(tái)如圖4所示。
 
圖3 三相12/8開(kāi)關(guān)磁阻輪轂電機(jī)樣機(jī)
 
圖4 輪轂電機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)
實(shí)際測(cè)試中電壓、電流和轉(zhuǎn)速為直接測(cè)量數(shù)據(jù),測(cè)試時(shí)電機(jī)外懸掛不同質(zhì)量的負(fù)載;力矩測(cè)量則通過(guò)電機(jī)外附加負(fù)載質(zhì)量乘以半徑得出,為間接測(cè)量的量;功率也是間接測(cè)量的量,為轉(zhuǎn)速和力矩的乘積。實(shí)測(cè)起動(dòng)力矩和起動(dòng)電流數(shù)據(jù)曲線和計(jì)算值的對(duì)比如圖5所示。可以看出,在轉(zhuǎn)矩較低時(shí),計(jì)算值與測(cè)量值符合很好,在轉(zhuǎn)矩加大時(shí)偏差加大,總的變化趨勢(shì)符合預(yù)測(cè)。不同驅(qū)動(dòng)電壓下力矩和電流的實(shí)測(cè)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(dòng)電壓下力矩功率曲線如圖8所示。這里測(cè)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(shí)測(cè)力矩效率曲線如圖9所示,其它各種測(cè)試結(jié)果由于篇幅所限省略?？梢钥闯?實(shí)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(jì)目標(biāo)。上述各圖中測(cè)試的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是電機(jī)轉(zhuǎn)子的參數(shù),實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)過(guò)內(nèi)嵌的雙環(huán)行星齒輪減速器進(jìn)行減速和增矩,實(shí)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(lái)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(jì)要求,說(shuō)明設(shè)計(jì)計(jì)算分析方法正確。
 
圖5 實(shí)測(cè)樣機(jī)起動(dòng)力矩和計(jì)算值的比較
 
圖6 實(shí)測(cè)樣機(jī)電流力矩曲線
 
圖7 實(shí)測(cè)樣機(jī)電壓轉(zhuǎn)速曲線
 
圖8 實(shí)測(cè)樣機(jī)力矩功率曲線
 
圖9 實(shí)測(cè)樣機(jī)力矩效率曲線
6 結(jié) 語(yǔ)
本文針對(duì)特定的中速輕型電動(dòng)汽車,研制了分布式輪轂驅(qū)動(dòng)的基本單元,即外轉(zhuǎn)子三相12/8開(kāi)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(shí)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(gè)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(jì)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(jì)算、分析和優(yōu)化,研制了原型樣機(jī),并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),測(cè)試基本的起動(dòng)性能和穩(wěn)態(tài)性能。從電機(jī)本身的機(jī)電特性來(lái)看,研制出的樣機(jī)經(jīng)測(cè)試達(dá)到設(shè)計(jì)要求。下一步的工作是測(cè)試樣機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和振動(dòng)噪聲水平,嘗試從控制的角度進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng),在低速大扭矩、高速恒功率和降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)上達(dá)到預(yù)期的效果。
 
 
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