重型車(chē)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(guó)慶

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

前言

重型車(chē)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(wèn)題，電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（ECHPS）應(yīng)運(yùn)而生。其中，轉(zhuǎn)向泵調(diào)速式ECHPS系統(tǒng)有無(wú)級(jí)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(dòng)機(jī)與轉(zhuǎn)向泵之間的調(diào)速器控制轉(zhuǎn)向泵流量，從而實(shí)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(wú)級(jí)變速式和磁流變液式ECHPS系統(tǒng)的能耗沒(méi)有明顯降低［5-6］；通過(guò)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(shí)須持續(xù)通以勵(lì)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(méi)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(yùn)行參數(shù)，對(duì)WTPMC進(jìn)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(jī)并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，為驗(yàn)證有限元仿真的有效性，進(jìn)行空載時(shí)線反電動(dòng)勢(shì)、IGBT的占空比和超級(jí)電容端電壓的仿真與試驗(yàn)對(duì)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(chē)速傳感器和轉(zhuǎn)向盤(pán)傳感器。WTPMC的輸入端與發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(guò)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(shí)，ECU根據(jù)車(chē)速和轉(zhuǎn)向盤(pán)角速度信號(hào)控制WTPMC的輸出轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向泵流量，從而實(shí)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(guò)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在永磁磁場(chǎng)的作用下，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在三相繞組中感應(yīng)產(chǎn)生交流，它通過(guò)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(jìn)而控制WTPMC的輸出轉(zhuǎn)速。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差功率回收功能，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，電路中的直流給超級(jí)電容充電［9-10］。

綜合來(lái)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(jī)［11-14］，其氣隙磁場(chǎng)、反電動(dòng)勢(shì)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(yùn)行參數(shù)

將汽車(chē)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(fù)載轉(zhuǎn)矩等運(yùn)行參數(shù)，為WTPMC的設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)車(chē)速為0，20，40，60，80和100 km／h時(shí)，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(chē)速的增加而減小，而在同一車(chē)速下隨著轉(zhuǎn)向盤(pán)角速度的增加而增加。為實(shí)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(chē)速和轉(zhuǎn)向盤(pán)角速度下WTPMC的輸出轉(zhuǎn)速。

2.3 WTPMC的負(fù)載轉(zhuǎn)矩

WTPMC的負(fù)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(fù)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(fù)載轉(zhuǎn)矩與車(chē)速的關(guān)系：當(dāng)車(chē)速為0，20，40，60，80和100 km／h時(shí)，WTPMC的負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別為57.3，29.6，22.9，16.8，11.2和7 N·m。

通過(guò)加快開(kāi)采技術(shù)的創(chuàng)新與研發(fā)，有效提高地質(zhì)環(huán)境保護(hù)和治理工作的質(zhì)量與效率。一方面，要積極推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)與優(yōu)化，對(duì)于現(xiàn)階段應(yīng)用較廣的開(kāi)采設(shè)備與開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新與改進(jìn)。另一方面，礦山企業(yè)要與科研教育單位進(jìn)行密切的聯(lián)系與合作，積極將科研成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力。此外，還要注重先進(jìn)開(kāi)采設(shè)備與技術(shù)的引進(jìn)，為提高生產(chǎn)效率、提升地質(zhì)環(huán)境保護(hù)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(chē)速和轉(zhuǎn)向盤(pán)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(yùn)行參數(shù)如表2和表3所示。

表2 直行工況下WTPMC的運(yùn)行參數(shù)

表3 轉(zhuǎn)向工況下WTPMC的運(yùn)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(fù)載轉(zhuǎn)矩最大的運(yùn)行極限點(diǎn)。針對(duì)運(yùn)行極限點(diǎn)進(jìn)行WTPMC的設(shè)計(jì)，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(duì)WTPMC進(jìn)行二維有限元仿真［15-16］。由于對(duì)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(guò)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(duì)運(yùn)行極限點(diǎn)分析WTPMC在電氣空載與負(fù)載下的電磁性能。轉(zhuǎn)差速度設(shè)為100 r／min。圖7為空載時(shí)轉(zhuǎn)子總成的磁力線分布圖?？梢钥闯?，絕大部分的磁力線構(gòu)成閉合磁路，只存在少量的漏磁，說(shuō)明轉(zhuǎn)子總成的磁路設(shè)計(jì)較合理。圖8為空載時(shí)轉(zhuǎn)子總成的氣隙磁密曲線?？梢钥闯?，氣隙磁密波形大致呈正弦分布，由于諧波的存在，在部分位置產(chǎn)生畸變。圖9為空載時(shí)三相繞組的線反電動(dòng)勢(shì)曲線。可以看出，線反電動(dòng)勢(shì)波形的正弦度較高，表明WTPMC具有良好的電磁性能。圖10為負(fù)載時(shí)三相繞組的電流曲線。可以看出，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(guò)57.3 N?m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，能滿足運(yùn)行極限點(diǎn)的要求。

3.2.2 調(diào)速器性能

圖7 空載時(shí)轉(zhuǎn)子總成的磁力線分布圖

圖8 空載時(shí)轉(zhuǎn)子總成的氣隙磁密曲線

圖9 空載時(shí)三相繞組的線反電動(dòng)勢(shì)曲線

圖10 負(fù)載時(shí)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(jí)電容的端電壓設(shè)為85 V。轉(zhuǎn)向工況的轉(zhuǎn)向盤(pán)角速度設(shè)為0.5 r／s。仿真結(jié)果表明：通過(guò)調(diào)節(jié)IGBT的占空比，WTPMC能在不同行駛工況下運(yùn)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(guò)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(jí)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(píng)價(jià)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(fù)載轉(zhuǎn)矩；Ω為轉(zhuǎn)差速度。

超級(jí)電容的回收功率Pr為

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

轉(zhuǎn)差功率回收率Rr為

考慮車(chē)速為80 km／h時(shí)的直行工況，進(jìn)行轉(zhuǎn)差功率回收的仿真。WTPMC的轉(zhuǎn)差速度為1 000 r／min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為4.8 N?m，由式（1）計(jì)算得到轉(zhuǎn)差功率為502 W。圖11為超級(jí)電容端電壓曲線。超級(jí)電容的初始端電壓設(shè)為85 V。在充電10 s后，超級(jí)電容的最終端電壓為85.64 V。超級(jí)電容的額定容量為63 F。由式（2）和式（3）計(jì)算得到超級(jí)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(jí)電容端電壓曲線

為檢驗(yàn)WTPMC在不同行駛工況下的轉(zhuǎn)差功率回收性能，進(jìn)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(jí)電容的初始端電壓設(shè)為85 V。轉(zhuǎn)向工況的轉(zhuǎn)向盤(pán)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(jī)與臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 樣機(jī)與試驗(yàn)臺(tái)架

在仿真結(jié)果滿足要求的基礎(chǔ)上，試制了WTPMC樣機(jī)，如圖12所示。選用Maxwell Technologies公司的超級(jí)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(yàn)臺(tái)架的示意圖和實(shí)物圖。除WTPMC樣機(jī)外，試驗(yàn)臺(tái)架包括變頻三相異步電機(jī)、磁粉測(cè)功機(jī)、兩個(gè)轉(zhuǎn)矩／轉(zhuǎn)速傳感器和控制柜。變頻三相異步電機(jī)用于模擬發(fā)動(dòng)機(jī)，磁粉測(cè)功機(jī)用于模擬轉(zhuǎn)向泵。兩個(gè)轉(zhuǎn)矩／轉(zhuǎn)速傳感器用于測(cè)量WTPMC的輸入轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。控制柜用于監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)各類信號(hào)，如超級(jí)電容的端電壓和IGBT的占空比等。

圖12 WTPMC樣機(jī)

圖13 試驗(yàn)臺(tái)架的示意圖

4.2 仿真與試驗(yàn)對(duì)比

4.2.1 空載時(shí)線反電動(dòng)勢(shì)

圖15為空載時(shí)線反電動(dòng)勢(shì)的仿真與試驗(yàn)對(duì)比。轉(zhuǎn)差速度為100 r／min。可以看出，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，驗(yàn)證了有限元仿真的有效性。仿真的線反電動(dòng)勢(shì)幅值略大于試驗(yàn)結(jié)果，誤差在10%以內(nèi)。

圖14 試驗(yàn)臺(tái)架的實(shí)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(yàn)對(duì)比。可以看出，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，驗(yàn)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(yàn)對(duì)比

4.2.3 超級(jí)電容端電壓

考慮車(chē)速為80 km／h時(shí)的直行工況，進(jìn)行轉(zhuǎn)差功率回收的試驗(yàn)。圖17為超級(jí)電容端電壓的仿真與試驗(yàn)對(duì)比。表10給出轉(zhuǎn)差功率回收參數(shù)的對(duì)比?？梢钥闯?，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，驗(yàn)證了有限元仿真的有效性。仿真的超級(jí)電容最終端電壓為85.64 V，略大于試驗(yàn)結(jié)果，這是因?yàn)榉抡婵紤]的損耗比樣機(jī)實(shí)際存在的損耗小。

圖17 超級(jí)電容端電壓的仿真與試驗(yàn)對(duì)比

表10 轉(zhuǎn)差功率回收參數(shù)的對(duì)比

5 結(jié)論

提出W-ECHPS系統(tǒng)，確定不同行駛工況下WTPMC的運(yùn)行參數(shù)，對(duì)WTPMC進(jìn)行有限元仿真，以研究穩(wěn)態(tài)性能，試制WTPMC樣機(jī)并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，為驗(yàn)證有限元仿真的有效性，進(jìn)行空載時(shí)線反電動(dòng)勢(shì)、IGBT的占空比和超級(jí)電容端電壓的仿真與試驗(yàn)對(duì)比。仿真結(jié)果表明：WTPMC具有良好的電磁性能，能滿足運(yùn)行極限點(diǎn)的要求，通過(guò)調(diào)節(jié)IGBT的占空比，能在不同行駛工況下運(yùn)行，同時(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，驗(yàn)證了有限元仿真的有效性。

目前設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的WTPMC樣機(jī)尺寸較大，將其裝車(chē)進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)有一定難度，下一步考慮對(duì)WTPMC樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，在滿足總體性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化。此外，下一步將研究如何利用車(chē)載電氣系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)差功率回收，以提高W-ECHPS系統(tǒng)的裝車(chē)實(shí)用性。