電動汽車用外轉子開關磁阻輪轂電機研制

祁新梅,鄭壽森,祁俊才,史秀梅

(中山大學 物理學院,廣州510275)

0 引 言

以輪轂電機分布式直接驅動的電動汽車,在動力傳動方式上是對傳統汽車的革新,把電機、減速箱、離合器、機械差速等機械傳動環節改變為直接的電連接。通過直接控制每個輪轂電機的轉動,就可以控制汽車的加減速和轉彎,極大地簡化了整車結構,減輕了質量。同時,還可以利用各種先進的電子控制和智能控制來改善車輛的行駛性能。因此,分布式驅動正成為電動汽車的發展方向和研究熱點之一。分布式驅動的核心技術主要分為兩個方面: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的控制方法達到更穩定快速的行駛控制;第二就是輪轂電機及其驅動單元的研究[1-7]。

在輪轂電機方面,用的較多的是永磁同步電動機和無刷直流電動機,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的局限[8]。開關磁阻電動機(以下簡稱SRM)控制特性好,電機能量密度、功率體積比和功率質量比較高,但轉矩波動較大。電機的轉矩波動是車身結構振動和車內噪聲的主要激勵源之一,因此研究人員進行降低SRM轉矩脈動的研究。文獻[9-10]從電機結構設計出發,制定結構方案,研制外轉子開關磁阻輪轂電機,采用多目標粒子群算法優化定轉子極靴結構和尺寸,來降低轉矩脈動。文獻[11]進行外轉子SRM的靜態和瞬態仿真分析,得到電機的特性曲線,通過優化開通角、關斷角和定子磁極結構的方法,減少轉矩脈動。文獻[12]在分析優化時把電機本體的有限元分析和功率變換器及控制電路結合進去,進行場-路耦合計算,提高了分析模擬的準確程度。文獻[13]通過有限元分析優化結構,提高輪轂的強度和剛度,減輕質量,減小分布式驅動電動汽車簧下質量。文獻[14]根據對磁化方向長度、極弧系數、氣隙長度以及定子疊高等因素進行分析,對主要尺寸及整體電磁結構進行設計,來提高電機的輸出性能。文獻[15]比較分析了異步電動機、SRM等4種電機模型的設計、調速方法與機械特性,從電磁損耗、效率和電磁質量等幾個方面進行優化設計,提出一種模塊化橫向磁場電機。

本文針對一種中速輕型電動汽車的應用研制輪轂電機原型樣機,選用SRM原理,根據車輪中心的位置和結構特點,設計并優化定轉子的位置、相數、極數和磁路結構,包括和SRM一體化的內嵌雙環行星齒輪減速器。

1 設計參數確定

根據實際項目中電動汽車的工作環境及電池配備,確定電機為外轉子結構,使電磁作用力點向外移動,增加力臂和功率輸出,提高功率質量比;輪轂電機的功率根據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:

設計中電動車質量m為1 200 kg,傳動效率η取0.9,車輪滾動摩擦系數f取0.015,空氣阻尼系數c=0.5,汽車迎風面積s大約為1.6 m2,最大設計車速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,汽車旋轉質量換算系數δ=1.04,汽車的縱向行駛線性加速度取a=1.9 m/s2。將以上數值代入式(1),計算結果:

P=max(10.3,11.7,11.8)=11.8 kW。

本文為四輪分布驅動的輪轂電機,因此初定每個電機的額定功率P=3 kW。

SRM控制驅動采用富士IGBT功率管3MBI150U-120,額定電流為150 A;設定電機電流允許過載3倍,再取1.3的安全系數,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個電池串聯后電壓為96 V,可滿足需要的最大控制電壓。外轉子內嵌雙環行星齒輪,進行減速和增矩。車輪輪胎外徑大約600 mm,根據輪轂處的空間大小和行星齒輪減速器需要占用的空間,外轉子外徑確定為235 mm。根據最大時速80 km/h和直徑600 mm的輪胎,車輪的最大轉速為:

80×1 000÷60÷3.14÷0.6=707 r/min

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

2 結構方案選擇

低于三相的SRM一般沒有自起動能力,相數增多,可以減少轉矩波動,但會使結構復雜化,開關器件也相應增多,增加了成本。綜合考慮,初步設計電機為三相或者四相。根據本文確定的基本參數,參照文獻[16-17]的方法,利用RMxprt電機設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進行量化分析,性能對比結果如表1所示。

表1 四種電機方案性能分析對比

由表1可知,對于這四種電機,在相同的尺寸結構和材料設置情況下,定轉子極數越多,電機參考轉矩越大,則電機效率越低,質量越輕。三相6/4和四相8/6電機輸出轉矩較小;三相12/8和四相16/12電機輸出轉矩足夠大,且輸出功率較大。但與三相12/8電機相比,四相16/12電機效率較低,且輸出功率略小,而兩者質量相差不大,所以本文選用三相12/8電機作為電動汽車用SRM。

3 基本參數設計

根據前面的方案及初步參數,確定SRM的設計目標:額定功率P=3 kW,額定轉速n=1 500 r/min,電壓U=96 V,電機效率定η=0.8,電機外徑235 mm。電機額定轉矩計算如下:

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:

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

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

l=0.099 m,考慮硅鋼片的迭片系數,取l=100 mm。

4 氣隙寬度及極弧系數

采用RMxprt軟件進行電機的氣隙寬度及極弧系數的優化。

氣隙寬度b直接影響著電機的性能,隨著氣隙寬度減小,氣隙漏磁減小,電機起動電流和起動轉矩隨之增大;但較小的氣隙寬度對于電機制作工藝和裝配工藝的要求較高,小型電機氣隙一般不應小于0.25 mm。當氣隙較寬時,隨著氣隙的減小,起動電流和起動轉矩的增幅較小;當氣隙較窄時,隨著氣隙寬度的減小,起動電流和起動轉矩的增幅較大。采用上述軟件量化分析氣隙寬度對電機穩態性能的影響,結果如圖1所示。從圖1中可以看出,隨著氣隙的減小,漏磁減小,電機效率增大,輸出功率增大,電機額定轉矩顯著增大,電機轉速受氣隙寬度影響不大。

圖1 氣隙寬度對轉速、轉矩、功率、效率的影響

定轉子極弧系數Bsn和Brn分別是定轉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,對電機的性能尤其是起動轉矩的影響很大,采用上述軟件量化分析結果如表2和表3所示。表2顯示了定子極弧系數、轉子極弧系數對起動轉矩和起動電流的影響,表3表示了這兩個系數對額定轉速、轉矩、功率和效率的影響。可以看出,隨著極弧系數的增大,起動電流增加緩慢,起動轉矩顯著增大,但穩態特性的額定轉速和效率會隨之減少,額定轉矩會增大。

表2 不同極弧系數的起動轉矩和起動電流

表3 不同極弧系數的額定轉速、轉矩、功率和效率

根據上述分析,對氣隙寬度和定轉子極弧系數進行綜合的三參數模型優化。設定氣隙寬度搜索區間為[0.3,0.7],步長為0.1;定轉子極弧系數區間為[0.35,0.5],步長為0.05。約束條件:定子極弧系數大于轉子極弧系數,效率大于85%,轉矩輸出大于20 N·m(效率和轉矩參照前面設計目標)。多參數優化結果為氣隙寬度0.3 mm,定子極弧系數0.45,轉子極弧系數0.36,根據轉子半徑,轉化為相應的定轉子極弧角度,分別為定子極弧角度16.7°,轉子極弧角度17.4°。

根據上述計算結果進行相應的結構細化設計,最終確定的樣機參數如表4所示。原型樣機裝配結構如圖2所示。

表4 樣機結構參數表

圖2 原型樣機裝配圖

5 原型樣機及測試

為減少渦流效應,定子、轉子由硅鋼片疊壓而成,研制成的SRM原型樣機1.0版如圖3所示。對該樣機進行起動電流、起動力矩、穩態運行等性能測試,搭建的測試平臺如圖4所示。

圖3 三相12/8開關磁阻輪轂電機樣機

圖4 輪轂電機實驗測試平臺

實際測試中電壓、電流和轉速為直接測量數據,測試時電機外懸掛不同質量的負載;力矩測量則通過電機外附加負載質量乘以半徑得出,為間接測量的量;功率也是間接測量的量,為轉速和力矩的乘積。實測起動力矩和起動電流數據曲線和計算值的對比如圖5所示。可以看出,在轉矩較低時,計算值與測量值符合很好,在轉矩加大時偏差加大,總的變化趨勢符合預測。不同驅動電壓下力矩和電流的實測數據如圖6所示,不同轉矩下的電壓和轉速關系曲線如圖7所示,不同驅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,兩者相比就是電機的效率,實測力矩效率曲線如圖9所示,其它各種測試結果由于篇幅所限省略。可以看出,實際輸出功率可以達到3.7 kW,扭矩輸出最大為28 N·m,達到了設計目標。上述各圖中測試的轉矩和轉速是電機轉子的參數,實際應用中經過內嵌的雙環行星齒輪減速器進行減速和增矩,實際輸出的最大力矩約為28×6=168 N·m。

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

圖5 實測樣機起動力矩和計算值的比較

圖6 實測樣機電流力矩曲線

圖7 實測樣機電壓轉速曲線

圖8 實測樣機力矩功率曲線

6 結 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動的基本單元,即外轉子三相12/8開關磁阻輪轂電機。輪轂電機的基本參數為額定功率3 kW,工作電壓96 V,額定轉速1 500 r/min,結構中內嵌雙環行星齒輪進行減速和增矩,實際車輪轉速可調范圍0～700 r/min。在結構方案的選用上,從轉矩、功率、效率和質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,最后確定的設計方案為三相12/8極,給出了主要的結構參數及電磁參數的計算、分析和優化,研制了原型樣機,并搭建了實驗平臺,測試基本的起動性能和穩態性能。從電機本身的機電特性來看,研制出的樣機經測試達到設計要求。下一步的工作是測試樣機的轉矩波動和振動噪聲水平,嘗試從控制的角度進一步降低轉矩波動,在低速大扭矩、高速恒功率和降低轉矩脈動上達到預期的效果。