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外轉子開關磁阻輪轂電機研制

2020-04-10 20:33:39·  來源：EDC電驅未來  作者：祁新梅  
　
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(jù)車輪中心的位置和結構特點,設計并優(yōu)化定轉子的位置、相數(shù)、極數(shù)和磁路結構,包括和SRM
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(jù)車輪中心的位置和結構特點,設計并優(yōu)化定轉子的位置、相數(shù)、極數(shù)和磁路結構,包括和SRM一體化的內(nèi)嵌雙環(huán)行星齒輪減速器。
 
1 設計參數(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(zhì)量比;輪轂電機的功率根據(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,如下式計算:
 
設計中電動車質(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(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(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。外轉子內(nèi)嵌雙環(huán)行星齒輪,進行減速和增矩。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(shù)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(jù)本文確定的基本參數(shù),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(shù)越多,電機參考轉矩越大,則電機效率越低,質(zhì)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(zhì)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(shù)設計
根據(jù)前面的方案及初步參數(shù),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(shù):
 
式中:μ0=4π×10-7H/m為空氣導磁率;K=1.15為鐵心磁壓降系數(shù);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(jù)計算結果圓整后,選擇繞組匝數(shù)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:
 
式中(考慮飽和影響),為定子極極弧長度,Bsn為定子極極弧系數(shù),優(yōu)化設計取為周期角根據(jù)式(4)和式(5),得出電機軸向長度:
 
 
 
 
 
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軟件進行電機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(wěn)態(tài)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(shù)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(shù)、轉子極弧系數(shù)對起動轉矩和起動電流的影響,表3表示了這兩個系數(shù)對額定轉速、轉矩、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,起動轉矩顯著增大,但穩(wěn)態(tài)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(shù)的起動轉矩和起動電流
 
表3 不同極弧系數(shù)的額定轉速、轉矩、功率和效率
 
根據(jù)上述分析,對氣隙寬度和定轉子極弧系數(shù)進行綜合的三參數(shù)模型優(yōu)化。設定氣隙寬度搜索區(qū)間為[0.3,0.7],步長為0.1;定轉子極弧系數(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)大于轉子極弧系數(shù),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(shù)優(yōu)化結果為氣隙寬度0.3 mm,定子極弧系數(shù)0.45,轉子極弧系數(shù)0.36,根據(jù)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(jù)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(shù)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(shù)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(wěn)態(tài)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(shù)據(jù),測試時電機外懸掛不同質(zhì)量的負載;力矩測量則通過電機外附加負載質(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?？梢钥闯?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(shù)據(jù)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?？梢钥闯?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(shù),實際應用中經(jīng)過內(nèi)嵌的雙環(huán)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
 
圖9 實測樣機力矩效率曲線
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(shù)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(nèi)嵌雙環(huán)行星齒輪進行減速和增矩,實際車輪轉速可調(diào)范圍0～700 r/min。在結構方案的選用上,從轉矩、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,最后確定的設計方案為三相12/8極,給出了主要的結構參數(shù)及電磁參數(shù)的計算、分析和優(yōu)化,研制了原型樣機,并搭建了實驗平臺,測試基本的起動性能和穩(wěn)態(tài)性能。從電機本身的機電特性來看,研制出的樣機經(jīng)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。
 
 
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