外转子开关磁阻轮毂电机研制

本文针对一种中速轻型电动汽车的应用研制轮毂电机原型样机,选用SRM原理,根据车轮中心的位置和结构特点,设计并优化定转子的位置、相数、极数和磁路结构,包括和SRM一体化的内嵌双环行星齿轮减速器。
 

1 设计参数确定

根据实际项目中电动汽车的工作环境及电池配备,确定电机为外转子结构,使电磁作用力点向外移动,增加力臂和功率输出,提高功率质量比;轮毂电机的功率根据电动汽车的行驶性能确定,即必须满足汽车在加速、爬坡、最大速度行驶时所需要的功率,如下式计算:

 

设计中电动车质量m为1 200 kg,传动效率η取0.9,车轮滚动摩擦系数f取0.015,空气阻尼系数c=0.5,汽车迎风面积s大约为1.6 m2,最大设计车速vmax=80 km/h,爬坡时平均速度取v=15 km/h,最大爬坡坡度i=0.20,汽车旋转质量换算系数δ=1.04,汽车的纵向行驶线性加速度取a=1.9 m/s2。将以上数值代入式(1),计算结果:

P=max(10.3,11.7,11.8)=11.8 kW。

本文为四轮分布驱动的轮毂电机,因此初定每个电机的额定功率P=3 kW。

SRM控制驱动采用富士IGBT功率管3MBI150U-120,额定电流为150 A;设定电机电流允许过载3倍,再取1.3的安全系数,因此允许的最大控制电流:

 

需要的控制电压:

 

采用电压为12 V的动力蓄电池,8个电池串联后电压为96 V,可满足需要的最大控制电压。外转子内嵌双环行星齿轮,进行减速和增矩。车轮轮胎外径大约600 mm,根据轮毂处的空间大小和行星齿轮减速器需要占用的空间,外转子外径确定为235 mm。根据最大时速80 km/h和直径600 mm的轮胎,车轮的最大转速为:

80×1 000÷60÷3.14÷0.6=707 r/min

考虑减速比为3左右,SRM的转速范围为0～2 100 r/min,因此额定转速确定为1 500 r/min。

2 结构方案选择

低于三相的SRM一般没有自起动能力,相数增多,可以减少转矩波动,但会使结构复杂化,开关器件也相应增多,增加了成本。综合考虑,初步设计电机为三相或者四相。根据本文确定的基本参数,参照文献[16-17]的方法,利用RMxprt电机设计专用软件来对三相6/4、三相12/8、四相8/6及四相16/12极四种方案的SRM进行量化分析,性能对比结果如表1所示。

表1 四种电机方案性能分析对比

 

由表1可知,对于这四种电机,在相同的尺寸结构和材料设置情况下,定转子极数越多,电机参考转矩越大,则电机效率越低,质量越轻。三相6/4和四相8/6电机输出转矩较小;三相12/8和四相16/12电机输出转矩足够大,且输出功率较大。但与三相12/8电机相比,四相16/12电机效率较低,且输出功率略小,而两者质量相差不大,所以本文选用三相12/8电机作为电动汽车用SRM。

3 基本参数设计

根据前面的方案及初步参数,确定SRM的设计目标:额定功率P=3 kW,额定转速n=1 500 r/min,电压U=96 V,电机效率定η=0.8,电机外径235 mm。电机额定转矩计算如下:

 

计算得TN=19.1 N·m。工作母线电流:

 

IBUS=39.1 A,考虑三相对称工作,则每相电流的平均值为13.03 A。

定子极绕组匝数:

 

式中:μ0=4π×10-7H/m为空气导磁率;K=1.15为铁心磁压降系数;由于是半周期导通,相电流取平均值的两倍,iph=26.06 A;材料为D23-50;气隙感应强度合理值Bδ选1.6 T,根据计算结果圆整后,选择绕组匝数20。

铁心长度主要由额定转矩TN来计算,三相SRM每相每个周期只有一半时间运行,每相计算转矩Tph取为TN的三分之二,即:

 

式中(考虑饱和影响),为定子极极弧长度,Bsn为定子极极弧系数,优化设计取为周期角根据式(4)和式(5),得出电机轴向长度:

 

 

 

 

 

l=0.099 m,考虑硅钢片的迭片系数,取l=100 mm。

4 气隙宽度及极弧系数

采用RMxprt软件进行电机的气隙宽度及极弧系数的优化。

气隙宽度b直接影响着电机的性能,随着气隙宽度减小,气隙漏磁减小,电机起动电流和起动转矩随之增大;但较小的气隙宽度对于电机制作工艺和装配工艺的要求较高,小型电机气隙一般不应小于0.25 mm。当气隙较宽时,随着气隙的减小,起动电流和起动转矩的增幅较小;当气隙较窄时,随着气隙宽度的减小,起动电流和起动转矩的增幅较大。采用上述软件量化分析气隙宽度对电机稳态性能的影响,结果如图1所示。从图1中可以看出,随着气隙的减小,漏磁减小,电机效率增大,输出功率增大,电机额定转矩显著增大,电机转速受气隙宽度影响不大。

 

图1 气隙宽度对转速、转矩、功率、效率的影响

定转子极弧系数Bsn和Brn分别是定转子极弧长度和极距的比值,直接影响电感的大小及其波形的变化,对电机的性能尤其是起动转矩的影响很大,采用上述软件量化分析结果如表2和表3所示。表2显示了定子极弧系数、转子极弧系数对起动转矩和起动电流的影响,表3表示了这两个系数对额定转速、转矩、功率和效率的影响。可以看出,随着极弧系数的增大,起动电流增加缓慢,起动转矩显著增大,但稳态特性的额定转速和效率会随之减少,额定转矩会增大。

表2 不同极弧系数的起动转矩和起动电流

 

表3 不同极弧系数的额定转速、转矩、功率和效率

 

根据上述分析,对气隙宽度和定转子极弧系数进行综合的三参数模型优化。设定气隙宽度搜索区间为[0.3,0.7],步长为0.1;定转子极弧系数区间为[0.35,0.5],步长为0.05。约束条件:定子极弧系数大于转子极弧系数,效率大于85%,转矩输出大于20 N·m(效率和转矩参照前面设计目标)。多参数优化结果为气隙宽度0.3 mm,定子极弧系数0.45,转子极弧系数0.36,根据转子半径,转化为相应的定转子极弧角度,分别为定子极弧角度16.7°,转子极弧角度17.4°。

根据上述计算结果进行相应的结构细化设计,最终确定的样机参数如表4所示。原型样机装配结构如图2所示。

表4 样机结构参数表

 

 

图2 原型样机装配图

5 原型样机及测试

为减少涡流效应,定子、转子由硅钢片叠压而成,研制成的SRM原型样机1.0版如图3所示。对该样机进行起动电流、起动力矩、稳态运行等性能测试,搭建的测试平台如图4所示。

 

图3 三相12/8开关磁阻轮毂电机样机

 

图4 轮毂电机实验测试平台

实际测试中电压、电流和转速为直接测量数据,测试时电机外悬挂不同质量的负载;力矩测量则通过电机外附加负载质量乘以半径得出,为间接测量的量;功率也是间接测量的量,为转速和力矩的乘积。实测起动力矩和起动电流数据曲线和计算值的对比如图5所示。可以看出,在转矩较低时,计算值与测量值符合很好,在转矩加大时偏差加大,总的变化趋势符合预测。不同驱动电压下力矩和电流的实测数据如图6所示,不同转矩下的电压和转速关系曲线如图7所示,不同驱动电压下力矩功率曲线如图8所示。这里测试的功率为输出的机械功率,电压电流相乘得出的是输入电功率,两者相比就是电机的效率,实测力矩效率曲线如图9所示,其它各种测试结果由于篇幅所限省略。可以看出,实际输出功率可以达到3.7 kW,扭矩输出最大为28 N·m,达到了设计目标。上述各图中测试的转矩和转速是电机转子的参数,实际应用中经过内嵌的双环行星齿轮减速器进行减速和增矩,实际输出的最大力矩约为28×6=168 N·m。

从电机的输出特性来看,随着力矩的增加,效率下降,除了高转矩下效率偏低外,其他方面均达到了预期的设计要求,说明设计计算分析方法正确。

 

图5 实测样机起动力矩和计算值的比较

 

图6 实测样机电流力矩曲线

 

图7 实测样机电压转速曲线

 

图8 实测样机力矩功率曲线

 

图9 实测样机力矩效率曲线

6 结 语

本文针对特定的中速轻型电动汽车,研制了分布式轮毂驱动的基本单元,即外转子三相12/8开关磁阻轮毂电机。轮毂电机的基本参数为额定功率3 kW,工作电压96 V,额定转速1 500 r/min,结构中内嵌双环行星齿轮进行减速和增矩,实际车轮转速可调范围0～700 r/min。在结构方案的选用上,从转矩、功率、效率和质量四个方面比较了三相6/4、三相12/8、四相8/6及四相16/12极四种形式的SRM,最后确定的设计方案为三相12/8极,给出了主要的结构参数及电磁参数的计算、分析和优化,研制了原型样机,并搭建了实验平台,测试基本的起动性能和稳态性能。从电机本身的机电特性来看,研制出的样机经测试达到设计要求。下一步的工作是测试样机的转矩波动和振动噪声水平,尝试从控制的角度进一步降低转矩波动,在低速大扭矩、高速恒功率和降低转矩脉动上达到预期的效果。