E—ECHPS系統(tǒng)的電磁離合器設(shè)計(jì)及能量轉(zhuǎn)換分析

江浩斌　徐哲　唐斌　耿國慶

摘 要：為了降低重型車輛液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Hydraulic Power Steering，HPS）能耗并改善高速工況轉(zhuǎn)向路感，提出一種用電磁離合器控制轉(zhuǎn)向泵的節(jié)能型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)——電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electromagnetic Clutch-Electronical Controlled Hydraulic Power Steering，E-ECHPS）。重點(diǎn)分析了由主、副電機(jī)及轉(zhuǎn)差功率回收裝置組成的電磁離合器的結(jié)構(gòu)和工作原理，并對電磁離合器進(jìn)行了功率流分析，發(fā)現(xiàn)E-ECHPS相對于HPS具有明顯的節(jié)能性。運(yùn)用Ansoft軟件建立了某重型車輛E-ECHPS的電磁離合器主、副電機(jī)仿真模型，并設(shè)計(jì)了主電機(jī)的外電路和副電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，對典型車速轉(zhuǎn)向和直行工況下的電磁離合器進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)向工況下，電磁離合器的輸出轉(zhuǎn)矩隨車速增大而減小，符合助力特性要求 ；在直行工況下，主電機(jī)回收的轉(zhuǎn)差功率大于副電機(jī)的輸入功率。電磁離合器從助力特性和能量角度均滿足E-ECHPS系統(tǒng)的工作要求。

關(guān)鍵詞：重型車輛；電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；電磁離合器；節(jié)能；能量

中圖分類號：U463.41文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.01.07

近年來，作為長途公路客運(yùn)和物流運(yùn)輸主力裝備的重型車輛產(chǎn)銷規(guī)模快速增長，重型車輛的安全、節(jié)能和環(huán)保方面的新技術(shù)研究日益受到重視。目前重型車輛普遍采用HPS，HPS中的轉(zhuǎn)向泵由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。在汽車行駛過程中，不管汽車是否需要轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向泵一直高速運(yùn)轉(zhuǎn)，消耗了很多不必要的能量。此外，HPS的助力特性一旦設(shè)定就不能隨車速的變化而變化，難以兼顧低速時(shí)的轉(zhuǎn)向輕便性與高速時(shí)的路感及操縱穩(wěn)定性要求[1]。

本文采用電磁離合器（Electromagnetic Clutch）來控制轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，使其按車輛實(shí)際工況需要而變化，介紹了新型E-ECHPS的組成原理和轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速-流量特性。借鑒混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了由主、副電機(jī)及轉(zhuǎn)差功率回收裝置組成的電磁離合器，分析了電磁離合器的結(jié)構(gòu)和工作原理，根據(jù)電磁離合器的功率輸入輸出關(guān)系，分析了E-ECHPS的節(jié)能性。運(yùn)用Ansoft軟件對某重型車輛E-ECHPS電磁離合器的主、副電機(jī)進(jìn)行建模，并設(shè)計(jì)了主電機(jī)的外電路和副電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，對典型車速下的轉(zhuǎn)向工況和直行工況進(jìn)行了仿真分析，得出了電磁離合器輸出轉(zhuǎn)矩的變化情況和電功率與損耗的轉(zhuǎn)換情況。

1 E-ECHPS的系統(tǒng)組成與轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速-流量

特性

1.1 E-ECHPS的基本組成

圖1是本文介紹的采用電磁離合器控制轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的新型E-ECHPS系統(tǒng)的組成原理。E-ECHPS系統(tǒng)以傳統(tǒng)HPS為基礎(chǔ)，在發(fā)動(dòng)機(jī)和轉(zhuǎn)向泵之間安裝電磁離合器，電磁離合器的輸入端與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，輸出端與轉(zhuǎn)向泵相連，電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）根據(jù)車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向盤輸入轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角信號計(jì)算電磁離合器的輸入電流，以控制轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向泵的輸出流量，實(shí)現(xiàn)E-ECHPS助力特性隨車速可變，同時(shí)減少轉(zhuǎn)向泵的無效功耗。

1.2 E-ECHPS的轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速-流量特性

圖2是E-ECHPS轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速-流量特性，nmin是維持液壓系統(tǒng)最小流量Qmin所對應(yīng)的轉(zhuǎn)向泵的最低轉(zhuǎn)速，nmax是轉(zhuǎn)向泵的最高轉(zhuǎn)速（接近發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速，此時(shí)轉(zhuǎn)向泵輸出最大流量Qmax）。車輛行駛時(shí)，通過控制電磁離合器輸入端與輸出端的轉(zhuǎn)速差，使轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速處于[nmin，nmax]范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)向泵的輸出流量控制在[Qmin，Qmax]之間，轉(zhuǎn)向泵內(nèi)就不會產(chǎn)生溢流流量，從而使轉(zhuǎn)向泵的能耗明顯降低。

2 電磁離合器結(jié)構(gòu)原理與性能分析

2.1 電磁離合器的結(jié)構(gòu)組成和工作原理

圖3是本文設(shè)計(jì)的電磁離合器基本結(jié)構(gòu)組成，該結(jié)構(gòu)借鑒了混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)思想[2]。電磁離合器包括主電機(jī)、副電機(jī)和外電路，主電機(jī)由內(nèi)、外轉(zhuǎn)子組成，副電機(jī)為直流永磁無刷電機(jī)，外電路由AC-DC逆變器、電池和控制器組成。主電機(jī)的外轉(zhuǎn)子與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，主電機(jī)的內(nèi)轉(zhuǎn)子與副電機(jī)轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)向泵輸入軸連成一體，主電機(jī)和副電機(jī)都與外電路相接。在汽車正常轉(zhuǎn)向工況下，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向泵所需的轉(zhuǎn)矩（即電磁離合器的輸出轉(zhuǎn)矩）大部分由主電機(jī)提供，少部分由副電機(jī)提供；在直行工況下，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)矩主要由副電機(jī)提供，使轉(zhuǎn)向泵處于最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速狀態(tài)以維持液壓系統(tǒng)的基本壓力；在緊急轉(zhuǎn)向工況以及轉(zhuǎn)向阻力有較大波動(dòng)時(shí)，副電機(jī)提供輔助轉(zhuǎn)矩以保證轉(zhuǎn)向泵的響應(yīng)敏捷性和良好的助力跟隨性，從而滿足車輛轉(zhuǎn)向操控的動(dòng)態(tài)需求。外電路的作用是對主電機(jī)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率進(jìn)行回收利用，并通過控制器對主、副電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。采用分體式主、副電機(jī)結(jié)構(gòu)，可以降低主電機(jī)的勵(lì)磁電流，有利于整個(gè)結(jié)構(gòu)的散熱，提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性。

電磁離合器的工作原理是：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)帶著主電機(jī)外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，給主電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁線圈通電而形成主極磁場，外轉(zhuǎn)子三相繞組感應(yīng)產(chǎn)生三相交流電并形成電樞磁場，主極磁場和電樞磁場相互作用而帶動(dòng)內(nèi)轉(zhuǎn)子、副電機(jī)轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)向泵一起旋轉(zhuǎn)。由于轉(zhuǎn)向泵的轉(zhuǎn)速總是低于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速總是大于或等于怠速，所以車輛運(yùn)行時(shí)主電機(jī)的內(nèi)、外轉(zhuǎn)子總是存在轉(zhuǎn)速差，而主電機(jī)外轉(zhuǎn)子上有三相繞組，因此，內(nèi)、外轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率就產(chǎn)生三相交流電，經(jīng)AC-DC逆變器轉(zhuǎn)為直流電充入電池，實(shí)現(xiàn)能量的回收利用。外電路中的控制器根據(jù)實(shí)際工況要求，控制電池的輸出電流以改變主電機(jī)的勵(lì)磁電流和副電機(jī)的輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

2.2 E-ECHPS節(jié)能性分析

電磁離合器的功率輸入、輸出關(guān)系可用圖4表示[3]。圖中，Pout為主電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)差功率，η1為主電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率的回收效率，Padd為電池輸出的補(bǔ)充功率，Pe1為主電機(jī)的輸入電功率，包括主電機(jī)勵(lì)磁功率、主電機(jī)鐵耗pFe1和主電機(jī)線圈的絞線銅耗pCu1，Pe2為副電機(jī)的輸入電功率，包括副電機(jī)勵(lì)磁功率、副電機(jī)鐵耗pFe2和副電機(jī)定子繞組的絞線銅耗pCu2。回收的轉(zhuǎn)差功率可以滿足主電機(jī)和副電機(jī)的輸入電功率是電磁離合器正常工作的前提，也是進(jìn)行E-ECHPS節(jié)能性分析的前提。根據(jù)圖4可以對具有相同的發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向泵、液壓和機(jī)械部件的HPS與E-ECHPS的能耗進(jìn)行分析。

HPS所消耗的功率P1全部由發(fā)動(dòng)機(jī)提供：

。

式中，TE為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；nE為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r·min-1；TP為轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)矩，N·m。

E-ECHPS系統(tǒng)除了由發(fā)動(dòng)機(jī)和電池提供輸入功率外，還可回收電磁離合器的主電機(jī)轉(zhuǎn)差功率，因此，E-ECHPS系統(tǒng)實(shí)際消耗的功率P2為

。

式中，η1為主電機(jī)內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率的回收效率；Pout為主電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)差功率，kW；Padd為電池輸出的補(bǔ)充功率，kW。

對比分析式（1）和式（2）可知：在轉(zhuǎn)向工況下，由于E-ECHPS在短時(shí)間內(nèi)需要一定的電池補(bǔ)充功率，同時(shí)回收的轉(zhuǎn)差功率較少，所以E-ECHPS與HPS消耗的功率基本相當(dāng)；在直行工況下，E-ECHPS不需要電池補(bǔ)充功率，回收的轉(zhuǎn)差功率較多，所以E-ECHPS所消耗的功率明顯小于HPS。由于車輛在實(shí)際運(yùn)行過程中，80%以上的行駛里程都處于直行工況[4]，所以E-ECHPS的總體能耗明顯低于HPS。

3 電磁離合器建模

3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

本文基于某重型車輛HPS，設(shè)計(jì)了E-ECHPS中的電磁離合器。整車和轉(zhuǎn)向泵的主要參數(shù)見表1。

3.2 主電機(jī)建模及外電路設(shè)計(jì)

運(yùn)用Ansoft軟件設(shè)計(jì)的主電機(jī)2D模型和外電路如圖5和圖6所示。

主電機(jī)的主要參數(shù)為：外轉(zhuǎn)子外徑Da=220 mm，

外轉(zhuǎn)子三相繞組電阻Ra=0.097 3 Ω，外轉(zhuǎn)子三相繞組漏電感L1σ=0.066 mH，外轉(zhuǎn)子內(nèi)徑D1=140 mm，內(nèi)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組電阻Rf=0.5 Ω，長度l=150 mm，極對數(shù)為3，內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=13.6 g·m2。主電機(jī)外電路包括外轉(zhuǎn)子上的三相繞組、三相整流電路、濾波電路和負(fù)載電阻，本文用負(fù)載電阻消耗的功率來模擬電池的回收功率。通過線圈LPhaseA、LPhaseB和LPhaseC可以把主電機(jī)的有限元模型與主電機(jī)負(fù)載電路連接起來[5]。

3.3 副電機(jī)建模及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

運(yùn)用Ansoft所建立的副電機(jī)的2D模型如圖7所示，副電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖8所示。

副電機(jī)的主要參數(shù)為：定子外徑Da=130 mm，定子電樞電阻Rs=0.116 Ω，定子漏電感L1σ=40 μH，定子內(nèi)徑D1=80 mm，長度l=50 mm，極對數(shù)為2，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J =1.8 g·m2。副電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路是通過7個(gè)電壓控制（簡稱壓控）開關(guān)管和6對二極管對副電機(jī)三相繞組的輸入電壓進(jìn)行控制[6]。

4 電磁離合器仿真分析

4.1 轉(zhuǎn)向工況

車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，E-ECHPS的轉(zhuǎn)向泵助力轉(zhuǎn)矩TP應(yīng)隨車速變化而變化，由于轉(zhuǎn)向泵助力轉(zhuǎn)矩TP等于電磁離合器的輸出轉(zhuǎn)矩Te（即主、副電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩之和），故對5種代表性車速工況的電磁離合器輸出轉(zhuǎn)矩Te進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證E-ECHPS的助力特性是否符合要求。

根據(jù)表1中的參數(shù)，5種車速工況的仿真參數(shù)和結(jié)果列于表2中，v為車速，U2為副電機(jī)輸入電壓，If為主電機(jī)勵(lì)磁電流。

由圖9可知，隨著車速提高，電磁離合器的輸出轉(zhuǎn)矩逐漸減小，符合E-ECHPS轉(zhuǎn)向助力隨車速變化的要求。表2中不同車速下的電磁離合器輸出轉(zhuǎn)矩Te仿真結(jié)果與轉(zhuǎn)向泵助力轉(zhuǎn)矩TP目標(biāo)值基本一致，說明所建的電磁離合器仿真模型具有較高的精度，可實(shí)現(xiàn)不同車速下的助力特性。圖9顯示，隨著車速逐漸增大，電磁離合器的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間（即響應(yīng)時(shí)間）也逐漸增多，這是由初始轉(zhuǎn)速差增大所導(dǎo)致的。顯然，車速為80 km/h時(shí)電磁離合器的響應(yīng)時(shí)間低于0.2 s，對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的助力響應(yīng)敏捷性影響不大。圖9中輸出轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)是由于電磁離合器主電機(jī)三相繞組中存在高次諧波電動(dòng)勢，從而產(chǎn)生了諧波轉(zhuǎn)矩。通過以下方法可以較好地消除或削弱諧波轉(zhuǎn)矩：三相繞組采用星形聯(lián)結(jié)和短距繞組，主電機(jī)采用斜槽來削弱諧波轉(zhuǎn)矩[7]。

4.2 直行工況

直行工況下，E-ECHPS相對于HPS更節(jié)能，是基于電磁離合器回收的轉(zhuǎn)差功率能滿足主電機(jī)的損耗和副電機(jī)的輸入電功率，主電機(jī)的勵(lì)磁功率較小，可由電池輸出的補(bǔ)充功率提供。本文利用Ansoft軟件對40 km/h典型車速下直行工況的電磁離合器進(jìn)行二維瞬態(tài)磁場仿真，來分析直行工況下電磁離合器的電功率和損耗。表3是3種典型車速下直行工況的仿真參數(shù)，表中nE為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，nP為轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速，仿真時(shí)間設(shè)置為0.5 s，仿真過程中不考慮渦流損耗。

4.2.1 主電機(jī)仿真結(jié)果

三相繞組輸出電壓為相電壓，電流表檢測的電流為相電流。由圖10可知，相電壓有效值U為9.12 V，相電流有效值I為6.08 A。圖11是三相繞組中A相繞組輸出電壓和電流在3個(gè)周期內(nèi)的變化曲線，可求出相電壓與相電流之間的相位差φ為6°。根據(jù)式（3），可求出主電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)差功率Pout[8]：

。

圖12是負(fù)載電阻電壓和電流波形，從圖中可以看出，經(jīng)過三相整流電路后，負(fù)載電阻兩端的電壓和流過的電流均變?yōu)橹绷麟妷汉椭绷麟姡曳挡▌?dòng)很小，有利于電能的回收。

利用圖12中的數(shù)據(jù)，可求出電壓UR1為11.4 V，電流IR1為8.18 A，根據(jù)式（4）可求出消耗在負(fù)載電阻上的電能，即回收的轉(zhuǎn)差功率PR1 [9]：

。

利用計(jì)算得到的主電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)差功率Pout和回收的轉(zhuǎn)差功率PR1，就可以求出轉(zhuǎn)差功率的回收效率η1：

。

圖13是主電機(jī)鐵耗和線圈的絞線銅耗圖。從圖中可以看出鐵耗較小，且明顯小于銅耗，這是由于主電機(jī)內(nèi)、外轉(zhuǎn)子部分均采用薄硅鋼片疊壓而成，最大限度地降低了主電機(jī)的鐵耗。利用圖13中的數(shù)據(jù)可以求得鐵耗pFe1為2.1 W，銅耗pCu1為10.2 W。

4.2.2 副電機(jī)仿真結(jié)果

圖14是副電機(jī)A相電流波形，電流波形有波動(dòng)，主要是由以下兩方面的原因造成[10]：

（1）副電機(jī)定子齒槽引起的齒諧波電動(dòng)勢，工程中用定子斜槽可以有效地消除齒諧波電動(dòng)勢。

（2）假定副電機(jī)本身的氣隙磁場為理想梯形波，而且反電動(dòng)勢和磁感應(yīng)強(qiáng)度分布一致，由于副電機(jī)繞組存在電感，A相電流不可以突變，導(dǎo)致A相繞組電流只能近似地按照梯形波變化，因此無法保證A相電流波形為理想的梯形波。

根據(jù)圖14中的數(shù)據(jù)，可以求出A相電流的均值IPhA=4.2 A，由設(shè)計(jì)依據(jù)可知，在40 km/h車速直行工況下，副電機(jī)的輸入電壓U2=18 V，再利用式（6）可求出副電機(jī)的輸入電功率Pe2：

。

圖15是副電機(jī)鐵耗和銅耗曲線，從圖中數(shù)據(jù)可以求出鐵耗pFe2為2.3 W，銅耗pCu2為2.4 W。

4.2.3 三種典型車速下的仿真結(jié)果

由于10 km/h和80 km/h兩種車速下直行工況的仿真方法與40 km/h車速下的相同，因此根據(jù)以上的仿真方法，可以求出這兩種典型車速下的主要功耗，包括：主電機(jī)回收的轉(zhuǎn)差功率、副電機(jī)輸入電功率、主電機(jī)鐵耗和銅耗、副電機(jī)鐵耗和銅耗。求出的功耗列于表4中。

由表4可以看出，在3種車速下，主電機(jī)回收的轉(zhuǎn)差功率η1Pout均大于鐵耗和銅耗，副電機(jī)的輸入電功率也均大于鐵耗和銅耗。在10 km/h車速下，主電機(jī)輸出的電功率（即回收的轉(zhuǎn)差功率）略小于副電機(jī)的輸入電功率，這是因?yàn)榈退僦毙泄r時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，可回收的轉(zhuǎn)差功率較小，此時(shí)電池輸出的補(bǔ)充功率可以進(jìn)行補(bǔ)償；在40 km/h和80 km/h車速下，主電機(jī)輸出的電功率均大于副電機(jī)的輸入電功率，保證了整個(gè)電磁離合器在中高速直行工況下的正常運(yùn)行。

5 結(jié)論

（1）在已知E-ECHPS系統(tǒng)組成方案和轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速-流量特的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種適用于E-ECHPS系統(tǒng)的電磁離合器。

（2）在分析電磁離合器結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，對E-ECHPS系統(tǒng)的節(jié)能性進(jìn)行了分析，運(yùn)用Ansoft軟件建立了電磁離合器的主、副電機(jī)模型，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電路。

（3）對5種典型車速轉(zhuǎn)向工況下的電磁離合器進(jìn)行了仿真和計(jì)算，表明所建立的電磁離合器模型精度較高，電磁離合器可滿足E-ECHPS系統(tǒng)的助力要求并且可實(shí)現(xiàn)隨車速可變的助力特性。

（4）對3種典型車速直行工況下的電磁離合器進(jìn)行了仿真和計(jì)算，對比分析了主、副電機(jī)的電功率和損耗。仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的電磁離合器的合理性，也驗(yàn)證了E-ECHPS系統(tǒng)相對于HPS系統(tǒng)的節(jié)能性。