變量式交流同步機電液耦合器特性分析

關(guān)鍵詞：機電液耦合器；負(fù)載特性；電感特性；仿真分析

中圖分類號：TH137.311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

變量式交流機電液耦合器屬于新能源汽車永磁同步電機的重要組件，改善其設(shè)計水平有利于提高電機的性能和穩(wěn)定性。該裝置的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其輸出轉(zhuǎn)矩受到多種因素的影響，需要通過數(shù)值模擬的方式判斷其電磁特性，從而為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供量化的依據(jù)。

1 變量式交流同步機電液耦合器基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計參數(shù)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

機電液耦合器的作用是將電機產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為液壓能，主要應(yīng)用于電動汽車的動力傳動裝置，其結(jié)構(gòu)組成包括定子鐵心、定子繞組、柱塞、膜片彈簧、永磁體、傳動軸、回程結(jié)構(gòu)以及外部缸體等。

1.2 電磁設(shè)計參數(shù)

機電液耦合器與液壓系統(tǒng)高度集成，當(dāng)電動汽車處于過載情況時，通過液壓系統(tǒng)控制電機的溫度，防止其因過載產(chǎn)生高溫，影響電機效率，機電液耦合器電磁設(shè)計參數(shù)如表1 所示。

2 機電液耦合器工作特性仿真分析

2.1 仿真分析的理論基礎(chǔ)

2.1.2 有限元分析的實現(xiàn)原理

有限元法屬于數(shù)值模擬方法，在理論分析過程中，通過有限元軟件建立模型、劃分網(wǎng)格，從而使求解區(qū)域離散化。將模型劃分為微小的網(wǎng)格區(qū)域后，符合微積分的應(yīng)用條件，即可根據(jù)式（1）開展積分運算。有限元單元的密度對問題求解精度具有顯著的影響，當(dāng)密度過大時，求解精度通常較差；當(dāng)密度過小時，會導(dǎo)致運算量增大。因此，在構(gòu)建有限元模型時，應(yīng)合理設(shè)置有限元網(wǎng)格單元的尺寸[2]。

2.2 工作特性有限元分析

2.2.1 有限元模型構(gòu)建

利用Maxwell 軟件進(jìn)行電磁仿真，該軟件支持2D 和3D 繪圖功能，能夠生成復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)圖。以機電液耦合器的設(shè)計參數(shù)為依據(jù)，先繪制出結(jié)構(gòu)模型，再劃分網(wǎng)格并且進(jìn)行有限元求解。建模時的重要參數(shù)涵蓋柱塞泵的輸入壓力、輸出功率、轉(zhuǎn)速、結(jié)構(gòu)材料的抗拉強度和屈服強度、永磁體的設(shè)計參數(shù)等[3]。

2.2.2 磁場靜態(tài)分析

磁場靜態(tài)分析的目的是確定機電液耦合器電磁設(shè)計方案是否合理，尤其要排除漏磁和材料浪費。

2.2.2.1 磁通密度變化范圍和磁力線變化范圍

利用Maxwell 軟件模擬磁通密度和磁力線的變化范圍。模擬結(jié)果顯示，磁通密度的變化范圍為0 ～ 2.44 T，隔磁橋處、定子齒、定子軛對應(yīng)的磁通密度分別為2.40 T、1.60 T、1.20 T，磁通密度的整體分布較為合理。磁力線的變化范圍為-0.182 ～ 0.182 Wb/m，其起點為N 級，終點為S 級，形成閉合回路。

2.2.2.2 氣隙磁密分布質(zhì)量模擬結(jié)果

氣隙的作用為兩個：其一為存儲磁能；其二為能量轉(zhuǎn)換。電機的控制精度、轉(zhuǎn)矩大小以及工作效率均受到氣隙磁密分布質(zhì)量的影響。對于定子線圈，發(fā)揮作用的磁密為氣隙中的徑向磁密，計算方法為：

根據(jù)式（2）計算機電液耦合器在不同時段內(nèi)的空載氣隙磁密數(shù)值，發(fā)現(xiàn)其幅值呈周期性變化，利用傅里葉變換的方式對氣隙磁密的基波進(jìn)行分解，機電液耦合器空載氣隙磁密基波及前5 次諧波分量如表2 所示。從模擬結(jié)果可知，在5 次諧波分量中，第2 次諧波分量最大。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，氣隙磁密的5 次諧波是造成電機轉(zhuǎn)矩發(fā)生脈動的重要原因，受到扭矩脈動的影響，電機的振動效應(yīng)和噪聲會有所增強。

2.2.3 瞬時空載特性分析

在瞬時空載特性仿真模擬階段，由于瞬態(tài)磁場不能實現(xiàn)網(wǎng)格自適應(yīng)剖分，為了保證有限元計算的精度，需要以人工方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。機電液耦合器為圓形的對稱型結(jié)構(gòu)，在模擬時可選取模型的1/6 扇形區(qū)域作為仿真單元。將電機的額定轉(zhuǎn)速設(shè)置為3 000 r/min，每轉(zhuǎn)動一圈，耗時20 ms。

2.2.3.1 空載反電勢模擬結(jié)果

當(dāng)電機無電流激勵時，其感應(yīng)電動勢稱為空載反電勢。在理想條件下，空載反電勢的波形為正弦曲線。然而，在實際條件下，受到機電液耦合器定子齒槽和永磁體分布形式的影響，真實的空載反電勢通常并非標(biāo)準(zhǔn)的正弦曲線，其基波中往往存在諧波分量[4]。電機轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性與諧波存在緊密的聯(lián)系，當(dāng)空載反電勢出現(xiàn)諧波后，電機容易產(chǎn)生波動，能量損耗加快，工作效率下降。運用傅里葉變換分解空載反電勢的基波，其中第5 次諧波分量為7.7 V，第11 次諧波分量為13.0 V，其他各次諧波分量非常小，不超過1.0 V。基波為160.0 V，兩個最大的諧波分量遠(yuǎn)低于基波，因此諧波的影響較小。

2.2.3.2 齒槽轉(zhuǎn)矩模擬結(jié)果分析

機電液耦合器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，定子齒槽和永磁體之間的位置呈周期性變化，在這一過程中產(chǎn)生了齒槽轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而增加了電機的振動效應(yīng)和噪聲。齒槽轉(zhuǎn)矩的計算方法為：

從計算方法可知，槽口寬度、永磁體的布置形式能夠影響齒槽轉(zhuǎn)矩的大小。但是該解析方法存在一定的缺陷，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時，計算結(jié)果的精確性難以保證[5]。

有限元模擬方法能夠克服解析方法計算精度不足的問題，在仿真過程中，將轉(zhuǎn)速設(shè)置為1（ °）/s。在建模時，將模型的最小弧長單位設(shè)置為0.5°，仿真過程的步長為0.5 s，總時長為40 s。由于步長為0.5 s，轉(zhuǎn)速為1 （°）/s，弧長單位為0.5°，因此每步次的求值均為模型的最小弧長。這種模擬方案能夠有效降低因網(wǎng)格運動而產(chǎn)生的噪聲，齒槽轉(zhuǎn)矩有限元模擬數(shù)值如圖1 所示，轉(zhuǎn)矩幅值的變化范圍為-1.43 ～ 1.43 N·m。機電液耦合器的額定轉(zhuǎn)矩為60 N·m，齒槽轉(zhuǎn)矩僅為額定轉(zhuǎn)矩的2.38%。

2.2.4 電磁轉(zhuǎn)矩特性分析

2.2.4.1 額定工況下不同電流超前角對電磁轉(zhuǎn)矩的影響

將機電液耦合器設(shè)置為額定工況，對比不同電流超前角對電磁轉(zhuǎn)矩的影響，超前角分別設(shè)定為0° 和20°。有限元模擬結(jié)果顯示，0° 和20° 對應(yīng)的平均轉(zhuǎn)矩分別為48.0 N·m、56.0 N·m。從數(shù)據(jù)可知，當(dāng)磁場出現(xiàn)扭斜（超前角不為0°）時，轉(zhuǎn)矩的波動性和整體幅值均高于無扭斜（超前角為0°）時的數(shù)據(jù)。

2.2.4.2 柱塞對電磁轉(zhuǎn)矩的影響

柱塞屬于機電液耦合器柱塞泵的重要組件，柱塞在缸體內(nèi)往復(fù)運動，從而改變密封工作容腔的容積，用于改變液壓動力。研究過程設(shè)置A、B 兩種模型，模型A 具有柱塞，模型B 無柱塞，分別模擬平均電磁轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩的波動wYg2craB0g/WnNR+zCl6+JqWSw/dradXlxKC4JUiZbk=性。模擬數(shù)據(jù)顯示，在有柱塞的情況下（模型A），機電液耦合器的平均電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到56.0 N·m，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩波動性為24%。在無柱塞的情況下（模型B），平均電磁轉(zhuǎn)矩為964Kl0Gk4g22cy4rEk4n0NH07kz8p427PP56kg6tM44=60.0 N·m，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩波動性達(dá)到31%。由此可見，在有柱塞的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩輸出值及其波動性均低于無柱塞的情況。該現(xiàn)象的出現(xiàn)與柱塞腔的隔磁橋作用密切相關(guān)，因為模型A的柱塞腔增加了磁阻，減小了磁轉(zhuǎn)矩。

2.2.4.3 不同磁鋼厚度下電磁轉(zhuǎn)矩對比

變量式交流同步電機屬于永磁電機，當(dāng)永磁體厚度增加時，輸出轉(zhuǎn)矩通常會隨之增大。但由于機電液耦合器中設(shè)計有柱塞，磁鋼（永磁體）厚度過大會制約直軸磁路，進(jìn)而制約輸出轉(zhuǎn)矩。為了探究磁鋼厚度與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，研究過程使磁鋼厚度在4.8 ～ 5.8 mm 內(nèi)發(fā)生變化，模擬A、B 兩種模型的輸出轉(zhuǎn)矩。結(jié)果顯示，在模型A 中，隨著磁鋼厚度的增加，輸出轉(zhuǎn)矩呈遞增趨勢，從55.4 N·m 提高至56.0 N·m。在模型B 中，電磁轉(zhuǎn)矩呈遞增趨勢，從58.1 N·m 提高至59.5 N·m。A、B 兩種模型的電磁轉(zhuǎn)矩增幅分別為0.6 N·m、1.4 N·m。從數(shù)據(jù)可知，增大磁鋼厚度有利于提高輸出轉(zhuǎn)矩，柱塞在一定程度上降低了輸出轉(zhuǎn)矩的增幅。

3 結(jié)論

本文利用Maxwell 軟件模擬機電液耦合器的電磁特性，得出以下基本結(jié)論。

（1）在磁場靜態(tài)分析中，由氣隙磁密分布質(zhì)量可知，其基波中存在諧波分量，在一定程度上增加了該裝置的振動效應(yīng)和噪聲。

（2）在瞬態(tài)空載特性分析中，發(fā)現(xiàn)空載反電勢存在諧波分量，但諧波較小，對機電液耦合器的影響較小；齒槽轉(zhuǎn)矩屬于不利因素，呈周期性變化，是造成機電液耦合器發(fā)生振動的重要因素。

（3）根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩特性分析結(jié)果，提高永磁體厚度有利于增大輸出轉(zhuǎn)矩。柱塞結(jié)構(gòu)增大了磁阻，在一定程度上制約了輸出轉(zhuǎn)矩。電流超前角導(dǎo)致磁場扭斜，提高了轉(zhuǎn)矩的波動性和整體幅值。