徐曉敏 謝超明

（1. 湖北孝感供電公司，湖北孝感432100；2. 湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北孝感432100）

1 引言

ZQD-X型電動(dòng)車是以電能為能源，通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，是一種無污染的交通工具，隨著電動(dòng)機(jī)技術(shù)和電力電子控制技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)車的開發(fā)越來越受到人們的關(guān)注。

電動(dòng)觀光車是一種以車載蓄電池組作為動(dòng)力電源、靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛、無污染的綠色交通工具，它的發(fā)展對(duì)于解決全球性的能源和環(huán)境問題具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前正在應(yīng)用或開發(fā)的電動(dòng)車電動(dòng)機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁無刷電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)四類。直流電機(jī)控制簡(jiǎn)單，造價(jià)低而且技術(shù)成熟，符合我國(guó)國(guó)情，因此在我國(guó)的電動(dòng)車絕大多數(shù)仍然是直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

本文對(duì)一種電動(dòng)觀光車用牽引直流電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真研究，該電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格低等特點(diǎn)，能夠很好的滿足觀光車的技術(shù)要求。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

額定功率：3 kW

額定電壓：48 V

額定轉(zhuǎn)速：2800 r/min

2 ZQD-X型直流牽引電機(jī)電磁參數(shù)與基本尺寸

2.1 基本電磁參數(shù)[1]

電負(fù)荷A=120 A/cm

電樞電流密度Ja=11.15 A/mm2

勵(lì)磁繞組電流密度JAlf=3.5 A/mm2

每極磁通f=4.03 mWb

氣隙磁密Bs=0.87 T

電樞齒磁密Bta=1.985 T

電樞軛磁密Bja=1.25 T

主磁極磁密Bm=1.726 T

機(jī)座磁密Bj=1.011 T

2.2 基本尺寸

電樞外徑Da=11.1 cm

電樞內(nèi)徑Dia=3.4 cm

電樞長(zhǎng)度La=8.3 cm

槽數(shù)Z=29

槽尺寸(矩形)：槽深hs=1.3 cm，槽寬bs=0.4 cm，齒寬bt1=0.8 cm，bta(min)=0.52 cm,bta(1/2)=0.66 cm，bta(1/3)=0.614 cm

機(jī)座外徑Dj=17.5 cm

機(jī)座內(nèi)徑Dij=14.6 cm

機(jī)座長(zhǎng)度Lj=16.5 cm

3 ZQD-X型直流牽引電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

牽引電機(jī)的特殊工作環(huán)境和特性，對(duì)直流牽引電機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、制造工藝和維修等都有著更高的要求。相比于普通直流電機(jī)，ZXQT-3型直流牽引電機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采取了以下改進(jìn)措施：

（1）牽引電機(jī)的振動(dòng)、噪聲過大是比較普遍的故障。振動(dòng)過大會(huì)引起電機(jī)換向惡化、軸承損壞、連線斷裂等故障，對(duì)電機(jī)的壽命有著直接的影響。根據(jù)電動(dòng)機(jī)磁勢(shì)分析，由于氣隙中存在著基波和高次諧波分量，而高次諧波分量的分布及轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電勢(shì)受齒槽的影響較大。在每極每相槽數(shù) q為整數(shù)的三相電動(dòng)機(jī)中，存在次數(shù)v=2mq±1較強(qiáng)的高次諧波電勢(shì)，即齒諧波電勢(shì)。齒諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，使機(jī)座產(chǎn)生撓曲和橫向振動(dòng)，不利于電機(jī)的運(yùn)行性能，必須加以抑制。降低齒諧波電勢(shì)的有效方法是將轉(zhuǎn)子齒槽做成斜槽。

將轉(zhuǎn)子槽相對(duì)定子扭斜一個(gè)角度，可以相對(duì)地削弱齒諧波感應(yīng)電勢(shì)引起的電磁振動(dòng)和噪聲的交變徑向力。根據(jù)現(xiàn)有幾何參數(shù)，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸作6.75°的斜槽處理。

（2）電機(jī)運(yùn)行中，換向器既要傳導(dǎo)電流，又要受離心力和熱應(yīng)力的作用。這就要求換向器具有足夠的強(qiáng)度，剛度以保證片間壓力；在電機(jī)起動(dòng)、制動(dòng)或超速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，以及在允許的溫升限度內(nèi)，其形狀保持穩(wěn)定，不產(chǎn)生有害的變形；工作表面光滑平整，具有較高的耐磨性、耐電弧性，耐熱性，并具有可靠的對(duì)地絕緣，片間絕緣與爬電距離。

采用直接加熱后套軸式結(jié)構(gòu)，換向器套筒與軸之間為過盈配合，以增強(qiáng)換向器的傳動(dòng)隨行，避免升高片的扭振。換向器的工作表面的直徑長(zhǎng)度應(yīng)符合規(guī)定的公差，達(dá)到換向片的平面度要求，成為規(guī)則的圓柱形，圓柱公差應(yīng)該小于0.03 mm，保證換向器表面的平整度和徑向跳動(dòng)值在要求范圍之內(nèi)。

4 ZQD-X型直流牽引電機(jī)調(diào)速仿真分析

應(yīng)用 Matlab／Simulink對(duì)電機(jī)進(jìn)行電流-轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)仿真，對(duì)轉(zhuǎn)速和電流波形進(jìn)行分析。斬波調(diào)速又稱為脈寬調(diào)速，是在直流電源電壓基本不變的情況下通過電子開關(guān)的通斷，改變施加到電動(dòng)機(jī)端的直流電壓平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的。斬波調(diào)速對(duì)于改善電網(wǎng)功率因數(shù)和減少諧波對(duì)電網(wǎng)的影響都是非常有利的，蓄電池供電的直流電動(dòng)機(jī)一般都采用斬波調(diào)速。

4.1 斬波調(diào)速系統(tǒng)的仿真原理

轉(zhuǎn)速、電流分別通過兩個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)器控制，電流調(diào)節(jié)環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)為外環(huán)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定，電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電樞電流。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使輸出增加，電流給定上升，通過電流調(diào)節(jié)使電動(dòng)機(jī)電流增加獲得加速轉(zhuǎn)矩，反之亦然。

圖1 PI調(diào)節(jié)器仿真模型

4.2 仿真參數(shù)

電機(jī)：Ua=48 V，I=76 A，n=2800 r/min，Ra=0.0379 Ω，Toi=0.002 s，Ton=0.01 s，Ts=0.0017 s。

4.2.1 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)[2]：

Gi=τi=0.01134 s，電流開環(huán)增益：按d≤5%，取KIiT∑=0.5

ACR的比例系數(shù)為：

積分系數(shù)為Kip=1.455

4.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)

按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h=5，則 ASR的超前時(shí)間常數(shù)：

轉(zhuǎn)速開環(huán)增益

ASR比例系數(shù)為 ：

積分系數(shù)為Knp=303.9

圖2 ZQD-X 型電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速仿真模型

圖3-5為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流、轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。結(jié)合實(shí)際，設(shè)定電動(dòng)機(jī)為滿載起動(dòng)?？梢钥闯?，在0.2 s時(shí)起動(dòng)過程結(jié)束，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速2800 r/min，電樞電流達(dá)到61 A，輸出轉(zhuǎn)矩為10 N.m，仿真結(jié)果基本與設(shè)計(jì)相符。修改調(diào)節(jié)器參數(shù)和轉(zhuǎn)速給定可以得到不同參數(shù)和不同給定下的響應(yīng)曲線。

圖3 轉(zhuǎn)速仿真波形

4.3 ZQD-X型直流牽引電機(jī)起動(dòng)分析

圖4 電流仿真波形

圖5 轉(zhuǎn)矩仿真波形

牽引電機(jī)的起動(dòng)性能由起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流大小來衡量。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)與起動(dòng)電流倍數(shù)是衡量起動(dòng)性能的兩項(xiàng)重要指標(biāo)。在起動(dòng)時(shí)，應(yīng)具有足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但起動(dòng)電流不宜過大，應(yīng)限制在容許的范圍內(nèi)。結(jié)合仿真，本文牽引電機(jī)起動(dòng)電流倍數(shù)設(shè)計(jì)為：

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為:

可見，在起動(dòng)瞬間電流為額定電流的 3.68倍，最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為4.84倍，能夠很好的滿足牽引電機(jī)低起動(dòng)電流、大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩負(fù)載的要求。

4.4 負(fù)載機(jī)械特性曲線分析

對(duì)于電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)，其機(jī)械特性是非常重要的。電動(dòng)車起動(dòng)和爬坡時(shí)速度較低，但要求力矩較大；高速運(yùn)行時(shí)需要的力矩較小，而速度很高。即要求牽引電機(jī)在低速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩特性，高速時(shí)為恒功率特性，且電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度范圍應(yīng)該較寬。

在電動(dòng)車上，最常用的為他勵(lì)和串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和電樞電流相等，能獲得每單位電流的最高轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大、具有較寬的恒功率調(diào)速范圍。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能夠分別控制它的勵(lì)磁電流和電樞電流來實(shí)現(xiàn)控制，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)具有線性和穩(wěn)定輸出特性，可以擴(kuò)大其調(diào)速范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)在減速和制動(dòng)時(shí)的再生制動(dòng)，回收一部分能量。

ZQD-X型他勵(lì)牽引電機(jī)由蓄電池供電，再采用PWM斬波器進(jìn)行斬波調(diào)壓。PWM驅(qū)動(dòng)裝置具有下列優(yōu)點(diǎn)：需用的大功率可控器件少，線路簡(jiǎn)單；調(diào)速范圍寬；電流波形系數(shù)好，附加損耗??；功率因數(shù)高等。ZQD-X型他勵(lì)牽引電機(jī)機(jī)械特性試驗(yàn)曲線圖如圖6。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的 ZQD-X型直流牽引電機(jī)經(jīng)過仿真，樣機(jī)試制和試驗(yàn)，能夠很好的滿足電動(dòng)觀光車的運(yùn)行要求。為電動(dòng)觀光車等方面的應(yīng)用提供了更為廣泛的選擇余地。

圖6 機(jī)械特性曲線圖

[1] 上海工業(yè)大學(xué), 上海直流電機(jī)廠. 直流電機(jī)設(shè)計(jì).北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1983.

[2] 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng). 機(jī)械工業(yè)出版社,2000.