李長(zhǎng)兵，臧克茂，李立宇

(裝甲兵工程學(xué)院，北京100072)

現(xiàn)有的裝甲車(chē)輛采用專用的直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，另用一臺(tái)專用的發(fā)電機(jī)負(fù)責(zé)給蓄電池充電和整車(chē)供電.這種起動(dòng)和發(fā)電方式存在體積、重量大，效率低，可靠性和可維修性不高.如果采用一臺(tái)永磁同步電機(jī)既作為發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電動(dòng)機(jī)又作為整車(chē)的發(fā)電機(jī)[1]，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)一體化，則能在減小原有起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)體積和重量時(shí)提高電機(jī)的效率、可靠性與維修性、延長(zhǎng)電機(jī)壽命.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

依據(jù)輕型通用裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和發(fā)電需求，要求起動(dòng)發(fā)電一體化的永磁同步電機(jī)應(yīng)具有如下參數(shù):

起動(dòng)扭矩:115 N·m;

點(diǎn)火轉(zhuǎn)速:600 r/min;

發(fā)電轉(zhuǎn)速:800 r/min;

起動(dòng)電壓:24 V;

發(fā)電穩(wěn)定電壓:28 V;

發(fā)電額定功率轉(zhuǎn)速范圍:1 800～2 500 r/min;

額定扭矩:60 N·m;

發(fā)電額定電機(jī)電流:302 A(有效值);

最大起動(dòng)電機(jī)電流:1 260 A(有效值).

按照電機(jī)參數(shù)要求，一體機(jī)控制系統(tǒng)采用電機(jī)控制專用高性能DSP芯片TMS320F2808為主控CPU，起動(dòng)發(fā)電由一套控制系統(tǒng)完成，逆變器采用多MOSFET并聯(lián)實(shí)現(xiàn).起動(dòng)時(shí)CPU調(diào)用電動(dòng)機(jī)控制程序，采用電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)方式，將24 V直流電逆變?yōu)榻涣麟?，電機(jī)工作在電動(dòng)工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制.起動(dòng)后CPU調(diào)用發(fā)電機(jī)控制程序，由同一逆變裝置，采用SVPWM構(gòu)成PWM整流[2]，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的發(fā)電控制.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 起動(dòng)發(fā)電機(jī)一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 一體化電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的電機(jī)必須同時(shí)滿足電動(dòng)工況和發(fā)電工況的要求，還要滿足安裝空間的尺寸要求，根據(jù)系統(tǒng)需求和技術(shù)指標(biāo)，電機(jī)設(shè)計(jì)采用以下技術(shù)措施:

1)電機(jī)具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn).優(yōu)選設(shè)計(jì)參數(shù)，在滿足電機(jī)電氣性能的情況下，提高電機(jī)的功率密度和效率，減小其體積和重量.

2)發(fā)電工況時(shí)采用 PWM整流控制，且轉(zhuǎn)速范圍為1 800～2 500 r/min.合理設(shè)計(jì)電機(jī)的頻率、反電動(dòng)勢(shì)和電感參數(shù)，保證在轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)發(fā)電機(jī)及其PWM整流系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行.

3)電機(jī)要求具有低速高扭矩的起動(dòng)功能，因此在滿足發(fā)電性能的基礎(chǔ)上，必須兼顧電機(jī)起動(dòng)能力.

4)由于要求的電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，電機(jī)電磁負(fù)荷會(huì)比普通電機(jī)取值要高，電機(jī)的發(fā)熱也較大，對(duì)電機(jī)的冷卻散熱采用綜合設(shè)計(jì).

在運(yùn)用Ansoft軟件反復(fù)校核的基礎(chǔ)上得到電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

表1 電機(jī)主要參數(shù)

得到的電機(jī)發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)和起動(dòng)運(yùn)行數(shù)據(jù)如表2和表3所示.

表2 發(fā)電運(yùn)行數(shù)據(jù)

表3 起動(dòng)運(yùn)行數(shù)據(jù)

3 系統(tǒng)控制原理設(shè)計(jì)

為減小起動(dòng)發(fā)電一體電機(jī)控制系統(tǒng)的體積，控制系統(tǒng)采用一套逆變裝置，通過(guò)改變軟件控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)起動(dòng)時(shí)電機(jī)工作在電動(dòng)工況、發(fā)電時(shí)電機(jī)工作在制動(dòng)工況.電機(jī)的控制策略采用Iq=0的矢量控制.對(duì)應(yīng)電動(dòng)工況和制動(dòng)工況的矢量圖如圖2所示.

圖2 電機(jī)電動(dòng)和發(fā)電工況矢量圖

圖2中的E0為勵(lì)磁磁場(chǎng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，U為逆變器產(chǎn)生的相電壓.

電機(jī)在起動(dòng)時(shí)工作在電動(dòng)工況，被控量是電機(jī)轉(zhuǎn)速.其控制原理框圖如圖3所示.

圖3 起動(dòng)時(shí)工作原理框圖

電機(jī)在起動(dòng)后工作在制動(dòng)工況，被控量是直流母線電壓，其原理框圖如圖4所示，引入母線電流做前饋可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能.

圖4 發(fā)電時(shí)工作原理框圖

4 逆變器主回路設(shè)計(jì)

在低壓、大電流的使用條件下，控制器工作在母線電壓為28 V的工況，MOSFET管比IGBT有體積小、功耗小的優(yōu)勢(shì)，更重要的是MOSFET導(dǎo)通電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，并聯(lián)后能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)均流.起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)在起動(dòng)時(shí)需要的扭矩最大，對(duì)應(yīng)的起動(dòng)電流也最大.在起動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的最大電流為1 260 A(有效值)，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并考慮安全系數(shù)，MOSFET管的額定電流按式(1)計(jì)算為2 940 A.

式中:K為安全系數(shù)，取1.65，Imax為1 260 A.

若采用16個(gè)MOSFET并聯(lián)，則單個(gè)MOSFET的電流為2940÷16=184，A，根據(jù)這個(gè)指標(biāo)選用國(guó)際整流器公司的AUIRLS3036－7P.該管的技術(shù)指標(biāo)如表4所示.

表4 場(chǎng)效應(yīng)管 (MOSFET)的各項(xiàng)性能參數(shù)

5 仿真結(jié)果及分析

對(duì)電機(jī)利用Ansoft軟件進(jìn)行了有限元分析，對(duì)應(yīng)的電機(jī)空載磁通密度云圖如圖5所示，從圖中可以看出最高磁通密度集中在定子的齒部和軛部的幾個(gè)點(diǎn)，磁通密度分布對(duì)稱和合理，鐵芯的最高磁通密度不大于1.5 T.

空載電動(dòng)勢(shì)及其傅里葉分解如圖6所示，由圖可知電機(jī)電動(dòng)勢(shì)的諧波分量很小，這有利于減小電機(jī)的空載損耗和諧波扭矩.

圖5 電機(jī)空載磁通密度云圖

圖6 空載電動(dòng)勢(shì)及其傅里葉分解

依據(jù)電機(jī)的參數(shù)采用Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了起動(dòng)工況和發(fā)電工況的仿真分析[3]，得到的波形如圖7和圖8所示.

從電動(dòng)波形可以看出，電機(jī)起動(dòng)扭矩響應(yīng)時(shí)間小，電流波形正弦度較好，扭矩穩(wěn)定在115 N·m，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)扭矩的要求，發(fā)電工況時(shí)，電機(jī)三相電流很快達(dá)到穩(wěn)定，波形畸變小，輸出功率達(dá)到10 kW，滿足發(fā)電指標(biāo)要求.

圖7 0～600 r/min電動(dòng)運(yùn)行電流、扭矩和轉(zhuǎn)速波形

圖8 2 500 r/min發(fā)電電流、扭矩、功率和轉(zhuǎn)速波形

6 結(jié)論

對(duì)某型裝甲車(chē)輛的起動(dòng)一體化機(jī)的系統(tǒng)總體、電機(jī)參數(shù)、系統(tǒng)控制原理和逆變器的功率部分給出了詳細(xì)設(shè)計(jì).運(yùn)用Ansoft對(duì)電機(jī)進(jìn)行了有限元分析，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)用Simulink進(jìn)行了仿真.仿真結(jié)果表明電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)達(dá)到的性能指標(biāo)滿足裝甲車(chē)輛起動(dòng)和發(fā)電工況要求.

[1] 張科勛.一體式起動(dòng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)概述[J].汽車(chē)工程.2005，27(3):477-480.

[2] 黃 勇.三相電壓型PWM整流器的研究與設(shè)計(jì)[D].華南理工大學(xué).2010.

[3] Bimal K.Bose，王 聰，等，譯.現(xiàn)代電力電子學(xué)與交流傳動(dòng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.