王 蕾，高 翔，李秀玲，申 俊

(1.河南機電職業(yè)學院，鄭州 451191；2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學院，鄭州 451191)

0 引 言

由于能源危機與環(huán)境污染問題日益突出，電動汽車在節(jié)能、環(huán)保方面的優(yōu)勢逐漸受到人們的關(guān)注，全電動汽車的研究和發(fā)展已經(jīng)成為當今世界汽車工業(yè)發(fā)展的新趨勢[1-2]。電機驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車驅(qū)動的核心，目前汽車用大功率驅(qū)動電機以永磁電機、異步電機、開關(guān)磁阻電機為主導[3]。開關(guān)磁阻電機具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、調(diào)速范圍寬、高速效率高、過載能力強等優(yōu)點，逐漸成為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)秀方案之一[4-6]。

開關(guān)磁阻電機的非線性特性、轉(zhuǎn)矩脈動以及噪聲成為研究的重點，國內(nèi)為學者從本體結(jié)構(gòu)和控制策略方面提出很多解決方案，推動了開關(guān)磁阻電機在汽車領(lǐng)域應用的發(fā)展[7-8]。但將開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)設(shè)計與汽車性能需求結(jié)合在一起，從整體角度出發(fā)去設(shè)計符合汽車性能的研究還比較少[9]。本文以全電動賽車為平臺，發(fā)揮開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)的優(yōu)勢，設(shè)計了一臺與全電動賽車匹配的高速開關(guān)磁阻電機，最大限度提升賽車性能。

本文主要開展了以下方面的工作：首先，分析了賽車各種工況下的性能需求，制定了開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)的性能指標；其次，根據(jù)以上指標，運用有限元仿真優(yōu)化了開關(guān)磁阻電機本體設(shè)計方案，采用多相激勵法代替單相疊加法計算合成轉(zhuǎn)矩，并提出低速工況下變斬波電流控制方式；再次，基于電機轉(zhuǎn)速與變開通、關(guān)斷角分析了開關(guān)磁阻電機功率/效率map；最后通過實驗測試驗證了方案的可行性。

1 純電動賽車動力匹配性能需求

1.1 純電動賽車主要參數(shù)

中國大學生電動方程式賽車基本參數(shù)：總質(zhì)量M0=355 kg；輪胎外徑ri=0.232 m；迎風面積A=1.0 m2；滾動阻力系數(shù)f=0.02；傳動效率ηt=0.9；迎風阻力系數(shù)Cd=0.35；輪胎附著系數(shù)ε=1.0～1.4；重力加速度g=9.81 m/s2。

1.2 實際工況對電機性能的要求

為滿足各項賽事需求并提升賽車綜合性能，電機轉(zhuǎn)矩設(shè)計應滿足以下條件：

1)在起動時刻提供最大的加速度amax；

2)直線加速尾速大于vmax，峰值輸入功率不大于80 kW(限定)；

3)耐久賽加減速過程中提供較大加速度；

根據(jù)仿真得到賽車最高車速vmax=120 km/h，耐久賽中使用最高車速ui=60 km/h，減速比i0=8.2；建立賽車數(shù)學模型，賽車起動時刻，在保證輪胎與地面無相對滑動的前提下，電機輸出最大轉(zhuǎn)矩Tmax，以獲得最大加速度amax[10]：

(1)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，m0為賽車加速時驅(qū)動輪得到的質(zhì)量分配，取輪胎附著系數(shù)ε=1.4，根據(jù)賽車設(shè)計的質(zhì)心高度、輪胎負荷、產(chǎn)生加速度，求得賽車加速度amax=9.8 m/s2，電機輸出的最大轉(zhuǎn)矩Tmax=109.5 N·m。電機最高轉(zhuǎn)速以及最高轉(zhuǎn)速下的輸出功率[10]如下式：

(2)

求得nmax=11 251 r/min，Pmax=11.4 kW，可見最高車速下勻速運行，電機需求功率很小。

耐久賽中賽車在最高速度時ui=60 km/h，驅(qū)動電機仍提供的最大加速度amax，則電機功率[11]由下式確定：

(3)

此時電機輸出功率為65.5 kW，對應電機轉(zhuǎn)速ni=5 625 r/min。

根據(jù)以上確定目標，初步確定高速開關(guān)磁阻電機參數(shù),如表1所示。

表1 高速開關(guān)磁阻電機性能參數(shù)

2 高速開關(guān)磁阻電機本體設(shè)計

2.1 電機結(jié)構(gòu)參數(shù)

針對上節(jié)的性能參數(shù)，運用開關(guān)磁阻電機基本約束方程[12]，確定開關(guān)磁阻電機電磁方案基本參數(shù)，如表2所示。

表2 高速開關(guān)磁阻電機本體參數(shù)

2.2 開關(guān)磁阻電機非線性模型

開關(guān)磁阻電機具有雙凸極結(jié)構(gòu)和磁路非線性的特點，在運行期間，其繞組電感不是常數(shù)，而是電流和轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)，開關(guān)磁阻電機各種參數(shù)和各種物理量都是轉(zhuǎn)子位置和電流的復雜函數(shù)，難以用簡單的解析式來表達，其電磁轉(zhuǎn)矩一般根據(jù)磁場儲能或者磁共能求得[13]：

(4)

式中：Te為電機電磁轉(zhuǎn)矩；W′(i,θ)為磁共能，ψ為繞組磁鏈，i為繞組電流。利用仿真獲得的不同轉(zhuǎn)子位置下磁鏈-電流關(guān)系(如圖1所示)，即可求得電磁轉(zhuǎn)矩。

圖1 不同轉(zhuǎn)子位置下磁鏈-電流曲線

2.3 起動轉(zhuǎn)矩優(yōu)化

當開關(guān)磁阻電機低速運行時，繞組內(nèi)的反電動勢很小，開通時刻電流能夠迅速達到斬波電流幅值，當采用滯環(huán)斬波控制方法時，可以認為電機工作在恒流源激勵工況下。因此，可以采用靜磁場替代瞬態(tài)場計算輸出轉(zhuǎn)矩。采用靜磁場計算有兩個優(yōu)點：第一，靜磁場計算采用自動加密剖分技術(shù)，每一步的計算結(jié)果必然收斂；第二，低速情況下，靜磁場計算相較于瞬態(tài)場計算耗時短，節(jié)約計算資源。本文采用靜磁場計算開關(guān)磁阻電機起動轉(zhuǎn)矩。起動時開關(guān)磁阻電機工作在過載狀態(tài)，電機定、轉(zhuǎn)子鐵心嚴重飽和，由于電機的雙凸極特性，輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子位置有很大關(guān)系，同時電機起停位置具有隨機性，所以需要計算一個周期內(nèi)輸出轉(zhuǎn)矩波形，然后提升電機最小轉(zhuǎn)矩。

起動時為確保電機輸出足夠轉(zhuǎn)矩，開關(guān)磁阻電機通常以180°電角度導通，在此過程中會存在換相過程。以往計算的方法：計算單相轉(zhuǎn)矩，通過單相轉(zhuǎn)矩疊加獲得合成轉(zhuǎn)矩[14]，此方法沒有考慮換相時兩相電流同時導通對磁場飽和程度的影響。本文采用多相電流激勵法替代單相轉(zhuǎn)矩疊加法，在換相時刻，將兩相電流同時作為激勵源，然后計算電機輸出轉(zhuǎn)矩，此方法可以考慮兩相導通時磁場飽和對輸出轉(zhuǎn)矩的影響。圖2是兩種方法計算輸出轉(zhuǎn)矩對比?？梢钥闯?，考慮磁場飽和的影響，兩種方法計算的兩相導通時的輸出轉(zhuǎn)矩存在明顯差異，顯然考慮兩相同時激勵時帶來的磁場飽和效應，降低了合成轉(zhuǎn)矩的輸出能力。

圖2 多相激勵法和單相疊加法計算合成轉(zhuǎn)矩對比

基于多相激勵法，通過對轉(zhuǎn)子極形、定子極形、定轉(zhuǎn)子軛厚等尺寸參數(shù)運用遺傳算法進行了優(yōu)化[15]，確定一組性能最優(yōu)組合，如表3所示，并計算一個周期內(nèi)不同電流幅值下的轉(zhuǎn)矩波形(I-θ-T)，如圖3所示?？梢钥闯?，在最小轉(zhuǎn)矩提升的同時，最大轉(zhuǎn)矩也在提升，故合成轉(zhuǎn)矩的脈動并沒有減小。由于賽車用電機不同于普通電動汽車用電機， 它不但要提供最大的加速度， 而且又要保證輪胎相

表3 優(yōu)化后電機參數(shù)

對于地面不能產(chǎn)生滑動，所以還應該力求開關(guān)磁阻電機起動時刻具有較小的轉(zhuǎn)矩脈動，本文采用變斬波電流控制方式，達到一個周期內(nèi)電機轉(zhuǎn)矩保持基本恒定。根據(jù)給定的目標轉(zhuǎn)矩Ttar，在圖3中作一平面轉(zhuǎn)矩Ttar，則平面與曲面的交線即為當前轉(zhuǎn)子位置θtar處的斬波電流Itar。為提高響應速度，實際采用方法:將圖3數(shù)據(jù)反演，得到轉(zhuǎn)子位置-轉(zhuǎn)矩-電流關(guān)系(T-θ-I)，如圖4所示。根據(jù)需求的轉(zhuǎn)矩Ttar和當前轉(zhuǎn)子位置θtar，可以查得對應的斬波電流Itar，將θtar-Itar形成一個周期內(nèi)的預制表，利用有限元方法，即可得到轉(zhuǎn)矩波形，如圖5所示，此時轉(zhuǎn)矩脈動僅為0.3%。可以看出，只要獲得當前轉(zhuǎn)子位置，給定相應的斬波電流，即可獲得在不同位置、相同大小的起動轉(zhuǎn)矩。

圖3 位置-電流-轉(zhuǎn)矩關(guān)系

圖4 位置-轉(zhuǎn)矩-電流關(guān)系

圖5 輸出轉(zhuǎn)矩與斬波電流

2.4 效率/功率map

開關(guān)磁阻電機由高壓鋰電池供電，采用通用的不對稱半橋式功率變換器驅(qū)動。為了確定電機在所有工況下的綜合性能，本文采用基于電機轉(zhuǎn)速變開通角、關(guān)斷角的思想，利用Maxwell仿真并提取了開關(guān)磁阻電機效率/功率map圖，如圖6所示。從圖6(a)可以看出，電機恒轉(zhuǎn)矩125 N·m，恒轉(zhuǎn)矩區(qū)間為轉(zhuǎn)速區(qū)間0～5 400 r/min，恒功率為70 kW，恒功率輸出區(qū)間為轉(zhuǎn)速區(qū)間5 400 r/min～12 500 r/min，電機外特性滿足賽車各工況的需求；從圖6(b)可以看出，電機效率超過85%占整個工作區(qū)間的95%以上，電機效率超過90%占整個工作區(qū)間的82%以上，且速度超過6 000 r/min、功率在50 kW以上時，其效率超過95%。從圖6可以看出，高速開關(guān)磁阻電機能夠滿足恒轉(zhuǎn)矩、恒功率輸出要求，并且相比于永磁同步電機，高速條件下開關(guān)磁阻電機不需要弱磁調(diào)速，其具有更高的效率優(yōu)勢。

圖6 開關(guān)磁阻電機性能map

3 實驗驗證

為測試高速開關(guān)磁阻電機性能，搭建了開關(guān)磁阻電機實驗平臺，如圖7所示。控制器由TI公司TMS320F28335 DSP實現(xiàn)，負載電機為75 kW異步電機，扭矩傳感器量程為300 N·m。實驗中，通過測試電機輸出轉(zhuǎn)矩以及電源柜輸出的功率，計算電機系統(tǒng)效率。在整個電動賽車運行工況中，體現(xiàn)賽車性能和節(jié)能水平的是電動賽車經(jīng)常運行區(qū)間，經(jīng)過評估，此區(qū)間對應的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速區(qū)間為5 000～7 000 r/min、輸出功率30～60 kW。為評估開關(guān)磁阻驅(qū)動電機性能，本文對其中具有代表性的工作點進行了測試。圖8為輸出轉(zhuǎn)矩100 N·m時的電流波形，由于輸出峰值轉(zhuǎn)矩時轉(zhuǎn)矩脈動較大，若要輸出恒定的轉(zhuǎn)矩，要以一個周期內(nèi)最小轉(zhuǎn)矩為輸出目標。圖9為額定工況下，轉(zhuǎn)速5 400 r/imn，輸出功率35 kW工況下的電流波形。受拖動臺最大吸收功率限制，此實驗僅進行了80%峰值功率工況的測試。圖10為轉(zhuǎn)速6 500 r/min，輸出功率57 kW(80%峰值功率)工況下的電流波形，此時電流已進入單波狀態(tài)，電機效率達到95%。

圖7 電機測試平臺

圖8 電流波形(轉(zhuǎn)速1 500 r/min)

圖9 電流波形(轉(zhuǎn)速5 400 r/min)

圖10 電流波形(6 500 r/min)

4 結(jié) 語

根據(jù)賽車的不同工況本文計算了賽車電機的性能需求，并根據(jù)需求設(shè)計了一款高速開關(guān)磁阻電機。針對電動賽車最大加速度時要求最大轉(zhuǎn)矩恒定，本文采用變斬波電流的方法，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的恒定輸出，但此時只能以轉(zhuǎn)矩波形中的最小值作為恒定輸出轉(zhuǎn)矩，故在此之前采用遺傳算法對轉(zhuǎn)矩波形的最小值進行了優(yōu)化設(shè)計。在全速度范圍，本文通過仿真提取了開關(guān)磁阻電機的功率map圖和效率map圖，這為整車性能仿真提供了充足的電機特性數(shù)據(jù)，最后通過實驗驗證了高速開關(guān)磁阻電機的性能，能夠滿足全電動賽車對電機的動力需求，說明高速開關(guān)磁阻電機是全電動賽車動力系統(tǒng)的優(yōu)秀選擇之一。