蘇 亮， 裴長江， 黃智興

(中信機(jī)電制造公司科研設(shè)計(jì)院，侯馬 043007)

依據(jù)近期俄烏戰(zhàn)爭實(shí)際效果，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代戰(zhàn)場的戰(zhàn)場環(huán)境和對(duì)裝備的性能要求發(fā)生了顯著變化，對(duì)新型坦克裝甲車外形的隱身能力、反追蹤能力、反打擊能力日益提高.而對(duì)這些性能的測試，過去采用數(shù)字仿真和燃油車掛載仿真目標(biāo)的方法模擬現(xiàn)代戰(zhàn)場復(fù)雜環(huán)境及全天候作戰(zhàn)的程度較低.作為實(shí)戰(zhàn)化裝備，能否安全、高效的驗(yàn)證其實(shí)戰(zhàn)能力，直接關(guān)系到能否承擔(dān)任務(wù)使命.但傳統(tǒng)意義上的數(shù)字仿真測試和燃油車掛載仿真目標(biāo)的方式覆蓋實(shí)戰(zhàn)情況率低，仿真目標(biāo)機(jī)動(dòng)作單一，而使用實(shí)際裝備測試又面臨駕駛操作人員安全無法保證、測試成本過高，測試裝備研發(fā)及生產(chǎn)周期長的問題.打造集低成本、高安全性、高機(jī)動(dòng)性于一身的“電動(dòng)仿真目標(biāo)動(dòng)力”的發(fā)展需求，是實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)的最佳方案.

1 電動(dòng)仿真目標(biāo)動(dòng)力研究意義和方向

作為實(shí)戰(zhàn)演練的測試品，電動(dòng)仿真目標(biāo)動(dòng)力相對(duì)燃料仿真目標(biāo)的優(yōu)勢主要有以下幾點(diǎn)：

a)安全性高，燃油目標(biāo)無論是汽油或柴油車在被試驗(yàn)武器擊中時(shí)都無法避免油料起火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，而這種風(fēng)險(xiǎn)為武器裝備實(shí)裝試驗(yàn)帶來很多不可控的安全隱患，電動(dòng)仿真目標(biāo)采用防短路、防撞、防燃以及防爆的磷酸鐵鋰電池，安全系數(shù)大于燃料車.

b)原油使用量的緊缺，以及國際性節(jié)能降耗幅度的提升，促使電動(dòng)底盤車及其配件在我國未來的發(fā)展中具備很大的競爭能力，有機(jī)會(huì)超越世界水準(zhǔn).中國“十四五”發(fā)展期內(nèi)，在新能源車層面的技術(shù)及其服務(wù)支持會(huì)進(jìn)一步提升，為將來的進(jìn)一步提升性能，降低成本，奠定了基礎(chǔ).因此，本研究設(shè)計(jì)了一款后輪驅(qū)動(dòng)的動(dòng)底盤，針對(duì)實(shí)戰(zhàn)演練需求，設(shè)計(jì)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)低成本的電動(dòng)底盤.

本研究以具體新項(xiàng)目為基礎(chǔ).目前主流電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要分為直流電機(jī)、異步電機(jī)、永磁無刷電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)，四種電機(jī)特性見表1：

表1 電機(jī)系統(tǒng)性能比較

表2 主要參數(shù)

本研究選用輸出功率比較大、相對(duì)密度極強(qiáng)，轉(zhuǎn)矩密度高、導(dǎo)出特性弱的永磁直流無刷電機(jī)為研究對(duì)象，其在新能源車中被普遍使用.

2 電動(dòng)仿真目標(biāo)用永磁無刷直流電機(jī)運(yùn)行原理與設(shè)計(jì)

2.1 永磁無刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理

永磁無刷電機(jī)控制系統(tǒng)關(guān)鍵由電動(dòng)機(jī)、逆變電源、直流穩(wěn)壓電源、控制板、電機(jī)轉(zhuǎn)子相位傳感器等部分構(gòu)成.相位傳感器按照電動(dòng)機(jī)中軸線組裝，測量電機(jī)定子與定子之間磁場的部位，為逆變電源提供換相信息.

采用極對(duì)數(shù)p1、三相繞組Y連接全控平臂雙電流電路作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)主體.電機(jī)定子上組裝三個(gè)相位傳感器，三個(gè)相位傳感器之間的交角為120度，持續(xù)檢驗(yàn)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)定子與定子之間磁場的部位，并導(dǎo)出部位數(shù)據(jù)信號(hào).同時(shí)，控制回路依據(jù)相位傳感器導(dǎo)出的部位數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)邏輯性轉(zhuǎn)換后發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào).光耦電路放大驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制電路管的通斷，使三相繞組按一定次序通斷.永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的原理如圖1所示.

圖1 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理：Fa為定子繞組的磁勢，F(xiàn)m為電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁磁勢，Ha、Hb和Hc置入在電機(jī)定子里的霍爾傳感器，各自坐落于定子繞組的軸心處，檢測轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置.當(dāng)電源開關(guān)整流管接入時(shí)，電流從電池正極通過開關(guān)管VT1注入A相繞阻電磁線圈，隨后從B相繞阻電磁線圈返回，從VT6的開關(guān)管返回充電電池的負(fù)級(jí)，這時(shí)A相和B相連通.A和B兩者之間的Fa和Fm是60度，B圖表示下一周期定子和電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁勢達(dá)到60度電動(dòng)轉(zhuǎn)角，霍爾感應(yīng)器Hb使能，開關(guān)管VT6閉合，VT2開啟，電流從電池正極通過開關(guān)管VT1進(jìn)入A相繞阻電磁線圈，隨后從C相繞阻電磁線圈返回，從VT2的開關(guān)管返回充電電池的負(fù)級(jí)，這時(shí)A相和C相連通.電機(jī)轉(zhuǎn)子每逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)60個(gè)電勢角，開關(guān)管便會(huì)變換一組，進(jìn)而更改一次定子繞組.以此類推依次變換，見圖2.

圖2 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的原理

圖3 定子結(jié)構(gòu)圖

2.2 電動(dòng)仿真目標(biāo)用永磁無刷直流電機(jī)動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算

2.2.1 動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配

電動(dòng)仿真目標(biāo)需要確定的性能參數(shù)主要包含：最大速度(km/h)、爬坡功率(%)和加速度(km/h).因而，對(duì)于以上主要參數(shù)，開展電動(dòng)仿真目標(biāo)的動(dòng)態(tài)性主要參數(shù)配對(duì).

2.2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率需要從高速跑道上電動(dòng)仿真目標(biāo)的預(yù)估最大速度中開展基礎(chǔ)選擇.驅(qū)動(dòng)電機(jī)的至大功率(Pemax)務(wù)必達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)在最大速度時(shí)的功率(Pe)，在較大抬升時(shí)的導(dǎo)出功(Pa)，及其依據(jù)瞬時(shí)速度時(shí)長的速率規(guī)定的輸出功率(Pc)，即：

Pemax≥max[PePaPc].

(1)

最大速度計(jì)算功率Pe：

(2)

式中：Vmax為仿真目標(biāo)最高車速；ηT為機(jī)械系統(tǒng)總傳動(dòng)效率；CD與A為風(fēng)阻系數(shù)和迎風(fēng)面積；f為滾動(dòng)阻力系數(shù).

最大速度計(jì)算功率Pa：

最大速度計(jì)算爬坡時(shí)的功率功率Pa：

(3)

式中：Vi為爬坡車速；αmax為最大爬坡角度.

最大加速度計(jì)算功率Pc：

根據(jù)(0～60 kg/h)的加速時(shí)間計(jì)算功率Pc：

(4)

式中：ta為要求的加速時(shí)間；Va為ta時(shí)間內(nèi)可達(dá)到的最大車速；δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù).計(jì)算公式如下：

(5)

式中：IW為驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；If為電機(jī)輸出軸和傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ig為變速箱傳動(dòng)比；io為主減速器傳動(dòng)比；r為車輪半徑.

2.2.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的確定

仿真目標(biāo)選取的永磁直流無刷電機(jī)，取消傳統(tǒng)的正中間齒輪軸和齒輪結(jié)構(gòu)，因底盤的車輛速度取決于電機(jī)外轉(zhuǎn)子速率，因此能夠測算出一個(gè)公式相互關(guān)系.假定采用大運(yùn)汽車有限公司195/60r15輪胎作為參照，并估算出輪胎實(shí)體模型的周長(C1993.3 mm)，為了分析和處理電動(dòng)仿真目標(biāo)的速度V和推動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比n之間的相互關(guān)系.其推導(dǎo)公式如下所示：

(6)

2.3 永磁無刷直流電機(jī)樣機(jī)電磁方案的設(shè)計(jì)

依據(jù)上述對(duì)仿真目標(biāo)行駛特點(diǎn)和輪轂尺寸對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)定、電機(jī)轉(zhuǎn)子展弦比的分析，應(yīng)達(dá)到以上主要參數(shù).因此，研發(fā)了一種50 kW持續(xù)輸出功率的實(shí)驗(yàn)樣品.實(shí)際主要參數(shù)如下所示.

2.3.1 明確驅(qū)動(dòng)電機(jī)的關(guān)鍵規(guī)格

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的規(guī)格對(duì)電動(dòng)機(jī)的電機(jī)的功率、扭矩和轉(zhuǎn)速起到?jīng)Q定性作用.因而，選擇適合自己的規(guī)格是電機(jī)設(shè)計(jì)里的一個(gè)關(guān)鍵因素，對(duì)永磁材料的設(shè)計(jì)也是如此，無刷直流電機(jī)受使用范圍的限定，因而電機(jī)定子的內(nèi)徑和外徑及其電機(jī)定子的徑向長短是馬達(dá)制定的基礎(chǔ)參數(shù).明確驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大功率、電磁感應(yīng)負(fù)荷和額定轉(zhuǎn)速后，電動(dòng)機(jī)的電機(jī)外形尺寸計(jì)算公式如下：

(7)

式中：Da為電樞外徑；La為電樞鐵芯長度；nN為電樞繞組系數(shù)；A為電樞繞組線負(fù)荷；Bδ氣隙磁通密度幅值；P′為電機(jī)的計(jì)算功率.

2.3.2 推動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽構(gòu)造的明確

在以上部分中，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵規(guī)格進(jìn)行了制定和測算.驅(qū)動(dòng)電機(jī)槽型為梨型槽構(gòu)造，槽滿率為65%.其中齒寬和電樞軛部高度計(jì)算如下所示：

(8)

式中：ta為齒距；kFe為電樞鐵芯疊壓系數(shù).

為確保機(jī)械加工制造、退出便捷、沖壓模具使用壽命和沖擊韌性，考慮選擇槽孔寬b1.5(mm)，間距h1(mm).

3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)樣機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)

3.1 設(shè)計(jì)結(jié)果

在分析和主要參數(shù)計(jì)算過程中，在滿足需要的情況下額定值主要參數(shù)、推動(dòng)力特性和直徑大小的輪圈電動(dòng)式汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)、推動(dòng)電機(jī)是需要高功率、高效率、小徑向長短和保持良好的運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn).驅(qū)動(dòng)電機(jī)樣品設(shè)計(jì)的實(shí)際主要參數(shù)如表3所示.

表3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)樣品設(shè)計(jì)的主要參數(shù)

為了提高方案設(shè)計(jì)的正確性和可信性，使用Ansoft創(chuàng)建電機(jī)幾何模型并設(shè)定物理特性，開展永磁直流無刷電機(jī)仿真測試，進(jìn)一步驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)的合理性以及可行性.模型擬合進(jìn)行了二維靜態(tài)數(shù)據(jù)場和暫態(tài)場模擬仿真.電磁感應(yīng)模擬仿真結(jié)論如圖4所示.

圖4 電磁感應(yīng)模擬仿真

根據(jù)上述方案設(shè)計(jì)和模擬結(jié)論對(duì)外開放電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁直流無刷電機(jī)的主要參數(shù)進(jìn)行了測算.據(jù)統(tǒng)計(jì)，基礎(chǔ)理論設(shè)計(jì)超過了預(yù)估的規(guī)定，因而根據(jù)上述主要參數(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)了2個(gè)檢測樣品并在檢測臺(tái)子上進(jìn)行了檢測實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)收集.實(shí)驗(yàn)前，最先將外轉(zhuǎn)子永磁直流無刷電機(jī)載入到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)到最大速度時(shí)，當(dāng)永磁無刷直流電機(jī)速率做到平穩(wěn)值時(shí)，同時(shí)慢慢提升負(fù)荷精確測量輸入電壓、輸入功率、輸入電流、功率和電機(jī)功率.得出了實(shí)際的工作電壓、電流量、輸入功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速比、效率等轉(zhuǎn)變關(guān)聯(lián).融合實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)的轉(zhuǎn)變，看得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上達(dá)到設(shè)計(jì)要點(diǎn).

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與分析

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的部位數(shù)據(jù)信號(hào)由組裝在電機(jī)定子構(gòu)造里的三個(gè)霍爾元器件構(gòu)成精確測量的三相繞組自感電動(dòng)勢波形和霍爾信號(hào)，如圖5所示.

圖5 Maxwell仿真反電動(dòng)勢波形

三通道霍爾元器件的評(píng)測波形在時(shí)間上相距0.879 ms，電流信號(hào)周期時(shí)間2.637 ms(轉(zhuǎn)速比為650 r/min)，變換為120個(gè)電荷角的空間角.徹底達(dá)到三個(gè)霍爾信號(hào)推送120電動(dòng)式角規(guī)定，控制板持續(xù)檢驗(yàn)三個(gè)霍爾信號(hào)跳(提升或降低)明確三路整流管的換相邏輯性，進(jìn)而明確時(shí)時(shí)刻刻關(guān)掉的2個(gè)開關(guān)管開啟，而且還能通過霍爾信號(hào)的數(shù)目來測算現(xiàn)階段時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度提前準(zhǔn)備后邊的速率設(shè)定.

4 總 結(jié)

根據(jù)模擬仿真和測試平臺(tái)檢測，驗(yàn)證了該辦法的實(shí)效性.文中的研究內(nèi)容概括如下所示：

1)選用極槽方案設(shè)計(jì)選擇極對(duì)數(shù)。槽數(shù)為9/10的極槽配合模式.完成分槽繞組計(jì)劃方案，有益于減少驅(qū)動(dòng)電機(jī)的操控難度系數(shù)，減少齒槽轉(zhuǎn)矩.選擇齒槽數(shù)很大的Z能夠減少電磁線圈頂端規(guī)格，減少繞組線圈匝數(shù)的發(fā)燙損害.依據(jù)新項(xiàng)目任務(wù)要求，選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)造為153槽166極.

2)三相繞組的相電流波形和相互換情況下開相和關(guān)相的電流量彈性系數(shù)；速率、輸入功率、額定電壓、高效率等數(shù)據(jù)信息從研究視角證明了整體設(shè)計(jì)的可行性分析，系統(tǒng)硬件控制回路簡易可靠.