SR電機(jī)對輪轂驅(qū)動電動汽車垂向振動的影響

丁 芳，王 波，張錢斌

SR電機(jī)對輪轂驅(qū)動電動汽車垂向振動的影響

*丁 芳，王 波，張錢斌

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與軌道學(xué)院，安徽，蕪湖 241002）

針對SR電機(jī)對輪轂驅(qū)動電動汽車行駛平順性的影響，本文首先建立了開關(guān)磁阻(SR)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動方程，并根據(jù)電機(jī)的矢量控制原理，利用Sim Power System Toolbox模塊庫，搭建了電機(jī)模型；然后利用Matlab/Simulink軟件，搭建了基于電機(jī)模型的機(jī)-電耦合振動仿真模型，并進(jìn)行受輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動干擾的車輛垂向動力學(xué)模擬仿真。研究結(jié)果表明：附加輪轂電機(jī)后，車身振動和車輪動載荷都會變大；說明此類汽車工程化應(yīng)用之前，需要優(yōu)化懸架，以適應(yīng)輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動。

電動汽車；輪轂驅(qū)動；開關(guān)磁阻電機(jī)；振動分析

輪轂電機(jī)是指將金屬輪轂和驅(qū)動裝置合為一體的驅(qū)動電機(jī)，也就是說，它將驅(qū)動裝置、傳動裝置以及制動裝置一起合并到輪轂中，俗稱“電動輪”，也叫作輪式電機(jī)[1],其內(nèi)部包含了軸承、定子和轉(zhuǎn)子、小型逆變器等。電動汽車采用輪轂電機(jī)驅(qū)動，對驅(qū)動電機(jī)的尺寸、結(jié)構(gòu)和性能等方面的要求會更高[2]。首先，驅(qū)動電機(jī)須密度更高、質(zhì)量更輕；同時為節(jié)省車內(nèi)空間、降低整車負(fù)載，要求驅(qū)動電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度較高[3]。其次，車輛行駛時要經(jīng)過變速、停車、爬坡起動等多種復(fù)雜工況，要求電機(jī)還應(yīng)具有調(diào)速范圍廣、動態(tài)響應(yīng)快、可控性高的特點[4]。根據(jù)上述要求，結(jié)合各種現(xiàn)有電機(jī)的啟動性能、額定運行點峰值效率、恒功率速度范圍等方面考慮，優(yōu)先選用開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor，SRM)作為電動汽車的輪轂驅(qū)動電機(jī)[5]。因此，本文選擇輪轂驅(qū)動電動汽車作為研究對象，并仿真分析開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動對其垂向振動的影響，以論證輪轂驅(qū)動電動汽車工程化應(yīng)用的可行性。

1 SR電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動動力學(xué)模型

SR電機(jī)的內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)為定子和轉(zhuǎn)子，定子和轉(zhuǎn)子都有鐵芯，鐵芯所用材料均為硅鋼片。在定子鐵芯的內(nèi)表面和轉(zhuǎn)子鐵芯的外表面都均勻分布有凸齒（也稱凸極）和凹槽，因此也稱為雙凸極結(jié)構(gòu)[6]。定子鐵芯上的每一個凸極均分布有集中繞組，每一相繞組分布在處于徑向相對位置的兩個凸極上，構(gòu)成一對磁極。SR電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子極數(shù)可以有很多種搭配，電機(jī)也可以根據(jù)定子鐵芯上的繞組數(shù)目不同構(gòu)成不同相數(shù)，且單相和兩相的SR電機(jī)不能夠自啟動，只有三相及以上的SR電機(jī)具備自啟動功能[7]。常見的有以下幾種形式：6/4極，8/6極，10/8極，分別為三相、四相、五相電機(jī)。對于有自啟動、四象限運行要求的驅(qū)動場合，應(yīng)優(yōu)先選擇表1中所示的定子和轉(zhuǎn)子磁極數(shù)目組合方案。

表1 常見定、轉(zhuǎn)子極數(shù)組合方案

對表中的組合方案進(jìn)行分析，可得到如下結(jié)論：定子繞組的相數(shù)越多，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動一次的步距角越小，可以減少轉(zhuǎn)矩的脈動；但相數(shù)越多，SR電機(jī)主開關(guān)器件數(shù)量也會增多，結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，增加了制造成本[8]。綜合這兩點，定、轉(zhuǎn)子極數(shù)組合方案為8/6極的四相SR電機(jī)應(yīng)用較多。圖1是8/6極結(jié)構(gòu)的四相SR電機(jī)的結(jié)構(gòu)及電路圖，為了簡潔，圖中只畫出定子繞組及繞組供電的電路簡圖。

圖1 四相電機(jī)的結(jié)構(gòu)及電路簡圖

由于電路具有開關(guān)特性，磁路具有磁飽和性和非線性特點，需將電機(jī)內(nèi)的磁場能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的部分能量（稱為磁共能）采取分段線性化[9-10]，也可將電機(jī)內(nèi)的電感進(jìn)行分段線性化，為此，經(jīng)簡化后的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為

式中，為電機(jī)繞組中電感對位置角的變化率，為電機(jī)繞組中的相電流。

SR驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動的產(chǎn)生，是由于定、轉(zhuǎn)子間的切向作用力和徑向作用力導(dǎo)致的結(jié)果，因此需要對電機(jī)的切向力和徑向力進(jìn)行計算。參照電機(jī)實際運行工況，可確立定、轉(zhuǎn)子間切向力與時間之間的關(guān)系，如圖2所示，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間的徑向力，若要對其進(jìn)行精確解析則非常不易，因為電機(jī)磁路具有飽和性和非線性[11]。從定性的分析出發(fā)，可作如下假設(shè)：①磁路是線性的；②電機(jī)徑向力集中作用于定子磁極；③電機(jī)繞組中相電流為常數(shù)。由于定、轉(zhuǎn)子間徑向力和切向力的作用周期相同，對其進(jìn)行簡化，可得徑向力與時間的關(guān)系，如圖3所示，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，r表示轉(zhuǎn)子半徑，b為最短氣隙長度，b=R-r；Lmin為繞組最小電感；i為繞組電流。

圖3 徑向力與時間的關(guān)系

汽車在行駛過程中，驅(qū)動電機(jī)一直在運轉(zhuǎn)，因此電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間的切向力和徑向力的方向一直在變化，故需要分析切向力和徑向力在垂向的合力。依據(jù)力的合成、分解原理，該垂向力的表達(dá)式為

上式中，φ是電機(jī)轉(zhuǎn)子的初相位。表2中是SR電機(jī)的一組參數(shù)，為目前應(yīng)用較多的四相電機(jī)。

表2 電機(jī)參數(shù)

依據(jù)式（4），利用Matlab/Simulink軟件，建立SR電機(jī)垂向激勵力模型，如圖4所示。選擇總時長40 s，時間步長為0.02 s，輸出的電機(jī)垂向激勵力與時間的關(guān)系如圖5所示，可以看出SR電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動產(chǎn)生的激勵力具有明顯的周期性。

圖4 SR電機(jī)Simulink模型

圖5 SR電機(jī)垂向激勵力與時間關(guān)系

2 路面模型的建立

表3 各級路面譜密度

圖6 B級路面不平度模擬（車速為50 km/h）

3 電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動干擾下的機(jī)-電耦合模型

圖7為本文建立的附加輪轂電機(jī)的1/4車輛垂向振動動力學(xué)模型。

圖7 1/4車輛垂向振動動力學(xué)模型

根據(jù)圖7，可得到車輛垂向振動動力學(xué)微分方程：

外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)不設(shè)減速器，行駛過程中電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動直接作用于輪轂及車輪[13]。根據(jù)式（5）~（8），在MATLAB/SIMULINK中建立圖7的仿真模型，如圖8所示，該模型包括的三個模塊如下：1/4車輛垂向振動模塊、路面激勵模塊以及輪轂電機(jī)模塊。表4中列舉的是圖8所示仿真模型中具體的參數(shù)值。

圖8 附加輪轂電機(jī)的1/4車輛垂向振動Simulink仿真模型

表4 仿真參數(shù)

4 仿真分析

基于圖8仿真模型，開展了附加電機(jī)激勵和不加電機(jī)激勵的汽車垂向振動對比分析，如圖9~10所示。

4.1 車身加速度對比分析

圖9 不加電機(jī)的車身加速度的時域和頻域圖

圖10 加入SR電機(jī)車身加速度的時域和頻域圖

4.2 車輪動載荷對比分析

圖11 不加電機(jī)時的車輪動載荷時域和頻域圖

圖12 加入SR電機(jī)是的車輪動載荷時域和頻域圖

根據(jù)圖12，加上電機(jī)后，車輪動載荷變化很大，從仿真結(jié)果看，主要在-12000 ~12000 N范圍內(nèi)變化，最大值甚至達(dá)到-17000 N，可以看出輪轂電機(jī)對的影響很大；從頻譜圖上看，加入SR電機(jī)后車輪動載荷隨頻率變化，0~10 Hz，逐漸增大，最大達(dá)到17000 N；10~40 Hz，逐漸減??；頻率大于40 Hz后，基本上不受其影響。

5 結(jié)論

基于以上分析，可知：

1) 汽車車身振動和車輪的動載荷很大程度上受SR電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動影響，也即對汽車乘坐舒適性有一定影響，影響乘員乘坐的舒適感；惡化了輪胎的抓地性，不利于汽車驅(qū)動和行駛安全性。因此，研究輪轂驅(qū)動電動車的垂向動力學(xué)及機(jī)-電耦合振動機(jī)理的抑制方法具有緊迫性。

2) 說明此類電動汽車產(chǎn)業(yè)化之前，需采取措施，改進(jìn)懸架結(jié)構(gòu)或者優(yōu)化參數(shù)或創(chuàng)新設(shè)計相關(guān)機(jī)構(gòu)或進(jìn)一步研究電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制問題，以提高輪轂驅(qū)動電動汽車的行駛平順性、安全性。

[1] 鄭淑琴,龍江啟. 電動汽車永磁無刷輪轂電機(jī)控制策略建模[J].中國機(jī)械工程,2017,28(6):744-749，755.

[2] 肖強(qiáng). 電動汽車輪轂電機(jī)電磁設(shè)計與電磁振動分析研究[D]. 南昌:華東交通大學(xué),2019.

[3] 李耀華,馬建,劉晶郁,等. 電動汽車用永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)控制策略比較研究[J]. 汽車工程,2013,35(5):412-417.

[4] Zhang Lipeng, Zhang Silong, Zhang Wei. Multi- objective optimization design of in-wheel motors drive electric vehicle suspensions for improving handling stability. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 2019, 233 (8):2232-2245.

[5] 邵凱,汪若塵,孟祥鵬,等.輪轂驅(qū)動電動車的電磁混合懸架控制研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué),2018,32(6):26-33,174.

[6] 汪若塵,俞峰,邵凱等.集成電磁懸架的輪轂驅(qū)動電動車垂向振動抑制方法研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2018,49(7):382-389.

[7] 李哲,鄭玲,胡一明,等.輪轂驅(qū)動電動汽車振動負(fù)效應(yīng)及抑制方法[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2019,42(2):20-29.

[8] 童煒,侯之超.輪轂驅(qū)動電動汽車垂向特性與電機(jī)振動分析[J].汽車工程,2014,36(4):398-403,425.

[9] 祁新梅,鄭壽森,付青.電動汽車后輪輪轂電機(jī)驅(qū)動的操縱控制[J].中山大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2019,58（1）：83-90.

[10] 鄭陽,陳勇,趙理.輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車平順性控制仿真[J].計算機(jī)仿真,2018,35(6):159-166.

[11] 張利鵬,李亮,祁炳楠.輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車側(cè)傾穩(wěn)定性解耦控制[J].機(jī)械工程學(xué)報,2017,53(16):94-104.

[12] 余志生,夏群生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[13] 張海濤,王云霞,胡新林.汽車主動懸架系統(tǒng)控制器的設(shè)計與仿真研究[J].井岡山大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2016,37(4):7-62.

Effect of SR motor on vertical vibration of in-wheel motor drive electric vehicle

*DING Fang，WANG Bo，ZHANG qian-bin

(Collede of Automobile and Rail, Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhu, Anhui 241002, China)

In order to study the influence of SR motor on the ride comfort of hub drive electric vehicle, in this paper, firstly, the torque fluctuation equation of switched reluctance (SR) motor is established, and according to the vector control principle of motor, the motor simulation model is built by Sim Power System Toolbox, then using MATLAB/Simulink software, the mechanical-electrical coupling vibration simulation model is built based on the motor model, and the vertical dynamic simulation of the vehicle disturbed by the wheel motor torque fluctuation is carried out. The results show that the vibration of the body and the dynamic load of the wheel will increase after the wheel hub motor is added, which indicates that the suspension needs to be optimized to adapt to the torque fluctuation of the wheel hub motor before the application of this kind of automobile.

electric vehicle；hub drive；switched reluctance motor；vibration analysis

TP 276

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2020.04.014

1674-8085(2020)04-0071-06

2020-05-07；

2020-05-13

安徽高校自然科學(xué)研究項目(KJ2019A1154)；安徽省省級高水平專業(yè)(2018ylzy187)；安徽省省級教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(2019cxtd087)

*丁 芳(1986-)，女，安徽蕪湖人，講師，碩士，主要從事汽車振動分析、新能源汽車研究(E-mail:ahjd2659@163.com);

王 波(1980-)，女，安徽蕪湖人，副教授，碩士，主要從事新能源汽車技術(shù)研究(E-mail:ahjdwbo@126.com);

張錢斌(1980-)，男，安徽蕪湖人，副教授，碩士，主要從事輪轂驅(qū)動電機(jī)研究(E-mail:ahjdzqb@ahcme.edu.cn).