小型載具驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能仿真與試驗(yàn)研究

李雨玥,祝錫晶,崔學(xué)良,趙 韡,王林祥

(1.中北大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051)(2.淄博市懷宇動(dòng)力有限公司,山東 淄博 255086)

近年來(lái),永磁同步電機(jī)因其具有效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于新能源行業(yè)。作為電動(dòng)載具的核心部件,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的好壞與電動(dòng)載具安全性能密切相關(guān)[1]。臺(tái)架試驗(yàn)被普遍用于對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)試分析和性能評(píng)估。陽(yáng)焱屏等[2]利用臺(tái)架對(duì)采用先進(jìn)電氣化技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了匹配試驗(yàn)研究,證實(shí)了該發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性;Wang等[3]針對(duì)雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)履帶車(chē)輛采用雙測(cè)功機(jī)模擬雙獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的道路載荷和慣性載荷,建立試驗(yàn)臺(tái)模型,并通過(guò)對(duì)仿真模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較,驗(yàn)證了試驗(yàn)臺(tái)模型的準(zhǔn)確性;Unni等[4]通過(guò)特殊斬波電路控制的永磁直流發(fā)電機(jī)模擬負(fù)載,創(chuàng)建試驗(yàn)臺(tái)并通過(guò)Simulink仿真驗(yàn)證了其有效性;李鵬輝等[5]設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái),對(duì)硬件進(jìn)行了選型,為電機(jī)臺(tái)架測(cè)試提供了參考;謝斌等[6]應(yīng)用Vehicle Spy3測(cè)試軟件結(jié)合采用CAN通訊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器建立了PMSM(permanent magnet synchronous motor)試驗(yàn)臺(tái),完成了電機(jī)效率等的測(cè)試;范琳琳等[7]利用AVL公司的電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)了測(cè)試方法,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)在動(dòng)、靜態(tài)等不同工況下的性能測(cè)試;王家校[8]構(gòu)建了完整的測(cè)試臺(tái)架,完成了數(shù)據(jù)采集,對(duì)PMSM動(dòng)態(tài)特性等進(jìn)行測(cè)試分析,滿(mǎn)足了新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的要求;伍慶龍等[9]通過(guò)對(duì)比不同電機(jī),分析了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能特點(diǎn)和效率測(cè)試方法,對(duì)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能效進(jìn)行了測(cè)量和分析,成功確定了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效區(qū)間;秦東晨等[10]設(shè)計(jì)了集負(fù)載、電池、通訊等功能于一起的模塊,構(gòu)建了動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái),進(jìn)行了NEDC新歐洲行駛工況加載測(cè)試,為動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展提供了參考依據(jù);Mohanraj等[11]針對(duì)不同電機(jī)先進(jìn)控制技術(shù)進(jìn)行了比較,提出了電機(jī)未來(lái)的發(fā)展方向;Bhosale等[12]開(kāi)發(fā)了用于小型載具驅(qū)動(dòng)電機(jī)的測(cè)試夾具,可以測(cè)試電動(dòng)自行車(chē)不同型號(hào)電機(jī)上坡時(shí)的性能。然而,目前對(duì)以新能源汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)為研究對(duì)象的測(cè)試臺(tái)架軟硬件設(shè)計(jì)的研究較多,而對(duì)小型載具驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能測(cè)試研究還不夠深入,有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

本文以小型載具驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能作為研究目標(biāo),基于ANSYS Motor-CAD軟件,建立電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行不同工況下的仿真分析;此外搭建電機(jī)對(duì)拖試驗(yàn)平臺(tái),并按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[13-14]中對(duì)電機(jī)性能測(cè)試的試驗(yàn)操作要求對(duì)某一電動(dòng)摩托車(chē)用外轉(zhuǎn)子永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試,以此來(lái)評(píng)估小型驅(qū)動(dòng)電機(jī)的基本特性。利用模擬結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析的研究手段,相互驗(yàn)證其有效性和準(zhǔn)確性。

1 電機(jī)測(cè)試臺(tái)總體架構(gòu)

永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)拖測(cè)試臺(tái)架主要由電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)和負(fù)載電機(jī)模擬系統(tǒng)組成,皆由風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)降溫,其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電機(jī)測(cè)試臺(tái)架構(gòu)圖

電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)采用矢量控制(FOC)永磁同步電機(jī)變頻器,通過(guò)CAN通訊對(duì)變頻器電流環(huán)的參數(shù)進(jìn)行更新。電機(jī)運(yùn)行時(shí),無(wú)論負(fù)載變化如何,通過(guò)變頻器電流環(huán)PID自動(dòng)控制,使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速保持恒定,以此來(lái)判定被測(cè)電機(jī)的質(zhì)量和可靠性。實(shí)驗(yàn)時(shí),通過(guò)調(diào)速編碼器旋鈕向被測(cè)電機(jī)變頻器傳遞電流環(huán)指令,實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)永磁同步電機(jī)的操控。

負(fù)載模擬系統(tǒng)采用電力測(cè)功機(jī),通過(guò)運(yùn)行ABB ACS880變頻器的Modbus通訊協(xié)議,采用V/F控制實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步感應(yīng)負(fù)載電機(jī)的操作。通過(guò)給定負(fù)載電機(jī)特定速度模擬實(shí)際工況下的道路負(fù)載,以對(duì)拖方式作用于被測(cè)電機(jī),對(duì)被測(cè)電機(jī)在一定相電流下的運(yùn)行特性與效率進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)時(shí),通過(guò)旋轉(zhuǎn)電位器向變頻器傳遞指令,控制負(fù)載電機(jī)的運(yùn)行和停止。

電機(jī)測(cè)試臺(tái)架使用90 kW電機(jī),并安裝傳感器,可實(shí)時(shí)獲取電壓和轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。機(jī)械連接結(jié)構(gòu)主要由被測(cè)電機(jī)、固定支架、梅花聯(lián)軸器、連接軸和負(fù)載電機(jī)等構(gòu)成,均安裝在鑄鐵平臺(tái)上,如圖2所示。負(fù)載電機(jī)和被測(cè)電機(jī)之間通過(guò)梅花聯(lián)軸器和轉(zhuǎn)接軸連接,兩電機(jī)間的轉(zhuǎn)速-扭矩傳感器用于向功率分析儀實(shí)時(shí)傳遞被測(cè)電機(jī)在不同工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1—負(fù)載電機(jī);2—轉(zhuǎn)速-扭矩傳感器;3—梅花聯(lián)軸器;4—固定支架;5—固定鋼板;6—被測(cè)電機(jī);7—鑄鐵平臺(tái)

2 小型電車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能測(cè)試

2.1 電機(jī)技術(shù)參數(shù)

以某電動(dòng)摩托車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)作為被測(cè)電機(jī)系統(tǒng),某交流異步感應(yīng)電機(jī)作為負(fù)載電機(jī),電機(jī)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1,在電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)被測(cè)電機(jī)的輸出扭矩、輸出轉(zhuǎn)速和高效工作區(qū)進(jìn)行測(cè)試。

表1 電機(jī)技術(shù)指標(biāo)

2.2 有限元仿真分析

選用某電動(dòng)摩托車(chē)搭載的外轉(zhuǎn)子永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī),其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。采用ANSYS Motor-CAD有限元分析軟件自帶的無(wú)刷外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)類(lèi)型,建立如圖3所示的電機(jī)拓?fù)淠Ｐ?其主要由定子繞組、定子鐵芯、永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯等組成。

表2 電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 電機(jī)拓?fù)淠Ｐ?/p>

對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行性能仿真測(cè)試,轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、電流有效值為80 A時(shí)的部分主要結(jié)果如圖4所示,包括空載轉(zhuǎn)速、輸出功率及效率等參數(shù)。

圖4 仿真所得部分主要參數(shù)

2.3 試驗(yàn)臺(tái)搭建

用某電動(dòng)摩托車(chē)的外轉(zhuǎn)子永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)和變頻器搭建的性能試驗(yàn)臺(tái),進(jìn)行電機(jī)負(fù)載及效率測(cè)試,機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示,負(fù)載模擬系統(tǒng)操作面板如圖5(b)所示。

圖5 電機(jī)測(cè)試臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)圖

工控機(jī)和單片機(jī)為控制系統(tǒng)的核心,通過(guò)操作面板遠(yuǎn)程控制負(fù)載電機(jī)的運(yùn)行及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié);通過(guò)調(diào)節(jié)電位器改變模擬信號(hào)輸入,給定ABB ACS880變頻器頻率,實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度控制;選用的8962A1功率分析儀基于串口RS-232的Modbus RTU通訊協(xié)議,收集膜片式(JN338)扭矩傳感器、電流電壓傳感器的參數(shù)值并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)電機(jī)性能參數(shù)值的快速采集與監(jiān)測(cè)。

2.4 測(cè)試方案

通過(guò)構(gòu)建的電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架,完成對(duì)某電動(dòng)摩托車(chē)外轉(zhuǎn)子永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能測(cè)試試驗(yàn)設(shè)計(jì),包括給定電壓、設(shè)置冷卻系統(tǒng)等;通過(guò)對(duì)比ANSYS Motor-CAD的仿真數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)量時(shí)功率分析儀采集的數(shù)據(jù),確認(rèn)所得數(shù)據(jù)的合理性和準(zhǔn)確性。

2.4.1空載試驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果分析

為明確電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中是否符合應(yīng)用條件,進(jìn)行空載測(cè)試,評(píng)估電機(jī)損耗等性能。被測(cè)電機(jī)的總損耗Pf為:

Pf=Pi-Po

(1)

式中:Pi、Po分別為被測(cè)電機(jī)的輸入功率和輸出功率。

空載測(cè)試采用仿真分析,調(diào)節(jié)被測(cè)電機(jī)輸入電壓為76 V,驅(qū)動(dòng)相電流為0 A,空載轉(zhuǎn)速由200 r/min逐漸提升至2 400 r/min,在此過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量并記錄電機(jī)的非電阻損耗等關(guān)鍵參數(shù),得到空載時(shí)電機(jī)的總損耗,見(jiàn)表3,不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)的空載效率如圖6所示,與廠家給定的參數(shù)進(jìn)行比較,電機(jī)的性能符合預(yù)期。

表3 電機(jī)總損耗

圖6 ANSYS Motor-CAD效率仿真數(shù)據(jù)

2.4.2負(fù)載試驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)電機(jī)進(jìn)行負(fù)載測(cè)試,以評(píng)估電機(jī)在各種負(fù)載條件下的性能。操作過(guò)程中選擇手動(dòng)控制模式,負(fù)載電機(jī)采取恒定轉(zhuǎn)速操作模式,通過(guò)調(diào)節(jié)功率按鈕控制負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)速,隨后啟動(dòng)被測(cè)電機(jī)。設(shè)置被測(cè)電機(jī)電壓為76 V,輸入電流恒定為60 A,負(fù)載電機(jī)的電壓為額定值,通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載電機(jī)的變頻器,使其從200 r/min開(kāi)始,以200 r/min/次的增量逐步加速至3 000 r/min,當(dāng)其運(yùn)行穩(wěn)定時(shí),采集并記錄加速過(guò)程中被測(cè)電機(jī)相應(yīng)的輸入功率、輸出功率、輸入電流和輸出轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)。

圖7和圖8所示分別為電機(jī)的輸出功率和效率隨負(fù)載變化的趨勢(shì)。通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)分析可知,在加速工況下,電機(jī)輸出功率變化比較平穩(wěn),且具有較高的效率,基本上都在90%以上。軟件仿真生成的特性圖表與電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的測(cè)試數(shù)據(jù)圖表在整體趨勢(shì)上基本一致,可見(jiàn)該測(cè)試方法有效。

圖7 ANSYS Motor-CAD仿真數(shù)據(jù)

圖8 測(cè)試臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)

2.4.3效率測(cè)試及測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行效率測(cè)試,可以確定其高性能工作區(qū),同時(shí)可檢測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力是否滿(mǎn)足電動(dòng)載具的需求。被測(cè)電機(jī)的效率η為:

(2)

實(shí)驗(yàn)時(shí),電機(jī)在恒定相電流有效值為20 A的狀態(tài)下,逐步調(diào)整負(fù)載轉(zhuǎn)速,起始設(shè)定為200 r/min,以200 r/min/次的遞增幅度調(diào)整,直至達(dá)到2 400 r/min,采集12組數(shù)據(jù),然后改變電流使其以20 A/次遞增至設(shè)定電流200 A,在每一電流下重復(fù)上述轉(zhuǎn)速加載方法,完成10組測(cè)試。在電機(jī)運(yùn)行期間,即時(shí)讀取并記錄轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率和相電流有效值等數(shù)據(jù),直至測(cè)試完成。

基于效率測(cè)試生成的數(shù)據(jù)庫(kù)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率計(jì)算方法分析得到電機(jī)的效率圖。由于電機(jī)設(shè)計(jì)和負(fù)載等因素,電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)分布不均勻,因此可能導(dǎo)致諧波效應(yīng)的產(chǎn)生,造成高速區(qū)電機(jī)效率突然下降。

如圖9和圖10所示,在低速區(qū)域中電機(jī)效率相對(duì)較低,與扭矩相關(guān)的效率隨著速度的增加而逐步增大,在3～15 N·m的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi),電機(jī)效率大多數(shù)情況下超過(guò)80%?？傊?高效率區(qū)間主要體現(xiàn)在中高速時(shí)。

圖9 ANSYS Motor-CAD仿真效率圖

圖10 臺(tái)架測(cè)試效率圖

2.5 誤差分析

允許中小型電機(jī)的仿真誤差在5%左右,大型電機(jī)仿真誤差在3%左右即為合格。在電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后,電機(jī)性能指標(biāo)理論仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果的誤差均在6%之內(nèi),有力地證明了本文研究方法的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。測(cè)試結(jié)果為該電機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了參考,但仍存在較小的誤差,這可能是受工裝時(shí)人工安裝穩(wěn)定性差、手動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速導(dǎo)致標(biāo)定非最佳、各類(lèi)儀器儀表自身誤差以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)電機(jī)造成的溫升等因素的影響。

針對(duì)兩者之間的誤差提出以下幾點(diǎn)改進(jìn)意見(jiàn):1)安裝時(shí)采用設(shè)定螺栓扭矩等更標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌惭b方式;2)調(diào)整轉(zhuǎn)速時(shí)采用多組測(cè)量值,取最佳值或者使用自動(dòng)控制軟件賦值;3)定期檢查儀器儀表并校準(zhǔn);4)盡可能調(diào)節(jié)好環(huán)境的溫度和濕度,使電機(jī)狀態(tài)穩(wěn)定;5)通過(guò)優(yōu)化仿真算法、調(diào)整控制策略等來(lái)減小誤差。

3 結(jié)論

本文以某小型電動(dòng)載具的外轉(zhuǎn)子永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)變頻器為研究對(duì)象,依托ANSYS Motor-CAD軟件和測(cè)試臺(tái)架進(jìn)行了仿真分析與試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:

1)通過(guò)效率MAP圖得到了該電機(jī)的高效運(yùn)行區(qū)間為轉(zhuǎn)速1 000～2 400 r/min、扭矩3～15 N·m,電動(dòng)載具應(yīng)盡量運(yùn)行在此區(qū)間。

2)由于硅鋼片等部件的性能參數(shù)對(duì)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的影響,因此實(shí)測(cè)結(jié)果整體略低于仿真結(jié)果。

3)搭建了仿真模型和試驗(yàn)平臺(tái),將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,實(shí)現(xiàn)了仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的相互驗(yàn)證,為電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供了理論依據(jù),對(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更高效節(jié)能的小型電動(dòng)載具驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有指導(dǎo)意義。