重型车辆W-ECHPS中绕组式永磁耦合器的稳态性能研究*

夏 磊，江浩斌，耿国庆

（江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013）

前言

重型车辆广泛使用的液压助力转向系统（HPS），其助力特性固定不变，导致高速转向路感不足，且存在转向泵溢流损耗，造成系统能耗高［1-4］。为解决这些问题，电控液压助力转向系统（ECHPS）应运而生。其中，转向泵调速式ECHPS系统有无级变速式、磁流变液式、电磁转差式和永磁转差式4种，它们都采用置于发动机与转向泵之间的调速器控制转向泵流量，从而实现随速可变助力特性并消除转向泵溢流损耗。就系统能耗而言，由于转差功率以热量形式耗散，无级变速式和磁流变液式ECHPS系统的能耗没有明显降低［5-6］；通过回收转差功率，电磁转差式ECHPS系统能够降低系统能耗，但电磁转差离合器工作时须持续通以励磁电流，效率低［7］；由于转差功率消耗在外控制电路的电阻上，永磁转差式ECHPS系统的能耗也没有明显降低［8］。

基于上述讨论，本文中提出基于绕组式永磁耦合器（WTPMC）的ECHPS系统（W-ECHPS），介绍W-ECHPS系统和WTPMC的结构原理，确定不同行驶工况下WTPMC的运行参数，对WTPMC进行有限元仿真，以研究稳态性能，包括电磁性能、调速器性能和转差功率回收性能，试制WTPMC样机并进行台架试验，为验证有限元仿真的有效性，进行空载时线反电动势、IGBT的占空比和超级电容端电压的仿真与试验对比。

1 系统描述

1.1 W-ECHPS系统的结构原理

图1为W-ECHPS系统示意图。W-ECHPS系统以HPS系统为基础，加装了WTPMC、电子控制单元（ECU）、车速传感器和转向盘传感器。WTPMC的输入端与发动机相连，输出端与转向泵相连，输入转速与输出转速的差值为转差速度。

图2（a）为HPS系统的转向泵流量特性。发动机怠速为700 r／min，转向泵的限流转速为600 r／min。转向泵的理论流量与发动机转速呈正比关系，输出流量恒定，两者的差值为溢流流量。图2（b）为W-ECHPS系统的转向泵流量特性。WTPMC的输出转速范围设为300～600 r／min，其中300 r／min为转向泵的最低稳定转速。由于WTPMC的输出转速不超过转向泵的限流转速，转向泵的理论流量等于输出流量（统称为转向泵流量）。转向泵流量与WTPMC的输出转速呈正比关系。

W-ECHPS系统工作时，ECU根据车速和转向盘角速度信号控制WTPMC的输出转速，调节转向泵流量，从而实现随速可变助力特性，改善高速转向路感。此外，W-ECHPS系统消除了转向泵溢流损耗，并通过回收转差功率，从而降低系统能耗。

图1 W-ECHPS系统示意图

图2 转向泵流量特性

1.2 WTPMC的结构原理

WTPMC的工作原理为：当发动机驱动外转子转动时，在永磁磁场的作用下，内、外转子的相对运动在三相绕组中感应产生交流，它通过二极管整流桥变为直流。作为调速器，ECU调节IGBT的占空比以改变电路中的直流大小，进而控制WTPMC的输出转速。同时，为实现转差功率回收功能，当IGBT关断时，电路中的直流给超级电容充电［9-10］。

综合来看，WTPMC的转子总成可等效成以转差速度为转速的表贴式永磁同步发电机［11-14］，其气隙磁场、反电动势和电流的理想波形为正弦波。

图3 WTPMC示意图

2 不同行驶工况下WTPMC运行参数

将汽车行驶工况分为直行工况和转向工况，确定不同行驶工况下WTPMC的输入转速、输出转速和负载转矩等运行参数，为WTPMC的设计和基于行驶工况的性能研究提供依据。

2.1 WTPMC的输入转速

WTPMC的输入转速等于发动机转速。当车速为0，20，40，60，80和100 km／h时，WTPMC的输入转速分别为700，920，1 120，1 240，1 300和1 630 r／min。

2.2 WTPMC的输出转速

WTPMC输出转速的目标值随着车速的增加而减小，而在同一车速下随着转向盘角速度的增加而增加。为实现如图4所示的随速可变助力特性曲线，表1给出不同车速和转向盘角速度下WTPMC的输出转速。

2.3 WTPMC的负载转矩

WTPMC的负载转矩与转向泵压力呈正比关系。在直行工况下，转向泵压力为1 MPa的背压，WTPMC的负载转矩为4.8 N⋅m。在转向工况下，根据W-ECHPS系统的随速可变助力特性曲线，得到负载转矩与车速的关系：当车速为0，20，40，60，80和100 km／h时，WTPMC的负载转矩分别为57.3，29.6，22.9，16.8，11.2和7 N·m。

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图4 W-ECHPS系统的随速可变助力特性曲线

表1 不同车速和转向盘角速度下WTPMC的输出转速

综上所述，直行工况和转向工况下WTPMC的运行参数如表2和表3所示。

表2 直行工况下WTPMC的运行参数

表3 转向工况下WTPMC的运行参数

3 WTPMC的稳态性能研究

3.1 有限元仿真

在原地转向工况下，WTPMC处于转差速度最小而负载转矩最大的运行极限点。针对运行极限点进行WTPMC的设计，其尺寸参数如表4所示。

表4 WTPMC的尺寸参数

采用Ansoft Maxwell软件对WTPMC进行二维有限元仿真［15-16］。由于对称性，建立转子总成的1／2几何模型，如图5所示。在此基础上，采用自适应网格划分方法，建立转子总成的有限元模型。为模拟调速与转差功率回收电路，建立如图6所示的WTPMC等效电路模型，其中LPhaseA，LPhaseB和LPhaseC代表外转子的三相绕组。WTPMC的等效电路模型参数如表5所示。转子总成的有限元模型与WTPMC的等效电路模型通过三相绕组接口连接。

图5 转子总成的几何模型

图6 WTPMC的等效电路模型

表5 WTPMC的等效电路模型参数

3.2 稳态性能分析

3.2.1 电磁性能

针对运行极限点分析WTPMC在电气空载与负载下的电磁性能。转差速度设为100 r／min。图7为空载时转子总成的磁力线分布图。可以看出，绝大部分的磁力线构成闭合磁路，只存在少量的漏磁，说明转子总成的磁路设计较合理。图8为空载时转子总成的气隙磁密曲线。可以看出，气隙磁密波形大致呈正弦分布，由于谐波的存在，在部分位置产生畸变。图9为空载时三相绕组的线反电动势曲线。可以看出，线反电动势波形的正弦度较高，表明WTPMC具有良好的电磁性能。图10为负载时三相绕组的电流曲线。可以看出，电流波形的正弦度较高。三相绕组电流产生的电磁转矩为60 N⋅m，超过57.3 N⋅m的负载转矩，能满足运行极限点的要求。

3.2.2 调速器性能

图7 空载时转子总成的磁力线分布图

图8 空载时转子总成的气隙磁密曲线

图9 空载时三相绕组的线反电动势曲线

图10 负载时三相绕组的电流曲线

直行工况和转向工况下IGBT的占空比如表6和表7所示。超级电容的端电压设为85 V。转向工况的转向盘角速度设为0.5 r／s。仿真结果表明：通过调节IGBT的占空比，WTPMC能在不同行驶工况下运行。

表6 直行工况下IGBT的占空比

表7 转向工况下IGBT的占空比

3.2.3 转差功率回收性能

在转差功率回收过程中，WTPMC存在的损耗：1）三相绕组的铜损，它随着三相绕组电流的增加而增加；2）铁心的铁损，它随着转差速度的增加而增加；3）调速与转差功率回收电路的损耗。因此，超级电容的回收功率小于转差功率，其比值为转差功率回收率，是评价转差功率回收性能的指标。

转差功率Pslip为

式中：Tl为负载转矩；Ω为转差速度。

超级电容的回收功率Pr为

式中：Csc为超级电容的额定容量；Usc1为超级电容的初始端电压；Usc2为超级电容的最终端电压；Δt为时间间隔。

转差功率回收率Rr为

考虑车速为80 km／h时的直行工况，进行转差功率回收的仿真。WTPMC的转差速度为1 000 r／min，负载转矩为4.8 N⋅m，由式（1）计算得到转差功率为502 W。图11为超级电容端电压曲线。超级电容的初始端电压设为85 V。在充电10 s后，超级电容的最终端电压为85.64 V。超级电容的额定容量为63 F。由式（2）和式（3）计算得到超级电容的回收功率为344 W，转差功率回收率为68.5%。

图11 超级电容端电压曲线

为检验WTPMC在不同行驶工况下的转差功率回收性能，进行直行工况和转向工况的仿真，得到的转差功率回收率如表8和表9所示。超级电容的初始端电压设为85 V。转向工况的转向盘角速度设为0.5 r／s。仿真结果表明：WTPMC具有良好的转差功率回收性能，在不同行驶工况下的转差功率回收率在67.4%～72.5%之间。

表8 直行工况下的转差功率回收率

表9 转向工况下的转差功率回收率

4 WTPMC的样机与台架试验

4.1 样机与试验台架

在仿真结果满足要求的基础上，试制了WTPMC样机，如图12所示。选用Maxwell Technologies公司的超级电容，额定容量为63 F，额定电压为125 V。图13和图14分别为试验台架的示意图和实物图。除WTPMC样机外，试验台架包括变频三相异步电机、磁粉测功机、两个转矩／转速传感器和控制柜。变频三相异步电机用于模拟发动机，磁粉测功机用于模拟转向泵。两个转矩／转速传感器用于测量WTPMC的输入转速、输出转速和负载转矩。控制柜用于监测和调节各类信号，如超级电容的端电压和IGBT的占空比等。

图12 WTPMC样机

图13 试验台架的示意图

4.2 仿真与试验对比

4.2.1 空载时线反电动势

图15为空载时线反电动势的仿真与试验对比。转差速度为100 r／min。可以看出，仿真结果与试验数据基本一致，验证了有限元仿真的有效性。仿真的线反电动势幅值略大于试验结果，误差在10%以内。

图14 试验台架的实物图

4.2.2 IGBT的占空比

图16为直行工况下IGBT占空比的仿真与试验对比。可以看出，仿真结果与试验数据基本一致，验证了有限元仿真的有效性。

图16 直行工况下IGBT占空比的仿真与试验对比

4.2.3 超级电容端电压

考虑车速为80 km／h时的直行工况，进行转差功率回收的试验。图17为超级电容端电压的仿真与试验对比。表10给出转差功率回收参数的对比。可以看出，仿真结果与试验数据基本一致，验证了有限元仿真的有效性。仿真的超级电容最终端电压为85.64 V，略大于试验结果，这是因为仿真考虑的损耗比样机实际存在的损耗小。

图17 超级电容端电压的仿真与试验对比

表10 转差功率回收参数的对比

5 结论

提出W-ECHPS系统，确定不同行驶工况下WTPMC的运行参数，对WTPMC进行有限元仿真，以研究稳态性能，试制WTPMC样机并进行台架试验，为验证有限元仿真的有效性，进行空载时线反电动势、IGBT的占空比和超级电容端电压的仿真与试验对比。仿真结果表明：WTPMC具有良好的电磁性能，能满足运行极限点的要求，通过调节IGBT的占空比，能在不同行驶工况下运行，同时具有良好的转差功率回收性能，在不同行驶工况下的转差功率回收率在67.4%～72.5%之间。此外，仿真结果与试验数据基本一致，验证了有限元仿真的有效性。

目前设计开发的WTPMC样机尺寸较大，将其装车进行实车试验有一定难度，下一步考虑对WTPMC样机进行优化，在满足总体性能的基础上实现小型化和轻量化。此外，下一步将研究如何利用车载电气系统进行转差功率回收，以提高W-ECHPS系统的装车实用性。