机电液耦合器电磁液压动力特性分析

摘 要：用变量式交流同步机电液耦合器可以使电能、液压能、机械能之间快速转换，因此在新能源汽车中应用广泛。为了掌握其电磁动力和液压动力特性，将电磁转矩作为电磁动力的评价指标，输出流量、泄漏量、容积效率、柱塞运动速度作为液压动力的评价指标。利用ANSYS Maxwell软件模拟结构形式、结构参数对电磁转矩的影响，同时利用AMESim软件模拟柱塞直径、斜盘倾角对液压动力特性的影响。结果显示：柱塞孔位置在永磁体“V”形开口内侧、采用梨形槽、缩短低气隙长度、增加永磁体厚度、减少塞孔直径、扩大塞孔分布半径有利于提高电磁动力，柱塞泵液压动力特性与柱塞直径、斜盘倾角大小呈正相关。

关键词：变量式交流同步机电液耦合器；电磁动力；液压动力；仿真分析

中图分类号：TH 137" " 文献标志码：A

机电液耦合器具有能量转换功能，属于电动汽车动力装置的关键组成部分，其电磁转矩、液压特性直接影响新能源汽车电机的动力输出。机电液耦合器的结构布局、结构参数、工况参数对其电磁和液压动力特性会产生较大的影响。在此次研究中，采用控制变量法可以改变单一的影响因素，采用仿真软件模拟该因素与电磁转矩或液压动力的关系，从而为优化此类设备的设计方案、提高运维检修水平提供参考依据。

1 变量式交流同步机电液耦合器结构及应用

1.1 结构组成

变量式交流同步机电液耦合器主要应用于电动汽车，属于集成式的动力装置，具体可划分为5个子系统，包括支撑子系统、变量子系统、液压子系统、机械能转化子系统、电能转化子系统，其结构组件包括壳体、斜盘、柱塞、导套、定子、转子等。

1.2 应用分析

变量式交流同步机电液耦合器的主要作用是实现电能、液压能和机械能之间的相互转换，最基本的工作模式为两种能量的相互转换，具体的能量转换方式包括电能-机械能、电能-液压能、液压能-电能、液压能-机械能、机械能-电能、机械能-液压能[1]。以电能和液压能的转换为例，由外接电压产生旋转磁场，通过电磁场带动转子和缸体，使柱塞发生往复运动，进而输出液压能。

2 机电液耦合器电磁动力特性仿真分析

2.1 仿真建模

2.1.1 模型构建及网格划分

研究过程利用ANSYSMaxwell软件的RMxprt模块构建机电液耦合器的电磁模型，该模型由6个组件构成，涵盖定子、转子、永磁体、绕组、转轴以及柱塞孔。在二维模型建立后，对其进行网格划分，该软件支持多种网格划分方式，根据机电液耦合器的结构特点，选用SurfaceApproximation网格剖分方式，机电液耦合器的网格化模型如图1所示。建模时需要设置材料的属性，绕组的材料属性为Copper（铜），柱塞孔和模拟边界的属性设置为Air/Vaccum（空气/真空），永磁体的属性设置为N40SH_60C[2]。将定子、转子、转轴的属性均设置为DW310_35，即硅铁软磁合金。

2.1.2 设置仿真条件

此类机电液耦合器将永磁同步电机作为驱动系统，其结构形式为3相6极36槽，槽间电角度设置为30°。将机电液耦合器的旋转转动区域设置在特定范围内，该区域称为Band区，能够区分模型中的运动部分和静止部分。

2.1.3 模型求解器设置

在有限元求解过程中，通过网格对整个模型进行离散化处理，形成一系列子区域，再进行偏微分方程求解。有限元分析法是通过数学方法求出现实情况的近似解，当误差函数达到最小值时，即产生稳定解[3]。机电液耦合器的运动部件为转子，能量转换过程需要进行磁场分析。在此次仿真模拟中，选用瞬态场求解器，根据其原理，机电液耦合器转动部分的运动方程如公式（1）所示。

（1）

式中：v为磁阻率；A为磁矢势；JS为源电流密度；σ为电导率；V表示电势；Hc为永磁体的矫顽力；dA/dt表示磁矢势对时间的一阶求导。

根据该求解方法，在任一时间步长内，有限元模型中的每个节点均满足公式（1），可据此分析有限元模型中各个节点的磁场。

在本研究中，工作人员设定一个简单的模型，包括一个永磁体的矫顽力Hc和一个产生电流密度JS的通电线圈。通过安培环路定律得到电势和磁矢势之间的关系，研究人员为了简化运算，假设它们之间的关系是线性的，即V=A。假设当t=0时，系统初始状态为静止，电流密度和电势都为0。随着时间推移，通电线圈产生磁场，永磁体受到电磁力的作用开始旋转。在每个时间步长内，根据当前的电流密度和电势计算出磁场强度H。然后使用公式（1）来更新下一个时间步长内的磁场强度H（表1）。

2.2 电磁动力特性仿真数据分析

2.2.1 结构形式对电磁转矩的影响分析

2.2.1.1 柱塞孔开孔位置对电磁动力的影响

机电液耦合器的永磁体为“V”形结构，柱塞孔可设置在永磁体“V”形开口的内侧或者外侧，6个永磁体对应6个柱塞孔。根据柱塞孔在永磁体内侧和外侧两种布局方式，模拟电磁转矩，分别求出最大转矩、最小转矩、平均转矩以及转矩波动系数，模拟结果见表2。

从模拟数据可知，当柱塞孔位于永磁体“V”形开口内侧时，平均转矩更大，并且电磁转矩的波动性更小，有利于提高电磁动力的稳定性。因此，柱塞开孔位置宜设置在永磁体“V”形开口内侧。

2.2.1.2 定子槽型对电磁动力的影响

电机槽型通常设计为矩形、平底形或者梨形，仿真过程采用变量控制法，其他参数保持一致，仅改变电机槽型，可模拟机电液耦合器在不同槽型下的电磁转矩。对模拟数据进行分类统计（表3），从表中数据可知，梨形槽对应的电磁转矩明显高于矩形槽和平底槽，有利于提高机电液耦合器的电磁动力，但其稳定性低于平底槽。

2.2.2 结构参数对电磁转矩的影响分析

2.2.2.1 不同结构参数下电磁动力的模拟数据

将电磁转矩作为电磁动力的评价指标，机电液耦合器的主要结构参数包括4个，分别为永磁体厚度、气隙长度、柱塞孔直径、柱塞孔分布半径，模拟以上4个参数对电磁转矩的影响。仿真过程采用控制变量法，每次针对一个结构参数设置一个取值，计算电磁转矩和转矩波动，结果见表4。

2.2.2.2 仿真结果分析

观察气隙长度对应的仿真数据，随着参数取值增加，电磁转矩、转矩波动性均与参数取值呈负相关。当气隙长度为0.5mm时，电磁转矩最大。观察永磁体厚度对应的仿真数据，当厚度取值为8mm时，电磁转矩最大，并且波动性并未明显增加。

3 机电液耦合器液压动力仿真分析

3.1 机电液耦合器液压系统建模

3.1.1 建模方法

液压子系统是机电液耦合器的重要组成部分，其主体结构为轴向柱塞泵，柱塞的数量为7个。在仿真分析过程中，只建立轴向柱塞泵的模型，仿真软件为AMESim。模型入口端为进油口，出口端为出油口。

3.1.2 模型参数设置

液压系统仿真需要设置一系列参数，包括原动机转速、阻尼器速率、黏性摩擦系数等，各个参数的取值见表5。

3.2 液压动力特征评价指标

机电液耦合器液压动力特性具体可分为液压特性和动力特性，液压特性的评价指标为柱塞泵输出流量、柱塞泵泄漏量、容积效率，液压系统动力特性的评价指标为柱塞运动速度[4]。其中，柱塞泵泄漏量的计算过程如公式（2）所示。

（2）

式中：Qx为柱塞泵的泄漏量；Δp为柱塞泵两端口的压力差；µ为流体动力学黏度的平均压力；lc为柱塞的实际行程；rc为径向间隙；dp为活塞外径；ecc为液压油的离心率；v+为活塞速度；v-为包络线速度。

在具体实践中，研究人员从试验仿真中获取相关的参数，包括Δp、µ、lc、rc、dp、ecc、v+、v-。根据流体的密度和柱塞泵的设计参数计算ecc，根据流体的动态黏度和静态黏度以及工作温度来计算µ。将采集到的数据和计算得到的参数代入公式（2）中进行计算。计算得到的泄漏量可以用来评价柱塞泵的性能，并与理论值或预期值进行比较。分析泄漏量与活塞速度、压力差等因素的关系，了解液压系统的工作状态和潜在的优化空间（表6）。

3.3 液压动力仿真数据及结果分析

3.3.1 液压特性仿真分析

3.3.1.1 柱塞泵出口压力与输出流量、容积效率的关系

仿真时将柱塞泵出口压力设置为5个梯度值，分别为2.0MPa、3.2MPa、3.9MPa、4.8MPa、6.0MPa，模拟不同出口压力下柱塞泵的输出流量和容积效率，结果见表7。从数据可知，随着出口压力增加，柱塞泵的输出流量和容积效率呈小幅下降趋势。

3.3.1.2 柱塞直径与柱塞泵输出流量的关系

采用控制变量法，将柱塞直径分别设置为10mm、15mm、20mm，模拟柱塞泵的输出流量。结果显示，3种条件下对应的最大输出流量分别为2.51L/min、5.74L/min、10.01L/min，输出流量达到峰值的时间分别为0.01s、0.03s、0.04s。可见，随着柱塞直径增加，输出流量明显变大，并且达到峰值的时间有所延长。

3.3.1.3 斜盘倾角与柱塞泵输出流量的关系

柱塞泵的输出流量与驱动转速、泵排量成正比，单位时间内的输出流量越大，液压系统的动力越强[5-6]。结果显示，相应的输出流量峰值分别为2.6L/min、4.0L/min、5.5L/min、7.2L/min。可见，输出流量与斜盘倾角呈正相关，随着斜盘倾角变大，液压动力不断增强。

3.3.1.4 斜盘倾角与柱塞泵泄漏量的关系

根据柱塞泵的结构特点和工作原理，斜盘倾角和液压油泄漏量存在一定的关系。采用控制变量法，将斜盘倾角设置为7.5°、11.5°、15.5°、19.5°，模拟柱塞泵液压油泄漏量，分别为25×10-9L/min、76×10-9L/min、200×10-9L/min、380×10-9L/min。显然，随着斜盘倾角变大，柱塞泵在单位时间内的泄漏量快速升高[7-8]。泄漏量增加不利于液压系统的动力输出。

3.3.2 动力特性仿真分析

动力特性主要体现于柱塞的运动速度，柱塞泵通过柱塞在泵体内的往复运动实现液体输送，当柱塞运动速度越快时，单位时间内产生的压力越大，动力越强[9]。柱塞的行程对时间进行微分，即可得到柱塞的运动速度。

4 结论

在此次研究中，采用仿真分析法探索变量式交流同步机电液耦合器的电磁动力特性和液压动力特性，得出以下结论。1）电磁动力特性的主要评价指标为电磁转矩，该指标越大，说明电磁动力越强。液压动力特性的主要评价指标为柱塞泵的输出流量、柱塞运动速度和柱塞泵的泄漏量，输出流量和柱塞运动速度越快，液压动力越强，而泄漏量对液压动力具有负面影响。2）通过ANSYSMaxwell软件模拟结构布局和结构参数对机电液耦合器电磁动力的影响。在结构布局方面，将柱塞孔设置在永磁体“V”形开口内侧和采用梨形电机槽，有利于增强电磁转矩。在结构参数方面，增加气隙长度、永磁体厚度、柱塞孔分布直径以及降低塞孔直径，有利于提高电磁转矩。3）利用AMESim软件模拟机电液耦合器的液压动力特性。模拟结果显示，随着柱塞直径和斜盘倾角变大，柱塞泵输出流量同步增加，液压动力性更强；在斜盘倾角倾角变大的情况下，柱塞运动速度也不断提高；在泄漏量模拟中，斜盘倾角变大，泄漏量呈增加趋势，但整体泄漏量非常少，几乎不会影响输出流量。

参考文献

[1]刘朔，张洪信，赵清海，等.机电液动力耦合电动汽车动力传动原理[J].机床与液压，2022，50（23）：166-172.

[2]潘哲贤，张洪信，步天翔，等.基于田口法的机电液耦合器永磁体分布优化[J].青岛大学学报（工程技术版），2022，37（2）：34-40.

[3]李志奋.矿用钻机机电液耦合的动力学仿真分析[J].机械管理开发，2020，35（1）：83-84，88.

[4]朱学彪，宋文韬，郭子卿.基于机电液耦合器的液压冷却系统设计研究[J].中国设备工程，2021，（19）：147-148.

[5]汪晓娜，贺亚彬，落财秀，等.提升机机电液耦合仿真建模及紧急制动特性分析[J].机电工程，2020，37（12）：1510-1514，1546.

[6]闵磊，张洪信，赵清海，等.基于MRAS的机电液耦合器用IPMSM无速度传感器控制[J].科学技术创新，2021，（11）：37-39.

[7]管飞，卫思明，付文启，等.光伏电源经新能源同步机并网的仿真研究[J].智慧电力，2021，49（7）：23-30.

[8]付文启，黄永章，管飞，等.新能源同步机低电压穿越的功角特性研究[J].华北电力大学学报（自然科学版），2021，48（6）：48-54，62.

[9]缪惠宇，杨赟，梅飞，等.一种虚拟同步机运行模式平滑切换控制策略[J].太阳能学报，2020，41（9）：121-128.

作者简介：邹同合（1972—），男，汉族，湖南新化人，高级讲师，研究方向为机械设计与制造，机电一体化。

电子邮箱：136054808@qq.com。