轎車膜片彈簧離合器系統(tǒng)設(shè)計及仿真分析
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附錄A
文 章
一種永磁雙穩(wěn)態(tài)電磁離合器裝置的分析與設(shè)計
蔡萬麗，顧成林，胡曉東
先進(jìn)電磁工程技術(shù)國家重點實驗室
華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢430074;電子郵件:clgu@mail.hust.edu.cn(C.G.);xdhu@hust.edu.cn(X.H.)
*發(fā)件人應(yīng)向其發(fā)出信函;電子郵件:wlcai@hust.edu.cn;
電話:+ 1 - 86-134-3718-8225。
學(xué)術(shù)編輯:保羅·斯圖爾特
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學(xué)術(shù)編輯:保羅·斯圖爾特
收到:2015年3月9日/接受:2015年6月1日/出版:2015年6月11日
摘 要
在內(nèi)燃機(jī)車和集中電動汽車中，離合器已被廣泛應(yīng)用于汽車、汽車、汽車、汽車等領(lǐng)域。本文提出了一種將永磁雙穩(wěn)態(tài)電磁離合器單元(PMBECU)特別引入輪式電動汽車，使輪轂與輪轂之間的剛性連接更加靈活。首先闡述了PMBECU的工作原理。然后，提出并分析了基本的磁路模型，然后通過研究PM漏磁系數(shù)對主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。此外，根據(jù)PMBECU的基本電磁特性，提出了當(dāng)前的脈沖電源，并通過改進(jìn)的有限元方法，分析了使PMBECU的運行及其動態(tài)特性的最小脈沖寬度。最后，研制并測試了樣機(jī)，驗證了所有的分析結(jié)果。
關(guān)鍵詞:離合器單元；動力學(xué)分析；電磁設(shè)計；有限元法(FEM)；永磁；雙穩(wěn)態(tài)操作
1.介紹
電動汽車(EV)最近密集調(diào)查作為潛在解決方案不斷增長的能源危機(jī)和環(huán)境污染的問題[1 - 4],專注于傳動形式,電機(jī)、控制器、電池、能源系統(tǒng),駕駛舒適,等等。與集中傳動相比,輪電動汽車驅(qū)動電動汽車被認(rèn)為是更有能力的驅(qū)動形式在不遠(yuǎn)的將來[5 - 7],由于其直接驅(qū)動的優(yōu)點(no-gearbox),更靈活的控制策略(每個輪子的扭矩是獨立控制的)，高的機(jī)械完整性(與傳統(tǒng)的汽油車有很大的不同)。然而，由于輪轂與電機(jī)之間的剛性連接，在突然啟動和停止過程中不可避免地會引入機(jī)械沖擊和電磁脈沖，可能會對電機(jī)和控制器造成危害，降低驅(qū)動舒適性[8-10]。
在傳統(tǒng)汽油車的基礎(chǔ)上，通過在輪轂與電機(jī)之間引入離合器，使剛性連接更加靈活的[11]，可以改善這種電動汽車輪轂的機(jī)電沖動。仿真和實驗結(jié)果之間的傳統(tǒng)離合器電機(jī)和負(fù)載在(12、13)表明,起動電流和混蛋在離合器耦合不同空閑下開始速度可以減少小于1/2相比,直接開始,電動勢和沖動回控制器可以通過分離消除制動(電動機(jī)停止自然斷開后制動負(fù)荷)。此外，在混合動力電動汽車中，傳統(tǒng)離合器在空轉(zhuǎn)時用于切斷發(fā)動機(jī)或電機(jī)，以避免自旋損失，延長機(jī)器[14]的生命周期。此外，在輪內(nèi)驅(qū)動的電動汽車中，在滑行[15]時，采用離合器將電機(jī)從輪轂上分離，以減少損失。
然而，傳統(tǒng)的機(jī)械式離合器系統(tǒng)[16,17]不適合在集線器中可用的有限空間，并且需要定期維護(hù)，這使得它不適合在車輪內(nèi)的電動汽車驅(qū)動器。此外，電磁離合器[18,19]，容易被電流控制，耗能大，同時也存在在轂內(nèi)調(diào)節(jié)形狀的問題。在[20]的其他離合器中，一個人遇到一個或所有上述的問題，因此也不是合適的選擇。本文提出了一種永磁雙穩(wěn)態(tài)電磁離合器單元(PMBECU)，它是由電流控制，由永磁保持在穩(wěn)定狀態(tài)，因此是一種節(jié)能的裝置，并且具有平直結(jié)構(gòu)，使其在有限的空間內(nèi)的放置成為可能。離合器系統(tǒng)是通過在電動機(jī)周圍裝配幾個PMBECUs，結(jié)合摩擦或顎對來實現(xiàn)的。
作為離合器系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，本文重點研究了PMBECU的電磁設(shè)計和分析。電磁閥[21]、電動工具[22]、振子[23、24]、換擋器[25-27]等線性電磁裝置的設(shè)計與分析，主要采用有限元法(FEM)進(jìn)行。同樣，為了滿足在輪轂有限空間內(nèi)適應(yīng)離合器的需要，F(xiàn)EM對PMBECU的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，重點研究了PM的漏磁系數(shù)。此外，為了實現(xiàn)對PMBECU操作的簡單可靠控制，通過改進(jìn)FEM計算了PMBECU的動態(tài)特性，表明低功耗電容脈沖電源是非常合適的。分析了溫度對動態(tài)性能的影響。通過對樣機(jī)的測量，驗證了分析方法和結(jié)果的正確性。
2.工作原理
PMBECUs的裝配實現(xiàn)了輪轂與電機(jī)之間的柔性連接如圖1a所示，PMBECU的結(jié)構(gòu)如圖1b所示，其中兩個具有相反極性的PMs安裝在剛性e型鐵磁基的兩側(cè)。鐵磁驅(qū)動裝置被放置在兩個非磁性的低摩擦滑道中。兩個線圈連接n系，繞在每個滑道上。
圖1所示(a)輪轂與電機(jī)的柔性連接(b) PMBECU的結(jié)構(gòu)
Figure 1 (a) Flexible connection of hub and motor (b) Structure of the PMBECU
PMBECU的二維(2D)分析模型，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)注如圖2所示，其中正確的方向為力和運動變量的正方向。
圖2 PMBECU的二維分析模型
Figure 2 2D analysis model of the PMBECU
沒有注入線圈的PMBECU的通量線分布如圖3a所示。顯然，動力裝置由左PM保持在穩(wěn)定狀態(tài)，不消耗能源。當(dāng)電流方向合適時(即，如圖2所示的當(dāng)前方向)和訪問線圈的值，移動器極化，相應(yīng)的通量線分布如圖3b所示。動車機(jī)將很快被由此產(chǎn)生的電磁力從左穩(wěn)態(tài)推進(jìn)到右。同時，位置傳感器自動切斷電流，電機(jī)由正確的PM控制，再次不消耗任何能量，雙穩(wěn)態(tài)運行。
圖3磁通線分布(a)穩(wěn)定狀態(tài)(b)運動
Figure 3 Magnetic flux lines distribution. (a) Steady state; (b) Action.
很明顯,PMBECU具有平面結(jié)構(gòu)因此適合放置在一個有限的空間,和接觸和分離之間的轉(zhuǎn)換是真正可以方便地操縱,因此只有一個即時切換所需電流,但大多數(shù)時間是在一個穩(wěn)定的狀態(tài)由一個點,因此節(jié)能。
3電磁設(shè)計
3.1磁路模型
根據(jù)磁通線分布如圖3所示,假設(shè)鐵磁材料有無限的滲透率和忽視接觸的空氣間隙,磁路關(guān)系的PMBECU線圈開路的情況下可以通過一個簡化的表示磁網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。
圖4 簡化磁網(wǎng)絡(luò)
Figure 4 Simplified magnetic network
磁網(wǎng)絡(luò)包括兩個獨立的分支,是Φδj magneto-motive迫使布置點的氣隙,磁通穿過極面發(fā)的每一邊,方程(1)-(3),分別為:
Fmj = H c hm
δ j
( kσj hm μr
+ δ j )
(1)
L δj = μ0 Sm δ j
(2)
Br,Hc,μr剩磁、矯頑力,和相對滲透率的點,hm和Sm的厚度和極面區(qū)域點,δj氣隙長度是標(biāo)記在圖2中,μ0空氣的磁導(dǎo)率,和kσj是漏磁系數(shù)定義為:
kσj = F mj F δj
(4)
Φmj在哪主磁通通過底部的點。
麥克斯韋應(yīng)力張量由下式[27]給出
t n = (B n2 - Bs2 )
(2μ0
)
(5)
t s = B n Bs μ0
式中Bn、Bs分別為動器上通量密度的外法向分量和切向分量。在無限滲透表面之外，通量密度只有一個法向分量。因此,結(jié)合方程(3),夾持力(水平)穩(wěn)態(tài)(δ1 = 0,δ2 = lt,lt是旅行的長度mover)可以近似計算:
?
?
f H =
B δ21 S m
-
B δ22 S m
=
B r2 Sm
?
1
-
1
÷
?
÷
(6)
2 μ 0
2 μ 0
2μ0
(
lt
hm )
2
è
?
?
kσ2 + μr
÷
?
÷
迫使規(guī)范化fb = 0.5 br2sm /μ0(下同),夾持力是:
f H = 1-
1
(kσ2 + μr lt
hm )
2
(7)
顯然,PMBECU的夾持力是由kσ2(泄漏系數(shù)δ= lt)、旅行長度厚度的比值lt /嗯,下午和晚上的特點。此外,漏通量kσ2系數(shù)是一個函數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù),并可以通過方程計算。
(4)有限元分析得到的磁通后
通過將電流從0增加，可以得到移動者所經(jīng)歷的電磁力，進(jìn)而得到理想的閾值電流，該閾值電流對移動者的作用至關(guān)重要，與水平電磁力fmx = 0相對應(yīng)。本文將電流歸一化為ib = Hchm/N，其中N為一個線圈的匝數(shù)。
3.2主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計
PMBECU在絕大多數(shù)情況下都是穩(wěn)定狀態(tài)，由保持力可靠地維持，因此保持力是最重要的指標(biāo)。根據(jù)方程(7),漏磁系數(shù)kσ2在分離方面,這是一個結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù),在夾持力有很大的影響。此外，漏磁系數(shù)決定了PM的合理使用。因此，主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)(如圖2所示)，即點wm的寬度,高度從下午到基地惠普、和旅游發(fā)lt的長度,通過研究kσ2,優(yōu)化結(jié)合保持力和閾值電流，其中其他尺寸比(與hm成比例)保持不變，其中一個參數(shù)變化范圍為hp/hm = 1.2, wm/hm = 2.5, lt/hm = 2。
kσ2對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化如圖5所示。從圖5a可以看出，當(dāng)hp大于hm的1.5倍時，泄漏通量系數(shù)增加的非常緩慢，所以hp最好在hm的1-1.5倍以內(nèi)，
這也說明PMBECU是可以平坦結(jié)構(gòu)的。同樣，wm最好是hm的2.5倍，如圖5b所
示。圖5 c顯示了漏磁系數(shù)與lt kσ2幾乎線性增加,顯示沒有明顯的拐點。但是從圖5d可以看出，當(dāng)lt比hm大2倍時，保持力增長非常緩慢，同時閾值電流不斷增大，使得動刀的動作更加困難。因此，在1.5-2倍于PM的厚度范圍內(nèi)的lt是更合理的。
圖5 pimization(a)從PM到base的高度(b)點的寬度(c)旅行長度(d)旅行的長度
Figure 5 Opimization (a) Height from PM to base (b) Width of PM (c) Travel length(d) Travel length.
4.動力學(xué)分析
4.1.電磁特性
基于上述分析，設(shè)計了一個PMBECU原型，其主要參數(shù)如表1所示，如圖6所示。假設(shè)搬家公司是固定在不同的位置，改變線圈中的電流(恒直流波)，用有限元法計算磁場，用(5)計算動刀所受的力，得到動刀對電流i和位移x的電磁力如圖7所示。
表1主要設(shè)計參數(shù)
Table 1 Leading design parameters
Parameter
Value
Parameter
Value
Thickness of PM hm
2.5 mm
Width of base wb
80 mm
Width of PM wm
6 mm
Remanence of PM Br
0.4 T
Length of PM lm
20 mm
Coercivity of PM Hc
318 kA/m
Height of PM to base hp
3 mm
Turns of coil N
60
Travel length lt
4.8 mm
Mass of mover m
56 g
圖6 原型
Figure 6 Prototype
從圖7a可以看出，對于開路條件，i = 0水平力曲線表明PMBECU有兩個穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，一個是來自PM的磁力，另一個是不穩(wěn)定的平衡點(半行程長度位置)。當(dāng)動車超過這個不穩(wěn)定點時，即使關(guān)閉電流也可以自動將動車?yán)搅硪粋€穩(wěn)態(tài)。由于電流增加到理想閾值電流i = 0.49，動車開始移動。線圈的最大電流受PM的消磁曲線的拐點(不可逆退磁的臨界點)限制，在這個原型中，i = 0.77。
事實上，由于垂直方向上的不對稱結(jié)構(gòu)，mover經(jīng)歷了一個向下的垂直電磁力(如圖7b所示)，它引入了摩擦阻力。因此，計算摩擦力和其他誤差(材料、模型、測量等)，實際的閾值電流大于計算值，即為原型的0.52。此外，為了保證PM的性能，最大電流應(yīng)該限制為iM = 0.7。
圖7 電磁力(a)水平(b)垂直
Figure 7 Electromagnetic forces. (a) Horizontal; (b) Vertical.
當(dāng)電流大于閾值電流時，合力為正的水平力開始驅(qū)動動車，力是位移單調(diào)遞增的函數(shù)。在經(jīng)過PMBECU的中點后，mover可以到達(dá)另一個穩(wěn)定狀態(tài)，電流關(guān)閉(即:，脈沖電流只維持行程長度寬度的一半)。此外，考慮到慣性運動和運動摩擦系數(shù)的變化，電流的脈沖寬度可以更小。因此，需要對PMBECU進(jìn)行動力學(xué)分析。
4.2動力學(xué)方程和分析方法
由于PMBECU的運動對稱性，只研究了動刀從左向右的運動。假設(shè)靜摩擦系數(shù)等于運動摩擦系數(shù)，則確定動力學(xué)特性的磁運動學(xué)耦合數(shù)學(xué)方程為:
f mx - f z = mdv dt
(8)
v = dx dt
(9)
f mx = q ( x, i ), f my = p ( x, i)
(10)
f z = μs ( f my + mg)
(11)
那么fmx和fmy水平和垂直電磁力推動者,fz阻力,v是發(fā)的速度,μs靜摩擦系數(shù)是0.065,這個原型(測量)和g重力加速度是恒定的。
PMBECU的動力學(xué)分析是為了說明磁場與運動的耦合關(guān)系。為適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)尺寸的不同摩擦阻力條件，提出了一種改進(jìn)的有限元分析方法。如圖8a所示，在靠近PMs點處建立兩個lt長度的矩形區(qū)域(即材料變化區(qū))，并將其均勻嚙合成n步的四邊形，即，步長為x = lt/n。左邊和右邊的初始滲透率是設(shè)置為鐵(μFe)和空氣(μ0)分別。如圖8b所示，如果第一個x的滲透率與左邊的材料相嚙合變異區(qū)域變成μ0第x網(wǎng)格在正確的μFe,同樣意識到x位移的推動者。因此，一次網(wǎng)格可以覆蓋移動機(jī)[23]的移動長度位移。
(a)
n·Dx
μFe
μ0
μ0
μFe
μFe
μ0
（b）
圖8網(wǎng)格技術(shù) (a)網(wǎng) (b)原則
Figure 8 Onetime mesh technique (a) Mesh (b) Principle
此外，通過將位移設(shè)為已知質(zhì)量，而將時間設(shè)為未知變量，并在每次材料變化前計算時間、速度和電流，整個PMBECU運動過程(即， PMBECU的動力學(xué)特性可通過一次網(wǎng)格求解。這種改進(jìn)后的FEM分析流程圖如圖9所示，其中既考慮了當(dāng)前的變化，又考慮了電阻的變化，這很容易通過商業(yè)FEM軟件(如ANSYS可編程設(shè)計語言)實現(xiàn)。在本文中，在動車的每一邊，材料變化區(qū)域的前部分都被精細(xì)地嚙合，后部分被粗略地嚙合(因為前部分位移需要更多的時間)，從而提高精度，減少計算量。
4.3最小驅(qū)動脈沖寬度
脈沖閾值電流訪問(在脈沖寬度的計算,給出了位移的長度),可以解決改進(jìn)的有限元動力學(xué)方程,然后脈沖寬度的時候,最后的力和速度曲線和位移和不同的脈沖寬度,都可以獲得。最小脈沖寬度tw是閾值電流的脈沖寬度，該閾值是關(guān)鍵的，它支持在接觸和分離之間切換PMBECU，即。，當(dāng)脈沖寬度小于tw時，動車速度為負(fù)值。原型的合力和速度曲線，隨位移和脈寬而變化，如圖10所示。
圖9 用改進(jìn)的有限元法求解動力學(xué)問題的流程圖
Figure 9 Flowchart for solving the dynamics by improved FEM.
圖10 不同脈沖寬度下的動力學(xué)特性(a)合成水平力(b)速度
Figure 10 Dynamics characteristic under different pulse width (a) Resultant horizontal force (b) Velocity
被訪問的脈沖電流的寬度越小，電動機(jī)所經(jīng)歷的切換過程就越均勻。當(dāng)加速位移比減速位移稍長時，則是實現(xiàn)PMBECU在穩(wěn)態(tài)間切換的最小電流脈沖寬度，在本樣機(jī)中為tw = 18ms。
5. 實驗驗證
PMBECU的實驗電路和實驗裝置如圖11所示。首先，測量了不同位置的持力，并與有限元法進(jìn)行了比較。
計算結(jié)果(有一個初始?xì)庀鼎? = 0.1毫米和接觸氣隙的中期部分δ0 = 0.18毫米已占據(jù)在有限元模型),如圖12所示。實驗結(jié)果略小于仿真結(jié)果，仿真結(jié)果主要歸因于PM的圓角，但仍顯示出可接受的工程精度。
圖11 (a)實驗電路(b)實驗平臺①原型②電容器供應(yīng)③激光位移傳感器
Figure 11 (a) Experimental circuit;(b) Experimental rig① Prototype② Capacitor supply
③ Laser displacement transducer
圖12不同位置的持力比較
Figure 12 Comparison of the holding force at different positions
應(yīng)用于線圈的脈沖電流近似是由電容器放電產(chǎn)生的低功率脈沖電源。通過改變電容(即，改變脈沖寬度)，調(diào)整充電電壓(保持iM = 0.7)，可以得到可行的最小脈沖寬度，在本樣機(jī)中為tw = 5.2 ms，對應(yīng)的放電電流曲線如圖13所示。由于最大放電電流大于閾值電流，且連續(xù)放電電流曲線優(yōu)于矩形脈沖電流，所以小功率電容器電源的最小脈沖寬度要小得多。
錫的動力學(xué)實驗PMBECU(環(huán)境溫度為25°C),主要電氣參數(shù)Cb = 8.6 mF,Rb = 1.15?,推動者的位移記錄由一個激光位移傳感器。實際上，改進(jìn)的FEM也可以得到低功耗電容器電源的動態(tài)特性和最小脈沖寬度，每一步的電流值由電路方程求解。
圖13低功率電源的放電電流曲線對樣機(jī)的切換至關(guān)重要
Figure 13 Discharge current curve of the low power supply which critically enables the switchover of the prototype
改進(jìn)的有限元模擬和實驗的比較動力學(xué)特征的結(jié)果顯示在圖14中,它顯示了一個令人滿意的協(xié)議,除了輕微的反彈的推動者,實驗速度和動態(tài)力發(fā)源于測量位移的微分和二階微分曲線。因此，改進(jìn)的有限元方法是對PMBECU進(jìn)行動力學(xué)分析的有效方法。更重要的是,在恒流的動力學(xué)特征相比,在發(fā)力比較均勻,發(fā)的速度是穩(wěn)定的,和控制更簡單(當(dāng)前自動衰減沒有斷開的位置檢測),因此代表了PMBECU最優(yōu)供電方案。
圖14 低功率脈沖電源下的動力學(xué)特性比較（a）速度 (b)合成水平力
Figure 14 Comparison of dynamics characteristics under low power pulse supply.
(a) Velocity(b) Resultant horizontal force
在輪內(nèi)驅(qū)動應(yīng)用中，該設(shè)備工作條件苛刻——振動、溫度變化、電磁干擾等。振動和電磁干擾分別影響PMBECU的機(jī)械可靠性和控制可靠性。然而，從電磁分析的角度來看，溫度的變化主要改變了PMBECU的電磁特性。當(dāng)溫度升高時，電阻大約每攝氏度增加0.43%，電阻Rb 25°C)。最大放電電流imax的對應(yīng)變化如圖15a所示。如圖所示,當(dāng)溫度小于0°C,imax是比我大10%將不可逆轉(zhuǎn)地消磁的點,從而表明釹鐵硼點比鐵氧體點是更好的選擇。當(dāng)溫度高于150°C,imax小于閾值電流雖然電容器是無限的,這將禁用PMBECU,因此應(yīng)該避免。圖15 b顯示了最小電容的變化Cmin(Cb 25°C)相比,極度使PMBECU在不同的工作溫度。實驗的四個測點驗證了仿真的有效性。由圖15b可知，當(dāng)溫度升高時，由于imax的降低，PMBECU的工作需要更大的電容。因此，電容器的尺寸應(yīng)由最大工作溫度決定。
圖15 電磁特性隨溫度變化(a)最大放電電流(b)最小電容器使PMBECU的工作成為可能
Figure 15 Electromagnetic characteristics variation with temperature (a) Maximum discharge current;(b) Minimum capacitor enables the work of the PMBECU
6.結(jié)論
本文提出了一種永磁雙穩(wěn)態(tài)電磁離合器單元，將其引入到輪式電動汽車驅(qū)動器中，使輪轂與車輪之間的剛性連接更加靈活。PMBECU的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,研究泄漏系數(shù),夾持力,和閾值電流,使點的寬度,高度從下午到基地,和旅行的長度最好在分別在2.5，1.2，2次點的厚度。
基于最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，制作了一個PMBECU原型?；镜碾姶盘匦员砻?，脈沖電源較好地控制了PMBECU。為此，提出了一種改進(jìn)的有限元方法，以獲得閾值電流的動態(tài)特性和最小脈沖寬度。通過對原型的實驗測量，驗證了靜態(tài)力和動力學(xué)特性的仿真結(jié)果。分析和實驗結(jié)果均表明，低功率電容器電源非常適合PMBECU，在最大工作條件溫度下決定電容器的尺寸。分析方法和結(jié)果為整個離合器系統(tǒng)的進(jìn)一步設(shè)計奠定了堅實的基礎(chǔ)。
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附錄B
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