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紧凑型永磁发电机在混合动力汽车中的应用
紧凑型永磁发电机在混合动力汽车中的应用
摘要——在混合动力汽车传动系统中发电机耦合到内燃机轴上以便来处理全部或者某一部分车轮所需要的牵引力。
因为这种内燃机驱动的发电机局限在汽车罩下,并暴露在内燃机工作产生的高温环境中,高密集度,全封闭工作以及适宜的冷却布置成为发电机必须处理的挑战性设计目标。
由于独特的特征,比如与其他机器相比单位体积更高的扭矩和更高的效率的拓扑结构,轴向场永磁机拓扑被选定为15-kW-at-4500-r/min-rated发电机标准。
将利用在混合动力汽车的论证中。
本文介绍了采用独创的解决办法来设计这种混合动力汽车发电机并从样机获得实验结果。
关键词——轴向场发电机,紧凑型发电机,混合动力汽车,液体冷却机,永磁机。
1介绍
尽管做了最大努力以生产纯电动汽车,到今天为止,计算电池的范围这一长期存在的问题仍然无法解决。
因为电动汽车在汽车行业独特的地位,现在越来越多的注意力集中在燃料电池和混合动力技术作为生产替代了电厂的突破车辆。
很多汽车制造商把燃料电池汽车看作最终的发展路线以实现可持续的替代推进系统。
然而,燃料电池汽车的商业化生产还有一段时间,仍存在重要的争论以最佳方式生产并安全存储氢燃料来作为发电机燃料电池原料。
另一方面,多数汽车制造商正在研发的混合动力车辆都将作为商业产品,并且短期内混合动力汽车可能是未来的走向,至少要持续到纯电动技术得到充分的发展。
混合电动汽车集合了电动汽车优点,提供了在城市中心游憩区或敏感的地方零排放的可能性,同时也提供利用一个标准的内燃机获得几乎无限长的行驶距离能力。
尽管在过去二十年各种混合动力混合动力车已经有了安排建议,基本上每个这样的安排,混合动力汽车或者属于一个或者是两个基本的动力系统结构的概念组合:
“串联”结构和“平行“的架构。
在串联或并联的电气传动系统架构发电机耦合到内燃机,或直接或通过离合器,处理全部或一部分车轮所需的牵引力。
因为这样一个内燃机驱动的发电机应连接内燃机主轴并且内燃机轴通常垂直于的车长,所以必须寻求发电机的设计,高密集度,特别是整体上的轴向长度,来安排。
因为这种内燃机驱动的发电机局限在汽车罩下,并暴露在内燃机工作产生的高温环境中,高密集度,全封闭工作以及适宜的冷却布置成为发电机必须处理的挑战性设计目标。
事实证明,发电机的设计应该尽可能减少整体功耗,此外发电机液体冷却套管应该充分满足发电机冷却需求。
考虑到紧凑的设计还要满足以上的需求,钕铁硼永磁发电机被普遍认为是对混合动力汽车发电机应用中最合适选择。
在广泛的分类中,几个不同的磁性电路结构,包括无槽绕组轴向场永磁电机(AFPM)拓扑结构,后者在最近几年已引起极大的兴趣。
有关的各种机器的应用数字[1]-[15]。
这种特殊的即将在混合电动汽车用内燃机驱动的永磁发电机机排的通过应提示的独特特征的认识,如更高的转矩体积密度和更高的效率相比常规机的拓扑结构[16]-[18]。
在AFPMs,更高的单位体积的驱动力矩作为一个更大的空气间隙结果表面积正在提供的电磁相互作用和提高效率是一条崎岖的安排,大大减少了最终绕组长度。
图1
图2
基于上述考虑,AFPM拓扑如图1所示,被定为15-kW-input-power-at-4500-r/min
-rated发电机原型,将利用在小巴士或紧凑型皮卡混合动力汽车样机的动力传动系统开发。
在这方面,本文概述了这种混合动力汽车发电机的原型设计中采用的独创解决办法并报告实验结果。
2混合动力汽车发电机应用
相比传统的内燃机动力汽车,混合动力汽车传动系统可能在以下方面提供具有吸引力的优势既大量节约燃料并降低总排放量,这种优势为任何特定的车辆
实现了原混合动力设计和运行的相结合。
事实上,混合动力汽车驱动系统允许较低的额定功率,而且,这种发动机实际上可以被设计为只能使用在引擎的某个狭窄的速度范围,在这个范围内它所能提供的最大转矩是最有效的。
在串联配置的内燃机只有每当机载能量存储需求大量充电电源时真正开启并工作在几乎恒转矩和速度状况下。
另一方面,在并行配置中的内燃机运作用以提供大多数的高负荷传动牵引功率而它每当车辆在相对较低的速度或停止行驶时可能会被关闭。
基于上述考虑,人们已经认识到为某车型应用的特定传动系统结构大大影响人们对车辆的混合电动汽车用发电机的设计要求考虑。
在下面,简要回顾一下来自两个特别的混合动力的设定发电机的设计要求。
A混合动力系列
这两个组件尽管在大量使用方面有一些缺点和要求相对较大的片上存储能源容量,但相对于其他混合动力配置的系列架构却能最大减少排放量,因为发动机从牵引要求上可独立操作。
这是为那些周期在市区行驶,比如公交、紧凑型皮卡车、送货上门小客车等车辆特意设计的一大特色。
图2显示了一系列适合上述车辆的应用场合的混合动力设置。
内燃机驱动发电机和超级电容贮存能量组合用来提供驱动车轮牵引力。
内燃机发电机组是专门为客户提供驾驶循环中要求的平均功率的,而超级电容器电池储备能处理车辆操作所造成双向流量峰值功率。
其实,在ICE发电机组将在需要进行充电储能并为此将只在选定的转矩转速点运行时根据控制策略打开,以此来实现减少发动机排放的目标。
因此,除了高密集度,发电机的设计应该在内燃机的最低排放量达到尽可能高的运作效率。
此外,由于执行电机可能会作为内燃机起动器使用一个强制换相整流在一起,机械设计相对较低的绕组阻抗和高容量不够造成的总热也应该是首选。
基于AFPM拓扑结构的发电机完全满足上述设计要求因为高效率是有可能与高度的紧凑性一起实现。
因为一系列混合动力安排的发电机不用提供某个广泛的速度范围,(即,无论什么时候打开充电机载储能,发电机都能几乎工作在其额定转矩和速度状况下),永磁发电机固有的弱磁性能,不会对用于发电机的输出功率控制的额定功率转换器产生负面影响。
另一方面,高过载转矩性能和相对较低的机器阻抗等特点使得液冷AFPM发电机也可以被用作内燃机起动器。
图3
B轻度混合动力系统
在迄今为止所提出的各种平行配置中,所谓的“轻度“的混合动力安排图纸相当受重视,因为他们导致了传统车辆传动系统细微的修改,并且需要的能量与其他混合动力体系结果相比大量的降低。
图3展示了一个轻度的混合动力配置,其中电机通过离合器耦合到内燃机,可以在需要的时候以“纯电动“模式运行。
在轻度混合动力传动系统中内燃机提供车辆推进所需的大部分能量,内燃机耦合电机用来平整内燃机的荷载。
因此,这种内燃机耦合电机需要运行,无论是作为汽车或发电机,以便在一个宽泛的速度范围内来处理峰值功率的双向流动造成的车辆运动瞬变。
此外,内燃机闲置运行很可能会通过使用内燃机耦合电机避免,也可以在车辆停止任何时间作为发动机启动器。
为了实现所需的所有任务,在轻度混合动力系统使用的内燃机耦合电机都应该兼具工作在弱磁模式的能力和处理高瞬态过载的能力。
这种理想的表现,应寻求在不牺牲整体如扭矩密度,机械强度,冷却效率的特点,这往往规定设计者机必须处理的严格设计要求。
基于对弱磁运行在很宽的速度范围内的需要在轻度混合动力驱动系统中无槽绕组布置电机的使用不如其他永磁电机拓扑结构,因为通过传统的“电子“的定子磁通控制反应产生的电机电感对机器的输出电压调控来说过低。
然而,正如前面讨论[19],在AFPM拓扑结构中定子弱磁联动可以通过在旋转部件的机械装置,将专门提供一个在永磁电机转子之间根据机器速度可调节的角位移。
事实上,粗略考虑如图4AFPM拓扑结构代表性。
发现在通常的机器安排的磁铁被安装在一旋翼面具有相同的极性,并正在对其他旋翼安装其他磁体。
因此,任何给定定子线圈实际上只有一半的流量从每个转子极点推出,从而使每个线圈的总磁链会导致相对的两个磁铁同等磁通贡献。
每当定子磁链弱化需要完成时,通过引入一个可调电机两个转子之间的相位角位移如图4所(b)项,来实现。
这样的“机械”的定子磁链的监管实际上并不产生气隙磁通密度的变化,因此,没有扭矩和能源需求就能实现。
3混合动力系统AFPM电机设计
本文的主题该AFPM发电机是为混合动力动力系统的一系列验证机与配置类似图2所示的布置原型。
在这样的传动系统原型AFPM发电机直接耦合到一个内燃发动机曲轴在4500转/分转速下额定输出功率15千瓦。
交流发电机整流输出是通过一个三相二极管桥整流器和直流电源一起使用可以结合超级电容电池存储提供输入码头的44千瓦级四轮驱动牵引系统安排由四个孪生轮马达驱动方式。
为了实现合适的驾驶或再生制动运行,60千瓦额定功率多输入电子
转换器(MIPEC)[20]用在混合动力汽车传动系统直流环节调节双向功率流
在三个直流电源输出端之间的监管(即发动机发电机整流集,超级电容器箱,以及电池储存)和300V的牵引系统额定电压输入端。
因此,MIPEC额定功率是由四轮驱动牵引系统的暂态操作所造成的直流峰值决定,而发动机发电机整流机组的额定功率只提供车辆运行的平均能量要求。
发电机设计规范包括在整体外径方面低于300毫米以及整体轴向长度小于100毫米的尺寸约束条件。
此外,4500r/min15千瓦输入功率需求两个发电机整流间输出电压高于200V和发电机效率高于95%。
参照以上所述混合动力汽车传动系统原型,为AFPM发电机电磁和热设计而采用的解决方案将在下面讨论。
A机械基础
下面简单回顾下AFPM拓扑结构的基础,在机器运行特点和设计方法的详细讨论在最近的文献[1]-[15]可以发现。
本机基本布局包括两个电机转子盘以及处于他们中间的一个环形定子。
转子盘是由固铁制造的并且用表面覆盖的电磁在机器的空间中产生轴向磁场。
本机定子复合了一个无槽条状铁核心,它带有通过像机数量极多形成的每个线圈绕组(即,每极每相线圈)的方式形成的三相绕组。
线圈有长方形的横截面.轴向绕线终端直向长度较短,从而提高低电阻率,减少功率损耗。
主动导线长度是两个相对的磁铁,吸引其周围布一个活跃的导体长度的切向力作用时电流。
在定子线圈驱动交互流向在两个环形气隙产生的磁铁将定子铁芯的磁通。
置定子线圈添加剂(电动势)电动势极性径向部分。
该机的扭矩结果来自所有力量的贡献它作用于两个定子铁芯的工作表面。
AFPMs电磁拓扑结构由两个独立的两半有效组成,铺设每条径向中心线一侧。
其中机器横截面一半视图如图5所示,连同铁芯厚度,磁钢厚度的相关尺寸,缠绕厚度和定子转子间隙。
所有这些方面决定了机器的有效轴向长度。
该定子铁芯的外径是最重要的层面,主要由机器的额定扭矩决定。
定子铁芯内半径Ri或比例Kr=Ri/R0是应使用以实现特定设计方面的目标的最佳比例的设计参数。
磁铁材料类型和电机极数的选择确定一个AFPM集特定设计的变量。
图5
其余尺寸与电气参数共同遵循这样的设计变量。
除了传统的电机的优势,AFPMs拥有无槽绕组的独特功能。
这种特殊的功能包括定子齿损失的消除,转矩脉动的消除,噪音的消除,以及转子结构的高频丢失的消除,或者由定子槽造成损失。
此外,由于定子铁芯并不是必需的,低成本的铁条(即相同铁条通常利用制造的环形转芯)可用于安排定子铁芯。
在AFPMs的相电动势峰值Epk和电磁力矩T可表示如下[11]:
(1)
(2)
其中
是气隙磁通密度,
是各相绕组的匝数,而
是转子的速度。
考虑到流量的联动介绍一下设计因素,由于边界效应在磁铁边缘和这样的设计因素价值的减少是不是要获得通过有限元的通量密度分布的研究本机设计经验或通过空气间隙。
对于大多数AFPM设计,
合适的值通常在范围0.80-0.88。
另一方面无论是设计因素
和
用于
(2)应从电动势和电流波形实际形状来确定。
但是,对于初步设计,
和
值可以假设为理想化波形计算。
在式
(2)中定子内径有效平均电动加载
被定义
(3)
其中,
和
,分别是电机数和在额定条件下的电流波形的RMS值。
当然,在式(3)中电流有效值应选择采取考虑到整体功率损耗产生于定子在额定条件下工作时,通过评估以及所通过的冷却系统能力,以除去加热,从而使这两个磁铁处于稳态温度及指定范围的绕组。
不计摩擦轴承和表面安装磁体造成旋转盘风阻效应的机械损失,电机功率损耗仅在电机定子,这些包括I2R以及在定子绕组中的涡流损耗。
由于其核心是由一个传统的硅级铁地带和无槽安排避免冲压时,核心制造过程并没有真正暴露磁材料显着的机械应力,从而功率损失在拉米都磁滞和涡流电流,根据制造商的数据,经过NAT核心将是相当精确。
另一方面,I2R损失将是计算绕组的相电阻估计,而从表达式涡流损耗圆导线将评估结果。
(4)
其中
和
是分别丝直径和电导率,
是机器的工作频率,
是绕组有效体积。
至于(4)清楚地表明,尽可能使用细丝可实现该涡流损耗大幅减少。
在相对较高的频率下操作AFPMs的绞合线导体使用符合绕组的功率损耗最小化的需要,这种解决方案实际上并不影响机器的整体成本。
此外,应该承认,目前相比传统的绞合圆线成本较高,但是适合小批量生产。
因此,如果他们需要大量生产,如汽车批量应用,绞合线从成本巨降中受益是合理的。
每当一个绞合线绕组用于AFPMs,在式(4)中显示的绕组有效体积可定义为
(5)
其中
和
,分别是绕组线圈数和每线圈导线数,
是导线的有效长度,
以及
分别是直径和绞合线股数。
B电磁设计
本文讲的该混合动力汽车发电机电磁设计原型实际是用AFPM专用设计软件工具完成的既体现电磁又体现热型号的电机,并允许各种设计方案的检查,在优化的目标后给予机器规范的性能。
在那些符合设计规范的磁体机中选出16杆的Nd-Fe-B。
本机绕组使用的是市售的120股0.2毫米直径绞合线导体。
这种绞合线导体具有类-H涂层隔热,为细丝装配提供了需要的机械强度。
此外,绕组线圈放置在环形磁芯中,全机定子将用环氧树脂完全封装,以大大改善散热,并提供足够的绕组导线强度。
环氧树脂被用于封装机定子16千伏/毫米介电强度,机械强度在100MPa的下,工作温度可达205摄氏度,热导率1.9W/m·k,热导率与常规热传导电气绝缘材料相比高十倍左右。
表I是根据32-N的M级扭矩设计,4500r/min额定转速AFPM发电机的原型总结的电机主要特点。
C.热性能分析
为了为机器的主动部位提供有效的冷却效果,冷却安排示意图如图6所示已经用于AFPM发电机的原型。
铝冷却环环水管道是用来机器两个定子散热并且用来作机器的外壳。
为了达到这个目标,冷却环和主动部位定子绕组和环形核心通过封装技术结合了上面所述高的热导率环氧树脂。
作为这样一个定子到定价安排方案的结果,线圈端绕组允许通过一个驱动环氧树脂比较薄铝层,然后通
图6
过导管,直到水流向径向方向,所生产的整体机器定子热量,从而提供了一个相对较低的热阻路径应有的作用。
在热交换机制中将依赖上述描述的水冷却安排为主,如图六所示,机器冷却应该也可以从具有表面安装磁体这自然充当维持风机两个转子盘流预计在机内的空气间隙径向方向。
这种强制通风机制是有益的,特别是它的磁铁将大大通过适当数量的孔正就改善转子光碟放在略低于旋翼环形部分房屋的磁铁。
作为一个缺陷,在这样一个相对高速的AFPM重大偏差功率损失并不应该。
机器的冷却系统热性能利用ANSYS软件模拟合成之进行了广泛的三维研究(3-d)。
为了这一目标考虑到本机固有的径向对称,对发电机的AFPM3-D模型进行了审议。
在此基础上,本机定子被分成48个“片“,每一个包括一绕组线圈、两个环形核心和冷却环有关部分。
这两种稳态和瞬态分析,通过设定入口水温50℃和环境温度为40℃完成。
基于保守的做法,本研究通风冷却的贡献被忽视了。
图7
图7显示绕组及铁芯热点温度的热的痕迹,是由短暂500W功率在电机定子的损失造成的。
热瞬态大约在900秒内结束,最终绕组及铁芯达到98℃稳态。
机内温度稳态分布图8所示。
图8
正如预计的,热点发现在机器内部定子内径上。
在热电路中估计参数的仿真结果(即Rth=0.096℃/W,Cth=1875J/℃)如图9所示。
图9
其中Pth是定子加热功率,△Tmax定子是最大过热进水温度。
由于电机绕组实际上允许运行在约160℃的稳态(即气温低于绕组绝缘材料和封装环氧树脂允许的温度极限),从图中机器热工参数可以预见选取的发电机样机设计可以实现在4500转/分钟的输入约20千瓦功率连续运行,超过了额定输入功率的设计目标。
4试点工作
A原型建设
机械设计验证的结果是寻求建立一个混合动力发电机实验样机。
一旦组装,将有如图10所示的发电机布局。
图10
除了机器主动零件和前面介绍的铝冷却环,样机的组装还包括轴承,固定在冷却环两侧的二铝盖,全封闭设计,还有一个用于传输引擎输入扭矩到转子盘的盘垫片。
应该提到的是,实际上轴承只需要用在实验样机上来安装在本机可用的测试台,而在内燃机耦合混合动力发电机中垫片盘安装到发动机曲轴和冷却环上来固定发动机外壳,这样就不必安装发电机轴承。
如图11所示,电机定子是通过对绞合线导体上一无槽环形排列,形成一个核心三相绕组线圈。
请注意,为了避免在串联线圈之间焊接线圈短路,每段的线圈都由单独的线连续片实现。
因此,机三相绕组是通过一个连续的过程,其中,交替使用具有相同长度三根连续导线来完成,线圈绕在一个规则排列并完全填补可用空间的环形核心上。
这样制造过程大大减少了需要的人手,对降低机
图11
器的整体成本是非常有益的。
热电偶放置在选定的地方来监测绕组温度。
定子通过在绕组芯中加入环氧树脂冷却环带制造,如图12所示。
图12
为了安放发电机转子盘,发电机线圈用螺栓固定在每个有空隙的盘表面。
然后,电机定子,转子盘,及其他机械部件通过适当的步骤一步一步组装,形成组装机原型,如图13所示。
图13
在这种形式下,发电机样机整体质量大约为14公斤。
B测试机测功
图14
实验室测试包括在选定的速度驾驶与高达4500转/分的开放测试,以及工作在4500转/分下,三相可调电阻负载或直流负载发电机二极管整流测试。
空载试验进行了电磁场的波形显示和测量需要工作在给定速度的机器空载输入扭矩。
负载测试主要涉及机械热性能评价图14显示了开放终端相电压波形测量约600Hz输出频率。
电磁场第三次和第五次谐波都是相当微弱的正弦线(即分别为1.8和3千赫频率谐波),如图15所示。
在发电机的额定转速电磁场波形阶段有一个90.3V均方根值,这与设计预测相符。
开放驱动发电机的转矩绕组终端是由于一些机制的自旋损失,如轴承摩擦,风阻,并在机定子的电磁损耗,发电机空载操作,擅长在500至4500转/分速度范围,以尝试估计在机定子的电磁损失。
图15
图16是在无负载输入扭矩与速度方面收集到的试验结果总结。
如图16所示,可以发现,在额定转速4500转/分时样机需要输入扭矩约为3.4N·m。
这种无负载转矩与转速呈线性减小,在接近零的速度时候扭矩阻力估计为2.4N·m,这比预期的数值高的多。
虽然这样的无负载转矩分量是不随发电机转速变化的,它应该在原则上可以归结为两个在机轴承摩擦磁滞在定子的核心,在考虑磁材料被用于定子铁芯它被视为,2.4N·m的米扭矩阻力主要部分应是对的样机采用特殊的轴承类型的结果。
这种轴承实际上并不似乎是适合相对高速的应用,从早期的轴承制造商的数据设想,这被认为是一个小问题,作为AFPM发电机实际上依靠发动机轴承在使用时混合动力电动汽车动力传动系统。
图16
虽然机轴承在发电机的功率平衡的扭矩阻力被忽视,然而,从空载试验取得的成果表明自旋亏损高于预期截至发电机额定转速,空载时,由于双方风阻力矩和电磁亏损机制的速度取决于将大约1N·m470W的功率损耗。
若认为,从设计,在额定速度推测,在电机定子的电磁功率损失预计为105W(即约90瓦的功率损耗是在磁滞和涡流核心,约15W功率涡流损失在绕组),发电机空载试验显示,还有一个额外功率损耗约370W,可能并非完全归因为偏差。
事实上,转子盘作为风扇在相对较高的速度下功率肯定不会是微不足道的,另一方面,这可能是,额外功率损耗重要部分揭示了空载试验应是由于在冷却环由于磁铁径向分量在转子外径在光盘的边缘产生的铝磁铁涡流漏磁。
在未来的机器中,这种不受欢迎的损失机制更应仔细考虑,因为它很容易被冲破这台机器的外壳,使冷却环之间增加外盘直径的转子径向间隙边缘适合的形状。
测试样机,特别是负荷运行涉及发电机额定条件下的热行为。
发电机在额定转速4500r/min和发电机的输出端连接到一个可调节三相电阻负载,样机在阶段完成55.4A阶段达到额定功率。
瞬态热行为如图15所示,指的是这样的发电机负荷条件,以及进口约12℃,其中的顶部和底部的痕迹分别代表定子铁芯的内,外径位于最终绕组温度的冷却剂的温度。
据模拟预测,热点都在定子内径,在这种稳定状态,约50℃过热热点在约2000-S的短暂持续时间后发现。
因为在发电机这种工作状态的I2R损失应约390W,如果假定在环形铁芯电磁功率损耗实际上在从机械设计估计为约100度,如图17所示的结果表明整体样机热阻符合设计推测。
另一方面,该样机热容高于计算值,但这是有利的机械性能,可以处理短期重载。
在上述基础实验结果可以预测,如果在原型发电机工作在评级条件的进口冷却水温度在50℃供应温度,然后在一机卷绕将稳步运行在100℃温度左右,I2R损失约为450瓦。
因此,考虑到在其最后安排在ICE驱动的发电机将依靠发动机轴承,而整体旋转的损失,包括偏差,在机壳涡流,并在定子铁芯电磁损失约470W的功率,此时样机输入32N·m转矩,转速为4500转/分,将能够提供输出略高于14千瓦的交流电源。
此值稍低于设计指标要求,但仍满足目前混合动力发电机的特殊应用。
如前所述,将在未来的机器设计中寻求改进,特别是在减少无负载功率损耗方面。
图17
5结论
考虑到用于混合动力动力传动系统内燃机驱动发电机的紧凑设计要求,基于拓扑的AFPM电机拥有高密集度和高效率特点,应该是最合适的选择。
对原设计采用的32N·M扭矩4500-r/min额定转速AFPM发电机设计方案用于混合动力动力系统所进行的一系列验证已在本文中讨论。
如果应用到汽车则需要完全封闭的机械施工,已经构思和审查一个非常有效的冷却布置。
此外,为了尽量减少绕组的功率损耗,绞合线绕组布置已经证明可用,这增加了机器的整体成本,但它使得转子盘的生产过程大大减少了所需的人力。
从实验样机取得的实验结果验证了选择的电磁设计,证明了AFPM发电机能够满足一系列混合动力应用的设计要求。
鸣谢
感谢A.deRinaldis和P.Tudini在样机设计和测试方面的工作。
参考文献
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