新一代电动汽车电机——悄无声息,静“心”处理

作者:Nir Vaks首席技术官;Nyah Zarate首席执行官,美国波特兰Continuous Solutions公司

新一代电动汽车牵引电动机倾向于选择开关磁阻电机(SRM),因为SRM成本低、效率高而且能够在高温以及其他恶劣环境下运行。然而,SRM容易产生转矩波动,这会在车辆中产生极大的噪音。Continuous Solutions公司采用ANSYS Maxwell电磁仿真软件将SRM的转矩波动降低了90%,整体噪声降低了50%,新的SRM有望推动农业机械、矿业机械以及民用与军工牵引车辆的电气化进程。

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electric vehicle

“与同类永磁电机相比, 新型电机成本锐降20%,最高工作温度提高50%。”

开关磁阻电机(SRM)的概念已经存在了大约180年,但是,由于它需要复杂的控制电路,直到最近才被偶尔用于工业用途。过去的十来年时间里,高性能微控制器集成电路和计算密集型控 制战略的出现已经提高了SRM的可行性。剩下的挑战是:SRM在运行过程中容易产生极大的噪声。对于豪华乘用车、战术车辆以及在恶劣环境中工作的其他机械,这种程度的噪声让人难以接受。

借助ANSYS初创公司计划,Continuous Solutions的工程师在ANSYS Maxwell电磁场仿真软件中创建假设SRM设计方案的虚拟原型,成功解决了上述挑战。他们在Simplorer和Maxwell的系统仿真功能中模拟控制算法,然后通过调节算法来消除转矩波动,这样可以显著降低SRM的噪声和振动。

SRM的基本原理

circuit and SRM

非对称桥式变换器电路图(顶视图)和最终产生的SRM波形

 

SRM运行的根本是磁通。磁场与电流类似,总是通过磁阻或磁通量最低的路径传播。这也解释了为什么钢铁等低磁阻材料具有强的磁导性。SRM定子附有相绕组,转子则采用具有高、低磁阻区的低磁阻材料制成。在定子相绕组通电时,转子的磁阻会产生切向磁拉力,使转子磁极(低阻抗峰值)与最近的定子磁极对齐。通过连续地接通和断开定子绕组,定子磁场能够驱动转子转动则SRM也就保持旋转。

SRM转子可由固体钢块或薄钢冲压件制成,且配有安装磁极的凹槽。与传统永磁式电机相比,消除永磁体和转子绕组可以大幅降低SRM的制造成本。转子不会出现电流,因此不需要直流电机中的换向器和电枢线圈,也不需要感应电机中的金属鼠笼。此外,消除永磁体和转子绕组使SRM能够在更高的环境温度下运行,这对于车辆牵引电机而言是一项难得的特性。

SRM model
ANSYS Maxwell中的SRM几何结构模型
magnetic flux simulation
ANSYS Maxwell绘制的转子横截面磁通量曲线
 

转矩波动挑战

设计SRM的最大挑战之一:每个相位的电感都与转子磁极对齐角度成正比,这样定子-转子相互作用造成的结构变形和磁转矩谐波会产生严重的振动与噪声。而电感是转子位置的函数,它易产生相对剧烈的变化而且需要非线性控制,这就加剧了上述挑战。

这些相互作用表现为转矩变化,即转矩波动。另外,转子或定子失衡等机械问题也会造成转矩波动。转矩波动的最终结果是导致振动,而振动将导致噪声而且也会缩短电机的使用寿命。

在进行新式牵引驱动电机设计时,Continuous Solutions的目标是创造一款比传统永磁电机成本更低、工作温度更高的电机与传动装置,同时在效率、功率密度和噪声指标上也不输于永磁电机。Continuous Solutions的工程师首先采用内部定制的多目标3D电磁等效电路(MEC)优化程序,以加速探索设计空间的进程并确定可行设计以进行深入研究。该程序采用遗传算法探寻各种设计参数的,如:定子齿高、激励电流大小和磁极对数,同时不断地进行设计目标的改进,如:更高效率、更低重量。

flux linkage
ANSYS Maxwell的结果表明,在不同载荷条件下电感是转子位置的函数。
torque vs. rotor position
ANSYS Maxwell的结果表明,在不同载荷条件下转矩是转子位置的函数。

电机设计建模

Continuous Solutions工程师研发了几种的详细模型,模型的可行设计点通过ANSYS Maxwell的优化程序加以确定。他们采用一种基于模板的设计工具ANSYS RMxprt,从而实现电机几何结构的快速定义。他们采用RMxprt的参数化设计功能来定义SRM磁心,无需再绘制电机组件。他们输入磁心参数:极数以及绕组匝数和规格,然后创建终端,并分配绕组。工程师沿电机的Z轴复制了绕组。接下来,他们通过指定磁极对数、添加绕组并为绕组分配端子来定义定子结构。接着定义了电机壳。

Continuous Solutions SRM

Continuous Solutions公司采用转矩波动消减技术的100kW SRM MILSPEC控制器

 

然后工程师把3D模型及其运动与机械设置、定子与转子钢材中的磁心损耗、绕组和电源设置等数据直接发送到Maxwell,以便进行详细的有限元分析。Maxwell计算了SRM的性能数据,如:转矩与转速、功率损耗、气隙磁通、功率因数与效率。Maxwell还生成了一份转矩报告,报告表明电机运动转矩(N.m)是旋转角的函数。为了提供更详细的诊断视图,他们绘制了计算中当转矩达到峰值或谷值时,转子与定子横截面的磁通量曲线。这些曲线表明,噪声的主要来源之一是定子通电时每个极对产生的吸引力会把定子挤向转子。解决这个问题的一种方法是提高定子强度,但这样会提高电机成本与重量。

“工程师可同时改进电机设计和控制算法,直至集成电机与控制算法能满足所以目标。”

控制算法设计

Continuous Solutions公司并未探索机械解决方案,而是设计了一种控制算法,该算法能够在精确的时间内把电流注入到不活动的绕组,以便从活动绕组两侧消除偏离力矢量。他们采用内部分析工具设计了控制算法,并把它嵌入到Simplorer的常规SRM反相器中。然后他们把Simplorer反相器与电机的ANSYS Maxwell模型进行连接,并且用该控制算法驱动电机。Continuous Solutions工程师通过调整转矩的时间历程和磁通量曲线关系消除转矩波动。由于电机倾向于往左侧摆动,则控制器就输入向右摆动的信号消除自然运动和转矩纹波。与此同时,工程师在Maxwell中评估了多种设计迭代版本,最终确定了电机设计方案。通过一系列迭代,工程师同时改进电机设计和控制算法,直到集成电机与控制算法能满足所有目标。

Continuous Solutions工程师继续创建并测试了新电机设计的原型,其测试性能与仿真结果非常吻合。另外,为了实现大规模生产,Continuous Solutions与Nidec Motor Corporation建立了战略合作关系,以实现此技术的商用化。在达到同等效率、功率密度和噪声性能的情况下,新式电机与永磁电机相比成本降低20~50%,而工作温度提高50%。

reduced flux linkage
磁链(作为电流荷载和转子位置的函数)3D图
torque
转矩(作为电流荷载和转子位置的函数)3D图

torque ripple reduction

Continuous Solutions转矩波动消减控制器实现SRM转矩波动消减

 

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