王斯博, 趙慧超, 李志宇, 王曉旭

(中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心電動(dòng)車(chē)部,吉林長(zhǎng)春130011)

電動(dòng)車(chē)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分析及測(cè)試

王斯博, 趙慧超, 李志宇, 王曉旭

(中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心電動(dòng)車(chē)部,吉林長(zhǎng)春130011)

研究了電動(dòng)車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)諧振的特點(diǎn),推導(dǎo)了電動(dòng)車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)諧振方程,論證了永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)引起整車(chē)低速抖動(dòng)的機(jī)理。建立了氣隙諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,揭示了永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的頻率與幅值特性。根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)低速諧振特性與同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅頻的對(duì)應(yīng)特點(diǎn),并且針對(duì)國(guó)內(nèi)外少有文獻(xiàn)對(duì)車(chē)用電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)試方法進(jìn)行分析的現(xiàn)狀,搭建了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)試臺(tái)架,通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)頻次分析的正確性,同時(shí)為了彌補(bǔ)波動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)試會(huì)產(chǎn)生幅值及相位失真的不足,提出一種新型靜態(tài)堵轉(zhuǎn)測(cè)試方法,為電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)提供了準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)試評(píng)價(jià)手段。

電動(dòng)車(chē);傳動(dòng)系統(tǒng)諧振;永磁同步電機(jī);轉(zhuǎn)矩波動(dòng);轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)試

0 引 言

隨著世界各國(guó)對(duì)汽車(chē)排放要求的不斷提高,現(xiàn)今各大主流整車(chē)廠都投人重金進(jìn)行混合動(dòng)力及純電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)。永磁同步電機(jī)(PMSM)具有高轉(zhuǎn)矩密度、寬調(diào)速范圍等優(yōu)勢(shì),在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而永磁同步電機(jī)也有一些不足,比如說(shuō)齒槽力矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)［1-4］,近年來(lái)抑制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的方法也被廣泛的分析和研究［5-12］。

相比傳統(tǒng)動(dòng)力總成,電動(dòng)車(chē)新型傳動(dòng)系統(tǒng)增加了動(dòng)力電機(jī)系統(tǒng),在高轉(zhuǎn)速區(qū)域,電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)會(huì)被轉(zhuǎn)子慣量濾掉,然而在低轉(zhuǎn)速區(qū)域波動(dòng)對(duì)電機(jī)輸出特性的影響還是比較明顯的,波動(dòng)會(huì)引起整車(chē)低速抖動(dòng),特別是波動(dòng)的頻率與傳動(dòng)系統(tǒng)諧振頻率相近的情況［13］。動(dòng)力電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)影響整車(chē)的駕駛性及舒適性,研究波動(dòng)引起諧振的機(jī)理十分必要,而永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)作為諧振的激勵(lì)源,研究轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的頻次及幅值特性是分析系統(tǒng)諧振的基礎(chǔ)。為消除波動(dòng)對(duì)整車(chē)的影響,抑制永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)是一項(xiàng)重要應(yīng)用技術(shù),基于傳統(tǒng)電機(jī)這部分技術(shù)相對(duì)成熟可靠,而結(jié)合車(chē)用永磁電機(jī)及控制方法特點(diǎn)設(shè)計(jì)電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架完成轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)試,并進(jìn)一步給出合理的車(chē)用動(dòng)力永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的評(píng)價(jià)方法是我們面臨的新的技術(shù)難題。因此,綜合考慮轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)整車(chē)的影響及永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的特點(diǎn),提出車(chē)用永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)試方法具有重要意義。

文獻(xiàn)［14］論證了發(fā)動(dòng)機(jī)扭振產(chǎn)生傳動(dòng)系統(tǒng)諧振的原理,并通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)扭矩補(bǔ)償降低了諧振影響,但是目前尚未有文獻(xiàn)詳細(xì)分析電機(jī)引人傳動(dòng)系統(tǒng)諧振的原因及特點(diǎn)。文獻(xiàn)［15］分析了電機(jī)氣隙磁場(chǎng)諧波對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響,并通過(guò)斜槽等方法優(yōu)化磁場(chǎng),減小諧波分量。文獻(xiàn)［16］從逆變器控制及測(cè)試系統(tǒng)誤差、PWM調(diào)制方式及死區(qū)效應(yīng)等影響人手,研究了時(shí)間諧波電流對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響。以上文獻(xiàn)大多通過(guò)FEA方法進(jìn)行分析,而缺少嚴(yán)格的試驗(yàn)評(píng)價(jià)手段對(duì)優(yōu)化的方法進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)［17］分別設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的測(cè)試裝置,并說(shuō)明了傳感器剛度、測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)、負(fù)載測(cè)功機(jī)類型等對(duì)正確測(cè)試轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響。文獻(xiàn)［18］中采用了平衡式直接測(cè)量的方法,并分析了動(dòng)態(tài)測(cè)試的特性及測(cè)試結(jié)果的偏差原因,給出了優(yōu)化測(cè)試系統(tǒng)的方法。上述文獻(xiàn)沒(méi)有給出如何準(zhǔn)確測(cè)量轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值及相位的方法,也沒(méi)有將矢量控制角度與轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值結(jié)合進(jìn)行測(cè)試。

本文結(jié)合混合動(dòng)力車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)型特點(diǎn),分析了永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)引發(fā)傳動(dòng)系統(tǒng)諧振的原因,推導(dǎo)了電機(jī)氣隙磁場(chǎng)諧波引發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的機(jī)理,針對(duì)車(chē)用永磁同步電機(jī)引發(fā)傳動(dòng)系統(tǒng)諧振的低速特性,綜合永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)低轉(zhuǎn)速區(qū)域幅頻特點(diǎn),設(shè)計(jì)了波動(dòng)動(dòng)態(tài)及靜態(tài)測(cè)試裝置,建模分析了動(dòng)態(tài)測(cè)試對(duì)測(cè)試結(jié)果幅值及相位的影響,最終通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)理論分析的正確性,并對(duì)比分析動(dòng)態(tài)及靜態(tài)測(cè)試結(jié)果,確定了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的測(cè)試評(píng)價(jià)方法,從而為車(chē)用永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)試評(píng)價(jià)提供了準(zhǔn)確的方法。

1 電動(dòng)車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)諧振模型

在實(shí)際的傳動(dòng)系統(tǒng)中,電機(jī)輸出扭矩通過(guò)變速箱、驅(qū)動(dòng)軸、差速器、半軸等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作用在輪胎上,這些彈性單元的存在將在系統(tǒng)中引人諧振點(diǎn),引發(fā)機(jī)械諧振?；旌蟿?dòng)力和純電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)諧振與發(fā)動(dòng)機(jī)扭轉(zhuǎn)諧振原理相似,傳動(dòng)系統(tǒng)諧振的特點(diǎn)取決于電動(dòng)車(chē)動(dòng)力總成構(gòu)型,而目前應(yīng)用較為廣泛的是混合動(dòng)力P2構(gòu)型,其中奔馳E400L和紅旗插電式混動(dòng)H7都是P2構(gòu)型的典型代表,本文以P2構(gòu)型為基礎(chǔ)分析研究電動(dòng)汽車(chē)諧振的特點(diǎn)。

圖1 電動(dòng)車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 An electric vehicle d rive system topology

P2構(gòu)型的動(dòng)力總成由渦輪增壓汽油機(jī)、濕式分離離合器、永磁同步電機(jī)系統(tǒng)、七速雙離合變速器、傳動(dòng)軸、差速器、左右半軸組成,電機(jī)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)和雙離合變速箱之間,電機(jī)同發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)之間連接的濕式離合器解藕動(dòng)力輸出。當(dāng)離合器分離時(shí),整車(chē)可以通過(guò)電機(jī)進(jìn)行純電動(dòng)行駛,當(dāng)離合器結(jié)合時(shí),電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)串聯(lián)輸出,電機(jī)可行車(chē)助力,也可進(jìn)行制動(dòng)能量回收。這種構(gòu)型使傳動(dòng)系統(tǒng)諧振問(wèn)題產(chǎn)生新的特點(diǎn),永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)頻率相近或等于傳動(dòng)系統(tǒng)固有諧振頻率的時(shí)候,整車(chē)縱向振動(dòng)嚴(yán)重影響車(chē)輛性能表現(xiàn)及駕駛乘坐舒適程度,而且這種諧振會(huì)引人車(chē)身階次振動(dòng),增加車(chē)內(nèi)噪聲,加速傳動(dòng)部件的疲勞［19］。

簡(jiǎn)化的傳動(dòng)系統(tǒng)模型見(jiàn)圖1,相比傳統(tǒng)動(dòng)力總成,P2構(gòu)型中的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量高,與傳動(dòng)軸、輪邊慣量組成典型的雙慣量系統(tǒng),傳動(dòng)軸有阻尼和彈性環(huán)節(jié)。傳動(dòng)系統(tǒng)諧振可以通過(guò)以下的微分方程表示

式中:JEM:動(dòng)力電機(jī)慣量,Jveh:整車(chē)慣量,Dsw:傳動(dòng)軸阻尼系數(shù),Csw:傳動(dòng)軸彈性系數(shù),TEM:動(dòng)力電機(jī)扭矩,Tveh:負(fù)載扭矩,DEM:電機(jī)端等效阻尼系數(shù),Dveh:整車(chē)等效阻尼系數(shù),n:變速箱速比。

TEM是通過(guò)HCU(整車(chē)控制器)發(fā)出的電機(jī)輸出扭矩,不同的變速箱速比對(duì)應(yīng)不同的傳動(dòng)系統(tǒng)諧振頻率,電機(jī)轉(zhuǎn)矩中波動(dòng)成分的頻率與電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速成正比,忽略半軸阻尼,對(duì)上述微分方程進(jìn)行拉普拉斯變換,得

根據(jù)上式可以推導(dǎo)出圖2所示的傳動(dòng)系統(tǒng)模型框圖,從而推導(dǎo)出電機(jī)轉(zhuǎn)速、整車(chē)加速度、電磁轉(zhuǎn)矩之間的傳遞函數(shù),如式(3)所示

圖2 傳動(dòng)系統(tǒng)模型框圖Fig.2 Transm ission model diagram

在頻域?qū)鲃?dòng)系統(tǒng)模型的進(jìn)行分析,很容易得出諧振現(xiàn)象的原因。圖3代表式(3)的幅頻特性和相頻曲線,表示Gω(s)和Gacc(s)的傳遞關(guān)系,可以看出在諧振頻率點(diǎn),轉(zhuǎn)速和加速度增益突然增大,傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)此頻率點(diǎn)響應(yīng)比較強(qiáng)烈。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JSM,整車(chē)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jveh,傳動(dòng)軸的剛度系數(shù)Csw是影響系統(tǒng)極點(diǎn)的主要參數(shù),本文用于計(jì)算的傳動(dòng)系統(tǒng)模型主要參數(shù)來(lái)自于整車(chē)仿真及試驗(yàn)數(shù)據(jù),Jveh大約240 kg/m,JEM約為0.122 kg/m,1擋傳動(dòng)比約為4.4,傳動(dòng)軸剛度系數(shù)約為6 200N·m/rad。傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)頻率在8 Hz左右時(shí)發(fā)生諧振,1擋傳動(dòng)系統(tǒng)諧振頻率約為2 Hz。

圖3 電機(jī)轉(zhuǎn)速傳函Gω(s)與整車(chē)加速度傳函Gacc(s)伯德圖Fig.3 Motor speed transfer function Gω(s)and vehicle acceleration transfer function Gacc(s)

基于目前傳動(dòng)系統(tǒng)工藝及材料的發(fā)展,電動(dòng)車(chē)動(dòng)力總成繼承了傳統(tǒng)汽車(chē)特點(diǎn),除采用輪轂電機(jī)的車(chē)型外,其余構(gòu)型電機(jī)與整車(chē)之間都包含變速器和傳動(dòng)軸系統(tǒng),正如上文論證的P2構(gòu)型一樣,整車(chē)慣量、傳動(dòng)比及傳動(dòng)系統(tǒng)彈性系數(shù)、阻尼系數(shù)等影響諧振頻率的參數(shù)相差不大,轉(zhuǎn)矩波動(dòng)引發(fā)諧振的頻率一般在10 Hz以下,具有低速特性。

2 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分析

上一章分析了永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)引發(fā)傳動(dòng)系統(tǒng)諧振的機(jī)理,下面主要分析永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)。理想情況下,具有空間正弦分布繞組的永磁同步電機(jī),通過(guò)三相正弦電流后,電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定,不存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng),但是實(shí)際運(yùn)行中,反電勢(shì)諧波及電流時(shí)間諧波會(huì)導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩中的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。另外,永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體和定子齒槽相互作用會(huì)產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩,這部分隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而周期變化的轉(zhuǎn)矩同樣也是轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的組成成分［20］。通常來(lái)講,引起車(chē)用永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的因素主要可以分為以下幾點(diǎn):

1)氣隙磁場(chǎng)諧波;

2)齒槽力矩;

3)氣隙磁場(chǎng)諧波;

4)定子電流時(shí)間諧波;

5)電機(jī)磁路飽和的影響;

6)量產(chǎn)制造工藝影響,如定轉(zhuǎn)子偏心。

目前車(chē)用永磁同步電機(jī)為了提高轉(zhuǎn)矩輸出能力,降低損耗,在整車(chē)低速行駛區(qū)基本采用的是MTPA控制,通過(guò)增加Id電流提高轉(zhuǎn)矩中的磁阻轉(zhuǎn)矩,甚至在峰值扭矩點(diǎn),Id與Iq近乎相等。電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為

式中:ψF:永磁體磁鏈,Ld:d軸電感,Lq:q軸電感,基于式(4),可以將永磁電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)成分定義成

式中:Tcog:齒槽力矩,Δψf磁鏈隨轉(zhuǎn)子電角度的幅值變量,ΔLdq:dq軸電感隨轉(zhuǎn)子電角度的幅值變量。Tcog幅值隨轉(zhuǎn)子位置變化,其變化周期與電機(jī)極對(duì)數(shù)及齒數(shù)配合相關(guān)。忽略電機(jī)磁路飽和效應(yīng)及定轉(zhuǎn)子偏心等生產(chǎn)制造工藝引起的偏差,且考慮到一般車(chē)用動(dòng)力電機(jī)齒槽力矩比較小,本文主要分析氣隙磁場(chǎng)諧波對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的影響。

永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩由永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩組成,分析電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)需在模型中引人空間氣隙磁場(chǎng)諧波,轉(zhuǎn)子dq軸諧波電壓方程及電磁轉(zhuǎn)矩方程如下［21］:式中:[idψ?d(θ)-idψ?q(θ)]代表在定子側(cè)感生出的dq軸諧波磁鏈,磁鏈諧波是電機(jī)電氣角度的函數(shù),可表示為ψ?d(θ),ψ?q(θ)諧波磁鏈方程［22］

式中:fhd(θ),fhq(θ)表示磁鏈諧波dq軸分量;ψh,n為n階磁鏈諧波幅值。三相基波正弦電流,表示成dq坐標(biāo)系有如下形式

三相電流無(wú)時(shí)間諧波,φel為內(nèi)功率因數(shù)角,且忽略定子鐵心飽和影響,Ld、Lq不受定子開(kāi)槽及電位角影響。諧波電磁轉(zhuǎn)矩方程為

式中:ψ1為氣隙主磁通基波分量,電磁轉(zhuǎn)矩中既包含的由永磁轉(zhuǎn)矩pψ i和磁阻轉(zhuǎn)矩p(L-L)×1qdqidiq組成的恒定轉(zhuǎn)矩,同樣包含由磁場(chǎng)諧波引超的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分量

通過(guò)式(11)可以看到,轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的頻率為電機(jī)電頻率的6n倍,即轉(zhuǎn)矩波動(dòng)第6n階頻率為6nfe,fe為電機(jī)電頻率,n=1,2,3……∞。因φel在MTPA區(qū)域不隨fe而改變,波動(dòng)幅值大小與電頻率無(wú)關(guān),可根據(jù)轉(zhuǎn)子位置確定。

3 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)量與分析

通過(guò)上兩個(gè)章節(jié)的分析可知引起諧振的電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)頻率較低,波動(dòng)幅值與電頻率無(wú)關(guān),與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)。根據(jù)以上特點(diǎn),下面介紹本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)動(dòng)態(tài)及靜態(tài)測(cè)試裝置。

一般來(lái)說(shuō)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量比較難以實(shí)現(xiàn),主要有兩個(gè)原因:1)轉(zhuǎn)矩傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)試采樣率限制;2)動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的諧振限制。本文使用的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure fo the torque fluctuation detection system

為了準(zhǔn)確的測(cè)取電機(jī)在低頻率的轉(zhuǎn)矩波動(dòng),在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)試裝置時(shí)有以下幾點(diǎn)需要特別注意:

1)采用采樣率和精度都較高的傳感器,試驗(yàn)選用的扭矩傳感器為德國(guó)進(jìn)口非接觸式傳感器;

2)為消除負(fù)載側(cè)對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)試的影響,選用相比永磁同步電機(jī)慣量大20倍的感應(yīng)異步機(jī)作為負(fù)載測(cè)功機(jī),大慣量的負(fù)載測(cè)功機(jī)相當(dāng)于慣性輪,濾除了負(fù)載側(cè)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)測(cè)試的影響;

3)電機(jī)與測(cè)功機(jī)對(duì)中精度要求在0.05 mm之內(nèi),排除由于對(duì)中產(chǎn)生的誤差轉(zhuǎn)矩波動(dòng)影響;

4)負(fù)載測(cè)功機(jī)控制用位置傳感器選用分辨率為16384的旋變傳感器,保證在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)域有較高的控制精度和穩(wěn)定性;

5聯(lián)軸器選用高剛度的金屬材料,避免測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生低通濾波器效應(yīng)。

下面主要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩波動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)試特性分析,測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程為

忽略含有阻尼的項(xiàng),簡(jiǎn)化后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)如下

將負(fù)載慣量、電機(jī)慣量及傳感器彈性系數(shù)帶人式(13),傳遞函數(shù)的波特圖如圖5所示,測(cè)試的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)頻率在接近測(cè)試系統(tǒng)諧振頻率的情況下,幅值突變失真,相位改變180°。由此可見(jiàn),轉(zhuǎn)矩波動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)試具有一定的頻率局限性,且幅值受到測(cè)功機(jī)及電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響,測(cè)量值與真實(shí)值之比

圖5 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)試傳函Gtest(s)波特圖Fig.5 Bode plots of the torque ripp le dynam ic testing transfer function

為消除動(dòng)態(tài)測(cè)試可能產(chǎn)生的幅值及相位失真,在圖4所示的測(cè)功機(jī)及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器中間設(shè)計(jì)加裝了一個(gè)靜態(tài)堵轉(zhuǎn)裝置,通過(guò)測(cè)功機(jī)角度控制模式將被測(cè)電機(jī)靜止在某個(gè)轉(zhuǎn)子位置上,類似于剎車(chē)盤(pán)的裝置如圖6所示將測(cè)功機(jī)連接軸壓緊,該裝置是通過(guò)液壓系統(tǒng)提供的壓緊力保證靜態(tài)加載可承受足夠的反向扭矩,測(cè)功機(jī)角度控制分辨率為0.5度,即可完成一個(gè)機(jī)械周期720等分的堵轉(zhuǎn)。在給定相同輸人工況的條件下,通過(guò)多角度堵轉(zhuǎn),可以靜態(tài)測(cè)試永磁同步電機(jī)在不同轉(zhuǎn)子位置下對(duì)應(yīng)輸出的扭矩值,同時(shí)記錄旋變上傳的位置角度及A、B、C相電流值,這樣通過(guò)靜態(tài)堵轉(zhuǎn)加載扭矩測(cè)試可完成電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)試。

圖6 靜態(tài)堵轉(zhuǎn)裝置Fig.6 Static locked-rotor device

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證之前的理論分析,我們選用國(guó)產(chǎn)某P2構(gòu)型電動(dòng)車(chē)上使用的三相永磁同步電機(jī)作為測(cè)試對(duì)象,電機(jī)極對(duì)數(shù)為10,槽數(shù)為30,額定扭矩為100Nm。試驗(yàn)驗(yàn)證分兩部分實(shí)施:電機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)域動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩測(cè)試及電機(jī)靜態(tài)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩測(cè)試。

試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下額定負(fù)載的轉(zhuǎn)矩波動(dòng),電機(jī)轉(zhuǎn)速分別選取120、240、300、360 r/min。圖7分別為120、240、300、360 r/min的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)波形,通過(guò)快速傅里葉變換可以得到轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的頻域特性,圖8分別為120、240、300、360 r/min的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)試頻譜圖。

在圖7中可以發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)120 r/min及240 r/min轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)在1個(gè)電周期內(nèi)有6個(gè)脈動(dòng),而300 r/min及360 r/min對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)沒(méi)有明顯規(guī)律。通過(guò)圖8中的4個(gè)轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的FFT圖形進(jìn)行分析,可以清楚的看到轉(zhuǎn)矩在6fe處有明顯的波動(dòng)分量,這與第3章論證的氣隙磁通諧波產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)率為6nfe結(jié)論一致,n=1。由第4章動(dòng)態(tài)測(cè)試特性分析可知,測(cè)試系統(tǒng)對(duì)大于諧振頻率的動(dòng)態(tài)信號(hào)有幅值抑制效果,12fe、18fe頻率點(diǎn)測(cè)試的波動(dòng)幅值極小,通過(guò)FFT數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在300 r/min對(duì)應(yīng)12fe即600 Hz頻率的波動(dòng)幅值測(cè)試結(jié)果約為0.1 N·m。

通過(guò)4幅FFT對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),波動(dòng)都包含160～170 Hz頻率的分量,這部分波動(dòng)分量與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。240、300、360 r/min對(duì)應(yīng)的240、300、360 Hz轉(zhuǎn)矩波動(dòng)信號(hào)幅值隨頻率增大有明顯衰減現(xiàn)象,且120 Hz與240 Hz轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)試信號(hào)相位相差了180°,從而驗(yàn)證了第4章結(jié)論,160～170 Hz是測(cè)試系統(tǒng)的諧振頻率點(diǎn)。諧振點(diǎn)處測(cè)試的扭矩主要是由于時(shí)間電流諧波、系統(tǒng)誤差等轉(zhuǎn)矩波動(dòng)引起的。

圖7 不同轉(zhuǎn)速100 N·m轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)試曲線Fig.7 Under different speed 100 N·m torque ripple test curve

為比較動(dòng)態(tài)與靜態(tài)的測(cè)試效果,電機(jī)靜態(tài)堵轉(zhuǎn)扭矩測(cè)試點(diǎn)也選取100 N·m進(jìn)行測(cè)試。圖9為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)試結(jié)果,在1個(gè)電周期內(nèi),轉(zhuǎn)子位置從0～360電角度轉(zhuǎn)矩明顯有6個(gè)脈動(dòng),波動(dòng)頻率為電頻率的6倍,其中12次、18次諧波脈動(dòng)通過(guò)FFT可以得出。轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的幅值約為5 N·m,相比120 r/min時(shí)波動(dòng)為10 N·m的動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果,堵轉(zhuǎn)測(cè)試結(jié)果更真實(shí)準(zhǔn)確,而動(dòng)態(tài)測(cè)試受諧振影響幅值失真嚴(yán)重。堵轉(zhuǎn)測(cè)試時(shí)在每個(gè)堵轉(zhuǎn)點(diǎn)三相繞組相當(dāng)于通過(guò)直流電,各個(gè)位置點(diǎn)的電流值擬合后可以在圖中看到三相電流正弦度較好。

圖8 不同轉(zhuǎn)速100 N·m轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)試頻譜圖Fig.8 Under different speed 100 N·m torque ripple test spectrum

通過(guò)上述靜態(tài)堵轉(zhuǎn)測(cè)試,可以更準(zhǔn)確地得到不同轉(zhuǎn)子位置下的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與三相電流對(duì)應(yīng)關(guān)系,相比動(dòng)態(tài)測(cè)試排除了固有系統(tǒng)誤差的影響,轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的相位和幅值更加真實(shí)。轉(zhuǎn)矩波動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)試在一定程度上可以反映轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的幅值及頻率,但是動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性會(huì)受臺(tái)架諧振的影響,而通過(guò)靜態(tài)堵轉(zhuǎn)測(cè)試可以驗(yàn)證對(duì)應(yīng)整車(chē)低速運(yùn)行區(qū)域即電機(jī)MTPA控制區(qū)域轉(zhuǎn)矩波動(dòng)消除方法的效果,也可為根據(jù)不同轉(zhuǎn)子位置的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)補(bǔ)償算法提供補(bǔ)償依據(jù)。

圖9 靜態(tài)堵轉(zhuǎn)測(cè)試100 N·m轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)應(yīng)三相電流及轉(zhuǎn)子位置角度測(cè)試曲線Fig.9 Static locked rotor test three-phase current and rotor position angle corresponding to 100 N·m torque ripple test curve

5 結(jié) 論

本文通過(guò)分析計(jì)算及試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論:

1)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)頻率與傳動(dòng)系統(tǒng)諧振頻率相近時(shí)會(huì)引起整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)諧振,諧振具有低速特性;

2)永磁同步電機(jī)非正弦氣隙諧波磁場(chǎng)會(huì)引發(fā)6n階轉(zhuǎn)矩波動(dòng),低轉(zhuǎn)速采用MTPA控制區(qū)域波動(dòng)幅值大小僅與轉(zhuǎn)子位置相關(guān);

3)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)動(dòng)態(tài)測(cè)試受測(cè)試臺(tái)架設(shè)計(jì)參數(shù)影響,臺(tái)架諧振會(huì)引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)測(cè)試幅值及相位的失真;

4)靜態(tài)堵轉(zhuǎn)測(cè)試可穩(wěn)定真實(shí)的反映電動(dòng)車(chē)低速轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅值及相位,可為電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)提供準(zhǔn)確的測(cè)試評(píng)價(jià)手段。

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(編輯:張?jiān)婇w)

Analysis and test for torque ripp le of permanentmagnet synchronousmotor for electric vehicle

WANG Si-bo, ZHAO Hui-chao, LIZhi-yu, WANG Xiao-xu
(Electric Vehicle Dept,FAW R&D Center,Changchun 130011,China)

The characteristic of powertrain torsional vibration was studied in an electric vehicle,themathematical equation of powertrain torsional vibration was built,and the reason was that the electric vehicle powertrain resonateswithmotor's torque ripple in low speed condition.Then,themodel of torque ripple due to non-sinusoidalmagnetic field distribution was built,and the orders and frequencies of torque ripple in PMSM(permanentmagnet synchronousmotor)were analyzed.According to the relationship between the torsional vibration in low-speed of the electric vehicle and the frequency ofmotor torque ripple,for the situation that therewere few literatures on analyzing the torque ripple and testmethod of PMSM in electric vehicles,a dynamic torque ripple test bench was built.The correctness of the torque ripple frequency analysis is verified by testing.Meanwhile,in order tomake up the amplitude and phase distortion caused by the dynamic test,a new locked-rotor staticmethod for torque ripple testwas proposed.It provides an accuratemeans of testing and evaluation for the torque ripple of PMSM in electric vehicles.

electric vehicle;powertrain torsional vibration;permanentmagnet synchronousmotor;torque ripple; torque ripple test

10.15938/j.emc.2015.09.014

TM 306

A

1007-449X(2015)09-0095-08

2014-06-25

中央企業(yè)電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟共性技術(shù)合作項(xiàng)目-驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)評(píng)價(jià)技術(shù)(JS-308)

王斯博(1986—),男,碩士,工程師,研究方向?yàn)檐?chē)用動(dòng)力電機(jī)系統(tǒng)測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù);趙慧超(1977—),男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)檐?chē)用動(dòng)力電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì);李志宇(1986—),男,學(xué)士,助理工程師,研究方向?yàn)閯?dòng)力電機(jī)系統(tǒng)測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù);王曉旭(1986—),女,碩士,助理工程師,研究方向?yàn)閯?dòng)力電機(jī)系統(tǒng)測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)。

王斯博