摘 要：用變量式交流同步機(jī)電液耦合器可以使電能、液壓能、機(jī)械能之間快速轉(zhuǎn)換，因此在新能源汽車(chē)中應(yīng)用廣泛。為了掌握其電磁動(dòng)力和液壓動(dòng)力特性，將電磁轉(zhuǎn)矩作為電磁動(dòng)力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，輸出流量、泄漏量、容積效率、柱塞運(yùn)動(dòng)速度作為液壓動(dòng)力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。利用ANSYS Maxwell軟件模擬結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響，同時(shí)利用AMESim軟件模擬柱塞直徑、斜盤(pán)傾角對(duì)液壓動(dòng)力特性的影響。結(jié)果顯示：柱塞孔位置在永磁體“V”形開(kāi)口內(nèi)側(cè)、采用梨形槽、縮短低氣隙長(zhǎng)度、增加永磁體厚度、減少塞孔直徑、擴(kuò)大塞孔分布半徑有利于提高電磁動(dòng)力，柱塞泵液壓動(dòng)力特性與柱塞直徑、斜盤(pán)傾角大小呈正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：變量式交流同步機(jī)電液耦合器；電磁動(dòng)力；液壓動(dòng)力；仿真分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TH 137" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

機(jī)電液耦合器具有能量轉(zhuǎn)換功能，屬于電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力裝置的關(guān)鍵組成部分，其電磁轉(zhuǎn)矩、液壓特性直接影響新能源汽車(chē)電機(jī)的動(dòng)力輸出。機(jī)電液耦合器的結(jié)構(gòu)布局、結(jié)構(gòu)參數(shù)、工況參數(shù)對(duì)其電磁和液壓動(dòng)力特性會(huì)產(chǎn)生較大的影響。在此次研究中，采用控制變量法可以改變單一的影響因素，采用仿真軟件模擬該因素與電磁轉(zhuǎn)矩或液壓動(dòng)力的關(guān)系，從而為優(yōu)化此類(lèi)設(shè)備的設(shè)計(jì)方案、提高運(yùn)維檢修水平提供參考依據(jù)。

1 變量式交流同步機(jī)電液耦合器結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

1.1 結(jié)構(gòu)組成

變量式交流同步機(jī)電液耦合器主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)，屬于集成式的動(dòng)力裝置，具體可劃分為5個(gè)子系統(tǒng)，包括支撐子系統(tǒng)、變量子系統(tǒng)、液壓子系統(tǒng)、機(jī)械能轉(zhuǎn)化子系統(tǒng)、電能轉(zhuǎn)化子系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)組件包括殼體、斜盤(pán)、柱塞、導(dǎo)套、定子、轉(zhuǎn)子等。

1.2 應(yīng)用分析

變量式交流同步機(jī)電液耦合器的主要作用是實(shí)現(xiàn)電能、液壓能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換，最基本的工作模式為兩種能量的相互轉(zhuǎn)換，具體的能量轉(zhuǎn)換方式包括電能-機(jī)械能、電能-液壓能、液壓能-電能、液壓能-機(jī)械能、機(jī)械能-電能、機(jī)械能-液壓能[1]。以電能和液壓能的轉(zhuǎn)換為例，由外接電壓產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，通過(guò)電磁場(chǎng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子和缸體，使柱塞發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而輸出液壓能。

2 機(jī)電液耦合器電磁動(dòng)力特性仿真分析

2.1 仿真建模

2.1.1 模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分

研究過(guò)程利用ANSYSMaxwell軟件的RMxprt模塊構(gòu)建機(jī)電液耦合器的電磁模型，該模型由6個(gè)組件構(gòu)成，涵蓋定子、轉(zhuǎn)子、永磁體、繞組、轉(zhuǎn)軸以及柱塞孔。在二維模型建立后，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該軟件支持多種網(wǎng)格劃分方式，根據(jù)機(jī)電液耦合器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選用SurfaceApproximation網(wǎng)格剖分方式，機(jī)電液耦合器的網(wǎng)格化模型如圖1所示。建模時(shí)需要設(shè)置材料的屬性，繞組的材料屬性為Copper（銅），柱塞孔和模擬邊界的屬性設(shè)置為Air/Vaccum（空氣/真空），永磁體的屬性設(shè)置為N40SH_60C[2]。將定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸的屬性均設(shè)置為DW310_35，即硅鐵軟磁合金。

2.1.2 設(shè)置仿真條件

此類(lèi)機(jī)電液耦合器將永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)形式為3相6極36槽，槽間電角度設(shè)置為30°。將機(jī)電液耦合器的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域設(shè)置在特定范圍內(nèi)，該區(qū)域稱(chēng)為Band區(qū)，能夠區(qū)分模型中的運(yùn)動(dòng)部分和靜止部分。

2.1.3 模型求解器設(shè)置

在有限元求解過(guò)程中，通過(guò)網(wǎng)格對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行離散化處理，形成一系列子區(qū)域，再進(jìn)行偏微分方程求解。有限元分析法是通過(guò)數(shù)學(xué)方法求出現(xiàn)實(shí)情況的近似解，當(dāng)誤差函數(shù)達(dá)到最小值時(shí)，即產(chǎn)生穩(wěn)定解[3]。機(jī)電液耦合器的運(yùn)動(dòng)部件為轉(zhuǎn)子，能量轉(zhuǎn)換過(guò)程需要進(jìn)行磁場(chǎng)分析。在此次仿真模擬中，選用瞬態(tài)場(chǎng)求解器，根據(jù)其原理，機(jī)電液耦合器轉(zhuǎn)動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)方程如公式（1）所示。

（1）

式中：v為磁阻率；A為磁矢勢(shì)；JS為源電流密度；σ為電導(dǎo)率；V表示電勢(shì)；Hc為永磁體的矯頑力；dA/dt表示磁矢勢(shì)對(duì)時(shí)間的一階求導(dǎo)。

根據(jù)該求解方法，在任一時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，有限元模型中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均滿(mǎn)足公式（1），可據(jù)此分析有限元模型中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的磁場(chǎng)。

在本研究中，工作人員設(shè)定一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，包括一個(gè)永磁體的矯頑力Hc和一個(gè)產(chǎn)生電流密度JS的通電線(xiàn)圈。通過(guò)安培環(huán)路定律得到電勢(shì)和磁矢勢(shì)之間的關(guān)系，研究人員為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，假設(shè)它們之間的關(guān)系是線(xiàn)性的，即V=A。假設(shè)當(dāng)t=0時(shí)，系統(tǒng)初始狀態(tài)為靜止，電流密度和電勢(shì)都為0。隨著時(shí)間推移，通電線(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，永磁體受到電磁力的作用開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，根據(jù)當(dāng)前的電流密度和電勢(shì)計(jì)算出磁場(chǎng)強(qiáng)度H。然后使用公式（1）來(lái)更新下一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H（表1）。

2.2 電磁動(dòng)力特性仿真數(shù)據(jù)分析

2.2.1 結(jié)構(gòu)形式對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響分析

2.2.1.1 柱塞孔開(kāi)孔位置對(duì)電磁動(dòng)力的影響

機(jī)電液耦合器的永磁體為“V”形結(jié)構(gòu)，柱塞孔可設(shè)置在永磁體“V”形開(kāi)口的內(nèi)側(cè)或者外側(cè)，6個(gè)永磁體對(duì)應(yīng)6個(gè)柱塞孔。根據(jù)柱塞孔在永磁體內(nèi)側(cè)和外側(cè)兩種布局方式，模擬電磁轉(zhuǎn)矩，分別求出最大轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩、平均轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)，模擬結(jié)果見(jiàn)表2。

從模擬數(shù)據(jù)可知，當(dāng)柱塞孔位于永磁體“V”形開(kāi)口內(nèi)側(cè)時(shí)，平均轉(zhuǎn)矩更大，并且電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)性更小，有利于提高電磁動(dòng)力的穩(wěn)定性。因此，柱塞開(kāi)孔位置宜設(shè)置在永磁體“V”形開(kāi)口內(nèi)側(cè)。

2.2.1.2 定子槽型對(duì)電磁動(dòng)力的影響

電機(jī)槽型通常設(shè)計(jì)為矩形、平底形或者梨形，仿真過(guò)程采用變量控制法，其他參數(shù)保持一致，僅改變電機(jī)槽型，可模擬機(jī)電液耦合器在不同槽型下的電磁轉(zhuǎn)矩。對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)（表3），從表中數(shù)據(jù)可知，梨形槽對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩明顯高于矩形槽和平底槽，有利于提高機(jī)電液耦合器的電磁動(dòng)力，但其穩(wěn)定性低于平底槽。

2.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響分析

2.2.2.1 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下電磁動(dòng)力的模擬數(shù)據(jù)

將電磁轉(zhuǎn)矩作為電磁動(dòng)力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，機(jī)電液耦合器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括4個(gè)，分別為永磁體厚度、氣隙長(zhǎng)度、柱塞孔直徑、柱塞孔分布半徑，模擬以上4個(gè)參數(shù)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響。仿真過(guò)程采用控制變量法，每次針對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置一個(gè)取值，計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，結(jié)果見(jiàn)表4。

2.2.2.2 仿真結(jié)果分析

觀(guān)察氣隙長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)，隨著參數(shù)取值增加，電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)性均與參數(shù)取值呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)氣隙長(zhǎng)度為0.5mm時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩最大。觀(guān)察永磁體厚度對(duì)應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)，當(dāng)厚度取值為8mm時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩最大，并且波動(dòng)性并未明顯增加。

3 機(jī)電液耦合器液壓動(dòng)力仿真分析

3.1 機(jī)電液耦合器液壓系統(tǒng)建模

3.1.1 建模方法

液壓子系統(tǒng)是機(jī)電液耦合器的重要組成部分，其主體結(jié)構(gòu)為軸向柱塞泵，柱塞的數(shù)量為7個(gè)。在仿真分析過(guò)程中，只建立軸向柱塞泵的模型，仿真軟件為AMESim。模型入口端為進(jìn)油口，出口端為出油口。

3.1.2 模型參數(shù)設(shè)置

液壓系統(tǒng)仿真需要設(shè)置一系列參數(shù)，包括原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、阻尼器速率、黏性摩擦系數(shù)等，各個(gè)參數(shù)的取值見(jiàn)表5。

3.2 液壓動(dòng)力特征評(píng)價(jià)指標(biāo)

機(jī)電液耦合器液壓動(dòng)力特性具體可分為液壓特性和動(dòng)力特性，液壓特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)為柱塞泵輸出流量、柱塞泵泄漏量、容積效率，液壓系統(tǒng)動(dòng)力特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)為柱塞運(yùn)動(dòng)速度[4]。其中，柱塞泵泄漏量的計(jì)算過(guò)程如公式（2）所示。

（2）

式中：Qx為柱塞泵的泄漏量；Δp為柱塞泵兩端口的壓力差；μ為流體動(dòng)力學(xué)黏度的平均壓力；lc為柱塞的實(shí)際行程；rc為徑向間隙；dp為活塞外徑；ecc為液壓油的離心率；v+為活塞速度；v-為包絡(luò)線(xiàn)速度。

在具體實(shí)踐中，研究人員從試驗(yàn)仿真中獲取相關(guān)的參數(shù)，包括Δp、μ、lc、rc、dp、ecc、v+、v-。根據(jù)流體的密度和柱塞泵的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算ecc，根據(jù)流體的動(dòng)態(tài)黏度和靜態(tài)黏度以及工作溫度來(lái)計(jì)算μ。將采集到的數(shù)據(jù)和計(jì)算得到的參數(shù)代入公式（2）中進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算得到的泄漏量可以用來(lái)評(píng)價(jià)柱塞泵的性能，并與理論值或預(yù)期值進(jìn)行比較。分析泄漏量與活塞速度、壓力差等因素的關(guān)系，了解液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)和潛在的優(yōu)化空間（表6）。

3.3 液壓動(dòng)力仿真數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

3.3.1 液壓特性仿真分析

3.3.1.1 柱塞泵出口壓力與輸出流量、容積效率的關(guān)系

仿真時(shí)將柱塞泵出口壓力設(shè)置為5個(gè)梯度值，分別為2.0MPa、3.2MPa、3.9MPa、4.8MPa、6.0MPa，模擬不同出口壓力下柱塞泵的輸出流量和容積效率，結(jié)果見(jiàn)表7。從數(shù)據(jù)可知，隨著出口壓力增加，柱塞泵的輸出流量和容積效率呈小幅下降趨勢(shì)。

3.3.1.2 柱塞直徑與柱塞泵輸出流量的關(guān)系

采用控制變量法，將柱塞直徑分別設(shè)置為10mm、15mm、20mm，模擬柱塞泵的輸出流量。結(jié)果顯示，3種條件下對(duì)應(yīng)的最大輸出流量分別為2.51L/min、5.74L/min、10.01L/min，輸出流量達(dá)到峰值的時(shí)間分別為0.01s、0.03s、0.04s。可見(jiàn)，隨著柱塞直徑增加，輸出流量明顯變大，并且達(dá)到峰值的時(shí)間有所延長(zhǎng)。

3.3.1.3 斜盤(pán)傾角與柱塞泵輸出流量的關(guān)系

柱塞泵的輸出流量與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速、泵排量成正比，單位時(shí)間內(nèi)的輸出流量越大，液壓系統(tǒng)的動(dòng)力越強(qiáng)[5-6]。結(jié)果顯示，相應(yīng)的輸出流量峰值分別為2.6L/min、4.0L/min、5.5L/min、7.2L/min?？梢?jiàn)，輸出流量與斜盤(pán)傾角呈正相關(guān)，隨著斜盤(pán)傾角變大，液壓動(dòng)力不斷增強(qiáng)。

3.3.1.4 斜盤(pán)傾角與柱塞泵泄漏量的關(guān)系

根據(jù)柱塞泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，斜盤(pán)傾角和液壓油泄漏量存在一定的關(guān)系。采用控制變量法，將斜盤(pán)傾角設(shè)置為7.5°、11.5°、15.5°、19.5°，模擬柱塞泵液壓油泄漏量，分別為25×10-9L/min、76×10-9L/min、200×10-9L/min、380×10-9L/min。顯然，隨著斜盤(pán)傾角變大，柱塞泵在單位時(shí)間內(nèi)的泄漏量快速升高[7-8]。泄漏量增加不利于液壓系統(tǒng)的動(dòng)力輸出。

3.3.2 動(dòng)力特性仿真分析

動(dòng)力特性主要體現(xiàn)于柱塞的運(yùn)動(dòng)速度，柱塞泵通過(guò)柱塞在泵體內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)液體輸送，當(dāng)柱塞運(yùn)動(dòng)速度越快時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的壓力越大，動(dòng)力越強(qiáng)[9]。柱塞的行程對(duì)時(shí)間進(jìn)行微分，即可得到柱塞的運(yùn)動(dòng)速度。

4 結(jié)論

在此次研究中，采用仿真分析法探索變量式交流同步機(jī)電液耦合器的電磁動(dòng)力特性和液壓動(dòng)力特性，得出以下結(jié)論。1）電磁動(dòng)力特性的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為電磁轉(zhuǎn)矩，該指標(biāo)越大，說(shuō)明電磁動(dòng)力越強(qiáng)。液壓動(dòng)力特性的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為柱塞泵的輸出流量、柱塞運(yùn)動(dòng)速度和柱塞泵的泄漏量，輸出流量和柱塞運(yùn)動(dòng)速度越快，液壓動(dòng)力越強(qiáng)，而泄漏量對(duì)液壓動(dòng)力具有負(fù)面影響。2）通過(guò)ANSYSMaxwell軟件模擬結(jié)構(gòu)布局和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)機(jī)電液耦合器電磁動(dòng)力的影響。在結(jié)構(gòu)布局方面，將柱塞孔設(shè)置在永磁體“V”形開(kāi)口內(nèi)側(cè)和采用梨形電機(jī)槽，有利于增強(qiáng)電磁轉(zhuǎn)矩。在結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，增加氣隙長(zhǎng)度、永磁體厚度、柱塞孔分布直徑以及降低塞孔直徑，有利于提高電磁轉(zhuǎn)矩。3）利用AMESim軟件模擬機(jī)電液耦合器的液壓動(dòng)力特性。模擬結(jié)果顯示，隨著柱塞直徑和斜盤(pán)傾角變大，柱塞泵輸出流量同步增加，液壓動(dòng)力性更強(qiáng)；在斜盤(pán)傾角傾角變大的情況下，柱塞運(yùn)動(dòng)速度也不斷提高；在泄漏量模擬中，斜盤(pán)傾角變大，泄漏量呈增加趨勢(shì)，但整體泄漏量非常少，幾乎不會(huì)影響輸出流量。

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作者簡(jiǎn)介：鄒同合（1972—），男，漢族，湖南新化人，高級(jí)講師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造，機(jī)電一體化。

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