金良寬

(1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州 貴陽 550081；2.國家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550081)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，傳統(tǒng)燃油車的大量使用，由此帶來了石油資源的不斷消耗和環(huán)境污染日益嚴(yán)重等問題，節(jié)能減排已成為了汽車行業(yè)的重要課題。作為汽車的重要組成部分，汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是決定汽車行駛安全的核心總成，如何使汽車兼?zhèn)淞己玫牟倏v性能、更高的可靠性及經(jīng)濟(jì)性，始終是該領(lǐng)域的重要研究課題[1]。

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(以下簡稱“EPS”)主要在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上增加了傳感器、控制器、電機(jī)等部件，通過電機(jī)驅(qū)動傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)來實現(xiàn)輔助助力的作用，進(jìn)而提高駕駛舒適性。汽車在不同路口下轉(zhuǎn)向時，它通過控制器接收和發(fā)送指令，使電機(jī)起動輸出所需的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，達(dá)到操控穩(wěn)定、轉(zhuǎn)向靈活輕便、安全行使的效果，使駕駛員操控方向盤有良好的舒適感。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)精巧、緊湊、節(jié)能、環(huán)保等特點，其性能在汽車產(chǎn)業(yè)朝著電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展的今天變得尤其重要[2]。而EPS電機(jī)作為其動力源，電機(jī)的各方面性能的好壞決定了EPS性能。目前EPS電機(jī)的技術(shù)和生產(chǎn)工藝等均被國外供應(yīng)商壟斷，國內(nèi)EPS電機(jī)的設(shè)計開發(fā)正處于起步階段，電機(jī)性能與國外供應(yīng)商還存在一定差距，因此，相關(guān)企業(yè)、高校和科研院所非常有必要針對EPS電機(jī)的性能提升開展專項研究。

1 EPS電機(jī)概念

電機(jī)是EPS驅(qū)動部分的心臟，相比其他類型電機(jī)，EPS采用的電機(jī)需要滿足以下幾方面要求[3]：

(1)由于EPS的驅(qū)動部分由電機(jī)和蝸輪蝸桿的減速機(jī)構(gòu)組成，要求驅(qū)動部分功率大，但整車蓄電池提供的電壓為12 V直流電，因此電機(jī)在低電壓下工作時，需要輸出較大額定功率，相應(yīng)的額定電流也非常大，這對電機(jī)和控制器的設(shè)計提出了更高要求；

(2)基于EPS的響應(yīng)要求，要求電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小以及電機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍、容易控制、運(yùn)行平穩(wěn)、低轉(zhuǎn)矩波動等特點；

(3)基于EPS的動態(tài)性能要求，蝸輪蝸桿的減速比不能太大，進(jìn)而需要減小機(jī)械部分尤其是電機(jī)轉(zhuǎn)子部分的慣量，同時電機(jī)轉(zhuǎn)速不宜太大，目前常用的EPS電機(jī)轉(zhuǎn)速在1000 r/min左右；

(4)基于EPS安裝在整車上的空間要求，同時為了減小電機(jī)轉(zhuǎn)子部分的慣性力矩，提高電機(jī)動態(tài)響應(yīng)性能，在保證輸出性能的前提下，電機(jī)體積應(yīng)盡可能小。

2 EPS電機(jī)類型

驅(qū)動電機(jī)作為EPS的動力源，對整個系統(tǒng)的操作性、可靠性及穩(wěn)定性起到了至關(guān)重要的作用。該類型電機(jī)存在功率密度高、轉(zhuǎn)矩大及轉(zhuǎn)矩波動小、摩擦轉(zhuǎn)矩小、齒槽轉(zhuǎn)矩小、噪音低等特點。

目前，各類型電機(jī)都已經(jīng)在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。隨著永磁材料技術(shù)逐漸成熟，矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等控制策略的應(yīng)用，為永磁同步電機(jī)應(yīng)用于EPS創(chuàng)造了條件。表1為各種EPS電機(jī)的主要性能對比。

基于可靠性要求，目前在EPS 中常用的電機(jī)為永磁同步電機(jī)，該電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、運(yùn)行可靠、質(zhì)量小、損耗低、效率高等優(yōu)點，該類型電機(jī)在EPS領(lǐng)域的應(yīng)用成功推動EPS的快速發(fā)展，符合中國EPS 行業(yè)的發(fā)展需求，成為EPS用電機(jī)的極佳選擇[4]。

3 EPS電機(jī)性能要求與技術(shù)現(xiàn)狀

(1)低齒槽轉(zhuǎn)矩

齒槽轉(zhuǎn)矩在GB/T 2900.25—2008《電工術(shù)語旋轉(zhuǎn)電機(jī)》里有明確的定義，電機(jī)不通電下由于其轉(zhuǎn)子和定子有自行調(diào)整至磁阻最小位置的趨勢而產(chǎn)生的周期性轉(zhuǎn)矩，即齒槽轉(zhuǎn)矩(cogging torque)。

齒槽轉(zhuǎn)矩是帶永磁體的同步電機(jī)中一個不可避免的問題，它對電機(jī)的運(yùn)行特性和控制精度有著重要影響，尤其在EPS電機(jī)領(lǐng)域，齒槽轉(zhuǎn)矩的大小將直接影響駕駛員操作方向盤時的平順性。

通常定子鐵心為了纏繞漆包線，必須設(shè)計齒和槽的結(jié)構(gòu)，齒和槽的存在會引起氣隙磁場不均勻，一個齒距的磁通相對集中在齒部，轉(zhuǎn)子的永磁體磁場和定子的齒槽相互作用，其切向分量的力引起的轉(zhuǎn)矩即為齒槽轉(zhuǎn)矩。EPS電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩要求非常高，過高會引起電機(jī)的機(jī)械振動和噪音過大問題，同時慢打方向盤時會存在抖動，影響整車舒適性，通常EPS電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩要求小于20 mNm，越小越好，具體需要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、加工工藝、成本控制等綜合考慮。

在降低EPS電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩方面，通常有以下幾種方案：

(a)分塊式鐵心的定子齒塊增加輔助槽

定子齒塊增加輔助槽結(jié)構(gòu)如圖1所示，輔助槽的寬度L結(jié)合槽口寬度確定，深度H需要計算確定。

(b)分塊式定子鐵心內(nèi)圓采用偏心圓

定子鐵心采用偏心圓結(jié)構(gòu)如圖2所示。定子鐵心外圓弧R1的圓心O1與內(nèi)圓弧R2圓心O2相距L。

(c)表貼式內(nèi)轉(zhuǎn)子磁鋼偏心修形

表貼式內(nèi)轉(zhuǎn)子磁鋼偏心修形如圖3所示，O1為轉(zhuǎn)子圓心，O2為磁鋼外圓弧圓心，偏心距E需要結(jié)合電機(jī)電磁性能和齒槽轉(zhuǎn)矩要求確定。

(d)轉(zhuǎn)子分段式斜極

轉(zhuǎn)子分段斜極是降低齒槽轉(zhuǎn)矩的最有效方法，設(shè)計時需要根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和極槽配合確定分段數(shù)和斜極角度，轉(zhuǎn)子分段斜極結(jié)構(gòu)如圖4所示。

分段斜極的角度α按式(1)計算：

(1)

式中，p為電機(jī)轉(zhuǎn)子極對數(shù)，LCM(Z，2p)為槽數(shù)和極數(shù)的最小公倍數(shù)，Z為定子槽數(shù)，n為轉(zhuǎn)子分段數(shù)。

另外通過優(yōu)化定子鐵心槽口尺寸、磁鋼極弧系數(shù)等也可以在一定程度上降低齒槽轉(zhuǎn)矩，實際設(shè)計過程中所采用的方案通常需要結(jié)合產(chǎn)品平臺化設(shè)計、加工工藝、制造成本等綜合考慮采用一種或幾種方案的組合來降低齒槽轉(zhuǎn)矩。

(2)低轉(zhuǎn)矩波動

由于永磁同步電機(jī)中存在特有的磁鋼和定子鐵心結(jié)構(gòu)，定子鐵心齒部和磁鋼會相互作用產(chǎn)生相應(yīng)轉(zhuǎn)矩，同時由于負(fù)載電流及空載反電勢波形的變化不規(guī)律，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生相應(yīng)的諧波轉(zhuǎn)矩，二者疊加使得電機(jī)轉(zhuǎn)動過程中存在明顯的轉(zhuǎn)矩波動。

轉(zhuǎn)矩波動過大，將引起電機(jī)振動嚴(yán)重，噪音偏大，嚴(yán)重影響EPS性能和整車舒適性，因此EPS電機(jī)的該項性能指標(biāo)要求非常高，通常要求小于2%。

本文主要分析電機(jī)電磁方面所帶來的轉(zhuǎn)矩波動，控制器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動暫不作分析。

電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)方面，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動的主要因素有以下幾方面：

磁鋼與定子齒槽效應(yīng)及磁鋼結(jié)構(gòu)形式等因素引起的齒槽轉(zhuǎn)矩；

反電勢波形不滿足正弦規(guī)律等引起的諧波轉(zhuǎn)矩；

轉(zhuǎn)子鐵心和定子鐵心磁路飽和系數(shù)的選取；

控制器設(shè)計參數(shù)與電機(jī)參數(shù)的合理匹配。

電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖5所示，轉(zhuǎn)矩波動計算公式如式(2)所示。

(2)

式中，Tpk為轉(zhuǎn)矩最大值，Tlow為轉(zhuǎn)矩最小值，Tavg為轉(zhuǎn)矩平均值。

電機(jī)結(jié)構(gòu)主要從以下三方面開展優(yōu)化設(shè)計降低轉(zhuǎn)矩峰峰值差，進(jìn)而降低EPS電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動。一方面除了前面所述的降低電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩外；另一方面通過磁鋼和定子鐵心優(yōu)化設(shè)計，削弱氣隙磁場的高次諧波含量，可以有效降低EPS電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動；最后是通過設(shè)置控制器中電機(jī)相關(guān)的參數(shù)。

(3)低振動、低噪音

根據(jù)在整車上的安裝位置，通常有C-EPS、D-EPS等結(jié)構(gòu)的EPS結(jié)構(gòu)，C-EPS的電驅(qū)動總成安裝在駕駛艙內(nèi)部，電機(jī)工作時產(chǎn)生的噪音極易被駕駛員及乘客感知，因此該類型EPS電機(jī)對噪音要求非常高，通常不高于45 dBA；D-EPS安裝在底盤下，對振動要求非常高，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝固定均需考慮振動要求。

EPS電機(jī)的振動和噪音主要來源于電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)所致，而電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的平順性主要與軸承的支撐剛度、定轉(zhuǎn)子同心度等有關(guān)，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析過程中需要考慮結(jié)構(gòu)剛度和電磁氣隙的均勻性，在條件允許下盡可能提高剛度和提高電磁氣隙圓周方向的一致性，進(jìn)而降低軸承孔變形量和氣隙不均勻引起的偏心磁拉力引起的振動和噪音。

(4)低發(fā)熱量

整車行駛路況復(fù)雜多變，EPS電機(jī)時刻保持在工作狀態(tài)，尤其在山區(qū)和不平整路面，電機(jī)輸出功率大，相對發(fā)熱量大，因此此時要求電機(jī)發(fā)熱量不能過大，否則內(nèi)部溫度超過絕緣材料許用溫度時將損壞電機(jī)，進(jìn)而導(dǎo)致EPS失效，轉(zhuǎn)向困難，極端情況下會引起交通事故。

針對EPS電機(jī)，在降低電機(jī)自身發(fā)熱量方面，通常有：一方面是合理選擇電機(jī)極對數(shù)，極對數(shù)過高，電機(jī)工作頻率較高，導(dǎo)致電機(jī)高頻損耗增大，進(jìn)而增大發(fā)熱量。目前已批量應(yīng)用的大部分采用6極或8極方案，目前8極是市場上產(chǎn)品主流應(yīng)用方案；另外就是合理設(shè)計電機(jī)電流密度，降低電機(jī)銅耗，通常電機(jī)的電流密度設(shè)計范圍為3～7 A/mm2，具體需要結(jié)合電機(jī)結(jié)構(gòu)綜合考慮電機(jī)的銅耗、轉(zhuǎn)子渦流損耗、摩擦損耗等，合理設(shè)計電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子參數(shù)。

4 總結(jié)

綜上所述，EPS電機(jī)較普通電機(jī)性能要求更高，在設(shè)計開發(fā)過程中，需要綜合考慮性能、工藝實現(xiàn)性、制造成本等，綜合選擇滿足電機(jī)性能的設(shè)計方案，進(jìn)而達(dá)到EPS對電機(jī)低齒槽轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)矩波動、低振動、低噪音、低成本的嚴(yán)苛要求。