铁氧体无刷直流电机在双离合变速器液压控制模块中的应用研究
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摘 要：为降低双离合变速器（Dual Clutch Transmission，DCT）液压控制模块成本，提出一种以铁氧体为永磁材料，采用不同结构布置的无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor，BLDC），代替原有的稀土永磁无刷直流电机方案。运用软件Infolytica对这两种外形尺寸相同的电机进行磁场分析，结果显示两种电机磁通密度分布接近，验证了此方案在理论上是可行的。借助Matlab中Simulink模块模拟液压控制系统，利用试验台架对两类电机在室温、高温和低温三种不同工况下进行电机性能测试试验。结果表明，这种铁氧体无刷直流电机在双离合变速器液压控制模块中可以达到与原稀土电机基本相同的性能。此研究成果可为双离合变速器中油泵电机的设计和制造提供工程经验和技术基础。
关键词：铁氧体；稀土；无刷直流电机；双离合变速器；油泵电机
中图分类号：U463.212文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.02.10
BLDC广泛应用在变速器中，一般作为驱动油泵或者驱动执行机构。BLDC的永磁体一般采用稀土或者铁氧体，目前大部分变速器中的电机均使用稀土方案。但是稀土的价格昂贵而且十分不稳定[1-2]。
铁氧体虽然价格稳定、成本低，但是磁能积比较低，为了保证相同的功率和转矩输出，采用铁氧体材料方案的BLDC的尺寸一般比较大。因此，针对应用于DCT中的油泵电机[3-4]，本文在分析DCT液压控制模块结构的基础上，提出了一种采用铁氧体材料不同结构布置的BLDC [5-6]，分析了电机的磁场分布，并搭建了Simulink模型，在变速器液压控制模型中对该电机进行了模拟。最后，通过将该电机装到液压控制系统中进行系统性试验，分析试验结果可知：在与原有稀土电机相同的外形尺寸的前提下，采用铁氧体材料的BLDC应用在DCT液压控制模块中，可提供相同的输出功率、转矩和效率，可以达到与稀土BLDC几乎完全相同的性能[7-9]。
1 BLDC结构及其在DCT液压控制模块中
的应用
BLDC具有结构简单、寿命长、噪声小等优点，被广泛应用在汽车行业中，在DCT中主要作为液压油的油泵电机、离合器电机和选换挡电机。常用的BLDC一般采用内转子结构，永磁体的材料为稀土，磁钢贴在转子表面或嵌入到转子内部（IPM），如图1所示。
如图2所示，DCT液压控制模块主要由蓄能器、电磁阀、阀体、油泵和电机等组成，电机通过联轴器与油泵相连，油泵为蓄能器和整个液压系统提供动力油。
DCT液压控制系统的原理如图3所示，电机带动油泵工作，油泵的出口是一个压滤器，起到过滤油液的作用。压滤器的出口接一个单向阀，防止在油泵不工作的时候油液从油泵处泄露。单向阀出口是一个旁通阀，作用是当系统油压没有建立的时候，保证油泵输出的油首先为系统提供工作油压，等系统油压建立起来之后再给蓄能器冲压。当液压控制系统正常工作的时候，电机是否工作取决于蓄能器出口的压力和温度，当压力低于4.2 MPa时电机启动；当压力高于6.2 MPa时电机停止工作；当温度高于预先设定的保护温度时，电机停止工作。
电机作为液压控制模块的动力来源，接收到命令后必须能迅速启动，以帮助液压系统快速建立油压。此外，由于电机经常要在有油压负载的情况下反复启动，因此对电机带负载启动的可靠性要求很高。此外变速器的工作环境温度一般为-40 ℃～
125 ℃，所以电机在高低温条件下，尤其是极端低温的条件下，要保证能可靠地启动。考虑到电机在液压系统中的工作时间和环境，它必须具有使用寿命长、噪声低、能量密度大和耐变速器油液腐蚀等特点。
2 特殊结构的铁氧体电机及控制系统中的模拟
稀土具有磁能积强等优点，但是其价格不稳定，受市场影响大，作为原材料不利于企业对成本的控制。铁氧体相对于稀土来说磁能积较弱，为了获得相同的电机性能，一般铁氧体电机的体积要大于稀土电机的体积。在以往的各种电机应用中，铁氧体电机为了保证与稀土电机具有相同的性能，往往体积会大出2～3倍。
本文提出了一种新的铁氧体电机，通过不同结构布置和磁场的优化可实现在不增加电机体积的前提下，保证与稀土电机几乎相同的性能。电机尺寸参数对比见表1。
如图4a所示，为传统的稀土BLDC的转子，稀土磁钢被加工成片状，转子铁芯加工成带有凹槽的形状，然后将稀土磁钢插入到凹槽中，通过胶水或过盈配合固定。图4b所示为采用不同结构布置的铁氧体电机转子，铁氧体通过胶水或过盈配合安装到转子上后，相对于转子轴的分布成轮辐式的放射状。
根据无刷直流电机设计原则，磁铁磁动势和磁通量可分别表示为：
式中：HCB为磁场强度，A/cm；hm为磁铁厚度，cm；Br为剩磁，T；A为磁铁截面积，cm2。
铁氧体材料相对于稀土而言，Br和HCB较小，但由图4可知，本设计中铁氧体电机的磁铁厚度hm更大。同样，磁铁截面积A也更大，且两个磁极共同作用于齿部。由式（1）和式（2）可知，理论上本设计中的磁铁磁通量和磁动势可以达到与稀土电机持平的水平，可获得与稀土电机相近的空载气隙磁通，进而获得相近的电气特性。
运用Infolytica软件对两种电机进行磁场仿真，结果如图5所示。由图5a可知，定子铁芯最大磁通密度达到1.51 T，转子铁芯连接部分的磁通密度约为0.05 T。这意味着通过放射状布置的铁氧体电机可在定子线圈中产生更好的聚磁效果，磁铁产生的磁场绝大部分都通过了定子铁芯，转子上漏磁的部分非常少。IPM结构的稀土电机磁场仿真结果如图5b所示，定子铁芯最大磁通密度为1.48 T，转子铁芯连接处的磁通密度为1.7 T，达到饱和。这证明有相当一部分的磁场没有通过定子铁芯，而是从旁边直接短路，这样的情况会降低电机的性能。正是铁氧体电机放射状的结构设计，使其在外形尺寸相同的情况下，可以保证与稀土电机具有几乎相同的效果。
图6为利用Simulink软件建立的DCT液压控制仿真模型。通过调整电机模型的各项参数，如电阻、电感、反电动势和转动惯量等，可真实地模拟出铁氧体电机在液压控制模块中的工作状态。
运用仿真模型对室温这一工况进行仿真，结果如图7所示。由图7可知，油压从4.2 MPa到6.2 MPa的建立过程需要约4 s，这一仿真结果与原稀土电机在系统中实测的结果相同。电机转速的仿真结果如图8所示。由图8可知，电机的启动过程迅速，超调量很小，到达设定转速后，转速非常稳定。
3 试验结果分析
基于上述理论和仿真分析的结果，将铁氧体电机安装在DCT液压控制模块中，如图2所示，分别在室温、高温和低温箱中，对整个系统进行测试。试验方案为在室温、高温和低温环境下控制电机反复启动，对蓄能器进行充压。考察的内容主要包括了系统的油压建立时间和电机反复带负载启动的可靠性。
3.1 室温环境下电机试验
室温环境下，分别采用铁氧体电机和稀土电机带负载成功启动约50次。任意选取其中某一次测试过程，如图9所示，其中，稀土电机油压建立曲线和电机转速曲线如图9a所示；铁氧体电机油压建立曲线和电机曲线如图9b所示。对比图9a和图9b可知，稀土电机建立油压的时间大约4 s左右，铁氧体电机建立油压时间大约为5 s左右；两电机建立油压的过程中，转速基本都保持在2000 r/min且无明显波动。
3.2 低温-40 ℃环境下电机试验
低温-40 ℃环境下，分别采用铁氧体电机和稀土电机带负载成功启动40次。任意选取其中一次测试过程，如图10所示，其中，稀土电机油压建立曲线和电机转速曲线如图10a所示；铁氧体电机油压建立曲线和电机转速曲线如图10b所示。对比图10a和图10b可知，稀土电机建立油压的时间大约5 s左右，铁氧体电机建立油压时间大约为5.5 s左右；两电机建立油压的过程中，转速基本都保持在1 000 r/min且无明显波动。
3.3 高温120 ℃环境下电机试验
高温120 ℃环境下，分别采用铁氧体电机和稀土电机带负载成功启动50次。任意选取其中某一次测试过程，如图11所示，其中，稀土电机油压建立曲线和电机转速曲线如图11a所示；铁氧体电机油压建立曲线和电机转速曲线如图11b所示。对比图11a和图11b可知，稀土电机建立油压的时间大约6 s左右，铁氧体电机建立油压时间大约为6 s左右；两电机建立油压的过程中，转速基本都保持在2 000 r/min且无明显波动。
两种电机在不同试验工况下的电机性能测试结果汇总见表2。
由表2可知，铁氧体电机在保证尺寸几乎相同的情况下，可以在DCT液压控制模块中达到与稀土电机几乎相同的启动时间、充压时间和启动可靠性。
4 结论
为降低DCT液压控制模块的成本，本文对该模块中的油泵电机开展了研究，得到如下结论：
（1）提出一种采用铁氧体的BLDC，通过磁场分析、结构设计和软件仿真证明了这种方法在理论上是可行的。
（2）借助试验台架，分别在室温、高温和低温三种不同的工况对两种电机带负载的情况进行了试验，记录了液压控制模块中油压建立的过程和电机转速曲线。通过试验数据对比分析，铁氧体电机在保证尺寸几乎相同的情况下，可以在DCT液压控制模块中达到与稀土电机几乎相同的启动时间、充压时间和启动可靠性。
（3）通过设计铁氧体电机的结构，完全有可能替代同样尺寸的稀土电机。这种价格稳定、成本低且效果与稀土电机相当的铁氧体电机具有很高的工程应用价值。
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