Applied Energy 263 (2020) 114618
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Applied Energy
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Wound field synchronous motor with hybrid circuit for neighborhood electric vehicle traction improving fuel economy
Kyoung-Soo Cha, Dong-Min Kim, Young-Hoon Jung, Myung-Seop Lim⁎
Department of Automotive Engineering, Hanyang University, Seoul 04763, Republic of Korea
HIGHLIGHTS
bull; Afuelmethod is proposed to improve the economy of a neighborhood elec-
bull; Amethodtric vehicle. schematic of hybrid circuit and a to decide mode change speed
bull; Theare proposed. hybrid circuit increased the motor
bull; Theefficiency by up to 14%. hybrid circuit improved the fuel economy of the vehicle by up to 3.8%.
ARTICLE INFO
Keywords:
Electric vehicle Fuel economy Hybrid circuit Vehicle simulation Wound field synchronous motor
GRAPHICAL ABSTRACT
ABSTRACT
Increasing the low mileage associated with electric vehicles is a major requirement. Improving the efficiency of the traction motor is one solution to solve the mileage problem. In this study, we propose a method to improve the efficiency of a wound field synchronous motor (as the traction motor) in case of neighborhood electric vehicles. The wound field synchronous motor is a salient pole machine that generates a negative reluctance torque when operating in the second quadrant, reducing its efficiency. However, second quadrant operation is inevitable due to voltage limitation in the high-speed range. Here, we propose a hybrid circuit comprising U, V, W windings and X, Y, Z windings. The high-speed efficiency of the wound field synchronous motor is improved by changing the connection between the windings. Further, a neighborhood electric vehicle with a wound field synchronous motor was simulated using an advanced vehicle simulator (ADVISOR) to verify the proposal. The hybrid circuit increased the fuel economy of the electric vehicle by up to 3.8%. Finally, a validation experiment was conducted using a fabricated motor prototype.
1. Introduction
1.1. Motivation
The interest in eco-friendly vehicles, such as electric vehicles (EVs), has recently increased owing to the sanctions against the internal combustion engine (ICE) vehicles [1,2]. In EVs, the fuel tank and engine of the ICE vehicle are replaced by a battery and motor. These changes
simplify the vehicle structure; additionally, the vibration and noise of the vehicle are considerably reduced. However, the EV batteries take a long time to fully recharge and exhibit low energy densities. Therefore, researchers intend to increase the mileage capabilities of the EVs by reducing the energy consumption and increasing their efficiency.
The reduction of the energy consumption of EVs has been approached from several perspectives, including energy management strategy, topology suggestion, and components improvement. Energy
⁎Corresponding author.
E-mail address: myungseop@hanyang.ac.kr (M.-S. Lim).
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.114618
Received 29 September 2019; Received in revised form 22 December 2019; Accepted 4 February 2020 Available online 12 February 2020
0306-2619/ copy; 2020 Elsevier Ltd. All rights reserved.
K.-S. Cha, et al.
management provides energy management strategies based on the connection between the vehicle and the cloud [3,4], whereas topology- based studies have combined multi-motor and multi-speed transmission [5,6]. The component-based approaches attempt to reduce the energy consumption by optimizing various design parameters, such as the gear ratio [7,8], or by improving the powertrain efficiency [9,10]. In this study, we propose a method that can reduce the energy consumption by improving the efficiency of the traction motor, which powers the EV powertrain.
The automotive industry requires high-efficiency, high-speed, and high-power density motors to increase the mileage capabilities of the EVs. Various motors, including surface-mounted permanent magnet synchronous motors (SPMSMs), interior permanent magnet synchronous motors (IPMSMs), induction motors, wound field synchronous motors (WFSMs), and synchronous reluctance motors, are being studied as traction motors for use in EVs. However, the most suitable type of traction motor is IPMSM [11,12]. IPMSMs generally use rare earth magnets; however, such magnets are susceptible to volatile changes in market price [13]. Therefore, academia and industry continue to study non-rare-earth magnet motors [14,15]. Hence, WFSMs are also being researched [16]. The WFSM exhibits a high-power density because it uses magnetic torque and reluctance torque like an IPMSM. Also, for high-speed operations, IPMSMs only achieve flux-weakening control, whereas WFSMs achieve flux-weakening control and field-weakening control. Therefore, WFSMs have a higher degree of freedom (DOF) with respect to the control method, enabling effective high-speed operations. Hence, WFSMs are being researched as a traction motor for EVs.
1.2. Previous research
Recent studies of WFSMs have discussed design and control methods. A previous study [17] proposed permanent magnet-assisted WFSM (PMA–WFSM) to improve the efficiency. References [18,19] changed the shape of the WFSM to improve efficiency, and references [20,21] analyzed the effects of iron loss in the WFSM. Some studies [22,23] proposed a control method that operates more efficiently than the maximum torque per ampere control method. Furthermore, some studies [24,25] proposed brushless WFSM (BLWFSM) without slip rings and brushes, which are considered to be the disadvantages of WFSM.
1.3. Contribution
The objective of this study is to increase the fuel economy of EVs by improving the
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应用能源263 (2020)114618
应用能源
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带混合电路的绕线式同步电动机，适用于电动汽车牵引，提高燃油经济性
金东敏，金永秀，郑永勋，林明秀⁎
韩国汉阳大学汽车工程系，首尔04763
突出了
bull;提出了一种改善社区电经济的方法
bull;Amethodtric车辆。混合电路原理图和a来决定换模速度
bull;Theare提议。混合电路增加了电机
bull;效率最高可达14%。混合电路使车辆的燃油经济性提高了3.8%。
条信息
关键词:
电动汽车燃油经济性混合电路车辆仿真绕线场同步电动机
图形抽象
摘要
增加与电动汽车相关的低里程是一项主要要求。提高牵引电机的效率是解决里程问题的一种方法。在本研究中，我们提出了一种方法，以提高绕线场同步电机(作为牵引电机)的效率，在邻近电动汽车的情况下。绕线场同步电机是一种凸极电机，在第二象限运行时产生负磁阻转矩，降低了效率。然而，由于高速范围内的电压限制，第二象限运行是不可避免的。在这里，我们提出了一个混合电路由U, V, W绕组和X, Y, Z绕组组成。通过改变绕组间的连接方式，提高了绕线场同步电动机的高速运行效率。此外，利用先进的车辆模拟器(ADVISOR)对一辆带绕线场同步电机的邻近电动汽车进行了仿真，验证了该方案。混合电路使电动汽车的燃油经济性提高了3.8%。最后，利用自制的电机样机进行了验证实验。
1.介绍
1.1。动机
由于对内燃机汽车(ICE)的制裁，人们对环保汽车，如电动汽车(EVs)的兴趣最近有所增加[1,2]。在电动汽车中，冰车的油箱和发动机由电池和发动机代替。这些变化
简化车辆结构;此外，车辆的振动和噪音也大大降低。然而，电动汽车电池需要很长时间才能完全充电，并且能量密度较低。因此，研究人员打算通过降低能耗和提高效率来提高电动汽车的行驶里程。
降低电动汽车的能源消耗已经从几个角度进行了探讨，包括能源管理策略、拓扑建议和组件改进。能源
⁎相应的作者。
电子邮件地址:myungseop@hanyang.ac.kr (m.s。Lim)。
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.114618
2019年9月29日;2019年12月22日收到的修订表格;2020年2月4日可在线观看2020年2月12日
爱思唯尔有限公司0306-2619/copy;2020保留所有权利。
K.-S。Cha, et al。
管理提供了基于车辆和云之间的连接的能源管理策略[3,4]，而基于拓扑的研究则结合了多电机和多速传输[5,6]。基于组件的方法试图通过优化各种设计参数(如传动比[7,8])或提高动力系统效率[9,10]来降低能源消耗。在本研究中，我们提出一种方法，可以通过提高牵引电机的效率来降低能源消耗，这是电动汽车动力系统的动力。
汽车工业需要高效、高速、高功率密度的发动机来增加电动汽车的行驶里程。各种电机，包括表面安装的永磁同步电机(SPMSMs)，内部永磁同步电机(IPMSMs)，感应电机，绕线场同步电机(WFSMs)，和同步磁阻电机，正在作为牵引电机用于电动汽车的研究。然而，最合适的牵引电机类型是IPMSM[11,12]。IPMSMs一般使用稀土磁铁;然而，这些磁铁容易受到市场价格[13]波动的影响。因此，学术界和工业界继续对非稀土永磁电机进行研究[14,15]。因此，WFSMs也在研究[16]。WFSM具有高功率密度，因为它像IPMSM一样使用磁力矩和磁阻力矩。此外，对于高速运行，IPMSMs只实现弱磁控制，而WFSMs实现弱磁控制和现场弱磁控制。因此，相对于控制方法，WFSMs具有更高的自由度(DOF)，从而能够进行有效的高速操作。因此，WFSMs正被研究作为电动汽车的牵引电机。
1.2。先前的研究
近年来，人们对WFSMs的设计和控制方法进行了探讨。在之前的研究中，[17]提出了永磁辅助WFSM (PMA-WFSM)来提高效率。文献[18,19]改变了WFSM的形状以提高效率，文献[20,21]分析了铁的损失对WFSM的影响。一些研究[22,23]提出了一种比最大转矩/安培控制方法更有效的控制方法。此外，有研究[24,25]提出了无滑环和无刷的无刷WFSM (bruswfsm, BLWFSM)，认为这是WFSM的缺点。
1.3。贡献
本研究的目的是通过提高高速运行区域的效率来提高电动汽车的燃油经济性。在高速运行中，由于电压限制，实现了磁场弱化控制和磁链弱化控制;因此，WFSM在第二象限的运行效率不高。因此，我们提出了一种混合电路，通过改变每相的串联匝数来降低感应电压，从而实现高效的高速运行。同时，给出了混合电路的原理图和模式转换速度的确定过程。通过二维(2D)有限元分析(FEA)验证了混合电路应用于WFSM后效率的提高。此外，通过对混合电路和无混合电路的wfsm驱动车辆的仿真研究，对比了该方法的燃油经济性，验证了该方法的有效性。先前得到的混合电路WFSM (HC WFSM)二维有限元分析结果反映在车辆仿真中。因此，HC WFSM可以有效地提高燃油效率。本研究的创新点如图1所示。综上所述，创意如下:
bull;为了更好的电动汽车燃油经济性，改进电机效率的方法
bull;给出了该方法的原理图和效率决策过程。
bull;通过提出车辆换模速度，确认电动汽车的燃油经济性提升。
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模拟。
1.4。结构
本研究提出了一种混合电路以提高高速行驶区域的车辆燃油经济性，并验证了所提出的方法对车辆燃油经济性的影响。首先，我们讨论了WFSMs在高速运行条件下的行为;然后，我们讨论了如何和为什么提出了一个混合电路解决低效运行的高速条件。通过有限元分析验证了混合电路对WFSM效率的提高，并分析了提高的原因。然后，基于二维有限元计算得到的HC WFSM效率图，对同一行驶周期和邻域电动汽车(NEV)进行了车辆仿真。车辆仿真使用国家可再生能源实验室(NREL)[26]开发的高级车辆仿真器(ADVISOR)进行。最后，通过HC WFSM实验验证了本研究的有效性。
2.WFSM为内华达州
2.1。参考模型
在本节中，将介绍满足NEV牵引电机目标性能的参考模型的相关信息。WFSM是新能源汽车牵引参考模型的电机类型。下一节将详细介绍WFSM。参考模型的极点和槽数分别为6和36。分布式绕组是参考模型的绕组方法。线圈间距为5跨，表示短节距绕组，参考模型的气隙长度为0.5 mm。转子和定子的铁芯材料为35PN230，其厚度为0.35 mm。在50赫兹的1.0 T磁场下，铁的损耗为230 W/kg。电枢绕组每相串联匝数为48条，并联匝数为1条，励磁绕组每极匝数为300条。参考模型的最大转矩和功率分别为20 Nm和4.2 kW。此外，参考模型的基本速度和最大速度分别为2000和9000 rpm。参考模型中使用的信息汇总在表1中。参考模型的特征曲线如图2所示。如图2所示，参考模型满足所有的目标性能，同时满足给定的约束条件。
2.2。WFSM的特点
如前所述，WFSM是参考模型的电机类型，参考模型的配置如图3所示。如图3所示，WFSM的最佳特征是场通量是由场线圈产生的。因此，WFSM的可控性比永磁同步电机(PMSM)高，因为只有通过控制励磁电流才能实现励磁弱化控制。WFSM的另一个重要特征是d轴电感大于q轴电感，这与pmsm不同;例如IPMSMs和SPMSMs。同步电动机的转矩一般用d、q轴等效电路表示为(1)。如(1)所示，WFSM仅在施加正d轴电流的第一象限运行时，才会产生正的磁阻转矩((1)右侧方括号中的第二项)。其中(1)为电机转矩，为磁极对数，Lf为场电感，Ld为d轴电感，Lis为q轴电感，iis为场电流，iis为d轴电流，iq为q轴电流。M n q f d 在这种情况下，正d轴电流可以被称为第一象限操作。相反地，在第二象限的操作中，当施加负的d轴电流时，就会产生负的磁阻力矩。因此,
2
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K.-S。Cha, et al。
图1所示。本研究的创新点。
表1
参考模型的信息。
|
单位 |
价值 |
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磁极数 槽数 线圈节距 气隙长度 每相的串联匝数 并联电路的数目 每杆旋转的磁场数 核心材料 最大转矩 最大功率 基地的速度 最大速度 |
- - - - - - - - - - - - - - - - - - 毫米 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 纳米 千瓦 RPM RPM |
6 36 5 0.5 48 1 300 35 pn230 20. 4.2 2000 9000 |
图2所示。参考模型特征曲线。
WFSMs应在第一象限操作，以确保操作效率。表2为WFSM根据工作区域的转矩特性，图4为第一象限和第二象限的矢量图。
(1)
图3所示。参考模型的配置。表2
WFSM的转矩特性根据工作区域而定。
|
操作区域 |
磁转矩 |
磁阻转矩 |
|
第一象限 第二象限 |
|
minus; |
2.3。WFSM的缺点
如前所述，通过控制场电流的大小可以改变场通量的大小，因为WFSM的场通量是由场电流产生的，而在pmsm中，场通量的大小是无法控制的。因此，WFSMs可以通过场弱化控制来增大运行范围，通过减小高速区域的场电流来减小场通量。但在参考模型中，即使在电压饱和的情况下，场电流也没有明显减小，如图2所示。采用弱磁控制后，电流相位角明显增大。此外，必须确保不超过电压限制。这意味着施加了负的d轴电流，WFSM在第二象限工作。当WFSM以这种方式运行时，由于产生了负磁阻转矩，需要增加磁转矩以满足目标转矩。因此，必须增加q轴电流来增加磁力矩。因此,
3.
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图4所示。第一和第二象限操作的矢量图(a)第一象限操作(b)第二象限操作。
随着铜损耗的增加，WFSM效率降低。由于这一现象随着转速的增加而加剧，因此应考虑解决这一问题。在本研究中，我们提出了HC WFSM的操作方法来解决这个问题[27]。
3.混合电路绕线励磁同步电动机
3.1。HC WFSM的概念
在本节中，将描述HC WFSM概念，该概念用于解决2.3节中提到的问题。HC型WFSM每相有两个绕组，两个绕组之间的连接方法取决于模式。模式分为三种:串联模式、单一模式和并行模式。串联方式串联两个绕组，是本研究参考模型中采用的绕组连接方式。在单一模式下，两个绕组中只有一个被使用，两个绕组的匝数可以相同也可以不同。在并联方式下，两个绕组并联，两个绕组匝数必须相同，以防由于两个绕组的电阻不同而产生环流。
HC型WFSM绕组连接在一定转速下由串联方式转换为单模或并联方式，反之亦然。在这项研究中,当HC WFSM从系列转换模式的单一模式,它被称为“HC WFSM系列单模式”,而当HC WFSM从系列模式转换为并行模式下,它被称为“HC WFSM串并联模式”。假设一、二绕组的三个相位分别为U、V、W、X、Y、Z，串并联HC WFSM和串并联HC WFSM的电路如图5所示。图5所示的转换电路是最简单的电路，它没有考虑在模态转换过程中防止电压和电流在瞬态状态发生剧烈变化所需的附加安全电路。如图5所示，从串联模式到单模模式转换电路中的开关元件数量小于从串联模式到并联模式转换电路中的开关元件数量。
当绕组连接由串联方式转换为单模或并联方式时，由于每相串联匝数的减少，所有的电气参数和特性都会发生
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