小型電動汽車用永磁無刷直流電機設(shè)計

劉珮琪，韋忠朝，楊 爽

（華中科技大學(xué)強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室，湖北 武漢430074）

永磁無刷直流電機是近年隨著稀土永磁材料和電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型電機，并以其調(diào)速范圍寬、體積小、起動迅速、低速性能好、運行平穩(wěn)、噪音低、效率高等優(yōu)點，成為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中優(yōu)先選擇的電機.本文介紹了基于Ansoft的3kW／24V小型電動汽車用永磁無刷直流電機的設(shè)計.先用基于磁路的方法對電機具體參數(shù)進行設(shè)計與優(yōu)化，再通過基于場的有限元法對所設(shè)計方案的相關(guān)性能進行分析，以便進一步優(yōu)化電機.

1 基于磁路法的電機主要參數(shù)的確定

1.1 小型電動汽車用驅(qū)動電機性能指標

小型電動汽車通常作為電瓶車、旅游觀光車使用，因而其速度一般較低，為20～40km／h，其功率和電壓也相對較低.對于小型電動汽車的驅(qū)動電機，一般有如下的要求：1）由于該電機用在機動車上，其可靠性要高；2）由于是由蓄電池供電，為了有效利用電池電能，其效率要高；3）由于行駛情況變化，所以低速時力矩要盡量大；4）由于小型電動汽車的空間有限，其體積要盡可能小［1］.

根據(jù)以上要求，本文設(shè)計一種永磁無刷直流電機作為小型電動汽車的驅(qū)動電機.該電機的參數(shù)指標為：額定功率，3kW；額定電壓，24V；額定轉(zhuǎn)速，1500r／min；系統(tǒng)額定效率，85%以上.

1.2 電機主要尺寸的設(shè)計

度.當電機的電磁負荷被確定后，其性能主要取決于其主要尺寸，同時其重量、材料費等也由主要尺寸確定，所以合理設(shè)計主要尺寸，是設(shè)計過程中非常重要的環(huán)節(jié).電機主要尺寸、電機轉(zhuǎn)速、容量和電磁負荷之間存在關(guān)系：

式中：Da為電樞直徑；Lef為電機的計算長度；為計算功率；n為電機額定轉(zhuǎn)速；A為電機線負荷；Bδ為電機磁負荷；為電機的計算極弧，一般對無刷直流電機估算時可取0.65～0.80之間，本次估算中取0.7；Bδ為電機的氣隙磁密，主要由所選用永磁材料的剩余磁密決定；電機長徑比的選擇對于電機的性能、成本影響很大，對于一般中小型的電機，λ的取值在0.6～1.5之間，本電機長徑比取為1.2.

1.3 永磁體尺寸的設(shè)計

永磁電機轉(zhuǎn)子上永磁體的安裝方式可分為表面式和內(nèi)置式兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu).一般電動汽車由于轉(zhuǎn)速較高，從機械強度和磁阻轉(zhuǎn)矩利用的角度來考慮，通常采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu).本設(shè)計中，由于是小型電動汽車，轉(zhuǎn)速較低，因而從制造成本和工藝的復(fù)雜度來考慮，選擇成本低、工藝簡單、易于優(yōu)化的表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu).預(yù)估永磁體尺寸時，永磁體的磁化方向長度hM和寬度bM可以近似地由下式確定：

電機的主要尺寸指電樞鐵心的直徑和有效長

式中：δi為電機的計算氣隙長度；Br／Bδ一般取值為1.1～1.35；τ2為電機轉(zhuǎn)子極距.

考慮到電動汽車用永磁無刷直流電機的性能需要，選擇剩余磁密和感應(yīng)矯頑力都較大，并且穩(wěn)定性較好的釹鐵硼磁體作為電機的永磁體.本方案選擇NdFe35，該永磁體剩余磁感應(yīng)強度為1.23T，矯頑力890kA／m，最大磁能積達273.7kJ／m3.

1.4 定子沖片和繞組設(shè)計

在選擇定子沖片槽形時應(yīng)考慮的因素有：1）定子槽有足夠大的截面積，以保證槽內(nèi)導(dǎo)體電流密度在允許范圍內(nèi)；2）滿足線下工藝要求，使槽滿率不致過高；3）要保證足夠的軛高和齒寬，使鐵心軛、齒的磁密不致過高.另外由于機械強度和工藝限制，軛高和齒寬度也不宜過小.

本方案極對數(shù)P＝2，定子槽數(shù)Z＝24，定子硅鋼片材料為DW465＿50.因而，由下式分別估算出齒距t、齒寬bt和軛高hsj：

式中：Bt為定子齒磁密；Bj為定子軛磁密；Kfe為沖片疊裝系數(shù).

根據(jù)上式計算可得到齒寬，軛高，并設(shè)計定子槽型，使定子齒磁密、軛磁密在合理的范圍內(nèi)并滿足要求.

電機繞組的每相串聯(lián)匝數(shù)N以及每槽導(dǎo)體數(shù)Ns，可以由與電機線負荷A的以下關(guān)系來確定：

式中：m為電機相數(shù)；I1為電機定子電流；τ1為電機定子極距；a為電機并聯(lián)支路數(shù).

將根據(jù)上式計算出的初選的每槽導(dǎo)體數(shù)帶入Ansoft中，根據(jù)槽滿率的要求選擇和調(diào)整并繞根數(shù)、線徑等.

2 基于RMxprt的電機設(shè)計

Ansoft中RMxprt是基于磁路法的電機專業(yè)設(shè)計軟件，能夠方便的實現(xiàn)電機的設(shè)計，同時，還能夠?qū)υO(shè)計方案進行評估和優(yōu)化.RMxprt的基本設(shè)計流程如下：進入 Maxwell界面，創(chuàng)建一個 Maxwell項目，建立一個RMxprt設(shè)計，選擇電機類型，輸入設(shè)計數(shù)據(jù)，分析設(shè)計創(chuàng)建報告，查看輸出特性曲線.如果電機性能不滿足要求，則返回修改輸入的數(shù)據(jù)重新計算，直到達到合適的結(jié)果.

利用RMxprt模塊能夠簡化整個設(shè)計流程，例如槽型尺寸以及繞組線徑等，都能夠自動進行最優(yōu)匹配.因此，只需要輸入一些基本的參數(shù)，然后進行運算，看最后的結(jié)果是否合理，如果不合理，再根據(jù)公式進行相關(guān)參數(shù)的修改.將設(shè)計好的電機參數(shù)輸入到RMxprt項目中，可以生成電機截面的幾何模型（圖1）.

圖1 RMxprt中生成的電機幾何模型

根據(jù)電機性能的要求，對各項參數(shù)進行進一步的計算與優(yōu)化，可得到電機的主要參數(shù)：氣隙磁密，0.86T；平均輸入電流，140.587A；電樞電流有效值，123.404A；電樞電流密度，5.54A／mm2；輸出功率，3 000.57W；輸入功率，3 374.08W；效率，88.93%；空載轉(zhuǎn)速，1 847r／min；額定轉(zhuǎn)速，1 580 r／min；額定轉(zhuǎn)矩，18.12N·m.

圖2 RMxprt中計算出的相電流

3 基于有限元法的電機性能分析

Ansoft RMxprt模塊是基于磁路的方法對電機進行電磁計算的，因而其計算精度很大程度上會受到其計算過程中的一些等效以及簡化的影響，因此，有必要采用基于場的有限元法對所選方案電機的相關(guān)性能進行分析.

Ansoft能將RMxprt模型采用一鍵式直接導(dǎo)入到基于有限元法的Maxwell 2D界面中，自動完成幾何模型繪制、材料定義、激勵源添加、邊界條件給定、網(wǎng)格剖分和求解參數(shù)設(shè)置等前處理項.這種一鍵式導(dǎo)入方式僅限于2D的瞬態(tài)場，若要進行其他場分析則需要自己更改設(shè)置［2］.

3.1 磁場分析

在瞬態(tài)場里，通過Ansoft運行仿真，可以得到任意時刻的磁通密度矢量圖（圖3）.在電機設(shè)計中，需要校驗和分析在運行過程中電機會不會出現(xiàn)局部磁飽和的情況，而通過矢量所示磁通密度的方向及大小變化就可以看出電機在實際運行中的磁場變化情況.

圖3 t＝0.04s時磁通密度矢量圖

電動汽車在實際運行過程中，會出現(xiàn)突然起動、突然停轉(zhuǎn)、瞬時堵轉(zhuǎn)、突然反轉(zhuǎn)等情況.當這些情況出現(xiàn)時，會導(dǎo)致電樞瞬時電流遠遠大于額定電流，從而可能使永磁體發(fā)生永久退磁［3］.因此，為保證電機在實際情況中能夠可靠運行，需對設(shè)計的電機進行最大去磁校核.假定電機的相電流為大約2倍額定電流（本方案假定相電流250A），使磁極軸線與繞組軸線對齊，即在最惡劣的工況下進行有限元穩(wěn)態(tài)磁場仿真，所得結(jié)果如圖4所示.可以看到電機在瞬時電流為2倍額定電流的情況下，永磁體內(nèi)部最小的剩余磁密有0.893 6T，B／Br＝0.726，高于永磁體退磁曲線的拐點，所以，不會發(fā)生永久退磁.

圖4 最大去磁時永磁體內(nèi)磁密圖

3.2 轉(zhuǎn)矩脈動分析

通過有限元法計算出實際運行中電機的轉(zhuǎn)矩的均方根值為15.88N·m，電機在實際運行時電磁轉(zhuǎn)矩會出現(xiàn)一定幅度的波動，即轉(zhuǎn)矩脈動（圖5），會帶來振動、諧振、噪聲等問題.由于電樞繞組電感的存在，相電流從一相切換到另一相時會產(chǎn)生換相延時，從而產(chǎn)生換相轉(zhuǎn)矩脈動.在實際生產(chǎn)中，應(yīng)該想辦法減小電機的轉(zhuǎn)矩脈動，從設(shè)計的角度來說，抑制的主要方法有：增大電動機的氣隙長度、增大電機的交軸同步電感、采用定子斜槽或者轉(zhuǎn)子斜極、減小定子槽開口寬度或采用磁性槽楔、采用阻尼繞組、在工藝上提高鐵心的加工精度等［4］；從控制方法的角度來說，主要的抑制辦法有重疊換相法、滯環(huán)電流法、PWM斬波法等.

圖5 電磁轉(zhuǎn)矩波形

4 結(jié)論

本文針對小型電動汽車用驅(qū)動電機的技術(shù)要求，設(shè)計了一種3kW／24V的永磁無刷直流電機.運用基于磁路法的RMxprt模塊對電機各項參數(shù)進行了具體的設(shè)計，并且用基于有限元法的Ansoft Maxwell 2D對電機的電磁場、轉(zhuǎn)矩脈動、電勢電流等運行性能進行性能分析和動態(tài)仿真，并進行了最大去磁校核.仿真結(jié)果表明，本設(shè)計方案具有很大的可行性，基本能夠滿足小型電動汽車使用要求.

［1］江賽標，殷進省，王文博.電動汽車用外轉(zhuǎn)子永磁無刷直流電動機設(shè)計［J］.電機技術(shù)，2011（3）：10－12，17.

［2］趙 博，張洪亮.Ansoft12在工程電磁場中的應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

［3］杰 靜.混合動力電動汽車用稀土永磁無刷直流電機的設(shè)計與分析［D］.沈陽：遼寧工程技術(shù)大學(xué)圖書館，2008.

［4］唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.