小型電動汽車用永磁無刷直流電機設計

劉珮琪，韋忠朝，楊 爽

（華中科技大學強電磁工程與新技術國家重點實驗室，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的迅速發展而發展起來的一種新型電機，并以其調速范圍寬、體積小、起動迅速、低速性能好、運行平穩、噪音低、效率高等優點，成為電動汽車驅動系統中優先選擇的電機.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計.先用基于磁路的方法對電機具體參數進行設計與優化，再通過基于場的有限元法對所設計方案的相關性能進行分析，以便進一步優化電機.

1 基于磁路法的電機主要參數的確定

1.1 小型電動汽車用驅動電機性能指標

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］.

根據以上要求，本文設計一種永磁無刷直流電機作為小型電動汽車的驅動電機.該電機的參數指標為：額定功率，3kW；額定電壓，24V；額定轉速，1500r／min；系統額定效率，85%以上.

1.2 電機主要尺寸的設計

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，所以合理設計主要尺寸，是設計過程中非常重要的環節.電機主要尺寸、電機轉速、容量和電磁負荷之間存在關系：

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 永磁體尺寸的設計

永磁電機轉子上永磁體的安裝方式可分為表面式和內置式兩種轉子結構.一般電動汽車由于轉速較高，從機械強度和磁阻轉矩利用的角度來考慮，通常采用內置式轉子結構.本設計中，由于是小型電動汽車，轉速較低，因而從制造成本和工藝的復雜度來考慮，選擇成本低、工藝簡單、易于優化的表面式轉子結構.預估永磁體尺寸時，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矯頑力都較大，并且穩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 定子沖片和繞組設計

在選擇定子沖片槽形時應考慮的因素有：1）定子槽有足夠大的截面積，以保證槽內導體電流密度在允許范圍內；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P＝2，定子槽數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.

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

電機繞組的每相串聯匝數N以及每槽導體數Ns，可以由與電機線負荷A的以下關系來確定：

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

將根據上式計算出的初選的每槽導體數帶入Ansoft中，根據槽滿率的要求選擇和調整并繞根數、線徑等.

2 基于RMxprt的電機設計

Ansoft中RMxprt是基于磁路法的電機專業設計軟件，能夠方便的實現電機的設計，同時，還能夠對設計方案進行評估和優化.RMxprt的基本設計流程如下：進入 Maxwell界面，創建一個 Maxwell項目，建立一個RMxprt設計，選擇電機類型，輸入設計數據，分析設計創建報告，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據重新計算，直到達到合適的結果.

利用RMxprt模塊能夠簡化整個設計流程，例如槽型尺寸以及繞組線徑等，都能夠自動進行最優匹配.因此，只需要輸入一些基本的參數，然后進行運算，看最后的結果是否合理，如果不合理，再根據公式進行相關參數的修改.將設計好的電機參數輸入到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

根據電機性能的要求，對各項參數進行進一步的計算與優化，可得到電機的主要參數：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%；空載轉速，1 847r／min；額定轉速，1 580 r／min；額定轉矩，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性能進行分析.

Ansoft能將RMxprt模型采用一鍵式直接導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、網格剖分和求解參數設置等前處理項.這種一鍵式導入方式僅限于2D的瞬態場，若要進行其他場分析則需要自己更改設置［2］.

3.1 磁場分析

在瞬態場里，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）.在電機設計中，需要校驗和分析在運行過程中電機會不會出現局部磁飽和的情況，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，會出現突然起動、突然停轉、瞬時堵轉、突然反轉等情況.當這些情況出現時，會導致電樞瞬時電流遠遠大于額定電流，從而可能使永磁體發生永久退磁［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態磁場仿真，所得結果如圖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，不會發生永久退磁.

圖4 最大去磁時永磁體內磁密圖

3.2 轉矩脈動分析

通過有限元法計算出實際運行中電機的轉矩的均方根值為15.88N·m，電機在實際運行時電磁轉矩會出現一定幅度的波動，即轉矩脈動（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生換相延時，從而產生換相轉矩脈動.在實際生產中，應該想辦法減小電機的轉矩脈動，從設計的角度來說，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、滯環電流法、PWM斬波法等.

圖5 電磁轉矩波形

4 結論

本文針對小型電動汽車用驅動電機的技術要求，設計了一種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進行了具體的設計，并且用基于有限元法的Ansoft Maxwell 2D對電機的電磁場、轉矩脈動、電勢電流等運行性能進行性能分析和動態仿真，并進行了最大去磁校核.仿真結果表明，本設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.電動汽車用外轉子永磁無刷直流電動機設計［J］.電機技術，2011（3）：10－12，17.

［2］趙 博，張洪亮.Ansoft12在工程電磁場中的應用［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計與分析［D］.沈陽：遼寧工程技術大學圖書館，2008.

［4］唐任遠.現代永磁電機理論與設計［M］.北京：機械工業出版社，2008.