電動汽車異步驅動電機的有限元設計

摘要：該文系統地介紹了工程電磁場有限元方法在異步電機設計中的應用，采用全場域二維電磁場有限元分析，對電動汽車驅動電機的磁場分布、電感參數及穩、瞬態特性進行了大量計算；通過與電機試驗結果進行對比，提供了電磁有限元方法在異步電機設計中的理論基礎和可靠根據。

關鍵詞：汽車驅動電機；2D有限元方法；異步電機

引言

隨著全球經濟的發展，節能和環保問題日益突出，作為解決該問題的方法之一的電動車實用化逐漸受到各個國家的重視。

由于感應電動機具有小型輕量、效率較高、結構簡單、價格低廉、容易維護、寬范圍的恒功率控制容易實現等優點，從而在電動車驅動系統中得到了廣泛的應用。雖然感應電動機需要滯后的無功電流來建立磁場，導致其功率因數較低，低速輕載運行時效率很低；然而可以通過控制電機來改變其在確定的定轉子角頻率和負載轉矩下的運行工況，此時電動機輸入功率將要發生變化，效率在電機輸出功率保持不變的情況下也會發生變化，其關鍵是電動機與逆變器的損耗，控制某個（或幾個） 變量把電動機損耗降為最小，那么該工況的最大效率控制點也就找到了。因此在電動機的設計及控制上有其特殊性，需要綜合系統的特性和要求進行優化設計[1，2]。

1.電磁有限元方法

1864年，Maxwell在總結前人工作的基礎上，提出了適用于宏觀電磁現象的數學模型，稱之為Maxwell方程組。它是電磁理論的基礎，也是隨后出現的工程電磁場數值分析的出發點。

有限元的思想最早由Courant于1943年提出的。20世紀50年代初期，在復雜的航空結構分析中最先得到應用。有限元法以變分原理為基礎，用剖分插值的辦法建立各自由度間的相互關系，把二次泛函的極值問題轉化為一組多元代數方程組來求解。它能使復雜結構、復雜邊界情況的定解問題得到解答。1965 年，Winslow 首先將有限元法應用于電氣工程問題，用以分析加速器磁鐵的飽和效應。而電機內的電磁場問題的第一個通用非線性變分表述，則是由 P.Silvester 和 M. V. K.Chari于 1970 年提出的。此后，有限元法得到了快速發展，被認為是電機工程領域內發展得最迅速的一種技術，并陸續應用于各種電工問題[3]。

1.1 基本理論[4，5，6]

1.2 邊界條件

電磁場的分析和計算通常歸結為求偏微分方程的解，而為了得到唯一解，必須在該區域的邊界上給出足夠的信息，即邊界條件，這也是在Helmboltz定理中所明確指出的。

（7）

2.EMC120型電機建模、分析

EMC120為我公司針對電動汽車與某電機廠家聯合設計的一款驅動電機，其基本結構為三相異步電動機，采用水冷機殼。

根據上述模型在指定材料特性，設置邊界和源的條件后，進行有限元求解。經過后有限元的處理功能，可以得到如圖所示的電機磁力線分布，圖 3中為電機轉速在 1780r/min空載時的磁場分布圖。圖中我們可以明顯看出電機的6個磁極，觀察顏色變化及疏密程度不同，可以直觀的找出電機磁通的最大和最小位置。

2.1 電機性能曲線

經過有限元后處理功能，我們能方便的得到想要的電機瞬態性能曲線。下圖5為電機空載時的速度與時間的曲線。

2.2 設計值與試驗值的對比分析

本文所計算的電機主要參數與實測值對比見下表。

由上表可知，在二維有限元電磁場計算出的主要性能參數與實際值相差很小。2D電磁場的有限元法已經足以滿足工程計算的需要，它比以往的磁路計算方法更貼近工程問題的物理本質現象，不受結構變化的影響，可以適用于各種電磁場情況。其直觀、方便的后處理功能使設計人員不用過多的與大量而繁雜的數據接觸，減少不必要的失誤。

結束語：

軟件的操作與運行環境已經有了長足的進步，開發出了一批電磁場分析的商品軟件，其中包括用以計算三維恒定電、磁場和渦流場及其后處理的功能，在實際工作中給設計工程師帶來了很大的方便。利用計算電磁學的工具已能夠進行電磁設備的有效設計，避免制造昂貴的樣機，能夠研究許多傳統方法不能解決的問題，因而這一工具在電機工業領域得到了日益廣泛的應用。

參考文獻

[1]宋凌鋒， 崔淑梅， 丁洛， 程樹康. 電動車工況下最大效率控制的感應電動機損耗研究. 微特電機. 2001， （2）：3～6

[2]寇寶泉， 宋立偉， 程樹康， 邱繼娟. 電動車驅動用感應電動機的設計與控制特點. 微特電機. 2002， （1）：7～8

[3]雷銀照. 關于電磁場數值分析的若干認識. 電工技術學報， 1997， 12（6）： 32～34

[4]陳世元. 交流電機磁場的有限元分析. 哈爾濱工業大學出版社. 1998， （1）：10

[5]金建銘（美）. 電磁場有限元方法. 西安電子科技大學出版社， 1998， （2）： 8～10

[6]林群，朱起定. 有限元的預處理和后處理理論. 上海科學技術出版社， 1994

作者簡介：繆鵬（1983-，本科學歷，工程師，主要從事常規電機與核級電機設計研究方向。