电动汽车用永磁无刷直流电机的有限元分析

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1、电动汽车用永磁无刷直流电机的有限元分析华中科技大学张文娟李朗如摘　要：设计了一种电动汽车用永磁无刷直流电机，采用外转子结构，其目的是嵌在汽车的轮毂内以实现直接驱动，而不需齿轮传动装置，可以实现低速、高转矩、高效率、变速运行。文中着重叙述用Ansys软件对该种电机的磁通、磁感应强度以及转矩进行有限元分析。关键词：电动汽车；永磁无刷直流电机；有限元分析1　引言电动汽车公害少，节约石油消耗，结构简单，维修容易，使用寿命长，受到世界各国的青睐。永磁无刷直流电动机与相同功率的其他类型的电动机相比，体积小，质量轻，在质量、效率、价格等方面有相当明显优势，永磁无刷电动机没

2、有电刷和滑环等零件，结构更简单，性能更可靠，环境适应性好，更加适合作为电动汽车的驱动电动机。由于一般采用方波供电，在相同的峰值电压和峰值电流下，方波电流和方波磁场相互作用产生的转矩要大，所以永磁无刷电动机可以输出较大的电磁转矩。随着电子技术与控制技术的迅速发展，如果将电动机直接安装在汽车的轮毂内，通过电气控制实现调速和直接驱动（2轮或4轮），则汽车内可以省去复杂的齿轮变速使动机构，汽车结构大为简化，质量大为减轻。世界先进国家已将其作为发展方向，开展研究，有的国家已研制成样机。但是，由于轮毂内径的限制，永磁电机的体积受到限制，而又要产生较高的转矩，这就给电机的

3、设计带来一定的难度。而且，永磁无刷直流电机的设计，既不能简单地套用永磁同步电动机的方法，也不能简单地套用直流电动机的方法。要根据特点，寻找一种较为准确的设计方法［1］。在此，采用了磁路计算与磁场分析相结合的设计方法对三相永磁无刷直流电动机进行了研究。电动汽车控制结构如图1所示［2］。2　电机电磁计算根据我们所编制计算程序，对1台8kW、12极外转子无刷直流电机进行了设计计算。2.1　基本输入数据额定输出功率：PN＝8000W额定转速：nN＝685r／min电枢外径：Da＝0.31m电枢内径：D0＝0.08m槽数：Q＝45剩磁密度：Br＝1.05T矫顽力：Hc

4、＝800kA／m相数：m＝32.2　计算结果2.2.1　性能计算定子电流I1＝24.05A，电磁转矩Tn＝112.33N.m，输入功率P1＝8656.74W，反电势E＝349.70V，实际转速n＝677.20r／min，效率η＝92.41％。2.2.2　绕组数据线负荷：A=311.11A/cm电流密度：J=6.86A/mm2热负荷：AJ=2134.21A2/cm*mm22.2.3　磁路计算空载点标么值：b00＝0.92536，h00＝0.07464负载点标么值：bn＝0.084196，hn＝0.15804每极磁通：Φ＝0.0043905Wb气隙磁密：Bδ＝0

5、.7676T定子齿磁密：Bt2＝1.7635T定子轭磁密：Bj2＝0.2571T转子轭磁密：Bj1＝0.8556T2.2.4　空载特性曲线空载特性曲线如图2所示。2.2.5　不同负载率的工作特性工作特性如图3所示。3　有限元分析ANSYS程序的电磁能力可用来分析电磁场多方面问题。ANSYS程序提供了丰富的线性和非线性材料的表达方式，包括各向同性或正交各向异性的线性磁导率，材料的B－H曲线和永磁体的退磁曲线。后处理功能允许用户显示磁力线，并计算磁通密度和磁场强度、力、力矩和其它参数。本例中应用2－D静态磁场分析，采用矢量磁势方法，模拟各种饱和磁性材料和永磁体。

6、静态磁场分析主要由6个步骤组成：（1）建立模型（2）创建物理环境，赋予特性（3）剖分网格（4）加边界条件和载荷（5）求解（6）后处理3.1　在ANSYS中创建实体模型将计算结果作为建立模型的输入数据。进入前处理（PREP7）开始建立模型。利用几何元素和布尔操作生产基本的几何形状。此模型的难点在于槽的复制，在柱坐标系下转动工作平面后映射即可。图4为2－D模型示意图。3.2　创建物理环境，赋予材料特性3.2.1　定义单元类型用表1中所示两种单元均可［3］。3.2.2定义材料特性：一共用到4种材料，将模型中不同部分分别赋予不同的材料值。（1）气隙与槽：空气，材料特

7、性：μr（MURX）＝1（2）定子：DW465－50，材料特性：B－H曲线（3）转子：10＃钢，材料特性：B－H曲线（4）磁极：永磁体，材料特性：μr（MURX）＝1.05，Hc（矫顽力矢量）：MGXXMGYY分别依磁极的具体位置而定，如图2分布的12个磁极矫顽力矢量的X、Y分量见表2。3.3　剖分网格选择自由网格划分中的智能划分（Smartmesh），智能单元的大小可以自由控制。剖分结果如图5所示。3.4　加边界和载荷一般，认为磁力线沿电机外侧表面闭合，这条边界属于第一类齐次边界，很多情况下电机轴的外表面也被取为第一类齐次边界，赋值A＝0。永磁电机由永磁体

8、作为激励源，通过材料特性中矫顽力设置即可，不必另外加