電動汽車用永磁無刷直流電機的有限元分析

1、電動汽車用永磁無刷直流電機的有限元分析華中科技大學 張文娟 李朗如摘要：設(shè)計了一種電動汽車用永磁無刷直流電機，采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其目的是嵌在汽車的輪轂內(nèi)以實現(xiàn)直接驅(qū)動，而不需齒輪傳動裝置，可以實現(xiàn)低速、高轉(zhuǎn)矩、高效率、變速運行。文中著重敘述用Ansys軟件對該種電機的磁通、磁感應強度以及轉(zhuǎn)矩進行有限元分析。 關(guān)鍵詞：電動汽車；永磁無刷直流電機；有限元分析 1引 言 電動汽車公害少，節(jié)約石油消耗，結(jié)構(gòu)簡單，維修容易，使用壽命長，受到世界各國的青睞。永磁無刷直流電動機與相同功率的其他類型的電動機相比，體積小，質(zhì)量輕，在質(zhì)量、效率、價格等方面有相當明顯優(yōu)勢，永磁無刷電動機沒有電刷和滑環(huán)等零件，結(jié)構(gòu)更簡

2、單，性能更可靠，環(huán)境適應性好，更加適合作為電動汽車的驅(qū)動電動機。由于一般采用方波供電，在相同的峰值電壓和峰值電流下，方波電流和方波磁場相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要大，所以永磁無刷電動機可以輸出較大的電磁轉(zhuǎn)矩。 隨著電子技術(shù)與控制技術(shù)的迅速發(fā)展，如果將電動機直接安裝在汽車的輪轂內(nèi)，通過電氣控制實現(xiàn)調(diào)速和直接驅(qū)動（2輪或4輪），則汽車內(nèi)可以省去復雜的齒輪變速使動機構(gòu)，汽車結(jié)構(gòu)大為簡化，質(zhì)量大為減輕。世界先進國家已將其作為發(fā)展方向，開展研究，有的國家已研制成樣機。 但是，由于輪轂內(nèi)徑的限制，永磁電機的體積受到限制，而又要產(chǎn)生較高的轉(zhuǎn)矩，這就給電機的設(shè)計帶來一定的難度。而且，永磁無刷直流電機的設(shè)計，既不能簡單

3、地套用永磁同步電動機的方法，也不能簡單地套用直流電動機的方法。要根據(jù)特點，尋找一種較為準確的設(shè)計方法1。在此，采用了磁路計算與磁場分析相結(jié)合的設(shè)計方法對三相永磁無刷直流電動機進行了研究。電動汽車控制結(jié)構(gòu)如圖1所示2。 2電機電磁計算 根據(jù)我們所編制計算程序，對1臺8kW、12極外轉(zhuǎn)子無刷直流電機進行了設(shè)計計算。 2.1基本輸入數(shù)據(jù) 額定輸出功率：PN8 000W 額定轉(zhuǎn)速：nN685rmin 電樞外徑：Da0.31m 電樞內(nèi)徑：D00.08m 槽數(shù)：Q45 剩磁密度：Br1.05T 矯頑力：Hc800kAm 相數(shù)：m3 2.2計算結(jié)果 2.2.1性能計算 定子電流I124.05A，電磁轉(zhuǎn)矩Tn

4、112.33N.m，輸入功率P18656.74W，反電勢E349.70V，實際轉(zhuǎn)速n677.20rmin，效率92.41。 2.2.2繞組數(shù)據(jù) 線負荷：A=311.11A/cm 電流密度：J=6.86A/mm2 熱負荷：AJ=2134.21A2/cm*mm2 2.2.3磁路計算 空載點標么值：b000.925 36，h000.074 64 負載點標么值：bn0.084 196，hn0.158 04 每極磁通：0.004 390 5Wb 氣隙磁密：B0.767 6T 定子齒磁密：Bt21.763 5T 定子軛磁密：Bj20.257 1T 轉(zhuǎn)子軛磁密：Bj10.855 6T 2.2.4空載特性曲線

5、 空載特性曲線如圖2所示。 2.2.5不同負載率的工作特性 工作特性如圖3所示。 3有限元分析 ANSYS程序的電磁能力可用來分析電磁場多方面問題。ANSYS程序提供了豐富的線性和非線性材料的表達方式，包括各向同性或正交各向異性的線性磁導率，材料的BH曲線和永磁體的退磁曲線。后處理功能允許用戶顯示磁力線，并計算磁通密度和磁場強度、力、力矩和其它參數(shù)。本例中應用2D靜態(tài)磁場分析，采用矢量磁勢方法，模擬各種飽和磁性材料和永磁體。靜態(tài)磁場分析主要由6個步驟組成： （1）建立模型 （2）創(chuàng)建物理環(huán)境，賦予特性 （3）剖分網(wǎng)格 （4）加邊界條件和載荷 （5）求解 （6）后處理 3.1在ANSYS中創(chuàng)建實

6、體模型 將計算結(jié)果作為建立模型的輸入數(shù)據(jù)。進入前處理（PREP7）開始建立模型。利用幾何元素和布爾操作生產(chǎn)基本的幾何形狀。此模型的難點在于槽的復制，在柱坐標系下轉(zhuǎn)動工作平面后映射即可。圖4為2D模型示意圖。 3.2創(chuàng)建物理環(huán)境，賦予材料特性 3.2.1定義單元類型 用表1中所示兩種單元均可3。 3.2.2 定義材料特性： 一共用到4種材料，將模型中不同部分分別賦予不同的材料值。 （1）氣隙與槽：空氣，材料特性：r（MURX）1 （2）定子：DW46550，材料特性：BH曲線 （3）轉(zhuǎn)子：10鋼，材料特性：BH曲線 （4）磁極：永磁體，材料特性：r（MURX）1.05，Hc（矯頑力矢量）：MGX

7、XMGYY分別依磁極的具體位置而定，如圖2分布的12個磁極矯頑力矢量的X、Y分量見表2。 3.3剖分網(wǎng)格 選擇自由網(wǎng)格劃分中的智能劃分（Smartmesh），智能單元的大小可以自由控制。剖分結(jié)果如圖5所示。 3.4加邊界和載荷 一般，認為磁力線沿電機外側(cè)表面閉合，這條邊界屬于第一類齊次邊界，很多情況下電機軸的外表面也被取為第一類齊次邊界，賦值A(chǔ)0。 永磁電機由永磁體作為激勵源，通過材料特性中矯頑力設(shè)置即可，不必另外加激勵。 分析空載情況時，不必加載荷；分析負載情況時，在槽內(nèi)區(qū)域加負載電流。 3.5求解3 進入到求解器Solution，可以選擇下列任何一種求解器：Frontal，JCG，ICCG

8、，PCG求解器，而對于2D模型，推薦用波前求解器。當進行非線性電磁場分析時，ANSYS計算收斂準則，每次平衡迭代具有相應的收斂標準。在求解進行中，可以打開“圖形求解跟蹤”。 3.6后處理 進入到通用后處理器POST1，可觀察整個模型或模型的一部分在某一時間上針對特定載荷組合時的結(jié)果，POST1有許多功能，包括從簡單的圖象顯示到復雜的數(shù)據(jù)列表。 3.6.1求解后得到的基本數(shù)據(jù)是磁矢量的Z軸分量AZ，由AZ可以得到派生數(shù)據(jù)4 （1）計算磁通 根據(jù)斯托克斯定理可得： 通過曲面a磁通等于磁矢位沿這個面的邊界線的閉合線積分。這通常比用磁密B計算容易得多。 （2）計算感應電動勢 （3）畫磁力線 二維磁場的

9、B只有兩個分量，比如Bx、By，而A只有一個分量Az，簡寫為A。在二維場中，磁力線就是等A線。 3.6.2映射結(jié)果到某一路徑上 POST1的一個最有用、功能最強的特征是能夠映射任何結(jié)果數(shù)據(jù)到模型的任意一條路徑上。這樣一來就可以沿該路徑執(zhí)行許多數(shù)學運算和微積分運算，從而得到有意義的計算結(jié)果。有用的附帶好處是，能以圖形或列表方式觀察結(jié)果項沿路徑的變化情況。 （1）定義電機中的氣隙為一條路徑。 （2）將磁感應強度B的徑向分量Br映射到路徑上。 （3）沿路徑顯示數(shù)據(jù)，如圖7所示。 3.6.3用麥克斯韋應力張量法計算轉(zhuǎn)矩4 麥克斯韋應力張量法是由電磁場理論推導出的轉(zhuǎn)矩計算方法。在二維電磁場中，作用于電機

10、定子或轉(zhuǎn)子上的切向電磁力密度電磁轉(zhuǎn)矩由切向力產(chǎn)生，如果沿半徑為r的圓周積分，則電磁轉(zhuǎn)矩的表達式為： Br，B分別為半徑r處氣隙磁密的徑向和切向分量。 4結(jié)語 電磁場是電機能量傳輸?shù)暮诵?，利用有限元方法對電機電磁場參數(shù)的分布和大小可進行準確的數(shù)值計算，可見ANSYS軟件是電機設(shè)計的有力輔助工具。根據(jù)永磁無刷直流電機的工作原理和結(jié)構(gòu)特點，我們對其設(shè)計方法進行了研究。編寫了永磁無刷直流電動機設(shè)計程序和永磁無刷直流電動機電磁場數(shù)值分析程序，前一個程序的計算結(jié)果作為后一個程序的輸入數(shù)據(jù)，我們?nèi)〈怕酚嬎惴ㄋ俣瓤斓膬?yōu)點，大量的計算（包括優(yōu)化計算）都用磁路法進行，磁場分析法只用于核算電磁轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，計算次數(shù)較少，這樣經(jīng)過兩個程序若干次輪換計算，可以得到比較滿意的結(jié)果。我們認為用磁路計算和磁場分析相結(jié)合設(shè)計永磁無刷直流電動機的方法是成功的。通過磁場分析，我們發(fā)現(xiàn)仍有許多問題有待進一步研究，例如轉(zhuǎn)矩的波動問題，采用六相或五相，電機的力矩特性更為合理。 參考文獻： 1周元芳，肖仁山，梁京章，等.稀土永磁無刷直流電動機的設(shè)計研究J.廣西電力技術(shù)，1996（2）：1. 2KingJet Tseng，G.H.Chen.Comput