電動(dòng)汽車(chē)用永磁無(wú)刷直流電機(jī)的有限元分析

1、電動(dòng)汽車(chē)用永磁無(wú)刷直流電機(jī)的有限元分析華中科技大學(xué) 張文娟 李朗如摘要：設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車(chē)用永磁無(wú)刷直流電機(jī)，采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其目的是嵌在汽車(chē)的輪轂內(nèi)以實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，而不需齒輪傳動(dòng)裝置，可以實(shí)現(xiàn)低速、高轉(zhuǎn)矩、高效率、變速運(yùn)行。文中著重?cái)⑹鲇肁nsys軟件對(duì)該種電機(jī)的磁通、磁感應(yīng)強(qiáng)度以及轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有限元分析。 關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；永磁無(wú)刷直流電機(jī)；有限元分析 1引 言 電動(dòng)汽車(chē)公害少，節(jié)約石油消耗，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修容易，使用壽命長(zhǎng)，受到世界各國(guó)的青睞。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與相同功率的其他類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)相比，體積小，質(zhì)量輕，在質(zhì)量、效率、價(jià)格等方面有相當(dāng)明顯優(yōu)勢(shì)，永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)沒(méi)有電刷和滑環(huán)等零件，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)

2、單，性能更可靠，環(huán)境適應(yīng)性好，更加適合作為電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。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(chǎng)相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要大，所以永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)直接安裝在汽車(chē)的輪轂內(nèi)，通過(guò)電氣控制實(shí)現(xiàn)調(diào)速和直接驅(qū)動(dòng)（2輪或4輪），則汽車(chē)內(nèi)可以省去復(fù)雜的齒輪變速使動(dòng)機(jī)構(gòu)，汽車(chē)結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，質(zhì)量大為減輕。世界先進(jìn)國(guó)家已將其作為發(fā)展方向，開(kāi)展研究，有的國(guó)家已研制成樣機(jī)。 但是，由于輪轂內(nèi)徑的限制，永磁電機(jī)的體積受到限制，而又要產(chǎn)生較高的轉(zhuǎn)矩，這就給電機(jī)的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的難度。而且，永磁無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)，既不能簡(jiǎn)單

3、地套用永磁同步電動(dòng)機(jī)的方法，也不能簡(jiǎn)單地套用直流電動(dòng)機(jī)的方法。要根據(jù)特點(diǎn)，尋找一種較為準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)方法1。在此，采用了磁路計(jì)算與磁場(chǎng)分析相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法對(duì)三相永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研究。電動(dòng)汽車(chē)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示2。 2電機(jī)電磁計(jì)算 根據(jù)我們所編制計(jì)算程序，對(duì)1臺(tái)8kW、12極外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)算結(jié)果 2.2.1性能計(jì)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(shì)E349.70V，實(shí)際轉(zhuǎn)速n677.20rmin，效率92.41。 2.2.2繞組數(shù)據(jù) 線負(fù)荷：A=311.11A/cm 電流密度：J=6.86A/mm2 熱負(fù)荷：AJ=2134.21A2/cm*mm2 2.2.3磁路計(jì)算 空載點(diǎn)標(biāo)么值：b000.925 36，h000.074 64 負(fù)載點(diǎn)標(biāo)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(fù)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(lái)分析電磁場(chǎng)多方面問(wèn)題。ANSYS程序提供了豐富的線性和非線性材料的表達(dá)方式，包括各向同性或正交各向異性的線性磁導(dǎo)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(jì)算磁通密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度、力、力矩和其它參數(shù)。本例中應(yīng)用2D靜態(tài)磁場(chǎng)分析，采用矢量磁勢(shì)方法，模擬各種飽和磁性材料和永磁體。靜態(tài)磁場(chǎng)分析主要由6個(gè)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(shí)

6、體模型 將計(jì)算結(jié)果作為建立模型的輸入數(shù)據(jù)。進(jìn)入前處理（PREP7）開(kāi)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(diǎn)在于槽的復(fù)制，在柱坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)動(dòng)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(lèi)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(gè)磁極矯頑力矢量的X、Y分量見(jiàn)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(rèn)為磁力線沿電機(jī)外側(cè)表面閉合，這條邊界屬于第一類(lèi)齊次邊界，很多情況下電機(jī)軸的外表面也被取為第一類(lèi)齊次邊界，賦值A(chǔ)0。 永磁電機(jī)由永磁體作為激勵(lì)源，通過(guò)材料特性中矯頑力設(shè)置即可，不必另外加激勵(lì)。 分析空載情況時(shí)，不必加載荷；分析負(fù)載情況時(shí)，在槽內(nèi)區(qū)域加負(fù)載電流。 3.5求解3 進(jìn)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(duì)于2D模型，推薦用波前求解器。當(dāng)進(jìn)行非線性電磁場(chǎng)分析時(shí)，ANSYS計(jì)算收斂準(zhǔn)則，每次平衡迭代具有相應(yīng)的收斂標(biāo)準(zhǔn)。在求解進(jìn)行中，可以打開(kāi)“圖形求解跟蹤”。 3.6后處理 進(jìn)入到通用后處理器POST1，可觀察整個(gè)模型或模型的一部分在某一時(shí)間上針對(duì)特定載荷組合時(shí)的結(jié)果，POST1有許多功能，包括從簡(jiǎn)單的圖象顯示到復(fù)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(jì)算磁通 根據(jù)斯托克斯定理可得： 通過(guò)曲面a磁通等于磁矢位沿這個(gè)面的邊界線的閉合線積分。這通常比用磁密B計(jì)算容易得多。 （2）計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) （3）畫(huà)磁力線 二維磁場(chǎng)的

9、B只有兩個(gè)分量，比如Bx、By，而A只有一個(gè)分量Az，簡(jiǎn)寫(xiě)為A。在二維場(chǎng)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(gè)最有用、功能最強(qiáng)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(lái)就可以沿該路徑執(zhí)行許多數(shù)學(xué)運(yùn)算和微積分運(yùn)算，從而得到有意義的計(jì)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(xiàng)沿路徑的變化情況。 （1）定義電機(jī)中的氣隙為一條路徑。 （2）將磁感應(yīng)強(qiáng)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(yīng)力張量法計(jì)算轉(zhuǎn)矩4 麥克斯韋應(yīng)力張量法是由電磁場(chǎng)理論推導(dǎo)出的轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法。在二維電磁場(chǎng)中，作用于電機(jī)

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(dá)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(yǔ) 電磁場(chǎng)是電機(jī)能量傳輸?shù)暮诵?，利用有限元方法?duì)電機(jī)電磁場(chǎng)參數(shù)的分布和大小可進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算，可見(jiàn)ANSYS軟件是電機(jī)設(shè)計(jì)的有力輔助工具。根據(jù)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們對(duì)其設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。編寫(xiě)了永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)程序和永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電磁場(chǎng)數(shù)值分析程序，前一個(gè)程序的計(jì)算結(jié)果作為后一個(gè)程序的輸入數(shù)據(jù)，我們?nèi)〈怕酚?jì)算法速度快的優(yōu)點(diǎn)，大量的計(jì)算（包括優(yōu)化計(jì)算）都用磁路法進(jìn)行，磁場(chǎng)分析法只用于核算電磁轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，計(jì)算次數(shù)較少，這樣經(jīng)過(guò)兩個(gè)程序若干次輪換計(jì)算，可以得到比較滿意的結(jié)果。我們認(rèn)為用磁路計(jì)算和磁場(chǎng)分析相結(jié)合設(shè)計(jì)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的方法是成功的。通過(guò)磁場(chǎng)分析，我們發(fā)現(xiàn)仍有許多問(wèn)題有待進(jìn)一步研究，例如轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)問(wèn)題，采用六相或五相，電機(jī)的力矩特性更為合理。 參考文獻(xiàn)： 1周元芳，肖仁山，梁京章，等.稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研究J.廣西電力技術(shù)，1996（2）：1. 2KingJet Tseng，G.H.Chen.Comput