電動汽車用永磁無刷直流電機的有限元分析

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(dāng)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)更簡單，性能更可靠，環(huán)境適應(yīng)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(fù)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(zhǔn)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：PN＝8 000W
額定轉(zhuǎn)速：nN＝685r／min
電樞外徑：Da＝0.31m
電樞內(nèi)徑：D0＝0.08m
槽數(shù)：Q＝45
剩磁密度：Br＝1.05T
矯頑力：Hc＝800kA／m
相數(shù)：m＝3

2.2　計算結(jié)果

2.2.1　性能計算

定子電流I1＝24.05A，電磁轉(zhuǎn)矩Tn＝112.33N.m，輸入功率P1＝8656.74W，反電勢E＝349.70V，實際轉(zhuǎn)速n＝677.20r／min，效率η＝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(biāo)么值：b00＝0.925 36，h00＝0.074 64
負載點標(biāo)么值：bn＝0.084 196，hn＝0.158 04
每極磁通：Φ＝0.004 390 5Wb
氣隙磁密：Bδ＝0.767 6T
定子齒磁密：Bt2＝1.763 5T
定子軛磁密：Bj2＝0.257 1T
轉(zhuǎn)子軛磁密：Bj1＝0.855 6T

2.2.4　空載特性曲線

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。