电动汽车用永磁无刷直流电机的有限元分析40929.docx

电动汽车用永磁无刷直流电机的有限元分析华中科技大大学 张文文娟 李朗朗如摘要：设设计了一种种电动汽车车用永磁无无刷直流电电机，采用用外转子结结构，其目目的是嵌在在汽车的轮轮毂内以实实现直接驱驱动，而不不需齿轮传传动装置，可可以实现低低速、高转转矩、高效效率、变速速运行。文文中着重叙叙述用Annsys软软件对该种种电机的磁磁通、磁感感应强度以以及转矩进进行有限元元分析。 关键词：电动汽车车；永磁无无刷直流电电机；有限限元分析 1引 言 电动汽车车公害少，节节约石油消消耗，结构构简单，维维修容易，使使用寿命长长，受到世世界各国的的青睐。永永磁无刷直直流电动机机与相同功功率的其他他类型的电电动机相比比，体积小小，质量轻轻，在质量量、效率、价价格等方面面有相当明明显优势，永永磁无刷电电动机没有有电刷和滑滑环等零件件，结构更更简单，性性能更可靠靠，环境适适应性好，更更加适合作作为电动汽汽车的驱动动电动机。由由于一般采采用方波供供电，在相相同的峰值值电压和峰峰值电流下下，方波电电流和方波波磁场相互互作用产生生的转矩要要大，所以以永磁无刷刷电动机可可以输出较较大的电磁磁转矩。 随着电子子技术与控控制技术的的迅速发展展，如果将将电动机直直接安装在在汽车的轮轮毂内，通通过电气控控制实现调调速和直接接驱动（22轮或4轮轮），则汽汽车内可以以省去复杂杂的齿轮变变速使动机机构，汽车车结构大为为简化，质质量大为减减轻。世界界先进国家家已将其作作为发展方方向，开展展研究，有有的国家已已研制成样样机。 但是，由由于轮毂内内径的限制制，永磁电电机的体积积受到限制制，而又要要产生较高高的转矩，这这就给电机机的设计带带来一定的的难度。而而且，永磁磁无刷直流流电机的设设计，既不不能简单地地套用永磁磁同步电动动机的方法法，也不能能简单地套套用直流电电动机的方方法。要根根据特点，寻寻找一种较较为准确的的设计方法法1。在在此，采用用了磁路计计算与磁场场分析相结结合的设计计方法对三三相永磁无无刷直流电电动机进行行了研究。电电动汽车控控制结构如如图1所示示2。 2电机电电磁计算 根据我们们所编制计计算程序，对对1台8kkW、122极外转子子无刷直流流电机进行行了设计计计算。 2.1基本输入入数据 额定输出出功率：PPN8 000WW 额定转速速：nN685rrminn 电枢外径径：Da0.311m 电枢内径径：D00.088m 槽数：QQ45 剩磁密度度：Br1.055T 矫顽力：Hc8800kAAm 相数：mm3 2.2计算结果果 2.2.1性能能计算 定子电流流I1224.055A，电磁磁转矩Tnn1122.33NN.m，输输入功率PP186656.774W，反反电势E349.70V，实实际转速nn6777.20rrminn，效率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*mm2 2.2.3磁路计算 空载点标么值：b000.925 36，h000.074 64 负载点标么值：bn0.084 196，hn0.158 04 每极磁通：0.004 390 5Wb 气隙磁密：B0.767 6T 定子齿磁密：Bt21.763 5T 定子轭磁密：Bj20.257 1T 转子轭磁密：Bj10.855 6T 2.2.4空载特性曲线 空载特性曲线如图2所示。 2.2.55不同负负载率的工工作特性 工作特性性如图3所所示。 3有限元元分析 ANSYYS程序的的电磁能力力可用来分分析电磁场场多方面问问题。ANNSYS程程序提供了了丰富的线线性和非线线性材料的的表达方式式，包括各各向同性或或正交各向向异性的线线性磁导率率，材料的的BH曲曲线和永磁磁体的退磁磁曲线。后后处理功能能允许用户户显示磁力力线，并计计算磁通密密度和磁场场强度、力力、力矩和和其它参数数。本例中中应用2D静态磁磁场分析，采采用矢量磁磁势方法，模模拟各种饱饱和磁性材材料和永磁磁体。静态态磁场分析析主要由66个步骤组组成： （1）建建立模型 （2）创创建物理环环境，赋予予特性 （3）剖剖分网格 （4）加加边界条件件和载荷 （5）求求解 （6）后后处理 3.1在ANSSYS中创创建实体模模型 将计算结结果作为建建立模型的的输入数据据。进入前前处理（PPREP77）开始建建立模型。利利用几何元元素和布尔尔操作生产产基本的几几何形状。此此模型的难难点在于槽槽的复制，在在柱坐标系系下转动工工作平面后后映射即可可。图4为为2D模模型示意图图。 3.2创创建物理环环境，赋予予材料特性性 3.2.1定义义单元类型型 用表1中中所示两种种单元均可可3。 3.2.22 定义材材料特性： 一共用到到4种材料料，将模型型中不同部部分分别赋赋予不同的的材料值。 （1）气隙与槽：空气，材料特性：r（MURX）1 （2）定子：DW46550，材料特性：BH曲线 （3）转子：10钢，材料特性：BH曲线 （4）磁极：永磁体，材料特性：r（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剖剖分网格 选择自由由网格划分分中的智能能划分（SSmarttmeshh），智能能单元的大大小可以自自由控制。剖剖分结果如如图5所示示。 3.4加加边界和载载荷 一般，认认为磁力线线沿电机外外侧表面闭闭合，这条条边界属于于第一类齐齐次边界，很很多情况下下电机轴的的外表面也也被取为第第一类齐次次边界，赋赋值A00。 永磁电机机由永磁体体作为激励励源，通过过材料特性性中矫顽力力设置即可可，不必另另外加激励励。 分析空载载情况时，不不必加载荷荷；分析负负载情况时时，在槽内内区域加负负载电流。 3.5求解3 进入到求解器Solution，可以选择下列任何一种求解器：Frontal，JCG，ICCG，PCG求解器，而对于2D模型，推荐用波前求解器。当进行非线性电磁场分析时，ANSYS计算收敛准则，每次平衡迭代具有相应的收敛标准。在求解进行中，可以打开“图形求解跟踪”。 3.6后处理 进入到通用后处理器POST1，可观察整个模型或模型的一部分在某一时间上针对特定载荷组合时的结果，POST1有许多功能，包括从简单的图象显示到复杂的数据列表。 3.6.1求解后得到的基本数据是磁矢量的Z轴分量AZ，由AZ可以得到派生数据4 （1）计算磁通 根据斯托克斯定理可得： 通过曲面aa磁通等于于磁矢位沿沿这个面的的边界线的的闭合线积积分。这通通常比用磁磁密B计算算容易得多多。 （2）计计算感应电电动势 （3）画磁磁力线 二维磁场场的B只有有两个分量量，比如BBx、Byy，而A只只有一个分分量Az，简简写为A。在在二维场中中，磁力线线就是等AA线。 3.6.22映射结结果到某一一路径上 POSTT1的一个个最有用、功功能最强的的特征是能能够映射任任何结果数数据到模型型的任意一一条路径上上。这样一一来就可以以沿该路径径执行许多多数学运算算和微积分分运算，从从而得到有有意义的计计算结果。有有用的附带带好处是，能能以图形或或列表方式式观察结果果项沿路径径的变化情情况。 （1）定定义电机中中的气隙为为一条路径径。 （2）将将磁感应强强度B的径径向分量BBr映射到到路径上。 （3）沿路径显示数据，如图7所示。 3.6.33用麦克克斯韦应力力张量法计计算转矩4 麦克斯韦韦应力张量量法是由电电磁场理论论推导出的的转矩计算算方法。在在二维电磁磁场中，作作用于电机机定子或转转子上的切切向电磁力力密度电磁磁转矩由切切向力产生生，如果沿沿半径为rr的圆周积积分，则电电磁转矩的的表达式为为： Br，B分别为半半径r处气气隙磁密的的径向和切切向分量。 4结语 电磁场是电机能量传输的核心，利用有限元方法对电机电磁场参数的分布和大小可进行准确的数值计算，可见ANSYS软件是电机设计的有力辅助工具。根据永磁无刷直流电机的工作原理和结构特点，我们对其设计方法进行了研究。编写了永磁无刷直流电动机设计程序和永磁无刷直流电动机电磁场数值分析程序，前一个程序的计算结果作为后一个程序的输入数据，我们取磁路计算法速度快的优点，大量的计算（包括优化计算）都用磁路法进行，磁场分析法只用于核算电磁转矩等参数，计算次数较少，这样经过两个程序若干次轮换计算，可以得到比较满意的结果。我们认为用磁路计算和磁场分析相结合设计永磁无刷直流电动机的方法是成功的。通过磁场分析，我们发现仍有许多问题有待进一步研究，例如转矩的波动问题，采用六相或五相，电机的力矩特性更为合理。 参考文献： 1周元芳，肖仁山，梁京章，等.稀土永磁无刷直流电动机的设计研究J.广西电力技术，1996（2）：1. 2KingJet Tseng，G.H.Chen.ComputerAidedDesign and Analysis of DirectDriven Wheel MotorDriveJ.IEEE Transactions on Power Electronics，1997，12（3）：518. 3ANSYS电磁场分析指南M，2000. 4胡之光.电机电磁场的分析与计算M.机械工业出版社，1982.