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，結構簡單，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，質量輕，在質量、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，結構更簡單，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生的轉矩要大，所以永磁無刷電動機可以輸出較大的電磁轉矩。

隨著電子技術與控制技術的迅速發(fā)展，如果將電動機直接安裝在汽車的輪轂內，通過電氣控制實現調速和直接驅動（2輪或4輪），則汽車內可以省去復雜的齒輪變速使動機構，汽車結構大為簡化，質量大為減輕。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，由于輪轂內徑的限制，永磁電機的體積受到限制，而又要產生較高的轉矩，這就給電機的設計帶來一定的難度。而且，永磁無刷直流電機的設計，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。要根據特點，尋找一種較為準確的設計方法［1］。在此，采用了磁路計算與磁場分析相結合的設計方法對三相永磁無刷直流電動機進行了研究。電動汽車控制結構如圖1所示［2］。

2　電機電磁計算

根據我們所編制計算程序，對1臺8kW、12極外轉子無刷直流電機進行了設計計算。

2.1　基本輸入數據

額定輸出功率：PN＝8 000W
額定轉速：nN＝685r／min
電樞外徑：Da＝0.31m
電樞內徑：D0＝0.08m
槽數：Q＝45
剩磁密度：Br＝1.05T
矯頑力：Hc＝800kA／m
相數：m＝3

2.2　計算結果

2.2.1　性能計算

定子電流I1＝24.05A，電磁轉矩Tn＝112.33N.m，輸入功率P1＝8656.74W，反電勢E＝349.70V，實際轉速n＝677.20r／min，效率η＝92.41％。

2.2.2　繞組數據

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：b00＝0.925 36，h00＝0.074 64
負載點標么值：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。