小型电动汽车用永磁无刷直流电机设计

刘珮琪，韦忠朝，杨 爽

（华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北 武汉430074）

永磁无刷直流电机是近年随着稀土永磁材料和电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电机，并以其调速范围宽、体积小、起动迅速、低速性能好、运行平稳、噪音低、效率高等优点，成为电动汽车驱动系统中优先选择的电机.本文介绍了基于Ansoft的3kW／24V小型电动汽车用永磁无刷直流电机的设计.先用基于磁路的方法对电机具体参数进行设计与优化，再通过基于场的有限元法对所设计方案的相关性能进行分析，以便进一步优化电机.

1 基于磁路法的电机主要参数的确定

1.1 小型电动汽车用驱动电机性能指标

小型电动汽车通常作为电瓶车、旅游观光车使用，因而其速度一般较低，为20～40km／h，其功率和电压也相对较低.对于小型电动汽车的驱动电机，一般有如下的要求：1）由于该电机用在机动车上，其可靠性要高；2）由于是由蓄电池供电，为了有效利用电池电能，其效率要高；3）由于行驶情况变化，所以低速时力矩要尽量大；4）由于小型电动汽车的空间有限，其体积要尽可能小［1］.

根据以上要求，本文设计一种永磁无刷直流电机作为小型电动汽车的驱动电机.该电机的参数指标为：额定功率，3kW；额定电压，24V；额定转速，1500r／min；系统额定效率，85%以上.

1.2 电机主要尺寸的设计

度.当电机的电磁负荷被确定后，其性能主要取决于其主要尺寸，同时其重量、材料费等也由主要尺寸确定，所以合理设计主要尺寸，是设计过程中非常重要的环节.电机主要尺寸、电机转速、容量和电磁负荷之间存在关系：

式中：Da为电枢直径；Lef为电机的计算长度；为计算功率；n为电机额定转速；A为电机线负荷；Bδ为电机磁负荷；为电机的计算极弧，一般对无刷直流电机估算时可取0.65～0.80之间，本次估算中取0.7；Bδ为电机的气隙磁密，主要由所选用永磁材料的剩余磁密决定；电机长径比的选择对于电机的性能、成本影响很大，对于一般中小型的电机，λ的取值在0.6～1.5之间，本电机长径比取为1.2.

1.3 永磁体尺寸的设计

永磁电机转子上永磁体的安装方式可分为表面式和内置式两种转子结构.一般电动汽车由于转速较高，从机械强度和磁阻转矩利用的角度来考虑，通常采用内置式转子结构.本设计中，由于是小型电动汽车，转速较低，因而从制造成本和工艺的复杂度来考虑，选择成本低、工艺简单、易于优化的表面式转子结构.预估永磁体尺寸时，永磁体的磁化方向长度hM和宽度bM可以近似地由下式确定：

电机的主要尺寸指电枢铁心的直径和有效长

式中：δi为电机的计算气隙长度；Br／Bδ一般取值为1.1～1.35；τ2为电机转子极距.

考虑到电动汽车用永磁无刷直流电机的性能需要，选择剩余磁密和感应矫顽力都较大，并且稳定性较好的钕铁硼磁体作为电机的永磁体.本方案选择NdFe35，该永磁体剩余磁感应强度为1.23T，矫顽力890kA／m，最大磁能积达273.7kJ／m3.

1.4 定子冲片和绕组设计

在选择定子冲片槽形时应考虑的因素有：1）定子槽有足够大的截面积，以保证槽内导体电流密度在允许范围内；2）满足线下工艺要求，使槽满率不致过高；3）要保证足够的轭高和齿宽，使铁心轭、齿的磁密不致过高.另外由于机械强度和工艺限制，轭高和齿宽度也不宜过小.

本方案极对数P＝2，定子槽数Z＝24，定子硅钢片材料为DW465＿50.因而，由下式分别估算出齿距t、齿宽bt和轭高hsj：

式中：Bt为定子齿磁密；Bj为定子轭磁密；Kfe为冲片叠装系数.

根据上式计算可得到齿宽，轭高，并设计定子槽型，使定子齿磁密、轭磁密在合理的范围内并满足要求.

电机绕组的每相串联匝数N以及每槽导体数Ns，可以由与电机线负荷A的以下关系来确定：

式中：m为电机相数；I1为电机定子电流；τ1为电机定子极距；a为电机并联支路数.

将根据上式计算出的初选的每槽导体数带入Ansoft中，根据槽满率的要求选择和调整并绕根数、线径等.

2 基于RMxprt的电机设计

Ansoft中RMxprt是基于磁路法的电机专业设计软件，能够方便的实现电机的设计，同时，还能够对设计方案进行评估和优化.RMxprt的基本设计流程如下：进入 Maxwell界面，创建一个 Maxwell项目，建立一个RMxprt设计，选择电机类型，输入设计数据，分析设计创建报告，查看输出特性曲线.如果电机性能不满足要求，则返回修改输入的数据重新计算，直到达到合适的结果.

利用RMxprt模块能够简化整个设计流程，例如槽型尺寸以及绕组线径等，都能够自动进行最优匹配.因此，只需要输入一些基本的参数，然后进行运算，看最后的结果是否合理，如果不合理，再根据公式进行相关参数的修改.将设计好的电机参数输入到RMxprt项目中，可以生成电机截面的几何模型（图1）.

图1 RMxprt中生成的电机几何模型

根据电机性能的要求，对各项参数进行进一步的计算与优化，可得到电机的主要参数：气隙磁密，0.86T；平均输入电流，140.587A；电枢电流有效值，123.404A；电枢电流密度，5.54A／mm2；输出功率，3 000.57W；输入功率，3 374.08W；效率，88.93%；空载转速，1 847r／min；额定转速，1 580 r／min；额定转矩，18.12N·m.

图2 RMxprt中计算出的相电流

3 基于有限元法的电机性能分析

Ansoft RMxprt模块是基于磁路的方法对电机进行电磁计算的，因而其计算精度很大程度上会受到其计算过程中的一些等效以及简化的影响，因此，有必要采用基于场的有限元法对所选方案电机的相关性能进行分析.

Ansoft能将RMxprt模型采用一键式直接导入到基于有限元法的Maxwell 2D界面中，自动完成几何模型绘制、材料定义、激励源添加、边界条件给定、网格剖分和求解参数设置等前处理项.这种一键式导入方式仅限于2D的瞬态场，若要进行其他场分析则需要自己更改设置［2］.

3.1 磁场分析

在瞬态场里，通过Ansoft运行仿真，可以得到任意时刻的磁通密度矢量图（图3）.在电机设计中，需要校验和分析在运行过程中电机会不会出现局部磁饱和的情况，而通过矢量所示磁通密度的方向及大小变化就可以看出电机在实际运行中的磁场变化情况.

图3 t＝0.04s时磁通密度矢量图

电动汽车在实际运行过程中，会出现突然起动、突然停转、瞬时堵转、突然反转等情况.当这些情况出现时，会导致电枢瞬时电流远远大于额定电流，从而可能使永磁体发生永久退磁［3］.因此，为保证电机在实际情况中能够可靠运行，需对设计的电机进行最大去磁校核.假定电机的相电流为大约2倍额定电流（本方案假定相电流250A），使磁极轴线与绕组轴线对齐，即在最恶劣的工况下进行有限元稳态磁场仿真，所得结果如图4所示.可以看到电机在瞬时电流为2倍额定电流的情况下，永磁体内部最小的剩余磁密有0.893 6T，B／Br＝0.726，高于永磁体退磁曲线的拐点，所以，不会发生永久退磁.

图4 最大去磁时永磁体内磁密图

3.2 转矩脉动分析

通过有限元法计算出实际运行中电机的转矩的均方根值为15.88N·m，电机在实际运行时电磁转矩会出现一定幅度的波动，即转矩脉动（图5），会带来振动、谐振、噪声等问题.由于电枢绕组电感的存在，相电流从一相切换到另一相时会产生换相延时，从而产生换相转矩脉动.在实际生产中，应该想办法减小电机的转矩脉动，从设计的角度来说，抑制的主要方法有：增大电动机的气隙长度、增大电机的交轴同步电感、采用定子斜槽或者转子斜极、减小定子槽开口宽度或采用磁性槽楔、采用阻尼绕组、在工艺上提高铁心的加工精度等［4］；从控制方法的角度来说，主要的抑制办法有重叠换相法、滞环电流法、PWM斩波法等.

图5 电磁转矩波形

4 结论

本文针对小型电动汽车用驱动电机的技术要求，设计了一种3kW／24V的永磁无刷直流电机.运用基于磁路法的RMxprt模块对电机各项参数进行了具体的设计，并且用基于有限元法的Ansoft Maxwell 2D对电机的电磁场、转矩脉动、电势电流等运行性能进行性能分析和动态仿真，并进行了最大去磁校核.仿真结果表明，本设计方案具有很大的可行性，基本能够满足小型电动汽车使用要求.

［1］江赛标，殷进省，王文博.电动汽车用外转子永磁无刷直流电动机设计［J］.电机技术，2011（3）：10－12，17.

［2］赵 博，张洪亮.Ansoft12在工程电磁场中的应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［3］杰 静.混合动力电动汽车用稀土永磁无刷直流电机的设计与分析［D］.沈阳：辽宁工程技术大学图书馆，2008.

［4］唐任远.现代永磁电机理论与设计［M］.北京：机械工业出版社，2008.