电动汽车用永磁无刷直流电机的有限元分析

1　引 言

电动汽车公害少，节约石油消耗，结构简单，维修容易，使用寿命长，受到世界各国的青睐。永磁无刷直流电动机与相同功率的其他类型的电动机相比，体积小，质量轻，在质量、效率、价格等方面有相当明显优势，永磁无刷电动机没有电刷和滑环等零件，结构更简单，性能更可靠，环境适应性好，更加适合作为电动汽车的驱动电动机。由于一般采用方波供电，在相同的峰值电压和峰值电流下，方波电流和方波磁场相互作用产生的转矩要大，所以永磁无刷电动机可以输出较大的电磁转矩。

随着电子技术与控制技术的迅速发展，如果将电动机直接安装在汽车的轮毂内，通过电气控制实现调速和直接驱动（2轮或4轮），则汽车内可以省去复杂的齿轮变速使动机构，汽车结构大为简化，质量大为减轻。世界先进国家已将其作为发展方向，开展研究，有的国家已研制成样机。

但是，由于轮毂内径的限制，永磁电机的体积受到限制，而又要产生较高的转矩，这就给电机的设计带来一定的难度。而且，永磁无刷直流电机的设计，既不能简单地套用永磁同步电动机的方法，也不能简单地套用直流电动机的方法。要根据特点，寻找一种较为准确的设计方法［1］。在此，采用了磁路计算与磁场分析相结合的设计方法对三相永磁无刷直流电动机进行了研究。电动汽车控制结构如图1所示［2］。

2　电机电磁计算

根据我们所编制计算程序，对1台8kW、12极外转子无刷直流电机进行了设计计算。

2.1　基本输入数据

额定输出功率：PN＝8 000W
额定转速：nN＝685r／min
电枢外径：Da＝0.31m
电枢内径：D0＝0.08m
槽数：Q＝45
剩磁密度：Br＝1.05T
矫顽力：Hc＝800kA／m
相数：m＝3

2.2　计算结果

2.2.1　性能计算

定子电流I1＝24.05A，电磁转矩Tn＝112.33N.m，输入功率P1＝8656.74W，反电势E＝349.70V，实际转速n＝677.20r／min，效率η＝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：b00＝0.925 36，h00＝0.074 64
负载点标么值：bn＝0.084 196，hn＝0.158 04
每极磁通：Φ＝0.004 390 5Wb
气隙磁密：Bδ＝0.767 6T
定子齿磁密：Bt2＝1.763 5T
定子轭磁密：Bj2＝0.257 1T
转子轭磁密：Bj1＝0.855 6T

2.2.4　空载特性曲线

空载特性曲线如图2所示。

2.2.5　不同负载率的工作特性

工作特性如图3所示。