電動汽車用內(nèi)置式永磁無刷直流電機(jī)設(shè)計研究

1、<p>　　電動汽車用內(nèi)置式永磁無刷直流電機(jī)設(shè)計研究</p><p>　　摘要：設(shè)計一臺電動汽車用內(nèi)置式永磁無刷直流電動機(jī)，分析氣隙尺寸、永磁體厚度、定子繞組匝數(shù)等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機(jī)效率、轉(zhuǎn)矩電流比的影響，針對電動車輛復(fù)雜的工況對比分析不同負(fù)載率下電機(jī)的運(yùn)行性能，完成優(yōu)化樣機(jī)研制及測試.研究結(jié)果表明：在機(jī)械加工能力允許的前提下，適當(dāng)減小氣隙長度可提高電機(jī)低速區(qū)性能；在兼顧成本的同時，適當(dāng)增加永磁體用量可

2、提升電機(jī)整體性能；適當(dāng)減少繞組匝數(shù)可提高電機(jī)高速區(qū)性能，但會導(dǎo)致低速區(qū)的轉(zhuǎn)矩電流比下降.電機(jī)在額定負(fù)載時整體效率最高，說明設(shè)計方案對額定點(diǎn)的選取合理；轉(zhuǎn)矩電流比隨負(fù)載率的增加而增大，分析認(rèn)為這與輸出轉(zhuǎn)矩中的磁阻轉(zhuǎn)矩分量有關(guān)，這是內(nèi)置式永磁電機(jī)與表貼式永磁電機(jī)的一個重要區(qū)別，設(shè)計需要特別注意.樣機(jī)測試結(jié)果表明：恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)的轉(zhuǎn)矩、功率都滿足驅(qū)動系統(tǒng)要求. </p><p>　　關(guān)鍵詞：永磁無刷直流電機(jī)；轉(zhuǎn)矩電

3、流比；負(fù)載率；內(nèi)置式 </p><p>　　中圖分類號：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A </p><p>　　稀土永磁無刷直流電機(jī)是隨著電力電子技術(shù)及新型永磁材料的發(fā)展而迅速成熟起來的一種新型電機(jī)，具有體積小、重量輕、效率高、慣量小和控制精度高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，同時還保留了普通直流電機(jī)優(yōu)良的機(jī)械特性，廣泛應(yīng)用于伺服控制、數(shù)控機(jī)床、電動車輛、機(jī)器人等領(lǐng)域[1-4]. </p>&l

4、t;p>　　電動汽車是交通運(yùn)輸業(yè)面臨能源與環(huán)境雙重壓力的必然選擇，是未來汽車工業(yè)的重要發(fā)展方向.永磁電機(jī)具有高效、高功率密度的特點(diǎn)，特別適宜用作電動汽車主驅(qū)電機(jī).內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度高、弱磁調(diào)速能力強(qiáng)，永磁體的抗去磁能力強(qiáng)，在車輛驅(qū)動中永磁無刷直流電機(jī)應(yīng)用廣泛[5-12].本文基于已有的某輕型電動轎車，設(shè)計研究了一臺內(nèi)置式永磁無刷直流電機(jī). </p><p>　　1電機(jī)性能指標(biāo)的確定 </p&

5、gt;<p>　　電動汽車驅(qū)動電機(jī)性能指標(biāo)的確定需要根據(jù)電動汽車車輛參數(shù)以及動力性能指標(biāo)分析確定. </p><p>　　電機(jī)轉(zhuǎn)速與車速相對應(yīng)，因此額定轉(zhuǎn)速一般根據(jù)電動汽車的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行車速來確定.汽車在最大車速下水平勻速運(yùn)行時所需的驅(qū)動功率，作為驅(qū)動電機(jī)的額定功率，進(jìn)而得到電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩.根據(jù)電動汽車的檔位設(shè)計，峰值轉(zhuǎn)矩通常為額定轉(zhuǎn)矩的2～3倍.再綜合考慮運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、成本等因素，確定本方案中電機(jī)的主要

6、性能指標(biāo)如表2所示. </p><p><b>　　2.2定子繞組 </b></p><p>　　理想的無刷直流電機(jī)要求具有相當(dāng)寬度的梯形波反電動勢，因此在繞組設(shè)計時盡可能選擇集中整距繞組[14].定子繞組匝數(shù)影響電機(jī)的反電勢系數(shù)、交直軸電抗等參數(shù)，且一定程度上決定了高效運(yùn)行范圍，設(shè)計時要根據(jù)額定轉(zhuǎn)速來合理選取.為了獲得較高的功率因數(shù)，繞組匝數(shù)選取時應(yīng)使空載反電勢與額

7、定電壓值相當(dāng). </p><p><b>　　2.3極弧系數(shù) </b></p><p>　　理想的無刷直流電機(jī)要求氣隙磁密波形為方波，故永磁磁極設(shè)計需選擇盡可能大的極弧系數(shù)[14].采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)時，除保證足夠的永磁體寬度以提供盡可能大的氣隙磁通外，極弧系數(shù)還受到隔磁橋尺寸和永磁體厚度的影響，需綜合選取. </p><p>　　3關(guān)鍵參

8、數(shù)對電機(jī)性能的影響 </p><p>　　電機(jī)設(shè)計過程中，主要尺寸一旦確定，可變參數(shù)就局限于氣隙長度、永磁體尺寸、定子線圈匝數(shù)等.為探究上述關(guān)鍵參數(shù)對電機(jī)性能的影響，利用Ansoft軟件中Rmxprt模塊的參數(shù)化分析功能，研究參數(shù)調(diào)整對電機(jī)效率、轉(zhuǎn)矩電流比的影響.考慮到飽和、漏磁等非線性因素對電機(jī)性能的影響，分析時結(jié)合Maxwell 2D有限元分析對參數(shù)化分析結(jié)果進(jìn)行了修正. </p><p&

9、gt;　　本文選取了4組方案的分析結(jié)果進(jìn)行對比，具體方案的參數(shù)設(shè)置如表3所示. </p><p>　　從圖5～7可以看出：在轉(zhuǎn)矩輸出相同的情況下，方案2在低速區(qū)（0～2 000 r/min）具有更高的效率和更大的轉(zhuǎn)矩電流比，在高速區(qū)兩種方案獲得的電機(jī)性能相當(dāng).由此可知，減小氣隙長度可提高電機(jī)低速區(qū)性能.當(dāng)然，實際設(shè)計中還要考慮制造、裝配等因素，在滿足機(jī)械加工要求的前提下盡可能選擇較小的氣隙. </p>

10、<p>　　3.2永磁體厚度對電機(jī)性能的影響 </p><p>　　僅改變永磁體厚度，即采用方案1與方案3進(jìn)行對比分析.計算得到輸出轉(zhuǎn)矩、效率以及轉(zhuǎn)矩電流比的對比曲線如圖8～10所示. </p><p>　　從圖8～10可以看出：在轉(zhuǎn)矩輸出相同的情況下，方案3在整個運(yùn)行區(qū)域內(nèi)具有更高的效率和更大的轉(zhuǎn)矩電流比.由此可知，增加永磁體用量對電機(jī)整體運(yùn)行性能有所提升.但是，永磁體用量

11、的增加會使電機(jī)造價提升，在實際設(shè)計時要綜合考慮，兼顧成本. </p><p>　　從圖11～13可以看出：在轉(zhuǎn)矩輸出相同的情況下，方案4的轉(zhuǎn)矩電流比在低速區(qū)（0～2 000 r/min）明顯小于方案1，但在高速區(qū)效率和轉(zhuǎn)矩電流比有所提升.由此可知，適當(dāng)減少繞組匝數(shù)可以提高電機(jī)高速區(qū)的性能，但同時會導(dǎo)致低速區(qū)轉(zhuǎn)矩電流比下降，這就意味著系統(tǒng)對控制器的電流輸出能力提高，在實際設(shè)計時需要特別注意. </p>

12、<p>　　4負(fù)載率對電機(jī)性能的影響 </p><p>　　電動汽車的實際運(yùn)行工況相當(dāng)復(fù)雜，電動機(jī)不可能維持在某一特定工作點(diǎn)運(yùn)行，負(fù)載率處于不斷變化當(dāng)中.考察不同負(fù)載率下的電機(jī)性能，有助于綜合評判電機(jī)設(shè)計質(zhì)量.在此選取不同的轉(zhuǎn)矩特性曲線進(jìn)行分析，如圖14所示，轉(zhuǎn)矩特性1～3分別代表的是重載、額定負(fù)載和輕載條件下的運(yùn)行情況.分析得到3組隨負(fù)載率變化的效率、轉(zhuǎn)矩電流比特性曲線，分別如圖15和圖16所示.

13、</p><p>　　從圖14～16可以看出，不同負(fù)載率下，電機(jī)的效率和轉(zhuǎn)矩電流比有著明顯的差別. </p><p>　　任意負(fù)載下，電機(jī)效率都會隨著轉(zhuǎn)速的增加而先增大后減小，但重載情況下的效率最大值出現(xiàn)在額定轉(zhuǎn)速以下，額定負(fù)載時的效率最大值出現(xiàn)在額定轉(zhuǎn)速附近，而輕載時的效率最大值出現(xiàn)在額定轉(zhuǎn)速以上；相同轉(zhuǎn)速下，額定負(fù)載時電機(jī)的效率較高，說明設(shè)計方案對電機(jī)額定點(diǎn)的選取較為合理. </

14、p><p>　　由于電機(jī)在高速運(yùn)行區(qū)進(jìn)行了弱磁擴(kuò)速，轉(zhuǎn)矩電流比的變化同時還受到電流超前導(dǎo)通角的影響，因此僅對低速運(yùn)行區(qū)的情況進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：在未進(jìn)行超前導(dǎo)通角調(diào)節(jié)的運(yùn)行區(qū)域，相同轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩電流比隨著負(fù)載率的增加而增大.分析認(rèn)為：由于內(nèi)置式永磁無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路不對稱，使得輸出轉(zhuǎn)矩中包含磁阻轉(zhuǎn)矩分量，而磁阻轉(zhuǎn)矩正比于電流的平方.因此，當(dāng)負(fù)載功率增加引起輸入電流增大時，輸出轉(zhuǎn)矩增大的幅度更大，故轉(zhuǎn)矩電流比增大.這也是內(nèi)

15、置式永磁電機(jī)與表貼式永磁電機(jī)在設(shè)計時的一個重要差別. 　　5優(yōu)化樣機(jī)及測試 </p><p>　　根據(jù)關(guān)鍵參數(shù)、負(fù)載率等因素對電機(jī)性能的影響結(jié)果，對樣機(jī)設(shè)計方案進(jìn)行了優(yōu)化.主要的設(shè)計參數(shù)優(yōu)化結(jié)果如表4所示. </p><p><b>　　6結(jié)論 </b></p><p>　　1） 設(shè)計了一臺電動汽車用內(nèi)置式永磁無刷直流電動機(jī)，并分析了電機(jī)的主

16、要結(jié)構(gòu)參數(shù)對效率、轉(zhuǎn)矩電流比的影響.在機(jī)械加工能力允許的前提下，適當(dāng)減小氣隙長度可提高電機(jī)低速區(qū)性能；在兼顧成本的同時，適當(dāng)增加永磁體用量可提升電機(jī)整體性能；適當(dāng)減少繞組匝數(shù)可提高電機(jī)高速區(qū)性能，但會導(dǎo)致低速區(qū)的轉(zhuǎn)矩電流比下降. </p><p>　　2） 分析了不同負(fù)載率下電機(jī)的性能.電機(jī)的效率在輕載時較低，重載時較高，額定負(fù)載時電機(jī)整體效率最高，說明設(shè)計方案對額定點(diǎn)的選取合理；轉(zhuǎn)矩電流比隨負(fù)載率的增加而增大，

17、主要是由于輸出轉(zhuǎn)矩中存在著與電流成平方正比關(guān)系的磁阻轉(zhuǎn)矩分量導(dǎo)致的，這是內(nèi)置式永磁電機(jī)與表貼式永磁電機(jī)的一個重要區(qū)別. </p><p>　　3） 根據(jù)優(yōu)化設(shè)計方案研制了樣機(jī)并完成性能測試.測試結(jié)果表明，樣機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)的轉(zhuǎn)矩、功率都滿足驅(qū)動系統(tǒng)要求，樣機(jī)綜合性能符合應(yīng)用需要. </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p

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