50kw电动汽车永磁同步电动机电磁设计

毕业设计（论文）题目50KW电动汽车永磁同步电动机电磁设计姓名黄启振学号0810211620所在学院电气与电子工程学院专业班级08电气6班指导教师李新华教授日期年月日摘要随着能源使用紧张，石油价格上涨，以及生态环境等问题的日益突出，电动汽车应运而生。在各种电动车驱动电机中，永磁同步电机是最有希望的高性能电机。本文研究并设计了一台50KW电动汽车驱动用永磁同步电动机，提出了设计电动车驱动用永磁同步电机的场路结合的设计方法及主要步骤，给出了几个重要电磁参数的有限元计算方法。首先采用电机电磁场仿真软件ANSOFTRMXPRT中的磁路法设计软件RMXPRT对若干方案进行优选，然后再用其中的有限元分析软件MAXWELL2D对优选方案的电磁场进行静、动态仿真，通过对比实验数据和仿真结果并分析了误差来源，对设计进行合理分析，最后结合两者的结果完成电机的设计。关键词电动汽车；永磁同步电动机；电磁设计；有限元方法ABSTRACTWITHENERGYUSETIGHTLYPETROLEUMRISEINPRICEASWELLASECOLOGICALENVIRONMENTQUESTIONSAREDAYBYDAYPROMINENT,THEELECTRICVEHICLECAMEINTOBEINGINAVARIETYOFELECTRICVEHICLESDRIVEMOTOR,PERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTORISTHEMOSTPROMISINGHIGHPERFORMANCEMOTORA50KWPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTORWASSTUDIEDANDDESIGNEDINELECTRICVEHICLEDRIVE,THEDESIGNMETHODSANDTHEMAINSTEPSBYTHEFIELDPATHCOUPLINGMETHODOFTHEPERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSMOTORINELECTRICVEHICLEDRIVEWASPUTFORWARDANDTHECALCULATIONMETHODSBYFINITEELEMENTOFANUMBEROFIMPORTANTELECTROMAGNETICPARAMETERSWASGIVENFIRSTUSETHEDESIGNSOFTWARERMXPRTBASEDONTHECIRCUITMETHODOFTHEELECTROMAGNETICFIELDSIMULATIONSOFTWAREANSOFTRMXPRTTODOANUMBEROFPROGRAMOPTIMIZATION,THENONEOFTHEFINITEELEMENTANALYSISSOFTWAREMAXWELL2DWASUSEDTODOSTATICANDDYNAMICSIMULATIONOFTHEELECTROMAGNETICFIELDOFTHEOPTIMIZATIONPROGRAM,BYCOMPARINGTHEEXPERIMENTALDATAANDSIMULATIONRESULTSANDANALYZEDTHESOURCESOFERROR,THENANALYZEDTHERATIONALOFTHEDESIGN,ANDFINALLYCOMPLETETHEDESIGNOFTHEMOTORBYCOMBINETHERESULTSOFBOTHKEYWORDSELECTRICAUTOMOBILEPERMANENTMAGNETISMSYNCHRONOUSMOTOR；ELECTROMAGNETICDESIGN；FINITEELEMENTMETHOD目录第1章绪论111用于电动汽车的驱动电机112永磁同步电动机在电动汽车中的广泛应用2121丰田PRIUS、本田ACCORD的基本情况2122丰田PRIUS电机结构及制造工艺3123本田ACCORD电机结构及制造工艺413毕业设计的主要内容及要求5第2章永磁同步电动机的电磁设计621永磁同步电动机的结构、原理与特性6211永磁同步电动机的结构6212永磁同步电动机的工作原理7213永磁同步电动机的工作特性722RMXPRT软件简介823永磁同步电动机设计过程与结果10231电机设计的任务和主要内容10232电机电磁设计注意事项11233场路结合的电磁设计13234若干方案的提出及最佳方案的确定1424永磁同步电动机的优化设计18第3章永磁同步电动机的仿真分析2031永磁同步电动机空载磁场的有限元分析2032基于有限元的永磁同步电动机同步电感参数计算21321永磁同步电动机直轴电枢反应电感的有限元计算21322永磁同步电动机交轴电枢反应电感的有限元计算26323永磁同步电动机漏电感与同步电感的计算3333永磁同步电动机的动态性能仿真3734永磁同步电动机的应力分析40341基本公式40342内置式转子“磁桥”的应力计算41343“磁桥”应力的有限元分析42总结与体会44致谢45参考文献46论文翻译47第1章绪论本章主要是对研究课题的背景进行简要的介绍。同时对本课题的主要研究内容和要求做了简要介绍。11用于电动汽车的驱动电机电动汽车的关键问题是一次充电续航里程和价格，在目前车载蓄电池技术未能突破的前提下，缓解这一关键问题的主要因素是电动汽车的驱动系统。目前，电动汽车的驱动电机主要有直流电动机、开关磁阻电动机、异步电动机、无刷直流电动机和永磁同步电动机PMSM，其中永磁同步电机具有功率密度大，效率高，体积小，惯性低，响应快等优点，是电动汽车驱动的理想选择，有很好的应用前景。以下是几种主要驱动电机的优缺点简介1直流电动机电动汽车驱动电机最早采用了直流电动机，其特点是成本低、控制简单、调速方便。直流电动机通过脉宽调制技术改变供给直流电动机的端电压来控制电机的转矩和转速。直流电动机的电刷和换向器限制了电机转速的进一步提高，换向时产生的火花对电动汽车控制系统所造成的干扰影响也非常大。近年来，随着电力电子技术的迅速发展和交流电动机调速技术的逐步成熟，直流电动机在电动汽车上的应用已越来越少，取而代之的是交流电动机。2开关磁阻电动机由于开关磁阻电动机的转子上没有绕组、滑环和永磁体等，只是在定子上装有集中绕组，因而开关磁阻电动机的结构比其它任何一种电动机都简单，具有较高的可靠性。另外开关磁阻电动机在很宽的范围内都能够保持高效率，调速范围宽，控制灵活。因此开关磁阻电动机比较符合电动汽车对驱动电机的要求。由于开关磁阻电动机为双凸极结构，不可避免地存在转矩波动，导致噪声成为开关磁阻电动机最主要的缺点。其次，由于开关磁阻电动机输出转矩波动较大，功率变换器的直流电流波动也较大，所以在直流母线上需要放置一个很大的滤波电容。3异步电动机异步电动机具有结构简单、可靠性高，控制技术相对成熟等优点。异步电动机的控制方法主要有恒压频比控制、矢量控制和直接转矩控制等。恒压频比控制的优点是控制方法简单，转速的改变可以通过控制电源频率实现；其缺点是动态性能不好，在突加负载或转速给定突变时容易发生失步现象。矢量控制的调速范围宽，可以对转矩实行精确控制，从零速起对转速进行控制。直接转矩控制的控制方法比矢量控制简单，系统动态响应速度快；但控制精度不如矢量控制高。目前异步电动机系统在电动汽车上应用存在的问题是功率密度较低，低速性能不好，容易发热，电机参数及负载的变化对其有较大的影响。4无刷直流电动机无刷直流电动机BLDC系统的优点是功率密度大，控制方法简单，效率高。其缺点是换相时电流难以达到理想状况，所以会造成一定程度的转矩脉动及振动噪声，但对应用于对转速精度要求不高的电动汽车驱动不成问题。因此，BLDC系统在电动汽车驱动领域得到了广泛的重视。BLDC不需要换向器和电刷，而是由逆变器和位置检测器组成电子换相器。BLDC系统常采用PWM控制，控制系统由桥式变换器、位置传感器和方波永磁无刷直流电机等几部分组成。5永磁同步电动机PMSM具有控制精度高、转矩密度高、噪声低等优点。通过合理设计永磁磁路能获得较好的弱磁性能，使得PMSM在电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，已受到国内外电动汽车界的高度重视，并己在日本得到了普遍应用。永磁同步电动机被认为是最具竞争力的电动汽车驱动电机。PMSM的控制方法与异步电动机基本相同，主要有恒压频比控制、矢量控制和直接转矩控制。12永磁同步电动机在电动汽车中的广泛应用121丰田PRIUS、本田ACCORD的基本情况日本混合动力汽车采用重度混合（STRONGHYBRID，或称FULLHYBRID），即串并联混合动力方案，传动结构极其复杂，电力线也很粗壮，引擎室塞得满满的；而本田公司的ACCORD混合动力汽车则采用中度混合（MILDHYBRID），即并联混合动力方案，发动机与电动机同轴，传动结构简单，与普通汽车引擎室差别不大，两款混合动力汽车的传动结构及其控制可谓是简单对复杂。美国能源部发布的实测燃油消耗数据，PRIUS（发动机15升）在城市路况下的百公里油耗仅47升，而高速路况下的油耗也仅55升，堪称节油之王，它是唯一一款在城市路况下油耗低于高速路况油耗的轿车。据本田厂方数据，ACCORD混合动力汽车在城市路况下百公里综合油耗仅为81升，这对于一台30升6缸引擎来说已经相当不易了。PRIUS配置了一款50KW大马力的永磁同步电动机。ACCORD用了一款124KW小马力超薄型盘式永磁同步电动机。表11给出了PRIUS与ACCORD永磁同步电机基本参数、功能、结构特点和冷却方式等信息。表11PRIUS与ACCORD永磁同步电机相关数据ACCORD电机PRIUS电机基本参数逆变器电压144V,最大功率124KW,最大转矩136NM，最高转速6000R/M。逆变器电压200500V，最大功率50KW,最大转矩400NM，最高转速6700R/M。功能加速助力；低速巡航时单独驱动汽车；发电功能,对蓄电池充电。电机可单独驱动汽车,或助力；发电功能,对蓄电池充电。结构特点16极/24槽配合组合定子铁心结构,Q05分数槽集中绕组埋入式V形结构转子。8极/48槽配合；普通定子铁心结构,整数槽单层分布绕组内置式V形结构转子。冷却方式强迫式风冷。强冷却,即电机外部水冷,电机内部乙二醇循环冷却。122丰田PRIUS电机结构及制造工艺丰田PRIUS永磁同步电动机采用普通定子铁心结构，内置式V形结构转子，8极/48槽配合，Q2整数槽单层分布式绕组。（1）定子铁心PRIUS电机采用普通定子铁心结构，只是槽窄而深，从冲片制造方面来看，可用普通冲床冲片，与普通电机铁心制造程序相同，工艺比较成熟，可以缩短产品开发时间。但普通定子铁心硅钢片的套裁率不高，材料浪费比较大。（2）定子单层分布绕组PRIUS电机没有采用中大功率交流电机常用的双层短距分布绕组，而是选择了较易下线的单层分布绕组。为了增加电枢电流的调磁能力，与普通电机相比，PRIUS电机定子槽窄而深，而且槽口宽只有193MM，加上所设计绕组的曹满率达80，因此，PRIUS电机定子绕组只能采用人工下线，生产效率会比较低，下线成本也会比较高，增加了电机制造成本；另一方面，分布绕组端部引线也比较长，绕组用铜增加，PRIUS电机绕组重715KG，两者相差一倍多；此外，线圈端部需要绑扎，引出线比较麻烦，线圈端部也不整齐美观。（3）转子铁心PRIUS转子铁心制造以及磁钢的装配工艺比较简单。转子铁心内置磁钢，两端部有非导磁材料，制作的压板。端部压板一方面能防止磁钢轴向窜动，磁钢紧固性很好，可适应转子高速西安转的要求，同时也是电机内的一个冷却机构。123本田ACCORD电机结构及制造工艺本田ACCORD电机采用组合定子铁心结构，磁钢内置式大角度V形（接近一字型）转子结构，16极/24槽配合，Q05分数槽集中绕组。（1）组合定子铁心采用组合定子铁心结构式本田ACCORD永磁同步电机的一大特色。从INSIGHT永磁同步电机开始，组合定子铁心结构基本没有变化。组合定子铁心的好处有一是组合定子铁心冲片可用高速冲床冲片，并自动叠装成型；二十组合定子铁心硅钢片的套裁率高，极大节省材料；三是可用机器绕线。当然，组合定子铁心结构需要制造高速自扣冲模，其模具成本比普通冲模高；此外，采用组合定子铁心结构，要设计合理的冲片公差配合，以保证铁心的装配精度和装配效率。（2）定子集中绕组组合定子铁心由24块T形小铁心组成，每块T形小铁心齿上绕制集中绕组再拼装成完整铁心。ACCORD电机集中绕组的优点是，首先可用简易绕线机绕线，生产效率大幅提高，节省下线及电机制造成本；其次，集中绕组降低了绕组端部高度，使电机轴向长度仅68MM，便于电机在狭小引擎室内的安装；第三，集中绕组大大缩短了线圈端部的长度，节省漆包线；第四，在一个公共空间里焊接各线圈的引出线，线圈端部排列整齐、美观。（3）转子铁心本田INSIGHT磁钢是贴在电机转子表面的，ACCORD电机转子铁心则为内置式磁钢，轴向两端部有导磁材料制作的压板,其作用仅是防止磁钢轴向窜动。PRIUS电机每极两片磁钢之间为空气隔磁，而ACCORD电机每极两片磁钢之间有磁桥，采用磁桥结构一方面可以增加转子铁心的机械强度，另一方面也可能增大电枢电流的调磁能力，此外，也能降低磁钢的涡流损耗。ACCORD电机转子制造工艺与PRIUS电机大体相同。13毕业设计的主要内容及要求本课题采用场路结合的设计方法研究并设计了一台50KW电动汽车驱动用永磁同步电动机。运用电磁场仿真软件ANSOFTRMXPRT完成对永磁同步电动机的优化设计。首先用该软件中的磁路法设计软件RMXPRT在确定电机定转子的大体结构，绕组形式后，利用磁路计算的快速性的优势，排除性能较差的结构尺寸，尽可能缩小供有限元方法计算的电机尺寸范围，然后再用其中的有限元分析软件MAXWELL2D对RMXPRT的计算结果进行校验，修正电机设计参数，最后结合两者的结果完成电机的设计。要求1学习永磁同步电动机结构、原理与特性以及ANSOFT等软件的使用；2学习电动汽车新型永磁驱动电机的场路结合设计方法；3进行50KW永磁同步电动机电磁设计；4进行50KW永磁同步电动机参数计算；5按学校规定完成毕业设计论文。第2章永磁同步电动机的电磁设计本章主要介绍运用磁路法设计软件RMXPRT对若干预选方案进行快速的优化设计，并最终确定最佳方案。21永磁同步电动机的结构、原理与特性211永磁同步电动机的结构永磁同步电动机的结构永磁同步电动机的转子结构分为内转子和外转子结构。本文主要讨论内转子结构。就内转子结构而言，又可分为表面式，内置式和爪极式。这里主要对内置式转子结构做详细的介绍。内置式转子结构内置式转子磁路结构的永磁体位于转子铁心内部，永磁体表面有有铁磁材料制成的极靴，其优点是可以在极靴中放置铜条，增加阻尼或起动性能，动稳态性能好。应用于自起动永磁同步电动机。同时永磁体受极靴的保护，即使定子馈入大电流情况下，也不易产生不可逆失磁；转子磁路的不对称，导致交直轴同步电抗不同，有利于增大磁阻转矩，提高电机的性能，提高电机功率密度，而且易于弱速扩速，缺点是漏磁系数较表面式转子结构大。按永磁体的充磁方向，内置式转子结构，又可分为切向式、混合式和径向式三种。1切向式切向式转子结构的永磁体的磁化方向与气隙磁通轴线接近垂直且离气隙较远，其漏磁比轴向式结构、径向式结构要大。但是，在切向式结构中永磁体并联激磁，有两个永磁体截面提供磁通，可提高气隙磁密，尤其在极数较多的情况下更为突出。因此适用于极极多且要求气隙磁密高的永磁同步发电机。（2）混合式该结构集中了径向式与切向式的优点，但结构较为复杂，制造成本高。（3）径向式径向式转子磁路结构中永磁体的磁化方向与气隙磁通轴线一致且离气隙较近，漏磁系数较切向式结构小。在一对极磁路中有两个永磁体提供磁动势，仅有一个永磁体截面提供每极磁通，故气隙磁密相对较低。该结构的优点是漏磁系数小，转轴上不需采用隔磁措施，可设计合理的极弧系数，转子冲片机械强度高、永磁体易于固定，不易变形等。212永磁同步电动机的工作原理永磁同步电动机属于异步启动永磁同步电动机，其磁场系统由一个或多个永磁体组成，通常是在用铸铝或铜条焊接而成的笼型转子的内部，按所需的极数装镶有永磁体的磁极。定子结构与异步电动机类似。当定子绕组接通电源后，电动机以异步电动机原理起动动转，加速运转至同步转速时，由转子永磁磁场和定子磁场产生的同步电磁转矩（由转子永磁磁场产生的电磁转矩与定子磁场产生的磁阻转矩合成）将转子牵入同步，电动机进入同步运行。永磁同步电机的定子为三相对称绕组，与三相异步电动机结构相同。转子上粘有钕铁硼（NDFEB）磁钢。驱动器为交直交电压型逆变器，通过正弦波脉宽调制（SPWM）输出频率、电压可变的三相正弦波电压。三相正弦波电压在定子三相绕组中产生对称三相正弦波电流，并在气隙中产生旋转磁场。旋转磁场的角速度12F/P其中P为电动机对数。这个旋转磁场与已充磁的磁极作用，带动转子与旋转磁场同步旋转并使定、转子磁场轴线对齐。当外加负载转矩以后，转子磁场轴线将落后定子磁场轴线一个功率角，负载愈大，也愈大，直到一个极限角度，电动机失步为止。由此可见同步电动机在运行中，要么转速M与频率严格成比例旋转，否则就失步停转。所以，它的转速与旋转磁场同步，它的静态误差为零；在负载扰动下，只是功率角变化，而不引起转速变化，它的响应时间是实时的。这是其它调速系统做不到的。但是，因为它存在失步问题，所以它不适合用于重载下运行。又由于它只能在频率渐升情况下才能启动，所以也不适于快速启动。213永磁同步电动机的工作特性永磁同步电动机具有一些其它结构电机所没有的特点。主要有（1）转矩纹波小，转速平稳，动态响应快速准确，过载能力强。比异步电动机对电压和转矩的扰动具有更强的承受能力，能做出比较快的反应。永磁同步电动机的最大转矩可以达到额定转矩的3倍以上。对电机系统在负载转矩变化较大的工况下稳定运行非常有利。（2）高功率因数、高效率。电动机与异步电动机相比，不需要通过定子来励磁，以致能提高功率因数，减小定子电流和定子铜耗。进而可以因总损耗降低而减小风扇容量甚至去掉风扇。从而减小风磨损耗。这样，他的效率比同规格的异步电动机可以提高28个百分点。与电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机省去了励磁功率，提高了效率。而且，永磁同步电动机在25120固定负载范围内可以保持较高的功率因数和效率，使轻载运行时节能效果更为显著，在长期的使用中可以大幅度地节省电能。3体积小、重量轻近些年来随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电动机的功率密度得到很大的提高，比起同容量的异步电动机来，体积和重量都有较大的减小，从而使其在许多特殊的场合中都得到了应用。4结构多样化，应用范围广永磁同步电动机由于转子结构极其多样，产生了特点和性能各异的许许多多的品种，从工业到农业，从民用到国防，从日常生活到航空航天，从简单电动工具到高科技的产品，几乎无所不能。（5）可靠性高与直流电动机和电励磁同步电动机相比，它没有电刷，简化了结构，增加了可靠性。对于正弦波永磁同步电动机，由于其空载气隙磁通密度空间分布接近正弦形，减少了气隙磁场的谐波分量，从而减少了由谐波磁场引起的各种损耗和谐波转矩以及由谐波转矩引起的电磁振动，提高了电机的效率，并使得电机在运行时转动更加平稳，噪声也得到了降低。22RMXPRT软件简介RMXPRT是基于磁路法的旋转电机专业设计软件，能加快电机的设计和优化过程。通过RMXPRT，用户能快速地对成百上千种设计方案进行评估，并可对预选方案进行优化设计。RMXPRT能分析的电机包括1三相感应电动机2单相感应电动机3三相同步电动机和发电机4永磁直流无刷电机5永磁同步电动机和发电机6永磁直流电动机7开关磁阻电动机8自启动永磁同步电动机9通用电动机10普通直流电动机和发电机11爪极交流发电机当用户在RMXPRT中开始一个新的设计时，需要先选择一种电机类型，然后输入相关的设计方案，每一种设计可以添加多个计算方案，对每一个计算方案都要设置求解及输出项（如额定输出功率）。用户可以将一些设计参数定义为变量，然后通过参数分析或优化来求得一个更好的设计方案。RMXPRT完成设计后，用户可以通过下列方式来查看分析结果1查看计算单2查看预定义输出变量值3创建MAXWELL2D/3D或SIMPLORER的分析模型4创建个性化的计算单图21描述了RMXPRT的基本设计流程图21RMXPRT的基本设计流程进入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性能曲线建立SIMPLORER系数仿真电机模型建立MAXWELL2D/3D有限元分析模型23永磁同步电动机设计过程与结果231电机设计的任务和主要内容设计的任务是根据用户提出的产品规格（如功率、电压、转速等）、技术要求（如效率、参数、温升限度等），结合国家的相关标准和生产工艺情况，运用有关的理论和计算方法，设计出性能好、体积小、结构简单、运行可靠、制造和维护方便的产品。电机设计可分为电磁设计与结构设计，结构设计通常在电磁设计之后，但有时也和电磁设计平行交叉地进行，以使相互调整。永磁同步电动机的设计不能只考虑单一转速或单一转矩的要求，其设计过程势必是一个多目标优化的过程，设计者应根据电机的技术指标对电机的各种设计参数进行折中选择，以满足电机的多目标要求。对电动汽车驱动的使用环境，调速永磁电机无论从结构还是性能上都要有特殊的要求，具体考虑如下（1）效率高，损耗低减低电源载重量，增加整车的续航里程；（2）高转矩体积比减小整车重量，节约成本；（3）大的单位电流转矩，宽转速运行范围减小逆变器成本；（4）小转矩纹波保证驾乘者的舒适性和平稳性；（5）低速大转矩提高整车高加速性能；（6）高速大功率保证高速运行性能。232电机电磁设计注意事项（1）电机铁心的磁通密度不宜过高或过低当铁心材料、频率及硅钢片厚度一定时铁损耗决定于磁通密度的大小。磁通密度过高，使铁耗增加，电机效率降低，铁心发热使电机温升增高。并由于励磁安匝增加，电机功率因数降低。所以铁心的磁通密度不宜过高,尽量避免用在磁化曲线的过饱和段。小型电机一般不超过155T。磁通密度过低则使电机材料用量增加，成车提高。（2）电机线圈的电流密度不宜过大或过小电机线圈具有一定电阻，当电流通过线圈时就产生损耗，使电机效率降低，绕组温度升高。电机设计时希望减小电阻，以减少损耗，降低温升，提高效率。降低电流密度，增加导线截面积可以减小电阻，但会导致线圈材料用量增加。由于槽面积的加大，引起铁心磁密增加，使电机的励磁电流及铁损耗增加。所以电流密度的选择要全面考虑电机性能。电流密度一般选用37A/。对于2M大电机及封闭式电机取小值，对于小电机及开启式电机则取大值。（3）电机的槽满率不宜过高或过低所谓槽满率是指槽内导线的面积和槽有效面积之比。槽满率大,表示槽内填充紧密，槽满率小，表示槽内填充松散。就电机用料的充分利用和运行性能来说，槽辨率高为好。但过高会使嵌线困难，劳动量及工时增加，容易损伤绝缘。槽满率过低，电机运行时导线在槽内松动，易损坏绝缘，此外，槽内空隙多，由于空气导热差，影响线圈的散热，使电机温升增高。槽满率一般取7578，不大于80。（4）槽形边缘不要有尖角槽形的设计应考虑便于冲模的制造。冲模淬火时，凹槽尖角处常因应力集中而产生裂纹。园角还有助于延长冲模寿命。槽形设计其边缘处应尽量采用圆角，圆角半径应不小于1MM。（5）电机槽形的设计尽可能选用平行齿梯形槽硅钢片工作在磁化曲线的饱和段，单位长度励磁消耗的安匝数随磁通密度的增加而大量增加。为了合理充分利用电机内部空间，电机设计时总是使硅钢片比较饱和。如果采用梯形齿，则齿的窄部由于磁通密度大，励磁安匝数大量增加，电机的功率因数降低。如果采用平行齿则沿齿部长度内磁通密度均匀，励磁消耗的安匝数大为减少。（6）尽量用圆底槽代替平底槽圆底槽的优点A、圆底槽能改善导线的填充情况，槽绝缘不易损坏，在槽满率相同的情况下，圆底槽嵌线比平底槽容易。B、转子铸铝时，圆底槽比平底槽铝水填充情况好。C、圆底槽比平底槽便于模具制造。7电机铁心槽口宽度不宜过大电机槽口太小，下线困难。电机槽口太大，使气隙磁通分布不均，齿谐波增大，附加损耗增加。半闭口槽的槽口宽度一般为23根导线的直径，约为35MM。低压成形线圈采用槽内四个元件边的半开口槽结构，使其槽口宽度减少为槽宽的一半。8定子槽数不要太多或太少定子槽数多，磁动势、电动势波形好，附加损耗小，电机效率高。槽数多，还使线圈和铁心的接触面积增加，线圈散热好，温升低。但槽数多，铁心齿部过窄，冲压变形大，工艺性差。槽数多还使模具制造成本增加，有关电机设计的问题，线圈制造及下线工时增加，一般说来定子槽数多、电机性能好，但成本高。一般异步电动机每极每相槽散Q2。9避免选用过大或过小的气隙气隙是指电机定子和转子间的空隙。气隙大小对电机性能及制造工艺有很大的影响。气隙大，磁阻大，励磁安匝数多，使电机励磁电流增大，电机功率因数降低。但气隙大使谐波磁场减弱，电机的附加损耗降低。气隙大，对电机零部件的同轴度及装配精度的要求降低；气隙过小，则容易引起定转子扫膛，以及由于附加损耗增加而使电机效率降低。233场路结合的电磁设计电机电磁设计所涉及的参数较多，但主要是电磁负荷的设计，对于电动汽车驱动电机电磁负荷的选取原则前面已做了较为详细的阐述。永磁电机的磁路结构的特殊性使得磁路的电磁计算不准确，直接采用电磁数值分析的方法存在较多的前后处理过程，繁琐而费时。本文采用场路结合的设计方法，流程图如下图22，磁路法计算（RMXPT）的任务是在确定电机定转子的大体结构，绕组形式后，利用磁路计算的快速性的优势，排除性能较差的结构尺寸，尽可能缩小供有限元方法计算的电机尺寸范围，有限元电磁场计算（MAXWELL的任务是校验RMXPT的计算结果，修正电机设计参数。利用修正后的参数，并依据同步电机双反应理论评估电机性能，若不满足要求则需要根据总体设计时所分析的电磁负荷取值的要求，重新选取电磁负荷，选取电机尺寸，修改电磁设计方案。NY图22场路结合设计流程图234若干方案的提出及最佳方案的确定下面给出参考丰田PRUIS2004电机设计方案的主要参数如下初定电机尺寸，转速N，电压U等磁路法计算（RMXPT）性能满足要求吗完成设计重新选取电机尺寸交直轴同步电感，电磁负荷等初定电机尺寸，转速，电压等磁路法计算（RMXPRT）重新选取电机尺寸交直轴同步电感，电磁负荷等功率50KW、频率50HZ、电压290V、定子槽数48、定子外径269MM、定子内径1619MM、硅钢片材料为DW310_35、叠压系数095、铁心长度84、转子外径1605MM、转子内径111MM、永磁体材料NDEF31、永磁体厚度为8MM、每槽导体数为8，极弧系数为05。具体设置如下（1）基本参数设计图23基本参数（2）定子内外径和槽型设计图24定子内外径和槽型设计（3）转子内外径和磁极设计图25转子内外径和磁极设计（4）磁钢的设计图26磁钢的设计根据本课题的相关要求，在这里我们提出几种常见不同极槽配合的方案三个，它们分别为8极36槽、8极48槽以及8极60槽。应用RMXPT进行基本的电磁计算并对输出性能曲线作比较，其结果如下（1）8极36槽00020004000600080001000012000140001600018000TORQUEANGLE0ELECDEGREES000200040006000800010000EFFICIENCYANSOFTCURVEINFOEFFICIENCY图27效率与转矩角关系曲线00020004000600080001000012000140001600018000TORQUEANGLE0ELECDEGREES00012500002500000375000050000006250000POWERWANSOFTCURVEINFOOUTPUTPOWER图28输出功率与转矩角关系曲线（2）8极48槽00020004000600080001000012000140001600018000TORQUEANGLE0ELECDEGREES000200040006000800010000EFFICIENCYANSOFTCURVEINFOEFFICIENCY图29输出功率与转矩角关系曲线00020004000600080001000012000140001600018000TORQUEANGLE0ELECDEGREES000100000020000003000000400000050000006000000POWERWANSOFTCURVEINFOOUTPUTPOWER图210输出功率与转矩角关系曲线（3）8极60槽00020004000600080001000012000140001600018000TORQUEANGLE0ELECDEGREES000200040006000800010000EFFICIENCYANSOFTCURVEINFOEFFICIENCY图211输出功率与转矩角关系曲线00020004000600080001000012000140001600018000TORQUEANGLE0ELECDEGREES0001000000200000030000004000000POWERWANSOFTCURVEINFOOUTPUTPOWER图212输出功率与转矩角关系曲线在以上方案中重点的关心性能指标为效率、输出功率以及额定转矩，具体数据见下表。表21效率额定转矩（NM）8极36槽9265198948极48槽9519198958极60槽9396199通过比较，8极36槽方案效率为9265，作为永磁同步电动机来说，该值偏低，8极60槽方案效率也不够高，只有9396，所以综合考虑，我们选择8极48槽方案为最终方案。24永磁同步电动机的优化设计在上节电机主要尺寸基本确定以后，我们以永磁同步电动机的极弧系数和永磁体厚度作为优化变量，以气隙磁密、齿槽转矩和永磁体面积作为优化目标，以得到更优方案。经过RMXPRT后处理计算，永磁体面积为288。以该方案的极弧系数2M和永磁体厚度作为优化变量，初始值变化范围05POLEEMBRACE07755MAGNETTHICKNESS95运用RMXPRT优化功能进行计算，利用RMXPRT后处理功能，得到优化后的齿槽转矩波形图25和气隙磁密波形图26，优化后平均气隙磁密、齿槽转矩和永磁体面积数值如表22。000125002500037500AIRGAPPOSITIONELECDEGREES100050000050100TORQUENMANSOFTCURVEINFOCOGGINGTORQUE图213000125002500037500AIRGAPPOSITIONELECDEGREES075050025000025050075FLUXDENSITYTANSOFTCURVEINFOAIRGAPFLUXDENSITY图214表22优化前优化后齿槽转矩NM2855095永磁体面积2M288216通过比较，可以明显的看到优化后的齿槽转矩有了明显的下降。表22表明永磁体面积也有了明显的下降，节省了材料，降低了成本，优化效果明显。第3章永磁同步电动机的仿真分析在混合动力汽车的开发方面，日本丰田公司PRIUS永磁同步电动机引起了业界的关注，本章以丰田PRIUS为参照，重点讨论采用基于ANSOFT软件的磁场分析有限元方法，通过对电机空载、负载静磁场以及动态性能的仿真，给出直轴与交轴电枢反应电感、直轴与交轴同步电感、铁耗与电磁转矩的计算过程和结果，同时与实验结果相比较并分析产生误差的原因，最后给出电枢绕组同步电感的计算公式和结果。31永磁同步电动机空载磁场的有限元分析下图分别给出了PRIUS电机空载磁场分布，空载气隙磁密分布曲线，空载气隙磁密傅里叶分析曲线和空载气隙磁密频谱分析结果。0020040060080010012001400DISTANCEM07505002500025050075BRMAXWEL2DESIGN1XYPLOT2ANSOFTCURVEINFOBRSETUP1LASTADAPTIVE图31电机空载磁场分布图32电机空载气隙磁密分布0204060801001201400806040200204060813579111300102030405060708图33空载气隙磁密傅里叶分析图34空载气隙磁密频谱分析由上图得到。TB780132基于有限元的永磁同步电动机同步电感参数计算永磁同步电动机参数包括直轴和交轴电枢反应电感、永磁磁链和绕组电阻等，对于电机设计和分析控制都十分重要。普通电励磁同步电动机参数计算比较成熟，由于永磁体的存在，永磁同步电动机参数，特别是同步电感的计算就相对困难一点。在这里直轴同步电感ADDL，交轴同步电感AQQL，式中，为一相绕组的漏阻感，为直轴电枢反应电感，A为交轴电枢反应电感，所以我们首先介绍交、直轴电枢反应电感的有限元计算，然后介绍漏电感与同步电感的计算。321永磁同步电动机直轴电枢反应电感的有限元计算直轴电枢反应电感DAADIEXL（31）式中，ADX为直轴电枢反应电抗，为电流的角频率，ADE为直轴电枢反应电动势，I为直轴电流的有效值。当0QI，DI，电枢电流产生的电枢磁场与永磁极磁场方向完全相反，电枢磁场起纯粹的去磁作用，此时的直轴电枢反应电动势DADE0DNFK0121DBLF（32）式中，0E为电机的空载电动势，DE为直轴电流纯粹去磁时的电枢电动势，F为电流频率，N、1K分别为一相绕组的串联匝数和基波绕组系数，01B为电机空载气隙基波磁密，为与对应的每极磁通量，为电机电枢电流纯粹去磁时气隙基波磁密，为与对应的每极磁通，为极距，为定子铁芯有效长度。PRIUS电机采用单层绕组，一相的串联匝数APQNY（33）式中，P为极对数，Q为每极每相槽数，Y为线圈匝数，为并联支路数。单层绕组的基波绕组系数为2SIN11QKN（34）式中，1QK基波绕组分布系数，1为槽距电角度。将（32）代入（31），得直轴电枢反应电感计算公式DQADIBLNKL1012（35）基于以上原理，应用ANSOFT软件，计算直轴电枢反应电感的步骤如下第一步建立PRIUS电机空载仿真模型，计算出电机空载气隙磁密分布波形FB0对其进行傅立叶分析，找出基波磁密幅值10B；第二步建立PRIUS电机电枢电流纯粹去磁时的仿真模型，计算出气隙磁密分布波形FD，对其进行傅立叶分析，找出基波磁密幅值1D；第三步按（35）式计算电枢反应电感ADL；第四步给出不同的去磁电流DI，重复第二、三步，计算出DAIFL。1当纯粹去磁时电机磁场分布、气隙磁密分布、气隙磁密傅里叶AID3分析和气隙磁密频谱分析结果如下图。0020040060080010012001400DISTANCEM100750500250002505007510BRMAXWEL2DESIGN3AXYPLOT1ANSOFTCURVEINFOBRSETUP1LASTADAPTIVE图35电机磁场分布图36电机气隙磁密分布02040608010012014015105005115135791113001020304050607图37气隙磁密傅里叶分析图38气隙磁密频谱分析由上图得到。TBD54012当纯粹去磁时电机磁场分布、气隙磁密分布、气隙磁密傅里叶AID42分析和气隙磁密频谱分析结果如下图。0020040060080010012001400DISTANCEM12506300063125BRMAXWEL2DESIGN42AXYPLOT1ANSOFTCURVEINFOBRSETUP1LASTADAPTIVE图39电机磁场分布图310电机气隙磁密分布0204060801001201401510500511513579111300050101502025030350404505图311气隙磁密傅里叶分析图312气隙磁密频谱分析由上图得到。TBD49013当纯粹去磁时电机磁场分布、气隙磁密分布、气隙磁密傅里叶AID52分析和气隙磁密频谱分析结果如下图。0020040060080010012001400DISTANCEM12506300063125BRMAXWEL2DESIGN52AXYPLOT1ANSOFTCURVEINFOBRSETUP1LASTADAPTIVE图313电机磁场分布图314电机气隙磁密分布02040608010012014015105005115135791113000501015020250303504045图315气隙磁密傅里叶分析图316气隙磁密频谱分析由上图得到。TBD43014当纯粹去磁时电机磁场分布、气隙磁密分布、气隙磁密傅里叶AID61分析和气隙磁密频谱分析结果如下图。0020040060080010012001400DISTANCEM12506300063125BRMAXWEL2DESIGN61AXYPLOT1ANSOFTCURVEINFOBRSETUP1LASTADAPTIVE图317电机磁场分布图318电机气隙磁密分布02040608010012014015105005115135791113000501015020250303504045图319气隙磁密傅里叶分析图320气隙磁密频谱分析由上图得到。TBD3701根据式（35）计算出时的直轴电枢反应电感AID3DQADIBLNKL1012同样方法计算出不同直轴电流时的直轴电枢反应电感，并且与实验结DIADL果进行比较，其比较结果见表31。表31（A）DI33425261实验结果（MH）AL120117114112（A）DI33425261仿真结果MHA120114111110由上表对比可以看出仿真结果与实验结果基本一致。322永磁同步电动机交轴电枢反应电感的有限元计算交轴电枢反应电感QAAQIEXLAQQFNKI14（36）式中，AQX为交轴电枢反应电抗，AE为交轴电枢反应电动势，QI为交轴直流的有效值，为与交轴电枢反应电动势对应的每极磁通。交轴电枢反应每极磁通LBAQAQ12（37）将（37）式代入（36）式，得交轴电枢反应电感计算公式QAAQILNKL12（38）当0DI，QI，电枢电流产生的电枢磁场与永磁极磁场方向正交。直轴去磁电流对同步电机交磁磁路的饱和程度有很多影响。因此，在计算交轴电枢反应电感时必须考虑这一因素。考虑的原则是，使等效交轴状态的励磁电动势0E与等效直轴状态的直轴电动势DE相等，从而使磁场饱和程度相同。具体方法是，通过修改等效交轴状态下永磁体的剩磁RB和矫顽力CH，使等效交轴状态励磁电动势所对应的气隙磁通密度基波与等效直轴状态电动势所对应的气隙磁通密度1DB相等。基于以上原理，应用ANSOFT软件，计算交轴电枢反应电感的步骤如下第一步按计算直轴同步电感的第一和第二步求出直轴电流去磁时的气隙磁通密度1DB；第二步根据气隙磁通密度1DB修改永磁体的剩磁RB和矫顽力CH，建立电机空载仿真模型并仿真，使其空载基波磁密与1D相等，得到此时的FB；第三步建立PRIUS电机通入交轴电流时的仿真模型，计算此时的气隙磁密分布波形FBQ；第四步根据和FBQ求出交轴电枢反应磁密FBAQ，对其傅里立叶分析，找出基波幅值1A；第五步按（38）式计算交轴电枢反应电感ADL；第六步给出不同的交轴电流DI，重复一五步，计算出DAQIFL。1根据直轴电流去磁时的气隙磁通密度修改磁钢参数，AID3TBD5401建模并做空载磁场仿真，仿真结果及傅里叶分析见图，得空载气隙磁密波形（图中绿色曲线），其基波磁密幅值为054T左右。FB当模型中通入交轴电流并仿真时，仿真结果及傅里叶分析见图AIQ3115、116、117，得交轴状态下气隙磁密波形（图119中蓝色曲线），FBQ基波磁密幅值为117T；根据曲线和曲线分离出交轴电枢反应气隙磁密波形FBFBQ（图119中红色曲线），其基波磁密幅值。FAQTAQ021020406080100120140080604020020406图321修改磁钢参数后的空载气隙磁密图32233A交轴电流磁场分布图0020040060080010012001400DISTANCEM150100500005010150BRMAXWEL2DESIGNKZXYPLOT1ANSOFTCURVEINFOBRSETUP1LASTADAPTIVE02040608010012014015105005115图323通入交轴电流时气隙磁密波形图图324气隙磁密波形的傅里叶分析1357911130020406081121402004006008001000120015105005115图325气隙磁密频谱法分析图326交轴电枢反应磁密波形2根据直轴电流去磁时的气隙磁通密度修改磁钢参数，AID42TBD91建模并做空载磁场仿真，仿真结果及傅里叶分析见图，得空载气隙磁密波形（图中绿色曲线），其基波磁密幅值为049T左右。FB当模型中通入交轴电流并仿真时，仿真结果及傅里叶分析见图AIQ42115、116、117，得交轴状态下气隙磁密波形（图119中蓝色曲线），FBQ基波磁密幅值为130T；根据曲线和曲线分离出交轴电枢反应气隙磁密波形FBFBQ（图119中红色曲线），其基波磁密幅值。FAQTAQ18020406080100120140050403020100102030405图327修改磁钢参数后的空载气隙磁密图32842A交轴电流磁场分布图0020040060080010012001400DISTANCEM150100500005010150BRMAXWEL2DESIGN42AXYPLOT1ANSOFTCURVEINFOBRSETUP1LASTADAPTIVE02040608010012014015105005115图329通入交轴电流时气隙磁密波形图图330气隙磁密波形的傅里叶分析1357911130020406081121402004006008001000120015105005115图331气隙磁密频谱法分析图332交轴电枢反应磁密波形3根据直轴电流去磁时的气隙磁通密度修改磁钢参数，AID52TBD4301建模并做空载磁场仿真，仿真结果及傅里叶分析见图，得空载气隙磁密波形（图中绿色曲线），其基波磁密幅值为043T左右。FB当模型中通入交轴电流并仿真时，仿真结果及傅里叶分析见图AIQ52115、116、117，得交轴状态下气隙磁密波形（图119中蓝色曲线），FBQ基波磁密幅值为140T；根据曲线和曲线分离出交轴电枢反应气隙磁密波形FBFQ（图119中红色曲线），其基波磁密幅值。FAQTAQ31020406080100120140050403020100102030405图333修改磁钢参数后的空载气隙磁密图33452A交轴电流磁场分布图002004006