电动汽车用永磁无刷直流电机的有限元分析

1、电动汽车车用永磁磁无刷直直流电机机的有限限元分析析华中科技技大学 张文娟娟 李朗朗如摘要：设计了了一种电电动汽车车用永磁磁无刷直直流电机机，采用用外转子子结构，其目的的是嵌在在汽车的的轮毂内内以实现现直接驱驱动，而而不需齿齿轮传动动装置，可以实实现低速速、高转转矩、高高效率、变速运运行。文文中着重重叙述用用Anssys软软件对该该种电机机的磁通通、磁感感应强度度以及转转矩进行行有限元元分析。关键词词：电动动汽车；永磁无无刷直流流电机；有限元元分析11引 言电动动汽车公公害少，节约石石油消耗耗，结构构简单，维修容容易，使使用寿命命长，受受到世界界各国的的青睐。永磁无无刷直流流电动机机与相同同功率

2、的的其他类类型的电电动机相相比，体体积小，质量轻轻，在质质量、效效率、价价格等方方面有相相当明显显优势，永磁无无刷电动动机没有有电刷和和滑环等等零件，结构更更简单，性能更更可靠，环境适适应性好好，更加加适合作作为电动动汽车的的驱动电电动机。由于一一般采用用方波供供电，在在相同的的峰值电电压和峰峰值电流流下，方方波电流流和方波波磁场相相互作用用产生的的转矩要要大，所所以永磁磁无刷电电动机可可以输出出较大的的电磁转转矩。随随着电子子技术与与控制技技术的迅迅速发展展，如果果将电动动机直接接安装在在汽车的的轮毂内内，通过过电气控控制实现现调速和和直接驱驱动（22轮或44轮），则汽车车内可以以省去复复杂

3、的齿齿轮变速速使动机机构，汽汽车结构构大为简简化，质质量大为为减轻。世界先先进国家家已将其其作为发发展方向向，开展展研究，有的国国家已研研制成样样机。但但是，由由于轮毂毂内径的的限制，永磁电电机的体体积受到到限制，而又要要产生较较高的转转矩，这这就给电电机的设设计带来来一定的的难度。而且，永磁无无刷直流流电机的的设计，既不能能简单地地套用永永磁同步步电动机机的方法法，也不不能简单单地套用用直流电电动机的的方法。要根据据特点，寻找一一种较为为准确的的设计方方法11。在在此，采采用了磁磁路计算算与磁场场分析相相结合的的设计方方法对三三相永磁磁无刷直直流电动动机进行行了研究究。电动动汽车控控制结构构

4、如图11所示2。2电机机电磁计计算根据据我们所所编制计计算程序序，对11台8kkW、112极外外转子无无刷直流流电机进进行了设设计计算算。2.1基基本输入入数据额额定输出出功率：PN8 0000WW额定转转速：nnN6685rrmiin电枢枢外径：Da0.331m电电枢内径径：D000.08mm槽数：Q445剩磁磁密度：Br1.005T矫矫顽力：Hc8000kAm相数数：m32.2计计算结果果2.22.1性能计计算定子子电流II1224.005A，电磁转转矩Tnn1112.333N.m，输输入功率率P186556.774W，反电势势E3349.70VV，实际际转速nn6777.220rminn

5、，效率率922.411。22.2.2绕绕组数据据线负荷荷：A=3111.111A/ccm电流流密度：J=66.866A/mmm2热负荷荷：AJJ=21134.21AA2/cmm*mmm22.22.3磁路计计算空载载点标么么值：bb000.9925 36，h0000.0744 644负载点点标么值值：bnn0.0844 1996，hhn00.1558 004每极极磁通：0.0044 3990 55Wb气气隙磁密密：B0.7677 6TT定子齿齿磁密：Bt221.7633 5TT定子轭轭磁密：Bj220.2577 1TT转子轭轭磁密：Bj110.8555 6TT2.22.4空载特特性曲线线空载特特

6、性曲线线如图22所示。2.2.5不不同负载载率的工工作特性性工作特特性如图图3所示示。3有限限元分析析ANSSYS程程序的电电磁能力力可用来来分析电电磁场多多方面问问题。AANSYYS程序序提供了了丰富的的线性和和非线性性材料的的表达方方式，包包括各向向同性或或正交各各向异性性的线性性磁导率率，材料料的BH曲线线和永磁磁体的退退磁曲线线。后处处理功能能允许用用户显示示磁力线线，并计计算磁通通密度和和磁场强强度、力力、力矩矩和其它它参数。本例中中应用22D静静态磁场场分析，采用矢矢量磁势势方法，模拟各各种饱和和磁性材材料和永永磁体。静态磁磁场分析析主要由由6个步步骤组成成：（11）建立立模型（2

7、）创创建物理理环境，赋予特特性（33）剖分分网格（4）加加边界条条件和载载荷（55）求解解（6）后处理理3.11在AANSYYS中创创建实体体模型将将计算结结果作为为建立模模型的输输入数据据。进入入前处理理（PRREP77）开始始建立模模型。利利用几何何元素和和布尔操操作生产产基本的的几何形形状。此此模型的的难点在在于槽的的复制，在柱坐坐标系下下转动工工作平面面后映射射即可。图4为为2DD模型示示意图。3.2创建物物理环境境，赋予予材料特特性3.2.11定义义单元类类型用表表1中所所示两种种单元均均可33。3.2.2 定定义材料料特性：一共用用到4种种材料，将模型型中不同同部分分分别赋予予不同

8、的的材料值值。（11）气隙隙与槽：空气，材料特特性：r（MMURXX）11（2）定子：DW446550，材料特特性：BBH曲曲线（33）转子子：100钢，材料特特性：BBH曲曲线（44）磁极极：永磁磁体，材材料特性性：r（MMURXX）11.055，Hcc（矫顽顽力矢量量）：MMGXXXMGYYY分别别依磁极极的具体体位置而而定，如如图2分分布的112个磁磁极矫顽顽力矢量量的X、Y分量量见表22。3.3剖分网网格选择择自由网网格划分分中的智智能划分分（Smmarttmessh），智能单单元的大大小可以以自由控控制。剖剖分结果果如图55所示。3.4加边界界和载荷荷一般，认为磁磁力线沿沿电机外外侧

9、表面面闭合，这条边边界属于于第一类类齐次边边界，很很多情况况下电机机轴的外外表面也也被取为为第一类类齐次边边界，赋赋值A0。永永磁电机机由永磁磁体作为为激励源源，通过过材料特特性中矫矫顽力设设置即可可，不必必另外加加激励。分析空空载情况况时，不不必加载载荷；分分析负载载情况时时，在槽槽内区域域加负载载电流。3.55求解解3进入到到求解器器Sollutiion，可以选选择下列列任何一一种求解解器：FFronntall，JCCG，IICCGG，PCCG求解解器，而而对于22D模模型，推推荐用波波前求解解器。当当进行非非线性电电磁场分分析时，ANSSYS计计算收敛敛准则，每次平平衡迭代代具有相相应的

10、收收敛标准准。在求求解进行行中，可可以打开开“图形求求解跟踪踪”。3.66后处处理进入入到通用用后处理理器POOST11，可观观察整个个模型或或模型的的一部分分在某一一时间上上针对特特定载荷荷组合时时的结果果，POOST11有许多多功能，包括从从简单的的图象显显示到复复杂的数数据列表表。3.6.11求解解后得到到的基本本数据是是磁矢量量的Z轴轴分量AAZ，由由AZ可可以得到到派生数数据44（11）计算算磁通根据斯斯托克斯斯定理可可得：通过曲面面a磁通通等于磁磁矢位沿沿这个面面的边界界线的闭闭合线积积分。这这通常比比用磁密密B计算算容易得得多。（2）计计算感应应电动势势（3）画画磁力线线二维磁磁

11、场的BB只有两两个分量量，比如如Bx、By，而A只只有一个个分量AAz，简简写为AA。在二二维场中中，磁力力线就是是等A线线。3.6.2映映射结果果到某一一路径上上POSST1的的一个最最有用、功能最最强的特特征是能能够映射射任何结结果数据据到模型型的任意意一条路路径上。这样一一来就可可以沿该该路径执执行许多多数学运运算和微微积分运运算，从从而得到到有意义义的计算算结果。有用的的附带好好处是，能以图图形或列列表方式式观察结结果项沿沿路径的的变化情情况。（1）定定义电机机中的气气隙为一一条路径径。（22）将磁磁感应强强度B的的径向分分量Brr映射到到路径上上。（33）沿路路径显示示数据，如图77

12、所示。3.6.3用用麦克斯斯韦应力力张量法法计算转转矩44麦克克斯韦应应力张量量法是由由电磁场场理论推推导出的的转矩计计算方法法。在二二维电磁磁场中，作用于于电机定定子或转转子上的的切向电电磁力密密度电磁磁转矩由由切向力力产生，如果沿沿半径为为r的圆圆周积分分，则电电磁转矩矩的表达达式为：Br，BB分别为为半径rr处气隙隙磁密的的径向和和切向分分量。44结语电磁磁场是电电机能量量传输的的核心，利用有有限元方方法对电电机电磁磁场参数数的分布布和大小小可进行行准确的的数值计计算，可可见ANNSYSS软件是是电机设设计的有有力辅助助工具。根据永永磁无刷刷直流电电机的工工作原理理和结构构特点，我们对对

13、其设计计方法进进行了研研究。编编写了永磁无无刷直流流电动机机设计程程序和和永磁磁无刷直直流电动动机电磁磁场数值值分析程程序，前一个个程序的的计算结结果作为为后一个个程序的的输入数数据，我我们取磁磁路计算算法速度度快的优优点，大大量的计计算（包包括优化化计算）都用磁磁路法进进行，磁磁场分析析法只用用于核算算电磁转转矩等参参数，计计算次数数较少，这样经经过两个个程序若若干次轮轮换计算算，可以以得到比比较满意意的结果果。我们们认为用用磁路计计算和磁磁场分析析相结合合设计永永磁无刷刷直流电电动机的的方法是是成功的的。通过过磁场分分析，我我们发现现仍有许许多问题题有待进进一步研研究，例例如转矩矩的波动动问题，采用六六相或五五相，电电机的力力矩特性性更为合合理。参参考文献献：11周周元芳，肖仁山山，梁京京章，等等.稀土土永磁无无刷直流流电动机机的设计计研究J.广西电电力技术术，19996（2）：1.2KKinggJeet TTsenng，GG.H.Cheen.CCompp