電動(dòng)汽車(chē)用永磁無(wú)刷直流電機的有限元分析

1　引 言

電動(dòng)汽車(chē)公害少，節約石油消耗，結構簡(jiǎn)單，維修容易，使用壽命長(cháng)，受到世界各國的青睞。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機與相同功率的其他類(lèi)型的電動(dòng)機相比，體積小，質(zhì)量輕，在質(zhì)量、效率、價(jià)格等方面有相當明顯優(yōu)勢，永磁無(wú)刷電動(dòng)機沒(méi)有電刷和滑環(huán)等零件，結構更簡(jiǎn)單，性能更可靠，環(huán)境適應性好，更加適合作為電動(dòng)汽車(chē)的驅動(dòng)電動(dòng)機。由于一般采用方波供電，在相同的峰值電壓和峰值電流下，方波電流和方波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的轉矩要大，所以永磁無(wú)刷電動(dòng)機可以輸出較大的電磁轉矩。

隨著(zhù)電子技術(shù)與控制技術(shù)的迅速發(fā)展，如果將電動(dòng)機直接安裝在汽車(chē)的輪轂內，通過(guò)電氣控制實(shí)現調速和直接驅動(dòng)（2輪或4輪），則汽車(chē)內可以省去復雜的齒輪變速使動(dòng)機構，汽車(chē)結構大為簡(jiǎn)化，質(zhì)量大為減輕。世界先進(jìn)國家已將其作為發(fā)展方向，開(kāi)展研究，有的國家已研制成樣機。

但是，由于輪轂內徑的限制，永磁電機的體積受到限制，而又要產(chǎn)生較高的轉矩，這就給電機的設計帶來(lái)一定的難度。而且，永磁無(wú)刷直流電機的設計，既不能簡(jiǎn)單地套用永磁同步電動(dòng)機的方法，也不能簡(jiǎn)單地套用直流電動(dòng)機的方法。要根據特點(diǎn)，尋找一種較為準確的設計方法［1］。在此，采用了磁路計算與磁場(chǎng)分析相結合的設計方法對三相永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機進(jìn)行了研究。電動(dòng)汽車(chē)控制結構如圖1所示［2］。

2　電機電磁計算

根據我們所編制計算程序，對1臺8kW、12極外轉子無(wú)刷直流電機進(jìn)行了設計計算。

2.1　基本輸入數據

額定輸出功率：PN＝8 000W
額定轉速：nN＝685r／min
電樞外徑：Da＝0.31m
電樞內徑：D0＝0.08m
槽數：Q＝45
剩磁密度：Br＝1.05T
矯頑力：Hc＝800kA／m
相數：m＝3

2.2　計算結果

2.2.1　性能計算

定子電流I1＝24.05A，電磁轉矩Tn＝112.33N.m，輸入功率P1＝8656.74W，反電勢E＝349.70V，實(shí)際轉速n＝677.20r／min，效率η＝92.41％。

2.2.2　繞組數據

線(xiàn)負荷：A=311.11A/cm
電流密度：J=6.86A/mm2
熱負荷：AJ=2134.21A2/cm*mm2

2.2.3　磁路計算

空載點(diǎn)標么值：b00＝0.925 36，h00＝0.074 64
負載點(diǎn)標么值：bn＝0.084 196，hn＝0.158 04
每極磁通：Φ＝0.004 390 5Wb
氣隙磁密：Bδ＝0.767 6T
定子齒磁密：Bt2＝1.763 5T
定子軛磁密：Bj2＝0.257 1T
轉子軛磁密：Bj1＝0.855 6T

2.2.4　空載特性曲線(xiàn)

空載特性曲線(xiàn)如圖2所示。

2.2.5　不同負載率的工作特性

工作特性如圖3所示。