李晓竹，杰 静
辽宁工程技术大学，辽宁阜新(125105)
摘 要 设计了一种混合动力电动汽车用永磁无刷直流电机。采用计算机辅助设计程序，通过输入基本数据和计算方程式对一台12k W ,6极外转子永磁无刷直流电机进行设计。通过有限元分析方法对一些利用经验公式或经验数值得到的对电机性能影响较大的主要系数进行修正，实现了对计算机辅助设计程序的优化。
关键词 混合动力电动汽车；永磁无刷直流电机;CAD；有限元分析
中图分类号T M331 文献标识码A 文章编号100827281(2009)0120011204
The Co m puter 2A i ded D esi gn of P M Brushless DC M otor for
Hybr i d Power Electr i c M otor Veh i cle
L i X iaozhu and J ie J ing
Abstract A P M brushless DC mot or f or hybrid power electric mot or vehicle is de 2signed .I n this paper,a computer 2aided design p r ocess is adop ted t o design a 12k W 62pole external r ot or P M brushless DC mot or by inputting basic data and calculati on equa 2ti ons .The main coefficients got fr om experi m ental for mulas or values,which influence greatly on mot or perf or mance,is corrected by finite ele ment analysis method,thus the op 2ti m izati on of computer 2aided design p r ocess is carried out .
Key words Hybrid power electric mot or vehicle;P M brushless DC mot or;CAD;finite ele ment analysis .
0 引言
电动汽车可以解决普通汽车带来的石油能源
大量消耗，全球环境污染加剧，温室效应等问题。但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的发展与应用，因此，开发一种混合动力装置的汽车已经为人们关注。
永磁无刷直流电机具有体积小、质量轻、效率高、结构简单、性能可靠等显著优点，特别适合应用于混合动力电动汽车驱动系统中。混合动力电动汽车驱动系统同时拥有电动机和发动机两种驱动系统，如图1所示
。
图1 混合动力电动汽车驱动系统
这种双系统，使得电机驱动系统的设计比较复杂。由于受到安装空间的限制，对稀土永磁无
阴极保护防腐
刷直流电机的体积尺寸、重量等的要求也比较苛刻
[1]
。
本文采用计算机辅助设计程序对永磁无刷直流电机进行初步设计，利用有限元分析法对其计算结果进行校验与修正，以增加准确度。
1 永磁电机本体设计
1.1 永磁材料的选择
永磁材料的开发和利用直接影响着永磁电机的性能，故永磁材料的选择显得至关重要。永磁材料现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁材料。由于稀土永磁材料的高剩磁、高磁能积和矫顽力等优点，特别适合于对性能、体积重量要求较高的场合。稀土永磁材料又分为钐钴和钕铁硼，它们的性能比较如表1所示。由于本文设计的永磁无刷直流电机是应用在混合动力电动汽车上，工作环
境不是特别恶劣，加上成本的限制，故选用稀土钕铁硼永磁材料。1.2 气隙磁密分布 1
1
永磁体的形状和磁化方式都会影响气隙磁密的分布，而且，为了减小它们对齿槽转矩、谐波分量和磁饱和的影响，有效抑制转矩脉动，使气隙磁密分布呈梯形。
表1 钐钴和钕铁硼永磁材料的性能比较稀土永磁材料钐钴钕铁硼价格昂贵低廉√剩磁较低较高√矫顽力较低较高√磁能积较低较高√温度系数较高√较低居里点较高√较低氧化生锈较难√较易应用场合
工作环境恶劣的特种电机
家电电机、汽车电机
注：表格中的对号“√”表示该种材料在这一方面性能更加优越。
为了尽可能使绕组端部的轴向长度达到最
小，提高绕组的利用率，采用集中重叠绕组。1.4 永磁体安装方式
转子上安装永磁体方式为表贴式
，
采用瓦片
形径向磁化永磁体[2]
。
2 计算机辅助设计
2.1 计算机辅助设计流程图
计算机的辅助设计流程如图2所示。
图2 计算机辅助设计流程图
2.2 计算机辅助设计的基本输入数据
根据所编制的计算机程序，对1台12k W ,
6极外转子永磁无刷直流电机进行设计计算。基本输入数据为：额定电压U N =72V；额定功率P N =12000W ；额定转速n N =1100r/m in；极对
数p =3；相数m =3；槽数N s =36；气隙长度δ=
雷米迪维
1mm；槽填充系数K f =0.41；槽距角α=40°；剩磁密度B r =1.09T；饱和磁密B m =2.0T；永磁体相对回复磁导率μr =1.05。2.3 计算机辅助设计的设计变量的约束条件
在计算机辅助设计过程中需要进行一系列的迭代运算，迭代运算中设计变量的变化范围设定为(用X 表示设计变量):
(1)槽深(mm ):10ΦX 1Φ20;
(2)气隙平均磁密(T ):0.3ΦX 2Φ0.7;(3)转子外径(mm ):80ΦX 3Φ100;(4)定子最大齿磁密(T ):X 4π2.0;(5)效率:X 5φ85%;
(6)电流密度(A /mm 2):X 6π20.00;
(7)永磁体工作点(T ):0.25πX 7π0.7。
2.4 计算机辅助设计的输出数据
根据基本输入数据、电机设计基本算式和约束条件，采用CAD 计算程序得出计算结果。
主要输出数据如下:
定子内径D si =96mm；定子外径D so =148mm；转子外径D ro =94mm；电枢铁心轴向长度L a =142mm；槽高h s =14mm；槽宽b s =0.5mm；绕组分布系数K d =0.966；槽扭因数K s =0.917；绕组因数K w =0.886；电流密度J s =15.3A /mm 2
；永磁体工作点B mg =0.667T；气隙平均磁密B δav =0.525T；定子齿磁密B st =1.47T；每极磁通Φp =0.00467W b；电磁转矩T n =104.22N ・m；电机总重W T =16.35kg；效率η=95.11%。
3 有限元分析方法
采用有限元分析方法[3]
，应用Magnet 电磁场有限元仿真软件对上述使用经验公式或经验数值得到的结果进行修正，以达到更高的准确度。3.1 有限元分析数学模型
为了求解方便又不失一般性，将电机电磁场三维问题转化为二维问题，进行计算，先假设如下[4]
：忽略端部效应；定转子外缘的漏磁忽略不计；不考虑位移电流影响，电机电磁场属于似稳场；电机气隙和其截面结构沿主极轴线对称。
这样稀土永磁无刷直流电机的电磁场转化为二维恒定场，使建模和分析简捷。
2
1
3.2 优化设计基本框图
对在电磁计算中使用经验公式得到的一些主
要系数利用有限元分析方法进行优化设计[1]
，基本框图如图3所示
。
图3 优化设计基本框图
3.3 主要系数的优化设计
(1)空载漏磁系数
永磁无刷直流电机的空载漏磁包括极间漏磁
和端部漏磁两部分，其求解区域如图4所示
。
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(a )极间漏磁求解区域
(b )端部漏磁求解区域
图4 永磁无刷直流电机求解区域
家用智能豆腐机
通过磁场计算，可得到场域中的磁矢位。则
极间漏磁系数为σ1=|A D -A D 1|
|A B -A B 1|
；端部漏磁系数
为σ2=|A F -A F 1|
|A E -A E 1|
，则空载漏磁系数为
σ0=k (σ1+σ2-1)(1)其中,k —经验修正系数。
(2)电枢计算长度
本设计中采用永磁体的轴向长度L M =L a ，由于电枢铁心的轴向长度L a 远大于气隙长度δ，故气隙磁场向端部扩散的影响很小，可近似取 L ef =L a +2
δ(2)
(3)计算极弧系数
为了便于磁路计算，引入了计算极弧系数，其定义式为
αi =b i τ=B δav
B δ
αi 的大小取决于气隙径向磁场沿圆周的分布。对于永磁电机，气隙磁场的分布与永磁体充磁方式
、磁路饱和程度等因素有关，可以采用极间漏磁系数的计算模型，得到径向充磁情况下的计算极弧系数曲线，如图5所示。
图5 计算极弧系数曲线
(4)气隙系数
在电机的磁路计算中，计算气隙磁矢位差时,
为了考虑因电枢开槽而使气隙磁阻增加的影响，引入了气隙系数K δ，其定义式为
K δ=δi δ=B δmax
B δ计算时，可以沿用电励磁电机的公式，只需把永磁体磁化方向长度h M 也当作气隙，它与气隙长度之和作为总气隙长度，即
σs =2
πarctan 1
2b 0h M +δ
-h M +δb 0
ln 1+
1
4b 0h M +δ
2
则总气隙系数为K δ=
B δmax B δ
=
t t -σs b 0媒体播放
式中,b 0—槽口高度;t —齿距。由此得出计算气隙长度
δi =K δm (δ+h M )-h M =K δm δ+(K δm -1)h M
则永磁无刷直流电机的气隙系数为
K δ=
δi
δ=K δm +(K δm -1)h M δ
(3)
3.4 基于C AD 和有限元分析方法计算结果的比较
基于有限元分析方法进行修正前与修正后的
计算结果比较如表2所示。
3
1
表2 基于C AD 和有限元分析方法计算结果的比较方法
CAD 有限元分析电磁转矩(N ・m )104.22102.10感应系数(mH )0.09780.0982气隙磁密(T )0.5250.532定子齿磁密(T )
1.47
1.50
3.5 基于Magnet 的电磁场仿真结果
应用Magnet 软件进行有限元仿真分析。负载时的磁密分布和磁通分布图如图6和图7
所示。
图6 负载时的磁密分布图
图7 负载时的磁通分布图
4 结论
(1)采用计算机辅助设计程序，设计了一种
齿槽转矩混合动力电动汽车用永磁无刷直流电机。从计算机辅助设计的输出数据来看，基本达到了混合动力电动汽车对驱动电机的要求。
(2)对于在计算过程中，一些主要系数是利用经验公式所得的，计算准确度不高，通过有限元方法对该类系数进行了修正，完成了电机的性能优化设计。
参考文献
[1]季小尹，符向荣，王安丽.混合动力电动汽车用永磁无
刷直流电机的设计与实现[J ].微特电机.2004,(2):527.
[2]高勋章，罗飞路.稀土永磁电机研究现状与发展[J ].
中小型电机.1998,25(1):16219.
[3]N icola,B ianchi .Electrical Machine Analysis U sing Fi 2nite Ele ments [M ].New York:Tayl or &Francis Gr oup Press,2005.
[4]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M ].北京：机械
工业出版社,2005.
李晓竹 男 1955年生；现任辽宁工程技术大学研究生学院副教授，主要从事永磁电机的设计，交
流电机控制领域的科研和教学工作.
收稿日期:2008209215.
(上接10页)
600W ，这样可使22k W /2p 电动机的效率提高到90.85%，使其设计效率有足够的裕度。
5 结语
在不改变铁心及槽形尺寸、不增加有效材料
的条件下，对2、4极电动机改为单双层绕组后，确实可以提高电动机的效率。尤其是2极电动机双层绕组改用单双层绕组后更能取得显著效果。因此，对于一些在执行新标准后因效率达不到要求而需要调整设计的规格，不妨采用单双层绕组就可以达到提高效率的目的，这要比改变槽形、改变铁心长度等调整设计的方法好，既投入少，又易于管理。也许有人说采用正弦波绕组也能达到同样的目的，笔者没有正弦波绕组使用方面的经验，但
也曾看到一些工厂在三相异步电动机中采用正弦波绕组，其绕线和下线都比较繁琐，且效果也不一定比单双层绕组好。
Y2系列11k W ～90k W 的2极电动机有约10个规格，效率达不到新标准的要求。如这些规格采用合适型式的单双层绕组后，效率大多能达到新标准的要求。进行此项试验也不需要多少投入，做一个绕线模就可进行单双层绕组的试验，何乐而不为之呢!
参考文献
[1] 陈世坤.电机设计.北京：机械工业出版社,2000. 马德鑫 男 1936年生；毕业于西安交通大学电机专业，现从事电机设计工作. 收稿日期:2008209203.
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