電動汽車用雙凸極永磁電機(jī)設(shè)計有限元分析

摘要：根據(jù)電動汽車需求，設(shè)計了一種雙凸極永磁電機(jī)。首先介紹了雙凸極永磁電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，利用Ansys Maxwell軟件建立了相應(yīng)的有限元仿真模型，并對其磁力線分布、氣隙磁密、磁鏈、反電勢等特性進(jìn)行了分析，驗證了雙凸極永磁電機(jī)設(shè)計的合理性，對今后實現(xiàn)該電機(jī)在電動汽車上的應(yīng)用具有良好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：電動汽車;永磁電機(jī);雙凸極電機(jī);有限元分析

0 引言

隨著我國對環(huán)境保護(hù)的重視程度不斷提升，電動汽車的發(fā)展已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。而對于電動汽車的研究主要集中在電池、電機(jī)和電控系統(tǒng)這三個方面，其中電機(jī)又是汽車行駛的最核心部件[1]。電動汽車[2]主要使用直流電機(jī)、異步電機(jī)、永磁電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，其中開關(guān)磁阻電機(jī)[3]具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、效率高等優(yōu)點。但是，開關(guān)磁阻電機(jī)在運(yùn)行時只有半個周期出力，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩較小，且缺少永磁體，電機(jī)運(yùn)行效率不高。雙凸極永磁電機(jī)[4]是在開關(guān)磁阻電機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而來的，其保留了開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)點[5-6]，由于加入了永磁體，其運(yùn)行效率得到了較大提升。

本文研究了一種適合電動汽車使用的雙凸極永磁電機(jī)。首先闡述了雙凸極永磁電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，同時通過有限元建模分析了該電機(jī)的電磁特性，驗證了雙凸極永磁電機(jī)的設(shè)計合理性。

1 雙凸極永磁電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

本文介紹的雙凸極永磁電機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，雙凸極永磁電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、永磁體、電樞繞組等構(gòu)成。雙凸極永磁電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子呈雙凸極結(jié)構(gòu)，電樞繞組在定子上，降低了運(yùn)行損耗。6塊永磁體等距離嵌入在定子軛部，有利于電機(jī)進(jìn)行散熱。

2 有限元分析

本文利用Ansys Maxwell軟件對雙凸極永磁電機(jī)進(jìn)行了有限元建模，并對其電磁特性進(jìn)行了分析。雙凸極永磁電機(jī)的磁力線圖和氣隙磁密圖分別如圖2、圖3所示，當(dāng)電機(jī)空載時，定/轉(zhuǎn)子重疊區(qū)域磁密達(dá)到最大值，從圖3可以看出，氣隙磁密最大約為1.4 T，符合電機(jī)設(shè)計要求。

雙凸極永磁電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時，其三相空載磁鏈波形如圖4所示。

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時，隨著轉(zhuǎn)子極滑入定子極，磁鏈隨之增加，當(dāng)定/轉(zhuǎn)子極完全重合時，此時磁鏈達(dá)到最大值。三相磁鏈相互對稱，互差電角度120°。

雙凸極永磁電機(jī)運(yùn)行時，其轉(zhuǎn)子會切割磁力線從而產(chǎn)生感應(yīng)反電勢，反電勢波形如圖5所示。三相反電勢相互對稱，互差電角度120°，三相反電勢波形接近于方波。

3 結(jié)語

本文根據(jù)電動汽車驅(qū)動電機(jī)的需求，設(shè)計了一種雙凸極永磁電機(jī)，通過有限元仿真軟件，對電機(jī)的電磁特性進(jìn)行了分析，具體仿真分析了電機(jī)的磁力線分布、氣隙磁密、磁鏈和反電勢的特性，驗證了雙凸極永磁電機(jī)設(shè)計的合理性。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計的雙凸極永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、方便控制等優(yōu)點，適合電動汽車作為驅(qū)動電機(jī)使用。

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收稿日期：2020-05-06

作者簡介：蔡一正（1991—），男，江蘇鹽城人，助教，研究方向：電機(jī)設(shè)計與控制。