基于Motor-Cad的直驱式轮毂电机的优化设计与性能分析

基于Motor-Cad的直驱式轮毂电机的优化设计与性能分析摘要：Motor-Cad是十分强大的电机设计分析工具。本论文基于Motor-Cad设计了某功率型号的外转子直驱式轮毂电机并对其性能进行了研究，电机采用永磁同步电动机，相对于传统的车用驱动电机，这种电机具有高效、高功率密度、结构简单紧凑等一系列优点，特别适合作为车用电机使用，对其性能的研究也表明，设计的电机能够完全满足电动车使用要求。关键词：外转子；直驱式；轮毂电机；永磁同步电动机0引言当今世界能源短缺和环境污染问题日益严重，因此开发零排放的电动汽车是解决此类问题的重要举措之一。将电驱动汽车取代传统的燃油汽车成为现代汽车工业的发展趋势，与燃油汽车相比，电动汽车采用电动机作为驱动源，省略了减速器、差速器，直接将电动机安装在汽车车轮上，大大提高了汽车的效率。本文所设计的直驱式车用电动机采用永磁同步电机，具有高效率、高功率密度、结构简单、易于控制等一系列优点。1轮毅电机技术与直驱式轮毂电机概述1.1轮毅电机技术要求在设计轮毅电机时应当满足以下技术要求:（1）结构紧凑，质量轻盈。由于需要将整个驱动装置安装在密闭狭小的轮毅内部，因此在电机设计时要尽量紧凑。同时，又因为其被放置在车轮内部，汽车的簧下质量也会相应地有所增加。为了达到操纵平稳、乘坐舒适的要求，就需要减少汽车的簧下质量，因此轮毅电机的设计需要实现轻量化。（2）较宽调速范围、较强过载能力和较高功率密度。调速范围宽和过载能力强能够使电动汽车在动力方面的需求得到满足。由于轮毅电机安装空间有限，但其对电动汽车进行驱动时也需要输出较大的功率，因此它还需要具有较大的功率密度。（3）优良的密封性、散热性和可靠性。从轮毅电机的防护和保养来看，由于轮毅电机长期工作在离地面较近的区域，很容易接触灰尘、泥上等污物，这就需要电机有很好的密封性。又由于轮毅电机安装在车轮轮毅内部密闭空间内，当它运行时就会产生大量的热，这种特殊的工作特性导致它的工作温度容易变得过高，因此对散热性能有很高的要求。车轮转动时，受路况因素影响，电机受地面的振动冲击影响较大，这就对电机的结构稳定和可靠性提出了更高的要求。1.2直驱式轮毅电机分析轮毅电机可分为减速和直接两种驱动方式。直接驱动式轮毅电机在运行时转速通常比较低，因此多选用外转子式电动机。直接驱动方式是将车轮轮毅与电机外转子直接进行连接，省去了减速结构。以下为其主要优点:基于减速驱动结构在结构上进行进一步的简化，使其质量更轻，结构变得更为紧凑。由于车轮与电机外转子直接相连，电机机械效率也变得更高，响应更加迅捷。其缺点是:需要有更高的起动电流来使电机获得更大的起动转矩，电流过大会导致电池温升过高以及永磁体出现失磁漏磁现象，效率峰值区域也因此会变得很窄。所以，在城市道路运行时多选择直驱式轮毅电机作为汽车驱动。2直驱式轮毂电机优化设计2.1电机结构轮毂驱动电机是电动汽车上的核心部件，其性能的好坏，将直接影响电动汽车在各种运行情况下的性能要求。因此电动汽车的轮毂驱动电机需要满足以下几点要求。一是相应迅速稳定，二是调速范围宽，三是能耗低，四是电机功率密度大，体积小。有鉴于以上要求，本次样机采用外转子永磁同步电动机。本文所设计的直驱式轮毂电机与车轮组成一个完整部件，电机安装在轮毂内，直接驱动车轮带动汽车行驶。这种驱动方式的具有电机体积小，结构紧凑的优点。2.2电机优化设计电机的优化设计主要包括定子槽形的优化设计、定子绕组的优化设计及转子的优化设计，本论文采用电机专用软件Motor-Cad进行电机本体的优化设计，该软件是目前工程上应用最为广泛之一，使用最为方便的电机有限元设计分析软件之一。2.2.1定子槽形的设计本电机设计要求很高的控制性，对气隙磁密的正弦波有比较高的要求，要求极靴部分磁密不能太高而槽利用率较高，同时要达到削弱齿槽转矩的作用，综合以上考虑，本论文设计的电机采用平底平行槽。2.2.2定子绕组设计本论文设计的永磁同步电动机定子绕组采用三相双层发卡绕组（成型绕组），发卡绕组主要的优点是：一是可以大幅提高电机定子槽满率（可达到96.5%），提升了电机线负荷，从而提高电机性能。二是由于槽中绝大部分为矩形铜线，则绝缘漆相应减少，因此发卡绕组电机散热比散线电机好。三是发卡绕组电机的端部可以做的更短，这就有利于电机绕组端部的散热，减小端部漏抗，且电机尺寸可以做的更小。但发卡绕组也有集肤效应较大的缺点，这是由于车用电机转速范围宽，且采用变频器控制，电流谐波含量很多的原因。为此本论文所设计的电机采用双层导线来减小集肤效应。2.2.3转子永磁体设计永磁同步电动机由转子永磁体产生磁场，通过电磁耦合产生电磁力矩，因此永磁体的设计将影响电机各项性能。本论文所设计的转子永磁体材料为钕铁硼，具有高剩磁、高内禀矫顽力和高磁能积的特点。转子永磁体采用表贴式均匀固定在转子内圆上，永磁体形状选用瓦片形，永磁体的尺寸主要包括永磁体的轴向长度Lm、永磁体厚度hm和宽度bm。永磁体的轴向长度一般与电机铁心轴向长度相等，因此实际上只有永磁体厚度hm和宽度bm需要设计。永磁体既不能太薄，也不能过厚，因为太薄将容易造成退磁，过厚时永磁体不处于最佳工作点造成材料浪费。2.3电机优化设计结果根据电机设计理论，利用Motor-Cad进行优化设计，电机设计性能参数如下：额定电压80V，额定功率7kW，转子极数30，定子槽数36，双层发卡绕组，定子绕组Y联接，电机结构参数如下：电枢外径180/mm、电枢内径110/mm、铁心长度130/mm、转子外径218/mm、转子内径182/mm、气隙长度1/mm、永磁体厚度10/mm、永磁体宽度17.6/mm、定子槽数36、极数30。3性能研究3.1空载反电势空载反电势大小不仅决定了电动机是运行于增磁状态还是去磁状态，而且对电动机的动态和稳态性能均有很大的影响，空载反电势波是由电动机永磁体产生的空载基波磁通在定子绕组感应产生的。本论文所设计的电动机的空载反电势波形基本上是正弦波，其波形畸变率为1.29%，满足设计要求。3.2齿槽转矩齿槽转矩是永磁电机特有的一种现象，即使电机在不通电时铁心与永磁体相互作用而产生的转矩，永磁体与定子齿相互作用力的切向分量波动是产生齿槽转矩的主要原因，对于本文所设计的直驱式轮毂电机，由于采用了定子斜槽技术，减小了齿槽转矩，所以样机的齿槽转矩波形由于采用1.5个斜槽角时所以其幅值为0.5Nm，明显小于未采用斜槽时的2.5Nm。3.3外特性轮毂电机外特性包括转矩-转速曲线与功率-转速曲线。当轮毂电机的转速低于1750r/min时，其转矩大约为121Nm，电机工作在恒转矩区，当转速高于1750r/min时，电机工作在恒功率区。随着电机转速的上升，电机的输出功率逐渐增大，在转速为1750r/min时左右时，达到其最大功率22kW，满足设计要求。4结论本论文基于Motor-Cad优化设计了一台7kW的直驱式轮毂电机，并对其性能进行了计算仿真，从结果分析来看，该电机完全满足设计要求。随着国家对排放和环保政策的利益严格，提倡绿色出行，让电动车取代燃油车，保持绿色低碳的环保理念，带动我国的电动汽车经济发展。直驱式轮毂电机作为一种性能优越的车用驱动电机，