電動汽車用雙凸極永磁電機設計有限元分析

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

關鍵詞：電動汽車;永磁電機;雙凸極電機;有限元分析

0 引言

隨著我國對環境保護的重視程度不斷提升，電動汽車的發展已經越來越受到人們的關注。而對于電動汽車的研究主要集中在電池、電機和電控系統這三個方面，其中電機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、異步電機、永磁電機和開關磁阻電機作為驅動電機，其中開關磁阻電機[3]具有結構簡單、控制方便、效率高等優點。但是，開關磁阻電機在運行時只有半個周期出力，電機輸出轉矩較小，且缺少永磁體，電機運行效率不高。雙凸極永磁電機[4]是在開關磁阻電機基礎上進一步發展而來的，其保留了開關磁阻電機的優點[5-6]，由于加入了永磁體，其運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。首先闡述了雙凸極永磁電機的基本結構，同時通過有限元建模分析了該電機的電磁特性，驗證了雙凸極永磁電機的設計合理性。

1 雙凸極永磁電機基本結構

本文介紹的雙凸極永磁電機基本結構如圖1所示，雙凸極永磁電機由定子、轉子、永磁體、電樞繞組等構成。雙凸極永磁電機的定子和轉子呈雙凸極結構，電樞繞組在定子上，降低了運行損耗。6塊永磁體等距離嵌入在定子軛部，有利于電機進行散熱。

2 有限元分析

本文利用Ansys Maxwell軟件對雙凸極永磁電機進行了有限元建模，并對其電磁特性進行了分析。雙凸極永磁電機的磁力線圖和氣隙磁密圖分別如圖2、圖3所示，當電機空載時，定/轉子重疊區域磁密達到最大值，從圖3可以看出，氣隙磁密最大約為1.4 T，符合電機設計要求。

雙凸極永磁電機運行在額定轉速為1 500 r/min時，其三相空載磁鏈波形如圖4所示。

當電機運行時，隨著轉子極滑入定子極，磁鏈隨之增加，當定/轉子極完全重合時，此時磁鏈達到最大值。三相磁鏈相互對稱，互差電角度120°。

雙凸極永磁電機運行時，其轉子會切割磁力線從而產生感應反電勢，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 結語

本文根據電動汽車驅動電機的需求，設計了一種雙凸極永磁電機，通過有限元仿真軟件，對電機的電磁特性進行了分析，具體仿真分析了電機的磁力線分布、氣隙磁密、磁鏈和反電勢的特性，驗證了雙凸極永磁電機設計的合理性。仿真結果表明，本文設計的雙凸極永磁電機具有結構簡單、方便控制等優點，適合電動汽車作為驅動電機使用。

[參考文獻]

[1] 徐衍亮.電動汽車用永磁同步電動機及其驅動系統研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2001.

[2] 溫旭輝.電動汽車電動機驅動技術及其發展[J].電氣時代，2010（9）：55.

[3] 曾劍.電動汽車用開關磁阻電機分析與設計研究[D].贛州：江西理工大學，2016.

[4] LIAO Y F，LIANG F，LIPO T A.A novel permanent magnet motor with doubly salient structure[J].IEEE Transactions on Industry Application，1995，31（5）：1069-1078.

[5] 孫延東.電動汽車用П型雙凸極永磁電機設計與分析[D].鎮江：江蘇大學，2017.

[6] 陳云云，全力，朱孝勇，等.雙凸極永磁雙轉子電機優化設計與電磁特性分析[J].中國電機工程學報，2014（12）：1912-1921.

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：電機設計與控制。