盛智愚,裴夏青,周元鈞

(北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

電動(dòng)汽車用寬調(diào)速范圍輪轂電機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真

盛智愚,裴夏青,周元鈞

(北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

針對(duì)某新型電動(dòng)汽車用輪轂電機(jī)性能要求一種寬范圍的調(diào)速特性，比較分析異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁同步電機(jī)和一種使用U型電磁鐵的模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)的調(diào)速方法與機(jī)械特性，分別進(jìn)行電機(jī)模型設(shè)計(jì)。采用有限元仿真軟件Ansoft對(duì)4種電機(jī)模型的機(jī)械特性、電磁損耗、效率和電磁重量等特性進(jìn)行仿真，比較分析仿真結(jié)果進(jìn)而提出最優(yōu)電機(jī)設(shè)計(jì)模型。研究表明，相對(duì)于傳統(tǒng)電機(jī)，基于U型電磁鐵的模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)的機(jī)械特性與設(shè)計(jì)要求配合最好；電磁重量最輕、功率密度最高；在500～6 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)85%～90%的穩(wěn)定效率；模塊化結(jié)構(gòu)使設(shè)計(jì)方案更為簡(jiǎn)單，理論上具有較好的容錯(cuò)特性，是一種適用于電動(dòng)汽車的新型輪轂電機(jī)。

電動(dòng)汽車;輪轂電機(jī);橫向磁場(chǎng)電機(jī);電機(jī)設(shè)計(jì);比較分析;電機(jī)仿真

0 引 言

新能源電動(dòng)汽車是現(xiàn)階段汽車發(fā)展的主要方向之一，電機(jī)作為電動(dòng)汽車的核心部件，在電動(dòng)汽車的研制中有著舉足輕重的作用。電動(dòng)汽車的電機(jī)安裝空間狹小、電池容量有限，電機(jī)的體積與質(zhì)量指標(biāo)十分重要。目前電動(dòng)汽車用電機(jī)的研究主要集中在永磁同步電機(jī)與開關(guān)磁阻電機(jī)及相應(yīng)控制策略的研究與設(shè)計(jì)，而新型電機(jī)涉及不多。因此，對(duì)于電動(dòng)汽車用寬調(diào)速輪轂電機(jī)的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。文獻(xiàn)[1]討論輪轂電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和要求，指出輪轂電機(jī)能夠節(jié)約汽車的空間，從而使增加電池容量和多樣化的電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)成為可能。文章同時(shí)指出輪轂電機(jī)應(yīng)該具有高效率和低重量的特點(diǎn)，以滿足電動(dòng)汽車運(yùn)行要求。文獻(xiàn)[2]討論高功率密度電機(jī)與一般傳統(tǒng)電機(jī)在設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)的不同之處，提出部分高功率密度電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問題，為高功率密度電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了思路。為達(dá)到輪轂電機(jī)的要求，有學(xué)者嘗試對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，文獻(xiàn)[3-6]分別介紹不同改進(jìn)型的永磁電機(jī)來(lái)提高功率密度。除了永磁同步電機(jī)，各種電動(dòng)汽車用新型電機(jī)也接連提出。文獻(xiàn)[7-8]分別設(shè)計(jì)了盤式無(wú)鐵心永磁同步電機(jī)和一種混合勵(lì)磁軸向磁場(chǎng)磁通切換電機(jī)，以期獲得較高的功率密度。橫向磁場(chǎng)電機(jī)作為一種新型電機(jī)，目前也受到很大關(guān)注。文獻(xiàn)[9]對(duì)橫向磁場(chǎng)電機(jī)和普通徑向磁場(chǎng)電機(jī)進(jìn)行對(duì)比分析，仿真分析表明橫向磁場(chǎng)電機(jī)較適用于低速直接轉(zhuǎn)矩輸出的系統(tǒng)，如電動(dòng)汽車的輪轂電機(jī)。文獻(xiàn)[10]討論模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)的電機(jī)原理和輸出轉(zhuǎn)矩的成分和數(shù)學(xué)模型，提出該電機(jī)轉(zhuǎn)矩是由磁阻轉(zhuǎn)矩、繞組磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁磁阻轉(zhuǎn)矩組成。文獻(xiàn)[11]指出高性能電機(jī)系統(tǒng)發(fā)展方向?yàn)楦吖β拭芏?、高可靠性、高適應(yīng)性、高精度。目前，學(xué)者對(duì)各種新型電機(jī)的研究多集中于轉(zhuǎn)矩、效率和設(shè)計(jì)方案，而對(duì)于電機(jī)的功率密度、重量、調(diào)速范圍等特性的研究較少。

本文基于某新型電動(dòng)汽車輪轂電機(jī)寬調(diào)速范圍的設(shè)計(jì)要求，分別設(shè)計(jì)了異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)模型，對(duì)4種電機(jī)的控制方法、機(jī)械特性、調(diào)速范圍、重量和體積等特性進(jìn)行對(duì)比分析。使用Ansoft軟件對(duì)4種電機(jī)工作特性進(jìn)行仿真，比較分析仿真結(jié)果，進(jìn)而確立較優(yōu)的電機(jī)設(shè)計(jì)模型。

1 目標(biāo)電機(jī)性能需求參數(shù)

項(xiàng)目需求委托單位提出的某新型電動(dòng)汽車電機(jī)的外特性需求參數(shù)如圖1所示。設(shè)計(jì)要求電機(jī)在低速運(yùn)行，即0～2 000 r/min時(shí)，能夠維持輸出轉(zhuǎn)矩為167 N·m實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行；在高速運(yùn)行時(shí)，即3000～6 000 r/min時(shí)，電機(jī)能夠以26.2 kW恒功率運(yùn)行。目標(biāo)電機(jī)的部分指標(biāo)如表1所示，其中電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，額定功率為35 kW，額定效率要求不低于87%。

圖1 電機(jī)外特性轉(zhuǎn)速-功率曲線

表1 目標(biāo)電機(jī)性能指標(biāo)

2 傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)

文中傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)模型主要指異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁同步電機(jī)。根據(jù)目標(biāo)電機(jī)設(shè)計(jì)要求，分別設(shè)計(jì)異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁同步電機(jī)。

2.1 異步電機(jī)設(shè)計(jì)

異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計(jì)算模型：

(1)

異步電機(jī)在工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩必須小于臨界轉(zhuǎn)矩，即Te

即臨界轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)速的平方成反比。則根據(jù)式(3)，電機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能減小漏感Lσ1和Lσ2,以滿足高速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩的要求。

異步電機(jī)主要尺寸即定子內(nèi)徑Di和鐵心有效長(zhǎng)度lef的設(shè)計(jì)模型：

(4)

在最大轉(zhuǎn)速下電機(jī)需求的工作轉(zhuǎn)矩為41.7N·m，經(jīng)計(jì)算此時(shí)的臨界轉(zhuǎn)矩至少為60N·m。由式(4)可初步計(jì)算出異步電機(jī)尺寸參數(shù)值，最終設(shè)計(jì)的電機(jī)部分參數(shù)如表2所示。

表2 異步電機(jī)設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)

2.2 開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)

開關(guān)磁阻電機(jī)的自然機(jī)械特性表現(xiàn)出比較寬的調(diào)速范圍，比較適用于圖1所要求的調(diào)速特性。采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為圖1所要求的輪轂電機(jī)時(shí)，可以在低速時(shí)控制電壓實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在高速時(shí)利用自然機(jī)械特性調(diào)速。文獻(xiàn)[12]中提到的通過控制導(dǎo)通角與關(guān)斷角來(lái)控制開關(guān)磁阻電機(jī)，其實(shí)際作用同樣是控制電機(jī)的電壓大小，所以不單獨(dú)考慮。

由于開關(guān)磁阻電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩表達(dá)式[12]：

式中：KL為電感變化系數(shù),Us為電源電壓。θp=θ1-θon，θq=2θoff-θ1-θon，λw=θ2-θ1，當(dāng)電機(jī)導(dǎo)通角、關(guān)斷角固定時(shí)這3個(gè)參數(shù)均為定值。故當(dāng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩：

(6)

即輸出轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)速的平方成反比。

根據(jù)電機(jī)的自然機(jī)械特性，為了滿足最高轉(zhuǎn)速6 000r/min時(shí)的轉(zhuǎn)矩41.7N·m要求，推算出額定轉(zhuǎn)矩167N·m將出現(xiàn)在3 000r/min左右。因此，在電機(jī)的設(shè)計(jì)中，需要將3 000r/min作為額定轉(zhuǎn)速，才能保證6 000r/min時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到要求。開關(guān)磁阻電機(jī)主要參數(shù)選擇依據(jù)公式[13]：

(7)

式中：Da為轉(zhuǎn)子直徑;lδ為電樞計(jì)算長(zhǎng)度;Bδ為最大磁鏈;A為電負(fù)荷;ki為峰值電流系數(shù);km為方波電流系數(shù);Pe為額定功率;n為額定轉(zhuǎn)速。

最終選擇電機(jī)參數(shù)如表3所示。

表3 開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)

由于永磁同步電機(jī)一般被認(rèn)為是效率高、功率密度高、調(diào)速性能較好的電機(jī)，本文也將其作為輪轂電機(jī)的設(shè)計(jì)、比較方案之一。通常結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，由于轉(zhuǎn)子為永磁體，無(wú)法在額定轉(zhuǎn)速以上實(shí)現(xiàn)大范圍弱磁調(diào)速，理想的調(diào)速方式為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

如果采用永磁同步電機(jī)作為圖1所要求的輪轂電機(jī)，由于其很小的弱磁調(diào)速范圍，很大范圍的調(diào)速需要采用電壓控制的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。永磁同步電機(jī)的控制可以在d-q坐標(biāo)系進(jìn)行，數(shù)學(xué)模型[12]:

在低速時(shí)控制d軸電流id=0，即可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，在高速時(shí)控制id<0，則可以實(shí)現(xiàn)弱磁調(diào)速。

數(shù)學(xué)學(xué)科教學(xué)往往讓學(xué)生覺得枯燥無(wú)趣，定義、定理和例題都抽象難懂。在實(shí)踐共同體中每周進(jìn)行一次集體備課，在集體備課中，各位教師針對(duì)學(xué)生的基本情況總結(jié)了簡(jiǎn)捷的講解方法，搜集了實(shí)用的材料，還準(zhǔn)備了應(yīng)用型例題，彼此間進(jìn)行交流共享、取長(zhǎng)補(bǔ)短、互相借鑒。這樣很好的發(fā)揮了集體的作用，不僅讓各位教師找到一種歸屬感，還提高了教師的教學(xué)應(yīng)用能力。

本文設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)在弱磁調(diào)速時(shí)，以銅損耗為額定值作為前提，經(jīng)計(jì)算調(diào)速范圍為1 000r/min左右。即該電機(jī)在5 000r/min以上可以采用弱磁調(diào)速，而在5 000r/min以下均要采用調(diào)壓調(diào)頻的調(diào)速方法。

電機(jī)的尺寸通過參考現(xiàn)有電機(jī)和以下兩個(gè)基本關(guān)系式來(lái)確定[14]：

(10)

(11)

式中:P′為額定功率；α為計(jì)算極弧系數(shù)；A為電負(fù)荷；Bσ為氣隙磁密基波幅值；n為額定轉(zhuǎn)速；Tmax為最大轉(zhuǎn)矩。

本文設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)其額定轉(zhuǎn)速定為5 000r/min,同時(shí)因?yàn)檎{(diào)壓調(diào)頻屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，需要將額定轉(zhuǎn)矩定為167N·m，導(dǎo)致該電機(jī)設(shè)計(jì)功率為表1中原額定功率的2.5倍，即為87.5kW，電機(jī)參數(shù)如表4所示。

表4 開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)設(shè)計(jì)

模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)為外轉(zhuǎn)子電機(jī)且結(jié)構(gòu)特殊，定轉(zhuǎn)子的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。定子為U型電磁鐵，兩臂上纏繞著線圈。轉(zhuǎn)子由兩個(gè)極性相反的永磁體和一塊軟磁材料構(gòu)成，其中軟磁材料鏈接兩個(gè)永磁體起導(dǎo)磁作用，相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)子上的永磁體對(duì)應(yīng)極性相反。

圖2 定轉(zhuǎn)子基本結(jié)構(gòu)

當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)通過控制U型電磁鐵中線圈電流的方向，使U型電磁鐵兩臂的極性與靠近的轉(zhuǎn)子上的永磁體極性相反，從而使定子對(duì)靠近的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生拉力，對(duì)遠(yuǎn)離的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生推力。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到與定子相對(duì)的位置時(shí)，改變定子上線圈的電流方向，使電機(jī)產(chǎn)生持續(xù)正向的轉(zhuǎn)矩，磁路如圖3所示。

圖3 定轉(zhuǎn)子磁路

一相電磁鐵輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖4所示，可以看到輸出轉(zhuǎn)矩近似為正弦波含有較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。而文獻(xiàn)[15]中討論了多相模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)矩角特性的疊加效果，計(jì)算結(jié)果表明電磁單元組數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩中被抵消的諧波次數(shù)越多，剩余諧波的次數(shù)越高，轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)越少。但是過多的電磁單元將會(huì)使得電機(jī)控制邏輯復(fù)雜、控制系統(tǒng)搭建困難。因此本文設(shè)計(jì)的電機(jī)基本單元為五相四極，如圖5所示，由5個(gè)電磁鐵和4個(gè)永磁組件組成。

圖4 一相電磁鐵輸出轉(zhuǎn)矩波形

圖5 電機(jī)基本單元

式中:L1為線圈電感i1為線圈電流;ωr為電機(jī)角速度;ψm為電磁鐵線圈繞組匝鏈的永磁體磁鏈。

由于電壓平衡式中磁阻項(xiàng)含有電機(jī)的角速度ωr，高速時(shí)引起很大的壓降而使自然機(jī)械特性變軟。定子與轉(zhuǎn)子的參數(shù)如表格5所示，值得指出的是該電機(jī)定子之間填充的為復(fù)合材料環(huán)氧樹脂。

表5 定轉(zhuǎn)子參數(shù)

4 電機(jī)特性仿真分析

采用Ansoft仿真軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的4種電機(jī)模型的機(jī)械特性、電磁損耗、效率和重量等特性進(jìn)行仿真，應(yīng)用于圖1所要求的輪轂電機(jī)時(shí)的部分特性進(jìn)行比較，分析仿真結(jié)果。

4.1 電機(jī)機(jī)械特性仿真比較分析

使用上述4種電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)值，仿真各電機(jī)的機(jī)械特性，結(jié)果如圖6與圖7所示。

圖6 異步電機(jī)機(jī)械特性仿真

圖7 開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁同步電機(jī)與模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)機(jī)械特性仿真對(duì)比

為滿足高速時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩的要求，異步電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下需要具有較大的臨界轉(zhuǎn)矩如圖6所示。一般結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)由于弱磁能力較弱，設(shè)計(jì)功率有較大的提高，額定轉(zhuǎn)速以上功率浪費(fèi)嚴(yán)重。開關(guān)磁阻電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩在額定轉(zhuǎn)速以上，與轉(zhuǎn)速的平方成反比，高速時(shí)轉(zhuǎn)矩下降較快。綜合比較，模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)的機(jī)械特性與設(shè)計(jì)需求配合最好。

4.2 電機(jī)尺寸與重量的仿真比較分析

本文4種電機(jī)設(shè)計(jì)，均按照表1中外徑為300～330mm的要求進(jìn)行，表2～表4給出了4種電機(jī)設(shè)計(jì)的主要尺寸，使用仿真軟件Ansoft計(jì)算得到電機(jī)電磁重量數(shù)據(jù)，如表6所示。表中的電磁重量指電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子鐵心與繞組重量，對(duì)應(yīng)于仿真軟件中的TotalNetWeight數(shù)據(jù)。

表6 不同電機(jī)設(shè)計(jì)尺寸與重量參數(shù)

表6數(shù)據(jù)表明，在滿足相同性能要求下4種電機(jī)設(shè)計(jì)外形上存在較大差異。異步電機(jī)的重量最大，體積也較大，僅小于開關(guān)磁阻電機(jī)。開關(guān)磁阻電機(jī)的重量小于異步電機(jī)，大于其他兩種電機(jī)，但體積最大。永磁同步電機(jī)由于弱磁能力較弱,造成設(shè)計(jì)功率較大，因使用永磁體使得其功率密度較高，設(shè)計(jì)出的電機(jī)體積最小，重量較輕。模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)重量相當(dāng)于異步電機(jī)的1/5、開關(guān)磁阻電機(jī)的1/3和永磁同步電機(jī)的1/2;體積是異步電機(jī)的0.5倍、開關(guān)磁阻電機(jī)的0.58倍、永磁同步電機(jī)的1.13倍。因此，模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是具有相對(duì)較高的功率密度和較小的重量，故這種電機(jī)十分適用于對(duì)電機(jī)體積與重量都有較高要求的電動(dòng)汽車。

4.3 電機(jī)電磁損耗仿真比較分析

對(duì)4種電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的電磁損耗進(jìn)行仿真分析比較，結(jié)果如圖8～圖11所示。圖11中，模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)在低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)以銅損耗為主，高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)鐵損耗較大，電磁損耗隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)與開關(guān)磁阻電機(jī)相似。

圖8 異步電機(jī)轉(zhuǎn)速-損耗仿真

圖10 永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)損耗仿真

圖11 模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)設(shè)計(jì)損耗仿真

4.4 電機(jī)效率仿真比較分析

仿真分析電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的損耗和效率，得到4種電機(jī)設(shè)計(jì)的電磁效率比較曲線，如圖12所示。

仿真結(jié)果表明，模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)在低速時(shí)(<2 000r/min)損耗較小，效率高于傳統(tǒng)電機(jī)。在高速時(shí)由于鐵損耗較大，導(dǎo)致電機(jī)總損耗較大，整體效率低于傳統(tǒng)電機(jī)。在額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)處，永磁同步電機(jī)的效率最高約為95%，模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)與開關(guān)磁阻電機(jī)相似約為90%。相較于傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)，模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)在較寬范圍內(nèi)(1 000～6 000r/min)能夠保持90%的穩(wěn)定效率、且在低轉(zhuǎn)速區(qū)(500～1 000r/min)能實(shí)現(xiàn)85%～90%的較高效率。

圖12 4種電機(jī)設(shè)計(jì)電磁效率仿真

5 結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法的比較分析

通常結(jié)構(gòu)的異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)，需要根據(jù)電機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)完成完整的電磁計(jì)算和參數(shù)的優(yōu)化。如果需要修改設(shè)計(jì)指標(biāo)，則需要重新進(jìn)行一次電磁計(jì)算和優(yōu)化過程。

模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)由U型電磁鐵組成，只需要完成一個(gè)電磁鐵的電磁設(shè)計(jì)和優(yōu)化，然后根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)完成積木式的組合設(shè)計(jì)即可。在設(shè)計(jì)功率、轉(zhuǎn)速等指標(biāo)需要修改時(shí)，也只需要重新進(jìn)行一個(gè)積木式的組合設(shè)計(jì)。因而，模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)設(shè)計(jì)方法較為簡(jiǎn)單實(shí)用。

模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)另一個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是各相之間沒有磁耦合，每個(gè)電磁鐵用一個(gè)獨(dú)立的H橋電路控制。普通的機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)，可靠性分析與數(shù)據(jù)表明，功率電子裝置是可靠性薄弱環(huán)節(jié)[16]。對(duì)于普通異步電機(jī)與永磁同步電機(jī),當(dāng)電機(jī)一相電路出現(xiàn)故障后電機(jī)無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行，由于模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)的各相在磁路、電路上獨(dú)立，原理上當(dāng)電機(jī)某相電路發(fā)生故障時(shí)電機(jī)依靠其他相仍能夠繼續(xù)運(yùn)行，僅輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增加。因此，在理論上模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)擁有較好的容錯(cuò)性能。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)一種寬范圍調(diào)速特性要求，設(shè)計(jì)了異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁同步電機(jī)和一種新型模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)。使用有限元仿真軟件Ansoft對(duì)4種電機(jī)進(jìn)行仿真對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

1)模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)機(jī)械特性與設(shè)計(jì)要求配合最好。

2)4種電機(jī)中模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)電磁重量最輕，功率密度最高。

3)橫向磁場(chǎng)電機(jī)在高速時(shí)效率低于其他電機(jī)，但在較寬范圍內(nèi)能夠保持約90%的穩(wěn)定效率。

4)模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，在理論上具有較好的容錯(cuò)性。

因此模塊化橫向磁場(chǎng)電機(jī)十分適用于對(duì)電機(jī)的體積與重量都有較高要求的電動(dòng)汽車。

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The Design Scheme and Simulation of the Wide Speed Regulation Hub Motor Used in Electrical Vehicle

SHENGZhi-yu,PEIXia-qing,ZHOUYuan-jun

(Beihang University,Beijing 100191,China)

A kind of wide speed regulation characteristic motor was required by a new kind of electrical vehicle. To fulfil the requirement, this paper analyzed and compared the method of speed regulation and mechanical properties of induction motor (IM), switched reluctance motor (SRM), permanent magnet synchronous motor (PMSM) and a new kind of modularization transverse flux motor (MTFM) that used U-shaped electromagnets as its stators. Then, the design of these four motors was performed. Using the FEM software Ansoft to complete the simulation of the mechanical properties, electromagnetic loss, efficiency and net weight of the four designed motors. And the best motor was choose based on the comparison of the simulation results. The results show that the MTFM suits the requirement best. It is the one which has the lightest weight and the highest power density in these motors. The efficiency of this motor could maintain 85～90% while the speed varied from 500 r/min to 6 000 r/min. And the modularization structure makes the design of this motor becomes very simple. Theoretically, it also has relative good fault tolerance ability. So, this MTFM is a new kind of motor which suits electrical vehicle well.

electrical vehicle; hub motor; transverse flux motor; motor design; comparative analysis; motor simulation

2016-08-30

航空科學(xué)基金項(xiàng)目(2014ZC01002)

TM359.9

A

1004-7018(2017)02-0013-05

盛智愚(1994-),男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。