电动汽车用双凸极永磁电机设计有限元分析

摘要：根据电动汽车需求，设计了一种双凸极永磁电机。首先介绍了双凸极永磁电机的基本结构，利用Ansys Maxwell软件建立了相应的有限元仿真模型，并对其磁力线分布、气隙磁密、磁链、反电势等特性进行了分析，验证了双凸极永磁电机设计的合理性，对今后实现该电机在电动汽车上的应用具有良好的借鉴意义。

关键词：电动汽车;永磁电机;双凸极电机;有限元分析

0 引言

随着我国对环境保护的重视程度不断提升，电动汽车的发展已经越来越受到人们的关注。而对于电动汽车的研究主要集中在电池、电机和电控系统这三个方面，其中电机又是汽车行驶的最核心部件[1]。电动汽车[2]主要使用直流电机、异步电机、永磁电机和开关磁阻电机作为驱动电机，其中开关磁阻电机[3]具有结构简单、控制方便、效率高等优点。但是，开关磁阻电机在运行时只有半个周期出力，电机输出转矩较小，且缺少永磁体，电机运行效率不高。双凸极永磁电机[4]是在开关磁阻电机基础上进一步发展而来的，其保留了开关磁阻电机的优点[5-6]，由于加入了永磁体，其运行效率得到了较大提升。

本文研究了一种适合电动汽车使用的雙凸极永磁电机。首先阐述了双凸极永磁电机的基本结构，同时通过有限元建模分析了该电机的电磁特性，验证了双凸极永磁电机的设计合理性。

1 双凸极永磁电机基本结构

本文介绍的双凸极永磁电机基本结构如图1所示，双凸极永磁电机由定子、转子、永磁体、电枢绕组等构成。双凸极永磁电机的定子和转子呈双凸极结构，电枢绕组在定子上，降低了运行损耗。6块永磁体等距离嵌入在定子轭部，有利于电机进行散热。

2 有限元分析

本文利用Ansys Maxwell软件对双凸极永磁电机进行了有限元建模，并对其电磁特性进行了分析。双凸极永磁电机的磁力线图和气隙磁密图分别如图2、图3所示，当电机空载时，定/转子重叠区域磁密达到最大值，从图3可以看出，气隙磁密最大约为1.4 T，符合电机设计要求。

双凸极永磁电机运行在额定转速为1 500 r/min时，其三相空载磁链波形如图4所示。

当电机运行时，随着转子极滑入定子极，磁链随之增加，当定/转子极完全重合时，此时磁链达到最大值。三相磁链相互对称，互差电角度120°。

双凸极永磁电机运行时，其转子会切割磁力线从而产生感应反电势，反电势波形如图5所示。三相反电势相互对称，互差电角度120°，三相反电势波形接近于方波。

3 结语

本文根据电动汽车驱动电机的需求，设计了一种双凸极永磁电机，通过有限元仿真软件，对电机的电磁特性进行了分析，具体仿真分析了电机的磁力线分布、气隙磁密、磁链和反电势的特性，验证了双凸极永磁电机设计的合理性。仿真结果表明，本文设计的双凸极永磁电机具有结构简单、方便控制等优点，适合电动汽车作为驱动电机使用。

[参考文献]

[1] 徐衍亮.电动汽车用永磁同步电动机及其驱动系统研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2001.

[2] 温旭辉.电动汽车电动机驱动技术及其发展[J].电气时代，2010（9）：55.

[3] 曾剑.电动汽车用开关磁阻电机分析与设计研究[D].赣州：江西理工大学，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] 孙延东.电动汽车用П型双凸极永磁电机设计与分析[D].镇江：江苏大学，2017.

[6] 陈云云，全力，朱孝勇，等.双凸极永磁双转子电机优化设计与电磁特性分析[J].中国电机工程学报，2014（12）：1912-1921.

收稿日期：2020-05-06

作者简介：蔡一正（1991—），男，江苏盐城人，助教，研究方向：电机设计与控制。