电动自行车用160W永磁无刷直流电机选型及结构参数设计.docx

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电动自行车用160W永磁无刷直流电机选型及结构参数设计

电动自行车用160W永磁无刷直流电机选型及结构参数设计

电动自行车用160W永磁无刷直流电机选型及结构参数设计1．综述

无刷直流电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机的效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，非常适合在电动自行车上应用。

电动自行车用160W驱动电机采用的无刷直流电机具有以下优点：

⑴结构简单，维护方便。

⑵采用电子换相，工作可靠，电子换相器寿命长。

⑶由于不采用电刷，因此不存在电刷带来的噪音、火花及无线电干扰等问题。

⑷能够方便地实现充油均压密封，作为水下电机使用体积小，重量轻。

⑸绕组位于定子上，转子上为磁钢，定转子仅通过气隙相互联系，易于实现电机的集成设计。

每极每相绕组不是整数的绕组称为分数槽绕组。

电动自行车电机采用分数槽绕组后可具备以下优点：

⑴对于多极的无刷直流电机可采用较少的定子槽数，有利于槽满率的提高，进而提高电机性能；电机采用相对较多的极数，可减小转子铁心的磁通量，即可减小转子铁心厚度。

⑵增加绕组的短距和分布效应，改善反电动势的正弦性；

⑶每个绕组只绕在一个齿上，缩短了线圈周长和绕组端部伸出长度，减少了用铜材的消耗；

⑷从工艺上来看，较少的元件数量可简化嵌线工艺和接线，降低成本，同时线圈间没有重叠，不必相间绝缘；

⑸效率上：

线圈周长和绕组端部伸出长度较短，电机内阻小，电机铜损少，进而提高了电机效率并降低了温升；

⑹降低了齿槽转矩，有利于减少振动和噪声。

2．联合仿真及操作步骤（2011-10-18）

ANSOFT公司开发的电磁场数值计算方法的有限分析软件――Maxwell，可提供了一种方便快捷且准确的仿真环境，准确分析电机内部电磁场的分布情况，能自动计算电机的自感、互感、磁链、转矩等参数。

同时，ANSOFT公司还提供另一款电路仿真软件*****ORER，可以搭建BLDC电机驱动系统的瞬态模型，将电磁场仿真与电路、控制系统仿真结合起来，能够有效且真实地对BLDC驱动系统进行仿真研究，为本设计提供相应的理论依据和数据支持。

2.1Maxwell2D有限元电机静态模型的操作步骤

建立电机模型是电机仿真的第一步，只有保证电机模型的准确才能保证电机特性仿真的

准确。

下面利用Maxwell2D建立电机的二维有限元模型。

具体建模过程如下：

⑴确定电机结构尺寸数据，画出电机截面图模型。

模型也可以是电机模型一个对称单元，但必须在边界条件中设定主从边界。

⑵确定电机材料属性，如定子、转子、磁钢、气隙的材料等。

⑶确定有限元计算的边界条件和励磁电源参数等。

⑷设定求解参数，如设定产生转矩、力的部分，并设置电枢的回路路径等。

⑸设置求解器，并进行有限元网络剖分。

有限元网络剖分分为自适应剖分和手动剖分。

对于自适应有限元网络剖分，需要设置迭代次数、误差精度等。

⑹开始有限元计算。

2.2*****2D有限元瞬态模型的操作步骤

下面利用Maxwell2D建立电机的瞬态场有限元模型。

具体建模过程如下：

⑴确定电机结构尺寸数据，画出电机截面图模型。

模型也可以是电机模型一个对称单元，但必须在边界条件中设定主从边界。

⑵确定电机材料属性，如定子、转子、磁钢、气隙的材料等。

⑶确定有限元计算的边界条件和电机绕组参数等。

⑷设定电机的转动边界（BAND）及电机的机械参量。

⑸设置求解器，并进行有限元网络剖分。

对于自适应有限元网络剖分，需要设置迭代次数、误差精度等。

⑹开始有限元计算。

2.3RMxprt模型的操作步骤

AnsoftV12版本中，除了二维、三维电磁场计算外，还嵌入了RMxprt电机分析模块。

RMxprt是基于电机等效电路和磁路的设计理念来计算、仿真各种电机模型，具有建立模型简单快捷、参数调整方便等优点，同时具备一定的设计精度和可靠性。

RMxprt电机模块可分析12大类，15种常用电机，分别为：

●ThreePhaseInductionMotor（三相异步电动机）●SinglePhaseInductionMotor（单相异步电动机）●ThreePhaseSynchronousMachine（三相凸极同步电机）●BrushlessPermaentMagnetDCMotor（永磁无刷直流电机）●AdjustSpeedSynchronousMachine（变频永磁同步电机）●PermanentMagnetDCMotor（普通永磁直流电动机）●SwitchedReluctanceMotor（开关磁阻电动机）

●LineStartPermanentMagnetSynchronousMotor（自起动永磁同步电动机）●UniversalMotor（串极整流子电动机）●DCMachine（普通电励磁直流电机）●Claw-poleAlternator（爪极发电机）

●ThreePhaseNon-SalientSynchronousMachine（三相隐极同步电机）RMxprt模型的操作步骤为：

⑴选择仿真电机类型。

⑵添加RMxprt材料库。

单击Tools/ConfigureLibraries项，选中其中左侧的RMxprt，再按下“添加”按钮将其到右侧空白栏中，并点击OK按钮即可。

⑶线规的定义。

系统默认的线规为American，即美国国标线规，需要执行Tools/Options/MachineOptions命令，改用Chinese线规，即我国国标线规。

⑷电机的参数设定。

新建一个RMxprt工程文件后，需要输入电机各项参数。

①Machine项设置过程

②Stator项设置过程。

其中定子选择相应的材料应在新添加的RMxprt电机模块材料库中。

③在定子槽参设设置过程中，初始时在第一项的AutoDesign项后的单选框默认为已选择，所以在槽形参数栏中仅存在三项。

这里用户需要先将AutoDesign项后的单选框中的对号取消，即不让软件进行槽形的自动设计。

点击确定退出该对话框，然后再一次点击Slot项弹出新对话框，可以看到槽形的所有详细参数都出现在新对话框中。

④Winding项设置。

⑤Rotor项设置

⑸仿真设定。

在菜单栏中选择RMxprt/AnalysisSetup/AddSolutionSetup选项即可进行仿真设定。

仿真参数的设定至关重要，这意味着将要计算前面输入的电机模型在该状态下的工况，一般是将额定工作状态设定为分析对象。

⑹仿真计算。

单击工具栏上的

按钮，可自动检测模型是否正确。

单击工具栏上的求解按钮进行求解，⑺仿真结果察看。

单击工具栏上的RMxprt/Results/SolutionData选项，可以看到计算结果栏中主要包括以下三个部分：

①Performance（各类参数项）

②DesignSheet（设计表单），包含Performance项中的所有内容，同时还包括其它未收录于Performance中的数据，如转子参数等。

③Curves（性能曲线），包含几条典型的电机性能曲线。

2.4RMxprt模块导入Maxwell2d模块

在RMxprt模块中已经建立好的电机模型基础之上，将其导入至AnsoftV12的Maxwell2d和Maxwell3d模块，进行后续的有限元计算仿真。

单击菜单栏中的RMxprt/AnalysisSetup/CreatMaxwellDesign，软件可以开始自行生成电机模型，默认Maxwell2D求解器为瞬态场求解器。

自动生成的模型还包括边界条件、激

励源、网格剖分和仿真设置等选项。

普通电机利用RMxprt建立Maxwell2d模型可以节约大量建模时间。

仿真证明，RMxprt仿真结果和Maxwell2d仿真结果相差1%。

2.5*****ER与RMxprt联合仿真模型的建立仿真步骤如下：

⑴利用电机的设计参数，在RMxprt中绘制电机结构图并进行电机参数的快速仿真，以获得电机的额定转速、每相电阻、每相自感、每相漏感等基本仿真参数。

⑵将RMxprt中绘制的电机结构图导入*****，并在*****中搭建电机瞬态有限元仿真模型。

⑶在*****ER中搭建电机控制及主功率电路模型，并将*****中的仿真模型导入*****ER中。

⑷设置仿真参数

⑸开始联合仿真。

仿真条件如下：

⑴所有电路及控制元件，均采用理想模型，忽略元件本身的损耗。

⑵主功率电路采用三相全桥电路结构，并采用120度导通方式控制无刷直流电机的换相。

⑶控制系统采用单电流环控制（为了验证电机的带载能力，无需速度环调节），并采用

母线电流滞环控制的控制方式。

⑷原则上各电机工作在设计额定转速1000r/min下，若电机实际额定转速低于设计额定转速，则电机的转速按实际额定转速计算（实际额定转速由RMxprt快速仿真获得）。

⑸计及电机本身的漏感及内阻。

3分析结果

本文利用*****软件对定子槽、转子极数分别为36/24q=0.5、36/400.3、42/46的电机进行了参数设计，具体如下。

3.1方案1：

定子槽、转子极数分别为36/24

由于电机的输出转矩与定子外径的平方成正比，因此，为了取得较高的转矩，电机设计时应尽量加大定子外径，减小转子内径。

根据设计要求，电机外径为150mm，考虑机械强度，转子轭部厚应设计为5mm，磁钢2mm，所以转子内径为136mm。

方案1的电机参数见表1。

表1方案1电机参数表极数槽数定子内径（mm）定子外径（mm）转子内径（mm）转子外径（mm）磁钢厚度（mm）磁钢宽度（mm）定子齿部磁密（T）转子轭部磁密（T）额定工作速度（r/min）2436115135136150（厂家给定）2171.81.21100电机铁芯长度（mm）定子材料转子材料磁钢材料匝数槽满率（%）绕组定子电流密度（A/mm2）铁耗（W）铜耗（W）额定工作点效率（%）25D310Steel1008NdFe3030594×1.120.9502.680本方案最大缺点是极数太少，导致磁钢较宽（17mm，如图1所示），加工困难。

另外，由于本方案极数和匝数少，额定工作速度太高，其低速时效率较低，因此不方案不适合采用。

图1方案1磁钢布置图

3.2方案2：

定子槽、转子极数分别为36/40，定子绕组为0.71漆包线4股20匝

为了减小磁钢宽度并较低电机额定转速，设计的定子槽、转子极数分别为36/40的电机参数如表2所示。

此方案磁钢宽度为10.2mm，可以选择平面磁钢。

槽数定子内径（mm）定子外径（mm）转子内径（mm）转子外径（mm）磁钢厚度（mm）磁钢宽度（mm）定子齿部磁密（T）转子轭部磁密（T）额定工作速度（r/min）4036115135136150210.21.680.84550电机铁芯长度（mm）定子材料转子材料磁钢材料匝数槽满率（%）绕组定子电流密度（A/mm2）铁耗（W）铜耗（W）额定工作点效率（%）25D310Steel1008NdFe3020504×0.712.839488本方案输出特性如图2所示。

由于极数的增加，本方案额定工作转速大大降低。

但是由于绕组匝数较少，导致电机额定工作转速仍然较高，增加绕组匝数后为方案3。

AnsoftLLC140.0090.0080.0070.00XYPlot*****.*****.001.20OutputTorque[NewtonMeter]100.0060.001.00Efficiency[percent]80.0050.0040.00CurveInfo0.8060.000.6030.0040.0020.0020.0010.000.000.00EfficiencySetup1:

PerformanceOutputPowerSetup1:

PerformanceOutputTorqueSetup1:

Performance0.400.200.00100.00200.00300.00400.00RSpeed[rpm]500.00600.000.00700.00OutputPower[kW]图2方案2电机输出特性

3.3方案3：

定子槽、转子极数分别为36/40，定子绕组为0.69漆包线3股31匝

表3方案3电机参数表

极数槽数定子内径（mm）定子外径（mm）转子内径（mm）转子外径（mm）磁钢厚度（mm）磁钢宽度（mm）定子齿部磁密（T）转子轭部磁密（T）额定工作速度（r/min）4036115135136150210.21.680.84370电机铁芯长度（mm）定子材料转子材料磁钢材料匝数槽满率（%）绕组定子电流密度（A/mm2）铁耗（W）铜耗（W）额定工作点效率（%）25D310Steel1008NdFe3031553×0.695.14201187本方案最高效率转速370r/min，最高效率87%，电机输出特性如图3所示。

由图中可以看出，电机从20r/min～370r/min都可以输出200W以上的功率。

（电机在250r/min以下时

效率低于80%，我认为是因为仿真时电机两端短路，电枢电流过大引起定子的铁耗和铜耗增加；如果加上带有限流电路的控制器，电机即可实现低速时的恒转矩输出，其输出效率也会在较高的范围之内。

相类似的，普通电动自行车电机最高效率转速也在400r/min左右。

但我的这种想法缺乏理论和实际实验支持。

）

AnsoftLLC100.0090.00600.0080.00700.00XYPlot*****-3190.0080.0070.00OutputTorque[NewtonMeter]70.0060.0050.0040.0030.0020.00500.00400.00300.00200.0050.00CurveInfoOutputPowerSetup1:

PerformanceEfficiencySetup1:

PerformanceOutputTorqueSetup1:

Performance40.0030.0020.0010.00100.0010.000.000.000.000.0050.00100.00150.00200.00250.00300.00350.00400.00450.00RSpeed[rpm]Efficiency[percent]OutputPower[W]60.00图3方案3电机输出特性

电机定子采用双层绕组，电机齿槽匹配和部分嵌线图如图4和图5所示。

图4电机齿槽匹配图图5电机嵌线图

三相磁链曲线如图6所示。

AnsoftLLC0.03

XYPlot3Maxwell2DDesign1CurveInfoFluxLinkage（PhaseA）Setup1:

Transient0.02FluxLinkage（PhaseB）Setup1:

TransientFluxLinkage（PhaseC）Setup1:

Transient0.01Y1[Wb]0.00-0.01-0.02-0.030.005.0010.00Time[ms]15.0020.00图6三相磁链曲线

建立好电机四分之一有限元模型后，把电机分为五部分进行网格剖分。

电枢绕组网格的最大步长为2.3mm，磁钢网格的最大步长为1mm，主体网格的最大步长1.5mm，磁钢网格的最大步长0.068mm，其余网格的最大步长为0.075mm。

剖分的网格如图7所示

图7电机剖分网格

进行分析后，其磁力线如图8所示。

（a）0s时（b）0.02s时

图8磁力线分布图

电机的局部磁密分布图如图9所示。

由图中可以看出，电机定子、转子最大磁密未超过1.7T，即定子和转子未出现磁饱和现象。

（a）0s时（b）0.02s时

图9局部磁密分布图

（a）0s时（b）0.02s时

图10局部磁密分布矢量图

此方案若取36V电源供电，则最高效率时的转速为280r/min，此时功率为180W，输出功率较低，不适合采用，如图11所示。

AnsoftLLC80.0070.00450.00400.00350.00XYPlot*****-3190.0080.0070.00OutputTorque[NewtonMeter]60.0050.0040.0030.0020.0010.000.00250.00200.00150.00100.0050.000.000.00CurveInfoOutputPowerSetup1:

PerformanceEfficiencySetup1:

PerformanceOutputTorqueSetup1:

Performance50.0040.0030.0020.0010.000.00350.0050.00100.00150.00200.00RSpeed[rpm]250.00300.00Efficiency[percent]OutputPower[W]300.0060.00图11方案3采用36V电源供电的输出特性

3.4方案4：

转子槽、转子极数分别为36/40，绕组匝数为58

由于方案3的最高效率时的转速为370r/min，为了进一步降低最高效率的转速，在保证槽满率不是太高的情况下，只能增加绕组匝数并减小绕组线径。

绕组匝数为58匝时电机参数见表4。

经过仿真，此方案输出特性如图12所示，电机最高效率时的转速为200r/min，可是此时的输出功率不足100W，不能满足设计要求。

另外，此方案的槽满率为65%，加工制造非常困难。

因此，本方案不适合采用。

表4方案4电机参数表

极数槽数定子内径（mm）定子外径（mm）转子内径（mm）转子外径（mm）磁钢厚度（mm）磁钢宽度（mm）4036115135136150210.2电机铁芯长度（mm）定子材料转子材料磁钢材料匝数槽满率（%）绕组定子电流密度（A/mm2）25D310Steel1008NdFe305865（太高）2×0.677.43（有点高）

定子齿部磁密（T）转子轭部磁密（T）额定工作速度（r/min）AnsoftLLC70.00300.001.680.84200XYPlot3铁耗（W）铜耗（W）额定工作点效率（%）3640-4590.0080.004048560.00OutputTorque[NewtonMeter]250.0070.0050.0040.0030.0020.0050.00Efficiency[percent]OutputPower[W]200.0060.0050.00150.00CurveInfo40.0030.0020.0010.000.00250.00100.00OutputPowerSetup1:

PerformanceEfficiencySetup1:

PerformanceOutputTorqueSetup1:

Performance10.000.000.000.0050.00100.00150.00RSpeed[rpm]200.00图12方案4电机输出特性

本方案如果采用36V蓄电池，最大功率约为160W，150r/min取得最高效率时的输出功率为50W。

不适合采用。

3.5方案5：

定子槽、转子极数分别为42/46

极数槽数定子内径（mm）定子外径（mm）转子内径（mm）转子外径（mm）磁钢厚度（mm）磁钢宽度（mm）定子齿部磁密（T）转子轭部磁密（T）额定工作速度（r/min）4642115135136150291.851.35320电机铁芯长度（mm）定子材料转子材料磁钢材料匝数槽满率（%）绕组定子电流密度（A/mm2）铁耗（W）铜耗（W）额定工作点效率（%）25D310Steel1008NdFe3033613×0.693.7191485本方案采用0.71漆包线3股33匝，磁钢宽为9mm，定子齿宽3.5mm，磁密1.85T，最高效率87@330r/min，性能和方案3相似。

输出特性如图13所示，嵌线图如图14所示。

AnsoftLLC90.0080.0070.0090.0080.00500.0070.00XYPlot***-*****.00Efficiency[percent]InputDCCurrent[A]50.0040.0030.0020.0010.000.0050.00300.0040.00CurveInfo30.0020.0010.000.000.00InputDCCurrentSetup1:

PerformanceOutputPowerSetup1:

PerformanceEfficiencySetup1:

Performance200.00100.0050.000.00100.00150.00200.00250.00300.00350.00400.00RSpeed[rpm]OutputPower[W]60.0060.00400.00

图13方案5电机输出特性图14方案5嵌线图

在有限的定子外径上选择电机槽数时，应考虑定子结构强度和加工工艺。

太多的槽数会导致定子齿太窄而难以加工，强度也难以达到要求。

本方案相对于方案3来说齿数槽数较多，加工制造工艺复杂，成本高。

但是，这种槽极数的电机也有齿槽转矩小的优点。

其极数为46，只能被2整除；槽数为42，只能被2、3、7、21整除，这样的槽极数使得电机很难找到周期性齿极相吸的定位位置，所以齿槽转矩小，如图12所示，方案5的最大齿槽转矩为0.0047Nm，而方案2、3、4的最大齿槽转矩约为0.177Nm。

（a）方案5齿槽转矩（b）方案2、3、4齿槽转矩

图12各方案齿槽转矩

4基于*****ER的联合仿真模型的建立

采用仿真软件*****（有限元电磁场仿真软件）与*****ER（电路仿真软件）可共同构建IMP电机控制系统的FEA（瞬态电磁场有限元仿真）模型，并通过*****ER与*****的联机仿真，来获得所设计电机的仿真结果。

联机仿真模型如图12所示。

Q1Q3Q5*****MDrivewithCurrentHysteresisBandControl*****1ROT2+V_ROT10wE148V26-30彪，31匝不彪0+*****SM_*****N57.**********TVAL:

=mod（INPUT,INPUT）INPUT=PWM_PER-0.5LA.I打叉即没限流*****LCONST-60/20+PWM_PER（-LC.I）*****LCONST-120/20+PWM_PERLB.IICA:

LL:

=0.0003RA:

=0.10PWM_T:

=120/20I_TARG:

=8I_HYST:

=0.1LDUM:

=0.01PWM_PER:

=360/20*****LCONST-180/20