我杰力科技有限公司设计了一款电动汽车所用的永磁式无刷直流步进电机，采用外转子结构，其目的是通过嵌在汽车的轮毂以内从而以实现汽车进行直接的驱动，从而不需要任何齿轮的传动设备装置，可以实现低速、高转矩、高效率、变速运行。文中着重叙述用Ansys软件对该种电机的磁通、磁感应强度以及其转矩进行有限元的进行分析。 1　引 言电动汽车公害少，节约石油消耗，结构简单，维修容易，使用寿命长，受到了世界各国企业的青睐。永磁式无刷直流步进电机与相同功率的其他类型的电机相比，体积小，质量轻，在质量、效率、价格等各方面都拥有相当明显的优势，永磁无刷电机没有电刷和滑环等零件，结构更简单，性能更可靠，环境适应性好，更加适合作为电动汽车的驱动电机。由于一般采用方波供电，在相同的峰值电压和峰值电流下，方波电流和方波磁场相互作用产生的转矩要大，所以永磁无刷电机可以输出较大的电磁转矩。随着电子技术与控制技术的迅速发展，如果将电机直接安装在汽车的轮毂内，通过电气控制实现调速和直接驱动（2轮或4轮），则汽车内可以省去复杂的齿轮变速使动机构，汽车结构大为简化，质量大为减轻。世界先进国家已将其作为发展方向，开展研究，有的国家已研制成样机。但是，由于轮毂内径的限制，永磁电机的体积受到限制，而又要产生较高的转矩，这就给电机的设计带来一定的难度。而且，永磁无刷直流电机的设计，既不能简单地套用永磁同步电机的方法，也不能简单地套用直流电机的方法。要根据特点，寻找一种较为准确的设计方法［1］。在此，采用了磁路计算与磁场分析相结合的设计方法对三相永磁无刷直流电机进行了研究。2　电机电磁计算根据我们所编制计算程序，对1台8kW、12极外转子无刷直流电机进行了设计计算。2.1　基本输入数据额定输出功率：PN＝8 000W额定转速：nN＝685r／min电枢外径：Da＝0.31m电枢内径：D0＝0.08m槽数：Q＝45剩磁密度：Br＝1.05T矫顽力：Hc＝800kA／m相数：m＝32.2　计算结果2.2.1　性能计算定子电流I1＝24.05A，电磁转矩Tn＝112.33N.m，输入功率P1＝8656.74W，反电势E＝349.70V，实际转速n＝677.20r／min，效率η＝92.41％。2.2.2　绕组数据线负荷：A=311.11A/cm电流密度：J=6.86A/mm2热负荷：AJ=2134.21A2/cm*mm22.2.3　磁路计算空载点标么值：b00＝0.925 36，h00＝0.074 64负载点标么值：bn＝0.084 196，hn＝0.158 04每极磁通：Φ＝0.004 390 5Wb气隙磁密：Bδ＝0.767 6T定子齿磁密：Bt2＝1.763 5T定子轭磁密：Bj2＝0.257 1T转子轭磁密：Bj1＝0.855 6T3　有限元分析ANSYS程序的电磁能力可用来分析电磁场多方面问题。ANSYS程序提供了丰富的线性和非线性材料的表达方式，包括各向同性或正交各向异性的线性磁导率，材料的B－H曲线和永磁体的退磁曲线。后处理功能允许用户显示磁力线，并计算磁通密度和磁场强度、力、力矩和其它参数。本例中应用2－D静态磁场分析，采用矢量磁势方法，模拟各种饱和磁性材料和永磁体。静态磁场分析主要由6个步骤组成：（1）建立模型（2）创建物理环境，赋予特性（3）剖分网格（4）加边界条件和载荷（5）求解（6）后处理3.1　在ANSYS中创建实体模型将计算结果作为建立模型的输入数据。进入前处理（PREP7）开始建立模型。利用几何元素和布尔操作生产基本的几何形状。此模型的难点在于槽的复制，在柱坐标系下转动工作平面后映射即可。4　结　语电磁场是电机能量传输的核心，利用有限元方法对电机电磁场参数的分布和大小可进行准确的数值计算，可见ANSYS软件是电机设计的有力辅助工具。根据永磁无刷直流电机的工作原理和结构特点，我们对其设计方法进行了研究。编写了《永磁无刷直流电机设计程序》和《永磁无刷直流电机电磁场数值分析程序》，前一个程序的计算结果作为后一个程序的输入数据，我们取磁路计算法速度快的优点，大量的计算（包括优化计算）都用磁路法进行，磁场分析法只用于核算电磁转矩等参数，计算次数较少，这样经过两个程序若干次轮换计算，可以得到比较满意的结果。我们认为用磁路计算和磁场分析相结合设计永磁无刷直流电机的方法是成功的。通过磁场分析，我们发现仍有许多问题有待进一步研究，例如转矩的波动问题，采用六相或五相，电机的力矩特性更为合理。供应杰力科技直线步进电机的深圳市杰力科技有限公司与您携手共创辉煌！

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