内容发布更新时间 : 2024/5/3 19:05:25星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

电动自行车用永磁无刷直流电机选型及结构参数设计

1．油泥模型电机参数分析

油泥模型的电机设计为38齿牙盘，其转子内径为111mm，电机铁心长度为14mm。其参数见表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) 总外径(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) 40 36 60 111 112 158 2 17 1.8 1.2 650 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) 最高效率(%) 14 D310 Steel 1008 NdFe30 37 66 3×0.69 5.4 50 2.6 87 当给电机加上48V电压时，其输出特性如图1所示，此时电机最高效率的工作点较高，为650 r/min，而电动自行车额定工作转速仅为180 r/min。所以理论上应增加匝数或降低电压，直接增加匝数受到了槽满率的限制，降低线径再增加匝数又受到了定子电流密度的限制。所以实际工作时只能通过降低电压来。降低定子电流。当电压降低到18V使得定子电流为9.5A时，其输出功率仅为120W，效率为70%，不能满足要求。

Ansoft LLC70.00700.00XY Plot 33640-3190.0080.0070.0060.00600.00OutputTorque [NewtonMeter]50.00500.00OutputPowerSetup1 : PerformanceEfficiencySetup1 : PerformanceOutputTorqueSetup1 : Performance40.00400.0050.0040.0030.0020.0030.00300.0020.00200.0010.00100.0010.000.00100.00200.00300.00400.00500.00600.00700.00800.00RSpeed [rpm]0.00 0.00 0.00Efficiency [percent]OutputPower [W]Curve Info60.00 图1 油泥模型电机输出特性

2.电机初始方案选择

电机槽数和极数有多种匹配参数可以选用，设计组利用计算机软件对槽数和极数分别为

36/24、36/40、42/46的电机进行了参数仿真，并对结果进行了分析。结论表明，极数为24的电机极数太少，导致磁钢较宽(17mm)，加工困难。另外，由于24极数的电机额定工作速度太高，其低速时效率较低，因此不适合采用。

2.1推荐方案定子、转子参数的确定

推荐方案的定子槽、转子极数分别为36/40，定子绕组为0.69漆包线3股33匝，如表2所示。

表2推荐方案电机参数表

极数 槽数 定子内径(mm) 定子外径(mm) 转子内径(mm) 总外径(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) 40 36 115 135 136 170 2 10.2 1.68 0.84 440 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) 最高效率(%) 20 D310 Steel 1008 NdFe30 33 55 3×0.69 5.14 20 11 87 本方案最高效率转速440r/min，最高效率87%，电机输出特性如图3所示。图为铁心长20mm的输出特性。由图中可以看出，相比较铁芯25mm电机结构，最高效率时的转速370 r/min提升到到450 r/min，电机从30 r/min～460 r/min都可以输出200W以上的功率。

Ansoft LLC90.0080.0070.00100.0090.0080.00XY Plot 63640-31800.00700.00600.00OutputTorque [NewtonMeter]Efficiency [percent]60.0050.0040.0030.0020.0010.000.0070.0060.0050.0040.0030.0020.0010.000.00 0.00Curve InfoOutputTorqueSetup1 : PerformanceOutputPowerSetup1 : PerformanceEfficiencySetup1 : Performance500.00400.00300.00200.00100.00 0.00600.00100.00200.00300.00400.00RSpeed [rpm]500.00OutputPower [W] 图3推荐方案电机输出特性

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。

Ansoft LLC0.03XY Plot 3Maxwell2DDesign1Curve InfoFluxLinkage(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 图7 电机剖分网格

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，气隙网格的最大步长为0.075mm。剖分的网格如图7所示

进行分析后，其磁力线如图8所示。