纯电|新能源汽车用轴向磁通电机设计与分析( 二 )
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图3 不同形状的永磁体
永磁体的结构 ， 在一定程度上决定了电机的性能 。 文献[10-14]中分析了不同形状的永磁体对齿槽转矩产生的影响 ， 并进行了分析对比 。 文献[15]给出了前3种形状的永磁体 ， 对轴向磁通电机气隙磁密的影响 ， 从工艺上介绍了不同形状的永磁体加工的难易 。
永磁体结构力求简单 ， 容易制造与装配 ， 达到电机性能的同时利用率要高 ， 考虑到本次设计电机效率、噪音要求较高 ， 为了减小漏磁产生损耗以及尽量低的齿槽转矩和转矩波动 ， 采用扇形双向斜极的永磁电机结构 ， 这样也便于电机结构参数优化 ， 提高电机输出性能 。
2.5 永磁体厚度选择
永磁体磁化方向长度依据电机磁动势平衡关系预估初值 ， 然后在Ansys/RMxprt中进行具体电磁计算校验；使得电机空载工作点满足式(2)要求 。
Bg=(0.6～0.8) Br (2)
式中 ，Br为永磁体剩磁密度 。
此外磁化长度的大小影响电机抗去磁能力 ， 因此还需考虑电机最大过电流时的去磁能力 ， 确定永磁体最终磁化长度 。
2.6 定子冲片的设计
由于电机转速相对较低 ， 定子铁心磁场频率不高 ， 为降低电机制造成本 ， 定子冲片采用厚度为0.35mm、50WW310硅钢带 。 电机槽数选择为24槽 ， 定子冲片槽形选定主要考虑因素：首先满足定子绕组线圈电流密度和热负荷在限制之内 ， 定子槽设计有充足的截面积 ， 其次槽满率不能太高 ， 要协调考虑线下工艺要求 ， 最后结合机械强度和工艺限制选择合理轭高和齿宽 。
3 电机模型的建立
综合考虑电机设计技术要求及工作特点确定电机电磁方案参数 ， 如表2所示 。
表2 电机主要参数
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根据表中的参数在Ansys软件中RMxprt模块、建模 ， 然后将其转化为Maxwell 3D模型 。 利用有限元的方法 ， 进行三维瞬态磁场的分析 ， 由于三维仿真时间较长 ， 为缩短分析时间 ， 基于电机模型对称性 ， 本文采用1/8模型进行分析 ， 并适当进行网格剖分 ， 图4为所设计电机的仿真模型 。
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图4 电机仿真模型
4 电机有限元分析
4.1 电机磁场分析
等磁路法对电机磁场建模时忽略了电机槽形、磁饱和等因素 ， 与电机实际工作特性有差别 。 因此需要采用电磁场数值计算方法对磁场进行分析 ， 电机在额定转速5600r/min ， 输出转矩为61.4N.m时电机磁力线及磁密云图分布如图5、图6所示 。
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图5 电机磁力线分布
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图6 电机磁力云图分布
由电机内部磁场与磁密分布可知 ， 电机定子、转子、气隙之间形成了闭合的磁链 ， 定子齿部磁力线分布分布较密 ， 有少数的磁力线在极间、气隙处产生漏磁；电机内部最大饱和磁密为1.53T ， 定子采用硅钢带材料 ， 其饱和磁密为1.6T ， 未达到饱和 。
4.2 气隙磁密分析
采用有限元法对电机沿轴向方向的气隙磁密进行求解 ， 如图7所示 。 径向气隙磁密波形近似于正弦波 ， 幅值为0.59T ， 图中不规则的缺口畸变是由定子开槽气隙磁导不均匀导致 。
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图7 电机气隙磁密3D分布
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