电动自行车用200W永磁无刷直流电机选型及结构参数设计2011.10.31

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

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。

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

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。

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。

0.00 5.00

10.0015.0020.00

Time [ms]

-0.03

-0.02

-0.01

0.00

0.010.02

0.03

Y 1 [W b ]

Ansoft LLC

Maxwell2DDesign1

XY Plot 3

Curve Info

FluxLinkage(P haseA)Setup1 : Transient

FluxLinkage(P haseB)Setup1 : Transient

FluxLinkage(P haseC)Setup1 : Transient

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。

(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

2.2推荐方案参数调整分析

由于推荐方案的最高效率时的转速为440 r/min，为了进一步降低最高效率的转速，可以采取三种措施：

①在保证槽满率不是太高的情况下，增加绕组匝数并减小绕组线径。

绕组匝数为58匝时电机输出特性如图11所示，电机最高效率时的转速为200 r/min，

可是此时的输出功率不足100W，不能满足设计要求。因此，本方案不适合采用。

图11增加匝数时电机输出特性

②增加定子铁芯轴向长度

定子铁芯长为25mm时的电机输出特性如图12所示。对比图3可以看出，本方案最高效率使得转速降低到370 r/min，而且限流为9A时的功率也可以增加至180W。因此，在安装空间不受限制的情况下，应尽可能增加电机轴向长度。

图12 铁心长为25mm的输出特性

③增加极数和槽数的调整

定子槽、转子极数分别为42/46电机参数见表3。

本方案采用0.69漆包线3股33匝，磁钢宽为9mm，定子齿宽3.5mm，磁密1.85T，最

高效率87%，转速为360r/min，性能和推荐方案相似。输出特性如图13所示。

图13 方案5电机输出特性

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。本方案相对于推荐方案来说齿数槽数较多，加工制造工艺复杂，成本高。

3低速时效率参数和功率参数的校核

上述仿真时是假设电机两端直接加在48V电源上的，此时电枢电流过大引起定子的铁耗和铜耗增加，电机在250 r/min以下时效率低于80%。电动自行车电机实际工作时应配合带有限流电路的控制器使用，以实现低速时的过载保护和恒转矩输出。下面根据设计要求的效率参数和功率参数对上述方案进行改进。

4.1推荐方案的校核

若输入24V电压，180 r/min时输出175W功率，效率为78%。此时为3股φ0.69的漆包线并绕，定子电流密度约为8.2A/mm2，若增加匝数减小线径则会出现电流密度过大，减少匝数会导致最高效率的转速太高，低速时电流过大，转矩过小。

4.2推荐方案定子铁芯加长为25mm时的校核

由定子铁芯加长后的输出特性可知，在电机两端加48V直流电，电机输出功率约为200W 时，转速为370 r/min，此时减小电动自行车调速开关即可降低电机转速。当电机PWM控制器控制输入电压的有效值为32V时，电机可在180 r/min时输出280W功率，此时电机效率为75%，达不到设计要求。降低电压有效值至30V时，可以在180 r/min时输出230W功率，此时效率依然为75%。继续降低电压至29V时，在180 r/min时仅能输出170W功率，此时效率依然为77%，由于功率和效率都太小达不到设计要求。

为了提高电机在180 r/min时效率，可以通过适当增加匝数降低电机最高效率时的转速来进行，当绕组线圈由φ0.69×31匝提升至φ0.69×35匝时，绕组槽满率由55%提升至62%。当输入32V电压时，180 r/min时输出160W功率，效率为78%。此时若通过提高输入电压来提高功率，则电机效率降低；若降低电压来提升电机效率，则功率降低。继续升高匝数又有槽满率约束也是如此。

因为定子铁芯加长后的最优设计方案为：绕组线圈为φ0.71×31匝，绕组槽满率为58%。