永磁同步輪轂電機設計及其弱磁控制研究
劉吉柱，郝雙暉，孫明沖，鄭偉峰，郝明暉
(哈爾濱工業大學，哈爾濱150001)
摘要：采用有限元法設計永磁同步輪轂電機，對影響其性能的氣隙磁密諧波和齒槽轉矩進行優化，降低了諧波損耗和力矩波動，達到速度高、控制性能好、功率密度高的特點，提高了輪轂電機的性能。并且對輪轂電機進行弱磁控制，擴大其調速范圍并且增大其扭矩，最后試制了一臺內置式交流永磁同步輪轂電機樣機，并對性能進行了測試，滿足設計要求。
關鍵詞：輪轂電機；有限元法；氣隙磁密；齒槽轉矩；弱磁控制
中圖分類號：tm351; tm341 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)02-0017-06
0引 言
能源短缺和環境污染問題已經成為世界關注的主要問題，而開發超低排放的電動汽車是解決此問題的重要途徑之一。目前，已經有很多電動汽車問世并投入運行，而現有電動汽車大部分是在傳統內燃機汽車的基礎上改裝而成，節能效果和總體性能仍然不理想，隨著永磁材料的發展，電力電子和控制技術的進步，永磁電機有著樂觀的應用前景。近年來，隨著電機及其控制器的發展以及大功率電子器件的應用，出現了一些全新設計的電動汽車，其中采用輪轂電機多輪分布式驅動的電動汽車非常具有發展潛力，這就是第二代電動汽車——電動輪汽車[5-8]。
輪轂電機是將電動機和車輪結合在一起的電機，是電動輪汽車的主要組成部努。同其他驅動方式相比，采用輪轂電機的多輪分布式驅動有很大的優勢。但是人們真正研究輪轂電機技術的時間還很短，而且輪轂電機的設計與車輛的車輪結構設計緊密相關，所以還有很多問題需要解決。本文利用有限元法設計并加工了一臺電動輪汽車用的永磁同步輪轂電機，對其進行了弱磁控制研究和性能授試。
1基于有限元法的電磁方案設計
通過分析電動汽車的牽引特性知，當采用減速比為10：1的輪邊減速器時，要求設計的輪轂電機****轉速為4 777 r/min，****扭矩為45.3 n-m。本文設計的輪轂電機采用的槽極配合為18/16，永磁體材料為釹鐵硼，轉子磁路結構為內置式。永磁體的工作點0. 84 t，因此氣隙磁密設計在0.84t左右，影響氣隙磁密的參數主要有永磁體寬度、永磁體厚度和氣隙長度，分別分析三個參數對氣隙磁密的影響，結果如圖l所示。
經分析，當氣隙長度為l mm、永磁體厚度為6 mm、寬度為25 mm時最合適。
齒部和軛部的磁密分別要設計在1.1 -1 2 t、0 9—1.0 t的范圍內，經分析，當齒寬為17 mm、軛高為8 mm時，磁密在要求的范圍內。
對以上確定的電磁方案加15 a—140a的電流，分析出的扭矩和轉矩系數如圖2、3所示。
本文利用ansys有限元軟件提取一個電角度內每個單元的****磁密，根據有限元原理，利用以下公式計算每個單元的鐵耗，再將計算出的單元鐵耗相加，最后得到定子的總鐵耗。
計算出銅耗，再由銅耗、鐵耗計算效率，繪制的效率扭矩圖如圖4所示，效率在百分之92以上。
2 電機性麓分析與優化
永磁同步電機在交流伺服系統中得到越來越廣泛的應用，平穩的電磁轉矩和低噪聲振動是伺服系統的重要性能目標。但是電機中存在的氣隙磁密諧波和齒槽轉矩嚴重影響了電機的控制性能，為了提高電機的拄制性能，本文對氣隙磁密的諧波和齒槽轉矩進行了削弱。
2.1氣隙磁密諧波的削弱
分析不同永磁體厚度時的氣隙磁密，結果如圖5、6所示。
| 
