电动自行车用160W永磁无刷直流机选型及结构参数设计.doc

电动自行车用160W永磁无刷直流电机选型及结构参数设计 1．综述 无刷直流电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电机的效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，非常适合在电动自行车上应用。 电动自行车用160W驱动电机采用的无刷直流电机具有以下优点： ⑴结构简单，维护方便。 ⑵采用电子换相，工作可靠，电子换相器寿命长。 ⑶由于不采用电刷，因此不存在电刷带来的噪音、火花及无线电干扰等问题。 ⑷能够方便地实现充油均压密封，作为水下电机使用体积小，重量轻。 ⑸绕组位于定子上，转子上为磁钢，定转子仅通过气隙相互联系，易于实现电机的集成设计。 每极每相绕组不是整数的绕组称为分数槽绕组。电动自行车电机采用分数槽绕组后可具备以下优点： ⑴对于多极的无刷直流电机可采用较少的定子槽数，有利于槽满率的提高，进而提高电机性能；电机采用相对较多的极数，可减小转子铁心的磁通量，即可减小转子铁心厚度。 ⑵增加绕组的短距和分布效应，改善反电动势的正弦性； ⑶每个绕组只绕在一个齿上，缩短了线圈周长和绕组端部伸出长度，减少了用铜材的消耗； ⑷从工艺上来看，较少的元件数量可简化嵌线工艺和接线，降低成本，同时线圈间没有重叠，不必相间绝缘； ⑸效率上：线圈周长和绕组端部伸出长度较短，电机内阻小，电机铜损少，进而提高了电机效率并降低了温升； ⑹降低了齿槽转矩，有利于减少振动和噪声。 2．联合仿真及操作步骤（2011-10-18） ANSOFT公司开发的电磁场数值计算方法的有限分析软件——Maxwell，可提供了一种方便快捷且准确的仿真环境，准确分析电机内部电磁场的分布情况，能自动计算电机的自感、互感、磁链、转矩等参数。同时，ANSOFT公司还提供另一款电路仿真软件――SIMPLORER，可以搭建BLDC电机驱动系统的瞬态模型，将电磁场仿真与电路、控制系统仿真结合起来，能够有效且真实地对BLDC驱动系统进行仿真研究，为本设计提供相应的理论依据和数据支持。 2.1 Maxwell 2D有限元电机静态模型的操作步骤 建立电机模型是电机仿真的第一步，只有保证电机模型的准确才能保证电机特性仿真的准确。下面利用Maxwell 2D建立电机的二维有限元模型。具体建模过程如下： ⑴确定电机结构尺寸数据，画出电机截面图模型。模型也可以是电机模型一个对称单元，但必须在边界条件中设定主从边界。 ⑵确定电机材料属性，如定子、转子、磁钢、气隙的材料等。 ⑶确定有限元计算的边界条件和励磁电源参数等。 ⑷设定求解参数，如设定产生转矩、力的部分，并设置电枢的回路路径等。 ⑸设置求解器，并进行有限元网络剖分。有限元网络剖分分为自适应剖分和手动剖分。对于自适应有限元网络剖分，需要设置迭代次数、误差精度等。 ⑹开始有限元计算。 2.2 MAXWELL 2D有限元瞬态模型的操作步骤 下面利用Maxwell 2D建立电机的瞬态场有限元模型。具体建模过程如下： ⑴确定电机结构尺寸数据，画出电机截面图模型。模型也可以是电机模型一个对称单元，但必须在边界条件中设定主从边界。 ⑵确定电机材料属性，如定子、转子、磁钢、气隙的材料等。 ⑶确定有限元计算的边界条件和电机绕组参数等。 ⑷设定电机的转动边界（BAND）及电机的机械参量。 ⑸设置求解器，并进行有限元网络剖分。对于自适应有限元网络剖分，需要设置迭代次数、误差精度等。 ⑹开始有限元计算。 2.3 RMxprt模型的操作步骤 AnsoftV12 版本中，除了二维、三维电磁场计算外，还嵌入了 RMxprt 电机分析模块。RMxprt 是基于电机等效电路和磁路的设计理念来计算、仿真各种电机模型，具有建立模型简单快捷、参数调整方便等优点，同时具备一定的设计精度和可靠性。 RMxprt 电机模块可分析 12 大类，15 种常用电机，分别为： ●Three Phase Induction Motor （三相异步电动机） ●Single Phase Induction Motor （单相异步电动机） ●Three Phase Synchronous Machine （三相凸极同步电机） ●Brushless Permaent Magnet DC Motor （永磁无刷直流电机） ●Adjust Speed Synchronous Machine （变频永磁同步电机） ●Permanent Magnet DC Motor （普通永磁直流电动机） ●Switched Reluctance Motor （开关磁阻电动机） ●Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor （自起动永磁同步电动机） ●Universal Motor （串极整流子电动机） ●DC Machine （普通电励磁直流电机） ●Cla