电动汽车用内置式永磁无刷直流电机设计研究(2)

　　电机设计过程中，主要尺寸一旦确定，可变参数就局限于气隙长度、永磁体尺寸、定子线圈匝数等.为探究上述关键参数对电机性能的影响，利用Ansoft软件中Rmxprt模块的参数化分析功能，研究参数调整对电机效率、转矩电流比的影响.考虑到饱和、漏磁等非线性因素对电机性能的影响，分析时结合Maxwell2D有限元分析对参数化分析结果进行了修正.
　　本文选取了4组方案的分析结果进行对比，具体方案的参数设置如表3所示.
　　从图5～7可以看出：在转矩输出相同的情况下，方案2在低速区（0～2000r/min）具有更高的效率和更大的转矩电流比，在高速区两种方案获得的电机性能相当.由此可知，减小气隙长度可提高电机低速区性能.当然，实际设计中还要考虑制造、装配等因素，在满足机械加工要求的前提下尽可能选择较小的气隙.
　　3.2永磁体厚度对电机性能的影响
　　仅改变永磁体厚度，即采用方案1与方案3进行对比分析.计算得到输出转矩、效率以及转矩电流比的对比曲线如图8～10所示.
　　从图8～10可以看出：在转矩输出相同的情况下，方案3在整个运行区域内具有更高的效率和更大的转矩电流比.由此可知，增加永磁体用量对电机整体运行性能有所提升.但是，永磁体用量的增加会使电机造价提升，在实际设计时要综合考虑，兼顾成本.
　　从图11～13可以看出：在转矩输出相同的情况下，方案4的转矩电流比在低速区（0～2000r/min）明显小于方案1，但在高速区效率和转矩电流比有所提升.由此可知，适当减少绕组匝数可以提高电机高速区的性能，但同时会导致低速区转矩电流比下降，这就意味着系统对控制器的电流输出能力提高，在实际设计时需要特别注意.
　　4负载率对电机性能的影响
　　电动汽车的实际运行工况相当复杂，电动机不可能维持在某一特定工作点运行，负载率处于不断变化当中.考察不同负载率下的电机性能，有助于综合评判电机设计质量.在此选取不同的转矩特性曲线进行分析，如图14所示，转矩特性1～3分别代表的是重载、额定负载和轻载条件下的运行情况.分析得到3组随负载率变化的效率、转矩电流比特性曲线，分别如图15和图16所示.
　　从图14～16可以看出，不同负载率下，电机的效率和转矩电流比有着明显的差别.
　　任意负载下，电机效率都会随着转速的增加而先增大后减小，但重载情况下的效率最大值出现在额定转速以下，额定负载时的效率最大值出现在额定转速附近，而轻载时的效率最大值出现在额定转速以上；相同转速下，额定负载时电机的效率较高，说明设计方案对电机额定点的选取较为合理.
　　由于电机在高速运行区进行了弱磁扩速，转矩电流比的变化同时还受到电流超前导通角的影响，因此仅对低速运行区的情况进行比较发现：在未进行超前导通角调节的运行区域，相同转速下，转矩电流比随着负载率的增加而增大.分析认为：由于内置式永磁无刷直流电机转子磁路不对称，使得输出转矩中包含磁阻转矩分量，而磁阻转矩正比于电流的平方.因此，当负载功率增加引起输入电流增大时，输出转矩增大的幅度更大，故转矩电流比增大.这也是内置式永磁电机与表贴式永磁电机在设计时的一个重要差别.
　　5优化样机及测试
　　根据关键参数、负载率等因素对电机性能的影响结果，对样机设计方案进行了优化.主要的设计参数优化结果如表4所示.
　　6结论