文 |绯娱罐头

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●○引言○●

随着新能源汽车的兴起，轮毂电机成为新能源汽车领域里一个新的发展方向，轮毂电机以其高效、轻量化、小型化而独具优势。

具体来讲，轮毂电机控制系统显著降低了整车质量，也有效节省了汽车底盘的使用空间，从而增大了其可利用空间，而轮毂电机驱动系统成为了电动汽车驱动系统的较好选择。

永磁同步电机结构具有简单灵活、安装方便、运行平稳、转速不随负载而变化、过载能力高、效率高等优点，所以得到广泛应用。

可以对直驱式永磁同步轮毂电机的主要尺寸参数进行设计，然后采用改进混合优化算法对驱动电机最大转矩进行优化。

最后对上述电机电磁性能、短路电流和温升等进行分析，在尺寸设计方面系统阐述了直驱式永磁同步轮毂电机的设计思路。

提升直驱式永磁同步轮毂电机的电磁特性，可以使汽车具有更高的传动效率。

可以对电磁特性的内置式永磁同步轮毂电机进行设计，利用Max-well仿真软件建立模型，用一种基于响应面法的永磁同步牵引电机定转子结构优化方法，并利用有限元分析软件对电机转矩脉动及齿槽转矩进行优化。

以某发动机的动力特性作为轮毂电机的设计依据，具体如下表所示。

这款设计的永磁同步轮毂电机外形尺寸是根据该车轮毂尺寸确定的，该车轮胎型号为205/50R17，汽车轮毂直径为431.8mm。

而考虑安装方便等其他因素，选取转子外径为355mm，轮毂电机主要尺寸设计可参照电机主要尺寸关系式：

式中：D为电机的定子外径，Lef为电枢计算长度，P′为电机在额定工况时计算功率，αi为计算极弧系数，A为电机线负荷，Bδ为气隙磁密，KNm为气隙磁场波形系数，Kdp为电机绕组系数。

因为轮毂电机直接安装在汽车的轮毂上，所以轴向长度一般不会太长，预计计算极弧系数为0.6，长径比取0.6，气隙磁密预估值取0.72，线负荷值取100A/cm，将数据代入上式，选取定子外径为310mm，电枢有效长度为186mm。

对于表贴式永磁同步电动机，通常可以通过上式推导出永磁体的大小。

式中：hM为电机永磁体厚度，μr为永磁电机的相对磁导率，δ为永磁电机的计算气隙长度，Br为永磁电机在工作状态时的剩余磁通密度，bM为永磁电机的永磁体宽度，τ2为电机转子极距。

根据上式计算得到设计的永磁体厚度hM为4mm，永磁体宽度bM为30mm。

而气隙长度δ是电动机定转子间间隙的长度，它直接影响电动机的生产成本和性能，由于空气间隙的增加，电动机的磁阻也会随之增加，进而会导致电动机的功率密度降低。

同样功率的电动机增加气隙长度后，生产成本也随之增加，气隙长度越短，电动机的磁路电阻越低，功率密度越大，组装越困难，于是，可根据下式确定气隙长度。

式中：σ为漏磁系数，初步估算时，可取为1.2，根据上式，可确定气隙长度为1mm。

而基于轮毂电机的设计技术要求可获得电机的结构参数如上表所示，对轮毂电机参数进行初步设计选择，为之后研究三维建模和电磁分析提供一定的尺寸参考。

永磁同步电动机工作时，其内部会有一个由定子电流、永磁体所形成的电磁场，电磁场的大小直接影响电动机的工作状态，所以对电动机的电磁场进行计算与模拟，得出电动机的设计有十分重要的作用。

电机基本尺寸确定后，根据上述表格，通过Maxwell生成Maxwell2D模块，建立电机的数学模。

而在对该电动机进行进一步的分析前，首先要对该电动机的可靠性进行检验。

首先，槽满率是电动机定子绕组设计的一个重要参数，槽满率越高，说明沟槽中的灌装越严密。

但是嵌线越困难，工作量大，工作时间长，极易对绝缘产生损害，槽满率越低，说明槽中填料越疏松，电动机运转时，导线在槽中容易松动，容易造成绝缘的损伤。

而永磁同步电机通常采用60%~78%的槽满率，一般不超过80%，经验证，本实验设计电机的槽满比为66.4676%，满足电动机的设计需求。

另外，经过初步验证，本实验设计的电机输出功率为15kW，输出转矩为114.629N·m，效率为92%，符合设计要求。

那么在有限元软件中设定定子电流为0A，利用有限元软件对所设计的电动机进行模拟，得出空载时的磁场强度分布云图和感应磁力线分布。

由此可得电机磁场强度在1.0457T以下，磁场密度均处于正常范围内，整体上较为合理，在靠近气隙处磁场密度很大，此处漏磁较大，以此为基点向两边递减。

而磁力线分布在±0.0088Wb/m之间，磁力线从永磁体出发，经过转子轭、气隙、定子齿、定子轭、定子齿、气隙回到永磁体，形成一个闭合曲线，没有出现明显的漏磁。

同时，磁力线越密集的地方磁场强度也越大，其中小部分磁力线自行封闭，说明存在着少量的漏磁，属于正常现象。

以上从槽满率和空载状态磁场强度和磁力线分布2个角度，验证了所设计的电机模型的可靠性，因此该模型可以用来进行进一步的分析与研究。

永磁同步轮毂电机的空载状态指的是电机在没有负载设备的情况下运转，电机的空载电磁场是在电动机定子没有电流的情况下，在永磁铁附近产生磁回路，所以需要将定子电流设定为0A。

但在分析电机性能时，气隙磁场密度是一个必不可少的因素，通过数值模拟，得出空载条件下气隙的径向和切向磁密的波形如下图所示，由图可知，空载时径向磁通密度峰值为0.6003T，切向磁通密度为0.1684T。

而一般气隙中的磁场以径向磁密为主，故空载气隙径向磁通密度波形在波峰和波谷处存在锯齿状分布，即存在着畸变。

这是由于电机旋转到磁极与定子上的齿部相对时，定子槽口此时处于空气或绝缘材料的环境下，此时磁阻变大，导致径向磁通密度发生畸变，所以在设计时可以适当减小槽口宽度，减小定子槽口处的磁阻大小，以减小气隙径向磁通密度波形的畸变率。

在分析电机性能时，空载反电动势也尤为重要，实验提取2个周期的空载反电动势进行研究，上图为空载三相反电动势。

由此可得电机三相式空载反电动势峰值约为186V，其波形与正弦波基本一致，当电机空载反电势曲线越接近于正弦时，表明其性能越好。

而齿槽转矩是由定子齿槽和不通电的永磁磁极相互作用形成的，所以齿槽转矩只能在空载条件下测得。

但是当转子旋转时，永磁体极弧部分对应的永磁体两侧磁导发生变化，导致磁力线走向不一致，而形成齿槽转矩，齿槽转矩曲线如下图所示。

因为齿槽转矩值是周期变化的，其峰值为1.6729N·m，与电机额定转矩115N·m相比，此数值较小，所以属于齿槽转矩正常合理的范围。

从理论上分析，电机的输出功率由负载确定，本节在电机负载状态下，将激励源设置为正弦交流电进行仿真，通过对永磁同步电机的瞬态场进行有限元分析，能够更好地了解设计电机的动态性能，同时也对后期电机性能参数的进一步优化提供理论依据。

通过数值模拟，得出负载条件下气隙的径向和切向磁密的波形如上图所示，负载时径向磁通密度峰值为0.7528T，切向磁通密度为0.2634T。

在正弦电源供电下产生的气隙磁密波形，与空载下的气隙磁通密度波形类似，都类似正弦波，由此可以得出电机的径向和切向磁通密度峰值都有所增加，说明电枢反应有增磁作用。

而下图所示为负载下的电机反电动势，因为电机三相式空载反电动势峰值约为186V，其波形与正弦波基本一致，所以可以得出在通入三相交流电后，转子转速增加，使负载电势有所增加，幅值达到了206V，这也说明电枢反应对电机起增磁作用。

为满足电机的动力性能要求，对负载下的电磁转矩特性进行分析，可知其最大转矩为123.918N·m，最小转矩为115.9696N·m，平均值为119.7398N·m，符合所设计电机的转矩要求。

尽管齿槽转矩只能在空载条件下测得，但齿槽转矩会影响负载时转矩波动的大小，进而影响电机甚至整车的振动噪声情况。

并且在额定状态下，利用不同槽口宽对转矩进行仿真，下图所示为不同槽口宽度下电磁转矩对比曲线。

其中，槽口宽度为3mm时，槽口宽度较小会产生过高的转矩脉冲，输出转矩不稳定，槽口宽度为7mm时，槽口宽度较大，会使输出转矩过小。

因此，设计的永磁同步轮毂电机合适的槽口宽度约为5mm，其输出转矩稳定且满足该车的动力性能要求，后续可以开展深入研究，计算出更加精确的槽口宽度。

●○结语○●

实验针对比某车型动力性能，设计了一种表贴式外转子永磁同步电机，并对电机的电磁特性进行了分析。

以该车型动力性能为基础，通过经验公式计算，设计了匹配该车型的轮毂电机，根据所得的结构参数，在Maxwell分析软件中建立了有限元模型。

为开展下一步实验，对有限元模型的可靠性进行了验证，结果表明，槽满率为66.4676%，空载状态磁力线分布形成一个闭合曲线，没有出现明显的漏磁，满足电动机的设计需求。

通过仿真分析了所设计的永磁同步电机，在空载和负载2种工况下的气隙磁通密度和反电动势，通过对比不同槽口宽度分析了对电磁转矩的影响。

综上所述所设计的电机在额定工况下的最大转矩为123.918N·m，最小转矩为115.9696N·m，满足该型车的设计使用要求，且当电机槽口宽度约为5mm时，可以获得最稳定的输出转矩和最符合该车的动力性能。