车用轮毂电机的电磁场分析与优化
社会和科技在迅速发展，全世界汽车行业也随着成长并日趋成熟化。环保理念的提出，节能意识的出现，使得电动汽车开始出现在人们的视野中，成为人们的不二交通工具，它带给了人们便捷舒适，也对环保做出了贡献。电动汽车构造复杂，布局多样，驱动形式也是多种多样，现行方式主要是以轮毂驱动方式为主，因此，对轮毂电机的研究对电动汽车的发展有重要的影响。本文选用了一款永磁直流无刷轮毂电机电机wp80020x,介绍了利用有限元软件Ansoft对设计的电动汽车用轮毂电动机进行建模、仿真，以此方便指导和优化电动机的设计。研究的主要内容包括在Maxwell2D中建立永磁无刷直流电动机的几何模型，然后分别对直流无刷轮毂电机进行静态场和瞬态场的分析，最后对电机的电磁场提出优化方案。关键词 轮毂电机，永磁直流无刷，电磁设计，有限元分析，电动汽车
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景与研究意义 1
1.2 轮毂电机的国内外研究状况 1
1.3 本文的主要工作及章节安排 2
2 轮毂电机的系统概况 2
2.1 轮毂电机的驱动形式 3
2.2 轮毂电机的特点分析 4
3 永磁同步电机电磁计算仿真与分析优化 6
3.1 电磁场基本理论与磁路设计原理 6
3.2 电磁场有限元分析法 7
3.3 永磁同步电机的建模仿真 8
3.4 永磁同步电机的电磁场分析 11
3.5 永磁同步电机的电磁场优化 16
结 论 18
致 谢 19
参考文献 20
1 绪论
1.1 课题背景与研究意义
1.1.1 课题研究背景
当今世界，社会在快速发展，人民生活得到了改善，汽车行业作为工业革命中的风向标，无疑也随之得到了翻天覆地的发展，新能源汽车的研究热点就是电动汽车，无数学者研究人员为之付出自己的努力。永磁同步电动机作为电动汽车的核心部件，需要涉及的研究领域相当广泛，比如电工电子技术、微电子技术、控制理论和电动机技术，和一般意义上的电动机相比，容易操作、速度范围宽、输出功率高、可使用时间长、不易损坏、重量不重、体积不大等优点，目前已经广泛 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
应用到工程生产、电动汽车行业、医疗设备、国防航天和家用电器等领域。然而永磁同步牵引电机存在的空载铁耗、负载杂散耗损、热量温度折损以及电机设计计算等核心问题依然困扰着研究人员。
1.1.2 课题研究意义
本文重点研究电机的电磁场分析与优化。首先，依据电机的基本参数计算，比如定转子尺寸材料、永磁体宽度厚度以及充磁方向、气隙大小、磁路布置等，在软件中逐步绘制出电机的几何模型，然后利用进行仿真分析、优化结构，最终选择最佳方案。
1.2 轮毂电机的国内外研究状况
1.2.1 国外轮毂电机的研究发展
1）日本
较早接触电动汽车的国家有很多，日本就是其中之一，尤其是日本的两大汽车巨头：本田和丰田，无论是技术研发还是销售状况都处于世界领先地位。同时，由于永磁同步电动机自身特有的性能优势，越来越多地被应用到电动汽车上，一批又一批的汽车制造商开始使用永磁同步电机作为驱动电机。
除了本田和丰田，很多有名的汽车工厂也开始了对电动汽车用永磁同步电机研发攻关。没过几年，日本出现了内置式永磁同步电机，这种电机优点很多，比如转矩大大，峰值效率高。因为市场的需要，现在的日本对电动汽车的研发速度更是突飞猛进，重点研究永磁同步电机。
2）欧洲
通用汽车公司在加利福尼亚州的加利福尼亚高级技术研发中心已经成功地将自己轮毂发动机应用到雪佛兰s10皮卡车上。虽然15公斤的重量被增加到车身上，但却意外地多产生了25千瓦的功率，比传统的雪佛兰s10四缸卡车的扭矩大了60%，加速性能得到明显提升。
法国TM4公司是一家高科技公司，主要生产纯电动汽车和混合动力汽车，早期产品是城市公交车。2006年巴黎车展上的雪铁龙概念车采用了一体化的电动轮，使用外部转子永磁无刷直流电机，额定功率19千瓦，额定扭矩为960转/分钟，额定工作条件的平均效率最高可达96.3%，最高可达80千瓦的峰值功率，0到100公里的加速时间只有6.5秒，并且可以在双驱动模式和四轮驱动模式转换中。每个轮电机可输出高达300牛每米的扭矩，持续功率15千瓦。
1.2.2 国内轮毂电机的研究发展
国内对轮毂电机的研究起步较晚，主要集中在高校，2002年，上海同济大学汽车学院开始了对车用直接驱动式轮毂电机的研究，“春晖一号”、“春晖二号”等一系列的微型电动车先后问世，社会反响很好，轮毂电机选用了低速永磁同步电机，取得了一些理论与实践成就；没过多久，EV96Ⅰ型电动汽车就被哈工大联络爱因斯电动汽车研究所研究开发出来，这种车也拔取了轮毂电机的驱动形式，果断地采用了双边混合式磁路安放，兼具了同步电机和异步电机的两大优势。
1.3 本文的主要工作及章节安排
1.3.1本文主要工作
本文利用有限元分析软件Ansoft对设计的电动汽车用轮毂电动机进行建模、仿真，并对电机的电磁场进行分析优化。研究的主要内容包括：永磁无刷直流电动机的几何模型的创建，使用电磁场有限元分析软件对电机的静态场和瞬态场分别进行有限元仿真分析直觉地显示电动机在运行时磁场在不同时刻的分布情况。
1.3.2 本文章节安排
第一章对本文的选题背景和研究意义作概述，了解轮毂电机的国内外发展。
第二章了解学习轮毂电机的技术发展，掌握轮毂电机的结构布局与驱动形式。
第三章建立电机的电磁场仿真模型。根据电机的主要参数确定电机的几何模型。
第四章对电机的电磁场进行分析优化，分析包括瞬态分析和静态分析，并依据分析结果进行分析优化。
2 轮毂电机的系统概况
2.1 轮毂电机的驱动形式
2.1.1 减速驱动
减速驱动式的轮毂电机内部转子运转速度极高，功率密度高，内部转子速度高达10000转/分钟，内部运转速度很高。减速驱动电动机配备的行星齿轮减速装置包括一个行星轮、一个太阳轮和一个载着马达的行星载具组成。在车轮之间。发动机输出扭矩通过行星齿轮减速机传递结构的减速转矩驱动轮毂旋转，从而推动车辆的前进。这种驱动形式的优点是发动机转速很高，实际使用中，输出功率和效率都比较高，占用空间小，重量轻，通过减速机构减速后，输出力矩增大，攀爬性能良好;确保低速运转的汽车能获得更大的性能，更平滑的力矩。不好的地方是很难达到润滑的效果，使行星的牙齿齿轮的结构磨损更快，寿命更短，不容易冷却，噪音相对较大。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景与研究意义 1
1.2 轮毂电机的国内外研究状况 1
1.3 本文的主要工作及章节安排 2
2 轮毂电机的系统概况 2
2.1 轮毂电机的驱动形式 3
2.2 轮毂电机的特点分析 4
3 永磁同步电机电磁计算仿真与分析优化 6
3.1 电磁场基本理论与磁路设计原理 6
3.2 电磁场有限元分析法 7
3.3 永磁同步电机的建模仿真 8
3.4 永磁同步电机的电磁场分析 11
3.5 永磁同步电机的电磁场优化 16
结 论 18
致 谢 19
参考文献 20
1 绪论
1.1 课题背景与研究意义
1.1.1 课题研究背景
当今世界，社会在快速发展，人民生活得到了改善，汽车行业作为工业革命中的风向标，无疑也随之得到了翻天覆地的发展，新能源汽车的研究热点就是电动汽车，无数学者研究人员为之付出自己的努力。永磁同步电动机作为电动汽车的核心部件，需要涉及的研究领域相当广泛，比如电工电子技术、微电子技术、控制理论和电动机技术，和一般意义上的电动机相比，容易操作、速度范围宽、输出功率高、可使用时间长、不易损坏、重量不重、体积不大等优点，目前已经广泛 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
应用到工程生产、电动汽车行业、医疗设备、国防航天和家用电器等领域。然而永磁同步牵引电机存在的空载铁耗、负载杂散耗损、热量温度折损以及电机设计计算等核心问题依然困扰着研究人员。
1.1.2 课题研究意义
本文重点研究电机的电磁场分析与优化。首先，依据电机的基本参数计算，比如定转子尺寸材料、永磁体宽度厚度以及充磁方向、气隙大小、磁路布置等，在软件中逐步绘制出电机的几何模型，然后利用进行仿真分析、优化结构，最终选择最佳方案。
1.2 轮毂电机的国内外研究状况
1.2.1 国外轮毂电机的研究发展
1）日本
较早接触电动汽车的国家有很多，日本就是其中之一，尤其是日本的两大汽车巨头：本田和丰田，无论是技术研发还是销售状况都处于世界领先地位。同时，由于永磁同步电动机自身特有的性能优势，越来越多地被应用到电动汽车上，一批又一批的汽车制造商开始使用永磁同步电机作为驱动电机。
除了本田和丰田，很多有名的汽车工厂也开始了对电动汽车用永磁同步电机研发攻关。没过几年，日本出现了内置式永磁同步电机，这种电机优点很多，比如转矩大大，峰值效率高。因为市场的需要，现在的日本对电动汽车的研发速度更是突飞猛进，重点研究永磁同步电机。
2）欧洲
通用汽车公司在加利福尼亚州的加利福尼亚高级技术研发中心已经成功地将自己轮毂发动机应用到雪佛兰s10皮卡车上。虽然15公斤的重量被增加到车身上，但却意外地多产生了25千瓦的功率，比传统的雪佛兰s10四缸卡车的扭矩大了60%，加速性能得到明显提升。
法国TM4公司是一家高科技公司，主要生产纯电动汽车和混合动力汽车，早期产品是城市公交车。2006年巴黎车展上的雪铁龙概念车采用了一体化的电动轮，使用外部转子永磁无刷直流电机，额定功率19千瓦，额定扭矩为960转/分钟，额定工作条件的平均效率最高可达96.3%，最高可达80千瓦的峰值功率，0到100公里的加速时间只有6.5秒，并且可以在双驱动模式和四轮驱动模式转换中。每个轮电机可输出高达300牛每米的扭矩，持续功率15千瓦。
1.2.2 国内轮毂电机的研究发展
国内对轮毂电机的研究起步较晚，主要集中在高校，2002年，上海同济大学汽车学院开始了对车用直接驱动式轮毂电机的研究，“春晖一号”、“春晖二号”等一系列的微型电动车先后问世，社会反响很好，轮毂电机选用了低速永磁同步电机，取得了一些理论与实践成就；没过多久，EV96Ⅰ型电动汽车就被哈工大联络爱因斯电动汽车研究所研究开发出来，这种车也拔取了轮毂电机的驱动形式，果断地采用了双边混合式磁路安放，兼具了同步电机和异步电机的两大优势。
1.3 本文的主要工作及章节安排
1.3.1本文主要工作
本文利用有限元分析软件Ansoft对设计的电动汽车用轮毂电动机进行建模、仿真，并对电机的电磁场进行分析优化。研究的主要内容包括：永磁无刷直流电动机的几何模型的创建，使用电磁场有限元分析软件对电机的静态场和瞬态场分别进行有限元仿真分析直觉地显示电动机在运行时磁场在不同时刻的分布情况。
1.3.2 本文章节安排
第一章对本文的选题背景和研究意义作概述，了解轮毂电机的国内外发展。
第二章了解学习轮毂电机的技术发展，掌握轮毂电机的结构布局与驱动形式。
第三章建立电机的电磁场仿真模型。根据电机的主要参数确定电机的几何模型。
第四章对电机的电磁场进行分析优化，分析包括瞬态分析和静态分析，并依据分析结果进行分析优化。
2 轮毂电机的系统概况
2.1 轮毂电机的驱动形式
2.1.1 减速驱动
减速驱动式的轮毂电机内部转子运转速度极高，功率密度高，内部转子速度高达10000转/分钟，内部运转速度很高。减速驱动电动机配备的行星齿轮减速装置包括一个行星轮、一个太阳轮和一个载着马达的行星载具组成。在车轮之间。发动机输出扭矩通过行星齿轮减速机传递结构的减速转矩驱动轮毂旋转，从而推动车辆的前进。这种驱动形式的优点是发动机转速很高，实际使用中，输出功率和效率都比较高，占用空间小，重量轻，通过减速机构减速后，输出力矩增大，攀爬性能良好;确保低速运转的汽车能获得更大的性能，更平滑的力矩。不好的地方是很难达到润滑的效果，使行星的牙齿齿轮的结构磨损更快，寿命更短，不容易冷却，噪音相对较大。
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