试论电动车用直流电机的优化设计

【摘 要】直流电机是将直流电能和机械能相互转化的旋转电机。本文基于项目开发的需要，自行编制了串励直流电机计算程序，并应用有限元软件进行仿真计算，对比相应性能参数。经大量计算后，对计算程序中的相关设计参数进行了优化处理，以期得到更加真实可信的计算结果。最后将该程序运用到一台1.1kW串励直流电机的电磁方案设计工作中，完成了成本优化和性能提升的任务，验证了算法程序对于各参数计算的准确性，达到了性能优化的预期目标。

【关键词】串励直流电机；电磁设计；有限元仿真；优化

1.方案设计

1.1性能待提升的电机的数据

样机的铭牌标示。

额定电压DC-48V；额定功率1kW；额定电流22A；额定转速3500r/min；绝缘等级E级；工作制 s2-30min；1.1.2性能测试根据铭牌标示，对该样机进行带载试验。由试验结果与电机铭牌标识对比可知：（ 1）电机在铭牌标识的额定电流22A时，轴输出功率为870W，不到1000W；如果加载到输出功率为1kW，则电枢电流上升为29A；（2）当给定额定电压及符合额定标定的电流22A 时，发现电机转速只能达到 2940r/min，如若继续加负载，则电机的转速会下降较快。由以上试验结果可知，该电机的实际性能指标与铭牌标示严重不符，因此在此样机的外形尺寸基础上，进行了全新的设计，以期达到提升性能和成本优化的目的。

1.2新电机的设计

1.2.1 设计条件

针对技术条件的要求，在保证电机与外部连接的接口尺寸均保持不变的基础上，运用计算程序，完成了新方案电磁设计。新设计电机铁心的轴向长度可以从90mm缩短至70mm，相比之前电机，体积重量随之可减少约23%；功率从标称1kW提升至1.1kW。

1.2.2 新方案的设计数据

新方案的设计数据如下：主极漏磁系数1.15；气隙磁密/T0.483；极弧系数0.63；机座磁密/T1.287；主极铁心磁密/T0.893；转子轭部磁密/T 1.483/0.988；转子齿部磁密/T1.342；额定电流/A24.5；电机效率/%74.8。

2.有限元仿真

我们利用场分析软件对电机进行了空载、负载状态下的仿真计算，得到了不同运行条件下磁场分布云图，与传统计算程序进行了比较。根据计算结果，两者在磁场参数计算和电路参数计算方面较为符合，验证了计算程序参数优化修正的正确性，取得了较好的效果。

2.1有限元的建模

根据电机的尺寸参数，建立1.1kW串励直流电机的模型，并对各种材料赋予电磁属性；针对气隙部分进行了精密的剖分，以期获得较为精确的结果。

2.2空载运行

在串励直流电机的实际运行中，由于担心电机的“飞速”，串励直流电机一般不允许空载运行。因此空载特性的试验一般无法实现，并且空载特性的计算在传统计算方法里都是假定空载磁通进行运算，而在Ansoft仿真中，可以直接赋予励磁绕组电流，模拟串励直流电机的真实空载磁场分布，此时可得到不考虑电枢反应磁场影响的空载磁场分布情况。

对励磁绕组赋予额定励磁电流，电机转速为3500r/min情况下可以得到磁力线分布图和磁场云图。中图中可看出，在不考虑电枢电流的电枢反应磁场影响时，空载磁路完全对称，绝大部分磁通从主极铁心经气隙、电枢，再经过另一极下的气隙和主极铁心，最后经定子磁轭闭合。只有极少部分不穿过气隙直接经主极间的空气和定子磁轭闭合，不参与机电能量转换，即为漏磁通。根据磁力线分布可以计算得到电机的漏磁系数约为1.053，由于此截面为二维场计算，未计及端部漏磁，故与实际漏磁系数相比应该偏小。从磁场云图可看出，电机内部各磁密分布较为正常：最大磁密位置在主极铁心、机座的结合处（两端的截面突变处），此处机座磁密最大值约为1.6356T，在极间的机座轭部磁密值平均约为1.3292T；以及主极铁心的极弧拐角处（截面突变处），此处最大磁密为1.6791T，在主极矩形铁心内部磁密平均约为1.0499 T；在整个电枢上齿部最大磁密在1.4678T，在1/3齿处磁密约为1.377 8；极弧范围内的轭部磁密最大在1.5745T，极间范围内的轭部磁密最大在1.0751T，转子轭部磁密值平均约为1.1540T。从空载圆周径向气隙磁密分布图中可看到气隙磁密最大值为0.52T，由于转子电枢开槽，磁密有数个凹坑，气隙磁密在靠近主极铁心处最大，远离铁心则渐小。

2.3额定运行仿真

电机运行在额定转速下，并输出额定功率，在此情况下，得到电机的运行电流及各部件磁密云图，从图中可看出绕组线圈由于存在旋转换向，导致线圈电流有较大脉动，并且电流随着电机旋转换向出现正负交替现象。电机的励磁电流值约为26A，由于是串励电机，励磁绕组电流随着线圈电流也会有脉动现象。由于电枢电流的电枢反应，磁力线路发生了扭曲，并且变为逆电枢转向发生扭曲。由于电枢反应磁场使气隙磁场发生了畸变，主极铁心下磁场前半部分被消弱，后半部分被增强。最大磁密位置在主极铁心极弧拐角处，此处主极铁心磁密最大值约为2.1T，考虑到主极铁心材料为1mm的薄钢板，此处已经发生深度饱和，而在主极矩形铁心内部磁密平均约为1.0501T；同时机座内磁场也发生部分增强和部分削弱的情况，机座轭部磁密最大值达到 1.955T，而极间的机座轭部磁密值平均约为1.35T；在整个电枢上，齿部最大磁密在可达到1.75T，在1/3齿处磁密约为1.4128T；极弧范围内的轭部磁密最大在1.8465T，极间范围内的轭部磁密最大在1.2867 T，转子轭部磁密值平均约为1.3540T。根据磁场分布云图可看到，电枢反应磁场使气隙磁场发生了畸变，导致负载时径向磁密曲线发生严重扭曲。

3.结语

（1）比照得到的计算结果，仿真的功率、转速、电流等结果和自行编制的计算程序结果基本接近，验证了计算方法的可靠性；但是在各部分磁路磁密值上还有较大差异，主要是因为常规计算负载时圆周径向气隙磁密分布程序得到的磁密值只是求取一些特定点和线的位置值，有部分求取的是平均值，而场分析软件得到的是整个电机各部分的磁密分布趋势，能精确描绘出磁路的走向，并表示出不同位置，不同运行时间点的磁路参数；同时，场分析软件对于电机所使用材料的特性曲线依赖性较强，对模型的网格划分等要求较高，这些因素对计算结果的准确性都有较大的影响，需要仔细分析。（2）计算程序需要用到的一些参数，如漏磁系数，极弧系数等，可以通过有限元仿真得到较为精确的结果，将仿真值代入计算程序后，可以得到更为准确的磁路计算结果，这些对后续的励磁绕组计算和空载特性计算有很好的校正作用。（3）根据客户要求，应用本程序完成一台串励直流电机性能优化任务，并用场分析软件进行仿真分析，校正处理一些计算中需要的参数，完成新的电磁方案设计。与之前的电机相比，在不降低性能指标的前提下，体积重量有明显降低。 [科]

【参考文献】

[1]黄坚，郭中醒.实用电机设计计算手册[M].上海：上海科学技术出版社，2010.