新能源汽车永磁无刷直流电机本体结构设计
摘要
伴随着汽车产业的高速发展，石油资源短缺，环境污染和气候变暖等一系列问题已经凸显出来。以纯电动汽车为代表的新能源汽车必将成为汽车发展的主要研究方向。而驱动电机作为纯电动汽车唯一的动力源，其性能好坏将直接影响整车运行的动力性、稳定性和续驶里程。因此设计一款能够满足电动汽车安全行驶，并具有宽范围高效区的驱动电机具有重要意义。
本文首先对新能源汽车所需要的驱动电机的类型进行了选择和对比。在确定选用永磁无刷直流电机之后，又对永磁无刷电机的工作原理进行了阐述。接着简单的介绍了直流无刷电机本体的大致结构。然后选取了一款合适的电机，并且获得了点机的参数。然后进行了对电机的基本尺寸的计算和电磁部分、定子绕组部分的计算，从而得到了设计基本体结构所需要的主要参数，完成了本次对于电机本体结构的设计。
关键词：新能源汽车；永磁无刷直流电机；电机的基本尺寸；磁路计算；定子绕组
Structure design of permanent magnet brush less DC motor for
new energy vehicle
ABSTRACT
Along with the rapid development of automobile industry, the shortage of oil resources, a series of problems of environmental pollution and climate warming has been prominent. YISHION electric vehicles as the representative of the new energy vehicles will become the main research direction of car development. While the driving motor as a pure electric vehicle only one power source, its performance will directly affect the vehicle power operation, stability and driving range. So design a can meet the electric vehicle safety driving, driving motor is important and has a wide high efficiency range.
Type of drive motor based on the new energy vehicles needed were selected and compared. After determining the use of magnet brush less DC motor, and the working principle of permanent magnet brush less motor are expounded. Then simply introduces the general structure of the brush less DC motor. Then choose a suitable the motor, and then click the parameters. The basic dimensions of the motor and electromagnetic calculation, calculation of stator winding the pivot part, so as to get the main parameters of basic structure need, completed the structure of motor body design.
Key words: new energy vehicle; permanent magnet brush less DC motor; basic dimensions of motor; magnetic circuit calculation; stator winding
目录
1前言 (1)
1.1新能源汽车发展的历史背景 (1)
1.2国内外新能源汽车的发展 (1)
1.3本文研究的主要内容 (2)
2电机类型的选择 (3)
2.1直流无刷电机和有刷电机的对比 (3)
2.2直流无刷电机本身的特点 (3)
2.3直流无刷电机的工作原理 (3)
3直流无刷电机本体结构介绍 (5)
4电机本体设计参数计算和材料选择 (6)
4.1设计任务 (6)
4.2电机基本尺寸的计算 (6)
4.5数据总结 (11)
5基于ANSYS的直流无刷电机模态分析 (13)
5.1模态分析基础 (13)
5.2电机模态分析 (13)
6总结 (15)
附录 .................................. 错误!未定义书签。
1 前言
1.1 新能源汽车发展的历史背景
十八世纪中叶，第一次工业革命从英国开始并迅速蔓延至真个欧洲大陆，蒸汽机的改良促使能够大规模生产的机器工厂代替了手工工厂，人类进入了蒸汽时代。人类对于自然资源的掠取相比较于之前的千年呈现出了爆炸式增长，相应的人类的生产生活活动对于自然环境的影响也发生了巨大的变化，人类渴望征服自然，然而却带来了日益严重的环境污染问题，第一次工业革命的中心伦敦市因为严重的空气污染而有了雾都的称号。紧接着第二次工业革命和第三次工业革命向全世界蔓延开来，人类对于环境的污染问题在全球各地都层出不穷。不同类型的工业生产作业会带来不同的环境污染问题，核物理研究会带来核辐射污染；纺织工业的生产会不可避免的带来水污染；对于汽车工业而言，污染物体来源于制造和使用过程中，制造过程中对于原材料的加工和废料的处理有可能会污染当地的土壤，而汽车在行驶过程中最主要的是噪声污染和尾气污染，从最一开始伦敦地区糟糕的空气到德国汽车工业重镇慕尼黑严重的土壤污染问题，再到后来美国洛杉矶市汽车尾气光化学污染问题，汽车工业的污染问题已经严重地影响了人类的生产生活。发现问题并解决问题是人类能够不断进步的源泉。针对日益严重的环境污染问题，新能源汽车呼之欲出。1.2 国内外新能源汽车的发展
新能源汽车不仅仅是我们印象之中的电动汽车，它的分类非常广泛，包括太阳能电动汽车，燃料电池电动汽车，混合燃料汽车，氢能源汽车。总之动力来源为可再生能源的汽车都可以大致归为新能源汽车。早在二十世纪二十年代，福特公司就曾经推出过电动汽车，但由于当时的技术不成熟，使得新能源汽车无论是在价格还是续航等方面对比同时期的内燃机车都没有丝毫的优势可言。在这之后的近三十年内，新能源汽车的发展一度被搁置。进入和平年代，人类对于家用汽车的需求不断增长，同时汽油和柴油这些不可再生能源的储量被大致确定之后，新能源汽车又得到了巨大的发展机会，到二十世纪七十年代左右，对于能源上一直依赖于进口的日本，发展新能源汽车迫在眉睫。日本在新能源汽车方面的研究一直处于领先地位。进入21世纪，我国政府也重视到了发展新能源汽车的战略意义，从各种政策上大力扶植新能源汽车的发展，国内的新能源汽车呈现出了蓬勃发展的劲头。作为国内新能源汽车电机设计的领头企业，比亚迪汽车在电机设计方面已经达到了世界领先的水平，在很多方面甚至超过了奔驰公司的电动机的性能。相比于特斯拉电动汽车生产高端电动车的定位，比亚迪汽车定位于面向大众的汽车，虽然在外形设计上略有不足，但是在性能上已经将特斯拉公司远远的甩在了身后。从国产新能源汽车零产量到比亚迪宋元唐的问世，以技术引领发展的国内新能源汽车已经具备了和发展了几十上百年的国外名企竞争的实力。
1.3 本文研究的主要内容
目前，阻碍新能源汽车发展最重要的因素就是新能源汽车的续航问题。虽然新能源汽车在能源利用率，减少尾气排放等方面相对于燃油汽车有着不可比拟的优势，但是相应的，新能源汽车无法像燃油汽车一样迅速补充燃料，就电动汽车而论，目前一次充电最远航行距离也不过三百千米，若想再次充满电少则需要三四个小时，这对于长途赶路的人们而言，无疑是无法接受的。针对这个问题，电池的快速充放电技术应运而生，但就目前的技术水平而言，还无法做到电池寿命和充电速度兼顾，而且能够多次快速充电的电池原材料也往往价格昂贵，不适合普通车用。在目前充电桩还未普及，快速充电技术还没有成熟的情况下，如何提高能源的利用率，提高电机的工作效率就成了当前技术人员工作的重点。
本次设计根据已有的相关资料，分析本设计的重点，确定重点为：电机的基本尺寸的计算，磁路部分的设计计算，定子绕组部分的设计和计算。最后基于ANSYS对直流无刷电机本体进行模态分析，确定合适的工作频率。设计过程要根据参数进行校核检验，保证设计的正确性和合理性。根据已经制作出来的大功率新能源电动机的结构特点，参考其设计方法，特别针对永磁无刷直流电机设计的特点，选定一组电机参数，对无刷直流电机的工作过程进行分析，查阅有关的书籍和资料，完成对新能源汽车永磁无刷直流电机本体结构设计。然后用ANSYS对电机模型进行分析。
新能源汽车电机驱动系统关键技术展望新能源汽车电机驱动系统关键技术展望[J]. 科学导报·学术, 2019年第32期摘要：本文探讨了新能源汽车电机驱动系统的关键技术及发展趋势，包括驱动控制器中的功率半导体器件及封装、智能门极驱动、基于器件的系统集成设计，以及驱动电机中的扁铜线、多相永磁电机、永磁同步磁阻电机等关键技术。其中，着重介绍了当前车用电机驱动技术的发展趋势，并指出永磁同步电机在未来10年内将依然是新能源汽车市场的主流驱动电机。同时，通过横向比较指出当前我国在驱动电机发展道路上所面临的关键问题，可以为我国未来新能源汽车技术发展提供一定参考。 关键词：新能源汽车；电机驱动系统；永磁同步电机 1、前言 随着人们生活水平的提高，汽车逐渐走进千家万户，但是环境污染问题也随之加重。发展的问题只能靠发展来解决。汽车尾气是影响空气质量的重要因素，为了缓解能源紧缺，减少环境污染，新能源汽车应运而生。但是新能源汽车发展受到技术的掣肘，新能源汽车电机驱动系统控制技术作为新能源机车发展的关键技术，尚未成熟，仍需继续探索和优化。 2、新能源汽车技术的发展前景 2.1新能源汽车质量发展 未来，新能源汽车技术必然会向环保方向逐渐演变和深化，于是减少能耗就要求减少小汽车本身的质量。有研究数据显示，内燃机汽车减少10%的汽车质量就能减少燃油消耗量的7%，这也决定了新能源汽车将向轻量化发展，以提高新能源汽车续航能力与动力性。新能源汽车轻量化发展指的是汽车的车身设计，此外还有电池、传动设备等，今后的汽车制造还需使用更多新型的轻质材料，如铝合金、高性能钢、其他复合材料，而相关企业也要从新能源汽车结构上进行改进，确保轻量化的基础上保障汽车结构的完整和性能强度提升，进而提高新能源汽车生产率，使其受到更多消费者的青睐。 2.2新能源汽车电池发展 电池是新能源汽车的核心，其产生的动力均依靠电池，对电池的制造要注重工艺与成本的结合。实际上，不少电池制造企业在工艺与成本的新能源电池提供
一文精通新能源汽车电机电控系统 新能源电动汽车性能还有巨大的提升空间，大家往往最关注电池，作为决定电动汽车性能的关键部件，本文详细说说电机电控。 一、电机电控的重要性 新能源汽车作为传统燃油汽车的替代品，其主要电气系统即为在传统汽车“三小电”(空调、转向、制动)基础上延伸产生的电动动力总成系统“三大电”——电池、电机、电控。其中，电机、电控系统作为传统发动机(变速箱)功能的替代，其性能直接决定了电动汽车的爬坡、加速、最高速度等主要性能指标。 同时，新能源汽车电机、电控系统面临的工况相对复杂：需要能够频繁起停、加减速，低速/爬坡时要求高转矩，高速行驶时要求低转矩，具有大变速范围；混合动力车还需要处理电机启动、电机发电、制动能量回馈等特殊功能。此外，电机的能耗直接决定了固定电池容量情况下的续航里程。因此，电动汽车驱动系统在负载要求、技术性能和工作环境上有特殊要求： 其一，驱动电机要有更高的能量密度，实现轻量化、低成本，适应有限的车内空间，同时要具有能量回馈能力，降低整车能耗； 第二，驱动电机同时具备高速宽调速和低速大扭矩，以提供高启动速度、爬坡性能和高速加速性能； 第三，电控系统要有高控制精度、高动态响应速率，并同时提供高安全性和可靠性。 电机电控系统作为新能源汽车产业链的重要一环，其技术、制造水平直接影响整车的性能和成本。目前，国内在电机、电控领域的自主化程度仍远落后于电池，部分电机电控核心组件如IGBT芯片等仍不具备完全自主生产能力，具备系统完整知识产权的整车企业和零部件企业仍是少数。随着国内电机电控系统产业链的逐步完善，电机电控系统的国产化率逐步提高，电机电控市场具有的增速有望超过新能源汽车整车市场的增速。 电池、电机、电控在新能源汽车中的应用 此外，随着整车车体结构轻量化的推进，电池、电机、电控系统在新能源汽车整车中的成本占比也逐渐上升。根据Argonne国家实验室统计数据，新能源汽车动力总成(电机、电控、变速器)的成本分别占整车成本的15.67%(轿车)和13.69%(小型
新能源汽车驱动电机发展趋势【干货】
新能源汽车驱动电机发展趋势 内容来源网络，由“深圳机械展（11万㎡，1100多家展商，超10万观众）”收集整理！ 更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展. 随着全球汽车电动化渗透率的不断提高，驱动电机行业将会迎来整体规模的迅速扩张。在这一过程当中，具备规模效应和技术优势的第三方电机制造商将有机会迅速扩大市场份额，收获业绩的大幅增长。 全球驱动电机市场趋势 根据估测，随着全球汽车电动化快速推进，新能源汽车电机系统市场将随之快速扩张，市场规模有望从2015年的$23亿增长到2030年的$318亿。 新能源汽车电机系统主要包括电动机和逆变器两部分，虽然同其他大部分汽车零部件一样，这两部分部件长期都面临降价压力，但是由于新能源汽车总量的上升，行业总体还是具备较大上升空间。我们预期到2030年市场规模年均增速将在18%-20%左右。
系统单价方面，电机系统整体往高功率方向发展的同时也带来了装配价格的提升。 根据估测，在中性假设条件下，2030年电动车销量将达到2000万台，约占当年乘用车总销量的16%-18%。然而，如果放到乐观情景下，即电池价格大幅下滑，且环保政策更加严厉的条件下，电动车销量增长的速度有可能大幅上升，我们预期在乐观情况下新能源汽车年销总量有可能达到3000万台的水平，约占当年汽车销量的25%-27%。 预计单电机混动车的功率需求大约在30kw左右(平均价格约$200-$300)，双电机插电混功率约为50-100kw(平均价格$800-$1000)，纯电动车的电机功率约为200kw(平均价格$1000-$1500)。 电动机市场情况
【最新整理】新能源车用电机供应商名录大全从2017年6批公告看新能源车的电机配套情况2017年工信部共发布292～297批6批获得许可的《道路机动车辆生产企业及产品》目录。除292批公告中无新能源车外，在293～297批公告中共有1,743款新能源车入选。其中，新能源客车及底盘共有1,202款，占总数的69%；新能源专用车及底盘共有439款，占25.2%；新能源乘用车则有101款，占5.8%。在这1,743款新能源车中，参与配套的电机企业数目高达近130家。其中，珠海银隆电器主要为珠海广通汽车、石家庄中博汽车等企业提供配套，配套车型数量位列第一的位置；而上海大郡则以配套车型达到70余款的数量荣登第二的位置，主要配套车型有厦门金龙、中通、申龙客车、东风汽车等企业；中车时代、南京金龙、民富沃能则并列第三。整体来看，车企自配依旧占据着大部分的市场份额，占比接近50%，例如比亚迪、南京金龙、北汽福田、宇通客车等车企均为自己的车型配套电机产品。而在专业的第三方电机企业中，上海大郡、民富沃能、精进电动、苏州绿控等电机企业的市场份额较大，产品竞争力较强。第六批新能源车推广目录中新能源乘用车的电机配套情况7月6日，工信部正式发布《新能源汽车推广应用推荐车型目录（2017年第六批）》。本批推广目录中新能源乘用车共来自11家企业的22个车型产品。这22款新能源乘用车搭载的电机来自13家企业。主要为：众泰汽车（3款款车型）、东风电动（2款车型）、杭州德沃仕（2款车型）、江铃新能源（2款车型）、长安新能
源（2款车型）、北汽福田（1款车型）、大陆汽车系统（1款车型）、海马汽车（1款车型）、合普动力（1款车型）、江南汽车（1款车型）、华域汽车（1款车型）、大地和电气（1款车型）、新能微特利（1款车型）。从电机类型来看，搭载永磁同步电机的车型有17款，占比77.27%；搭载交流异步电机的车型有4款，占比18.18%；搭载外励磁同步电机的电池有一款，占比4.55%。国内45家驱动电机企业名录、区域分布及配套情况我国新能源汽车配套电机市场仍然是国内自给，国际竞争对手参与较少。现阶段新能源汽车电机及驱动系统市场主要有三类参与者：传统电机生产企业、汽车零部件供应商、整车企业内部配套。目前市场上的主要电机类型为交流异步电机和永磁同步电机，永磁同步电机由于效率高、功率密度高和体积小等优点占据国内电机市场最大份额，主要应用于乘用车领域。交流异步电机由于其较低的成本以及简单的结构相对更简单、控制技术也相对成熟，但其尺寸较大，重量较重等缺点都在一定程度上制约了其广泛应用，主要应用在新能源客车和部分乘用车。开关磁阻电机结构简单可靠、系统成本低是其主要优点。但由于开关磁阻电机有转矩波动大、噪音大、系统非线性特等缺点，所以目前应用还受到限制。主要应用于新能源客车领域。以下是国内45家为新能源乘用车提供电机配套的电机企业名录，以及它们的区域分布情况。表1 国内驱动电机企业名录区域分布情况序号地域企业电机类型提供配套企业1北京精进电动科技（北京）有限公司永磁同步电机、交流异步电机长城汽车、广汽乘用车、吉利汽车、一汽轿车2大洋电机新动力科技有限公司永磁同步电机北京
永磁同步电机在新能源汽车上的研究 摘要电机是一种能够进行电能和机械能的双向变换装置，从目前新能源汽车使用驱动电机出发，探讨了新能源汽车使用的永磁同步电机的工作原理与设计分析。 关键词新能源汽车；永磁同步电机；Maxwell及RMxprt 随着全球能源局势的日趋紧张和生态环境的日益恶化，新能源汽车的开发与应用问题已成为各国汽车产业积极探索的焦点，而永磁同步电机是新能源汽车上的核心部件，所以研究永磁同步电机非常重要。本论文主要介绍目前新能源汽车采用的永磁同步电机，驱动电机的运行工况大体可分为两种：长时间连续运行和短时间峰值运行。因此，驱动电机的设计原则是：一是在永磁同步电机额定额定功率和扭矩下加速爬坡、急加速和急减速的工况下，电机需要短时间运行在峰值工作点，其次驱动电机高效运行区域范围尽可能大，最后永磁同步电机地运行状态是受整车及控制器控制。 1 永磁同步电机的结构原理 永磁同步电动机与普通异步电动机的不同是转子结构，转子上安装有永磁体磁极，图a就是一个安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极安装在转子铁芯圆周表面上，称為凸装式永磁转子。图b是另一种安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极嵌装在转子铁芯表面，称为嵌入式永磁转子，嵌入式永磁转子，永磁体嵌装在转子铁芯内部，为防止永磁体磁通短路，在转子铁芯开有空槽或在槽内填充隔磁材料。图c在永磁转子上加装笼型绕组，接通电源旋转磁场一建立，就会在笼型绕组感生电流，转子就会像交流异步电动机一样起动旋转[1]。 2 永磁同步电机的设计研究 永磁同步电机计算主要包括两个方面：一是电机电磁相关的参数二是确定电机结构相关的参数。永磁同步电机最大的一点就是电机气隙中的磁场是由永磁体激励产生的，对于不同的永磁体材料、形状及加工工艺，其磁性能也是随之变化的，此外，对于不同的转子磁路结构，电机的性能表现也是不尽相同的，所以永磁同步电机的设计较复杂。就目前研究来看，永磁同步电机现有的设计分析方法主要包括三大类：“路算”、“场算”及“场路结合”。具体主要包括以下几种：磁网络等效析法、磁路等效分析法及场路结合法等。 2.1 磁网络等效分析法 磁网络等效的概念被提出在20世纪60年代，直到80年代此方法被用于异步感应电机的设计中，随后得到快速发展。其思路是根据磁路结构把电机内部空间分布的磁场划分为多个单元体，每个单元体内磁通密度分布是相对均匀的，而对于每个单元体再利用磁路等效的方法进行分析计算，最后将每个单元体用节点
上海电驱动有限公司和上海大郡自动化系统工程有限公司访问记 在新能源汽车驱动电机系统是除能源储存系统(蓄电池)和控制系统之外的又一关键零部件。 最近，本刊记者就“新能源汽车的驱动电机的产品型式、各自优缺点、发展方向，以及新能源汽车对驱动电机有哪些要求、驱动电机的国内外差距等问题分别采访了上海电驱动有限公司贡俊总经理和庞瑞副总工程师，以及大郡自动化系统工程有限公司徐性怡总经理。上海电驱动有限公司于2008年7月8日由上海安乃达驱动技术有限公司、中科院北京中科易能新技术有限公司、宁波韵升股份有限公司共同发起成立。公司集中国内优势资源，主要从事新能源汽车电驱动系统的研发、生产和销售。公司目前已形成纯电动车、混合动力车驱动电机、轮毂电机和辅助电机等四个产品研发平台，完成了三种系列化产品的自主开发，在“十?五”、“十一?五”“863电动汽车重大专项”和“节能与新能源汽车重大项目”中承担《车用多模式永磁驱动电机系统研发》和《车用永磁驱动电机制造工艺应用研究》等课题开发。 驱动电机的特殊要求 因为是安装在汽车这样一个空间狭小而工作状态和环境又相对复杂的可高速移动的消费品物体内，因此贡俊总经理如下简要归纳了新能源汽车对驱动电机的要求： 1. 体积小、重量轻。 2. 在整个运行范围内的高效率。 3. 低速大转矩特性及宽范围内的恒功率特性。即使没有变速器，电机本身也应满足所需要的扭矩特性。 4. 高可靠性。在任何情况下都应确保具有高度的安全性。 5. 价格低。 根据这些要求，产品必须满足以下要求：①电机电磁性能的优化设计。②热管理设计和冷却方式的合理选择。③相适应材料的应用。④电机结构合理设计。 ⑤满足车用工况的电机工艺研究。 特别是汽车在运行过程中的工况及路况比较复杂，对此整车厂需要根据实际情况提出有针对性的电机需求。从目前情况来看，公司生产的驱动电机产品已经在新能源汽车上无故障运行了4年多，单车累计行驶里程超过5万公里。 我国是电机制造及应用大国，有较好的工业基础。但对电动汽车用电机，起步时间不长，尚需要从汽车应用的角度入手，整车厂与电机厂共同携手研究制造出满足汽车专用电机 差距及其所表现的方面 与此同时，贡总强调指出，同国际先进水平相比，我国电动车用电机的差距主要体现在以下几个方面： 1. 电机控制器和DC/DC转换器的体积、质量相对偏大。 2. 对车用环境适应性考核不足。 雄心勃勃的未来 尽管如此，贡俊总经理对公司的未来发展规划仍充满了信心。他说，由于新能源汽车尚处于研制开发和示范运行阶段，还是小批量试生产，生产规模较小。今年仅具有12000台套的生产能力，但到明年就具有50000台套的生产能力，2011年将达100000台套的生产能力。目前，上海电驱动有限公司产品开发的 应用车型有纯电动轿车、燃料电池轿车、串联插电式混合动力轿车、混合动力轿车、微型电动轿车、混合动力客车等车型。产品品种有驱动电机、ISG电机和轮毂电机(见表3)。这些产品与奇瑞、华晨、华普、北汽、上汽、吉利、长安、一汽、玉柴等的新能源车都有合作配套关系。 在谈到稀土永磁同步电机时，贡俊解释道，稀土永磁同步电机效率高。永磁材料之本在于其三大特殊性能：高剩磁，高矫顽力和最大磁能积。20世纪30年代以后铝镍钴永磁合金