外转子永磁同步电机式轮毂电机的设计与分析

农业装备与车辆工程

AGRICULTURAL EQUIPMENT & VEHICLE ENGINEERING

2019年6月June 2019

doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2019.06.018

外转子永磁同步电机式轮毂电机的设计与分析

包晨旭，秦永法，杨超

（225127 江苏省 扬州市 扬州大学）

[摘要]针对电动汽车开发设计出一款结构简单、维护方便、耐用可靠的轮毂电机。根据设计需求给出了外转子轮毂电机的总体设计方案，对其主要尺寸以及整体电磁结构进行分析计算。采用Ansoft软件对槽口宽度、永磁体厚度等影响因素进行分析研究，并对改进后的磁场进行了分析，以提高电机的输出性能。最后对样机进行了计算和试验测试，设计结果与实验结果相符，表明了设计分析的正确性。[关键词] 外转子轮毂电机；主要尺寸；有限元法

[中图分类号] TM351 [文献标识码] A [文章编号] 1673-3142(2019)06-0068-04

Design and Analysis of Hub Motor of External Rotor Permanent Magnet Synchronous Motor Type

Bao Chenxu, Qin Yongfa, Yang Chao

(Yangzhou University, Yangzhou City, Jiangsu Province 225127, China)

[Abstract] For electric vehicles, a durable and reliable hub motor with simple structure and easy maintenance is developed and designed. According to design requirements, the overall design scheme of the outer rotor hub motor is given, and the main dimensions and the overall electromagnetic structure are analyzed and calculated. The influence factors such as width of slot and permanent magnet thickness are analyzed by Ansoft software, and the improved magnetic field is analyzed to improve the output performance of the motor. Finally, the prototype is calculated and tested, and the design result is consistent with the experimental results, which indicates the correctness of the design analysis.

[Key words] outer rotor hub motor; main dimensions; finite element method

0 引言

随着全球能源的日益减少和环境的逐渐恶化，电动汽车成为越来越重要的交通工具，近年来，很多国家已经把电动汽车的研究放在重点位置。在电动汽车电机的布置方式中，轮毂电机凭借其独特优点，得到了越来越多的汽车企业的青睐，轮毂电机技术将会是电动汽车技术的又一个研究方向。本文设计了一款额定电压为144 V，额定转速为600 r/min，额定功率为7.5 kW，峰值转矩为576 N·m的外转子永磁同步电机。给出了整体设计方案并利用ANSYS Maxwell 2D模块对轮毂电机界面径向磁场进行了部分重要参数的改进和有限元分析，并进行了试制样机及相关试验测试。

机参数之间的关系。

D2Lefn61000 (1)CA=P=apkNmkdpABd

式中：D——电机电枢直径，mm；Lef——电枢铁芯长度，mm； n——电机转速，r/min；P——电机计算功率，kW；ap——计算极弧系数；kNm——气隙磁场的波形系数；kdp——电枢的绕组系数； A——电枢绕组的线负荷，A/mm；B——气隙磁通密度的最大值。

根据式（1）可得本设计的轮毂电机的主要设计参数。经过计算，电枢直径取215 mm，电枢长度取60 mm。

2 轮毂电机总体电磁结构设计

2.1 绕组方案设计

绕组设计和极槽配合方案是电机设计的重要组成部分，决定着轮毂电机的电磁性能。

合理的绕线方式可以得到更接近于正弦波的合成电动势和合成磁动势，目前主要有集中绕组和分布绕组绕线形式[2]。

集中式绕组一般仅由1个或几个矩形框线圈

1 轮毂电机主要尺寸

电枢直径和长度尺寸可以通过电机常数CA[1]

转速n和计算功率P来计算。电机常数CA可以表示出电机电枢直径和长度与计算极弧系数等电

收稿日期: 2018-05-15 修回日期: 2018-05-25

第57卷第6期

包晨旭 等：外转子永磁同步电机式轮毂电机的设计与分析

69

组成。绕制后用纱带包扎定型，再经浸漆烘干处理后嵌装在凸磁极的铁心上。直流电动机、通用电动机的激磁线圈以及单相罩极电动机的主极绕组都采用这种绕组。

采用分布式绕组的电动机定子没有凸性的极掌，每个磁极都是由1个或几个线圈按照一定的规律嵌装布线组成线圈组。根据嵌装布线排列的形式不同，分布式绕组又可分为同心式、迭式2类。

相对于分布式绕组，集中式绕组的端部较小，绕组工艺简便，适合单元电机方案的设计。使得轮毂电机在具有较好电磁性能的同时也具有较小铜损与较高效率，本文采用集中式绕组方案。2.2 极槽配合方案

根据电机设计经验，外转子轮毂电机一般使用集中式分数槽绕组形式。如果轮毂电机的齿槽数Z与极对数p有最大公约数t，即Z/Z0 =p/p0=t，则有定子绕组按照每相每极槽数是否为整数，分为整数槽和分数槽绕组[3]。

q=2mpZ (2)

式中：q——电机每极每相槽数；Z——定子槽数；m——绕组相数；p——转子极对数。

极对数p跟电机的最高转速和控制器有关，电机极对数p较小时，旋转频率较低，铁损减小，相应配合的槽数Z也会减少，而槽数减小，会加大槽面积，绕线工艺会变得简单；极对数 p 较大时，与槽数Z会有更多的配合，可降低齿槽转矩和获得较高的绕组系数[4]。据现有加工条件和电动汽车启动时对于电机低速大扭矩的性能要求，轮毂电机极槽配合为54槽48极（24对极），绕组形式为分数槽集中绕组。

3 轮毂电机电磁结构改进与分析

在确定外转子轮毂电机的主要尺寸以及总体

电磁方案设计后，可以使用ANSYS Maxwell 2D模块对轮毂电机磁场进行部分重要参数的改进和有限元分析。

3.1 槽口宽度的比较

定子槽口宽度与轮毂电机性能息息相关，是电机的重要参数之一，根据加工条件设定槽口宽度变化范围为2.1~4.0 mm，步长为0.3 mm。可以通过图1比较不同的槽口宽度下的齿槽转矩、反电动势、输出转矩来确定槽口的最终宽度。

通过图1，可以看出对于设计的该款轮毂电

机而言，槽口宽度主要影响轮毂电机的齿槽转矩和输出转矩，对反电动势几乎没有影响。槽口宽度在2.7 mm以下时，齿槽转矩增大并不明显，超过3 mm，齿槽转矩增速明显。槽口宽度越大，其输出转矩越大。设计之初，选择槽口宽度为3 mm，根据绕线工艺和槽口宽度选用原则，最后选择槽口宽度为2.8 mm。

5.00)2.50N·m0.00(/矩-2.50转-5.00-7.500.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50时间/ms

（a）75.0050.00V/25.00势动0.00电-25.00-50.00-75.000.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50时间/ms（b）122.00120.00)118.00N·m(116.00/矩114.00转112.00110.00108.000.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50时间/ms

（c）图1 不同槽口宽度参数分析图

Fig.1 Parameter analysis of different slot width parameters（a）不同槽口宽度的电机齿槽转矩 （b）不同槽口宽度的电机反电动势 （c）不同槽口宽度的电机输出转矩3.2 永磁体厚度比较

永磁体厚度与电机的磁负荷相关，永磁体厚度过小，电机磁负荷过小，造成电机输出性能不足；过大则会降低利用率，增加电机成本，造成不必要的浪费[5]。设定永磁体厚度变化范围为3~8 mm，步长为1 mm。

由图2可见，对于设计的该款轮毂电机而言，永磁体厚度主要影响着轮毂电机的输出转矩，对反电动势和齿槽转矩几乎没有影响。随着永磁体厚度的增加，输出转矩也相应增加，但增加趋势

70

农业装备与车辆工程 2019年

却逐渐减弱。本文初选永磁体厚度为3 mm，综

合以上分析讨论，考虑到电机性能要求，改变永磁体厚度为4 mm。

5.004.00)m3.00N·2.00(/1.00矩0.00转-1.00-2.00-3.00-4.000.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50时间/ms（a）75.0050.00V/25.00势动0.00电-25.00-50.00-75.000.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50时间/ms（b）125.00122.50)N·m120.00(/117.50矩转115.00112.50110.000.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50时间/ms

（c）图2 不同永磁体厚度下参数分析图

Fig.2 Parameter analysis diagram of different

permanent magnet thickness（a）不同永磁体厚度下的齿槽转矩（b）不同永磁体厚度下的反电势（c）不同永磁体厚度下的输出转矩3.3 气隙厚度比较

本文通过改变外转子的内径，定子外径不变的方法，改变轮毂电机的气隙厚度。根据上文的设计参数和目前已有的轮毂电机壳体和转子外套等结构的尺寸，选择0.5 mm和0.8 mm两个气隙厚度进行比较分析，并根据比较结果，考虑实际情况进行权衡。

从图3可以看出，对于设计的该款轮毂电机而言，气隙厚度越大，其输出转矩越小，齿槽转矩也随之削弱。综合以上分析讨论，考虑到电机性能要求，不改变初选的气隙厚度，气隙厚度仍为0.5 mm。

7.506.00)4.00N·m(/2.00矩转0.00-2.00-3.750.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50时间/ms

（a）75.0050.00V/25.00势动0.00电-25.00-50.00-75.000.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50时间/ms（b）120.00)118.00N·m116.00(/矩114.00转112.00110.00108.000.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50时间/ms（c）图3 不同气隙厚度下参数分析图Fig.3 Parameter analysis diagram of

different air gap thickness（a）不同气隙厚度下的齿槽转矩（b）不同气隙厚度下的反电势（c）不同气隙厚度下的输出转矩3.4 改进后磁场分析

本文通过对电机设计方案进行初步优化后，再采用将电磁场问题转化为对电磁场特性的偏微分方程的有限元分析，从而对轮毂电机进行仿真计算的求解[6]。

本文对轮毂电机的空载起动情况进行仿真分析，其空载磁力线与空载磁通分布如图4和图5所示。图4和图5分别表示为电机空载磁力线和

图4 轮毂电机空载磁力线分布图Fig.4 Distribution diagram of no-load magnetic force line of hub motor

第57卷第6期包晨旭 等：外转子永磁同步电机式轮毂电机的设计与分析

71

图5 轮毂电机空载磁通分布图

Fig.5 No-load magnetic flux distribution of hub motor

空载磁通分布图，可以看出电机的空载磁场并未饱和，磁密较高的地方出现在电枢齿部。从图4、图5可以知道设计的轮毂电机在空载状态下，磁场分布较为合理，没有出现磁场过饱和的现象，符合设计要求。

4 样机试验测试

根据轮毂电机设计方案，内定子硅钢片采用线切割的方法制作，样机其他零件采用数控机床加工，最后装配测试[7]。采用某公司开发的轮毂电机测试系统和试验台架测试，如图6所示。

图6 轮毂电机现场测试Fig.6 Field test of hub motor

轮毂电机电流特性试验结果如图7所示；机械特性如图8所示；功率特性如图9所示；效率曲线如图10所示。

60A40/I2000 50 100 150T/(N·m)

图7 电流特性曲线

Fig.7 Current characteristic curve

)800nim600/r400(/n20000 50 100 150T/(N·m)

图8 机械特性曲线

Fig.8 Mechanical characteristic curve

8 000W6 000/P4 0002 00000 50 100 150T/(N·m)

图9 功率特性曲线

Fig.9 Power characteristic curve100%/率50效00 50 100 150转矩T/(N·m)图10 效率曲线Fig.10 Efficiency curve

从测试得出的功率特性曲线可以看出，电机的最大效率为87.6%，电机在400~800 r/min范围内运行，能达到较高的效率，能满足设计要求。

5 结语

在CATIA中按照设计的参数建立了电动汽车的轮毂电机模型，并对电磁结构进行设计。再用ANSYS Maxwell 2D模块对部分参数进行优化仿真，根据计算结果和实际测试数据表明此轮毂电机满足设计要求。

参考文献

[1] 宫海龙,柴凤,程树康.内置式低速大转矩永磁轮毂电机的

设计研究[J].微电机,2010,43(2):1-4.

[2] 高鹏.电动汽车用永磁轮毂电机的设计研究[D].天津:天津

大学,2015.

[3] 单崇哲.轮毂式电机驱动系统设计与仿真[D].东北大学,

2010.

[4] 李信梅.基于磁阻转矩的高功率密度永磁轮毂电机的设计

研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.

[5] 陈晓丽,陈,曲毅.纯电动汽车驱动电机的设计[J].汽

车与配件,2011(35):30-31.

[6] 马英.电动车轮构型分析与结构研究[D].重庆:重庆大

学,2014.

[7] 宋佑川.新一代电动汽车中电动轮设计方法的研究[D].武汉:

华中科技大学,2004.

作者简介 包晨旭（1993— ），男，硕士研究生，车辆工程专业。研究方向：新能源汽车。E-mail: 86900@qq.com