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。
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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。
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新能源汽车永磁无刷直流电机本体结构设计
