电动自行车用永磁无刷直流电机选型及结构参数设计
1．油泥模型电机参数分析
油泥模型的电机设计为38齿牙盘，其转子内径为111mm，电机铁心长度为14mm。
其参数见表1。
表1 方案1电机参数表
当给电机加上48V电压时，其输出特性如图1所示，此时电机最高效率的工作点较高，为650 r/min，而电动自行车额定工作转速仅为180 r/min。
所以理论上应增加匝数或降低电压，直接增加匝数受到了槽满率的限制，降低线径再增加匝数又受到了定子电流密度的限制。
所以实际工作时只能通过降低电压来。
降低定子电流。
当电压降低到18V使得定子电流为9.5A时，其输出功率仅为120W，效率为70%，不能满足要求。
图1 油泥模型电机输出特性
2.电机初始方案选择
电机槽数和极数有多种匹配参数可以选用，设计组利用计算机软件对槽数和极数分别为
36/24、36/40、42/46的电机进行了参数仿真，并对结果进行了分析。
结论表明，极数为24的电机极数太少，导致磁钢较宽(17mm)，加工困难。
另外，由于24极数的电机额定工作速度太高，其低速时效率较低，因此不适合采用。
2.1推荐方案定子、转子参数的确定
推荐方案的定子槽、转子极数分别为36/40，定子绕组为0.69漆包线3股33匝，如表2所示。
表2推荐方案电机参数表
本方案最高效率转速440r/min，最高效率87%，电机输出特性如图3所示。
图为铁心长20mm的输出特性。
由图中可以看出，相比较铁芯25mm电机结构，最高效率时的转速370 r/min提升到到450 r/min，电机从30 r/min～460 r/min都可以输出200W以上的功率。
图3推荐方案电机输出特性
电机定子采用双层绕组，电机齿槽匹配和部分嵌线图如图4和图5所示。
图4 电机齿槽匹配图
图5 电机嵌线图
三相磁链曲线如图6所示。
0.00 5.00
10.0015.0020.00
Time [ms]
-0.03
-0.02
-0.01
0.00
0.010.02
0.03
Y 1 [W b ]
Ansoft LLC
Maxwell2DDesign1
XY Plot 3
Curve Info
FluxLinkage(P haseA)Setup1 : Transient
FluxLinkage(P haseB)Setup1 : Transient
FluxLinkage(P haseC)Setup1 : Transient
图6 三相磁链曲线 图7 电机剖分网格
建立好电机四分之一有限元模型后，把电机分为五部分进行网格剖分。
电枢绕组网格的最大步长为2.3mm ，磁钢网格的最大步长为1mm ，主体网格的最大步长1.5mm ，磁钢网格的最大步长0.068mm ，气隙网格的最大步长为0.075mm 。
剖分的网格如图7所示
进行分析后，其磁力线如图8所示。
(a)0s时(b)0.02s时
图8 磁力线分布图
电机的局部磁密分布图如图9所示。
由图中可以看出，电机定子、转子最大磁密未超过1.7T，即定子和转子未出现磁饱和现象。
(a)0s时(b)0.02s时
图9 局部磁密分布图
(a)0s时(b)0.02s时
图10局部磁密分布矢量图
2.2推荐方案参数调整分析
由于推荐方案的最高效率时的转速为440 r/min，为了进一步降低最高效率的转速，可以采取三种措施：
①在保证槽满率不是太高的情况下，增加绕组匝数并减小绕组线径。
绕组匝数为58匝时电机输出特性如图11所示，电机最高效率时的转速为200 r/min，
可是此时的输出功率不足100W，不能满足设计要求。
因此，本方案不适合采用。
图11增加匝数时电机输出特性
②增加定子铁芯轴向长度
定子铁芯长为25mm时的电机输出特性如图12所示。
对比图3可以看出，本方案最高效率使得转速降低到370 r/min，而且限流为9A时的功率也可以增加至180W。
因此，在安装空间不受限制的情况下，应尽可能增加电机轴向长度。
图12 铁心长为25mm的输出特性
③增加极数和槽数的调整
定子槽、转子极数分别为42/46电机参数见表3。
本方案采用0.69漆包线3股33匝，磁钢宽为9mm，定子齿宽3.5mm，磁密1.85T，最
高效率87%，转速为360r/min，性能和推荐方案相似。
输出特性如图13所示。
图13 方案5电机输出特性
在有限的定子外径上选择电机槽数时，应考虑定子结构强度和加工工艺。
太多的槽数会导致定子齿太窄而难以加工，强度也难以达到要求。
本方案相对于推荐方案来说齿数槽数较多，加工制造工艺复杂，成本高。
3低速时效率参数和功率参数的校核
上述仿真时是假设电机两端直接加在48V电源上的，此时电枢电流过大引起定子的铁耗和铜耗增加，电机在250 r/min以下时效率低于80%。
电动自行车电机实际工作时应配合带有限流电路的控制器使用，以实现低速时的过载保护和恒转矩输出。
下面根据设计要求的效率参数和功率参数对上述方案进行改进。
4.1推荐方案的校核
若输入24V电压，180 r/min时输出175W功率，效率为78%。
此时为3股φ0.69的漆包线并绕，定子电流密度约为8.2A/mm2，若增加匝数减小线径则会出现电流密度过大，减少匝数会导致最高效率的转速太高，低速时电流过大，转矩过小。
4.2推荐方案定子铁芯加长为25mm时的校核
由定子铁芯加长后的输出特性可知，在电机两端加48V直流电，电机输出功率约为200W 时，转速为370 r/min，此时减小电动自行车调速开关即可降低电机转速。
当电机PWM控制器控制输入电压的有效值为32V时，电机可在180 r/min时输出280W功率，此时电机效率为75%，达不到设计要求。
降低电压有效值至30V时，可以在180 r/min时输出230W功率，此时效率依然为75%。
继续降低电压至29V时，在180 r/min时仅能输出170W功率，此时效率依然为77%，由于功率和效率都太小达不到设计要求。
为了提高电机在180 r/min时效率，可以通过适当增加匝数降低电机最高效率时的转速来进行，当绕组线圈由φ0.69×31匝提升至φ0.69×35匝时，绕组槽满率由55%提升至62%。
当输入32V电压时，180 r/min时输出160W功率，效率为78%。
此时若通过提高输入电压来提高功率，则电机效率降低；若降低电压来提升电机效率，则功率降低。
继续升高匝数又有槽满率约束也是如此。
因为定子铁芯加长后的最优设计方案为：绕组线圈为φ0.71×31匝，绕组槽满率为58%。
若输入28V电压，180 r/min时输出190W功率，效率为79%。
4基于SIMPLORER的联合仿真模型的建立
采用仿真软件MAXWELL（有限元电磁场仿真软件）与SIMPLORER（电路仿真软件）
可共同构建BLDC电机控制系统的FEA（电磁场有限元仿真）模型，并通过SIMPLORER
与MAXWELL的联机仿真，来获得所设计电机的仿真结果。
联机仿真模型如图14所示。
PMSM Drive with Current Hysteresis Ban
w
F
图17电机在180 r/min时输出转矩（-0.5°）
在较低转速，例如100 r/min时，电机输出转矩如图18所示（初始角0.5），转矩仍约为8Nm左右。
图18电机在100r/min时输出转矩
5结论
通过对各方案电机设计参数的比较可知：
推荐方案设计的40极36槽分数槽绕组BLDC电机最高本体效率为87%，最高系统效率可达80%左右，在180r/min时可输出8Nm转矩，功率为150W。
因此，主要考虑成本时推荐推荐方案为首选方案。
若果能进一步增加定子铁芯的轴向长度至25mm，则：
推荐方案设计的40极36槽分数槽绕组BLDC电机最高本体效率为88%，最高系统效率可达83%左右，在180r/min时可输出9Nm转矩，功率为188W，可以达到设计要求。
因此，主要考虑成本时推荐推荐方案为首选方案。