電動代步車用輪轂電機設(shè)計與分析

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中文摘要 摘 要 隨著世界各國人口老齡化的問題，近幾年來，為老年人及殘疾人的生活通行提供方便的電動代步車產(chǎn)品，受到了極大的關(guān)注。開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、安全可靠、性價比高的電動代步車具有重要的現(xiàn)實意義和市場前景。 輪轂電機是電動代步車的關(guān)鍵驅(qū)動部件，其研究開發(fā)、改進分析和性能仿真具有現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。 本文針對現(xiàn)代電動代步車的特點，設(shè)計了適合電動代步車用的輪轂電機，并且在較深入的結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上對該輪轂電機進行了計算分析和性能仿真，主要研究的內(nèi)容如下： ① 根據(jù)電動代步車用輪轂電機的特點，對電動代步車的整體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，總結(jié)了永磁無刷直流電動機的電磁方案設(shè)計原則，并且在對結(jié)構(gòu)的深入分析基礎(chǔ)上，設(shè)計出新型的電動代步車用輪轂電機。包括輪轂電機的的輪轂電機初步的主要尺寸、極數(shù)、槽數(shù)、繞組形式和主要系數(shù)等。 ② 在確定輪轂電機的初步參數(shù)之后，利用Ansoft maxwell電磁場有限元設(shè)計軟件，基于電磁場原理，計算輪轂電機的瞬態(tài)性能。結(jié)果表明輪轂電機滿足電動代步車運行的要求。通過對輪轂電機的轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)和極弧偏心距這兩個參數(shù)進行調(diào)整，對齒槽轉(zhuǎn)矩進行抑制。 ③ 用Ansoft的Rmxpt軟件包建立了輪轂電機模型，并對輪轂電機的整體性能進行精確分析。仿真結(jié)果包括：效率與轉(zhuǎn)速曲線、輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速曲線等。結(jié)果表明，該輪轂電機完全適用電動代步車。 采用這樣的方法不但可以滿足精確性要求，同時可以縮短設(shè)計周期。上述的仿真結(jié)果為產(chǎn)品開發(fā)打下了一定的基礎(chǔ)，同時對類似的輪轂電機產(chǎn)品開發(fā)具有一定的參考價值。 關(guān)鍵詞：電動代步車，輪轂電機，電磁場，有限元 I 英文摘要 ABSTRACT In the context of the worldwide population aging problem, electric scooter that facilitates the passage of life for elderly and disabled persons has got a great deal of concern in recent years. The development of simple structure, easy operation, safe-reliable and cost-effective electric scooter has an important practical significance and market prospects. The hub motor is the important drive unit of electric scooter, The research, improved analysis and performance-simulation of hub motor have an important practical significance and application value. In this paper，the hub motor was designed and the motor performance was calculated and simulated based on the characteristics of the modern electric scooter and the deeper Calculation and analysis of structure,the main contents of the study are as follows: ① According to the characteristics of electric scooters, the overall structure of electric scooter was designed and summarized the design of permanent magnet brushless DC motor of electromagnetic design principles. A new hub motor of electric scooter is designed through deeper analysis principle of brushless dc motor. ②After determining the initial parameters of the hub motor, used Ansoft maxwell to calculate the transient performance of the hub motor based on electromagnetic theory. The results show that the hub motor meet the running requirements of electric sdooter. the cogging torque are restrained by adjusting pole embrace and pole arc offset of hub motor. ③ Establish the model of wheel motor by using Ansofts Rmxpt, and analyze the overall performance of the hub motor. The simulation results include: efficiency and speed curve, torque and speed curve, etc. The results show that the hub motor of electric scooter is fully applicable. Using this method could not only meet the requirement of accuracy, and also can shorten the designing cycle. The simulation results laid a certain foundation for product development, at the same time, it also provided a certain reference value for similar product development. development to have the certain reference value. Keywords: Electric scooter, Hub motor, Electromagnetic fields, Finite element 目 錄 目 錄 中文摘要 I 英文摘要 III 1 緒論 1 1.1 論文的研究背景 1 1.2 輪轂電機的發(fā)展狀況 2 1.2.1 輪轂電機國外發(fā)展狀況 2 1.2.2 輪轂電機國內(nèi)發(fā)展狀況 3 1.3 論文研究的目的及意義 3 1.3.1論文研究的目的 3 1.3.2 本文研究的意義 3 1.4 論文研究的主要內(nèi)容 4 2 電動代步車輪轂電機的總體方案設(shè)計 5 2.1 電動代步車功能需求與分析 5 2.1.1 電動代步車功能需求與分析 5 2.1.2 新型電動代步車整車設(shè)計方案 5 2.2 輪轂電機類型的確定 7 2.2.1 直流電動機 8 2.2.2 交流電動機 8 2.2.3 輪轂電機類型的選取 10 2.3 輪轂電機的驅(qū)動方式 10 2.4 輪轂永磁材料的選取 11 2.5 工作方式的確定 16 2.6 小結(jié) 16 3 電動代步車輪轂電機的電磁設(shè)計 17 3.1 永磁電動機主要尺寸的確定 17 3.1.1 結(jié)構(gòu)主要尺寸與功率、轉(zhuǎn)速、電磁負荷的關(guān)系 17 3.1.2 電磁負荷的確定 21 3.2 永磁體尺寸的確定 21 3.2.1 永磁體充磁方向長度 21 3.2.2 永磁材料的充磁 22 3.2.3 永磁體軸向長度 24 3.3 極數(shù)的選擇 24 3.4 電樞沖片及繞組的設(shè)計 25 3.4.1 電樞槽數(shù) 25 3.4.2 繞組的設(shè)計 26 3.5 輪轂電機的主要系數(shù) 30 3.5.1 氣隙系數(shù) 30 3.5.2 氣隙長度 31 3.5.3 電樞計算長度 32 3.5.4 空載漏磁系數(shù)和波形系數(shù) 32 3.6 小結(jié) 33 4 輪轂電機的磁場分析與計算 35 4.1 二維電磁場理論和有限元基礎(chǔ) 35 4.1.1 麥克斯韋方程 35 4.1.2 位函數(shù)及其微分方程 36 4.1.3 電磁場中的邊界條件 36 4.2 二維有限元的計算方法 37 4.3 場路耦合原理 42 4.4 輪轂電機的瞬態(tài)場計算 42 4.4.1 商用軟件ANSOFT簡介 42 4.4.2 Maxwell軟件包簡介 43 4.4.3 二維瞬態(tài)場模型的建立 43 4.4.4 二維瞬態(tài)分析結(jié)果 47 4.5 輪轂電機齒槽轉(zhuǎn)矩的抑制 52 4.5.1 齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生機理 52 4.5.2 齒槽轉(zhuǎn)矩的消弱方法 53 4.5.3 轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)的影響 53 4.5.4 極弧偏心距的影響 55 4.6 小結(jié) 57 5 輪轂電機仿真計算與分析 59 5.1 Rmxpt軟件包簡介 59 5.2 輪轂電機模型的建立 59 5.3 輪轂電機的仿真結(jié)果 60 5.4 小結(jié) 63 6 總結(jié)與展望 65 6.1 總結(jié) 65 6.2 展望 65 致 謝 67 參考文獻 69 附 錄：A. 作者在攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄 73 3 1 緒論 1 緒論 1.1 論文的研究背景 電動代步車是在電動汽車發(fā)展主流背景下因應(yīng)老年化需求出現(xiàn)的一種新型微型電動車。而隨著老年人的增多，針對老年人開發(fā)的電動代步車成為電動車市場發(fā)展的一個重要分支。該車結(jié)構(gòu)輕便、操作簡單、占用空間小、噪聲低、污染小，適應(yīng)了高齡人口和環(huán)保趨勢的要求，充分受到了老年人和殘疾人的青睞，已經(jīng)成為傳統(tǒng)輪椅產(chǎn)業(yè)中的新興產(chǎn)業(yè)。 國家統(tǒng)計局周四公布的第六次全國人口普查數(shù)據(jù)顯示，內(nèi)地人口已經(jīng)增加至13.4億人。數(shù)據(jù)還顯示，男女比例更加平均，受教育程度顯著提高，但老年人口比例大增，社會老齡化進程加快。包括港澳臺在內(nèi)的總?cè)丝跀?shù)為13.7億。其中內(nèi)地的登記人口數(shù)，為13.4億，較2000年的第五次普查增長5.84%。這十年來人口年均增長0.57%，處于低生育水平階段。從年齡構(gòu)成看，0-14歲人口占比急減6.29個百分點至只有16.60%，但60歲以上人口占比大增2.93個百分點至13.26%，65歲以上人口比率升至8.87%，表明老齡化問題在惡化。 2007年我國有65歲及以上老年人的家庭中，一個老人與親屬同?。òㄅc未成年的親屬）戶占54.2%，單身老人獨自居住和只有一對老夫婦的家庭戶各占13.2%和15.6%，一對老夫婦與親屬（包括與未成年的親屬）同住的比例是16.7%。城鎮(zhèn)單身老人戶和老年夫婦戶略高于鄉(xiāng)村。 在2010年美國人口統(tǒng)計局發(fā)布的一份報告稱，到2040年時全球人口將達93億,其中65歲以上人口所占比例將提高一倍,由7%提高到14%。全球人口老齡化將在2010年后不久加速。到2015年時，65歲以上人口所占比例將超過5歲以下人口所占比例,這在人類歷史上尚屬首次。 從統(tǒng)計的數(shù)字可以看出，隨著老齡化的加劇，無論是在國外還是國內(nèi)，電動代步車都有著非常廣泛的前景。 目前比較常見的電動代步車類型主要有：電動三輪車、電動四輪車、電動輪椅車等[2] ，如圖1.1所示[1] ： 圖1.1 幾種類型的電動代步車 Fig.1.1 Several types of electric scooter 1.2 輪轂電機的發(fā)展狀況 1.2.1 輪轂電機國外發(fā)展狀況 輪轂電機是電動車的主要驅(qū)動部件．隨著電動車的發(fā)展，輪轂電機技術(shù)也取得了飛速的進步．早在20世紀50年代初，美國人羅伯特發(fā)明了輪轂驅(qū)動裝置，該裝置將電機、傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)融為一體，該裝置于1968年被通用電氣公司應(yīng)用在大型的礦用自卸車上[2]。 目前國際上對輪轂電機的研究主要以日本為主，其技術(shù)在世界上處于領(lǐng)先地位。日本慶應(yīng)義塾大學(xué)清水浩教授領(lǐng)導(dǎo)的電動汽車研究小組，在過去的l0年當中，已經(jīng)研制成功IZA、ECO、KAZ等不同樣式的電動車，這些電動車均采用輪轂電機驅(qū)動技術(shù)。其中后輪驅(qū)動的電動車ECO采用的是永磁無刷直流輪轂電機，其額定功率達6．8kW，峰值功率可達20kW。在2003年的東京汽車展上，日本各大汽車公司紛紛推出自己的輪轂驅(qū)動產(chǎn)品，如：普利司通公司的動力阻尼型車輪內(nèi)裝式電機系統(tǒng)、豐田公司的燃料電池概念車FINEN等等[3]。 2001年，美國的通用汽車公司也成功試制了輪轂電機驅(qū)動概念車Autonomy，該車采用4輪轂驅(qū)動技術(shù)，其輪轂系統(tǒng)控制與布置靈活。同時通用汽車高級技術(shù)研發(fā)中心已經(jīng)成功地將自行研制的輪轂電機應(yīng)用到雪弗蘭S-l0皮卡車中。安裝在后輪輪轂內(nèi)的兩臺電機雖然僅在每個車輪增加15kg的重量，卻可以產(chǎn)生約25kW的功率。 美國恩達鋰電動自行車公司設(shè)計的電動自行車，它以蓄電池、鋰電池等電能作為輔助能源，具有兩個車輪，能實現(xiàn)人力騎行、電動或電助動功能的特種自行車． 近年來在世界范圍內(nèi)，各類電動車輛，包括電動車、電動自行車、電動摩托車、巡游觀光車、場地搬運車、高爾夫球車、電動代步車、電動輪椅車等需求旺盛，發(fā)展迅猛。特別是電動車和電動自行車的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，更是將輪轂電機技術(shù)提升到了一個嶄新的高度。 1.2.2 輪轂電機國內(nèi)發(fā)展狀況 我國輪轂電機技術(shù)起步比較晚，但是近幾年來隨著電動自行車和摩托車的發(fā)展，各大高校和各個公司也紛紛加入到輪轂電機研發(fā)的行列。 目前我國電動自行車和摩托車所使用輪轂主要是永磁電機，永磁電機按照是否采用電刷換向可分為有刷電機和無刷電機兩種．有刷電機由于采用碳刷換向，容易產(chǎn)生電火花且碳刷容易磨損、壽命較低，而無刷電機用電子器件代替換向碳刷，電機的壽命長，但是對控制器要求較高。按照電機轉(zhuǎn)速可以分為高速和低速電機，高速有刷配以齒輪減速的電機性能好，壽命長，但造價較高；低速有刷結(jié)構(gòu)簡單、價格較低，但其性能較差，壽命短。由于高速無刷電機的優(yōu)異性能，在電動自行車和摩托車得到了廣泛的應(yīng)用． 同濟大學(xué)汽車學(xué)院在2002年和2003年采用了4個直流無刷輪轂電機作為獨立的驅(qū)動系統(tǒng)研制出了“春暉一號”和“春暉二號”。中科院北京三環(huán)通用電氣公司研制開發(fā)出了電動轎車直流無刷輪轂電機，其單個輪轂電機的功率是7.5kW。哈工大—愛英斯電動汽車研究所開發(fā)的EV96—I型電動汽車上采用了多態(tài)輪轂電機的驅(qū)動系統(tǒng)。這種輪轂電機采用雙邊混合式磁路結(jié)構(gòu)，兼有同步電機和異步電機的雙重特性[3]。在高校進行研發(fā)的同時，各大公司也不落下，其中以比亞迪汽車公司投入及取得的成就最大，目前純電動汽車E6,雙模汽車F3DM，F(xiàn)3DM已經(jīng)上市，其市場售價在8萬左右。重慶大學(xué)本課題組在重慶大學(xué)和日本DASHIN的支持下，也展開了對輪轂電機的研發(fā)． 1.3 論文研究的目的及意義 1.3.1論文研究的目的 目前，隨著人口老齡化的加劇，電動代步車的市場和前景肯定非常廣闊。由于目前電動代步車是在中國還未形成產(chǎn)業(yè)，所以并沒有一款專門針對電動代步車用的輪轂電機。所以我們針對現(xiàn)有輪轂電機存在的問題和不足，設(shè)計出一款針對電動代步車用的新型輪轂電機，并對輪轂電機進行性能仿真和分析．該輪轂電機同時兼有電動和電磁制動的功能，并且作為電動機在運行時具有較好的調(diào)速性能。本文要研究的輪轂電機開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高而且成本較低，適用于新型的電動代步車． 1.3.2 本文研究的意義 電動代步車是在環(huán)境污染、能源危機、及人口老齡化加劇下的歷史產(chǎn)物，尤其是在這人性化的社會，人們越來越關(guān)注老年人和殘疾人，推廣新一代“綠色”交通工具的電動代步車是一項造福社會和人類的工程。而應(yīng)用于電動代步車的輪轂電機，其應(yīng)用前景越來越廣闊，它的研究開發(fā)也越來越有價值，對輪轂電機效率的提高、成本的控制及其自身的各種性能尤為顯的重要。本課題研究的電動代步車輪轂電機是電磁技術(shù)、機械和電子相結(jié)合的產(chǎn)物。它不但滿足電動代步車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的快速響應(yīng)的控制要求，同時具有操作簡單、方便，成本低、可靠性高等優(yōu)點，是一種新型、高效、可靠的驅(qū)動電機。此驅(qū)動電機不僅可以應(yīng)用于目前我們開發(fā)的電動代步車中，還可以應(yīng)用于其他電動自行車、殘障用車等領(lǐng)域，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。 1.4 論文研究的主要內(nèi)容 電動代步車用輪轂電機采用永磁無刷直流輪轂電機，它有許多優(yōu)點，如：結(jié)構(gòu)緊湊、高效率、高功率密度、能有效再生能量回饋。為了更好的使永磁無刷直流輪轂電機在電動代步車中應(yīng)用，即要求在可接受的價格范圍內(nèi)實現(xiàn)電動代步車的優(yōu)良性能，滿足電動代步車對輪轂電機的需求[4]。 本文研究的主要內(nèi)容包括： 第一章，闡述了本文的研究背景、目的和研究意義，詳細介紹了電動代步車及輪轂電機的發(fā)展現(xiàn)狀。 第二章，介紹了目前車輛驅(qū)動用的電動機類型，并選擇了適合電動代步車所用的輪轂電機，選擇了合適的驅(qū)動方式，并對輪轂電機的材料做了選擇。 第三章，對電動代步車用輪轂電機進行了設(shè)計，包括結(jié)構(gòu)主要尺寸，永磁體尺寸、極數(shù)的確定、電樞沖片及繞組的設(shè)計和介紹了輪轂電機的幾個重要系數(shù)。 第四章，介紹了二維電磁場理論和有限元基礎(chǔ)，并且通過理論解析二維有限元計算方法和場路耦合原理，并對輪轂電機的瞬態(tài)場進行了計算分析。 第五章，用ANSOFT軟件中Rmxpt模塊建立了完整的的輪轂電機模型，并對輪轂電機的整體性能進行仿真計算。 2 電動代步車輪轂電機的總體方案設(shè)計 2 電動代步車輪轂電機的總體方案設(shè)計 2.1 電動代步車功能需求與分析 2.1.1 電動代步車功能需求與分析 　　電動代步車是專門為老年人和殘疾人設(shè)計的，要求它具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，并且具有良好的可靠性。它的整體結(jié)構(gòu)一般由輪轂電機、蓄電池、控制器、充電器和車體等五大部分組成。輪轂電機是電動代步車的主要驅(qū)動部件，主要完成啟動、加速及差速轉(zhuǎn)向等功能，它將蓄電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，使車輪轉(zhuǎn)動，并且能夠?qū)崿F(xiàn)制動功能。蓄電池是電動代步車的動力源。控制器對電動代步車的調(diào)速、制動、軟啟動起控制作用，并控制蓄電池的輸出電流、電壓，以達到控制電動機的轉(zhuǎn)速，即車速的目的，設(shè)計有欠壓、過流等保護功能。充電器用來給蓄電池進行充電，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電并控制電流和電壓的大小充入蓄電池儲存起來。車體是整車的機械骨架，承載人的體重。 2.1.2 新型電動代步車整車設(shè)計方案 本課題組進行電動代步車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計的流程如圖2.1，設(shè)計的內(nèi)容包括機械系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)兩個方面，本文參考從美國和日本購買的兩輛電動代步車，分析現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計的不足，針對中國的老、殘疾人士，設(shè)計出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的電動代步車用輪轂電機，并最終完成電動代步車整車的設(shè)計，其整車結(jié)構(gòu)模型如圖2.2所示。 圖2.1 代步車設(shè)計流程圖 Fig.2.1Flow chart design of electric scooter 圖2.2 電動代步車模型 Fig.2.2 Model of electric scooter 由圖2.2我們可以看到：前面兩個輪為驅(qū)動輪，也就是需要輪轂電機來驅(qū)動．從電動代步車整體結(jié)構(gòu)決定了該輪轂電機的外形，顯然我們需要的輪轂電機制造簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便．為此，該輪轂電機的固定方式為單懸臂梁固定方式．同時現(xiàn)在大多數(shù)的輪轂電機的電動車上都裝了單獨的制動系統(tǒng)，這樣不僅增加了電動車的復(fù)雜性，而且還增加了成本。我們還需要在輪轂電機中安放了電磁制動裝置，該制動系統(tǒng)在電機里面就可以實現(xiàn)制動，無需增加額外的制動系統(tǒng)，該機電一體化的輪轂電機，充分的利用了輪轂電機里面的空間，不僅保持輪轂電機的效率，而且并沒有因為有電磁制動的存在而影響到電機的外形結(jié)構(gòu)，使其同樣結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便，更為難得的是，它利用了無刷直流電機中的磁轉(zhuǎn)子進行制動，使車外部無需安裝新的制動系統(tǒng)，從而大大減輕了整車的重量?；诖耍疚囊瓿呻妱哟杰囉幂嗇炿姍C的設(shè)計開發(fā)及其性能仿真。 新型電動代步車的主要尺寸及參數(shù)如下面表格2.1所示： 表2.1 電動代步車主要尺寸及參數(shù) Table 2.1 Primary dimensions and parameters of electric scooter 性能指標 性能指標值 性能指標 性能指標值 總長mm 室內(nèi) 900 軸距 室內(nèi) 600 室外 1200 室外 900 總寬,mm 700 最高車速,km/h 6 總高,mm 1000 檔位 Ⅰ檔 整車整備質(zhì)量,kg 50 Ⅱ檔 電機減速比 9.5 Ⅲ檔 電機額定功率,w 220 倒檔 電機額定電壓,V 36 輪距,mm 550 2.2 輪轂電機類型的確定 輪轂電機動力系統(tǒng)通常由電動機、減速機構(gòu)、制動器與散熱系統(tǒng)等組成。輪轂電機動力系統(tǒng)根據(jù)電機的轉(zhuǎn)子型式主要分成兩種結(jié)構(gòu)型式：內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型。要使電動代步車具有良好的使用性能，輪轂電機應(yīng)具有較寬的調(diào)速范圍、足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，還要有能量反饋的性能，最好自身具有制動系統(tǒng)。作為電動代步車用輪轂電機,還有如下幾點要求： ① 高效率：續(xù)駛里程（蓄電池一次充足電后所能行駛的里程）是電動代步車和燃油車相比最突出的性能指標。提高續(xù)駛里程的主要辦法是提高蓄電池容量和輪轂電機的效率，電動機的效率高，在同樣的條件下，耗能就小，一次充電后行駛里程將會提高，而行駛成本隨之降低。 ② 體積?。狠嗇炿姍C的體積大小將直接影響到其自身重量、整車的重量和造型。高性能磁性材料的出現(xiàn)將為輪轂電機的體積縮小創(chuàng)造了非常有利的條件。 ③ 壽命長：同燃油車相比，永磁直流無刷電動機的運行壽命比較長。 低成本：由于電動代步車在中國目前尚未形成大規(guī)模生產(chǎn)，相對成本要高一些，但一旦形成大規(guī)模生產(chǎn)后，其成本自然要降下來。 目前在電動代步車上已應(yīng)用的和有應(yīng)用前景的電動機有永磁無刷電動機和開關(guān)磁阻電動機[6]。 輪轂電機 直流電動機 繞組勵磁式電動機 交流電動機 異步電動機 永磁式電動機 永磁直流電動機 并勵電動機 串勵電動機 復(fù)勵電動機 他勵電動機 同步電動機 開關(guān)磁阻電動機 圖2.3現(xiàn)代電動代步車用電動機分類 Fig.2.3 Classification of modern electric scooter motor 2.2.1 直流電動機 直流電動機它將直流電能轉(zhuǎn)化為機械能,是電動車輛應(yīng)用最早且最廣泛的電動機。直流電動機按勵磁方式分為永磁、他勵和自勵3類，其中自勵又分為并勵、串勵和復(fù)勵3種。它的調(diào)速性能好，可以在重負載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速,而且調(diào)速范圍較寬。它的啟動轉(zhuǎn)矩大，可以均勻而經(jīng)濟地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)[7]。 永磁直流電動機用稀土等永磁材料來替代傳統(tǒng)電機的電磁場裝置制成的電動機。根據(jù)輸入電動機接線端的電流種類把永磁電動機分為永磁交流電動機和永磁直流電動機。永磁交流電動機因不需要安裝電刷、換向器，因此又叫永磁無刷電動機。根據(jù)輸入電動機接線端的電流波形，輸入正弦波的電動機，成為永磁同步電動機。采用連續(xù)轉(zhuǎn)子位置反饋信號來控制換向，輸入方波的電動機成為永磁無刷直流電動機。由于永磁無刷直流電動機的正弦波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩基本上是恒定轉(zhuǎn)矩或是平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩，所以電動機工作平穩(wěn)，很少有發(fā)生抖動的現(xiàn)象[6]。表2.2為現(xiàn)代電動代步車用電動機性能比較。 2.2.2 交流電動機 交流電機分為異步電動機和同步電動機兩類。異步電動機按照定子相數(shù)不同分為單相異步電動機、兩相異步電動機和三相異步電動機。 同步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同。其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與磁極對數(shù)p、電源頻率f之間滿足n=f/p。轉(zhuǎn)速n決定于電源頻率f，故電源頻率一定時，轉(zhuǎn)速不變，且與負載無關(guān)。具有運行穩(wěn)定性高和過載能力大等特點。是一種轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同的交流電動機。這種電動機具有運行穩(wěn)定性高和過載能力大等特點。它的缺點是起動性能較差，結(jié)構(gòu)比異步電動機復(fù)雜，需要直流電源勵磁，價格比較貴，維護又較為復(fù)雜，所以一般在小容量設(shè)備中不采用同步電動機。 異步電動機(asynchronous motor) 又稱感應(yīng)電動機，是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換為機械能量的一種交流電機。異步電動機按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為兩種形式：有鼠籠式、繞線式異步電動機。作電動機運行的異步電機。因其轉(zhuǎn)子繞組電流是感應(yīng)產(chǎn)生的，又稱感應(yīng)電動機。 轉(zhuǎn)子繞組不需與其他電源相連，其定子電流直接取自交流電力系統(tǒng)；與其他電機相比，異步電動機的結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用、維護方便，運行可靠性高，重量輕，成本低。異步電動機還容易按不同環(huán)境條件的要求，派生出各種系列產(chǎn)品。它還具有接近恒速的負載特性，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械拖動的要求。其局限性是，它的轉(zhuǎn)速與其旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速有固定的轉(zhuǎn)速差，因而調(diào)速性能較差，在要求有較寬廣的平滑調(diào)速范圍的使用場合（如傳動軋機、卷揚機、大型機床等），不如直流電動機經(jīng)濟、方便。此外，異步電動機運行時，從電力系統(tǒng)吸取無功功率以勵磁，這會導(dǎo)致電力系統(tǒng)的功率因數(shù)變壞。 表2.2 現(xiàn)代電動代步車用電動機性能比較 Table 2.2 Performance Comparison of Modern electric Scooter Motor 性能 永磁直流電動機 開關(guān)磁阻電動機 功率密度 好 一般 力矩轉(zhuǎn)速性能 好 好 可操作性 好 好 結(jié)構(gòu)堅固性 一般 好 體積、質(zhì)量 小、輕 小、輕 單位軸功率成本比（以直流電動機為1） 1~1.5 0.6~1 控制器成本（以直流電動機為1） 2.5 4.5 開關(guān)磁阻電動機是根據(jù)磁阻差產(chǎn)生反轉(zhuǎn)磁矩的原理而制成的一種電動機。這種電動機定子除繞組獨立接線之外，其他與交流異步電動機的定子結(jié)構(gòu)一樣，而轉(zhuǎn)子只是用硅鋼片疊成，具有不同數(shù)量凸極而已，沒有滑環(huán)繞組和永久磁鐵。開關(guān)磁阻電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、機械強度高。此外，因其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單所以制造起來也很容易，作為牽引電動機，在其大批量生產(chǎn)時的工序也很少，原材料成本也很低廉。從而可以實現(xiàn)成本的大幅度降低。開關(guān)磁阻電動機有調(diào)速范圍廣、調(diào)速性能優(yōu)異、數(shù)學(xué)模型明確、能夠很容易的從矢量圖中推導(dǎo)出控制規(guī)律等。 另一方面，由于轉(zhuǎn)子定子雙方都存在有凸極性，一般情況下振動和轉(zhuǎn)矩脈動都會比較大，噪聲也很大。在這里，要求提高加工精度、裝配精度等，實現(xiàn)批量生產(chǎn)技術(shù)的高度化。系統(tǒng)非線性，控制成本高，功率密度低等。 2.2.3 輪轂電機類型的選取 對電動代步車用的輪轂電機，人們所期望的優(yōu)點： ① 小型輕量化； ② 高速低轉(zhuǎn)矩時運行效率高； ③ 低速時有高轉(zhuǎn)矩，以及有寬泛的速度控制范圍； ④ 有良好的可靠性； ⑤ 制造成本低； ⑥ 控制裝置簡單化。 根據(jù)前面對電動機情況的描述，永磁直流無刷電機具有功率密度高，噪音小，調(diào)速性能好，既具備交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，又具備直流電機的線性機械特性、調(diào)速范圍寬、啟動轉(zhuǎn)矩大、運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點。其優(yōu)越性非常明顯，是應(yīng)用于“輕、小、薄、安靜、精密、可靠”等場合的最佳選擇。電動代步車有輕、小、安靜、可靠等方面的要求，故在本次設(shè)計中采用永磁直流無刷電機作為電動代步車的輪轂電機。 2.3 輪轂電機的驅(qū)動方式 由于使用環(huán)境的影響，輪轂電機的驅(qū)動方式不外乎兩種方式：一為直接驅(qū)動；二為減速驅(qū)動。 在直接驅(qū)動的方式下，電機多采用外轉(zhuǎn)子(即直接將轉(zhuǎn)子安裝在輪輞上)。為了使整車能夠順利起步，要求電機在低速時能提供大的轉(zhuǎn)矩。為了能夠獲得較好的動力性，電機需要具有較寬的調(diào)速范圍。直接驅(qū)動方式的優(yōu)點是：它不需要減速機構(gòu)，這樣整個驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)變得更加簡單、緊湊，軸向尺寸、徑向尺寸減小，效率進一步提高，速度響應(yīng)也變快。其缺點是：起步或爬坡等承載大扭矩時需要大的電流，這樣會損壞電池和永磁體；電機的效率峰值區(qū)域很窄，負載電流超過一定值后效率會急劇下降。 在減速驅(qū)動的方式下，由于有減速機構(gòu)輪轂電機一般在高速下運行，對電機的性能沒有嚴格的要求，選用的也只是普通的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機。減速機構(gòu)設(shè)置在電機轉(zhuǎn)子與車輪之間，起減速和增加轉(zhuǎn)矩的作用。減速驅(qū)動方式的優(yōu)點是：電機在高轉(zhuǎn)速下運行，具有較高的比功率和效率；采用減速驅(qū)動的電機體積小、質(zhì)量輕，通過齒輪增力后，扭矩大、爬坡性能好，在低速運行時能獲得較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩。不足之處是：由于使用了減速機構(gòu)，整個電機不易散熱，噪聲較大，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳導(dǎo)件較多，這使得傳動率下降。 仔細比較上面兩種驅(qū)動方式，直接驅(qū)動對電機本身性能的要求較高，其缺點是致命性的，不容易解決。而減速驅(qū)動的優(yōu)點是對電機的性能沒有嚴格的要求，其缺點也可以通過一系列的措施來克服或者彌補。例如對電機散熱方面的要求，我們可以設(shè)置在轉(zhuǎn)子端部設(shè)計成渦輪的形狀，這樣有利于改善通風(fēng)散熱；對于減速機構(gòu)使效率降低是很小的一部分，當我們努力提高電機本身的效率，而犧牲很小的效率換取整個輪轂電機更好的機械特性，這是值得的。由于采用減速驅(qū)動方式的電機具有較高的比功率和效率，其體積小、質(zhì)量輕，通過齒輪增力后，扭矩大、爬坡性能好；能保證在低速運行時獲得較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩。這些優(yōu)點也正是電動代步車所需要的，故而輪轂電機采用行星齒輪減速直接驅(qū)動的方式。 2.4 輪轂永磁材料的選取 永磁材料是經(jīng)外部磁場飽和充磁后，無需外部能量而能持續(xù)提供磁場的一種特殊材料，它是一種重要的磁性功能材料，也稱為硬磁材料。我國是世界上最早利用磁的國家，早在公元前2500年前后就已經(jīng)有關(guān)于天然磁石的知識。永磁材料屬于硬磁材料，其磁滯回線“肥胖”，包圍的面積大。磁化后，當外磁場撤去時仍然保持相當高的磁性能，因而可用于永磁電機中產(chǎn)生磁場。永磁材料的性能由其主要參數(shù)：剩磁密度、矯頑力和最大磁積能來表征。 ① 永磁材料的磁滯回線和磁能積曲線 在鐵性材料中，磁感應(yīng)強度B與外加磁場強度H之間的函數(shù)關(guān)系非常復(fù)雜，B的變化落后于H的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯，用磁滯回線描述。將鐵磁材料置于交流磁場中進行周期性磁化,當H從零開始增加到Hm時，B相應(yīng)增加到Bm,然后逐漸減小H，B將沿曲線ab下降.H下降到零后，反方向增加H到-Hm，B沿bcd變化到-Bm,再逐漸減小H的絕對值,B沿著曲線de變化。當H為零后,再增加H到Hm，則B沿efa增加到Bm，如此反復(fù)磁化，就得到圖2.4中的B-H閉合曲線，稱為磁滯回線。 在外加磁場最初交變的不同周期內(nèi)，所得到的磁滯回線雖然接近，但并不相同，經(jīng)過多次反復(fù)磁化后，磁滯回線趨于穩(wěn)定。磁性回線的面積與最近磁場強度Hm有關(guān)，Hm越大，面積越大。當Hm達到或超過材料的飽和磁場強度時，磁滯回線面積最大，磁能積最高，磁性能最穩(wěn)定。面積最大的磁滯回線稱為飽和磁滯回線。 根據(jù)磁滯回線形狀的不同，可將磁性材料分為軟磁材料和永磁材料。磁滯回線窄的為軟磁材料，磁滯回線寬的為永磁材料。如圖2.4所示. 圖2.4 磁性材料的磁滯回線 Fig.2.4 Loops of magnetic materials 對永磁材料，磁滯回線的第二個象限部分可用于描述其特性，稱為退磁曲線，由于B為正而H為負，表達不便，故將H坐標軸的方向取反，如圖2.5中曲線所示。 圖2.5 永磁材料的退磁曲線 Fig.2.5 Curve about eliminate magnetic of permanent magnetic materials 根據(jù)鐵磁學(xué)理論，在上述坐標系下，永磁材中的磁場滿足： (2.1) 式中=4πH/m為真空的磁導(dǎo)率；M為單位體積內(nèi)磁矩的矢量和，稱為磁化強度，單位為A/m。 可以看出，在永磁材料中，B有兩個分量，即與真空中一樣的和磁化后產(chǎn)生的分量，稱為內(nèi)稟磁感應(yīng)強度，用表示。由式2.1可知，內(nèi)稟磁感應(yīng)強度與磁感應(yīng)強度之間滿足關(guān)系：。描述內(nèi)稟磁感應(yīng)強度與磁場強度關(guān)系的曲線稱為內(nèi)稟退磁曲線，如圖2.5 所示。 ② 永磁材料的回復(fù)線 退磁曲線所表示的磁通密度與磁場強度之間的關(guān)系，只有在磁場強度單方向變化時才存在。實際上，永磁電機運行時受到作用的退磁磁場強度是反復(fù)變化的。當對已充磁的永磁體施加退磁磁場強度時，磁通密度沿圖2.6中的退磁曲線下降.如果在下降到點時小區(qū)外加退磁磁場強度，則磁密并不沿退磁曲線回復(fù),而是沿另一曲線上升。若再施加退磁磁場強度,則磁密沿新的曲線下降。如此多次反復(fù)后形成一個局部的小回線,稱為局部磁滯回線。由于該回線上的上升曲線與下降曲線很接近，可以近似的用一條直線來代替，稱為回復(fù)線，點為回復(fù)線的起始點。如果以后施加的退磁磁場強度不超過第一次的值，則磁密沿回復(fù)線作可逆變化。如果大于，則磁密下降到新的起始點，沿新的回復(fù)線變化,不能沿原來的回復(fù)線變化。這種磁密的不可逆變化將造成電機性能的不穩(wěn)定，也增加了永磁電機電磁設(shè)計計算的復(fù)雜性，因而應(yīng)該力求避免發(fā)生。 圖2.6永磁材料的回復(fù)線a Fig.2.6 Responsing curve a of permanent magnetic materials 圖2.7永磁材料的回復(fù)線b Fig.2.7 Responsing curve b of permanent magnetic materials 回復(fù)線的平均斜率與真空磁導(dǎo)率()的比值稱為相對回復(fù)磁導(dǎo)率，簡稱為回復(fù)磁導(dǎo)率。 (2.2) 當退磁曲線為曲線時，的值與起始點的位置有關(guān)，是個變數(shù)。但是通常情況下變化很小，可以近似認為是一個常數(shù)，且近似等于退磁曲線上處切線的斜率值。換句話說，各點的回復(fù)曲線可以近似認為是一組平行線，他們都與退磁曲線上處的切線相平行。 有的永磁材料，如部分鐵氧體永磁的退磁曲線的上半部分為直線，圖2.7所示,當退磁磁場強度超過一定值后，退磁曲線就急劇下降，開始拐彎的點稱為拐點。當退磁磁場強度不超過拐點k時，回復(fù)線與退磁曲線的直線段相重合。當退磁磁場強度超過拐點后，新的回復(fù)線就不再與退磁曲線重合了。 有的永磁材料，如大部分稀土永磁的退磁曲線全部為直線，回復(fù)線與退磁曲線相重合，可以使永磁電機的磁性能在運行過程中保持穩(wěn)定，這是在電機中使用中最理想的退磁曲線。 ③ 主要永磁材料及其特點 永磁材料主要包括馬氏體永磁、鐵鎳鈷永磁、可加工永磁、鐵氧體永磁、稀土鈷永磁、釹硼鐵永磁和粘結(jié)永磁，它們在磁性能、經(jīng)濟性和力學(xué)性能等方面差異很大，各有其特點。在這些永磁材料中，電機中常用的有鋁鎳鈷、鐵氧體、釤鈷和釹鐵硼永磁材料。下面為材料的綜合對比表。 表2.3 永磁材料性能比較 Table 2.3 Performance Comparison of permanent magnetic materials 性能 鋁鎳鈷 鐵氧體 釤鈷 釹鐵硼 剩磁/T 1.3 0.42 1.05 1.16 矯頑力/(kA/m) 60 200 780 850 退磁曲線形狀 彎曲 上部直線、彎曲 直線 直線（高溫下彎曲） 剩磁溫度系數(shù)/(%/K) -0.02 -0.18 -0.03 -0.12 抗腐蝕性能 強 強 強 易氧化 充磁 安裝后充磁 充磁后安裝 充磁后安裝 充磁后安裝 最高工作溫度/℃ 550 200 300 150 加工性能 少量磨削、電火花加工 特殊刀具切片和少量磨加工 少量電火花加工 加工性能更好 價格 中等 低 很高 高 應(yīng)用場合 儀器儀表類要求溫度穩(wěn)定性高的場合 性能和體積要求不高，價格要求低的場合 高性能、高溫、高溫度穩(wěn)定性，價格不是主要考慮因素的場合 高性能、體積要求高、溫度不高的場合 永磁體的選擇[8]應(yīng)滿足以下條件： ① 永磁體應(yīng)能在指定的工作空間產(chǎn)生所需要的磁場。 ② 永磁體所建立的磁場應(yīng)具有一定的穩(wěn)定性，磁性能隨工作溫度和環(huán)境變化應(yīng)在允許的范圍內(nèi)。 ③ 具有良好的耐腐蝕性能。 ④ 具有較好的力學(xué)性能，如韌性好、抗壓強度高、可加工等。 ⑤ 價格合理，經(jīng)濟性好。 具體到有磁電機中，各類永磁體的使用范圍如下： ① 鐵氧體永磁適合于對電機體積、重量和性能要求不高，而對電機的經(jīng)濟性要求高的場合。近年來，隨著釹鐵硼永磁價格的降低和導(dǎo)磁、導(dǎo)電材料價格的提高，對于同一臺電機，采用釹鐵硼可以減小電機體積、降低銅鐵材料的用量，有時候在經(jīng)濟性上是劃算的。在許多場合，鐵氧體永磁有逐漸被釹鐵硼永磁代替的趨勢。[] ② 鋁鎳鈷永磁適合于對電機體積、重量和性能要求不高，但工作溫度超過300攝氏度或要求溫度穩(wěn)定性好且電機的成本不高的場合，鋁鎳鈷永磁在電機中的應(yīng)用已經(jīng)很少。 ③ 釹鐵硼永磁適合于對電機體積、重量和性能要求很高，工作環(huán)境溫度不高，對永磁體溫度穩(wěn)定性要求不高的場合。 ④ 稀土鈷永磁適合于對電機體積、重量和性能要求高，工作環(huán)境溫度高，要求溫度穩(wěn)定性好，制造成本不是主要考慮因素的場合。 ⑤ 粘結(jié)永磁材料適合于批量大、磁極形狀復(fù)雜、電機性能要求不高的場合。 2.5 工作方式的確定 永磁無刷直流電動機是集電動機本體、控制器和轉(zhuǎn)子位置傳感器與一體的機電一體化器件，電動機的工作特性是各組成部分共同作用的結(jié)果。要滿足一定的技術(shù)要求，需從系統(tǒng)的角度出發(fā)確定永磁無刷直流電動機的具體工作方式，主要包括電動機相數(shù)、繞組的連接方式、逆變器拓撲結(jié)構(gòu)、繞組通電方式、轉(zhuǎn)子位置檢測方式等。 目前三相永磁無刷直流電動機應(yīng)用最為廣泛。逆變器采用半橋結(jié)構(gòu)的三相三狀態(tài)工作方式時，多用于小功率高速電機；逆變器采用橋式結(jié)構(gòu)的三相六狀態(tài)工作方式時，可應(yīng)用于多種驅(qū)動系統(tǒng)中。由于繞組電動勢非正弦，其中含有大量高次諧波，所以三相繞組多采用星形連接。當對電動機體積要求不高、環(huán)境不惡劣時，一般采用位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，使電動機具有較好的起動特性和抗過載、抗沖擊能力，動態(tài)性能較好。恒轉(zhuǎn)速運行的永磁無刷直流電動機可采用無位置傳感器控制方式，由于無需轉(zhuǎn)子位置傳感器，減小了電機的體積，降低了成本。 此外，在我們設(shè)計的新型電動代步車輪轂電機，采用了電磁制動，此種制動方式不僅便于操作，而且還可以實現(xiàn)制動能量回饋。具體回饋方式，本文不做概述。 2.6 小結(jié) 電機的設(shè)計不但要滿足用戶的使用要求，還必須滿足基本技術(shù)要求，并且符合國家標準。電機的國家標準是國家有關(guān)部門在總結(jié)以往電機設(shè)計、制造和使用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，從當前實際情況出發(fā)，并考慮今后發(fā)展需要而對各種型號電機提出一定要求的文件。它是電機生產(chǎn)的依據(jù)，也是評定電機質(zhì)量優(yōu)劣的準則。 確定了電動代步車整體結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)電動代步車特點對輪轂電機的類型，輪轂電機永磁材料、絕緣材料，驅(qū)動方式，及工作類型進行了確定。 33 3 電動代步車輪轂電機的電磁設(shè)計 3 電動代步車輪轂電機的電磁設(shè)計 3.1 永磁電動機主要尺寸的確定 3.1.1 結(jié)構(gòu)主要尺寸與功率、轉(zhuǎn)速、電磁負荷的關(guān)系 永磁直流電動機的主要結(jié)構(gòu)尺寸是指電樞直徑和電樞計算長度，它們和電動機的電磁負荷有關(guān)。 電機的電磁負荷是指電機的電負荷A和磁負荷B。它們與電機主要尺寸的確定直接相關(guān)，對電機的運行特性、效率、溫升等也有很大的影響。要確定電機的主要尺寸，那就先要確定電機的電磁負荷[8]。 直流無刷輪轂電機的電負荷（或稱線負荷）A是指沿定子的內(nèi)徑圓周方向每單位長度上導(dǎo)體中的總電流，其數(shù)學(xué)表達式為： (3.1) 式中：為定子相電流（A）；為每相導(dǎo)體數(shù)；為電動機的相數(shù)；為定子的內(nèi)徑（cm）。 由式（3.1）可以推出： (3.2) 電機的磁負荷B是指氣隙磁通密度的最大值，即 (3.3) 式中：為每極主磁通；為定子鐵心長度；為計算極弧系數(shù)；為極距。 從式（3.1）和式（3.3）可以看出電、磁負荷與主要尺寸有關(guān)。當電機工作在額定狀態(tài)時，繞組中會存在感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流。直流無刷電動機定子繞組一相的感應(yīng)電動勢的方程式為： (3.4) 式中：為定子鐵心長度（cm）；為轉(zhuǎn)子磁鋼表面旋轉(zhuǎn)線速度；為極弧系數(shù)；為定子繞組相數(shù)；為每一相總導(dǎo)體數(shù)。 直流無刷電動機氣隙磁感應(yīng)強度在空間的分布波形是一個底寬為、高為的等效矩形波，等效原則為兩個波形的每極磁通量相等，如圖3.1所示，虛線波形即為等效矩波形。電動機的磁負荷是指氣隙磁感應(yīng)強度的最大值[16]。 圖3.1 氣隙磁感應(yīng)強度在空間分布波形 Fig 3.1 Air-gap magnetic flux density waveform in the spatial distribution 此直流無刷電動機作為輪轂電機，是小型電機，忽略轉(zhuǎn)子軸向兩端磁通的邊緣效應(yīng)，取導(dǎo)體的有效長度等于定子鐵心長度[12]。 當直流無刷電動機工作在額定狀態(tài)時，定子繞組中同時存在感應(yīng)電動勢(V)和電流（A）。和的乘積就是該電動機的機電能量相互轉(zhuǎn)換的電磁功率。直流 無刷電動機的總功率同運行方式有關(guān)，一臺三相直流無刷電動機如采用三相半控電路，則每相僅工作1/3周期，電動機一相功率就相當于整個電動機的電磁功率。隨著主電路接法及繞組利用率的提高，同一臺電動機的輸出功率也會有所提高。電動機運行在三相半控狀態(tài)，即單相電磁功率就相當于整機的電磁功率。 (3.5) 由于直流無刷電動機的氣隙很小，可以認為轉(zhuǎn)子磁鋼表面旋轉(zhuǎn)速度為 (3.6) 式中： n為電動機的轉(zhuǎn)速（r/min）；為定子內(nèi)徑（cm）。 將式（3.5）中的和分別用式（3.3）、式（3.4）和式（3.6）來表示，就可以用電磁功率為橋梁，推導(dǎo)出直流無刷電動機在給定的功率和轉(zhuǎn)速下主要尺寸與電磁負荷間的關(guān)系。 聯(lián)立解式（3.2）、式（3.4）和式（3.6），即可得 (3.7) 式(3.7)是決定電機主要尺寸的依據(jù)，正比于定子鐵心的圓柱體積，由于電機的結(jié)構(gòu)尺寸之間具有一定比例關(guān)系，所以也基本上正比于整個電動機的體積。我們可以看出： ① 在電磁負荷A和B一定時，隨電機的電磁功率的增加而增加，隨電機的額定轉(zhuǎn)速的增加而減少。輸出為同一功率的電機，電機體積與電機額定轉(zhuǎn)矩的大小成正比，也就是說當電機轉(zhuǎn)速越低（即額定轉(zhuǎn)矩越大），電機的體積也越大；反之，轉(zhuǎn)速越高（即額定轉(zhuǎn)矩越?。?，則電機的體積會越小。 ② 對于同一功率和同一轉(zhuǎn)速的電機，電機的電磁負荷A、B取得越高，則電機的主要尺寸越小，材料越省。而要選用較高的A、B，則需要改善電機的通風(fēng)散熱條件和使用優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)磁材料與絕緣材料，但是這樣就會使其制造成本增加。 對于所設(shè)計的電機，一般給定的是額定功率，而不是電磁功率。由于電磁功率是機電能量相互轉(zhuǎn)換的功率，而額定功率是指輸出功率，電磁功率總比額定功率略大一些。對于直流無刷電動機而言，當決定電機的主要尺寸時，有 (3.8) 式中：為直流電動機的端電壓；為考慮電機內(nèi)部壓降等因素影響的小于1的系數(shù)。 電機的輸出功率 為 (3.9) 式中：為額定功率；為電機的計算效率。 將式(3.7)、式(3.8)和式（3.9）聯(lián)立，就可解得電機輸出功率同它的重要尺寸之間的關(guān)系。 (3.10) 直流電機的轉(zhuǎn)子外徑一般隨著單位轉(zhuǎn)速的輸出功率值增加而增大。當電機的相同時，其大致一樣。決定時，可根據(jù)給定的值和生產(chǎn)條件，參考已制成的類似電機的值而選定。與輸出功率的關(guān)系曲線如下圖所示： 圖3.2 定子內(nèi)徑與單位轉(zhuǎn)速輸出功率的關(guān)系 Fig 3.2 The relationship between stator inner diameter and output power unit speed 同時，定子內(nèi)徑是一系列規(guī)范化的值，它主要根據(jù)我國生產(chǎn)的硅鋼片規(guī)格和工廠的生產(chǎn)經(jīng)驗具體確定也考慮到為了制造和節(jié)省原材料對于硅鋼片的合理剪裁，以及與沖模裝備的使用等因素，表3.1給出了直流電機的標準定子內(nèi)徑尺寸系列。 表3.1 標準定子內(nèi)徑 Table 3.1 Standard inner diameter of stator 7 8.3 10.2 10.6 12 13.8 16.2 19.5 21.0 24.5 29.4 32.7 36.8 42.3 49.3 56.0 65.0 85.0 99.0 120 150 180 215 285 315 350 380 在進行輪轂電機設(shè)計時，先根據(jù)圖3.2查得定子內(nèi)徑最小值至最大值的范圍。如果在這個范圍內(nèi)只有一個對應(yīng)的標準直徑，則就將它調(diào)整到標準值。如果在查得的轉(zhuǎn)子內(nèi)徑范圍內(nèi)有幾個對應(yīng)的標準直徑，那么就要通過分析或試算來確定其中最適合的一個。在設(shè)計輪轂電機的時候，由于其行駛狀況決定了電機需要經(jīng)常變速和制動，為了減少轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，[]提高電機的機電動態(tài)性能[]，所以一般選取較小的定子直徑[]。[]【】[][] 3.1.2 電磁負荷的確定 電負荷A與磁負荷B的選擇與電機的主要尺寸直接相關(guān)。同時，A、B的數(shù)值與電機的運行性能和使用壽命也密切相關(guān)。因此必須全面考慮各方面的因素，才能正確選擇合適的電負荷與磁負荷。 一般來說，選用較高的磁負荷B可以節(jié)約有效材料，縮小電機體積。但是Ｂ過高也會產(chǎn)生以下的一些不利影響： ① 將增加定子鐵心的飽和程度，特別是定子齒中的飽和程度更為強烈。于是空氣隙及定子磁路所需要的磁感應(yīng)強度也會增高，勢必要求更高性能的磁體材料和導(dǎo)磁材料，其價格會隨之上升。 ② 將使定子的鐵損增加（因為單位體積的鐵損近似地與鐵內(nèi)磁感應(yīng)強度的平方成正比），導(dǎo)致電機的效率降低，同時也使電機的溫升變高。 同樣，選用較高的電負荷也可以節(jié)約有效材料、縮小電機體積。但是電負荷過高會產(chǎn)生以下一些不利影響： ① 過高的電負荷A使定子繞組的去磁作用的影響比較顯著，導(dǎo)致電機工作特性變差。 ② 在電機定子繞組電流密度不變的條件下，選用較高的電負荷將增加定子槽內(nèi)的導(dǎo)線，從而增加定子繞組的用銅量，增加銅損和提高溫升。 電磁負荷的選擇直接影響到電機的體積、重量、損耗和效率，關(guān)系到電機的經(jīng)濟性和性能。在永磁直流電動機中，磁負荷基本上由永磁材料的性能和磁路尺寸決定，當永磁材料、磁極尺寸和外磁尺寸確定后，就基本上被確定，變化范圍很小。初選時可根據(jù)永磁材料和磁極結(jié)構(gòu)選取，對于鋁鎳鈷永磁體，一般取為；對于鐵氧體和稀土永磁材料，一般