電動(dòng)代步車用輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)與分析

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中文摘要 摘 要 隨著世界各國(guó)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(dòng)代步車產(chǎn)品，受到了極大的關(guān)注。開發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、安全可靠、性價(jià)比高的電動(dòng)代步車具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和市場(chǎng)前景。 輪轂電機(jī)是電動(dòng)代步車的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)部件，其研究開發(fā)、改進(jìn)分析和性能仿真具有現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。 本文針對(duì)現(xiàn)代電動(dòng)代步車的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適合電動(dòng)代步車用的輪轂電機(jī)，并且在較深入的結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上對(duì)該輪轂電機(jī)進(jìn)行了計(jì)算分析和性能仿真，主要研究的內(nèi)容如下： ① 根據(jù)電動(dòng)代步車用輪轂電機(jī)的特點(diǎn)，對(duì)電動(dòng)代步車的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，總結(jié)了永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁方案設(shè)計(jì)原則，并且在對(duì)結(jié)構(gòu)的深入分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出新型的電動(dòng)代步車用輪轂電機(jī)。包括輪轂電機(jī)的的輪轂電機(jī)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(jī)的初步參數(shù)之后，利用Ansoft maxwell電磁場(chǎng)有限元設(shè)計(jì)軟件，基于電磁場(chǎng)原理，計(jì)算輪轂電機(jī)的瞬態(tài)性能。結(jié)果表明輪轂電機(jī)滿足電動(dòng)代步車運(yùn)行的要求。通過對(duì)輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)和極弧偏心距這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩進(jìn)行抑制。 ③ 用Ansoft的Rmxpt軟件包建立了輪轂電機(jī)模型，并對(duì)輪轂電機(jī)的整體性能進(jìn)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(jī)完全適用電動(dòng)代步車。 采用這樣的方法不但可以滿足精確性要求，同時(shí)可以縮短設(shè)計(jì)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(shí)對(duì)類似的輪轂電機(jī)產(chǎn)品開發(fā)具有一定的參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞：電動(dòng)代步車，輪轂電機(jī)，電磁場(chǎng)，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(jī)的發(fā)展?fàn)顩r 2 1.2.1 輪轂電機(jī)國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r 2 1.2.2 輪轂電機(jī)國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 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(dòng)代步車輪轂電機(jī)的總體方案設(shè)計(jì) 5 2.1 電動(dòng)代步車功能需求與分析 5 2.1.1 電動(dòng)代步車功能需求與分析 5 2.1.2 新型電動(dòng)代步車整車設(shè)計(jì)方案 5 2.2 輪轂電機(jī)類型的確定 7 2.2.1 直流電動(dòng)機(jī) 8 2.2.2 交流電動(dòng)機(jī) 8 2.2.3 輪轂電機(jī)類型的選取 10 2.3 輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)代步車輪轂電機(jī)的電磁設(shè)計(jì) 17 3.1 永磁電動(dòng)機(jī)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(fù)荷的關(guān)系 17 3.1.2 電磁負(fù)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(zhǎng)度 21 3.2.2 永磁材料的充磁 22 3.2.3 永磁體軸向長(zhǎng)度 24 3.3 極數(shù)的選擇 24 3.4 電樞沖片及繞組的設(shè)計(jì) 25 3.4.1 電樞槽數(shù) 25 3.4.2 繞組的設(shè)計(jì) 26 3.5 輪轂電機(jī)的主要系數(shù) 30 3.5.1 氣隙系數(shù) 30 3.5.2 氣隙長(zhǎng)度 31 3.5.3 電樞計(jì)算長(zhǎng)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(jī)的磁場(chǎng)分析與計(jì)算 35 4.1 二維電磁場(chǎng)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(chǎng)中的邊界條件 36 4.2 二維有限元的計(jì)算方法 37 4.3 場(chǎng)路耦合原理 42 4.4 輪轂電機(jī)的瞬態(tài)場(chǎng)計(jì)算 42 4.4.1 商用軟件ANSOFT簡(jiǎn)介 42 4.4.2 Maxwell軟件包簡(jiǎn)介 43 4.4.3 二維瞬態(tài)場(chǎng)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(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的抑制 52 4.5.1 齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生機(jī)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(jī)仿真計(jì)算與分析 59 5.1 Rmxpt軟件包簡(jiǎn)介 59 5.2 輪轂電機(jī)模型的建立 59 5.3 輪轂電機(jī)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(xiàn) 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(dòng)代步車是在電動(dòng)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(dòng)車。而隨著老年人的增多，針對(duì)老年人開發(fā)的電動(dòng)代步車成為電動(dòng)車市場(chǎng)發(fā)展的一個(gè)重要分支。該車結(jié)構(gòu)輕便、操作簡(jiǎn)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(shì)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(guó)家統(tǒng)計(jì)局周四公布的第六次全國(guó)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(huì)老齡化進(jìn)程加快。包括港澳臺(tái)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(zhǎng)5.84%。這十年來人口年均增長(zhǎng)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(gè)百分點(diǎn)至只有16.60%，但60歲以上人口占比大增2.93個(gè)百分點(diǎn)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(guó)有65歲及以上老年人的家庭中，一個(gè)老人與親屬同?。òㄅc未成年的親屬）戶占54.2%，單身老人獨(dú)自居住和只有一對(duì)老夫婦的家庭戶各占13.2%和15.6%，一對(duì)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(guó)人口統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的一份報(bào)告稱，到2040年時(shí)全球人口將達(dá)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(shí)，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(jì)的數(shù)字可以看出，隨著老齡化的加劇，無論是在國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，電動(dòng)代步車都有著非常廣泛的前景。 目前比較常見的電動(dòng)代步車類型主要有：電動(dòng)三輪車、電動(dòng)四輪車、電動(dòng)輪椅車等[2] ，如圖1.1所示[1] ： 圖1.1 幾種類型的電動(dòng)代步車 Fig.1.1 Several types of electric scooter 1.2 輪轂電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r 1.2.1 輪轂電機(jī)國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r 輪轂電機(jī)是電動(dòng)車的主要驅(qū)動(dòng)部件．隨著電動(dòng)車的發(fā)展，輪轂電機(jī)技術(shù)也取得了飛速的進(jìn)步．早在20世紀(jì)50年代初，美國(guó)人羅伯特發(fā)明了輪轂驅(qū)動(dòng)裝置，該裝置將電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)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(guó)際上對(duì)輪轂電機(jī)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(dòng)汽車研究小組，在過去的l0年當(dāng)中，已經(jīng)研制成功IZA、ECO、KAZ等不同樣式的電動(dòng)車，這些電動(dòng)車均采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。其中后輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車ECO采用的是永磁無刷直流輪轂電機(jī)，其額定功率達(dá)6．8kW，峰值功率可達(dá)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(dòng)產(chǎn)品，如：普利司通公司的動(dòng)力阻尼型車輪內(nèi)裝式電機(jī)系統(tǒng)、豐田公司的燃料電池概念車FINEN等等[3]。 2001年，美國(guó)的通用汽車公司也成功試制了輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)概念車Autonomy，該車采用4輪轂驅(qū)動(dòng)技術(shù)，其輪轂系統(tǒng)控制與布置靈活。同時(shí)通用汽車高級(jí)技術(shù)研發(fā)中心已經(jīng)成功地將自行研制的輪轂電機(jī)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(tái)電機(jī)雖然僅在每個(gè)車輪增加15kg的重量，卻可以產(chǎn)生約25kW的功率。 美國(guó)恩達(dá)鋰電動(dòng)自行車公司設(shè)計(jì)的電動(dòng)自行車，它以蓄電池、鋰電池等電能作為輔助能源，具有兩個(gè)車輪，能實(shí)現(xiàn)人力騎行、電動(dòng)或電助動(dòng)功能的特種自行車． 近年來在世界范圍內(nèi)，各類電動(dòng)車輛，包括電動(dòng)車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、巡游觀光車、場(chǎng)地搬運(yùn)車、高爾夫球車、電動(dòng)代步車、電動(dòng)輪椅車等需求旺盛，發(fā)展迅猛。特別是電動(dòng)車和電動(dòng)自行車的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，更是將輪轂電機(jī)技術(shù)提升到了一個(gè)嶄新的高度。 1.2.2 輪轂電機(jī)國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)輪轂電機(jī)技術(shù)起步比較晚，但是近幾年來隨著電動(dòng)自行車和摩托車的發(fā)展，各大高校和各個(gè)公司也紛紛加入到輪轂電機(jī)研發(fā)的行列。 目前我國(guó)電動(dòng)自行車和摩托車所使用輪轂主要是永磁電機(jī)，永磁電機(jī)按照是否采用電刷換向可分為有刷電機(jī)和無刷電機(jī)兩種．有刷電機(jī)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(jī)用電子器件代替換向碳刷，電機(jī)的壽命長(zhǎng)，但是對(duì)控制器要求較高。按照電機(jī)轉(zhuǎn)速可以分為高速和低速電機(jī)，高速有刷配以齒輪減速的電機(jī)性能好，壽命長(zhǎng)，但造價(jià)較高；低速有刷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格較低，但其性能較差，壽命短。由于高速無刷電機(jī)的優(yōu)異性能，在電動(dòng)自行車和摩托車得到了廣泛的應(yīng)用． 同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院在2002年和2003年采用了4個(gè)直流無刷輪轂電機(jī)作為獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研制出了“春暉一號(hào)”和“春暉二號(hào)”。中科院北京三環(huán)通用電氣公司研制開發(fā)出了電動(dòng)轎車直流無刷輪轂電機(jī)，其單個(gè)輪轂電機(jī)的功率是7.5kW。哈工大—愛英斯電動(dòng)汽車研究所開發(fā)的EV96—I型電動(dòng)汽車上采用了多態(tài)輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這種輪轂電機(jī)采用雙邊混合式磁路結(jié)構(gòu)，兼有同步電機(jī)和異步電機(jī)的雙重特性[3]。在高校進(jìn)行研發(fā)的同時(shí)，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(dòng)汽車E6,雙模汽車F3DM，F(xiàn)3DM已經(jīng)上市，其市場(chǎng)售價(jià)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(duì)輪轂電機(jī)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(dòng)代步車的市場(chǎng)和前景肯定非常廣闊。由于目前電動(dòng)代步車是在中國(guó)還未形成產(chǎn)業(yè)，所以并沒有一款專門針對(duì)電動(dòng)代步車用的輪轂電機(jī)。所以我們針對(duì)現(xiàn)有輪轂電機(jī)存在的問題和不足，設(shè)計(jì)出一款針對(duì)電動(dòng)代步車用的新型輪轂電機(jī)，并對(duì)輪轂電機(jī)進(jìn)行性能仿真和分析．該輪轂電機(jī)同時(shí)兼有電動(dòng)和電磁制動(dòng)的功能，并且作為電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)具有較好的調(diào)速性能。本文要研究的輪轂電機(jī)開發(fā)具有自主知識(shí)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(dòng)代步車． 1.3.2 本文研究的意義 電動(dòng)代步車是在環(huán)境污染、能源危機(jī)、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(huì)，人們?cè)絹碓疥P(guān)注老年人和殘疾人，推廣新一代“綠色”交通工具的電動(dòng)代步車是一項(xiàng)造福社會(huì)和人類的工程。而應(yīng)用于電動(dòng)代步車的輪轂電機(jī)，其應(yīng)用前景越來越廣闊，它的研究開發(fā)也越來越有價(jià)值，對(duì)輪轂電機(jī)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(dòng)代步車輪轂電機(jī)是電磁技術(shù)、機(jī)械和電子相結(jié)合的產(chǎn)物。它不但滿足電動(dòng)代步車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的快速響應(yīng)的控制要求，同時(shí)具有操作簡(jiǎn)單、方便，成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型、高效、可靠的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。此驅(qū)動(dòng)電機(jī)不僅可以應(yīng)用于目前我們開發(fā)的電動(dòng)代步車中，還可以應(yīng)用于其他電動(dòng)自行車、殘障用車等領(lǐng)域，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 1.4 論文研究的主要內(nèi)容 電動(dòng)代步車用輪轂電機(jī)采用永磁無刷直流輪轂電機(jī)，它有許多優(yōu)點(diǎn)，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(jī)在電動(dòng)代步車中應(yīng)用，即要求在可接受的價(jià)格范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)代步車的優(yōu)良性能，滿足電動(dòng)代步車對(duì)輪轂電機(jī)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(xì)介紹了電動(dòng)代步車及輪轂電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀。 第二章，介紹了目前車輛驅(qū)動(dòng)用的電動(dòng)機(jī)類型，并選擇了適合電動(dòng)代步車所用的輪轂電機(jī)，選擇了合適的驅(qū)動(dòng)方式，并對(duì)輪轂電機(jī)的材料做了選擇。 第三章，對(duì)電動(dòng)代步車用輪轂電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，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(jì)和介紹了輪轂電機(jī)的幾個(gè)重要系數(shù)。 第四章，介紹了二維電磁場(chǎng)理論和有限元基礎(chǔ)，并且通過理論解析二維有限元計(jì)算方法和場(chǎng)路耦合原理，并對(duì)輪轂電機(jī)的瞬態(tài)場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)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(jī)模型，并對(duì)輪轂電機(jī)的整體性能進(jìn)行仿真計(jì)算。 2 電動(dòng)代步車輪轂電機(jī)的總體方案設(shè)計(jì) 2 電動(dòng)代步車輪轂電機(jī)的總體方案設(shè)計(jì) 2.1 電動(dòng)代步車功能需求與分析 2.1.1 電動(dòng)代步車功能需求與分析 　　電動(dòng)代步車是專門為老年人和殘疾人設(shè)計(jì)的，要求它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)、蓄電池、控制器、充電器和車體等五大部分組成。輪轂電機(jī)是電動(dòng)代步車的主要驅(qū)動(dòng)部件，主要完成啟動(dòng)、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(jī)械能，使車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)功能。蓄電池是電動(dòng)代步車的動(dòng)力源。控制器對(duì)電動(dòng)代步車的調(diào)速、制動(dòng)、軟啟動(dòng)起控制作用，并控制蓄電池的輸出電流、電壓，以達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即車速的目的，設(shè)計(jì)有欠壓、過流等保護(hù)功能。充電器用來給蓄電池進(jìn)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(chǔ)存起來。車體是整車的機(jī)械骨架，承載人的體重。 2.1.2 新型電動(dòng)代步車整車設(shè)計(jì)方案 本課題組進(jìn)行電動(dòng)代步車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的流程如圖2.1，設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括機(jī)械系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)兩個(gè)方面，本文參考從美國(guó)和日本購(gòu)買的兩輛電動(dòng)代步車，分析現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不足，針對(duì)中國(guó)的老、殘疾人士，設(shè)計(jì)出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電動(dòng)代步車用輪轂電機(jī)，并最終完成電動(dòng)代步車整車的設(shè)計(jì)，其整車結(jié)構(gòu)模型如圖2.2所示。 圖2.1 代步車設(shè)計(jì)流程圖 Fig.2.1Flow chart design of electric scooter 圖2.2 電動(dòng)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(gè)輪為驅(qū)動(dòng)輪，也就是需要輪轂電機(jī)來驅(qū)動(dòng)．從電動(dòng)代步車整體結(jié)構(gòu)決定了該輪轂電機(jī)的外形，顯然我們需要的輪轂電機(jī)制造簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便．為此，該輪轂電機(jī)的固定方式為單懸臂梁固定方式．同時(shí)現(xiàn)在大多數(shù)的輪轂電機(jī)的電動(dòng)車上都裝了單獨(dú)的制動(dòng)系統(tǒng)，這樣不僅增加了電動(dòng)車的復(fù)雜性，而且還增加了成本。我們還需要在輪轂電機(jī)中安放了電磁制動(dòng)裝置，該制動(dòng)系統(tǒng)在電機(jī)里面就可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，無需增加額外的制動(dòng)系統(tǒng)，該機(jī)電一體化的輪轂電機(jī)，充分的利用了輪轂電機(jī)里面的空間，不僅保持輪轂電機(jī)的效率，而且并沒有因?yàn)橛须姶胖苿?dòng)的存在而影響到電機(jī)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(jī)中的磁轉(zhuǎn)子進(jìn)行制動(dòng)，使車外部無需安裝新的制動(dòng)系統(tǒng)，從而大大減輕了整車的重量?；诖?，本文要完成電動(dòng)代步車用輪轂電機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)及其性能仿真。 新型電動(dòng)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(dòng)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(biāo) 性能指標(biāo)值 性能指標(biāo) 性能指標(biāo)值 總長(zhǎng)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(jī)減速比 9.5 Ⅲ檔 電機(jī)額定功率,w 220 倒檔 電機(jī)額定電壓,V 36 輪距,mm 550 2.2 輪轂電機(jī)類型的確定 輪轂電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)通常由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、制動(dòng)器與散熱系統(tǒng)等組成。輪轂電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)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(dòng)代步車具有良好的使用性能，輪轂電機(jī)應(yīng)具有較寬的調(diào)速范圍、足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，還要有能量反饋的性能，最好自身具有制動(dòng)系統(tǒng)。作為電動(dòng)代步車用輪轂電機(jī),還有如下幾點(diǎn)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(dòng)代步車和燃油車相比最突出的性能指標(biāo)。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(jī)的效率，電動(dòng)機(jī)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(huì)提高，而行駛成本隨之降低。 ② 體積?。狠嗇炿姍C(jī)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(jī)的體積縮小創(chuàng)造了非常有利的條件。 ③ 壽命長(zhǎng)：同燃油車相比，永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行壽命比較長(zhǎng)。 低成本：由于電動(dòng)代步車在中國(guó)目前尚未形成大規(guī)模生產(chǎn)，相對(duì)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(dòng)代步車上已應(yīng)用的和有應(yīng)用前景的電動(dòng)機(jī)有永磁無刷電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)[6]。 輪轂電機(jī) 直流電動(dòng)機(jī) 繞組勵(lì)磁式電動(dòng)機(jī) 交流電動(dòng)機(jī) 異步電動(dòng)機(jī) 永磁式電動(dòng)機(jī) 永磁直流電動(dòng)機(jī) 并勵(lì)電動(dòng)機(jī) 串勵(lì)電動(dòng)機(jī) 復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī) 他勵(lì)電動(dòng)機(jī) 同步電動(dòng)機(jī) 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) 圖2.3現(xiàn)代電動(dòng)代步車用電動(dòng)機(jī)分類 Fig.2.3 Classification of modern electric scooter motor 2.2.1 直流電動(dòng)機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)它將直流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,是電動(dòng)車輛應(yīng)用最早且最廣泛的電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分為永磁、他勵(lì)和自勵(lì)3類，其中自勵(lì)又分為并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)3種。它的調(diào)速性能好，可以在重負(fù)載條件下，實(shí)現(xiàn)均勻、平滑的無級(jí)調(diào)速,而且調(diào)速范圍較寬。它的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，可以均勻而經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)[7]。 永磁直流電動(dòng)機(jī)用稀土等永磁材料來替代傳統(tǒng)電機(jī)的電磁場(chǎng)裝置制成的電動(dòng)機(jī)。根據(jù)輸入電動(dòng)機(jī)接線端的電流種類把永磁電動(dòng)機(jī)分為永磁交流電動(dòng)機(jī)和永磁直流電動(dòng)機(jī)。永磁交流電動(dòng)機(jī)因不需要安裝電刷、換向器，因此又叫永磁無刷電動(dòng)機(jī)。根據(jù)輸入電動(dòng)機(jī)接線端的電流波形，輸入正弦波的電動(dòng)機(jī)，成為永磁同步電動(dòng)機(jī)。采用連續(xù)轉(zhuǎn)子位置反饋信號(hào)來控制換向，輸入方波的電動(dòng)機(jī)成為永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。由于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)工作平穩(wěn)，很少有發(fā)生抖動(dòng)的現(xiàn)象[6]。表2.2為現(xiàn)代電動(dòng)代步車用電動(dòng)機(jī)性能比較。 2.2.2 交流電動(dòng)機(jī) 交流電機(jī)分為異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)兩類。異步電動(dòng)機(jī)按照定子相數(shù)不同分為單相異步電動(dòng)機(jī)、兩相異步電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)。 同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相同。其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與磁極對(duì)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(shí)，轉(zhuǎn)速不變，且與負(fù)載無關(guān)。具有運(yùn)行穩(wěn)定性高和過載能力大等特點(diǎn)。是一種轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相同的交流電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行穩(wěn)定性高和過載能力大等特點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是起動(dòng)性能較差，結(jié)構(gòu)比異步電動(dòng)機(jī)復(fù)雜，需要直流電源勵(lì)磁，價(jià)格比較貴，維護(hù)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(dòng)機(jī)。 異步電動(dòng)機(jī)(asynchronous motor) 又稱感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量的一種交流電機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的異步電機(jī)。因其轉(zhuǎn)子繞組電流是感應(yīng)產(chǎn)生的，又稱感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。 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(jī)相比，異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、使用、維護(hù)方便，運(yùn)行可靠性高，重量輕，成本低。異步電動(dòng)機(jī)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(fù)載特性，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械拖動(dòng)的要求。其局限性是，它的轉(zhuǎn)速與其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(chǎng)合（如傳動(dòng)軋機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、大型機(jī)床等），不如直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)、方便。此外，異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，從電力系統(tǒng)吸取無功功率以勵(lì)磁，這會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的功率因數(shù)變壞。 表2.2 現(xiàn)代電動(dòng)代步車用電動(dòng)機(jī)性能比較 Table 2.2 Performance Comparison of Modern electric Scooter Motor 性能 永磁直流電動(dòng)機(jī) 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) 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(jiān)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(dòng)機(jī)為1） 1~1.5 0.6~1 控制器成本（以直流電動(dòng)機(jī)為1） 2.5 4.5 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)定子除繞組獨(dú)立接線之外，其他與交流異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械強(qiáng)度高。此外，因其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單所以制造起來也很容易，作為牽引電動(dòng)機(jī)，在其大批量生產(chǎn)時(shí)的工序也很少，原材料成本也很低廉。從而可以實(shí)現(xiàn)成本的大幅度降低。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)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(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都會(huì)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(shí)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(jī)類型的選取 對(duì)電動(dòng)代步車用的輪轂電機(jī)，人們所期望的優(yōu)點(diǎn)： ① 小型輕量化； ② 高速低轉(zhuǎn)矩時(shí)運(yùn)行效率高； ③ 低速時(shí)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(jiǎn)單化。 根據(jù)前面對(duì)電動(dòng)機(jī)情況的描述，永磁直流無刷電機(jī)具有功率密度高，噪音小，調(diào)速性能好，既具備交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電機(jī)的線性機(jī)械特性、調(diào)速范圍寬、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)。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(chǎng)合的最佳選擇。電動(dòng)代步車有輕、小、安靜、可靠等方面的要求，故在本次設(shè)計(jì)中采用永磁直流無刷電機(jī)作為電動(dòng)代步車的輪轂電機(jī)。 2.3 輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式 由于使用環(huán)境的影響，輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式不外乎兩種方式：一為直接驅(qū)動(dòng)；二為減速驅(qū)動(dòng)。 在直接驅(qū)動(dòng)的方式下，電機(jī)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(jī)在低速時(shí)能提供大的轉(zhuǎn)矩。為了能夠獲得較好的動(dòng)力性，電機(jī)需要具有較寬的調(diào)速范圍。直接驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是：它不需要減速機(jī)構(gòu)，這樣整個(gè)驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)變得更加簡(jiǎn)單、緊湊，軸向尺寸、徑向尺寸減小，效率進(jìn)一步提高，速度響應(yīng)也變快。其缺點(diǎn)是：起步或爬坡等承載大扭矩時(shí)需要大的電流，這樣會(huì)損壞電池和永磁體；電機(jī)的效率峰值區(qū)域很窄，負(fù)載電流超過一定值后效率會(huì)急劇下降。 在減速驅(qū)動(dòng)的方式下，由于有減速機(jī)構(gòu)輪轂電機(jī)一般在高速下運(yùn)行，對(duì)電機(jī)的性能沒有嚴(yán)格的要求，選用的也只是普通的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)。減速機(jī)構(gòu)設(shè)置在電機(jī)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(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是：電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，具有較高的比功率和效率；采用減速驅(qū)動(dòng)的電機(jī)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(yùn)行時(shí)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(jī)構(gòu)，整個(gè)電機(jī)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(dòng)率下降。 仔細(xì)比較上面兩種驅(qū)動(dòng)方式，直接驅(qū)動(dòng)對(duì)電機(jī)本身性能的要求較高，其缺點(diǎn)是致命性的，不容易解決。而減速驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)電機(jī)的性能沒有嚴(yán)格的要求，其缺點(diǎn)也可以通過一系列的措施來克服或者彌補(bǔ)。例如對(duì)電機(jī)散熱方面的要求，我們可以設(shè)置在轉(zhuǎn)子端部設(shè)計(jì)成渦輪的形狀，這樣有利于改善通風(fēng)散熱；對(duì)于減速機(jī)構(gòu)使效率降低是很小的一部分，當(dāng)我們努力提高電機(jī)本身的效率，而犧牲很小的效率換取整個(gè)輪轂電機(jī)更好的機(jī)械特性，這是值得的。由于采用減速驅(qū)動(dòng)方式的電機(jī)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(yùn)行時(shí)獲得較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩。這些優(yōu)點(diǎn)也正是電動(dòng)代步車所需要的，故而輪轂電機(jī)采用行星齒輪減速直接驅(qū)動(dòng)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(chǎng)飽和充磁后，無需外部能量而能持續(xù)提供磁場(chǎng)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(guó)是世界上最早利用磁的國(guó)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(shí)。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(dāng)外磁場(chǎng)撤去時(shí)仍然保持相當(dāng)高的磁性能，因而可用于永磁電機(jī)中產(chǎn)生磁場(chǎng)。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(qiáng)度B與外加磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)中進(jìn)行周期性磁化,當(dāng)H從零開始增加到Hm時(shí)，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(duì)值,B沿著曲線de變化。當(dāng)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度Hm有關(guān)，Hm越大，面積越大。當(dāng)Hm達(dá)到或超過材料的飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，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(duì)永磁材料，磁滯回線的第二個(gè)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(fù)，表達(dá)不便，故將H坐標(biāo)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(biāo)系下，永磁材中的磁場(chǎng)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(qiáng)度，單位為A/m。 可以看出，在永磁材料中，B有兩個(gè)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(qiáng)度，用表示。由式2.1可知，內(nèi)稟磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間滿足關(guān)系：。描述內(nèi)稟磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系，只有在磁場(chǎng)強(qiáng)度單方向變化時(shí)才存在。實(shí)際上，永磁電機(jī)運(yùn)行時(shí)受到作用的退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度是反復(fù)變化的。當(dāng)對(duì)已充磁的永磁體施加退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，磁通密度沿圖2.6中的退磁曲線下降.如果在下降到點(diǎn)時(shí)小區(qū)外加退磁磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度,則磁密沿新的曲線下降。如此多次反復(fù)后形成一個(gè)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(diǎn)為回復(fù)線的起始點(diǎn)。如果以后施加的退磁磁場(chǎng)強(qiáng)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(diǎn)，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(jī)性能的不穩(wěn)定，也增加了永磁電機(jī)電磁設(shè)計(jì)計(jì)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(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率，簡(jiǎn)稱為回復(fù)磁導(dǎo)率。 (2.2) 當(dāng)退磁曲線為曲線時(shí)，的值與起始點(diǎn)的位置有關(guān)，是個(gè)變數(shù)。但是通常情況下變化很小，可以近似認(rèn)為是一個(gè)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(diǎn)的回復(fù)曲線可以近似認(rèn)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(dāng)退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度超過一定值后，退磁曲線就急劇下降，開始拐彎的點(diǎn)稱為拐點(diǎn)。當(dāng)退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度不超過拐點(diǎn)k時(shí)，回復(fù)線與退磁曲線的直線段相重合。當(dāng)退磁磁場(chǎng)強(qiáng)度超過拐點(diǎn)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(jī)的磁性能在運(yùn)行過程中保持穩(wěn)定，這是在電機(jī)中使用中最理想的退磁曲線。 ③ 主要永磁材料及其特點(diǎn) 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?cè)诖判阅?、?jīng)濟(jì)性和力學(xué)性能等方面差異很大，各有其特點(diǎn)。在這些永磁材料中，電機(jī)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(duì)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(qiáng) 強(qiáng) 強(qiáng) 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(jià)格 中等 低 很高 高 應(yīng)用場(chǎng)合 儀器儀表類要求溫度穩(wěn)定性高的場(chǎng)合 性能和體積要求不高，價(jià)格要求低的場(chǎng)合 高性能、高溫、高溫度穩(wěn)定性，價(jià)格不是主要考慮因素的場(chǎng)合 高性能、體積要求高、溫度不高的場(chǎng)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(chǎng)。 ② 永磁體所建立的磁場(chǎng)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(qiáng)度高、可加工等。 ⑤ 價(jià)格合理，經(jīng)濟(jì)性好。 具體到有磁電機(jī)中，各類永磁體的使用范圍如下： ① 鐵氧體永磁適合于對(duì)電機(jī)體積、重量和性能要求不高，而對(duì)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性要求高的場(chǎng)合。近年來，隨著釹鐵硼永磁價(jià)格的降低和導(dǎo)磁、導(dǎo)電材料價(jià)格的提高，對(duì)于同一臺(tái)電機(jī)，采用釹鐵硼可以減小電機(jī)體積、降低銅鐵材料的用量，有時(shí)候在經(jīng)濟(jì)性上是劃算的。在許多場(chǎng)合，鐵氧體永磁有逐漸被釹鐵硼永磁代替的趨勢(shì)。[] ② 鋁鎳鈷永磁適合于對(duì)電機(jī)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(jī)的成本不高的場(chǎng)合，鋁鎳鈷永磁在電機(jī)中的應(yīng)用已經(jīng)很少。 ③ 釹鐵硼永磁適合于對(duì)電機(jī)體積、重量和性能要求很高，工作環(huán)境溫度不高，對(duì)永磁體溫度穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合。 ④ 稀土鈷永磁適合于對(duì)電機(jī)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(chǎng)合。 ⑤ 粘結(jié)永磁材料適合于批量大、磁極形狀復(fù)雜、電機(jī)性能要求不高的場(chǎng)合。 2.5 工作方式的確定 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是集電動(dòng)機(jī)本體、控制器和轉(zhuǎn)子位置傳感器與一體的機(jī)電一體化器件，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的具體工作方式，主要包括電動(dòng)機(jī)相數(shù)、繞組的連接方式、逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、繞組通電方式、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方式等。 目前三相永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)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(shí)，多用于小功率高速電機(jī)；逆變器采用橋式結(jié)構(gòu)的三相六狀態(tài)工作方式時(shí)，可應(yīng)用于多種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。由于繞組電動(dòng)勢(shì)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(dāng)對(duì)電動(dòng)機(jī)體積要求不高、環(huán)境不惡劣時(shí)，一般采用位置傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，使電動(dòng)機(jī)具有較好的起動(dòng)特性和抗過載、抗沖擊能力，動(dòng)態(tài)性能較好。恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)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(jī)的體積，降低了成本。 此外，在我們?cè)O(shè)計(jì)的新型電動(dòng)代步車輪轂電機(jī)，采用了電磁制動(dòng)，此種制動(dòng)方式不僅便于操作，而且還可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回饋。具體回饋方式，本文不做概述。 2.6 小結(jié) 電機(jī)的設(shè)計(jì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。電機(jī)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)家有關(guān)部門在總結(jié)以往電機(jī)設(shè)計(jì)、制造和使用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從當(dāng)前實(shí)際情況出發(fā)，并考慮今后發(fā)展需要而對(duì)各種型號(hào)電機(jī)提出一定要求的文件。它是電機(jī)生產(chǎn)的依據(jù)，也是評(píng)定電機(jī)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的準(zhǔn)則。 確定了電動(dòng)代步車整體結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)電動(dòng)代步車特點(diǎn)對(duì)輪轂電機(jī)的類型，輪轂電機(jī)永磁材料、絕緣材料，驅(qū)動(dòng)方式，及工作類型進(jìn)行了確定。 33 3 電動(dòng)代步車輪轂電機(jī)的電磁設(shè)計(jì) 3 電動(dòng)代步車輪轂電機(jī)的電磁設(shè)計(jì) 3.1 永磁電動(dòng)機(jī)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(fù)荷的關(guān)系 永磁直流電動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)尺寸是指電樞直徑和電樞計(jì)算長(zhǎng)度，它們和電動(dòng)機(jī)的電磁負(fù)荷有關(guān)。 電機(jī)的電磁負(fù)荷是指電機(jī)的電負(fù)荷A和磁負(fù)荷B。它們與電機(jī)主要尺寸的確定直接相關(guān)，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行特性、效率、溫升等也有很大的影響。要確定電機(jī)的主要尺寸，那就先要確定電機(jī)的電磁負(fù)荷[8]。 直流無刷輪轂電機(jī)的電負(fù)荷（或稱線負(fù)荷）A是指沿定子的內(nèi)徑圓周方向每單位長(zhǎng)度上導(dǎo)體中的總電流，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： (3.1) 式中：為定子相電流（A）；為每相導(dǎo)體數(shù)；為電動(dòng)機(jī)的相數(shù)；為定子的內(nèi)徑（cm）。 由式（3.1）可以推出： (3.2) 電機(jī)的磁負(fù)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(zhǎng)度；為計(jì)算極弧系數(shù)；為極距。 從式（3.1）和式（3.3）可以看出電、磁負(fù)荷與主要尺寸有關(guān)。當(dāng)電機(jī)工作在額定狀態(tài)時(shí)，繞組中會(huì)存在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流。直流無刷電動(dòng)機(jī)定子繞組一相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方程式為： (3.4) 式中：為定子鐵心長(zhǎng)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(dòng)機(jī)氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度在空間的分布波形是一個(gè)底寬為、高為的等效矩形波，等效原則為兩個(gè)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(dòng)機(jī)的磁負(fù)荷是指氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值[16]。 圖3.1 氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)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(dòng)機(jī)作為輪轂電機(jī)，是小型電機(jī)，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(zhǎng)度等于定子鐵心長(zhǎng)度[12]。 當(dāng)直流無刷電動(dòng)機(jī)工作在額定狀態(tài)時(shí)，定子繞組中同時(shí)存在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(V)和電流（A）。和的乘積就是該電動(dòng)機(jī)的機(jī)電能量相互轉(zhuǎn)換的電磁功率。直流 無刷電動(dòng)機(jī)的總功率同運(yùn)行方式有關(guān)，一臺(tái)三相直流無刷電動(dòng)機(jī)如采用三相半控電路，則每相僅工作1/3周期，電動(dòng)機(jī)一相功率就相當(dāng)于整個(gè)電動(dòng)機(jī)的電磁功率。隨著主電路接法及繞組利用率的提高，同一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的輸出功率也會(huì)有所提高。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在三相半控狀態(tài)，即單相電磁功率就相當(dāng)于整機(jī)的電磁功率。 (3.5) 由于直流無刷電動(dòng)機(jī)的氣隙很小，可以認(rèn)為轉(zhuǎn)子磁鋼表面旋轉(zhuǎn)速度為 (3.6) 式中： n為電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)在給定的功率和轉(zhuǎn)速下主要尺寸與電磁負(fù)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(jī)主要尺寸的依據(jù)，正比于定子鐵心的圓柱體積，由于電機(jī)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(gè)電動(dòng)機(jī)的體積。我們可以看出： ① 在電磁負(fù)荷A和B一定時(shí)，隨電機(jī)的電磁功率的增加而增加，隨電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速的增加而減少。輸出為同一功率的電機(jī)，電機(jī)體積與電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的大小成正比，也就是說當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速越低（即額定轉(zhuǎn)矩越大），電機(jī)的體積也越大；反之，轉(zhuǎn)速越高（即額定轉(zhuǎn)矩越?。?，則電機(jī)的體積會(huì)越小。 ② 對(duì)于同一功率和同一轉(zhuǎn)速的電機(jī)，電機(jī)的電磁負(fù)荷A、B取得越高，則電機(jī)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(jī)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(huì)使其制造成本增加。 對(duì)于所設(shè)計(jì)的電機(jī)，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(jī)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(duì)于直流無刷電動(dòng)機(jī)而言，當(dāng)決定電機(jī)的主要尺寸時(shí)，有 (3.8) 式中：為直流電動(dòng)機(jī)的端電壓；為考慮電機(jī)內(nèi)部壓降等因素影響的小于1的系數(shù)。 電機(jī)的輸出功率 為 (3.9) 式中：為額定功率；為電機(jī)的計(jì)算效率。 將式(3.7)、式(3.8)和式（3.9）聯(lián)立，就可解得電機(jī)輸出功率同它的重要尺寸之間的關(guān)系。 (3.10) 直流電機(jī)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(dāng)電機(jī)的相同時(shí)，其大致一樣。決定時(shí)，可根據(jù)給定的值和生產(chǎn)條件，參考已制成的類似電機(jī)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(shí)，定子內(nèi)徑是一系列規(guī)范化的值，它主要根據(jù)我國(guó)生產(chǎn)的硅鋼片規(guī)格和工廠的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)具體確定也考慮到為了制造和節(jié)省原材料對(duì)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(jī)的標(biāo)準(zhǔn)定子內(nèi)徑尺寸系列。 表3.1 標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，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(gè)范圍內(nèi)只有一個(gè)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)直徑，則就將它調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)值。如果在查得的轉(zhuǎn)子內(nèi)徑范圍內(nèi)有幾個(gè)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)直徑，那么就要通過分析或試算來確定其中最適合的一個(gè)。在設(shè)計(jì)輪轂電機(jī)的時(shí)候，由于其行駛狀況決定了電機(jī)需要經(jīng)常變速和制動(dòng)，為了減少轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，[]提高電機(jī)的機(jī)電動(dòng)態(tài)性能[]，所以一般選取較小的定子直徑[]。[]【】[][] 3.1.2 電磁負(fù)荷的確定 電負(fù)荷A與磁負(fù)荷B的選擇與電機(jī)的主要尺寸直接相關(guān)。同時(shí)，A、B的數(shù)值與電機(jī)的運(yùn)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(fù)荷與磁負(fù)荷。 一般來說，選用較高的磁負(fù)荷B可以節(jié)約有效材料，縮小電機(jī)體積。但是Ｂ過高也會(huì)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(qiáng)烈。于是空氣隙及定子磁路所需要的磁感應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)增高，勢(shì)必要求更高性能的磁體材料和導(dǎo)磁材料，其價(jià)格會(huì)隨之上升。 ② 將使定子的鐵損增加（因?yàn)閱挝惑w積的鐵損近似地與鐵內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比），導(dǎo)致電機(jī)的效率降低，同時(shí)也使電機(jī)的溫升變高。 同樣，選用較高的電負(fù)荷也可以節(jié)約有效材料、縮小電機(jī)體積。但是電負(fù)荷過高會(huì)產(chǎn)生以下一些不利影響： ① 過高的電負(fù)荷A使定子繞組的去磁作用的影響比較顯著，導(dǎo)致電機(jī)工作特性變差。 ② 在電機(jī)定子繞組電流密度不變的條件下，選用較高的電負(fù)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(fù)荷的選擇直接影響到電機(jī)的體積、重量、損耗和效率，關(guān)系到電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和性能。在永磁直流電動(dòng)機(jī)中，磁負(fù)荷基本上由永磁材料的性能和磁路尺寸決定，當(dāng)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(shí)可根據(jù)永磁材料和磁極結(jié)構(gòu)選取，對(duì)于鋁鎳鈷永磁體，一般取為；對(duì)于鐵氧體和稀土永磁材料，一般