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1 緒論 1 摘 要 隨著世界各國(guó)人口老齡化的問(wèn)題，近幾年來(lái) ， 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(wú)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 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(guò)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 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 2 n of of a of in of an is of of an In on of of of as ① to of of of C of A of is of dc ② of to of on of by of ③ of by s of of is of a at it a to 緒論 3 目 錄 中文摘要 ........................................................................................................................................ 1 英文摘要 ........................................................................................................................................ 2 1 緒論 .......................................................................................................................................... 6 文的研究背景 ...................................................................................................................... 6 轂電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r .............................................................................................................. 7 轂電機(jī)國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r .................................................................................................... 7 轂電機(jī)國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r .................................................................................................... 8 文研究的目的及意義 .......................................................................................................... 8 文研究的目的 ................................................................................................................. 8 文研究的意義 ................................................................................................................ 8 文研究的主要內(nèi)容 .............................................................................................................. 9 2 電動(dòng)代步車輪轂電機(jī)的總體方案設(shè)計(jì) .............................................................. 10 動(dòng)代步車功能需求與分析 ................................................................................................ 10 動(dòng)代步車功能需求與分析 .......................................................................................... 10 型電動(dòng)代步車整車設(shè)計(jì)方案 ...................................................................................... 10 轂電機(jī)類型的確定 ............................................................................................................ 12 流電動(dòng)機(jī) ...................................................................................................................... 13 流電動(dòng)機(jī) ...................................................................................................................... 13 轂電機(jī)類型的選取 ...................................................................................................... 15 轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式 ............................................................................................................ 15 轂永磁材料的選取 ............................................................................................................ 16 作方式的確定 .................................................................................................................... 21 結(jié) ........................................................................................................................................ 21 3 電動(dòng)代步車輪轂電機(jī)的電磁設(shè)計(jì) ......................................................................... 17 磁電動(dòng)機(jī)主要尺寸的確定 ................................................................................................ 17 構(gòu)主要尺寸與功率、轉(zhuǎn)速、電磁負(fù)荷的關(guān)系 .......................................................... 17 磁負(fù)荷的確定 .............................................................................................................. 21 磁體尺寸的確定 ................................................................................................................ 21 磁體充磁方向長(zhǎng)度 ...................................................................................................... 21 磁材料的充磁 .............................................................................................................. 22 磁體軸向長(zhǎng)度 .............................................................................................................. 24 4 數(shù)的選擇 ............................................................................................................................ 24 樞沖片及繞組的設(shè)計(jì) ........................................................................................................ 25 樞槽數(shù) .......................................................................................................................... 25 組的設(shè)計(jì) ...................................................................................................................... 26 轂電機(jī)的主要系數(shù) ............................................................................................................ 30 隙系數(shù) .......................................................................................................................... 30 隙長(zhǎng)度 .......................................................................................................................... 31 樞計(jì)算長(zhǎng)度 .................................................................................................................. 32 載漏磁系數(shù)和波形系數(shù) .............................................................................................. 32 結(jié) ........................................................................................................................................ 33 4 輪轂電 機(jī)的磁場(chǎng)分析與計(jì)算 ................................................................................... 35 維電磁場(chǎng)理論和有限元基礎(chǔ) ............................................................................................ 35 克斯韋方程 .................................................................................................................. 35 函數(shù)及其微分方程 ...................................................................................................... 36 磁場(chǎng)中的邊界條件 ...................................................................................................... 36 維有限元的計(jì)算方法 ........................................................................................................ 37 路耦合原理 ........................................................................................................................ 42 轂電機(jī)的瞬態(tài)場(chǎng)計(jì)算 ........................................................................................................ 42 用軟件 介 ................................................................................................ 42 件包簡(jiǎn)介 ........................................................................................................ 43 維瞬態(tài)場(chǎng)模型的建立 .................................................................................................. 43 維瞬態(tài)分析結(jié)果 .......................................................................................................... 47 轂電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩的抑制 .................................................................................................... 52 槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生機(jī)理 ...................................................................................................... 52 槽轉(zhuǎn)矩的消弱方法 ...................................................................................................... 53 子極弧系數(shù)的影響 ...................................................................................................... 53 弧偏心距的影響 .......................................................................................................... 55 結(jié) ........................................................................................................................................ 57 5 輪轂電機(jī)仿真計(jì)算與分析 ........................................................................................... 59 件包簡(jiǎn)介 ................................................................................................................ 59 轂電機(jī)模型的建立 ............................................................................................................ 59 轂電機(jī)的仿真結(jié)果 ............................................................................................................ 60 結(jié) ........................................................................................................................................ 63 6 總結(jié)與展望 ........................................................................................................................ 65 1 緒論 5 結(jié) ........................................................................................................................................ 65 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 6 緒論 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，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 。其中內(nèi)地的登記人口數(shù)，為 ，較 2000 年的第五次普查增長(zhǎng) 這十年來(lái)人口年均增長(zhǎng) 處于低生育水平階段。從年齡構(gòu)成看， 0人口占比急減 但 60 歲以上人口占比大增 百分點(diǎn)至 65歲以上人口比率升至 表明老齡化問(wèn)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)老人與親屬同住（包括與未成年的親屬）戶占 單身老人獨(dú)自居住和只有一對(duì)老夫婦的家庭戶各占 一對(duì)老夫婦與親屬（包括與未成年的親屬）同住的比例是 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(guò) 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(wú)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(jiàn)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 示 [1] ： 1 緒論 7 圖 種類型的電動(dòng)代步車 of 轂電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r 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(guò)去的 當(dāng)中，已經(jīng)研制成功 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 用的是永磁無(wú)刷直流輪轂電機(jī)，其額定功率達(dá) 6． 8值功率可達(dá) 20 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 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 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 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 15重量，卻可以產(chǎn)生約 25 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(lái)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 8 電機(jī)技術(shù)提升到了一個(gè)嶄新的高度。 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(lái)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)刷輪轂電機(jī)，其單個(gè)輪轂電機(jī)的功率是 工大 —愛(ài)英斯電動(dòng)汽車研究所開發(fā)的 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 模汽車 經(jīng)上市，其市場(chǎng)售價(jià)在 8 萬(wàn)左右。 重慶大學(xué)本課題組在重慶大學(xué)和日本 支持下，也展開了對(duì)輪轂電機(jī)的研發(fā)． 文研究的目的及意義 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(méi)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(wèn)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． 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?lái)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(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1 緒論 9 機(jī)，其應(yīng)用前景越來(lái)越廣闊，它的研究開發(fā)也越來(lái)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。 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(wú)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(wú)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(guò)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 件中 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。 10 2 電動(dòng)代步車輪轂電機(jī) 的 總體方案設(shè)計(jì) 動(dòng)代步車 功能需求與分析 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?？刂破鲗?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(guò)流等保護(hù)功能。充電 器用來(lái)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(lái)。車體是整車的機(jī)械骨架，承載人的體重。 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 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 示。 圖 步車設(shè)計(jì)流程 圖 of 電動(dòng)代步車輪轂電機(jī)的總體方案設(shè)計(jì) 11 圖 動(dòng)代步車模型 of 圖 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(lái)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(wú)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(méi)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(wú)刷直流電機(jī)中的磁轉(zhuǎn)子進(jìn)行制動(dòng)，使車外部無(wú)需安裝新的制動(dòng)系統(tǒng)，從而大大減輕了整車的重量。 基于此，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 示： 12 表 動(dòng)代步車 主要尺寸及參數(shù) of 能指標(biāo) 性能指標(biāo)值 性能指標(biāo) 性能指標(biāo)值 總長(zhǎng) 內(nèi) 900 軸距 室內(nèi) 600 室外 1200 室外 900 總寬 ,00 最高車速 ,km/h 6 總高 ,000 檔位 Ⅰ 檔 整車整備質(zhì)量 ,0 Ⅱ 檔 電機(jī)減速比 檔 電機(jī)額定功率 ,w 220 倒檔 電機(jī)額定電壓 ,V 36 輪距 ,50 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(wú)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(lái)。 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(wú)刷電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) [6]。 2 電動(dòng)代步車輪轂電機(jī)的總體方案設(shè)計(jì) 13 圖 代電動(dòng)代步車用電動(dòng)機(jī)分類 of 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(wú)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(lái)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(wú)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(lái)控制換向，輸入方波的電動(dòng)機(jī)成為永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。由于永磁無(wú)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 現(xiàn)代電動(dòng)代步車用電動(dòng)機(jī)性能比較 。 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(wú)關(guān)。具有運(yùn)行穩(wěn)定性高和過(guò)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) 14 穩(wěn)定性高和過(guò)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) (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?yè)P(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(wú)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 代電動(dòng)代步車用電動(dòng)機(jī)性能比較 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~ 控制器成本（以直流電動(dòng)機(jī)為 1） 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(méi)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2 電動(dòng)代步車輪轂電機(jī)的總體方案設(shè)計(jì) 15 來(lái)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。 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(wú)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(wú)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(wú)刷電機(jī)作為電動(dòng)代步車的輪轂電機(jī)。 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(guò)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(méi)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