電動自行車用輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)及其特性研究

　　氣候變暖、能源危機(jī)已成為 21 世紀(jì)人類所面臨的共同挑戰(zhàn)，而研究具有節(jié)能環(huán)保特點(diǎn)的電動自行車成為解決這些問題的重要途徑。作為電動自行車核心的輪轂電機(jī)，其性能的好壞對整車功能的實(shí)現(xiàn)有決定性作用。而目前輪轂電機(jī)普遍存在著損耗大、性能不穩(wěn)定、效率低等缺點(diǎn)，因此，研究一款控制精度高、結(jié)構(gòu)可靠、穩(wěn)定性好、運(yùn)行效率高的輪轂式永磁同步電機(jī)具有重大意義。為了確定輪轂電機(jī)的總體方案，本課題首先分析了電動自行車對輪轂電機(jī)的性能要求，計(jì)算出輪轂電機(jī)的運(yùn)動及動力學(xué)參數(shù)，確定電機(jī)的驅(qū)動力及輸出扭矩。然后，通過分析電機(jī)常數(shù)，選擇相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出電機(jī)的主要尺寸，進(jìn)而確定了輪轂電機(jī)總體機(jī)械方案。接著，引入單元電機(jī)的概念，對比不同繞組方案和極槽配合方案，確定輪轂電機(jī)的總體電磁方案。利用 JMAG 軟件對輪轂電機(jī)的氣隙磁場進(jìn)行有限元分析，確定合理的氣隙長度，優(yōu)化氣隙磁密波形。通過分析電樞磁密、輸出扭矩及效率，對電機(jī)定子電樞的齒寬、軛高和永磁體的寬度及厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。綜合考慮永磁材料的性能及充磁成本，選擇磁性能較高的釹鐵硼永磁材料及平行充磁方式。然后，通過對輪轂電機(jī)空載反電動勢進(jìn)行有限元分析，得到了反電動勢波形的疊加原理及對波形正弦性影響較大的諧波次數(shù)。接著，對電機(jī)的鐵耗和銅耗進(jìn)行了有限元計(jì)算，得出了輪轂電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的效率。針對輪轂電機(jī)中存在的齒槽轉(zhuǎn)矩，本課題進(jìn)一步優(yōu)化轉(zhuǎn)矩特性，建立齒槽轉(zhuǎn)矩的解析模型，通過分析解析模型得到削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法，并分析了不同電磁方案對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響?；?MATLAB/ Simulink 搭建輪轂電機(jī)的仿真平臺，對電機(jī)的起動特性進(jìn)行仿真分析，得到了速度、轉(zhuǎn)矩、三相電流的響應(yīng)特性。根據(jù)優(yōu)化后的機(jī)械及電磁方案加工輪轂電機(jī)樣機(jī)，對樣機(jī)的反電動勢、轉(zhuǎn)矩、溫升及效率進(jìn)行系統(tǒng)的測試，試驗(yàn)結(jié)果表明樣機(jī)的調(diào)速范圍、響應(yīng)特性、轉(zhuǎn)矩輸出及過載能力均滿足設(shè)計(jì)要求，輪轂電機(jī)樣機(jī)效率達(dá)到了 88.9%，綜合性能明顯優(yōu)于普通直流無刷輪轂電機(jī)，驗(yàn)證了課題中設(shè)計(jì)方案的合理性。

　
　電動自行車是一種以蓄電池作為輔助能源，具有兩個車輪，能實(shí)現(xiàn)人力騎行、電動或助動功能的特種自行車。電動自行車主要組成如圖 1-1 所示，包括輪轂電機(jī)及傳動機(jī)構(gòu)、控制器、蓄電池組、車身及顯示儀表?？刂破鬏敵鲭妱幼孕熊嚨倪\(yùn)行控制參數(shù)，輪轂電機(jī)接收控制參數(shù)為車輛提供驅(qū)動力，儀表盤用來顯示車輛運(yùn)行中的各種參數(shù)，蓄電池組為輪轂電機(jī)、控制器、儀表盤提供電源，各部分之間互相關(guān)聯(lián)、密不可分。隨著石油危機(jī)及溫室效應(yīng)的加劇，近年來越來越多的學(xué)者和工程師把注意力轉(zhuǎn)移到電動自行車上［10］。關(guān)于電動自行車的發(fā)展現(xiàn)狀可從國內(nèi)外電動自行車相關(guān)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行分析。圖 1-1 電動自行車主要組成部分 Fig.1-1 The main component of electric bicycle 1.2.1 國外電動自行車的發(fā)展現(xiàn)狀電動自行車作為電動車的一種其最早的歷史，可以追溯到約。亨利（J.henry）發(fā)明第一臺直流電機(jī)不久的 1831 年。1834 年蘇格蘭人德文波特（T.DvaePnort）研制了第一臺具有真正意義的電動車，采用一次性簡單玻璃封裝的蓄電池。由于當(dāng)時電機(jī)及驅(qū)動、電池及車身設(shè)計(jì)等相關(guān)技術(shù)發(fā)展并不成熟，在以后幾十年里電動車的發(fā)展一直處于谷底；1860 年法國科學(xué)家研制出了原始的鉛酸蓄電池，隨后性能良好的驅(qū)動電機(jī)研制成功；1892 年美國在芝加哥展出了本國第一輛電動車；1905 年愛迪生成功研制了鎳—鐵堿性蓄電池，為連續(xù)充電、增加續(xù)航里程提供了可能。此后，電動車包括電動汽車、電動自行車得到了短暫的發(fā)展，但由于電動車自身存在缺陷，隨著現(xiàn)代燃油車輛技術(shù)的進(jìn)步，到 1930 年左右電動車基本為燃油車輛所取代，逐漸退出了市場［11， 12］。