电动代步车用轮毂电机设计与分析

中文摘要摘 要随着世界各国人口老龄化的问题，近几年来，为老年人及残疾人的生活通行提供方便的电动代步车产品，受到了极大的关注。开发结构简单、操作方便、安全可靠、性价比高的电动代步车具有重要的现实意义和市场前景。轮毂电机是电动代步车的关键驱动部件，其研究开发、改进分析和性能仿真具有现实意义和应用价值。本文针对现代电动代步车的特点，设计了适合电动代步车用的轮毂电机，并且在较深入的结构分析基础上对该轮毂电机进行了计算分析和性能仿真，主要研究的内容如下： 根据电动代步车用轮毂电机的特点，对电动代步车的整体结构进行了设计，总结了永磁无刷直流电动机的电磁方案设计原则，并且在对结构的深入分析基础上，设计出新型的电动代步车用轮毂电机。包括轮毂电机的的轮毂电机初步的主要尺寸、极数、槽数、绕组形式和主要系数等。 在确定轮毂电机的初步参数之后，利用Ansoft maxwell电磁场有限元设计软件，基于电磁场原理，计算轮毂电机的瞬态性能。结果表明轮毂电机满足电动代步车运行的要求。通过对轮毂电机的转子极弧系数和极弧偏心距这两个参数进行调整，对齿槽转矩进行抑制。 用Ansoft的Rmxpt软件包建立了轮毂电机模型，并对轮毂电机的整体性能进行精确分析。仿真结果包括：效率与转速曲线、输出转矩与转速曲线等。结果表明，该轮毂电机完全适用电动代步车。采用这样的方法不但可以满足精确性要求，同时可以缩短设计周期。上述的仿真结果为产品开发打下了一定的基础，同时对类似的轮毂电机产品开发具有一定的参考价值。关键词：电动代步车，轮毂电机，电磁场，有限元I英文摘要ABSTRACTIn 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: 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.After 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. 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 录目 录中文摘要I英文摘要III1 绪论11.1 论文的研究背景11.2 轮毂电机的发展状况21.2.1 轮毂电机国外发展状况21.2.2 轮毂电机国内发展状况31.3 论文研究的目的及意义31.3.1论文研究的目的31.3.2 本文研究的意义31.4 论文研究的主要内容42 电动代步车轮毂电机的总体方案设计52.1 电动代步车功能需求与分析52.1.1 电动代步车功能需求与分析52.1.2 新型电动代步车整车设计方案52.2 轮毂电机类型的确定72.2.1 直流电动机82.2.2 交流电动机82.2.3 轮毂电机类型的选取102.3 轮毂电机的驱动方式102.4 轮毂永磁材料的选取112.5 工作方式的确定162.6 小结163 电动代步车轮毂电机的电磁设计173.1 永磁电动机主要尺寸的确定173.1.1 结构主要尺寸与功率、转速、电磁负荷的关系173.1.2 电磁负荷的确定213.2 永磁体尺寸的确定213.2.1 永磁体充磁方向长度213.2.2 永磁材料的充磁223.2.3 永磁体轴向长度243.3 极数的选择243.4 电枢冲片及绕组的设计253.4.1 电枢槽数253.4.2 绕组的设计263.5 轮毂电机的主要系数303.5.1 气隙系数303.5.2 气隙长度313.5.3 电枢计算长度323.5.4 空载漏磁系数和波形系数323.6 小结334 轮毂电机的磁场分析与计算354.1 二维电磁场理论和有限元基础354.1.1 麦克斯韦方程354.1.2 位函数及其微分方程364.1.3 电磁场中的边界条件364.2 二维有限元的计算方法374.3 场路耦合原理424.4 轮毂电机的瞬态场计算424.4.1 商用软件ANSOFT简介424.4.2 Maxwell软件包简介434.4.3 二维瞬态场模型的建立434.4.4 二维瞬态分析结果474.5 轮毂电机齿槽转矩的抑制524.5.1 齿槽转矩的产生机理524.5.2 齿槽转矩的消弱方法534.5.3 转子极弧系数的影响534.5.4 极弧偏心距的影响554.6 小结575 轮毂电机仿真计算与分析595.1 Rmxpt软件包简介595.2 轮毂电机模型的建立595.3 轮毂电机的仿真结果605.4 小结636 总结与展望656.1 总结656.2 展望65致 谢67参考文献69附 录：A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录7331 绪论1 绪论1.1 论文的研究背景电动代步车是在电动汽车发展主流背景下因应老年化需求出现的一种新型微型电动车。而随着老年人的增多，针对老年人开发的电动代步车成为电动车市场发展的一个重要分支。该车结构轻便、操作简单、占用空间小、噪声低、污染小，适应了高龄人口和环保趋势的要求，充分受到了老年人和残疾人的青睐，已经成为传统轮椅产业中的新兴产业。国家统计局周四公布的第六次全国人口普查数据显示，内地人口已经增加至13.4亿人。数据还显示，男女比例更加平均，受教育程度显着提高，但老年人口比例大增，社会老龄化进程加快。包括港澳台在内的总人口数为13.7亿。其中内地的登记人口数，为13.4亿，较2000年的第五次普查增长5.84%。这十年来人口年均增长0.57%，处于低生育水平阶段。从年龄构成看，0-14岁人口占比急减6.29个百分点至只有16.60%，但60岁以上人口占比大增2.93个百分点至13.26%，65岁以上人口比率升至8.87%，表明老龄化问题在恶化。2007年我国有65岁及以上老年人的家庭中，一个老人与亲属同住（包括与未成年的亲属）户占54.2%，单身老人独自居住和只有一对老夫妇的家庭户各占13.2%和15.6%，一对老夫妇与亲属（包括与未成年的亲属）同住的比例是16.7%。城镇单身老人户和老年夫妇户略高于乡村。在2010年美国人口统计局发布的一份报告称，到2040年时全球人口将达93亿,其中65岁以上人口所占比例将提高一倍,由7%提高到14%。全球人口老龄化将在2010年后不久加速。到2015年时，65岁以上人口所占比例将超过5岁以下人口所占比例,这在人类历史上尚属首次。从统计的数字可以看出，随着老龄化的加剧，无论是在国外还是国内，电动代步车都有着非常广泛的前景。目前比较常见的电动代步车类型主要有：电动三轮车、电动四轮车、电动轮椅车等2 ，如图1.1所示1 ：图1.1 几种类型的电动代步车Fig.1.1 Several types of electric scooter1.2 轮毂电机的发展状况1.2.1 轮毂电机国外发展状况轮毂电机是电动车的主要驱动部件随着电动车的发展，轮毂电机技术也取得了飞速的进步早在20世纪50年代初，美国人罗伯特发明了轮毂驱动装置，该装置将电机、传动系统和制动系统融为一体，该装置于1968年被通用电气公司应用在大型的矿用自卸车上2。目前国际上对轮毂电机的研究主要以日本为主，其技术在世界上处于领先地位。日本庆应义塾大学清水浩教授领导的电动汽车研究小组，在过去的l0年当中，已经研制成功IZA、ECO、KAZ等不同样式的电动车，这些电动车均采用轮毂电机驱动技术。其中后轮驱动的电动车ECO采用的是永磁无刷直流轮毂电机，其额定功率达68kW，峰值功率可达20kW。在2003年的东京汽车展上，日本各大汽车公司纷纷推出自己的轮毂驱动产品，如：普利司通公司的动力阻尼型车轮内装式电机系统、丰田公司的燃料电池概念车FINEN等等3。2001年，美国的通用汽车公司也成功试制了轮毂电机驱动概念车Autonomy，该车采用4轮毂驱动技术，其轮毂系统控制与布置灵活。同时通用汽车高级技术研发中心已经成功地将自行研制的轮毂电机应用到雪弗兰S-l0皮卡车中。安装在后轮轮毂内的两台电机虽然仅在每个车轮增加15kg的重量，却可以产生约25kW的功率。美国恩达锂电动自行车公司设计的电动自行车，它以蓄电池、锂电池等电能作为辅助能源，具有两个车轮，能实现人力骑行、电动或电助动功能的特种自行车近年来在世界范围内，各类电动车辆，包括电动车、电动自行车、电动摩托车、巡游观光车、场地搬运车、高尔夫球车、电动代步车、电动轮椅车等需求旺盛，发展迅猛。特别是电动车和电动自行车的快速发展和广泛应用，更是将轮毂电机技术提升到了一个崭新的高度。1.2.2 轮毂电机国内发展状况我国轮毂电机技术起步比较晚，但是近几年来随着电动自行车和摩托车的发展，各大高校和各个公司也纷纷加入到轮毂电机研发的行列。目前我国电动自行车和摩托车所使用轮毂主要是永磁电机，永磁电机按照是否采用电刷换向可分为有刷电机和无刷电机两种有刷电机由于采用碳刷换向，容易产生电火花且碳刷容易磨损、寿命较低，而无刷电机用电子器件代替换向碳刷，电机的寿命长，但是对控制器要求较高。按照电机转速可以分为高速和低速电机，高速有刷配以齿轮减速的电机性能好，寿命长，但造价较高；低速有刷结构简单、价格较低，但其性能较差，寿命短。由于高速无刷电机的优异性能，在电动自行车和摩托车得到了广泛的应用同济大学汽车学院在2002年和2003年采用了4个直流无刷轮毂电机作为独立的驱动系统研制出了“春晖一号”和“春晖二号”。中科院北京三环通用电气公司研制开发出了电动轿车直流无刷轮毂电机，其单个轮毂电机的功率是7.5kW。哈工大爱英斯电动汽车研究所开发的EV96I型电动汽车上采用了多态轮毂电机的驱动系统。这种轮毂电机采用双边混合式磁路结构，兼有同步电机和异步电机的双重特性3。在高校进行研发的同时，各大公司也不落下，其中以比亚迪汽车公司投入及取得的成就最大，目前纯电动汽车E6,双模汽车F3DM，F3DM已经上市，其市场售价在8万左右。重庆大学本课题组在重庆大学和日本DASHIN的支持下，也展开了对轮毂电机的研发1.3 论文研究的目的及意义1.3.1论文研究的目的 目前，随着人口老龄化的加剧，电动代步车的市场和前景肯定非常广阔。由于目前电动代步车是在中国还未形成产业，所以并没有一款专门针对电动代步车用的轮毂电机。所以我们针对现有轮毂电机存在的问题和不足，设计出一款针对电动代步车用的新型轮毂电机，并对轮毂电机进行性能仿真和分析该轮毂电机同时兼有电动和电磁制动的功能，并且作为电动机在运行时具有较好的调速性能。本文要研究的轮毂电机开发具有自主知识产权、结构紧凑、效率高而且成本较低，适用于新型的电动代步车1.3.2 本文研究的意义 电动代步车是在环境污染、能源危机、及人口老龄化加剧下的历史产物，尤其是在这人性化的社会，人们越来越关注老年人和残疾人，推广新一代“绿色”交通工具的电动代步车是一项造福社会和人类的工程。而应用于电动代步车的轮毂电机，其应用前景越来越广阔，它的研究开发也越来越有价值，对轮毂电机效率的提高、成本的控制及其自身的各种性能尤为显的重要。本课题研究的电动代步车轮毂电机是电磁技术、机械和电子相结合的产物。它不但满足电动代步车转向系统的快速响应的控制要求，同时具有操作简单、方便，成本低、可靠性高等优点，是一种新型、高效、可靠的驱动电机。此驱动电机不仅可以应用于目前我们开发的电动代步车中，还可以应用于其他电动自行车、残障用车等领域，具有显著的社会效益和经济效益。1.4 论文研究的主要内容电动代步车用轮毂电机采用永磁无刷直流轮毂电机，它有许多优点，如：结构紧凑、高效率、高功率密度、能有效再生能量回馈。为了更好的使永磁无刷直流轮毂电机在电动代步车中应用，即要求在可接受的价格范围内实现电动代步车的优良性能，满足电动代步车对轮毂电机的需求4。本文研究的主要内容包括：第一章，阐述了本文的研究背景、目的和研究意义，详细介绍了电动代步车及轮毂电机的发展现状。第二章，介绍了目前车辆驱动用的电动机类型，并选择了适合电动代步车所用的轮毂电机，选择了合适的驱动方式，并对轮毂电机的材料做了选择。第三章，对电动代步车用轮毂电机进行了设计，包括结构主要尺寸，永磁体尺寸、极数的确定、电枢冲片及绕组的设计和介绍了轮毂电机的几个重要系数。第四章，介绍了二维电磁场理论和有限元基础，并且通过理论解析二维有限元计算方法和场路耦合原理，并对轮毂电机的瞬态场进行了计算分析。第五章，用ANSOFT软件中Rmxpt模块建立了完整的的轮毂电机模型，并对轮毂电机的整体性能进行仿真计算。2 电动代步车轮毂电机的总体方案设计2 电动代步车轮毂电机的总体方案设计2.1 电动代步车功能需求与分析2.1.1 电动代步车功能需求与分析电动代步车是专门为老年人和残疾人设计的，要求它具有结构简单，操作方便，并且具有良好的可靠性。它的整体结构一般由轮毂电机、蓄电池、控制器、充电器和车体等五大部分组成。轮毂电机是电动代步车的主要驱动部件，主要完成启动、加速及差速转向等功能，它将蓄电池的化学能转化为机械能，使车轮转动，并且能够实现制动功能。蓄电池是电动代步车的动力源。控制器对电动代步车的调速、制动、软启动起控制作用，并控制蓄电池的输出电流、电压，以达到控制电动机的转速，即车速的目的，设计有欠压、过流等保护功能。充电器用来给蓄电池进行充电，将交流电转换成直流电并控制电流和电压的大小充入蓄电池储存起来。车体是整车的机械骨架，承载人的体重。2.1.2 新型电动代步车整车设计方案 本课题组进行电动代步车的整体结构设计，设计的流程如图2.1，设计的内容包括机械系统和电子控制系统两个方面，本文参考从美国和日本购买的两辆电动代步车，分析现有产品设计的不足，针对中国的老、残疾人士，设计出具有完全自主知识产权的电动代步车用轮毂电机，并最终完成电动代步车整车的设计，其整车结构模型如图2.2所示。图2.1 代步车设计流程图Fig.2.1Flow chart design of electric scooter图2.2 电动代步车模型Fig.2.2 Model of electric scooter由图2.2我们可以看到：前面两个轮为驱动轮，也就是需要轮毂电机来驱动从电动代步车整体结构决定了该轮毂电机的外形，显然我们需要的轮毂电机制造简单，结构紧凑，拆装方便为此，该轮毂电机的固定方式为单悬臂梁固定方式同时现在大多数的轮毂电机的电动车上都装了单独的制动系统，这样不仅增加了电动车的复杂性，而且还增加了成本。我们还需要在轮毂电机中安放了电磁制动装置，该制动系统在电机里面就可以实现制动，无需增加额外的制动系统，该机电一体化的轮毂电机，充分的利用了轮毂电机里面的空间，不仅保持轮毂电机的效率，而且并没有因为有电磁制动的存在而影响到电机的外形结构，使其同样结构紧凑，拆装方便，更为难得的是，它利用了无刷直流电机中的磁转子进行制动，使车外部无需安装新的制动系统，从而大大减轻了整车的重量。基于此，本文要完成电动代步车用轮毂电机的设计开发及其性能仿真。新型电动代步车的主要尺寸及参数如下面表格2.1所示：表2.1 电动代步车主要尺寸及参数Table 2.1 Primary dimensions and parameters of electric scooter性能指标性能指标值性能指标性能指标值总长mm室内900轴距室内600室外1200室外900总宽,mm700最高车速,km/h6总高,mm1000档位档整车整备质量,kg50档电机减速比9.5档电机额定功率,w220倒档电机额定电压,V36轮距,mm5502.2 轮毂电机类型的确定轮毂电机动力系统通常由电动机、减速机构、制动器与散热系统等组成。轮毂电机动力系统根据电机的转子型式主要分成两种结构型式：内转子型和外转子型。要使电动代步车具有良好的使用性能，轮毂电机应具有较宽的调速范围、足够大的启动转矩，还要有能量反馈的性能，最好自身具有制动系统。作为电动代步车用轮毂电机,还有如下几点要求： 高效率：续驶里程（蓄电池一次充足电后所能行驶的里程）是电动代步车和燃油车相比最突出的性能指标。提高续驶里程的主要办法是提高蓄电池容量和轮毂电机的效率，电动机的效率高，在同样的条件下，耗能就小，一次充电后行驶里程将会提高，而行驶成本随之降低。 体积小：轮毂电机的体积大小将直接影响到其自身重量、整车的重量和造型。高性能磁性材料的出现将为轮毂电机的体积缩小创造了非常有利的条件。 寿命长：同燃油车相比，永磁直流无刷电动机的运行寿命比较长。低成本：由于电动代步车在中国目前尚未形成大规模生产，相对成本要高一些，但一旦形成大规模生产后，其成本自然要降下来。目前在电动代步车上已应用的和有应用前景的电动机有永磁无刷电动机和开关磁阻电动机6。 轮毂电机直流电动机绕组励磁式电动机交流电动机异步电动机永磁式电动机永磁直流电动机并励电动机串励电动机复励电动机他励电动机同步电动机开关磁阻电动机图2.3现代电动代步车用电动机分类Fig.2.3 Classification of modern electric scooter motor2.2.1 直流电动机直流电动机它将直流电能转化为机械能,是电动车辆应用最早且最广泛的电动机。直流电动机按励磁方式分为永磁、他励和自励3类，其中自励又分为并励、串励和复励3种。它的调速性能好，可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速,而且调速范围较宽。它的启动转矩大，可以均匀而经济地实现转速调节7。永磁直流电动机用稀土等永磁材料来替代传统电机的电磁场装置制成的电动机。根据输入电动机接线端的电流种类把永磁电动机分为永磁交流电动机和永磁直流电动机。永磁交流电动机因不需要安装电刷、换向器，因此又叫永磁无刷电动机。根据输入电动机接线端的电流波形，输入正弦波的电动机，成为永磁同步电动机。采用连续转子位置反馈信号来控制换向，输入方波的电动机成为永磁无刷直流电动机。由于永磁无刷直流电动机的正弦波产生的转矩基本上是恒定转矩或是平稳转矩，所以电动机工作平稳，很少有发生抖动的现象6。表2.2为现代电动代步车用电动机性能比较。2.2.2 交流电动机交流电机分为异步电动机和同步电动机两类。异步电动机按照定子相数不同分为单相异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。同步电动机的转子转速与定子旋转磁场的转速相同。其转子转速n与磁极对数p、电源频率f之间满足n=f/p。转速n决定于电源频率f，故电源频率一定时，转速不变，且与负载无关。具有运行稳定性高和过载能力大等特点。是一种转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流电动机。这种电动机具有运行稳定性高和过载能力大等特点。它的缺点是起动性能较差，结构比异步电动机复杂，需要直流电源励磁，价格比较贵，维护又较为复杂，所以一般在小容量设备中不采用同步电动机。异步电动机(asynchronous motor) 又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。异步电动机按照转子结构分为两种形式：有鼠笼式、绕线式异步电动机。作电动机运行的异步电机。因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应电动机。转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其他电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。其局限性是，它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转速差，因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合（如传动轧机、卷扬机、大型机床等），不如直流电动机经济、方便。此外，异步电动机运行时，从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。 表2.2 现代电动代步车用电动机性能比较Table 2.2 Performance Comparison of Modern electric Scooter Motor性能永磁直流电动机开关磁阻电动机功率密度好一般力矩转速性能好好可操作性好好结构坚固性一般好体积、质量小、轻小、轻单位轴功率成本比（以直流电动机为1）11.50.61控制器成本（以直流电动机为1）2.54.5开关磁阻电动机是根据磁阻差产生反转磁矩的原理而制成的一种电动机。这种电动机定子除绕组独立接线之外，其他与交流异步电动机的定子结构一样，而转子只是用硅钢片叠成，具有不同数量凸极而已，没有滑环绕组和永久磁铁。开关磁阻电动机转子结构简单、机械强度高。此外，因其转子结构简单所以制造起来也很容易，作为牵引电动机，在其大批量生产时的工序也很少，原材料成本也很低廉。从而可以实现成本的大幅度降低。开关磁阻电动机有调速范围广、调速性能优异、数学模型明确、能够很容易的从矢量图中推导出控制规律等。另一方面，由于转子定子双方都存在有凸极性，一般情况下振动和转矩脉动都会比较大，噪声也很大。在这里，要求提高加工精度、装配精度等，实现批量生产技术的高度化。系统非线性，控制成本高，功率密度低等。2.2.3 轮毂电机类型的选取对电动代步车用的轮毂电机，人们所期望的优点： 小型轻量化； 高速低转矩时运行效率高； 低速时有高转矩，以及有宽泛的速度控制范围； 有良好的可靠性； 制造成本低； 控制装置简单化。根据前面对电动机情况的描述，永磁直流无刷电机具有功率密度高，噪音小，调速性能好，既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电机的线性机械特性、调速范围宽、启动转矩大、运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点。其优越性非常明显，是应用于“轻、小、薄、安静、精密、可靠”等场合的最佳选择。电动代步车有轻、小、安静、可靠等方面的要求，故在本次设计中采用永磁直流无刷电机作为电动代步车的轮毂电机。2.3 轮毂电机的驱动方式由于使用环境的影响，轮毂电机的驱动方式不外乎两种方式：一为直接驱动；二为减速驱动。在直接驱动的方式下，电机多采用外转子(即直接将转子安装在轮辋上)。为了使整车能够顺利起步，要求电机在低速时能提供大的转矩。为了能够获得较好的动力性，电机需要具有较宽的调速范围。直接驱动方式的优点是：它不需要减速机构，这样整个驱动轮结构变得更加简单、紧凑，轴向尺寸、径向尺寸减小，效率进一步提高，速度响应也变快。其缺点是：起步或爬坡等承载大扭矩时需要大的电流，这样会损坏电池和永磁体；电机的效率峰值区域很窄，负载电流超过一定值后效率会急剧下降。在减速驱动的方式下，由于有减速机构轮毂电机一般在高速下运行，对电机的性能没有严格的要求，选用的也只是普通的内转子电机。减速机构设置在电机转子与车轮之间，起减速和增加转矩的作用。减速驱动方式的优点是：电机在高转速下运行，具有较高的比功率和效率；采用减速驱动的电机体积小、质量轻，通过齿轮增力后，扭矩大、爬坡性能好，在低速运行时能获得较大的平稳转矩。不足之处是：由于使用了减速机构，整个电机不易散热，噪声较大，而且结构复杂，传导件较多，这使得传动率下降。仔细比较上面两种驱动方式，直接驱动对电机本身性能的要求较高，其缺点是致命性的，不容易解决。而减速驱动的优点是对电机的性能没有严格的要求，其缺点也可以通过一系列的措施来克服或者弥补。例如对电机散热方面的要求，我们可以设置在转子端部设计成涡轮的形状，这样有利于改善通风散热；对于减速机构使效率降低是很小的一部分，当我们努力提高电机本身的效率，而牺牲很小的效率换取整个轮毂电机更好的机械特性，这是值得的。由于采用减速驱动方式的电机具有较高的比功率和效率，其体积小、质量轻，通过齿轮增力后，扭矩大、爬坡性能好；能保证在低速运行时获得较大的平稳转矩。这些优点也正是电动代步车所需要的，故而轮毂电机采用行星齿轮减速直接驱动的方式。2.4 轮毂永磁材料的选取永磁材料是经外部磁场饱和充磁后，无需外部能量而能持续提供磁场的一种特殊材料，它是一种重要的磁性功能材料，也称为硬磁材料。我国是世界上最早利用磁的国家，早在公元前2500年前后就已经有关于天然磁石的知识。永磁材料属于硬磁材料，其磁滞回线“肥胖”，包围的面积大。磁化后，当外磁场撤去时仍然保持相当高的磁性能，因而可用于永磁电机中产生磁场。永磁材料的性能由其主要参数：剩磁密度、矫顽力和最大磁积能来表征。 永磁材料的磁滞回线和磁能积曲线在铁性材料中，磁感应强度B与外加磁场强度H之间的函数关系非常复杂，B的变化落后于H的变化，这种现象称为磁滞，用磁滞回线描述。将铁磁材料置于交流磁场中进行周期性磁化,当H从零开始增加到Hm时，B相应增加到Bm,然后逐渐减小H，B将沿曲线ab下降.H下降到零后，反方向增加H到-Hm，B沿bcd变化到-Bm,再逐渐减小H的绝对值,B沿着曲线de变化。当H为零后,再增加H到Hm，则B沿efa增加到Bm，如此反复磁化，就得到图2.4中的B-H闭合曲线，称为磁滞回线。在外加磁场最初交变的不同周期内，所得到的磁滞回线虽然接近，但并不相同，经过多次反复磁化后，磁滞回线趋于稳定。磁性回线的面积与最近磁场强度Hm有关，Hm越大，面积越大。当Hm达到或超过材料的饱和磁场强度时，磁滞回线面积最大，磁能积最高，磁性能最稳定。面积最大的磁滞回线称为饱和磁滞回线。根据磁滞回线形状的不同，可将磁性材料分为软磁材料和永磁材料。磁滞回线窄的为软磁材料，磁滞回线宽的为永磁材料。如图2.4所示.图2.4 磁性材料的磁滞回线Fig.2.4 Loops of magnetic materials对永磁材料，磁滞回线的第二个象限部分可用于描述其特性，称为退磁曲线，由于B为正而H为负，表达不便，故将H坐标轴的方向取反，如图2.5中曲线所示。 图2.5 永磁材料的退磁曲线Fig.2.5 Curve about eliminate magnetic of permanent magnetic materials根据铁磁学理论，在上述坐标系下，永磁材中的磁场满足： (2.1)式中=4H/m为真空的磁导率；M为单位体积内磁矩的矢量和，称为磁化强度，单位为A/m。可以看出，在永磁材料中，B有两个分量，即与真空中一样的和磁化后产生的分量，称为内禀磁感应强度，用表示。由式2.1可知，内禀磁感应强度与磁感应强度之间满足关系：。描述内禀磁感应强度与磁场强度关系的曲线称为内禀退磁曲线，如图2.5 所示。 永磁材料的回复线退磁曲线所表示的磁通密度与磁场强度之间的关系，只有在磁场强度单方向变化时才存在。实际上，永磁电机运行时受到作用的退磁磁场强度是反复变化的。当对已充磁的永磁体施加退磁磁场强度时，磁通密度沿图2.6中的退磁曲线下降.如果在下降到点时小区外加退磁磁场强度，则磁密并不沿退磁曲线回复,而是沿另一曲线上升。若再施加退磁磁场强度,则磁密沿新的曲线下降。如此多次反复后形成一个局部的小回线,称为局部磁滞回线。由于该回线上的上升曲线与下降曲线很接近，可以近似的用一条直线来代替，称为回复线，点为回复线的起始点。如果以后施加的退磁磁场强度不超过第一次的值，则磁密沿回复线作可逆变化。如果大于，则磁密下降到新的起始点，沿新的回复线变化,不能沿原来的回复线变化。这种磁密的不可逆变化将造成电机性能的不稳定，也增加了永磁电机电磁设计计算的复杂性，因而应该力求避免发生。图2.6永磁材料的回复线aFig.2.6 Responsing curve a of permanent magnetic materials图2.7永磁材料的回复线bFig.2.7 Responsing curve b of permanent magnetic materials回复线的平均斜率与真空磁导率()的比值称为相对回复磁导率，简称为回复磁导率。 (2.2)当退磁曲线为曲线时，的值与起始点的位置有关，是个变数。但是通常情况下变化很小，可以近似认为是一个常数，且近似等于退磁曲线上处切线的斜率值。换句话说，各点的回复曲线可以近似认为是一组平行线，他们都与退磁曲线上处的切线相平行。有的永磁材料，如部分铁氧体永磁的退磁曲线的上半部分为直线，图2.7所示,当退磁磁场强度超过一定值后，退磁曲线就急剧下降，开始拐弯的点称为拐点。当退磁磁场强度不超过拐点k时，回复线与退磁曲线的直线段相重合。当退磁磁场强度超过拐点后，新的回复线就不再与退磁曲线重合了。有的永磁材料，如大部分稀土永磁的退磁曲线全部为直线，回复线与退磁曲线相重合，可以使永磁电机的磁性能在运行过程中保持稳定，这是在电机中使用中最理想的退磁曲线。 主要永磁材料及其特点 永磁材料主要包括马氏体永磁、铁镍钴永磁、可加工永磁、铁氧体永磁、稀土钴永磁、钕硼铁永磁和粘结永磁，它们在磁性能、经济性和力学性能等方面差异很大，各有其特点。在这些永磁材料中，电机中常用的有铝镍钴、铁氧体、钐钴和钕铁硼永磁材料。下面为材料的综合对比表。表2.3 永磁材料性能比较Table 2.3 Performance Comparison of permanent magnetic materials性能铝镍钴铁氧体钐钴钕铁硼剩磁/T1.30.421.051.16矫顽力/(kA/m)60200780850退磁曲线形状弯曲上部直线、弯曲直线直线（高温下弯曲）剩磁温度系数/(%/K)-0.02-0.18-0.03-0.12抗腐蚀性能强强强易氧化充磁安装后充磁充磁后安装充磁后安装充磁后安装最高工作温度/550200300150加工性能少量磨削、电火花加工特殊刀具切片和少量磨加工少量电火花加工加工性能更好价格中等低很高高应用场合仪器仪表类要求温度稳定性高的场合性能和体积要求不高，价格要求低的场合高性能、高温、高温度稳定性，价格不是主要考虑因素的场合高性能、体积要求高、温度不高的场合永磁体的选择8应满足以下条件： 永磁体应能在指定的工作空间产生所需要的磁场。 永磁体所建立的磁场应具有一定的稳定性，磁性能随工作温度和环境变化应在允许的范围内。 具有良好的耐腐蚀性能。 具有较好的力学性能，如韧性好、抗压强度高、可加工等。 价格合理，经济性好。具体到有磁电机中，各类永磁体的使用范围如下： 铁氧体永磁适合于对电机体积、重量和性能要求不高，而对电机的经济性要求高的场合。近年来，随着钕铁硼永磁价格的降低和导磁、导电材料价格的提高，对于同一台电机，采用钕铁硼可以减小电机体积、降低铜铁材料的用量，有时候在经济性上是划算的。在许多场合，铁氧体永磁有逐渐被钕铁硼永磁代替的趋势。 铝镍钴永磁适合于对电机体积、重量和性能要求不高，但工作温度超过300摄氏度或要求温度稳定性好且电机的成本不高的场合，铝镍钴永磁在电机中的应用已经很少。 钕铁硼永磁适合于对电机体积、重量和性能要求很高，工作环境温度不高，对永磁体温度稳定性要求不高的场合。 稀土钴永磁适合于对电机体积、重量和性能要求高，工作环境温度高，要求温度稳定性好，制造成本不是主要考虑因素的场合。 粘结永磁材料适合于批量大、磁极形状复杂、电机性能要求不高的场合。2.5 工作方式的确定永磁无刷直流电动机是集电动机本体、控制器和转子位置传感器与一体的机电一体化器件，电动机的工作特性是各组成部分共同作用的结果。要满足一定的技术要求，需从系统的角度出发确定永磁无刷直流电动机的具体工作方式，主要包括电动机相数、绕组的连接方式、逆变器拓扑结构、绕组通电方式、转子位置检测方式等。目前三相永磁无刷直流电动机应用最为广泛。逆变器采用半桥结构的三相三状态工作方式时，多用于小功率高速电机；逆变器采用桥式结构的三相六状态工作方式时，可应用于多种驱动系统中。由于绕组电动势非正弦，其中含有大量高次谐波，所以三相绕组多采用星形连接。当对电动机体积要求不高、环境不恶劣时，一般采用位置传感器检测转子位置，使电动机具有较好的起动特性和抗过载、抗冲击能力，动态性能较好。恒转速运行的永磁无刷直流电动机可采用无位置传感器控制方式，由于无需转子位置传感器，减小了电机的体积，降低了成本。此外，在我们设计的新型电动代步车轮毂电机，采用了电磁制动，此种制动方式不仅便于操作，而且还可以实现制动能量回馈。具体回馈方式，本文不做概述。2.6 小结电机的设计不但要满足用户的使用要求，还必须满足基本技术要求，并且符合国家标准。电机的国家标准是国家有关部门在总结以往电机设计、制造和使用经验的基础上，从当前实际情况出发，并考虑今后发展需要而对各种型号电机提出一定要求的文件。它是电机生产的依据，也是评定电机质量优劣的准则。确定了电动代步车整体结构，并且根据电动代步车特点对轮毂电机的类型，轮毂电机永磁材料、绝缘材料，驱动方式，及工作类型进行了确定。333 电动代步车轮毂电机的电磁设计3 电动代步车轮毂电机的电磁设计3.1 永磁电动机主要尺寸的确定3.1.1 结构主要尺寸与功率、转速、电磁负荷的关系永磁直流电动机的主要结构尺寸是指电枢直径和电枢计算长度，它们和电动机的电磁负荷有关。电机的电磁负荷是指电机的电负荷A和磁负荷B。它们与电机主要尺寸的确定直接相关，对电机的运行特性、效率、温升等也有很大的影响。要确定电机的主要尺寸，那就先要确定电机的电磁负荷8。直流无刷轮毂电机的电负荷（或称线负荷）A是指沿定子的内径圆周方向每单位长度上导体中的总电流，其数学表达式为： (3.1)式中：为定子相电流（A）；为每相导体数；为电动机的相数；为定子的内径（cm）。由式（3.1）可以推出： (3.2)电机的磁负荷B是指气隙磁通密度的最大值，即 (3.3)式中：为每极主磁通；为定子铁心长度；为计算极弧系数；为极距。从式（3.1）和式（3.3）可以看出电、磁负荷与主要尺寸有关。当电机工作在额定状态时，绕组中会存在感应电动势和感应电流。直流无刷电动机定子绕组一相的感应电动势的方程式为： (3.4)式中：为定子铁心长度（cm）；为转子磁钢表面旋转线速度；为极弧系数；为定子绕组相数；为每一相总导体数。直流无刷电动机气隙磁感应强度在空间的分布波形是一个底宽为、高为的等效矩形波，等效原则为两个波形的每极磁通量相等，如图3.1所示，虚线波形即为等效矩波形。电动机的磁负荷是指气隙磁感应强度的最大值16。图3.1 气隙磁感应强度在空间分布波形Fig 3.1 Air-gap magnetic flux density waveform in the spatial distribution此直流无刷电动机作为轮毂电机，是小型电机，忽略转子轴向两端磁通的边缘效应，取导体的有效长度等于定子铁心长度12。当直流无刷电动机工作在额定状态时，定子绕组中同时存在感应电动势(V)和电流（A）。和的乘积就是该电动机的机电能量相互转换的电磁功率。直流 无刷电动机的总功率同运行方式有关，一台三相直流无刷电动机如采用三相半控电路，则每相仅工作1/3周期，电动机一相功率就相当于整个电动机的电磁功率。随着主电路接法及绕组利用率的提高，同一台电动机的输出功率也会有所提高。电动机运行在三相半控状态，即单相电磁功率就相当于整机的电磁功率。 (3.5)由于直流无刷电动机的气隙很小，可以认为转子磁钢表面旋转速度为 (3.6)式中： n为电动机的转速（r/min）；为定子内径（cm）。将式（3.5）中的和分别用式（3.3）、式（3.4）和式（3.6）来表示，就可以用电磁功率为桥梁，推导出直流无刷电动机在给定的功率和转速下主要尺寸与电磁负荷间的关系。联立解式（3.2）、式（3.4）和式（3.6），即可得 (3.7)式(3.7)是决定电机主要尺寸的依据，正比于定子铁心的圆柱体积，由于电机的结构尺寸之间具有一定比例关系，所以也基本上正比于整个电动机的体积。我们可以看出： 在电磁负荷A和B一定时，随电机的电磁功率的增加而增加，随电机的额定转速的增加而减少。输出为同一功率的电机，电机体积与电机额定转矩的大小成正比，也就是说当电机转速越低（即额定转矩越大），电机的体积也越大；反之，转速越高（即额定转矩越小），则电机的体积会越小。 对于同一功率和同一转速的电机，电机的电磁负荷A、B取得越高，则电机的主要尺寸越小，材料越省。而要选用较高的A、B，则需要改善电机的通风散热条件和使用优质的导磁材料与绝缘材料，但是这样就会使其制造成本增加。对于所设计的电机，一般给定的是额定功率，而不是电磁功率。由于电磁功率是机电能量相互转换的功率，而额定功率是指输出功率，电磁功率总比额定功率略大一些。对于直流无刷电动机而言，当决定电机的主要尺寸时，有 (3.8)式中：为直流电动机的端电压；为考虑电机内部压降等因素影响的小于1的系数。电机的输出功率 为 (3.9)式中：为额定功率；为电机的计算效率。将式(3.7)、式(3.8)和式（3.9）联立，就可解得电机输出功率同它的重要尺寸之间的关系。 (3.10)直流电机的转子外径一般随着单位转速的输出功率值增加而增大。当电机的相同时，其大致一样。决定时，可根据给定的值和生产条件，参考已制成的类似电机的值而选定。与输出功率的关系曲线如下图所示：图3.2 定子内径与单位转速输出功率的关系Fig 3.2 The relationship between stator inner diameter and output power unit speed同时，定子内径是一系列规范化的值，它主要根据我国生产的硅钢片规格和工厂的生产经验具体确定也考虑到为了制造和节省原材料对于硅钢片的合理剪裁，以及与冲模装备的使用等因素，表3.1给出了直流电机的标准定子内径尺寸系列。表3.1 标准定子内径Table 3.1 Standard inner diameter of stator78.310.210.61213.816.219.521.024.529.432.736.842.349.356.065.085.099.0120150180215285315350380在进行轮毂电机设计时，先根据图3.2查得定子内径最小值至最大值的范围。如果在这个范围内只有一个对应的标准直径，则就将它调整到标准值。如果在查得的转子内径范围内有几个对应的标准直径，那么就要通过分析或试算来确定其中最适合的一个。在设计轮毂电机的时候，由于其行驶状况决定了电机需要经常变速和制动，为了减少转子的转动惯量，提高电机的机电动态性能，所以一般选取较小的定子直径。【】3.1.2 电磁负荷的确定电负荷A与磁负荷B的选择与电机的主要尺寸直接相关。同时，A、B的数值与电机的运行性能和使用寿命也密切相关。因此必须全面考虑各方面的因素，才能正确选择合适的电负荷与磁负荷。一般来说，选用较高的磁负荷B可以节约有效材料，缩小电机体积。但是过高也会产生以下的一些不利影响： 将增加定子铁心的饱和程度，特别是定子齿中的饱和程度更为强烈。于是空气隙及定子磁路所需要的磁感应强度也会增高，势必要求更高性能的磁体材料和导磁材料，其价格会随之上升。 将使定子的铁损增加（因为单位体积的铁损近似地与铁内磁感应强度的平方成正比），导致电机的效率降低，同时也使电机的温升变高。同样，选用较高的电负荷也可以节约有效材料、缩小电机体积。但是电负荷过高会产生以下一些不利影响： 过高的电负荷A使定子绕组的去磁作用的影响比较显著，导致电机工作特性变差。 在电机定子绕组电流密度不变的条件下，选用较高的电负荷将增加定子槽内的导线，从而增加定子绕组的用铜量，增加铜损和提高温升。电磁负荷的选择直接影响到电机的体积、重量、损耗和效率，关系到电机的经济性和性能。在永磁直流电动机中，磁负荷基本上由永磁材料的性能和磁路尺寸决定，当永磁材料、磁极尺寸和外磁尺寸确定后，就基本上被确定，变化范围很小。初选时可根据永磁材料和磁极结构选取，对于铝镍钴永磁体，一般取为；对于铁氧体和稀土永磁材料，一般