电动代步车用轮毂电机设计与分析

1 绪论 1 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 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 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 n of of a of in of an is of of an In on of of of as to of of of C of A of is of dc of to of on of by of of by s of of is of a at it a to 绪论 3 目 录 中文摘要 . 1 英文摘要 . 2 1 绪论 . 6 文的研究背景 . 6 毂电机的发展状况 . 7 毂电机国外发展状况 . 7 毂电机国内发展状况 . 8 文研究的目的及意义 . 8 文研究的目的 . 8 文研究的意义 . 8 文研究的主要内容 . 9 2 电动代步车轮毂电机的总体方案设计 . 10 动代步车功能需求与分析 . 10 动代步车功能需求与分析 . 10 型电动代步车整车设计方案 . 10 毂电机类型的确定 . 12 流电动机 . 13 流电动机 . 13 毂电机类型的选取 . 15 毂电机的驱动方式 . 15 毂永磁材料的选取 . 16 作方式的确定 . 21 结 . 21 3 电动代步车轮毂电机的电磁设计 . 17 磁电动机主要尺寸的确定 . 17 构主要尺寸与功率、转速、电磁负荷的关系 . 17 磁负荷的确定 . 21 磁体尺寸的确定 . 21 磁体充磁方向长度 . 21 磁材料的充磁 . 22 磁体轴向长度 . 24 数的选择 . 24 枢冲片及绕组的设计 . 25 枢槽数 . 25 组的设计 . 26 毂电机的主要系数 . 30 隙系数 . 30 隙长度 . 31 枢计算长度 . 32 载漏磁系数和波形系数 . 32 结 . 33 4 轮毂电 机的磁场分析与计算 . 35 维电磁场理论和有限元基础 . 35 克斯韦方程 . 35 函数及其微分方程 . 36 磁场中的边界条件 . 36 维有限元的计算方法 . 37 路耦合原理 . 42 毂电机的瞬态场计算 . 42 用软件 介 . 42 件包简介 . 43 维瞬态场模型的建立 . 43 维瞬态分析结果 . 47 毂电机齿槽转矩的抑制 . 52 槽转矩的产生机理 . 52 槽转矩的消弱方法 . 53 子极弧系数的影响 . 53 弧偏心距的影响 . 55 结 . 57 5 轮毂电机仿真计算与分析 . 59 件包简介 . 59 毂电机模型的建立 . 59 毂电机的仿真结果 . 60 结 . 63 6 总结与展望 . 65 绪论 5 结 . 65 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 . 73 绪论 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，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 。其中内地的登记人口数，为 ，较 2000 年的第五次普查增长 这十年来人口年均增长 处于低生育水平阶段。从年龄构成看， 0人口占比急减 但 60 岁以上人口占比大增 百分点至 65岁以上人口比率升至 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 单身老人独自居住和只有一对老夫妇的家庭户各占 一对老夫妇与亲属（包括与未成年的亲属）同住的比例是 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 示 1 ： 绪论 7 图 种类型的电动代步车 of 毂电机的发展状况 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 当中，已经研制成功 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 用的是永磁无刷直流轮毂电机，其额定功率达 6 8值功率可达 20 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 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 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 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 15重量，却可以产生约 25 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， 电机技术提升到了一个崭新的高度。 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 工大 爱英斯电动汽车研究所开发的 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 模汽车 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 支持下，也展开了对轮毂电机的研发 文研究的目的及意义 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 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。绪论 9 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。 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 件中 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。 0 2 电动代步车轮毂电机 的 总体方案设计 动代步车 功能需求与分析 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。 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 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 示。 图 步车设计流程 图 of 电动代步车轮毂电机的总体方案设计 11 图 动代步车模型 of 图 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 示： 2 表 动代步车 主要尺寸及参数 of 能指标 性能指标值 性能指标 性能指标值 总长 内 900 轴距 室内 600 室外 1200 室外 900 总宽 ,00 最高车速 ,km/h 6 总高 ,000 档位 档 整车整备质量 ,0 档 电机减速比 档 电机额定功率 ,w 220 倒档 电机额定电压 ,V 36 轮距 ,50 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。 电动代步车轮毂电机的总体方案设计 13 图 代电动代步车用电动机分类 of 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 现代电动代步车用电动机性能比较 。 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 4 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 (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 代电动代步车用电动机性能比较 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