新型电动自行车的设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 01339828或 11970985 I 摘要 20世纪汽车产业高速发展，资源无节制消耗，污染物的过量排放，还有受油价上涨和环保意识等因素的影响，电动自行车已成为大部分人的选择。但是，电动自行车的动力性能 由 驱动系统决定且续驶里程（即能量供给）受限于蓄电池的存储电量，为提高动力性能和 续航 里程，须对电动自行车驱动电机的特性及能量回收控制策略进行分析研究。 本文研究了电动自行车在制动过程中的能量回馈，设计了永磁无刷直流电动机在电动自行车制动过程中的能量再生反馈控制系统。从理论上分析了永磁无刷直流电动机利用位置传感器检测转子位置的方法 ,并对换相过程做较详 细的介绍。 本文首先系统的对电动自行车的运行状态进行了分析，分别对电动自行车的运行阻力、惯性力、再生制动力以及所需要的牵引力进行了计算。根据所需要的牵引力，在本设计中也对无刷直流电动机和电池进行了选型计算。再 其 次，本文对电动自行车的能量反馈控制方案进行了研究，内容包括轮毂电机的调速、电动车再生制动的控制。本文着重研究并设计了永磁无刷直流轮毂电机的 能量的回收 。 关键词 ：电动自行车；动力性能； 再生制 动；电机控制； 永磁无刷直流轮毂电机 买文档就送您 01339828或 11970985 of 0 of by of is to of In to of we of of in In in in of of C in in of In of of C of a of in of on to of to of to on a to of in to to on to a B WM B C is C C 买文档就送您 01339828或 11970985 I 目 录 摘要 . I . 绪论 . 1 题来源，目的，意义与该课题的市场前景 . 1 关电动自行车的概念 . 1 么是电动自行车 . 1 动自行车的种类 . 1 机 . 2 池 . 2 制器 . 3 动自行车整车参数的设计 . 3 计任务 . 3 究意义 . 4 2 电动自行车动力性能分析 . 5 动车运行方程 . 5 动自行车的行驶力学 . 6 辆模型 . 6 动车阻力计算 . 7 气阻力 . 8 动车惯性力的计算 . 8 动车的牵引力 计算 . 9 动自行车的动力性能 . 10 行车基本参数介绍 . 11 动系统 . 11 动自行车刹车分类 . 11 动力的分析与求解 . 11 动制动器的设计 . 12 电池的种类和结构 . 14 力传动系统设计 . 15 动方式对两轮电动车性能的影响 . 15 动自行车驱动系统的构成 . 16 刷直流电动机驱动系统 . 16 3 电动自行车的运行控制 . 18 买文档就送您 01339828或 11970985 动机的选择 . 18 流电动机的特点 . 18 动机容量选择的原则 . 19 动机的发热与冷却 . 19 择步骤： . 20 刷直流电动轮毂的选型计算 . 20 动自行车的续行距离 . 21 刷电动机的调速控制系统 . 22 流电动机的机械特性 . 22 宽调制（ . 23 感器 . 23 动车控制系统设计 . 24 制系统的组成 . 24 制系统设计方案 . 24 4 电动自行车的能量回收 . 28 动模式与能量的分析 . 28 量回馈的控制策略 . 29 动自行车能量的消耗评价方法 . 29 量流分配关系及能量测量 . 30 耗影响因素分析 . 30 动效能及制动能量回收的约束条件 . 30 行车的制动效能 . 30 动能量回收控制算法 . 31 动能量回收的约束条件 . 31 磁无刷直流电机相关性能及其能量回馈制动原理 . 32 磁无刷直流电机及其基本工作原理 . 32 流电动机的制动方式 . 33 磁无刷直流电机能量回馈 制动原理 . 35 结论 . 39 致谢 . 40 参考文献 . 41 买文档就送您 01339828或 11970985 1 1 绪论 题来源，目的，意义与该课题的市场前景 当今时代，电动自行车已经成为人们日常生活不可缺少的代步工具，改变了人们的生活方式提高了人们的生活质量。自上世纪以来，汽车工业的发展就开始面临两大难以回避的挑战：能源短缺与环境保护。根据目前世界石油总储量和年产量计算，石油资源最多再能支持三四十年的工业消费，再加上政治、局部战争等不稳定因素对能源安全的影响，汽车的燃料供应存在着潜在的隐患。此外汽车废气造成的大气污染日益严重。针对上述问题，现在电动汽车、电动自行车已经进入中国市场。 该课题的目的是通过对 电动自行车制动能量的回收过程进行分析和研究，为提高制动能量回收能力提出解决方案。 该课题的意义： 首先本设计的课题使我们对电动自行车有了进一步的了解，对制动能量再生有了新的认识，所谓制动能量再生，是指电动自行车减速制动时将其中一部分机械能转化为其他形式的能量这里是电能，并且将其充进电池。制动能量再生方法原理是先将电动自行车制动或减速时的一部分机械能转化为电能存储在电池中，同时产生一定的负荷阻力 使 电动自行车速度降低；当电动车再次起动或加速时再生系统又将存储的能量再次转化为电动自行车行驶时所需要的动能。这样就可以 提高 一次充电的续行距离， 避免 了不必要的能量损失。 关电动自行车的概念 么是电动自行车 电动自行车是以电池作为辅助能源，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。它虽然具有普通自行车的外表特征，但更主要的是，它是在普通自行车的基础上，安装电动机、控制器、电池、转把、闸把等操纵部件和显示仪表系统的、机电一体化的个人交通工具。 动自行车的种类 电动自行车以其驱动力性质、整车结构及电动机驱动方式的不同，可以分成以下三种类型： 按驱动力性质分：有电动型和助力型两 种。 按整车结构分：有两轮、三轮、电动轮椅三种。 按电动机形式及驱动方式分：有直驱车轮的轮毂式直流电动机、中轴链式驱动的柱式直流电动机、电动箱式驱动的柱式和盘式直流电动机 。 买文档就送您 01339828或 11970985 2 机 由于电动自行车要求的功率较小，所带有的能源有限，故希望电机的驱动系统的体积小、功率高，而其中以直流电机最为合适。目前，电动自行车所使用的电机大多数为有刷直流电动机，但是随着技术的进步与电子元件成本的不断下降，无刷直流电机将成为今后电动自行车的发展主流 。 1、 有刷直流电机 电动自行车上使用的有刷直流电机主要有两种：一是印 制绕组电机，二是绕线盘式电机。前者的应用较后者多一点。有刷直流电机的优点是控制系统简单，成本较低，过载能力强，但需要换向器（整流子），影响电机的效率。 有刷直流电机又可以分为有齿和无齿两种。有刷有齿电机是一种高速电机，所谓 “ 有齿 ” 就是通过齿轮减速机构，将电机转速降低（国家标准规定电动自行车的转速不超过20 ）。由于高速电机通过齿轮减速，其特点是骑车者的感觉动力较强，而且爬坡的能力较强。但是电动轮毂是封闭的，只是在出厂前加注了润滑脂，用户很难进行日常保养。而且齿轮本 身就有机械磨损，一年左右因为润滑不足导致齿轮磨损加剧，噪音增大，影响电机和电池的寿命。另一种是有刷无齿电机，这是一种外转子式电动机，没有齿轮减速机构，直接采用低速输出，消除了齿轮噪音，其电机输出转矩较有刷有齿电机要小，故动力性能和爬坡性能相对要弱一些。但运行安全，电刷磨损小、噪音小这是他的优点 。 2、 无刷直流电机 无刷直流电机由于没有电刷，不需要齿轮减速，从根本上消除了电刷磨损和齿轮磨损，不存在定期更换电刷，而且噪音很小。因此，他无干扰、寿命长、效 率高、运行可靠、维护简单，且转速由于不受机械换向的限制，可在 宽广的范围内平滑调速，与有刷直流电机相比成本低，但是控制系统复杂成本高。 无刷直流电机就起结构而言，是由电动机本体转子位置传感器以及电子电路换向组成。电动自行车上采用的是无刷电动轮毂电动机一般制成多相，如采用三相，它的电枢放在定子上，永磁磁极位于转子上。反映电动机定转子位置传感器输出信号，通过定子换向电路去驱动与电枢绕组联接的相应的功率器件，使电枢绕组依次馈电，从而在定子上产生一个跳跃式旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转子位置的旋转，位置传感器通过电子换向线路不断的送出信号，以改变电枢绕组的通电状态，保证在 一定的范围内定子磁场与转子磁场成正交关系，保持转矩连续不断的产生，输出机械功率，从而实现了无接触式电磁换向。 我国电动自行车用无刷直流电机的研制和生产厂家有上海微电机研究所、浙江卧龙集团等。今后二合一轮毂式无刷直流电机和无位置传感器无刷直流电机是电动自行车车用电机的发展方向。 池 买文档就送您 01339828或 11970985 3 电池是电动车的动力源，电池质量直接影响电动自行车的行驶里程和寿命。目前电池选用的是铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等。 镍镉电池属碱性电池，我国产量较大，主要生产厂家有深圳比迪亚有限公司和上海电池厂等。镍镉电池可以快速充 电，其过充、过放电性能均好，循环寿命较长，达 2000 次。但它的价格是铅酸电池的 ，而且旧电池得不到很好的回收，会因重金属镉造成严重的污染。常用的是 24V 5重量 一次充电续行里程 按标准的 80%放电，寿命约 500 次。 制器 控制器是电动自行车的驱动系统，它是电动自行车的大脑。其主要的作用是提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护电机及蓄电池以及降低电动自行车在受到破坏时的损伤程度。 电动自行车 常用的无刷直流电机的控制器的目的是有两种类型：一是采用专用集成电路制作的控制器；另一种是采用单片机为控制器件的控制器。前者针对无刷电机的控制要求，将控制逻辑集成在芯片内，一般该类控制器称为模拟控制器；后者采用单片机，用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可以适应不同规格的无刷电动机，增加功能方便，如果电机缺相保护，堵转保护，添加力矩传感器，可以根据不同的电机进行结构的优化以达到良好的匹配等，通常将此类控制器称为数字式控制器。但无论是数字式还是模拟式控制器，其工作原理大致相同；用 电子控制代替电刷控制线圈电流换向，根据电机内的位置传感器信号，决定换向的顺序和时间，从而决定电机的转向和转速。 动自行车整车参数的设计 在设计前先将文章中计算需要的数据假定如下： 整车质量（2m） 50重力加速度（ g ） 10 2/动阻力系数（ u ） 人重（1m） 70车轮直径（ D ） 400后轴转子直径 （ d ） 10计任务 对电动自行车的运 行状态进行了分析，分别对电动自行车的运行阻力、惯性力、再生制动力以及所需要的牵引力进行计算。 利用现代电子技术及电动机发电反馈制动理论，设计一套能够在电气制动的同时，发买文档就送您 01339828或 11970985 4 电给电瓶充电的发电反馈制动系统。 利用该系统能够实现将自行车及人体的动能通过电动机的发电运行状态转化为电能，并经过相应的处理和控制电路，达到给电瓶充电和自行车减速的双重目的。 完成发电反馈制动系统机械连动机构、发电反馈制动电控系统、发电反馈回路的设计、电动机选型。 究意义 首先本设计的课题使我们对电动自行车有了进一步的了解，对制动能 量再生有了新的认识，所谓制动能量再生，是指电动自行车减速制动时将其中一部分机械能转化为其他形式的能量这里是电能，并且将其充进电池。制动能量再生方法原理是先将电动自行车制动或减速时的一部分机械能转化为电能存储在电池中，同时产生一定的负荷阻力 使 电动自行车速度降低；当电动车再次起动或加速时再生系统又将存储的能量再次转化为电动自行车行驶时所需要的动能。这样就可以 提高 一次充电的续行距离， 避免 了不必要的能量损失。 买文档就送您 01339828或 11970985 5 2 电动自行车动力性能分析 动力传动系统由蓄电池、控制器、电动机、驱动轮等组成。电动自行车的动力性评价指 标有最高车速、加速时间和最大爬坡度。然而，电动机的最大功率与额定功率下观察甚多，而最大功率工况不能长时间运行，因此必须用电动机的额定工况计算电动自行车的最大爬坡度和最高车速。电动自行车的加速过程和起步时间较短，理论上可以用电动机的外特性进行设计计算。下面从自行车直线行驶动理学模型来进行分析。 动车运行方程 电动自行车在路面上运行，有各种不同方向和不同大小的作用力作用在电动自行车上 ， 电动自行车牵引学主要研究对 自行车 运行有直接影响的力，也就是与电动自行车方向相平行的外力及外力的分力 ， 这些力可以分为三种 ： 电动自行车的牵引力 F 它是由电力机车的 牵引电动机所产生的，并通过动轮与路面的相互作用力而引起的外力。 它 与电动自行车的运动方向相同，其大小 由 开车的人决定。 电动自行车运行阻力 W 它是由电动自行车运行时由多种原因引起的阻止电动车运行的外力，其大小是不可以控制的。 电动自行车的制动力 B 它是 由机车 和车辆上的制动装置所产生的，并通过轮与钢轨的相互作用而引起的外力，用来使电动自行车减速或停 车。它与电动自行车的运行方向相反。 这 三种力以不同的方式形成作用于电动自行车上形成的合力 C ： 牵引运行时：合力 ； 惯 性运行时：合力 ； 制动时：合力 )( 。 电动车运行方程是把电动车当作一个平移的钢体，表示电动车在不同运行状态时，作用在电动车上诸力的关系式。在工程上用它计算电动车运行时所需要的制动力、惯性力。 电动车在运行时状态有三种： 牵引状态，电动车在电动机的牵引力作用下，起动，加速或等速运行； 惯性运行，电动车在运行中牵引电动机断电后靠惯性运行； 制动运行，电动车在运行中切断牵引电动机的电源，并且施加机械或电气的制动力，减速运行。 电动车在牵引等速状态下，沿运行方向作用在电动车上的力有牵引力 F 、静阻力0据静法原理，可列出如下方程 0 0 W 式 (这就是牵引等速运行状态下的基本方程。 买文档就送您 01339828或 11970985 6 动自行车的行驶力学 辆模型 驱动系统的动力输出特性与车子的动力性能直接相关 。驱动系统的动力输出 更 该 满足车子的动力性 能 要求。在设计电动自行车驱动系统时，为了使电动自行车达到要求的动力性能指标，首先必须建立电动自行车的力学模型，对电动自行车行驶过程中力与功率的平衡进行分析，以得到电动自行车的需求特性。电动自行车的 动力传动系统主要是由能量存储系统和动力驱动系统组成。能量存储系统包括蓄电池和能量管理系统，动力驱动系统包括驱动电动机和驱动控制系统。 电动自行车在行驶过程中，由动力蓄电池输出 电能给电动机，电动机输出功率，用于克服电动自行车本身机械装置中的 内部阻力以及行驶条件决定的外部阻力消耗的功率，外部阻力即电动自行车的行驶阻力。从分析电动汽车行驶时的受力状况出发，建立直线行驶方程式，是分析电动自行车直线行驶性能的基础 。 图 2 车轮行驶时的受力分析 电动自行 车 运行时的阻力系数 为： f 式 (式中： 车轮与地面之间的滚动摩擦系数， D 车轮直径， d 轴承的直径， u 轴承的摩擦系数，取 所以阻力系数： 买文档就送您 01339828或 11970985 7 需要说明的是车轮与地面之间的滚动摩擦系数 其数值也在不断改变。参考 文献 27给出正常行驶的不同路段的滚动摩擦系数 表 2 表 2同路面的滚动摩擦系数 路面特征 全新坚硬的柏油、混泥土、小方石块路面 压轧的坑洼波动的碎石路，混泥土路面 坏的柏油路面 好路面 般的土路 沙路面 电动车阻力计算 电动自行车的静阻力主要 是 基本阻力和坡道阻力，空气阻力因车速不高，计算时可以不予考虑。 基本阻力是电动车经常受的阻力。基本阻力用阻力系数求得 ， 电动车的基本阻力用下式计算 ： ( 211 式（ 式中 1m 人的质量，1m=70 2m 电动自行车空载时的质量，2m=50 所以基本阻力为： 0 0 050(1 坡道阻力是电动自行车载坡道上运行时，电动车的重力沿坡道倾斜方向的 分 力。设 为坡道的倾斜角 ， 这 时 坡道的阻力2 s 212 式（ 式中的 “ ” 符号表示：上坡运行时取 “ +” ， 下坡运行时取 “ -” 所以电动自行车的静阻力为： 0 1 2 1 2( ) ( s i n )F F F m m g 式 （ 若电动自行车在水平地面上行驶时电动车的静阻力为： 0 2 0 0 0)7050(0 买文档就送您 01339828或 11970985 8 气阻力 车子向前进，必须借助一定的力量。骑车人每踏蹬的力量叫前进力，也叫向前推力。前进力与用力、传动比、曲柄 (即中轴到脚蹬的连杆 )长以 Y 代表前进力， Q 代表踏蹬力量，I 代表曲柄长度， D 代表传动比，它们之间的关系用公式表示则为 ： 式（ 前进力与踏蹬力量，曲柄长度成正比，与传动系数则成反比。 人们骑着自行车前进时，即使在无风天也会感到有风从耳边飞过，速度越快人感觉到的风力越大，阻碍前进的效果越 明显。因为人们不是在真空中骑车，而是四周始终被空气包围着。从物理学观点来讲：人骑车行进时，人和车给前方空气以挤压力，而空气给人和车以反作用力，即空气阻力。经过测量，风速在 40 公里每小时的情况下，垂直于风向每平方米面积受到的压力为 11 公斤。不论风速 40 公里每小时或是每小时 40 公里的速度骑行时，它们垂直于风向的每平方米面积上所受到的空气压力都是 11 公斤。 人们骑车前进时，必须突破空气阻力，这就需要力量。不同风级所产生的风速和垂直风向每平方米所受到的压力均不相同，只有克服这些因素，车子才能向前行驶。 动车惯性力的计算 电动车的惯性力除了平移之外，还有车轮、电机转子 等螺旋部件的旋 转部件的旋转惯性矩。为了简化计算，将这些旋转惯性矩折算成平移移动的惯性力。这样电动自行车惯性力即为： 1 2 1 2 1 2( ) ( ) ( 1 ) ( )aW m m a m m a m m a 式 （ 电动自行车的惯性力， N ； 旋转 惯性系数，参照矿用机车的数据，电动自行车取 a 电动自行车的加速度，启动时的加速度取 。 将 值代入式（ ： 121 . 0 7 5 ( )aW m m a式 （ 将式 (式 ( 入 式（ 整理后得到电动自行车牵引运行时需要机车给出的牵引力为： 12( ) ( s i n 0 . 1 0 7 5 )F m m g a 式 （ 将数据带入得 ： 0)7050( 电动车在惯性运行的状态下牵引电动机断电，牵引力消失。电动自行车依靠已具有的买文档就送您 01339828或 11970985 9 能量克服阻力继续运行，如果轨道坡度不大，电动自行车是减速运行的，在这种情况下，沿运行方向作用在电动自行车的力只有静阻力 F 和惯性力 令式 (的 F 等于零，可得到惯性运行状态下的基本方程为： 0 式 （ 将式（ 式（ 入式（ 可以得到惯性运行时列车的加速度的表达式： 1 ( s i n )1 . 0 7 5a g w 式 （ 由上式可以看出，电动自行车上坡或沿水平运行时，及下坡 时， 0a ，电动自行车减速运行；只有在下坡运行 时，电动自行车是加速运行的。 动车 的 牵引力计算 现在分析牵引电动机给出的转矩怎样转化成 自行 车的牵引力，牵引力与 哪 些因素有关。 电动自行车的后轮，是牵引电动机的主动轮。设电动自行车的质量为 2m ，作用在该轮对上的力见图 2M 为牵引电动机传递到该轮 上的转矩； F 为运行阻力，0转矩 M 用 一个作用 在轮轨接触点和轮心的等效力偶代替，则力偶的大小 11F 为： 11 2式 （ 当轮胎接触点处的，摩擦，车轮在轮心处 F 的作用下，车轮以 前滚动前进。轮心处 F 11力，即为一个轮上的牵引力，11 平衡。 图 2动自行车 牵引力分析 若，车轮在 C 点受力不平衡，车轮将克服路面 的摩擦阻力空转而不前进。 实际上，由于车轮的圆度误差 不均与磨损以及轨面状况等因素的影响，车轮在 C 点处不可能保持理想的无滑动滚动、免不了 有 滑移。为考虑这一因素影响，将摩擦系数值取低买文档就送您 01339828或 11970985 10 一点。理论上把这个系数称为粘着系数；车轮与路面之间的摩擦力相应得称为粘着力；这种牵引方式称为粘着牵引。 表 2同路面状况的粘着系数 路面特征 粘着系数 全新坚硬的柏油、混泥土（干） 油路面（湿） 泥土 路面（湿） 土路面（干） 土路面（湿） 沙路面 面 响粘着系数的因素很多，其中主要有： 1、车轮与路面的状态 带有花纹的轮面或干燥的路面，粘着系数较大，路面潮湿，有冰、血、霜或油垢的路面粘着系数较小。 2、运行速度的高低 随着运行速度增加 ,加剧了车轮与路面的纵向和横向的滑动及机车振动，粘着系数减小。 3、电动自行车特性的差异，车轮直径的大小不同，各车轮间的负载分布不均、电动机的分布等都对粘着系数有影响。参考文献 27得到表 2 动自行车的动力性能 电动自行车因为以蓄电池存储的电能为能量来源，所以衡量电动自行车性能的一项重要指标是最大续驶里程，而且，电动自行车采用的是电机驱动系统，其输出特性和一般自行车也不相同。 电动自行车的电机驱动系统将蓄电池输出的电能转化为车轮的旋转动能，从而驱动电动自行车运行。它决定了电动自行车的动力性能，它的能量转化效率也直接影响到电动自行车的最大行驶里程。由此可见，研究电动自行车驱动系统对提高电动自行车性能具有重要意义。 另外，电动自行车因为采用 电机驱动系统，可以利用电动机的逆向工作性能，制动时的能量进行回馈，增强其制动性能。 电动自行车的动力性能值 是 自行车在良好路面上直线行驶时由自行车受到的纵向外力决定的，所能达到的平