回收汽车制动能量的发电装置 毕业论文.doc

毕业设计回收汽车制动能量的发电装置摘要 通过对国内外制动能量回收利用装置的研究，结合未来电动汽车驱动方式的发展方向，本文研究利用轮毂式发电机回收制动能量的实用技术。根据电机的可逆原理当原动机驱动电枢绕组在主磁极n、s之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网），对外供电，此时电机作直流发电机运行 首先，选择永磁无刷直流电机。与其他电机相比,永磁无刷电机具有功率密度高、效率高、体积小、结构简单、输出转矩大、可控性好、可靠性高、噪声低等一系列优点,在电动车领域颇受青睐。本文将进行永磁无刷直流电机的结构设计及优化。 然后，进行结构设计并根据结构参数绘制cad图纸，并应用ug软件进行三维建模。对发电机的端盖、定子、转子进行结构设计并查阅资料，确定各主要参数。最后，将cad图纸面域导入ansys,利用ansys对电机二维电磁仿真模型进行电机内部永磁磁场进行仿真计算。通过对仿真结果的分析，检验该转子电机磁路的合理性，并对电机进行优化设计以提高电机性能的改进措施；通过对某相电枢磁场磁路的研究分析，表明采用该转子结构的电机利用电枢磁场进行弱磁的效果可以得到较好改善。关键词：电动汽车，轮毂电机，回收制动能量，仿真计算abstract thought the research of the braking energy recovery device at home and abroad, combined with the future direction of the development of electric vehicle driving technology, this paper will develop a wheel type generator to recover brake energy. firstly, the permanent brushless dc motor was chose . compared with other motor, the permanent magnet brushless dc motor has high power density, high efficiency, small volume, simple structure, large output torque, good controllability, high reliability, low noise and a series of advantages, so in the field of electric vehicles it is used widely. in this paper, the permanent magnet brushless dc motor structure will be design and optimized. then, design the structural of generator and according to the structure parameters to draw cad drawings, and use ug software to create three-dimensional modeling. design the structure of stator, rotor end cap and determine the main parameters. finally, import the cad drawing plane domain into ansys and use ansys to simulation the model of motor interior permanent magnet magnetic field. through the analysis of the simulation results, test if the rotor motor magnetic circuit is reasonable, and conduct the optimization design in order to improve motor performance.keywords: electric vehicle, wheel-hub motor, recovery of braking energy， fractional slot, tms320lf2407a, simulation calculation目录摘要abstract第一章 绪论11.1 课题来源及研究意义11.2 轮毂电机的研究现状11.2.1 国内研究现状概述11.2.2 国外研究现状概述21.3 本文的主要研究内容5第二章 电动汽车用轮毂电机62.1 常用电动汽车轮毂电机类型62.1.1直流电机62.1.2 感应电机72.1.3 开关磁阻电机72.1.4 永磁无刷直流电机72.2 电动汽车用轮毂电机系统永磁材料82.3 本文所设计电机的主要特点92.4 本文电机设计的原则102.5 本章小结10第三章 轮毂电机结构设计及主要参数的设计计算113.1 电机的总体结构113.1.1电机相数的确定113.1.2电机绕组的设计113.1.3 极槽配合的设计123.1.4 电机转子结构确定133.1.5 定转子相对位置确定143.2 轮毂电机各参数设计计算143.2.1 轮毂电机额定参数设计143.2.2 轮毂电机永磁体尺寸设计143.2.3 轮毂电机转子尺寸计算163.2.4 轮毂电机每槽匝数的计算173.2.5 轮毂电机定子尺寸计算183.2.6 轮毂电机定子电枢绕组计算203.3 轮毂电机的结构设计213.4 本章小结22第四章 轮毂电机二维静态磁场仿真分析234.1 电磁场有限元法计算的步骤234.1.1 建立电机二维模型并导入ansys软件234.1.2 设置图形用户界面（gui）并处理导入的模型234.1.3材料属性的定义254.1.4磁极的磁化方向的定义254.1.5 赋予材料属性并划分网格264.1.6 设置边界条件274.1.7 求解274.1.8 后处理284.2 电枢槽的优化304.3 本章小结31第五章 轮毂电机回收制动能量的工作原理325.1 储能装置的设计325.2 制动能量回收装置的控制策略325.3 电机的可逆性325.4 本章小结32参考文献33致谢35第一章 绪论1.1 课题来源及研究意义近年来，我国汽车工业迅速崛起产，销量均列世界之首。据2011年中国汽车工业协会的统计数据，我国汽车产销量分别为1841.89万辆和1850.51万辆。汽车带来的环境和能源问题日益严峻，发展节能减排技术迫在眉睫。目前，世界各国都开始加强对汽车制动能量回收利用技术的研究。 用于汽车的制动能量回收利用装置的作用是制动时将汽车的动能转化为电能存储在电容器中，在需要时储存的电能可用做驱动或者是给用电设备供电。制动能量回收利用装置广泛应用在电动汽车和混合动力汽车上，进一步提高了电动车的性能。一般情况下，普通的内燃机车很少装有制动能量回收利用装置，制动时的动能转化为热能排放到大气中，白白浪费掉。本文将设计一种回收制动能量的轮毂式发电机。轮毂驱动技术是未来电动车、混合动力汽车，驱动方式的发展方向。本文采用的直流无刷永磁电机，具有可逆性，既可作为电动机，也可作为也可以作为电动机。当汽车制动时可作为发电机回收制动能量。究制动能量回收利用的优点如下：1.改善汽车的燃油经济性，减少燃油消耗；2.排放性能得到改善，有利于环境保护；因此，制动能量回收利用装置的研具有重大意义。1.2 轮毂电机的研究现状1.2.1 国内研究现状概述 目前，国内轮毂电机技术还不成熟，还在不断探索的道路上。由于国家对电动汽车技术的大力扶持，国内各知名高校对轮毂电机技术的研究也不断加强，并取得了一定的成果。哈尔滨工业大学爱英斯电动汽车研究所自主研发出了采用多态轮毂电机驱动的ev962i型电动汽车；同济大学汽车学院自主研发出了，使用多个低速永磁直流无刷轮毂电机直接驱动的春晖号电动汽车；中科院北京三环通用电气公司研发出了功率为7.5 kw的供电动汽车使用的轮毂电机。此外，国产汽车品牌奇瑞，正在探索将该技术用于量产电动车上。在2011上海车展上，奇瑞公司推出了采用轮毂电机驱动的增程式电动汽车瑞麒x1。下图为在上海车展上展出的瑞麒x1-ev。图1-1 瑞麒x1-ev1.2.2 国外研究现状概述 国外对轮毂电机的研究起步比较早，技术也比较先进。汽车工业比较发达的国家，比如美国、日本，逐步将该技术在量产车上推广。下面将具体介绍各汽车工业发达国家轮毂电机的发展现状。（1）美国轮毂电机发展现状。 美国通用汽车高级技术研发中心在雪弗兰s-10皮卡上使用了自行研制的轮毂电机并取得良好的效果。该皮卡装上轮毂电机后，车轮的质量只增加15kg，但能够产生的功率高达25kw，进一步改善了汽车的加速性能。采用轮毂电机技术的福特f-150将此前的所有传动部件通通舍弃不用，让车辆的传动部件更为简单，质量减轻，图1-2为汽车实物图。 图1-2福特 f-150（2）日本轮毂电机的研究现状 日本的轮毂电机技术更是处于世界领先的水平，像本田、丰田这样汽车巨头在不断推出自己的轮毂电机产品，图1-3为丰田研制的轮毂电机实物。日本的各大高校也有很多对轮毂电机技术进行了深入地研究。日本庆应义塾大学清水浩教授对轮毂电机驱动的电动车研究有很深的造诣，自主研发出了采用轮毂电机驱动技术的型号为iza、eco、kaz的电动汽车。 图1-3 丰田轮毂电机实物（3）法国轮毂电机研究现状法国tm4公司设计的采用外转子式永磁无刷直流电机的一体化轮毂电机。该电机具有很好的性能，电机的额定功率可达到18. 5 kw,电机的额定转速950 r/min,额定工况下拥有高达96%的平均效率;峰值功率为惊人的80 kw,峰值扭矩可高达670 nm,最高转速可以达到1 385 r/min，结构图如1-1所示。此电机实现了电机转子、轮辋以及制动器的高度集成，质量轻，能降低汽车非弹簧质量，提高汽车的操控性能。但是，该电机结构比较复杂，零部件的加工精度要求较高，散热较差，维修难度大，电机轴向长度要求严格。 图1-4 一体化轮毂电机（4）英国轮毂电机研究现状下图为英国pml flightlink公司研制的轮毂电机，目前已在实际车型中应用，比如volvo rechange c30混合动力汽车和ford-50纯电动汽车。其实物图如1-2所示，该虽然电机结构比较复杂，但是具有较高的安全性。该电机由若干可独立运转的子电机系统组成，电机运转时的转矩和功率由各个子系统共同提供。即使有一个子系统不能正常运转，整个电机正常运转也不会受到太大的影响。但是，每一子系统都要配备一个逆变器和功率器件控制系统，控制复杂，成本较高。由于空间有限，要求电子元件的体积小，因此，焊接困难。另外，该电机集成程度高，温升较高，不便于维护。 图1-5 pml flightlink研制的轮毂电机（5）俄罗斯轮毂电机研究现状 俄罗斯研制的高转矩密度轮毂电机，图1-3为其转子结构示意图。由于采用内外双转子组合使用的结构，该电机的空间利用率较高，有利于减小轮毂电机的尺寸。该电机的永磁体黏贴在转子上，增加了永磁体的体积，提高了电机性能，同时也增了成本。 图1-6电机转子结构示意图1.3 本文的主要研究内容 本文所研究的制动能量回收利用装置的主体部分，选用永磁直流无刷电机。因为永磁无刷电机具有功率密度高、效率高、体积小、结构简单、输出转矩大、可控性好、可靠性高、噪声低等一系列优点,在电动车领域颇受青睐。本文的主要内容是对永磁直流无刷电机进行结构设计并进行磁路优化：（1）查阅资料，对电机进行结构设计并计算电机的各种参数。（2）绘制定子、转子、端盖的cad图，然后利用ug软件对这些零部件进行建模。（3）将定子转子的二维组合图导入ansys进行磁场分析，并根据分析结果对磁路进行优化，以提高电机的性能。33第二章 电动汽车用轮毂电机2.1 常用电动汽车轮毂电机类型 由于能源和环保问题日益严峻，各国政府都开始更加重视节能环保电动汽车的研发。制动能量回收利用是电动汽车重要的节能技术之一，而电机的性能对能量回收的效率有很大的影响。用于回收制动能量的轮毂电机除了要具有一般电机的电器特性之外，还要有特殊要求的电器性能。比如由于电动汽车一般是露天运行，地点不固定，对可靠性要求较高；还要抑制电机的转矩脉动以保证汽车的平顺性。因此，回收制动能量的轮毂电机要满足以下几点要求：1.电能转化效率高，减小电池电源空间限制。2具有良好的密封性能和较高的可靠性。3.制动能量回收效率高，延长行驶里程效果明显。4.转矩脉动小，满足汽车平顺性要求。5.结构紧凑，克服轮毂空间限制。 目前，电动汽车上经常使用的轮毂电机主要有直流电机、感应电机、永磁无刷直流电机以及开关磁阻电机等。下面将对各种电机的性能和优缺点做具体介绍，从而选择出最适合轮毂电机使用的电机类型。2.1.1直流电机 直流电机在早期电动汽车上有广泛地应用。因为对直流电机的研究比较早，技术也比较成熟。直流电机具有良好的控制特性、调速性能和成本低等优点。但是电机定转子都采用铜线绕组励磁，电能消耗多，效率低。另外，电机上的电刷、换向器等运动接触零件使在高速旋转时电刷与换向器之间容易产生火花，在一定情况下还可能产生“环火”，限制了电机转速的提高。并且，转子总成损耗严重，使得散热困难，温升较大。与其他类型的电机相比，直流电机结构复杂、体积大、质量较重，对使用环境要求相对较高，可靠性比较差，要求维修和护理的频率高。因此，直流电机在纯电动汽车上的使用越来越少，国外对电动汽车用直流电机的研究也在逐步减少。2.1.2 感应电机 近些年来，随着计算机技术的迅速发展，电力电子技术的逐步成熟和变频调速技术不断取得突破，交流电机研究取得重大突破。异步感应电机主要有两种：绕线式异步电机和感应电机（又称鼠龙式异步电机），其中三相鼠笼式感应电机在电动汽车上有较广泛地应用感应电机的转子和定子一般是用多层硅钢片叠制而成，电机前后端盖一般使用铝盖封装，转子和定子相互独立，结构简单，经久耐用，运行可靠。感应电机有很广的功率范围，能够满足各种不同的工况；感应电机也有很广的转速调节范围，最高可达每分钟上万转。电机可采用空气冷却和液体冷却两种不同的冷却方式，需要根据工况灵活选择，保证电机的正常运行感应电机的转子上绕有铜线绕组，运行时消耗能量，降低能量转化率，并且随电机参数的变化控制性能波动较大，控制系统复杂。2.1.3 开关磁阻电机 从20世纪80年代开始，研究者开始研究用于驱动电动汽车的开关磁阻电机（srm）。这种电机一般采用凸极结构，只在定子上有绕组，转子上既没有铜线绕组，也没有永磁体。电机结构简单可靠性高，质量轻，成本低，效率高，便于维修。可实现在较宽的转速范围内，转矩和速度的灵活控制，同时，启动时可以实现高转矩和低功率，有良好的转矩-转速特性。与其他类型电机相比，开关磁阻电机有跟高的功率密度和更高的调速范围。但是，开关磁阻电机的控制系统复杂，控制困难，并且开关磁阻电机噪声严重和转矩脉动大等问题，限制了其在电动汽车上的应用。2.1.4 永磁无刷直流电机永磁无刷直流电机是电流波形为矩形波的永磁无刷电机，由于该类型电机是由电子换相器换相，省去了传统的电刷和换向器，可靠性高，效率高。在相同转速条件下比其它类型电机体积小，质量轻。永磁无刷电机的转子由永磁体励磁，无电能损耗，效率高，功率密度高11。永磁无刷电机转子无磨损，电机温升主要来源于定子绕组，易于冷却。由于电机具有实现四象限工作的性能，实现制动能量回收相对容易。电机电磁时间常数小，动态特性好。但该类型电机也有不足之处，如转矩脉动及弱磁困难等问题。由于永磁无刷直流的突出优点，而且上述问题已经得到一定改善，目前该类型电机在电动汽车上应用较为广泛。表2-1较为详细地列出了以上四种电机的各项性能参数。表2-1四种电机性能参数比较项目直流电机感应电机永磁无刷直流电机开关磁阻电机功率密度一般中高中效率/%6075798590927886功率因数/%8089828590936065可靠性 差一般好好电动机重量重较重轻一般成本/(美元/kw)12178121015610可控性好好好好控制成本一般高一般高综合性能差中好中 通过表2-1各项性能参数的对比可看出，永磁直流无刷电机能很好的满足轮毂电机的各种设计要求，是本文所设计轮毂电机的最佳选择。2.2 电动汽车用轮毂电机系统永磁材料 电动车用永磁电机由于受汽车空间的限制，与其他机械用电机相比，对体积的要求比较严格。在相同性能参数下，永磁体的性能的提高有助于减小电机本体的体积。因此，高性能永磁材料的地研发是提高电动车用轮毂电机性能的重要方面。 稀土永磁材料、铝镍钴永磁材料、铁氧体，这三种永磁材料是目前应用最为广泛的永磁电机磁性材料。 铝镍钴永磁材料有剩磁高、工作范围广、温度系数低等优点，在当时永磁电机上有广泛地应用。加工铝镍钴永磁材料的工艺有铸造和烧结两种，但是这两种工艺都有各自的不足。铝镍钴硬脆进行钻孔或切削比较困难，这就要求铸造模具具有很高的精度；而烧结工艺只适合加工小尺寸的永磁材料，并且加工出来的材料磁性比较低。由于铝镍钴永磁材料的退磁曲线是曲线，不与回复线重合，所以为了保证材料永磁磁性的稳定，在安装前需要对其进行稳磁处理，加大了人力物力的消耗。随着技术的发展，铝镍钴永磁材料又被其他材料取代的趋势。 铁氧体永磁材料不含钴、镍等贵重金属及稀土元素，并且加工工艺比较简单，因此成本较低。铁氧体永磁材料具有较大的矫顽力，可以达到128ka/m320ka/m，较小的密度，电阻率高，退磁曲线大部分与回复线重合，一般不需对其进行永磁处理，因此在永磁电机中得到广泛地应用。但是，由于具有的剩磁和最大磁能积较小，因此要求铁氧体的永磁材料的体积比较大，造成电机的体积较大。另外，由于具有较大的温度系数，材料的磁性性能随温度的变化比较大。 稀土永磁材料与铝镍钴永磁材料的剩磁和最大磁能积相近，但磁感应矫顽力较大，大约是铁氧体永磁的三倍。此外，稀土永磁的回复线基本与退磁线重合，一般不需进行稳磁处理，并且其居里点高，温度系数低。综上所述，稀土钴永磁材料的稳定性比较好。 稀土钕铁硼具有优越的磁性能，其磁性能高于稀土钴永磁材料，常温下剩余磁感应强度可达1.47t，感应矫顽力可达990ka/m，最大磁能积高达390 kj/m3 ，可以说是目前综合性能最高的永磁材料。此外，很重要的一点是价格相对铝镍钴价格便宜。表2-2具体对比了以上三种永磁材料的性能参数。表2-2 永磁材料性能参数性能剩磁感br（t）矫顽力hc(ka/m)磁能积(kj/ m3)温度系数(%/c)比重(g/cm3)比电阻(/cm)钕铁硼1.25872288-0.1267.4144铝镍钴1.1512888-0.037.345铁氧体0.4422436.8-0.185.0103 通过对铁氧体和稀土永磁材料对电机影响的分析，永磁电机要求永磁材料材料具有高矫顽力，高剩磁感应强度，高最大磁能积等磁特性。由上表可知，钕铁硼稀土永磁材料最符合要求。因此，选择钕铁硼稀土永磁材料作为本电机的永磁材料。2.3 本文所设计电机的主要特点本文设计的永磁直流无刷电机具有以下特点：（1）该电机采用高性能的矩形钕铁硼永磁材料，体积较小，质量轻，加工工艺简单，功率密度高。（2）采用外转子型电机，回收制动能量时，使用轮毂直接驱动。电机转子与车轮轮毂固定在一起，动力直接传动，减少了机械损耗，提高了传动效率。（3）定子电枢绕组采用多股细铜线绕制的的分数槽绕组。定子电枢绕组采用分数槽形式能够缩短线圈的周长和绕组端部，能够减小原件个数，降低铜耗，传动效率高。 该电机的装配图如2-4所示。图2-4轮毂电机总装配图1.转子；2.螺栓；3.垫圈；4.后端盖；5.轴；6.轴承；7.定子支架；8.螺栓；9.垫圈；10.垫圈；11.螺栓；12.轴承；13.定子；14.螺栓；15.垫圈2.4 本文电机设计的原则对于本文要设计的轮毂式制动能量回收利用装置要满足以下特殊要求：1.电能转化效率高，减小电池电源空间限制。2.应具有较好的密封性和较高的可靠性。3.制动能量回收效率高，延长行驶里程效果明显。4.转矩脉动小，满足汽车平顺性要求。5.结构紧凑，克服轮毂空间限制。2.5 本章小结 本章讲述了轮毂电机的常用电机类型及其优缺点，最终选择基于永磁无刷直流电机对制动能量回收利用装置进行研究；本章还介绍了永磁电机上常用的永磁材料及其优缺点，最终选择了综合性能较好的铁钕硼材料作为所设计永磁电机的永磁材料。此外，本章还介绍了所设计永磁电机的主要特点和基本的设计原则。第三章 轮毂电机结构设计及主要参数的设计计算3.1 电机的总体结构3.1.1电机相数的确定 永磁无刷直流电机的相数，可以是两相、三相、四相、五相甚至是十二相。相数的多少不仅会在很大程度上决定发电机的各项技术指标和性能，同时也影响发电机的经济性能。两相发电机的电路简单，元件使用量比较少，成本比较低，但是转矩脉动较大。随着电机电枢相数增多，转矩脉动和噪声会比较小，但是会带来绕组绕线困难，控制系统复杂的问题。目前，一般中小型电机使用三相或四相，又奇数相的转矩脉动比较小，所以本电机采用三相绕组。又考虑到电机杂散损耗，采用绕组采用星型接法。绍。3.1.2电机绕组的设计 定子绕组是是电机定子的主要组成部分，由线圈组在端部以一定方式连接起来构成定子电路，与转子磁通相对运动产生感应电动势。电机绕组的分类有很多方法，根据不同的分类标准，有很多种类。选择出合适的绕组类型对提高电机的性能有很大的帮助。无刷直流电机绕组选择时必须满足以下基本条件：（1） 沿圆周排列的绕组导体通电后产生与转子磁极相同的极数；（2） 用较少的铜材料得到最大转矩和反电动势；（3） 绕组加工工艺简单，维修方面；（4） 绝缘性好，温升低，可靠性高； （5）消除反电动势高次谐波，减小转矩脉动；在满足以上条件的前提下，本文所设计电机采用短距分数槽集中双层绕组，为达到每相绕组所占槽数均匀的目的，三相绕组采用如下绕法（从a相开始）：（1）a相绕4个齿后隔六个槽再绕4个齿，隔七个槽后绕3个齿，再隔7个槽后绕3个齿，再隔7个槽后绕3个齿。（2）b相先每隔7个槽绕3个齿，绕3次，再每隔7个槽绕4个齿，绕两次。（3）c相先绕3个齿，隔7个槽后，绕4个齿，绕2次，再每隔7个槽绕3个齿，绕2次。最后三相绕组连接在一起组成y形连接，图3-4为三相绕组展开图，图中数字为定子齿号。图3-4 绕组绕法展开图3.1.3 极槽配合的设计 电机脉动问题如齿槽转矩脉动、换向转矩脉动等，一直制约着永磁直流无刷电机性能的进一步提高。分数槽绕组电机是指绕组每极每相的槽数为分数的电机。分数槽绕组电机体积一般比较小、转矩脉动比较低、效率高，成本也相对较低。另外，分数槽绕组还可以，减少端部损耗，减小定子线圈端部长度和绕组的互感系数。由于分数槽绕组具有很多整数槽绕组所不具备的优点，目前在电机上的应用越来越广泛。本文所设计电机也采用分数槽绕组，并为进一步降低齿槽转矩脉动，提高电机性能，要对电机的极槽配合进行优化。 通过查阅有关文献得无刷直流电机分数槽集中绕组组合计算表，如表3-1所示。表3-1三相无刷直流电机分数槽集中绕组组合计算表 从表3-1可以看出，极对数为5、7、11、13、17、19、23时，各种槽数与极对数间没有公约数，为分数槽单元机组合，这时电机机数与槽数成绩越大，齿槽转矩越小。对于分数槽集中绕组，如果两个元件边电动势相位角接近1800 ，即槽距角，即，则绕组系数较高，反电动势波形更趋于标准，电机脉动小。当取与的差值较小的组合时，较接近1800 。当电机的极数较多时，可以把传统的弧形或瓦片形磁钢改为长方体形，这样就极大的简化了加工工艺，从而降低了成本。所以，本文所设计的电机采用23个对极，51个槽。3.1.4 电机转子结构确定 永磁电机的转子具有很多种结构，有不同种的分类方法。根据电枢绕组位置不同可以分为内转子和外转子两种结构，该电机采用外转子结构；按永磁体磁化方向又可分为径向励磁结构，横向励磁结构，切向励磁结构，永磁爪极式转子结构四种类型。本文所设计电机采用径向励磁结构。 爪极式转子是由一个柱状环形磁钢和两个各带极对数个爪的法兰盘组成，如图3-1所示。法兰盘上的爪在圆周上相互啮合，在欧两法兰之间是柱状环形磁钢，这样就使法兰盘的n极爪形极靴和另一个法兰盘的s极爪形极靴形成回路，为电机提供励磁。爪极式转子虽然有很多优点，但是，爪极式转子质量较重，加工困难，漏磁严重，电机的工作效率较低。所以，爪极式转子不适宜运用在轮毂电机上。 切向转子结构如图3-2所示，磁钢嵌入转子内，两块并联的磁钢经磁轭共同提供气隙的磁通，气隙磁场密度可能大于磁钢的工作点。电枢反应产生的感应磁场经磁轭形成闭合回路，防止气隙内不可逆畸形磁场产生，而且电机的直轴电枢反应小于交轴电枢反应，电机有较宽的调速范围。但是该转子结构电机漏磁较多，机械强度低，加工工艺复杂，并且成本较高，该结构转子不适合外转子结构的电机。 横向磁场结构转子如图3-3所示，该电机有一定的优点，但是这种转子结构复杂，不易加工，同时定转子有轴向吸引力，装配困难，功率因数低，控制系统复杂。该电机作为轮毂电机使用时技术还不成熟。 目前，径向励磁结构转子使用较多，磁钢用不导磁的螺钉与转子铁心固接，有时也用特制的胶将磁钢黏贴在转子铁心表面。n极、s极交错布置，形成串联磁路，由一块永磁体外表面向气隙提供磁通，两块永磁体磁化长度共同向磁路提供磁势该转子又分为有极靴和无极靴两种类型，极靴大多采用软磁材料，磁导率较大，极靴转子电机电枢磁场经极靴形成回路，不会使磁钢退磁。该转子磁钢的形状有矩形磁钢、弧形磁钢、瓦片磁钢三种类型。其中，加工工艺简单，安装便捷，成本较低，在多极电机中有广泛的应用。 3-5电机转子二维图 3-6电机转子三维模型图 本文所设计的转子结构如上图所示，具体的参数在以后的章节中，具体介绍。3.1.5 定转子相对位置确定 永磁直流无刷电机要正常运行，需要确定定转子的相对位置。目前，一般使用霍尔位置传感器对定转子的相对位置信号进行采集。霍尔位置传感器的工作原理和位置的确定方法，本文不做具体介绍。3.2 轮毂电机各参数设计计算3.2.1 轮毂电机额定参数设计参数类型额定电压un/v额定电流in/a额定功率pn/kw额定转速rad/min额定效率%具体数值7216.051.075086.5 额定功率 1kw。随着汽车技术的进步，汽车上用电设备不断增加，用电量也随着增多，因而要适当选取额定功率大一点的发电机。3.2.2 轮毂电机永磁体尺寸设计钕铁硼永磁材料具有优越的磁性能，同时价格也比较高。为节约成本，在能满足使用要求的前提下要尽量减小永磁体的体积。在输出功率一定的情况下,以下经验公式可以用以初步估算永磁体体积：式中：漏磁系数， s1.11.3，本设计s1.2；电动机计算功率，电机效率，本设计0.865，电机额定功率，=1.0，计算得：=1.05；起动电流倍数，本设计取；外磁路磁压降系数，=1.53，本设计=2.5；反电动势平均值与最大值之比，磁状态角，本设计为三相二导通六状态星形连接， 因此，计算得：=0.95;电机频率，；极对数，本设计=23，n电机额定转速，n=750r/min；额定工作状态时，磁钢中性截面上的磁通密度，通常取，剩磁感应强度, =1.25t，本设计 ，计算得：1.125；在磁铁工作图上，与回复直线起始点相对应的磁钢内的磁场强度，通常取，矫顽力，=872ka/m，本设，计算得：5232 ka/m；公式中、均在一定范围内，变化不大。设计时可根据给定的额定功率、起动电流倍数、选用永磁材料的就可计算出一个永磁体的体积： 考虑到其他不可预估因素，比如加工磨损等，在实际取用时，永磁体一般要留出适当的余量，本文电机采用实际体积为的永磁材料。取永磁体的轴向长度等于定子铁心的轴向长度（lef=50mm）。图3-为磁化长度与气隙系数关系曲线，在满足永磁体抗去磁能力的前提下，为能取得较大的气隙系数，取永磁体磁化方向长度，所以永磁体的宽度。图3-6磁化长度与气隙系数的关系曲线3.2.3 轮毂电机转子尺寸计算转子内径：式中：电枢外径,；气隙长度，本计计取；极靴高，本设计取；计算得：机壳厚度：式中计算极弧系，极弧系数，本设计取=0.85，极距，p极对数，p=23，计算得=0.91电枢计算长度，电枢长度，=50mm，计算得：=51.6mm；气隙磁密预估值，本设计取，工作温度时的剩余磁通密度，工作温度，取=100，永磁体剩余磁通密度，1.20，br的可逆温度系数，本设计取，br不可逆损失率，取0，计算得： 1.08所以计算得： 转子长度，d端盖内表面与永磁体侧面的间隙，d=5mm，永磁体轴向长度，计算得：=60mm；初选转子轭磁密，一般取（1.51.8）t，取t；因此计算得转子厚度： 考虑到电机装配及机械强度要求，本设计取。3.2.4 轮毂电机每槽匝数的计算导体总数：式中：a并联支路对数，a=1；e感应电动势，额定电压，=72v，计算e=65.5v； 满载气隙磁通；计算得：，本设计取。每槽绕组匝数 式中 每槽元件数，；并绕根数，=1；m相数，m=3，每相槽数，本设计为三相对称绕组，。因此计算得：3.2.5 轮毂电机定子尺寸计算中小型电机的定子槽通常有梨形槽、圆形槽、或半梨槽和梯形槽，本文选用梨形槽，如图3-7所示。 定子冲片 梨形槽图图3-7 定子 定子铁心外径da式中：电负荷预估计值，小型电机一般取30300a/cm，本设计取=95 a/cm；长径比，本设计取；电机额定转速，；因此=。 定子铁芯的轴向长度本设计取。 定子槽口宽b02在保证嵌线和机械加工方便的条件下，应选用较小的值，本设计b02=2mm。定子齿宽式中：t2槽距，；kfe定子冲片叠压系数，一般取kfe=0.920.95，本设计取kfe=0.95；bt2硅钢片饱和磁通密度，通常取bt2=1.5t1.8t，本设计取bt2=1.8t。因此，本设计。 定子轭部高度式中：bas定子轭部磁通密度，取bas=1.5t；空载磁通，空载气隙磁通密度，取。因此，考虑到机械强度要求，本设计hj2=5mm。槽距=92mm计算定子槽面积as定子槽上部半径r21式中：槽口高度，=0.8mm2mm，本设计取=1.5mm。定子槽下部半径r22，r22 = ，为满足平行齿的设计要求，本设计取r22=2mm。定子槽上下半圆圆心距h22 式中：定子内径，本设计取定子槽面积as3.2.6 轮毂电机定子电枢绕组计算电枢绕组导线的截面积 式中： in额定相电流，in=16.05a；nt导线并联导体数，本设计nt=1；j电流密度，本设计取j=8a/mm2；因此导线的截面积为：导线的直径为：本设计选用导线的直径。导线的实际截面积为：；槽满率；电枢电阻；式中：绕组平均半匝长度，。3.3 轮毂电机的结构设计 本文设计电机利用端盖和汽车轮毂进行动力传递，前后端盖和转子之间是用8个m8的内六角圆柱头螺钉连接，然后汽车轮毂和前端盖之间用4个m12的六角螺钉相连。由于，端盖传递的转矩比较大，还要承载电动汽车的垂直载荷，因此要选择适当的材料和尺寸，以满足机械强度。前后端盖的三维模型图如3-8和3-9所示。 3-8后端盖三维图 3-9前端盖三维图 该电机定子的电枢槽采用梨形槽的形式，具体尺寸已在上文中计算完成。此外，考虑到轮毂电机空间的限制，此电机定子的轴向尺寸选择的较小，电机51槽定子的三维模型图如3-11所示， 3-10电机的定子冲片图 3-11电定子ug模型图 此外，电动汽车的工作环境比较复杂，要保证轮毂电机在任何工况下都能保证可靠的工作，因此电机要有良好的密封性，以防止雨水、大颗粒物体进入电机内部，损坏电枢绕组，烧毁电机。电机的装配图如3-11所示。3-11电机装配图3.4 本章小结 本章首先对电机上的总体结构进行设计，选择电机的相数为三相，并采用星形绕组。与此同时，为尽量减小齿槽转矩脉动对极槽配合进行优化，采用46极51槽的极槽配合。本文所设计电机采用分数槽集中绕组，并用图解的方式，对具体的绕线方法做详细介绍。然后，对电机的具体参数进行设计并计算出了具体的数值。最后，进行电机的结构设计，设计出了前后端盖、定子、转子的结构并绘制出了三维模型图。第四章 轮毂电机二维静态磁场仿真分析 ansys软件在电机磁场分析中有广泛地应用，具有强大的前后处理功能。使用ansys软件进行磁场分析，只需要建立正确的电机模型，就可以获得相应的数据或图形，而不需要编写繁杂的程序或了解具体的求解过程。将模型输入ansys后就可以进行求解，通过后处理可以得到磁力线分布图，磁位矢图等，通过对仿真数据的分析可以对电机磁场进行进一步的优化设。 4.1 电磁场有限元法计算的步骤 有限元磁场分析和一般的有限元分析步骤相同，一般分为：前处理，求解，后处理。4.1.1 建立电机二维模型并导入ansys软件 通过cad绘出定子转子组合图，然后在cad中使用boundary命令将组合图转化成面域的形式，然后通过“文件输出”将保存文件名改为.sat格式，如图4-1所示。4-1导出sat文件 运行ansys磁场分析模块ansys multiphysics，执行“fileimportsat”操作 ，将创建的sat文件导入ansys软件。4.1.2 设置图形用户界面（gui）并处理导入的模型 选择菜单路径：main menupreferences，在弹出的对话框中选择magnetic-nodal，以便在进行二维静态磁场分析时过滤掉一些不必要的菜单及相应图形界面。 对导入的模型进行处理的步骤。选择菜单路径：preprocessornumbering ctrls merge item，出现如图4-5所示的对话框选择allok，压缩同一位置多个点。4-2压缩同一位置的多个点 选择菜单路径preprocessor modeling operate blooeans overlap areas，出现如图4-6所示对话框，选择pick all,对面进行布尔操作。4-3进行布尔运算定义单元类型，选择plane53单元。选择菜单路径：proprecessorelement typeadd/edit/deleteadd，然后选择magnetic vectorquad 8 node 53，如图4-4所示。4-4选择单元类型4.1.3材料属性的定义 选择菜单路径：proprecessormodelingmaterial propsmaterial models，显示图4-5的对话框进行材料属性定义。进入图4-5的对话框后，选择路径“materialnew model”创建新材料。4-5定义材料属性 本文需要定义三种材料，空气、铁心和永磁体。首先是永磁材料，选择型号为ntp-288h的稀土永磁材料，由于材料的退磁曲线是线性的，只需要定义相对磁导率和矫顽力，相对磁导率1.14，矫顽力872000，如图4-6所示；空气只需定义相对磁导率，其值为1.00；定子、转子由硅钢片压制而成，相对磁导率较大，取值为1000.定义结果如图4-7所示。 4-6定义永磁体的材料属性 4-7定义所有的材料属性4.1.4磁极的磁化方向的定义 在定义磁化方向时，选择平行磁化。具体方法是，对应每一个磁极建立一个局部坐标系，共需建立46个局部坐标系。局部坐标系的x轴方向默认为指向n极，相邻磁极的n、s极交错排布。在建立局部坐标系时，采用3个关键点的类型，选择菜单路径：workplanelocal coordinate systemcreatelocalby 3 keypoints +，如图4-8所示。4-8建立局部坐标系的菜单路径建立完局部坐标的结果如图4-9所示。绿色细线为所建立的局部坐标系。图4-9局部坐标系效果图4.1.5 赋予材料属性并划分网格 在划分网格之前，需要给永磁体面域赋予材料属性及相应的局部坐标系。选择菜单路径：preprocessormeshingmesh attributes pick areas，出现图4-10所示对话框。选择要赋予材料类型和局部坐标系的面域，点击ok，出现如图4-11所示的对话框，并赋予相应的材料属性和局部坐标系。 4-10选择材料属性 4-11赋予材料属性 给所有的面域赋予完材料类型后，开始划分网格。选择菜单路径：preprocessormeshingmeshtool，进行网格化分。网格的大小对求解精度的影响较大，网格越小求解精度越高，但计算时间也相应越长。要根据需要灵活选择网格的大小。4.1.6 设置边界条件电机的磁场分析需要定义一定的求解区域34。由于转子外侧的磁场很弱，定子轭较大，可以认为磁力线与边界平行。假设铁芯的磁导率是各向同性的，不计磁滞效应，不考虑涡流效应的影响。故定义转子外圆弧，定子内圆弧为边界条件，两弧之间为求解区域。边界条件设置如图4-12所示。图中紫色的线是边界线，所围的区域是求解区域。4-12边界条件设置4.1.7 求解本文建立的电机磁场仿真模型为二维模型，因此完成以上步骤后，选择2d求解器，根据实际需要对求解器进行设置，本文使用默认设置对电机磁场进行求解。在进行ansys求解计算时，选择菜单路径：solutionsolve electromagenet static analysis opt&solv。求解完成后显示图4-13所示信息。4-13求解4.1.8 后处理有限元模型建立并求解完成后，需要通过后处理模块对仿真结果进行查看、分析。本文采用后处理模块中的通用后处理器post1，将计算结果以简单图形方式显示出来。下面是通过post1处理器得到的结果图形。 （1）磁力线的显示与分析单击main menu general postproc plot result contour plot2d flux lines，其结果如图4-14所示。图4-14磁力线分布图从磁力线分布图可以看到，磁钢之间有漏磁现象，因此只靠空气来隔磁不够。为了减少此处的漏磁，保证磁路的稳定，永磁体之间应填充隔磁能力更强的隔磁材料。当定子齿处于永磁体交错位置时，磁力线由永磁体n极出发，穿过气隙，通过定子齿端部，再穿过气隙，回到定子轭，回到永磁体s极，形成闭合回路，定子齿中部没有磁力线通过，漏磁较为严重。但从整体上看，电机磁路的设计还是合理的。（2）磁失位的显示与分析选择菜单路径：main menu general pos