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1 緒論 1 摘 要 隨著世界各國人口老齡化的問題，近幾年來 ， 為老年人及殘疾人的生活通行提供 方便的電動代步車產(chǎn)品，受到了極大的關(guān)注。開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、安全可靠、性價比高的電動代步車具有重要的現(xiàn)實意義和市場前景。 輪轂電機是電動代步車的 關(guān)鍵 驅(qū)動部件，其研究開發(fā)、改進分析和性能仿真具有現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。 本文針對現(xiàn)代電動代步車的特點 ， 設(shè)計了適合電動代步車用的輪轂電機 ， 并且在較深入的結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上對該輪轂電機進行了 計算分析和 性能仿真，主要研究的內(nèi)容如下： ① 根據(jù)電動代步車用輪轂電機的特點，對電動代步車的整體結(jié) 構(gòu)進行了設(shè)計，總結(jié)了永磁無刷直流電動機的電磁方案設(shè)計原則， 并且在對結(jié)構(gòu)的深入分析基礎(chǔ)上 ，設(shè)計出新型的電動代步車用輪轂電機。包括輪轂電機的的輪轂電機初步的主要尺寸、極數(shù)、槽數(shù)、繞組形式和主要系數(shù)等。 ② 在確定輪轂電機的初步參數(shù)之后，利用 磁場有限元設(shè)計軟件，基于電磁場原理，計算輪轂電機的瞬態(tài)性能。結(jié)果表明輪轂電機滿足電動代步車運行的要求。通過對輪轂電機的轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)和極弧偏心距這兩個參數(shù)進行調(diào)整，對齒槽轉(zhuǎn)矩進行抑制。 ③ 用 件包建立了輪轂電機模型，并對輪 轂電機的整體性能進行精確分析。仿真結(jié)果包括：效率與轉(zhuǎn)速曲線、輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速曲線等。結(jié)果表明，該輪轂電機完全適用電動代步車。 采用這樣的方法不但可以滿足精確性要求，同時可以縮短設(shè)計周期。上述的仿真結(jié)果為產(chǎn)品開發(fā)打下了一定的基礎(chǔ)，同時對類似的輪轂電機產(chǎn)品開發(fā)具有一定的參考價值。 關(guān)鍵詞 ：電動代步車，輪轂電機，電磁場，有限元 2 n of of a of in of an is of of an In on of of of as ① to of of of C of A of is of dc ② of to of on of by of ③ of by s of of is of a at it a to 緒論 3 目 錄 中文摘要 ........................................................................................................................................ 1 英文摘要 ........................................................................................................................................ 2 1 緒論 .......................................................................................................................................... 6 文的研究背景 ...................................................................................................................... 6 轂電機的發(fā)展?fàn)顩r .............................................................................................................. 7 轂電機國外發(fā)展?fàn)顩r .................................................................................................... 7 轂電機國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r .................................................................................................... 8 文研究的目的及意義 .......................................................................................................... 8 文研究的目的 ................................................................................................................. 8 文研究的意義 ................................................................................................................ 8 文研究的主要內(nèi)容 .............................................................................................................. 9 2 電動代步車輪轂電機的總體方案設(shè)計 .............................................................. 10 動代步車功能需求與分析 ................................................................................................ 10 動代步車功能需求與分析 .......................................................................................... 10 型電動代步車整車設(shè)計方案 ...................................................................................... 10 轂電機類型的確定 ............................................................................................................ 12 流電動機 ...................................................................................................................... 13 流電動機 ...................................................................................................................... 13 轂電機類型的選取 ...................................................................................................... 15 轂電機的驅(qū)動方式 ............................................................................................................ 15 轂永磁材料的選取 ............................................................................................................ 16 作方式的確定 .................................................................................................................... 21 結(jié) ........................................................................................................................................ 21 3 電動代步車輪轂電機的電磁設(shè)計 ......................................................................... 17 磁電動機主要尺寸的確定 ................................................................................................ 17 構(gòu)主要尺寸與功率、轉(zhuǎn)速、電磁負(fù)荷的關(guān)系 .......................................................... 17 磁負(fù)荷的確定 .............................................................................................................. 21 磁體尺寸的確定 ................................................................................................................ 21 磁體充磁方向長度 ...................................................................................................... 21 磁材料的充磁 .............................................................................................................. 22 磁體軸向長度 .............................................................................................................. 24 4 數(shù)的選擇 ............................................................................................................................ 24 樞沖片及繞組的設(shè)計 ........................................................................................................ 25 樞槽數(shù) .......................................................................................................................... 25 組的設(shè)計 ...................................................................................................................... 26 轂電機的主要系數(shù) ............................................................................................................ 30 隙系數(shù) .......................................................................................................................... 30 隙長度 .......................................................................................................................... 31 樞計算長度 .................................................................................................................. 32 載漏磁系數(shù)和波形系數(shù) .............................................................................................. 32 結(jié) ........................................................................................................................................ 33 4 輪轂電 機的磁場分析與計算 ................................................................................... 35 維電磁場理論和有限元基礎(chǔ) ............................................................................................ 35 克斯韋方程 .................................................................................................................. 35 函數(shù)及其微分方程 ...................................................................................................... 36 磁場中的邊界條件 ...................................................................................................... 36 維有限元的計算方法 ........................................................................................................ 37 路耦合原理 ........................................................................................................................ 42 轂電機的瞬態(tài)場計算 ........................................................................................................ 42 用軟件 介 ................................................................................................ 42 件包簡介 ........................................................................................................ 43 維瞬態(tài)場模型的建立 .................................................................................................. 43 維瞬態(tài)分析結(jié)果 .......................................................................................................... 47 轂電機齒槽轉(zhuǎn)矩的抑制 .................................................................................................... 52 槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生機理 ...................................................................................................... 52 槽轉(zhuǎn)矩的消弱方法 ...................................................................................................... 53 子極弧系數(shù)的影響 ...................................................................................................... 53 弧偏心距的影響 .......................................................................................................... 55 結(jié) ........................................................................................................................................ 57 5 輪轂電機仿真計算與分析 ........................................................................................... 59 件包簡介 ................................................................................................................ 59 轂電機模型的建立 ............................................................................................................ 59 轂電機的仿真結(jié)果 ............................................................................................................ 60 結(jié) ........................................................................................................................................ 63 6 總結(jié)與展望 ........................................................................................................................ 65 1 緒論 5 結(jié) ........................................................................................................................................ 65 望 ........................................................................................................................................ 65 致 謝 ...................................................................................................................................... 67 參考文獻 ...................................................................................................................................... 69 附 錄： A. 作者在攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄 ........................................................... 73 6 緒論 文的研究背景 電動代步車是在電動汽車發(fā)展主流背景下因應(yīng)老年化需求出現(xiàn)的一種新型微型 電動車 。而隨著老年人的增多，針對老年人開發(fā)的電動代步車成為電動車市場發(fā)展的一個重要分支。該車結(jié)構(gòu)輕便、操作簡單、占用空間小、噪聲低、污染小，適應(yīng)了高齡人口和環(huán)保趨勢的要求，充分受到了老年人和殘疾人的青睞，已經(jīng)成為傳統(tǒng)輪椅產(chǎn)業(yè)中的新興產(chǎn)業(yè)。 國家統(tǒng)計局周四公布的第六次全國人口普查數(shù)據(jù)顯示，人。數(shù)據(jù)還顯示，男女比例更加平均，受教育程度顯著提高，但老年人口比例大增，社會老齡化進程加快。包括港澳臺在內(nèi)的總?cè)丝跀?shù)為 。其中內(nèi)地的登記人口數(shù)，為 ，較 2000 年的第五次普查增長 這十年來人口年均增長 處于低生育水平階段。從年齡構(gòu)成看， 0人口占比急減 但 60 歲以上人口占比大增 百分點至 65歲以上人口比率升至 表明老齡化問題在惡化。 2007 年我國有 65 歲及以上老年人的家庭中，一個老人與親屬同?。òㄅc未成年的親屬）戶占 單身老人獨自居住和只有一對老夫婦的家庭戶各占 一對老夫婦與親屬（包括與未成年的親屬）同住的比例是 城鎮(zhèn)單身老人戶和老年夫婦戶略高于 鄉(xiāng)村。 在 2010 年美國人口統(tǒng)計局發(fā)布的一份報告稱，到 2040 年時全球人口將達 93億 ,其中 65 歲以上人口所占比例將提高一倍 ,由 7%提高到 14%。全球人口老齡化將在 2010 年后不久加速。到 2015 年時 ， 65 歲以上人口所占比例將超過 5 歲以下人口所占比例 ,這在人類歷史上尚屬首次。 從統(tǒng)計的數(shù)字可以看出，隨著老齡化的加劇，無論是在國 外 還是國 內(nèi) ，電動代步車都有著非常廣泛的前景。 目前比較常見的電動代步車類型主要有：電動三輪車、電動四輪車、電動輪椅車等 [2] ，如圖 示 [1] ： 1 緒論 7 圖 種類型的電動代步車 of 轂電機的發(fā)展?fàn)顩r 轂電機國外發(fā)展?fàn)顩r 輪轂電機是電動車的主要驅(qū)動部件．隨著電動車的發(fā)展，輪轂電機技術(shù)也取得了飛速的進步． 早在 20 世紀(jì) 50 年代初，美國人羅伯特發(fā)明了輪轂驅(qū)動裝置 ，該裝置 將電機、傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)融為一體 ，該 裝置于 1968 年被通用電氣公司應(yīng)用在大型的礦用自卸車上 [2]。 目前國際上對輪轂電機的研究主要 以日本為主，其技術(shù)在世界上處于領(lǐng)先地位。日本慶應(yīng)義塾大學(xué)清水浩教授領(lǐng)導(dǎo)的電動汽車研究小組，在過去的 當(dāng)中，已經(jīng)研制成功 不同樣式的電動車，這些電動車均采用輪轂電機驅(qū)動技術(shù)。其中后輪驅(qū)動的電動車 用的是永磁無刷直流輪轂電機，其額定功率達 6． 8值功率可達 20 2003 年的東京汽車展上，日本各大汽車公司紛紛推出自己的輪轂驅(qū)動產(chǎn)品，如：普利司通公司的動力阻尼型車輪內(nèi)裝式電機系統(tǒng)、豐田公司的燃料電池概念車 等 [3]。 2001 年，美國的通用汽車公司也成功試制了輪 轂電機驅(qū)動概念車 車采用 4 輪轂驅(qū)動技術(shù)，其輪轂系統(tǒng)控制與布置靈活。同時通用汽車高級技術(shù)研發(fā)中心已經(jīng)成功地將自行研制的輪轂電機應(yīng)用到雪弗蘭 卡車中。安裝在后輪輪轂內(nèi)的兩臺電機 雖然僅在 每個車輪增加 15重量，卻可以產(chǎn)生約 25 美國恩達鋰電動自行車公司設(shè)計的電動自行車，它以蓄電池、鋰電池等電能作為輔助能源，具有兩個車輪，能實現(xiàn)人力騎行、電動或電助動功能的特種自行車． 近年來在世界范圍內(nèi)，各類電動車輛，包括電動車、電動自行車、電動摩托車、巡游觀光車、場地搬運車、高爾夫球車、 電動代步車、電動輪椅車等需求旺盛，發(fā)展迅猛。特別是電動車和電動自行車的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，更是將輪轂 8 電機技術(shù)提升到了一個嶄新的高度。 轂電機國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 我國輪轂電機技術(shù)起步比較晚，但是近幾年來隨著 電動自行車和摩托車的發(fā)展， 各大高校和各個公司也紛紛 加入到 輪轂電機 研發(fā)的行列 。 目前我國電動自行車和摩托車所使用輪轂主要是永磁電機，永磁電機按照是否采用電刷換向可分為有刷電機和無刷電機兩種．有刷電機由于采用碳刷換向，容易產(chǎn)生電火花且碳刷容易磨損、壽命較低，而無刷電機用電子器件代替換向碳刷，電機的壽命長 ，但是對控制器要求較高。按照電機轉(zhuǎn)速可以分為高速和低速電機，高速有刷配以齒輪減速的電機性能好，壽命長，但造價較高；低速有刷結(jié)構(gòu)簡單、價格較低，但其性能較差，壽命短。由于高速無刷電機的優(yōu)異性能，在電動自行車和摩托車得到了廣泛的應(yīng)用． 同濟大學(xué)汽車學(xué)院在 2002 年和 2003 年采用了 4 個直流無刷輪轂電機作為獨立的驅(qū)動系統(tǒng)研制出 了 “春暉一號 ”和 “春暉二號 ”。中科院北京三環(huán)通用電氣公司研制開發(fā)出了電動轎車直流無刷輪轂電機，其單個輪轂電機的功率是 工大 —愛英斯電動汽車研究所開發(fā)的 型電動汽車上采用 了多態(tài)輪轂電機的驅(qū)動系統(tǒng)。這種輪轂電機采用雙邊混合式磁路結(jié)構(gòu)，兼有同步電機和異步電機的雙重特性 [3]。在高校進行研發(fā)的同時，各大公司也不落下，其中以比亞迪汽車公司投入及取得的成就最大，目前純電動汽車 模汽車 經(jīng)上市，其市場售價在 8 萬左右。 重慶大學(xué)本課題組在重慶大學(xué)和日本 支持下，也展開了對輪轂電機的研發(fā)． 文研究的目的及意義 目前，隨著人口老齡化的加劇，電動代步車的市場和前景肯定非常廣闊。由于目前電動代步車是在中國還未形成產(chǎn)業(yè) ，所以并沒有一款專門針對電動代步車用的輪轂電機。所以我們針對現(xiàn)有輪轂電機存在的問題和不足，設(shè)計出一款針對電動代步車用的新型輪轂電機 ，并對輪轂電機進行性能仿真和分析． 該輪轂電機同時兼有電動和電磁制動的功能，并且作為電動 機在 運行時具有較好的調(diào)速性能。本文要研究的輪轂電機開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高而且成本較低 ，適用于新型的電動代步車． 文研究的意義 電動代步車是在環(huán)境污染、能源危機、及人口老齡化加劇下的歷史產(chǎn)物，尤其是在這人性化的社會，人們越來越關(guān)注老年人和殘疾人，推廣新一代 “綠 色 ”交通工具的電動代步車是一項造福社會和人類的工程。而應(yīng)用于電動代步車的輪轂電1 緒論 9 機，其應(yīng)用前景越來越廣闊，它的研究開發(fā)也越來越有價值，對輪轂電機效率的提高、成本的控制及其自身的各種性能尤為顯的重要。本課題研究的電動代步車輪轂電機是電磁技術(shù)、機械和電子相結(jié)合的產(chǎn)物。它不但滿足電動代步車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的快速響應(yīng)的控制要求，同時具有操作簡單、方便，成本低、可靠性高等優(yōu)點，是一種新型、高效、可靠的驅(qū)動電機。此驅(qū)動電機不僅可以應(yīng)用于目前我們開發(fā)的電動代步車中，還可以應(yīng)用于其他電動自行車、殘障用車等領(lǐng)域，具有顯著的社會效益和經(jīng) 濟效益。 文 研究的 主要 內(nèi)容 電動代步車用輪轂電機采用永磁無刷直流輪轂電機，它有許多優(yōu)點，如：結(jié)構(gòu)緊湊、高效率、高功率密度、能有效再生能量回饋。為了更好的使永磁無刷直流輪轂電機在電動代步車中應(yīng)用，即要求在可接受的價格范圍內(nèi)實現(xiàn)電動代步車的優(yōu)良性能，滿足電動代步車對輪轂電機的需求 [4]。 本文研究的主要內(nèi)容包括： 第一章， 闡述了本文的研究背景、目的和研究意義，詳細(xì)介紹了電動代步車及輪轂電機的發(fā)展現(xiàn)狀。 第二章，介紹了目前車輛驅(qū)動用的電動機類型，并選擇了適合電動代步車所用的輪轂電機，選擇了合適的驅(qū)動方 式，并對輪轂電機的材料做了選擇。 第三章，對電動代步車用輪轂電機進行了設(shè)計，包括結(jié)構(gòu)主要尺寸，永磁體尺寸、極數(shù)的確定、電樞沖片及繞組的設(shè)計和介紹了輪轂電機的幾個重要系數(shù)。 第四章，介紹了二維電磁場理論和有限元基礎(chǔ)，并且通過理論解析二維有限元計算方法和場路耦合原理，并對輪轂電機的瞬態(tài)場進行了計算分析。 第五章，用 件中 塊建立了完整的的輪轂電機模型，并對輪轂電機的整體性能進行仿真計算。 10 2 電動代步車輪轂電機 的 總體方案設(shè)計 動代步車 功能需求與分析 動代步車 功能需求與分析 電動代步車是專門為老年人和殘疾人設(shè)計的，要求它具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，并且具有良好的可靠性。它的整體結(jié)構(gòu)一般由輪轂電機、蓄電池、控制器、充電器和車體等五大部分組成。輪轂電機是電動代步車的主要驅(qū)動部件，主要完成啟動、加速及差速轉(zhuǎn)向等功能，它將蓄電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能，使車輪轉(zhuǎn)動，并且能夠?qū)崿F(xiàn)制動功能。蓄電池是電動代步車的動力源?？刂破鲗﹄妱哟杰嚨恼{(diào)速、制動、軟啟動起控制作用，并控制蓄電池的輸出電流、電壓，以達到控制電動機的轉(zhuǎn)速，即車速的目的，設(shè)計有欠壓、過流等保護功能。充電 器用來給蓄電池進行充電，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電并控制電流和電壓的大小充入蓄電池儲存起來。車體是整車的機械骨架，承載人的體重。 型電動代步車整車設(shè)計方案 本課題組進行電動代步車的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 ，設(shè)計的流程如圖 設(shè)計的內(nèi)容包括機械系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)兩個方面，本文參考從美國和日本購買的兩輛電動代步車 ， 分析現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計的不足 ， 針對中國的老、殘疾人士，設(shè)計出具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的電動代步車用輪轂電機，并最終完成電動代步車整車的設(shè)計，其整車結(jié)構(gòu)模型如圖 示。 圖 步車設(shè)計流程 圖 of 電動代步車輪轂電機的總體方案設(shè)計 11 圖 動代步車模型 of 圖 們可以看到：前面兩個輪為驅(qū)動輪，也就是需要輪轂電機來驅(qū)動．從電動代步車整體結(jié)構(gòu)決定了該輪轂電機的外形，顯然我們需要的輪轂電機制造簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便．為此，該輪轂電機的固定方式為單懸臂梁固定方式．同時現(xiàn)在大多數(shù)的輪轂電機的電動車上都裝了單獨的制動系統(tǒng)，這樣不僅增加了電動車的復(fù)雜性，而且還增加了成本。我 們還需要在輪轂電機中安放了電磁制動裝置，該制動系統(tǒng)在電機里面就可以實現(xiàn)制動，無需增加額外的制動系統(tǒng)，該機電一體化的輪轂電機，充分的利用了輪轂電機里面的空間，不僅保持輪轂電機的效率，而且并沒有因為有電磁制動的存在而影響到電機的外形結(jié)構(gòu)，使其同樣結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便，更為難得的是，它利用了無刷直流電機中的磁轉(zhuǎn)子進行制動，使車外部無需安裝新的制動系統(tǒng)，從而大大減輕了整車的重量。 基于此，本文要完成電動代步車用輪轂電機的設(shè)計開發(fā)及其性能仿真。 新型電動代步車的主要尺寸及參數(shù)如下面表格 示： 12 表 動代步車 主要尺寸及參數(shù) of 能指標(biāo) 性能指標(biāo)值 性能指標(biāo) 性能指標(biāo)值 總長 內(nèi) 900 軸距 室內(nèi) 600 室外 1200 室外 900 總寬 ,00 最高車速 ,km/h 6 總高 ,000 檔位 Ⅰ 檔 整車整備質(zhì)量 ,0 Ⅱ 檔 電機減速比 檔 電機額定功率 ,w 220 倒檔 電機額定電壓 ,V 36 輪距 ,50 轂電機 類型 的確定 輪轂電機動力系統(tǒng)通常由電動機、減速機構(gòu)、制動器與散熱系統(tǒng)等組成。輪轂電機動力系統(tǒng)根據(jù)電機的轉(zhuǎn)子型式主要分成兩種結(jié)構(gòu)型式：內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型。要使電動代步車具有良好的使用性能，輪轂電機應(yīng)具有較寬的調(diào)速范圍、足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，還要有能量反饋的性能，最好自身具有制動系統(tǒng)。作為電動代步車用輪轂電機 ,還有如下幾點要求： ① 高效率：續(xù)駛里程（蓄電池一次充足電后所能行駛的里程）是電動代步車和燃油車相比最突出的性能指標(biāo)。提高續(xù)駛里程的主要辦法是提高蓄電池容量和輪轂電機的效率，電動機的效率高，在同樣的條 件下，耗能就小，一次充電后行駛里程將會提高，而行駛成本隨之降低。 ② 體積?。狠嗇炿姍C的體積大小將直接影響到其自身重量、整車的重量和造型。高性能磁性材料的出現(xiàn)將為輪轂電機的體積縮小創(chuàng)造了非常有利的條件。 ③ 壽命長：同燃油車相比，永磁直流無刷電動機的運行壽命比較長。 低成本：由于電動代步車在中國目前尚未形成大規(guī)模生產(chǎn)，相對成本要高一些，但一旦形成大規(guī)模生產(chǎn)后，其成本自然要降下來。 目前在電動代步車上已應(yīng)用的和有應(yīng)用前景的電動機有永磁無刷電動機和開關(guān)磁阻電動機 [6]。 2 電動代步車輪轂電機的總體方案設(shè)計 13 圖 代電動代步車用電動機分類 of 直流電動機 直流電動機它將直流電能轉(zhuǎn)化為機械能 ,是電動車輛應(yīng)用最早且最廣泛的電動機。直流電動機按勵磁方式分為永磁、他勵和自勵 3 類 ， 其中自勵又分為并勵、串勵和復(fù)勵 3 種。它的調(diào)速性能好，可以在重負(fù)載條件下 ， 實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速 ,而且調(diào)速范圍較寬。它的啟動轉(zhuǎn)矩大，可以均勻而經(jīng)濟地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) [7]。 永磁 直流 電動機用稀土等永磁材料 來替代傳統(tǒng)電機的電磁場裝置制成的電動機。根據(jù)輸入電動機接線端的電流種類把永磁電動機分為永磁交流電動機和永磁直流電動機。永磁交流電動機因不需要安裝電刷、換向器，因此又叫永磁無刷電動機。根據(jù)輸入電動機接線端的電流波形，輸入正弦波的電動機，成為永磁同步電動機。采用連續(xù)轉(zhuǎn)子位置反饋信號來控制換向，輸入方波的電動機成為永磁無刷直流電動機。由于永磁無刷直流電動機的正弦波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩基本上是恒定轉(zhuǎn)矩或是平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩，所以電動機工作平穩(wěn)，很少有發(fā)生抖動的現(xiàn)象 [6]。表 現(xiàn)代電動代步車用電動機性能比較 。 流電動 機 交流電機分為異步電動機和同步電動機兩類。異步電動機按照定子相數(shù)不同分為單 相 異步電動機、兩相異步電動機和三相異步電動機。 同步電動機的 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同。其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 與磁極對數(shù) p、電源頻率 f 之間滿足 n=f/p。轉(zhuǎn)速 n 決定于電源頻率 f，故電源頻率一定時，轉(zhuǎn)速不變，且與負(fù)載無關(guān)。具有運行穩(wěn)定性高和過載能力大等特點。是一種轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同的交流電動機。這種電動機具有運行輪轂電機 直流電動機 繞組勵磁式電動機 交流電動機 異步電動機 永磁式電動機 永磁直流電動機 并勵電動機 串勵電動機 復(fù)勵電動機 他勵電動機 同步電動機 開關(guān)磁阻電動機 14 穩(wěn)定性高和過載能力大等特點。它的缺點是起動性能較差，結(jié)構(gòu)比異步電動機復(fù)雜，需要直流電源勵磁，價格比較貴，維護又較為 復(fù)雜，所以一般在小容量設(shè)備中不采用同步電動機。 異步電動機 (又稱感應(yīng)電動機 ， 是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 ， 從而實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換為機械能量的一種交流電機。異步電動機按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為兩種形式 ： 有鼠籠式、繞線式異步電動機。作電動機運行的異步電機。因其轉(zhuǎn)子繞組電流是感應(yīng)產(chǎn)生的，又稱感應(yīng)電動機。 轉(zhuǎn)子繞組不需與其他電源相連，其定子電流直接取自交流電力系統(tǒng)；與其他電機相比，異步電動機的結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用、維護方便，運行可靠性高，重量輕，成本低。異步電動 機還容易按不同環(huán)境條件的要求，派生出各種系列產(chǎn)品。它還具有接近恒速的負(fù)載特性，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械拖動的要求。其局限性是，它的轉(zhuǎn)速與其旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速有固定的轉(zhuǎn)速差，因而調(diào)速性能較差，在要求有較寬廣的平滑調(diào)速范圍的使用場合（如傳動軋機、卷揚機、大型機床等），不如直流電動機經(jīng)濟、方便。此外 ， 異步電動機運行時 ， 從電力系統(tǒng)吸取無功功率以勵磁，這會導(dǎo)致電力系統(tǒng)的功率因數(shù)變壞。 表 代電動代步車用電動機性能比較 能 永磁 直流 電動機 開關(guān)磁阻電動機 功率密度 好 一般 力矩轉(zhuǎn)速性能 好 好 可操作性 好 好 結(jié)構(gòu)堅固性 一般 好 體積、質(zhì)量 小、輕 小、輕 單位軸功率成本比（以直流電動機為 1） 1~ 控制器成本（以直流電動機為 1） 關(guān)磁阻電動機是根據(jù)磁阻差產(chǎn)生反轉(zhuǎn)磁矩的原理而制成的一種電動機。這種電動機定子除繞組獨立接線之外，其他與交流異步電動機的定子結(jié)構(gòu)一樣，而轉(zhuǎn)子只是用硅鋼片疊成，具有不同數(shù)量凸極而已，沒有滑 環(huán)繞組和永久磁鐵。開關(guān)磁阻電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、機械強度高。此外，因其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單所以制造起2 電動代步車輪轂電機的總體方案設(shè)計 15 來也很容易，作為牽引電動機，在其大批量生產(chǎn)時的工序也很少，原材料成本也很低廉。從而可以實現(xiàn)成本的大幅度降低。開關(guān)磁阻電動機有調(diào)速范圍廣、調(diào)速性能優(yōu)異、數(shù)學(xué)模型明確、能夠很容易的從矢量圖中推導(dǎo)出控制規(guī)律等。 另一方面，由于轉(zhuǎn)子定子雙方都存在有凸極性，一般情況下振動和轉(zhuǎn)矩脈動都會比較大，噪聲也很大。在這里，要求提高加工精度、裝配精度等，實現(xiàn)批量生產(chǎn)技術(shù)的高度化。系統(tǒng)非線性，控制成本高，功率密度低等。 轂電機類 型的選取 對電動代步車用的輪轂電機，人們所期望的優(yōu)點： ① 小型輕量化； ② 高速低轉(zhuǎn)矩時運行效率高； ③ 低速時有高轉(zhuǎn)矩，以及有寬泛的速度控制范圍； ④ 有良好的可靠性； ⑤ 制造成本低； ⑥ 控制裝置簡單化。 根據(jù)前面對電動機情況的描述，永磁直流無刷電機具有功率密度高，噪音小，調(diào)速性能好，既具備交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，又具備直流電機的線性機械特性、調(diào)速范圍寬、啟動轉(zhuǎn)矩大、運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點。其優(yōu)越性非常明顯，是應(yīng)用于 “ 輕、小、薄、安靜、精密、可靠 ” 等場 合的最佳選擇。電動代步車有輕、小、安靜、可靠等方面的要求，故在本次設(shè)計中采用永磁直流無刷電機作為電動代步車的輪轂電機。 轂電機的驅(qū)動方式 由于使用環(huán)境的影響，輪轂電機的驅(qū)動方式不外乎兩種方式：一為直接驅(qū)動；二為減速驅(qū)動。 在直接驅(qū)動的方式下，電機多采用外轉(zhuǎn)子 (即直接將轉(zhuǎn)子安裝在輪輞上 )。為了使整車能夠順利起步，要求電機在低速時能提供大的轉(zhuǎn)矩。為了能夠 獲得 較好的動力性，電機需要具有較寬的調(diào)速范圍。直接驅(qū)動方式的優(yōu)點是 ：它 不需要減速機構(gòu)，這樣整個驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)變得更加簡單、緊湊，軸向尺寸、徑向尺寸減小， 效率進一步提高，速度響應(yīng)也變快。其缺點是：起步或爬坡等承載大扭矩時需要大的電流，這樣會損壞電池和永磁體；電機的效率峰值區(qū)域很窄，負(fù)載電流超過一定值后效率會急劇下降。 在減速驅(qū)動的方式下 ，由于有減速機構(gòu) 輪轂電機 一般在高速下運行，對電機的性能沒有嚴(yán)格的要求，選用的也只是普通的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機。減速機構(gòu)設(shè)置在電