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电动自行车用轮毂电机设计及其特性研究
阿西打
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气候变暖、能源危机已成为 21 世纪人类所面临的共同挑战，而研究具有节能环保特点的电动自行车成为解决这些问题的重要途径。作为电动自行车核心的轮毂电机，其性能的好坏对整车功能的实现有决定性作用。而目前轮毂电机普遍存在着损耗大、性能不稳定、效率低等缺点，因此，研究一款控制精度高、结构可靠、稳定性好、运行效率高的轮毂式永磁同步电机具有重大意义。为了确定轮毂电机的总体方案，本课题首先分析了电动自行车对轮毂电机的性能要求，计算出轮毂电机的运动及动力学参数，确定电机的驱动力及输出扭矩。然后，通过分析电机常数，选择相关参数，计算出电机的主要尺寸，进而确定了轮毂电机总体机械方案。接着，引入单元电机的概念，对比不同绕组方案和极槽配合方案，确定轮毂电机的总体电磁方案。利用 JMAG 软件对轮毂电机的气隙磁场进行有限元分析，确定合理的气隙长度，优化气隙磁密波形。通过分析电枢磁密、输出扭矩及效率，对电机定子电枢的齿宽、轭高和永磁体的宽度及厚度等结构参数进行了优化。综合考虑永磁材料的性能及充磁成本，选择磁性能较高的钕铁硼永磁材料及平行充磁方式。然后，通过对轮毂电机空载反电动势进行有限元分析，得到了反电动势波形的叠加原理及对波形正弦性影响较大的谐波次数。接着，对电机的铁耗和铜耗进行了有限元计算，得出了轮毂电机优化设计后的效率。针对轮毂电机中存在的齿槽转矩，本课题进一步优化转矩特性，建立齿槽转矩的解析模型，通过分析解析模型得到削弱齿槽转矩的方法，并分析了不同电磁方案对齿槽转矩的影响。基于 MATLAB/ Simulink 搭建轮毂电机的仿真平台，对电机的起动特性进行仿真分析，得到了速度、转矩、三相电流的响应特性。根据优化后的机械及电磁方案加工轮毂电机样机，对样机的反电动势、转矩、温升及效率进行系统的测试，试验结果表明样机的调速范围、响应特性、转矩输出及过载能力均满足设计要求，轮毂电机样机效率达到了 88.9%，综合性能明显优于普通直流无刷轮毂电机，验证了课题中设计方案的合理性。
电动自行车是一种以蓄电池作为辅助能源，具有两个车轮，能实现人力骑行、电动或助动功能的特种自行车。电动自行车主要组成如图 1-1 所示，包括轮毂电机及传动机构、控制器、蓄电池组、车身及显示仪表。控制器输出电动自行车的运行控制参数，轮毂电机接收控制参数为车辆提供驱动力，仪表盘用来显示车辆运行中的各种参数，蓄电池组为轮毂电机、控制器、仪表盘提供电源，各部分之间互相关联、密不可分。随着石油危机及温室效应的加剧，近年来越来越多的学者和工程师把注意力转移到电动自行车上［10］。关于电动自行车的发展现状可从国内外电动自行车相关技术的发展进行分析。图 1-1 电动自行车主要组成部分 Fig.1-1 The main component of electric bicycle 1.2.1 国外电动自行车的发展现状电动自行车作为电动车的一种其最早的历史，可以追溯到约。亨利（J.henry）发明第一台直流电机不久的 1831 年。1834 年苏格兰人德文波特（T.DvaePnort）研制了第一台具有真正意义的电动车，采用一次性简单玻璃封装的蓄电池。由于当时电机及驱动、电池及车身设计等相关技术发展并不成熟，在以后几十年里电动车的发展一直处于谷底；1860 年法国科学家研制出了原始的铅酸蓄电池，随后性能良好的驱动电机研制成功；1892 年美国在芝加哥展出了本国第一辆电动车；1905 年爱迪生成功研制了镍—铁碱性蓄电池，为连续充电、增加续航里程提供了可能。此后，电动车包括电动汽车、电动自行车得到了短暂的发展，但由于电动车自身存在缺陷，随着现代燃油车辆技术的进步，到 1930 年左右电动车基本为燃油车辆所取代，逐渐退出了市场［11， 12］。
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