【正文】 紀 80 年代開始，研究者開始研究用于驅(qū)動電動汽車的開關(guān)磁阻電機（ SRM）。與其他類型電機相比，開關(guān)磁阻電機有跟高的功率密度和更高的調(diào)速范圍。永磁無刷電機的轉(zhuǎn)子由永磁體勵磁，無電能損耗，效率高，功率 密度高 [11]。但該類型電機也有不足之處，如轉(zhuǎn)矩脈動及弱磁困難等問題。 電動汽車用輪轂電機系統(tǒng)永磁材料 電動車用永磁電機 由于受汽車空間的限制，與其他機械用電機相比，對體積的要求比較嚴格。 鋁鎳鈷永磁材料有剩磁高、工作范圍廣、溫度系數(shù)低等優(yōu)點，在當時永磁電機上有廣泛地應用。隨著技術(shù)的發(fā)展，鋁鎳鈷永磁材料又被其他材料取代的趨勢。另外， 由于具有較大的溫度系數(shù)，材料的磁性性能隨溫度的變化比較大。 稀土釹 鐵硼 具有優(yōu)越的磁性能，其 磁性能高于稀土鈷永磁材料，常溫下剩余磁感應強度可達 ，感應矯頑力可達 990KA/m，最大磁能積高達 390 kJ/m3 ， 可以說 是目前綜合性能最高的永磁材料。由上表可知，釹鐵硼稀土永磁材料最符合要求。電機轉(zhuǎn)子與車輪輪轂 固定在一起，動力直接傳動，減少了機械損耗，提高了傳動效率。 圖 24 輪轂電機總裝配圖 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 本文電機設(shè)計的原則 對于本文要設(shè)計的輪轂式制動能量回收利用裝置要滿足以下特殊要求： ，減小電池電源空間限制。 ，克服輪轂空間限制。相數(shù)的多少不僅會在很大程度上決定 發(fā)電 機的各項技術(shù)指標和性能，同時也影響發(fā)電機的 經(jīng)濟性能。又考慮到電機雜散損耗，采用繞組采用星型接法。選擇出合適的繞組類型對提高電機的性能有很大的幫助。 最后三相繞組連接在一起組成 Y 形連接 ，圖 34 為三相繞組展開圖，圖中數(shù) 12 字為定子齒號。 另外，分數(shù)槽繞組還可以，減少端部損耗，減小定子線圈端部長度和繞組的互感系數(shù)。 表 31 三相無刷直流電機分 數(shù)槽集中繞組組合計算表 NP 03691215182124273033363942454851545760636612345678910111213141516171819202122233/13/2 3/13/13/2 9/4 3/19/5 12/5 3/13/2 3/112/7 15/7 18/7 3/13/2 15/8 9/4 21/8 3/13/13/2 9/5 21/10 12/5 27/10 3/118/11 21/11 24/11 27/11 30/11 3/13/2 9/4 3/121/13 24/13 27/13 30/13 33/13 36/13 3/13/2 12/7 27/14 15/7 33/14 18/7 39/14 3/19/5 12/5 3/13/2 27/16 15/8 33/16 9/4 39/16 21/8 45/16 3/127/17 30/17 33/17 36/17 39/17 42/17 45/17 48/17 3/13/2 3/130/19 33/20 36/19 39/19 42/19 45/19 48/19 51/19 54/19 3/13/2 33/20 9/5 39/20 21/10 9/4 12/5 51/20 27/10 57/20 3/112/7 15/7 18/7 57/21 3/13/2 18/11 39/22 21/11 45/22 24/11 51/22 27/11 57/22 30/11 63/22 3/136/23 39/23 42/23 45/23 48/23 51/23 54/23 57/23 60/23 63/23 66/23 13 從表 31 可以看出，極對數(shù)為 1 1 1 1 23 時，各種槽數(shù)與極對數(shù)間沒有公約數(shù)，為分數(shù)槽單元機組合，這時電機機數(shù)與槽數(shù)成績越大，齒槽 轉(zhuǎn)矩 越小。所以，本文所設(shè)計的電機采用 23個對極， 51 個槽。 爪極式轉(zhuǎn)子是由一個柱狀環(huán)形磁鋼和兩個各帶極對數(shù)個爪的法蘭盤組成，如圖 31 所示。 切向轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖 32 所示，磁鋼嵌入轉(zhuǎn)子內(nèi)，兩塊并聯(lián)的磁鋼經(jīng) 磁軛共同提供氣隙的磁通，氣隙磁場密度可能大于磁鋼的工作點。該電機作為輪轂電機使用時技術(shù)還不成熟。其中，加工工藝簡單，安裝便捷，成本較低，在多極電機中有廣泛的應用?；魻栁恢脗鞲衅鞯墓ぷ髟砗臀恢玫拇_定方法，本文不做具體介紹。為節(jié)約成 15 本，在能滿足使用要求的前提下要盡量減小永磁體的體積。取 16 永磁體的軸向長度等于定子鐵心的軸向長度（ Lef=50mm）。 每槽繞組匝數(shù) ZmuNNW ts ?? 2 式中 u –––每槽元件 數(shù)， 2?u ； tN –––并繞根數(shù)， tN =1； m–––相數(shù)， m=3， 18 Z? –––每相槽數(shù)，本設(shè)計為三相對稱繞組， 173513 ???? ZZ 。 ③ 定子槽口寬 b02 在保證嵌線和機械加工方便的條件下， 應選用較小的值 ，本設(shè)計 b02=2mm。 因此 ，24 40 4 . 0 2 1 0 1 0 0 . 2 7 2 . 72 2 0 . 9 5 1 . 5 5 . 1 6j F e a s ah c m m mK B L???? ? ? ? ?? ? ? 考慮到機械強度要求， 本設(shè) 計 hj2=5mm。 ? 式中 ： IN—— 額定相電流， IN=； Nt—— 導線并聯(lián)導體數(shù)，本設(shè)計 Nt=1； J—— 電流密度，本設(shè)計取 J=8A/mm2； 因此導線的截面積為： 239。 導線的實際截面積為： 22 mmAcu ??? ?； 槽滿率 6 5 0 1 . 0 21 0 0 1 0 0 % 2 7 . 1 4 %5 1 4 7 . 9cuf sNAS ZA ?? ? ? ? ??； 21 電樞電阻 3220 . 1 7 8 5 1 0 6 5 0 1 7 0 . 4 84 4 1 . 0 2 1uavCNLR Aa? ?? ? ?? ? ? ???； 式中： avL — 繞組平均半匝長 度， aeav DKLaL ?? ????? ???ppK e 50 0. 8 15 0 17 0a v e aL L a K D m m? ? ? ? ? ?。 38 后端蓋三維圖 39 前端蓋三維圖 該電機定子的電樞槽采用梨形槽的形式，具體尺寸已在上文中計算完成。與此同時，為盡量減小齒槽轉(zhuǎn)矩脈動對極槽配合進行優(yōu)化，采用46 極 51 槽的極槽配合。 23 第四章 輪轂電機二維靜態(tài)磁場仿真分析 ANSYS 軟件在電機磁場分析中有廣泛地應用， 具 有強大的前后處理功能。 建立電機二維模型并導入 ANSYS 軟件 通過 CAD 繪出定子轉(zhuǎn)子組合圖，然后在 CAD 中使用 boundary 命令將組合圖轉(zhuǎn)化成面域的形式，然后通過“文件→輸出”將保存文件名改為 .sat 格式，如圖 41 所示。選擇菜單路徑： Preprocessor→ numbering ctrls → merge item， 出現(xiàn)如圖 45 所 示的對話框選擇 all→ ok， 壓縮同一位置多個點。 25 44 選擇單元類型 材料 屬性 的 定義 選擇菜單路徑： Proprecessor→ Modeling→ Material Props→ Material Models，顯示圖 45 的對話框進行材料屬性定義。 46 定義永磁體的材料屬性 47 定義所有的材料屬性 磁極的磁化方向 的 定義 在定義磁化方向時，選擇平行磁化。 26 48 建立局部坐標系 的菜單路徑 建立完局部坐標的結(jié)果如圖 49 所示。選擇要賦予 材料類型和局部坐標系的面域，點擊 OK，出現(xiàn)如圖 411 所示的對話框，并賦予相應的材料屬性和局部坐標系。要根據(jù)需要靈活 27 選擇網(wǎng)格的大小。故定義轉(zhuǎn)子外圓弧，定子內(nèi)圓弧為邊界條件，兩弧之間為求解區(qū)域。 在 進行 ANSYS 求解 計算 時 ，選擇菜單路徑： Solution→ Solve→ Electromage → Static Analysis → Optamp。 本文采用 后處理模塊 中的 通用后處理器 POST1， 將計算結(jié)果 以簡單 圖形方式顯示出來 。為了減少此處的漏磁，保證磁路的穩(wěn)定，永磁體之間應填充隔磁能力更強的隔磁材料 。 圖 415 磁 失 位圖 （ 3）磁通密度模值和磁通密度 矢量圖 的顯示與分析 選擇菜單路徑： General Postproc → Plot Results → Contour P lot → Nodal Solu， 出現(xiàn) Contour Nodal Solution Data 對話框后，選擇 Magic Flux Density→ Magic Flux Density Vector Sum， 繪制出磁通密度模擬圖，如圖 416所示。 （ 4） 磁場強度的顯示與分析 選擇菜單路徑： General Postproc → Plot Results → Vector Plot→ Predefined，出現(xiàn)對話框后，選擇 F luxamp。所以，需要通過對電樞槽的優(yōu)化改善磁力線的分布。在后處理的過程中對得到的仿真圖進行了詳細地 分析，提出了電機的進一步改進措施 ，即對電樞槽的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化 。電容儲能的優(yōu)點是比功率比較大，能夠在短時間內(nèi)收集大電流電能，其缺點是容量有限，能儲存的電能較少 ；蓄電池恰好相反，其優(yōu)點是儲存電能的容量較大，但是所需充電比較長，不適合于快速回收制動能量。在車輛制動的初期，車速較高、電機轉(zhuǎn)速也較高、反電動勢大，由于超級電容的端電壓低、內(nèi)阻小，直接大電流充電會降低超級電容壽命，需適當 降低充電電壓；在制動的后期，車速降得較低，電機轉(zhuǎn)速也較低，此時，電機反電動勢也比較小 ，要回收更多的制動能量需要進行適當?shù)奶岣叱潆婋妷?。該回收制動能量的發(fā)電裝置，是把制動時汽車的動能轉(zhuǎn)化為電能儲存在儲能裝置中，在需要時，對用電設(shè)備進行供電。既可作為電動機，把機械能轉(zhuǎn)化為電能，也可作為發(fā)電機工作，把機械能轉(zhuǎn)化為電能。 鑒于本文主要是電機設(shè)計對超級電容和蓄電池的具體參數(shù)不做具體介紹。 32 第五章 輪轂電機回收制動能量的工作原理 本文設(shè)計的制動能量回收利用裝置包括：電機、電儲能裝置、電子控制裝置。 圖 419 電樞槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化 31 圖 420 優(yōu)化前后磁力線的分布 由上圖可以明顯看出，電樞槽優(yōu)化后漏磁現(xiàn)象明顯減弱，并且磁力線分布的更加均勻合理，有利于電機綜合性能的提高。從圖中可以清晰地看到磁場強度具體的分布情況。 定子齒部的磁通密度 已 達到飽和，轉(zhuǎn)子軛部和定子軛部的磁通密度 與飽和值相差較大，因此在滿足電機機械強度的條件下，可以 對電機作進一步優(yōu)化，提高材料的利用率。 但從整體上看，電機磁路的設(shè)計還是合理的。 （ 1）磁力線的顯示與分析 單擊 Main menu → General Postproc → Plot Result → Contour P lot→ 2D Flux Lines， 其結(jié)果如圖 414 所示 。 求解完成后顯示圖 413 所示信息 。圖中紫色的線是邊界線，所圍的區(qū)域是求解區(qū)域。由于轉(zhuǎn)子外側(cè)的磁場很弱，定子軛較大，可以認為磁力線與邊界平行。選擇菜單路徑：Preprocessor→ Meshing→ Meshtool，進行網(wǎng)格化分。 圖 49 局部坐標系 效果圖 賦予 材料屬性并劃分網(wǎng)格 在劃分網(wǎng)格之前，需要給永磁體面域賦予材料屬性及相應的局部坐標系。局部坐標系的 X 軸方向默認為指向 N 極，相鄰磁極的 N、 S 極交錯排布。 45 定義材料屬性 本文需要定義三種材料，空氣、鐵心和永磁體。 43 進行布爾運算 定義單元類型，選擇 PLANE53 單元。 設(shè)置圖形用戶界面（ GUI）并處理導入的模型 選 擇 菜單 路 徑 ： Main Menu → Preferences ，在彈出的對話框中選擇 24 Magicnodal，以便在進行二維靜態(tài)磁場分析時過濾掉一些不必要的菜單及相應圖形界面。將模型輸入 ANSYS 后就可以進行求解，通過后處理可以得到磁力線分布圖，磁位 矢圖等，通過對仿真數(shù)據(jù)的分 析可以對電機磁場進行進一步的優(yōu)化設(shè)。然后，對電機的具體參數(shù)進行設(shè)計并計算出了具體的數(shù)值。電機的裝配圖如 311 所示。由于，端