【文章內(nèi)容簡介】 能最高的永磁材料。此外，很重要的一點是價格相對鋁鎳鈷價格便宜。表22具體對比了以上三種永磁材料的性能參數(shù)。表22 永磁材料性能參數(shù)性能剩磁感Br（T）矯頑力Hc(kA/m)磁能積(kJ/ m3)溫度系數(shù)(%/C)比重(g/cm3)比電阻(μΩ/cm)釹鐵硼872288144鋁鎳鈷1288845鐵氧體224103 通過對鐵氧體和稀土永磁材料對電機影響的分析，永磁電機要求永磁材料材料具有高矯頑力，高剩磁感應(yīng)強度，高最大磁能積等磁特性。由上表可知，釹鐵硼稀土永磁材料最符合要求。因此，選擇釹鐵硼稀土永磁材料作為本電機的永磁材料。 本文所設(shè)計電機的主要特點本文設(shè)計的永磁直流無刷電機具有以下特點：（1）該電機采用高性能的矩形釹鐵硼永磁材料，體積較小，質(zhì)量輕，加工工藝簡單，功率密度高。（2）采用外轉(zhuǎn)子型電機，回收制動能量時，使用輪轂直接驅(qū)動。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。（3）定子電樞繞組采用多股細(xì)銅線繞制的的分?jǐn)?shù)槽繞組。定子電樞繞組采用分?jǐn)?shù)槽形式能夠縮短線圈的周長和繞組端部，能夠減小原件個數(shù)，降低銅耗，傳動效率高。 該電機的裝配圖如24所示。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。，延長行駛里程效果明顯。，滿足汽車平順性要求。，克服輪轂空間限制。 本章小結(jié) 本章講述了輪轂電機的常用電機類型及其優(yōu)缺點，最終選擇基于永磁無刷直流電機對制動能量回收利用裝置進行研究；本章還介紹了永磁電機上常用的永磁材料及其優(yōu)缺點，最終選擇了綜合性能較好的鐵釹硼材料作為所設(shè)計永磁電機的永磁材料。此外，本章還介紹了所設(shè)計永磁電機的主要特點和基本的設(shè)計原則。第三章 輪轂電機結(jié)構(gòu)設(shè)計及主要參數(shù)的設(shè)計計算 電機的總體結(jié)構(gòu) 永磁無刷直流電機的相數(shù)，可以是兩相、三相、四相、五相甚至是十二相。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(biāo)和性能，同時也影響發(fā)電機的經(jīng)濟性能。兩相發(fā)電機的電路簡單，元件使用量比較少，成本比較低，但是轉(zhuǎn)矩脈動較大。隨著電機電樞相數(shù)增多，轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲會比較小，但是會帶來繞組繞線困難，控制系統(tǒng)復(fù)雜的問題。目前，一般中小型電機使用三相或四相，又奇數(shù)相的轉(zhuǎn)矩脈動比較小，所以本電機采用三相繞組。又考慮到電機雜散損耗，采用繞組采用星型接法。紹。 定子繞組是是電機定子的主要組成部分，由線圈組在端部以一定方式連接起來構(gòu)成定子電路，與轉(zhuǎn)子磁通相對運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。電機繞組的分類有很多方法，根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，有很多種類。選擇出合適的繞組類型對提高電機的性能有很大的幫助。無刷直流電機繞組選擇時必須滿足以下基本條件：（1） 沿圓周排列的繞組導(dǎo)體通電后產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子磁極相同的極數(shù)；（2） 用較少的銅材料得到最大轉(zhuǎn)矩和反電動勢；（3） 繞組加工工藝簡單，維修方面；（4） 絕緣性好，溫升低，可靠性高； （5）消除反電動勢高次諧波，減小轉(zhuǎn)矩脈動；在滿足以上條件的前提下，本文所設(shè)計電機采用短距分?jǐn)?shù)槽集中雙層繞組，為達到每相繞組所占槽數(shù)均勻的目的，三相繞組采用如下繞法（從A相開始）：（1）A相繞4個齒后隔六個槽再繞4個齒，隔七個槽后繞3個齒，再隔7個槽后繞3個齒，再隔7個槽后繞3個齒。（2）B相先每隔7個槽繞3個齒，繞3次，再每隔7個槽繞4個齒，繞兩次。（3）C相先繞3個齒，隔7個槽后，繞4個齒，繞2次，再每隔7個槽繞3個齒，繞2次。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)字為定子齒號。圖34 繞組繞法展開圖 極槽配合的設(shè)計 電機脈動問題如齒槽轉(zhuǎn)矩脈動、換向轉(zhuǎn)矩脈動等，一直制約著永磁直流無刷電機性能的進一步提高。分?jǐn)?shù)槽繞組電機是指繞組每極每相的槽數(shù)為分?jǐn)?shù)的電機。分?jǐn)?shù)槽繞組電機體積一般比較小、轉(zhuǎn)矩脈動比較低、效率高，成本也相對較低。另外，分?jǐn)?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)。由于分?jǐn)?shù)槽繞組具有很多整數(shù)槽繞組所不具備的優(yōu)點，目前在電機上的應(yīng)用越來越廣泛。本文所設(shè)計電機也采用分?jǐn)?shù)槽繞組，并為進一步降低齒槽轉(zhuǎn)矩脈動，提高電機性能，要對電機的極槽配合進行優(yōu)化。 通過查閱有關(guān)文獻得無刷直流電機分?jǐn)?shù)槽集中繞組組合計算表，如表31所示。表31三相無刷直流電機分?jǐn)?shù)槽集中繞組組合計算表 從表31可以看出，極對數(shù)為111123時，各種槽數(shù)與極對數(shù)間沒有公約數(shù)，為分?jǐn)?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。對于分?jǐn)?shù)槽集中繞組，如果兩個元件邊電動勢相位角接近1800 ，即槽距角，即，則繞組系數(shù)較高，反電動勢波形更趨于標(biāo)準(zhǔn)，電機脈動小。當(dāng)取與的差值較小的組合時，較接近1800 。當(dāng)電機的極數(shù)較多時，可以把傳統(tǒng)的弧形或瓦片形磁鋼改為長方體形，這樣就極大的簡化了加工工藝，從而降低了成本。所以，本文所設(shè)計的電機采用23個對極，51個槽。 電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)確定 永磁電機的轉(zhuǎn)子具有很多種結(jié)構(gòu)，有不同種的分類方法。根據(jù)電樞繞組位置不同可以分為內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)，該電機采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；按永磁體磁化方向又可分為徑向勵磁結(jié)構(gòu)，橫向勵磁結(jié)構(gòu)，切向勵磁結(jié)構(gòu)，永磁爪極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)四種類型。本文所設(shè)計電機采用徑向勵磁結(jié)構(gòu)。 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。法蘭盤上的爪在圓周上相互嚙合，在歐兩法蘭之間是柱狀環(huán)形磁鋼，這樣就使法蘭盤的N極爪形極靴和另一個法蘭盤的S極爪形極靴形成回路，為電機提供勵磁。爪極式轉(zhuǎn)子雖然有很多優(yōu)點，但是，爪極式轉(zhuǎn)子質(zhì)量較重，加工困難，漏磁嚴(yán)重，電機的工作效率較低。所以，爪極式轉(zhuǎn)子不適宜運用在輪轂電機上。 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。電樞反應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)磁場經(jīng)磁軛形成閉合回路，防止氣隙內(nèi)不可逆畸形磁場產(chǎn)生，而且電機的直軸電樞反應(yīng)小于交軸電樞反應(yīng)，電機有較寬的調(diào)速范圍。但是該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機漏磁較多，機械強度低，加工工藝復(fù)雜，并且成本較高，該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子不適合外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機。 橫向磁場結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子如圖33所示，該電機有一定的優(yōu)點，但是這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易加工，同時定轉(zhuǎn)子有軸向吸引力，裝配困難，功率因數(shù)低，控制系統(tǒng)復(fù)雜。該電機作為輪轂電機使用時技術(shù)還不成熟。 目前，徑向勵磁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子使用較多，磁鋼用不導(dǎo)磁的螺釘與轉(zhuǎn)子鐵心固接，有時也用特制的膠將磁鋼黏貼在轉(zhuǎn)子鐵心表面。N極、S極交錯布置，形成串聯(lián)磁路，由一塊永磁體外表面向氣隙提供磁通，兩塊永磁體磁化長度共同向磁路提供磁勢該轉(zhuǎn)子又分為有極靴和無極靴兩種類型，極靴大多采用軟磁材料，磁導(dǎo)率較大，極靴轉(zhuǎn)子電機電樞磁場經(jīng)極靴形成回路，不會使磁鋼退磁。該轉(zhuǎn)子磁鋼的形狀有矩形磁鋼、弧形磁鋼、瓦片磁鋼三種類型。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(yīng)用。 35電機轉(zhuǎn)子二維圖 36電機轉(zhuǎn)子三維模型圖 本文所設(shè)計的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如上圖所示，具體的參數(shù)在以后的章節(jié)中，具體介紹。 定轉(zhuǎn)子相對位置確定 永磁直流無刷電機要正常運行，需要確定定轉(zhuǎn)子的相對位置。目前，一般使用霍爾位置傳感器對定轉(zhuǎn)子的相對位置信號進行采集?；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。 輪轂電機各參數(shù)設(shè)計計算 輪轂電機額定參數(shù)設(shè)計參數(shù)類型額定電壓UN/V額定電流IN/A額定功率PN/kw額定轉(zhuǎn)速rad/min額定效率%具體數(shù)值72750 額定功率 1kw。隨著汽車技術(shù)的進步，汽車上用電設(shè)備不斷增加，用電量也隨著增多，因而要適當(dāng)選取額定功率大一點的發(fā)電機。 輪轂電機永磁體尺寸設(shè)計釹鐵硼永磁材料具有優(yōu)越的磁性能，同時價格也比較高。為節(jié)約成本，在能滿足使用要求的前提下要盡量減小永磁體的體積。在輸出功率一定的情況下,以下經(jīng)驗公式可以用以初步估算永磁體體積：式中：—漏磁系數(shù)， s＝～，本設(shè)計s＝；—電動機計算功率，–電機效率，本設(shè)計＝，––電機額定功率，=，計算得：=；—起動電流倍數(shù)，本設(shè)計??；—外磁路磁壓降系數(shù)，=～3，本設(shè)計=；—反電動勢平均值與最大值之比，，—磁狀態(tài)角，本設(shè)計為三相二導(dǎo)通六狀態(tài)星形連接， 因此，計算得：=?！姍C頻率，；–極對數(shù)，本設(shè)計=23，n–電機額定轉(zhuǎn)速，n=750r/min；—額定工作狀態(tài)時，磁鋼中性截面上的磁通密度，通常取，—剩磁感應(yīng)強度, =，本設(shè)計 ，計算得：；—在磁鐵工作圖上，與回復(fù)直線起始點相對應(yīng)的磁鋼內(nèi)的磁場強度，通常取，—矯頑力，=872KA/m，本設(shè)，計算得：5232 KA/m；公式中、均在一定范圍內(nèi)，變化不大。設(shè)計時可根據(jù)給定的額定功率、起動電流倍數(shù)、選用永磁材料的就可計算出一個永磁體的體積： 考慮到其他不可預(yù)估因素，比如加工磨損等，在實際取用時，永磁體一般要留出適當(dāng)?shù)挠嗔?，本文電機采用實際體積為的永磁材料。取永磁體的軸向長度等于定子鐵心的軸向長度（Lef=50mm）。圖3為磁化長度與氣隙系數(shù)關(guān)系曲線，在滿足永磁體抗去磁能力的前提下，為能取得較大的氣隙系數(shù)，取永磁體磁化方