【文章內(nèi)容簡介】 能最高的永磁材料。此外，很重要的一點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)鋁鎳鈷價(jià)格便宜。表22具體對(duì)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(duì)鐵氧體和稀土永磁材料對(duì)電機(jī)影響的分析，永磁電機(jī)要求永磁材料材料具有高矯頑力，高剩磁感應(yīng)強(qiáng)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(jī)的永磁材料。 本文所設(shè)計(jì)電機(jī)的主要特點(diǎn)本文設(shè)計(jì)的永磁直流無刷電機(jī)具有以下特點(diǎn)：（1）該電機(jī)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(jī)，回收制動(dòng)能量時(shí)，使用輪轂直接驅(qū)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)子與車輪輪轂固定在一起，動(dòng)力直接傳動(dòng)，減少了機(jī)械損耗，提高了傳動(dòng)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(gè)數(shù)，降低銅耗，傳動(dòng)效率高。 該電機(jī)的裝配圖如24所示。圖24輪轂電機(jī)總裝配圖；；；；；；；；；；；；；； 本文電機(jī)設(shè)計(jì)的原則對(duì)于本文要設(shè)計(jì)的輪轂式制動(dòng)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(jī)的常用電機(jī)類型及其優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇基于永磁無刷直流電機(jī)對(duì)制動(dòng)能量回收利用裝置進(jìn)行研究；本章還介紹了永磁電機(jī)上常用的永磁材料及其優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇了綜合性能較好的鐵釹硼材料作為所設(shè)計(jì)永磁電機(jī)的永磁材料。此外，本章還介紹了所設(shè)計(jì)永磁電機(jī)的主要特點(diǎn)和基本的設(shè)計(jì)原則。第三章 輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算 電機(jī)的總體結(jié)構(gòu) 永磁無刷直流電機(jī)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(huì)在很大程度上決定發(fā)電機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和性能，同時(shí)也影響發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能。兩相發(fā)電機(jī)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(dòng)較大。隨著電機(jī)電樞相數(shù)增多，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲會(huì)比較小，但是會(huì)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(jī)使用三相或四相，又奇數(shù)相的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較小，所以本電機(jī)采用三相繞組。又考慮到電機(jī)雜散損耗，采用繞組采用星型接法。紹。 定子繞組是是電機(jī)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(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電機(jī)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(duì)提高電機(jī)的性能有很大的幫助。無刷直流電機(jī)繞組選擇時(shí)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(dòng)勢(shì)；（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(dòng)勢(shì)高次諧波，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；在滿足以上條件的前提下，本文所設(shè)計(jì)電機(jī)采用短距分?jǐn)?shù)槽集中雙層繞組，為達(dá)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(gè)齒后隔六個(gè)槽再繞4個(gè)齒，隔七個(gè)槽后繞3個(gè)齒，再隔7個(gè)槽后繞3個(gè)齒，再隔7個(gè)槽后繞3個(gè)齒。（2）B相先每隔7個(gè)槽繞3個(gè)齒，繞3次，再每隔7個(gè)槽繞4個(gè)齒，繞兩次。（3）C相先繞3個(gè)齒，隔7個(gè)槽后，繞4個(gè)齒，繞2次，再每隔7個(gè)槽繞3個(gè)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(hào)。圖34 繞組繞法展開圖 極槽配合的設(shè)計(jì) 電機(jī)脈動(dòng)問題如齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、換向轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等，一直制約著永磁直流無刷電機(jī)性能的進(jìn)一步提高。分?jǐn)?shù)槽繞組電機(jī)是指繞組每極每相的槽數(shù)為分?jǐn)?shù)的電機(jī)。分?jǐn)?shù)槽繞組電機(jī)體積一般比較小、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較低、效率高，成本也相對(duì)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(diǎn)，目前在電機(jī)上的應(yīng)用越來越廣泛。本文所設(shè)計(jì)電機(jī)也采用分?jǐn)?shù)槽繞組，并為進(jìn)一步降低齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高電機(jī)性能，要對(duì)電機(jī)的極槽配合進(jìn)行優(yōu)化。 通過查閱有關(guān)文獻(xiàn)得無刷直流電機(jī)分?jǐn)?shù)槽集中繞組組合計(jì)算表，如表31所示。表31三相無刷直流電機(jī)分?jǐn)?shù)槽集中繞組組合計(jì)算表 從表31可以看出，極對(duì)數(shù)為111123時(shí)，各種槽數(shù)與極對(duì)數(shù)間沒有公約數(shù)，為分?jǐn)?shù)槽單元機(jī)組合，這時(shí)電機(jī)機(jī)數(shù)與槽數(shù)成績?cè)酱?，齒槽轉(zhuǎn)矩越小。對(duì)于分?jǐn)?shù)槽集中繞組，如果兩個(gè)元件邊電動(dòng)勢(shì)相位角接近1800 ，即槽距角，即，則繞組系數(shù)較高，反電動(dòng)勢(shì)波形更趨于標(biāo)準(zhǔn)，電機(jī)脈動(dòng)小。當(dāng)取與的差值較小的組合時(shí)，較接近1800 。當(dāng)電機(jī)的極數(shù)較多時(shí)，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(jì)的電機(jī)采用23個(gè)對(duì)極，51個(gè)槽。 電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)確定 永磁電機(jī)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(jī)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(lì)磁結(jié)構(gòu)，橫向勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，切向勵(lì)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(jì)電機(jī)采用徑向勵(lì)磁結(jié)構(gòu)。 爪極式轉(zhuǎn)子是由一個(gè)柱狀環(huán)形磁鋼和兩個(gè)各帶極對(duì)數(shù)個(gè)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(gè)法蘭盤的S極爪形極靴形成回路，為電機(jī)提供勵(lì)磁。爪極式轉(zhuǎn)子雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但是，爪極式轉(zhuǎn)子質(zhì)量較重，加工困難，漏磁嚴(yán)重，電機(jī)的工作效率較低。所以，爪極式轉(zhuǎn)子不適宜運(yùn)用在輪轂電機(jī)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(diǎn)。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(jī)的直軸電樞反應(yīng)小于交軸電樞反應(yīng)，電機(jī)有較寬的調(diào)速范圍。但是該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)漏磁較多，機(jī)械強(qiáng)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(jī)。 橫向磁場結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子如圖33所示，該電機(jī)有一定的優(yōu)點(diǎn)，但是這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易加工，同時(shí)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(jī)作為輪轂電機(jī)使用時(shí)技術(shù)還不成熟。 目前，徑向勵(lì)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(shí)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(cuò)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(shì)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(jī)電樞磁場經(jīng)極靴形成回路，不會(huì)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(jī)中有廣泛的應(yīng)用。 35電機(jī)轉(zhuǎn)子二維圖 36電機(jī)轉(zhuǎn)子三維模型圖 本文所設(shè)計(jì)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(duì)位置確定 永磁直流無刷電機(jī)要正常運(yùn)行，需要確定定轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置。目前，一般使用霍爾位置傳感器對(duì)定轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置信號(hào)進(jìn)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(jī)各參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 輪轂電機(jī)額定參數(shù)設(shè)計(jì)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(jìn)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(diǎn)的發(fā)電機(jī)。 輪轂電機(jī)永磁體尺寸設(shè)計(jì)釹鐵硼永磁材料具有優(yōu)越的磁性能，同時(shí)價(jià)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(yàn)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(jì)s＝；—電動(dòng)機(jī)計(jì)算功率，–電機(jī)效率，本設(shè)計(jì)＝，––電機(jī)額定功率，=，計(jì)算得：=；—起動(dòng)電流倍數(shù)，本設(shè)計(jì)?。弧獯怕反艍航迪禂?shù)，=～3，本設(shè)計(jì)=；—反電動(dòng)勢(shì)平均值與最大值之比，，—磁狀態(tài)角，本設(shè)計(jì)為三相二導(dǎo)通六狀態(tài)星形連接， 因此，計(jì)算得：=?！姍C(jī)頻率，；–極對(duì)數(shù)，本設(shè)計(jì)=23，n–電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，n=750r/min；—額定工作狀態(tài)時(shí)，磁鋼中性截面上的磁通密度，通常取，—剩磁感應(yīng)強(qiáng)度, =，本設(shè)計(jì) ，計(jì)算得：；—在磁鐵工作圖上，與回復(fù)直線起始點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的磁鋼內(nèi)的磁場強(qiáng)度，通常取，—矯頑力，=872KA/m，本設(shè)，計(jì)算得：5232 KA/m；公式中、均在一定范圍內(nèi)，變化不大。設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)給定的額定功率、起動(dòng)電流倍數(shù)、選用永磁材料的就可計(jì)算出一個(gè)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(shí)際取用時(shí)，永磁體一般要留出適當(dāng)?shù)挠嗔?，本文電機(jī)采用實(shí)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