【文章內(nèi)容簡介】 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， 10 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。 11 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) 電機相數(shù) 的確定 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。 電機繞組 的設(shè)計 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) 12 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 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?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 ??180? ，即 00 2pZ ? ，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 0Z 與 02p 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) 14 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。霍爾位置傳感器的工作原理和位置的確定方法，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 72 750 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 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。 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： 3810068 90 mmHfBK c mKmHapnm ???? 式中 ： σ — 漏磁系數(shù) ， ?＝ ～ ，本設(shè)計 ?＝ ； Ρ? — 電動機計算功率，NΡ3η2η1Ρ ???， η –電機效率 ，本設(shè)計 η ＝ ，NΡ ––電機額定功率， NΡ =，計算得： Ρ? =； nK — 起動電流倍數(shù)，本設(shè)計取 8Kn? ； c — 外磁路磁壓降系數(shù)， c =～ 3，本設(shè)計 c =； apΚ — 反電動勢平均值與最大值之比，mapap ΕΕΚ ? ， ? ?? ? ? ?ωtd2Ζa2π 2Ζa2π ωts inmΕΖa 1apΕ ? ??? ， Ζa — 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 3πaΖ?，計算得： ap? =。 f — 電機頻率， p n 2 3 7 5 0f 2 8 7 .5 H z6 0 6 0?? ? ?； p –極對數(shù) ，本設(shè)計 p =23，n–電機額定轉(zhuǎn)速， n=750r/min； mHB — 額定工 作狀態(tài) 時，磁 鋼中 性截面 上的磁 通密度 ，通常 取? ? rmH ~ ??B ， rB — 剩磁感應(yīng)強度 , rB = ，本設(shè)計 rmH ??B ，計算得： ?mHB ； ??m — 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 ? ? cmΚ ??? ~ ， c? — 矯 頑 力， c? =872KA/m ，本設(shè)cmΚ ??? ，計算得： ??mΚ 5232 KA/m； 公式中 ? 、 c 、 apK 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 NP 、起動電流倍數(shù) nK 、選用永磁材料的 mΚmHB ?? 就可計算出一個永磁體的體積： 838 3 3 30 0 6 8 9 1 01 .0 5 2 5 1 2 80 0 6 8 9 1 0 1 .0 8 1 00 9 5 2 8 7 .5 1 1 2 5 5 2 3 .2nma p m H m KΡ c σV . m mK fB H... m m m m..? ???? ? ?? ? ? ?? ? ? 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 10mV mm?? 的永磁材料。取 16 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 向 長 度 03? ， 所 以 永 磁 體 的 寬 度8V mb mmLhMef??? 。 ??? ??? ??? ??? ??? ??? ?????????????????????????????????????????永磁體磁化方向長度氣隙系數(shù)??? 圖 36 磁化長度與氣隙系數(shù)的關(guān)系曲線 輪轂 電機轉(zhuǎn)子尺寸計算 轉(zhuǎn)子 內(nèi) 徑