【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 計(jì)的永磁直流無(wú)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(jiǎn)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(chē)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(zhǎng)和繞組端部，能夠減小原件個(gè)數(shù)，降低銅耗， 10 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(zhǎng)行駛里程效果明顯。 ，滿足汽車(chē)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(lèi)型及其優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇基于永磁無(wú)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。 11 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) 電機(jī)相數(shù) 的確定 永磁無(wú)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(jiǎn)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(lái)繞組繞線困難，控制系統(tǒng)復(fù)雜的問(wèn)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。 電機(jī)繞組 的設(shè)計(jì) 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(lái)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(lèi)有很多方法，根據(jù)不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，有很多種類(lèi)。選擇出合適的繞組類(lèi)型對(duì)提高電機(jī)的性能有很大的幫助。無(wú)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(jiǎn)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(kāi)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(kāi)圖，圖中數(shù) 12 字為定子齒號(hào)。 圖 34 繞組 繞法 展開(kāi)圖 極槽配合 的設(shè)計(jì) 電機(jī)脈動(dòng)問(wèn)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(wú)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(zhǎng)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(lái)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(guò)查閱有關(guān)文獻(xiàn)得無(wú)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(wú)刷直流電機(jī)分 數(shù)槽集中繞組組合計(jì)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(duì)數(shù)為 1 1 1 1 23 時(shí)，各種槽數(shù)與極對(duì)數(shù)間沒(méi)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(jī)?cè)酱螅X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 ??180? ，即 00 2pZ ? ，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 0Z 與 02p 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(zhǎng)方體形，這樣就極大的簡(jiǎn)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(lèi)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(lèi)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(pán)組成，如圖 31 所示。法蘭盤(pán)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(pán)的 N 極爪形極靴和另一個(gè)法蘭盤(pán)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(chǎng)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(chǎng)經(jīng)磁軛形成閉合回路，防止氣隙內(nèi)不可逆畸形磁場(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)度共同向磁路提供磁勢(shì)該轉(zhuǎn)子又分為有極靴和無(wú)極靴兩種類(lèi)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(chǎng)經(jīng)極靴形成回路，不會(huì)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(lèi)型。其中，加工工藝簡(jiǎn)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(wú)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。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(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(lèi)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(chē)技術(shù)的進(jìn)步，汽車(chē)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 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(yàn) 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(jì) ?＝ ； Ρ? — 電動(dòng)機(jī)計(jì)算功率，NΡ3η2η1Ρ ???， η –電機(jī)效率 ，本設(shè)計(jì) η ＝ ，NΡ ––電機(jī)額定功率， NΡ =，計(jì)算得： Ρ? =； nK — 起動(dòng)電流倍數(shù)，本設(shè)計(jì)取 8Kn? ； c — 外磁路磁壓降系數(shù)， c =～ 3，本設(shè)計(jì) c =； apΚ — 反電動(dòng)勢(shì)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(jì)為三相二導(dǎo)通六狀態(tài)星形連接， 因此 3πaΖ?，計(jì)算得： ap? =。 f — 電機(jī)頻率， p n 2 3 7 5 0f 2 8 7 .5 H z6 0 6 0?? ? ?； p –極對(duì)數(shù) ，本設(shè)計(jì) p =23，n–電機(jī)額定轉(zhuǎn)速， n=750r/min； mHB — 額定工 作狀態(tài) 時(shí)，磁 鋼中 性截面 上的磁 通密度 ，通常 取? ? rmH ~ ??B ， rB — 剩磁感應(yīng)強(qiáng)度 , rB = ，本設(shè)計(jì) rmH ??B ，計(jì)算得： ?mHB ； ??m — 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(chǎng)強(qiáng) 度，通常取 ? ? cmΚ ??? ~ ， c? — 矯 頑 力， c? =872KA/m ，本設(shè)cmΚ ??? ，計(jì)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(jì)時(shí)可根據(jù)給定的額定功率 NP 、起動(dòng)電流倍數(shù) nK 、選用永磁材料的 mΚmHB ?? 就可計(jì)算出一個(gè)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(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 10mV mm?? 的永磁材料。取 16 永磁體的軸向長(zhǎng)度等于定子鐵心的軸向長(zhǎng)度（ Lef=50mm）。圖 3為磁化 長(zhǎng)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(zhǎng) 度 03? ， 所 以 永 磁 體 的 寬 度8V mb mmLhMef??? 。 ??? ??? ??? ??? ??? ??? ?????????????????????????????????????????永磁體磁化方向長(zhǎng)度氣隙系數(shù)??? 圖 36 磁化長(zhǎng)度與氣隙系數(shù)的關(guān)系曲線 輪轂 電機(jī)轉(zhuǎn)子尺寸計(jì)算 轉(zhuǎn)子 內(nèi) 徑