【導(dǎo)讀】的發(fā)展方向，本文研究利用輪轂式發(fā)電機(jī)回收制動(dòng)能量的實(shí)用技術(shù)。生出電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)電刷、換向器裝置整流為直流后，引向外部負(fù)載（或電網(wǎng)），首先，選擇永磁無(wú)刷直流電機(jī)。與其他電機(jī)相比,永磁無(wú)刷電機(jī)具有功率。聲低等一系列優(yōu)點(diǎn),在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域頗受青睞。本文將進(jìn)行永磁無(wú)刷直流電機(jī)的。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。對(duì)發(fā)電機(jī)的端蓋、定子、轉(zhuǎn)子進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并查閱資料，確定各。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，檢驗(yàn)該轉(zhuǎn)。進(jìn)行弱磁的效果可以得到較好改善。

　　

【正文】 選擇菜單路徑 Preprocessor → modeling → operate → Blooeans → overlap → areas，出現(xiàn)如圖 46 所示對(duì)話框，選擇 pick all,對(duì)面進(jìn)行布爾操作。 43 進(jìn)行布爾運(yùn)算 定義單元類(lèi)型，選擇 PLANE53 單元。選擇菜單路徑： Proprecessor→ Element Type→ Add/Edit/Delete→ Add，然后選擇 Magic Vector→ Quad 8 node 53，如圖 44 所示。 25 44 選擇單元類(lèi)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(duì)話框進(jìn)行材料屬性定義。進(jìn)入圖 45 的對(duì)話框后，選擇路徑“ Material→ New Model”創(chuàng)建新材料。 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。首先是永磁材料，選擇型號(hào)為 NTP288H 的 稀土永磁材料，由于材料的退磁曲線是線性的，只需要定義相對(duì)磁導(dǎo)率和矯頑力，相對(duì)磁導(dǎo)率 ，矯頑力 8720xx，如圖 46 所示；空氣只需定義相對(duì)磁導(dǎo)率，其值為 ；定子、轉(zhuǎn)子由硅鋼片壓制而成，相對(duì)磁導(dǎo)率較大，取值為 47 所示。 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(shí)，選擇平行磁化。具體方法是，對(duì)應(yīng)每一個(gè)磁極建立一個(gè)局部坐標(biāo)系，共需建立 46 個(gè)局部坐標(biāo)系。局部坐標(biāo)系的 X 軸方向默認(rèn)為指向 N 極，相鄰磁極的 N、 S 極交錯(cuò)排布。在建立局部坐標(biāo)系時(shí)，采用 3 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的類(lèi)型，選擇菜單路徑： Workplane→ Local Coordinate SystemCreateLocal→ By 3 Keypoints +，如圖 48 所示。 26 48 建立局部坐標(biāo)系 的菜單路徑 建立完局部坐標(biāo)的結(jié)果如圖 49 所示。綠色細(xì)線為所建立的局部坐標(biāo)系。 圖 49 局部坐標(biāo)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(yīng)的局部坐標(biāo)系。選擇菜單路徑： Preprocessor→ Meshing→ Mesh Attributes → Pick Areas， 出現(xiàn)圖410 所示對(duì)話框。選擇要賦予 材料類(lèi)型和局部坐標(biāo)系的面域，點(diǎn)擊 OK，出現(xiàn)如圖 411 所示的對(duì)話框，并賦予相應(yīng)的材料屬性和局部坐標(biāo)系。 410 選擇材料屬性 411 賦予材料屬性 給所有的面域賦予完材料類(lèi)型后，開(kāi)始劃分網(wǎng)格。選擇菜單路徑：Preprocessor→ Meshing→ Meshtool，進(jìn)行網(wǎng)格化分。 網(wǎng)格的大小對(duì)求解精度的影響較大，網(wǎng)格越小求解精度越高，但計(jì)算時(shí)間也相應(yīng)越長(zhǎng)。要根據(jù)需要靈活 27 選擇網(wǎng)格的大小。 設(shè)置 邊界條件 電機(jī)的磁場(chǎng) 分析需要定義一定的求解區(qū)域 [34]。由于轉(zhuǎn)子外側(cè)的磁場(chǎng)很弱，定子軛較大，可以認(rèn)為磁力線與邊界平行。 假 設(shè)鐵芯的磁導(dǎo)率是各向同性的，不計(jì) 磁滯效應(yīng)， 不考慮 渦流效應(yīng) 的影響 。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。邊界條件設(shè)置如圖 412 所示。圖中紫色的線是邊界線，所圍的區(qū)域是求解區(qū)域。 412 邊界條件設(shè)置 求解 本文建立的電機(jī)磁場(chǎng)仿真模型為二維模型，因此 完成 以上 步驟后， 選擇2D 求解器 ，根據(jù)實(shí)際需要對(duì)求解器進(jìn)行設(shè)置，本文使用默認(rèn)設(shè)置對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)進(jìn)行 求解。 在 進(jìn)行 ANSYS 求解 計(jì)算 時(shí) ，選擇菜單路徑： Solution→ Solve→ Electromage → Static Analysis → Optamp。Solv。 求解完成后顯示圖 413 所示信息 。 28 413 求解 后處理 有限元模型建立并求解完成 后 ， 需要通過(guò) 后處理模塊 對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行查看、分析。 本文采用 后處理模塊 中的 通用后處理器 POST1， 將計(jì)算結(jié)果 以簡(jiǎn)單 圖形方式顯示出來(lái) 。 下面是通過(guò) POST1 處理器得到的結(jié)果圖形。 （ 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 。 圖 414 磁力線分布圖 從磁力線分布圖可以看到，磁鋼之間有漏磁現(xiàn)象，因此只靠空氣來(lái)隔磁不夠。為了減少此處的漏磁，保證磁路的穩(wěn)定，永磁體之間應(yīng)填充隔磁能力更強(qiáng)的隔磁材料 。 當(dāng)定子齒處于永磁體交錯(cuò)位置時(shí) ，磁力線由永磁體 N 極出發(fā) ，穿過(guò)氣隙，通過(guò)定子齒端部，再穿過(guò)氣隙，回到定子軛，回到永磁體 S 極，形成閉合回路， 定子齒 中部 沒(méi)有 磁力線通過(guò)，漏磁較為嚴(yán)重。 但從整體上看，電機(jī)磁路的設(shè)計(jì)還是合理的。 29 （ 2）磁 失 位 的顯示與分 析 選擇菜單路徑： Main menu → General Postproc → Plot Results → Contour Plot → Nodal Solu Contour Nodal Solution Data， 出現(xiàn) 對(duì)話框中選擇 DOF Solution → ZComponent of magic vector potential， 磁 矢位的顯示 結(jié)果如圖415 所示 ： 從圖中可以看出，外磁路上定、轉(zhuǎn)子軛，定子齒的磁勢(shì)較小，磁勢(shì)主要降到氣隙上，能夠保證獲得較大的氣隙磁密，符合理論設(shè)計(jì)要求。 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(duì)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。 圖 416 磁通密度模圖 圖 417 磁通密度矢量圖 30 從圖 416 中可以看出 電機(jī)氣隙的磁通密度主要在 和 ，其平均值在 ，滿足設(shè)計(jì)要求。 定子齒部的磁通密度 已 達(dá)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(jī)機(jī)械強(qiáng)度的條件下，可以 對(duì)電機(jī)作進(jìn)一步優(yōu)化，提高材料的利用率。 通過(guò) 417 磁通密度矢量 圖可以直觀的觀察磁通的方向。 （ 4） 磁場(chǎng)強(qiáng)度的顯示與分析 選擇菜單路徑： General Postproc → Plot Results → Vector Plot→ Predefined，出現(xiàn)對(duì)話框后，選擇 F luxamp。gradient→ Mag field H，繪出如圖 418 所示的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。從圖中可以清晰地看到磁場(chǎng)強(qiáng)度具體的分布情況。 418 磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖 電樞槽的優(yōu)化 由以上對(duì)輪轂電機(jī)的靜態(tài)磁場(chǎng)分析可知，磁力線的分布不均勻并且在磁極間有一定的漏磁現(xiàn)象。所以，需要通過(guò)對(duì)電樞槽的優(yōu)化改善磁力線的分布。 圖419 是優(yōu)化前后電樞槽的結(jié)構(gòu)。 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(jī)綜合性能的提高。 本章小結(jié) 本章具體介紹了 利用 ANSYS 軟 件進(jìn)行有限元分析法設(shè)計(jì)電機(jī)的步驟，得出了二維靜態(tài)磁場(chǎng)分析的結(jié)果。在后處理的過(guò)程中對(duì)得到的仿真圖進(jìn)行了詳細(xì)地 分析，提出了電機(jī)的進(jìn)一步改進(jìn)措施 ，即對(duì)電樞槽的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化 。 又通過(guò)對(duì)優(yōu)化后模型的仿真，驗(yàn)證了措施的可行性。 32 第五章 輪轂電機(jī)回收制動(dòng)能量的工作原理 本文設(shè)計(jì)的制動(dòng)能量回收利用裝置包括：電機(jī)、電儲(chǔ)能裝置、電子控制裝置。 儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì) 常用的儲(chǔ)能裝置有電容 和電池組兩種。電容儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)是比功率比較大，能夠在短時(shí)間內(nèi)收集大電流電能，其缺點(diǎn)是容量有限，能儲(chǔ)存的電能較少 ；蓄電池恰好相反，其優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)存電能的容量較大，但是所需充電比較長(zhǎng)，不適合于快速回收制動(dòng)能量。綜合分析后，本論文采用超級(jí)電容和蓄電池串聯(lián)組成的能量回收裝置， 首先將電能儲(chǔ)存在作為中轉(zhuǎn)的超級(jí)電容中，然后由超級(jí)電容向蓄電池充電 。 鑒于本文主要是電機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)超級(jí)電容和蓄電池的具體參數(shù)不做具體介紹。 制動(dòng)能量回收裝置的控制 策略 為能夠盡可能多的 回收 制動(dòng)能量 ，必須要有合理的控制策略。在車(chē)輛制動(dòng)的初期，車(chē)速較高、電機(jī)轉(zhuǎn)速也較高、反電動(dòng)勢(shì)大，由于超級(jí)電容的端電壓低、內(nèi)阻小，直接大電流充電會(huì)降低超級(jí)電容壽命，需適當(dāng) 降低充電電壓；在制動(dòng)的后期，車(chē)速降得較低，電機(jī)轉(zhuǎn)速也較低，此時(shí)，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)也比較小 ，要回收更多的制動(dòng)能量需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶岣叱潆婋妷骸? 電機(jī)的可逆性 永磁無(wú)刷直流電機(jī)具有可逆性。既可作為電動(dòng)機(jī)，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，也可作為發(fā)電機(jī)工作，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)轉(zhuǎn)子同制動(dòng)鼓一同旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子靜止不動(dòng)，相當(dāng)于電樞繞組切割永磁體的磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電流。該回收制動(dòng)能量的發(fā)電裝置，是把制動(dòng)時(shí)汽車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能裝置中，在需要時(shí)，對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行供電。 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)要介紹了回收制動(dòng)能 量的發(fā)電裝置的組成及工作原 33 參考文獻(xiàn) [1]王秀和等 .永磁電機(jī) [M].北京 :中國(guó)電力出版社 ,:1624 [2]唐任遠(yuǎn)等 .現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì) [M].北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,1997: 9697 [3]曹榮昌 .無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組聯(lián)接和相數(shù)選擇 [J].電機(jī)技術(shù)， 20xx（ 1） : 1720 [4]葉金虎 .無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的分?jǐn)?shù)槽電樞繞組和霍爾元件的空間配置 [J].微特電機(jī)，20xx,( 4):911 [5]王海峰，任章 .ANSYS 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