【正文】 件 —— 電機(jī) 的發(fā)展，電機(jī) 是電動(dòng)自行車(chē)發(fā)展的主要標(biāo)志。 其轉(zhuǎn)子是由永久磁鐵組成，定子上存在著多相繞組，可見(jiàn)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)就其基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而言，主要包括永磁電動(dòng)機(jī)本體、控制電路和位置傳感器三部分組成，其原理方框圖如圖 。 稀土永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)效率高，性能好，體積小，重量輕，安全可靠，無(wú)需維修，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 2 壽命長(zhǎng)，因 而已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、航空航天、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等高科技領(lǐng)域中。隨著比霍爾元件靈敏度高千倍左右的光敏二極管的出現(xiàn)，在 20世紀(jì) 80 年代前后，又試制成功了借助光敏二極管實(shí)現(xiàn)換流的直流無(wú)刷電機(jī)。 1955 年，美國(guó) D 哈利森等人首次申請(qǐng)用晶體管換 向電路代替電動(dòng)機(jī)電刷接觸的專(zhuān)利，即無(wú)刷直流電機(jī)的雛形。 在本文中我們主要討論比較先進(jìn)的后一種電動(dòng)自行車(chē)的驅(qū)動(dòng)方案：不帶減速齒輪的直接驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)自行車(chē)的電機(jī)經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展 ，曾經(jīng)有變頻電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、有刷直流電機(jī)、無(wú)刷電機(jī)等 多種驅(qū)動(dòng)方案。 電動(dòng)自行車(chē)并不是簡(jiǎn)單地在自行車(chē)上加上電池和電動(dòng)機(jī)，而是包括電池、控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)四大塊，并 已 采用了很多的新技術(shù)和新材料。 1998 年我國(guó)電動(dòng)自行車(chē)的年產(chǎn)量約 6萬(wàn)輛 1999 年產(chǎn)量翻番 達(dá)到 13萬(wàn)輛，主要生產(chǎn)集中在華北地 區(qū)。在上海、蘇州等大中城市，于 1996 年便開(kāi)始禁 止燃油助動(dòng)車(chē)上牌照。 PWM controller 1 第一章 緒 論 無(wú)刷直流電機(jī)在電動(dòng)自行車(chē)上的應(yīng)用概況 隨著我國(guó)改革 開(kāi)放的深入和社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，人們生活節(jié)奏的加快，活動(dòng)范圍的不斷 擴(kuò)大，人們希望獲得一種輕便快捷、簡(jiǎn)單安全的交通工具。 關(guān)鍵詞 ： 無(wú)刷電機(jī) ； 位置傳感器； PWM 控制器 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) II The design of without coal brushless ABSTRACT: Brushless DC motor is rapidly development new motor in the recently, and it widely used in industry、 agriculture and in the army. The better governing speed characteristic is kept and the mechanical touch between brushes and mutator is removed as well in brushless DC Motors. This paper intends to make a better design on the , the key part of the new style electric bicycle, after the detailed analysis. The without coal brushless is in a new style, with higher work rate, less wear and tear and lower noise. This kind of motor discussed in this paper, is operated with electronic system pletely, in the speed of 25km per hour, covering the distance of 64km each time it is charged. The motor is 6kg in weight, with the power of 350w and voltage is over the normal levels in the rate close to 85 00 . This kind of motor discussed in this paper also a brushless DC square wave motor. So the design method of controller is also introduced, The prehensive index of the functions of this kind of motor is much better than of all the traditional ones with coal brushes. Keywords： Brushless Motor。電電機(jī)的功率為 220kw，得 6kg,效率可達(dá)到85 00 ,有更小的損耗和雜音 .本文提 到的電機(jī)是方波無(wú)刷直流電機(jī)，所以也涉及到了其PWM 控制器的設(shè)計(jì)。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)既保持了直流電動(dòng)機(jī)良好的調(diào)速控制特性，又消除了電刷和換向器的機(jī)械接觸 對(duì)新型電動(dòng)自行車(chē)的關(guān)鍵動(dòng)力部件 直 I 流無(wú)刷電機(jī)作了深入的剖析與設(shè)計(jì)。 54 參考文獻(xiàn) 52 控制系統(tǒng)電路抗干擾問(wèn)題 52 一個(gè)先進(jìn)的控制算法 51 更佳的無(wú)位置傳感無(wú)刷電機(jī)簡(jiǎn)述 50 轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)的分析 35 第 四 章 自行車(chē)用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電子線路設(shè)計(jì) 35 電磁設(shè)計(jì)程序清單 33 交 軸電樞反應(yīng) 30 磁鋼的最佳工作點(diǎn)與穩(wěn)定方法 30 磁路結(jié)構(gòu)與等效磁路圖 26 第 三 章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì) 24 運(yùn)行特性分析 23 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成 22 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 20 位置傳感器的設(shè)計(jì) 16 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 16 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理與基本設(shè)計(jì) 10 位置傳感器 9 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 6 設(shè)計(jì)方法初探 Ⅱ 第 一 章 緒論 根據(jù)查閱的各種相關(guān)資料，對(duì)電動(dòng)自行車(chē)的最新發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行了簡(jiǎn)述，并在此基礎(chǔ)上對(duì)電動(dòng)自行車(chē)用電機(jī)的發(fā)展進(jìn)行了展望和對(duì)研究中要注意的問(wèn)題作了簡(jiǎn)要總結(jié)。 因此，本課題主要任務(wù)是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)來(lái)解決 無(wú)刷直流 電機(jī)換向問(wèn)題，從而解決電動(dòng)自行車(chē)控制、驅(qū)動(dòng)中不完善的地方。使用有刷直流電動(dòng)機(jī)容易解決電壓的換向問(wèn)題，但是噪音大，而且碳刷容易磨損、損壞，增大維護(hù)、維修難度、增加使用成本 。車(chē)型有普通型和豪華型，車(chē)重約 35Kg，載重量約 75Kg， 一 百公里耗電量 在 1kwh. 由于電動(dòng)自行車(chē)的諸多優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)需求量大，因此電動(dòng)自行車(chē)在未來(lái)的發(fā)展?jié)摿Ρ葻o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 2 較大 。蓄電池一般用的是免維護(hù)鉛酸蓄電池，容量為 12Ah，充電時(shí)間在 38小時(shí)左右，充電一次行駛里程約 50Km左右 。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快，用電動(dòng)自行車(chē)替代摩托車(chē)、燃油助動(dòng)車(chē)和自行車(chē)，一方面可以緩解城市中大氣污染問(wèn)題，另一方面也可以 提高人們的生活節(jié)奏，因此電動(dòng)自行車(chē)的社會(huì)需求市場(chǎng)巨大，據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，本世紀(jì)初，我國(guó)電動(dòng)自行車(chē)年需求量將達(dá)到 100 萬(wàn)輛以上。相繼開(kāi)發(fā)了以天然氣、甲醇為燃料的交通工具，相比之下，電動(dòng)車(chē)以零污染、高效率、低噪音的特點(diǎn)被認(rèn)為是真正的“綠色”交通工具，而電動(dòng)汽車(chē)受到機(jī)電、電池的限制，批量進(jìn)入市場(chǎng)還有一定的難度，電動(dòng)自行車(chē)卻得到迅速的發(fā)展。電動(dòng)自行車(chē)正是在 這樣的呼喚下，逐步走進(jìn)人們的生活中。一些城市如上海、廣州、合肥、濟(jì)南等，己相繼出臺(tái)政策法規(guī)，停止有 限量核發(fā)摩托車(chē)和燃油助動(dòng)車(chē)的牌照。環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)引起黨和國(guó)家以 及 人民群眾重視。溫室效應(yīng)給工農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成的損失，無(wú)法估量。 1 前 言 人類(lèi)在進(jìn)入工業(yè)化社會(huì)之后，大量使用地球上石油、煤等化石能源， 空氣 中的二氧化碳和二氧化硫急劇增加，造成了酸雨蔓延和溫室效應(yīng)，特別在 二十世紀(jì)后期，酸雨大面積擴(kuò)展，幾乎蔓延至所有國(guó)家，“厄爾尼諾現(xiàn)象”、“主尼拉現(xiàn)象”頻繁出現(xiàn)。酸雨造成農(nóng)作物減產(chǎn)，大片森林死亡 。目前，發(fā)展中國(guó)家的空氣還在進(jìn) 一步惡化，我國(guó)作為世界上最大的發(fā)展中國(guó)家。 隨著我國(guó)改革 開(kāi)放的深入，人民的生活水平日益提高，在家用轎 車(chē)還沒(méi)有 普及 的情況下，摩托車(chē)和燃油助動(dòng)車(chē)得以廣泛使用，這給我國(guó)城市的環(huán)境問(wèn)題 帶來(lái)很大壓力，例如在上海市， 1995 年中心城區(qū)內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)的一氧化碳、非甲 烷有機(jī)物和氧化氮排污負(fù)荷分別占該區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的排放總量的 76%、 93%和 44%。因此，研制生產(chǎn)出一種無(wú)污染、低噪 聲 的交 通工具來(lái)替代摩托車(chē)和燃油助動(dòng)車(chē)，已是時(shí)代的需要。 電動(dòng)自行車(chē)與摩托車(chē)、燃油助動(dòng)車(chē)相比較，它具有 突出的優(yōu)點(diǎn) : 為了解決燃油車(chē)對(duì)環(huán)境造成的嚴(yán)重污染和緩解日益突出的能源危機(jī)，許多國(guó)家都在尋找替代燃油機(jī)車(chē)的交通工具。 中國(guó)是一個(gè)自行車(chē)王國(guó)，據(jù)報(bào)道全國(guó)自行車(chē)擁有量為 億。 目前，我國(guó)市場(chǎng)上國(guó)產(chǎn)電動(dòng)自行車(chē)的品種規(guī)格較多，驅(qū)動(dòng)多數(shù)用有刷或無(wú)刷的輪式直流電機(jī)，工作電壓為 24V、 36V 或 48V，功率在 150W400W 之間 。車(chē)速低于 20Km/h，爬坡能力在 4 度上下 。但是目前市場(chǎng)上的電動(dòng)自行車(chē)還或多或少存在一 `些不夠完善的地方。使用位置傳感器，容易解決直流無(wú)刷電機(jī)換向時(shí)，轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)，但是增大了電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、安裝的難度和電機(jī)的體積，也增加成本。 本論文主要內(nèi)容包括 : l、 介紹了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主體結(jié)構(gòu)和具體工作原理，在給定的技術(shù)要求的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)作了電機(jī)電磁設(shè)計(jì)，位置傳感器選擇，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)用到了較先進(jìn)的 PWM控制等工作。 3 目 錄 摘 要 Ⅰ Abstract 5 無(wú)刷直流電機(jī)在電動(dòng)自行車(chē)上的應(yīng)用概況 5 簡(jiǎn)易發(fā)展史和原理方框 5 電動(dòng)自行車(chē)用永磁電機(jī)的性?xún)r(jià)比因素 7 第 二 章 自行車(chē)用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理 基本設(shè)計(jì) 9 電動(dòng)機(jī)的本體 10 電子換向線路 16 電樞繞組的連接方式 19 換流線路基本設(shè)計(jì) 20 繞組連接方式、相數(shù)、槽數(shù)的選擇 23 系統(tǒng)方程式 26 電動(dòng)自行車(chē)用電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)易 數(shù)學(xué)模型 29 磁路系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 31 電樞反應(yīng) 33 直軸電樞反應(yīng) 34 電樞反應(yīng) 總結(jié) 44 設(shè)計(jì)概述 44 線路基本工作原理 45 線路設(shè)計(jì)實(shí)施方案 45 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 4 第 五 章 有待深入解的幾個(gè)問(wèn)題 51 最佳換向問(wèn)題 52 致 謝 56 附錄 A 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)總裝圖 B 定子沖片圖 I 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 摘 要： 無(wú) 刷直流電動(dòng)機(jī)是近年迅速興起的一種新型電機(jī)，它廣泛應(yīng)用與工業(yè) ， 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是近年迅速興起的一種新型電機(jī)，它廣 泛應(yīng)用與工業(yè)，農(nóng)業(yè)，以及軍事等領(lǐng)域。本文所介紹的電動(dòng)自行車(chē)使用的直流無(wú)刷電機(jī)，采用電子操縱系統(tǒng)，電動(dòng)自行車(chē)的最高時(shí)速可達(dá) 25km/h，一次充電行程為 64km。性能綜合指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)的以有刷電機(jī)為動(dòng)力的電動(dòng)自行車(chē)。 positional sensor。前幾年，人們選擇了燃油助動(dòng)車(chē)，但由于燃油助動(dòng)車(chē)采用小容量二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，其廢氣排放濃度是一般轎車(chē)的 3－ 5 倍，其 污染問(wèn)題引起了社會(huì)各界和主管部門(mén)的高度重視。而電動(dòng)自行車(chē)因?yàn)檩p便、快捷，適應(yīng)了現(xiàn)代人追求環(huán)保、效率、安全的需要，所以受到了廣大消費(fèi)者的普遍歡迎，得以再度興起。進(jìn)入 2020 年以來(lái)，不少地區(qū)的銷(xiāo)售情況也十分喜人，市場(chǎng)前景廣闊。單從其驅(qū)動(dòng)裝置 —— 電機(jī)來(lái) 看就有很高的技術(shù)含量。經(jīng)過(guò)市驗(yàn)證目 前較為成熟的有兩大類(lèi)：一類(lèi)是帶減速齒輪的有刷電機(jī)， 別外一種是不帶減速齒輪的直接驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。 1． 2 簡(jiǎn)易發(fā)展史和原理方框 直流無(wú)刷電機(jī)是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起未的，它是以法拉第的電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，而又以新興的電于技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和各種機(jī)械原理為后 盾，因此具有很強(qiáng)的生命力。經(jīng)過(guò)多年的努力，人們終于在 1962 年試制成功了借助霍元件來(lái) 實(shí)現(xiàn)換流的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。在德國(guó) N米斯格林提出采用電容移相換流的方法基礎(chǔ)之上， R哈尼特司等人試制成 功借助數(shù)字式環(huán)分配器和過(guò)零鑒別器組合來(lái) 實(shí)現(xiàn)換流的 無(wú)附加位置傳感器的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。現(xiàn)代的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，其構(gòu)造實(shí)際上是 1臺(tái)永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) (一種水磁式同