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电动自行车用轮毂电机设计及其特性研究

作　者: 王殿明
导　师: 郝明晖
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 电动自行车轮毂式永磁同步电机有限元法齿槽转矩仿真分析
分类号: U484
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

气候变暖、能源危机已成为21世纪人类所面临的共同挑战,而研究具有节能环保特点的电动自行车成为解决这些问题的重要途径。作为电动自行车核心的轮毂电机,其性能的好坏对整车功能的实现有决定性作用。而目前轮毂电机普遍存在着损耗大、性能不稳定、效率低等缺点,因此,研究一款控制精度高、结构可靠、稳定性好、运行效率高的轮毂式永磁同步电机具有重大意义。为了确定轮毂电机的总体方案,本课题首先分析了电动自行车对轮毂电机的性能要求,计算出轮毂电机的运动及动力学参数,确定电机的驱动力及输出扭矩。然后,通过分析电机常数,选择相关参数,计算出电机的主要尺寸,进而确定了轮毂电机总体机械方案。接着,引入单元电机的概念,对比不同绕组方案和极槽配合方案,确定轮毂电机的总体电磁方案。利用JMAG软件对轮毂电机的气隙磁场进行有限元分析,确定合理的气隙长度,优化气隙磁密波形。通过分析电枢磁密、输出扭矩及效率,对电机定子电枢的齿宽、轭高和永磁体的宽度及厚度等结构参数进行了优化。综合考虑永磁材料的性能及充磁成本,选择磁性能较高的钕铁硼永磁材料及平行充磁方式。然后,通过对轮毂电机空载反电动势进行有限元分析,得到了反电动势波形的叠加原理及对波形正弦性影响较大的谐波次数。接着,对电机的铁耗和铜耗进行了有限元计算,得出了轮毂电机优化设计后的效率。针对轮毂电机中存在的齿槽转矩,本课题进一步优化转矩特性,建立齿槽转矩的解析模型,通过分析解析模型得到削弱齿槽转矩的方法,并分析了不同电磁方案对齿槽转矩的影响。基于MATLAB/ Simulink搭建轮毂电机的仿真平台,对电机的起动特性进行仿真分析,得到了速度、转矩、三相电流的响应特性。根据优化后的机械及电磁方案加工轮毂电机样机,对样机的反电动势、转矩、温升及效率进行系统的测试,试验结果表明样机的调速范围、响应特性、转矩输出及过载能力均满足设计要求,轮毂电机样机效率达到了88.9%,综合性能明显优于普通直流无刷轮毂电机,验证了课题中设计方案的合理性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题的研究背景及意义  10-11
  1.2 国内外电动自行车的发展现状  11-13
    1.2.1 国外电动自行车的发展现状  11-12
    1.2.2 国内电动自行车的发展现状  12-13
  1.3 轮毂电机的研究现状及关键点  13-16
  1.4 本文的主要研究内容  16-17
第2章轮毂电机的总体方案研究  17-30
  2.1 引言  17
  2.2 电动自行车对轮毂电机的性能要求  17-18
  2.3 轮毂电机驱动力分析  18-20
  2.4 电动自行车驱动方式的选择  20-21
  2.5 轮毂电机总体机械结构设计  21-22
  2.6 轮毂电机主要结构尺寸的确定  22-24
  2.7 轮毂电机总体电磁结构设计  24-28
    2.7.1 轮毂电机绕组方案的确定  25
    2.7.2 轮毂电机极槽配合方案的确定  25-28
  2.8 本章小结  28-30
第3章轮毂电机的电磁方案设计  30-49
  3.1 引言  30
  3.2 轮毂电机电磁场有限元法及软件简介  30-32
  3.3 轮毂电机气隙磁场的有限元分析  32-35
  3.4 轮毂电机永磁体参数的优化  35-40
    3.4.1 永磁体材料的选择  35-36
    3.4.2 永磁体充磁方式的确定  36-38
    3.4.3 永磁体厚度的优化  38
    3.4.4 永磁体宽度的优化  38-40
  3.5 轮毂电机定子电枢参数的优化  40-43
    3.5.1 轮毂电机定子电枢齿宽的确定  40-41
    3.5.2 轮毂电机定子电枢轭高的确定  41-43
  3.6 轮毂电机空载反电动势的优化分析  43-44
  3.7 轮毂电机效率的有限元分析  44-48
    3.7.1 轮毂电机的损耗分析  44-45
    3.7.2 轮毂电机的铁耗分析  45-46
    3.7.3 轮毂电机的铜耗分析  46-48
  3.8 本章小结  48-49
第4章轮毂电机的性能优化与仿真分析  49-62
  4.1 引言  49
  4.2 轮毂电机转矩特性的分析  49-50
  4.3 轮毂电机齿槽转矩的优化  50-55
    4.3.1 齿槽转矩的产生机理  50-51
    4.3.2 齿槽转矩的解析模型  51-53
    4.3.3 极槽配合对齿槽转矩的影响  53-54
    4.3.4 齿槽开口程度对齿槽转矩的影响  54
    4.3.5 极弧系数对齿槽转矩的影响  54-55
  4.4 轮毂电机的仿真分析  55-61
    4.4.1 轮毂电机起动特性的分析  55-56
    4.4.2 基于MATLAB/ Simulink 的轮毂电机仿真平台  56-57
    4.4.3 轮毂电机仿真平台的参数设置  57-59
    4.4.4 轮毂电机起动特性的仿真实验  59-61
  4.5 本章小结  61-62
第5章轮毂电机样机的加工与实验  62-76
  5.1 引言  62
  5.2 轮毂电机样机的加工  62-64
  5.3 轮毂电机样机的测试实验  64-75
    5.3.1 轮毂电机样机的空载反电动势测试  64-66
    5.3.2 轮毂电机样机的转矩特性测试  66-69
    5.3.3 轮毂电机样机的温升测试  69-71
    5.3.4 轮毂电机样机的效率测试  71-75
  5.4 本章小结  75-76
结论  76-77
参考文献  77-82
致谢  82

电动自行车用轮毂电机设计及其特性研究

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