回收汽车制动能量的发电装置_毕业论文定稿(编辑修改稿)

回收汽车制动能量的发电装置_毕业论文定稿(编辑修改稿)内容摘要：

计的永磁直流无刷电机具有以下特点： （ 1）该电机采用高性能的矩形钕铁硼永磁材料，体积较小，质量轻，加工工艺简单，功率密度高。 （ 2）采用外转子型电机，回收制动能量时，使用轮毂直接驱动。 电机转子与车轮轮毂 固定在一起，动力直接传动，减少了机械损耗，提高了传动效率。 （ 3）定子电枢绕组 采用多股 细铜线绕制的的 分数槽 绕组。 定子电枢绕组采用分数槽形式能够缩短线圈的周长和绕组端部，能够减小原件个数，降低铜耗， 10 传动效率高。 该电机的装配图如 24 所示。 图 24 轮毂电机总装配图 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 本文电机设计的原则 对于本文要设计的轮毂式制动能量回收利用装置要满足以下特殊要求： ，减小电池电源空间限制。 ，延长行驶里程效果明显。 ，满足汽车平顺性要求。 ，克服轮毂空间限制。 本章小结 本章讲述了轮毂电机的常用电机类型及其优缺点，最终选择基于永磁无刷直流电机对制动能量回收利用装置进行研究；本章还介绍了永磁电机上常用的永磁材料及其优缺点，最终选择了综合性能较好的铁钕硼材料作为所设计永磁电机的永磁材料。 此外，本章还介绍了所设计永磁电机的主要特点和基本的设计原则。 11 第三章 轮毂电机 结构 设计及主要参数的设计计算 电机的总体结构 电机相数 的确定 永磁无刷直流电机的相数，可以是两相、三相、四相、五相甚至是十二相。 相数的多少不仅会在很大程度上决定 发电 机的各项技术指标和性能，同时也影响发电机的 经济性能。 两相 发电机的电路简单，元件使用量比较少，成本比较低，但是转矩脉动较大。 随着电机电枢相数增多，转矩脉动和噪声会比较小，但是会带来绕组绕线困难，控制系统复杂的问题。 目前，一般中小型电机使用三相或四相，又奇数相的转矩脉动比较小，所以本电机采用三相绕组。 又考虑到电机杂散损耗，采用绕组采用星型接法。 绍。 电机绕组 的设计 定子绕组是是电机 定子 的 主要 组成部分 ，由线圈组在端部以一定方式连接起来构成定子电路，与转子磁通相对运动产生感应电动势。 电机绕组的分 类有很多方法，根据不同的分类标准，有很多种类。 选择出合适的绕组类型对提高电机的性能有很大的帮助。 无刷直流电机绕组选择时必须满足以下基本条件： （ 1） 沿圆周排列的绕组导体通电后产生与转子磁极相同的极数； （ 2） 用较少的铜材料得到最大转矩和反电动势； （ 3） 绕组加工工艺简单，维修方面； （ 4） 绝缘性好，温升低，可靠性高； （ 5）消除反电动势高次谐波，减小转矩脉动； 在满足以上条件的前提下，本文所设计电机采用短距分数槽集中双层绕组，为达到每相绕组所占槽数均匀的目的，三相绕组采用如下绕法（从 A 相开始）： （ 1） A 相绕 4 个齿后隔 六 个 槽再绕 4 个齿，隔七个槽后绕 3 个齿，再隔 7个槽后绕 3 个 齿，再隔 7 个槽后绕 3 个齿。 （ 2） B 相先 每 隔 7 个槽绕 3 个齿，绕 3 次，再每隔 7 个槽绕 4 个齿，绕两次。 （ 3） C 相先绕 3 个齿，隔 7 个槽后，绕 4 个齿，绕 2 次，再每隔 7 个槽绕3 个齿，绕 2 次。 最后三相绕组连接在一起组成 Y 形连接 ，图 34 为三相绕组展开图，图中数 12 字为定子齿号。 图 34 绕组 绕法 展开图 极槽配合 的设计 电机脉动问题如齿槽转矩脉动、换向转矩脉动等，一直制约着永磁直流无刷电机性能的进一步提高。 分数槽绕组电机是指绕组每极每相的槽数为分数的电机。 分数槽绕组电机体积 一般 比较小、 转矩脉动 比较 低、效率高，成本也相对较低。 另外，分数槽绕组还可以，减少端部损耗，减小定子线圈端部长度和绕组的互感系数。 由于分数槽绕组具有很多整数槽绕组所不具备的优点，目前在电机上的应用越来越广泛。 本文所设计电机也采用分数槽绕组，并为进一步降低齿槽转矩脉动，提高电机性能，要对电机的极槽配合进行优化。 通过查阅有关文献得无刷直流电机分数槽集中绕组组合计算表，如表 31所示。 表 31 三相无刷直流电机分 数槽集中绕组组合计算表 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 从表 31 可以看出，极对数为 1 1 1 1 23 时，各种槽数与极对数间没有公约数，为分数槽单元机组合，这时电机机数与槽数成绩越大，齿槽 转矩 越小。 对于分数槽集中绕组，如果两个元件边电动势相位角接近1800 ，即槽距角 180 ，即 00 2pZ  ，则绕组系数较高，反电动势波形更趋于标准 ，电机脉动小。 当取 0Z 与 02p 的差值较小的组合时，  较接近 1800。 当电机的极数较多时，可以把传统的弧形或瓦片形磁钢改为长方体形，这样就极大的简化了加工工艺，从而降低了成本。 所以，本文所设计的电机采用 23个对极， 51 个槽。 电机转子结构确定 永磁电机的转子具有很多种结构，有不同种的分类方法。 根据电枢绕组位置不同可以分为内转子和外转子两种结构，该电机采用外转子结构；按永磁体磁化方向又可分为径向励磁结构，横向励磁结 构，切向励磁结构， 永磁 爪极式转子 结构四种类型。 本文所设计电机采用径向励磁结构。 爪极式转子是由一个柱状环形磁钢和两个各带极对数个爪的法兰盘组成，如图 31 所示。 法兰盘上的爪在圆周上相互啮合，在欧两法兰之间是柱状环形磁钢，这样就使法兰盘的 N 极爪形极靴和另一个法兰盘的 S 极爪形极靴形成回路，为电机提供励磁。 爪极式转子虽然有很多优点，但是，爪极式转子质量较重，加工困难，漏磁严重，电机的工作效率较低。 所以，爪极式转子不适宜运用在轮毂电机上。 切向转子结构如图 32 所示，磁钢嵌入转子内，两块并联的磁钢经 磁轭共同提供气隙的磁通，气隙磁场密度可能大于磁钢的工作点。 电枢反应产生的感应磁场经磁轭形成闭合回路，防止气隙内不可逆畸形磁场产生，而且电机的直轴电枢反应小于交轴电枢反应，电机有较宽的调速范围。 但是该转子结构电机漏磁较多，机械强度低，加工工艺复杂，并且成本较高，该结构转子不适合外转子结构的电机。 横向磁场结构转子如图 33 所示，该电机有一定的优点，但是这种转子结构复杂，不易加工，同时定转子有轴向吸引力，装配困难，功率因数低，控制系统复杂。 该电机作为轮毂电机使用时技术还不成熟。 目前，径向励磁结构转子使用较多，磁钢用不导磁的螺钉与转子铁心固接，有时也用特制的胶将磁钢黏贴在转子铁心表面。 N 极、 S 极交错布置，形成串联磁路，由一块永磁体外表面向气隙提供磁通，两块永磁体磁化长度共同向磁路提供磁势该转子又分为有极靴和无极靴两种类型，极靴大多采用软磁材料，磁导率较大，极靴转子电机电枢磁场经极靴形成回路，不会使磁钢退磁。 该转 14 子磁钢的形状有矩形磁钢、弧形磁钢、瓦片磁钢三种类型。 其中，加工工艺简单，安装便捷，成本较低，在多极电机中有广泛的应用。 35 电机转子二维图 36 电机转子三维模型图 本文所设计的转子结构如上图所示，具体的参数在以后的章节中，具体介绍。 定转子相对位置确定 永磁直流无刷电机要正常运行，需要确定定转子的相对位置。 目前，一般使用霍尔位置传感器对定转子的相对位置信号进行采集。 霍尔位置传感器的工作原理和位置的确定方法，本文不做具体介绍。 轮毂电机各参数设 计计算 轮毂电机额定参数设计 参数类型 额 定 电 压UN/V 额 定 电 流IN/A 额 定 功 率PN/kw 额 定 转 速rad/min 额定效率 % 具体数值 72 750 额定功率 1kw。 随着汽车技术的进步，汽车上用电设备不断增加，用电量也随着增多，因而要适当选取额定功率大一点的发电机。 轮毂电机永磁体尺寸设计 钕铁硼永磁材料具有优越的磁性能，同时价格也比较高。 为节约成 15 本，在能满足使用要求的前提下要尽量减小永磁体的体积。 在输出功率一定的情况下 ,以 下经验 公式 可以用以 初步估算 永磁体体积： 3810068 90 mmHfBK c mKmHapnm  式中 ： σ — 漏磁系数 ， ＝ ～ ，本设计 ＝ ； Ρ — 电动机计算功率，NΡ3η2η1Ρ ， η –电机效率 ，本设计 η ＝ ，NΡ ––电机额定功率， NΡ =，计算得： Ρ =； nK — 起动电流倍数，本设计取 8Kn ； c — 外磁路磁压降系数， c =～ 3，本设计 c =； apΚ — 反电动势平均值与最大值之比，mapap ΕΕΚ  ，     ωtd2Ζa2π 2Ζa2π ωts inmΕΖa 1apΕ   ， Ζa — 磁状态角，本设计为三相二导通六状态星形连接， 因此 3πaΖ，计算得： ap =。 f — 电机频率， p n 2 3 7 5 0f 2 8 7 .5 H z6 0 6 0  ； p –极对数 ，本设计 p =23，n–电机额定转速， n=750r/min； mHB — 额定工 作状态 时，磁 钢中 性截面 上的磁 通密度 ，通常 取  rmH ~ B ， rB — 剩磁感应强度 , rB = ，本设计 rmH B ，计算得： mHB ； m — 在磁铁工作图上，与 回复直线起始点相对应的磁钢内的磁场强 度，通常取   cmΚ  ~ ， c — 矫 顽 力， c =872KA/m ，本设cmΚ  ，计算得： mΚ 5232 KA/m； 公式中  、 c 、 apK 均在一定范围内，变化 不大。 设计时可根据给定的额定功率 NP 、起动电流倍数 nK 、选用永磁材料的 mΚmHB  就可计算出一个永磁体的体积： 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..         考虑到其他 不可预估因素，比如加工磨损等，在实际取用时，永磁体一般要留出适当的余量，本文电机采用实际体积为 10mV mm 的永磁材料。 取 16 永磁体的轴向长度等于定子铁心的轴向长度（ Lef=50mm）。 图 3为磁化 长度与气隙系数关系曲线，在满足永磁体抗去磁能力的前提下 ，为能取得较大的气隙系 数 ， 取 永 磁 体 磁 化 方 向 长 度 03 ， 所 以 永 磁 体 的 宽 度8V mb mmLhMef。       永磁体磁化方向长度气隙系数 图 36 磁化长度与气隙系数的关系曲线 轮毂 电机转子尺寸计算 转子 内 径。