电动自行车用新型轮毂驱动系统设计开发

摘要

我国是电动自行车使用大国,经过多年发展,车用驱动系统种类繁多、技术成熟.但是市场混乱,超标车屡屡出现.随着新的法律法规《电动自行车安全技术规范》出台,对市场做了严格的限定.因此研发一款满足法律法规的要求,可以实现更高功率密度、更小型化轻量化的新型轮毂驱动系统具有重大意义.　　本文将从理论计算和仿真分析两方面对新型轮毂驱动系统进行研究,采用场路结合法设计电机,采用有限元仿真法设计两级行星牵引减速轴承,从理论层面验证了设计结构的合理性.主要研究内容如下:　　(1)提出一款新型轮毂驱动系统构型.对比分析了现有电动自行车用轮毂驱动系统构型特点,结合电动自行车动力性能需求以及车身结构布局,提出了一种新型轮毂驱动系统构型.采用高速外转子电机驱动,并通过两级行星牵引减速轴承进行减速增扭,通过两级减速,提高电机设计转速,改进功率密度.完成电动自行车动力性分析,确定了电机和减速轴承的设计指标.　　(2)电机结构和电磁方案设计分析.针对确定的设计指标,通过磁路法对电机参数进行分析计算.首先分析了不同绕组方案以及不同极槽配比对电机的影响,选定 12/10 极槽配比和双层集中绕组进行设计.完成了永磁体的设计,分析选择了适合的永磁材料,确定了永磁体的结构布置和充磁方式,并通过参数化分析,确定永磁体尺寸.对气隙长度进行参数化设计,对气隙磁密波形作了优化分析.选取合适的齿轭磁密,计算出定子尺寸及定子内部槽的尺寸.分析计算了电机绕组匝数和反电动势.最后通过Ansoft Rmxprt磁路计算软件对以上设计的结果进行优化,反复调整参数以得到最优的结果.　　(3)在Maxwell 2D有限元仿真软件中对电机性能进行仿真分析.通过对静态磁场仿真,得到电机磁场分布和气隙磁密波形,通过仿真结果进一步对电机进行改进优化.分析空载启动和空载稳定运行性能,得到空载反电动势,计算电机齿槽转矩,并做了优化分析.分析电机负载启动以及额定负载工况下运行特性,得到电机的额定转速、额定转矩和额定功率,结果显示达到设计目的.对电机的损耗进行分析,计算出电机效率为93.6%.　　(4)完成两级行星牵引减速轴承的设计和仿真.结合电动自行车动力性指标及电机的输出性能,设计了两级行星牵引减速轴承的结构和尺寸.通过Workbench软件分析了减速轴承滚动体和外圈的最小壁厚,并通过仿真得到的变形量设计出装配后的最小过盈量.在此基础上设计出减速轴承的结构和详细尺寸,并对其进行了额定工况下的强度校核,分析了接触应力和弯曲应力,结果满足强度要求.最后对减速轴承进行模态分析,确定工作时系统不会产生共振现象.

目录

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2.1 国内研究现状

1.2.2 国外研究现状

1.3 电动自行车用轮毂驱动系统研究的关键点

1.4 本文主要研究内容

2 电动自行车新型轮毂驱动系统构型与分析

2.1 现有轮毂驱动系统构型与分析

2.2.1 机械结构方案确定

2.2.2 驱动电机选取

2.3 电动自行车轮毂电机的动力性能计算

2.4 电机设计技术参数的确定

2.5 本章小结

3 基于磁路法的轮毂电机电磁设计与分析

3.1 电机的整体设计流程分析

3.2 电机主要结构尺寸的确定

3.3 极槽配合与绕组方案设计

3.3.1 极槽配合选取

3.3.2 绕组方案确定

3.4.1 转子磁路结构分析

3.4.2 永磁材料的选取

3.4.3 充磁方式的确定

3.4.4 永磁磁钢尺寸设计

3.5 气隙长度设计和优化

3.6 定子尺寸及槽形设计分析

3.7 电机绕组匝数计算

3.8 基于磁路法设计参数计算结果

3.9 本章小结

4 轮毂电机有限元仿真分析和优化

4.1 有限元仿真分析基本理论

4.2.1 电机本体模型建立

4.2.2 模型添加材料

4.2.3 网格划分

4.2.4 边界条件和激励源设置

4.2.5 求解分析

4.3 电机静磁场分析

4.4 电机的瞬态性能分析

4.4.1 空载运行性能分析

4.4.2 空载启动特性分析

4.4.3 额定负载运行性能分析

4.4.4 负载启动特性分析

4.5 电机的效率分析

4.5.1 电机的损耗分析

4.5.2 电机额定效率计算

4.6 齿槽转矩的产生及优化分析

4.7 本章小结

5 行星牵引减速轴承设计分析和优化

5.1 行星牵引减速轴承原理分析

5.2.1 行星牵引减速轴承设计指标

5.2.2 最小压紧力计算

5.2.3 牵引副参数设计

5.2.4 过盈量设计与分析

5.3.1 减速轴承结构设计

5.3.2 有限元强度校核分析

5.4 行星牵引减速轴承模态分析

5.5 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作及展望

参考文献

附录

A. 学位论文数据集

致谢