基于盤式無鐵芯電機(jī)的電動自行車輪轂電機(jī)研究

眭華興

（東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210001）

1.引言

電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、驅(qū)動電動自行車車輪旋轉(zhuǎn)的核心部件?，F(xiàn)階段電動自行車主要采用永磁低速輪轂電機(jī)和永磁高速有齒輪轂電機(jī)，其中永磁低速輪轂式電機(jī)具有動力傳輸直接、可靠性高、壽命長、免維護(hù)、扭矩大等特性，占據(jù)市場的主要份額；永磁高速有齒輪轂電機(jī)比永磁低速輪轂電機(jī)重量輕40%，車輛騎行無磁滯阻力,續(xù)行里程能增加10%～20%，但驅(qū)動電機(jī)仍采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，轉(zhuǎn)速在1 500 r/min以下，還不是真正意義上的高速電機(jī)，所以其最大扭矩輸出遠(yuǎn)小于低速輪轂電機(jī)，車輛爬坡性能并不理想。

通過計算，1．75英寸胎寬的電動自行車在20 km/h和25 km/h的恒速平地騎行，總負(fù)載質(zhì)量（75+40） kg和無風(fēng)的條件下，所需消耗的功率約為65 W和115 W，其對應(yīng)的扭矩分別為1．9 N?m和3．3 N?m。上述兩類電機(jī)在該運(yùn)行區(qū)間的效率僅為50%～70%，并不是運(yùn)行在最佳效率區(qū)間內(nèi)，尤其在城市騎行時車輛經(jīng)常在起動-加速-恒速-減速-制動地狀態(tài)循環(huán)，再加上自然風(fēng)力及道路坡度的影響，實(shí)際電能消耗更大。

提高驅(qū)動電機(jī)的電氣性能，可以從提高電機(jī)的效率、增加電機(jī)效率區(qū)間的寬度、前移效率點(diǎn)（70%）等關(guān)鍵點(diǎn)著手。軸向磁場的盤式無鐵芯電機(jī)，具有軸向尺寸短、無鐵損消耗、電樞響應(yīng)快、無磁滯阻力及齒槽反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已在許多領(lǐng)域被采用，在電動自行車領(lǐng)域的研究，還不夠深入。市場上除諾雅電動車外還沒有成功的案例。筆者為此通過大量的實(shí)驗(yàn)，試制了基于盤式無鐵芯電機(jī)的有齒輪轂電機(jī)，使電動自行車的續(xù)行里程、扭矩輸出有了大幅度提高。

2.盤式無鐵芯有齒輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）設(shè)計思路

立足于由國家四部委組織相關(guān)部門和企業(yè)共同制訂的《電動自行車安全技術(shù)規(guī)范》，確定輪轂電機(jī)的主要性能指標(biāo)是：輸入電壓36 V、48 V，輸入功率180～400 W，適用輪徑0．35～0．66 m，行駛速度不大于26 km/h，最大扭矩15～25 N?m。

盤式輪轂電機(jī)軸為通軸；輪轂電機(jī)的軸向尺寸能滿足各種型式的電動自行車的要求，即前驅(qū)最小開檔尺寸為100 mm，后驅(qū)鼓剎旋飛、蝶剎旋飛、蝶剎卡飛最小開檔尺寸為135 mm。

（2）盤式無鐵芯電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了獲得較大的扭矩，盤式無鐵芯電機(jī)采用雙轉(zhuǎn)子單定子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子盤采用平底碗狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)粘貼扇形永磁體，永磁體軸向充磁，N、S極相對放置。經(jīng)過比較，定子電樞摒棄了一般盤式電機(jī)的重疊波繞組形式，采用分?jǐn)?shù)槽單節(jié)距繞組形式，減少銅的消耗，使電樞繞組電阻減小、電感強(qiáng)度增加。中心齒輪安裝在轉(zhuǎn)子上輸出扭矩。設(shè)定盤式電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500～3 200 r/min，減速結(jié)構(gòu)則需采用兩級行星齒輪減速。

（3）電樞的磁路設(shè)計

為了盡可能高地獲得繞組因數(shù)，磁極數(shù)2p與繞組線圈數(shù)Q之比設(shè)定為4:3。盤式電機(jī)的極槽配合，可根據(jù)盤式電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩，電動車輪徑、有無腳踏助力等要求，按表1所列組合確定。

表1 電機(jī)極數(shù)、線圈數(shù)及并聯(lián)支路數(shù)組合表

與傳統(tǒng)徑向磁場永磁電機(jī)不同，無鐵芯電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、電磁功率與永磁體內(nèi)、外徑密切相關(guān)。線圈在電機(jī)定子上圓周排列的內(nèi)外徑應(yīng)與永磁體在轉(zhuǎn)子盤上圓周排列的內(nèi)、外徑相適應(yīng)，經(jīng)優(yōu)化計算，內(nèi)外徑之比為時，電機(jī)可獲得最大的輸出功率。

由于電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速小于3 200 r/min，極對數(shù)較少，基波頻率不算高，在確定導(dǎo)線線徑時，可不考慮集膚效應(yīng)的影響，導(dǎo)線線徑則可按計算，式中W為輸入功率，U為輸入電壓，a為繞組并聯(lián)支路數(shù)。定子內(nèi)外徑尺寸確定后，按初設(shè)的線圈厚度，以槽滿率約0．8計算出初設(shè)匝數(shù)，并進(jìn)行電機(jī)空載電動勢、電感的計算，驗(yàn)證電負(fù)荷、電流密度等參數(shù)，并對線圈厚度、線圈匝數(shù)作出調(diào)整。

（4）轉(zhuǎn)子永磁體的設(shè)計

無鐵芯軸向磁場盤式電機(jī)，在確定了定子內(nèi)外徑和繞組尺寸后，關(guān)鍵的問題是確定永磁體尺寸。永磁體作為無鐵芯電機(jī)的磁動勢源，激勵產(chǎn)生氣隙磁場，決定著電機(jī)的磁場分布和電機(jī)的電氣性能，永磁體是構(gòu)成電機(jī)成本的決定性因素。永磁體的用量主要取決于永磁體的徑向長度、軸向充磁厚度與極弧系數(shù)。一般認(rèn)為，為了減少線圈繞組的磁漏，永磁體的徑向長度應(yīng)大于線圈的徑向長度，以線圈徑向長度D=32 mm進(jìn)行驗(yàn)算分析，取不同徑向長度尺寸的永磁體進(jìn)行比較，得出永磁體對電機(jī)效率及成本的影響（見表2）。由此可以得出結(jié)論，永磁體徑向長度為0．69D時，電機(jī)效率雖有5%的降低，但電機(jī)成本可下降15%。

表2 減小永磁體徑向長度對電機(jī)效率及成本的影響

無鐵芯電機(jī)的磁動勢取決于永磁體的軸向厚度，磁極厚度小，電動機(jī)磁動勢小，氣隙磁密低；磁極厚度大，電動機(jī)磁動勢大，氣隙磁密高，但電機(jī)制造成本提高。通過電磁場仿真計算，取永磁體的軸向厚度5～6 mm，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。計算發(fā)現(xiàn)，不同的極弧系數(shù)對磁密的影響很小。具體實(shí)驗(yàn)中，取極弧系數(shù)0．9，0．8，0．7進(jìn)行對比測試，測得電機(jī)的最高效率分別為83．8%，83．1%，80．6%，極弧系數(shù)的變化對電機(jī)效率影響不明顯，在高扭矩段的影響更小。但極弧系數(shù)對電機(jī)的轉(zhuǎn)速有顯著的影響，極弧系數(shù)0．9，0．8，0．7時測得電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速分別為2 456 r/min，2 884 r/min，3 155 r/min，因此可以調(diào)整極弧系數(shù)來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，配合輪轂電機(jī)減速機(jī)構(gòu)以適應(yīng)電動自行車輪圈尺寸的變化。

（5）盤式無鐵芯電機(jī)的結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)

根據(jù)上述電機(jī)結(jié)構(gòu)型式，制作了功率為200 W的電機(jī)樣機(jī)，其3D分拆圖如圖1所示。盤式無鐵芯電機(jī)的尺寸參數(shù)如表3所示。

圖1 盤式無鐵芯永磁電機(jī)3D分拆圖

表3 樣機(jī)主要尺寸（適合48 V20寸、26寸輪圈）

（6）行星減速機(jī)構(gòu)設(shè)計

盤式無鐵芯電機(jī)的高轉(zhuǎn)速特性，決定了盤式無鐵芯輪轂電機(jī)需要采用兩級減速的行星齒輪結(jié)構(gòu)。經(jīng)比對實(shí)驗(yàn)，最終確定盤式無鐵芯輪轂電機(jī)采用粉末冶金材質(zhì)的太陽輪和中心齒圈+工程塑料行星齒輪的組合形式，行星齒輪為雙聯(lián)齒輪，安裝在行星架的一側(cè)，采用固體潤滑油潤滑。盤式無鐵芯有齒輪轂電機(jī)如圖2所示。

圖2 盤式無鐵芯有齒輪轂電機(jī)

3.盤式無鐵芯有齒輪轂電機(jī)的性能優(yōu)勢

圖3示出了額定功率為200 W的盤式無鐵芯有齒輪轂電機(jī)與某名牌電機(jī)廠生產(chǎn)的額定功率250 W有齒輪轂電機(jī)的速度、功率、效率、扭矩曲線比較圖。圖中可以看出，盤式無鐵芯有齒輪轂電機(jī)具有以下幾點(diǎn)明顯的性能優(yōu)勢。

圖3 速度、功率、效率、扭矩曲線圖

（1）效率點(diǎn)明顯前移

盤式無鐵芯有齒輪轂電機(jī)在90 W時效率就能達(dá)到70%，其扭矩為2 N?m，而目前高速有齒輪轂電機(jī)在150 W后效率才能達(dá)到70%。

（2）最大扭矩增加

市售有齒電機(jī)最大扭矩是13．4 N?m，而采用6個線圈、磁極數(shù)為4的樣機(jī)，最大扭矩能達(dá)到19．6 N?m，如果采用9個線圈、磁級數(shù)為6的結(jié)構(gòu)形式，其最大扭矩則有更大的提升。

（3）續(xù)行里程大幅增加

由于采用了無鐵芯結(jié)構(gòu)，消除了鐵芯產(chǎn)生的渦流損耗，其空載電流小于0．4 A（有齒輪轂電機(jī)為0．8～1．0 A，低速輪轂電機(jī)為1．0～1．5 A），在平坦道路上以24 km/h的速度恒速行駛時，輸入功率約150 W（一般輪轂電機(jī)為200～250 W)；配置48 V18 Ah鋰電池組，可使電動自行車保持時速22～25 km/h，完成從南京到常州120 km遠(yuǎn)距離騎行測試，其中南京和句容路段為低丘道路。

（4）車輛滑行能力提高

無鐵芯結(jié)構(gòu)輪轂電機(jī)，消除了永磁體與鐵芯間的磁滯力，其滑行能力比目前安裝有超越離合器的高速有齒輪轂電機(jī)更優(yōu)，車輛在失電狀態(tài)下也能輕松騎行。

（5）車輛壽命周期成本降低

無鐵芯電機(jī)的特性決定了其需消耗較多的稀土永磁材料，其輪轂電機(jī)成本增大，但相對目前的主流電機(jī)而言，假定采用鋰電池作為動力源，在設(shè)定車輛實(shí)際續(xù)行里程大于40 km的前提下，盤式無鐵芯輪轂電機(jī)可以配備較小容量的電池，所節(jié)省的成本完全可以抵消增加的電機(jī)成本，電池更換費(fèi)用也會降低。

4.結(jié)語

電機(jī)設(shè)計是一個復(fù)雜的電磁場轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的求解過程，受到諸多因素的制約，很難給出一個確定的解析。新型電動自行車電機(jī)設(shè)計，需要面對充分競爭的市場上成熟的電機(jī)技術(shù)，在電機(jī)成本、性能上進(jìn)行綜合考量平衡，提出能被市場接受的方案。本文所介紹的盤式無鐵芯有齒輪轂電機(jī)，是筆者本著“止于至善”理念，在多年實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，克服了從技術(shù)到產(chǎn)品之間的諸多障礙，完成了基于國家新標(biāo)準(zhǔn)的、能滿足不同輪徑、不同動力要求的電動自行車輪轂電機(jī)的設(shè)計與樣機(jī)試制，希望能以全新概念的輪轂電機(jī)，來應(yīng)對新國標(biāo)頒布實(shí)施后，電動自行車市場所面臨的挑戰(zhàn)。

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