基于盤式無鐵芯電機的電動自行車輪轂電機研究

眭華興

（東南大學 交通學院，江蘇 南京 210001）

1.引言

電機是將電能轉換為機械能、驅動電動自行車車輪旋轉的核心部件?，F階段電動自行車主要采用永磁低速輪轂電機和永磁高速有齒輪轂電機，其中永磁低速輪轂式電機具有動力傳輸直接、可靠性高、壽命長、免維護、扭矩大等特性，占據市場的主要份額；永磁高速有齒輪轂電機比永磁低速輪轂電機重量輕40%，車輛騎行無磁滯阻力,續行里程能增加10%～20%，但驅動電機仍采用外轉子結構形式，轉速在1 500 r/min以下，還不是真正意義上的高速電機，所以其最大扭矩輸出遠小于低速輪轂電機，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，總負載質量（75+40） kg和無風的條件下，所需消耗的功率約為65 W和115 W，其對應的扭矩分別為1．9 N?m和3．3 N?m。上述兩類電機在該運行區間的效率僅為50%～70%，并不是運行在最佳效率區間內，尤其在城市騎行時車輛經常在起動-加速-恒速-減速-制動地狀態循環，再加上自然風力及道路坡度的影響，實際電能消耗更大。

提高驅動電機的電氣性能，可以從提高電機的效率、增加電機效率區間的寬度、前移效率點（70%）等關鍵點著手。軸向磁場的盤式無鐵芯電機，具有軸向尺寸短、無鐵損消耗、電樞響應快、無磁滯阻力及齒槽反應等優點，已在許多領域被采用，在電動自行車領域的研究，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驗，試制了基于盤式無鐵芯電機的有齒輪轂電機，使電動自行車的續行里程、扭矩輸出有了大幅度提高。

2.盤式無鐵芯有齒輪轂電機的結構設計

（1）設計思路

立足于由國家四部委組織相關部門和企業共同制訂的《電動自行車安全技術規范》，確定輪轂電機的主要性能指標是：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。

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

（2）盤式無鐵芯電機的結構設計

為了獲得較大的扭矩，盤式無鐵芯電機采用雙轉子單定子結構，轉子盤采用平底碗狀結構，內側粘貼扇形永磁體，永磁體軸向充磁，N、S極相對放置。經過比較，定子電樞摒棄了一般盤式電機的重疊波繞組形式，采用分數槽單節距繞組形式，減少銅的消耗，使電樞繞組電阻減小、電感強度增加。中心齒輪安裝在轉子上輸出扭矩。設定盤式電機轉速為2 500～3 200 r/min，減速結構則需采用兩級行星齒輪減速。

（3）電樞的磁路設計

為了盡可能高地獲得繞組因數，磁極數2p與繞組線圈數Q之比設定為4:3。盤式電機的極槽配合，可根據盤式電機的轉速、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 電機極數、線圈數及并聯支路數組合表

與傳統徑向磁場永磁電機不同，無鐵芯電機電磁轉矩、電磁功率與永磁體內、外徑密切相關。線圈在電機定子上圓周排列的內外徑應與永磁體在轉子盤上圓周排列的內、外徑相適應，經優化計算，內外徑之比為時，電機可獲得最大的輸出功率。

由于電機的設定轉速小于3 200 r/min，極對數較少，基波頻率不算高，在確定導線線徑時，可不考慮集膚效應的影響，導線線徑則可按計算，式中W為輸入功率，U為輸入電壓，a為繞組并聯支路數。定子內外徑尺寸確定后，按初設的線圈厚度，以槽滿率約0．8計算出初設匝數，并進行電機空載電動勢、電感的計算，驗證電負荷、電流密度等參數，并對線圈厚度、線圈匝數作出調整。

（4）轉子永磁體的設計

無鐵芯軸向磁場盤式電機，在確定了定子內外徑和繞組尺寸后，關鍵的問題是確定永磁體尺寸。永磁體作為無鐵芯電機的磁動勢源，激勵產生氣隙磁場，決定著電機的磁場分布和電機的電氣性能，永磁體是構成電機成本的決定性因素。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。一般認為，為了減少線圈繞組的磁漏，永磁體的徑向長度應大于線圈的徑向長度，以線圈徑向長度D=32 mm進行驗算分析，取不同徑向長度尺寸的永磁體進行比較，得出永磁體對電機效率及成本的影響（見表2）。由此可以得出結論，永磁體徑向長度為0．69D時，電機效率雖有5%的降低，但電機成本可下降15%。

表2 減小永磁體徑向長度對電機效率及成本的影響

無鐵芯電機的磁動勢取決于永磁體的軸向厚度，磁極厚度小，電動機磁動勢小，氣隙磁密低；磁極厚度大，電動機磁動勢大，氣隙磁密高，但電機制造成本提高。通過電磁場仿真計算，取永磁體的軸向厚度5～6 mm，具有較好的經濟性。計算發現，不同的極弧系數對磁密的影響很小。具體實驗中，取極弧系數0．9，0．8，0．7進行對比測試，測得電機的最高效率分別為83．8%，83．1%，80．6%，極弧系數的變化對電機效率影響不明顯，在高扭矩段的影響更小。但極弧系數對電機的轉速有顯著的影響，極弧系數0．9，0．8，0．7時測得電機的空載轉速分別為2 456 r/min，2 884 r/min，3 155 r/min，因此可以調整極弧系數來改變電機轉速，配合輪轂電機減速機構以適應電動自行車輪圈尺寸的變化。

（5）盤式無鐵芯電機的結構及尺寸參數

根據上述電機結構型式，制作了功率為200 W的電機樣機，其3D分拆圖如圖1所示。盤式無鐵芯電機的尺寸參數如表3所示。

圖1 盤式無鐵芯永磁電機3D分拆圖

表3 樣機主要尺寸（適合48 V20寸、26寸輪圈）

（6）行星減速機構設計

盤式無鐵芯電機的高轉速特性，決定了盤式無鐵芯輪轂電機需要采用兩級減速的行星齒輪結構。經比對實驗，最終確定盤式無鐵芯輪轂電機采用粉末冶金材質的太陽輪和中心齒圈+工程塑料行星齒輪的組合形式，行星齒輪為雙聯齒輪，安裝在行星架的一側，采用固體潤滑油潤滑。盤式無鐵芯有齒輪轂電機如圖2所示。

圖2 盤式無鐵芯有齒輪轂電機

3.盤式無鐵芯有齒輪轂電機的性能優勢

圖3示出了額定功率為200 W的盤式無鐵芯有齒輪轂電機與某名牌電機廠生產的額定功率250 W有齒輪轂電機的速度、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具有以下幾點明顯的性能優勢。

圖3 速度、功率、效率、扭矩曲線圖

（1）效率點明顯前移

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

（2）最大扭矩增加

市售有齒電機最大扭矩是13．4 N?m，而采用6個線圈、磁極數為4的樣機，最大扭矩能達到19．6 N?m，如果采用9個線圈、磁級數為6的結構形式，其最大扭矩則有更大的提升。

（3）續行里程大幅增加

由于采用了無鐵芯結構，消除了鐵芯產生的渦流損耗，其空載電流小于0．4 A（有齒輪轂電機為0．8～1．0 A，低速輪轂電機為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

無鐵芯結構輪轂電機，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更優，車輛在失電狀態下也能輕松騎行。

（5）車輛壽命周期成本降低

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

4.結語

電機設計是一個復雜的電磁場轉換為機械能的求解過程，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設計，需要面對充分競爭的市場上成熟的電機技術，在電機成本、性能上進行綜合考量平衡，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，是筆者本著“止于至善”理念，在多年實驗的基礎上，克服了從技術到產品之間的諸多障礙，完成了基于國家新標準的、能滿足不同輪徑、不同動力要求的電動自行車輪轂電機的設計與樣機試制，希望能以全新概念的輪轂電機，來應對新國標頒布實施后，電動自行車市場所面臨的挑戰。

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