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XXXX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 摘要 混合動力自行車是自行車家族中的一個重要成員 美國通用公司和克萊斯勒公司前 總裁現(xiàn)都潛心于研究混合動力自行車及其電池 德國的奔馳公司和日本的本田 鈴木 雅瑪哈等世界知名的汽車 摩托車公司和松下 松下和豐田合作搞電動汽車 三洋等世 界知名企業(yè)都在投入巨資研發(fā)混合動力自行車的基礎(chǔ)上 現(xiàn)已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段 由此可 見混合動力自行車的發(fā)展前景 本文首先系統(tǒng)的對混合動力自行車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了分析 分別對混合動力自行車 的運(yùn)行阻力 慣性力 再生制動力以及所需要的牽引力進(jìn)行了計算 根據(jù)所需要的牽引 力 在本設(shè)計中也對無刷直流電動機(jī)和電池進(jìn)行了選型計算 然后本文還對混合動力自 行車在費(fèi)電驅(qū)動情況下 飛輪變速機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計 關(guān)鍵詞 混合動力自行車 電機(jī)控制 永磁無刷直流輪轂電機(jī) 飛輪 XXXX 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 I Abstract The mixed power bicycle is an important member of the family of bicycle The United States General Company and former president of Chrysler Corporation are concentrated on the study of hybrid electric bicycle and its battery the German Benz Corp and Japan s Honda Yamaha Suzuki such as the world famous automobile motorcycle company and Panasonic Panasonic and Toyota cooperation make electric cars Sanyo and other world famous enterprises in the foundation invested heavily in research and development of hybrid bicycle has now entered the stage of industrialization The development prospects of this hybrid bicycle In this paper the hybrid bike running state first system are analyzed respectively running resistance of hybrid bicycle inertia force braking force and traction force required to calculate the According to the traction force in this design has also carried on the selection calculation of Brushless DC motor and battery Then the hybrid bicycle driving in electricity situation to design the flywheel transmission mechanism Keywords hybrid bike motor control permanent magnet brushless DC wheel hub motor flywheel XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 目 錄 摘要 I ABSTRACT II 第一章 緒論 1 1 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1 1 1 1 國內(nèi)發(fā)展趨勢 1 1 1 2 國外發(fā)展趨勢 1 1 2 研究意義 2 1 3 設(shè)計任務(wù) 3 第二章 混合動力自行車動力性能分析 4 2 1 電動車運(yùn)行方程 4 2 2 混合動力自行車的行駛力學(xué) 5 2 2 1 車輛模型 5 2 2 2 電動車阻力計算 6 2 2 3 空氣阻力 7 2 2 4 電動車慣性力的計算 7 2 2 5 電動車的牽引力計算 8 2 3 混合動力自行車的動力性能 9 2 3 1 自行車基本參數(shù)介紹 10 2 4 制動系統(tǒng) 10 2 4 1 混合動力自行車剎車分類 10 2 4 2 制動力的分析與求解 11 2 4 3 手動制動器的設(shè)計 12 2 5 蓄電池的種類和結(jié)構(gòu) 13 2 6 動力傳動系統(tǒng)設(shè)計 14 2 6 1 驅(qū)動方式對兩輪電動車性能的影響 14 2 6 2 混合動力自行車驅(qū)動系統(tǒng)的構(gòu)成 15 2 6 3 無刷直流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 16 第三章 混合動力自行車的運(yùn)行控制 17 3 1 電動機(jī)的選擇 17 3 1 1 直流電動機(jī)的特點 17 3 1 2 電動機(jī)容量選擇的原則 18 3 1 3 電動機(jī)的發(fā)熱與冷卻 18 3 1 4 選擇步驟 19 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 I 3 1 5 無刷直流電動輪轂的選型計算 19 3 1 6 混合動力自行車的續(xù)行距離 20 3 2 無刷電動機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng) 21 3 2 1 直流電動機(jī)的機(jī)械特性 21 3 2 2 脈寬調(diào)制 PWM 22 3 2 3 傳感器 22 3 3 電動車控制系統(tǒng)設(shè)計 23 3 3 1 控制系統(tǒng)的組成 23 3 3 2 控制系統(tǒng)設(shè)計方案 23 第四章 混合動力自行車的能量回收 27 4 1 制動模式與能量的分析 27 4 2 能量回饋的控制策略 28 4 3 混合動力自行車能量的消耗評價方法 28 4 3 1 能量流分配關(guān)系及能量測量 29 4 3 2 能耗影響因素分析 29 4 4 制動效能及制動能量回收的約束條件 29 4 4 1 自行車的制動效能 29 4 5 制動能量回收控制算法 30 4 5 1 制動能量回收的約束條件 30 4 6 永磁無刷直流電機(jī)相關(guān)性能及其能量回饋制動原理 31 4 6 1 永磁無刷直流電機(jī)及其基本工作原理 31 4 6 2 直流電動機(jī)的制動方式 32 4 6 3 永磁無刷直流電機(jī)能量回饋制動原理 34 第五章 變速裝置的設(shè)計 39 5 1 變速裝置工作原理 39 5 2 變速裝置設(shè)計 39 5 2 1 設(shè)計條件 39 5 2 2 鏈輪的高速齒片 48 齒 和飛輪 28 齒 的設(shè)計參數(shù) 41 結(jié)論 42 致謝 43 參考文獻(xiàn) 44 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 0 第一章 緒論 1 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 混合動力自行車是自行車家族中的一個重要成員 美國通用公司和克萊斯勒公司前 總裁現(xiàn)都潛心于研究混合動力自行車及其電池 德國的奔馳公司和日本的本田 鈴木 雅瑪哈等世界知名的汽車 摩托車公司和松下 松下和豐田合作搞電動汽車 三洋等世 界知名企業(yè)都在投入巨資研發(fā)混合動力自行車的基礎(chǔ)上 現(xiàn)已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段 由此可 見混合動力自行車的發(fā)展前景 我國混合動力自行車車的研究相比歐美國家起步較晚 直到上個世紀(jì) 90 年代中期 我國才掀起開發(fā)研究的高潮 雖然我國混合動力自行車研究起步晚 但從技術(shù)的角度 我們并不落后于世界 我國混合動力自行車產(chǎn)業(yè)基本保持與世界同步發(fā)展 1 混合動力自行車核心技術(shù)包括三個方面 電機(jī)與傳動 控制器與控制技術(shù) 電池等 涉及電氣 電力電子 控制 機(jī)械等多學(xué)科 本論文研究的是驅(qū)動裝置的方案設(shè)定 故 重點介紹電機(jī)與傳動方面的研究成果 1 1 1 國內(nèi)發(fā)展趨勢 目前我國混合動力自行車所使用的電機(jī)一般為直流電機(jī) 它具有體積小 效率高 調(diào)速性 能優(yōu)良等特點 直流電機(jī)有可分為有刷直流電機(jī)和無刷直流電機(jī) 有刷直流電機(jī)內(nèi)部有 碳刷和換向器 它應(yīng)用技術(shù)成熟 高速范圍寬 構(gòu)成的控制系統(tǒng)簡單 成本相對較低 過載能 點強(qiáng) 因為通過機(jī)械換向 故不需要位置傳感器 無刷直流電機(jī)內(nèi)部沒有電刷 碳刷 和換向 器 其轉(zhuǎn)子一般由永磁體構(gòu)成 這樣構(gòu)成的永磁無刷直流電機(jī)因其轉(zhuǎn)子沒有勵磁損耗 效率較 高 得到了廣泛的應(yīng)用 但無刷直流電機(jī)也有一定的缺點就是由于控制系統(tǒng)相對較為復(fù)雜 所以成本相對較高 不過隨著永磁無刷直流電機(jī)的性價比不斷提高 其應(yīng)用將日趨廣泛 在傳動技術(shù)方面 主要有一下幾種 摩帶式傳動 摩帶頭易磨損打滑 效率不高 中置式傳動 將電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)放置于中軸位置 國內(nèi)使用較少 側(cè)掛式傳動 屬于軸傳動范圍 具有軸傳動的優(yōu)點 輪榖式傳動 傳動效率高 造型精巧 應(yīng)用越來越廣泛 國內(nèi)常用的是輪轂式傳動 1 1 2 國外發(fā)展趨勢 前面講到從技術(shù)角度 國內(nèi)的混合動力自行車技術(shù)并不落后于世界 故這里選取國 外一些典型的混合動力自行車進(jìn)行介紹 日本 艾納庫爾非助力電動自行車 可以三種方式騎行 電驅(qū) 人力 或兩者結(jié)合 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 1 裝備的電源為 Cd Ni 電池 騎行時人力先啟動 之后再轉(zhuǎn)入電動模式 為雙斜梁車架的 坤車 電池板為后置式 車型為輪轂電動機(jī)后軀式 智能控制器固定在中軸后上方 美國 軍馬牌電動自行車 中軸鏈驅(qū)動 電池斜放在前斜梁上 裝有 7 檔變速箱 并有電腦控制系統(tǒng)和防盜密碼 電動機(jī)功率為 375w 可稱全球自行車用電動機(jī)之首 歐洲 以德國為例 德國電動自行車電源以 Cd Ni 電池為主 充一次電續(xù)駛能力一 般為 20km 發(fā)展趨勢 電動機(jī) 重量輕 容易安裝 易省電能 并且容易調(diào)控轉(zhuǎn)速 電動機(jī)的調(diào)速控制方面 采用最新電力電子器件和集成電路 達(dá)到智能控制的境地 控制電路中兼有對電池電量監(jiān)視系統(tǒng) 當(dāng)電池放電達(dá)到臨界點時可以自動切斷電源 保 護(hù)電池免受過量放電而損壞或影響壽命 電池 趨于堅實耐用 鎘鎳 氫鎳電池自不必說 就是鉛酸電池也可以任意放置而 不必?fù)?dān)心漏 1 2 研究意義 從技術(shù)角度看 混合動力自行車是電動自行車和汽油助力車的技術(shù)結(jié)合產(chǎn)品 它繼 承了汽油助力車行駛里程不受限制與電動車零排放行駛兩者的優(yōu)點 適應(yīng)了城市化的環(huán) 境要求 如城市內(nèi)選擇零排放 電池動力 行駛 郊外遠(yuǎn)距離里程選擇 HEV 內(nèi)燃機(jī)發(fā) 電 電池混合動力 行駛 從我國國情及國家的政策看 13 億的人口基數(shù)巨大 若全民普及汽車 交通 環(huán)境 燃料消耗的壓力之大難以想象 電動自行車 摩托車已是廣大國民生活中不可替代的個 人交通工具 而混合動力自行車是電動自行車和摩托車的升級取代技術(shù)之一 是當(dāng)今世 界混合動力車技術(shù)系統(tǒng)蓬勃發(fā)展的另一個主流 輕型化 小型化的個人交通工具 從節(jié)能的角度看 混合動力自行車比電動車及汽油車更加節(jié)約能源 據(jù)初步測算 一輛輕型電動車 250W 400W 百公里耗電約 3 度左右 以年行駛 1 萬公里計算 全 年耗 300 度 以 0 8 元 度平均價計算 電費(fèi)大約需要 240 元 而與目前百公里油耗 3 升的摩托車相比 10000km 油費(fèi)約為 1800 元 而以 1 6 升排量 百公里油耗 7 升的汽 車相比 每輛汽車 10000km 油耗 700 升 油費(fèi)約為 4000 元 而每輛混合動力電動車 百公里油耗 1 升 600 元 每年與摩托車同比油耗將節(jié)約 1100 元左右 與汽車同比油耗 將節(jié)約 3400 元左右 從環(huán)保角度看 混合動力自行車排放量是摩托車的 1 3 汽車 以 1 6 升排量為例 的 1 40 而且混合動力自行車是汽油發(fā)電和電池交替驅(qū)動的 這樣廢氣排放量又可以減 少一半左右 從電池的利用率角度看 混合動力自行車的電池壽命可以提高 2 倍以上 因為邊騎 車邊充電的浮充電特性使電池容量經(jīng)常保持較滿的狀態(tài) 避免了深度循環(huán)放電導(dǎo)致的電 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 2 池?fù)p壞 1 3 設(shè)計任務(wù) 對混合動力自行車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了分析 分別對混合動力自行車的運(yùn)行阻力 慣 性力 再生制動力以及所需要的牽引力進(jìn)行計算 利用現(xiàn)代電子技術(shù)及電動機(jī)發(fā)電反饋制動理論 設(shè)計一套能夠在電氣制動的同時 發(fā)電給電瓶充電的發(fā)電反饋制動系統(tǒng) 利用該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)將自行車及人體的動能通過電動機(jī)的發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)化為電能 并經(jīng)過相應(yīng)的處理和控制電路 達(dá)到給電瓶充電和自行車減速的雙重目的 完成發(fā)電反饋制動系統(tǒng)機(jī)械連動機(jī)構(gòu) 發(fā)電反饋制動電控系統(tǒng) 發(fā)電反饋回路的設(shè) 計 電動機(jī)選型 完成人工腳踏運(yùn)行時變速機(jī)構(gòu)的設(shè)計 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 3 第二章 混合動力自行車動力性能分析 動力傳動系統(tǒng)由蓄電池 控制器 電動機(jī) 驅(qū)動輪等組成 混合動力自行車的動力 性評價指標(biāo)有最高車速 加速時間和最大爬坡度 然而 電動機(jī)的最大功率與額定功率 下觀察甚多 而最大功率工況不能長時間運(yùn)行 因此必須用電動機(jī)的額定工況計算混合 動力自行車的最大爬坡度和最高車速 混合動力自行車的加速過程和起步時間較短 理 論上可以用電動機(jī)的外特性進(jìn)行設(shè)計計算 下面從自行車直線行駛動理學(xué)模型來進(jìn)行分 析 在設(shè)計前先將文章中計算需要的數(shù)據(jù)假定如下 整車質(zhì)量 502mkg 重力加速度 10 2 s 滾動阻力系數(shù) u0 人重 701k 車輪直徑 400D 后軸轉(zhuǎn)子直徑 10dm 2 1 電動車運(yùn)行方程 混合動力自行車在路面上運(yùn)行 有各種不同方向和不同大小的作用力作用在混合動 力自行車上 混合動力自行車牽引學(xué)主要研究對自行車運(yùn)行有直接影響的力 也就是與 混合動力自行車方向相平行的外力及外力的分力 這些力可以分為三種 混合動力自行車的牽引力 它是由電力機(jī)車的牽引電動機(jī)所產(chǎn)生的 并通過動輪與F 路面的相互作用力而引起的外力 它與混合動力自行車的運(yùn)動方向相同 其大小由開車 的人決定 混合動力自行車運(yùn)行阻力 它是由混合動力自行車運(yùn)行時由多種原因引起的阻止電W 動車運(yùn)行的外力 其大小是不可以控制的 混合動力自行車的制動力 它是由機(jī)車和車輛上的制動裝置所產(chǎn)生的 并通過輪與B 鋼軌的相互作用而引起的外力 用來使混合動力自行車減速或停車 它與混合動力自行 車的運(yùn)行方向相反 這三種力以不同的方式形成作用于混合動力自行車上形成的合力 C 牽引運(yùn)行時 合力 WFC 慣性運(yùn)行時 合力 制動時 合力 B 電動車運(yùn)行方程是把電動車當(dāng)作一個平移的鋼體 表示電動車在不同運(yùn)行狀態(tài)時 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 4 作用在電動車上諸力的關(guān)系式 在工程上用它計算電動車運(yùn)行時所需要的制動力 慣性 力 電動車在運(yùn)行時狀態(tài)有三種 牽引狀態(tài) 電動車在電動機(jī)的牽引力作用下 起動 加速或等速運(yùn)行 慣性運(yùn)行 電動車在運(yùn)行中牽引電動機(jī)斷電后靠慣性運(yùn)行 制動運(yùn)行 電動車在運(yùn)行中切斷牽引電動機(jī)的電源 并且施加機(jī)械或電氣的制動力 減速運(yùn)行 電動車在牽引等速狀態(tài)下 沿運(yùn)行方向作用在電動車上的力有牽引力 靜阻力F 和慣性力 根據(jù)靜法原理 可列出如下方程0FaW 式 2 1 0aFW 這就是牽引等速運(yùn)行狀態(tài)下的基本方程 2 2 混合動力自行車的行駛力學(xué) 2 2 1 車輛模型 驅(qū)動系統(tǒng)的動力輸出特性與車子的動力性能直接相關(guān) 驅(qū)動系統(tǒng)的動力輸出更該滿 足車子的動力性能要求 在設(shè)計混合動力自行車驅(qū)動系統(tǒng)時 為了使混合動力自行車達(dá) 到要求的動力性能指標(biāo) 首先必須建立混合動力自行車的力學(xué)模型 對混合動力自行車 行駛過程中力與功率的平衡進(jìn)行分析 以得到混合動力自行車的需求特性 混合動力自 行車的動力傳動系統(tǒng)主要是由能量存儲系統(tǒng)和動力驅(qū)動系統(tǒng)組成 能量存儲系統(tǒng)包括蓄 電池和能量管理系統(tǒng) 動力驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動電動機(jī)和驅(qū)動控制系統(tǒng) 混合動力自行車在行駛過程中 由動力蓄電池輸出電能給電動機(jī) 電動機(jī)輸出功率 用于克服混合動力自行車本身機(jī)械裝置中的內(nèi)部阻力以及行駛條件決定的外部阻力消耗 的功率 外部阻力即混合動力自行車的行駛阻力 從分析電動汽車行駛時的受力狀況出 發(fā) 建立直線行駛方程式 是分析混合動力自行車直線行駛性能的基礎(chǔ) XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 5 圖 2 1 車輪行駛時的受力分析 混合動力自行車運(yùn)行時的阻力系數(shù) 為 式 2 2 fdKuD 式中 車輪與地面之間的滾動摩擦系數(shù) 取 0 02 fKf 車輪直徑 Dm 軸承的直徑 d 軸承的摩擦系數(shù) 取 0 002 u 所以阻力系數(shù) 025 410 2 需要說明的是車輪與地面之間的滾動摩擦系數(shù) 是隨著路面狀況的不同 其數(shù)值也fK 在不斷改變 參考文獻(xiàn) 27 給出正常行駛的不同路段的滾動摩擦系數(shù)表 2 1 表 2 1 不同路面的滾動摩擦系數(shù) 路面特征 fK 全新堅硬的柏油 混泥土 小方石塊路面 0 01 0 02 經(jīng)壓軋的坑洼波動的碎石路 混泥土路面 0 02 0 03 壓壞的柏油路面 0 03 0 04 良好路面 0 045 一般的土路 0 05 0 15 松沙路面 0 15 0 3 2 2 2 電動車阻力計算 混合動力自行車的靜阻力主要是基本阻力和坡道阻力 空氣阻力因車速不高 計算 時可以不予考慮 基本阻力是電動車經(jīng)常受的阻力 基本阻力用阻力系數(shù)求得 電動車的基本阻力用 下式計算 式 2 3 gmMgF 211 式中 人的質(zhì)量 70 1mmk 混合動力自行車空載時的質(zhì)量 50 2 2k 所以基本阻力為 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 6 NF06 245 01 750 1 坡道阻力是混合動力自行車載坡道上運(yùn)行時 電動車的重力沿坡道傾斜方向的分力 設(shè) 為坡道的傾斜角 這時坡道的阻力 為 2 式 2 4 sin 21gm 式中的 符號表示 上坡運(yùn)行時取 下坡運(yùn)行時取 所以混合動力自行車的靜阻力為 式 2 5 01212 sin Fg 若混合動力自行車在水平地面上行駛時電動車的靜阻力為 N06 24 05 75 0 2 2 3 空氣阻力 車子向前進(jìn) 必須借助一定的力量 騎車人每踏蹬的力量叫前進(jìn)力 也叫向前推力 前進(jìn)力與用力 傳動比 曲柄 即中軸到腳蹬的連桿 長以 Y 代表前進(jìn)力 Q 代表踏蹬力量 I 代表曲柄長度 D 代表傳動比 它們之間的關(guān)系用公式表示則為 式 2 6 DY 前進(jìn)力與踏蹬力量 曲柄長度成正比 與傳動系數(shù)則成反比 人們騎著自行車前進(jìn)時 即使在無風(fēng)天也會感到有風(fēng)從耳邊飛過 速度越快人感覺 到的風(fēng)力越大 阻礙前進(jìn)的效果越明顯 因為人們不是在真空中騎車 而是四周始終被 空氣包圍著 從物理學(xué)觀點來講 人騎車行進(jìn)時 人和車給前方空氣以擠壓力 而空氣 給人和車以反作用力 即空氣阻力 經(jīng)過測量 風(fēng)速在 40 公里每小時的情況下 垂直于 風(fēng)向每平方米面積受到的壓力為 11 公斤 不論風(fēng)速 40 公里每小時或是每小時 40 公里的 速度騎行時 它們垂直于風(fēng)向的每平方米面積上所受到的空氣壓力都是 11 公斤 人們騎車前進(jìn)時 必須突破空氣阻力 這就需要力量 不同風(fēng)級所產(chǎn)生的風(fēng)速和垂 直風(fēng)向每平方米所受到的壓力均不相同 只有克服這些因素 車子才能向前行駛 2 2 4 電動車慣性力的計算 電動車的慣性力除了平移之外 還有車輪 電機(jī)轉(zhuǎn)子等螺旋部件的旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn) 慣性矩 為了簡化計算 將這些旋轉(zhuǎn)慣性矩折算成平移移動的慣性力 這樣混合動力自 行車慣性力即為 式121212 aWmama 2 7 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 7 混合動力自行車的慣性力 aWN 旋轉(zhuǎn)慣性系數(shù) 參照礦用機(jī)車的數(shù)據(jù) 混合動力自行車取 0 075 混合動力自行車的加速度 啟動時的加速度取 0 03 0 05 2 ms 將 值代入式 2 6 得 式 2 812 075 ama 將式 2 5 式 2 7 帶入式 2 1 整理后得到混合動力自行車牽引運(yùn)行時需要機(jī)車給 出的牽引力為 式12 sin0 175 Fmga 2 9 將數(shù)據(jù)帶入得 N05 31 1075 2 10 75 電動車在慣性運(yùn)行的狀態(tài)下牽引電動機(jī)斷電 牽引力消失 混合動力自行車依靠已 具有的能量克服阻力繼續(xù)運(yùn)行 如果軌道坡度不大 混合動力自行車是減速運(yùn)行的 在 這種情況下 沿運(yùn)行方向作用在混合動力自行車的力只有靜阻力 和慣性力 令式FaW 2 1 中的 等于零 可得到慣性運(yùn)行狀態(tài)下的基本方程為 F 式 2 100aFW 將式 2 5 式 2 7 帶入式 2 9 可以得到慣性運(yùn)行時列車的加速度的表達(dá)式 式1 sin 075agw 2 11 由上式可以看出 混合動力自行車上坡或沿水平運(yùn)行時 及下坡 時 sin 混合動力自行車減速運(yùn)行 只有在下坡運(yùn)行 時 混合動力自行車是加速0a sin 運(yùn)行的 2 2 5 電動車的牽引力計算 現(xiàn)在分析牽引電動機(jī)給出的轉(zhuǎn)矩怎樣轉(zhuǎn)化成自行車的牽引力 牽引力與哪些因素有 關(guān) 混合動力自行車的后輪 是牽引電動機(jī)的主動輪 設(shè)混合動力自行車的質(zhì)量為 2m 作用在該輪對上的力見圖 2 2 為牽引電動機(jī)傳遞到該輪上的轉(zhuǎn)矩 為運(yùn)行阻力 MF 為地面的支持力 將轉(zhuǎn)矩 用一個作用在輪軌接觸點和輪心的等效力偶代替 則力偶0N XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 8 的大小 為 1F 式12MFD 2 12 當(dāng)輪胎接觸點處的 時 摩擦 與力偶力 總是大小相等方向相反 車輪在maxfF f1 C 點處無滑移 在輪心處 的作用下 車輪以 C 點為瞬心 向前滾動前進(jìn) 輪心處 11F 力 即為一個輪上的牽引力 與阻力 平衡 1F 圖 2 2 混合動力自行車牽引力分析 若 時 車輪在 C 點受力不平衡 車輪將克服路面的摩擦阻力空轉(zhuǎn)而不前進(jìn) maxfF 實際上 由于車輪的圓度誤差不均與磨損以及軌面狀況等因素的影響 車輪在 C 點 處不可能保持理想的無滑動滾動 免不了有滑移 為考慮這一因素影響 將摩擦系數(shù)值 取低一點 理論上把這個系數(shù)稱為粘著系數(shù) 車輪與路面之間的摩擦力相應(yīng)得稱為粘著 力 這種牽引方式稱為粘著牽引 表 2 2 不同路面狀況的粘著系數(shù) 路面特征 粘著系數(shù) 全新堅硬的柏油 混泥土 干 0 015 柏油路面 濕 0 01 混泥土路面 濕 0 009 泥土路面 干 0 045 泥土路面 濕 0 1 松沙路面 0 1 冰面 0 001 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 9 影響粘著系數(shù)的因素很多 其中主要有 1 車輪與路面的狀態(tài) 帶有花紋的輪面或干燥的路面 粘著系數(shù)較大 路面潮濕 有冰 血 霜或油垢的路面粘著系數(shù)較小 2 運(yùn)行速度的高低 隨著運(yùn)行速度增加 加劇了車輪與路面的縱向和橫向的滑動及機(jī) 車振動 粘著系數(shù)減小 3 混合動力自行車特性的差異 車輪直徑的大小不同 各車輪間的負(fù)載分布不均 電動機(jī)的分布等都對粘著系數(shù)有影響 參考文獻(xiàn) 27 得到表 2 2 2 3 混合動力自行車的動力性能 混合動力自行車因為以蓄電池存儲的電能為能量來源 所以衡量混合動力自行車性 能的一項重要指標(biāo)是最大續(xù)駛里程 而且 混合動力自行車采用的是電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 其 輸出特性和一般自行車也不相同 混合動力自行車的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)將蓄電池輸出的電能轉(zhuǎn)化為車輪的旋轉(zhuǎn)動能 從而 驅(qū)動混合動力自行車運(yùn)行 它決定了混合動力自行車的動力性能 它的能量轉(zhuǎn)化效率也 直接影響到混合動力自行車的最大行駛里程 由此可見 研究混合動力自行車驅(qū)動系統(tǒng) 對提高混合動力自行車性能具有重要意義 另外 混合動力自行車因為采用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 可以利用電動機(jī)的逆向工作性能 制動時的能量進(jìn)行回饋 增強(qiáng)其制動性能 混合動力自行車的動力性能值是自行車在良好路面上直線行駛時由自行車受到的縱 向外力決定的 所能達(dá)到的平均行駛速度 29 下面介紹自行車的主要動力性能指標(biāo) 最 高車速 加速時間 最大爬坡度 自行車的最高車速 在水平良好的路面上 自行車所能達(dá)到的最高行駛車速 自行車的加速時間 常用原地起步加速時間與超車加速時間來表明自行車的加速能 力 原地起步加速時間是指汽車由低檔起步 并以最大的加速度逐步換至最高檔后到預(yù) 定的距離或預(yù)定速度所需的時間 超車加速時間 是指用最高檔由較低車速全力加速到 高速所需的時間 自行車能爬上的最大的坡度是指用滿載時自行車在良好路面上的最大爬坡度表示的 2 3 1 自行車基本參數(shù)介紹 a 整車整備質(zhì)量 包括動力蓄電池 不包括乘員或裝載質(zhì)量 隨車工具 車載充電器 b 功率 指物體在單位時間內(nèi)所做的功 功率越大轉(zhuǎn)速越高 自行車的最高速度也越 高 常用最大功率來描述自行車的動力性能 最大功率一般用馬力或千瓦來表示 1 馬力 等于 0 735 千瓦 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 10 c 扭矩 扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動的力 發(fā)動機(jī)的扭矩就是指從曲軸端輸出的力矩 在 功率固定的條件下它與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系 轉(zhuǎn)速越快扭矩越小 反之越大 它反映 了自行車在一定范圍內(nèi)的負(fù)載能力 d 最大總質(zhì)量 kg 自行車滿載時的總質(zhì)量 最大裝載質(zhì)量 kg 自行車在道路上行駛時的最大裝載質(zhì)量 e 軸距 mm 通過車輛兩車輪的中心 并垂直于車輛縱向?qū)ΨQ平面的二垂線之間 的距離 簡單的說 就是自行車前軸到后軸的距離 輪距 mm 車的左右輪胎面中心線間的距離 2 4 制動系統(tǒng) 2 4 1 混合動力自行車剎車分類 傳統(tǒng)的混合動力自行車只是機(jī)械式剎車 使很多的能量在不知不覺中浪費(fèi) 而現(xiàn)在我們 做的混合動力自行車帶有了能量反饋節(jié)約了能量 帶有制動能量再生系統(tǒng)混合動力自行 車的制動過程與傳統(tǒng)的混合動力自行車的制動有著不同之處 再生制動力是利用在電磁 場中旋轉(zhuǎn)的磁極將會產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩 電磁轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)方向與車輪行駛的方向相反 從 而產(chǎn)生對混合動力自行車的制動 但是這種制動方式在遇到緊急情況時將不能應(yīng)付 因 為他不能在短時間內(nèi)使自行車停下來 因此在做混合動力自行車制動時 既用了再生制 動也使用了傳統(tǒng)的帶式制動器 使電動車的剎車更有效 也能盡量減少不必要的損耗 電池一次充電行駛的路程最長 因此在求制動力時 我們分緊急情況與正常情況 緊急情況指的是在同一時間內(nèi)既有手制動也有再生制動 正常狀況指的是只有再生制動一種情況 2 4 2 制動力的分析與求解 圖 2 3 為良好的硬路面上制動時車輪受力情況 圖中 是車輪制動器中的摩擦力矩 是再生制動力矩 即制動時再生制動系統(tǒng)uTreT 作用于自行車車輪的阻力矩 為車子的阻力 為車軸對車輪的推力 有力矩平衡得 1FpF 式 2 131 2ureD 由于制動力不可以大于粘著力 即 式1zF 2 14 式中 粘著力 為粘著系數(shù) 為地面對車輪的法向反作用力 F z XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 11 將式 2 12 代入 2 13 得 2urezTFD 整理得 rezu 在制動器中 有 2uTFD 為機(jī)械剎車時制動器的制動力 uF 圖 2 3 制動時車輪受力 這里以正常狀態(tài)下計算為例 在正常情況下 只有再生能量制動 車輪制動器中的 摩擦力矩 那么0uT 23 6rezTFDNM 本設(shè)計的電動車使用了制動能量回收技術(shù) 制動系統(tǒng)在原有的制動基礎(chǔ)上增加了能 量回收 制動力矩再生制動過程與傳統(tǒng)的制動過程的不同 2 4 3 手動制動器的設(shè)計 混合動力自行車的制動器正常多數(shù)采用帶式制動 帶式制動器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化 根據(jù)電 動輪上的剎車輪的直徑為 43 所以選擇的帶式制動器的型號為 ZBJ8501 1989 額定m 制動力矩 NTe 250 制動帶總成 內(nèi)徑為 45 帶寬為 12 m 制動帶板 帶長為 142 3 帶寬為 12 制動襯片 內(nèi)徑 45 展開長度為 24 參考文獻(xiàn) 13 各基本尺寸見表 3 1 表 3 1 簡單制動器的各基本尺寸 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 12 d e1 e2 B a1 a2 45 0 6 0 9 15 015015 選好制動器以后 應(yīng)該按照配套主機(jī)的要求對制動力矩 發(fā)熱情況進(jìn)行驗算 由于 混合動力自行車的工作環(huán)境比較好 散熱條件也比較優(yōu)越 因此在校核時不考慮發(fā)熱對 制動器的影響只驗算制動力矩 根據(jù)制動器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況計算制動軸上的負(fù)載力矩 并考 慮一定的安全設(shè)備 安全系數(shù) 可查表獲得 求出制動力矩 再參照制動器的額定制 T 動力矩 使 eTe 根據(jù)制動對象的運(yùn)動情況可以分為平移動制動和垂直移動制動兩種類型 平移制動 指的是被制動的是慣性質(zhì)量 而垂直制動被制動的是有慣性質(zhì)量和垂直負(fù)載 且垂直負(fù) 載是主要的 如提升設(shè)備制動 計算制動力矩時 平移制動按照 式 2 15 fuT 負(fù)載力矩此處為換算到制動軸上的傳動系統(tǒng)的摩擦力矩 uT mN 換算到制動軸上的總摩擦力矩 f mN 垂直制動按照 式 2 16 uT 換算到制動軸上的負(fù)載力矩 uT 1u 換算到制動軸上的總摩擦力矩 1T mN 轉(zhuǎn)化效率 混合動力自行車制動的是慣性質(zhì)量屬于平移制動 根據(jù) 2 14 計算 這里需要說明的 是混合動力自行車除了摩擦力矩還有直流電動機(jī)的再生制動 所以需將公式 2 14 改為 式 2 17 refuT 再生制動力矩 上章節(jié)已經(jīng)計算出了 的取值范圍 reT rmNgwDmTf 92 4 025 1 705 21u XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 13 由于 是一個范圍值 那么就可以求出制動力矩 的一個最大與最小的范圍 最小是再reT T 生制動力矩 達(dá)到最大 此時mN 6 3 mNTrefu 48 2316 9420 最大是再生制動力矩 達(dá)到最小為 0 此時rerefu 0 5 所以剎車的制動力矩 滿足 即選擇的帶式制動器滿mNT 0823548 231eT 足要求可以使用 2 5 蓄電池的種類和結(jié)構(gòu) 蓄電池是混合動力自行車的能源載體 是混合動力自行車的核心部件之一 主要分 為閥控密封鉛酸蓄電池 膠體電池 鋰離子電池 鎳氫電池和燃料電池等 電動車對蓄 電池的要求是容量大 壽命長 重量輕 價格廉 鉛酸蓄電池的優(yōu)點是價格最低 內(nèi)電 阻小 電壓穩(wěn)定 具有良好的防振性能和密封性能 鋰離子電池和鎳氫電池雖然重量輕 壽命長 但是價格昂貴 在混合動力自行車的電源廣泛采用鉛酸蓄電池 但鉛酸蓄電池 的比能量和比功率都很低 隨著科技的發(fā)展近年來又使用了新型的蓄電池如鎘 鎳電池 鎘 鎳電池放電時 正極 還原為 充電時 又被氧化成NiOH2 i 2 NiOH 電極反應(yīng)表示為 NiOH22 iei 放充 負(fù)極海綿狀鎘放電時氧化生成氫氧化鎘 充電時氫氧化鎘還原為鎘 電極反 應(yīng)表示為 22CdOHe 放充 d 電池的總反應(yīng)的表示式為 2222 Ni NiCOH 放充 鎘 鎳電池體系以氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液為液 加入適當(dāng)?shù)臍溲趸嚳梢匝娱L電 池的壽命 氫氧化鉀 或鈉 不參加反應(yīng) 但是放電時消耗水 充電時生成水 氫氧化 物只起導(dǎo)電的作用 在充電過程中密度和組成沒有明顯的變化 參考文獻(xiàn) 6 選擇的型號為 GNY 12 其中 G 鎘為負(fù)極 N 鎳為正極 Y 圓柱形 12 額定容量為 12 h A 參考文獻(xiàn)鎘 鎳電池理論比能量為 214 3 實際比能量為 35 h KgW h KgW 說明 電池的容量是指電池工作 即電池放電時能提供的電量 有理論容量 實際 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 14 容量 額定容量 或公稱容量 之分 常以 或 為單位 為了比較不同系列的電Ah m 池 常用比容量的概念即單位質(zhì)量或單位體積的電池所能給出的電量來衡量 公別以 或 表示 在表中列出了各種電池體系的理論比容量 Ahkg L 2 6 動力傳動系統(tǒng)設(shè)計 現(xiàn)有混合動力自行車車大致可以分為以下幾個主要部分 蓄電池 電池管理 充電系 統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)整車管理系統(tǒng)及車體等 驅(qū)動系統(tǒng)為電動車提供所需的動力 負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn) 換成機(jī)械能 無論何種電動車的驅(qū)動系統(tǒng) 均具有基本相同的結(jié)構(gòu) 都可以分成能源供給子 系統(tǒng) 電氣驅(qū)動子系統(tǒng) 機(jī)械傳動子系統(tǒng)三部分 其中電氣驅(qū)動子系統(tǒng)是電動車的心臟 主 要包括電動機(jī) 功率電子元器件及控制部分 2 6 1 驅(qū)動方式對兩輪電動車性能的影響 目前兩輪電動車主要有三種 一是全電動型自行車 二是電動助力自行車 PAS 三是 電動摩托車 全混合動力自行車完全依靠電力就可以行駛 電動助力自行車電機(jī)的出力 是需要人力的驅(qū)動為前提的 人力和電力的比通常為 1 1 即所謂的 1 1 系統(tǒng) 這種系統(tǒng)在 日本較為通常采用 無論它們兩者有這樣那樣的區(qū)別 至少有一點是共同的 這就是要求人 力能夠正常騎行 而電動摩托車無需考慮人力騎行問題 由于受當(dāng)前電池技術(shù)的限制以及 混合動力自行車對蓄電池容量要求不高 當(dāng)前發(fā)展混合動力自行車以及電動助力車是較為 適宜的 根據(jù)國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局 1999 年 10 月 1 日頒布實施的 混合動力自行車通用 技術(shù)條例 規(guī)定 混合動力自行車的最高時速不得超過 20km 由于這個速度較低 永磁直 流電機(jī) 永磁無刷直流電機(jī) 開關(guān)磁阻電機(jī)及交流異步電機(jī)這四種電機(jī)都能夠勝任 但考 慮到成本 機(jī)械加工以及技術(shù)復(fù)雜程度等因素 目前兩輪電動車主要采用永磁直流電機(jī)以 及永磁無刷直流電機(jī) 而開關(guān)磁阻電機(jī)以及交流異步電機(jī)主要用在電動汽車 永磁直流 電機(jī)以及永磁無刷直流電機(jī)當(dāng)前都有質(zhì)量較好的產(chǎn)品 如上海新聯(lián)的永磁直流有刷電機(jī) 采 用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動方式 由于磁阻造成的力矩 以及人力騎行時的電機(jī)發(fā)電問題 實際使人 力騎行時感到十分費(fèi)力 中軸式對機(jī)械的設(shè)計和制造水平較高 通過采用雙飛結(jié)構(gòu) 解決 了人力騎行困難問題 旁掛式相對要求較低 只是在后輪上增加了一條鏈條來驅(qū)動 而且騎 行時電機(jī)不轉(zhuǎn)動 因此不存在磁阻轉(zhuǎn)矩以及發(fā)電問題 可減輕人力負(fù)擔(dān)問題 如果在造型上下 點功夫 無疑旁掛式將是混合動力自行車非常好的驅(qū)動方式 值得一提的是上述的驅(qū)動 方式還可以進(jìn)一步劃分 如除了輪轂直接驅(qū)動方式外 輪轂電機(jī)還有帶減速齒輪 減速比為 1 7 和 1 22 兩種 以及同步帶減速齒輪 減速比為 1 25 中軸式可以繼續(xù)劃分為同軸 式 減速比為 1 50 以及非同軸式 減速比為 1 35 用于混合動力自行車的電機(jī)功率 70 235W 主要為 135 180W 按照轉(zhuǎn)速可以歸為三類 一是低速電機(jī) 主要用于輪轂直接 驅(qū)動方式 電機(jī)轉(zhuǎn)速為 174rpm 240 二是中速電機(jī) 800 1800rpm 輪轂式齒輪減速以及 1 級 減速的旁掛式 減速比為 1 5 三是高速電機(jī) 2400 4500rpm 主要用于輪轂式同步帶減 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 15 速或齒輪減速 中軸驅(qū)動 2 級減速的旁掛式 減速比為 1 22 以及摩擦式 減速比為 1 17 2 6 2 混合動力自行車驅(qū)動系統(tǒng)的構(gòu)成 混合動力自行車驅(qū)動系統(tǒng)包括機(jī)械傳動系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)兩個部分 4 其中 機(jī)械傳動 部分因混合動力自行車驅(qū)動系統(tǒng)布置方式不同而不同 混合動力自行車對其驅(qū)動系統(tǒng)有 特殊要求能夠頻繁地起動 停車 加 減速 對轉(zhuǎn)矩控制的動態(tài)性能要求高 混合動力自行 車驅(qū)動的速度 轉(zhuǎn)矩變化范圍大 既要工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū) 又要運(yùn)行在恒功率區(qū) 同時還要求保 持較高的運(yùn)行效率能在惡劣工作環(huán)境下可靠地工作 正因為混合動力自行車對其電機(jī)驅(qū) 動系統(tǒng)有這些特殊要求 所以在混合動力自行車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計中 驅(qū)動電機(jī)的選擇及整 流器 控制器的設(shè)計 都必須考慮到這些特殊的要求 直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)為混合動力自行 車的驅(qū)動系統(tǒng)之一 它結(jié)構(gòu)簡單 具有優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性 與直流驅(qū)動電機(jī)相匹配的 變流器是斬波器 它將固定的直流電壓變成可調(diào)的直流電壓 調(diào)速方法主要是調(diào)壓調(diào)速和調(diào) 磁調(diào)速 采用直接轉(zhuǎn)矩控制的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 轉(zhuǎn)矩給定值的確定非常重要 它是直接轉(zhuǎn)矩控 制的轉(zhuǎn)矩目標(biāo)值 理想情況下 電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩就等于該時刻的轉(zhuǎn)矩給定值 所以 轉(zhuǎn)矩給 定值應(yīng)該能夠滿足負(fù)載的動力需求 因此在混合動力自行車的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計中 首先 要按照混合動力自行車的性能要求 對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的載荷進(jìn)行分析 也就是對混合動力自 行車行駛所需的的牽引力進(jìn)行分析 得出合理的電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩給定值 2 6 3 無刷直流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 永磁無刷電動機(jī)系統(tǒng)可以分為兩類 一類是方波驅(qū)動的無刷直流電動機(jī)系統(tǒng) BDCM 另一類是永磁同步電動機(jī)系統(tǒng) PMSM 也稱之為正弦波驅(qū)動的無刷直流電動機(jī)系統(tǒng) BDCM 系統(tǒng)不需要絕對位置傳感器 一般采用霍爾元件或增量式碼盤 也可以通過檢測反電 動勢波形換相 PMSM 系統(tǒng)一般需要絕對式碼盤或旋轉(zhuǎn)變壓器等轉(zhuǎn)子位置傳感器 從磁 鐵所處不同位置的結(jié)構(gòu)上看 永磁無刷電動機(jī)可以分成表面型 鑲嵌型 深埋式等結(jié)構(gòu)型 式 在混合動力自行車中也有采用盤式結(jié)構(gòu)或外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的 深埋式永磁同步電動機(jī)因其 有高的功率密度 有效的弱控制及方便的最大效率控制而在電動車應(yīng)用領(lǐng)域倍受青睞 是 當(dāng)前電動車電動機(jī)研發(fā)的熱點 用在電動車上的永磁同步電動機(jī)是將磁鐵插入轉(zhuǎn)子內(nèi)部 得到可同步旋轉(zhuǎn)的磁極 深埋式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如下圖所示 這種電動機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面主要有 兩個特征 轉(zhuǎn)子磁鐵使用埋入式 采用多極化設(shè)計 這種設(shè)計具有顯著的優(yōu)點 1 與將永磁體貼在轉(zhuǎn)子表面的情況相比 將永磁體植入轉(zhuǎn)子內(nèi)部 則即使高速旋轉(zhuǎn) 永磁 體也不會飛散 為此就使設(shè)計 10000r min 以上的超高速電動機(jī)成為可能 2 對于要求的最大轉(zhuǎn)矩而言 采用下圖所示的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 永磁電動機(jī)能做得更小 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 16 圖 2 4 正弦波驅(qū)動的無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖 第三章 混合動力自行車的運(yùn)行控制 在實際中發(fā)電機(jī)的構(gòu)造與電動機(jī)是相同的 都是通過定子與轉(zhuǎn)子的磁場作用力產(chǎn)生 電力的 導(dǎo)體線圈在磁場中運(yùn)動就能產(chǎn)生電流 導(dǎo)體線圈通電在磁場中就能旋轉(zhuǎn) 兩者 的不同點就是通電與不通電 由于電動機(jī)與發(fā)電機(jī)有著相同的構(gòu)造 如果把電動機(jī)轉(zhuǎn)動 起來 就像發(fā)電機(jī)一樣發(fā)電 但是 這時的發(fā)電電流方向與電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時的電流方向相 反的 混合動力自行車在正常行駛時 車輪是旋轉(zhuǎn)的 只要停止向電動機(jī)供電此時的電 動機(jī)變成了發(fā)電機(jī)為蓄電池充電 一段時間后給電機(jī)供電就又變?yōu)榱穗妱訖C(jī) 將電能轉(zhuǎn) 化為機(jī)械能使混合動力自行車能夠行駛 3 1 電動機(jī)的選擇 在所有已有的電動機(jī)中 綜合性能最好的是直流電動機(jī) 過去開發(fā)的電動車主要采用 有刷直流電動機(jī) 有刷直流電動機(jī)系統(tǒng)調(diào)速方便 改變其輸入電壓或勵磁電流就可對其轉(zhuǎn)矩 實現(xiàn)獨(dú)立的控制 進(jìn)行平滑的調(diào)速 所以有刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性和調(diào) 速品質(zhì) 但是有刷直流電動機(jī)系統(tǒng)由于電刷和換向器的存在而導(dǎo)致以下兩方面的缺點 第 一 必須進(jìn)行經(jīng)常性的維修和保養(yǎng) 第二 無法實現(xiàn)高速大容量 這兩方面的缺點使其在電動 車驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了限制 而無刷直流電動機(jī)則克服了有刷直流電動機(jī)的缺點 它 既有有刷直流電動機(jī)的優(yōu)越的性能 又依靠電子換向 免去了機(jī)械式電刷和換向器 本系統(tǒng) 選用無刷直流電動機(jī) 無刷直流電動機(jī) 就其基本結(jié)構(gòu)而言 可以認(rèn)為是一臺有電子開關(guān)線 路 永磁式同步電動機(jī)以及位置傳感器三者組成的 電動機(jī)系統(tǒng) 它借助反映轉(zhuǎn)子位置的 位置信號 通過驅(qū)動控制電路 驅(qū)動逆變電路的功率開關(guān)元件 使電樞繞組依一定次序饋電從 而在氣隙中產(chǎn)生步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場 拖動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動 轉(zhuǎn)子位置信號依一 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 17 定規(guī)律變化 從而改變電樞繞組的通電狀態(tài) 實現(xiàn)無刷直流電動機(jī)的機(jī)械能量轉(zhuǎn)換 3 1 1 直流電動機(jī)的特點 有刷直流電動機(jī)帶有整流子與電刷 而整流子與電刷根據(jù)轉(zhuǎn)子位置不同而自動切換 連接位置 從而改變轉(zhuǎn)子電流方向 這是一個很巧妙的組合 有了它 電動機(jī)一接通電 源就能旋轉(zhuǎn) 但是實際應(yīng)用中 這種結(jié)構(gòu)還存在著一些由整流自與電刷之間的機(jī)械連接 所產(chǎn)生的缺點 1 磨損問題 整流子的材料大多采用硬質(zhì)合金 電刷則使用光滑而又易接觸的金屬 與炭化物 這種金屬與碳的化合物具有相類似的潤滑性 但是 無論采用多么耐磨損的 整流子材料 他們接觸面之間的磨損總是會隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生 所以必須定期更換 損壞的電刷 2 噪聲問題 無論怎么精工制作 整流自娛電刷間的接觸面都不會天衣無縫 噪聲 是必然會產(chǎn)生的 3 旋轉(zhuǎn)中整流子與電刷磨擦是將由電器噪聲產(chǎn)生 這種電器噪聲會使電動機(jī)周圍的 電器設(shè)備產(chǎn)生無動作 對混合動力自行車的電器設(shè)備產(chǎn)生不良影響 正對以上缺點 在電動機(jī)選用時選用了一種以電子線路進(jìn)行電流切換 而無需整流 子與電刷的無刷直流電動機(jī) 避免了以上的缺點提高了電動車的耐用度 但是無刷直流 電動機(jī)必須與一定的電子換向電路配套使用從而總的成本增加 但從控制的角度看更具 有了靈活性 利用低電平信號可方便的控制電路的切換 電動機(jī)的起停 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩 3 1 2 電動機(jī)容量選擇的原則 混合動力自行車在傳動系統(tǒng)中選擇一臺合適的電動機(jī)是極為重要的 電動機(jī)的選擇 主要是容量的選擇 電動機(jī)的容量選小了 一方面不能充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備的能力 使生 產(chǎn)效率降低 另一方面電動機(jī)經(jīng)常在過載下運(yùn)行 會使它過早損壞 同時還可能出現(xiàn)啟 動困難 經(jīng)受不起沖擊負(fù)載等故障 如果電動機(jī)的容量選大了 則會使設(shè)備投資費(fèi)用增 加 選擇電動機(jī)容量應(yīng)根據(jù)以下兩項基本原則進(jìn)行 1 發(fā)熱 電動機(jī)在運(yùn)行時 必須保證電動機(jī)的實際最高工作溫度 max 等于或略小于 電動機(jī)絕緣的允許最高工作溫度 a 即 max a 2 過載能力 電動機(jī)在運(yùn)行時 必須具有一定的過載能力 特別是在短期工作時 由于電 動機(jī)的熱慣性很大 電動機(jī)在短期內(nèi)承受高于額定功率的負(fù)載功率時仍可保證 max a 故此時 決定電動機(jī)容量的主要因素不是發(fā)熱而是電動機(jī)的過載能力 即所選電動機(jī)的最大 允許電流 Imax 必須大于運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的最大負(fù)載電流 ILmax XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 18 3 1 3 電動機(jī)的發(fā)熱與冷卻 電動機(jī)是由多種金屬 銅 鋁 鐵 硅鋼片 和絕緣材料等組成 它在運(yùn)行時 不 斷地把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能 在能量的變換過程中必然有能量損耗 這些損耗包括銅損 鐵耗和機(jī)械損耗 其中銅耗與電流的平方成正比地變化 而鐵耗與機(jī)械損耗則幾乎是不 變的 這些損耗都變成了熱能而使電動機(jī)發(fā)熱 溫度升高 其發(fā)熱的過程如下 剛開始工作的時候 電動機(jī)的溫度 M 與周圍介質(zhì)的溫度 0 規(guī)定取 0 40 C 0 之差 M 0 很小 而熱量的發(fā)散是隨溫度差遞增的 所以 這時只有少量的熱量被散發(fā) 出去 大部分熱量都被電動機(jī)吸收 因而溫度升高較快 隨著電動機(jī)溫度的逐漸升高 它和周圍介質(zhì)的溫差也相應(yīng)地加大 發(fā)散出去的熱量逐漸增加 而被電動機(jī)吸收的熱量 則逐漸減少 溫度的升高逐漸緩慢 溫升 M 0 是按指數(shù)規(guī)律上升的 當(dāng)溫度升高 到一定數(shù)值時 電動機(jī)在一秒內(nèi)發(fā)散出去的熱量正好等于電動機(jī)在他一秒內(nèi)由于損耗所 產(chǎn)生的熱量 這時電動機(jī)不再吸收熱量 因此溫度不再升高溫度趨于穩(wěn)定 達(dá)到最高溫 升 值得指出的是熱慣性比電動機(jī)本身的電磁慣性 機(jī)械慣性要大得多 一個小容量的 電動機(jī)也要運(yùn)行 2 3 小時 溫升才趨于穩(wěn)定 但溫升上升的快慢還與散熱條件有關(guān) 在切斷電源或負(fù)載減少時 電動機(jī)溫度要下降而逐漸冷卻 在冷卻過程中 其溫度 降低也是按指數(shù)規(guī)律變化的 而冷卻過程是進(jìn)行的很慢的 電動機(jī)運(yùn)行時 溫度若超過一定的數(shù)值 首先損壞的是繞組的絕緣 因為電動機(jī)中 的絕緣材料是耐熱最弱的部分 目前 常用的絕緣有 E B F H 四級 如果電動機(jī)的 工作溫度超過了絕緣材料允許的最高工作溫度 輕則加速絕緣老化過程 縮短電動機(jī)壽 命 重則絕緣材料碳化變質(zhì) 也就損壞了電動機(jī) 據(jù)此規(guī)定了電動機(jī)的額定容量 電動 機(jī)長期在此容量下運(yùn)行時 應(yīng)不超過絕緣材料所允許的最高溫度 所以 M a 是保證 電動機(jī)長期安全運(yùn)行的必要條件 也就是按發(fā)熱條件選擇電動機(jī)功率的最基本的依據(jù) 由于電動機(jī)的溫升和冷卻都有一個過程 其溫升不僅取決于負(fù)載的大小 而且也和 負(fù)載的持續(xù)時間有關(guān) 也就是與電動機(jī)的運(yùn)行方式有關(guān) 或者說 電動機(jī)額定功率的大 小與電動機(jī)的運(yùn)行方式有關(guān) 3 1 4 選擇步驟 第一步 計算負(fù)載功率 PL 第二步 根據(jù)負(fù)載功率 預(yù)選電動機(jī)的額定功率和其它 第三步 校核預(yù)選電動機(jī) 一般先校核發(fā)熱溫升 再校核過載能力 必要時校核啟 動能力 在滿足生產(chǎn)機(jī)械要求的前提下 電動機(jī)額定功率越小越經(jīng)濟(jì) 3 1 5 無刷直流電動輪轂的選型計算 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 19 混合動力自行車正常行駛時所需要電機(jī)的功率為 式 3 1 360FvPm 式中 電動車的功率 Pkw 混合動力自行車的車速 v h 電動機(jī)的效率 取 0 9 電動機(jī)的臺數(shù) m1 將數(shù)據(jù)帶入 3 052 176698Pkw 電機(jī)的工作電流 式 3 2 UI3 由于電池的電壓為 36 所以混合動力自行車的工作電壓為 36 將 與 的數(shù)據(jù)VVPU 帶入求得工作電流 4 8IA 轉(zhuǎn)速為 60vnD 式中 表示轉(zhuǎn)速 v ms 表示車輪直徑 D 帶入數(shù)據(jù)得 1062365 min4 nr 選擇的無刷直流電動輪轂的型號為 170SN J05F 額定電壓 36V 額定電流 5 A 額定功率 180W 空載轉(zhuǎn)速 2 minr 在電池選擇時也應(yīng)該根據(jù)公式 3 1 計算的結(jié)果選擇電池的容量 3 1 6 混合動力自行車的續(xù)行距離 電動車一次充電后在某一速度下續(xù)行的距離等于電池能量與該車在該速度下耗能率 之比 能耗率正比于行駛阻力 故設(shè)計混合動力自行車時可以由下式估算續(xù)行kmhw 距離 參考文獻(xiàn) 9 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 20 式 3 3 221 AvkmKGSarb 式中 決定于所用電池能量密度及混合動力自行車的傳動效率系數(shù) 對鎳鎘K 電池 0 蓄電池的質(zhì)量 bGkgGb1 旋轉(zhuǎn)阻力系數(shù) 取 0 1 0 2 rkN 空氣阻力系數(shù) a 混合動力自行車受空氣阻力的面積 取 A 21 0mA 車速 vhkm 對于 參考文獻(xiàn) 6 前面較陡的非線型車取 1 0 小客車取 0 5 完全流線型車取ak 0 2 混合動力自行車沒有給出 但是由于混合動力自行車的空氣阻力的受力面主要為人 的身體比較不規(guī)則 因此取 0 1 ak 將數(shù)據(jù)帶入 kmS37201 2 由公式 3 3 可見 提高續(xù)行距離 的有效途徑是減輕車的質(zhì)量 同時盡量增加電池的 容量 主要提高 當(dāng)今電動車選用的高能量密度的電池 直接將電動機(jī)與車輪合為一體K 電動輪 以提高傳動效率 即提高了混合動力自行車的續(xù)行距離 在行駛中剎車把電動車的動能轉(zhuǎn)化為熱能 使實際續(xù)行距離減少 用電機(jī)再生制動 取代機(jī)械式制動可以減少這種損失 而且簡化了結(jié)構(gòu) 減輕了質(zhì)量 這也就是本設(shè)計的 研究意義所在 節(jié)省能量 一次充電行使距離最遠(yuǎn) 3 2 無刷電動機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng) 3 2 1 直流電動機(jī)的機(jī)械特性 直流電動機(jī)的定子通常有勵磁繞組 當(dāng)勵磁繞組通以直流電時產(chǎn)生磁場 轉(zhuǎn)子又稱電 樞 它的作用就是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和電勢 實現(xiàn)機(jī)電能量變化 當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時 電樞繞組 中將產(chǎn)生交變感應(yīng)電勢 忽略電機(jī)電感時 電樞電流 Ia 為 aUEIR 式中 U 為電樞電壓 E 為電樞反電動勢 Ra 為電樞電阻 XXXX 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 21 直流電動機(jī)的機(jī)械特性方程式為 式 etaCRIUn 3 4 式中 電樞電阻 aR 勵磁回路電阻t 工作電壓 U 電機(jī)構(gòu)成常數(shù) eC 磁通量 由式 3 4 可以看出 改變電機(jī)的電壓 磁通和電樞電阻均可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速 1 改變電樞兩端的電壓調(diào)速 給勵磁繞組加上額定電壓 使主磁通不變 調(diào)節(jié)施加 在電樞上的電源電壓在額定以下變動 直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就會降低 這種調(diào)速方法穩(wěn)定 平滑 但是轉(zhuǎn)速只能降低 于恒功率調(diào)速 電樞串電阻調(diào)速時電機(jī)的運(yùn)行效率較低 只 在小功率或特殊場合使用 2 改變電樞回路串聯(lián)電阻調(diào)速 改變電樞回路串聯(lián)的調(diào)速電阻 Rt 實際上就是改變電 樞端電壓 增大電樞串聯(lián)電阻 等于降低電樞端電壓 電樞轉(zhuǎn)速必定下降 這種調(diào)速方 法轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定 轉(zhuǎn)速只能降低 消耗能量 3 改變勵磁回路電阻調(diào)速 當(dāng)勵磁電壓為恒值時 調(diào)節(jié)勵磁回路串聯(lián)電阻 即改變 了勵磁電流 也就改變主磁通 使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速改變 這種調(diào)速方法調(diào)速范圍大 調(diào)速 平穩(wěn) 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定 當(dāng)改變電機(jī)的電壓進(jìn)行調(diào)速時 電機(jī)的機(jī)械特性為一組平行直線 當(dāng)增加電機(jī)電壓 達(dá)到電機(jī)的額定電壓時 因為電機(jī)的絕緣強(qiáng)度的限制不能繼續(xù)增加電壓提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速 改變可以減小電機(jī)的磁通以提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速 改變電樞電壓調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 弱磁 調(diào)速屬于恒功率調(diào)速 電樞串電阻調(diào)速時電機(jī)的運(yùn)行效率較低 只在小功率或特殊場合 使用 3 2 2 脈寬調(diào)制 PWM 目前 直流電動機(jī)控制中應(yīng)用最多的方法就是 PWM pulse width modulation 控制 這是用 開關(guān)方式 控制電壓的一種方法 從開關(guān)導(dǎo)通到下一次導(dǎo)通的時間間隔稱