氣候變暖、能源危機(jī)已成為 21 世紀(jì)人類所面臨的共同挑戰(zhàn)，而研究具有節(jié)能環(huán)保特點(diǎn)的電動(dòng)自行車成為解決這些問(wèn)題的重要途徑。作為電動(dòng)自行車核心的輪轂電機(jī)，其性能的好壞對(duì)整車功能的實(shí)現(xiàn)有決定性作用。而目前輪轂電機(jī)普遍存在著損耗大、性能不穩(wěn)定、效率低等缺點(diǎn)，因此，研究一款控制精度高、結(jié)構(gòu)可靠、穩(wěn)定性好、運(yùn)行效率高的輪轂式永磁同步電機(jī)具有重大意義。為了確定輪轂電機(jī)的總體方案，本課題首先分析了電動(dòng)自行車對(duì)輪轂電機(jī)的性能要求，計(jì)算出輪轂電機(jī)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)，確定電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力及輸出扭矩。然后，通過(guò)分析電機(jī)常數(shù)，選擇相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出電機(jī)的主要尺寸，進(jìn)而確定了輪轂電機(jī)總體機(jī)械方案。接著，引入單元電機(jī)的概念，對(duì)比不同繞組方案和極槽配合方案，確定輪轂電機(jī)的總體電磁方案。利用 JMAG 軟件對(duì)輪轂電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行有限元分析，確定合理的氣隙長(zhǎng)度，優(yōu)化氣隙磁密波形。通過(guò)分析電樞磁密、輸出扭矩及效率，對(duì)電機(jī)定子電樞的齒寬、軛高和永磁體的寬度及厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。綜合考慮永磁材料的性能及充磁成本，選擇磁性能較高的釹鐵硼永磁材料及平行充磁方式。然后，通過(guò)對(duì)輪轂電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行有限元分析，得到了反電動(dòng)勢(shì)波形的疊加原理及對(duì)波形正弦性影響較大的諧波次數(shù)。接著，對(duì)電機(jī)的鐵耗和銅耗進(jìn)行了有限元計(jì)算，得出了輪轂電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的效率。針對(duì)輪轂電機(jī)中存在的齒槽轉(zhuǎn)矩，本課題進(jìn)一步優(yōu)化轉(zhuǎn)矩特性，建立齒槽轉(zhuǎn)矩的解析模型，通過(guò)分析解析模型得到削弱齒槽轉(zhuǎn)矩的方法，并分析了不同電磁方案對(duì)齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。基于 MATLAB/ Simulink 搭建輪轂電機(jī)的仿真平臺(tái)，對(duì)電機(jī)的起動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，得到了速度、轉(zhuǎn)矩、三相電流的響應(yīng)特性。根據(jù)優(yōu)化后的機(jī)械及電磁方案加工輪轂電機(jī)樣機(jī)，對(duì)樣機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)、轉(zhuǎn)矩、溫升及效率進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明樣機(jī)的調(diào)速范圍、響應(yīng)特性、轉(zhuǎn)矩輸出及過(guò)載能力均滿足設(shè)計(jì)要求，輪轂電機(jī)樣機(jī)效率達(dá)到了 88.9%，綜合性能明顯優(yōu)于普通直流無(wú)刷輪轂電機(jī)，驗(yàn)證了課題中設(shè)計(jì)方案的合理性。

　
　電動(dòng)自行車是一種以蓄電池作為輔助能源，具有兩個(gè)車輪，能實(shí)現(xiàn)人力騎行、電動(dòng)或助動(dòng)功能的特種自行車。電動(dòng)自行車主要組成如圖 1-1 所示，包括輪轂電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制器、蓄電池組、車身及顯示儀表。控制器輸出電動(dòng)自行車的運(yùn)行控制參數(shù)，輪轂電機(jī)接收控制參數(shù)為車輛提供驅(qū)動(dòng)力，儀表盤(pán)用來(lái)顯示車輛運(yùn)行中的各種參數(shù)，蓄電池組為輪轂電機(jī)、控制器、儀表盤(pán)提供電源，各部分之間互相關(guān)聯(lián)、密不可分。隨著石油危機(jī)及溫室效應(yīng)的加劇，近年來(lái)越來(lái)越多的學(xué)者和工程師把注意力轉(zhuǎn)移到電動(dòng)自行車上［10］。關(guān)于電動(dòng)自行車的發(fā)展現(xiàn)狀可從國(guó)內(nèi)外電動(dòng)自行車相關(guān)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行分析。圖 1-1 電動(dòng)自行車主要組成部分 Fig.1-1 The main component of electric bicycle 1.2.1 國(guó)外電動(dòng)自行車的發(fā)展現(xiàn)狀電動(dòng)自行車作為電動(dòng)車的一種其最早的歷史，可以追溯到約。亨利（J.henry）發(fā)明第一臺(tái)直流電機(jī)不久的 1831 年。1834 年蘇格蘭人德文波特（T.DvaePnort）研制了第一臺(tái)具有真正意義的電動(dòng)車，采用一次性簡(jiǎn)單玻璃封裝的蓄電池。由于當(dāng)時(shí)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)、電池及車身設(shè)計(jì)等相關(guān)技術(shù)發(fā)展并不成熟，在以后幾十年里電動(dòng)車的發(fā)展一直處于谷底；1860 年法國(guó)科學(xué)家研制出了原始的鉛酸蓄電池，隨后性能良好的驅(qū)動(dòng)電機(jī)研制成功；1892 年美國(guó)在芝加哥展出了本國(guó)第一輛電動(dòng)車；1905 年愛(ài)迪生成功研制了鎳—鐵堿性蓄電池，為連續(xù)充電、增加續(xù)航里程提供了可能。此后，電動(dòng)車包括電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車得到了短暫的發(fā)展，但由于電動(dòng)車自身存在缺陷，隨著現(xiàn)代燃油車輛技術(shù)的進(jìn)步，到 1930 年左右電動(dòng)車基本為燃油車輛所取代，逐漸退出了市場(chǎng)［11， 12］。