摘 要

随着传统燃料的缺点日益凸显，电动汽车成为了现代人们青睐的目标，而电动汽车的轮毂电机的作为电动汽车中重要的动力来源，关于它的研究已经成为当下电动汽车领域的重点。

本文对电动汽车用永磁轮毂电机进行了设计分析，总结了电动汽车对于轮毂电机的要求等，并对不同的轮毂电机性能进行了比较，对电动汽车的动力需求进行了归纳与计算。对某一特定电动汽车的轮毂电机进行了初步设计，之后根据所设计的参数进行了建模，最后通过有限元仿真软件对电机进行了电磁仿真，分别分析了电机在空载与负载状态下的特性，计算出电机磁场的磁力线图、反电动势、漏磁系数等特性，说明了所设计电机的正确性。

关键词：电动汽车；轮毂电机；永磁无刷直流电机；有限元仿真

Abstract

With the shortcomings of traditional fuels becoming more and more prominent, electric vehicles have become the favorite target of modern people, and the hub motor of electric vehicles as an important power source in electric vehicles, the research on it has become the focus of the field of electric vehicles. In this paper, the design and analysis of permanent magnet wheel motor for electric vehicle are carried out, the requirements of electric vehicle for hub motor are summarized, and the performance of different hub motors is compared, and the power demand of electric vehicle is summarized and calculated. The wheel motor of a particular electric vehicle is preliminarily designed, then modeled according to the designed parameters, and finally the electromagnetic simulation of the motor is carried out by finite element simulation software, the characteristics of the motor in the state of no-load and load are analyzed respectively, and the magnetic line diagram, anti-EMF, magnetic leakage coefficient and other characteristics of the motor field are calculated. The correctness of the designed motor is explained.

Key Words：Electric vehicle; In-wheel motor; Permanent Magnet Brushless DC motor; Finite element simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 存在问题 3

1.4 研究内容 3

第2章 电动汽车轮毂电机的研究 4

2.1 电动汽车的组成及类别 4

2.1.1 轮毂电机动力系统的组成 4

2.1.2 轮毂电机驱动类别 5

2.2 电动汽车对电机性能的要求 6

2.3 电动汽车轮毂电机的设计任务及要求 7

2.4 轮毂电机参数的确定 7

2.4.1 电动汽车行驶受力分析 7

2.4.2 电机转速的确定 8

2.4.3 电机功率的确定 8

2.4.3 电机主要技术指标汇总 9

2.5 本章小结 9

第3章 轮毂电机的设计 10

3.1 永磁无刷直流电机的数学模型 10

3.2 电动机主要尺寸的确定 11

3.3 电动机电磁负荷的选取 11

3.4 电机极槽数配合与定子槽设计 11

3.5 转子磁路结构和永磁体的设计 12

3.6 电枢绕组的设计 13

3.7 永磁无刷直流电机的参数确定 17

3.8 本章小结 17

第4章 电机性能的仿真分析 19

4.1 电磁场基本理论分析 19

4.2 轮毂电机电磁场有限元模型建立 19

4.3 电机空载性能仿真 20

4.3.1 空载磁场计算 20

4.3.2 空载漏磁系数计算 23

4.3.3 空载反电动势计算 25

4.3.4齿槽转矩计算 25

4.4 电机负载性能仿真 26

4.4.1 电机负载性能分析 26

4.4.2 电机负载磁场计算 28

4.5 小结 30

第5章 总结与展望 31

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

由于环境和能源问题越来越受到人们重视，在汽车数量飞速增长后的今天，燃油汽车的缺点也日益凸显，燃油汽车通过将燃油进行燃烧，再通过内燃机等的机械传动，将化学能转换为热能再转换为机械能以带动车轮动作。在此过程中，转换过于复杂，能量利用率十分低，且还需要经过差速器减速箱等机械结构，能量损耗更加大。为此，各国正大力开发混合动力汽车和电动汽车。而电动汽车以其环保、节能、低噪音的特点成为新的技术潮流^[1]。

有两中不同的动力系统用于电动汽车，第一种为单电机动力，即电机安装在车内，动力通过差动装置和传动轴传输到四个车轮。这种动力系统与传统燃油汽车相比优势并不明显，仅仅是燃油到电池的替换，未能充分发挥电动汽车自身的特点。另一种是轮毂电机系统，其中电机安装在车轮上，由电机单独动力车轮，这种系统省去了传动装置与差速装置，汽车整体质量减轻，结构也更加紧凑，提高了汽车的效率，具有结构简单、紧凑、节能、独立控制扭矩等独特优势^[2]。

永磁无刷直流电机具有良好的调节特性和机械特性，并且还具有结构简单、可靠性高、调速范围宽、堵转转矩大、便于维修维护、工作效率高和能量损耗低等特点。永磁无刷直流电机结合了交流和直流电机的优点，所以关于它的研究受到各个领域的关注。目前永磁无刷直流电机取得了高速发展并广泛用于多个领域如工业、农业、国防等^[3]。

为满足电动汽车的动力性能需求，应用于电动汽车的电机要具有可频繁启动和加减速的性能。本文将永磁无刷直流电机应用于轮毂动力，通过研究电动汽车的动力需求来进行电机的设计与研究。

1.2 国内外研究现状

国内对于轮毂电机动力系统的研究较晚，但随着国家在电动汽车上的政策扶持增大，各个高校汽车厂商也开始对轮毂电机进行研发投入。中国科技部在2001年“863”计划中设立了电动汽车重大专项，该专项的运作强调创新，国家已投入超过25亿的资金来支持该专项工作，目的是为之后的5到10年实现燃料电池汽车的产业化奠定基础。2008年北京奥运会和2010年上海世博会这两场盛会为国内电动车带来了极大的发展，大量的电动汽车订单也为电动汽车产业带来了巨大的资金支持。在“863”项目和“973”项目中，一汽集团、东风集团、上汽集团、清华大学等单位分别开发了电动汽车。一汽集团开发了红旗牌混合动力轿车和夏利纯电动轿车。东风汽车集团研发的神龙富康纯电动轿车是中国第一批由政府订购的商品化电动轿车。上海汽车集团研发出“春晖一号”和“超越一号”两款燃料电池轿车，以及建立在奇瑞轿车平台上的奇瑞混合动力轿车等。此时国内已经制定了一些电动汽车标准，但与国外相比还不够完善，且由于一些技术尚未突破和基础设施不完善，电动汽车的价格和使用成本也相对较高^[4]。

由于传统能源动力车辆的车轮内没有内置轮毂电机，因此对非簧载质量引发的问题研究较少，随着轮毂动力电动汽车的兴起，非簧载质量带来的轮胎接地性能恶化程度和车身加速度增大等问题越来越受到重视。其中，轮毂电机动力系统对车辆垂向性能的影响主要为车轮旋转部件惯量增加影响加速制动性能，轮毂电机安装位置偏低使整车涉水能力不强，增大了空气阻力，各部件安装难度增大等等。为解决以上问题，国内外研究人员提出许多方法。从产生垂向负效应的根源方面考虑，可以采取轻量化和质量转移等方法。其中，轻量化的方法有：悬架材料选择、轮辋材料选择、换用新型结构和一体化电动轮等等。质量转移的方法有：采用动态阻尼吸震器、使用盘式电机、使用轴向磁通电机、悬架部件质量转移等等。从垂向负效应的传递途径方面考虑，可以选用性能优的悬架，采用主动、半主动悬架，采用低刚度、抵滚阻轮胎等等。聂高法等在2016年进行了电动汽车悬架创新与设计，将轮毂电机利用弹簧阻尼器与轮毂弹性连接,使轮毂电机变成类簧载质量, 建立轮毂动力电动汽车1/4车辆动力学模型,进行仿真分析垂向振动特性发现优化后的悬架系统使得车身垂向振动特性优于电机与轮毂刚性连接的悬架。王东良等进行了轮毂电机双横臂悬架系统的设计及优化，应用构建一种新型的轮毂电机-双横臂悬架模型，以使轮胎磨损最小为目标进行了模型的优化。仿真结果和实验均表明该设计及优化取得了较好的成果。北京理工大学在2015年提出一种新型的用于电动车辆的轮毂电机动力系统，其轮毂电机转子不承受车重，使得电机转子结构强度仅需满足动力、制动扭矩要求，有利于减轻电机质量，进而减小车辆簧下质量；电机转子与轮毂安装件之间安装有弹性元件，可避免地面冲击传递到电机转子上，进而改善电机性能^[5-7]。

目前电动汽车普及率还不是很高，电动汽车研发过程中仍存在不少的问题需要解决。轮毂动力技术相对于其他动力技术有更明显的优点，虽然电动汽车轮毂动力在一些方面取得了研究进展，但是整体还有很大的发展空间。深入对轮毂电机的研究，相信将会极大地推进电动汽车的发展。

1.3 存在问题

电动汽车与普通汽车相同，都需要大的调速范围、良好的爬坡性能、良好的启动特性和加减速特性。这些都取决于电机的性能好坏。并且轮毂电机由于安装位置的特殊性，往往会工作在高温或雨雪等极端条件下，其工作环境会相比普通电机更加恶劣。因此，轮毂动力电机的结构设计对于电动汽车性能的提升极为重要。本论文旨在对于轮毂电机动力系统的研究与轮毂动力电机结构的设计，以实现获得良好的汽车运行状态的目的。

研究内容

本文研究内容主要包括以下几个方面：在第二章中介绍了电动汽车轮毂电机的组成与类型，并对电动汽车的电机进行比较分析并选择了电机类型；在第二章中还介绍了电动汽车对电机性能的要求，并对电机的基本参数进行计算；第三章设计了电动汽车轮毂电机，对其极槽配合、绕组等进行设计，并对其参数进行汇总；第四章对电机进行空载和负载的仿真分析，说明所设计电机的可靠性。

第2章 电动汽车轮毂电机的研究

2.1 电动汽车的组成及类别

电动汽车整体按照不同功能划分主要可以分为辅助子系统、电力动力子系统和能源子系统，如图2.1所示。电子控制器、功率转化器、机械传动装置、电动机和车轮等组成电力驱动子系统。电力驱动子系统直接影响着车辆的运行效果。

图2.1中细箭头和粗箭头分别代表信号和能量的流向。在驾驶电动汽车时，信号由驾驶员通过制动踏板或者加速踏板进行输入，然后通过电子控制器进行功率转化与能量管理的控制，前者沟通能量与电动机，后者对能量进行控制管理。当电动汽车启动时，能量流入电动机中带动车轮转动，而车辆制动时，发生能量的回流，能量回到电源中，通过这样对能量管理实现能源利用的最大化^[8-9]。

图 2.1 电动汽车的整体组成

2.1.1 轮毂电机动力系统的组成

轮毂动力系统包含于电力动力子系统中，通常由电动机、减速机构、制动器与散热系统等组成。

图2.2是一种轮毂电机动力系统的横截面, 其结构包括轮毂、减速机部分和电机部分。与其他动力系统相比，配备车轮动力部分的轮毂电机动力系统具有较大的簧下质量，使其在车辆稳定性和骑行舒适性方面处于不利地位。因此，减少物理尺寸和重量是开发轮毂电机动力系统的一个重要挑战。

图 2.2 一种轮毂电机截图

在轮毂电机动力系统中, 电机部分占其重量的很大一部分, 而且由于电机的物理尺寸通常取决于它必须开发的最大扭矩, 因此降低所需的电机扭矩可以有效地降低轮毂电机动力的重量系统。在开发过程中, 通常采用增加减速器来减少电机所需的扭矩, 从而来减少轮毂电机动力系统的物理尺寸和重量。

润滑系统基于内部循环方案, 其中一个内置的油泵由输出轴动力, 为润滑油提供动力。强制输送油通过安装在电机外壳内的油通道, 流经安装在转子轴内部的内部油通道和与转子轴一起旋转并到达电机的减速机输入轴。减速机的内部。这种强制油循环不仅润滑轴承和减速机, 而且还冷却电机定子 (包括线圈) 和转子。此外, 为了帮助积极冷却定子和润滑油, 外壳的外围和侧面都有散热片, 有利于轮毂动力系统进行风冷。

2.1.2 轮毂电机驱动类别

减速驱动和直接驱动分别为轮毂电机驱动的两种主要类别。减速驱动通常采用内转子型轮毂电机，如图2.2所示，减速装置安装在轮毂和电机之间用来减速和提升转矩。由于减速装置可以用来提升转矩作用，所以减速驱动也多用于高速运行状态下。直接驱动时，轮毂电机一般使用外转子形式，电机的外转子直接驱动轮毂，多用于负载较小、不会出现过载的场合。

按照动力电机类别分类，主要可以分为有直流电动机 (DCM)、异步电动机、永磁同步电动机（PMSM）、永磁无刷直流电动机 (PMBLM)和开关磁阻电动机 (SRM)等五类。这五类电机动力性能如表2.1所示。

表 2.1电动汽车常用动力电动机性能

综上性能比较，本论文选取永磁无刷直流电机来进行设计^[10]。

2.2 电动汽车对电机性能的要求

轮毂电机作为整车的动力源，它的输出性能直接影响整车的驱动性能。而且由于电动汽车需要在不同的速度下运行，启动与停止、加速与减速等相比普通电机更为频繁，相比普通工业更为严格电动汽车对电机的要求。电动汽车对电机主要有以下几点要求。

1. 电动汽车对于启动能力、爬坡能力与瞬时加速度能力要求较高，因此电机要有较大的过载能力，瞬时功率和最大转矩大。
2. 为保证电动汽车速度的变化，电机需要有较好的调节性能。
3. 电动机要有比较高的效率和功率密度，在运行的整个过程中，电动机要保持高效率，并且能够较好地实现能量回流。
4. 电动机还需要有较高的功率密度，以实现车辆重量减小，总体性能提高。
5. 电动汽车动力电机需要适应特殊的安装环境，例如需要在高温、较大震动的环境下工作。

2.3 电动汽车轮毂电机的设计任务及要求

电动汽车轮毂电机的设计要依据电动汽车的基本参数，本文设定的电动汽车相关参数要求如表2.2所示

表2.2 电动汽车相关参数

2.4 轮毂电机参数的确定

轮毂电机参数的确定需要通过电动汽车的性能需求来计算得到，根据上一节给出的电动汽车相关参数，接下来将进行电动汽车所需的电动机动力参数计算。确定出所需设计电机的转速、功率等，以便后续电机设计工作的进行^[12]。

2.4.1 电动汽车行驶受力分析

电动汽车在加速上坡时主要受到的阻力分别为滚动阻力F_f、坡道阻力F_i、空气阻力F_w、加速阻力F_j等，受到动力力为Ft。根据汽车行驶相关知识可以建立如下汽车力平衡方程：

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