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1、电动助力车2档电控变速电机方案设计（开发代号G05）编 制：校 对：审 核：批 准：年月日一 sul rliif L IsnwL 3一目苣L 3量匙L 3L 3暑甦L 3 5WKMHL .S3SS#ML 4BL 420口黄笑民2 fiii4s2. lmMs專V ssss.V 3MWW2. 4 WO2 5.0#2.2.2.33 riwm32 玺歪民舊3 .ss83前言我国处于经济转型时期，经济增长方式转向内涵式可持续发展，清洁的可再生的 新能源的开发和利用，电动力汽车的商品化成为热点领域。电动车，尤其是电动轻便摩托车和电动自行车，由于其节能环保，价廉物美，使 用方便，作为一种终端的交通工具，迅速
2、普及千家万户，日益替代自行车成为老百姓 短距离出行的代步工具。目前产量已经超过燃油摩托车，全国年产达到 5000 万辆规 模。保有量多于1.4 亿，中国曾是自行车王国，有多于5 亿辆自行车，它们正在被电 动车所代替。目前的产能还赶不上更新报废的速度；现有的电动车主要使用永磁无刷电机驱动，这种电机使用稀土磁铁，使得能够设 计出低速大扭矩的轮毂电机或功率体积比高的高速电机。但是永磁电机使用磁铁励 磁，“几乎不可调”，只能依靠调电压调速，通常只能降压调速，即把速度调低，而不 能在不增加功率的情况下把速度调高，象车辆驱动实际需要的那样。因而对于实际需 要的使用工况变化发范围，需要更多的功率储备，这是不
3、经济的。通过增加变速机构来拓展电机的动力性能是问题的解决方案之一。而本方案是一 种能够根据车速（负荷）大小自动切换变速器档位从而输出低速和高速两种速度和相 应扭矩的小功率一体化驱动电机。这是我司创新实际的一种电机，比现有产品性能上大幅度提高，产品领先同行业。 本电机有一下主要构成： 电磁离合器切换变档，两档三轴齿轮常啮合结构48V500W 高速电机侧挂方式带制动机构2档电控变速一体化电机结构图1、电磁铁，2、摩擦盘，3滚子控制器，4、超越离合器本中心凸5轮滚7、11 档齿，8、I档齿，9、11档从动齿，10、1档从动齿2、中间单连齿，13、 后轮驱动轴，14、大齿轮，15、电机定子，16、转子
4、，17电机轴，18变档开关丄初定性能指标为：额定功率500W，最大功率850W，配派姆指定车型低速档最大扭矩 752.5 牛米，高速档车速 35km/h，电机效率 75%，匹配20Ah电动车专用蓄电池，时速30km/h时，续航里程大于50km其余符合标准 QC/T 792-2007 电动摩托车和电动轻便摩托车用电机及控制器技术条件1 整机性能及成车匹配计算1.1 整车配置及性能长X宽X咼 1.8 X 0.67 X 1.28m离地间隙 180mm轴 距 1.25m前轮规格 3.0-10整备质量 M=70kg后轮规格 3.0-10电池类型 铅酸 48V20AH电机型式 侧挂 2 档自动变速永磁无刷
5、电机电机功率额定500W，最大750W要求性能最高车速：V三45km/h 爬坡力 a三12续驶里程： 50km1.2 整车挂机尺寸和电机的外形尺寸1 77771.3 整车的性能指标验算驾驶员 75kg， 车轮半径按 0.2m 计算1.3.1 行驶阻力F=Fr+Fw +Fg其中滚动阻力为Fr=M*f cosa=145*9.8*0.011* cosl2 =15.29 (N)0其中：M为车轮载荷，70+75=145kg； a为路面倾斜角12(21%),系数0.011取自平整的 硬化路面坡度产生阻力为Fg=M g sina =145X9.8Xsin12 =295.29 (N)空气阻力为Fw= 0.5p
6、AfCD(V+Vw)2=表 1表1车速V10km/h30 km/h35 km/h40 km/h2.8m/s15 m/s9.7m/s11.1m/s空气阻力Fw1.5N15N21N27N其中：p空气密度1.2258； Af为迎风面积0.55 tf； C阻力系数0.57。1.3.2 爬坡性能坡道行驶阻力之和为F=15.29+295.29+1.5=312 (N)已知电机为输出功率 P2=500W则车速V=P2/F=500/312=1.6m/s=5.77km/h如果要求爬坡车速不低于 10km/h( 2.8m/s) 则功率W=VXF=2.8X312=867W或者 500W*10km/h 能爬坡度为ASI
7、N(F/Mg) =(500/2.8/(145X9.8) =7.2(12.6%)注：国家标准规定 1 级公路坡度最大 4%，4 级公路坡度最大 9%，实际可按 850W 设计。1.3.3 最高车速平路最高车速阻力为F=Fr+Fw车速低于50km/h，其中滚动阻力Fr按下式使计算Fr = M g f0 =145X9.8X0.011=15.63N对应车速3045km/h行驶阻力Fw和功率消耗见表2表2车速V30 km/h35km/h40km/h8.3 m/s9.7m/s11.1 m/s空气阻力/ N152130滚动阻力/ N15.6315.6315.63总阻力/ N30.6336.6342.87总阻
8、力矩/Nm6.127.39.13功率消耗/ W2583554761.3.4 续航里程及效率已知：电瓶48V,C=20，放电率0.5,经济车速30km/h (8.83m/s)放电率在0.5C左右。即放电电流: I=0.5C=10A,以车速V=30 km/h计算，后轮功率P2=258W，如果电压为48V,效率分别按0.5、0.6、0.7、0.8 计算输入功率、电流、理论放电时间和续航里程为：效率n0.50.60.70.8输入功率/wP1=P2/n516430368.6322.5输入电流I=P2/4810.758.967.686.7放电时间T=40/I1.862.22.62.98续航里程S=V*T6
9、57891104其余条件不变，如果车速为35km/h(9.72 m/s)，后轮功率P2=355W,如果电压为48V,效率 分别按0.5、 0.6、 0.7、 0.8计算输入功率、电流、理论放电时间和续航里程为：效率n0.50.60.70.8输入功率/WP1=P2/n710591.7507443输入电流I=P2/4814.812.310.69.24放电时间T=40/I1.351.61.892.16续航里程S=V*T47.356.866.2575.7其余条件不变，如果车速为40km/h (11.1 m/s)，后轮功率P2=476W,如果电压为48V,效率 分别按0.5、 0.6、 0.7、 0.8
10、计算输入功率、电流、理论放电时间和续航里程为：效率n0.50.60.70.8输入功率/WP1=P2/n952793680595输入电流I=P2/4819.816.51412.4放电时间T=40/I1.1.211.41.6续航里程S=V*T35424956.51.3.5行驶阻力特性图分析图中点划线a-b-e-f为850WS时理想的驱动特性，a-b段为恒扭矩，用于起动加速；b-e-f为恒 功率变速特性，速度变化自动适应行驶阻力的增加而降低。最高车速可达45km/h。图中虚线为本电机为分档变速特性曲线，a-c-h-25为低速档特性，h-e-f为高速档特性，对应 车速37.5 km/h。图3 行驶阻力
11、特性Tm/Nm坡度=12片一850W恒功率变速理想特性a7050永磁电机减速比7.53618d9020401030永磁电机减速比12.3600 W电机e 坡度=0行驶阻力矩T R50 V/km如果限流20A，输出功率降为600W，则爬坡能力下降为10度，50Nm左右，追高车速35 km/h1.4 电机的总体技术方案1.4.1转速扭矩功率和效率依据 1.3 节对电机和车辆的动力特性匹配分析，综合考虑离合器的工作特性，现 有电机的选择范围做出电机的基本要求输出功率500输入功率750/1400最大扭矩72最大电流28最高转速4500额定电压48最大功率850最咼效率801.4.2 档位和传动比a
12、1 档变速比电机最大扭矩略为5.5 Nm (28A)，而整车行驶最大阻力矩270Nm，故低速档转速比为S1 705.5=12.73b 最大车速 35km/h 时：折合后轮转速为n=35 X 1000(2 X 3.14X 0.2 X 60) =465r/min电机空载最高转速约4500 r/min,因此2档速比S2W4500F465=9.7查电机输出特性，满足效率三75% (3800)和离合器转速(三2500 r/min)以上特性段，兼 顾1档效率，取3500 r/min,此时扭矩2.5Nm，按3500 r/min,试算S223500 宁 465=7.52如果取值 7.5。输出扭矩2.5X7.5
13、2=18Nm1.4.3 变档转速变档转速的确定考虑在两档之间衔接后效率平台最大化。根据所选电机的特性变速起点设 计在2000r/min，对应1档，后轮转速160 r/min以内，车速12km/h以下，用于爬坡时输出大的扭矩。 完全结合点设置在2500r/min.对应2档，后轮转速333 r/min以上，车速25km/h以上到35km/h。2 电机系统设计计算由于无刷电机可采用多种相数，以及无刷电机控制器控制方法也有差别。所以对于不同的 无刷电机，虽然电机电磁计算基本原理是相同的，但电机电磁性能计算公式中有一些是不同的。 该电磁计算程序只适用于方波永磁无刷电机，电机为内转子，外定子，并且采用两相导通星2.1.主要数据及要求序号名称公式单位500W电机1额定功率PNW677.72额定电压UNV493额定转速nNr/min41004额定电流INA18. 825额定效率n N=(PN/ (UN*IN) )*100%73.488906726工作制定额SI (连续)7外壳防护等级IP658绝缘等级B级9冷却方式自然冷却10绕组工作温度tC80磁钢工作温度t1C502.2 电机主要尺
