永磁起动机的设计分析

毕 业 设 计学生姓名： 祁广文 学 号： 110505115 学 院： 机械工程学院 专 业： 车辆工程 题 目： 汽车永磁起动机的设计分析 指导教师： 彭立强 评阅教师： 2015 年 6 月河 北 科 技 大 学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 成 绩 评 定 表姓 名 祁广文 学 号 110505115 成 绩专 业 车辆工程专业题 目 汽车永磁起动机的设计分析指导教师评语及成绩指导教师： 年 月 日评阅教师评语及成绩 评阅教师： 年 月 日答辩小组评语及成绩 答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见学院答辩委员会主任： 年 月 日毕 业 设 计 （ 论 文 ） 中 文 摘 要在综述国内外汽车永磁起动机研究现状的基础上, 指出了国内汽车永磁起动机研究中存在的问题; 并从永磁起动机设计的角度出发 , 提出了亟待解决的技术问题。本文以研制和开发高性能的永磁起动机为目的，提高永磁起动机的设计水平，促进永磁起动机国产化为主题，并对所涉及的关键的、带有共性的基础理论和方法为主要研究内容，主要从以下几个方面进行研究和探讨。首先，为提高永磁起动机的性能，就应该对永磁起动机中电机的永磁体的材料进行选择和设计形状，以便产生更强的磁场。其次，还要考虑到起动机行星齿轮系的选择，主要考虑其传动比的大小和减速方式。最后，为了将起动机的动力平稳的传动出来，还要选择合适的单向离合器，以及设计保护传动齿轮和飞轮轮齿的装置。还要运用一些电路知识，设计起动机的保护电路。关键词 永磁起动机 永磁材料 磁极形状 单向离合器毕 业 设 计 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title The design and analysis of permanent magnet starter motor forautomobile AbstractIn this paper researching situation on the basis of auto permanent magnet starter at home and abroad, point out researching problems of the domestic automobile permanent starter; and from the perspective of permanent starter design, presents technical problems solved. In this paper, the research and development of high-performance permanent magnet starter for the purpose to improve the design levels of permanent magnet starter, and Promote the localization of permanent magnet starter as the theme . The key, the basis of common theory and method as the main research content, mainly from the following aspects were studied and discussed.First, in order to improve the performance of permanent magnet starter, the starter magnet should be a permanent magnet motor in material selection and design shapes to produce a stronger magnetic field.Secondly, considering the selection of starter planetary gear train, the main consideration of its size and the transmission ratio of deceleration.Finally , In order to drive out the power of starter smoothly, but also to choose a suitable one-way clutch , and designed to protect the transmission gear and the teeth of the flywheel device. But also to use some the knowledge of the circuit to design starter protection circuit.Key Words the permanent magnet starter permanent magnetic material magnetic pole shape one-way clutch本科毕业设计（论文） 第 I 页 共 II 页目 录1 绪 论 .11.1 课题的研究背景和意义 .11.2 汽车永磁起动机的研究现状和水平 .21.3 汽车永磁起动机的发展趋势 .31.4 本文研究的主要内容 .32 汽 车 永 磁 起 动 机 的 概 述 .42.1 汽车起动机的功用 .42.2 对永磁起动机的基本要求 .42.3 起动机的分类 .42.3.1 按传动机构分 .52.3.2 按控制装置分 .52.4 永磁起动机的结构和工作原理 .52.4.1 汽车永磁起动机的结构 .52.4.2 汽车永磁起动机电动机的工作原理 .63 汽 车 永 磁 起 动 机 的 设 计 .103.1 发动机对汽车起动机的整体要求 .103.2 永磁起动机设计的主要工作 .104 传 动 部 分 的 设 计 .114.1 行星齿轮减速机构 .114.2 行星齿轮减速机构的减速比的计算 .124.4 单向离合器的设计 .194.41 滚柱式单向离合器的工作原理 .194.42 单向离合器的保护措施 .205 电 机 部 分 的 设 计 .215.1 永磁起动机电动机参数的确定 .215.2 起动机主要尺寸的计算 .23本科毕业设计（论文） 第 I 页 共 II 页5.3 电枢轴的齿轮轴的结构设计 .245.4 行星齿轮减速杆的齿轮轴的结构设计 .246 永 磁 材 料 的 选 择 .266.1 永磁材料性能的对比 .266.12 工作可靠性对比 .276.13 工艺性对比 .276.14 经济性对比 .276.15 技术性能对比 .276.16 起动机外形尺寸对比 .276.2 永磁磁极形状的选择 .297 永 磁 起 动 机 控 制 电 路 的 设 计 .347.1 起动机控制电路的工作过程 .347.2 起动机驱动保护电路 .35结 论 .37致 谢 .38参 考 文 献 .39本科毕业设计（论文） 第 0 页 共 40 页1 绪 论1.1 课题的研究背景和意义汽车制造业的发展越来越快。其中对汽车起动机的体积、质量、功率的要求越来越高，一次不断的促使汽车起动机的更进一步的发展。用永磁材料代替汽车起动机的中的磁场绕组作为磁极的方法节约了矿物质中的铜和铁。用永磁材料制作的磁极比之前的磁极体积更小，径向尺寸更小。在要求同样的输出特性时，可以比之前的磁极减少百分之三十以上的体积和质量；同样的条件，如果体积和质量相同，输出特性相比之前的磁极可以提高百分之五十左右。；如两种材料做的磁极温度升高的相同条件下，用永磁材料做的输出的功率更大，它的效率更高。用永磁材料代替以前的磁场绕组，因此产生的电磁感应的数量减少，从而还可以改变起动机的黄翔性能，可以避免由换向火花高频干扰起动机的换向性能。汽车的起动机是汽车起动系统中的很重要的原件。汽车的起动机在起动系统中利用蓄电池的电能变成启动发动机用的机械能，让停止的发动机运转起来，从而汽车可以正常的运转上路。从以上可以看出汽车起动机的好坏将直接决定汽车整体的性能。它是机械部件中技术含量较高的一种原件，起动机的结构总体来说比较简单，主要由三部分组成(1) 、串激式直流电机；（2）、传动机构；（3）、控制装置。起动机在汽车的系统中占据很重要的功能并且它所处的条件很恶劣。因此在起动机的生产制造行业中对起动机的设计、制造、组装及性能检测中都由很高的技术要求。当前，虽然现在在中国汽车起动机的每年的制造的数量是非常惊人的，当时这个规模还在不断地扩张，但是就产品的质量和市场竞争力和除中国以外的其他发达的国家的产品的还有很长的路要走。中国的起动机的生产厂家在设计制造起动机时，大多数沿用传统的直流电机的设计方法，这样不能使起动机的性能在汽车上最大程度的表现出来，而且会使在取一些参数时导致采用的值不正确，使最后计算出来的解和正确的解偏离很大。中国国内有些制造厂制造的起动机在起初时，不仅没有完整的一套生产起动机的理论，而且没有前人的经验可以借鉴。他们一般就是直接照搬国外先进的的制造厂生产的起动机然后生产山寨版的起动机。当制作的起动机的国产材料达不到起动机要求的时，会使起动机在运转中遇到很多困难，使起动机的性能大打折扣。本科毕业设计（论文） 第 1 页 共 40 页国内生产起动机的很多工厂的现状是：（1）没有起动机的自主研究开发方面的能力，没有充分了解影响起动机的性能的各种因素；（2）在起动机的设计、制造中主要依据前人的经验和生产少数的成品实验，没有使用现在先进的计算机辅助设计，使产品投入市场的时间增长；（3）在起动机的故障等方面的检测，技术的自动化程度不高不成熟，甚至有的技术还处在很落后的阶段只能使用人工检测。综上，当前应该对国外先进的起动机的技术进行学习，并提出对我们国内的起动机发展的状态提出先进的整改建议，使国内的起动机和国外的先进技术接轨。综上对于汽车起动机的继续开发是很重要的，这对于设计经验的延续和相关技术的发展，实现起动机能够媲美国外的起动机具有相当大的意义。1.2 汽车永磁起动机的研究现状和水平传统的汽车起动机大多数采用串励式直流电机作为起动机的电机部分。铁氧体作为永磁材料在 1970 年左右在市场上流通，而这也为电机的发展提供了一个契机，从此时开始电机广泛的利用永磁材料铁氧体代替电机的励磁绕组。同时，电机的发展带动起动机的发展，由此永磁起动机产生了。永磁起动机相比传统的起动机拥有很多优点：1，减少了铜的消耗，起动机的电机效率被提高，蓄电池容量的要求被降低；2，起动机的电气连接件被减少，使其结构简单，使工作性能得到提高；3，使起动机的体积和重量都减小；4，永磁起动机有换向电抗小的优点，对换向有利，永磁起动机的研制生产在国外的一些起动机的制造厂已经进行了很长的时间，在很早的时间以前已经投入生产使用。现在汽车上用的起动机基本都是永磁起动机。减速式永磁起动机具有比传统的起动机更小的体积，更轻的重量，因此现在大多数永磁起动机采用减速式结构。美国 Delco-Remy 公司于 1981 年 11 月成立了针对研究开发减速式永磁起动机的工作小组，提出了关于减速式永磁起动机的 4,6,8 极方案，一年之后该公司选定了减速式永磁起动的 4 极方案。同年德国博世公司小批量制造了匹配奥迪的减速式永磁起动机，该起动机的功率为 1.4 千瓦，重 3.6 千克。采用了减速机构中的行星齿轮减速机构，采用的永磁材料为铁氧体。1983 年汽车永磁起动机的开发者对钕铁硼永磁材料特别的重视，它有优异于铁氧体的的磁性能，但是价格昂贵，许多样机还是被国内外研究机构仍然开发出来。近些本科毕业设计（论文） 第 2 页 共 40 页年一些钕铁硼永磁起动机在国外也得到了量产。国内的永磁起动机的开发设计时间相比其他的国家晚。水平相差也很大，基本国内制造的起动机都是仿制的山寨版的起动机。目前，国内开发的永磁起动机有以下三类：(1)铁氧体永磁起动机，但是该起动机的永磁材料主要是是国外高性能铁氧体；(2)钕铁硼永磁起动机；(3)带辅助极机构的永磁起动机。1 到 2 千瓦的永磁起动机占国内外很大的比重，高水准的一种起动机是 12 伏特，1.1千瓦到 1.2 千瓦的永磁起动机，这款形势的起动机主要的应用领域是轿车，并且它已经大批量的流通在起动机的市场上了。 1.3 汽车永磁起动机的发展趋势就现在的起动机形势，起动机的发展趋势是轻量化。提高起动电机的输出功率和力矩是提高起动机性能的关键。这个目标要使传统的起动机达到,只能通过增加体积和质量，现在最有效的方法提高输出功率和力矩的是采用减速机构。电励磁减速和永磁减速是减速电机的两种形势，而减速式永磁起动机能够在起动机的结构、重量、其他的各方面得到优化，以使起动机的寿命得到延长。1.4 本文研究的主要内容本文的研究内容是分析汽车永磁起动机的结构和工作原理，深入了解汽车永磁起动机后，再优化设计汽车永磁起动机整体及控制电路。一、根据分析永磁起动机的工作原理，优化设计永磁起动机的电动机部分；二、通过查阅资料和前人的经验，选用合适的永磁材料和永磁结构，使永磁材料具有高剩磁、高矫顽力、高工作温度和高耐腐蚀性能的优势。三、利用UG软件进行永磁起动机的机械机构的建模设计，设计完成该系统的整体方案，参照国标画出重要零件的工程图。四、确定永磁起动机电动机部分的具体结构，选用材料及布置形式，并设计合适本科毕业设计（论文） 第 3 页 共 40 页的传动机构形式，单向离合器的结构及控制电路。2 汽 车 永 磁 起 动 机 的 概 述2.1 汽车起动机的功用汽车发动机不是能自己就能随便启动的，必须依靠外力才能启动。当外力使