工程硕士学位论文-车用发电机的节能与多电压问题研究.doc

单位代码 10635 学 号 2004001 工程硕士学位论文工程硕士学位论文 车用发电机的节能与多电压问题研究 论文作者： 指导教师：刘峰 专业领域：机电一体化 提交论文日期： 年 月 日 论文答辩日期： 年 月 日 学位授予单位：西南大学 中 国 重 庆 2008 年 3 月 论文目录论文目录 第 1 章文献综述4 1.1 车用发电机的发展概况4 1.1.1 车用电励磁硅整流交流发电机概述4 1.1.2 车用永磁发电机概述5 1.2 汽车电气系统升压问题概述8 1.2.1 汽车电气系统升压的原因与好处8 1.2.2 国内外关于汽车电气系统升压及多电压的研究概况8 第 2 章 引言9 2.1 课题的背景和意义.9 2.2 本课题的研究难点10 2.3 本课题的研究设想11 2.3.1 本课题关于节能高效问题的研究设想11 2.3.2 本课题关于多电压输出问题的研究设想11 2.4 本课题的研究方法和手段12 2.4.1 围绕电机的基本参数 绕组电感的非线性问题，对三相永磁同步发电机的绕 组参数进行分析。12 2.4.2 高性能车用永磁发电机的开发。12 2.4.3 结合未来汽车供电系统的发展趋势，设计并实现多电压供电的恒压整流控制系 统。13 2.4 本课题的预期结果13 第 3 章车用永磁发电机的设计13 3.0 引言13 车用永磁发电机主要设计参数的确定14 3.1 转子的设计15 3.1.1 车用永磁发电机转子磁路结构选择15 3.1.2 永磁体的确定18 3.1.3 永磁体极对数的确定20 3.1.4 发电机气隙长度的确定.22 3.2 车用永磁发电机定子的设计23 3.2.1 三相永磁同步发电机的基本电路方程.24 3.2.2 定子单相绕组的电感：.26 3.2.3 相邻相电流对相绕组自感的影晌.28 3.2.4 相绕组间的互感.31 3.2.5 车用永磁发电机高速运行时输出特性分析及优化措施.33 3.4 改善车用永磁发电机的冷却措施及磁场分析.36 3.5 改善车用永磁发电机的驱动方式.37 第 4 章永磁发电机电子稳压电路的设计37 4.0 引言.37 4.1 永磁发电机特性分析37 4.2 目前永磁发电机电压的调节方法38 4.3 永磁发电机电压调节器的电路组成示意图39 4.4 基准电路和电路保护电路40 4.5 采样检测电路和比较电路40 4.6 触发电路40 4.7 发电机电压调节器电路及其工作过程40 4.7.1 电压调节器电路组成40 4.7.2 电压调节器电路的工作原理及其过程41 第 5 章 性能试验41 第 6 章 结论42 参考文献43 第第 1 1 章章 文献综述文献综述 发动机是利用燃料在气缸内燃烧所发出的热能，以气体作为工作介质，将热能转变为 机械能。发动机在完成能量转换时，必须经过进气、压缩、做功、排气四个过程，即一个 工作循环才能完成。 试验表明，发动机中燃料燃烧所发出的热能，只有20%45%转化为 有效功，其余的热能随冷却介质、废气等从发动机排出，还有内部传动机构的在传递过程 中的损耗，这些损耗主要包括发动机内部运动件的摩擦损失，驱动附属机构（配气机构、 风扇、水泵、机油泵、发电机等）的消耗和泵气损失等机械损耗。如果按目前汽车工 业的发展趋势和能源消耗水准计算，地球上的能源储备只夠用上50年，所以汽车的经济节 能性是当前世界汽车工业发展面临的主要问题。 发电机作为汽车发动机的主要附属装置， 它要消耗发动机的输出功率，搞好发电机的节能问题研究，也可以说是对发动机节能走出 的重要一步。 1.1 车用发电机的发展概况 汽车发电机的发展，大体上经历了三个阶段:直流发电机、电励磁三相交流发电机、三 相永磁交流发电机。最初，由于技术水平落后，交、直流电间的转换比较困难，而汽车上 的蓄电池要求直流充电，因此汽车上用的发电机都是直流发电机额定电压通常有6v、 12v和24v三种)，所以在上世纪70年代以前，直流发电机曾一度占领了汽车发电机的主导地 位 。但直流发电机具有体积大、效率低、结构复杂、故障率高、不易维护等缺点，渐 渐不适应汽车发展的要求。 在上世纪70年代末、80年代初，直流发电机逐步被有刷和无刷的三相同步发电机代替， 其输出的三相交流电经硅整流器件变成需要的直流电(14v或28v)。这两种结构的三相同步 发电机统称为电励磁硅整流交流发电机，这种发电机是目前国内、外汽车中普遍使用的发 电机。随着汽车技术的发展，现代汽车要求其发电机的容量越来越大，性能越来越高，然 而汽车为发电机提供的安装尺寸有限，因此要求其发电机必须具有功率密度大、高效节能 可靠性高、使用方便等特点，电励磁硅整流交流发电机已不能满足现代汽车高标准要求。 近年，随着稀土永磁电机的发展，再加上现代电力电子技术综合运用使永磁发电机的稳压 问题得到初步解决，为汽车发电机向大功率、小体积、高效、高可靠性方面发展提供了条 件。车用发电机，目前几乎全部采用传统的电励磁硅整流交流发电机，改用永磁发电机后 可显著提高其运行性能。据统计，2006年我国生产汽车680万辆，社会保有量2000万辆，考 虑10的维修更换和其它车型，依此计算每年对车用发电机的需求量为700多万台 具有 广阔的应用前景。 1.1.1 车用电励磁硅整流交流发电机概述 传统励磁硅整流交流发电机存在的问题：（1）目前硅整流发电机是通过电励磁绕组产 生磁场的，通过电励磁绕组的电能只有一部分转换为用于发电的磁能，部分电能由于励磁 绕组发热而消耗掉，而且转子的励磁绕组易烧毁、断线，必须由蓄电池提供励磁电流才能 发电，这样势必增加了汽车成本。（2）硅整流发电机一种是带有碳刷滑环结构，滑环直径 大、线速度高、碳刷容易磨损、故障率高，寿命短，运行寿命只有3000小时。而每运行750 小时就需要更换碳刷进行保养，而且碳刷与滑环在摩擦接触时会降低发电机工作效率，由 于采用励磁线圈和碳刷滑环结构使发电机结构较复杂和体积增大。（3）由于采用碳刷滑环 结构，对环境的影响较大，并且由于碳刷磨擦会产生的无线电干扰，对其他用电器的工作 产生影响。（4）低速发电性能不好，发电容量小，功率密度低，对蓄电池影响较大。 目前硅整流交流发电机的改进措施：（1）改有电刷的励磁电路为无电刷电路，减少了 电刷和电刷环，避免炭刷的与电刷环的摩擦和接触不良，提高了汽车发电机的可靠性和工 作效率，然而增加了磁场气隙、漏磁大，电机的功率密度指标有所下降，使得电机的体积、 重量均有所增加，成本增加。（2）改传统的六管整流电路为九管、八管或十一管整流电路， 提高输出功率，但这也只解决了发电机已输出功率的利用问题，本身效率并没提高。（3） 双“y”绕组二整流桥串并联转换可以提高输出功率，由于采用接触器、单管功率管或双向 晶闸管控制两套定子三相绕组的串并联运行来提高发电机的效率, 由于接触器的机械寿命 和电寿命有限, 这种运用受限制,单管功率管的管压降较高使建压困难, 而且三相双向晶闸 管的控制线路复杂。（4）加装风扇或采用水冷改善散热，但增加体积及成本。 1.1.2 车用永磁发电机概述 车用永磁发电机，以其先进的结构和优异的性能，决定了该产品的生命力和市场竞争 力，必将取代硅整流发电机，提高了汽车电器系统的整体水平，促进我国汽车工业的技术 进步。因此，具有高效率、高性价比和高稳定性的永磁发电机将具有较高的理论研究价值 和广阔的应用推广前景，一些发达的国家投入了大量资金来研制永磁发电机。 1.1.2.11.1.2.1永磁发电机与硅整流发电机比较其具有的优点永磁发电机与硅整流发电机比较其具有的优点：（1）体积小、重量轻、比功率大、 效率高、能耗小、工作可靠；（2）低速供电性能好；（3）环境适应性强；（4）无蓄电池 也可发电，可延长蓄电池使用寿命。 1.1.2.21.1.2.2目前研制的永磁发电机主要类型：目前研制的永磁发电机主要类型：1）根据永磁发电机的结构不同分为内转子外定 子和内定子外转子式发电机；2）根据永磁体不同分为铁氧体、钕铁硼和稀土钴等永磁体发 电机；3）根据输出电压不同分为单电压输出和多电压输出永磁发电机。 1.1.2.31.1.2.3 国内外车用永磁发电机的研究与发展现状国内外车用永磁发电机的研究与发展现状 车用永磁式发电机目前在全世界范围内尚处于开发研究阶段，对该类发电机的设计和 研究需要进行不断的摸索和探索。当前，国外一些发达国家投入大量的资金开发永磁式交 流汽车发电机，并取得了积极成果，而且有少量豪华汽车上已试装了永磁发电机，但尚未 形成产业。由于国外具有先进的制造技术，因此他们在永磁式汽车发电机的结构选择上， 以制造工艺要求较严格的盘式结构为主。在所检索到的文献中，国外在永磁式车用发电机 的研究开发方面，比较有代表性的主要有:德国briitscbeidstr stuttgart大学研制的 (modern motorcar)mechatronical generator和英国imperial collegeof scienceand technology和the turbo genset company联合研制的high power density aircooled automotive generator。 英国imperial college of science and technology 提出一种盘式结构发电机，该发 电机最大特点是可以很容易根据不同的容量等级适当地增加转子盘的个数，仅增加发电机 的轴向长度，而不改变径向尺寸，类似火车加挂车厢一样。 该发电机具体的性能指标见表1.1所示 额定容量12kw55kw100kw 额定转速60000r/min 定子外径230mm230mm230mm 轴向全长110mm220mm310mm 全部重量3kg9kg13kg 效率80%左右 表1.1 多盘式结构车用永磁发电机的性能指标 日本公司新近开发研制出一款新型车用钕铁系永磁体发电机，利用磁 通控制方式成功地实现了即能将发电机的输出电压保持恒定又达到了较高的发电效率，并 且发电机还制作得十分小型化。这一控制方式的特征就在于利用了空气具有相当于铁2000 倍的磁路电阻，由于在构成发电机的定子与磁通控制笼之间设置了空隙，从而通过增加减 这一空隙来控制永磁体之磁力增减。永磁体通过回转而提高电压，在回转下也有电压下降 的难点，但在高速回转下通过扩大空隙则可控制电压增高从而维持恒定的电压，因而实现 了高达90的发电效率。 我国有得天独厚的各种磁性材料资源，对促进永磁发电机的发展提供了广阔的取材途 径，我国在永磁发电机的研制方面有着广阔的发展前景。九十年代中后期，国内外许多单 位也开始了对大功率永磁发电机进行开发研究。到目前已有沈阳工业大学、合肥工业大学、 芜湖电机厂、贵州机电学校、广西金宇公司以及芜湖职业技术学院等单位在研制或开发汽 车用永磁发电机。尽管这些开发出的成果各具特色，但是不同程度上仍存在着一些问题， 如发电机的转子磁路结构、恒压整流问题，特别是高速运行时发热量大，温升高，效率低 等问题都有待进一步研究和完善。 国内开发的车用永磁发电机，比较有代表的是贵州机电学校、贵州省电子研究所和贵 州大学科技技术事业公司开发的爪极式结构车用永磁发电机，其具体技术性能指标如表1.2 所示。 型号 jfy133yjfy161zjfy222 额定电压vun/ 14.200.5280.3 额定电流ain/ 366526 零电流转速/(r. min-1) 0 n 1000 零高工作转速/(r. min-1) m n 10000 额定工作转速/(r. min-1) n n 35005000 表1.2 爪极式结构车用永磁发电机的性能指标 因为爪极式结构本身的特点，决定了开发的该种结构的车用发电机效率比较低，发电 机的平均效率仅为45左右，即使在1800r/min左右时效率达到最大值也仅为6265%,这 个数值相对于现代其它场合的发电机来说是非常低的，不符合当今节能的要求，更体现不 出永磁发电机高效节能的特点，需要进一步采取措施提高发电机的效率。表1.3列出了国内 外相近规格发电机的技术性能数据。 型号电压 （v） 容量 （va） 电流 （a） 额定转速 （r/min） 功率密度 （w/kg） 最高转速 （r/min） jf11143502530008000 jf13t14500360, 0绕组磁动势与永磁磁动势作用方向一致，绕组磁路比单独 a i 永磁磁动势作用时更饱和，绕组电感便更小一些；0, 时，绕组磁动势与永磁磁 a i 动势作用的方向相反，绕组磁路比单独永磁磁动势作用时不饱和一些，绕组的电感将有所 增大。0, /2时，永磁磁动势作用的方向与绕组磁路轴线正交，仅有绕组磁动 a i 势作用时，绕组磁路一般较不饱和，所以绕组电感的值接近于其不饱和值。随着电流的增 长，该基波分量的幅值也增加;绕组电流为零时，其幅值为零:绕组电流反向时，基波分量 也反向。不计高次谐波分量的影响时，相绕组的自感可用下式表示： 2coscos 210aaaaaaaa llll 是绕组电流的函数，在一定电流范围内可用与电流成线性关系的表达式来表示： 1aa l aaaaa ikl 11 和也在一定程度上受的影响，与成一定的函数关系，当= 0时 和 0aa l 2aa l a i a i a i 0aa l 的值达到最大，随着正向增大或负向增大时都稍有下降，近似地可以用的线性函 2aa l a i a i 数表示: aaaaaaa ikll 000 aaaaaaa ikll 222 3.2.3 相邻相电流对相绕组自感的影晌 在非线性的磁系统内，相邻相绕组电流的存在也影响本相绕组磁路的磁状态对自感的 值产生影响。前面分析了相绕组电感在0时的情况，因此它受永磁磁动势和相绕组 b i c i 电流的影响，成为和的复杂函数，经分析和适当简化后得出了较为简明的表达式， a i 和 不为零的情况下，将是、和四个变量的函数，下面对此分别进行讨论， b i c i a i b i c i 为使结论更具一般性。在下面的讨论中，电机中各相的电流没有相互的制约关系，即、 a i 、三者的矢量和并不一定等于零。 b i c i 令的情况，产生b轴方向的磁动势，产生c轴方向的磁动势。时， 二 b i c i b i c i b i c i 者合成的磁动势恰与a相绕组的轴线相一致，0 时，二者合成磁动势的方向在a轴的 b i c i 反方向，其对磁路磁动势的影响相当于a相正向电流减小为， a i cbacbaa iiiiiii 2 1 240cos120cos 0 时，二者合成磁动势的方向与a轴方向一致，如图3.14所示，它的作用应相当于a b i c i 相正向电流的增大，这与上式所表述的相一致。 图3.14 时相量图 b i c i b i c i 可见，这时a相绕组自感的表达式仍保持形式不变，只是 0时的式中的电流 b i c i 要用来代替，改写为: a i a i aaaaaaa ikll 000 aaaaa ikl 11 aaaaaaa ikll 222 在式中，是把和产生的a轴方向的磁动势与产生的磁动势等效看待，实际上 b i c i a i 和产生的a轴磁动势，对a轴磁路状态的影响还是与a相绕组产生的磁动势有一定的差别， b i c i 至少它产生的漏磁通分散在b相绕组和c相绕组的周围，与a相绕组的漏磁路径不完全一致。 因此和产生产生的a轴磁动势，等效为产生的磁动势时应加上一个小于1的差别系数 b i c i a i k1，相应地式应改为: cb k aa iiii 2 1 令的情况，这时b和c相合成磁动势的方向与a轴正交，如图3.15所示。 从图 b i c i 中可以看出，这种情况对a相绕组电感值的影响较小，但通过对试验结果的分析，得知对二 次谐波分量的幅值有一定的影响。正交分量磁动势增大时， 二次谐波分量幅值()下降， 2aa l 与正交分量的方向无关，在一定范围内可以用线性关系来表示。正交分量磁动势正比于， cbcba iiiii 2 3 240sin120sin 图3.15 时相量图 b i c i 从而，a相电感的二次谐波分量幅值可以表示为: aaaaaaaa ikikll 2222 和为任意值。上面分析了两种特殊的情况，即和 仅产生a轴同方向磁动势， b i c i b i c i 和仅产生a轴正交方向磁动势的情况。在一般情况下，和既产生同方向 也产生交轴方 b i c i 向的磁动势。同方向的归并同一起，用等效电流来考虑；正交方向的用另一个等效电 a i a i 流来考虑，即 a i )240cos120cos( 1 cbaa iikii 240sin120sin cba iii aaaaaaa ikll 000 aaaaa ikl 11 aaaaaaaa ikikll 2222 2coscos 210aaaaaaaa llll 运用同样方法，可以得出 )120(2cos)120cos( 210 aabbbbbb llll )240(2cos)240cos( 210 aacccccc llll baaabbbb ikll 000 baabb ikl 11 baabaabb ikikll 2222 caaaacc ikll 000 caacc ikl 11 caacaacc ikikll 2222 )240cos120cos( 1 cbaa iikii 240cos120cos cba iii 3.2.4 相绕组间的互感 以a相和b相之间的互感为例，不论相绕组是分布绕组还是集中绕组，a相和b相之间通 过漏磁路和主磁路总有一定的祸合，由于这两相绕组的轴线在空间相差120度电角度，正的 产生的磁链对b相绕组和的正方向来说是负的，所以相间的互感为负值，a, b相间互 a i b i 感磁路的示意图如图3.15所示，它的轴线在ab轴的方向，滞后a轴30度电角度。在不饱和的 情况下，或不计转子永磁体磁动势及定子绕组磁动势对磁路饱和度的影响时，a, b两相绕 组间的互感为一负值的常量，与转子位置无关。设定子绕组电流为零，仅有转子永磁磁动 势时:当永磁磁动势轴线与ab轴线相一致或反向，即或时，ab轴线的 150 330 磁路较为饱和，的绝对值最小。当永磁体磁极的轴线与ab轴线正交与。轴线一 baab ll 致)，即及时，ab轴线方向的磁路最不饱和，的绝对值最大。可 60 240 baab ll 见，和对相绕组自感系数的影响相似，永磁磁动势对磁路饱和度的影响，使相绕组间的互 感随转角位置，以一个极距为周期，也就是主要引起一项二次谐波分量的变化，用式子表 示为: ）30(2cos 2 ababoabba iiii 图3.16 相互磁路示意图 绕组电流磁动势的影响，可以把定子电流空间相量分解成ab轴方向的分量和与ab 轴正交方向的分量来考虑，分别用和来表示: ab i ab i )(270cos150cos30cos 2 3 bacbaab iiiiii cbacbaab ikiiikiii 32 1 3 )(270sin150sin30sin 的作用是:当二一()时，与永磁磁动势的方向相同，使ab轴线方向的 ab i 30 330 ab i 磁路更饱和，因此互感绝对值减小； 时，的方向与永磁磁动势的方向相反， 150 ab i 起去磁作用，磁路的饱和度下降，互感的绝对值增大，与讨论绕组自感时相似，将 ab i ab i 引起互感系数随转角变化的基波分量，如图所示。用式子表示为: )30(2cos)30cos( 210 abababbaab lllll 产生磁动势的作用方向与ab轴正交，对的影响较小，与讨论绕组自感时也相似， ab i ab l abababab ikll 000 ababab ikl 11 ababababab ikikll 2422 )90(2cos)90cos( 210 bcbcbcbc llll )210(2cos)210cos( 210 cacacaca llll bcabbcbc ikll 000 bcabbc ikl 11 bcabbcbcbc ikikll 2422 caabcaca ikll 000 caabcab ikl 1 caabcacaca ikikll 2422 acbbc cbbc ikiii iii 32 1 2 3 )( )( bacca acca ikiii iii 32 1 2 3 )( )( 3.2.5 车用永磁发电机高速运行时输出特性分析及优化措施车用永磁发电机高速运行时输出特性分析及优化措施 车用永磁发电机的工作转速变化范围大，高速时转速可达到上万转，而永磁发电机制 成后，磁场调节困难，致使发电机在高速运行时输出电压过高，这不符合汽车内蓄电池和 其它用电设备的要求，尽管车用发电机最终的输出电压要通过专门的电子调节器进行控制， 但在进行车用永磁发电机的本体设计时，尽量调节各设计参数，改善发电机本身的高速输 出特性，减轻高速运行时电子线路进行恒压调节的负担，提高其控制精度，并节省控制线 路的成本。 3.2.5.1 径向结构车用永磁发电机等效磁路及参数表达式 结合文献7对永磁电机等效磁路的分析，针对本课题采用的径向结构的永磁发电 机，作进一步的分析，并考虑到负载时电枢反应的影响，得出车用永磁发电机具体的等 效磁路，如图3.17所示。 图 3.17 车用永磁电机等效磁路图 图中 转子磁轭的磁导； 2j 一 转子轭与永磁体间附加气隙的磁导; 1 一极间漏磁导； 气隙磁导； 定子齿磁导； 1 i 定子磁轭的磁导； 1 j 磁路总磁通； m 发电机的有效磁通； 漏磁通； fm永磁体总磁动势 根据磁路的基尔霍夫定律，可得下列方程 m ad f fi 1122 )( 11 admm ff ffi )()( 2111 11122 求解可得： 211121 11 2222222 222 )(1 )(1 fjij ji adm m ff 211121 21 2222222 22 )(1 )(1 fjij j adm ff 211121 2111 2222222 22222 )(1 )()( fjij jji adm ff 根据定义，可求得漏磁系数 )(1 )(1 21 11 22 222 j ji adm adm ff ff 空载时，fad=0,因此空载漏磁系数可简化为： )(1 11 222 0 ji 根据以上可知，漏磁系数为磁路饱和程度和电枢反应的函数，随电机运行状态的不同而变 化。 3.2.5.2车用永磁发电机的输出电压及降低措施 车用永磁发电机与普通的永磁发电机一样，其空载励磁电动势e0和输出电压u可分别表 示为 kfnke ap00 44 . 4 )sincos(sincos 111 22222 xririxieu nnnaqnd 式中 ed 额定负载时直轴内电动势 kfnke napd 44 . 4 根据以上分析，可以看出，为了降低发电机在高速时的输出电压u，必须在保证发电 机不发生不可逆退磁的前提下，尽量加大高速时电枢反应引起的去磁磁通。这与通常其它 场合的发电机正好相反，因为通常的发电机往往要求具有尽量小的固有电压调整率，因此 需要尽可能的降低发电机负载时的电枢反应，而车用发电机的输出电压最终要整流成直流， 对固有电压调整率不作要求。增大发电机的电枢反应，可以从以下两方面进行考虑。 (1)为了提高电枢反应引起的去磁磁通，首先应在满足永磁体的抗去磁能力的前提下， 尽量减少永磁体的磁化方向长度，这样同时降低了永磁体的用量，节省成本；其次是合理 地增加电枢绕组的串联匝数和减小转子漏磁导以增强电枢反应对永磁体的去磁作用； (2)选择宽而浅的定子槽形，加大定子漏抗x,，适当增大绕组的端部长度。当然，上述 措施必须在满足车用发电机的基本电气性能和可靠性的前提下，进行合理的选择和调整， 不能一味追求某一方面。 3.2.5.3 发电机定子结构选择 为减少试制费用和试制周期，目前永磁电机的开发，所采用的定子冲片往往采用标准 的y系列冲片m1a41。但是车用永磁发电机与一般的永磁发电机有很大的差别，转速变化范 围大，用现有的异步电机的定子冲片来设计车用永磁发电机，会造成定子齿磁密和辘磁密 分布的极不合理，从式中可以看出，发电机的铁耗和磁密b的大小成平方关系，从而造成发 电机的局部铁耗过大，温升过高，不利于解决车用永磁发电机高速运行时发热严重的难题。 因此对车用永磁发电机的开发，需要设计全新的定子冲片，尽量使得定子齿磁密和扼磁密 分布合理，且在满足功率密度的情况下，尽量降低其大小。 表 3.3 定子结构尺寸 从表 3.3 可知，优化后发电机的外径尺寸变小，而定子的齿磁密和扼磁密分布较合 理，与较优化前的结果相比明显改善，取得了较好的效果。 3.4 改善车用永磁发电机的冷却措施及磁场分析 车用永磁发电机工作的环境温度较高，而且在高速运行时自身的发热量也较大。车用 永磁发电机在高速运行时发热严重，温升过高是制约其应用的一个重要因素，除了在设计 发电机时注意这个问题外，还需采取专门的措施来改善发电机的通风冷却条件，降低发电 机高速时的温升。从前面的磁场分布图中可以看出三台发电机的转子磁密均较小，这也验 证了前面提到的圆柱形电机转子铁心利用率低的问题。结合以上两点，可以对车用永磁发 电机的转子作进一步的改进-一在转子的适当位置上开通风孔，这样既改善了车用永磁发电 机的通风冷却条件，还减轻了整个发电机的重量，提高了发电机的功率密度。在转 子 上 加通风孔后的永磁发电机，其冷却空气可以从发电机的内部通过，能有效地改善发电机高 速时的冷却条件，其具体空气流程如图321所示。而目前的电励磁汽车发电机，普遍采用内 置双风扇的冷却结构，如图3.22所示。采用两个风扇后，能有效冷却发电机的两个端部， 但仍不能让冷却空气进入发电机内部，效果仍比不上采用开孔后的效果。 3.5 改善车用永磁发电机的驱动方式 第第 4 4 章章 永磁发电机电子稳压电路的设计永磁发电机电子稳压电路的设计 4.0 引言 永磁发电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁 场极为困难，这使得永磁发电机的应用收到了极大的限制，特别对车用永磁发电机而 言，这个问题显得尤为突出。因为车用发电机的转速在很大范围内变化，一般要求在 1000-10000r/min甚至更宽的转速范围内能正常工作。因此，如何实现发电机宽转速范 围的整流恒压，也是车用永磁发电机能否应用于实际的关键之一。 另外，从适应汽车的高能耗功能的涌现和高燃油经济性，减小汽车供电系统中的传 输电流，降低电阻热损耗，提高效率等方面考虑，迫使未来汽车改变现有的单一低直流 电压供电的方式，而采用多电压同时供电的系统。 车用永磁发电机采用永磁体励磁，省去了碳刷、滑环装置及电励磁绕组，具有结构简 单、维护方便、效率高、寿命长等优点。但由于永磁发电机的动态特性比电励磁发电机的 动态特性复杂，配套使用电子稳压器后更难以描述发电机系统的动态特性。 4.1 永磁发电机特性分析 根据电磁感应原理，发电机的感应电动势为： nce 一般交流发电机的端电压为： )( rr r cireu n 由上式中 e感应电动势（v） ； c发电机结构系数；每极磁通（wb） ；n发电机 转速（r/分） ；u发电机端电压（v） ；r发电机定子绕组的阻抗；r负载电阻。 由上式可以看出，发电机的端电压与发电机的结构常熟、转速、磁通、负载电阻及定子绕 组的阻抗有关。 对于永磁发电机，由于其转子采用永磁结构结工作时的旋转磁通是不变的。而发电机 在汽车上是由发电机按固定的传动比驱动旋转的，其转速随发动机转速变化而在一定范围 内变化。定子绕组的阻抗也随转速的变化而相应变化，并且发电机的负载大小也不是固定 不变的。因此在结构常数一定的条件下，保持发电机端电压平均值稳定，就是要保持发电 机在转速和负载变化时输出电压的稳定。 4.2 目前永磁发电机电压的调节方法 永磁发电机的电压调节方法很多，目前典型的电压调节方法主要有： （1）调整发电机的电磁参数来稳定电压，这是一种最简单的方法，即适当选择发电机的电 磁参数，使外特性曲线设计得比较平坦，使负载运行时电压降不超过允许值。 （2）电容器稳压包括：串联电容器、并联电容器、可控电容器稳压及非线性电容器稳压。 （3）采用可控饱和电抗器来稳定和调整电压。 （4）用改变电枢轭部磁导来调整电压。 （5）机械离心式恒压发电机开关控制式。 （6）并联式、串连式电子调节器，该类型调节器是目前应用较多的稳压方式，该种稳压方 式主要是根据设计要求，通过控制电路控制可控硅导通角的大小，来保证发电机输出设定 的电压。 （7）可桥式半控整流稳压方案：可控硅桥式半控整流稳压电路，3个整流二极管 v1v3组成整流半桥，3个可控硅v4v6 组成控制半桥，可控硅的触发电路由基准电路、 采样检测电路、比较电路和保护电路等构成。 （8）调节电枢绕组：发电机的电枢做成多个绕组对应一个负载，低速运行时多个绕组一起 工作，高速时逐一断开绕组，可在一定程度调节输出电压。 （9）调节有效磁场：永磁转子为多段结构，n极与s极沿圆周均布，各段之间可以相互转动， 当发电机转速发生变化时，通过改变各段的相对位置，可以将部分磁场短路漏掉而成为无 效磁场，从而实现了有效磁场的调节，也能达到调节电压的目的。但是，在负载变化时， 调节机构不起作用，因此这种方法仅适用于定负载的情况。 （10）混合励磁：混合励磁是采用永磁体励磁为主，附加电励磁为辅的励磁方法，通过调 节辅助的电磁场来调节发电机的输出端电压，其实质是利用电励磁发电机的电压调节方法 来调节永磁发电机的电压。可见，过种方法具有严重的困循性。在定转速的情况下，当负 载的变化使输出电压波动时，通过辅助电磁场的调节来实现输出端电压的稳定是可行的。 但由于主要的磁场不可调节，辅助部分的调节作用是很有限的，汽车发电机的工作转速一 般在100010000rmin之间，这么太的转速范围，尤其是转速和负载都发生变化时，仅靠 附加电磁场的调节来保证输出端电压的稳定是不可能的。 （11）能耗分流稳压法 ：典型的能耗分流稳压电路所示，发电机电枢绕组l输出的交流电 经二极管v整流后向负载r供电和向蓄电池gb充电，当端电压u。达到设定值时，控制电路输 出触发信号，可控硅导通将发电机输出两端短路，使过剩的电能耗掉，以免烧坏用电器或 过充蓄电池。能耗稳压法只能用于小功率的发电机，大功率的发电机无法承受稳压能耗， 故不能使用。 图 4.1 能耗分流稳压法 4.3 永磁发电机电压调节器的电路组成示意图 永磁发电机电压调节器的电路总图如图 4.2 所示： - + d5 d3 d1 d6 d4 d2 基 准 电 路 比 较 电 路 触发电路 采 样 检 测 保护电路 图 4.2 电压调节器电路工作简图 在整个电压调节电路中拥有基准电路、采样检测电路、比较电路、触发电路和短路保 护电路组成。 4.4 基准电路和电路保护电路 电压调节器的基准电压是一个电压输出电源，它的作用是提供一个稳定的输出电压输 入到比较电路用来和采样检测电路中的检测电压进行比较。当电路中突然出现短路，导致 电路中的电流急剧增大，这时将会对电路中的各种电子元件进行损坏。这时短路保护电路 将会发生作用，保护电路中的各种电子元件。 4.5 采样检测电路和比较电路 采样检测电路用来检测发电机输出电压值，并将这个检测值迅速的传到比较电路中。 比较电路的作用是比较比较基准电压和采样检测电路中的检测信号进行比较，并将比较结 果作为触发电路的开关信号。 4.6 触发电路 工作时发电机输出的交流电经过桥式半控整流电路整流稳压后向蓄电池 gb 和向负载 rl 供电。当端电压 u0达到设定值（12v 系列为 u0=14v 时）经采样检测电路采集与基准电 压比较后，切断可控硅触发信号，可控硅截止，发电机不输出，当端电压 u0低于设定值时， 控制电路输出触发信号，可控硅导通，发电机对外输出，向负载和蓄电池供电，如此周而 复始，即可实现在很宽的转速和负载变化范围内高稳定的电压输出。 4.7 发电机电压调节器电路及其工作过程 4.7.1 电压调节器电路组成 电压调节器的整体电路如图 4.3 所示：其中电路中拥有 d1、d2、d3、d4、d5、d6 六个二极管和 v1、v2、v3 三个晶闸管。其中 d1、d2、d3、d4、d5、d6 六个二极管组 成三相桥式整流电路，d2、d4、d6 三个二极管和 v1、v2、v3 三个晶闸管组成三相半控 桥式整流电路。电路中加 10v 稳压管进行稳压用来提供集成稳压电源的输入电源电路中的 基准电压为单片机 w7800 系列集成稳压电源提供的 5v 稳定电压。比较电路为一个电压比 较器，其中电压比较器的工作电压由 w7815 系列和 w7915 系列组成的正负电压同时输出 的集成稳压电源提供。触发电路由一个集成运算电路放大器组成。电阻 r1 和 r2 组成电压 检测电路。二极管 dz1 和 dz2 组成反接保护电路 。 z2 z1 - + r2 r1 - + c3 c3 c2 c2 c0 c1 d5 d3 d1 d6 d4 d2 w7805 w7815 w7815 图 4.3 电压调节器电路总图 fig.4.3 the circuit diagram of single-phase，semi-controlled the steady press type electronics machine 其中电路图中 c0=1f ， c1=0.33f ， c2=0.33f ，c3=1f ， r1=4.5k r2=2.5k 4.7.2 电压调节器电路的工作原理及其过程 三只共阳极二极管 d2、d4、d6 与三只共阴极可控硅 vt1、vt2、vt3 组成三相可控硅桥 式整流电路，另外由 d1、d2、d3、d4、d5、d6 组成三相全波整流电路，通过控制电路为可 控硅提供触发电压。当发电机输出电压较低（低于额定电压 14v）时，信号检测部分检测 到的信号电压传到电压比较器与基准电压的输出信号进行比较。通过电压比较器的比较将 信号传到集成运算放大器。这是集成运算放大器正向导通，可控硅的控制极获得正向触发 电压，可控硅开始导通，提高发电机输出电压。当发电机输出电压较高，超过设定电压 14v 时，稳压器控制电路就使可控硅失去正向触发电压而截至，从而使输出电压下降，输 出电压下降到低于设定值 14v 时，可控硅被重新触发导通，使发电机输出电压回升。如此 反复，使发电机输出电压在规定的范围内波动。 第 5 章 性能试验 车用钕铁硼永磁直流发电机为6极圆柱式三相永磁同步发电机，发电机额定电压值14v 和42v、额定功率1500w、额定转速3000rmin。其br=12500高斯 hc= 650奥斯特， bhmax=6108高奥。 在负载功率分别为600w、900w、1200w下，对研制的发电机从低速到 高速进行性能试验，其结果如表1。 从表1中看出，发电机时速由1000rmin变化到3000rmin时，负载功率由600w变化到 1200w时，输出电压稳定在12.5v14.5v之间，该性能指标达到设计要求。 样机1000r/min时2000r/min时3000r/min时 编号 600w900w1200w600w900w1200w600w900w1200w 1 2 3 4 5 12.7 12.5 12.4 12.8 12.6 12.8 13.0 13.1 13.3 13.2 13.6