（光学工程专业论文）车辆用带真空泵稀土永磁发电装置及整流稳压技术.pdf

山东理t 人学硕学位论文摘要 摘要 本文分析了永磁材料对发电机输出特性的影响规律，选用剩磁感应强度高、矫顽力 高、最大磁能积高的稀土永磁材料。通过研究转予结构对发电机性能影响采用加 工工艺简单的平面结构磁钢，设计出了漏磁少、材料利用率高的极靴式径向励磁 转子。研究了磁钢截面积、径向磁化长度、绕组匝数和线径对发电机交轴电枢反应电抗、 直轴电枢反应电抗、漏抗和输出特性的影响规律，并对样机进行优化设计，设计出了电 抗小，输出功率高的四相永磁发电机。分析了永磁发电机的稳压原理，研制出由基 准电路、取样电路、触发电路和整流电路组成的四相半波可控整流稳压式电子稳压器， 保证发电机在宽转速宽负载范围内输出电压稳定的直流电；设计出了结构紧凑、安 装方便的单级直联式叶片泵，提出了车辆用真空泵的设计计算方法。采用由。坐标系统 建立了永磁发电机数学模型，将永磁发电机的状态方程用m a t t a b 罩的仿真软件s i m u l i n k 表达出来，对不同取样电容、发电机转速和负载进行了仿真，总结出取样电容的选择规 律。 研制出了既能给车辆的用电设施提供直流电，又能为车辆助力制动系统提供真空负 压的带真空泵的稀土永磁发电装置，试验结果表明：样机性能达到了设计要求，并优 于国家机械行业标准j b 厂r 8 5 8 2 ，6 - 2 0 0 1 。 关键词：稀土永磁，发电装冕，四相半波，真空泵，车辆 山东理工人学碗k 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h ea n a l y s i so fn d f - bp e r m a n e n tm a g n e tm a t i a r i a la n ds e v e r a l r o t o rs t r u c t u r e s ，t h er a d i a le x c i t a t i o nr o t o rw i t hf l a tm a g n e ts t e e l sa n dp o l es h o e s i s p r e s e n t e d b e c a u s eo fi t s h i g hp e r f o r m a n c e ；t h ei n f l u e n c e r u l e so ft h e p e r f o r m a n c ea n dt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r s o nt h ev o l t a g ec h a r a c t e r i s t i ca r e a n a l y z e d ar e g u l a t o rc i r c u i tc o n s i s to fb e n c h m a r kc i r c u i t ，c o m p a r ec i r c u i t ， t r i g g e rc i r c u i t f o rf o u r p h a s eh a l f - w a v ec o m m u t a t i o nc i r c u i ti s d e s i g n e dt o o u t p u ts t e a d yd cv o l t a g ea tv a r i a b l es p e e da n dv a r i a b l el o a d ；t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h e g e n e r a t o ri sp r e s e n t e di n 幻oc o o r d i n a t es y s t e ma n di t s c o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nm o d e l sa n dp r o g r a m sa r eg o tu s i n gat o o l b o xo f m a t l a bn a m e ds i m u l i n k t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec l o s et ot h et e s tr e s u l t s ， w h i c ht e s t i f i e dt h ec o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo fs e l e c t i o no fs a m p l i n gc a p a c i t a n c e a n do t h e rp a r a m e t e r s as l i d i n gv a n ev a c u u mp u m pl i n k e do nt h e g e n e r a t o r c o m p a c t l yi sd e s i g n e da n dt h ec a l c u l a t i o n so ft h ep u m pa r ed e s c r i b e di nd e t a i l ap e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t o rw i t hv a c u u mp u m p ，w h i c hi s s i m p l ei n s t r u c t u r e ，h i g hi ne f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y ，i sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r i ti sp r o v e d b yp e r f o r m a n c et e s tt h a tt h eg e n e r a t o rr e a c h e sd e s i g nr e q u i r e m e n ta n dh a sa n a d v a n t a g eo f m e c h a n i c a ls t a n d a r dj b t 8 5 8 2 6 - 2 0 0 1 ， k e y w o r d ：r e a r e a r t hp e r m a n e n t m a g n e t ，g e n e r a t i n gs e t ， f o u r - p h a s eh a l f - w a v e ，v a c u u mp u m p ，v e h i c l e 独创性声明 y8 2 8 3 9 l 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确说明并表 示了谢意。 研究生签名 时阃：o s 年6h 1 0f i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 时间：) 诉月or i b j ：浙年g 月；日 山东理丁火学颁士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 汽车工业是现代工业的标志，是国民经济发展的主导产业，是产业关联度高、规模 效益明显、资金和技术密集的重要产业，在工业生产，交通运输以及人类生活的各个方 面都起着不可缺少的作用。要抓住汽车工业快速发展的机遇，开发具有自主知识产权的 产品，提高我国汽车零部件工业的核心竞争力。发电机是汽车电气系统的关键部件，离 开了发电机，汽车的先进性，舒适性等即无从谈起。随着汽车电气化和自动化程度的不 断提高，汽车对发电机的性能也提出了更高的要求。据统计，2 0 0 4 年我国生产汽车5 0 7 4 1 万辆，社会保有量为2 0 0 0 多万辆【2 j ，考虑1 0 的维修更换，依此计算我国每年对汽车 发电机的需求量在7 0 0 万台以上。 发电机为车辆用电设备提供电能，是车辆的关键零部件；真空泵是真空助力制动系 统真空负压的能量来源。 目前车辆用发电机主要是硅整流发电机，该发电机由电励磁绕组产生磁场，通过励 磁绕组的电能只有很少一部分转换为用于发电的磁能，大部分电能由于励磁绕组线圈发 热而消耗掉。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。一种硅整流发电机带有碳刷滑环结构，滑环直径大，线速度高， 碳刷容易磨损，寿命短，故障率高，另一种硅整流发电机是无刷发电机，该机增加了磁 场气隙，漏磁大，材料利用率低，成本高口1 。 真空泵为汽车真空助力制动系统提供真空负压，是此系统的关键部件。中、轻型汽 车安装结构简单、工作可靠的真空助力制动系统，能使汽车轻松地制动，大大减轻驾驶 员的劳动强度，并提高汽车安全性。 我国稀土产量占世界8 8 左右，有得天独厚的稀土资源。稀土磁性材料的工业化生 产为永磁发电机的发展提供了广阔的取材途径，提高了该产品在国际市场上的竞争能力， 同时推广应用稀土永磁发电装嚣对我国稀土资源的开发应用和促进稀土工业的发展也有 着重要的意义。研发稀土永磁发电机可充分利用我国丰富的稀土资源，开创稀土永磁材 料新的应用领域【4 i 吼 11 2 研究意义 本课题利用永磁发电机的优点和电力电子技术，研制一种钕铁硼永磁转子，无电励 山东理工大学硕：l 学位论文第一章绪论 磁绕组、无碳刷滑环结构、电能消耗少，发电效率高，既能直接给车辆的用电设施提供 直流电，又可给蓄电池充电，还可为车辆真空助力制动系统提供真空负压的钕铁硼永磁 发电装置。该发电装置通过采用高磁性钕铁硼稀土永磁材料，对磁路结构和绕组结构进 行了创新设计，解决车辆在中低速行驶时充电不足的问题，该发电装置以其先进的结构 和优异的性能，必将取代硅整流发电机，提高汽车电气系统的整体水平，促进汽车工业 的技术进步 6 j 。该课题不仅具有较高的理论研究价值，而且具有较大的经济效益和社会 效益。 i 2 国内发电机研究现状 汽车发电机的发展经历了三个阶段：直流发电机、电励磁交流发电机、永磁发电机。 最初，由于电力电子技术水平落后，交、直流电间的转换比较困难，而汽车上的蓄 电池是直流充电，因此汽车上用的发电机都是直流发电机。所以在上世纪6 0 年代以前， 直流发电机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，逐渐不适应汽车发展的要求。 2 0 世纪6 0 年代，直流发电机相继被有刷和无刷的三相交流发电机代替，三相交流 电经硅整流器件变成直流电，并通过调节发电机的励磁电流来调节发电机的输出电压， 这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。 随着汽车技术的发展，现代汽车要求发电机的容量越来越大，性能越来越高，还须 具有高效节能、可靠性高、使用方便等特点。随着稀土永磁材料发展和现代电力电子技 术综合运用，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、 高可靠性等方面发展提供了条件。因此，永磁发电机替代汽车上现在使用的电励磁交流 发电机是一种趋势。 目前国内不少专家和工程技术人员对车辆用发电机作过许多研究和改进，主 要分为五类： ( 1 ) 永磁交流发电机【3 】i 川 永磁发电机的磁场是由永磁体产生的，随着永磁材料性能的不断提高，永磁发电机 得到迅速发展。永磁交流发电机为车辆用电设备提供交流电，当发动机低速运转时，发 电机输出电压低，照明灯暗，车辆在夜间行驶、路面差、会车和转向时，容易造成交通 事故。当发动机高速运转时，由于输出电压随转速的升高成正比例的增加，用电设施使 用寿命缩短或烧毁。 ( 2 ) 无刷交流发电机【8 j 为克服有刷发电机碳刷滑环易过度磨损、失效、接触不良等缺陷，设计了如图1 1 所示的无刷交流发电机。它在后端盖2 上固定绕有励磁绕组5 的转子磁轭3 ，两个爪极 中的一个s 极6 直接固定在转子轴1 上，另一个爪极n 极4 通过非导磁材料焊接到s 极 山东理工大学硕士学位论文 第一牵绪论 上。固定不动的励磁绕组通入电流后，产生的磁场经爪极和定子铁心形成闭合回路。当 转子旋转时，一个爪极带动另一个爪极转动，形成的n s 极就在定子齿部和槽部交替掠 过，在定子绕组中产生三相对称感应电动势，经整流桥整流输出得到直流电。 1 轴2 后端盖3 转子磁轭4 n 极5 励磁绕组6s 极 图1 1 无刷发电机励磁结构图 该发电机无刷运行，寿命长，故障率低。但是这种发电机由于磁轭与爪极和转子之 间有附加气隙的存在，结构复杂，漏磁较多，比功率低。 ( 3 ) 感应予发电机1 9 励磁绕组和电枢绕组都装在定子上，因而能方便实现无刷励磁，其工作原理是：在 电机气隙中，磁通因气隙磁导的变化而周期的变化，从而产生感应电动势。 与普通同步发电机相比，由于感应子式发电机转子上没有绕组，因而取消了集电环 和电刷，使得发电机结构简单，可靠性高，维护方便。但是它的气隙磁通利用率很低， 只有其交变分量被利用来产生感应电动势，而交变分量只占全部气隙磁通的3 5 4 0 ， 因此感应子式发电机的尺寸要比同功率的同步发电机大，比功率低，比较适合于大型机 车的大型发电机使用。 ( 4 ) 起动发电机【l o j 发电机和起动机是现有汽车电气系统中体积和重量最大的两个独立电气装置，它们 在工作时间上互不重叠，具有互补性。由于汽车电气系统容量的扩大，可根据电机的可 逆理论，借助电力电子功率变换装置控制电机的能量转换形式，将发电机和起动机复合 为一个统的起动和发电复用装置。起动发电机适合应用于功率大的混合动力汽车发电 机和未来4 2 v 大功率发电机。但由于起动发电机结构复杂、控制困难，国内研究大都停 留在控制理论和方法等方面的基础研究，并未形成定型产品。 ( 5 ) 混合励磁发电机【l l j 这种发电机气隙磁场包括两部分：主要部分由稀土磁钢建立，称为主发电机部分； 电压调节所需要的磁场变化部分由辅助的电励磁绕组来实现，称为辅发电机，两部分共 有一套电枢绕组。调节电压的工作机理是通过调节电励磁绕组的电流大小来控制整个发 电机的气隙磁场强弱，从而达到输出稳定电压的目的。但由于这种发电机的结构比较复 杂，如果考虑用这种发电机代替车辆用交流发电机，则永磁发电机结构简单的优势得不 ，皇耋型三耋：兰筌：；兰竺兰兰，。 ，： ，。，塑：耋丝堕 到充分发挥。 1 3 国外发电机研究现状 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，并取得了一 定成果，而且有少量豪华汽车上己试装了永磁发电机，但尚未形成产业 1 2 1 1 3 【1 6 l 。美国 d e l p h i ( 德尔福) 公司认为，永磁发电机在未来大批量投入生产使用。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。国外在永磁式车用发电机的研究丌发方面，比较有代表性的主要有：德国 b r i i t s c b e i d s t rs t u t t g a r t 大学研制的( m o d e mm o t o r c a r ) m e c h a t r o n i c a lg e n e r a t o r 和英国 i m p e r i a lc o ll e g eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 和t h et u r b og e n s e tc o m p a n y 联合研制的 h i g hp o w e rd e n s i t ya i rc o o l e da u t o m o t i v eg e n e r a t o r 【i “。这两种电机的结构都是盘式结 构，具体结构如图1 2 ： 1 1 定子绕组2 磁钢3 电机外壳4 轴 图1 2 盘式永磁发电机结构图 为了增加这种发电机的容量，一般可以适当的增加转子和定子盘的个数，类似于火 车加挂车厢样，只增加轴向长度而不增加径向长度。盘式发电机转子离心力小，因而 可通过提商发电机的额定转速来提高额定功率。 但是这种发电机磁路经过双层气隙，发电机的气隙较大，导致永磁体材料的用量增 大；而且定子绕组制造工艺复杂，装配精度高，其运行性能受制造工艺和装配精度的影 响很大。 国外投入生产和使用的主要是硅整流发电机，该机采用外胃碳刷滑环结构，滑环直 径小，线速度低，碳刷磨损少。开发的永磁发电机大都采用铁氧体永磁材料，该材料磁 性能差，热稳定性低，易失磁，发电机可靠性差。虽然开发了一些钕铁硼永磁发电机产 品，但由于钕铁硼永磁材料成本高，n 止l 未形成大批量生产 h j 。 山东理t 人学硕十学位论文 第一章绪论 1 4 稀土永磁发电机优点 ( 1 ) 结构简单、可靠性高。 发电机采用钕铁硼永磁转子，无碳刷滑环结构、无电励磁绕组，整机结构简单，避 免了电励磁发电机的励磁绕组易烧毁、断线及碳刷、滑环易磨损等问题，提高了可靠性。 ( 2 ) 发电效率高，电能消耗少。 m 础宙柑c j h 发也机 硅整流发电帆 1522 s 33 5 k r m i n _ 44 5 图l 一3 发电机效率特性曲线 发电机使用永磁体励磁，不需电励磁绕组的电能消耗，仅此一项目口可提高效率1 0 1 5 。采用永磁转子，无须励磁电流即可提供旋转磁场，而且又没有电励磁转子碳刷与 滑环之间的机械损耗，所以发电机效率又可提高5 以上。从图l 一3 可以看出，永磁发电 机比硅整流发电机效率高1 5 2 0 。 ( 3 ) 低速供电性能好，输出电压调整率小。 低速供电时，在电磁参数相同的情况下，硅整流发电机“零电流”时，永磁发电机可 以对外输出3 5 a 节省下来的“励磁电流”，大大改善了低速供电性能；转子采用径向励 磁结构，制造工艺简单，加工方便，漏磁小，直轴和交轴电枢反应电抗小，电枢反应弱， 因而电压调整率小，其外特性较为平坦高速供电时，输出电压稳定性也很好。 ( 4 ) 环境适应性强。 该发电装置无电励磁绕组、无碳刷滑环结构，能在潮湿或灰尘多的恶劣条件下运行： 无需外加励磁电源，发电装置只要旋转就能发电，提高了可靠性；永磁发电机无碳刷、 滑环结构，消除了碳刷与滑环之间磨擦而产生的无线电干扰，消除了电火花，也能适合 在爆炸性及危险程度较高的环境中工作。 ( 5 ) 延长了蓄电池的使用寿命。 首先，永磁发电机具有很好的低速充电性能，可使蓄电池经常处于充足电状态，能 有效防止蓄电池的极板硫化。第二，稳压精度高，不欠充电，也不会过充电，在充电过 程中始终保持微量出气状念，不会产生大量的气泡，这样既不损耗大量的电解液和污染 蓄电池表面，同时也有效地避免了因剧烈出气而造成的活性物质脱落，从而提高了蓄电 山末理丁人学瑚卜学位论立弟一乖靖诧 池寿命。第三，采用的四相半波可控整流稳压电路实质上是一个斩波式的开关稳压器， 工作时，斩掉( 截止1 部分波，导通部分波，截止瞬间，即停止充电，蓄电池极化迅速消 除，若有负载，则蓄电池还要放电，相当于反充电，极化消除效果会更好，为导通瞬间 充电提供了非常好的条件，在导通瞬间，高幅值的脉冲充电电流，可使极板上的活性物 质进行充分的电化学反应，有较强的去硫化和激活作用，因而蓄电池的容量可增加，从 而延长了蓄电池的使用寿命【i 。 ( 6 ) 体积小、重量轻、比功率大、价格合理、用途广。 采用高剩磁感应强度、高矫顽力及高磁能积、去磁曲线为直线的钕铁硼稀土永磁材 料i 1 8 i ，转子采用径向励磁结构，使得发电机内部结构设计排列得很紧凑，体积小、重量 轻。永磁转子结构的简化，使得转子转动惯量减少，实用转速增加，比功率( 即功率、 体积之比) 达到一个较高的值。发电机不仅具有稳压功能，而且还可输出直流电，给蓄 电池充电，或直接驱动需用直流电的刮南器、暖风机、电喇叭等工作。 1 5 课题研究的主要内容 ( 1 ) 研究分析稀土钕铁硼永磁材料的特性及其对发电机运行特性的影响规律，确定课 题选用稀土永磁材料。 ( 2 ) 通过对径向、切向、爪极等励磁结构转子对发电机性能影响的研究。设计 了带极靴的径向励磁转子，该转子转子磁钢、极靴均采用制造工艺简单的平面结 构。研究径向励磁发电机磁路的计算方法，对永磁发电机进行了电磁设计。 ( 3 ) 研究了磁钢截面积、径向磁化长度、绕组匝数和线径对发电机交轴电枢反应电抗、 直轴电枢反应电抗、漏抗和发电机输出特性的影响规律，对样机进行优化设计，设计出 了电抗小，输出功率高的四相永磁发电机。 ( 4 ) 根据汽车电器系统性能指标的要求，分析永磁发电机的稳压原理，设计了 由基准电路、取样电路、触发电路和整流电路组成的四相半波可控整流稳压电路。 ( 5 ) 采用d q o 坐标系统建立了永磁发电机数学模型，将永磁发电机的状态方程用 m a n a b 黾的仿真软件s i m u l i n k 表达出来，并以此为基础，对不同取样电容、转速和负载 进行了仿真，总结了取样电容的选择规律。 ( 6 ) 从原理、结构等方面对车辆真空助力制动系统和真空泵进行了分析研究， 设计了结构紧凑的直联式叶片真空泵，提出了车辆用真空泵的设计计算方法。 6 山东垲t 人学碗l ：学位诧立 第一乖埔论 自_ i l l m e $ e l e 自目l ! s ! ! ! 池寿命。第三采用的四相半波可控整流稳压电路实质上是一个斩波式的开关稳压器， 工作时，斩掉( 截止) 部分波，导通部分波截止瞬f ，即停止充电，蓄电池极化迅速消 除，若有负载，则蓄电池还要放电，相当于反充电，极化消除效果会更好，为导通瞬间 充电提供了非常好的条件，在导通瞬问，高幅值的脉冲充电电流，可使极板上的活性物 质进行充分的电化学反应，有较强的去硫化和激适作用，因而蓄电池的容量可增加，从 而延长了蓄电池的使用寿命i i 。 ，6 ) 体积小、重量轻、比功率大、价格合理、用途广。 采用高剩磁感应强度、高矫顽力及高磁能积、去磁曲线为直线的钕铁硼稀土永磁材 料9 ”，转子采用径向励磁结构，使得发电机内部结构设计排列得很紧凑，体积小、重量 轻。永磁转子结构的简化，使得转子转动懂鼍减少，实用转速增加，比功率( 即功率、 体积之比) 达到一个较高的值。发电机不仅具有稳压功能，而且还可输出直流电，给蓄 电池充电，或直接驱动需用直流电的刮陶器、暖风机、电喇叭等工作。 l5 课题研究的主要内容 ( 1 ) 研究分析稀土钕铁硼永磁材料的特性及其对发电机运行特性的影响规律，确定课 题选用稀土永磁材料。 ( 2 ) 通过对径向、切向、爪极等励磁结构转子对发电机性能影响的研究。设计 了带极靴的径向励磁转子，该转子转子磁钢、极靴均采用制造工艺简单的平面结 构。研究径向励磁发电机磁路的计算方法，对永磁发电机进行了电磁设计。 ( 3 ) 研究了磁钒截面积、径向磁化长度、绕组匝数和线径对发电机交轴电枢反应电抗、 直轴电梧反应电抗、漏抗和发电机输出特性的影响规律对样机进行优化设n 设计出 了电抗小，输出功率高的四相永磁发电机。 ( 4 ) 根据汽车电器系统性能指标的要求，分析永磁发电机的稳压原理，设计了 由基准电路、取样电路、触发电路和整流电路组成的四相半波可控整流稳压电路。 ( 5 ) 采用d q o 坐标系统建立了永磁发电机数学模型，将永磁发电机的状态方程用 m a t l a b 里的仿真软件$ i m u l i n k 表达出来，并以此为基础，对不同取样电容、转速和负载 进行了仿真，总结了取样电容的选择规律。 ( 6 ) 从原理、结构等方面对车辆真空助力制动系统和真空泵进行了分析研究， 设计j 结构紧凑的直联式叶片真空泵，提出了车辆用真空泵的设计计算方法。 设计了结掏紧凑的直联式叶片真空泵，提出了车辆用真空泵的设计讲算方法。 第二章结构设计与参数确定 2 1 发电机设计原则口0 】 ( 1 ) 发电机性能指标应达到中华人民共和国机械行业标准j b t 8 5 8 26 2 0 0 1 【l 。 ( 2 ) 电子稳压器具有节能稳压作用，输出直流电。 ( 3 ) 满足用户要求，低速充电性能好，高速不烧灯泡，并能给蓄电池充电。 ( 4 ) 提高材料利用率，降低成本。 ( 5 ) 具有抗振动、抗冲击、防尘、防潮等功能。 ( 6 ) 使用可靠、安装方便、体积小、重量轻。 根据设计原则设计的钕铁硼永磁直流发电机如图2 1 所示。该机包括内景式电子稳 压器、发电机前后端盖及由定子铁芯、线圈绕组构成的定子总成，由转子轴、转子铁芯、 钕铁硼永磁钢构成的转子总成，以及由泵转子、泵体、泵盖、叶片组成的泵总成组成。 1 轴2 泵转子3 泵体4 泵盖5 轴承6 后端盖7 徘导磁螺钉8 转子铁心 9 定子铁芯l o 极靴1 1 永磁体1 2 定子线圈1 3 前端盖1 4 皮带轮 图2 1 钕铁硼永磁直流发电机结构示意图 2 2 主要参数设计 2 2 1 额定工作转速的确定 图2 2 永磁带泵发电装置照片 车辆用发电机的工作转速范围宽，整个转速范围内，通常包括以下几个转速【i “。 l 零电流转速，z 0 ：发电机达到额定电压，但并不输出电流时( 检测时通常以输出额定 电流的5 n 标e g ) 的转速称为零电流转速。零电流转速通常约为1 1 5 0 r m i t t 。 2 ，发电机转速 ：随着发动机转速的增加，便达到了内燃发动机的e 常转速范围区， 此时发电机转速被标为栉1 ，它通常指发电机曲线图中的一个范围。该值通常在 l8 0 0 3 0 0 0 r r a i n 之间。 3 颁定电流转速n n ：发电机输出额定电流时的转速。对于车辆用硅整流发电机，该 值通常为n = 4 0 0 0 r m i n 。发电机额定电流应高于汽车内安装的所有耗电器总功率所要求 的电流。 4 最高转速 。：发电机能够工作的最大转速，称为发电机的最高转速n 。发电机 的最高转速受轴承的质量、碳刷和滑环以及x l 扇的限制。发电机在最高转速时能够输出 的最大电流标为。 在进行发电机设计时，需要确定发电机的额定工作转速。特别是对于永磁式车辆用 发电机，额定工作转速的确定至关重要，因为车辆用发电机的转速通常在汽车的行驶过 程中变化不定，因此额定转速的确定，必须从发电机在整个转速范围内的利用程度和效 率以及最经常工作的转速区间来综合考虑。从发电机的利用程度和车辆用电设备的需求 来讲，发电机的额定转速选的越低越好，因为发电机的额定转速越低，汽车在中、低速， 特别是低速行驶甚至怠速时，发电机便能工作在零电流转速以上，输出较大的功率，可 以给蓄电池和车内用电设备供电，提高发电机的利用效率。当然，众所周知，相同容量 的发电机，其体积和重量随着转速的降低近似成反比例增加。因此，容量一定的发电机， 额定转速低时，其体积和重量都会增加，这不适合车辆用发电机的要求，因为车辆用发 电机的安装空间有限，希望体积越小越好；更重要的是额定转速较低的发电机，在高速( 如 6 0 0 0 r r a i n 以上) 运行时，其性能便会很差。因此，对车辆用永磁发电机额定工作转速的 选取，需要分析发电机的常在的工作转速区心，既要充分考虑发电机的利用效率，又要 山东理t 大学硕士学位论文 第一章结构设计参数确定 考虑到发电机高速运行性能。 根据b r i i t s c b e i d s t rs t u t t g a r t 大学h a n sj o a c h i m 、j u r g e nm u u e r 等人对城市内普通轿车 的行驶速度和发电机转速进行了分析研究“，一辆普通轿车行驶时其发电机的转速多在 1 8 0 0 r r a i n 以上，平均转速在4 0 0 0 r m i n 左右。 综合以上分析，本课题中车辆用永磁发电机的额定转速取为4 0 0 0 r r a i n ，发电机的零 电流转速和最高转速按照该类车辆用发电机的要求选取，分别选为1 5 0 0 r m i n 和 4 8 0 0 r m i n 。 2 2 2 稳压范围的确定 设计车辆用发电机的额定电压为1 4 v ，根据中华人民共和国机械行业标准 j b t 8 5 8 2 6 2 0 0 1 标准要求 1 9 1 ，发电机转速在2 0 0 0r m i n 4 8 0 0r m i n 范围内，其输出电 压在8 v 1 4 5v 之间。本设计永磁发电机转速在2 0 0 0r m i n 4 8 0 0r m i n 时，其稳压范 围选择在l o v 1 4 5v 之间。 2 2 3 输出功率的确定 为了计算分析方便，首先引入电器使用频度系数概念，随着季节和环境的不同，各 种电器的使用机会也不同，即使用频度系数不同。在此用肋、胁、肛，分别表示电器不考 虑季节因素、夏季及冬季3 种情况下的使用频度系数。电器的使用频度系数肋、胁、砌 可以通过长期的道路行驶统计获得，在这里估算车辆用电设施的使用频度系数见表 2 - 1 8 7 1 。 表2 二1 车辆甩史设施的使用频度系数表 1 起动机 2 5 0 0 o 0 2 o 0 2 5 0 2 组合仪表 1 01 0 1 01 0 3 转向灯 3 00 1 0 o ，1 00 3 4 制动灯 3 00 】0 0 1 00 3 5 近光灯 9 2 1 0 1 09 2 6 远光灯 9 20 4 5 o 4 54 1 7 前雾灯 9 20 4 0 4 3 70 4 3 7 8 后雾灯 1 80 3 0 3o 5 9 后倒车灯 3 0o 0 5 0 0 50 2 1 0 信号喇叭5 0 0 1 0 1 0 o 5 1 1 刮水器 3 0o 5 0 4 1 3 电动门窗1 0 o 0 0 5 o 0 50 5 1 4 点烟器 3 50 0 50 0 500 4 o 0 50 2 1 6 收音机 1 ，60 9 5o 9 5l 0 9 51 6 1 7 其它 3 01 0 1 0 3 0 总计3 0 5 根据表2 1 的用电设施需用电流计算，用电总量为1 4 3 0 5 = 4 2 7 w ，留出2 0 的设 计余量，因此设计输出功率为5 0 0 w 的发电机。 山东理工大学硕l 学位论文 第二章整体设计j 参数确定 2 3 永磁材料的特性研究 永磁发电机的特点是利用永磁体产生磁场，永磁材料经过磁化后，不需要外加能量 就能在其周围空间建立磁场，结构简单，运行可靠，损耗少，效率高，发电机的尺寸和 形状可以灵活多样，但性能和体积受永磁材料的影响较大。随着磁性材料的迅速发展， 选用合适的永磁材料成为车辆用发电机设计的一个重要问题。 2 3 1 发电机永磁材料的选择标准 ( 1 ) 选用的永磁材料产生的气隙磁场能够达到发电机性能指标的要求。 ( 2 ) 在规定的环境条件、工作温度和使用条件下保证磁性能稳定。主要指发电机运行 过程中产生最大去磁磁势的影n i n o n 磁钢温度的稳定性。 ( 3 ) 具有良好的机械性能，以便加工和装配。 2 3 2 常用永磁材料的特性 常用的永磁材料有三种：铝镍钴永磁材料、铁氧体永磁材料、稀土永磁材料。主要 由以下三个参数来表达： ( 1 ) 剩余磁感应强度b ， 永磁材料在外部磁化场的作用下磁化到饱和，当去掉外部磁化场后，永磁材料本身 具有的磁感应强度值b ，称为剩余磁感应强度。从永磁材料的应用角度看，剩余磁感应 强度越大越好。 ( 2 ) 矫顽力日。 永磁材料在饱和磁化的情况下，当剩余磁感应强度降到零时所需要的反向磁场强度， 也就是退磁曲线与横坐标的交点叫做磁感应矫顽力。永磁体的矫顽力代表着它抗外磁场 干扰的能力，矫顽力越高，抗外磁场干扰的能力就越强，发电机越能适应具有强大外磁 场的动态工作环境。在发电机的设计中为了得到磁路的磁势平衡，磁体在磁化方向上必 须有一定的厚度，矫顽力大，则磁体在磁化方向的厚度就可以减小。 ( 3 ) 磁能积( b ，n ) 芹a n 大磁能积b - h ) 。 退磁曲线上任一点处b 和日值的乘积( 日仞，称作该点处的磁能积。磁能积的单位是 j m 3 ，表示单位体积永磁体向外磁路提供的磁场能量。永磁体的最大磁能决定于三个因 素：剩余磁感应强度肼、矫顽力胁以及退磁曲线在第二象限向外突出的程度( 称为永磁 体的形状系数) 。发电机中应用的永磁体最大磁能积越大越好，因为在获得相同磁场能量 的条件下，最大磁能积越大，所用永磁材料就越省。 铝镍钴永磁材料是2 0 世纪3 0 年代研制成功的，当时，它的磁性能最好，温度系数 又小，因而在永磁电机中应用的最多最广。铝镍钴永磁硬而脆，可加工性差，仅能进行 少量的磨削或电火花加工，6 0 年代以后随着铁氧体和稀土永磁的相继问世，铝镍钻永磁 在电机中的应用逐步被取代，因此可以只对铁氧体永磁和稀土永磁材料的应用进行分析。 铁氧体永磁材料属于非金属永磁材料，价格低廉，不含稀土元素、钴镍等贵金属： 制造 ：艺简单；矫顽力较大，胁为1 2 8 3 2 0 k a m ，抗去磁能力较强；密度小，只有4 5 2g c m 3 ，质量较轻；退磁曲线接近于直线，或者说退磁曲线的很大一部分接近于直线， 回复线基本上与退磁曲线的直线部分重合，可以不需像铝镍钴那样进行稳磁处理，在电 机中应用最为广泛。 铁氧体永磁的缺点：( 1 ) 剩磁密度和最大磁能积相对稀土永磁要低，因而需要加大提 供磁通的截面积，使发电机的体积增大。( 2 ) 环境温度对磁性能的影响大。( 3 ) 铁氧体永磁 材料硬而脆，且不能进行电加工，仅能切片和进行少量的磨削加工。 稀土钴永磁的最大磁能积已达到2 5 8 6 剐m 3 剩余磁感应强度肼一般高达0 8 5 l ，1 5 t ，接近铝镍钴永磁水平；磁感应矫顽力胁可达4 8 0 8 0 0 k a m ，大约为铁氧体永 磁的3 倍。退磁曲线基本上是条直线，回复线基本上与退磁曲线重合，抗去磁能力强， 温度系数低且居里温度高，一般为7 1 0 8 8 0 。i 羽此稀土钴永磁材料的磁稳定性很好。 稀土钕铁硼永磁是1 9 8 3 年问世的高性能永磁材料。它的磁性能高于稀土钴永磁，室 温下剩余磁感应强度b ，可高达1 4 7 r 磁感应矫顽力，可达9 9 2 k a m ，最大磁能积 ( 曰日) 高达3 9 7 9 k j m3 ，是目前礅陛能最高的永磁材料，如图2 7 。本身不含战略 物资钴，因此相对铝镍钴价格便宜m j 。 稀土永磁材料共同存在的缺点是：( 1 ) 材料硬而脆，抗拉强度和抗弯强度均较低，仅 能进行少量的电火花或线切割加工。( 2 ) 磁极相互的吸引力和排斥力很大，在充磁后不利 于安装和运输。 表2 2 各种永磁材料性能参数比较表 材料 剩磁感应矫顽力 磁能积温度系数比重比电阻 堡! 旦丝! ! 竺! 竺! l 堕! 型：)f 型：竺! 型照21 岂望! ! 翌2 钕铁硼 1 ，2 58 7 22 8 80 1 2 67 41 4 4 铝镍钴 铁氧体 1 1 5 0 4 4 1 2 8 2 2 4 8 8 3 6 8 o 0 3 o 1 8 7 3 5 o 4 5 1 0 4 我国有丰富的稀土资源，据最新资料统计1 4 】，我国稀土储量占世界稀土储量的4 1 3 ， 远景储量占4 2 5 3 ，居世界首位，如图2 - 3 ；2 0 0 2 年我国稀土矿产量约为8 8 4 万吨，占 世界总产量的8 9 4 ，稀土矿产品基本不出口，主要用于国内稀土冶炼企业，均可满足 国内冶炼工艺的要求。 图2 3 全球稀土储量表图2 4 全球稀土矿产品产量表 2 3 3 永磁材料对发电机性能的影响及永磁材料的确定 ( 1 ) 永磁材料对发电机低速性能的影响 山东理工大学碗上学位论文 第一章整体设汁一j 参数确定 影响发电机低速性能的一个主要方面就是永磁材料的磁性能，其主要的磁性能参数 是剩磁感应强度西和最大磁能积( b 坊。铁氧体永磁材料的剩磁感应强度口，和最大磁 能积( 肼) 一都不高，稀土永磁材料的b r 和( b 胁远大于铁氧体l i “。因此考虑发电机的 低速发电性能，选择稀土永磁材料是最好的，可以使发电机的低速性能得到很大的改善， 也可以在发电机定子和绕组不变的情况下使发电机输出功率得到极大的提高。 ( 2 ) 永磁材料对发电机体积的影响 随着汽车发电机向轻量化、小型化的发展，要求永磁体的厚度越来越薄吼并具有 较高的剩磁感应强度附和最大磁能积( 脚一。 ( 3 ) 永磁材料对发电机稳定运行的影响 在发电机的设计中，选取最大电负荷时，发电机的电报反应所产生的去磁磁势绝对 不能接近或超过磁钢所规定的矫顽力删”】，否则发电机经过一段时间运转，或经大负荷 下运转，逐渐会使发电机磁钢失磁或去磁，为保证磁性能的稳定性和发电机输出功率、 输出电压的稳定性，要求具有很高的矫顽力趣。 通过对铁氧体和稀土永磁材料对发电机影响的分析，永磁电机对永磁材料的磁性能 要求是具有“三高”的磁特性【1 ”，即剩磁感应强度b r 高，矫顽力f 拓高，最大磁能积偿爿：l 。 高，而钕铁硼永磁材料正具备这些优异的性能，因此本设计选用n t p 3 3 s h 稀土永磁材 料，该材料的主要参数为：剩余磁感应强度西= 1 1 2 t ，矫顾力h c = 7 9 6 k a m ，最大磁 能积( b h ) m , 。= 2 2 4 k j i m 3 。 2 。4 转子结构设计 发电机的转子结构按照励磁方式的不同可分为爪极式转予、盘式转子、径向励磁、 切向励磁四种结构。其中盘式结构转子磁路需要经过双层气隙，制造工艺复杂，装配精 度要求高i l ”，不适合采用。 爪极转子通常由两个带爪的法兰盘和个轴向充磁的圆环形永磁体组成。该转子永 磁体形状简单，磁性能好、磁化均匀、利用程度高。但是爪极和法兰盘所占转子体积的 比例较大，与其他几种结构相比发电机的质量增加；爪极中脉动损耗较大，导致效率下 降。如图2 5 所示。 图2 6 为切向励磁转子。该结构中，永磁体的磁化方向与气隙磁通轴线接近垂直且 离气隙较远，其漏磁比轴向结构径向结构要大，永磁体是并联的，有两个永磁体截面对 气隙提供每极磁通，可提高气隙磁密，但制造工艺复杂，永磁体和极靴固定困难，所以 不宜采用。 综合以上分析，本课题开发的车辆用永磁发电机采用径向励磁转子结构，其制造工 艺简单，生产设备要求不高，可大大降低发电机的制造成本，而且此结构电机的设计计 算准确度较高。径向励磁结构示意图如图2 7 。 生童矍耋查耋要：茎i i ：垒三。 ， ，。，。，：，耋三耋竺垫塞i 耋皇耋鍪丝塞 1 磁钢2 爪极3 磁轭4 轴 图2 5 爪极式图2 - 6 切向式图2 。7 径向式 径向励磁转子结构的缺点是散热困难，为此把该车辆用永磁发电机的转子结构设计 为中空式，改善了发电机的通风冷却条件。稀土永磁发电装置采用径向励磁结构，并在 永磁体端面装上软铁极靴，使交轴电枢反应磁通经极靴闭合，减弱了电枢磁动势对永磁 体的去磁作用。设计中适当选择极靴的形状和尺寸，使气隙不均匀和极弧系数适宜：转 子成型图如图2 - 8 。 图2 - 8 转子结构成型图 由于圆弧形永磁体加工费用较高，本课题设计采用如图2 - 9 ( 2 ) 所示的平面磁钢转 子，所用的矩形磁钢加工费用低，只须把转子铁心铣出1 2 个平面即可，如图2 一l o 。平 板式极靴用冲床冲出，比用车床车钢管做极靴的加工费用大大减低。极靴通过非导磁螺 钉将磁钢锁紧在转子铁芯上，提高了发电机的运行可靠性。转子装配好以后车至规定尺 寸即可。为了更好的比较这两种转子结构车辆用永磁发电机的输出特性，在本课题中同 时试制了这两种转子，如图2 - 9 所示。转子磁钢和极靴成型图如图2 1 l 所示。 一 一胗痧攀 ( 1 ) 圆弧磁钢式 ( 2 ) 平面磁钢式 1 转子铁心2 轴3 磁钢4 非导磁螺钉5 极靴 图2 - 9 圆弧磁钢和平面磁钢转子结构图 囤2 - 1 0 转子铁心成型图 图2 - 11 转子磁钢和极靴成型图 表2 3 用宽为1 4 r a m 的圆弧磁钢和平面磁钢试验性能对比表，定子绕组为中o 8 m m 漆包线两股并绕8 匝。从表中可以看出，相同宽度的圆弧磁钢发电量比平面磁钢的发电 量稍大，但相差不大。 塞! ：i 圄塾堕塑塑垩亘堕塑些墼盟l 壅 速 1 4 m 宽圆弧磁钢转子1 4 m 宽平面磁钢转子 25 定子结构设计 发电机要取得更高的比功率，定子齿轭部高度、定子槽深就不能无限扩大。在保证 定子轭部、齿部磁场都不饱和的情况下，尽量减小轭部、齿部的高度，以取得更高的比 功率。 山东理工大学硕士学位论文 第二章结构设计与参数确定 功率。 一般的在发电机设计中， 槽宽坟约为0 5 t 4 5 。，那么整流电压的波形如图4 - 9 所示可知当导通的相的相电压过零 变j f 时，该相可控硅关断。此时下一相可控硅虽承受f f 向电压，但它的触发脉冲还未到， 不会导通，故输出电压和电流都为零，直到下一楣触发脉冲出现时为止。显然负载电流 断续，各可控硅导通时间都小于9 0 。 如果口角继续增大，那么整流电压将愈来愈小。当口= 9 0 。时整流输出电压为零，故 电阻负载时，要求斩波范围为0 。9 0 。 下面分两种情况来计算整流电压的平均值： ( 1 ) 当日4 5 。时，s c r 在等+ d 至等十“范围内导通，故 zo 坚+ 。 u = j 如：s i n w t d ( r a t ) = 要。s 口_ 1 2 7 o s 口 二。 24 + “ 口= 0 0 时