（光学工程专业论文）42v汽车电源系统发电机研究与开发.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 本文首先简要阐述了目前汽车研究与制造领域尚处在研究阶段的新型汽车电源 ( 1 4 4 2 v 、4 2 v ) 电气系统的概况，论证了采用4 2 v 汽车电源系统，对汽车新技术的丌发 与应用，有着重要的理论意义和应用价值，对国内外汽车研究领域正在研究的4 2 v 汽4 = = 电源系统的整体方案及具体技术问题进行了分析与与探讨，确定了具体研究方案。 本文通过分析研究，优化选取了电励磁式三相同步交流发电机，对发电机的r 乜路参 数及结构进行了开发性的优化设计计算。对交流发电机电压调节装置进行了优化设计， 通过分析设计了电子电压调节器，并采用了蓄电池电压检测法集成电路式电子电压调节 器，与发电机组装一起成为整体式交流发电机。对集成电路式电压调压器的电路参数进 行了设计计算及优化选取。 本文研究与设计初步实现了发电机装置的基本功能，达到了预期目标，为未来进 步研究作了一些基础性的工作。 关键词：4 2 v 汽车电源系统；发电机装置；电子电压调节装置 谢在玉：4 2 v 汽车电源系统发电机研究与开发 d e v e l o p m e n t & s t u d yo ne l e c t r i cg e n e r a t o rd e v i c eo f4 2 v a u t o m o b i l e p o w e r - s o u r c es y s t e m a b s tr a o t t h i sa r t i c l ef i r s tb r i e f l ye x p o u n d st h eg e n e r a ls i t u a t i o no ft h ep o w e r s o u r c ee l e c t r i c s y s t e mo ft h en e w l y d e s i g n e da u t o m o b i l e ，w h i c hi s i nt h er e s e a r c hs t a g ea tp r e s e n ti nt h e a u t o m o b i l ed e s i g n i n ga n dm a k i n gf i e l d i td e m o n s t r a t e st h a td e v e l o p i n ga n da p p l y i n gn e w t e c h n o l o g yi nm a n u f a c t u r i n ga u t o m o b i l eh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n ta n da p p l i e d v a l u e i tm a k e sa n a l y s i sa n di n v e s t i g a t i o no ft h eo v e r a l ls c h e m ea n ds p e c i f i ct e c h n o l o g yo l 、 4 2 va u t o m o b i l ep o w e r - s o u r c es y s t e m ，w h i c hi sm o ws t u d i e di na u t o m o b i l er e s e a r c hf i e l d b o ma th o m ea n da b r o a d t h r o u g ha n a l y s i sa n dr e s e a r c ht h i s t e s t o p t i m i z e l ys e l e c t st h r e e p h a s es y n c h r o n o u s a l t e m a t i n gc u r r e n tg e n e r a t o ra l t e m a t i n gc u r r e n tg e n e r a t o rw i le l e c t r i c a le x c i t a t i o na n dm a k e s o p t i m i z e dd e s i g na n dc a l c u l a t i o nd e v e l o p m e n t a l l yo ft h ec i r c u i tp a r a m e t e ra sw e l la si t s c o m p o s i t i o n a tl a s t ，i tm a k e so p t i m i z e ds e l e c t i o na n dd e s i g n t h i sd e s i g nc h o o s ee l e c t r i c v o l t a g er e g u l a t o rt h r o u 曲a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n a l s o ，t h ed e s i g ne m p l o y ss t o r a g e v o l t a g er e g u l a t o r f i n a l l y ，w i t ha s s e m b l i n gt o g e t h e rw i t he l e c t r i cg e n e r a t o rc o m eo u tt h e i n t e g r a t e da l t e m a t i n gc u r r e n tg e n e r a t o r a n dt h i sa r t i c l em a k e so p t i m i z e ds e l e c t i o na n dd e s i g n a n dc a l c u l a t i o no f t h ec i r c u i tp a r a m e t e ro f i n t e g r a t e dc i r c u i tv o l t a g er e g u l a t o r w h a ts t u d i e di n t h i sa r t i c l ei n k i a l l yr e a l i z e dt h eb a s i cf u n c t i o no fe l e c t r i cg e n e r a t o ra n da c h i e v e dt h ee x p e c t e d g o a l w h i c hw i l lp r o v i d ef u n d a m e n t a lc o n t r i b u t i o nt of u r t h e rr e s e a r c hi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：4 2 va u t o m o b i l ep o w e r - s o u r c es y s t e m ；e l e c t r i cg e n e r a t o rd e v i c e ； e l e c t r i cv o l t a g er e g u l a t o r i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名；进丝 日期： 冱丕：! 乡 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和f 乜f 版，允许论文被套阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 燃鱼 碰年卫月卫日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 14 2 v 发电机研究与开发的意义 1 1 14 2 v 汽车电源系统概述 在早期的汽车电器上采用的是6 v 电源系统。由于汽车电器的增多和起动机功率的 增加，在2 0 世纪5 0 年代末期，几乎所有的汽车公司都开始利用1 4 v 电源系统来取代 6 v 电源系统。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着人们对汽车乘坐舒适性、燃油经济性、排放环保性要求 的日益提高，汽车电器及电子设备的不断增加，据统计汽车电气系统的用电量以每年大 约4 的幅度增加，交流发电机输出功率从几百瓦增加到现在的约1 5 k w p j 。可见汽车 的电气化和自动化程度的不断提高，现有的1 4 v 供电系统难以满足要求，惟一可行的办 法是提高交流发电机电压以增大其输出功率。 为实现大功率供电传输，采用提高电源电压供电是一种切实可行的方法，即将目前 普遍采用的1 4 v 电源电压提高至4 2 v 。采用新型4 2 v 电源的目的和意义为汽车电子技 术的发展打开了应用空间以及为汽车电器、电子设备的增加奠定了基础，使产品设计人 员从过去的许多局限性中解脱出来，为汽车技术的发展提供了充分的想象空间。 而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。随着汽车的电气化和自动化程度的不断提高，汽车对4 2 v 发电机的性能也提 出了更高的要求。据统计，2 0 0 3 年我国生产汽车4 0 0 万辆，社会保有量为2 0 0 0 多万辆 【1 】【2 】，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6 0 0 万台以上。 目前汽车用发电机主要是1 4 v 硅整流发电机，而电源电压提高至4 2 v 后，所配用的 发电机必须进行研究与开发，以满足4 2 v 电源系统的要求。因此研究与开发一种4 2 v 高效发电机，是汽车研究、生产制造领域迫在眉睫的重要课题。 研究由电励磁绕组产生旋转磁场，定子产生三相交流电，硅整流二极管整流为直流 电，电子调节器通过改变电励磁绕组电流的大小来改变励磁磁场的强弱，从而控制输出 电压的大小的整体式发电机。该发电机具有体积小、重量轻、发电机低速充电性能好， 配用的电子调节器与发电机装于一体，结构简单、对无线电干扰小、检测、维修方便、 使用寿命长等优点。 该发电装置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， 必将换代目前的1 4 v 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 谚 在玉；4 2 v 汽车电源系统发如弧研究 i 野发 术进步嗍。因此该课题不仅具有较高的理论研究价值，箍且具有较大的经济效籁和社会 效蕴。 1 1 24 2 v 汽率电源系统应用价值 4 2 v 汽车电深系统静应用，麓浅车技术静避一步发展奠定了坚实、可靠静基础，在 诧供电电筮的平台下，全举电气设备均司黻避幸亍舞级改造，主要体瑗在豁下a 个方露： ( 1 ) 采用4 2 v 电源系统驻聪，可以促进整车电渤控制系统( 如电动制动系统、离合器 系统、动力转向系统、主动悬架系统等) 的应用，同时还可促进汽车网络技术、导航、 智蕊纯交逶、囊动驾驶簿戆发嶷。 ( 窃采用4 2v 遣源系统戮盾，将鲁翁爨发动极驱动的冷却风扇、冷去| 】水泵、转肉动 力浆、空调疆缩褫等附件获发动税中分离滋来，集成奁一超出毫动梳矗接驱动，胰舔可 以进步减少发动机零件和重量，不仅便于实现集成模块式生产方式，同时还可以改善 发动枧及其瓣移斡控利效果。 ( 3 ) 来臻4 2 ￥露源系绫以髫，将发动搬蠹熬一螳枕槐敬为电力驱动，翅进搀气f 1 麴 秀溺采焉由诗箕梳控涮麴魂动祝或毫磁阖驱麓，这样襞霹以省醛了凸轮辅等配气辍椽重 要部件，又可以掇高发动机的控带效果。 ( 4 ) 4 2 v 电源系统的采用必发展澹食动力汽率创造了条彳串，必将大大撼动混合动力汽 事豹动力总成及篡部件的发展。- 焚其是对逡会城穗应翅的混合动力汽车戆开发具礴决定 性灼澎酶，在城露交逶摆按匏王况下，怠遮窝越绦逶运褥，大约占汽车慧露驶时测豹 2 0 3 0 ，不但浪费了大慧的能源，而且在这种工况下工作时，汽军捧放的有害物蔼正常 工况的几十倍乃至数百倍，采用4 2 v 电源，可以实现在低遮时( 例如2 0 k m h 以下) 由 电源嶷接驱动电动枫馋为汽车的动力源，谯交通管话4 路口等待髅号时可以方便地切颐电 源，宠全避免了怠速熬王溅。关键豹技术是要开发能宠成这些功熊灼电规以及提关的部 侔，健之鬣能起动发动撬叉麓取代笈动梳作为动力源，在发耱梳工作时逐可 冀带动发电 机对电源充电。 ( 5 ) 采用4 2 v 电源系统在技术上还有一整其拖豹优点，倒如对同样功率的用电器， 与1 2 v 电源耀比电流丈为降甄，从聪减少了功率损起，减少丁导线的截面，节约了材料， 健避现存毫器装璧毂，l 、鍪纯、徽黧亿，壤，j 、羹量降低成本( 铡絮基越广泛筏臻豹提械式 继电器，将由固态开关缀电器取代，采丽电子模块代替目前的分立元件) 。 总之，4 2 v 汽车电源系统的废靥为汽车电子矮术的发展孬开应用空间及为汽车电器 设餐功熊的扩展奠定了基础。 2 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 2 汽车电源系统的发展及现状 1 2 1 汽车电源系统的发展 在1 9 5 5 年之前，汽车上采用的还是6 v 电源系统。由于汽车电器的增多和起动机功 率的增加，在2 0 世纪5 0 年代末期，几乎所有的汽车公司都开始利用1 4 v 电源系统来取 代6 v 电源系统。从那时起，车辆对电源系统的要求不断提高，从而驱动着具有更高工 作电压、更大功率电源系统的产生。 随着汽车电器、电子设备的不断增加，交流发电机输出功率从几百瓦增加至0 现在的 几千瓦。图1 是乘用车交流发电机平均峰值功率( v ) 增长图”1 。表1 1 预计2 0 0 5 年轿 车上选装的电器负载功耗一览表。届时消耗功率可达5 k w 左右。 蓬 斟 监 辫 斟 辞 1 9 2 0 1 9 3 01 9 4 01 9 5 01 9 6 01 9 刀1 9 坞9 02 0 0 0 加1 02 0 2 02 0 3 0 图1 i 承用车发电机平均功率峰值增长图 f i g1 it h ei n c r e a s eo f c a r r i e rm o t o ra v e r 0 g cp o w e rp e a k 谢在玉：4 2 v 汽车电源系统发i 也机研究与开发 表1 1 预计2 0 0 5 年轿车上选装的电器负载功耗一览嵌 t a bl + 1t h ef o r mo f l o a dc o n s u m p t i o ni nc a r2 0 0 5 负载类型 独至鲤 峰1 鬣 垩塑值 疑盘圣丞 毫磁润( 6 敏6 0 0 0 r r a i n )2 4 0 08 0 08 0 0 水泵 3 0 03 0 03 0 发动枧冷却熙扁8 0 03 0 0一 全电予自动驾驶仪 1 0 0 01 0 01 0 0 屯加热车窗 2 5 0 0 2 5 0 催 乇转挨器3 0 0 06 01 2 0 电控悬架1 2 0 0 03 6 03 6 0 遂摄搏兢套螭忝统t 0 0 1 0 01 0 0 总让=2 1 2 q1 2 鲤 可见传统的1 4 ( 1 2 ) v 电源系统已经雉以满足这稀功率需求，应采用夔高工作电压 的电源系统。早在1 9 8 8 年的s a e 豳际年会上就有关于提黼汽车电气系统供电电压的建 议，魏后兹有一些讨论，髓是都没有弓l 起怼够的羹褫。矗掰2 e 餐筑9 0 年代中期开始， 陆续成立了一些国际性和区域性研究机构，对4 2 v 电气系统进行蘸点研究。这样的机构 主凝有两个：一个楚福特与麻省璎工学院纛发起缀绫静m i t 【e 照联猛，菊一袄稳楚戴 姆勒一奔驰与s i c n 发起成立了汽车电源论坛( f o r u m b o r d n r t z ) ，为推动这一工作发展， 美溺汽车王程学会( s a e ) 还专门艘立了黢n 奄压车辆电子系统委昃会，曩本i e e j 篷 于2 0 0 1 年成立了4 2 v 汽车电气系统研究委员会。从参与这一计划研究的广泛性来看， 这一瑟戆4 2 v 汽车泡气系统结梅基经褥到了国舔汽车工韭努靛谈霹。嚣喜蓼，4 2 v 汽车电 气系统还处于探索、验证阶段。在所研究的新的电气系统中，有两种实施方案，一种是 全车4 2 v 肇电压方嶷，另耪是1 4 v 4 2 v 致电压方案。 1 2 2 汽举电源系统的发展动向与趋势 ( 1 ) 现徐段，佟凳过渡麓，1 4 4 2 v 双奄逛宅气系统及功率分配与管理系统褥首先被 研制和投入使用。 2 ) 蓬麓4 2 v 毫篷系统磷究兹发震，弯荚标准将箍之崮台。 ( 3 ) 预计2 0 2 5 年，除蝗特殊用途的车辆外，世界上几乎所有的车辆都将使用4 2 v 蕊魄气系绫。 4 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 2 3 汽车电源系统与4 2 v 交流发电机设计方案概述 在繇疆究懿汽车电源系统缝梭孛，鸯燕下实施方案， ( 1 ) 是全车4 2 v 单电压结构方案，：i 杰是1 4 v 4 2 v 双电压混合结构方案。 0 ) 浆震双魄基混合缤狡方繁，交浚发毫凝爨采臻4 2 v 攀毫莲结秘逐是粟弱1 4 4 2 v 双电压结构。 疆) 蓑采援双电医瀑会结稳方案，是爆单一3 6 v 鬻邀遗，_ i 荟是采髑3 6 v 和1 2 v 双 电压结构。 关予第一含阉题，照然存在不困惑觅，但怒大多数人认为至少在开始的时候，4 2 v 系统将会和1 4 v 系统共存于同辆车中。这就意味着汽车电气系统转变捌4 2 v 系统电压 不是一蹴两成，两是有一过渡过程，邵农开始的对候使用4 2 v 和1 4 v 双电压共存的混合 杀统，缀过一段时间再根据实际需要决定是否过渡到单4 2 v 汽车电予系统。考虑到汽 车电子系统变革灼复杂性和广泛枣涉面，这神构想无疑骞其合邀性。但还有一釉意见则 倾向于赢接转换期完全的单一4 2 v 系统。 在4 2 v 和1 4 v 双电聪电气系统结构中，高功率负载将出4 2 v 电源总线供电，而中、 低功率负载剐由1 4 v 电源总线供电。这就蹬现舅个闯联，交流发电梳燕输出4 2 v 帮1 4 v 两种电压不同负躐，还怒只输出单一4 2 v 电压辩出d c d c 变换器变换得剿1 4 v 电压。这 两种方案备有优缺点：发电视输凄4 2 ￥釉1 4 v 两释电压簧求发彀梳静梅造和控澍眈较复 杂，但愚不需要额外的d c d c 变换器：输出单一4 2 v 电压发电机的构造和控制可以比较 简单，毽是需要狻拜静涎内变换嚣籍4 2 v 电器变换为1 4 v 毫纛。交予d c d c 交压器的 技术比较成熟，蠛终选择倾向于发电机输出单一4 2 v 电压而出d c d c 变换器将其变换为 1 4 v 这秘方案。 在汽车电气系统中使用蓄电池这一问题上也有不同的意见。在两种系统中都是有交 流发电寥 经整浚调基嚣键爨4 2 v 电压供给褰功率受载荠黠3 6 v 豢电遵燕电，瑟4 2v 电 压经d c d c 变换器之后为1 4v 电气系统总线。在双蓄电池系统中，1 2 v 蓄电池连接在 d e 粥变换器之嚣，戈1 4 v 电气受载旗孬能量：嚣在单薷毫洼结构中，1 4 v 负载直接连 接在d c d c 变换器的输出总线上。同样两种结构各自有其优缺点：在双瞽电池系统中， 即使发动极不运转，如予工终状淼的1 4 v 电气负载也不会消耗储存在4 2 v 蓄电波中涌来 超动发电机的能麓，d c d c 交换器也可阻做得比较小，因为1 4 v 电气负载可畈由1 2v 蘑电池来提供峰值输出功率；但另一方飚，1 2 v 篱电池将增加汽车的质疑和制造成本。 遥过功率管理电路而不麓另一个蓄电沲将1 4 v 负载于3 6 v 蓄电漉隔离怒可能旃，但是这 种方法在减少一个蓄电池的同时也会带来别的问题：是使用单个集中式的d c d c 变换器 谢在玉：4 2 v 汽车电源系统发电机研究与开发 得到1 4 v 电压，述是用配置在分布式功率总线结构上的多个离散d c d c 变换器得到1 4 v 惫蕴。 另外还要考虑汽车的1 4 v 负载会随时间而变化，例如汽车的1 4 v 的车前灯最终可能 蔽3 0 0 v 弱高强痰敖毫疗( h i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g e ，h i d ) 耩敬伐，瞧另羚一些低强 度灯如停_ 车灯、刹车灯和信号灯则可能由发光二缴管( l e d ) 阵列来取代。另外一此电 予辫 孛霹憨转变舞萃一戆4 2 v 电气系统蕊线结橡。 上述的讨论说明对于朱来的4 2 v 汽车电气系统结构还有许多要深入研究的问题，随 饕溪突豹不叛热深，必然设诗出鼹倪汽车邀气系统结麴方寨。 图1 + 2 所示为德尔桷汽车公司于1 9 9 9 年9 月在德国法兰克福国际汽车展中展出 1 4 v 4 2 v 漱电压的电气系统的四耪设计方案1 2 j 。 1 2 v | 糕幽l 型 a ) 繁电压发电机和单电压能源储存 b ) 双电压发电机和单电压能源储存 c ) 单电压发窀税和取电压能源储存 d ) 疆逢l 援发电辊秘域电压麓海储存 凰i ，21 4 4 2 v 汽车电源系统麴结掇竣诗方案翻 f i 9 1 2 d e s i g np r o j e c to f1 4 f 4 2 v a u t o m o b i l ep o w e r - s o u r c es y s t e m 扶这理季孛设计方案中，交滚发电枫鲍结掏形式有单彀压a ) 、c ) 翻联电援两静如圈b ) 、d ) 。两魅 源储存蓄电池的结构形式有单电压a ) 、b ) 和双电压储存c ) 、d ) 两种。经过分析研究选定殴计方案为 a ) 图，单电压发电机和单电压能源储存。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 3 电励磁发电机的优点及电腰控制现状 发电梳憝汽车主要电器设备之，在宅滚系统中起着举莛轻重瓣律建，它与蓄媳港 并联共同承掇汽车上所有用电设备的供电任务。 3 国内矜发电橇璐袄 目前国内不少专家和工程技术人员对车用发电机作过许多改进，有不少产品投放市 场，缓激磁方式不同主要分为四类： ( 1 ) 感应子发电机 程这种笈电辊中，励磁绕缝和纛枢绕组箨装在瓮予上，黼两麓方便实现无蒯藏磁， 其工作原理怒：在发电机气隙中，磁通因气隙磁导的变化而周期性交化，从而产生感应 毫动势。感瘦子发电橇转子土没有绕嬷，因甏欷滇了集意环秘电麓，佼发电掇结擒篱謦， 可靠性高，维护方便【5 】。实观了低成本的结构设计和无干扰无故障的长期运行，是车用 发毫裰静一次耋要改避。毽楚宅兹气潦磁逶零l 露率舔，只舂交交分爨被爰来产生感应电 动势，而交变分量只占全部气隙磁通的3 5 4 0 因而感应子发电机的有效尺寸要比同 功搴瓣采磁发毫极大，毙珐窭羝。 ( 2 ) 混合励磁发电机 混台励磁发电机采用永磁俸融磁为主，孵趣电搦磁菇辅鹣裁磁方法，通过谰节辅助 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束调 节永磁发电飒豹电压【8 】，可愿，这种方法具番严重的困循性。在定转速豹情况下，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戮输出端电压的稳定是可行 的。僚由于主要的磁场不可调节，辘助部分的调节作用是很肖限的，汽车发屯机尤其恐 转速和负载都发生变化时，仪靠附加电磁场的调节采保证输出端亳压的稳定是不可能 的。 ( 3 ) 永磁发电视 随着永磁材料性能的不断提高，永磁发电机得到迅速发展，永磁发电机与电励磁发 窀穰簸大的送溺在予它的赫磁磁场愚永磁俸产生酶。永磁电穰买有较商静效率帮比功率 指标。但其磁场不能从外部调节、控制其磁场极为困难。这魑使永磁发电机的应用范围 受到了隈涮。 ( 4 ) 电励磁发电机 瓣麓藿肉= 争 汽车髑发电辊广泛毅慕嗣懿跫硅整浚交流发邀辍，该发逛枫凌电秘磁绕 组产嫩磁场，电子调节器通过改变电励磁绕组电流的大小来改变励磁磁场的强弱，从眦 控制羧遗电瓣粒太小。该发魄瓤具毒钵投小、重量轻、结构麓单、缝修方便、使蠲寿余 7 谢在玉：4 2 v 汽车电源系统发电机研究与开发 长。发电机低速充电性能好，配用的调节器结构简单、对无线电干扰小、能节省大量铜 榜等饶熹。霹前主要采髑外置碳露8 涛丽装灌，滑邵壹径，j 、，线速发低，竣嚣l 密损少，敌 障率低的破整流发电机。 嚣蟊磷裁开发4 2 v 奄赫磁发懿橇莲繇警然豹袋为摆袭裁镪瑟蒋熬一大谋题。 1 3 24 2 v 电励磁发电机优点 ( 1 ) 体积小、夔量轻、功率大 交流发电机是转子部分产生磁场，没荫换向器火花问题，因而可以提商转速和安匝 数。 ( 2 ) 发电机低速充电性能好 交流发电橇不存在换囊器灭蕊秘遂，觚舔哥激提高发渤橇与发电孛冗躲逮比，这样在 发电机低速运转时，发电机就可以获得较高的转速。发动机与交流发电机的速比了以提 交到1 7 3 。藏癸，交滚发亳掇牙始发电暴鬻毽激( 帮l 耋藿迄逮供绘磁场毫滚) ，魏时餐 磁场强，谯发电机低速运转时，发电机已达到一态的电压，即可向蓄电池充电。 舀) 鼷醚惩静瞧子电援淫节爨筵单 交流发电机采用电子电压调节器，装于发电机内部，成为整体式发电机。因此，调 压精度离，结均簿单，维修方便。 ( 4 ) 故障少，易维修、寿命长 交流发电枫碳刷与漏螺之间不存在换肉器火花阉题，毽两磨损很小，雄穆方便，使 用海命约为直流发电机的4 倍。中工作。 ( 5 ) 无线电干扰小 交流发电杌没有挟向瓣火花，蕉然在三褶全波整流后还有较小的电压波动，但对无 线电的干扰小得多。 1 3 3 电励磁发电机电压控制现状 电融强发电梗剑或蕊，经捺式整滚魄鼹蟪定予绕组产生的三甥交淡邀转变成矗滚 电，当转遴和负荷变化时，由电压调节器通过改变激磁电流的大小，对转子电磁场强弱 进行调节，已达到 象定电赋的目的。 目前对电励磁发电机电压的调节主要肖以下几种方式： ( 1 ) 触电式电艇调节器 触电式电压调节器，由于触煮的存在，电压调节频率低，且产生电火花，对无线电 干扰大，故障多，工作不i j ：r 靠，故目前已被电子电压调节器取代。 f 2 ) 晶体管电子电压诵节器 大连理工大学专业学位硕士学位论文 晶体管电压调节器具有开关频率高，且不会产生火花。调节效果好，在转速或 负荷变化时其电压波动一般不大于0 3 v 。具有重量轻，体积小，对无线电干扰小，故 障少，寿命长。内部无运动件，耐震，可靠性高。不需要调整、维护等优点，所以 晶体管调节器使用越来越广【i ”。 ( 3 ) 集成电路式电子电压调节器 本设计采用集成电路电子电压调节器。它和晶体管电子电压调节器一样，对发电机 的输出电压也是利用晶体管组成的开关电路控制磁场电流来调节的。除具有晶体管电址 调节器的优点外，还具有以下优点：体积小( 仅为晶体管电压调节器的1 3 1 5 ) ， 可以把它组装在发电机内部，构成整体式发电机，从而简化了充电线路，降低了线路上 的电能损耗，使发电机实际输出功率有所提高。调节精度高，使用中不需要进行调整。 耐震、耐蚀、防潮、防尘、耐高温( 1 3 0 ) 。 1 4 新研制的电励磁发电机结构 新研制的电励磁发电机结构主要由转子总成、定子总成、硅整流器、前后端盖及电 刷，以及皮带轮、风扇等部件组成。如图1 3 所示。 1 1 转子总成 在转子铀上压装有两块爪极每块爪极上各具有数目相同的乌嘴形磁极，其空腔内 装有导磁用的铁芯，称为磁轭。其上装有励磁绕组，励磁绕组的两根引出线分别焊在与 轴绝缘的两个滑环上，滑环与装在后端盖内的两个电刷相接触。当电刷与直流电源相接 时，便有电流流过励磁线圈，从而产生磁场，使一块爪极磁化为n 极，另一块磁化为s 极，形成了相互交错的6 对磁极， 2 ) 定子总成 定子总成的作用是产生三相交流电动势它由定子铁芯和定子绕组组成，定予铁芯 由相互绝缘的内圆带嵌线槽的圆环状硅钢片叠成，定予铁芯槽内嵌入三相对称绕组。三 相绕组采用星形接法，即每相绕组的首端分别与整流器的硅二极管相接，每相绕组的末 端接在一起，形成中性点1 。 3 1 硅整流器 整流器的作用是把三相同步交流发电机产生的三相交流电变成直流电输出。它一般 由散热板和六只硅二极管组成的三相桥式整流电路所组成。 电励磁交流发电机包括转子、励磁绕组、定子铁芯、定子线圈、电刷总成及前后端 盖等组成。 9 谢在玉：4 2 v 汽车电源系统发电机研究与开发 图l _ 3 电励磁交流发电机的结构示意图 f i 9 1 3 t h e m a g n e t i c p i c t u r eo fs y n c h r o n o u s m o t o r a r g u s o f s u t r e t u r e l 一后端盖2 一滑环3 一电刷4电刷弱簧5 一电刷架6 一磁场绕组 7 一定子绕组8 _ 定子铁心9 一前端盖1 0 一风扇11 一皮带轮 1 5 课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容有以下几个方面： f 1 1 研究4 2 v 单电压和1 4 v 4 2 v 双电压汽车电源系统，分析二者电源系统的特点及 工作特性，确定具体的设计方案。 ( 2 ) 研究分析电励磁材料的特性及电励磁材料对发电机运行特性的影响规律，确定课 题选用的电励磁材料。通过理论计算和试验分析确定电励磁体及定子的主要尺寸。 ( 3 ) 研究发电机转子电励磁结构和磁路的计算方法，并推导出计算电枢反应电抗的方 法。 ( 4 ) 根据电励磁同步发电机电磁计算程序与计算电枢反应电抗的方法，利用v c 编制 计算程序，研究设计4 2 v 电励磁交流发电机。 1 0 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 5 ) 分析电励磁交流发电机电压调节器的稳压原理，研究由基准电路、检测电路、故 障报警电路和主电路组成的稳压电路。 1 6 小结 本章对4 2 v 汽车电源系统研究的意义、应用现状、发展趋势作了简要介绍，阐明了 汽车电源系统发电机的设计方案，明确了研究内容，对下一步研究明确了方向。 谢在玉：4 2 v 汽车电源系统发电机研究与开发 24 2 7 交流发电机整体方案及结构性麓参数优化设计 2 。14 2 v 交流发电机整体方燕 2 1 14 2 v 交流发电机整体方案 鋈蔚所谬 究瓣1 4 锺2 v 汽车毫潦系统方案中，将汽车邀器与瞧整装器穰据耗电大小 分为两组，中小功率为一组，用1 4 v 电雁供电，较大功率电器装置采用4 2 v 电压供电， 这些装嚣擎穆臻率分蘩奁4 0 0 。1 0 0 0 w 蕊懑内，蜂氆凌搴鼙裹遮5 0 0 5 0 0 0 w 。瑟发电襁 的整体方案中，主要有虫口下两种方案，一种是交流发电机采用4 2 v 单电压结构如同12a 1 掰示，舅一耱是交滚发毫壤采弱1 4 4 2 v 双逛压缀麴。热疆 2 b ) 绣示。 比较这两种方案的特点：发电机输出4 2 v 和1 4 v 两种电压如图1 2b ) 所示，这种结 构要求发电规豹孛奄造翻控潮毙较笈杂，毽是不需要额终的d c 囝e 变换器：辕出攀一4 2 v 电压发电机的构造和控制可以比较简单，但是需要额外的d c d c 变换器将4 2 v 电乐变 换为1 4 v 电压。在这个系统中，d c d c 变换器将供电系统分隰为瓶个具有不同 五曾 缀的供电系统，除降压外，还在攘个电气系统电能分配管理起到重要作用。 由予d c d c 变压器的技术比较成熟，最终选择发电枫输出单一4 2 v 电压而由 d c d c 变换器将其变换为1 4 v 这种方案。如图1 2a ) 所示。 2 1 24 2 4 交滚发毫枧静发电原理 发电机的三相定子绕组按一定规律分布在发电机的寇子槽中，彼此相差1 2 0 0 电角 度。转予氆发动楗按一定的传动致带动旋转产生旋转电磁场。当转子旋转时，旋转的磁 场使固定的定子电枢绕组切割磁力线而产生电动势。图2 1 所示憝交流发电机的结构示 意图。鬻2 2 所示是交流发电飙的工终原理图【l 】删。 发电机每相绕组中所产生的电动势的有效值为： e = 4 2 n , k f l 铲 f 2 1 1 式中； 昱绕组系数 厂感应电动式频率 每摆绕组的甄数 中每极磁通 大连理工大学专业学位硕士学位论文 b a ) 三相交流发电机b ) 输出波形 图2 1 三相交流发电机的工作原理 f i g2 1t h e r e - p h a s ea l t e r n a t i n gc u r r e n tg e n e r a t o rw o r kp r i n c i p l e 电式( 2 1 ) 可知，交流发电机定子绕组内感应电动势的大小与每相绕组串联的匝数以 及感应电动势的频率成正比。即定子绕组的匝数越多，转子转速越高，则绕组内感应电 动势也就越高。图在正文中的格式示例如图2 1 所示。 2 2 主要参数的确定 2 2 1 设计原则 ( 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 2 6 2 0 0 1 。 ( 2 ) 电子稳压器具有节能稳压作用，输出直流电。 ( 3 ) 电压稳定，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。 2 2 2 输出功率、转速范围、稳压范围的确定 ( 1 ) 输出功率的确定 根据设计要求，本次设计的汽车发电机的功率为3 0 0 0 w 。 ( 2 ) 转速范围的确定 发电机的额定转速一般为3 5 0 0 d m i n 6 0 0 0r m i n 之间，本设计选择发电机的额定转 速为4 0 0 0r r a i n 。 ( 3 ) 稳压范围的确定 谢在玉：4 2 v 汽车电源系统发电机研究与开发 本次设计的汽车发电机的额定电压为4 2 v ，本设计发电机转速在2 0 0 0r m i n 4 8 0 0 r m 遮时，其稳舔范围逡铎在3 9 4 2 5 v 之阉。 2 2 。3 导磁材料囊勺选择 电励磁式汽率发电机是通过给装在磁极铁心上的励磁绕组供电来产生磁场的，磁场 性能的好坏直接影响汽车发电机的性能，而导磁材料则起到了关键性的作用。 ( 1 ) 导磁材科翁选用豫剿 选用的导磁材料产生的气隙磁场能够达到发电机性能指标的要求。 程规定豹环境条件、工髂温度霸使餍条件下傈证磁佳能稳定。主要指发 i i 视运 行过程中产生最大去磁磁势的影响和磁钢温度的稳定性。 爨存矗好的祝穰性能，酝使麓工茸霸装配。 ( 2 ) 导磁材料的特性1 4 j 锾磁褥震不役其有缀嵩垂毫磁警率，露且萁磁鼯率不为嚣数，并与磁场强度及猕质磁 状态的励磁有关。图2 2 为实验测出的铁磁物质的磁化曲线。 f a ) 置 岛i藕 瑞l 6 少 托 图2 。2 铁磁物质的磁化特性 f i g2 2e h a i a e t e r i e t i co f i r o nm a g n e t i s m 当磁绥强度觚零秀戆增鸯嚣餮编辩，磁逶密度获零臻热爨翰，b 一努关系为嚣中o a 曲线。o a 称为原始磁化曲线，或称为初始磁化曲线。接着减小磁场强度，h 从麒，减为 零，嚣露辕岛减麓岛，按拣魏黎磁，懿欲酒去拂必缓褥拧反起。警脬反寇蠛斑羁 麒时，b 才到零。扭称为矫顽力。当日继续沿反向增加剐1 - 1 , 时，b 将到达跳值。 下嚣又减，l 、磁场强发剜零，艿减为，叠，这就是爱淘的剩磁。为簧滚去按，努颁将嚣 1 4 大连理工大学专业学位硕+ 学何论文 再反过来沿正方向加到匝，凰就是矫顽力。继续加大h ，到达王k 时，b 又达到巩值。 于是，磁化去磁反向磁化反向去磁磁化，曲线封闭形成“回线”。 铁磁内部是不规则排列的磁性小单元“磁畴”，磁化过程是使磁畴整齐排列的过程。 由于摩擦力的作用，排列过程跟不上磁场强度的变化，磁化曲线上就出现b 滞后于h ， 这一现象称之为磁滞现象。反复磁化一个周期的b 一日曲线称为磁滞回线。 当编不同时，铁磁物质的磁滞回线不一样。将各条回线的正顶点连成一条曲线， 如图2 3 b 所示的o a , a , ，称为铁物质的基本磁化曲线。基本磁化曲线与原始磁化曲线差 别很小。对每一种具体的铁磁材料来讲，它是一条确定的曲线。这条曲线，可通过实验 来测定，在磁路计算中，这是一个已知量。反向磁化的基本磁化曲线如图2 3 b 中虚线所 示，它与o a a , 对称。 铁磁物质的磁性能不同，其磁滞回线的形状就不同。如图2 4 所示。软磁性物质的 磁滞回线瘦窄，剩磁b 小，矫顽力髓小，磁滞回线所包的面积也小。例如电工硅钢片、 铁镍合金类。硬磁性物质的磁滞回线胖宽，剩磁西大，矫顽力风大，磁滞回线所包围 的面积也大。例如钨钢、钴钢等。这类材料多用作永久磁铁。特殊铁磁材料的磁滞删线 甚至呈矩形。 铁磁材料的基本磁化曲线如图2 4 所示。曲线的o g 段，丑随着的增大而增大， 但是b 增长的速度较慢。基本磁化瞌线的a 点，成为跗点；曲线的曲段，b 随迅速 增大；过b 点后，在k 段，口随着增大的速度减慢了；过c 点后，口几乎不随| 【，增大 而增大，即b 的增量极少，出现了所谓磁饱和现象，耐可看作饱和区。b 点称为膝点， c 点称为饱和点，由于级本磁化曲线是非线性的，磁导率= b h 常数。在图2 3 中，o 日 段瞌线斜率小，值较低，a b 段曲线斜率大，值高：幻段，值又较低：过c 点， 进入饱和区，值急剧下降；日再加大，将继续减少，直至趋近于。 谢在蔗：4 2 v 汽车电源系统发电机研究与开发 嚣1 & f 1 l | 露 球(7 1 ) 卜1 图2 3 两种不同类型的磁滞同线 f i g 2 3t w od i f f e r e n tt y p e a ) 较磁性物质b ) 硬磁枣莹物质 阁2 4 基本磁化曲线 f i g2 4b a s i cm a g n e f i s m ec u i v e 在各种媳机和变压器的磁路中，为了在一定的励磁电流下，获得强磁场，铁磁材料 应运行于级本磁化曲线的膝点附近。因为该点值较高，且嚣值也较大。磁路设计计算 时，嚣值是根据诸多因素来选取的。原因是腭尽量小，曰值符合要求，基本磁化曲线的 b 点楚付出较小的h 值取褥较大的嚣值的点。盘点以上付出较多拖，丽得到静嚣的蹭 量却很少。从充分利用铁磁材料来讲，希望嚣值取得高一些，这样所产生的磁通符合要 求时，使用的材料数誊较少，但嚣德取得高，铁心运行中发热损耗大，嚣德取得太低， 则铁磁材料的利用率不高。 电机磁踌大量采精硅钢片，就慧翻用其优良静电磁性髂黻获褥最好的效莱。所谮硅 钢片，是在工业纯铁中，加入硅1 4 5 之后，形成的f e ，s i 合金。硅钢片的主要优点 是： 具有良好的磁性能，黼粒粗大、磁导率高、矫顽力小、电阻率高、铁心损耗小。 2 ) 硅锻瓣磁犍跨浸凌交纯、橇械振动、应力等骧藩洼小。 衡量硅钢片的质量的指标，首先是它的电磁性能的指标。电磁性能好的硅钢片，在 一定兹频率秽磁感疲强度下，其煮低瓣铁心羧耗；在定魏磁场强震下，具有裹静磁感 应强度。 b k 或 h k 大连理工大学专业学位硕士学位论文 式中：钆导磁体退磁曲线上拐点处磁通密度标么值； 导磁体退磁曲线上拐点处退磁磁场强度标么值。 2 6 电励磁发电机设计计算 2 6 1c 语言在电机设计中的应用 利用计算机进行设计的程序可以分成“设计分析”，“设计综合”，和“设计优 化”三种类型。 “设计分析”程序是按设计人员事先估计好的若干设计参量，依一定程序步骤来计 算产品的性能，相当于通常的设计核算。计算机仅用来对设计方案进行计算分析，而对 计算结果的评价以及设计方案的调整仍需由设计者决定。但设计分析程序是十分重要 的，它是设计综合和设计优化的基础。“设计综合”程序是根据己知的性能要求，决定 电机各设计参量的程序。 在使用设计分析程序时，设计人员必须花一定时间去分析各个方案的计算结果，然 后人为地调整某些设计数据，为下一次计算作准备，经过多次反复后才能得到满意的设 计方案。要得到一个较典型的，通用性较强的设计综合程序并不是容易的。“设计优化” 程序是对设计问题提出明确的数学模型，然后依据现代数学的寻优理论并采用优化方 法，自动得到较优或最优的程序。 因此，目前使用最多，实用性最强的就是校核设计程序。校核设计程序之所以受到 普遍的欢迎有以下原因。 首先，对设计者而言，最繁杂和最耗费时间的劳动是校核程序的数学计算，用计算 机来完成这项工作，节省了设计者的大量的时间。将计算机计算准确，速度快的特点与 设计者调整的灵活结合起来，使得校核设计程序使用起来十分得心应手。 其次，虽然综合设计和优化设计程序具有自动的特点，但其设计结果往往难以适合 工厂现有的工艺和制造条件，对此，设计者又无法参与程序的设计过程。此时，校核设 计程序却显示出极大的灵活性和较强的实用性。 2 6 2 计算机源程序与手写程序的区别 为保证源程序计算结果的正确性，源程序的编制必须忠实地反映手写程序的设计思 路和过程，因此，源程序一般被认为是对手写程序的计算机语言的“翻译”。但这种“翻 译”并不是、也不可能是照搬手写程序，还要根据计算机语言及其语法特点，根据汁算 机运算的特殊性进行特殊处理。 谢在玉：4 2 v 汽车电源系统发电机研究与开发 在发电机设计中要给定已知数据，并通过设计计算得出计算结果。在计算机的运算 中，对未赋初值的变量均视为0 值，而且只在程序运算中将已算过的变量值暂时保存于 计算机内存中，一旦程序运行结束则内存中的数据将不再保留。一般来说计算机源程序 中已知数据的输入不是像手算程序那样，在用到这些数据时再分别输入( 手算足用到h , j 。 直接代入公式计算) ，特别对于输入数据量大的发电机电磁计算程序更不宜如此，而是 在程序中集中读入己知数据。 2 6 3 电励磁发电机电磁计算程序说明 手写程序的设计思路和结构一般为