（光学工程专业论文）车辆用钕铁硼永磁起动发电集成装置关键技术的研究.pdf

山东理工大学硕士学位论文摘要 摘要 通过研究车辆电器系统匹配规律、永磁材料的特性、起动发电装置电枢绕组设计 理论，提出了基于1 4 v 电源系统的双电枢绕组、飞轮转子式钕铁硼永磁起动发电集 成装置的设计方案。 对起动发电集成装置的电磁、结构参数参数进行了计算，设计出内嵌钕铁硼永磁 材料的离心式飞轮外转子结构，三相起动电枢绕组和单相发电电枢绕组并联嵌套在定 子槽内的不同深度，共用一组钕铁硼永磁磁材料。 分析起动发电集成装置的起动原理，设计由m c 3 3 0 3 5 集成电路外接功率开关器件 p s m n 0 0 8 组成的电子控制电路，建立了起动发电集成装置起动状态的数学模型，并 用s i m u n l i n k 软件对电压、相电流和电磁转矩进行了仿真，结果表明该控制系统具 有良好的起动控制性能。 - 分析起动发电集成装置的发电原理，研制出由基准电路、取样电路、触发电路和 整流电路组成的单相半控桥式整流稳压器。采用p r o t c ld x p 软件对整流稳压电路进行 仿真分析，采用s i m u n l i n k 软件对整流稳压电路中的不同取样电容进行仿真研究，找 出该电子元件参数的选择规律，为设计电子整流稳压器奠定基础。 把发动机的飞轮、发电机的转子、起动机的转子三者设计为一体，既能在短时间 内起动发动机，又能在发动机宽转速范围内输出稳定电压的钕铁硼永磁起动发电集成 装置，解决了车辆在宽转速、宽负载范围内输出电压保持稳定的问题。 关键词：钕铁硼永磁：起动发电；集成装置；车辆 山东理工大学硕士学位论文 一 a b s t r a c t a b s t r a c t s t u d yo nf u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fe l e r t r i c a ls y s t e m o n v e h i c l e ，p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i co fp e r m a n e n tm a g n e tm a t i a r i a ia n dt h ew i n d i n gt h e o r yf o rn o v e lc u r r e n t m a c h i n e s c e n t r i f u g a lt y p en d f e b m t e g r a t e ds t a r t e ra l t e r u a t o rw h i c hh a sd o u b l ea l t n a t a r e w i n d i n gj sp r o p o s e db a s e do nt h ea n a l y s i so fe n g i n ea n dt r a n s m i s s i o no n1 4 vp o w e r s y s t e m a c e n t r i f u g a lr o t o tw h i c hn d f e bi sp a s t e da tf l y w h e e li n t e r i o ri sd e s i g n e da f t e r c o u t i n ge l e c t r o m a g n e t i s mp a r a m e t e ra n ds t r u c t u r ep a r a m a t e r , t r i p h a s es t a r t e r sw i n d i n g a n ds i n g l ep h a s eg e n e r a t o r sw i n d i n ga r en e s tp a r a l l e l l yd i f f e r e n td e e ps t a t o rs l o t ，a n dt h e y u s e dc o m m u n a l l yp e r m a n e n tm a g n e tm a t i a r i a l f u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fs t a r ti sa n a l y s e d c o n t r o l l e rw h i c hb cf o r m e do fi n t e g r a t i o n c h i pm c 3 3 0 3 5 p o w e rc o m p o n e n tp s m n 0 0 8a n dd i s c r e t ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ei n t e g r a t e ds t a r t e ra l t e r n a t o ri sp r e s e n t e da n di i sc o r r e s p o n d i n g s 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 fm 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 i sp r o c l a i m 也a tc o n t r o ls y s t e ms c h e m ei sf e a s i b l e f u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fg e n e r a t ee l e c t r i c i t yi sa n a l y s e d ar e g u l a t o rc i r c u i to g n s i s to f b 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 tf 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 n c i r c u i ti sd e s i g n e d s 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 ea n dt h ei n f l u e n c eo fa c c u m u l a t o ri s a n a l y z e dt h r o u g ht h ep r o t e la n ds i m u l i n ki np u r p o s et os e e kr a t i o n a l ee l c t r o n i cc o m p o n e n t p a r a m e t e r s f l y w h e e l g e n e r a t o r sr o t o r , s t a r t e r s r o t o ra r e d e s i g n e df o ro n e n e s s n d f e b p e r m a n e n tm a g n e ti n t e g r a t e ds t a r t e ra l t e r u a t o rw h i c hc o u l ds t a r ti n s t a n t l ye n g i n ea n d o n t d u td cv o l t a g es t a b i l i z ea tv a r i a b l es p e e ds o l v e sv e h i d et oo u t p u tv o l r a g es t a b i l i z ea t v a r i a b l es p e e da n dv a r i a b l el o a d k e y w o r d ：n d f e b p e r m a n e n t m a g n e t ，s t a r t e r g e n e r a t o r ， i n t e g r a t e ds e t ，v e h i c l e 独创性声明 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做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：讶彳声奶帆缈7 年p 月坪日 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、使用学位论文的规定，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；学校司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：名弓仁剖弓时间：工幻7 年岁月2 l r 锄强迭魄k 帆叫年 月雌r 山东理工大学硕卜学位论殳第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 汽车工业是现代工业的标志，以汽车为龙头，带动其他相关产业的发展，是世界各 国经济发展的必由之路，中国已将汽车工业列为国民经济发展的支柱产业之一。据中国 汽车工业协会最新统计，2 0 0 6 年我国汽车产量继续快速增长，全年生产汽车7 2 8 万辆， 同比增长2 5 ，汽车产量已跃居世界第三位【u 。国家“十一五”科学技术发展规划，确 定了我国未来五年科技战略：围绕促进自主创新这条主线，以获取自主知识产权为重点， 加强产业技术创新，增强重点产业的核心竞争能力p 。因此抓住我国汽车工业快速发展 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，是我 们要应对的首要任务。 在传统的汽车电器系统中，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，所起到的作用是十分重要。但是它们是各自独立地安装在发动机 机体上，如图1 - 1 所示。既占据了空间，又增加了成本，且普遍存在效率低、故障率高 等缺点。 图卜1 传统的起动机和发电机安装位置图片 目前国内汽车使用的起动机主要是串励式电磁起动机，该机利用励磁线圈提供磁场， 结构复杂；励磁线圈与电枢线圈串联，励磁线圈消耗一定的电压和电能，效率低，容易 因过度发热而烧毁形成短路或断路，可靠性低：励磁线圈需要从蓄电池中吸取滞后的励 磁电流，从而增加了功率损耗，降低了功率因数。 汽车使用的硅整流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 山东理丁大学硕 ：学位论史 第一节绪论 部分转换为用于发电机的磁能，大部分电能由于励磁绕组线圈发热丽消耗掉。转子的励 磁绕组易烧毁、断线、消耗电能多，必须出蓄电池提供励磁电流才能发电，这样势必增 加了汽车成本 3 1 。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。 将起动机与发电机合二为一的想法由来已久，这种装置可减少一台电机、减轻其重 量、节省宝贵空间并降低成本，大大提高汽车的燃油经济性。但是鉴于1 4 v 电源系统的 特点实现起来有很多困难，一直没有实现。随着电力电子技术的发展，起动和发电集成 装置又成了近年来国内外研究的热点。 1 2 国内研究现状 目前国内不少专家和工程技术人员对汽车、拖拉机用起动系统、发电系统进行了研 究和技术性能上的改进，有部分产品投放市场。但对起动发电集成装置研究的相关报道 不多，对它的研究主要集中在基础理论研究方面【4 j 。 同济大学在上海市教委重点学科经费资助，对起动发电装置的原理和控制方法做 了基础研究。 该方案以桑塔纳2 0 0 0 上的1 4 v 交流发电机为样机，利用a c - d c 变流器，在起动时 把蓄电池的直流电转化为起动发电机所需用的三相交流电，在发电时，把起动发电机发 出的交流电整流成直流，给蓄电池充电。该设计是利用电励磁的三相交流发电机改造而 成，只做了方案与基础理论研究，而没有对起动发电装置进行结构设计，该研究离实际 应用还有很大差距【习。 吉林大学对混合动力客车用起动发电集成装黄控制理论与方法作了探索性研究。 该方案使用p i c l 8 f 4 5 8 单片机作为核心控制器，对直流无刷电机作了控制特性的研 究与实验。随着研究的深入，他们逐渐发现了p i c1 8 f x x 8 单片机在电机控制中的局限： 运算速度和庞大的运算量是p i c 单片机无法突破的瓶颈，无法实现额定转速之上的恒功 率控制和发电功能【6 】。 1 3 国外研究现状 随着各国法规对排放性、燃油经济性日趋严格的要求及人们希望在车上享受更多舒 适、娱乐等，汽车上采用了越来越多的复杂电子设备，国外汽车巨头及电子器件开发商 认为：1 4 v 电源系统已不能满足要求，未来汽车采用更高的4 2 v 电压的电气系统已成必 然趋势 7 1 。他们从解决新的动力源泉，改进燃烧降低污染、及提高安全性等问题出发， 在4 2 v 电压系统上研制了关键零部件即起动发电集成装置，就是把起动和发电功能集成 2 山东理t 人掌硕 学位论文第一荦绪论 在一个电机上，取代常规的起动机和交流发电机叽研究表明起动发电集成装黄除了具 有更大的功率和更高的效率之外，还具有着其它功能，例如驾驶的舒适性，? 起动停止”、 “红灯转绿灯后电动机助推”及再生制动等功能1 9 。在4 2 v 电源系统的起动发电集成装置 基础上，提高电压等级和电机容量，即可形成较理想的混合动力驱动方案。因此起动发 电集成装置成为世界各大汽车公司及零部件制造商研究的重点。 目前国际上已有多家公司推出了起动发电集成装置的样机，还有一些厂家专门针对 起动发电集成装置开发了关键元器件，下面对国外研究作一简略介绍。 德国大陆公司下属的t o c h c r 公司首先开发出了这种起动发电阻尼系统 ( i n t e g r a t e ds t a r t e r a l t e r n a t o rd a m p e r ，i s a d ) ，并于1 9 9 7 年在轿车上装机试验，获得当 年德国最佳技术发明奖。1 9 9 9 年在法兰克福国际汽车展览会上，起动发电一体化装置 作为系统零部件首次亮相，正式向人们展示了其优越眭。该系统主要由一经过特殊设计 的异步电动机和功能控制盒组成，工作电压为4 2 v ，。它取代了汽车起动机、交流发电机、 发动机飞轮、皮带轮及皮带和部分汽车驱动系的阻尼器等。随后世界各大汽车公司及零 部件制造商纷纷展开研究【1 0 l 。德国博世公司、宝马公司、采埃孚萨克斯公司、美国伟世 通公司、德尔福公司都相继开发了自己的起动发电集成装置1 1 1 l 。 继德国大陆汽车系统公司之后，典型意义是西门子开发的起动发电集成装置 ( i n t e g r a t e ds t a r t e r g e n e r a t o r ，i s g ) ，i s g 结构是基于1 2 v 电压系统，发电峰值输出功率 可达8 k w ，但是由于采用一组电枢绕组，起动转矩低，无法直接起动发动机，需要用离 合器来辅助启动【蝎。示意图如1 - 2 所示： 筮动札 图1 - 2 德国西门子开发的异步起动发电系统 采用双离合器的起动，发电方案已被大众公司采用，提高了电压等级，应用于混合动 力车一高尔夫汽车上。在结构上，发动机与电动机之间通过离合器相连，再通过另一个 离合器相连到变速箱上，构成一个结构紧凑的机体组。动力切换原理：静止起动时，电 池向起动发电系统供电，此时起动发电系统就是发动机的起动机。发动机起动后，发 动机一方面作为车辆单独的动力源驱动车轮，另一方面又带动起动发电系统发电向蓄电 池充电，此时与传统汽车一样。在市区行驶时，发动机关闭，离合器脱开，蓄电池做为 唯一能源向起动发电系统供电，由起动发电系统取代发动机驱动车轮。当电动车需要高 3 山东理t 人学硕 学位论文 第一帝绪论 速或高负荷时，发动机的起动离合器闭合，发动机与起动发电系统组成复合驱动形式， 以最大功率驱动车辆1 1 3 1 。 丰田公司开发应用于混合动力系统的起动发电系统，由发电机与电动机两台电机 及动力分离装置组成一体化装置1 1 卅；如图1 3 所示。 图1 _ 3 混合动力系统起动发电装置 该系统的运行原理为：发动机与行星齿轮的行星架相连，传递过来的动力经过行星 轮系，一部分通过中心轮传给发电机，一部分通过外齿圈传给电动机以驱动车轮。采用 复杂的控制策略通过动力分离装置分配动力，实现了发电与驱动功能兼得。丰田汽车公 司还专门开发了直流变压器，以便实现5 0 0 v 和1 4 v 的转换。 1 4 方案特点 综合国内外的研究成果，我们可以看出，1 4 v 电源系统起动发电方案与混合动力汽 车用起动，发电方案已有本质不同。混合动力汽车用起动发电集成装置发电功能已经弱 化，以驱动功能为主，发电功能只是作为辅助能量回收利用，蓄电池经常需要人工充电。 本课题研究的车辆用钕铁硼永磁起动发电集成装置，针对目前低压1 4 v 电源系统而 设计，注重起动功能与发电功能。起动功能是瞬间完成，然后长期工作在发电状态。该 装置主要具有以下几方面的特点： 起动特性。和传统的起动机相比，本方案的起动发电集成装置的起动有自己的特 点：它是通过逆变装置将电源功率以一定的逻辑关系分配给起动电枢绕组，与飞轮转子 形成起动转矩，带动曲轴直接起动发动机。起动发电集成装置还可以实现发动机的快速 起动，由于起动发电集成装置的转子和发动机的曲轴直接相连，不再有齿轮传动装置和 离合装置，这就使得其起动时没有以往起动时的噪音。起动发电集成装置的瞬间快速起 4 山东理1 = 人学硕 擘位论叟 第一章绪论 动特性可在几秒的时问内将发动机起动。蓄电池n f 以为其提供足够的起动转矩，即使在 低温环境下也可以对发动机可靠地进行冷起动。 发电特性。与传统汽车1 4 v 交流发电机相比，该装置的最大特点是发电效率高， 电能消耗少旧。集成装置使用永磁体励磁，不需电励磁绕组的电能消耗，仅此一项即可 提高效率1 0 1 5 。最重要的是延长了蓄电池的使用寿命：首先，永磁起动发电集成 装置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 出气状态，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，从而提高了蓄电池寿命。第三，采 用的单相半控桥式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，截止瞬间，即停止充电，蓄电池极板极化迅速消除，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 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。 无刷化设计：该装置采用电力电子器件进行换相与整流控制，构成了一个无换向 器、无碳刷滑环结构的电机系统。该系统有以下优点：首先起动控制系统，输出频率受 控于转子位置信号，是一个自控式逆变器，其输入电流的频率和电机转速始终保持同步， 这就消除了普通同步电机起动时的同步牵入和重载时的失步和震荡问题；其次，无换向 器电机系统本质上可以看作电子换向的直流电机，它可以获得和直流电机类似的起动转 矩特性。对于发电系统，整流稳压器的设计取消了碳刷、滑环结构，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，避免了励磁绕组易烧毁、断线及碳刷滑环 易磨损等问题，而且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， 使车辆能在潮湿或灰尘多及危险程度较高的恶劣条件下工作i l q 。 该装置不但能够取代汽车原有的起动机、交流发电机和飞轮的功能，而且节省宝贵 空间并降低成本，因重量减轻而降低油耗，减少污染。该装置的研究可扩展成系列研究， 研究成果可推广到2 8 v 、4 2 v 电源系统，其装置参数对起动、发电特性的影响规律对混 合动力车用起动发电集成装置也有一定的借鉴意义。还可应用到农用无蓄电池内燃机系 统上，使手摇起动方式变成电动起动，可解决农村因劳动力年龄老化，体力下降，而不 能顺利使用农用动力机械的问题。 ，该装置应用稀土永磁材料，充分利用我国得天独厚的稀土资源，开创稀土永磁电机 新的应用领域旧，适应了我国稀土资源丰富的国情，对促进永磁电机产品的发展提供了 更广阔的取材途径。该产品可提高在国际市场上的竞争能力，研究该装置对我国稀土资 源的开发应用和促进稀土工业的发展有着重要的意义f 删。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。 山东理丁大学顺 j 学位沦史第一章精沦 1 5 主要研究内容 通过研究车辆电器系统匹配规律、永磁材料的特性、起动发电机电枢绕组设计理 论，提出了基于1 4 v 电源系统的双电枢绕组、飞轮转子式钕铁硼永磁起动发电集成装置 的设计方案。 分析起动发电集成装置的起动原理，研究起动控制策略，建立起动状态数学模型， 并用s i m u n l i n k 软件对传感器信号、电压、相电流和电磁转矩进行仿真研究，提出电子 控制器电路的设计方案。 分析起动发电集成装置的发电原理，制定电子稳压控制策略，采用p r o t e ld x p 软 件对整流稳压电路进行仿真分析，采用s i m u n l i n k 软件对整流稳压电路中的不同取样电容 进行仿真研究，找出该电子元件参数的选择规律，为设计电子整流稳压器奠定基础。 通过台架模拟实验，验证把发动机的飞轮、发电机的转子、起动机的转子三者设 计为一体，通过双电枢绕组来实现起动功能与发电功能的设计方案的正确性及合理性。 6 山4 理t 大学硕卜学位论文 第二章确定设计方案 2 1 设计原则 第二章确定设计方案 本研究是以1 4 v 汽车电气系统为基础，将车用发电机和起动机设计成一个集成装置， 该集成装置的主要作用既能起动发动机工作，又能为汽车电器提供电源，还具有飞轮蓄 能的功能。 该装置的工作要求为：当工作在起动机状态时，需要在很短的时间内起动发动机工 作，要求有4 5 倍的过载能力；当工作在发电机状态时，要求其在宽转运、变负载情况 下具有较高的效率和输出平稳特性。 起动性能与发电性能等主要技术指标应满足中华人民共和国机械行业标准 j b 1 8 5 8 2 6 - 2 0 0 1 ，与其相关的设计要求也要同步考虑国家标准。 设计方案在论证可行性的同时，还要兼顾考虑可靠性、成本、安装方式、体积、重 量、抗振动、抗冲击、防尘、防潮及材料利用率等相关问题。 2 2 车辆电器系统匹配计算 2 2 1 起动功率的确定 起动发电集成装置首先要解决的问题是实现发动机的快速起动，即使在低温环境下 也可以对发动机可靠地进行冷起动，设计时首先要考虑起动功率的匹配计算。 按照我国汽车电器系统匹配设计的基本理论，起动发动机所必须的功率是依据发动 机的最低起动转速和发动机阻力矩而定，发动机的起动阻力矩是指在最小起动转速时发 动机的阻力矩。发动机的阻力矩包括摩擦力矩、压缩损失力矩以及驱动发动机各种辅助 机构的力矩。其中摩擦力矩和压缩损失力矩又取决于温度、转速、气缸的工作容积和发 动机的形式，。一般可由下列经验公式( 2 - 1 ) 求得【1 9 】： 汽油机m = ( 3 4 3 3 9 2 ) l ( 2 - n 柴油机m = ( 6 8 6 7 8 4 亿 式中m 一发动机的起动阻力矩，n m 发动机的工作容积，工 例如1 7 0 f 柴油机的工作容积约为0 4 l 起动阻力矩肘= 7 8 0 4 3 1 2 n m ，考虑到低温度情况， 发动机起动所需功率p 可由公式( 2 - 2 ) 计算： 尸一百m 5 5 n o 、k w ) - 1 0 3 b i n ( w ) 7 这里取4 0 n m 。 ( 2 2 ) 山东理t 大学硕l ：学位论文 第一市确定 5 计方，粜 式中卜发动机的最低起动转速的起动阻力矩，n m ， 一发动机的曲轴最低转速，r m i n ， 汽油机最低起动转速为5 0 - 7 0 r r a i n ，柴油机最低起动转速1 0 0 - 2 0 0 r r a i n ， 本课题取极限情况2 0 0 r m i n ，代入( 2 - 2 ) 得： 起动功率p 兰q ! ! q q o 8 4 k w ， ( 2 - 3 ) 9 5 5 0 起动发电装置是直接起动发动机，无需齿轮传动，考虑到低温恶劣情况，确定起动 功率为1 o r 2 2 2 发电功率的确定 车辆用电器要求起动发电装置额定电压稳定在1 4 v ，根据中华人民共和国机械行业 标准j b r 8 5 8 2 6 - 2 0 0 1 标准要求例，发电机转速在1 5 0 0 r m i n 4 8 0 0 r l m i n 范围内，其 输出电压在8 1 4 5 v 之间。起动发电集成装置其转速为发动机曲轴转速，转速变化大， 经常工作在低转速状态，解决该装置在低转速下能产生高电压的问题及变负载、变转速 工况下保持电压稳定的问题是本课题设计难点与重点。 发电机主要为车辆夜间照明、转向指示、电喇叭、刮雨器、暖风机等提供直流电以 及给蓄电池充电。输出功率应根据一般车辆的用电负荷来计算【2 “。汽车上配置的所有用 电设备一般不会在同一时间全部都投入工作，而许多用电设备的工作及工作时间长短， 取决于季节和环境的变化，为了分析计算，采用了电器使用频度系数概念来计算整车的 用电量，计算公式如( 2 - 4 ) 所示： i u f 1 1 其中：，等效电流： 以第i 设备所对应的使用频度系数； 一第i 用电设备的电流； ( 2 - 4 ) 汽车电器设备在不同的季节和环境，有着不同的使用频度系数，在此用，风、，“ 分别表示汽车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。汽车电器 的使用频度系数，小风、，“可以通过长期的道路行驶统计获得，汽车用电设施的使用 频度系数见表2 - 1 。表2 - 1 也列出了整车电气系统常用电器设备的额定电流及使用频率系 数，并由此统计出整车用电量。 8 山东理丁大学硕卜学位论文第二章确定设计方案 表2 - 1 汽车用电设备的使用频度系数表 用电器名称电流使用频度夏季测试使加权电流 地肋 用频度 1 起动机 3 0 0 0o 0 2o 0 26 0 2 组合仪表 1 01 o1 0 1 0 3 转向灯 3 5 0 1 0 o 1 0o 3 5 4 制动灯 3 50 1 0o 1 0o 3 5 5 近光灯 9 2 1 o1 0 9 2 6 远光灯 1 0 00 4 54 5 7 前雾灯 9 20 4o 43 7o 43 7 8 后雾灯 1 80 30 3o 5 9 后倒车灯 3 5 o 1 0 5o 0 5 o 2 1 0 信号喇叭 8 o0 1 o 1 00 8 1 l 刮水器 3 oo 50 4 1 3 电动门窗 2 4 o o 0 s o 0 51 2 1 4 点烟器 8 oo 0 5o 0 50 0 4o 0 50 4 1 6 收音机 1 6o 9 5o 9 51o 9 51 6 1 7 其它 3 01 o1 o3 o 总计 3 3 2 的设计余量，医此设计输出功率为5 0 0 w 。 2 3 方案确定 本文在研究车辆电源系统匹配的基础上，根据发动机、变速箱结构特征及电磁学原 理，提出种新型的双电枢绕组、飞轮外转子式钕铁硼永磁起动发电集成装置设计方案。 起动发电集成装置设计出发点是取代传统独立安装的起动机和发电机。从尽可能简 单的机械结构设计原则上出发，可采用外部方式集成一个电机，电机经过传动带或齿轮 传动变速与动力传动系相连。不过，这种传动大大限制了可传送的功率，而且还必须考 虑机械传动时的其它损耗，一般只适用于传送较小的功率。所以本方案采取直接起动 发动机的方式。 起动发电集成装置具体实施方案为：根据汽车发动机及变速箱的构造特点，在不改 变发动机和变速箱尺寸的前提下，通过对起动发电集成装置结构创新设计，对飞轮进行 改造，采用离心式结构，内嵌钕铁硼磁钢，将发动机的飞轮、发电机的转子、起动机的 转子设计成体，构成起动发电集成装置的外转子，通过螺栓与发动机曲轴直接相连。 设计新型定子，将其固定在发动机机体上，开深浅不同的槽，槽内并联嵌套两套电枢绕 9 山东理t 人学顾l + 学位论文 第二章确定- 垃计方粜 l ! ! ! e g ! 自_ e ! i ! ! i ! ! ! ! i | 自_ l ! ! ! g | ! ! 目i e 目! ! e ! e 目目! ! s 目! ! e ! 目e 目! e e ! e s ! e ! ￥ 组，一套电枢绕组作为起动绕组、一套电枢绕组作为发电绕组，共用一组钕铁硼永磁磁 钢，相应的设计两个控制器，分别控制起动状态与发电状态。根据发动机、变速箱结构 特征和电磁学原理将发电机和起动机复合为一个统一的起动发电集成装置，采用无碳刷、 滑环结构设计方案。 该装置的具体安装结构如2 - 1 所示； b b 圈2 _ l 系统安装示意图 飞轮外转子和发动机的曲轴直接相连，它既是发动机的飞轮，又是起动发电集成装 震的外转子，扁平紧凑的结构设计，使得它可以直接安装在发动机和变速箱之间。这个 特点使起动发电集成装置具有较大的转动惯量，不但可以取代汽车现有的起动机和交流 发电机，还可以省去传统发动机飞轮和传动用的皮带轮及皮带等附件，与传统的各个部 件的组合相比，该集成装置不仅节约发动机舱的空间而且降低了整个系统的重量。其能 量可无接触传输，具有低磨损、免维护的特点，这对于汽车应用具有重要意义。 该起动发电集成装雹工作过程可分为两个阶段来考虑，第一个阶段，由起动控制器 控制蓄电池向起动电枢绕组通电供电，产生交变磁动势，吸引内嵌磁钢的飞轮外转子转 动，通过曲轴起动发动机，起动发电集成装置运行在起动状态。第二个阶段，当发动机 正常起动后，起动控制器控制电路断开，不再向起动绕组供电，发动机通过蓝轴带动飞 轮转动时，内嵌磁钢产生旋转磁场，发电电枢绕组切割磁力线，产生电动势，通过整流 稳压器输出稳定的直流电，整个装置一直工作在发电状态。起动控制器的主要的任务就 是在起动时，控制蓄电池给起动电枢绕组提供足够大的电流，产生足够的起动转矩从而 起动发动机，起动完成后切断起动电枢绕组的输入电流，退出起动运行状态，而后即转 入发电状态运行，由整流稳压器控制该集成装置产生稳定的直流电。 1 0 山东理t 大学硕i 学位论 第二审确定设计方案 该系统工作方案求意图如2 2 所示： 起动绕组 发电绕组 1 电机2 控制器3 整流稳压器 图2 - 2 起动发电集成装置系统工作方案示意图 本方案起动发电集成装置主要分为电机本体和起动控制系统、发电控制系统三大部 分。该装置的组成如2 - 3 所示： 匡 悼 一 匕 j 厂圃 一 一堑三l q 夏匦嘲 r i i 一一 h 旦堡童亟皇鎏 一 u _ j 功率开关换相电路 i + 一。 j 一一 ! 位置信号处理 图2 - 3 起动发电集成装置组成框图 1 1 山东理t 夫学硕f 二学位论文第一二章确定设计方案 2 4 设计方法 2 a 1 设计思路 本课题提出的起动发电集成装置，是一种新型的稀土永磁电机系统，没有相关的理 论与成熟的设计方法，该集成装置设计是依据现代永磁电机理论与设计方法。 该集成装置工作要求是：起动要求在短时间内完成，起动完成后，系统长期工作在 发电状态，因此该集成装置设计结构参数时首先应满足起动要求，兼顾考虑发电运行状态 时的性能。众所周知，永磁装置组装完成后1 ，气隙磁场调节困难，性能难以保障，解 决这一问题，不仅需要在集成装置设计过程中合理调整参数，重要的是制定合理的控制 策略，设计性能良好的控制器。起动控制电路的控制策略主要考虑的是控制集成装置给 发动机提供足够大的扭矩，发电控制电路的控制策略是控制集成装置提供足够的功率， 满足车辆电器的使用要求，尽可能降低固有电压调整率瞄j 。 总设计思路如下： 根据起动要求的转速、转矩、堵转数据确定额定功率及其电磁转矩，然后根据车 辆对电源功率的要求确定该装置发电功率。 根据该集成装置对磁极和磁路的要求，选定永磁材料的有关数据，如最大磁能积、 剩余磁感应强度、矫顽力。 根据最大转矩和有关数据确定机体、轴及其它零部件的尺寸与强度。 根据电磁学原理确定转子的磁极对数、定子电枢绕组的槽数、绕组类型、线径和 匝数。 根据控制策略设计控制电路与整流稳压电路。 2 4 2 软件设计计算 传统的电机设计是设计人员在耗费大量时间和精力进行多遍演算才能获得较准确的 结果。由于电机内在电磁关系复杂和电磁计算步骤繁杂，以及人工手算只能基于简化的、 经验或半经验性质的数学模型及计算公式，这样传统的设计方法不但设计精度不高、设 计面窄，而且没有将设计人员从繁重、单调的手算中解放出来，因此具体设计过程中， 采用我们课题组编写的永磁电机设计软件按照设计思路进行了计算机辅助设计。 该软件是基于现代永磁电机设计理论而开发的，利用v i s u a lc + + 编写，主要包括两 部分：一部分是电磁计算程序，另一部分是结构参数设计及校核设计。该软件输入和输 出的大量电机参数用文件的形式保存，人机对话，大大降低设计人员的劳动强度，节省 了时间和精力，可让设计人员将更多的注意力用在方案设想与改进上。该软件不仅可对 集成装置的重要参数：定子参数、转子参数、磁路结构、气隙磁密、绕组形式进行设计， 还包含常用的漆包铜线规格，国内外常用硅钢片磁化曲线，以数据库形式保存，打印方 山东理t 大学硕卜学位论文第二章确定设计方案 便，并可以根据用户需要随时增添各种新颖材料，设计非常顺手。 计算过程的界面描述：可以用直接输入数据的方式来计算定子内外径尺寸、轴向长 度计算、定子齿宽、额部高度、冲片槽型尺寸，永磁材料体积，转子的相关参数等。 输入已知的电机的结构尺寸和电磁参数，电机参数，可以显示出起动特性曲线和发 电状态下的电压变化。 其它参数设计界面不再赘述，由于本课题起动发电集成装置，是一种新型的稀土永 磁电机系统，没有相关的理论与成熟的设计方法，参数选择在设计初期是不断调整、校 核与验算，选取合理数据。 因此采用设计软件进行参数的初步选取，在调整参数的过程中可以增强对起动发电 集成装置的感性与理性认识，用软件设汁替代手工计算不仅能够方便快捷的寻找最优参 数，而且减轻了设计人员的计算量。 山东理t 人学硕卜学位论文 第一二章确定设许方集 2 5 转子设计 2 5 1 转子结构效果图 转子结构效果图如图2 - 4 所示： 图争4 转子结构效果图 本设计将飞轮改造成外转子，钕铁硼永磁材料按照n 极、s 极间隔排列粘贴在飞轮 的内侧形成径向磁路结构，两套电枢绕组共用一组磁钢。飞轮外转子的作用：起动电枢 绕组通电，产生交变磁场，吸引磁钢旋转，带动曲轴起动发动机；发电状态是发动机曲 轴带动外转子旋转，产生旋转磁场，切割定子中发电电枢绕组产生电动势。此结构优点 是有充裕的安装磁钢的空间，适合磁极对数多，定子槽数少的低速大转矩起动状态，且 使起动发电集成装置不仅省去传统发动机飞轮、传动用的皮带轮和皮带，而且具有较大 的转动惯量。在该转子结构中永磁体的磁化方向与气隙磁通的轴线一致，且离轴线较近， 漏磁系数较切向结构小。在一对极的磁路中有两个永磁体提供磁动势，永磁材料利用率 高，抵御电枢反应能力强，其制造工艺简单，加工工艺性能好。为在尽可能小的转子直 径内放置尽可能大的永磁体，以提高气隙磁密，同时考虑到永磁的矫顽力高，磁化方向 长度可以减小，采用瓦片形永磁体。 转子磁钢在实际中设计中会遇到以下几个问题【刎：由于装置工作温度可达1 6 0 c ， 这就需要永磁材料具有耐高温的能力，要保证在这样的工作环境下不退磁。永磁材料 的特性对电机性能的影响及体积的影响。 2 5 2 永磁材料参数特性 永磁材料参数特性主要由以下三个参数来表达汹1 ： 剩余磁感应强度罡 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 1 4 山东理t 犬学硕f j 学位论文第二二荤确定改计方案 具有的磁感应强度值口，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。 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。 磁能积协训和最大磁能积日) 。 退磁曲线上任一点处口和厅值的乘积佃日) ，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b ，、矫顽力日。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) 。 2 5 3 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。 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。但是铝镍钴永磁硬而脆，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，铝镍钴 永磁在电机中的应用逐步被取代，因此本课题只对铁氧体永磁和稀土永磁材料的应用进 行分析。稀土永磁材料包括稀土钴永磁与稀土钕铁硼永磁。 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； 制造工艺简单；矫顽力较大，日为1 2 8 3 2 0 k a m ，抗去磁能力较强；密度小，只有 4 5 2 9 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。 稀土钴永磁的摄大磁能积已达到2 5 8 6 k j m 3 剩余磁感应强度b 一般高达0 8 5 1 1 5 t ，接近铝镍钻永磁水平；磁感应矫顽力日，可达4 8 0 8 0 0 k a i m ，大约为铁氧体 永磁的3 倍。退磁曲线基本上是一条直线，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 0 c 8 8 0 0 c 。因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 t ，磁感应矫顽力h 。可达9 9 2 k a m ，最大磁能积 归。圩) 。高达3 9 7 9 k j m 3 ，是目前磁性能最高的永磁材料。本身不含战略物资钴，因 此相对铝镍钴价格便宜闭。 山东理t 大学顾l 学位论文 第一二章确定设计方案 2 5 4 永磁材料的选择原则 首先保证在起动发电装置的气隙中有足够大的气隙磁场和规定的性能指标，才能提 供足够大的起动转矩和发电功率，为此应选剩磁密度b r 大、最大磁能积日) 。大的 永磁材料，这不仅会增大永磁体磁化方向长度，使工作点提高，削弱电枢反应的影响， 而且在获得相同磁场能量的条件下，最大磁能积越大，所用永磁材料越越省，还可以有 效地减少每相串联匝数。其次在规定的环境条件、工作温度和使用条件下保证磁性能稳 定。最大电负荷时，起动发电集成装置的电枢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日。否则经过一段时间运转，逐渐会使磁钢失磁或去磁，为保 证磁性能稳定性，一要求有很高的矫顽力日，。在装鬣设计中，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。 矫顽力大、恢复磁导率小的永磁材料抗外磁干扰的能力很强，所以能适应车辆复杂的动 态工作环境。 通过对铁氧体和稀土永磁材料对起动特性与发电特性影响的分析，综合考虑车辆的 使用环境，永磁起动发电集成装置对永磁材料的磁性能要求是具有“三高”的磁特性， 即剩磁感应强度占，高，矫顽力日。高，最大磁能积陋h ) 帆，高，而钕铁硼永磁材料正具 备这些优异的性能，因而转子磁钢最终选用钕铁硼永磁材料，型号为n t p 3 0 h 。 2 5 5 装配关系 图2 _ 5 外转子与发动机曲轴连接图 飞轮式外转予和发动机的曲轴可用螺栓直接连接在一起，装配示意图如2 - 5 所示。 山东理t 大学硕卜学位论文第一二章确定设汁方案 起动时由外转子带动曲轴旋转，从而起动发动机，而后发动机通过曲轴带动飞轮旋转， 进入发电状态。曲轴连接设计方案，其能量不仅可无接触传输，还具有低磨损、免维护 的特点。因为承受较大的转动惯量，设计时应充分考虑其连接强度。 2 6 定子设计 起动发电集成装置对起动电枢绕组要求是它能通过一定的电流，产生足够的磁势， 以得到足够的转矩，能够承受高达3 0 0 a 瞬时电流：对发电电枢绕组要求，则是切割磁 力线，源源不断地产生几十安培的电流，两者需采用不同绝缘等级的铜线与绕组形式， 因此本课题提出了双电枢绕组方案。 双电枢绕组设计方案采用两套绕组、一套电枢绕组用于发电、一套电枢绕组用于起 动，起动电枢绕组与发电电枢绕组相对独立，并联嵌套在不同深度的定子槽内。当电源 接通后，电流流入起动绕组产生磁势，并与转子永磁磁场相互作用而产生电磁转矩，起 动发动机，然后切断电源，发电绕组开始发电。使得整流电路及其控制电路相对简单， 容易解决控制起动扭矩大与发电稳压难的问题，控制效果好。显然，电枢绕组在实现能 量转换过程中起着极重要的作用。设计的难点就是起动电枢绕组与发电电