（电机与电器专业论文）汽车用爪极发电机建模及优化技术研究.pdf

试验台，本文对优化前后的爪极发电机样机进行了实验验证，同时与基于三维等效磁网络方法的优化前后爪极发电机计算效率进行了比较，通过额定转速下的优化前后发电机样机的效率比较验证了优化结果的合理性、有效性关键词：爪极发电机，三维有限元，实验设计，支持向量机，粒子群，混沌a b s t r a c to n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o g r e s s e si nm o d c t na u t o m o t i v ee q u i p m e n ti st h ew i d e 嘴o fa l t e r n a t o rf o ra u t o m o b i l ea p p l i c a t i o n , h o w e v e r , f i l ea l t e r n a t o ru s e da tp t = e n ti si n e f f i c i e n t ；t h ea c t u a le f f i c i e n c yi so n l y5 0p e r c e n tw h e nat y p i c a l1 , u m t e i lc l a w - p o l ea l t e r n a t o ri su s e d a n a l y z e da n dc a l c u l a t e d 埘t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l ( 3 df e m ) , i t 啪。叫t d u d e dm a tt h es l e a k a g eo ft h ec l a w - p o l ea l t e r n a t o ri st h em a i nc a s eo fi n e f f i c i e n c y h o wt oo p t i m i z es t r u c t u r ep a r a m e t e r sf b rm i n i m i z i n gl e a k a g eo f t h ec l a w - p o l ea l t e r n a t o ri st h eb a s i cs p f i i i g b r do f t h i sp a p c f o p t i m i z i n g 捌n k 撕p a r m l c t e r so ft h ec l a w - p o l ea l t e r n a t o rn e e d sl a r g e - s c a l ei t e r a t i v ec a l c u l a t i o n , s on o n p a r a m e u i cm o d e l i n gi si n t r o d u c e dt od e b a s ec a l c u l a t i o nc o s t t h ep u r p o s eo fm i n i m i 。z i n gl e a k a g ei sg a i n e db yo p t i m i z i n gt h em a i ns u u c m r ep a r a m e t e r so ft h ec l a w - p o l ea l t e m a t o ro i lt h eb a s eo f t h eh i g he f f i c i e n c ya n da a c tn o n p a m m e t r i cm o d e l m o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o no fs t r u c t u r ep a r a m e t e r sf o rt h ec o n v e n t i o n a lc l a w - p o l ea l t e r n a t o ra n dt h eh y b r i de x c i t a t i o nc l a w - p o l ea l t e m a t o ra 地s t u d i e d t h em a i nr e s e a r c hw o r ki nm i sp a p e ri n c l u d e s ：1 o n t h e b a s e o f f u l l y u n d e r s t a n d i n g t h ee l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c o f t h ec l a w - p o l e , b a s e p r i n c i p l eo ft h ec l a w - p o l ea l t e r n a t o ri sa n a l y z e db yt w or e a c t i o nm a c h i n et h e o r y t h ec l a w - p o l er o t o ri st h em a i nd i f f e r e n c ec o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a ls y n c h r o n o u sa l t e r n a t o r , a n dh o wt o 虮l l ya n a l y z ea n dc a l c u l a t ei t sd e s i g nd a t u mi st h eg r o u n d w o r k , a n dt h e nd i r e c td e s i g ni su s e df o rc l a w - p o l ea l t e r n a t o r p a r a m e t e ra n a l y s i si st od e d u c et h ei m m a n e n tr e l a t i o nb c t w e e l lt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dt h ep e r f o r m a n c e ，a n di ti st h eb a s eo f p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n , s op a r a m e t e ra n a l y s i sf o rm a i ns t r u c t u r e sa r ei m p l e m e n t e d 2 t h ee l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e ro ft h ec o n v e n t i o n a lc l a w - p o l ea l t e r n a t o ra n dt h eh y 晡de x c i t a t i o nc l a w - p o l ea l t e r n a t o ra r ee n a l y z 尉a n dc a l c u l a t e db yt h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l t h er a t i o n a l i t yo ft h e3 df e mi se f f e c t i v e l ys h o wb yt h ea c c o r d a n tr e s u l t so nt h e o r e t i cc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t , w h e nt h ec o n v e n t i o n a lc l a w - p o l ea l t e r n a t o ra l l dh 姗de x c i t a t i o nc l a w - p o l ea l t e r n a t o ra 地o nl o a d i no r d e rt os e t t l et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h et i m e so ft h e o r e t i ce x p e d m e n ta n dt h et i m e so fp r a c t i c a le x p e r i m e n tf o rm o d e l i n g , t h eo r l h o g o n a le x p e d r a e n t a ld e s i g ni si n t r o d u c e dt og a i nt h es a m p l ed a t af o rm o d e l i n g f u r t h e r m o r e ，t h er a t i o n a l i t yo ft h es e l e c t e dp a r a m e t e r si sv e r i f i e db ys t a t i s t i c st h e o r y 3 t h en e c e s s i t ya n dp o s s i b i l i t yo ft h en o n p a r e m e t d cm o d e l i n gi sa n a l y z e d al a r g e - s c a l ei t e m t i v ec a l c u l a t i o ni sn e e d e df o ro p t i m i z i n gt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h ec l a w - p o l ea l t e r n a t o r t h e r e f o r e ，am o r ee f f i c i e n tm o d e li sw a n t e dt oi m p r o v et h ec a l c u l a t i o ne f f i c i e n c y a c c o r d i n gt ot h el i m i t a t i o n so fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a s s ) a n da d a p t i v en e t w o r kb a s e df u z z yi n f e r e n c es y s t e m( a n f i s ) ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) i si n t r o d u c e di nt h en o n p a r a m e t r i cm o d e l i n go fc l a w - p o l ea l t e r n a t o r , a n di tp r o v i d e sah i g he f f i c i e n c yc a l c u l a t i o nm e a n sf o ro p t i m i z i n gt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so f t h ec l a w - p o l ea l t e r n a t o r a n dt h e n , n o n p a r a m e t r i ct e s t i n gi sa c c o m p l i s h e df o rt i l es v i v lm o d e l 4 o p t i m i z a t i o no ns t r u c l u r ep a r a m e t e r so ft h ec l a w - p o l ea h 朗m 咖ri sac o m p l i c a t e dm u l t i - o b j e c t ；m u l t i - t e s h - i e t i o n ；n o n - l i n e r ；m i x e dm u l t i d i m e n s i o n a ls p a c ep r o b l e m , h i g he f f i c i e n c ya n dd e p e n d a b l eo p t i m a la l g o d t h mi sc m e i a l p a r t i c l e $ w s 口mo p t i m i z a t i o n ( p s o ) a n dc h a o s 嗽i n t r o d u c e dt oo p t i m i z et h es t r u c t u r ep a r m n e t e r so ft h ec l a w - p o l ea h e n l 咖r ：o b j e c t i v ef u n c t i o np r o v i d e db ys v mm o d e ld u r i n gt h eo p t i m i z a t i o n i l 嘲t h ea i mo f m i n i m i z i n gl e a k a g ei sg a i n e d 5 o nt h eb a s eo fe f f i c i e n c yh e i g h t 部l e di nt h e o r y , o p t i m i z a t i o nr e s u l 伍a 聆v a l i d a t e db ym e a s u r i n gp r o t o t y p eu s i n gh o m e m a d et e s t i n gp l a t f o r ma tr a t e ds p e c d ，a n dt h e y 珊c o m p a r e dw i t ht h ec a l c u l a t i o ne f f i c i e n c yb a s e do nt h r e e - d i m e n s i o n a lm a g n e t i ce q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l k e y w o r d s ：c l a w - p o l ea l t e r n a t o r , 3 df e m ，e x p e r i m e n t a ld e s i g n , s v m ，p s o c h a o s插图清单图1 1 交流发电机与直流发电机的功率输出比较曲线2图2 1 爪极发电机鸟嘴形爪极1 9图2 - 2j f 型交流发电机的结构1 9图2 - 3 三相交流爪极发电机展开图1 9图2 - 4 穿过爪极任意截面的磁通2 l图2 - 5 爪极转子主磁通磁回路2 2图2 6 爪极发电机的整流原理2 3图2 7 爪极发电机相量图2 4图2 - 8 爪极转子主要设计数据2 6图2 - 9 爪极发电机等值磁路图2 7图2 1 0 功率因致与功率角的关系曲线2 8图2 - l l 效率与功率角的关系曲线一2 8图2 1 2 功率因数角与功率角的关系曲线2 8图2 1 3 气隙磁场波形2 8图2 1 4 定子铁心长度、转子外径对效率的影响2 9图2 1 5 定子铁心长度、极尖极弧宽度对效率的影响2 9图2 1 6 定子铁心长度、极尖厚度对效率的影响2 9图2 一1 7 定子铁心长度、磁极长度对效率的影响2 9图2 一1 8 转子外径、极尖极弧宽度对效率的影响2 9图2 1 9 转子外径、极尖厚度对效率的影响2 9图2 - 2 0 转子外径、磁极长度对效率的影响。3 0图2 - 2 1 极尖极弧宽度、极尖厚度对效率的影响3 0图2 2 2 极尖极弧宽度、磁极长度对效率的影响3 0图2 2 3 极尖厚度，磁极长度对效率的影响3 0图3 1 一个爪极的模型3 7图3 - 2 整个转子的模型3 7图3 - 3 定子模型3 7图3 - 4 定转予模型3 7图3 5 定子磁场分布图3 8图3 6 转子爪极与磁轭的磁场分布图3 8图3 - 7 定转子气隙中的磁场分布图3 8图3 - 8 转子磁轭磁场分布图3 8图3 - 9 爪极电机内的磁场分布图3 8图3 1 0 爪极面放置永磁体4 0图3 1 l 爪极问放置永磁体。4 0图3 - 1 2 永磁体内的磁场分布4 l图3 - 1 3 气隙中的磁场分布4 l图3 1 4 电励磁发电机负载特性4 l图3 1 5 混合励磁发电机负载特性。4 l图3 1 6 爪极转子漏磁通分布情况4 2图3 - 1 7 爪极发电机整体模型的十二分之一4 3图4 1 具有单隐层的b p 神经网络5 6图4 2 神经网络模型训练过程中的误差5 6图4 0 神经网络模型性能检验5 7图4 _ 4 典型a n f i s 系统结构示例5 8图4 - 5a n f i s 非参数模型性能检验5 9图4 - 6 经过训练得到的隶属度函数和训练误差6 0图4 - 7 最优分类面示意图6 4图4 - 8 从输入空间映射到特征空间示意图6 6图4 - 9s v m 回归示意图6 9图4 一l o 支持向量回归7 1图4 - ils v m 模型性能检验7 1图4 - 1 2s v m 模型和f e m 模型输出比较7 2图5 - l 粒子在解空问中的移动方式。图5 - 2l o g i s t i c 映射倍周期走向混沌图8 3图5 3 基于p s o 和s v m 的爪极发电机优化设计流程图8 7图5 - 4 基于c h a o s 和s 订的爪极发电机优化设计流程图一8 8图5 - 5 发电机功率流程图9 l图5 - 6 汽车交流发电机效率测量原理框图9 l图5 7 汽车交流发电机效率测量装置9 2图5 8 电励磁汽车发电机样机9 3图5 - 9 混合励磁汽车发电机样机9 3图5 - 1 0 汽车发电机效率测试台9 3表格清单表3 1 电励磁爪极发电机结构参数水平表“表3 - 2 电励磁爪极发电机正交实验表及计算结果。4 4表3 - 3 电励磁爪极发电机趋势分析表i 4 5表3 4 电励磁爪极发电机趋势分析表4 5表3 - 5 电励磁爪极发电机趋势分析表4 5表3 - 6 电励磁爪极发电机趋势分析表4 5表3 7 电励磁爪极发电机趋势分析表v 4 6表3 8 电励磁爪极发电机极差分析表4 6表3 - 9 电励磁爪极发电机方差分析表5 0表3 1 0 混合励磁爪极发电机结构参数水平表5 1表3 1 l 混合励磁爪极发电机正交实验表及计算结果5 1表3 1 2 混合励磁爪极发电机极差分析表5 2表4 - 1s v m 模型和f e m 模型计算效率比较7 2表4 2 待验证的数据7 3表4 3 符号平均秩检验7 3表4 - 4 符号检验。7 4袁4 5 统计检验a 。7 4表4 - 6 统计检验b 7 4表5 1 电励磁爪极发电机各种优化结果比较8 9表5 2 混合励磁爪极发电机各种优化结果比较9 0表5 3 实测效率比较表9 3独创性声明本人声明所星交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得佥g b 王些太堂或其他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谢意。黜姗躲研一叫 棚学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解佥蟹王些太堂有关保留，使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒目! 王些鑫堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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适用本授权书)学位论文作者签名：签字日期：刀年7 月7 9 日学位论文作者毕业去向工作单位：通讯地址：摊名1 ；!签字日期：。夕年夕月。7 。日i电话：邮编：致谢在我的博士研究生学习和课题研究期间，自始至终都得到了导师王群京教授无微不至的关怀和悉心的指导在课程的学习、论文选题，论文创新、论文实施以及论文定稿等诸多方面，王老师都倾注了大量心血，在实验研究工作中他给予了悉心指导，正是他的全方位支持和所创造的宽松宜人的研究环境，才使我的论文得以顺利完成王群京教授作为一名科技工作者所具备的崇高的道德品质、严谨求实的学术作风和无私的奉献精神，这些都将是我追求的目标。在此谨向导师王群京教授表示诚挚的敬意和深深的谢意l感谢电气与自动化工程学院丁明院长，张崇巍教授，感谢电气工程系杜少武教授、自动化系肖本贤教授，感谢李忠杰教授、张敬华副教授等老师给予的指导，感谢电机实验室的张学老师在实验工作中给予的指导和帮助感谢倪有源博士、朱卫国博士在课题和试验上的大力支持。感谢中国科学技术大学赵吉文博士后和浙江大学年珩博士后在论文的完成过程中的有益讨论。在与他们的讨论中，我受益匪浅。回顾几年的博士论文研究历程，作者还要感谢电机控制研究室的全体同仁，他们是：马飞，吴立建、赵涛、姜卫东，陈军、李争、陈权、夏鲲等人，由于他们的刻苦努力与合作，方使课题进展顺利。感谢北京佩特来电器有限公司吴工程师的有益讨论和技术交流，感谢在本课题进行中参与的几位同学，他们是钱拮、仲凯华、王红涛等。最后，感谢我的妻子苏馈足对我的全力支持。本课题来源于国家自然科学基金项目具有永磁励磁的混合式爪极发电机的设计理论与实验研究( 5 0 0 7 7 0 0 5 ) ，在此表示致谢!作者：鲍晓华2 0 0 7 年3 月第一章绪论1 1 研究背景和选题的意义第一章绪论1 1 i 汽车发电机的现状及其发展汽车发电机是用来对蓄电池进行充电和供给汽车上各种用电设备所需电能的汽车电器设备，它输出的必须是直流电i f “3 1 ( i ) 长期以来，汽车上采用的发电机是换向式直流发电机在这种发电机中，电枢( 转子) 绕组内感应的交变电流靠整流子通过炭刷换向改变为直流电流在换向过程中，炭刷与整流子之间不免产生火花，这种火花引起炭刷与整流子的磨损和烧蚀。随着发电机转速的提高，火花愈来愈大，炭刷与整流子的磨损也就更为严重。这是直流发电机在结构上存在的主要缺点( 2 ) 随着现代汽车的发展，汽车用电设备的数量不断增加，要求增大汽车发电机的输出功率；同时为了保证发动机有良好的起动性能及提高蓄电池的使用寿命必须使蓄电池经常保持在充满电的状态，这就要求汽车在低速行驶时发电机也能对蓄电池进行充电。对于城市的公共汽车这种要求尤为迫切，因为城市的公共汽车低速行驶的时间较多，起动次数频繁，蓄电池放电量较大直流发电机要提高输出功率并在汽车低速行驶时也能对蓄电池进行充电的话，就必须增大发电机的体积和重量，这样使原材料消耗增加，制造成本提高，弗且造成在发动机上安装困难，拆装维修也不方便另一方面现代汽车发动机的转速变化范围很大，如果在发动机低速时，发电机满足了充电的要求，而在发动机高速时，发电机的转速便会很高，以致换向困难，炭刷与整流子之间的火花很大，甚至发电机不能正常工作。因此。传统的直流发电机不能适应现代高速发动机的要求。( 3 ) 从维修的角度来看，直流发电机由于炭刷与整流子容易磨损，所以保养周期较短，一般使用一万公里左右就要进行保养和修理。综上所述，传统的直流发电机不能满足现代汽车发展的需要。因此，在汽车上开始采用交流发电机。汽车上采用的交流发电机是三相同步发电机1 0 1 。由其定子绕组感应的交变电流，通过半导体整流器改变为直流电。有的国家在五十年代已开始把半导体整流的交流发电机应用到汽车上，当时采用的主要是硒整流元件。由于硒整流元件耐电压低、耐热性能差，并且体积较大。所以，用硒整流器的交流发电机没有得到广泛的应用随着电力电子技术的发展，出现2台肥工业大学博士学位论文了半导体硅元件。用硅元件作整流器比硒元件有很多优点，它可以做得体积小、功率大、耐电压高、工作可靠，并且硅元件可以装到发电机内部。从六十年代初起，汽车交流发电机已普遍采用硅元件作整流器，因而得到了广泛的推广应用。由于这种发电机是用硅元件作整流的，故也有把这种发电机称为硅整流发电机汽车上使用的交流发电机与直流发电机相比，有许多优点：1 体积小，重量轻，结构简单，维修方便使用寿命长；2 在汽车低速行驶时，充电性能好；3 由于交流发电机的结构与直流发电机完全不同它的比功率( 即发电机每单位重量的功率数) 大，可以节省大量金属材料与制造的加工工时，尤其是铜材的节约最为显著；4 由于炭刷与整流子之间有火花，直流发电机对周围的各种无线电接收机产生干扰杂音，影响无线电的接收效果而交流发电机工作时没有整流火花，虽然在三相全波整流时还存在着很小的脉动电压，但杂音的干扰比直流发电机要小得多；5 采用交流发电机后，相匹配的调节器的结构要简单；6 在同一类型的汽车上，采用交流发电机的输出功率比原采用直流发电机的输出功率要大，且交流发电机还有较大的储备功率【i i 交流发电机与直流发电机的功率输出比较曲线如图1 1 所示。输出电流i ( a )发动机转速图i - 1 交流发电机与直流发电机的功率输出比较曲线为了使交流发电机能在周围环境温度恶劣的条件下使用，有把交流发电机做成无炭刷的，就是发电机内没有炭刷和滑环，这就大大减少了发电机在运行中的故障。无刷的交流发电机一般有三种结构形式：一种是感应子式。它的转子没有绕组，而是由若干个沿圆周均匀分布的齿形的凸极，激磁绕组有的固定在端盖上，有的固定在定子。当皮带轮带动轴旋转时，放在定子内的绕组就感应产生交流电动势。一种是附加气隙式。它的激磁绕组通过一个磁轭托架固定在后端盖上，把一个爪极通过非导磁材料固定在另一个爪极上，后一个爪极固定在发电机轴上当皮带轮带动轴旋转时，一个爪极就带动另一个爪极一起在定子内转动。激磁绕第一章绪论3组仍在爪极内，由于激磁绕组通过其托架固定在后端盖上不旋转，这就便磁轭托架与爪极之问产生了两个附加气隙还有一种是永磁式感应子式的无刷交流发电机由于比功率( 单位重量的功率数) 太低，发电机的空载及负载转速太高仅在一小部分拖拉机上采用；有附加气隙的交流发电机，由于两个爪极之问连接的制造工艺较困难，仅在特殊使用条件下采用；由于永磁体的磁场不可调节，只能调节电枢输出，而电枢输出功率大。而且由于励磁功率远小于电抠功率，采用永磁节能效果并不明显，另外会因振动、热等原因导致永磁体去磁、失磁，致使发电不足、不发电，所以永磁发电机一调节器的总成本高，并且可靠性差所以无刷交流发电机在汽车上尚未全面推广使用州交流发电机的应用，是汽车电器的很大突破。近几年来，随着汽车拥有量的不断增大，对汽车发电机提出了许多新的、特殊的要求。在交通拥挤的大城市，车辆开不快，尤其是在公交线路上。站与站之间距离不长车速不高，发电机输出电压和输出功率达不到额定值，这样，发电机既不能为蓄电池补充充电，也无能力向点火系统和其它用电设备供电，整个汽车所需要的电能只能由蓄电池来提供，造成了要频繁更换蓄电池，增加充电次数，缩短了蓄电池的使用寿命，而且往往在汽车行驶途中，因为蓄电池的电力不足，造成汽车抛锚，带来了许多麻烦。除此之外，随着人们对汽车使用性能的日益关注，特别是对汽车的舒适性、安全性，燃油经济性及环境保护等要求越来越高，现代新颖的汽车，其附属的设备越来越齐备，从全套空调、暖风系统到闭路彩电、放像、双通道立体声音像系统以及新式冷藏、热藏两用箱，各种电子仪表的应用，使汽车需要电量大大的增加，而目前使用的交流发电机功率不够大，常常处于过载运行，使发电机过热，影响其寿命，为了克服这个缺点可以采用功率高的发电机，但是由于汽车内部结构非常紧凑，留给发电机的安装空间已经很小了，基于上述原因，如何在不减少功率的基础上缩小其体积或者在原有的机座号上研制一种高效率的新型发电机显得越来越必要了汽车交流发电机采用永磁电机目前还没有形成产业，因为汽车发电机的永磁化比较困难，这正是汽车电机行业拭目以待的。同时汽车发电机在正常工作时，实际上是变频、变速、变负载工况，为了满足发电机输出电压恒定，寻求一种带永磁结构发电机理想的调节方法，也是国内外关注的研究课题。本文研究的混合励磁发电机，采用了永磁和电励磁相结合的励磁方式。采用混合励磁后，可以解决永磁发电机磁通不可调的缺点，通过电励磁的调节，以实现发电机在转速及负载变化范围内，满足输出恒定电压的技术要求。这种方法在国外略有应用，在我国尚属新开发项目，是很有发展前途的一种发电机类型。混合励磁技术移植到汽车发电机上。能够满足转速和负载在宽广的范围内变化。还能保证输出电压恒定同时能提高输出效率。对该种电机的研究具有很重要的理论价值和应用价值。1 1 2 国内外对汽车交流发电机的研究现状汽车上使用的交流发电机主要是指爪极发电机。汽车用爪极发电机的技术研究经历了一4合肥工业大学博士学位论文个不断探索的发展之路，逐步形成了比较系统的研究体系这里仅列出一些比较典型的研究情况：( 1 ) k l z e i s l e r 和j r b r a a e r 于1 9 8 5 年用三维有限元方法建立了汽车发电机模型。计算了其磁场和电性能1 6 1 。所分析的发电机是汽车用爪极发电机经过三维有限元计算，得到的定子电压值与实测值吻合。( 2 ) 华中科技大学和美国t e x a s 加速器中心合作于1 9 9 0 年用双标量磁位及混合单元计算了爪极发电机三维电磁场川。计算获得的结果和电磁场理论分析结果一致。( 3 ) 比利时l e u v e n 大学和c h a r l a r o i 大学于1 9 9 0 年用：维方法计算了汽车用爪极发电机的性能嗍计算结果用实验加以验证，二者吻合验证了计算结果的准确性( 4 ) 美国m a c n e a | - s c h w e n d | e r 公司于1 9 9 0 年用混合二维有限元和三维有限元方法计算了爪极发电机电磁场 9 1 。研究者们分别进行了不饱和磁场计算和饱和磁场计算。( 5 ) 法国m h e c q u e t 等人于1 9 9 8 年用电磁耦合网络模型对爪极发电机进行了动态建模和仿真i l 川。仿真结果与实验结果二者吻合表明这种方法的有效性。( 6 ) 克罗地亚z a g r e b 大学于1 9 9 9 年用三维等效磁网络方法建立了普通电励磁爪极发电机模型【l ”。研究者们分别计算了没有二极管整流和有二极管整流两种情况下的定子电流。并用实验结果加以验证。( 7 ) 美i 萤m i s s o u r i r o l l a 大学于2 0 0 2 年建立了一台三相爪极发电机耦合电路模型【1 2 1 。实验结果和仿真结果的一致验证了系统稳态模型和瞬态模型的正确性。( 8 ) 合肥工业大学于2 0 0 0 年采用等效磁网络方法f 1 3 1 4 1 ，对爪极进行了分段建模整体迭代建立了爪极发电机较为精确的等效磁网络模型。提出了三维场磁网络模型的求解方法，基于等效磁网络法分析了爪极发电机的气隙磁场分布情况并用于爪极发电机的电磁计算之中。实验结果表明，采用磁网络模型分析特殊结构的电机较其它方法具有优越性，提高了计算速度，精度较高，适合于工程应用。( 9 ) 合肥工业大学于2 0 0 2 2 0 0 6 年问，对爪极发电机的电磁性能进行了大量的研究工作i 蚓，其理论和试验研究为电励磁爪极发电机和混合励磁爪极发电机的优化设计提供了重要参考价值。( 1 0 ) 湖南师范大学于2 0 0 4 年建立了爪极发电机有限元磁场模型，分析和计算了一台w z f 型、三对极的爪极发电机漏磁【“，分析了各几何参数对电机漏磁的影响，从而为改进和优化爪极发电机的工程设计提供了一定的参考价值。爪极发电机经历了漫长的发展过程，在其理论研究和技术刨新等方面都得到了很大的进步，这些对促进汽车爪极发电机性能的提高产生了巨大的影响。在爪极发电机理论研究方面，由于作为汽车用三相同步发电机的基本作用原理与普通的三相交流发电机相同因此研究普通三相交流发电机的一些理论和方法可以用作研究爪极发电机的参考。但是由于爪极发电机的特殊结构，爪极发电机的磁场具有明显的三维特性，使第一章绪论5得其理论研究也具有特殊性因此，开展爪极发电机理论研究，探索适用于爪极发电机的理论分析和计算方法具有实际意义在爪极发电机的应用研究方面，由于爪极发电机制造简单，成本低，可广泛应用于各种场合目前的汽车用爪极发电机的输出电压是1 2 v 或者是2 4 v 而未来汽车用爪极发电机的输出电压是4 2 v 相应的爪极发电机以及控制系统还有元器件的变更将会带来更多的研究课题。传统的汽车用爪极发电机系统中是采用二极管整流桥对输出的三相电压进行整流，缺点是效率低并且不可控，目前在国际上已经出现了最新型的汽车用爪极发电机控制系统。为进一步改进汽车用爪极发电机性能和实用条件提供了保障h 本文对汽车用爪极发电机控制问题没有具体阐述。重点是在其理论研究上。1 1 3 开展对爪极发电机研究的意义发电机是汽车的主要电源，其功用是在发动机正常运转时，向所有用电设备( 启动机除外) 供电，同时给蓄电池充电由交流发电机的工作原理知道，当转子旋转时，旋转的磁场使固定的电枢绕组切割磁力线( 电枢绕组中通过的磁通量发生变化) 而产生电动势。定子三相绕组感应电动势的大小为：e a = e 。s i n w t = 4 2 e f m w t= 酗n ( w t 一詈力= 压- e ，s i n ( w t 一詈力( 1 - t )e 。= e 。s i n ( w t + 了2 万) = 皿s 蚴+ j 2 石)式中，既为每相电动势的最大值，e 为每相电动势的有效值并且有：b = 鲁4 4 4 k f # = 4 4 4 后嚣m ( 伏) ( 1 - 2 )式中k 为绕组系数，n 为每极每相匝数p 为磁极对数，f 为交流电动势频率，为每极磁通。分析式( 1 - 2 ) 可以看出，交流发电机能够产生多大的感应电动势( 电流) 则主要取决于以下几点：( 1 ) 磁场的强度。磁场越强，磁力线就越多越密集既然可以用多条磁力线“切割”导线，那同样也可用多根导线同时来切割磁场，一个典型的交流发电机，定子三相绕组互成1 2 0 0 间隔开来，将导线制成多匝线圈就会增大感应电势及总电流。( 2 ) 磁体的数量一个典型的l u n d e l l 爪极式转子，一个线圈两旁各有6 或7 个磁极，转子共有1 2 或1 4 对南北磁极，而每一个磁极均代表着又一个磁体，所产生的磁通将对定子6台肥工业大学博士学位论文绕组进行“切割”。这样有利于增大感应电势。( 3 ) 导线切割磁力线的速度进行“切割”的时候。磁力线或导线运动得越快，输出的电势就越高。因此如果使交流发电机以两至三倍于发动机转速的速度旋转，这样做可以确保在发动机空转时交流发电机也能保持良好的性能。为了获得最大的输出，在现代汽车交流发电机制造上已经充分地考虑到这几点然而事实上。由于受到许多实际因素的影响，交流发电机的最大输出功率被限制在一定的数值。磁极运转越快，产生的感应电流就越大l 与此相反的一面，发动机空转或汽车低速行驶时。发电机的输出最低，事实上，这恰恰是对电流有最大需求的时候现在的汽车用交流发电机设计都存在着效率不很高的问题，一个典型l u n d e l l 爪极式转子交流发电机效率只有大约5 0 0 0 。这意味着要使得交流发电机达到额定输出功率，就要用大约两倍的功率来驱动它。损耗的功率就会转化成熟量积聚在发电机里，加上发动机舱温度原本就很高，所以一定要将热量散发掉由此又引发出解决散热的问题前面已经提到，如何在不减少功率的基础上缩小其体积或者在原有的体积下增大发电机的输出功率成为汽车发电机的一个重要研究方向。那么，怎样使交流发电机效率更高、输出功率更大、产生热量更少；另外尤为重要的是，怎么来保证在发电机转速相对较低时，输出越大越好。这些问题一直都是汽车发电机生产厂家、广大汽车电机研究机构一直探讨寻求解决的问题。通过对现代普遍使用的汽车用爪极式交流发电机的分析可以看出，交流发电机采用爪极式转子而导致严重的漏磁现象是交流发电机效率低的重要原因。有刷交流发电机的爪极转子是发电机产生激磁场的部件，它由一根轴，两块爪极，激磁绕组和滑环等组成。在两块爪极的空腔内装有磁轭，其上套有激磁绕组。关键问题是这种设计存在比较严重的漏磁现象，并非所有的磁通都用来“切割”线圈以获得最大的电流输出。怎样优化电机的结构参数。使得电机的漏磁最小化是一个期待解决的具有重大实用价值的课题。这里提出另一个解决办法就是采用混合励磁( h y b r i d ) 转子一般的转子爪极问空无一物，而h y b r i d 转子在爪极间装了一个永久磁铁。永久磁体填充了爪极部分间隙后，漏磁现象就会大大减少。这就迫使更多的磁通从转子进入定子绕组，从而提高了交流发电机的输出效率。这种方案可以将原来的效率在5 0 0 的基础上提高2 0 0 0 。这意味着要使得交流发电机达到额定输出功率，用来驱动的功率就大为减少。同时附带的一个好处是必须散发掉的热量也大大减少了。混合励磁汽车发电机与传统的汽车发电机相比较，其特点主要是：( 1 ) 采用高磁能积的稀土永磁材料励磁，使发电机比功率增大；( 2 ) 由于其结构特点，励磁绕组的励磁电流减小，励磁损耗也相应减小，因而发电机的效率也相应提高；( 3 ) 发电机的怠速性能好，在怠速时，也能满足汽车负载所需要的电压和电流要求；第一章绪论7( 4 ) 由于采用了永磁体和线圈共同励磁，可以调节励磁电流来调节输出电压，兼具了输出电压可调节性和永磁电机的高效率于一身。从国内外的研究情况来看，目前各国学者对汽车交流发电机的研究主要集中在电磁计算和对交流发电机控制方面。汽车用交流发电机大多为爪极发电机，由于其特殊结构，如何建立准确高效的计算模型以及爪极发电机的优化设计涉及很少本论文主要分析和研究了汽车用电励磁爪极发电机和混合励磁爪极发电机开展对爪极发电机的研究，从机理和设计方法上分析这种电机的性能，并且对电励磁和混合励磁爪极发电机都作了优化设计研究，同时为其它电机及电磁场工程的研究提供了理论依据和实用快捷的计算方法。具有重要的理论意义和较大的工程应用价值。1 2 爪极发电机结构参数优化现状及其发展从上面的分析可以看出。如何在不减少功率的基础上缩小爪极式交流发电机体积或者在原有的体积下增大交流发电机的输出功率成为汽车发电机的一个重要研究方向。这就使得在原有的机座号上，研制出一种高效率的新型发电机显得越来越必要了。从分析电机本体效率低的原因可以看出，如何优化爪极发电机的结构参数使得爪极发电机的漏磁最小是解决问题的重要手段。爪极发电机结构参数优化是一个高度非线性、多参数、复杂的优化问题，优化计算成本很高，寻求高效实用的优化算法对爪极发电机优化设计具有重要意义1 2 1 电机结构参数传统优化方法优化设计以最优化数学理论为基础，充分利用计算机。智能”及“计算”的特长，较快的选择出合理的最优设计方案，是设计现代化的重要标志电机的优化设计是指在满足性能要求的前提下，用一定的数学方法，找到一组最佳设计参数( 常常是电机的结构参致) 的值，使所设计电机的某一项或某些技术，经济指标最优i “i 。最优设计所用的方法是一种数学方法，在工程上得到了广泛的应用。用最优化方法求解问题一般来说涉及到三方面的问题首先，提出最优化问题，建立其数学模型确定目标函数、约束条件及变量。对电机的优化而言，要确定最优方案的标准，构造出相应的数学模型，哪些量可以改变，有些什么限制等等。这是优化设计的关键问题。其次，分析数学模型，选择合适的求解方法。以便迅速求到最优方案。这里要综合考虑到算法的收敛性、通用性、稳定性及算法的效率、评价最优的标准等问题。最后，编制计算机程序、上机、调试，求得具体方案。优化设计一般包括下列基本概念州：( 1 ) 实际工程设计问题的数学模型。数学模型是指表达工程问题设计要求的数学关系式，8合肥工业大学博士学位论文是由计算机所能够接受的运算式和逻辑比较式所组成的数学模型能够正确地描述设计问题中各主要设计因素之间的内在联系。传统的电机优化设计方法所采用的是基于集中参数的等效电路模型。( 2 ) 设计变量。设计变量是设计时特定的设计参数，也称为影响因子。如有n 个设计变量，一般可表示为o = l ，2 ，帕。为表达方便和推理的需要，常用”维向量z 来表示n 维空间上的点。用r ”来表示以h 个设计变量为坐标轴所构成的 维欧氏空问。每一个设计方案即每一组设计变量都代表了n 维设计空间中的一个点，称为设计点，而把( 而，x 2 ，j ) 称为设计点的坐标。设计自由度是指某项工程设计所取变量的多少。般地说设计变量愈多，则设计的自由度就愈大，就是比较容易达到最优设计目标；但是目标函数的维数愈多，问题的求解也就越困难。因此如何选取电机优化设计中的设计变量是个很重要的问题。通常选择对目标函数、约束条件函数有重大影响的关键性参数作为优化变量一般在确定设计变量时应考虑下述原则：( 1 ) 设计变量的数目应尽可能地少一些，以简化计算，提高计算速度，同时也便于优化方法的选择：( 2 ) 这些变量对目标函数及约束条件的满足应有重大影响；( 3 ) 这些变量的变化范围容易确定，即是优化设计中的初始设计点，变量的步长易于初步确定：( 4 ) 这些变量应是设计中主要的独立变量，能唯一确定整个优化设计方案。( 3 ) 目标函数目标函数是用来评价目标优劣的数学关系式，故也称为评价函数。一般它是设计变量的多元函数，记作：f = ，( 朋= f ( x i ，0 2 ，j 。)( 1 - 3 )目标函数f = ，( 幻的几何意义是镶嵌在叶l 维空间上的超曲面。( 4 ) 约束条件在最优化设计中，约束条件是指对设计变量的取值施加某些限制的数学关系式。约束条件构成了目标函数的可行域。约束条件可分为边界约束与性能约束两大类。边界约束通常是出于结构和工艺方面的考虑，对变量的变化范围加以限制。性能约束是由某种性能的设计要求推导出来的一种约束条件。另一方面。按约束条件的数学形式的不同，约束条件又可区分为等式约束条件g j ( x ) = o 和不等式约束条件g ，( x ) 0 。凡满足约束条件的区域称为设计可行区域，可行区域内的一切设计方案均为可行方案，相应的设计点则称为自由点当自由点移至某一约束面上时，这一点则称为边界点，即为某项约束所允许的极限设计方案，此时把这项约束称为起作用的约束。约束面的交点( 或交线) 是指同时有两个起作用的约束所允许的极限设计方案。传统的电机的各项性能指标均可用等效电路的参数来表示，而等效电路参数又可以用电第一章绪论9机的设计变量( 主要尺