（电机与电器专业论文）汽车爪极发电机的设计及三维温度场数值模拟.pdf

a bs t r a c t a sar e s u l to ft h es p e c i a ls t r u c t u r eo fc l a wp o l e ，t h em a g n e t i cf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l do f c l a wp o l eg e n e r a t o rh a v et h et h r e e - d i m e n s i o n a lc h a r a c t e ro b v i o u s l y t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r m u s tb ec a l c u l a t e db yt h r e ed i m e n s i o n a lc o m p u t a t i o n a lm e t h o d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc a l c u l a t i o n t e c h n o l o g y , ，t h e r ea r em u c hr e s e a r c ho nt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l da b o u tr o t o r , s t a t o ro nt h el a r g e - s c a l eg e n e r a t o r i nr e c e n ty e a r s ，b u tt h er e s e a r c ho nt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l da b o u ta u t o m o b i l eg e n e r a t o r i sb l a n k n e s sn e a r l y b a s e do nt h ec a l c u l a t i o no f l e a k a g em a g n e t i ca n dt e m p e r a t u r ef i e l d ，t h i sp a p e r ，o p t i m a l s e v e r a lc l a w p o l eg e n e r a t o r , a n dp u tt h e mi n t oi n d u s t r y t h ed e s i g ni d e ai s ：c a r r i i n go u tt h e p r e l i m i n a r yd e s i g no fc l a w - p o l eg e n e r a t o rf i r s t l y ，c a l c u l a t i n gm a g n e t i cf l u xl e a k a g e ，o p t i m i z i n g t h es t a t o ro u t e rd i a m e t e r , e f f e c t i v el e n g t ho fs t a t o rc o r e ，s t a t o rs l o tr a d i u s ，d i a m e t e ro ft h es t a t o r , r o t o rd i a m e t e r , r o t o rc o r ed i a m e t e ra n dt h et h i c k n e s so ft h er o o t so fc l a w - p o l e ，a n d ，o p t i m i z i n gt h e e x c i t a t i o nf r a m e ，s t a t o r , r o t o r , c l a w - p o l ea f t e rt h et e m p e r a t u r ef i e l dc a l c u l a t i o n t h eo p t i m i z e d p r o d u c t sh a v eb e e ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o nt e s t e db ya n h u ii n s t i t u t eo fp r o d u c tq u a l i t ys u p e r v i s i o n ， t e s t i n gr e s u l ta n du s e rt r i a ls h o wt h a tt h ep r o d u c ti ss u p e r i o rt ot h eg e n e r a la u t o m o b i l eg e n e r a t o r t h es p e c i f i cc o n t e n to f t h ep a p e ri ss u m m a r i z e d 嬲f o l l o w s ： ( 1 ) a i ma tt h eg o a lo fi n c r e a s i n gt h e p o w e r w e i g h t ( w ，k 西，t h i sp a p e re s t a b l i s ht h er a t e d s p e e d ，t h em a i nd i m e n s i o n s ，s t r u c t u r eo f a u t o m o b i l ec l a w - p o l eg e n e r a t o ri ns e r i e sd e s i g n ，a n dd e r i v e t h eo p t i m a lv a l u e0 6 1 8o fe x c i t a t i o np l a n e si nd i a m e t e rr a t i o ，t h i ss t u d yi ss i g n a l i t yf o rt h e a u t o m o t i v ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no nt h ep r e l i m i n a r yd e s i g no fc l a w - p o l ea l t e r n a t o r ( 2 ) a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo f c l a w - p o l eg e n e r a t o rs t r u c t u r ep a r a m e t e r so nm a g n e t i cf l u xl e a k a g e c o e f f i c i e n t , c a l c u l a t i n gn o - l o a dm a g n e t i cf l u xl e a k a g ec o e f f i c i e n tw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r so f5 0 0 w , 7 5 0 wc l a w p o l eg e n e r a t o r s u s i n gt h r e e d i m e n s i o n a lm a g n e t i cv e c t o rp o t e n t i a lf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，t h ep a r a m e t e r si n c l u d et h es t a t o ro u t e rd i a m e t e r e f f e c t i v el e n g t ho fs t a t o rc o r e ，s t a t o rs l o t r a d i u s ，d i a m e t e ro ft h es t a t o r , r o t o rd i a m e t e r , r o t o rc l a w - p o l ec o r ed i a m e t e ra n dt h et h i c k n e s so ft h e r o o t s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e a s o n a b l eo f t h eo r i g i n a ld e s i g np a r a m e t e r s ( 3 ) a n a l y s i n gt h e b a s i c i d e a s ，a d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e s ，a n dt h es o l u t i o np r o c e s s o f c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c sb a s e do nf i n i t ev o l u m em e t h o d ，a c c o r d i n gt ot h eb a s i ct h e o r yo f c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c et h er e q u i r e de q u a t i o n sa n dg e n e r a le q u a t i o n si n t e m p e r a t u r ef i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n s i d et h eg e n e r a t o r , a n a l y s i st h ec e n t r a ld i f f e r e n c ea n d o t h e rd i s c r e t ef o r m ，f l o wf i e l dc a l c u l a t i o na l g o r i t h ma n dd i s c r e t ee q u a t i o ns o l u t i o nm e t h o d s ，a n ds o o n w h i c hp r o v i d et h eb a s i so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt e m p e r a t u r ef i e l di n s i d eg e n e r a t o r ( 4 ) b a s e do nt h ea b o v et h e o r y , t h ep h y s i c a lm o d e la n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft e s te x a m p l e ( 14 v 5 0 0 wg e n e r a t o r ) i se s t a b l i s h e d ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n si nr a t e dl o a do p e r a t i n gm o d e o fc l a wp o l ea n dr e v o l u t i o na x i sa r ec a l c u l a t e dc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fe x c i t i n gw i n d i n g s c o p p e rl o s s ，t h ec l a wp o l ev o r t i c i t y ， ( 5 ) o n em o r et e s te x a m p l ei sag e n e r a t o ro f1 4 v 5 0 0 w , w h i c hp h y s i c a lm o d e la n dm a t h e m a t i c a l m o d e la r ee s t a b l i s h e d t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fs t a t o ra n dw i n d i n gi nt h er a l e dl o a do p e r a t i n g c o n d i t i o ni sc o m p u t e dc o n s i d e r i n gt h ea e o l o t r o p yo f s t a t o r , t h ec o u p l i n gc o n d i t i o no fs t a t o ri r o nc o r e a n dw i n d i n g ，t h ee x c i t i n gw i n d i n g sc o p p e rl o s s ，s t a t o ri r o nl o s s ，t h ei n f l u e n c eo fr o t a t i o n a lf i e l d ， s t a t o rv o l u m ep r o c e s s i n go fi r o nc o r ea n dw i n d i n g ，a n ds oo n ， ( 6 ) t h ew h o l et h r e ed i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ef i e l do fj f w b l 5 c 3 - bg e n e r a t o ri nt h er a t e dl o a d o p e r a t i n gc o n d i t i o ni sc a l c u l a t e db yg r i dp l o t t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f t h ek e yp a r ta r e c o m p a r e dw i t ht h ea c t u a lm e a s u r ed i s t r i b u t i o n t h er e s u l ts h o wt h a tt h ep h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a l m o d e la r ec o r r e c t i nt h ei n s t r u c t i o n a lo ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p m i o 珥s e v e r a lk i n d so fa u t o m o b i l e g e n e r a t o r sa r ep u ti n t oi n d u s t r i a lm a n u f a c t u r e f i n a l l y , t h ep a p e rs e tf o r t ht h ed e v e l o p m e n tt r e n do fa u t o m o b i l eg e n e r a t o r k e y w o r d s ：a u t o m o b i l ec l a w r p o l ea l t e m a t o r ；t h r e e d i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ef i e l d ；o p t i m i z a t i o n ； f i n i t ee l e m e n tm e t h o d s ；f i n i t ev o l u m em e t h o d 表格清单 表2 1 交流发电机在不同额定输出下各功率数据( w ) 1 6 表2 2 各种额定输出下的d 2 上值1 6 表2 3 不同额定输出下汽车发电机的d 和值1 7 表2 4 爪极式无刷交流发电机的励磁绕组参数2 l 表3 1 定子内径对电机漏磁系数的影响( 7 5 0 w ) 3 2 表3 - 2 转子外径对电机漏磁系数的影响( 7 5 0 w ) 3 2 表3 3 定子内径对电机漏磁系数的影响( 5 0 0 w ) 3 2 表3 - 4 转子外径对电机漏磁系数的影响( 5 0 0 w ) ”3 3 表3 5 定子齿宽对电机漏磁系数的影响( 5 0 0 w ) 3 3 表3 6 定子齿宽对电机漏磁系数的影响( 7 5 0 w ) 3 4 表3 - 7 定子槽宽对电机漏磁系数的影响( 5 0 0 w ) 3 4 表3 - 8 定子槽宽对电机漏磁系数的影响( 7 5 0 w ) 3 4 表3 - 9 励磁绕组磁轭架与转轴的间隙对电机漏磁系数的影响( 5 0 0 w ) 3 5 表3 - 1 0 励磁绕组磁轭架与转轴的间隙对电机漏磁系数的影响( 7 5 0 w ) 3 5 表3 - 1 1 实际生产的5 0 0 w 、7 5 0 w 这两种电机的参数3 6 表4 一l 通用控制方程中各符号的具体形式”4 6 表5 1 电机转子的基本数据5 8 表6 - 1 发电机的基本数据6 8 表6 - 2 定子铁芯和绕组的计算结果7 1 表6 - 3 计及定子铁芯和绕组的耦合计算结果7 2 表6 - 4 发电机各关键部件的温度计算与实测比较7 7 插图清单 图2 - i 定子内径d 及铁心长度上的范围1 7 图2 2 汽车爪极同步发电机总装图1 8 图2 - 3 发电机三维造型b o q o q 1 8 图2 - 4 励磁的每一层绕组简化图1 8 图2 5 ( 1 4 v 5 0 0 肜) 爪极式无刷发电机励磁绕组结构及三维造型1 9 图2 - 6 带料卷绕的前后形状2 2 图2 - 7 卷绕装置结构示意图2 2 图2 8 卷绕成形过程2 2 图2 _ 9 定子绕组的绕线和推入式嵌线一体机2 3 图2 - 1 0 定子加工工艺2 4 图2 - 1 1 全自动定子竹楔机2 4 图2 - 1 2 全自动定子整形机2 5 图3 - 1 爪极转子主磁通磁回路2 6 图3 - 2 爪极转子漏磁通分布情况2 8 图3 - 3 交流发电机整流电路2 8 图3 - 45 0 0 w 爪极电机实体模型2 9 图3 - 55 0 0w 电机爪极实体模型2 9 图3 - 6 一个1 4 极距的网格剖分2 9 图3 - 7 磁矢位分布图3 l 图3 8 铁心磁场分布3 l 图4 1 “三维”流体力学示意图0 00 4 0 3 7 图4 2c f d 计算流程图3 9 图5 - 1 汽车发电机转子实体三维造型5 5 图5 - 2 前爪极网格划分一5 7 图5 - 3 后爪极网格划分5 7 图5 - 4 励磁绕组温度分布6 0 图5 5 爪极温度分布6 0 图5 - 6 计及轴承发热的转轴温度分布6 l 图5 - 7 计及轴承发热的转轴总成温度分布6 l 图5 8 甜，为o 5 m s 时爪极温度分布6 2 图5 - 9 材，为0 7 5 m s 时爪极温度分布：6 2 图5 一1 0 “，为1m s 时爪极温度分布6 3 图5 一1 1 甜，为1 5m s 时爪极温度分布6 3 图5 一1 2 转子的温度三维瞬态的非稳态温度场6 4 图6 1 定子装配的三维造型6 6 图6 - 2 按等体积简化的定子6 6 图6 3 定子铁芯的网格划分6 7 图6 - 4 绕组的网格划分6 7 图6 5 发电机内部的空气通道网格剖分6 8 图6 - 6 铁心温度分布图7 1 图6 7 绕组温度分布图7 1 图6 8 计及定子铁芯和绕组耦合( 耦合系数为5 0 0 ) 的温度分布7 2 图6 - 9 绝缘层为塑料片时温度分布7 3 图6 一l o 绝缘层为蜡纸时温度分布7 3 图6 一1 1 耦合系数为5 0 w m 2 o c 7 3 图6 1 2 耦合系数为1 0 0 w m 2 0 0 c 7 3 图6 - 1 3 风速u ，= 0 5 m s 时温度分布7 4 图6 - 1 4 风速u ，= 0 7 5 m s 时温度分布7 4 图6 - 1 5 风速u ，= 1 o r e s 时温度分布7 4 图6 - 1 6 风速甜，= 1 5 m s 时温度分布7 4 图6 - 1 7 定子铁芯的瞬态的温度场7 5 图6 1 8 绕组瞬态的温度场7 5 图6 - 1 9 整机网格剖分7 6 图6 - 2 0 整机侧部温度分布7 6 图6 - 2 1 整机后部温度分布7 6 图6 - 2 2 整机前部温度分布7 6 图6 - 2 3 整机轴向温度分布7 7 图7 一l 冷却风扇叶片“7 9 附l 图真空泵无刷爪极发电机9 3 附2 图j f z l l 0 1 一( 1 4 v 。i o o a ) 整体式发电机9 3 附3 图j f z l 9 2 2 一( 1 4 v ，9 0 a ) 整体式发电机9 4 附4 图新工艺卷制的定子铁芯9 5 附5 圈定子绕组的绕线和推入式嵌线一体机9 5 附6 图发电机真空泵及电性能试验台9 6 附7 图发电机电性能智能检测试验台9 6 独创性声明 本人声明所呈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 金g 墨王些太堂 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己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 姗躲国) 签字日期细，o 年月d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金旦巴三些太堂有关保留、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。本人授权金月巴王 些太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：驯习 7 j 签字日期洲。年6 月( d 日 学位论文作者毕业去向： 工作单位：安徽建筑工业学院 通讯地址：合肥市经济技术开发区锦绣社区 电话：1 3 8 6 6 1 0 1 4 4 8 邮编：2 3 0 6 0 1 致谢 本论文是在导师王群京教授的悉心指导和亲切关怀下完成的，导师渊博的学识、严谨求 实的治学态度、将理论应用于实践的能力，都给我留下了非常深刻的印象，也影响了我，令 我终身受益。 在漫长的博士研究生学习期间，导师对我谆谆教导并给予充分信任，使我有幸参加了汽 车爪极发电机项目的研究。我本科所学的专业是机械制造，硕士方向是c a d c 脒，电机的理论 基础比较薄弱，通过近8 年的不断学习和发电机产业化过程的摸索，而使我比较系统地掌握 了有关领域的理论与技术，了解了它的发展方向，并进一步提高了从事科学研究的能力和素 质，为今后的教学工作和科学研究打下了比较扎实的基础。在此谨向导师致以衷心的感谢和 崇高的敬意。 在本论文的研究过程中，感谢电气与自动化学院的丁明院长、张崇巍、肖本贤教授等给 予的指导，还得到了倪有源、胡存刚、鲍晓华等博士的大力支持，合肥华鼎汽车零部件公司 对样机的试制、加工、实验和产业化给予了大力的协助，在此向他们表示诚挚的谢意。 本论文得到了国家自然科学基金项目( 5 0 0 7 7 0 0 5 ) 的资助和2 0 0 5 年安徽省发改委企业挖 潜资金的资助，在此一并表示感谢。 感谢我的妻子李涛，她为我分担了几乎所有的家务，包括女儿的教育，让我能专心于学 业。我还要感谢我的岳母和父母，他们一直在关爱和帮助我们这个小家庭。本项目产业化时 遇到了许多困难，正是他们的鼓励和督促，方使完成本论文。 最后，向所有曾帮助过我的老师、同学和朋友们表示感谢。 作者：朱卫国 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 随着汽车工业的发展，汽车上的用电设备越来越多，因此对交流发电机功率的要求也越来 越高。随着输出功率的不断提高，汽车发电机发热也日渐成为电机设计制造中的一个重要课题 n 儿引。汽车发电机温升是由于发电机工作中存在各种损耗，产生了大量的热量，而发电机本身又 不能及时地散发出去，致使热量积累而造成的。而且汽车发电机安装在汽车发动机附近，工作 条件极其恶劣。多年以来，在汽车发电机研究与设计中，如何进行准确的计算和预测发电机 的温升是人们共同的关注的焦点哺。汽车发电机温升过高会直接影响到汽车发电机的使用寿命 和汽车的安全性，同时也影响整车的用电设备和电子控制装置的安全运行，汽车发电机出现 严重故障时会使整个汽车发电机烧毁，甚至带来汽车整个电气系统的破坏，尤其在汽车高速 行使时，汽车发电机的故障会造成极大的经济损失和人身伤亡。相反，如果汽车发电机在运 行过程中温度过低，会造成制造电机的原材料：铝合金、漆包线( 铜) 、铁、绝缘等材料的 极大浪费，这些材料都是贵重金属，会大大增加汽车发电机的制造成本。因此，研究汽车发 电机各关键部件在不同工况下的温升变化规律，找出能应用于工程的、便捷的数字计算发电 机温升方法，可以进一步优化现有汽车发电机的结构，提高汽车发电机的安全性、可靠性、 经济性，具有十分重要的设计和工程意义。 目前，提高汽车发电机输出功率的主要途径有两种：一是增大发电机的外形尺寸，二是 增加汽车发电机转定子电磁负荷。然而在实际设计中，由于汽车发电机安装在车内，并在发 动机的附近，空间尺寸受限，汽车发电机的定子、转子尺寸不能无限的增大，因此，增大汽 车发电机输出功率的主要途径是增加电磁负荷。但增加电磁负荷就同时增加了线负荷，增大 了励磁绕组铜耗，其后果会造成励磁绕组的温度升高，甚至超过漆包线所容许的温升。为此， 必须采用更有合理的汽车发电机内部结构、更有效的风扇冷却技术、更准确的数字计算和预 测热量分布及温升的方法，准确预测汽车发电机各关键零部件的温升及温度场分布情况，有 目的、针对性地通过必要的技术措施来提高汽车发电机散热能力，并将其温升控制在允许范 围内，保证汽车发电机安全可靠的运行，延长使用寿命，从而保障汽车的用电的安全及人身 安全。因此，研究汽车发电机发热、散热、通风、耦合等有关温度场的课题已变得越来越重 要引。 关于汽车发电机发热、散热、通风、耦合等温度场研究属于电机工程、发电机设计理论、 计算传热学、电磁场理论、空气动力学、数值计算方法等多个学科的交叉埔7 10 由于汽车发电 机的转子在高速旋转状态( 最高转速可达1 8 0 0 0 r p m ) 比静止状态下受力情况复杂，在动量守 恒方程中左端增加科里奥里力，另外汽车发电机所涉及的材料多样性和通风道几何结构的复 杂性，使得计算测量受热气体在汽车发电机的转子与励磁绕组、转轴与励磁绕组及定子与转 子之间的气隙内的传热和流动变得十分复杂。 2 合肥工业大学博士学位论文 从汽车对汽车发电机的满足要求来看哺，汽车上的用电设备越来越多，对发电机输出功率 的要求也越来越高。为了提高汽车发电机的运行效率，充分利用资源，汽车发电机输出比功 率也应向高等级方向发展，这样相应地促进提高汽车发电机的电磁负荷，此时，汽车发电机 设计的主要任务之一是减少汽车发电机定子、转子的环流和涡流引起的发热，发热由定子、 转子的损耗引起的。因此，除了要尽量减少定子、转子的损耗，还要保证汽车发电机的各关 键零部件的损耗能够合理的分布。 从汽车发电机流体场的角度来看，要使冷却空气( 目前，绝大部分汽车发电机属空冷) 充分带走汽车发电机中产生的各种热损耗，降低汽车发电机本体的温升，就必须充分的分析 计算汽车发电机内空气的流体场。另外，汽车发电机工作时所处环境十分差，外围环境温度 高，灰尘大。因此，对汽车发电机内各个通风道风量分布的准确数字计算，可以对汽车发电 机的通风道结构进行进一步改进和优化设计，使得汽车发电机的通风结构达到最优，从而减 小因通风不畅，不能及时带走汽车发电机的热量所造成的温度的累积，充分提高汽车发电机 的散热效率。 从汽车发电机温度场的角度来看，衡量汽车发电机品质好坏的一个重要的指标就是温升， 它涉及到汽车发电机安全运行乃至汽车的安全行驶，当发电机温度场不均匀时，汽车发电机 各金属和非金属部件内部因受热应力的作用，产生受热变形膨胀现象，从而造成汽车发电机 的结构件和运动部件的变形，尤其是运动部件的变形造成它们之间的间隙减小，极有可能引 起汽车发电机被卡死，或转子与定子相摩擦，造成漆包线绝缘层的损坏瞪1 。由于汽车有召回制 度，此问题汽车制造企业十分关注。但是直接测量汽车发电机温度具有一定的局限性，尤其 当汽车发电机正常运行时，其是内部的温度无法测量。因此，准确的数字计算和数字模拟汽 车发电机内温度场非常重要。汽车发电机任何部位的温升可以借助计算机的三维数字模拟技 术得到计算的三维温度分布，也可以分析汽车发电机内部各种材料、绝缘、装配关系对汽车 发电机内温度场分布的影响。 汽车发电机内温度场、电磁场、流体场以及应力场等相互影响更为重要，比如，温度场 影响热应力场，流体场又直接影响温度场，我们通过研究其相关物理量场耦合，可找到汽车 发电机内部物理量场的变化规律，揭示出它们的相互作用和相互影响关系，为汽车发电机设 计提供新方法、新手段和系统的温度场计算理论，具有重要的科学指导意义。 迄今为止，关于汽车发电机通风发热及温度场研究方面，国内外发表的有关文章、著作 还比较少。由于国外在汽车设计制造方面，起步比我国早，设计与制造技术均比我们先进， 虽然我国是汽车生产大国，但不是强国，国外的先进设计与制造技术对我国实行封锁、保密， 国内汽车发电机制造企业需花费大笔外汇，引进有关先进技术。尽管国内各高等院校、研究 机构和汽车发电机生产企业在汽车发电机冷却与发热理论研究方面已经积累了一些方法和成 果，但是，将其广泛应用于汽车发电机设计制造方面还不多，尤其是预测汽车发电机的发热 故障问题、转子与励磁绕组、定子各向异性影响因素方面及各种耦合的研究还比较少，缺乏 第章绪论 3 准确数字计算方法及系统的理论。因此，目前该方面的研究还不能完全与近代汽车及汽车发 电机发展同步。 1 2 有关大型电机温度场研究的国内外情况 所谓电机损耗是指大型电机运行过程中，由于电热转换、电磁转换及各种摩擦，各物理 场间的相互作用将把能量转换为热能。运行的电机损耗般分为四种旧1 ：( 1 ) 定子绕组及励磁 绕组电损耗；( 2 ) 磁损耗；( 3 ) 机械摩擦损耗；( 4 ) 铁芯和绕组的附加损耗等。一般在电机稳 定发热工况下，电机主要损耗是前三种损耗。电机设计过程中，电磁计算给出其电机损耗的 数据，当进行热计算时，电机损耗作为已知确定的数据。 损耗是温度场计算过程中的热源，其数值随空间位置及时间变化。电机内的损耗一部分 能量通过电机的外表面以辐射换热方式传递给周围的物体，另一部分损耗通过导热方式，在 冷却介质的交界面处，由高温区传递到低温度区，冷却介质再通过对流换热方式把热量带走； 还有一部分损耗被电机的零部件吸收，使电机的零部件温度升高。电机热计算中，辐射换热 因数量较小，往往忽略不计。 大型电机设计中的主要任务之一是温度场计算及研究。此外，当大中型电机冷却系统故 障、铁芯故障、绕组故障及绝缘故障时以及过负荷运行、不对称运行均会引起电机温升超过 所允许得范围，在电机故障诊断与状态监测中，其非常重要的判据之一就是温升数值u 劓。因 此，大型电机的温度分布的准确地计算，尤其是最高温度点的确定就显得非常重要。 在大型电机中，关于温度场的研究分为以下几种：( 1 ) 针对大型电机转子、定子或整机， 采用现有的某种温度场计算方法或计算软件进行温升计算；( 2 ) 大型电机温度场计算算法的 研究；( 3 ) 基于传热反问题研究方法，通过测量得到的大型电机表面温度，估计边界上的对 流散热系数、绝缘材料的导热系数n 副，或重新构建温度场等n 引：( 4 ) 温升测量方法试验研究， 用于状态监测及故障诊断。其中，应用研究较多的是关于温度场的计算方法。计算电机中的 温度分布方法常见的有以下几种：求解导热微分方程的数字解法( 又称为温度场法) 、等效热 路法、简化公式法。其中数字解法又分为：等效热网络法、有限差分法、有限元法及有限体积 法、有限元法卜划等。下面就大型电机温度场计算方法、应用等研究成果及各计算方法的优缺 点进行分别介绍。 1 2 1 简化公式法 简化公式法于2 0 世纪7 0 年代以前广泛用于大型电机的热计算，是大型电机制造企业计 算绕组及铁芯的平均温升的主要手段。简化公式计算时，各种散热系数均由根据结构零件的 材料试验得到数据或结构类似的电机类比的计算口一1 。简化公式法与现代计算方法相比属比较 简单，但简化公式法的缺点是有很多不尽合理假定，不能给出详细的电机内三维温度分布情 况，自然无法给出准确的过热点位置及数值，此方法只适用于大型电机的粗略热计算，不能 适应小型汽车发电机( 一般汽车发电机 1 5 0 0 形时：c o s = o 9 6 6 只，= 只+ 叱 ( 2 - 2 ) 式中 一额定输出功率 嵋一整流二极管损耗功率 p 。= 1 0 4 7 ( un in 七u 。if 1 式中u 。一额定输出电压 l 一额定输出电流 一励激电流 a p , = 2 a u d i d m 戕 式中 a u d 一整流二极管管压降，取1 v i a m 戤一整流二极管最大电流 id 凇= i n + if 根据公式( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) 、( 2 - 4 ) 得： 己l = 1 0 4 7 ( u n l ，+ un i f l 七2 a u d i d 僦 ( 4 ) 主要尺寸的关系 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 1 6 合肥工业大学博士学位论文 交流发电机的基本尺寸公式为： d 2 l = 鱼：! 兰! q ! 兰! ：( 2 - 7 ) qd - a b o n 式中d 一定子内径，c 加 三一定子铁心长度，c m 刀一转速，取为3 5 0 0r m i n 。 结合目前国内交流发电机技术标准所规定的主要额定数据，代入以上公式可得表2 - 1 中数据。 表2 1交流发电机在不同额定输出下各功率数据( 形) 额定输出心 只， p t 1 4 v 3 0 a6 75 0 2 55 5 0 5 6 0 1 4 4 5 a9 78 9 78 4 8 9 2 9 1 4 v 5 5 a1 1 79 7 41 0 2 3 1 1 2 0 1 4 v 7 5 a1 5 71 3 0 81 3 7 3 1 5 0 4 1 4 v 9 0 a1 8 71 5 5 71 6 3 5 1 7 9 1 1 4 v 1 1 0 v2 2 71 8 9 12 0 5 5 2 2 5l 1 4 v 1 3 0 a2 6 7 2 2 2 4 2 4 1 7 2 6 4 8 将p 、口。、a 、b o 、n 代入公式( 2 7 ) ，可计算得出表2 2 0 交流发电机尺寸比兄参数的大小可直接影响交流电机的性能、温升及经济指标。对于整 个汽车交流发电机，交流发电机尺寸比五值越小，励磁安匝越少，此时，汽车发电机内腔空间 增大，可提高通风效果。因此，在选取定子热负荷以。参数时可考虑取较大的数值，从而减少 定子绕组和励磁绕组的用铜量，提高交流发电机比功( w k g ) ，同时大大降低产品生产成本。 在工程上，通常交流发电机尺寸比五参数取值范围为0 9 5 1 1 5 。根据汽车制造厂或汽车发 动机企业提出的安装的要求，对同一定子外径所派生的外延产品或大于2 0 0 0w 容量的发电机， 其五参数取值范围为1 5 2 0 1 2 0 o 实践证明，合适范围的交流发电机尺寸比五参数取值，使 交流发电机的转子的机械强度、性能和温升等方面均可获得满意的结果。 表2 2各种额定输出下的d 2 三值 额定输出1 4 v 3 0 a1 4 v 4 5 a1 4 v 5 5 a1 4 v 7 5 a1 4 v 9 0 a1 4 v 11 0 a1 4 v 1 3 0 a 7 4 4 ，- - d 2 上 1 6 9 2 2 02 4 4 3 6 53 0 5 4 5 63 8 2 5 7 45 0 4 6 3 06 3 0 9 4 2 1 1 0 8 因为：力= 等产瓦z d 护6 ( 爪极的对数) 所以三：掣：o 2 5 0 3 d z p ( 2 - 8 ) 第二章汽车无刷爪极发电机初步设计 1 7 d 2 三：0 2 5 0 3 d 3( 2 - 9 ) 由表2 - 2 可求得定子内径d 及铁心长度的范围。 将d 和三作为x 和】厂轴的坐标记入表2 - 3 。根据表2 - 3 中的数据作出图2 - i ，图中重叠处方 格部分为可派生的产品。 表2 3不同额定输出下汽车发电机的d 和三值 额定输出 1 4 v 3 0 a 1 4 v 4 5 a1 4 v 5 5 a 1 4 v ? 5 a d 和三8 ，8 ，2 29 9 。2 51 0 7 ，2 71 1 4 2 。9 d 和三 1 0 ，0 ，2 51 1 3 ，2 81 2 0 ，2 91 3 2 ，3 2 d 和三 9 4 ，2 8 1 0 7 3 21 1 4 3 41 2 4 3 7 较优值8 8 ，2 2 9 2 ，2 5 l o 1 2 81 2 0 ，3 0 图2 一i 定子内径d 及