（电机与电器专业论文）车用永磁发电机及其控制系统的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 s t u d y o i lp e r m a n e n t m a g n e t g e n e r a t o ra n di t sc o n t r o ls y s t e mi n v e h i c l e a p p l i c a t i o n a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h es t u d yo np e r m a n e n tm a g n e t 口峋g e n e r a t o ra n di t sc o n t r o ls y s t e mi n v e h i c l ea p p l i c a t i o n , t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt ot h e s t u d y o n1 - t i n c h a r a c t e r i s t i c s ，d e s i g n m e t h o da n dc o n t r o ls y s t e mo fp m g e n e r a t o rf o ra u t o s a tt h es a m et i m e ，t h ef u t u r ep o w e r s u p p l ym o d e lo f g e n e r a t o r f o ra u t o si sg i v e n t h r e ep a r t sa r ei n c l u d e da sf o l l o w s ： f i r s to f a l l ，t h eb a s i cc i r c u i te q u a t i o no f r a d i a lp m g e n e r a t o rf o ra u t o si sg i v e n t h ee f f e c t o f r e c i p r o c i t yo f p m a n d w i n d i n g sm a g n e t i cf o r c eu p o nw i n d i n g si n d u c t a n c ea n d c u r r e n tu p o n m a g n e t i cc i r c u i ts a t u r a t i o na r ea n a l y s e da c c o r d i n gt ot h e s e ，w ec a l lo b t a i no p t i m i z e dd e s i g n a c c o r d i n g t ot e c h n o l o g yd i f f i c u l t i e so f p m g e n e r m o r f o ra u t o sa n dt h ea n a l y s i so f e x i s t i n g m a g n e t i cc i r c u i to f p mg e n e r a t o rf o ra u t o s ，am a g n e t i cc i r c u i tf o rt h i si t e mi sg i v e nt h em a i n p m g e n e r a t o rp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d t h eo p t i m i z e dd e s i g ni sc o n c e r n e db ym u l t i s u m t m e t h o d v e n t i l a t e dh o l ea tr o t o ri sa d o p t e df o ri m p r o v i n gv e n t i l a t i o na n dc o o l i n gc o n d i t i o na n d p o w e rd e n s i t y a n o p t i m i z e dp o s i t i o no f v e n t i l a t e dh o l ei so b t a i n e db ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l d c o m p u t a t i o n a c c o r d i n gt ot h e s ea n a l y s e s , t h r e ep mg e n e r a t o r sf o ra u t o sa r ed e s i g n e d t h e g e n e r a t o r i sv e r i f i e dt ob eo f w e l l p e r f o r m a n c e sb ye x p e r i m e n t t h et h i r dp a r tc o n c e r n st h ec o n t r o l s y s t e mo fp mg e n e r a t o ri n v e h i c l ea p p l i c a t i o nb y c o m m u t a t i n ga n di n v e r s i o n c o n s i d e r i n gt h ed e v e l o p m e n to ff u t u r ep o w e rs u p p l yo fa u t o e l e c t r i cs y s t e ma n dt h ee c o n o m i z i n go ne n e r g y ，t h em u l t i v o l t a g ep o w e rs u p p l ys y s t e mf o r f u t u r ea u t o s p o w e rs u p p l ys y s t e m i s i n t r o d u c e d ，a n dt h ed e s i g n i s g i v e n i nd e t a i l t h e w a v e f o r m so fm a i np a r t so ft h i s s y s t e m a r eg i v e nt h es y s t e mi sv e r i f i e dt ob eo fw e l l p e r f o r m a n c e sb ye x p e r i m e n t k 呵w o r d s ：p mg e n e r a t o r i nv e h i c l e a p p l i c a t i o n ，w i n d i n g i n d u c t a n c e ， c o n t r o l s y s t e m ，m u l t i - v o l t a g ep o w e ra p p i ) rs y s t e m 2 独创性说明 本人郑重声明：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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构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任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：堡垒望日期：生! i ：i ：! q 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：量垒生导师签名：狸! 垒堡 日期：2 d o ；，p 沈阳工业大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 课题的背景和意义 汽车工业是目前国民经济的支柱产业，汽车的先进i 生，往往以一台汽车的电气装备 程度来衡量【”。汽车发电机是汽车电气系统中的最重要的部件之一。随着汽车技术的发 展、结构的变化、用电设备的增加、整车性能的改善以及汽车电气系统和电力电子技术 的结合，汽车用发电机在结构、容量和性能上也发生了很大的变化0 2 】口】【4 j 。现代汽车对 其发电机的功率密度、可靠性、电气性能、安装尺寸等方面要求越来越高。 汽车发电机的发展，大体上经历了三个阶段：直流发电机、电励磁三相交流发电 机、三相永磁交流发电机1 2 】1 5 】。 最初，由于技术水平落后，交、直流电问的转换比较困难，而汽车上的蓄电池要求 直流充电，直流电又比较容易控制，因此汽车上用的发电机都是直流发电机( 额定电压 通常有6 v 、1 2 v 和2 4 v 三种) ，所以在上世纪7 0 年代以前，直流发电机曾一度占领了 汽车发电机的主导地位川。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，渐渐不适应汽车发展的要求。 在上世纪7 0 年代末、8 0 年代初，直流发电机逐步被有刷和无刷的三相同步发电机 代替，其输出的三相交流电经硅整流器件变成需要的直流电( 1 2 v 和2 4 v ) p 1 8 。这两种 结构的三相同步发电机统称为电励磁硅整流交流发电机，这种发电机是目前国内、外汽 车中普遍使用的发电机。但是，这种发电机由于工艺、材料、结构设计等方面存在问 题，使发电机体积大，加工工艺复杂，技术指标不理想；发电容量小，功率密度低；维 护周期短。特别是采用电刷、集电环结构，可靠性低，需要经常维护，采用无刷后省去 了电刷和集电环，提高了汽车发电机的可靠性，然而电机的功率密度指标有所下降，使 得电机的体积、重量均有所增加。 随着汽车技术的发展，现代汽车要求其发电机的容量越来越大，性能越来越高，然 而汽车为发电机提供的安装尺寸有限，因此要求其发电机必须具有功率密度大、高效节 能、可靠性高、使用方便等特点，即使现在使用的电励磁硅整流交流发电机普遍采用了 内装调节器，无刷或内装双风扇等结构，但仍不能满足现代汽车高标准要求。近年，随 沈阳工业大学硕士学位论文 着稀土永磁电机的发展，再加上现代电力电子技术综合运用使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、高效、高可靠性方面发展提供了条件 u i 8 1 。因此，作为新一代的汽车发电机一车用永磁发电机，彻底替代汽车上现在使用 的电励磁交流发电机是必然趋势。 车用发电机，目前几乎全部采用传统的电励磁硅整流交流发电机，改用永磁发电机 后可显著提高其运行性能，据我国汽车工业发展规划预测，至2 0 0 5 年高档发电机需求 量将达3 0 0 5 0 0 万台，车辆维修需车用发电机1 5 0 万台，具有广阔的应用前景【9 】【”】。 1 2 车用永磁发电机的现状和水平 1 2i 车用永磁发电机的发展概况 车用永磁式发电机目前在全世界范围内尚处于开发研究阶段，对该类发电机的设计 和研究需要进行不断的摸索和探索。 目前汽车上特别是豪华汽车所用的电机中，除交流发电机外几乎所有品种的电机均 己被永磁电机取代，这是因为永磁电机具有较高的效率和功率密度指标”】【“】i ”i i “1 。因 此，开发车用永磁式发电机更具有广阔的市场前景。 1 22 车用永磁发电机国内外现状和水平 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，并取得了积 极成果，而且有少量豪华汽车i - g 试装了永磁发电机，但尚未形成产业邮1 。美国 d e l p h i ( 德尔福) 公司认为，永磁发电机将在2 0 0 2 2 0 0 3 年开始大批量投入生产使用 1 3 。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。在所检索到的文献中，国外在永磁式车用发电机的 研究开发方面，比较有代表性的主要有：德国b r ii 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 r nm o t o r c a r ) m e e h a t r o n i c a lg e n e r a t o r 和英国i m d e r i a lc o l l e g eo fs c i e n c e a 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 r c o o l e da u t o m o t i v eg e n e r a t o r 。这两种电机的结构都是盘式结构，具体结构如图1 ，l 和1 2 所示【6 1 ”1 。 2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 图1 1m e c h a t r o n i c a lg e n e r a t o r 结构图 图1 l 所示发电机的具体性能指标是：额定容量：3k w ；转速范围：3 0 0 0 3 0 0 0 0 r m i n ；最高效率在8 0 以上，平均效率7 0 左右( 1 5 0 0 0 r m i n 以下) ，比传统电 励磁的爪极式发电机提高4 0 ；重量：1 5 k g ( 整个发电机和控制线路的重量) ：额定电 压：2 4 v ( 该发电机为了减小额定电流、降低铜耗、提高效率，提出用2 4 v 代替传统的 1 4 v 电压的汽车电气系统) ；转动惯量为5 5 1 0 1 k g 莳，比传统爪极式结构降低5 0 左右【6 】。 图2 - 2 多盘式结构 图2 - 2 是由英国i m p e r i a lc o l l e g eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 提出的另一种盘 式结构的发电机，该发电机最大的特点是可以很容易的根据不同的容量等级适当地增加 一3 一 沈阳工业大学硕士学位论文 转子盘的个数，仅增加发电机的轴向长度，而不改变径向尺寸，类似于火车加挂车厢 样。该发电机具体的性能指标可用表1 2 来表示i ”1 。 表1 2 多盘式结构车用永磁发电机的性能指标 额定容量 1 2 k w5 5 k w1 0 0 k w 额定转速6 0 0 0 0 r m i n 定子外径 2 3 0 m m2 3 0 m m2 3 0 m m 轴向全长 1 l o m m2 2 0 m m3 l o m m 全部重量3 k g9 k g1 3 k g 效率 8 0 左右 以上两种发电机为了提高发电机功率密度，采取了提高发电机的转速的措施。因为 盘式结构的转子离心力较小，因此该结构的发电机可以达到很高的转速，而爪极式结构 的外圆周受到的离心力较大，限制了发电机的最高转速和运行可靠性，这也是用盘式结 构取代爪极式结构的另一个重要原因。 盘式结构可以有效地缩短发电机的轴向长度，降低体积，提高功率密度，但是盘式 结构需要双气隙结构，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，装配精度要求高，其运行性能受制造工艺和装配精度的影响较大门。 9 0 年代中后期，国内许多单位也开始了对大功率永磁发电机进行开发研究。到目 前已有沈阳工业大学、合肥工业大学、芜湖电机厂、贵州机电学校、广西金宇公司以及 芜湖职业技术学院等单位在研制或己开发汽车用永磁发电机。删 1 6 1 。尽管这些开发出的 成果各具特色，但是在不同程度上仍存在着一些问题，如发电机的转子磁路结构、恒压 整流问题，特别是高速运行时，发热量大，温升高，效率低等问题都有待于进一步研究 和完善。 国内开发的车用永磁发电机，比较有代表性的是贵州机电学校、贵州省电子研究所 和贵州大科达技术实业公司开发的爪极式永磁发电机，其具体技术性能指标如表l f3 所 示【1 6 】。 一4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 表1 3 爪极式车用永磁发电机主要技术指标 型号j f y t 3 3 yj f y l 6 1 zj f y 2 2 2 额定电压巩 1 4 2 0 o 52 8 0 3 额定电流州a 3 66 52 6 零电流转速n o ( rr a i n l l 1 0 0 0 最高工作转速n m ( rm i l l 1 1 1 0 0 0 0 额定工作转速n n ( rr a i n _ 1 1 3 5 0 05 0 0 0 因为爪极式结构本身的特点，决定了开发的该种结构的车用永磁发电机效率比较 低，发电机的平均效率仅为4 5 7 0 左右，即使在1 8 0 0 r m i n 左右时效率达到最大值也仅为 6 2 6 5 ，这个数值相对于现在其它场合的发电机来说是非常低的，不符合当今节能的 要求，更体现不出永磁电机高效、节能的特点，需要进一步采取措旌提高发电机的效 率。表1 4 列出了国内外相近规格的车用发电机的技术眭能数据i3 6 4 1 。 表1 4 国内外车用发电机样机技术性能指标 型号 电压容量电流a额定转速功率密度最高转速 vn kr m i n l w k g r m i n - 1 j f l l1 43 5 02 5 3 0 0 08 0 0 0 j f l 3 t1 45 0 03 6 0 ，0 = 7 时，绕组磁 动势与永磁磁动势作用的方向相反，绕组磁路比单独永磁磁动势作用时不饱和一些，绕 组的电感将有所增大。i 。 0 ，口= 州2 时，永磁磁动势作用的方向与绕组磁路轴线正 交，仅有绕组磁动势作用时，绕组磁路一般较不饱和，所以绕组电感的值接近于其不饱 和值。随着电流的增长，该基波分量的幅值也增加；绕组电流为零时，其幅值为零；绕 组电流反向时，基波分量也反向。不计高次谐波分量的影响时，相绕组的自感可用下式 表示， 乞。= 乙。一乙1c o s 8 一，d 。2c o s 2 8 ( 2 1 1 ) 厶。是绕组电流的函数，在一定电流范围内可用与电流成线性关系的表达式来表 示： o l = i 。l i 。 ( 21 2 ) k 。和乙2 也在一定程度上受f 。的影响，与，。成一定的函数关系，当z 。一。时o 和 乙。的值达到最大，随着j 。正向增大或负向增大时都稍有下降，近似地可以用的线性 函数表示： 1 0 口0 _ 7 ：0 0 - k 0 0 0 l i o l( 21 3 ) k ：= f 二：一t 。 2 4 相邻相电流对相绕组自感的影响 在非线性的磁系统内，相邻相绕组电流的存在也影响本相绕组磁路的磁状态，因此 对自感的值产生影响。前面第2 3 节分析了相绕组电感在屯= i c = o 时的情况，它受永 磁磁动势和相绕组电流的影响，成为f 。和口的复杂函数，经分析和适当简化后得出了较 沈阳工业大学硕士学位论文 为简明的表达式，如式( 2 1 1 ) ， ( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 所示。和f 。不为零的情况下， 将是，i b ，i 。和口四个变量的函数 2 2 1 2 7 1 1 2 ，下面对此分别进行讨论，为使结论更具一 般性，在下面的讨论中，电机中各相的电流没有相互的制约关系，即f 。、i b 、i 。三者的 矢量和并不一定等于零。 夺i 。= i 。的情况，屯产生b 轴方向的磁动势，i 。产生c 轴方向的磁动势。 i b = i 。时，二者合成的磁动势恰与a 相绕组的轴线相一致，= i o o 时，二者 合成磁动势的方向在a 轴的反方向，其对磁路磁动势的影响相当于a 相正向电 流减小为i ：， i b = f 。 0z 。 从三相永磁同步发电机的物理模型出发，得出三相永磁同步发电机得基本电 路方程式：对表面瓦片径向式的永磁同步发电机绕组的自感、互感的非线性 问题进行系统的分析，得出对饱和效应影响的规律； 分析了永磁体的轴线与绕组轴线相一致或反向时，对绕组电感的影响引 起绕组电感随转角变化的二次谐波分量；永磁磁动势与绕组磁动势相一致或 反向时，对绕组电感的影响一引起绕组电感随转角变化的基波分量 分析了相邻相电流对饱和效应的影响，从而引起绕组自感和互感的变化。 2 l 一 沈阳工业大学硕士学位论文 3 高性能车用永磁发电机的设计开发 3 1 引言 车用永磁发电机的开发，不同于一般的永磁发电机，要充分考虑车用发电机的运行 特点和应用场合。不仅要提高发电机的电气性能，还应兼顾发电机在高速运行时的机械 强度、振动噪声等诸多因素。车用发电机绝大多数情况下是由汽车发动机通过传动皮带 直接驱动的，其转速范围变化大，通常车用发电机的转速比均要求在1 0 ：l 左右，从而 使得发电机的输出电压也在较大范围内波动，但对于供电系统来说，通常要求发电机的 输出电压波动范围小，这对永磁式发电机而言尤为严重，更增加了开发车用永磁式发电 机的难度。在开发车用永磁发电机时既要尽量提高低速运行时发电机的利用效率，又要 降低高速运行时的输出电压和损耗，使发电机在整个转速范围内均得到较好的电气性 能。 由于车用永磁发电机目前尚未作为定型产品在汽车上广泛使用，因此车用永磁发电 机还没有具体的标准要求，通常是根据现在通用的电励磁车用发电机的性能要求，进行 设计开发，并尽可能的提高发电机的效率和功率密度等电气性能。现根据同容量的电励 磁车用发电机的规格，给出本课题开发的车用永磁发电机的具体性能指标。 ( 1 ) 额定功率5 0 0 w ； ( 2 ) 额定整流后的直流电压1 4 v ； ( 3 ) 额定直流电流3 5 a ； ( 4 ) 工作转速1 0 0 0 1 0 0 0 0 r m i n ； ( 5 ) 电压波动范围1 v 。 且该发电机和相同规格的电励磁三相交流发电机相比，效率至少提高1 2 ，功率密 度至少提高1 5 。 因为车用发电机的工作转速在1 0 0 0 1 0 0 0 0 r m i n 之间，永磁发电机的磁场又不可 调节，致使发电机的输出电压波动范围较大，如何在设计过程中尽量减小发电机高速运 行时的输出电压，减轻电子稳压控制线路的负担，是开发本车用永磁发电机的一个值得 注意的问题；另外，同样是由于永磁发电机的磁场不可调节，使得车用永磁发电机在高 2 2 沈阳工业大学硕士学位论文 速运行时，铁耗迅速增大，发电机发热严重、温升过高、可靠性降低，这是开发车用永 磁发电机另一个值得注意的问题。 3 2 车用永磁发电机转子磁路结构选择 车用发电机的工作环境要求其体积小、功率密度大、安全可靠，目前国内外开发的 车用永磁发电机，其转子磁路结构通常采用爪极式和盘式两种，如图31 33 所示。 ( a ) 爪极磁极 ( b ) 圆柱形永磁体 图3 1 爪极式永磁发电机结构 图3 2 转电枢式盘式永磁发电机 图3 , 3 转永磁体式盘式永磁发电机 爪极式结构的发电机具有极数多、永磁体形状简单、磁性能好：电枢反应对永磁体 的去磁作用小等优点，但爪极式结构复杂，制造困难费时，而且爪极和法兰盘所占转子 体积较大，爪极中存在较大的脉动损耗，使得该种结构的发电机功率密度较小，效率较 2 3 沈阳工业大学硕士学位论文 低，反映不出采用永磁后高效、节能的特点，而且随着现代车用发电机容量的增大，必 使爪极式车用发电机的体积过大，不适应现代汽车的要求。 盘式结构的永磁发电机轴向尺寸短、体积小，具有较高的效率和较大的功率密度， 该结构在国外开发的车用永磁发电机中所占比例较大，但是盘式结构的电机制造工艺复 杂，装配精度要求严格。特别是无铁心电枢绕组的制造，关系到径向、切向以及轴向三 个方向的严格定位，如图3 4 所示，而且精度要求较高，这增加了发电机的制造、装配 费用，提高了发电机的成本。更重要的是，盘式结构的电机其电气性能受制造、装配精 度的影响较大，稍有误差，电机的性能便会大大降低。 a b 图3 4 盘式永磁发电机的绕组 a 线绕电枢b 印制绕组电枢 综合以上分析，本课题开发的车用永磁发电机采用在永磁电机中普遍使用的普通圆 柱式结构。圆柱式结构的永磁电机在实际中应用最多，其生产、加工设备较普遍，制造 工艺熟练，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。 对车用发电机而言，圆柱式的永磁发电机的缺点是：转子铁心的利用率低和冷却困 难，针对这个问题，我们对该结构车用永磁发电机的转子进行专门的开孔处理，改善发 电机的通风冷却条件。在圆柱式结构中，考虑到切向式结构的漏磁较大，需要进行专门 的隔磁处理，造成成本增加；而且经过隔磁处理后的转子，可靠性降低，不适应高速运 行的车用永磁发电机。因为车用发电机的容量较小，所需永磁体的用量较小，以一台 5 0 0 w 的永磁发电机为例，永磁体的用量仅为1 0 0 9 左右，因此径向式结构的永磁体摆放 2 4 沈阳工业大学硕士学位论文 体积受限制的缺点对车用永磁发电机而言，影响不大。而且径向式结构漏磁系数较小， 一般a 。 最高转速门。：发电机能够工作的最大转速，称为发电机的最高转速 一。三 相交流发电机的最高转速受轴承的质量、炭刷和集电环( 永磁式无此两项) 以 及风扇的限制。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用发 电机而言，额定工作转速的确定至关重要，因为车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，必须从发电机在转个转速范围内的利用程度和效 率以及最常工作转速区间来综合考虑。从发电机的利用程度和车中用电设备的需求来 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e e 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，这不适合车用发电机的要求，因为车用发 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间，既要充分考虑发电机的利用效率， 又要考虑到发电机的高速运行性能。 由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 s o a c h i m 、j u r g e nm u l l e r 等 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，并得出了如图3 7 所示的车速曲线和所对应 的发电机的转速曲线 6 1 。根据图37 提供的数据可以看出，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2 5 0 0 r m i n 附近。 2 6 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 7 某城市内的普通轿车的车速和其发电机的速度曲线 综合以上分析并结合表1 4 中的数据，因此本课题中车用永磁发电机的额定转速取 为2 5 0 0 r m i n ，该转速值比国内其它车用永磁发电机的研发单位都低，充分提高了发电 机的利用效率，发电机的零电流转速和最高转速按照该类车用发电机的要求选取，分别 选为1 0 0 0 r m i n 和1 0 0 0 0 r m i n 。 332 发电机极对数的确定 因为目前稀土永磁材料的价格还较高，因此在进行永磁电机设计时，应在满足其性 能要求的前提下，尽量减少永磁体的用量。这个问题对车用永磁发电机而言，显得更为 重要，因为车用发电机的开发非常重要的一条就是发电机的成本要低。根据永磁电机中 永磁体的估算公式同： ，揣枷6 。， 式中p 旷永磁同步发电机的额定容量，k w ； p = m 巩，1 0 一 ( 32 ) 盯o 永磁电机的空载漏磁系数，通常由电磁场数值解法求得； 2 7 沈阳工业大学硕士学位论文 k 。将直轴电枢磁动势折算到转子磁动势的折算系数； k 。电机短路时每对极的永磁体磁动势蹦a ) 为直轴电枢磁动势”赢的倍 数， 翰。乏 。3 产一发电机的频率； 凰电压系数，它由相对电压u n e 。和功率因数c o 印的大小决定，即取决于 发电机外特性的硬度， r 厂i 一 。2 等引c o s 2 伊 足。气隙磁通的波形系数， k 。= 导，田为永磁电机中的基波磁通；岛为气隙总磁通。 c 永磁体磁能利用系数，c = b 栅 设计电机时需要根据电机性能的要求，从电机最佳设计出发选择的c 值。一般b m 。06 0 08 5 ，h m o 6 o 7 ，。_ 一所选永磁材料工作温度时的最大磁能积。 系数以、世。、置。、凰、丘。以及f 在一定范围内均变化不大。对于给定的额定容 量r ，增大频率，根据公式 ，：里( 35 ) 。 6 0 也就是增加发电机的极对数，会减少永磁体的用量，降低发电机的成本。但根 据发电机的铁耗公式： p k = c k ，1 。3 b ：g 凡 ( 36 ) 式中 c 。铁心损耗系数； g 。发电机定子铁心重量。 2 8 db 、叫 n 堕毛 沈阳工业大学硕士学位论文 对于永磁式发电机在运转过程中，各部位的磁通密度b 基本保持不变，因此，发电 机的铁耗与频率成指数规律增加，车用发电机的转速较高，若再选用较多的极数，则车 用永磁发电机在高速运行时，发电机的铁耗将会大大增加，以一台6 极的永磁发电机为 例，在1 0 0 0 r m i n 时发电机的铁耗为5 w 。而在1 0 0 0 0 r m i n 的高速时，铁耗将是低速 1 0 0 0 r m i n 时的2 0 倍，达到l o o w ，致使发电机的发热严重，温升过高，大大降低发电 机的电气性能，甚至不能使用。因此，在进行车用永磁发电机的设计时，需要综合考虑 这两方面的情况，进行整体的性能比较，解决好这对矛盾。为此，我们对不同极数的发 电机，在不同情况下进行性能比较，其具体的比较结果如图3 8 和表3 4 所示。 不同极数莳瓷电机效率 l _ 不同极馥在整个转速范围内的铁耗 栅“ 】0 i w 0 0 0 0 0 n r r ，- i 不同极数在整个转速范围的内效率 ( c )( d ) 图3 8 不同极数的车用永磁发电机关键参数曲线 一2 9 沈阳工业大学硕士学位论文 表31 不同极数时发电机在零电流及最高转速时的主要性能数据 参数 = 玎o = 1 0 0 0 r m i n 聆= 玎一= 1 0 0 0 0 # m i n u4 u pf 。 町u4 u p f 。 玎 极数v 胍 哺 p o v vp o 、 d 70 698 62 68 88 32 82 44 7 3 0 3 51 2 5 1 97 l5 6 670 882 62 43 08 4 9 42 38 0 2 62 51 0 92 57 42 3 87 0 858 93 55 2 8 43 62 39 21 65 71 6 46 46 9 2 7 1 27 0 954 54 58 48 3 - 3 72 38 9 1 56 72 1 2 2 26 52 6 通过上面的计算比较，可以看出，6 极永磁发电视无论在额定转速时的效率还是在 整个转速范围内的效率均比其它极数的高，因此选定本课题车用永磁发电机的极对数 p = 3 。同样为了验证计算的准确性，比较发电机的性能，我们同时试制了一台p = 4 的 表面瓦片形的发电机样机。 333 发电机气隙长度的确定 图3 9 气隙长度对永磁发电机各主要参数影响曲线 3 0 沈阳工业大学硕士学位论文 永磁电机中气隙的大小对电机的性能影响很大，针对永磁发电机而言，主要包括对 漏磁系数、输出电压、电压调整率、气隙磁密以及永磁体的用量等参数的影响n h ”。为 此，针对本课题的车用永磁发电机，分析了不同的气隙长度对上述参数的影响，得出了 各参数随气隙长度的变化曲线，如图3 9 和图31 0 所示。其中，图3 9 是只改变气隙长 度，其它设计参数不变时的变化曲线；而图j1 0 是在改变气隙长度的同时，为保证车 用永磁发电机性能合格而相应的调节其它参数时的变化曲线。气隙大小对漏磁系数的影 响将在下一节中利用场路结合的方法进行详细分析。 0 17 。 0 1 0 1 1 0 a0 1 口5 善 0 1 。 00 * ”占、f 了而i i i 百 m do5 o5oto 0 11j 1304 6aro 1 口l i 口405 口607口_o0 1o 1 tt 2 13 6 m m5 ，m m6 t r a m 图3 1 0 不同气隙长度时发电机各主要参数的变化曲线 在确定气隙长度时，还应考虑永磁电机的结构特点，对于表面瓦片径向式结构，为 保证发电机在高速运行时安全可靠，需在永磁体外用无纬玻璃丝带包扎或采取其它的紧 固措施，因此气隙长度不能太小。在以上分析的基础上，我们选定三个样机的j = 1o m m 。 一3 1 沈阳工业大学硕士学位论文 3 _ 4 车用永磁发电机的电磁场分析及漏磁系数的计算 永磁电机与电励磁电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。永磁体在 电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁体的磁性能不仅与生产厂的制造工艺有 关，还与永磁体的形状和尺寸、充磁机的容量和充磁方法有关，具体胜能数据的分散性 很大。而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能、 尺寸和电机运行状态而变化。此外，永磁电机中漏磁路十分复杂而且漏磁通所占比例较 大。这些都增加了永磁电机电磁计算的复杂性。 为了提高计算的准确程度，需要利用电磁场数值解法对开发的车用永磁发电机进行 电磁场计算和分析，从而确定其磁场分布，并较准确的计算其漏磁系数等参数。 341 车用永磁发电机电磁场分布及空载气隙磁密波形 用二维电磁场数值计算方法对本文采用的三种结构的永磁发电机进行分析。 采用矢量磁位4 求解，该电磁场问题可以表示成边值问题： 皿孙势孙势t 慨， lr l ：爿= a 。 式中，磁阻率，= l ，为磁导率； 爿磁矢位，因为a 只有z 轴分量，故可写成标量形式； ，源电流密度； r ，第一类边界条件。 这时磁力线全部在x y 平面内，磁场只有x 轴和y 轴方向的分量， 盈：掣b 。：一掣 o y 靠 式( 4 一1 ) 等价为以下条件变分问题 j o ) = 皿( f 归d b j z a ) d x d y = r n i n ir 14 = a 。 式中b = 蕊蔼 3 2 一 它们的表达式为 ( 3 8 ) ( 3 9 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 对变分问题进行离散，用i c c g 法解线性代数方程组，求得各节点的矢量磁位，据 此得到磁场分布。 径向式结构车用永磁发电机的磁场分布与爪极式结构和盘式结构的永磁发电机的磁 场分布相比，较为均匀，漏磁系数较小。图31 l 和图31 2 分别给出了表面瓦片径向式 和内置径向式结构车用永磁发电机的磁力线分布图和气隙磁密波形图。图31 3 是极数 等于8 的表面瓦片式结构的磁力线分布图和气隙磁密波形图。 ( a ) 磁力线分布图( b ) 气隙磁密波形图 图3 1 16 极表面瓦片形结构 ( a ) 磁力线分布图( b ) 气隙磁密波形图 图31 26 极内置径向式结构 一3 3 沈阳工业大学硕士学位论文 ( a ) 磁力线分布图( b ) 气隙磁密波形图 图31 38 极表面瓦片径向式结构 从上面的磁力线分布图中我们可以明显地看出，内置径向式结构比表面径向式结构 的漏磁通要大。根据上述电磁场的计算，这两种结构的漏磁系数分别为o 。e 一12 1 和 os 一= 1 0 8 。内置式结构的永磁体外部被铁磁材料包围，类似于带软铁极靴的永磁电 机，这可以从图3 1 1 31 3 中对应的气隙磁密波形图中看出。 3 42 径向式结构车用永磁发电机空载漏磁系数的计算 在永磁电机的设计中空载漏磁系数计算的准确与否直接影响电磁计算的准确性。 影响漏磁系数的因素很多，且漏磁场分布复杂，难以精确计算，在工程计算中，常常根 据永磁材料和磁极结构凭经验选取，这给电磁计算带来了较大的人为误差。在此，通过 二维电磁场数值计算方法，对本课题采用的径向表面式车用永磁发电机的空载漏磁系数 进行计算研究，其计算方法和计算结果同样适应同类结构的其它永磁电机，其它结构的 永磁电机，可以依据此计算方法，类似推得。 永磁电机的漏磁分为两部分：极间漏磁和端部漏磁。前者用极间漏磁系数来表示； 后者用端部漏磁系数来表示。对普通的永磁电机来说，端部漏磁系数较小，常忽略不 计，但车用永磁发电机的体积较小，轴向尺寸很短，需要对这两部分的漏磁进行分别考 虑。 3 4 沈阳工业大学硕士学位论文 3 4 2 1 极问漏磁系数 利用电磁场数值解法对图31 4 所示的求解域进行求解，可求出图中所标出的各点 对应的磁矢位值。 b 1 1 l ( a ) 求解场域( b ) 磁场分布 图31 46 极表面式极间漏磁系数电磁场分析 根据漏磁系数的定义 。：生：燮：1 + 生 嚷嚷嚷 可以求得车用永磁发电机的极间漏磁系数： ( 31 0 ) 盯，：幽( 3 a f a f l 式中4 。求解场域图中k 点的磁失位，k 分别代表为b 、b 1 、e 、e l 。 以极弧系数口。和气隙长度与极距之比j r 为变量，计算出不同磁极尺寸时的极间 漏磁系数q = f ( a 。，占r ) 。其具体的曲线如图31 5 所示，从曲线上可以清楚的看出极 弧系数及气隙长度等参数对漏磁系数的影响。 3 5 沈阳工业大学硕士学位论文 z 痧 杉矿 励 勿矿 z 夕 _ 二 7 _ 一 00 l00 200 30 0 40 0 500 6 6 伍产o8 0 a d - 07 5 a d 07 0 町0 6 5 d 06 0 图3 1 5 极弧系数、气隙长度和极距对极间漏磁系数的影响 342 2 端部漏磁系数 永磁电机的端部漏磁磁场比较复杂，准确计算其漏磁系数需要求解永磁电机的三维 磁场，但三维磁场计算麻烦、资源和时间需求较大，通常将其简化，建立等效模型，用 二维电磁场方法进行求解。计算端部漏磁时，车用永磁发电机的二维求解域如图31 6a 所示，图31 6b 为发电机的端部磁场分布图。 aa l 电框铁心 e dd 1e 1 b 永磁体 f f 1 ( a ) 轴向求解区域示意图( b ) 轴向磁场分布 图31 66 极表面式端部漏磁系数电磁场分析 同样，利用电磁场数值解法对求解域求解完后，可以得到e 、e 1 、f 、f 1 各点的磁 失位值，则可由公式 吁铡 吼2 确 - 1 2 求得端部漏磁系数。 一3 6 一 = ! 埽m h n魄嘶舛蛇 沈阳工业大学硕士学位论文 由于端部漏磁占总磁通的比例随电枢轴向长度的改变而变化，为此，常引入端部漏 磁计算系数仃：的概念，其定义为端部漏磁通吃与电枢单位计算长度内主磁通宓l ，之 比，0 i ：与端部漏磁系数o - ，的关系为 盯：垒+ 1( 31 3 ) 。 上盯 以永磁体轴向外伸相对值，：和永磁体厚与气隙长度之比h m j 为变量，计算单位 端部漏磁系数d ：= ( 艺，h m 肛) ，得到如图31 7 所示的曲线。 ， ， 么 童兰二一_ 一 00 40 8l2l622 42 83 23 64 ， h 舻= 1 4 h 加= 9 h ，乒= 4 h 。6 = l 图31 7 永磁体轴向伸出长、厚度和气隙对端部漏磁的影响 求得a 和盯：或盯：后，车用发电机的空载漏磁系数为 盯。2 + 盯：一1 ) = + 面o 2 ) ( 3 1 4 ) 式中 尼经验修正系数。 经过上面的分析，得出针对本课题所设计的三台发电机的空载漏磁系数如表3 2 所 刁io 表3 2 车用永磁发电机的空载漏磁系数 l 磁极结构 6 极表面式6 极内置式8 极表面式 i 空载漏磁系数 11 11 2 51 1 1 3 7 一 !耋心睨!耋叭!耋。 沈阳工业大学硕士学位论文 35 车用永磁发电机高速运行时输出特性分析及优化措施 车用永磁发电机的工作转速变化范围大，高速时转速可达到上万转，而永磁发电机 制成后，磁场调节困难，致使发电机在高速运行时输出电压过高，这不符合汽车内蓄电 池和其它用电设备的要求，尽管车用发电机最终的输出电压要通过电子线路进行专门的 调节控制，但在进行车用永磁发电机的本体设计时，尽量调节各设计参数，改善发电机 本身的高速输出特性，减轻高速运行时电子线路进行恒压调节的负担，提高其控制精 度，并节省控制线路的成本。 351 径向结构车用永磁发电机等效磁路及参数表达式 结合文献 7 对永磁电机等效磁路的分析，针对本课题采用的径向结构的永磁发电 机，作进一步的分析，并考虑到负载时电枢反应的影响，得出车用永磁发电机具体的等 效磁路，如图31 8 所示p ”。 以一以5 1a n4 l 图31 8 径向式车用永磁发电机等效磁路图 图中a ，转子磁轭的磁导； a 。，幸 子轭与永磁体间附