（车辆工程专业论文）汽车用永磁与电磁混合励磁恒压发电机的设计研究.pdf

山东理工大学硕一l ：学位论文 摘要 摘要 汽车用混合励磁发电机采用稀土永磁和电磁共同励磁，增大了发电机比功率，减小 励磁电流及励磁损耗，提高发电机的效率，既具有电励磁发电机良好的调整特性，又具 有永磁发电机的高功率密度、高效率、高可靠性的优点。 论述了混合励磁发电机的工作原理，提出电励磁磁场能够完全控制永磁体磁场为原 则的设计方法，编制了基于该设计方法的计算机设计程序，对混合励磁发电机的结构参 数、性能参数进行设计与计算；根据磁能密度的概念，对永磁体的工作点进行了优化， 提高永磁材料的利用率；利用等效磁路法建立了混合励磁发电机的磁路模型，分析计算 了空载时永磁部分和电励磁部分的磁导和磁通。利用双反应原理和叠加原理，建立了空 载特性的数学模型，获得发电机的电压平衡关系和矢量图，为混合励磁发电机电磁设计 打下基础。提出由基准电路、比较电路、控制电路、触发电路和h 桥控制电路组成的稳 压控制器的设计方案，利用p r e t e ld x p 软件分析了稳压控制器中的主要电子元件的参数 对发电机输出特性的影响规律，从而设计出具有最优参数匹配的混合励磁发电机稳压控 制器。 研发出一台基于气隙磁场可调、无刷爪极电励磁转子与稀土永磁转子并联同轴、共 用同一个电枢绕组、输出电压稳定的汽车用混合励磁发电机，该机主要性能指标达到了 设计要求，并具有良好的稳压性能。 关键词：永磁；电励磁；混合励磁；稳压；发电机；汽车 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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生繇乃建伟 时间： 乙9 心年甲月么日 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：学校可以用不同方 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： 导师签名： 马莲 煳k 时间：力口四年月多日 时间：妒罗年莎月多日 山东理工人学硕上学位论文第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 随着我国国民经济的迅速发展，汽车工业已成为国民经济发展的支柱性产业之一， 在工业生产、交通运输以及人类生活的各个方面都起着不可缺少的作用。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。据统计， 2 0 0 7 年我国生产汽车8 8 8 万辆，社会保有量5 7 0 0 万辆，考虑1 0 的维修更换和其它车 型，依此计算每年对汽车用发电机的需求量为1 4 0 0 多万台【l j 。因此，该产品具有广阔的 应用推广前景。 现在的汽车已广泛采用空调装置、电喷发动机、电控门窗、电动可调座椅等新技术， 因此汽车的用电量就更大。目前中高档轿车发电机功率一般都超过1 k w ，随着汽车性能 的提高，汽车用电量还要加大，因此，对汽车用发电机功率的要求愈来愈高。所以，汽 车用发电机已被定为汽车关键零部件。 汽车发电机是汽车电气设备的主要电源，它不仅要为点火系统及其它用电设备提供 电能，还要向蓄电池补充充电。六十年代以前，汽车上采用的是直流发电机，直流发电 机体积大、功率小，随着汽车工业的迅猛发展，当今发达国家均已在汽车上装用硅整流 交流发电机以取代过去的直流发电机【2 】。上世纪八十年随着稀土永磁材料的出现，永磁发 电机得到蓬勃的发展，在汽车上也有所应用。 目前汽车使用的发电机主要有硅整流发电机和永磁发电机两种：一种是硅整流发电 机，通过电励磁绕组的励磁电流产生磁场，通过励磁绕组的电能只有很少一部分转换为 用于发电的磁能，电能利用率低，电能的消耗大；转子的励磁绕组易出现烧毁、断线等 故障，这样势必增加了汽车维护成本。硅整流发电机主要有两种形式，其一是有刷硅整 流发电机，该发电机存在碳刷滑环结构，因碳刷滑环容易磨损，这就大大缩短了发电机 的使用寿命，故其故障率较高；其二是无刷硅整流发电机，该发电机取消了碳刷滑环结构， 解决了有刷硅整流发电机寿命短、故障率高的问题，但是它增加了磁路气隙的长度，所 以使发电机的效率降低，增加了励磁电能的消耗。此外，硅整流发电机还存在以下的问 题，在交通拥挤的城市，车辆开不快，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，造成了需要频繁更换蓄电池，增加了充电次数，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。因此，研制一种性能更加优越的新型发电机显得十分必要。 山东理工人学硕上学位论文第一章绪论 另一种是永磁发电机，永磁同步发电机取消了励磁绕组，也就取消了容易出现问题 的集电环和电刷，成为无刷发电机。因而具有结构简单，运行可靠，体积小，质量轻， 损耗小等优点。虽然永磁同步发电机具有上述诸多优点和广泛的应用前景，但从目前的 实际应用情况来看，它的应用仍存在一定的局限性，还不能在汽车上得到广泛的推广应 用。永磁同步发电机由永磁体产生磁场，因此就不能通过调节励磁磁场的大小来调节输 出电压，目前比较成功的用于永磁发电机的稳压方法是可控整流稳压技术，该技术较好 的解决了1 k w 以下的永磁发电机的稳压问题，而且结构简单，成本低，运行可靠；但对 于l k w 以上的大功率发电机稳压比较困难，因此，永磁发电机主要适应于中小功率的情 况。若发电机功率过大，稳压成本增加。 我国稀土资源丰富，储量占全世界4 3 以上，稀土产量占世界8 8 左右，均居世界 首位，因而我国钕铁硼价格远低于国际市场【3 】【4 】。混合励磁发电机可以充分利用我国丰富 的稀土资源的优势，大大减少铜材的消耗，从而降低发电机成本，同时对我国稀土资源 的丌发应用和促进稀土工业的发展也有着重要的2 0 意义【5 | 。 本课题研究的永磁和电励磁混合励磁发电机，在国外略有应用，在我国尚属新丌发 项目，是一种很有发展前途的发电机类型，适应了我国稀土资源丰富的国情，改变了传 统的单一电励磁及永磁体励磁模式。混合励磁发电机是一种永磁和电励磁结合的发电机， 集电机、电力电子技术、新材料等技术于一体，性能指标显著提高。混合励磁发电机既 具有硅整流发电机良好的调整特性，又具有永磁发电机的高功率密度、高效率、高可靠 性的优点。能够适应转速和负载在宽广的范围内变化，还能保证输出电压恒定。该发电 机以其先进的结构和优异的性能，势必提高汽车电气系统的整体水平，促进汽车工业的 技术进步。因此该课题不仅具有较高的理论研究价值，而且具有显著的经济效益和社会 效益。 1 2 国内外混合励磁发电机研究现状 所谓混合励磁，就是发电机的定子气隙存在两种磁场，一种是永磁体产生的不变磁 场，另一种是电励磁绕组产生的用于调节电压的可变磁场。目前国内外大多设计采用永 磁体产生磁场为主磁场，电励磁产生的磁场为辅助励磁的方案，其实质是利用电励磁发 电机的电压调节方法来调节永磁发电机的电压，该种发电机综合了永磁和电励磁发电机 的优点，同时又克服了两者各自的缺陷，是一种很有发展前途的汽车用发电机。 1 2 1 国内混合励磁发电机现状 ( 1 ) 南京航空航天大学研究的混合励磁发电机的结构如图1 1 所示，其电励磁辅助发 电部分与永磁发电部分共用一个定子铁心及定子绕组，磁通在气隙中合成。它能够较好 2 m o s 构成的r _ - |励磁l 盟l 路 g 、 桥式电路卜一 等效电路 i ir q ll f p q 厂u 叫f 2 l i | 丁r p w m 控制及换向 霍尔电压及 波形 继 控制驱动电路 电流传感器 整定电 一 儿 j 保 护 控 口州竿 制 互锁电路及 采样保持器及 榆测 光电隔离 1 2 位a ，d 转换器 ：应用程序框架时，如果选择的是单文档类型或足多文档 类型，那么向导将自动建立预定义的菜单【4 7 l 。即在工作空j 、r jr 若没有j ：作空问则j 1 右击 鼠标选中工作窄问选项) 的r e s o u r c c v i e wl 的m e n u 了菜译下的i d r _ m a i n f i 认m e 如 图4 1 4 所看j 。 图4 1 4 主菜单框图 为各菜单项添加属性，鼠标右键币击对应菜f 页弹出属性栏，在属性f ! 中输入 棚应的i d 及所想标i 刿n 勺汉i 例如i d 一2 一e d i n g s h u j u 及额定数掘，就完成了如图4 1 5 听示的额j 芭数据，总= i b 要j e 成六个组成部分：混合励磁发电机的功；钲、混合励磁发f u 机的额定数捌、永 x 墼；帑爷爨蠹籍羹莓 垂t 氍；i 萋季堀j i i 羹鬻 _ j i 蔷i 点? i i 囊麟骠鋈徽篓鋈黔m 弘。蒌蘑。鲫謇萋巨墓；巨萋；雀弱；塾i 薹鬻鎏黼带2 鬻朔；銎鏊黼錾葫盯耋霪墼 重量量刊i 曩雾 i 詈；琴冀薹i 鏊秦；型摹熹董? 囊而翁；冀鼻擎j “咎羹i i 差孽妻型薷翼彭鬻 3 ”j i 硝 哺鎏骥理! l j i 娶茴鬻引；i ii 。创。酞谈。鞘喇囊；l i 精誊萋萋囊墼! l l 嚣烈51 需蒌鍪邑。囊鬻驯j ；! 弧骑3 霪彭；耋妻兰i “j 鍪? 旺葵；逋m 篱。萋? 磐； ；| | i 酬链“鍪描誉j 至j 澜皑。鬟裕! 臻；i 7 淝。斋摈； 霪j 喏丢1 藻粥 ；荔攥5 爨诺；。班碰攀始州溪托鬣蕊。型霪懒霪饕餐i ! r ：两瓤“囊滗笺芹。p 囊；鬻龌鋈绣“彳萋葡型纂錾 ；。蓼签；”冀薹参参：i 羹鞋雪点i 莲瑟 拗i 囊霾枞攀纂粪。瞪撒! 沏黧潲 | | | | 瑟霜秀冀适i i i 妒i 魏疆融瞳中囊：选洚强i 萋j 籀倒；刘篓i j 蓠 ；l i i 构丑鎏醛牛鏊丽崩； 妻；薹i 雾烈饿熏燮 i l i 葡爹嚣誊参参蓉i 童萄i i 窦 囊篓捌i i i 似囊i j j j 建鬻黔料j 篓阱懈丛燃蕊冀銎萋囊嚼唆曼劈繁 耀囊；鬻鬻蓑冀篓强鏖襄霪薹羹蓁囊錾蓊i l i i ；萋鋈蓁| 甓鞋l l l ! ；恤冀鬻l ! 糖薹谢蓁i 1 鬻强 霎酝誉萋渺孤 x 图4 一】8 永磁体尺寸的选择对话框图4 1 9 转子结构尺寸对话框 图4 2 ( j 定子结构尺寸对话框图4 21 磁路设计计算对话框 图4 2 2 励磁绕组的计算对话框 力：川jf 。人倒! j 学f t 沦义筇叫章混合恸磁发l u 机运 亍特。r i ：1 j l u 砒改i 以混合励磁发电机的额定数据所涉及的刈话框为例进行编辑对话框的说明。 在资源类中的对话框中插入对话框，具体操作为：右击资源类的d i a l o g 选择“插入 d i a l o g ”，如图4 2 3 所示。 f ，啦俏7t 1y 瓶5 i 二h 口堋t 叫上且1宦_ ” 帮勋 o “a= 1 一 瓦耳碍w一。“ ， ，。，、 “ !fl 图4 2 3 插入对话框的视图 = _ f i 击改变其i d 及名称，改变其i d 为i dd i a l o g 2 ，其名称为“额定数据”，右击工 具栌【k 选r ”摔仆”在刈。话框r 【1 静念文本和编辑框，对静态文本的名称改变如图4 2 4 所 示，笫个编辑框的i i ) 改为i d0 0e d i n g o n g l v ，第二个编辑框的i d 改为 i d0 0x i a n g s h u ，第一个编辑榧的i d 改为i d0 0e d i n g d j a n y a ，第四个编辑框的 i d 改为i d0 0 ( j o n g i 。v ，第“个编辑框的i d 改为i d0 0g o n g i 。v y i n s h u ，第六个 编辑框的i d 改为1 d0 0l ! d i n ( j z h u a n s u ，第七个编辑框的i d 改为 i d ( ) ( ) ( j u y o u t i a o z i i e n g l v 。 图4 2 4 功率对话框 为对话框创建个刈1 舌框类，即c d i a l o g 类，它是1 h _ 】求管理对瞒框的，刈话框类为 管理对i 再框提供了+ 个编辑接lj 。可以通过对c d i a l o g 类的编辑米实现对话榧的建矿、 【jj 东理丁j ：学顺i 学位论文 第【j u 市混i ? 场磁发i u 机运行特一陀1 j i u 磁设汁 显示、火闭和销毁。具体操作步骤为：打丌d i a l 0 9 2 按下c t r l + w 键，将弹m 如图4 2 5 所 示的对话框，请，；j 工击o k 按钳i 。红弹出的如图4 2 6 剥话框中填好对应各项，然后点击 o k 按钮。 图4 2 5mf ( ：c l a s s w i z a r d 图4 2 6 编辑新类的名称和基类 4 8 5 向对话框控件连接数据成员 m f c 提供了套完整的对i 再l ：n 数j ：j l i 采集的机制，叫做“数据映刺”。婴做的卜作 要足添写成员变最n 勺变量名和选择变费类型。按卜c t r l + w 键弹出类向导，为其增加变请， 单i h 要增加变量的编车蚌框，啦击八d dv a l i a b l e ，j | 1 _ l f 拗冬 4 2 7 所示的对话框，操作j 艺后，将 i f c | 罔4 2 8 所示，然后r 1 出确定。 讹叫市混合励f ；i ；l 发i u 饥运行特+ 件i u 磁改j 图4 2 7 编辑增加变量的各项 4 8 6 将对话框联接到菜单项上 图4 2 8 增加完变量 菜币的作川就足仵川户币击菜r n 选项时能作出响应。j 单击菜单时，也就足 向w i n d o w s 发m 了个消息，w i l l d o w s 得到这一消息，然后将其送剑应f 1 ； | j 程序l 来。我们甬先启动“建莎类向导”，给菜t 币项连接上消息处理函数。将川才编。弓 的对话框连接剑菜单上。按下c t r l + w 键弹j + 类向导，为其加j ：c o m m a n d 的 f u n c t i o l l ，如图4 2 9 。 4 8 山尔删t 人学埘! l j 学位论文笫叫学混台嘞融发f 也机运行特。陀10 i 乜磁殴j h c b s a g cm 6 p 8 m e m b c rv a f j 。b i c s | a u t 。m a t i 。n | a d j v c e v c n l 8c i a 8 si n f 0 p o 坦敷一一一竺曼竺婴：一a d dc ! m ， l l w p i c h a i n f r a m c一 e w p 待改w a ；n f mh e “u w p 待改w a i n f r m 。p p 一二。二一i 0 bj cc ti d s ： m c 8 8 a g c 8 ： q c i c t cf u n c t i o o i 芒甜；i 并哦鬲一i 酗雹虫墨题_+ ：j = i i d 10 a t a i u p d a t ec0mh a n 0u i k u 。“ 徊日窿髓囹圉 一一 | l d3y c c l l r m c m b c f 礼n c “o n s ： w0 n 1 d a t o0 ni d1d a t a ：c 0 m a n d “ 囫母毽曩嬲e 澄驾誉图墨嬲翟盈翻一w0 n 3 y c c 1 0 ni d3y c c l ：c o m m a n d w0 n d c u n0 ni d4c u n ：c o m a n d wo n 5 z h u a n z j 0 ni d5z i i u a n z lcommand。 d o s c r l p t i o n ：h a n d i eac o m m a n dl t r o mm c n u c c e i c m db u n o n i 确定 图4 2 9 增加i ? l l l l c t i o l l 这样当单一r k 菜单项时，就会弹所编巧的刈研框。住本例j ，【 一，将d i a l 0 9 2 连接到菜 单“功率”之后，就可以伍陔菜r 、m ，j 消，自、处硼i 雨数， ，加入i 、列代码： 在h n i 的代码r f 一，白先创建了一个c d l 9 2 类的对象d l g 。然后川c d i a l o g ：d o m o d a l f ) 函数来显示模态对晒框并叫送值，回送的值一般为i d o k 或是i d c a n c e l 。 旦模态对话框被显示，就丌始一个消息循环以等待削广，输入。消息循环足m i c r o s o n w i l l d o w s 程序接收鼠标和键盘的输入的机制，在对话框。卜箨个控什。一j 以接收用- 的输入， 但叫 碑击o k 按扭或足c a n c e l 按扭时，对话框的私有消息循环将终忆柞j 挖制将返i 叫 至ju 甜用c d i a l o g ：d o m o d a l | ，| 勺函数中。 所以要和c n l a i l l f r a n l e 炎【- 忝加相应j ：对话框叫j 数据的变毓。并儿将列。话框r 1 1 输入 i ，1 勺数掂传输到这个变量t j ，这足通过代码1 1 10 0p a i l = d 培mp a i l 实现的。 将刈。话椎中mp a i l 的值赋给它对应| ，i 勺个局变量m0 0p a i l 。其它对晒框和变艟也足 如此实现的。这样就把七个对晒水与七个肘j 够的菜单项迎接| 了，并f _ 1 利用刈i 五框将用 r 输入i i f 勺数j ：j i ：赋给川j 皿的变量。 山东理工大学硕士学位论文 第五章稳压控制电路的设计与仿真 第五章稳压控制电路的设计与仿真 汽车用混合励磁发电机中永磁体磁场和电励磁磁场在定子中合成，基于其结构的特 殊性，稳压控制原理较传统硅整流发电机和永磁发电机的稳压电路在稳压原理上有着本 质的区别，另外，由于汽车发电机工作转速和负载都是不断变化的，这就使发电机的输 出电压保持稳定更为困难。本课题设计的稳压控制电路成本低、稳定可靠并且在宽转速 宽负载范围实现稳压。 5 1 稳压控制电路的组成及各部分作用 稳压控制电路的作用是向混合励磁发电机的电励磁绕组提供一个大小和方向可调的 直流电，当发电机转速及负荷改变而使得端电压随之变化时，稳压控制电路能随着端电 压的变化自动调节励磁电流的大小和方向，以调节励磁磁场的大小，从而调节定子绕组 中的合成磁场，使发电机端电压保持在给定水平并保证有一定的调压精度，以满足发电 机的正常发电和负载安全运行的需要。 本课题提出的稳压控制电路由基准电路、比较电路、控制电路、触发电路和h 桥电 路组成的稳压控制器。当发电机的输出电压低于规定值1 4 v 时，控制系统通过控制电路 和触发电路触发晶体管使励磁线圈通正向电流，增加发电机转子的励磁磁场，提高发电 机的输出电压，使发电机的输出电压达到规定值。当发电机的输出电压高于规定值时， 控制电路使触发电路触发另一对晶体管导通，使励磁线圈通反向电流，减少发电机转子 的励磁磁场，降低发电机的输出电压，周而复始，保证发电机在宽转速宽负载范围内输 出电压稳定的直流电。 图5 1h 桥电路 基准电路：采用电阻分压式偏置电路，取两个分压电阻的中点电压作为工作点，为 5 2 山东理工人学硕士学位论文 第五章稳压控制i 乜路的设计! j 仿真 了防止工作点漂移带来稳压值的变化，增加稳压管旁路。 比较电路：主要利用稳压管的工作在反向击穿区，当电压小于稳压管的稳压值时不 导通的特性，与工作点电压比较，来决定稳压管是否导通。 控制电路：利用三极管的开关特性，根据比较电路稳压管的导通与否，两只三极管 交替开关，发出控制信号。 触发电路：接受控制电路发出的控制信号，触发h 桥的一组桥臂，使其导通，从而 为励磁绕组提供励磁电流。 h 桥电路：由四只晶体管构成，通过打开不同的桥臂为励磁绕组提供大小方向变化 励磁电流，如图5 1 所示。 发电机发出的电首先经过桥式整流将交流电转换为直流电，但是所得到的直流电存 在较大的脉动，因此，为了减少输出电压的脉动程度，在电路中加入电容滤波器，图5 2 所示为采用1 0uf 的电容获得电压波形。通过增大滤波电容的电容值可以获得电压波动 更小的、更理想的直流电。 ；厂 ，_ 、- 卜一，、厂、r 、r 、 。 ；f j t - p 图5 2 电容滤波后的电压波形( 1 0 uf ) 但是考虑生产制造成本，不能无限制的加大滤波的电容的容量，因为电容的价格会 随着容量的增大而升高。总之，通过加入滤波电容的方法大大减少输出电压脉动。 5 2 仿真软件的选择与模型的建立 随着电子计算机技术的发展，电子设计自动化( e d a ) 技术已成为电子产品设计的主导 技术，各种电路设计软件也不断涌现，利用这些软件可以对所设计的原理图进行仿真， 在整个设计周期都可以查看和分析电路的性能指标，及时发现设计中所存在的问题并加 以改正。设计者能够准确地分析电路的工作状况，从而提高电路的设计工作效率、缩短 开发周期、降低生产成本。在众多软件当中，p r o t e ld x p 软件就是一款功能强大的电路 设计软件【4 9 j 。 山东理t 大学硕十学位论文 第五章稳压控制电路的设计与仿真 5 2 1p r o t e ld x p 软件简介 p r o t e ld x p 具有原理图设计、p c b 图设计、制板、电路仿真等功能。原理图设计中 采用集成元件和元件库，每个元件包含原理图符号、印制板封装、电路仿真和信号完整 性模型，便于用户对元件的选择【5 0 1 ，因此利用p r o t e ld ，软件可以方便快捷的绘制原理 图，它还具有检查原理图错误的功能，及时提醒设计者对原理图进行修改。 p r o t e ld ，中的制版功能能够迅速将绘制的原理图按照设计者划定的线路板尺寸和 形状的要求转化为p c b 板。对于自动布线后的线路，还可以进行手动调整；设计者也可 以利用手动布线功能进行布线，以达到最佳效果。制版完成后，利用三维立体效果预览 功能能直观的看到所有元件放置的真实情况。 p 玎o t e ld ，为用户提供了一套完整的从设计到验证的仿真设计环境，对模拟信号、 数字信号、以及数字信号模拟信号的混合信号进行一系列的仿真。它包含了一个数目庞 大的仿真元件库，用户只需在仿真元件库中选取元件，绘制好原理图，再加上激励源就 可以进行仿真。p r o t e ld x p 提供了多种仿真功能，包括交流小信号分析、瞬态特征分析、 噪声分析、直流分析、参数扫描分析、温度分析、傅里叶分析、蒙特卡罗分析等十多种 分析方式，不同仿真方式从不同角度对电路的各种电气特征进行仿真p 。p r o t e ld x p 仿 真器又提供了功能强大的仿真结果分析工具，可以记录需要的仿真数据，显示各种仿真 波形如波特图、模拟信号波形、数字信号波形等，并可进行波形缩放、波形比较、波形 测量等【5 2 】。 5 2 2 利用p r o t e ld ，建立稳压控制电路仿真模型 ( 1 ) 新建一个原理图文件枣s c h d o c ，命名为“稳压控制电路”打开编辑环境，进入原理 图编辑工作环境；单击菜单命令“d e s i 印- a d d 瓜锄o v el i b r a i e s ”，进入元件库【5 引，添加 原理图5 3 中所需的元件，调用“e d i t - a l i 口”命令，将各元件布置在图纸相应位置； ( 2 ) 设置元件参数，对所有的元器件设置s i i i l u l a t i o n 仿真属性( 在d ，中假定所有元 器件都是理想元器件) ；用导线进行电气连接，对整个电路进行编译e i 屺校验确保整个 电路没有错误。 利用p o t e ld x p 的s i 舢l a t i o ns o u r c e s ( 激励源) 中的电压源来模拟发电机发出的为 f 弦交流电，通过改变正弦电压源仿真属性中频率和峰值来模拟发电机在不同转速下发 出的电压值。稳压控制电路的原理图如图5 3 。 山东理工人学硕上学位论文 第五章稳压拎制电路的设计与仿真 。_ 】l一lj l 厂 。( ! ， ：r _ 二一 rp 、 w f 一上，) 卞 刮裂 触发l l _ j - i 吧殆l h 励磁线圈rl 一7 l 刊：) 直 jlj ljl ri 。? 乍、上 _ 1 1 ，| 5 2 3 稳压控制电路稳压原理 图5 3 稳压控制电路原理图 通过调节基准电路中分压电阻的阻值，可以改变参考点v n 的电势，从而设置励磁 电流换向的电压值为1 4 v ，即目标稳压值u o _ 1 4 v 。 发电机开始转动时，由于转速低，输出电压u 也低，小于目标稳压值u o ，比较电路 中的稳压管d w 的电压达不到其击穿电压u l ，控制电路中第一支三极管因基极无电流而 处于截止状态，为了给触发电路提供更大的控制电流，控制电路采用由两个三极管组成 的复合管，以达到触发电路所需的基极电流。而控制电路中另一只三极管的发射极与基 极之问的电压大于0 7 v ，因此该三极管导通，为触发电路的提供触发电流信号，触发h 桥的q l 和q 4 桥臂导通，在励磁绕组凡上产生正向励磁电流，这时电励磁的磁场与永磁 磁场同向，增大输出电压。 当发电机转速进一步升高，输出电压u 升高。当输出电压u 大于设定的目标稳压值 u o 时，控制电路中第一只三极管发射极与参考点v i n 之间的电势差大于稳压管d w 的击 穿电压u ，该三极管由截止状态变为导通状态。该三极管导通后，发射极与集电极之间 的电压为0 2 v 0 3 v ，小于控制电路中的第二支三极管发射极与基极之间的门槛电压 0 7 v ，该三极管由导通变为截止，不再向f 向励磁触发电路提供触发电流，q l 和q 4 桥臂 断路，励磁绕组上没有励磁电流通过，输出电压u 下降；如果转速急剧升高导致输出 电压u 也急剧上升，控制电路中的第一支三极管为反向励磁触发电路提供控制信号，h 桥上的q 2 和q 3 桥臂导通，在励磁绕组上产生反向励磁电流，电励磁的磁场与永磁磁 场反向，降低输出电压，从而使电压稳定在1 4 v 。周而复始，控制电路中的三极管反复 处于通断状态。通过控制励磁电流的大小和方向，从而改变气隙中合成磁场的大小，保 证发电机输出电压稳定的直流电。 山东理t 大学顺一1 ：学位论文 第五章稳压控制电路的设计与仿真 5 3 利用p r o t e ld x p 进行仿真分析 设置好所有参数后在原理图编辑窗口内单击“d e s i g n s i m u l a t i o n s 妇菜单，启动仿 真功能，弹出仿真分析设置对话框5 4 1 ，为了获得稳压后输出的电压波形，在 a n a l y s e s 0 p t i o n 分组框中选择工作点分析( 0 p e m t i n gp o na - 1 1 村y s i s ) 和瞬态特性傅里叶 分析( 1 r a n s i e n t f o 嘶e r 加1 a l y s i s ) ，设定仿真起始时间、停止时间和步进时间间隔；然后， 选择a v a i l a b l es i g n a l s 中的所需的信号作为输出信号，单击“o k 按钮，开始仿真。 5 3 1 滤波电容对励磁电流的影响 通过整流电路把交流电转化为单相脉动直流电，加入滤波电容以改善输出电压的脉 动。这只是滤波电容的作用之一，下面分析滤波电容的选取对稳压控制电路的稳压效果 的影响。 正弦电压源的仿真参数中的频率和电压幅值根据所制作的样机进行试验所测得数据 来设定。试验时不加稳压器和励磁电流，完全靠永磁部分来发电。计算频率公式为： 厂：丝； 6 u 其中：p 发电机的极对数，本设计中为1 2 极，p = 6 ； 挖转速； 发电机的工作状态很复杂，仿真不可能包含所用的工作状态，因此在这仅对几个特 殊状态进行研究。 高转速、低负载时，此时发电机发出电压的很高，幅值同样很高，远远大于稳压电 路设定的稳压值1 4 v ，选取样机在5 0 0 0 r m i n 负载8 0 w 时测得的电压幅值为5 8 v ，进行仿 真。设定滤波电容为3 3u 尺1 0 0 0u 尸和1 0 0 0 0u 凡得到励磁电流的波形分别如图5 4 、 5 5 和5 6 所示。 山东理工人学硕士学位论文 第五章稳压控制t 乜路的设计与仿真 f ，f 、ff j 沙 k5 - 峨|jj 4 一 h ，。厶 卜+ v 一 虬r r r 一 l 一强 i l f i # 扛 卜 。il。l kvvy、了 ww v f 图5 - 4 电容为3 3uf 时励磁电流的波形 ： if 7 j j ，。 7 、j t ，。 7 j j j 。7j i vvvvv、_r vv v v 图5 5 电容为1 0 0 0 u f 时励磁电流的波形 5 7 山东理工人学硕r = 1 二学位论文第五章稳爪控制电路的设计与仿真 眵 良 三 、 飞，。j 一一、 。气州。、州k ，一 、”、，、p ”，、沪n ，矿、j ， 图5 6 电容为1 0 0 0 0 u f 时励磁电流的波形 通过对以上仿真结果的分析可以看出： 当滤波电容的值过小时，出现图6 6 和图6 7 所示的波形，励磁电流正负交替， 即方向不断变化，而且大小也有较大的波动，这样使得电励磁的磁场不断变化，最终影 响空气隙中的合成磁场，使得负载和转速恒定而发电机的输出电压不断变化，不能实现 稳压。 当滤波电容的值增大到一定程度时，出现如图6 8 类似的波形，励磁电流方向不 变，而且电流大小的波动较小，使得合成磁场较为稳定，能够起到稳压的作用。波形开 始时有一段正向励磁电流，通过分析可知是由于发电机的电压在起始阶段低于稳压管的 导通电压，出现正向励磁，通过电容滤波之后的电压波形的最低点仍高于稳压管的稳压 值，出现方向不变的励磁电流，励磁电流较小的波动是滤波后电压仍存在波动引起的。 仿真分析当中，只有滤波电容达到1 0 0 0 0uf 左右才会出现方向不变波动较小的励 磁电流，而汽车的蓄电池是一个电容值极大的电容，因此可以考虑通过并联接入蓄电池 的方法实现较好的稳压。 5 3 2 输出电压对励磁电流的影响 根据前面所描述的稳压原理，当输出电压大于目标稳压值时，应产生负的励磁电流 以降低输出电压；当输出电压小于目标稳压值时，产生正向励磁电流以增大输出电压。 下面对以下五种工作情况进行仿真。 ( 1 ) 电压源电压值为2 3 v ，频率4 0 0 h z ，此时比目标稳压值高9 v ，仿真结果如图5 7 所示。 5 8 山东理工人学硕上学位论文第五章稳胝控制电路的设计与仿真 ； 、一n 7 、一一、一、一一，一、一、一一，、，一一、一 图5 7 电压值2 3 v ，频率4 0 0 h z 时励磁电流波形 ( 2 ) 电压源电压值为1 8 v ，频率3 0 0 h z ，此时比目标稳压值高4 v ，仿真结果如图 5 8 所示。 ； 一 一乙7l 一l 一，乙l 一，l l 乙l 乙 5 9 山东理二r 大学硕j ：学位论义 第五章稳雕控制电路的设计与仿真 l l = jw丁 一lw p“瑚幽_ j 扛 j 2 l 。 8 j 图5 9 电压值1 4 v ，频率2 0 0 h z 时励磁电流波形 ( 4 ) 电压源电压值为1 1 v ，频率1 8 0 h z ，此时电压值比目标稳压值低3 v ，仿真结果如 图5 1 0 所示。 卜个r n八 j 图5 1 0 电压值11 v ，频率1 8 0 h z 时励磁电流波形 ( 5 ) 电压源电压值9 v ，频率1 5 0 h z ，此时电压值比目标稳压值低5 v ，仿真结果如图 5 1 1 所示。 山东理工人学硕士学位论文第五章稳压控制电路的设计与仿真 一 r 0 l l k n 、n 、j，j = 7 l 一 卜 卜 ； _ w i1 图5 1 1 电压值9 v ，频率2 0 0 h z 时励磁电流波形 对上述仿真波形结果进行分析得如表5 1 所示结果。 表5 1 仿真结果 从表5 1 中数据可知，电压高于稳压值越多，反向励磁电流越大，电压低于稳压值 越多，正向励磁电流越大，当电压为目标稳压值1 4 v 时，励磁电流正负交替，励磁电流 的平均值约为零。由此可见，该稳压控制电路稳压原理是可行的。 5 3 3 参考点v 矾的波形 基准电路中参考点的电压的波动性直接影响控制电路的开关三极管的开关频率，从 而影响触发电路中电励磁绕组励磁电流正反交替变化的频率。当参考点的电压稳定时， 即基准电压稳定，比较电路与之比较的结果就很稳定，这就避免h 桥电路一对桥臂交替 导通的频率过高，增加了晶体管的使用寿命，提高了稳压特性。基准电路如图5 1 2 所示。 为了使基准电压波形波动较小，增加了电容c 1 。 6 l 山东理工人学硕士学位论文 第五章稳j 玉控制电路的设计与仿真 图5 1 2 基准电路电路图 电容c i 的值分别为1 0 0 0 p f 、1uf 和4 7uf 时，参考点的电压波形如图5 - 1 3 ， 5 1 4 和5 1 5 所示。 沁 ：卜、 八卜、 厂、卜、企、然 q 对、习习、i ：) r 弋丁“ 图5 1 3 电容c l 为1 0 0 0 p f 时参考点v i n 电压波形 j 一、 图5 1 4 电容c 1 为1 | lf 时参考点v 烈电压波形 山东理工人学硕上学位论文第五章稳压控制电路的设汁与仿真 j，一一一 ， y f 图5 1 5 电容c l 为1 0uf 时参考点v i n 电压波形 通过以上仿真结果可知，当电容c l 的值越大参考点的电波形越平稳，同时考虑电子 元件的成本以及实验室现有的元件，选择4 7uf 电容进行实验。 5 4 试验结果分析 根据以上仿真结果制作电路，并且在汽车电器实验台上模拟汽车发电机的各种工作 状态进行试验，得到实验数据如下表5 2 所示。 表5 2 发电机的输出电压及励磁电流 根据实验数据可以得到以下结论： 当负载为2 0 0 w 、5 0 0 w 、8 0 0 w 和1 0 0 0 w 时，转速从2 0 0 0 r m i i l 变化到4 8 0 0 r r n 毗 电压最小值为1 3 5 l v ，最大值为1 4 5 0 v ，所设计的电路基本上达到设计要求，实现了宽 转速宽负载范围内稳压输出，但该电路可靠性仍需要进一步验证。 6 3 山东理工人学硕一i j 学位论文 第六章总结与展望 第六章总结与展望 汽车用永磁与电磁混合励磁发电机主要由定子、转子和稳压控制器组成，其中转子 包括永磁部分和电励磁部分，定子部分包括定子铁芯和电枢绕组。研制满足用电设备多、 耗电量大的现代汽车需要的发电装置和成本低、稳定可靠并且在宽转速宽负载实现稳压 的稳压控制电路。该装置利用高性能永磁材料可减少电能消耗，同时继承了硅整流发电 机良好的调整特性，克服了现有永磁发电机和电励磁发电机的固有缺陷。 永磁与电磁混合励磁发电机充分利用稀土永磁材料“三高 特性来降低电能的消耗， 通过利用电子稳压器达到良好的稳压效果。该发电机将弥补传统硅整流发电机和永磁发 电机设计上的不足，能够满足现代汽车高用电量、低能耗的需要。 本文在参考大量的文献的基础上对汽车用混合励磁发电机结构，工作原理，电磁特 性及稳压控制电路进行深入研究。主要有以下几个方面： ( 1 ) 通过对各种结构的混合励磁发电机进行分析、比较，研制出了爪极稀土永磁转子 与无刷爪极电励磁转子同轴并联、共用同一套三相对称定子绕组、永磁磁场与电励磁磁 场在定子铁芯中合成的混合励磁发电机。并且制造了发电机样机，该样机很好的实现了 两种磁场的合成，发电效率高、功率大、运转可靠，达到设计的要求。 ( 2 ) 阐述了汽车用混合励磁发电机系统组成和工作原理。包括永磁发生系统，电磁发 生系统，矢量合成系统及稳压控制系统，两种磁场共同作用于定子线圈，产生感应电动 势，四大系统的协调工作使发电机可靠运转，并且输出稳定直流电的保障，为进一步对 混合励磁发电机进行研究和详细设计提供了基础。 ( 3 ) 确定发电机额定参数，合理分配永磁与电磁的负荷，以永磁发电机设计理论作为 设计理论的基础、电励磁发电机设计理论为参考，电励磁磁场完全控制永磁体磁场作为 设计目标，对发电机的各个参数进行确定，研究出了一套混合励磁发电机的设计方法。 ( 4 ) 利用等效磁路法对混合励磁发电机的电磁特性进行分析，分别建立了永磁和电励 磁部分的磁路模型，根据建立的模型，对各部分磁导及各部分磁通进行了计算。分析了 混合励磁发电机的空载特性；定性分析了参数参数对发电机外特性的影响规律。利用双 反应原理和叠加原理，建立了空载特性的数学模型，获得电压平衡关系和矢量图，为混 合励磁发电机电磁设计打下基础。 ( 5 ) 基于混合励磁发电装置中永磁体磁场和电励磁磁场在定子气隙中合成的特殊性， 提出一种稳压控制方案。该方案由基准电路、比较电路、控制电路、触发电路和h 桥电 路组成。稳压控制原理为：当发电机的输出电压低于规定值时，控制系统通过控制电路 和触发电路触发晶体管使励磁线圈通正向电流，增加发电机转子的励磁磁场，提高发电 机的输出电压，使发电机的输出电压达到规定值。当发电机的输出电压高于规定值时， 山东理工大学硕士学位论文 第六章总结与展望 控制电路使触发电路触发另一对晶体管导通，使励磁线圈通反向电流，减少发电机转子 的励磁磁场，降低发电机的输出电压，周而复始，保证发电机在宽转速宽负载范围内输 出电压稳定的直流电。针对提出的稳压原理，利用p r o t e ld x p 软件进行了仿真分析，研 究元件参数对稳压结果的影响规律，设计出具有良好稳压性能的稳压控制器。 ( 6 ) 在电机试验台上模拟发电机的各种工况进行试验，获得发电机在不同负载不同转 速下的输出电压和控制器试验结果。 目前对混合励磁发电机的研究还不成熟，尤其是汽车用混合励磁发电机，由于行驶 情况的变化，汽车发动机转速的变化范围一般较大，而且汽车的负载也在不断变化，这 些都为发电机的稳压带来了困难。由于研究时间的有限，本课题在以下方面有待进一步 研究： ( 1 ) 对混合励磁发电机的设计理论和方法有待进一步研究，探索出一套更完备的设计 理论。 ( 2 ) 三维有限元法是目前一种较为精确的电磁分析的方法，本文采用传统的等效磁路 法对发电机的磁路进行分析，还不是很精确，要获得更精确的磁场分布，必须利用三维 有限元法对混合励磁发电机的三维磁场进行有限元分析。利用有限元软件建立混合励磁 发电机几何模型，从而建立有限元模型。获得混合励磁发电机三维磁场分布，并且计算 空载磁场、空载漏磁、发电机负载绕组电感计算等参数。对混合励磁发电机的瞬态磁场、 三维涡流场，做探索性研究。 ( 3 ) 混合励磁发电装置是一种新型发电机，目前尚没有完善的优化方法。要设计出消 耗材料少、成本低、达到设计要求的发电机，必须研究一种准确、高效的优化算法。 ( 4 ) 论文对设计的稳压控制电路进行了仿真研究，验证了稳压原理的可行性，但制作 的稳压控制电路仍需改进，各元件的参数匹配还需进一步完善，电路工作的可靠性也需 要大量的试验来验证。 山东理工人学硕士学位论文参考义献 参考文献 1 】2 0 0 7 年汽车工业运行状况及2 0 0 8 年展望【j 中国经贸导刊，2 0 0 7 ( 3 ) ：2 3 - 2 4 【2 】邓隐北，邓彬汽车起动机和发电机的技术进展 j 】。微电机，2 0 0 6 ( 1 ) ：8 9 9 1 【3 于昊制冷铜管：行进在高铜价时代阴电器2 0 0 7 ( 1 ) ：6 9 【4 任朝辉我国稀土工业的现状及发展对策研究阴世界有色金属，2 0 0 4 ( 2 ) ：2 7 3 0 【5 】周寿增等稀土永磁材料及其应用【m 】北京：冶金工业出版社，1 9 9 5 4 8 【6 】窦一平，陈海镇，严仰光组合励磁稀土永磁同步发电机的基本原理和设计方法阴中小型 电机，2 0 01 ，2 8 ( 4 ) ：2 0 - 2 4 7 】任光法复合励磁同步发电机励磁控制系统的研究与设计 d 】湖南大学硕士学位论 文，2 0 0 5 ：5 9 6 0 8 王群京一种新型混合励磁爪极发电机的建模和计算叨中国电机工程学，2 0 0 3 ，2 3 ( 2 ) ：6 8 7 2 【9 】窦一平组合励磁稀土永磁同步发电机的设计研究南京航空航天大学博士论文 d 】，2 0 0 2 ：2 4 1 0 】f 舢c e s c ob o n a i 】n o ，丘oc o n s 0 1 i ，s a l v a t o r el o m b 删o ，a n 耐or a c i t i al o g i s t i c a lm o d e l f o rp e 墒肌a n c ee v a l 咖o n so f y b 耐 g e n e r a t i o ns y