（车辆工程专业论文）车用混合励磁发电机的研究.pdf

山东理工大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文通过对各种结构的混合励磁发电机的分析、提出了爪极式电励磁和带极靴径 向永磁组合励磁的混合励磁发电机结构。研究分析稀土钕铁硼永磁材料的特性及其对 发电机运行特性的影响规律，确定课题永磁励磁部分选用剩磁感应强度高、矫顽力大、 最大磁能积高的稀土永磁材料。在分析普通永磁发电机的基础上，结合混合励磁 发电机的特殊结构和工作原理，通过对径向、切向、爪极等励磁结构转子对发 电机性能影响的研究，设计了带极靴的径向永磁部分励磁转子，该转子磁钢、 极靴均采用制造工艺简单的平面结梅。对发电机永磁部分和电励磁部分进行了电 磁设计和计算，并编制了计算机电磁计算程序。 设计制造了一台样机，通过研究磁钢截面积、径向磁化长度、气隙、绕组匝数和 线径等对发电机交轴电枢反应电抗、直轴电枢反应电抗、漏抗和发电机输出特性的影 响规律，对样机进行了优化设计。分析了混合励磁发电机的稳压原理，设计了由基准 电路、比较电路、控制电路、触发电路等组成的系统控制电路，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。将混合励磁发电机的整流稳压电路用 m a u a b 里的仿真软件s i 肌】l i i l k 进行了仿真。分析了蓄电池对发电机的影响规律，并 用s i m u l i n k 进行了仿真验证。 关键词：车辆；混合励磁；稀土永磁；发电装置 皇奎兰三：兰竺：譬竺兰兰：= = ：= ：竺竺 a b s t r a c t b a s e do nt h e a n a l y s i s o fv a r i o u s h y b r i d e x c i t a t i o n s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r s ， a p p r o p r i a t es t r u c t u r eo fh y b r i de x c r a t i o ns y n c h r o n o u sg e n e r a t o r i s p r o p o s e d n d f b p e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a la n ds e v e r a lr o t o rs t r u c t u r e si sa n a l y z e d ，t h er a d i a le x c i t a t i o n r o t 。o rw i t hf l a tm a g n e ts t e e l sa n dp o l es h o e si sp r e s e n t e db e c a u s eo fi t sh i g hp e r f o r m a n c e ； t h ep e r m a n e n tm a g n e t e x c i t a t i o n p a r t a n de l e c t r i c i t ye x c i t a t i o n p a r t ：a r ec a l c u l a t e d ：， g e n e r a t o rw a sd e s i g n e da n dc h e c k e dt h r o u g hc a l c u l a t i o np r o g r a m v c 十十 d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e dam o d e lm a c h i n e ，t h ei n f l u e n c er u l e so ft h ep e r f o r m a n c e a n dt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so nt h ev o l t a g ec h a r a c t e r i s t i ca r ea n a l y z e d ，t h em o d e lm a c h i n e i sa l s oo p t i m i z e d ；ar e g u l a t o rc i r c u i tc o n s i s to fb e n c h m a r kc i r c u i t ，c o m p a r ec i r c m t ， c h e c k i n gc i r c u i t t r i g g e rc i r e u l tf o rs y s t e mc h e c k i n gc i r c u i ti sd e s i g n e dt oo u t p u ts t e a d yd c v o l t a g ea tv a r i a b l es p e e da n dv a r i a b l el o a d ；t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eg e n e r a t o ri s p r e s e n t e da n di t sc o r r e s p o n d i n gs 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 f m a t l a bn a m e ds i m u t i n k t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec l o s et ot h et e s tr e s u l t s t h e i n f l u e n c eo fa c c u m u l a t o rt ot h eg e n e r a t o ri sa n a l y z e d , t h er e s u l t sa r ev a l i d a t e dt h r o u g h s m u l i n k k e y w o r d ：v e h i c l e ；h y b r i de x c i t a t i o n ； r e a r e a r t hp e r m a n e n tm a g n e t g e n e r a t i n gs e t 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作的任何贡献均己在论文中作了明 确说明并表示了谢意。 研究生签名：飞舭时间：。k 年丫月w 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w 雌名澎失帆沙f 年厂月加日 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 汽车工业作为i 羽家重点发展的对象，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，是国民经济的支柱性产业。汽车工业与工业现代化的关联度 很大，因为汽车工业会拉动其它产业的发展，通常一个国家的汽车工业发展水平，也标 志着这个国家的工业发展水平，是个国家综合国力的标志。以汽车工业为龙头，带动 其他相关产业的发展是我国国民经济发展的必由之路。据中国汽车工业协会最新统计， 2 0 0 5 年我国汽车产销继续快速增长，全年生产汽车5 7 0 7 万辆，销售汽车5 7 5 8 2 万辆， 分别增长1 2 5 5 和1 3 5 4 ，汽车年产量比“九五”末的2 0 0 0 年净增3 6 3 万辆，社会保 有量将超过3 0 0 0 多万辆u j ，考虑1 0 的维修更换，依此计算我国每年对汽车发电机的需 求量在9 0 0 万台以上。 汽车发电机是汽车电气系统的主要电源，向除起动机以外的各种用电设备提供电能， 并及时对蓄电池进行充电，以补充蓄电池在使用过程中所消耗的电能【2 】，所起到的作用 十分重要，离开了发电机，汽车的先进性，舒适性等即无从谈起。六十年代以前，汽车 上采用的是直流发电机，由于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，寿命短等缺点，随着汽车工业的迅猛发展，当今直流发电机已被硅整流交流 发电机所取代。硅整流交流发电机与直流发电机相比较，在结构方面最根本的差别是用 半导体整流器代替了机械式换向器整流器，大大提高了汽车发电机的性能。 现代新颖的汽车，其附属的设备越来越齐备，电气化和自动化程度也在不断提高， 不仅汽车上电机应用的数量不断增加，而且对电机的性能也提出了更高的要求，如低速 充电性能好、功率大、效率高等技术指标。 在交通拥挤、路面状况差、可见度低等情况下，车速不高，硅整流发电机输出电压 低于蓄电池的电压，输出功率达不到额定值，不能为蓄电池补充充电，整个汽车所需要 的电能只能由蓄电池来提供，往往使汽车行驶途中，因为蓄电池的电力不足，造成汽车 抛锚，带来了许多麻烦和不便。除此之外，由于蓄电池充电次数增加，蓄电池的使用寿 命也大为减少。因此，开发一种性能更加优越的发电机已成为汽车工业发展的一种趋势。 当今，发电机品种和结构较多，按照发电机发出的电是直流电还是交流电来区分， 可以分为直流发电机和交流发电机。按照激磁方式来划分，交流发电机又可分为永磁激 磁发电机、电激磁发电机、永磁与电磁混合激磁发电机。按照发电机采用的电子元件特 征来命名，带硅整流器的交流发电机称为硅整流交流发电机。除内装硅整流器外，还有 内装电子式电压调节器的交流发电机，称为整体式交流发电机。 山东理工大学硕上学位论文 第一章绪论 电励磁同步发电机由于可以通过调节励磁电流方便的调节磁场的大小，所以在磁场 调节方面具有永磁电机达不到的优势。永磁电机的气隙磁场由磁钢磁导决定的，由于稀 土永磁体的高矫顽力，使得永磁发电机运行中磁场几乎保持恒定，调节困难，同时，永 磁材料的温度系数较大，影响负载的正常工作，这在很大程度上限制了其应用与发展。 但永磁电机相对于电励磁电机来说，也具有一系列的优点，如体积小、效率高、结构简 单、运行可靠、寿命长、减少了励磁损耗等。考虑到电励磁同步发电机在电压调节方面 的优越性和永磁发电机的一系列优点，本文提出了一种采用永磁和电励磁绕组混合励磁 的方法。发电机气隙磁场由永磁体和电励磁共同建立，而电压调节主要是通过调节电励 磁部分励磁电流的大小和方向来完成，发电机永磁部分和电励磁部分共用一个电枢绕组， 电枢绕组感应电势由永磁体和电励磁绕组共同产生，两部分磁势在气隙磁路中并联合成， 转子结构采用电励磁和永磁体并联方式。 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，在美国，钕铁硼永磁体最低售价1 3 2 美元k g ， 平均售价在1 7 9 美元k g ，在日本，钕铁硼永磁体价格高达2 2 0 2 5 0 美元以g ，而在我国 钕铁硼永磁体价格仅为3 0 美f u k g 左右，可见我国有得天独厚的稀土资源及稀土磁性材 料的工业化生产，对促进稀土永磁和电励磁混合励磁发电机的发展提供了广阔的取材途 径，同时对我国稀土资源的开发应用和促进稀土工业的发展也有着重要的意义，瞄准国 际市场，充分利用我国丰富的稀土资源，开创稀土永磁材料新的应用领域【3 】【4 】。 本课题研究的稀土永磁和电励磁混合励磁发电机，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方式及永磁体激磁模式，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。该种发电机电压调整率很小，具有接近水平的外特性， 全自动调压，可动态实时调节输出功率，发电机适应负载范围宽，过载能力强，节能效 果明显，可显著改善供电品质，提高供电系统的可靠性，是未来发电机发展的主要( 重要) 方向。 1 2 国内外混合励磁发电机现状 混合励磁发电机采用永磁体励磁为主，附加电励磁为辅的励磁方法，通过调节辅助 的电磁场来调节发电机的输出端电压，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发电机。 2 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 1 国内混合励磁发电机现状 我国对混合励磁发电机的研究起步较晚，尚处于初级阶段。 南京航空航天大学窦一平、陈海镇等研究的混合励磁发电机结构，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。电励磁利用 转轴作为磁路的部分，永磁主发电部分的结构与普通永磁发电机相同。它能够较好地 调整发电机的输出电压，运行可靠性较耐”【6 j 。但发电机电励磁部分的水平磁极的两侧都 为长度较小气隙，加工和装配精度要求非常高。同时水平磁极和垂直磁极为电励磁磁通 提供通路，需要有较大的导磁面积，降低了电机的功率密度。这显然增加了装配工时和 制造成本。 1 2 2 国外混合励磁发电机现状 目前国外很多国家投入了大量资金对汽车混合励磁发电机进行了研究，也取得了一 定成果。 日本学者1 酞a 孙l “m i z u n o 等人提出了混合励磁的发电机的工作原理。即气隙磁场 由两部分产生，一部分由永磁体建立，是气隙磁场的主要部分；另一部分是由辅助励磁 绕组的电流来激励产生，起调节磁场的作用1 7 1 1 8 】。基于这种工作原理，国内外进行了大量 的研究工作并开发了一些样机和产品。 俄罗斯于1 9 8 8 年率先完成了混合励磁同步发电机的研制并在移动电源方面获得了 应用，日本k a n a z a w at e c h n i c a lc o l l e g e 也在2 0 0 1 年完成了0 7 5 k w 混合励磁发电机的 研制r 9 j t l 0 1 。这些研究推动了混合励磁发电机的发展。 从检索到的文献来看，混合励磁发电机结构多种多样，从电机中永磁体磁动势和电 励磁产生的磁动势的相互作用关系，可分为串励式、并励式和混励式三种结构。下面分 别介绍。 ( 1 ) 串励式结构。典型结构如图1 - 1 ，电机的结构较简单，电励磁绕组安放在转子永 磁体的下面，不需要占用额外的空间，电机的可靠性降低。此外电励磁的磁路经过永磁 体，磁路磁阻过大，使励磁电流较大，铜耗增加。同时，电励磁磁动势直接作用于永磁 体，容易发生不可逆退磁。这种结构已很少使用。 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 串励式混合励磁结构 ( 2 ) 并励式结构。此种结构的发电机可以认为是一般永磁发电机与电励磁发电机的复 合。分段转子上励磁电流和永磁体各自激励自己的磁通，电励磁磁动势不作用到永磁体 上，一般不会产生不可逆退磁。这种电机既可作为发电机使用也可作为电动机使用。图 1 - 2 给出了此种结构电机的典型结构。日本学者n n a o e ，t f u k a m i 等人采用这种结构形 式开发的额定值为o 7 5 k w ，6 0 h z 的样机功率密度为0 0 8 k w k g ，电压调整率为2 1 。 电励磁励磁部分永磁诛 图1 - 2 并励式混合励磁发电机转子图 ( 3 ) 混励式结构。这种结构永磁体的磁路和电励磁的磁路基本独立，磁场在气隙合成。 此种结构，一般为无刷，电机可靠性较高。并且电励磁磁动势不直接或很小一部分作用 到永磁体上，一般不会产生不可逆退磁。设计上可以任意调整永磁体和电励磁所占的份 额。但电机的结构和制造工艺较复杂，装配工时增加。 1 3 混合励磁发电机的特点： ( 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： 稀土永磁是近二十年来迅速发展起来的新型永磁材料，具有极高的矫顽力和磁能积。 例如，钕铁系列永磁的最大磁能积已达到4 0 4 8 j m 3 ，是目前性能最高的永磁材料。由于 它的性能高，特别是内禀矫顽力朋珥? 很大，在磁路中可减少漏磁，适合于在开路状态， 反磁场或动态等状况下应用】【1 2 】，因此可使发电机的比功率得到极大的提升。 4 山东理工大学碗+ 学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 励磁绕组的电流减小，励磁损耗减小，具有永磁发电机的高效率特点。 r1一1_。1 ，一一一 ， r1 、犏台励磁发电机 、 、 i，一一、_ 、1 。、。一 ， 、 【硅整流发电机 、一f7 k r m i n i 图1 ，3 混合励磁发电机效率曲线 由于混合励磁发电机采用永磁和电励磁共同励磁，原来电励磁发电机的很大一部分 磁场是由高磁能积的钕铁硼永磁体提供的，因此相同功率的发电机，混合励磁发电机的 励磁电流比电励磁发电机的励磁电流小，由p = 1 2 r 知，励磁损耗也将极大的降低。同时 混合励磁发电机又包括比功率较高的永磁发电部分，因此它又兼具了永磁发电机高效率 的特点。 ( 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： ( 4 ) 磁场调节方便，解决了发电机电压调节难的问题。 由于混合励磁发电机转子结构是由永磁体励磁部分和电励磁部分并联组成，气隙磁 场由永磁体和电励磁共同建立，而电压调节主要是通过调节电励磁部分励磁电流的大小 和方向来完成，因而可以方便的调节电励磁部分的磁场，解决了发电机电压调节困难的 问题。 ( 5 ) 低速供电性能好，输出电压调整率小，延长了蓄电池的使用寿命。 低速供电时，在电磁参数相同的情况下，硅整流发电机“零电流”时，混合励磁发 电机可以对外输出3 5 a 节省下来的“励磁电流”，大大改善了低速供电性能；永磁部 分转子采用径向励磁结构，制造工艺简单，加工方便，漏磁小，直轴和交轴电枢反应电 抗小，电枢反应弱，因而电压调整率小，其外特性较为平坦，高速供电时，输出电压稳 定性也很好。 混合励磁发电机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。 山东理工大学硕十学位论文第一章绪论 1 4 本课题的主要研究工作 目前，混合励磁发电机的研制水平不高，没有立足于现有条件提出性能优良的电机 设计方案。本文以开发高性能的混合励磁发电机系统、提高混合励磁发电机设计水平为 核心，在电机本体设计方面展开深入、细致的工作。具体分为以下几个方面： ( 1 ) 通过对各种结构的混合励磁发电机的分析、提出了爪极式电励磁和带极靴径向永 磁组合励磁的混合励磁发电机结构。研究分析稀士钕铁硼永磁材料的特性及其对发电机 运行特性的影响规律，确定课题永磁励磁部分选用稀土永磁材料。 ( 2 ) 混合励磁发电机是一种新型结构的电机，目前还没有成形的设计方法。本 文在研究普通永磁电机的基础上，结合混合励磁电机的特殊结构和工作原理，通 过分析径向、切向、爪极等励磁结构转子对发电机性能影响的规律，设计了带极 靴的径向永磁部分励磁转子，该转予磁钢、极靴均采用制造工艺简单的平面结构。 对发电机永磁部分和电励磁部分进行了电磁设计和计算，并编制了计算机电磁计算程序。 ( 3 ) 设计并制造一台样机，通过研究磁钢截面积、径向磁化长度、气隙、绕组匝数和 线径等对发电机交轴电枢反应电抗、直轴电枢反应电抗、漏抗和发电机输出特性的影响 规律，对样机进行了优化设计。 ( 4 ) 分析了混合励磁发电机的稳压原理，设计了由基准电路、比较电路、控制电路、 触发电路等组成的系统控制电路，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。 ( 5 ) 将混合励磁发电机的整流稳压电路用m a t l a b 罩的仿真软件s i m u l i n k 进行了仿真。 分析了蓄电池对发电机的影响规律，并用s i m u l i n k 进行了仿真验证。 6 山东理工大学硕士学位论文第二章总体设计及参数确定 第二章总体设计及参数确定 2 1 发电机总体结构的确定 混合励磁发电机是一般永磁同步发电机和普通电励磁发电机相结合的产物，除了转 子上的永磁体提供励磁磁通外，还有一套辅助电励磁绕组产生励磁磁通，通过调节电励 磁部分励磁电流的大小和方向来调节发电机励磁磁场的大小【1 4 1 s 】【16 】【埘，实现电压的稳 定输出，以满足车辆用电设施需用直流电的要求。混合励磁发电机总装图和效果图分别 如图2 - 1 和图2 - 2 所示。 图2 - 1 混合励磁永磁同步发电机总装图 1 、稳压器盖2 、螺栓3 、后端盖4 、滑环5 、碳刷6 、螺母7 、爪极转子铁心8 、电励磁绕组 9 、定子铁心1 0 、永磁体1 l 、电枢绕组1 2 、前端盖1 3 、转子铁心1 4 、转轴 图2 - 2 混合励磁永磁同步发电机效果图 混合励磁发电机的前后端盖均有非导磁铝合金压铸而成，可使发电机的漏磁减少， 山东理工大学硕士学位论文第二章总体设计及参数确定 同时具有轻巧、制造工艺好、散热性能优照等优点f 闭。稳压器安装在后端盖上，更加便 于散热，提高了稳压性能。前、后端盖效果图分别如图2 - 3 和图2 - 4 所示。 2 2 转子结构设计 图2 - 3 前端盖效果图 图2 - 4 后端盖效果图 永磁部分转子结构按照励磁方式的不同可分为爪极式转子、盘式转子、径向励磁、 切向励磁四种结构。其中盘式结构转子磁路需要经过双层气隙，制造工艺复杂，装配精 度要求高1 9 1 2 0 l ，不适合采用。 爪极转子通常由两个带爪的法兰盘和一个轴向充磁的圆环形永磁体组成。该转子永 磁体形状简单，磁性能好、磁化均匀、利用程度高。但是爪极和法兰盘所占转子体积的 比例较大，与其他几种结构相比发电机的质量增加；爪极中脉动损耗较大，导致效率下 降 2 ”。如图2 - 5 所示。 图2 - 6 为切向励磁转子。该结构中，永磁体的磁化方向与气隙磁通轴线接近垂直且 离气隙较远，其漏磁比轴向结构径向结构要大，永磁体是并联的，有两个永磁体截面对 气隙提供每极磁通，可提高气隙磁密，但制造工艺复杂，永磁体和极靴固定困难，所 以不宜采用。 山东理t 大学碗i 学位论义 第二章总体设计及参数确定 综合以上分析，本课题开发的混合励磁发电机永磁部分采用径向励磁转子结构，其 制造工艺简单，生产设备要求不高，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。径向励磁结构示意图如图2 7 。 图2 5 爪极式图2 - 6 切向式图2 7 径向式 本课题设计的发电机转子结构主要采用爪极式电励磁和径向永磁组合励磁的转予结 构。发电机转子主要是由左边的电励磁部分和右边与之对应的永磁体励磁部分组成，电 励磁部分主要有爪极，绝缘垫片和铜线组成。永磁部分励磁主要有转子铁心和磁钢永磁 体组成。 罔2 _ 8 是采用爪极式电励磁部分和彳i 带极靴径向式永磁体励磁部分混合励磁的转子 结构。爪极部分与永磁体励磁部分之间有较大的间隙，由于空气的磁阻比较大，因此相 当于永磁体励磁部分与电励磁部分之问安装有隔磁套。 图2 - 8 不带极靴永磁与爪极混合励磁转子照片 由于钕铁硼永磁体的外特性比较硬，因此在永磁体端面装上软铁极靴，使交轴电枢 反应磁通经极靴闭合，减弱了电枢磁动势对永磁体的去磁作用；适当选择极靴的形状和 尺寸，使气隙不均匀和极弧系数适宜；极靴通过非导磁螺钉将磁钢锁紧在转子铁心上， 提高了发电机的运行可靠性。每块稀土永磁钢两端开有两个槽，极靴通过非磁性f 不锈钢 或铜制) 螺钉将稀土永磁钢锁紧在转子铁心上，装配好后在车床上车出外圆，为了保证达 到设计的要求，极靴要留出一定的加工余量。 窄h ，砂一 。，黎心 措灌霪ool蔫蒺弘 山东_ f ! ! 工人学坝i 岸位论文螭二章总体没计艘参数确定 其永磁部分加极靴混合励磁转子结构如图2 - 9 所示。 图2 - 9 带极靴永磁与爪极混合励磁转子照片 由于圆弧形永磁体加工费用较高，本课题设计采用如图2 - 1 0 所示的平面磁钢转子， 所用的矩形磁钢加工费用低，只须把转子铁心铣出1 2 个平面即可。平板式极靴用冲床冲 出，比用车床车钢管做极靴的加工费用大大减低。极靴通过非导磁螺钉将磁钢锁紧在转 子铁心上，提高了发电机的运行可靠性。转子装配好以后车至规定尺寸即可。 12345 ；一黪? j ，| - i i l _ 删一：_ j _ 畦 1 转子铁心2 轴3 磁钢4 爿 导磁螺钉5 极靴 图2 1 0 平面磁钢转子结构图 图2 1 l 转子铁心成型图图2 1 2 转子磁钢和极靴成型图 山东理t 大学碗卜学位论史 第一二章总体设计及参数确定 电励磁的每一层绕组可简化为图2 - 1 3 所示【”j ： 丑x 嫩心 图2 - 1 3 电励磁的每一层绕组简化图 由图2 - 1 3 知，在转子任一小段d l ，这一小段有n d l 匝线圈，对p 点而言，这小段上 的线圈与电流为l n d l 胞一个圆形电流等效，而此圆形电流在p 点产生的感应强度d b 的 大小为 嬲= 器 式中f 是p 点到圆形电流l n d l 的距离。d b 的方向与圆形电流构成右手螺旋系，在图 2 - 1 3 中沿轴线向右。由于螺线管上各小段载流线圈在p 点产生的感应强度的方向都相同， 因此整个螺线管在p 点产生的感应强度为 b = l | j d b = l f 蒜d ! 为便于计算，我们引入变量，卢为螺线管的轴线与从p 点到圆形电流l n d l 上任一 点的矢径之i n j 的夹角。由图2 - 1 3 可以看出 r2 + ，2 = ，2 ，= r c s c ，= r c o t f l 并由z = r c o t f l 可得d l = r c s c 2 f l d f l ，故由以上各式可得 b = 器胡一t 0 2 n 肛脚= p 0 2 n l ( 、c o s 岛一s 届) 2 3 定子设计 发电机要取得更高的比功率，定子齿轭部高度、定子槽深就不能无限扩大。在保证 定予轭部、齿部磁场都不饱和的情况下，尽量减小轭部、齿部的高度，以取得更高的比 功率。 山东理工人学硕- 1 学位论文 第二章总体设计发参数确定 一般在发电机设计中， 槽宽b 约为0 5 t b s 巩或吃，。 巩或 。 p 一 9 一 2 02 5 图3 7 磁钢长度，对性能参数的影响 从表中可以看出，提高磁钢截面积可以显著增加发电机的发电量，通过比较实际选 用永磁体的体积及尺寸为： v = 形x s h m = 永磁体的段数永磁体每极的截面积永磁体磁化方向长度 = 1 4 f 2 0 m m 1 4 m m lx2 m m ：7 8 4 0 m m 3 = 7 8 4 c m 3 阳锄如加0 山东理工人学硕，i 学位论文第叫章电磁设计与计算 第四章电磁设计与计算 车用混合励磁发电机是一种同时具有永磁发电机和电励磁发电机特点的新型发电 机，永磁部分气隙磁场由永久磁钢建立是主要励磁磁场，电励磁部分的气隙磁场由电励 磁线圈产生，起电压调节的作用。因此，混合励磁发电机既具有永磁发电机效率高、结 构简单和可靠性高等优点，又具有电励磁发电机电压调节方便的优点。 4 1 基本工作原理 豫筑j 藩睡氯 图4 2 发电机转速较高时转子的励磁磁场图 山东挫l 大学硕0 学位论文 第四章电磁设计与汁算 本课题采用的混合励磁发电机转子结构左边是电励磁部分，右边是永磁体励磁部分， 永磁体励磁部分和电励磁部分的间隙较大，相当于永磁体励磁部分和电励磁部分之间装 有隔磁套，励磁绕组的材料为普通的电励磁铜线。励磁绕组电源来自主发电机电枢绕组， 经过电压调节电路，使励磁绕组中的电流的大小和方向之随丰发电机端电压的改变而变 化，以达到输出稳定电压的效果。 由图4 一l 和图4 2 可以看出，励磁电流产生的磁场由铁磁极出发，最终又回到铁磁 极，与永磁磁通具有不同的磁路，两个磁场在电机的气隙中合成，但他们各自的磁路基 本上是独立的，因此，可对永磁励磁部分磁路和电励磁部分磁路分别进行研究。 4 2 爪极磁导的计算 爪极转子通电后激磁线圈产生轴向磁通，此磁通依靠爪极的帮助才转换为径向磁通。 激磁磁场的分布是以立体形式变化的，这是它的一个显著特征。爪极是根部大，而端部 小，因此，爪极按照轴向切分时，其磁路是横截面逐步缩小的梯形体。磁场沿着高度方 向呈梯形结构前进，逐渐减少【4 1 】f 4 2 1 。其机构示意图如图4 3 所示： x t li ，_ 一 ?j 一j 2 = = ，1 一 ， x，。一 ， j l ( x ) ( i ) ( x ) 。 。 l 2 f 2 图4 3 爪极结构示意图 爪极磁导的计算 w g ) = w ：一享( w ：一w 。) ，g ) = ，：一享( f ：一f 。) r2 去2 去氍书2 南l n 糟) g ：三：些! 盟! 二盟! l n f 兰堕 山东理t 人学颂j 学位论文第四章电磁设计与计算 由于气隙磁导与定、转子的相对位置有关，因此其磁导计算比较复杂，要考虑转角 对磁导的影响，这里把转子爪极中心线与定子齿的中心线重合时为初始位置进行计算。 气隙形状结构单元如图4 4 所示。 x 一 二 ! 1 。 ( 1 ) 2 图4 - 4 气隙形状结构单元 w ( x ) = w ：一享( w ：一w 。) 肚去焉2 1 高2 南嗜 气隙磁导为 g ：上：型：也二当! l n 堡 4 3 转子磁路的计算 4 3 1 转子电励磁部分磁路的计算 g g 一 g g g - 一f b m g6 图4 5 转子电励磁部分等值磁路图 j 巾t ”i “ ， 1 一l l = ； 一 。 x 山东理工大学硕j 一学位论文 第旧章电磁设计1 i 汁算 合成磁导为 g o = g - i - 22 + + g 。g ， 合成漏磁导为 g 。= g + g ，。 空载漏磁系数为 三一 瓯g 。+ 一2 g j + 壅墨q 。睁毒+ 毒 g 6g ：；g 。 c r o = - + 。+ g ，。) ( 毒+ 瓦2 + 麦 + g 。 毒+ 百2 + 毒 + 瓯( 毒+ 瓦2 + 赤 当不考虑爪极、附加气隙等的磁势降时 铲t + ( g w 崛。i 毒+ 百2 + 圳 其中g 。爪极部分的