（车辆工程专业论文）汽车用钕铁硼永磁发电装置与三相半波可控整流稳压技术.pdf

山东理t 大学硕十学位沦文 摘蛩 摘要 目前汽车用发电机主要是硅整流发电机，该发电机由电励磁绕组产生磁场，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，绝大部分电能由于励磁绕组的发 热而消耗掉。转子的励磁绕组易烧毁、断线，必须由蓄电池提供励磁电流才能发电，这 样势必增加了汽车成本，因此研制一种高性能的永磁发电装置十分有必要。 本文对永磁材料及特性进行了分析以及永磁材料对发电机运行特性的影响规律进行 了研究，确定本课题选用n t p 3 0 h 稀土永磁材料；通过理论计算及试验分析确定了径向 励磁式转子结构的永磁体及定子的最佳设计尺寸；通过对磁路的研究分析得出径向励磁 结构的等值磁路图，并推导出一种计算电枢反应电抗新的理论分析方法；利用v c + + 语 言编制计算程序，设计出钕铁硼稀土永磁发电机并进行了校核；研制出了由主电路、 基准电路、取样电路、触发电路等组成的三相半波可控整流稳压电路，主电路采用 三只可控硅实现直流稳压输出，取代了硅整流发电机的六只整流管组成的整流 桥，减少了发热量，解决了汽车用永磁发电机在变转速变负载工况下输出电压保 持稳定的问题。 本文研制出一种钕铁硼永磁转子，无电励磁绕组、无碳刷滑环结构、无整流桥，故 障率低，电能消耗少，发电效率高，集整流、稳压为一体的钕铁硼永磁发电装置， 并对其进行了性能实验，达到了设计要求，并优于国家机械行业标准j b t 8 5 8 2 6 - 2 0 0 1 。 关键词：钕铁硼永磁，发电装置，径向励磁，三相半波，整流稳压 s t u d yo n t h en d - f e - bp e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t i n gs e to ft h e v e h i c l ea n dc o n t r o l l e d c o m m u t a t i o nv o l t a g es t a b i l i z a t i o nt e c h n o l o g y o f t h r e e p h a s e h a l f w a v e a b s t r a c t m o s to fg e n e r a t o r sf o rv e h i c l e su s ee l e c t r i c i t ye x e c t i n gs t r u c t u r ea tp r e s e n t , b u tal i t t l e e l e c t r i ce n e r g yw h i c ht h ec u r r e n tp a s s e st h r o n e ) e x c i t a t i o nw i n d 堍c o n v e r t sm a g n e t i ce n e r g y m o s to fe l e c t r i ce n e r g yu s e du pb e c a u s eo fh e a t e x c i t a t i o nw i n d i i l gw a se a s i l yb u r n ta n do p e n w i r e ，t h i si n c r e a s et h ec o s to f v e h i c l e s oi ti sn e c e s s a r yt od e v e b pak i n do f p e r m a n e n tm a g n e t g e n e r a t i n gs e tw i t hb 蟾hp e r f o r n 吻n c e t h ep a p e ra n a l y s e dp e c u l i a r i t yo fp e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a la n dp e r m a n e n tm a g n e t m a t e r i a l si n f l u e n c eo nt h eo p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i co f g e n e r a t o r , s ow ec h o s en t p 3 0 h ；t h e o p t i m a ld i m e n s i o no fp e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a la n ds t a t o rw a s 血e dt h r o u g ht h e o r e t i c a l a r i t h m e t i ca n de x p e r i m e n t a la n a l y s i s ；b a s e do nt h ea n a l y s i sc o m p u t a t i o n a lm e t h o do fm a g n e t i c c i r c u i tw i t hr a d i me x e c t i n gs t r u c t u r e ，an e wc o m p u t a t i o n a lm e t h o do fa r m a m r e - r e a e t i o n r e a c t a n c e sw a sd e r i v e d ；t h r o u g hc a l c u l a t i o np r o g r a mw h i c hu s e dv d 斗t ot r a n s l a t ea n de d i t ， 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 d ；t h r e e p h a s eh a l f w a v ec o n t r o l l e d - c o m m u t a t i o nv o l t a g e s t a b i l i z a t i o nc i r c u i ta d o p tt h r e es i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r st oo u t p u td ca n dm a d eo u t p u t v o l t a g es t a b i l i z 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 ep a p e re x c o g i t a t e dn d - f e bp e r m a n e n tm a g n e tg e n e r a t i n gs e tw i t h o u t e x c i t a t i o nw i n d i n g ，c a r b o nb r u s ha n ds h pr i n gs e ta n dc o m m u t a t i o nb r i d g e t h eg e n e r a t i n gs e t h a s 岫曲g e n e r a t i n ge f f i c i e n c ya n dl o wf a u l tr a t e i tr e a c h e sd e s i g nr e q u i r e m e n ta n dh a da n a d v a n t a g eo f m e c h a n i c a ls t a n d a r dj b t 8 5 8 2 6 - 2 0 0 1t h r o u g hp e r f o r m a n c e t e s t k e y w o r d ：n d - f e bp e r t i n e n tm a g n e t ，g e i z x a t h 坞s e t ，r a d i a le x e c t i n g , t h r e e - p h a s e h a l f w a v e ，v o l t a g es t a b i l i z a t i o n 山东理t 大学硕士学位论文 独创性声明 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 何贡献均已在论文中作了明确说明并表示了谢意。 研究生签辄平张克 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) 研究生签名平杉藉师签名：i 号崖交时问：妒够年够肋日 山东理t 大学硕十学位论文 第章绪论 第一章绪论 随着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。而发电机又是汽车 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。随着汽车 的电气化和自动化程度的不断提高，汽车对发电机的性能也提出了更高的要求。据统计， 2 0 0 3 年我国生产汽车4 0 0 万辆，社会保有量为2 0 0 0 多万辆【l 】【2 1 ，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6 0 0 万台以上。 目前汽车用发电机主要是硅整流发电机，该发电机由电励磁绕组产生磁场，通过励 磁绕组的电能只有很少一部分转换为用于发电机的磁能，绝大部分电能由于励磁绕组线 圈发热而消耗掉。转子的励磁绕组易烧毁、断线、消耗电能多，必须由蓄电池提供励磁 电流才能发电，这样势必增加了汽车成本。一种硅整流发电机带有碳刷滑环装置，滑环 直径大，线速度高，碳刷容易磨损，寿命短，故障率高，另一种硅整流发电机是无刷发 电机，该机增加了磁场气隙，漏磁大，材料利用率低，成本高。 我国稀土资源丰富，钕铁硼工业储量占全世界8 0 以上，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l 唱，平均售价在 17 9 美元仪g ，在日本，钕铁硼永磁体价格高达2 2 0 - - 2 5 0 美元l 呜，而在我国钕铁硼永磁 体价格仅为3 0 美元l 喀左右，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，对促进永磁发电机的发展提供了广阔的取材途径，提高了该产品在国际市场上的 竞争能力 3 1 ，同时推广应用稀土永磁发电装置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。 因此研制一种钕铁硼永磁转子，无电励磁绕组、无碳刷滑环结构、无整流桥，电能 消耗少，发电效率高，整机结构简单，成本低，性能可靠，低速照明效果好，能给车辆 的刮雨器、暖风机、电喇叭等提供直流电源，也可直接给蓄电池充电的集整流、稳压为 一体的钕铁硼永磁发电装置十分有必要。该发电装置通过采用高磁性钕铁硼稀土永磁材 料，新的电子稳压技术，以及对磁路结构和绕组结构的创新设计，解决汽车、农用车在 中低速行驶时用电设施需用直流电问题，该发电装置以其先进的结构和优异的性能，决 定了该产品的生命力和市场竞争力，必将取代硅整流发电机，提高汽车电气系统的整体 水平，促进汽车工业的技术进步1 4 。因此该课题不仅具有较高的理论研究价值，而且具 有较大的经济效益和社会效益。 山东理t 大学硕 学位论文 第一章绪论 1 1 国内发电机现状 目前国内不少专家和工程技术人员对车用发电机作过许多改进，有不少产品 投放市场，按激磁方式不同主要分为四类： ( 1 ) 感应子发电机 在这种发电机中，励磁绕组和电枢绕组都装在定子上，因而能方便实现无刷 励磁，其工作原理是：在发电机气隙中，磁通因气隙磁导的变化而周期性变化， 从而产生感应电动势。感应子发电机转子上没有绕组，因而取消了集电环和电刷， 使发电机结构简单，可靠性高，维护方便【5 l 。实现了低成本的结构设计和无干扰无 故障的长期运行，是车用发电机的一次重要改进。但是它的气隙磁通利用率低，只有 交变分量被用来产生感应电动势，而交变分量只占全部气隙磁通的3 5 4 0 因 而感应子发电机的有效尺寸要比同功率的永磁发电机大，比功率低。 ( 2 ) 电励磁发电机 目前汽车用发电机主要是硅整流发电机，该发电机由电励磁绕组产生磁场， 电子调节器通过改变电励磁绕组电流的大小来改变励磁磁场的强弱，从而控制输 出电压的大小。该发电机转子励磁绕组易烧毁、断线、耗电多，而且必须由蓄电 池提供励磁电流才能发电，增加了汽车的成本【6 l 。一种硅整流发电机带有碳刷滑环 装置，滑环直径大，线速度高，碳刷容易磨损，寿命短，故障率高，另一种硅整流发电 机是无刷发电机，它是在后端盖或者前端盖上设置一个内定子铁芯搭架，搭架的螺钉将 内定子铁芯锁定在后端盖或者前端盖上，整流元件和外定子铁芯连成为一个整体l 。该 机增加了磁场气隙，漏磁大，材料利用率低，成本高。 ( 3 ) 混合励磁发电机 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【8 】，可见，这种方法具有严重的因循性。在定转速的情况下，当负 载的变化使输出电压波动时，通过辅助电磁场的调节来实现输出端电压的稳定是可行的。 但由于主要的磁场不可调节，辅助部分的调节作用是很有限的，汽车发电机尤其是转速 和负载都发生变化时，仅靠附加电磁场的调节来保证输出端电压的稳定是不可能的。 ( 4 ) 永磁发电机 随着永磁材料性能的不断提高，永磁发电机得到迅速发展，永磁发电机与电励磁发 电机最大的区别在于它的励磁磁场是永磁体产生的。目前在汽车上所用的电机中，除交 流发电机外，几乎所有品种的电机均有被永磁电机取代的趋势，这是因为永磁电机具有 较高的效率和比功率指标。因而研制开发高效节能汽车交流永磁发电机理所当然的成为 摆在我们面前的一大课题 9 1 。 2 山东理t 大学硕 学位论文 第章绪论 mi|il i l 1 2 国外发电机现状 m 乡 l - 投入生产和使用的永磁发电机大都采用铁氧体永磁材料，该材料磁性能差，热 稳定性低，易失磁，发电机可靠性差。虽然开发了一些钕铁硼永磁发电机产品，但由于 钕铁硼永磁材料成本高，并且全部依赖进口，因此未形成大批量生产【9 】郾】f 5 1 1 。目前主要 采用外置碳刷滑环装置，滑环直径小，线速度低，碳刷磨损少，故障率低的硅整流发电 机。 1 3 永磁发电机优点 永磁发电机具有以下优点f 5 2 】： ( 1 ) 结构简单、可靠性高。 发电机采用钕铁硼永磁转子，无碳刷滑环结构、无电励磁绕组，整机结构简单，避 免了电励磁发电机的励磁绕组易烧毁、断线及碳刷、滑环易磨损等问题，提高了可靠性。 ( 2 ) 发电效率高，电能消耗少。 图1 1 发电机效率特性曲线 发电机使用永磁体励磁，不需电励磁绕组的电能消耗，仅此一项即可提高效率1 0 - 1 5 。采用永磁转子，无须励磁电流即可提供旋转磁场，而且又没有电励磁转子碳刷与 滑环之间的机械损耗，所以发电机效率又可提高5 以上。从图1 1 可以看出，永磁发电 机比硅整流发电机效率高1 5 - - 2 0 。 ( 3 ) 低速供电性能好，输出电压调整率小。 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，永磁发电机 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；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。 ( 4 ) 环境适应性强。 山东理丁大学硕十学位论文 第章绪论 皇曼! 曼皇曼曼曼曼皇! 曼曼! 曼曼曼皇皇曼曼皇l , i 葛曼詈置詈鼍曼喜鲁皇曼葛鼍鲁量詈鲁詈! ! ! 皇曼皇! 鼍! 曼苎! 曼蔓 该发电装置无电励磁绕组、无碳刷滑环结构，能在潮湿或灰尘多的恶劣条件下运行； 无需外加励磁电源，发电装置只要旋转就能发电，提高了可靠性；永磁发电机无碳刷、 滑环结构，消除了碳刷与滑环之间磨擦而产生的无线电干扰，消除了电火花，也能适合 在爆炸性及危险程度较高的环境中工作。 ( 5 ) 延长了蓄电池的使用寿命。 首先，永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。第三，采用的三相半波可控整流稳压电路实质上是一个斩波式的开关稳压器， 工作时，斩掉( 截止) 部分波，导通部分波，截止瞬间，即停止充电，蓄电池极化迅速消 除，若有负载，则蓄电池还要放电，相当于反充电，极化消除效果会更好，为导通瞬间 充电提供了非常好的条件，在导通瞬间，高幅值的脉冲充电电流，可使极板上的活性物 质进行充分的电化学反应，有较强的去硫化和激活作用，因而蓄电池的容量可增加，从 而延长了蓄电池的使用寿命。 ( 6 ) 体积小、重量轻、比功率大、价格合理、用途广。 采用高剩磁感应强度，高矫顽力及高磁能积，去磁曲线为直线的钕铁硼稀土永磁材 料，转子采用径向励磁结构，使得发电机内部结构设计排列得很紧凑，体积小、重量轻。 永磁转子结构的简化，使得转子转动惯量减少，实用转速增加，比功率( 1 l p 功率、体积 之比) 达到一个较高的值。发电机不仅具有稳压功能，而且还可输出直流电，给蓄电池 充电，或直接驱动需用直流电的刮雨器、暖风机、电喇叭等工作。 1 4 永磁发电机电压控制现状 永磁发电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁 场极为困难。这些使永磁发电机的应用范围受到了限制。目前对永磁发电机电压的调节 主要有以下几种方式： ( 1 ) 调节电枢绕组 发电机的电枢做成多个绕组对应一个负载，低速运行时多个绕组一起工作，高速 时逐一断开绕组，可在一定程度上调节发电机的输出电压和输出功率1 4 i 1 0 】。 在三相线圈绕组中增加中间抽头。高速工作时用三相线圈绕组中间抽头输出的电 压，低速工作时用三相线圈绕组输出端输出的电压，解决t d , 四轮拖拉机在低速行驶时 照明灯亮度弱的问趔1 1 】。 可见这种调节方式，使用操作不方便，可靠性差。 ( 2 ) 调节转子的有效磁场 4 山东理丁大学硕十学位论文 第覃绪论 曼曼曼! 皇曼! 曼曼鼍ii 曼i 鼻量曼富昌曼曼皇曼鲁曼 永磁转子为多段结构，n 极与s 极沿圆周均布，各段之间可以相互转动，当发 电机转速发生变化时，通过改变各段的相对位置，可以将部分磁场短路漏掉而成为无效 磁场，从而实现了有效磁场的调节，也能达到调节电压的目的【1 2 】。但是在负载变化时， 调节机构失灵，因此这种方法仅适用于定负载的情况。 采用机械离心式调节器调节转子在定子铁芯内的有效长度，使电压随转速变化而 变化。由于转子磁性强，低速时输出电压较高，而高速时，转子随机械离心式调节器在 轴上移动，减少了转子在定子铁芯内的有效长度，从而起到了高速限压作用【1 3 1 。而当负 荷较小时，低速电压高，高速电压更高，出现烧灯泡现象。此种调节方式为机械调节结 构复杂，可靠性差，成本高，寿命短。 电磁振动式电压调节器。 ( 3 ) 晶体管电压调节器 随着电力电子器件控制技术的迅猛发展，晶体管电压调节器以开关管代替触点，不 但开关频率提高，且不会产生火花，调节效果好，具有重量轻，体积小，寿命长，可靠 ，e 高等优点，所以品体管调肖器使用越来越j 1 1 4 1 。 并联式电f 稳涨器1 1 5 】【1 6 l 图1 2 并联稳压电路原理图 并联稳压电路原理图如图1 2 所示。工作原理：发电机在白天工作时，由于不使用 照明灯，电路中无电流通过，通过“零电流封锁 发电机无功率输出。 当发电机有负载时，电路中有电流通过，信号整形电路与发电机的绕组输出端相连将发 电机输出的频率和幅值变化的交流电压变成电平信号，送到比较单元，与设定值进行比 较，此设定值对应于额定输出电压。当转速较低时，电平信号低于设定值，触发电路不 工作，主控晶闸管截止。此时输出电压就是发电机的绕组电压。转速升高，电平信号超 过设定值，则触发电路工作，主控晶闸管t 导通，这时发电机瞬时短路以降低输出电压。 并联式电子调节器缺点在于此稳压电路的可控硅与负载并联，在发电机高速低负载时， 由于可控硅经常导通，使发电机瞬时短路，发电机温度升高，浪费能源；同时并联式电 子调节器输出交流电，不能直接给用电设施提供直流电。 串联半控桥式稳压器i l 7 l 山东理丁大学硕十学位论文 第。章绪论 可控硅半控桥式整流稳压电路如图1 3 所示，由3 个整流二极管组成整流半桥，3 个可控硅组成控制半桥，稳压电路由基准电路、比较电路和触发电路组成。 一一一 b 王2z ! 到l 兰：竺_ j 砭 一陌词 一唑到一 一j一 一 z、z土 载 图1 3 可控硅半控桥式整流稳压电路原理图 工作时发电机输出的交流电经半控桥式整流电路整流稳压后向负载供电。当端电压 达到设定值时，与基准电压比较后，切断可控硅触发信号，可控硅延时至无正向电压时 截止，发电机输出电压降低；当端电压低于设定值时，控制电路输出触发信号，可控硅 导通，发电机对外输出，向负载和蓄电池供电，如此周而复始，实现稳定的电压输出。 由于汽车发电机功率大，而额定输出电压仅为1 4 v ，因此输出电流大，电流每经过 一个删结下降0 7 v ，由q = 珊知，电流越大，在相同的时间内发热就越多。删结 的大量发热不仅浪费了发电机的有效功率，而且解决散热问题也成为一个难题。这势必 增加了产品的成本。 以上各类方式在提高发电机低速时输出功率，降低高速时输出电压方面起到 了一定作用，但仍存在如下问题：对于机械调节电压，调节方式落后，可靠性 不高，材料利用率低，性能价格比不高，比功率低( 功率体积比) 。对于并联晶 体管电压调节方式，发电机温升高，浪费能源。 1 5 三相半波可控整流稳压电路 ( 1 ) 三相半波可控整流稳压电路工作原理 本课题采用三相半波可控整流稳压电路，该电路e h - - - 相半波可控整流电路、电压信 号取样电路和移相触发电路组成。当发电机输出电压低于目标稳压值时，电子稳压器为 三相半波整流输出。当发电机输出电压高于目标稳压值时，电压信号取样电路自动使三 相半波可控整流电路瞬时断开，降低输出电压。当发电机输出电压再低于目标稳压值时， 三相半波可控整流电路再恢复工作，周而复始。通过移相、削波、整流，保证了发电机 输出电压稳定的直流电。解决了车辆中低速照明问题、用电设施需用直流电的问题和给 蓄电池充电的问题。 ( 2 ) 三相半波可控整流稳压电路技术核心 三相半波可控电路原理图如图1 - 4 所示，用三只可控硅实现直流稳压输出，取替了 6 硅整流发电机的六只整流管组成的三相整流桥和调节转子励磁电流大小的电子调节器。 在发电机输出相同功率的情况下，三相半波可控整流稳压电路的耗电量要比整流桥电路 的耗电量低，减少了发热量，提高了输出功率，而且该电路集整流、稳压于一体，提高 了使用可靠性，降低了生产成本。 图l _ 4 三相半波可控整流稳压电路原理图 1 6 新研制的永磁发电机结构示意图 钕铁硼永磁直流发电机包括电子稳压器、发电机前后端盖及由定子铁芯、线圈绕组 构成的定子总成，以及由转子轴、转子铁芯、钕铁硼永磁钢构成的转子总成。如图1 5 所示。 1 轴承2 转子轴 3 后端盖4 电子稳压器5 转子铁芯6 钕铁硼永磁钢 7 极靴8 定子铁芯9 竹楔l o 线圈绕组 ii 前端盖 1 2 风扇1 3 皮带轮 图1 5 钕铁硼永磁直流发电机结构示意图 7 山东理1 ：大学硕士学俺论文第章绪论 置詈詈皇曼鼍! 皇皇蔓! 曼曹皇i i i i i 一一 一, i 鼍皇詈鲁量喜量鼍曼暑鼍墨 1 7 课题研究的主要内容 ( 1 ) 研究分析永磁材料的特性及永磁材料对发电机运行特性的影响规律，确定课题 选用的永磁材料。通过理论计算和试验分析确定永磁体及定子的主要尺寸。 ( 2 ) 研究发电机转子励磁结构和磁路的计算方法，并推导一种计算电枢反应电抗 的新方法。 ( 3 ) 根据永磁同步发电机电磁计算程序与计算电枢反应电抗的新方法，利用 v c + + 编制计算程序，研究设计稀土永磁发电机。 ( 4 ) 分析永磁交流发电机的稳压原理，研究由基准电路、取样电路、触发电路和 主电路组成的三相半波可控整流稳压电路。 8 山东理t 大学硕十学位论文 第二章t 耍参数的确定 2 1 设计原则 第二章主要参数的确定 ( 1 ) 发电机性能指标应达到中华人民共和国机械行业标准j b t 8 5 8 2 6 - 2 0 0 1 。 ( 2 ) 电子稳压器具有节能稳压作用，输出直流电。 ( 3 ) 满足用户要求，低速灯光亮，高速不烧灯泡，并能给蓄电池充电。 ( 4 ) 提高材料利用率，降低成本。 ( 5 ) 具有抗振动、抗冲击、防尘、防潮等功能。 ( 6 ) 使用可靠、安装方便、体积小、重量轻。 2 2 输出功率、转速范围、稳压范围的确定 ( 1 ) 输出功率的确定 为了计算分析方便，首先引入电器使用频度系数概念【1 8 1 ，随着季节和环境的不同， 各种电器的使用机会也不同，即使用频度系数不同，以c a l 0 9 0 车用发电机为例，发电 机主要为车辆夜间照明、转向指示、电喇叭、刮雨器、暖风机等提供直流电源。夜间灯 1 0 0 w 使用频度系数为1 0 ，起动机1 2 0 0 w ，使用频度系数为o 1 ，制动灯2 0 w 使用频 度系数为0 7 5 ，转向灯2 0 w 使用频度系数为o 1 ，刮雨器6 0 w 使用频度系数为o 2 5 ，暖 风机6 0 w 使用频度系数为0 2 5 。 则发电机输出功率应不小于： p = 1 0 0 1 0 + 1 2 0 0 x 0 1 + 2 0 0 7 5 + 2 0 0 1 + 6 0 x 0 2 5 + 6 0 0 2 5 = 2 6 7 形 根据一般鸷f - q c j 的用电设施，用电总量为2 7 0 w 左右，因此设计输出功率为3 0 0 w 的 发电机。 ( 2 ) 转速范围的确定 发电机的额定转速一般为3 5 0 0 r 1m i n 一- 6 0 0 0 r m i n 之间，本设计选择发电机的额定 转速为4 0 0 0r m i n 。 ( 3 ) 稳压范围的确定 车用发电机的额定电压为1 4 v ，根据中华人民共和国机械行业标准j b , r i 8 5 8 2 6 - 2 0 0 1 标准要求，发电机转速在2 0 0 0 r r a i n - , 4 8 0 0r m i n 范围内，其输出电压在8 - 1 4 5 v 之 间。本设计永磁发电机转速在2 0 0 0 r m i n - , 4 8 0 0r m i n 时，其稳压范围选择在1 1 1 4 5 v 之间。 9 山东理丁大学硕十学位论文 第- 二章t 要参数的确定 2 3 永磁材料的选择 永磁发电机的特点是利用永磁体产生磁场，永磁材料经过磁化后，不需要外加能量 就能在其周围空间建立磁场，结构简单，运行可靠，损耗少，效率高，发电机的尺寸和 形状可以灵活多样，但性能和体积受永磁材料的影响较大。随着磁性材料的迅速发展， 选用合适的永磁材料成为车用发电机设计的一个重要问题。 2 3 1 永磁材料的选用原则h 3 】 ( 1 ) 选用的永磁材料产生的气隙磁场能够达到发电机性能指标的要求。 ( 2 ) 在规定的环境条件、工作温度和使用条件下保证磁性能稳定。主要指发电机运行 过程中产生最大去磁磁势的影响和磁钢温度的稳定性。 ( 3 ) 具有良好的机械性能，以便加工和装配。 2 3 2 常用永磁材料的特性 常用的永磁材料有三种：铝镍钴永磁材料、铁氧体永磁材料、稀土永磁材料。主要 由以下三个参数来表达： ( 1 ) 剩余磁感应强度召， 永磁材料在外部磁化场的作用下磁化到饱和，当去掉外部磁化场后，永磁材料本身 具有的磁感应强度值b ，称为剩余磁感应强度。从永磁材料的应用角度看，剩余磁感应 强度越大越好。 ( 2 ) 矫顽力h ， 永磁材料在饱和磁化的情况下，当剩余磁感应强度降到零时所需要的反向磁场强度， 也就是退磁曲线与横坐标的交点叫做磁感应矫顽力。永磁体的矫顽力代表着它抗外磁场 干扰的能力，矫顽力越高，抗外磁场干扰的能力就越强，发电机越能适应具有强大外磁 场的动态工作环境。在发电机的设计中为了得到磁路的磁势平衡，磁体在磁化方向上必 须有一定的厚度，矫顽力大，则磁体在磁化方向的厚度就可以减小。 ( 3 ) 磁能积p h ) 和最大磁能积p 日) 咄 退磁曲线上任点处b 和h 值的乘积佃h ) ，称作该点处的磁能积。磁能积的单位 是j m 3 ，表示单位体积永磁体向外磁路提供的磁场能量。永磁体的最大磁能决定于三 个因素：剩余磁感应强度b ，、矫顽力日。以及退磁曲线在第二象限向外突出的程度( 称为 永磁体的形状系数) 。发电机中应用的永磁体最大磁能积越大越好，因为在获得相同磁场 能量的条件下，最大磁能积越大，所用永磁材料就越省。 1 0 山东理t 大学硕十学位论文 第一章主要参数的确定 皇曼曼曼! 曼! 曼鼍! 曼曼! ! ! ! 曼曼量皇皇鼍i m i ! 铝镍钴永磁材料是2 0 世纪3 0 年代研制成功的，当时，它的磁性能最好，温度系数 又小，因而在永磁电机中应用的最多最广。铝镍钴永磁硬而脆，可加工性差，仅能进行 少量的磨削或电火花加工，6 0 年代以后随着铁氧体和稀土永磁的相继问世，铝镍钴永磁 在电机中的应用逐步被取代，因此可以只对铁氧体永磁和稀土永磁材料的应用进行分析。 铁氧体永磁材料属于非金属永磁材料，价格低廉，不含稀土元素、钴镍等贵金属； 制造工艺简单；矫顽力较大，日，为1 2 8 - - 3 2 0 k a m ，抗去磁能力较强；密度小，只有 4 - 5 2 9 c m 3 ，质量较轻；退磁曲线接近于直线，或者说退磁曲线的很大一部分接近于 直线，回复线基本上与退磁曲线的直线部分重合，可以不需像铝镍钴那样进行稳磁处理， 在电机中应用最为广泛。 铁氧体永磁的缺点：( 1 ) 剩磁密度和最大磁能积相对稀土永磁要低，因而需要加大提 供磁通的截面积，使发电机的体积增大。( 2 ) 环境温度对磁性能的影响大。( 3 ) 铁氧体永 磁材料硬而脆，且不能进行电加工，仅能切片和进行少量的磨加工。 稀土钴永磁的最大磁能积已达到2 5 8 6 k j m 3 剩余磁感应强度b ，一般高达0 8 5 1 1 5 t ，接近铝镍钴永磁水平；磁感应矫顽力日，可达4 8 0 - - 8 0 0 k a m ，大约为铁氧体 永磁的3 倍。退磁曲线基本上是一条直线，回复线基本上与退磁曲线重合，抗去磁能力 强，温度系数低且居里温度高，一般为7 1 0 0 c , - 一8 8 0 0 c 。因此稀土钴永磁材料的磁稳定性 很好。 稀土钕铁硼永磁是1 9 8 3 年问世的高性能永磁材料。它的磁性能高于稀土钴永磁，室 温下剩余磁感应强度口，可高达1 4 7 t ，磁感应矫顽力h 。可达9 9 2k a m ， 最大磁能积 佃日) 。高达3 9 7 9 彤m 3 ，是目前磁性能最高的永磁材料。本身不含战略物资钴，因 此相对铝镍钴价格便宜嗍。 稀土永磁材料共同存在的缺点是：( 1 ) 材料硬而脆，抗拉强度和抗弯强度均较低，仅 能进行少量的电火花或线切割加工。( 2 ) 磁极相互的吸引力和排斥力很大，在充磁后不利 于安装和运输。 2 3 3 永磁材料对发电机性能的影响及永磁材料的确定 ( 1 ) 永磁材料对发电机低速性能的影响i l 卅 影响发电机低速性能的一个主要方面就是永磁材料的磁性能，其主要的磁性能参数 是剩磁感应强度n r 和最大磁能积( b h ) 。铁氧体永磁材料的剩磁感应强度曰，和最大 磁能积p 日) 一都不高，稀土永磁材料的b ，和p 日) 一远大于铁氧体。因此考虑发电 机的低速发电性能，选择稀土永磁材料是最好的，可以使发电机的低速性能得到很大的 改善，也可以在发电机定子和绕组不变的情况下使发电机输出功率得到极大的提高。 ( 2 ) 永磁材料对发电机体积的影响 随着汽车发电机向轻量化、小型化的发展，要求永磁体的厚度越来越薄凹j ，并具有 山东理t 大学硕t ：学位论文 第一章主要参数的确定 较高的剩磁感应强度b r 和最大磁能积协h ) m 。 ( 3 ) 永磁材料对发电机稳定运行的影响 在发电机的设计中，选取最大电负荷时，发电机的电枢反应所产生的去磁磁势绝对 不能接近或超过磁钢所规定的矫顽力h ct 2 1 】。否则发电机经过一段时间运转，或经大负 荷下运转，逐渐会使发电机磁钢失磁或去磁，为保证磁性能的稳定性和发电机输出功率、 输出电压的稳定性，要求具有很高的矫顽力h ，。 通过对铁氧体和稀土永磁材料对发电机影响的分析，永磁电机对永磁材料的磁性能 要求是具有“三高”的磁特性1 2 1 1 ，即剩磁感应强度b ，高，矫顽力日。高，最大磁能积 佃日) 。高，而钕铁硼永磁材料正具备这些优异的性能。因此本设计选用n t p 3 0 h 稀土 永磁材料，该材料的主要参数为：剩余磁感应强度b r = 1 1 2 t ，矫顽力h ，= 7 9 6 k a m ， 最大磁能积( b 日) 。= 2 2 4 0 m 3 。 2 4 钕铁硼稀土永磁体积的确定 在永磁体和输出功率一定的情况下根据经验公式确定永磁体的体积h 3 1 ： 形，：2 2 5 一鱼亟鱼生x l o ，删， 朋 f r ug - c ( 跗) 一 式中尸发电机的额定容量，日= 3 0 0 w ； c r o 漏磁系数，= 1 0 5 ； 如一直轴电枢反应磁势折合瓶如= 等吗- 极弧系数， 2 口。= 0 7 5 ，k 甜2 0 8 3 ； k ，发电机短路时每极永磁体磁势与直轴电枢反应磁势，k ，= 三。卺， 发电机短路状态永磁体的磁势，k 发电机短路状态电枢反应磁势， k ，= 1 1 ； k 电压波形系数， f k 。= i 【一鲁咖悟一 额定相电压，瓯空载感应电动势，c o s 缈功率因数，计算得k 。= 0 0 6 ； 厂发电机的频率，厂：丝：6 x4 0 0 0 ：4 0 0 h z ： 。 6 06 0 k 被形系数，当磁场分布为正弦时，巧= 1 1 ； c 最大磁能利用系数，c = 4 。扫砒，吒。发电机空载时磁感应强度标么值， 1 2 b 。= j ，以一一外磁路合成磁导；k 。一一发电机短路时矫顽力标么值 九十l l + 以盘 = 导，厶_ 三相稳态短路时折合到转子的直轴电枢反应磁势的标么值。 九r 1 ( 肼) 一最大磁能积( 肼) 一= 2 5 0 k f f m 3 。 从上述公式可以看出： ( 1 ) 永磁体的体积与永磁材料的最大磁能积和利用系数有关，最大磁能积越大所需体 积越小，磁能利用系数越大所需体积越小，利用情况越好。 ( 2 ) 永磁体的体积与电压系数k 。成反比也就是说，一般情况下永磁发电机的外特性 越硬( 电压调整u 率越小) ，所需永磁体的体积就越大。 ( 3 ) 永磁体的体积与漏磁系数c r 0 成正比为了减少永磁体体积，应尽可能减少漏磁。 公式中盯。、k 耐、k f 、k 。、k 曰均在一定范围内，变化不大。设计时可根据给定 的额定容量尸和频率f ，根据选用永磁材料的最大磁能积( 删) 一和预计利用系数c 就 可计算出所需永磁体的体积。在实际选用时，尚需留出适当的余量，一般可加大2 0 左 右。 k ，：2 2 5 j 趣盟l o ，m m ”。 弘。k - c ( 删) 一 ：2 2 5 1竺旦兰!旦：兰坐兰q：坠!：!-10：66722ramx xi o oz , , m f l ， = z z ) 7 5 ji p l 由r f c 3f c i惟f f i 、2 一稀l ：永磁退磁l l j 线，卜永磁体负载r 作曲线，4 一永磁体空钱一l 作曲线 图2 1 不同磁化方向长度的永磁体对外磁路磁势的贡献 稀土永磁材料的回复磁导率“，= 1 1 ， 也就是说稀土永磁体的内阻很大，是空气隙 山东理r 大学硕十学位论文 第_ 章主耍参数的确定 的彳，类似于空气隙。这样，当永磁体磁化方向的长度增加时，磁势也成正比例增加， 工工 但由于磁体的内部磁阻很大，并且也按磁体磁化方向的长度正比例增加，所以从整体磁 路来看，永磁体内部的磁压降增大，若永磁体的工作点选取过高，则导致对外磁路的磁 势贡献变化很d , t 4 4 j ，如图2 - - 1 所示，只为源磁势，两条退磁曲线相比较，曲线2 的磁 体沿磁化方向的长度比磁体l 沿磁化方向的长度增加了一倍，但磁体对外贡献的磁势值 仅增加了f ，这说明对于稀土永磁发电机磁体磁化方向的长度不易过大，而对于本设 计的径向磁路，相当于串联磁路更是如此。但是对于稀土材料而言，磁化方向过小不利 于加工而且使用极不方便。因此本设计稀土永磁体的磁化方向的长度为厅仰= 2 r a m 。 发电机转子采用了两种不同磁钢时输出的电压值如表2 一l 所示，通过比较实际选用 永磁体的体积及尺寸为： v = w x s x = 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 4x ( 2 5 r a m 1 4 m m ) x2 r a m = 8 4 0 0 m m 3 = 8 4 c m 3 表2 - 1 不同磁钢截面积对发电机输出电压的影响 速 磁钢尺寸为2 m m 1 2 m m 2 5 m m 磁钢尺寸为2 m m 1 4 m m 2 5 r a m 2 5 每相绕组串联匝数的计算 n ：二生生一1 0 8 ( 匝) 4 4 4 f k ，k a p a o 、 其中预计空载电动势反= 1 i u = 1 1 x3 0 = 3 3 v ， u _ = 3 0 v 1 4 g _ 极每相槽数，g = 嘉= 虿羔= 1 ，z s 定子齿数z s = 3 6 ，p 川 对数，p ：6 ，肌一一相数，朋：3 ：k p 一一短距因数，k ，：s i n 望竽：l ， = 上= 熹= 1 ，y 绕组节距，y = 3 ；k 矗斜槽因数k 靠= 1 ； m q j1 丸。空载气隙磁通，计算得九。= 0 2 3 8 x1 0 七w b 。 n t ： 坠：一 一旦一1 ：7 0 4 ( 匝) 4 4 4 肛咖妒占o k 4 4 4 x 4 0 0 x 1 x 0 2 3 8 x 1 0 。1 1 对发电机采用同一转子磁钢不同定子线圈匝数进行实验，结果如表2 - 2 所示。在达 到设计要求的前提下，为了使发电装置在较低转速时有较高的输出电压，定子线圈采用 2 股矽0 7 l m m8 匝，实际选用n = 1 2 8 = 9 6 匝。 表2 2 采用同一转子磁钢不同定子线圈在不同转速时的电压值 转1 5 0 形3 凶塑 速 当奎翌二奎兰翌主兰堡丝兰1 皇鼍鼍曼皇鼍皇曼曼皇曼皇曼皇曼暑曼鼍! 皇葛皇! 曼曼墨詈曼耋：圣至圣茎娑 定子线圈为2 股矽0 7 1 m m 6 匝 定子线圈为2 股矽o 7 1 r a m 7 匝 定子线圈为2 股o 7 1 r a m 8 匝定子线圈为2 股矽0 6 4 m m 9 匝 定子线圈为2 股g o 6 4 r a m1 0 匝 2 6 转子尺寸的确定 永磁体转子的外径 d m2 l o m m 如果考虑磁铁应有一定的余量，将体积扩大2 5 ，则上式写成p 5 1 d u = 1 1 7 丧枷删 式中永磁体的体积； d 材有极靴转子的外径； 七删永磁体的填充系数，七删= 争，本设计取七肼= o 0 9 ； 转子的体积； 永磁体体积的长细比砧= 苦，k 卅子铁芯的轴向长度，砧= ( 。6 一l 柳万1 本设计取钆= 0 7 = 0 2 8 5 8 。 因此d u = 1 1 7 击卅肿淼- s 瞄一s o 6 删 l m = 砧p m = 0 2 8 5 8 x 8 0 6 = 2 3 o l m m 本设计取d ，= 8 1 2 r a m 为了保证充分利用定子铁芯，本设计k = 2 5 m m 。 2 7 定子主要尺寸的确定 2 7 1 定子铁芯的内径及轴向长度 定子铁芯的内径d = d m + 2 6 = 8 1 2 + 2 x0 4 = 8 2 r a m ，万气隙长度，一般的小 容量同步发电机可取万= 0 3 0 4 m m ，本设计万= 0 4 m m 。 定子铁芯轴向长度l ，= 2 3 r a m 。 1 6 2 7 2 定子齿宽 6 ，。：竺l 1 0 3 删 d a d kf e z s b z s l s 口j 口极弧系数，口p = 0 7 5 ； k r 铁芯叠压系数，k n = 0 9 2 ； b 嚣定子齿部磁通密度，取b 历= 1 2 t 4 5 1 吆= 雨2 忑p u 丽o 1 0 3 = 而而2 x 丽6 x0丽238丽x10-3 1 0 3 “朋 为了保证定子齿的刚度，并且使定子铁芯不宜饱和，本设计b 签= 4 5 m m 。 2 7 3 定子轭部高度 k = j 2 k r e b o ，l s x1 0